JP6298657B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。特に、本発明は、例えば、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明、例えば、酸化物半導体を有する半導体装置、表示装置、または、発光装置に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. In particular, the present invention relates to, for example, a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a semiconductor device, a display device, or a light-emitting device including an oxide semiconductor, for example.

特許文献1にはMOS型トランジスタを有する半導体基板上に、酸化物半導体層を有するトランジスタを有する半導体装置が記載されている。また特許文献2には酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、オフ状態において極めてリーク電流が小さいことが記載されている。 Patent Document 1 describes a semiconductor device having a transistor having an oxide semiconductor layer over a semiconductor substrate having a MOS transistor. Patent Document 2 describes that a transistor using an oxide semiconductor film has extremely small leakage current in an off state.

特開2010−141230号公報JP 2010-141230 A 特開2012−257187号公報JP 2012-257187 A

本発明の一態様は、多値情報を記憶することができる半導体装置を提供することを課題とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of storing multilevel information.

本発明の一態様は、オフ電流の低い半導体装置などを提供することを課題とする。または、本発明の一態様は、消費電力の低い半導体装置などを提供することを課題とする。または、本発明の一態様は、透明な半導体層を用いた半導体装置などを提供することを課題とする。または、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体層を用いた半導体装置などを提供することを課題とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or the like with low off-state current. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or the like with low power consumption. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or the like including a transparent semiconductor layer. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or the like including a highly reliable semiconductor layer.

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様は、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第1の容量素子、第2の容量素子及び第3のトランジスタを有し、第1のトランジスタのチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有し、第2のトランジスタのチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有し、第1のトランジスタのゲートは第1のワード線に電気的に接続され、第1のトランジスタのソース及びドレインの一方はビット線に電気的に接続され、第1のトランジスタのソース及びドレインの他方は、第2のトランジスタのソース及びドレインの一方、及び第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、第2のトランジスタのゲートは、第2のワード線に電気的に接続され、第2のトランジスタのソース及びドレインの他方は、第3のトランジスタのゲート、及び第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続される半導体装置である。 One embodiment of the present invention includes a first transistor, a second transistor, a first capacitor, a second capacitor, and a third transistor, and a region where a channel of the first transistor is formed is oxidized A region in which the channel of the second transistor is formed includes an oxide semiconductor layer, and the gate of the first transistor is electrically connected to the first word line. One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to the bit line, and the other of the source and the drain of the first transistor is connected to one of the source and the drain of the second transistor and the one electrode of the first capacitor. Electrically connected, the gate of the second transistor is electrically connected to the second word line, and the other of the source and the drain of the second transistor is connected to the third transistor. Over bets, and a semiconductor device which is electrically connected to one electrode of the second capacitor.

半導体装置に情報を書き込む動作は、ビット線から第1の容量素子及び第2の容量素子に電荷を蓄積する工程と、ビット線から第1の容量素子にさらに電荷を蓄積する工程と、を有し、情報を読み出す動作は、第2の容量素子の電圧により第3のトランジスタをオンにする工程と、第2のトランジスタをオンにして、第1の容量素子と、第2の容量素子とを並列接続させる工程と、を有する。 The operation of writing information to the semiconductor device includes a step of accumulating charges from the bit line to the first capacitor element and the second capacitor element, and a step of accumulating charges from the bit line to the first capacitor element. In the operation of reading information, the third transistor is turned on by the voltage of the second capacitor, the second transistor is turned on, and the first capacitor and the second capacitor are And connecting them in parallel.

第1の容量素子と第2の容量素子とを並列接続させ、第1の容量素子の電圧又は第2の容量素子の電圧により第3のトランジスタをオンにする。 The first capacitor element and the second capacitor element are connected in parallel, and the third transistor is turned on by the voltage of the first capacitor element or the voltage of the second capacitor element.

本発明の一態様である半導体装置は、多値情報を記憶させて読み出す場合、ビット数が増加しても、設定する状態、判別する状態は少なく、判別回路は複雑とならない。 In the semiconductor device which is one embodiment of the present invention, when multi-value information is stored and read, even when the number of bits is increased, a setting state and a determination state are few, and a determination circuit is not complicated.

第3のトランジスタのソース及びドレインの一方は電源線に電気的に接続され、他方はビット線に電気的に接続されてもよい。 One of the source and the drain of the third transistor may be electrically connected to the power supply line, and the other may be electrically connected to the bit line.

本発明の一態様である半導体装置は、さらに第4のトランジスタを有し、第4のトランジスタのチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有し、第4のトランジスタのゲートは第3のワード線に電気的に接続され、第4のトランジスタのソース及びドレインの一方は、第2のトランジスタのソース及びドレインの他方、第2の容量素子の一方の電極、及び第3のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第4のトランジスタのソース及びドレインの他方には基準電位が印加される。 The semiconductor device which is one embodiment of the present invention further includes a fourth transistor, the region where the channel of the fourth transistor is formed includes an oxide semiconductor layer, and the gate of the fourth transistor is the third transistor. One of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to the word line, the other of the source and the drain of the second transistor, the one electrode of the second capacitor, and the gate of the third transistor. A reference potential is applied to the other of the source and the drain of the fourth transistor.

半導体装置が第4のトランジスタを有する場合、情報を読み出す動作は、第2の容量素子の電圧により第3のトランジスタをオンにする工程と、第4のトランジスタをオンにして第2の容量素子の電圧を低下させる工程と、第4のトランジスタをオフにするとともに第2のトランジスタをオンにして、第1の容量素子と、第2の容量素子とを並列接続させる工程と、を有する。 In the case where the semiconductor device includes the fourth transistor, the operation of reading information includes a step of turning on the third transistor with the voltage of the second capacitor, and a step of turning on the fourth transistor and turning on the second capacitor. A step of lowering the voltage, and a step of turning off the fourth transistor and turning on the second transistor to connect the first capacitor element and the second capacitor element in parallel.

本発明の一態様である半導体装置は、多値情報を記憶させて読み出す場合、ビット数が増加しても、設定する状態、判別する状態は少なく、判別回路は複雑とならない。 In the semiconductor device which is one embodiment of the present invention, when multi-value information is stored and read, even when the number of bits is increased, a setting state and a determination state are few, and a determination circuit is not complicated.

半導体装置の回路図。1 is a circuit diagram of a semiconductor device. タイミングチャート。Timing chart. タイミングチャート。Timing chart. 半導体装置の回路図。1 is a circuit diagram of a semiconductor device. 半導体装置の回路図。1 is a circuit diagram of a semiconductor device. 半導体装置の回路図。1 is a circuit diagram of a semiconductor device. タイミングチャート。Timing chart. タイミングチャート。Timing chart. 半導体装置の回路図。1 is a circuit diagram of a semiconductor device. 半導体装置の回路図。1 is a circuit diagram of a semiconductor device. タイミングチャート。Timing chart. タイミングチャート。Timing chart. 半導体装置の断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view of a semiconductor device. トランジスタの断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view of a transistor. 電子機器。Electronics.

本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されるものではない。本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態およ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からである。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて本発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description. It will be readily understood by those skilled in the art that various changes in form and details can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments given below. Note that in describing the structure of the present invention with reference to the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings.

本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介して電気的に接続している状態も、その範疇に含む。 In this specification, the connection means an electrical connection, and corresponds to a state where current, voltage, or potential can be supplied or transmitted. Therefore, the connected state does not necessarily indicate a directly connected state, and a wiring, a resistor, a diode, a transistor, or the like is provided so that current, voltage, or potential can be supplied or transmitted. The state of being electrically connected via a circuit element is also included in the category.

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。 In the drawings attached to the present specification, the components are classified by function, and the block diagram is shown as an independent block. However, it is difficult to completely separate the actual components for each function. May involve multiple functions.

なお、トランジスタのソースとは、活性層として機能する半導体膜の一部であるソース領域、或いは上記半導体膜に電気的に接続されたソース電極を意味する。同様に、トランジスタのドレインとは、活性層として機能する半導体膜の一部であるドレイン領域、或いは上記半導体膜に電気的に接続されたドレイン電極を意味する。また、ゲートはゲート電極を意味する。 Note that the source of a transistor means a source region that is part of a semiconductor film functioning as an active layer or a source electrode that is electrically connected to the semiconductor film. Similarly, a drain of a transistor means a drain region that is part of a semiconductor film functioning as an active layer or a drain electrode that is electrically connected to the semiconductor film. The gate means a gate electrode.

トランジスタが有するソースとドレインは、トランジスタのチャネル型及び各端子に与えられる電位の高低によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、nチャネル型トランジスタでは、低い電位が与えられる端子がソースと呼ばれ、高い電位が与えられる端子がドレインと呼ばれる。また、pチャネル型トランジスタでは、低い電位が与えられる端子がドレインと呼ばれ、高い電位が与えられる端子がソースと呼ばれる。本明細書では、便宜上、ソースとドレインとが固定されているものと仮定して、トランジスタの接続関係を説明する場合があるが、実際には上記電位の関係に従ってソースとドレインの呼び方が入れ替わる。 The terms “source” and “drain” of a transistor interchange with each other depending on the channel type of the transistor and the level of potential applied to each terminal. In general, in an n-channel transistor, a terminal to which a low potential is applied is called a source, and a terminal to which a high potential is applied is called a drain. In a p-channel transistor, a terminal to which a low potential is applied is called a drain, and a terminal to which a high potential is applied is called a source. In this specification, for the sake of convenience, the connection relationship between transistors may be described on the assumption that the source and the drain are fixed. However, the names of the source and the drain are actually switched according to the above-described potential relationship. .

なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、または/および、一つもしくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、または置き換えなどを行うことが出来る。 Note that the content (may be a part of content) described in one embodiment is different from the content (may be a part of content) described in the embodiment, and / or one or more Application, combination, replacement, or the like can be performed on the content described in another embodiment (or part of the content).

なお、図において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために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。 Note that the size, the thickness of layers, or regions in drawings is sometimes exaggerated for simplicity. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

なお、図は、理想的な例を模式的に示したものであり、図に示す形状または値などに限定されない。例えば、製造技術による形状のばらつき、誤差による形状のばらつき、ノイズによる信号、電圧、もしくは電流のばらつき、または、タイミングのずれによる信号、電圧、もしくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。 The figure schematically shows an ideal example, and is not limited to the shape or value shown in the figure. For example, it is possible to include variation in shape due to manufacturing technology, variation in shape due to error, variation in signal, voltage, or current due to noise, variation in signal, voltage, or current due to timing shift.

また、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位(GND)またはソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。 In many cases, the voltage indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential (GND) or a source potential). Thus, a voltage can be rephrased as a potential.

本明細書においては、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。 In this specification, even when expressed as “electrically connected”, in an actual circuit, there may be no physical connection and the wiring may only extend.

なお、第1、第2として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。 The ordinal numbers attached as the first and second are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. In addition, a specific name is not shown as a matter for specifying the invention in this specification.

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。従って、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 Note that even when “semiconductor” is described, for example, when the conductivity is sufficiently low, the semiconductor device may have characteristics as an “insulator”. In addition, the boundary between “semiconductor” and “insulator” is ambiguous and may not be strictly discriminated. Therefore, a “semiconductor” in this specification can be called an “insulator” in some cases. Similarly, an “insulator” in this specification can be called a “semiconductor” in some cases.

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。従って、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 In addition, even when “semiconductor” is described, for example, when the conductivity is sufficiently high, the semiconductor device may have characteristics as a “conductor”. In addition, the boundary between “semiconductor” and “conductor” is ambiguous, and there are cases where it cannot be strictly distinguished. Therefore, a “semiconductor” in this specification can be called a “conductor” in some cases. Similarly, a “conductor” in this specification can be called a “semiconductor” in some cases.

本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。 In this specification, “parallel” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included.

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

(実施の形態1)
図1に半導体装置100を示す。半導体装置100は、トランジスタ101、トランジスタ102、容量素子103、容量素子104、トランジスタ105を有する。半導体装置100は多値情報を記憶することができる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a semiconductor device 100. The semiconductor device 100 includes a transistor 101, a transistor 102, a capacitor 103, a capacitor 104, and a transistor 105. The semiconductor device 100 can store multi-value information.

トランジスタ101及びトランジスタ102のチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有している。トランジスタ105のチャネルが形成される領域は酸化物半導体、シリコンなど、様々な材料を有する層を用いることができる。 A region where a channel of the transistor 101 and the transistor 102 is formed includes an oxide semiconductor layer. For a region where the channel of the transistor 105 is formed, layers including various materials such as an oxide semiconductor and silicon can be used.

トランジスタ101のゲートは配線112に電気的に接続される。配線112はワード線として機能することができる。 A gate of the transistor 101 is electrically connected to the wiring 112. The wiring 112 can function as a word line.

トランジスタ101のソース及びドレインの一方は配線113に電気的に接続される。配線113はビット線として機能することができる。 One of a source and a drain of the transistor 101 is electrically connected to the wiring 113. The wiring 113 can function as a bit line.

トランジスタ101のソース及びドレインの他方は容量素子103の一方の電極に電気的に接続される。またトランジスタ101のソース及びドレインの他方はトランジスタ102のソース及びドレインの一方に電気的に接続される。 The other of the source and the drain of the transistor 101 is electrically connected to one electrode of the capacitor 103. The other of the source and the drain of the transistor 101 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 102.

容量素子103の一方の電極はトランジスタ101のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。また容量素子103の一方の電極はトランジスタ102のソース及びドレインの一方に電気的に接続される。 One electrode of the capacitor 103 is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 101. One electrode of the capacitor 103 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 102.

容量素子103の他方の電極は配線115に電気的に接続される。 The other electrode of the capacitor 103 is electrically connected to the wiring 115.

トランジスタ102のゲートは配線111に電気的に接続される。配線111はワード線として機能することができる。 A gate of the transistor 102 is electrically connected to the wiring 111. The wiring 111 can function as a word line.

トランジスタ102のソース及びドレインの他方は容量素子104の一方の電極に電気的に接続される。またトランジスタ102のソース及びドレインの他方はトランジスタ105のゲートに電気的に接続される。 The other of the source and the drain of the transistor 102 is electrically connected to one electrode of the capacitor 104. The other of the source and the drain of the transistor 102 is electrically connected to the gate of the transistor 105.

容量素子104の一方の電極はトランジスタ102のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。また容量素子104の一方の電極はトランジスタ105のゲートに電気的に接続される。 One electrode of the capacitor 104 is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 102. One electrode of the capacitor 104 is electrically connected to the gate of the transistor 105.

容量素子104の他方の電極は配線114に電気的に接続される。 The other electrode of the capacitor 104 is electrically connected to the wiring 114.

なお容量素子103の他方の電極及び容量素子104の他方の電極は異なる配線に電気的に接続されているが、1つの配線に電気的に接続されてもよい。換言すると、容量素子103の他方の電極は、容量素子104の他方の電極と電気的に接続され、1つの配線に電気的に接続されてもよい。その場合、配線の数を減らすことができる。 Note that the other electrode of the capacitor 103 and the other electrode of the capacitor 104 are electrically connected to different wirings, but may be electrically connected to one wiring. In other words, the other electrode of the capacitor 103 may be electrically connected to the other electrode of the capacitor 104 and electrically connected to one wiring. In that case, the number of wirings can be reduced.

トランジスタ105のソース及びドレインの一方は端子106に電気的に接続される。トランジスタ105のソース及びドレインの他方は端子107に電気的に接続される。 One of a source and a drain of the transistor 105 is electrically connected to the terminal 106. The other of the source and the drain of the transistor 105 is electrically connected to the terminal 107.

半導体装置100への情報の書き込み動作、及び書き込んだ情報の読み出し動作を説明する。図2−3にタイミングチャートを示す。 An operation for writing information to the semiconductor device 100 and an operation for reading the written information will be described. FIG. 2-3 shows a timing chart.

まず書き込み動作の一例を説明する(図2)。書き込み動作の一例として、容量素子104の電極間の電位差がV1となるような電荷を容量素子104に蓄積し、容量素子103の電極間の電位差がV2となるような電荷を容量素子103に蓄積することを説明する。 First, an example of the write operation will be described (FIG. 2). As an example of the writing operation, a charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 104 to be V1 is accumulated in the capacitor 104, and a charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 103 to be V2 is accumulated in the capacitor 103. Explain what to do.

書き込み動作はステップ1とステップ2に分けられる。ステップ1で容量素子104の電極間の電位差(VC1)をV1にし、ステップ2で容量素子103の電極間の電位差(VC2)をV2にする。 The write operation is divided into step 1 and step 2. In step 1, the potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitor 104 is set to V1, and in step 2, the potential difference (VC2) between the electrodes of the capacitor 103 is set to V2.

(ステップ1)
時刻t1に、配線111及び配線112にハイ電圧を印加する。配線112はトランジスタ101のゲートに電気的に接続されているから、ハイ電圧はトランジスタ101のゲートに印加され、トランジスタ101はオンする。当該ハイ電圧はトランジスタ101をオンすることができる電圧であればよい。同様に配線111はトランジスタ102のゲートに電気的に接続されているから、ハイ電圧はトランジスタ102のゲートに印加され、トランジスタ102はオンする。当該ハイ電圧はトランジスタ102をオンすることができる電圧であればよい。
(Step 1)
At time t1, a high voltage is applied to the wiring 111 and the wiring 112. Since the wiring 112 is electrically connected to the gate of the transistor 101, the high voltage is applied to the gate of the transistor 101, and the transistor 101 is turned on. The high voltage may be a voltage that can turn on the transistor 101. Similarly, since the wiring 111 is electrically connected to the gate of the transistor 102, the high voltage is applied to the gate of the transistor 102, and the transistor 102 is turned on. The high voltage may be a voltage that can turn on the transistor 102.

また時刻t1に、配線113に電圧V1を印加する。トランジスタ101及びトランジスタ102はオンしているから、容量素子103及び容量素子104に電荷が蓄積される。容量素子103の方は、電荷が蓄積されて、容量素子103の電極間の電位差(VC2)はV1となる。一方、容量素子104の方も、電荷が蓄積されて、容量素子104の電極間の電位差(VC1)はV1となる。電圧V1はトランジスタ105をオンすることができる電圧であればよい。なお配線114及び配線115にはロー電圧が印加されている。当該ロー電圧は基準電圧(GND)であってもよいし、電源電圧(VDDまたはVSS)であってもよい。 At time t1, the voltage V1 is applied to the wiring 113. Since the transistor 101 and the transistor 102 are on, charge is accumulated in the capacitor 103 and the capacitor 104. Charge is accumulated in the capacitor 103, and the potential difference (VC2) between the electrodes of the capacitor 103 becomes V1. On the other hand, charge is accumulated also in the capacitive element 104, and the potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitive element 104 becomes V1. The voltage V1 may be any voltage that can turn on the transistor 105. Note that a low voltage is applied to the wiring 114 and the wiring 115. The low voltage may be a reference voltage (GND) or a power supply voltage (VDD or VSS).

(ステップ2)
時刻t2に、配線111にロー電圧を印加する。トランジスタ102のゲートにロー電圧が印加され、トランジスタ102はオフする。なお当該ロー電圧はトランジスタ102をオフすることができる電圧であればよい。
(Step 2)
At time t2, a low voltage is applied to the wiring 111. A low voltage is applied to the gate of the transistor 102, and the transistor 102 is turned off. Note that the low voltage may be any voltage that can turn off the transistor 102.

トランジスタ102のチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有しているから、トランジスタ102のオフ電流は極めて低い。容量素子104の蓄積された電荷は、トランジスタ102のソース及びドレインを経て、漏れることはない。 Since the region where the channel of the transistor 102 is formed includes an oxide semiconductor layer, the off-state current of the transistor 102 is extremely low. The charge accumulated in the capacitor 104 does not leak through the source and drain of the transistor 102.

酸化物半導体は、シリコンの2倍以上の大きなバンドギャップを有する。酸化物半導体を有するトランジスタは、シリコンやゲルマニウムなどの半導体を用いて形成されたトランジスタに比べて、オフ電流を極めて小さい。 An oxide semiconductor has a large band gap that is twice or more that of silicon. A transistor including an oxide semiconductor has extremely low off-state current compared to a transistor formed using a semiconductor such as silicon or germanium.

また時刻t2に、配線113に電圧V2を印加する。トランジスタ101はオンしているから、容量素子103にさらに電荷が蓄積される。電荷が蓄積されて、容量素子103の電極間の電位差(VC2)はV2となる。 At time t2, the voltage V2 is applied to the wiring 113. Since the transistor 101 is on, charge is further accumulated in the capacitor 103. Charges are accumulated, and the potential difference (VC2) between the electrodes of the capacitor 103 becomes V2.

時刻t3に、配線112にロー電圧を印加する。トランジスタ101のゲートにロー電圧が印加され、トランジスタ101はオフする。なお当該ロー電圧はトランジスタ101をオフすることができる電圧であればよい。トランジスタ101のチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有しているから、トランジスタ101のオフ電流は極めて低い。容量素子103の蓄積された電荷は、トランジスタ101のソース及びドレインを経て、漏れることはない。また同様にトランジスタ102のソース及びドレインを経て、漏れることはない。 At time t3, a low voltage is applied to the wiring 112. A low voltage is applied to the gate of the transistor 101, and the transistor 101 is turned off. Note that the low voltage may be any voltage that can turn off the transistor 101. Since the region where the channel of the transistor 101 is formed includes an oxide semiconductor layer, the off-state current of the transistor 101 is extremely low. The charge accumulated in the capacitor 103 does not leak through the source and drain of the transistor 101. Similarly, leakage does not occur through the source and drain of the transistor 102.

また時刻t3に、配線113にロー電圧を印加する。 At time t3, a low voltage is applied to the wiring 113.

以上により、容量素子104の電極間の電位差がV1となるような電荷が容量素子104に蓄積され、容量素子103の電極間の電位差がV2となるような電荷が容量素子103に蓄積されて書き込み動作が終了する。 As described above, the charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 104 to be V1 is accumulated in the capacitor 104, and the charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 103 to be V2 is accumulated in the capacitor 103 and written. The operation ends.

次に、上記書き込み動作により、書き込まれた情報を、読み出す動作の一例を説明する(図3)。 Next, an example of an operation for reading out information written by the above writing operation will be described (FIG. 3).

読み出し動作はステップ1とステップ2に分けられる。ステップ1で容量素子104のVC1(V1)を読み出し、ステップ2で容量素子104と容量素子103を並列接続し、合成容量素子の電圧(V3)を読み出す。 The read operation is divided into step 1 and step 2. In step 1, VC1 (V1) of the capacitive element 104 is read. In step 2, the capacitive element 104 and the capacitive element 103 are connected in parallel to read the voltage (V3) of the combined capacitive element.

(ステップ1)
すでに容量素子104には電荷が蓄積されており、電圧VC1はV1である。電圧V1はトランジスタ105のゲートに印加される。トランジスタ105はオンする。このとき電流(ID)は、電圧V1に対応した電流I1となる。これによりV1が読み出される。
(Step 1)
Charge is already accumulated in the capacitor 104, and the voltage VC1 is V1. The voltage V1 is applied to the gate of the transistor 105. The transistor 105 is turned on. At this time, the current (ID) becomes a current I1 corresponding to the voltage V1. As a result, V1 is read.

(ステップ2)
時刻t4に、配線111にハイ電圧を印加する。トランジスタ102はオンする。
(Step 2)
At time t4, a high voltage is applied to the wiring 111. The transistor 102 is turned on.

トランジスタ102がオンすると、容量素子103の一方の電極と、容量素子104の一方の電極は、トランジスタ102のソース及びドレインを介して電気的に接続されている。よって容量素子103と容量素子104とは並列接続され、合成容量素子が形成される。容量素子103に蓄積された電荷量(Q2)と、容量素子104に蓄積された電荷量(Q1)は、容量素子103の容量(C2)、容量素子104の容量(C1)に応じて分配される。 When the transistor 102 is turned on, one electrode of the capacitor 103 and one electrode of the capacitor 104 are electrically connected to each other through the source and the drain of the transistor 102. Therefore, the capacitor 103 and the capacitor 104 are connected in parallel to form a combined capacitor. The amount of charge (Q2) accumulated in the capacitor 103 and the amount of charge (Q1) accumulated in the capacitor 104 are distributed according to the capacitance (C2) of the capacitor 103 and the capacitance (C1) of the capacitor 104. The

合成容量素子の電圧をV3とすると、トランジスタ102をオンさせたとき、電圧VC1及び電圧VC2はV3となる。電圧V3はトランジスタ105のゲートに印加される。トランジスタ105のゲートには電圧VC1又は電圧VC2が印加されているということもできる。 Assuming that the voltage of the combined capacitor element is V3, when the transistor 102 is turned on, the voltage VC1 and the voltage VC2 are V3. The voltage V3 is applied to the gate of the transistor 105. It can also be said that the voltage VC1 or the voltage VC2 is applied to the gate of the transistor 105.

トランジスタ105を流れる電流IDは、電圧V3に対応した電流I3となる。これによりV3が読み出される。なお電圧V3は以下の式で表される。
The current ID flowing through the transistor 105 is a current I3 corresponding to the voltage V3. As a result, V3 is read. The voltage V3 is expressed by the following formula.

時刻t5に、配線111にロー電圧を印加する。トランジスタ102はオフする。 At time t5, a low voltage is applied to the wiring 111. The transistor 102 is turned off.

以上により、容量素子103及び容量素子104に蓄積された電荷を読み出す動作が終了する。 Thus, the operation for reading the charges accumulated in the capacitor 103 and the capacitor 104 is completed.

半導体装置100に多値情報を記憶させて読み出す場合、ステップ1とステップ2の2つのステップを用いることができる。 When the multivalue information is stored and read in the semiconductor device 100, two steps of Step 1 and Step 2 can be used.

半導体装置100を用いて3ビットを記憶するときは2+2=6となるから、ステップ1で2つの状態を設け、ステップ2で4つの状態を設け、6つの状態を判別すればよい。またはその逆で、ステップ1で4つの状態を設け、ステップ2で2つの状態を設けてもよい。 When 3 bits are stored using the semiconductor device 100, 2 1 +2 2 = 6. Therefore, two states are provided in step 1, four states are provided in step 2, and six states may be determined. Or, conversely, four states may be provided in step 1 and two states may be provided in step 2.

例えばステップ1で2つの状態を設けるには、電圧VC1をVA又はVBにする。なおVAはVBと異なる電圧である。電流IDは電圧VA又はVBに対応した電流となる。 For example, to provide two states in step 1, the voltage VC1 is set to VA or VB. Note that VA is a voltage different from VB. The current ID is a current corresponding to the voltage VA or VB.

またステップ2で4つの状態を設けるには、電圧V3がVE、VF、VG又はVHになるようにする。なおVE、VF、VG、VHはVA、VBと異なる電圧である。 In order to provide four states in step 2, the voltage V3 is set to VE, VF, VG, or VH. Note that VE, VF, VG, and VH are voltages different from VA and VB.

また4ビットの場合、2+2=8となるから、ステップ1で4つの状態を設け、ステップ2で4つの状態を設け、8つの状態を判別すればよい。 In the case of 4 bits, 2 2 +2 2 = 8. Therefore, four states are provided in step 1, four states are provided in step 2, and eight states may be determined.

さらに5ビットの場合、2+2=12となるから、ステップ1で4つの状態を設け、ステップ2で8つの状態を設け、12の状態を判別すればよい。またはその逆で、ステップ1で8つの状態を設け、ステップ2で4つの状態を設けてもよい。 Further, in the case of 5 bits, 2 2 +2 3 = 12, so that four states are provided in step 1, eight states are provided in step 2, and 12 states may be determined. Or, conversely, eight states may be provided in step 1 and four states may be provided in step 2.

次に、従来のような、トランジスタ101、容量素子103、トランジスタ105からなる半導体装置90をみてみる(図4)。 Next, a conventional semiconductor device 90 including the transistor 101, the capacitor 103, and the transistor 105 is considered (FIG. 4).

半導体装置90では、書き込み動作は、容量素子103への電荷の蓄積であり、ステップ1のみとなる。また読み出し動作は、容量素子103の電荷をトランジスタ105のゲートに印加し、電流IDを判別するのみであり、ステップ1のみとなる。 In the semiconductor device 90, the write operation is accumulation of electric charges in the capacitor 103, and only Step 1 is performed. In the reading operation, only the charge ID of the capacitor 103 is applied to the gate of the transistor 105 and the current ID is determined.

半導体装置90に多値情報を記憶させて読み出す場合には、ステップ1のみを用いることになる。 When the multi-value information is stored in the semiconductor device 90 and read out, only step 1 is used.

半導体装置90を用いて3ビットを記憶するときは2=8となるから、ステップ1で8つの状態を設け、8つの状態を判別しなればならない。 When 3 bits are stored using the semiconductor device 90, 2 3 = 8. Therefore, 8 states must be provided in step 1, and the 8 states must be determined.

ステップ1で8つの状態を設けるには、電圧VC1をVA、VB、VE、VF、VG、VH、VI又はVJにしなければならない。なおVA、VB、VE、VF、VG、VH、VI、VJはそれぞれ異なる電圧である。 In order to provide eight states in step 1, the voltage VC1 must be VA, VB, VE, VF, VG, VH, VI or VJ. Note that VA, VB, VE, VF, VG, VH, VI, and VJ are different voltages.

また4ビットの場合、2=16となるから、ステップ1で16の状態を設け、16の状態を判別しなればならない。 In the case of 4 bits, since 2 4 = 16, 16 states must be provided in step 1 and the 16 states must be determined.

さらに5ビットの場合、2=32となるから、ステップ1で32の状態を設け、32の状態を判別しなればならない。 Further, in the case of 5 bits, since 2 5 = 32, 32 states must be provided in step 1 and the 32 states must be determined.

半導体装置90を用いて多値情報を記憶させて読み出す場合、ビット数が増加すると、設定する状態、判別しなければならない状態が多くなり、判別回路が複雑になる。しかし半導体装置100では、ビット数が増加しても、設定する状態、判別する状態は少なく、判別回路は複雑とならない。 When multi-value information is stored and read using the semiconductor device 90, when the number of bits increases, the state to be set and the state to be determined increase, and the determination circuit becomes complicated. However, in the semiconductor device 100, even if the number of bits is increased, there are few states to be set and states to be determined, and the determination circuit is not complicated.

また半導体装置90を複数用いて多値情報を記憶させることも可能であるが、半導体装置90を複数設けると、トランジスタ及び容量素子の数が増加し、トランジスタ及び容量素子の設置面積が増加する。 In addition, although a plurality of semiconductor devices 90 can be used to store multilevel information, when a plurality of semiconductor devices 90 are provided, the number of transistors and capacitors increases, and the installation area of the transistors and capacitors increases.

例えば半導体装置90を2つ設けると、トランジスタの数は4つ、容量素子の数は2つとなる。しかし半導体装置100では、トランジスタの数は3つ、容量素子の数は2つであり、素子の数は少ない。また設置面積も小さくできる。 For example, when two semiconductor devices 90 are provided, the number of transistors is four and the number of capacitor elements is two. However, in the semiconductor device 100, the number of transistors is three, the number of capacitive elements is two, and the number of elements is small. Also, the installation area can be reduced.

半導体装置100のトランジスタ及び容量素子の数を増やすと、書き込み動作、読み込み動作でのステップ数を増やすことができる。図5(A)に示す半導体装置120は、トランジスタ101、トランジスタ102、トランジスタ116、容量素子103、容量素子104、容量素子117、トランジスタ105を有する。トランジスタ116のゲートは配線118に電気的に接続される。容量素子117の他方の電極は配線119に電気的に接続される。配線118はワード線として機能することができる。 Increasing the number of transistors and capacitors in the semiconductor device 100 can increase the number of steps in the write operation and the read operation. A semiconductor device 120 illustrated in FIG. 5A includes a transistor 101, a transistor 102, a transistor 116, a capacitor 103, a capacitor 104, a capacitor 117, and a transistor 105. A gate of the transistor 116 is electrically connected to the wiring 118. The other electrode of the capacitor 117 is electrically connected to the wiring 119. The wiring 118 can function as a word line.

また図5(B)に示す半導体装置125は、トランジスタ101、トランジスタ102、トランジスタ116、トランジスタ121、容量素子103、容量素子104、容量素子117、容量素子122、トランジスタ105を有する。トランジスタ121のゲートは配線123に電気的に接続される。容量素子117の他方の電極は配線124に電気的に接続される。配線123はワード線として機能することができる。 A semiconductor device 125 illustrated in FIG. 5B includes the transistor 101, the transistor 102, the transistor 116, the transistor 121, the capacitor 103, the capacitor 104, the capacitor 117, the capacitor 122, and the transistor 105. A gate of the transistor 121 is electrically connected to the wiring 123. The other electrode of the capacitor 117 is electrically connected to the wiring 124. The wiring 123 can function as a word line.

半導体装置120及び半導体装置125は、半導体装置100よりもトランジスタ及び容量素子の数が多い。 The semiconductor device 120 and the semiconductor device 125 have more transistors and capacitors than the semiconductor device 100.

半導体装置120に多値情報を記憶させて読み出す場合には、ステップ1、ステップ2に加えてステップ3、すなわち3つのステップを用いることができる。 In the case where multi-value information is stored and read out in the semiconductor device 120, Step 3, that is, three steps can be used in addition to Step 1 and Step 2.

半導体装置120を用いて3ビットを記憶するときは2+2+2=6となるから、ステップ1で2つの状態を設け、ステップ2で2つの状態を設け、ステップ3で2つの状態を設け、6つの状態を判別すればよい。 When 3 bits are stored using the semiconductor device 120, 2 1 +2 1 +2 1 = 6. Therefore, two states are provided in Step 1, two states are provided in Step 2, and two states are provided in Step 3. It is only necessary to distinguish between six states.

4ビットの場合、2+2+2=8となるから、例えばステップ1で2つの状態を設け、ステップ2で2つの状態を設け、ステップ3で4つの状態を設け、8つの状態を判別すればよい。 In the case of 4 bits, 2 1 +2 1 +2 2 = 8. For example, two states are provided in step 1, two states are provided in step 2, four states are provided in step 3, and eight states are discriminated. do it.

また半導体装置125に多値情報を記憶させて読み出す場合には、ステップ1、ステップ2、ステップ3に加えてステップ4、すなわち4つのステップを用いることができる。 In addition, when multi-value information is stored and read in the semiconductor device 125, step 4, that is, four steps can be used in addition to step 1, step 2, and step 3.

半導体装置125を用いて4ビットを記憶するときは、2+2+2+2=8となるから、ステップ1で2つの状態を設け、ステップ2で2つの状態を設け、ステップ3で2つの状態を設け、ステップ4で2つの状態を設け、8つの状態を判別すればよい。 When storing 4 bits using the semiconductor device 125, 2 1 +2 1 +2 1 +2 1 = 8. Therefore, two states are provided in Step 1, two states are provided in Step 2, and 2 in Step 3. One state is provided, two states are provided in step 4, and eight states may be determined.

なお半導体装置120において、容量素子103の他方の電極、容量素子104の他方の電極及び容量素子117の他方の電極は、異なる配線に電気的に接続されているが、1つの配線に電気的に接続されていてもよい。換言すると、容量素子103の他方の電極は、容量素子104の他方の電極及び容量素子117の他方の電極と電気的に接続され、1つの配線に電気的に接続されてもよい。その場合、配線の数を減らすことができる。 Note that in the semiconductor device 120, the other electrode of the capacitor 103, the other electrode of the capacitor 104, and the other electrode of the capacitor 117 are electrically connected to different wirings. It may be connected. In other words, the other electrode of the capacitor 103 may be electrically connected to the other electrode of the capacitor 104 and the other electrode of the capacitor 117, and may be electrically connected to one wiring. In that case, the number of wirings can be reduced.

なお半導体装置125において、容量素子103の他方の電極、容量素子104の他方の電極、容量素子117の他方の電極及び容量素子122の他方の電極は、異なる配線に電気的に接続されているが、1つの配線に電気的に接続されていてもよい。換言すると、容量素子103の他方の電極は、容量素子104の他方の電極、容量素子117の他方の電極及び容量素子122の他方の電極と電気的に接続され、1つの配線に電気的に接続されてもよい。その場合、配線の数を減らすことができる。 Note that in the semiconductor device 125, the other electrode of the capacitor 103, the other electrode of the capacitor 104, the other electrode of the capacitor 117, and the other electrode of the capacitor 122 are electrically connected to different wirings. It may be electrically connected to one wiring. In other words, the other electrode of the capacitor 103 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 104, the other electrode of the capacitor 117, and the other electrode of the capacitor 122, and is electrically connected to one wiring. May be. In that case, the number of wirings can be reduced.

本実施の形態は他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態2)
図6に半導体装置130を示す。半導体装置130は、トランジスタ101、トランジスタ102、容量素子103、容量素子104、トランジスタ131を有する。半導体装置130は多値情報を記憶することができる。
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows the semiconductor device 130. The semiconductor device 130 includes a transistor 101, a transistor 102, a capacitor 103, a capacitor 104, and a transistor 131. The semiconductor device 130 can store multi-value information.

半導体装置130は、半導体装置100(図1)と比較すると、トランジスタ131がp型トランジスタであり、トランジスタ131のソース及びドレインの一方が配線132に電気的に接続され、トランジスタ131のソース及びドレインの他方が配線113に電気的に接続されている。トランジスタ131のチャネルが形成される領域は酸化物半導体、シリコンなど、様々な材料を有する層を用いることができる。 In the semiconductor device 130, the transistor 131 is a p-type transistor as compared with the semiconductor device 100 (FIG. 1), one of the source and the drain of the transistor 131 is electrically connected to the wiring 132, and the source and the drain of the transistor 131 are connected. The other is electrically connected to the wiring 113. As a region where a channel of the transistor 131 is formed, layers including various materials such as an oxide semiconductor and silicon can be used.

半導体装置130への情報の書き込み動作、及び書き込んだ情報の読み出し動作を説明する。図7−8にタイミングチャートを示す。 An operation of writing information to the semiconductor device 130 and an operation of reading the written information will be described. FIG. 7-8 shows a timing chart.

まず書き込み動作の一例を説明する(図7)。書き込み動作の一例として、容量素子104の電極間の電位差がV1となるような電荷を容量素子104に蓄積し、容量素子103の電極間の電位差がV2となるように電荷を容量素子103に蓄積することを説明する。 First, an example of the write operation will be described (FIG. 7). As an example of the writing operation, a charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 104 to be V1 is accumulated in the capacitor 104, and a charge is accumulated in the capacitor 103 so that the potential difference between the electrodes of the capacitor 103 is V2. Explain what to do.

書き込み動作はステップ1とステップ2に分けられる。ステップ1で容量素子104の電極間の電位差(VC1)をV1にし、ステップ2で容量素子103の電極間の電位差(VC2)をV2にする。 The write operation is divided into step 1 and step 2. In step 1, the potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitor 104 is set to V1, and in step 2, the potential difference (VC2) between the electrodes of the capacitor 103 is set to V2.

(ステップ1)
まず配線114にハイ電圧を印加する。配線114は容量素子104の他方の電極に電気的に接続されている。これにより容量素子104の電極間の電位差(VC1)はV0となる。電圧V0はトランジスタ131のゲートに印加され、トランジスタ131はオフする。なお電圧V0はトランジスタ131をオフすることができる電圧であればよい。
(Step 1)
First, a high voltage is applied to the wiring 114. The wiring 114 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 104. As a result, the potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitor 104 becomes V0. The voltage V0 is applied to the gate of the transistor 131, and the transistor 131 is turned off. Note that the voltage V0 may be any voltage that can turn off the transistor 131.

時刻t1に、配線114にロー電圧を印加し、配線111及び配線112にハイ電圧を印加する。トランジスタ101及びトランジスタ102はオンする。 At time t1, a low voltage is applied to the wiring 114 and a high voltage is applied to the wiring 111 and the wiring 112. The transistors 101 and 102 are turned on.

また時刻t1に、配線113に電圧V1を印加する。トランジスタ101及びトランジスタ102はオンしているから、容量素子103及び容量素子104に電荷が蓄積される。容量素子103の方は、電荷が蓄積されて、容量素子103の電極間の電位差(VC2)はV1となる。一方、容量素子104の方も、電荷が蓄積されて、容量素子104の電極間の電位差(VC1)はV1となる。電圧V1はトランジスタ131をオンすることができる電圧であればよい。なお配線114及び配線115にはロー電圧が印加されている。当該ロー電圧は基準電圧(GND)であってもよいし、電源電圧(VDDまたはVSS)であってもよい。 At time t1, the voltage V1 is applied to the wiring 113. Since the transistor 101 and the transistor 102 are on, charge is accumulated in the capacitor 103 and the capacitor 104. Charge is accumulated in the capacitor 103, and the potential difference (VC2) between the electrodes of the capacitor 103 becomes V1. On the other hand, charge is accumulated also in the capacitive element 104, and the potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitive element 104 becomes V1. The voltage V1 may be any voltage that can turn on the transistor 131. Note that a low voltage is applied to the wiring 114 and the wiring 115. The low voltage may be a reference voltage (GND) or a power supply voltage (VDD or VSS).

(ステップ2)
時刻t2に、配線111にロー電圧を印加する。トランジスタ102のゲートにロー電圧が印加され、トランジスタ102はオフする。
(Step 2)
At time t2, a low voltage is applied to the wiring 111. A low voltage is applied to the gate of the transistor 102, and the transistor 102 is turned off.

トランジスタ102のオフ電流は極めて低いから、容量素子104の蓄積された電荷は、トランジスタ102のソース及びドレインを経て、漏れることはない。 Since the off-state current of the transistor 102 is extremely low, the charge accumulated in the capacitor 104 does not leak through the source and the drain of the transistor 102.

また時刻t2に、配線113に電圧V2を印加する。トランジスタ101はオンしているから、容量素子103にさらに電荷が蓄積される。電荷が蓄積されて、容量素子103の電極間の電位差(VC2)はV2となる。 At time t2, the voltage V2 is applied to the wiring 113. Since the transistor 101 is on, charge is further accumulated in the capacitor 103. Charges are accumulated, and the potential difference (VC2) between the electrodes of the capacitor 103 becomes V2.

時刻t3に、配線112にロー電圧を印加する。トランジスタ101はオフする。トランジスタ101のオフ電流は極めて低いから、容量素子103の蓄積された電荷は、トランジスタ101のソース及びドレインを経て、漏れることはない。また同様にトランジスタ102のソース及びドレインを経て、漏れることはない。 At time t3, a low voltage is applied to the wiring 112. The transistor 101 is turned off. Since the off-state current of the transistor 101 is extremely low, the charge stored in the capacitor 103 does not leak through the source and the drain of the transistor 101. Similarly, leakage does not occur through the source and drain of the transistor 102.

時刻t3に、配線113にロー電圧を印加する。 At time t3, a low voltage is applied to the wiring 113.

また時刻t3に、配線114にハイ電圧を印加する。これにより容量素子104の電極間の電位差(VC1)はV4となる。電圧V4はトランジスタ131のゲートに印加され、トランジスタ131はオフする。なお電圧V4はトランジスタ131をオフすることができる電圧であればよく、電圧V0と同じでもよいし、電圧V0よりも高くても低くてもよい。 At time t3, a high voltage is applied to the wiring 114. As a result, the potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitor 104 becomes V4. The voltage V4 is applied to the gate of the transistor 131, and the transistor 131 is turned off. Note that the voltage V4 may be any voltage that can turn off the transistor 131, and may be the same as the voltage V0 or may be higher or lower than the voltage V0.

なお配線132には様々な電圧を印加することができる。電源電圧(VDDまたはVSS)を印加してもよい。配線132は電源線として機能してもよい。 Note that various voltages can be applied to the wiring 132. A power supply voltage (VDD or VSS) may be applied. The wiring 132 may function as a power supply line.

以上により、容量素子104の電極間の電位差がV1となるような電荷が容量素子104に蓄積され、容量素子103の電極間の電位差がV2となるような電荷が容量素子103に蓄積されて書き込み動作が終了する。 As described above, the charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 104 to be V1 is accumulated in the capacitor 104, and the charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 103 to be V2 is accumulated in the capacitor 103 and written. The operation ends.

次に、上記書き込み動作により、書き込まれた情報を、読み出す動作の一例を説明する(図8)。 Next, an example of an operation for reading the information written by the write operation will be described (FIG. 8).

読み出し動作はステップ1とステップ2に分けられる。ステップ1で容量素子104のVC1(V1)を読み出し、ステップ2で容量素子104と容量素子103を並列接続し、合成容量素子の電圧(V3)を読み出す。 The read operation is divided into step 1 and step 2. In step 1, VC1 (V1) of the capacitive element 104 is read. In step 2, the capacitive element 104 and the capacitive element 103 are connected in parallel, and the voltage (V3) of the combined capacitive element is read.

(ステップ1)
すでに容量素子103には電荷が蓄積されている。電圧VC1はV4であり、トランジスタ131はオフしている。このとき電流(ID)は電流Ioffとなる。
(Step 1)
Charge is already accumulated in the capacitor 103. The voltage VC1 is V4, and the transistor 131 is off. At this time, the current (ID) becomes the current Ioff.

時刻t4に、配線114にロー電圧を印加する。容量素子104の電極間の電位差(VC1)は、書き込み時の電圧V1に低下する。トランジスタ131はオンする。このとき電流(ID)は、V1に対応した電流I1となる。電流I1は配線113を経て判別回路へ送られる。これによりV1が読み出される。 At time t4, a low voltage is applied to the wiring 114. The potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitor 104 decreases to the voltage V1 at the time of writing. The transistor 131 is turned on. At this time, the current (ID) is a current I1 corresponding to V1. The current I1 is sent to the discrimination circuit via the wiring 113. As a result, V1 is read.

(ステップ2)
時刻t5に、配線111にハイ電圧を印加する。トランジスタ102はオンする。
(Step 2)
At time t5, a high voltage is applied to the wiring 111. The transistor 102 is turned on.

トランジスタ102がオンすると、容量素子103の一方の電極と、容量素子104の一方の電極は、トランジスタ102のソース及びドレインを介して電気的に接続されている。よって容量素子103と容量素子104とは並列接続され、合成容量素子が形成される。容量素子103に蓄積された電荷量(Q2)と、容量素子104に蓄積された電荷量(Q1)は、容量素子103の容量(C2)、容量素子104の容量(C1)に応じて分配される。 When the transistor 102 is turned on, one electrode of the capacitor 103 and one electrode of the capacitor 104 are electrically connected to each other through the source and the drain of the transistor 102. Therefore, the capacitor 103 and the capacitor 104 are connected in parallel to form a combined capacitor. The amount of charge (Q2) accumulated in the capacitor 103 and the amount of charge (Q1) accumulated in the capacitor 104 are distributed according to the capacitance (C2) of the capacitor 103 and the capacitance (C1) of the capacitor 104. The

合成容量素子の電圧をV3とすると、トランジスタ102をオンさせたとき、電圧VC1及び電圧VC2はV3となる。電圧V3はトランジスタ131のゲートに印加される。トランジスタ131のゲートには電圧VC1又は電圧VC2が印加されているということもできる。 Assuming that the voltage of the combined capacitor element is V3, when the transistor 102 is turned on, the voltage VC1 and the voltage VC2 are V3. The voltage V3 is applied to the gate of the transistor 131. It can also be said that the voltage VC1 or the voltage VC2 is applied to the gate of the transistor 131.

トランジスタ131を流れる電流IDは、電圧V3に対応した電流I3となる。これによりV3が読み出される。なお電圧V3は実施の形態1に示した式で表される。 The current ID flowing through the transistor 131 is a current I3 corresponding to the voltage V3. As a result, V3 is read. Voltage V3 is expressed by the equation shown in the first embodiment.

時刻t6に、配線111にロー電圧を印加する。トランジスタ102はオフする。 At time t6, a low voltage is applied to the wiring 111. The transistor 102 is turned off.

また時刻t6に、配線114にハイ電圧を印加する。容量素子104の電極間の電位差VC1は電圧V5に上昇する。電圧V5はトランジスタ131のゲートに印加され、トランジスタ131はオフする。なお電圧V5はトランジスタ131をオフすることができる電圧であればよい。 At time t6, a high voltage is applied to the wiring 114. The potential difference VC1 between the electrodes of the capacitor 104 increases to the voltage V5. The voltage V5 is applied to the gate of the transistor 131, and the transistor 131 is turned off. Note that the voltage V5 may be any voltage that can turn off the transistor 131.

以上により、容量素子103及び容量素子104に蓄積された電荷を読み出す動作が終了する。 Thus, the operation for reading the charges accumulated in the capacitor 103 and the capacitor 104 is completed.

半導体装置130に多値情報を記憶させて読み出す場合には、ステップ1とステップ2の2つのステップを用いることができ、半導体装置90を用いて多値情報を記憶させて読み出す場合に比べて、設定する状態、判別する状態は少なく、判別回路は複雑とならない。また半導体装置130の場合、半導体装置90と比較して、素子数を少なくできる。 When the semiconductor device 130 stores and reads the multi-value information, two steps of Step 1 and Step 2 can be used. Compared to the case where the semiconductor device 90 stores and reads the multi-value information, There are few states to set and states to discriminate, and the discrimination circuit is not complicated. In the case of the semiconductor device 130, the number of elements can be reduced as compared with the semiconductor device 90.

半導体装置130は、半導体装置120、半導体装置125のように、トランジスタ及び容量素子の数を増やすことができる。 The semiconductor device 130 can increase the number of transistors and capacitor elements like the semiconductor device 120 and the semiconductor device 125.

また半導体装置135のように、トランジスタ131の代わりに、n型のトランジスタ136を設けてもよい(図9)。半導体装置135は、実施の形態1で説明したように動作させることができる。 Further, as in the semiconductor device 135, an n-type transistor 136 may be provided instead of the transistor 131 (FIG. 9). The semiconductor device 135 can be operated as described in Embodiment Mode 1.

本実施の形態は他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態3)
図10に半導体装置140を示す。半導体装置140は、トランジスタ101、トランジスタ102、容量素子103、容量素子104、トランジスタ105、トランジスタ141を有する。半導体装置140は多値情報を記憶することができる。
(Embodiment 3)
FIG. 10 shows the semiconductor device 140. The semiconductor device 140 includes a transistor 101, a transistor 102, a capacitor 103, a capacitor 104, a transistor 105, and a transistor 141. The semiconductor device 140 can store multi-value information.

半導体装置140は、半導体装置100(図1)と比較すると、トランジスタ141を有する点が異なる。 The semiconductor device 140 is different from the semiconductor device 100 (FIG. 1) in that the transistor 141 is included.

トランジスタ141のゲートは配線142に電気的に接続される。配線142はワード線として機能することができる。 A gate of the transistor 141 is electrically connected to the wiring 142. The wiring 142 can function as a word line.

トランジスタ141のソース及びドレインの一方は、トランジスタ102のソース及びドレインの他方、容量素子104の一方の電極、トランジスタ105のゲートに電気的に接続される。 One of a source and a drain of the transistor 141 is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 102, one electrode of the capacitor 104, and the gate of the transistor 105.

トランジスタ141のソース及びドレインの他方は配線143に電気的に接続される。配線143には様々な電圧が印加されることができる。配線143には基準電位(GND)、電源電圧(VDD、VSS)が印加されてもよい。なお各配線や各端子の電圧は相対的なものであり、ある基準よりも高い電圧か低い電圧かが重要となる。よって、GNDと記載されていても、0Vであるとは限定されない。トランジスタ141のソース及びドレインの一方から他方へ電流が流れればよいので、VSSやVDDなどの電源線に接続されていてもよい。 The other of the source and the drain of the transistor 141 is electrically connected to the wiring 143. Various voltages can be applied to the wiring 143. A reference potential (GND) and a power supply voltage (VDD, VSS) may be applied to the wiring 143. In addition, the voltage of each wiring and each terminal is a relative voltage, and it is important whether the voltage is higher or lower than a certain standard. Therefore, even if it is described as GND, it is not limited to 0V. Since current only needs to flow from one of the source and the drain of the transistor 141 to the other, the transistor 141 may be connected to a power supply line such as VSS or VDD.

トランジスタ141のチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有する。よってトランジスタ141のオフ電流は極めて低い。 A region where the channel of the transistor 141 is formed includes an oxide semiconductor layer. Therefore, the off-state current of the transistor 141 is extremely low.

半導体装置140への情報の書き込み動作、及び書き込んだ情報の読み出し動作を説明する。図11−12にタイミングチャートを示す。半導体装置140の書き込み動作は、実施の形態1の半導体装置100の書き込み動作と同様である。 An operation for writing information to the semiconductor device 140 and an operation for reading the written information will be described. FIG. 11-12 shows a timing chart. The write operation of the semiconductor device 140 is the same as the write operation of the semiconductor device 100 of the first embodiment.

まず書き込み動作の一例を説明する(図11)。書き込み動作の一例として、容量素子104の電極間の電位差が電圧V1となるような電荷を容量素子104に蓄積し、容量素子103の電極間の電位差が電圧V2となるように電荷を容量素子103に蓄積することを説明する。 First, an example of the write operation will be described (FIG. 11). As an example of the writing operation, a charge is accumulated in the capacitor 104 so that the potential difference between the electrodes of the capacitor 104 becomes the voltage V1, and the charge is stored so that the potential difference between the electrodes of the capacitor 103 becomes the voltage V2. Explain that it accumulates.

(ステップ1)
時刻t1に、配線111及び配線112にハイ電圧を印加する。トランジスタ101及びトランジスタ102はオンする。
(Step 1)
At time t1, a high voltage is applied to the wiring 111 and the wiring 112. The transistors 101 and 102 are turned on.

また時刻t1に、配線113に電圧V1を印加する。トランジスタ101及びトランジスタ102はオンしているから、容量素子103及び容量素子104に電荷が蓄積される。電荷が蓄積されて、容量素子103の電極間の電位差(VC2)はV1となる。一方、容量素子104の方も、電荷が蓄積されて、容量素子104の電極間の電位差(VC1)はV1となる。電圧V1はトランジスタ105をオンすることができる電圧であればよい。 At time t1, the voltage V1 is applied to the wiring 113. Since the transistor 101 and the transistor 102 are on, charge is accumulated in the capacitor 103 and the capacitor 104. Charges are accumulated and the potential difference (VC2) between the electrodes of the capacitor 103 becomes V1. On the other hand, charge is accumulated also in the capacitive element 104, and the potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitive element 104 becomes V1. The voltage V1 may be any voltage that can turn on the transistor 105.

配線142にはロー電圧が印加されている。当該ロー電圧はトランジスタ141のゲートに印加され、トランジスタ141はオフする。 A low voltage is applied to the wiring 142. The low voltage is applied to the gate of the transistor 141, and the transistor 141 is turned off.

(ステップ2)
時刻t2に、配線111にロー電圧を印加する。トランジスタ102はオフする。
(Step 2)
At time t2, a low voltage is applied to the wiring 111. The transistor 102 is turned off.

トランジスタ102のチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有しているから、トランジスタ102のオフ電流は極めて低い。容量素子104の蓄積された電荷は、トランジスタ102のソース及びドレインを経て、漏れることはない。 Since the region where the channel of the transistor 102 is formed includes an oxide semiconductor layer, the off-state current of the transistor 102 is extremely low. The charge accumulated in the capacitor 104 does not leak through the source and drain of the transistor 102.

またトランジスタ141はオフしており、トランジスタ141のソース及びドレインを経て、漏れることはない。 The transistor 141 is off and does not leak through the source and drain of the transistor 141.

また時刻t2に、配線113に電圧V2を印加する。トランジスタ101はオンしているから、容量素子103にさらに電荷が蓄積される。電荷が蓄積されて、容量素子103の電極間の電位差(VC2)はV2となる。 At time t2, the voltage V2 is applied to the wiring 113. Since the transistor 101 is on, charge is further accumulated in the capacitor 103. Charges are accumulated, and the potential difference (VC2) between the electrodes of the capacitor 103 becomes V2.

時刻t3に、配線112にロー電圧を印加する。トランジスタ101はオフする。トランジスタ101のオフ電流は極めて低いから、容量素子103の蓄積された電荷は、トランジスタ101のソース及びドレインを経て、漏れることはない。また同様にトランジスタ102のソース及びドレインを経て、漏れることはない。 At time t3, a low voltage is applied to the wiring 112. The transistor 101 is turned off. Since the off-state current of the transistor 101 is extremely low, the charge stored in the capacitor 103 does not leak through the source and the drain of the transistor 101. Similarly, leakage does not occur through the source and drain of the transistor 102.

また時刻t3に、配線113にロー電圧を印加する。 At time t3, a low voltage is applied to the wiring 113.

以上により、容量素子104の電極間の電位差がV1となるような電荷が容量素子104に蓄積され、容量素子103の電極間の電位差がV2となるような電荷が容量素子103に蓄積されて書き込み動作が終了する。 As described above, the charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 104 to be V1 is accumulated in the capacitor 104, and the charge that causes the potential difference between the electrodes of the capacitor 103 to be V2 is accumulated in the capacitor 103 and written. The operation ends.

次に、上記書き込み動作により、書き込まれた情報を、読み出す動作の一例を説明する(図12)。 Next, an example of an operation for reading the information written by the write operation will be described (FIG. 12).

読み出し動作はステップ1、ステップ2、ステップ3に分けられる。ステップ1で容量素子104のVC1(V1)を読み出す。ステップ2でVC1をV1からV6にする。ステップ3で容量素子104と容量素子103を並列接続し、合成容量素子の電圧(V3)を読み出す。 The read operation is divided into Step 1, Step 2, and Step 3. In step 1, VC1 (V1) of the capacitive element 104 is read. In step 2, VC1 is changed from V1 to V6. In step 3, the capacitive element 104 and the capacitive element 103 are connected in parallel, and the voltage (V3) of the combined capacitive element is read.

(ステップ1)
すでに容量素子104には電荷が蓄積されており、電圧VC1はV1である。電圧V1はトランジスタ105のゲートに印加される。トランジスタ105はオンする。このとき電流(ID)は、電圧V1に対応した電流I1となる。これによりV1が読み出される。
(Step 1)
Charge is already accumulated in the capacitor 104, and the voltage VC1 is V1. The voltage V1 is applied to the gate of the transistor 105. The transistor 105 is turned on. At this time, the current (ID) becomes a current I1 corresponding to the voltage V1. As a result, V1 is read.

(ステップ2)
時刻t4に、配線142にハイ電圧を印加する。ハイ電圧はトランジスタ141のゲートに印加され、トランジスタ141はオンする。当該ハイ電圧はトランジスタ141をオンすることができる電圧であればよい。
(Step 2)
At time t4, a high voltage is applied to the wiring 142. The high voltage is applied to the gate of the transistor 141, and the transistor 141 is turned on. The high voltage may be any voltage that can turn on the transistor 141.

トランジスタ141がオンすると、容量素子104に蓄積されていた電荷が、トランジスタ141のソース及びドレインを経て、配線143へ流れていき、容量素子104に蓄積された電荷は減少する。容量素子104の電極間の電位差(VC1)は、V1から配線143に印加された電圧V6に低下する。例えば配線143に0Vが印加されているときは、電圧V6は0Vとなる。 When the transistor 141 is turned on, the charge accumulated in the capacitor 104 flows to the wiring 143 through the source and drain of the transistor 141, and the charge accumulated in the capacitor 104 decreases. The potential difference (VC1) between the electrodes of the capacitor 104 decreases from V1 to the voltage V6 applied to the wiring 143. For example, when 0 V is applied to the wiring 143, the voltage V6 is 0 V.

電圧V6はトランジスタ105のゲートに印加され、トランジスタ105を流れる電流(ID)は電流I0になる。例えばV6が0Vであり、トランジスタ105がノーマリーオフ型のn型トランジスタである場合には、トランジスタ105はオフすることもある。 The voltage V6 is applied to the gate of the transistor 105, and the current (ID) flowing through the transistor 105 becomes the current I0. For example, when V6 is 0 V and the transistor 105 is a normally-off n-type transistor, the transistor 105 may be turned off.

(ステップ3)
時刻t5に、配線142にロー電圧を印加する。トランジスタ141はオフする。当該ロー電圧はトランジスタ141をオフできる電圧であればよい。
(Step 3)
At time t5, a low voltage is applied to the wiring 142. The transistor 141 is turned off. The low voltage may be any voltage that can turn off the transistor 141.

また時刻t5に配線111にハイ電圧を印加する。トランジスタ102はオンする。 Further, a high voltage is applied to the wiring 111 at time t5. The transistor 102 is turned on.

トランジスタ102がオンすると、容量素子103の一方の電極と、容量素子104の一方の電極は、トランジスタ102のソース及びドレインを介して電気的に接続されている。よって容量素子103と容量素子104とは並列接続され、合成容量素子が形成される。容量素子103に蓄積された電荷量(Q2)と、容量素子104に蓄積された電荷量(Q1)は、容量素子103の容量(C2)、容量素子104の容量(C1)に応じて分配される。なおV6が0Vの場合、Q1はゼロである。 When the transistor 102 is turned on, one electrode of the capacitor 103 and one electrode of the capacitor 104 are electrically connected to each other through the source and the drain of the transistor 102. Therefore, the capacitor 103 and the capacitor 104 are connected in parallel to form a combined capacitor. The amount of charge (Q2) accumulated in the capacitor 103 and the amount of charge (Q1) accumulated in the capacitor 104 are distributed according to the capacitance (C2) of the capacitor 103 and the capacitance (C1) of the capacitor 104. The When V6 is 0V, Q1 is zero.

合成容量素子の電圧をV3とすると、トランジスタ102をオンさせたとき、電圧VC1及び電圧VC2はV3となる。電圧V3はトランジスタ105のゲートに印加される。トランジスタ105のゲートには電圧VC1又は電圧VC2が印加されているということもできる。 Assuming that the voltage of the combined capacitor element is V3, when the transistor 102 is turned on, the voltage VC1 and the voltage VC2 are V3. The voltage V3 is applied to the gate of the transistor 105. It can also be said that the voltage VC1 or the voltage VC2 is applied to the gate of the transistor 105.

トランジスタ105を流れる電流IDは、電圧V3に対応した電流I3となる。これによりV3が読み出される。なお電圧V3は実施の形態1に示した式において、V1をV6に置換した式で表される。特にV6=0Vのときは、V3は以下の式で表される。
The current ID flowing through the transistor 105 is a current I3 corresponding to the voltage V3. As a result, V3 is read. Note that the voltage V3 is expressed by a formula in which V1 is replaced with V6 in the formula shown in the first embodiment. In particular, when V6 = 0V, V3 is expressed by the following equation.

V3が上記のように表される場合、V1やV6の影響を考慮する必要がない。 When V3 is expressed as described above, it is not necessary to consider the influence of V1 and V6.

時刻t6に、配線111にロー電圧を印加する。トランジスタ102はオフする。 At time t6, a low voltage is applied to the wiring 111. The transistor 102 is turned off.

以上により、容量素子103及び容量素子104に蓄積された電荷を読み出す動作が終了する。 Thus, the operation for reading the charges accumulated in the capacitor 103 and the capacitor 104 is completed.

半導体装置140に多値情報を記憶させて読み出す場合には、ステップ1、ステップ3の2つのステップを用いることができる。 When the multivalue information is stored in the semiconductor device 140 and read out, two steps of Step 1 and Step 3 can be used.

半導体装置140を用いて3ビットを記憶するときは2+2=6となるから、ステップ1で2つの状態を設け、ステップ3で4つの状態を設け、6つの状態を判別すればよい。またはその逆で、ステップ1で4つの状態を設け、ステップ3で2つの状態を設けてもよい。 When 3 bits are stored using the semiconductor device 140, 2 1 +2 2 = 6. Therefore, two states are provided in Step 1, four states are provided in Step 3, and six states may be determined. Or, conversely, four states may be provided in step 1 and two states may be provided in step 3.

また4ビットの場合、2+2=8となるから、ステップ1で4つの状態を設け、ステップ3で4つの状態を設け、8つの状態を判別すればよい。 In the case of 4 bits, 2 2 +2 2 = 8. Therefore, four states are provided in step 1, four states are provided in step 3, and the eight states may be determined.

半導体装置140は、半導体装置90を用いて多値情報を記憶させて読み出す場合に比べて、設定する状態、判別する状態は少なく、判別回路は複雑とならない。 The semiconductor device 140 has fewer states to set and discriminate than the case where the semiconductor device 90 is used to store and read multi-value information, and the discrimination circuit is not complicated.

また半導体装置140は、半導体装置120、半導体装置125のように、トランジスタ及び容量素子の数を増やすことができる。 Further, in the semiconductor device 140, like the semiconductor device 120 and the semiconductor device 125, the number of transistors and capacitors can be increased.

本実施の形態は他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
実施の形態1−3のトランジスタのチャネルに適用できる酸化物半導体について説明する。
(Embodiment 4)
An oxide semiconductor that can be used for the channel of the transistor in Embodiment 1-3 is described.

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)を含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気的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)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム(Hf)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム(Al)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム(Zr)を含むことが好ましい。 An oxide semiconductor preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In addition, it is preferable to include gallium (Ga) in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have aluminum (Al) as a stabilizer. Moreover, it is preferable that zirconium (Zr) is included as a stabilizer.

酸化物半導体の中でもIn−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物などは、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、スパッタリング法や湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、上記In−Ga−Zn系酸化物は、ガラス基板上に、電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。 Among oxide semiconductors, In—Ga—Zn-based oxides, In—Sn—Zn-based oxides, and the like have excellent electrical characteristics by sputtering or a wet method, unlike silicon carbide, gallium nitride, or gallium oxide. There is an advantage that a transistor can be manufactured and the mass productivity is excellent. Further, unlike silicon carbide, gallium nitride, or gallium oxide, the In—Ga—Zn-based oxide can manufacture a transistor with excellent electrical characteristics over a glass substrate. In addition, it is possible to cope with an increase in the size of the substrate.

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、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(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種または複数種を含んでいてもよい。 As other stabilizers, lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu) may be included.

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化スズ、酸化亜鉛、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、In−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−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−Zn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−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。 For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, gallium oxide, tin oxide, zinc oxide, In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, Zn—Mg oxide, Sn—Mg Oxide, In—Mg oxide, In—Ga oxide, In—Ga—Zn oxide (also referred to as IGZO), In—Al—Zn oxide, In—Sn—Zn oxide Sn-Ga-Zn-based oxide, Al-Ga-Zn-based oxide, Sn-Al-Zn-based oxide, In-Hf-Zn-based oxide, In-La-Zn-based oxide, In-Pr- Zn-based oxide, In-Nd-Zn-based oxide, In-Sm-Zn-based oxide, In-Eu-Zn-based oxide, In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-E -Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn-based oxide, In-Sn-Ga-Zn-based oxide, In-Hf-Ga- A Zn-based oxide, an In-Al-Ga-Zn-based oxide, an In-Sn-Al-Zn-based oxide, an In-Sn-Hf-Zn-based oxide, or an In-Hf-Al-Zn-based oxide is used. be able to.

なお、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを含む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んでいてもよい。In−Ga−Zn系酸化物は、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、移動度も高い。 Note that for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be included. In-Ga-Zn-based oxides have sufficiently high resistance when no electric field is applied, and can have a sufficiently low off-state current, and also have high mobility.

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るとよい。 For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3) or In: Ga: Zn = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5: 1). / 5) atomic ratio In—Ga—Zn-based oxides and oxides in the vicinity of the composition can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Sn: Zn = 2: 1: 3 (= 1/3: 1/6: 1) / 2) or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 (= 1/4: 1/8: 5/8) atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide or an oxide in the vicinity of the composition. Use it.

例えば、In−Sn−Zn系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上げることができる。 For example, high mobility can be obtained relatively easily with an In—Sn—Zn-based oxide. However, mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk also in the case of using an In—Ga—Zn-based oxide.

以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。 Hereinafter, the structure of the oxide semiconductor film is described.

酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜と非単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜などをいう。 An oxide semiconductor film is classified roughly into a single crystal oxide semiconductor film and a non-single crystal oxide semiconductor film. The non-single-crystal oxide semiconductor film refers to an amorphous oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film, or the like.

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸化物半導体膜である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の酸化物半導体膜が典型である。 An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film having an irregular atomic arrangement in the film and having no crystal component. An oxide semiconductor film which has no crystal part even in a minute region and has a completely amorphous structure as a whole is typical.

微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満の大きさの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を含む。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも原子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。 The microcrystalline oxide semiconductor film includes a microcrystal (also referred to as nanocrystal) with a size greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, for example. Therefore, the microcrystalline oxide semiconductor film has higher regularity of atomic arrangement than the amorphous oxide semiconductor film. Therefore, a microcrystalline oxide semiconductor film has a feature that the density of defect states is lower than that of an amorphous oxide semiconductor film.

CAAC−OS膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。CAAC−OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、CAAC−OS膜について詳細な説明を行う。 The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of crystal parts, and most of the crystal parts are large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Therefore, the case where a crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 10 nm, less than 5 nm, or less than 3 nm is included. The CAAC-OS film is characterized by having a lower density of defect states than a microcrystalline oxide semiconductor film. Hereinafter, the CAAC-OS film is described in detail.

CAAC−OS膜を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、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。 When the CAAC-OS film is observed with a transmission electron microscope (TEM), a clear boundary between crystal parts, that is, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.

CAAC−OS膜を、試料面と概略平行な方向からTEMによって観察(断面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When the CAAC-OS film is observed by TEM (cross-sectional TEM observation) from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .

一方、CAAC−OS膜を、試料面と概略垂直な方向からTEMによって観察(平面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is observed by TEM (planar TEM observation) from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in the crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.

断面TEM観察および平面TEM観察より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。 From the cross-sectional TEM observation and the planar TEM observation, it is found that the crystal part of the CAAC-OS film has orientation.

CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the CAAC-OS film crystal has c-axis orientation, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.

一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。InGaZnOの単結晶酸化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is analyzed by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak may appear when 2θ is around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of a single crystal oxide semiconductor film of InGaZnO 4 , when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), Six peaks attributed to the crystal plane equivalent to the (110) plane are observed. On the other hand, in the case of a CAAC-OS film, a peak is not clearly observed even when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 °.

以上のことから、CAAC−OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面TEM観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。 From the above, in the CAAC-OS film, the orientation of the a-axis and the b-axis is irregular between different crystal parts, but the c-axis is aligned, and the c-axis is a normal line of the formation surface or the top surface. It can be seen that the direction is parallel to the vector. Therefore, each layer of metal atoms arranged in a layer shape confirmed by the above-mentioned cross-sectional TEM observation is a plane parallel to the ab plane of the crystal.

なお、結晶部は、CAAC−OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。 Note that the crystal part is formed when a CAAC-OS film is formed or when crystallization treatment such as heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS film is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film.

また、CAAC−OS膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、CAAC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。 Further, the crystallinity in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, in the case where the crystal part of the CAAC-OS film is formed by crystal growth from the vicinity of the top surface of the CAAC-OS film, the region near the top surface can have a higher degree of crystallinity than the region near the formation surface. is there. In addition, in the case where an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystallinity of a region to which the impurity is added changes, and a region having a different degree of crystallinity may be formed.

なお、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that when the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal is analyzed by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.

CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。 In a transistor using a CAAC-OS film, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small. Therefore, the transistor has high reliability.

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 Note that the oxide semiconductor film may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film, for example.

CAAC−OS膜は、例えば、多結晶である金属酸化物ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。 The CAAC-OS film is formed by a sputtering method using a polycrystalline metal oxide target, for example.

また、CAAC−OS膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。 In order to form the CAAC-OS film, the following conditions are preferably applied.

成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、処理室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素、及び窒素など)を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。 By reducing the mixing of impurities during film formation, the crystal state can be prevented from being broken by impurities. For example, the concentration of impurities (hydrogen, water, carbon dioxide, nitrogen, etc.) existing in the treatment chamber may be reduced. Further, the impurity concentration in the deposition gas may be reduced. Specifically, a deposition gas having a dew point of −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower is used.

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を100℃以上740℃以下、好ましくは200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。 Further, by increasing the substrate heating temperature during film formation, migration of sputtered particles occurs after reaching the substrate. Specifically, the film is formed at a substrate heating temperature of 100 ° C. to 740 ° C., preferably 200 ° C. to 500 ° C. By increasing the substrate heating temperature at the time of film formation, when the flat sputtered particles reach the substrate, migration occurs on the substrate, and the flat surface of the sputtered particles adheres to the substrate.

また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体積%とする。 In addition, it is preferable to reduce plasma damage during film formation by increasing the oxygen ratio in the film formation gas and optimizing electric power. The oxygen ratio in the deposition gas is 30% by volume or more, preferably 100% by volume.

また、酸化物半導体層は、単数の金属酸化物膜で構成されているとは限らず、積層された複数の金属酸化物膜で構成されていても良い。例えば、第1乃至第3の金属酸化物膜が順に積層されている半導体膜の場合、第1の金属酸化物膜及び第3の金属酸化物膜は、第2の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも1つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが第2の金属酸化物膜よりも0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上または0.15eV以上、かつ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下または0.4eV以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、第2の金属酸化物膜は、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。 In addition, the oxide semiconductor layer is not necessarily composed of a single metal oxide film, and may be composed of a plurality of stacked metal oxide films. For example, in the case of a semiconductor film in which first to third metal oxide films are sequentially stacked, the first metal oxide film and the third metal oxide film constitute a second metal oxide film. At least one metal element is included in the component, and the energy at the lower end of the conduction band is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.15 eV or more than the second metal oxide film, and 2eV or less, 1eV or less, 0.5eV or less, or 0.4eV or less, which is an oxide film close to a vacuum level. Furthermore, it is preferable that the second metal oxide film contains at least indium because carrier mobility is increased.

上記構成の半導体膜をトランジスタが有する場合、ゲート電極に電圧を印加することで、半導体膜に電界が加わると、半導体膜のうち、伝導帯下端のエネルギーが小さい第2の金属酸化物膜にチャネル領域が形成される。即ち、第2の金属酸化物膜とゲート絶縁膜との間に第3の金属酸化物膜が設けられていることによって、ゲート絶縁膜と離隔している第2の金属酸化物膜に、チャネル領域を形成することができる。 In the case where the transistor includes the semiconductor film having the above structure, when an electric field is applied to the semiconductor film by applying a voltage to the gate electrode, a channel is formed in the second metal oxide film having a lower conduction band energy in the semiconductor film. A region is formed. That is, since the third metal oxide film is provided between the second metal oxide film and the gate insulating film, the second metal oxide film separated from the gate insulating film has a channel. Regions can be formed.

また、第3の金属酸化物膜は、第2の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも1つをその構成要素に含むため、第2の金属酸化物膜と第3の金属酸化物膜の界面では、界面散乱が起こりにくい。従って、当該界面においてキャリアの動きが阻害されにくいため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。 In addition, since the third metal oxide film includes at least one of the metal elements constituting the second metal oxide film in its constituent elements, the second metal oxide film and the third metal oxide film Interface scattering is unlikely to occur at the interface. Accordingly, since the movement of carriers at the interface is difficult to be inhibited, the field effect mobility of the transistor is increased.

また、第2の金属酸化物膜と第1の金属酸化物膜の界面に界面準位が形成されると、界面近傍の領域にもチャネル領域が形成されるために、トランジスタの閾値電圧が変動してしまう。しかし、第1の金属酸化物膜は、第2の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも1つをその構成要素に含むため、第2の金属酸化物膜と第1の金属酸化物膜の界面には、界面準位が形成されにくい。よって、上記構成により、トランジスタの閾値電圧等の電気的特性のばらつきを、低減することができる。 In addition, when an interface state is formed at the interface between the second metal oxide film and the first metal oxide film, a channel region is also formed in a region near the interface, so that the threshold voltage of the transistor fluctuates. Resulting in. However, since the first metal oxide film includes at least one of the metal elements constituting the second metal oxide film in its constituent elements, the second metal oxide film and the first metal oxide film It is difficult to form interface states at the interface. Thus, with the above structure, variation in electrical characteristics such as threshold voltage of the transistor can be reduced.

また、金属酸化物膜間に不純物が存在することによって、各膜の界面にキャリアの流れを阻害する界面準位が形成されることがないよう、複数の酸化物半導体膜を積層させることが望ましい。積層された金属酸化物膜の膜間に不純物が存在していると、金属酸化物膜間における伝導帯下端のエネルギーの連続性が失われ、界面近傍において、キャリアがトラップされるか、あるいは再結合により消滅してしまうからである。膜間における不純物を低減させることで、主成分である一の金属を少なくとも共に有する複数の金属酸化物膜を、単に積層させるよりも、連続接合(ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化するU字型の井戸構造を有している状態)が形成されやすくなる。 In addition, it is preferable to stack a plurality of oxide semiconductor films so that an interface state that inhibits carrier flow is not formed at the interface between the films due to the presence of impurities between the metal oxide films. . If impurities exist between the stacked metal oxide films, the continuity of the energy at the bottom of the conduction band between the metal oxide films is lost, and carriers are trapped or re-entered near the interface. This is because the bonds disappear. By reducing the impurities between the films, a plurality of metal oxide films having at least one metal as a main component together are not simply stacked. A state of having a U-shaped well structure that continuously changes between them).

連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置(スパッタリング装置)を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気(1×10−4Pa以上5×10−7Pa程度まで)することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。 In order to form a continuous bond, it is necessary to use a multi-chamber type film forming apparatus (sputtering apparatus) provided with a load lock chamber to continuously laminate each film without exposure to the atmosphere. Each chamber in the sputtering apparatus is subjected to high vacuum exhaustion (1 × 10 −4 Pa or more 5 × 5 × 5) using an adsorption-type vacuum exhaust pump such as a cryopump so as to remove water or the like which is an impurity for the oxide semiconductor as much as possible. It is preferable that it is about 10 −7 Pa). Alternatively, it is preferable to combine a turbo molecular pump and a cold trap so that gas does not flow backward from the exhaust system into the chamber.

高純度の真性な酸化物半導体を得るためには、各チャンバー内を高真空排気するのみならず、スパッタリングに用いるガスの高純度化も重要である。上記ガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスの露点を、−40℃以下、好ましくは−80℃以下、より好ましくは−100℃以下とし、使用するガスの高純度化を図ることで、酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。 In order to obtain a high-purity intrinsic oxide semiconductor, it is important not only to evacuate each chamber to a high vacuum but also to increase the purity of a gas used for sputtering. The dew point of oxygen gas or argon gas used as the gas is −40 ° C. or lower, preferably −80 ° C. or lower, more preferably −100 ° C. or lower, and the oxide semiconductor film is made highly purified by purifying the gas used. It is possible to prevent moisture and the like from being taken into the body as much as possible.

例えば、第1の金属酸化物膜または第3の金属酸化物膜は、アルミニウム、シリコン、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを、第2の金属酸化物膜よりも高い原子数比で含む酸化物膜であればよい。具体的に、第1の金属酸化物膜または第3の金属酸化物膜として、第2の金属酸化物膜よりも上述の元素を1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上高い原子数比で含む酸化物膜を用いると良い。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物膜に生じることを抑制する機能を有する。よって、上記構成により、第1の金属酸化物膜または第3の金属酸化物膜を、第2の金属酸化物膜よりも酸素欠損が生じにくい酸化物膜にすることができる。 For example, the first metal oxide film or the third metal oxide film is formed using aluminum, silicon, titanium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, tin, lanthanum, cerium, or hafnium more than the second metal oxide film. As long as the oxide film contains a high atomic ratio. Specifically, as the first metal oxide film or the third metal oxide film, the above-described element is 1.5 times or more, preferably 2 times or more than the second metal oxide film, more preferably 3 times or more. An oxide film including an atomic ratio which is twice or more higher is preferably used. The above element is strongly bonded to oxygen and thus has a function of suppressing generation of oxygen vacancies in the oxide film. Therefore, with the above structure, the first metal oxide film or the third metal oxide film can be an oxide film in which oxygen vacancies are less likely to be generated than in the second metal oxide film.

なお、第1の金属酸化物膜及び第3の金属酸化物膜の厚さは、3nm以上100nm以下、好ましくは3nm以上50nm以下とする。また、第2の金属酸化物膜の厚さは、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下であり、さらに好ましくは3nm以上50nm以下である。 Note that the thicknesses of the first metal oxide film and the third metal oxide film are 3 nm to 100 nm, preferably 3 nm to 50 nm. The thickness of the second metal oxide film is 3 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 100 nm, and more preferably 3 nm to 50 nm.

3層構造の半導体膜において、第1の金属酸化物膜乃至第3の金属酸化物膜は、非晶質または結晶質の両方の形態を取りうる。ただし、チャネル領域が形成される第2の金属酸化物膜が結晶質であることにより、トランジスタに安定した電気的特性を付与することができるため、第2の金属酸化物膜は結晶質であることが好ましい。 In the semiconductor film having a three-layer structure, the first metal oxide film to the third metal oxide film can take either amorphous or crystalline forms. However, since the second metal oxide film in which the channel region is formed is crystalline, stable electrical characteristics can be given to the transistor, and thus the second metal oxide film is crystalline. It is preferable.

(実施の形態5)
実施の形態1−4に示した半導体装置の一例について説明する。図13に、図1に示した半導体装置100が有する、トランジスタ102、トランジスタ105、及び容量素子104の断面構造を、一例として示す。
(Embodiment 5)
An example of the semiconductor device described in Embodiment 1-4 will be described. FIG. 13 illustrates an example of a cross-sectional structure of the transistor 102, the transistor 105, and the capacitor 104 included in the semiconductor device 100 illustrated in FIG.

トランジスタ102のチャネルは酸化物半導体層を有している。トランジスタ102、容量素子104が、単結晶のシリコン基板にチャネル形成領域を有するトランジスタ105上に形成されている場合を例示している。 A channel of the transistor 102 includes an oxide semiconductor layer. The case where the transistor 102 and the capacitor 104 are formed over the transistor 105 having a channel formation region in a single crystal silicon substrate is illustrated.

なお、トランジスタ105は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの半導体膜を活性層に用いることもできる。或いは、トランジスタ105は、酸化物半導体を活性層に用いていても良い。全てのトランジスタが酸化物半導体を活性層に用いている場合、トランジスタ102はトランジスタ105上に積層されていなくとも良く、トランジスタ102とトランジスタ105とは、同一の層に形成されていても良い。 Note that the transistor 105 can be formed using an amorphous, microcrystalline, polycrystalline, or single crystal semiconductor film such as silicon or germanium for the active layer. Alternatively, the transistor 105 may use an oxide semiconductor for the active layer. In the case where all transistors use an oxide semiconductor for the active layer, the transistor 102 is not necessarily stacked over the transistor 105, and the transistor 102 and the transistor 105 may be formed in the same layer.

薄膜のシリコンを用いてトランジスタ105を形成する場合、プラズマCVD法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンにレーザー光を照射して結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。 In the case where the transistor 105 is formed using thin silicon, amorphous silicon manufactured by a vapor phase growth method such as a plasma CVD method or a sputtering method, and a multicrystal which is crystallized by irradiating laser light on the amorphous silicon. Crystalline silicon, single crystal silicon in which a surface layer portion is separated by implanting hydrogen ions or the like into a single crystal silicon wafer, or the like can be used.

トランジスタ105が形成される半導体基板1400は、例えば、n型またはp型の導電型を有するシリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンゲルマニウム基板、化合物半導体基板(GaAs基板、InP基板、GaN基板、SiC基板、GaP基板、GaInAsP基板、ZnSe基板等)等を用いることができる。図13では、n型の導電性を有する単結晶シリコン基板を用いた場合を例示している。 The semiconductor substrate 1400 on which the transistor 105 is formed includes, for example, a silicon substrate having an n-type or p-type conductivity, a germanium substrate, a silicon germanium substrate, a compound semiconductor substrate (GaAs substrate, InP substrate, GaN substrate, SiC substrate, GaP A substrate, a GaInAsP substrate, a ZnSe substrate, or the like). FIG. 13 illustrates the case where a single crystal silicon substrate having n-type conductivity is used.

また、トランジスタ105は、素子分離用絶縁膜1401により、他のトランジスタと、電気的に分離されている。素子分離用絶縁膜1401の形成には、選択酸化法(LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法)またはトレンチ分離法等を用いることができる。 The transistor 105 is electrically isolated from other transistors by an element isolation insulating film 1401. For the formation of the element isolation insulating film 1401, a selective oxidation method (LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method), a trench isolation method, or the like can be used.

具体的に、トランジスタ105は、半導体基板1400に形成された、ソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域1402及び不純物領域1403と、ゲート電極1404と、半導体基板1400とゲート電極1404の間に設けられたゲート絶縁膜1405とを有する。ゲート電極1404は、ゲート絶縁膜1405を間に挟んで、不純物領域1402と不純物領域1403の間に形成されるチャネル形成領域と重なる。 Specifically, the transistor 105 is provided between the impurity region 1402 and the impurity region 1403 which function as a source region or a drain region, the gate electrode 1404, and the semiconductor substrate 1400 and the gate electrode 1404 formed in the semiconductor substrate 1400. And a gate insulating film 1405. The gate electrode 1404 overlaps with a channel formation region formed between the impurity region 1402 and the impurity region 1403 with the gate insulating film 1405 interposed therebetween.

トランジスタ105上には、絶縁膜1409が設けられている。絶縁膜1409には開口部が形成されている。そして、上記開口部には、不純物領域1402、不純物領域1403にそれぞれ接する配線1410、配線1411と、ゲート電極1404に電気的に接続されている配線1412とが、形成されている。 An insulating film 1409 is provided over the transistor 105. An opening is formed in the insulating film 1409. In the opening, wirings 1410 and 1411 that are in contact with the impurity region 1402 and the impurity region 1403, respectively, and a wiring 1412 that is electrically connected to the gate electrode 1404 are formed.

そして、配線1410は、絶縁膜1409上に形成された配線1415に電気的に接続されており、配線1411は、絶縁膜1409上に形成された配線1416に電気的に接続されており、配線1412は、絶縁膜1409上に形成された配線1417に電気的に接続されている。 The wiring 1410 is electrically connected to the wiring 1415 formed over the insulating film 1409. The wiring 1411 is electrically connected to the wiring 1416 formed over the insulating film 1409. Are electrically connected to a wiring 1417 formed over the insulating film 1409.

配線1415乃至配線1417上には、絶縁膜1420及び絶縁膜1440が順に積層するように形成されている。絶縁膜1420及び絶縁膜1440には開口部が形成されており、上記開口部に、配線1417に電気的に接続された配線1421が形成されている。 Over the wirings 1415 to 1417, an insulating film 1420 and an insulating film 1440 are stacked in this order. An opening is formed in the insulating film 1420 and the insulating film 1440, and a wiring 1421 electrically connected to the wiring 1417 is formed in the opening.

そして、図13では、絶縁膜1440上にトランジスタ102及び容量素子104が形成されている。 In FIG. 13, the transistor 102 and the capacitor 104 are formed over the insulating film 1440.

トランジスタ102は、絶縁膜1440上に、酸化物半導体を含む半導体膜1430と、半導体膜1430上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜1432及び導電膜1433と、半導体膜1430、導電膜1432及び導電膜1433上のゲート絶縁膜1431と、ゲート絶縁膜1431上に位置し、導電膜1432と導電膜1433の間において半導体膜1430と重なっているゲート電極1434と、を有する。なお、導電膜1433は、配線1421に電気的に接続されている。 The transistor 102 includes a semiconductor film 1430 including an oxide semiconductor over the insulating film 1440, a conductive film 1432 and a conductive film 1433 functioning as a source electrode or a drain electrode over the semiconductor film 1430, and the semiconductor film 1430 and the conductive film 1432. And a gate insulating film 1431 over the conductive film 1433, and a gate electrode 1434 which is located over the gate insulating film 1431 and overlaps with the semiconductor film 1430 between the conductive film 1432 and the conductive film 1433. Note that the conductive film 1433 is electrically connected to the wiring 1421.

また、ゲート絶縁膜1431上において導電膜1433と重なる位置に、導電膜1435が設けられている。ゲート絶縁膜1431を間に挟んで導電膜1433及び導電膜1435が重なっている部分が、容量素子104として機能する。 A conductive film 1435 is provided over the gate insulating film 1431 so as to overlap with the conductive film 1433. A portion where the conductive film 1433 and the conductive film 1435 overlap with the gate insulating film 1431 interposed therebetween functions as the capacitor 104.

なお、図13では、容量素子104がトランジスタ102と共に絶縁膜1440の上に設けられている場合を例示しているが、容量素子104は、トランジスタ105と共に、絶縁膜1440の下に設けられていても良い。 Note that FIG. 13 illustrates the case where the capacitor 104 is provided over the insulating film 1440 together with the transistor 102; however, the capacitor 104 is provided under the insulating film 1440 together with the transistor 105. Also good.

そして、トランジスタ102、容量素子104上に、絶縁膜1441及び絶縁膜1442が順に積層するように設けられている。絶縁膜1441及び絶縁膜1442には開口部が設けられており、上記開口部においてゲート電極1434に接する導電膜1443が、絶縁膜1441上に設けられている。 An insulating film 1441 and an insulating film 1442 are sequentially stacked over the transistor 102 and the capacitor 104. An opening is provided in the insulating film 1441 and the insulating film 1442, and a conductive film 1443 in contact with the gate electrode 1434 in the opening is provided over the insulating film 1441.

なお、図13において、トランジスタ102は、ゲート電極1434を半導体膜1430の片側において少なくとも有していれば良いが、半導体膜1430を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。 Note that in FIG. 13, the transistor 102 only needs to include the gate electrode 1434 at least on one side of the semiconductor film 1430, but may include a pair of gate electrodes that are interposed with the semiconductor film 1430 interposed therebetween. .

トランジスタ102が、半導体膜1430を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には導通状態または非導通状態を制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電位が他から与えられている状態であっても良い。この場合、一対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。 In the case where the transistor 102 includes a pair of gate electrodes with the semiconductor film 1430 interposed therebetween, one gate electrode is supplied with a signal for controlling a conductive state or a non-conductive state, and the other gate The electrode may be in a state where a potential is applied from another. In this case, the same potential may be applied to the pair of electrodes, or a fixed potential such as a ground potential may be applied only to the other gate electrode. By controlling the potential applied to the other gate electrode, the threshold voltage of the transistor can be controlled.

また、図13では、トランジスタ102が、一のゲート電極1434に対応した一のチャネル形成領域を有する、シングルゲート構造である場合を例示している。しかし、トランジスタ102は、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、一の活性層にチャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。 FIG. 13 illustrates the case where the transistor 102 has a single gate structure having one channel formation region corresponding to one gate electrode 1434. However, the transistor 102 may have a multi-gate structure in which a plurality of gate electrodes are electrically connected to each other so that a plurality of channel formation regions are included in one active layer.

また、半導体膜1430は、単膜の酸化物半導体で構成されているとは限らず、積層された複数の酸化物半導体で構成されていても良い。例えば半導体膜1430が、3層に積層されて構成されている場合のトランジスタ1110Aの構成例を、図14(A)に示す。 Further, the semiconductor film 1430 is not necessarily formed of a single oxide semiconductor, and may be formed of a plurality of stacked oxide semiconductors. For example, FIG. 14A illustrates a structure example of the transistor 1110A in the case where the semiconductor film 1430 is stacked in three layers.

図14(A)に示すトランジスタ1110Aは、絶縁膜820などの上に設けられた半導体膜1430と、半導体膜1430と電気的に接続されている導電膜832、及び導電膜833と、ゲート絶縁膜831と、ゲート絶縁膜831上に半導体膜1430と重畳するように設けられたゲート電極834と、を有する。 A transistor 1110A illustrated in FIG. 14A includes a semiconductor film 1430 provided over an insulating film 820 and the like, a conductive film 832 electrically connected to the semiconductor film 1430, a conductive film 833, and a gate insulating film. 831 and a gate electrode 834 provided over the gate insulating film 831 so as to overlap with the semiconductor film 1430.

そして、トランジスタ1110Aでは、半導体膜1430として、酸化物半導体層830a乃至酸化物半導体層830cが、絶縁膜820側から順に積層されている。 In the transistor 1110A, as the semiconductor film 1430, oxide semiconductor layers 830a to 830c are stacked in this order from the insulating film 820 side.

そして、酸化物半導体層830a及び酸化物半導体層830cは、酸化物半導体層830bを構成する金属元素の少なくとも1つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層830bよりも0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上又は0.15eV以上、かつ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下又は0.4eV以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、酸化物半導体層830bは、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。 The oxide semiconductor layer 830a and the oxide semiconductor layer 830c each include at least one of metal elements included in the oxide semiconductor layer 830b in its constituent elements, and the energy at the lower end of the conduction band is higher than that of the oxide semiconductor layer 830b. The oxide film has a vacuum level of 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.15 eV or more, and 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. Further, the oxide semiconductor layer 830b preferably contains at least indium because carrier mobility is increased.

なお酸化物半導体層830cは、図14(B)に示すように、導電膜832及び導電膜833の上層でゲート絶縁膜831と重畳させて設ける構成としてもよい。 Note that as illustrated in FIG. 14B, the oxide semiconductor layer 830c may be provided over the conductive films 832 and 833 so as to overlap with the gate insulating film 831.

(実施の形態6)
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等のカメラ、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、プリンタ複合機、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15に示す。
(Embodiment 6)
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a display device, a personal computer, and an image reproducing device including a recording medium (typically a display that can reproduce a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and display the image) Device). In addition, as an electronic device in which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable information terminal, an electronic book, a video camera, a camera such as a digital still camera, or a goggle type Display (head-mounted display), navigation system, sound playback device (car audio, digital audio player, etc.), copier, facsimile, printer, printer multifunction device, automatic teller machine (ATM), vending machine, etc. . Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図15(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体5001、筐体5002、表示部5003、表示部5004、マイクロフォン5005、スピーカー5006、操作キー5007、スタイラス5008等を有する。なお、図15(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部5003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。 FIG. 15A illustrates a portable game machine, which includes a housing 5001, a housing 5002, a display portion 5003, a display portion 5004, a microphone 5005, speakers 5006, operation keys 5007, a stylus 5008, and the like. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 15A includes two display portions 5003 and 5004, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.

図15(B)は携帯情報端末であり、第1筐体5601、第2筐体5602、第1表示部5603、第2表示部5604、接続部5605、操作キー5606等を有する。第1表示部5603は第1筐体5601に設けられており、第2表示部5604は第2筐体5602に設けられている。そして、第1筐体5601と第2筐体5602とは、接続部5605により接続されており、第1筐体5601と第2筐体5602の間の角度は、接続部5605により変更が可能である。第1表示部5603における映像を、接続部5605における第1筐体5601と第2筐体5602との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部5603及び第2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。或いは、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。 FIG. 15B illustrates a portable information terminal which includes a first housing 5601, a second housing 5602, a first display portion 5603, a second display portion 5604, a connection portion 5605, operation keys 5606, and the like. The first display portion 5603 is provided in the first housing 5601 and the second display portion 5604 is provided in the second housing 5602. The first housing 5601 and the second housing 5602 are connected by a connection portion 5605, and the angle between the first housing 5601 and the second housing 5602 can be changed by the connection portion 5605. is there. The video on the first display portion 5603 may be switched according to the angle between the first housing 5601 and the second housing 5602 in the connection portion 5605. Further, a display device to which a function as a position input device is added to at least one of the first display portion 5603 and the second display portion 5604 may be used. Note that the function as a position input device can be added by providing a touch panel on the display device. Alternatively, the function as a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element called a photosensor in a pixel portion of a display device.

図15(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体5401、表示部5402、キーボード5403、ポインティングデバイス5404等を有する。 FIG. 15C illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 5401, a display portion 5402, a keyboard 5403, a pointing device 5404, and the like.

図15(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体5301、冷蔵室用扉5302、冷凍室用扉5303等を有する。 FIG. 15D illustrates an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 5301, a refrigerator door 5302, a refrigerator door 5303, and the like.

図15(E)はビデオカメラであり、第1筐体5801、第2筐体5802、表示部5803、操作キー5804、レンズ5805、接続部5806等を有する。操作キー5804及びレンズ5805は第1筐体5801に設けられており、表示部5803は第2筐体5802に設けられている。そして、第1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により変更が可能である。表示部5803における映像を、接続部5806における第1筐体5801と第2筐体5802との間の角度に従って切り替える構成としても良い。 FIG. 15E illustrates a video camera, which includes a first housing 5801, a second housing 5802, a display portion 5803, operation keys 5804, a lens 5805, a connection portion 5806, and the like. The operation key 5804 and the lens 5805 are provided in the first housing 5801, and the display portion 5803 is provided in the second housing 5802. The first housing 5801 and the second housing 5802 are connected by a connection portion 5806, and the angle between the first housing 5801 and the second housing 5802 can be changed by the connection portion 5806. is there. The video on the display portion 5803 may be switched in accordance with the angle between the first housing 5801 and the second housing 5802 in the connection portion 5806.

図15(F)は普通自動車であり、車体5101、車輪5102、ダッシュボード5103、ライト5104等を有する。 FIG. 15F illustrates an ordinary car, which includes a car body 5101, wheels 5102, a dashboard 5103, lights 5104, and the like.

90 半導体装置
100 半導体装置
101 トランジスタ
102 トランジスタ
103 容量素子
104 容量素子
VC1 容量素子104の電極間の電位差
VC2 容量素子103の電極間の電位差
105 トランジスタ
106 端子
107 端子
111 配線
112 配線
113 配線
114 配線
115 配線
116 トランジスタ
117 容量素子
118 配線
119 配線
120 半導体装置
121 トランジスタ
122 容量素子
123 配線
124 配線
125 半導体装置
130 半導体装置
131 トランジスタ
132 配線
135 半導体装置
136 トランジスタ
140 半導体装置
141 トランジスタ
142 配線
143 配線
820 絶縁膜
832 導電膜
833 導電膜
831 ゲート絶縁膜
834 ゲート電極
830a 酸化物半導体層
830b 酸化物半導体層
830c 酸化物半導体層
1110A トランジスタ
1400 半導体基板
1401 素子分離用絶縁膜
1402 不純物領域
1403 不純物領域
1404 ゲート電極
1405 ゲート絶縁膜
1409 絶縁膜
1410 配線
1411 配線
1412 配線
1415 配線
1416 配線
1417 配線
1420 絶縁膜
1421 配線
1430 半導体膜
1431 ゲート絶縁膜
1432 導電膜
1433 導電膜
1434 ゲート電極
1435 導電膜
1440 絶縁膜
1441 絶縁膜
1442 絶縁膜
1443 導電膜
5001 筐体
5002 筐体
5003 表示部
5004 表示部
5005 マイクロフォン
5006 スピーカー
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
90 Semiconductor Device 100 Semiconductor Device 101 Transistor 102 Transistor 103 Capacitance Element 104 Capacitance Element VC1 Potential Difference Between Electrodes of Capacitance Element 104 VC2 Potential Difference Between Electrodes of Capacitance Element 103 105 Transistor 106 Terminal 107 Terminal 111 Wiring 112 Wiring 113 Wiring 114 Wiring 115 Wiring 116 transistor 117 capacitor element 118 wiring 119 wiring 120 semiconductor device 121 transistor 122 capacitor element 123 wiring 124 wiring 125 semiconductor device 130 semiconductor device 131 transistor 132 wiring 135 semiconductor device 136 transistor 140 semiconductor device 141 transistor 142 wiring 143 wiring 820 insulating film 832 conductive Film 833 Conductive film 831 Gate insulating film 834 Gate electrode 830a Oxide semiconductor layer 830b Oxide semiconductor layer 8 0c Oxide semiconductor layer 1110A Transistor 1400 Semiconductor substrate 1401 Element isolation insulating film 1402 Impurity region 1403 Impurity region 1404 Gate electrode 1405 Gate insulating film 1409 Insulating film 1410 Wiring 1411 Wiring 1412 Wiring 1415 Wiring 1416 Wiring 1417 Wiring 1420 Insulating film 1421 Wiring 1430 Semiconductor film 1431 Gate insulating film 1432 Conductive film 1433 Conductive film 1434 Gate electrode 1435 Conductive film 1440 Insulating film 1441 Insulating film 1442 Insulating film 1443 Conductive film 5001 Housing 5002 Housing 5003 Display unit 5004 Display unit 5005 Microphone 5006 Speaker 5007 Operation key 5008 Stylus 5101 Car body 5102 Wheel 5103 Dashboard 5104 Light 5301 Housing 5302 Cold storage door 5 303 Freezer compartment door 5401 Case 5402 Display unit 5403 Keyboard 5404 Pointing device 5601 Case 5602 Case 5603 Display unit 5604 Display unit 5605 Connection key 5606 Case 5802 Case 5803 Display unit 5804 Operation key 5805 Lens 5806 Connection Part

Claims (4)

第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第1の容量素子、第2の容量素子及び第3のトランジスタを有する半導体装置であって、
前記第1のトランジスタのチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有し、
前記第2のトランジスタのチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有し、
前記第1のトランジスタのゲートは第1のワード線に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソース及びドレインの一方はビット線に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方は、前記第2のトランジスタのソース及びドレインの一方、及び前記第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのゲートは、第2のワード線に電気的に接続され、
前記第2のトランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方は、前記第3のトランジスタのゲート、及び前記第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、
前記半導体装置に情報を書き込む動作は、
前記ビット線から前記第1の容量素子及び前記第2の容量素子に電荷を蓄積する工程と、
前記ビット線から前記第1の容量素子にさらに電荷を蓄積する工程と、を有し、
前記情報を読み出す動作は、
前記第2の容量素子の電圧により前記第3のトランジスタをオンにする工程と、
前記第2のトランジスタをオンにして、前記第1の容量素子と、前記第2の容量素子とを並列接続させる工程と、を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a first transistor, a second transistor, a first capacitor, a second capacitor, and a third transistor,
The region where the channel of the first transistor is formed has an oxide semiconductor layer,
The region where the channel of the second transistor is formed includes an oxide semiconductor layer,
A gate of the first transistor is electrically connected to a first word line;
One of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to a bit line;
The other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of a source and a drain of the second transistor and one electrode of the first capacitor,
A gate of the second transistor is electrically connected to a second word line;
The other of the source and the drain of the second transistor is electrically connected to the gate of the third transistor and one electrode of the second capacitor,
The operation of writing information to the semiconductor device is as follows:
Accumulating electric charge from the bit line to the first capacitor element and the second capacitor element;
Further accumulating electric charge from the bit line to the first capacitor element,
The operation of reading the information includes
Turning on the third transistor by the voltage of the second capacitor;
And a step of turning on the second transistor to connect the first capacitor and the second capacitor in parallel.
請求項において、
前記第1の容量素子と前記第2の容量素子とを並列接続させ、前記第1の容量素子の電圧又は前記第2の容量素子の電圧により前記第3のトランジスタをオンにすることを特徴とする半導体装置。
In claim 1 ,
The first capacitor element and the second capacitor element are connected in parallel, and the third transistor is turned on by the voltage of the first capacitor element or the voltage of the second capacitor element. Semiconductor device.
第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第1の容量素子、第2の容量素子、第3のトランジスタ及び第4のトランジスタを有する半導体装置であって、
前記第1のトランジスタのチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有し、
前記第2のトランジスタのチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有し、
前記第4のトランジスタのチャネルが形成される領域は酸化物半導体層を有し、
前記第1のトランジスタのゲートは第1のワード線に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソース及びドレインの一方はビット線に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方は前記第2のトランジスタのソース及びドレインの一方、及び前記第1の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのゲートは、第2のワード線に電気的に接続され、
前記第2のトランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方は、前記第3のトランジスタのゲート、前記第4のトランジスタのソース及びドレインの一方、前記第2の容量素子の一方の電極に電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのゲートは第3のワード線に電気的に接続され、
前記第4のトランジスタの前記ソース及び前記ドレインの他方には基準電位が印加され、
前記半導体装置に情報を書き込む動作は、
前記ビット線から前記第1の容量素子及び前記第2の容量素子に電荷を蓄積する工程と、
前記ビット線から前記第1の容量素子にさらに電荷を蓄積する工程と、を有し、
前記情報を読み出す動作は、
前記第2の容量素子の電圧により前記第3のトランジスタをオンにする工程と、
前記第4のトランジスタをオンにして前記第2の容量素子の電圧を低下させる工程と、
前記第4のトランジスタをオフにするとともに前記第2のトランジスタをオンにして、前記第1の容量素子と、前記第2の容量素子とを並列接続させる工程と、を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a first transistor, a second transistor, a first capacitor, a second capacitor, a third transistor, and a fourth transistor,
The region where the channel of the first transistor is formed has an oxide semiconductor layer,
The region where the channel of the second transistor is formed includes an oxide semiconductor layer,
The region where the channel of the fourth transistor is formed has an oxide semiconductor layer,
A gate of the first transistor is electrically connected to a first word line;
One of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to a bit line;
The other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor and one electrode of the first capacitor,
A gate of the second transistor is electrically connected to a second word line;
The other of the source and the drain of the second transistor is electrically connected to the gate of the third transistor, one of the source and drain of the fourth transistor, and one electrode of the second capacitor. And
A gate of the fourth transistor is electrically connected to a third word line;
A reference potential is applied to the other of the source and the drain of the fourth transistor,
The operation of writing information to the semiconductor device is as follows:
Accumulating electric charge from the bit line to the first capacitor element and the second capacitor element;
Further accumulating electric charge from the bit line to the first capacitor element,
The operation of reading the information includes
Turning on the third transistor by the voltage of the second capacitor;
Turning on the fourth transistor to reduce the voltage of the second capacitor;
A step of turning off the fourth transistor and turning on the second transistor to connect the first capacitor element and the second capacitor element in parallel. apparatus.
請求項において、
前記第1の容量素子と前記第2の容量素子とを並列接続させ、前記第1の容量素子の電圧又は前記第2の容量素子の電圧により前記第3のトランジスタをオンにすることを特徴とする半導体装置。
In claim 3 ,
The first capacitor element and the second capacitor element are connected in parallel, and the third transistor is turned on by the voltage of the first capacitor element or the voltage of the second capacitor element. Semiconductor device.
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