JP6621989B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、半導体装置の一例として、1ビットのデータを記憶することが可能な回路について説明する。
図2Aは、回路の構成の一例を示す回路図であり、図2Bは、図2Aの等価回路の一例である。なお、回路図において、1つのトランジスタの回路記号で表されている素子でも、実際の回路において、複数のトランジスタを並列におよび/または直列に接続することで構成されている場合がある。また、これについては、キャパシタや抵抗等の他の素子についても同様である。
<駆動方法例1−1>
図3Aを参照して、回路11の駆動方法の一例を説明する。図3Aは、回路11の駆動方法の一例を示すタイミングチャートであり、回路11に入力される信号(CLK、CLKBおよびOSG_IN1)の信号波形を示す。なお、図3Aには、トランジスタMos1がnチャネル型トランジスタである場合のOSG_IN1の信号波形を示している。
図3Aの例では、トランジスタMos1の抵抗値を制御する信号として、CLKと同じ周期で電位が変化する信号OSG_IN1を用いた例を示したが、一定電位の信号を用いることも可能である。そのような信号の一例を図3Bに示す。図3Bは、回路11の駆動方法の一例を示すタイミングチャートであり、回路11に入力される信号(CLK、CLKBおよびOSG_IN2)の信号波形を示す。OSG_IN2はノードNOSGに入力される信号であり、図3Bには、トランジスタMos1がnチャネル型トランジスタである場合のOSG_IN2の信号波形を示している。
図4は、回路の構成の一例を示す回路図である。図4に示す回路12は、回路11の変形例であり、ノードNOSGに回路31を設けた回路に相当する。回路12のループ回路22は、INV11、INV12、トランジスタMos1および回路31を有する。回路12も回路11と同様に、1ビットのデータを保持するメモリ回路として機能させることができる。
図6を参照して、回路12の駆動方法の一例を説明する。図6は、回路12の駆動方法の一例を示すタイミングチャートであり、回路12に入力される信号CLK及びCLKBの波形、並びに、電源電位VDD用の電源線の電位、およびノードNOSGの電位の変化を示す。なお、図6は、トランジスタMos1およびトランジスタMos2がnチャネル型トランジスタである場合のタイミングチャートである。
期間T1では、クロック信号CLK、CLKB、および電源線がともにローレベルの電位VSSである。期間T1では、CLK、CLKBおよびVDDの供給が停止されており、回路12の停止期間であり、また電源遮断期間である。
期間T2では、CLK、CLKBの入力は停止しており、電源線には電源電位VDDが供給されている。回路12が待機状態である期間である。VDDの供給が開始されることで、トランジスタMos2の整流動作により、キャパシタC31が充電され、ノードNOSGの電位はVL1=VDD−Vth2に上昇される。Vth2は、トランジスタMos2のしきい値電圧である。
期間T3は、回路12の通常動作期間であり、CLK、CLKBおよびVDDが供給される。図6に示すように、回路31は、キャパシタC31に入力されるCLKの電位レベルの変化に応じて、ハイレベルの電位VH1=VL1+ΔVbs、または、ローレベルの電位VL1をノードNOSGに出力する。具体的には、回路31により、CLKがハイレベルの期間、キャパシタC31に比例した電位ΔVbs分、ノードNOSGの電位が上昇する。キャパシタC31の容量をCa31、ノードNOSG(回路31の出力ノード)の容量をCb31とすると、ΔVbsは、式(1)で表される。なお、ノードNOSGの容量とは、トランジスタMos1のゲート容量、トランジスタMos2の寄生容量などである。VH1が、VDD+Vth1以上となるように、Ca31の大きさを決定すればよい。
図7Aは、回路の構成の一例を示す回路図であり、図7Bは、図7Aの等価回路の一例である。
図9Aおよび図9Bは、回路の構成の一例を示す回路図である。図9Aに示す回路15、および図9Bに示す回路16は、1ビットのデータを保持する機能を備えたメモリ回路として動作させることができる。回路15は回路13の変形例であり、回路16は回路14の変形例である。
構成例1−4では、ループ回路内に2つのインバータを設けた例を示したが、本発明の一形態はこれに限定されない。例えば、図10に示すように、NANDゲート回路NAND13をループ回路27に設けることができる。図10の回路17は、回路11の変形例であり、INV12の代わりにNAND13を設けている。NAND13の2つの入力ノード(端子)の一方は、ノードNL2に接続され、他方は信号S3が供給される配線に接続されている。
構成例1−5で具体例を示したように、回路101および回路102は、ラッチ回路、SRAMの1ビットのメモリ回路等として用いることができる。また、回路101、または回路102を2段接続した回路は、所謂マスタースレーブ型のフリップフロップ回路(MS−FF)として機能させることができる。回路101または回路102を適用することで、消費電力が削減されたMS−FFを提供することができる。または、回路面積が削減されたMS−FFを提供することができる。以下に、フリップフロップ回路として用いることが可能な回路のいくつかの構成例を示す。また、以下に示す回路は、クロック信号CLKに従い、端子inから入力されたデータ信号Dを保持し、またクロック信号CLKに従い、保持していたデータを端子outからデータ信号Qとして出力する機能を有する。
図11に示すように、回路41は、回路11(図2A)を2段接続した回路に相当する。ここでは、1段目の回路11を回路11mと呼び、2段目の回路11を回路11sと呼ぶことにする。また、図面等において、回路11m、回路11sの構成要素の符号に”m”または”s”を追加して、互いを区別することにする。以下の構成例についても同様である。
図12に示すように、回路42は、回路12mと回路12sを接続した回路に相当する(図5A参照)。また、回路42は回路41の変形例であり、トランジスタMos1mのゲートに回路31mを接続し、トランジスタMos1sのゲートに回路31sを接続した回路である。回路31mは、キャパシタC31mとダイオード接続されたトランジスタMos2mを有する。回路31sは、キャパシタC31sとダイオード接続されたトランジスタMos2sを有する。図12の例では、クロック信号として、回路31mには、CLKが入力され、回路31sにはCLKBが入力される。回路42には、制御信号として2つの信号(CLK、CLKB)が入力される。つまり、回路41よりも少ない制御信号で動作することが可能である。
回路41(図11)および回路42(図12)において、TG11mおよびTG11sを、nチャネル型のトランジスタMn11m、Mn11s(図示せず)とすることができる。図11および図12の例では、トランジスタMn11mのゲートには、信号CLKBを入力し、トランジスタMn11sのゲートには信号CLKを入力するようにすればよい。
図13は、回路の一例を示す回路図である。図13に示す回路43は、前段のラッチ回路が回路15mで構成され、後段のラッチ回路が回路16sで構成されているMS−FFである。
本実施の形態では、実施の形態1に係る回路を含む半導体装置の具体的なデバイス構造について説明する。図14は、半導体装置のデバイス構造の一例を示す断面図であり、半導体装置を構成するICチップのダイを示している。
なお、図14は、ダイ600を特定の切断線で切った断面図ではなく、ダイ600の積層構造を説明するための図面である。図14には、代表的に、回路11を構成する一部の素子の断面構造を示している。
ダイ600を構成するSiトランジスタや、OSトランジスタのデバイス構造は、図14の構造に限定されるのもではない。例えば、OSトランジスタに、バックゲートを設けてもよい。図13のトランジスタMos1では、導電体644および導電体653と同様に、絶縁層613上にバックゲートとして機能する導電体をOS層701に重なるように形成すればよい。この導電体は導電体731に接続されていてもよい。この場合、トランジスタMos1のデバイス構造は、バックゲートがゲートに接続されている構造となる。
図15にOSトランジスタの構成の一例を示す。図15AはOSトランジスタの構成の一例を示す上面図である。図15Bは、Y1−Y2線による図15Aの断面図である。図15C、図15Dは、X1−X2線、X3−X4線による図15Aの断面図である。また、Y1−Y2線の方向をチャネル長方向、X1−X2線方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。よって、図15Bは、OSトランジスタのチャネル長方向の断面構造を示す図になり、図15Cおよび図15Dは、OSトランジスタのチャネル幅方向の断面構造を示す図になる。なお、デバイス構造を明確にするため、図15Aでは、一部の構成要素が省略されている。
以下、OSトランジスタに用いられる酸化物半導体膜について説明する。
以下では、OSトランジスタのOS層の構造について説明する。OSトランジスタのOS層は、単層の酸化物半導体膜または2層以上の酸化物半導体膜の積層膜から形成することができる。OS層を構成する酸化物半導体膜としては、単結晶酸化物半導体膜または非単結晶酸化物半導体膜が用いられる。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)膜等をいう。
CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。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、明確な結晶部同士の境界、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。
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。微結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、TEMによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
本実施の形態では、データを記憶することが可能な回路を備えた半導体装置について説明する。
21、22、27、121、122 ループ回路
111−114 論理回路
VRES 可変抵抗素子
SW1、SW2 スイッチ
INV11、INV12 インバータ
TG11 トランスミッションゲート
Mos1 トランジスタ
Claims (3)
- 入力端子と、
出力端子と、
第1のトランジスタと、
第3のトランジスタと、
第4のトランジスタと、
第1の回路と、を有する半導体装置であって、
前記第1の回路は、第1のノードと、第2のノードと、を有し、
前記第1のトランジスタは、ゲートに入力される第1の信号に応じて、前記入力端子と前記第1のノードとの間の導通状態または非導通状態を選択することができる機能を有し、
前記第2のノードは前記出力端子に電気的に接続され、
前記第1の回路は、第2のトランジスタと、第2の回路と、第3の回路と、を有し、
前記第1のノードは、前記第2の回路の入力ノードであり、
前記第2のノードは、前記第2の回路の出力ノードであり、
前記第2の回路の出力ノードは、前記第3の回路の入力ノードに電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第3の回路の出力ノードに電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第1のノードに電気的に接続され、
前記第3のトランジスタおよび前記第4のトランジスタは、前記第2のノードと第1の電位が供給される第1の配線との間に、直列に電気的に接続され、
前記第3のトランジスタおよび前記第4のトランジスタは、前記第3のトランジスタのゲートに入力される前記第1の信号と、前記第4のトランジスタのゲートに入力される前記第1のノードの電位と、に応じて、前記第2のノードと前記第1の配線との間の導通状態または非導通状態を選択することができる機能を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記第2のトランジスタは、チャネルにおいて、酸化物半導体層を有するトランジスタであることを特徴とする半導体装置。 - 組み合わせ回路を含み、
請求項1または請求項2に記載の半導体装置が、前記組み合わせ回路の出力データを保持する記憶回路として用いられていることを特徴とする半導体装置。
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