JP6895265B2 - 半導体装置、電子部品、および電子機器 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、2つの負電圧を直接的に比較する機能を備える半導体装置などについて説明する。
図1Aは、比較回路の構成例を示す回路図である。比較回路20は、端子IN1、IN2、OUT1、VH1、VL1、BIS、OBG1、およびOBG3を有する。比較回路20は、端子IN1の電位Vi1と端子IN2の電位Vi2とを比較する機能、および、比較結果に応じた電位レベルを持つ電位Vcmpを端子OUT1から出力する機能を有する。
特許文献1乃至3では、チャージポンプ回路が生成した負電位を監視するために比較回路が用いられている。例えば、特許文献2の比較回路は、チャージポンプ回路が生成した負電位を分圧回路によって、正電位に変換し、この正電位と正の基準電位とを比較している。特許文献3の比較回路も同様である。これに対して、比較回路20は、2つの負電位を直接的に比較することが可能であり、2つの入力電位Vi1、Vi2を負電位にすることができる。以下、このことを説明する。
ここでは、比較回路20の電流源の変形例について示す。図2Aに示す比較回路21は、トランジスタM3に代えてバックゲートを有さないトランジスタM13が設けられている。トランジスタM13の構成は、バックゲートが設けられていないことの他は、トランジスタM3と同様である。
ここでは、差動対の変形例を示す。図3に示す比較回路24は、端子OBG2を有する。端子OBG2はバイアス電位入力用の端子であり、電位Vbg2が入力される。端子OBG2にはトランジスタM2のバックゲートが電気的に接続されている。
図4Aに示す比較回路25では、トランジスタMP1、MP2を定電流源として機能させている。トランジスタMP1、MP2のゲートは、端子BIS2に電気的に接続されている。端子BIS2にはバイアス電位Vbs2が入力される。
図5A−図5Cに示す比較回路は、負荷を2個のnチャネル型トランジスタで構成した例である。
図6Aに示す比較回路37は、比較回路21の変形例である。比較回路37において、トランジスタM1のバックゲートに端子IN1を電気的に接続し、トランジスタM2のバックゲートに端子IN2を接続し、トランジスタM1のゲート及びトランジスタM2のゲートに端子VH1を電気的に接続している。比較回路37において、端子VH1には電位Vddではなく、電位Venが与えられる。電位Venはイネーブル信号である。電位Venおよび電位Vbsに高電位が与えられている間、比較回路37は動作を行う。比較回路37が待機状態のときは、電位Venおよび電位Vbsを0V(接地電位)にすればよい。
図8A、図8Bに、リセットが可能な比較回路の構成例を示す。
本実施の形態では、実施の形態1に係る比較回路を備える半導体装置について説明する。
以下に、負電位を生成する機能を有する半導体装置について説明する。図9Aは、電位生成システムの構成例を示すブロック図である。電位生成システム100は、電位Vnp1を生成し、出力する機能を有する。電位Vnp1は負電位である。電位生成システム100は、制御部105、クロック生成部111、電位比較部115、電位生成部120、電位保持部131、端子d1を有する。端子d1は電位Vnp1の出力端子である。電位生成システム100には、電位Vdd、GNDが入力される。電位GNDは低電源電位Vssに用いられる電位である。
負電位生成部121、122は、チャージポンプ回路で構成することができる。以下に、負電位生成部121の構成例を示す。なお、以下に示す構成例は、負電位生成部122にも適用できる。
クロックバッファ回路170は、インバータ70−75、端子a1−a3を有する。クロックバッファ回路170は、信号CLK_cpから信号CK1_cp、CKB1_cpを生成する機能を有する。端子a1は信号CLK_cpの入力端子であり、端子a2、a3は、信号CK1_cp、CKB1_cpの出力端子である。信号CLK_cpは、制御部105から出力されるクロック信号である。例えば、制御部105は、基準クロック信号を分周して、信号CLK_cpを生成する。信号CK1_cpと信号CKB1_cpとは相補関係にあるクロック信号である。
チャージポンプ回路160は、降圧型チャージポンプ回路であり、電位GNDを降圧して、電位Vcp1を生成する機能を有する。なお、入力電位は電位GNDに限定されない。チャージポンプ回路160は、トランジスタMN61−MN65、容量素子C61−C65を有する。チャージポンプ回路160の段数は5であるが、段数はこれに限定されない。
図11に電位保持部131の構成例を示す。電位保持部131は、トランジスタM80、容量素子C80、端子d2、d3を有する。端子d2には、端子d1、および電位比較部115の端子IN1が電気的に接続されている。端子d3には負電位生成部121の出力端子が電気的に接続され、電位Vcp1が入力される。トランジスタM80はバックゲートを有するOSトランジスタである。トランジスタM80はダイオード接続されたトランジスタである。容量素子C80の第1端子には、トランジスタM80のドレイン、ゲート、およびバックゲートが電気的に接続されている。
電位比較部115には、実施の形態1の比較回路が適用される。ここでは、電位比較部115に比較回路20を適用する。端子IN2には電位Vref1が入力され、端子IN1には、電位Vnp1が入力される。例えば、端子OBG1、OBG3には電位Vddを入力する。端子OGB1、OBG3に入力する電位を制御部105で生成してもよい。
図9Bに制御部105の構成例を示す。制御部105は、クロック生成部180、ロジック部185を有する。クロック生成部180は、クロック生成部181、182を有する。
電位保持部131が設けられているので、負電位生成部121を常時動作させる必要がない。動作させる必要がないときは、負電位生成部121を待機状態にすることができる。制御部105は、電位Vcmp1に応じて、負電位生成部121を待機状態にするか、動作させるかの制御を行う。図12を参照して、電位生成システム100の動作例を説明する。図12は電位生成システム100の動作例を示すタイミングチャートである。t1乃至t4は時刻を表す。
図13Aに電位生成システムの他の構成例を示す。図13Aに示す電位生成システム101は、電位生成システム100に電位保持部132を追加した構成をもつ。電位保持部132は端子IN2の電位を保持する機能を有する。このことにより、負電位生成部122も、負電位生成部121と同様に、常時降圧動作をする必要がない。
図14に電位生成システムの他の構成例を示す。図14に示す電位生成システム102は、複数の電位を生成する機能を備える。
<<記憶装置200>>
図15Aに示す記憶装置200は、電位生成部201、制御部202、セルアレイ203、周辺回路208を有する。周辺回路208は、センスアンプ回路204、ドライバ205、メインアンプ206、入出力回路207を有する。
図16Aに示す記憶装置220は、電位生成部221、制御部222、セルアレイ223、周辺回路224を有する。周辺回路224は、入力回路225、出力回路226、プレデコーダ230、行デコーダ231、列デコーダ232、行ドライバ233、列ドライバ234を有する。
図17A−図17Eにセルアレイの他の構成例を示す。各図には1行1列分の構成例が示されている。
図18にマイクロコントローラユニット(MCU)の構成例を示す。図18に示すMCU250はクロックゲーティングおよびパワーゲーティングが可能な半導体装置である。
図19にフリップフロップ271(バックアップ回路272およびスキャンフリップフロップ273)の構成例を示す。
図20Aは、アクティブモードでのフリップフロップ271の動作例を示しており、フリップフロップ271は通常動作を行う。フリップフロップ271は、信号GCLKの立ち上がり(または立ち下り)に同期して、ノードDから入力されるデータを取り込み、保持しているデータをノードQから出力する。ノードDからデータを取り込むため、例えば、“L”(低レベル)の信号SIがノードSEに入力される。信号BKUP_LS、RES_LSは“L”であるので、トランジスタM71−M73はオフ状態である。
スキャンフリップフロップ273のデータをバックアップするため、先ず、信号GCLKの入力を停止する。このクロックゲーティングによって、ノードQの論理が確定する。次に、“H”(高レベル)の信号BKUP_LSをノードBKに入力し、トランジスタM71、M73をオンにする(図20B)。ノードFNとノードQ間が導通状態となり、ノードFNの論理はノードQと同じになる。ノードQの論理が“1”であれば、ノードFNの論理も“1”となり、ノードQの論理が“0”であれば、ノードFNの論理も“0”となる。
スキャンフリップフロップ273のデータのリストアを開始するため、まず、スキャンフリップフロップ273への電位Vdd_coreの供給を再開する。次に、“H”の信号SIをノードSEに入力し、スキャンフリップフロップ273をノードSDのデータが入力される状態にする。“H”の信号RES_LSをノードREに入力して、トランジスタM72をオン状態にする。ノードFNとノードSD間が導通状態となり、ノードFNのデータがノードSDに書き込まれる(図20C)。次に、1クロックサイクル期間、信号GCLKを入力して、ノードSDのデータをノードQに書き込む。これにより、スキャンフリップフロップ273は、信号GCLKの停止直後の状態に復帰する。つまり、スキャンフリップフロップ273のノードQの論理は、信号GCLKの停止直後のノードQと同じ論理になっている。
図21Aに示す撮像装置400は、電位生成ユニット401、制御部402、画素アレイ403、周辺回路404を有する。周辺回路404は、行ドライバ405、列ドライバ406を有する。画素アレイ403は、行列状に配置された複数の画素410を有する。画素410は撮像素子であり、光を電荷に変換する機能、電荷を蓄積する機能等を有する。図21Bに画素410の一例を示す。
本実施の形態では、半導体装置の一例として、ICチップ、電子部品、電子機器等について説明する。
図22Aは、電子部品の作製方法例を示すフローチャートである。電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
回路領域7102には、本発明の形態に係る半導体装置(例えば、記憶装置、撮像装置、MCU等)が設けられている。
本実施の形態では、酸化物半導体トランジスタ等について説明する。
図25AはOSトランジスタの構成例を示す上面図である。図25Bは、図25AのX1−X2線断面図であり、図25CはY1−Y2線断面図である。ここでは、X1−X2線の方向をチャネル長方向と、Y1−Y2線方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。図25B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であり、図25C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である。なお、デバイス構造を明確にするため、図25Aでは、一部の構成要素が省略されている。
導電層550―553に用いられる導電材料には、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイド、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属、または上述した金属を成分とする金属窒化物(窒化タンタル、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン)等がある。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を用いることができる。
絶縁層521−529に用いられる絶縁材料には、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどがある。絶縁層521−529はこれらの絶縁材料でなる単層、または積層して構成される。絶縁層521−529を構成する層は、複数の絶縁材料を含んでいてもよい。
金属酸化物層511―513の各厚さは3nm以上500nm以下であり、は3nm以上100nm以下が好ましく、3nm以上60nm以下がさらに好ましい。
図32を参照して、金属酸化物層511―513の積層によって得られる効果を説明する。図32は、OSトランジスタ501のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造の模式図である。ここでは、OSトランジスタ501を例に説明するが、金属酸化物層511―513の積層による効果は、後述するOSトランジスタ502、503でも同様である。
図26A−図26Cに示すOSトランジスタ502は、OSトランジスタ501の変形例である。OSトランジスタ502の導電層550は、導電層550a、導電層550b、導電層550cを有する。
図27A−図27Cに示すOSトランジスタ503は、OSトランジスタ501の変形例である。OSトランジスタ503では、導電層550をエッチングマスクに用いて、金属酸化物層513および絶縁層527がエッチングされている。
図28A−図28Cに示すOSトランジスタ504は、OSトランジスタ501の変形例である。
図29A−図29Cに示すOSトランジスタ505は、OSトランジスタ501の変形例である。
図30A−図30Cに示すOSトランジスタ506は、OSトランジスタ501の変形例であり、主に、ゲート電極の構造が異なる。
図31A−図31Cに示すOSトランジスタ507は、OSトランジスタ506の変形例である。
図33−図35を参照して、OSトランジスタとSiトランジスタとで構成されている半導体装置の構成例を説明する。
本実施の形態では、酸化物半導体について説明する。酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一種である。
nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。nc−OSは、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。結晶部(ナノ結晶)間で結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
次に、酸化物半導体のキャリア密度について説明する。酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損(VO)、または酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。
20、21、22、23、24、25、26、27、30、31、32、37、38、40、41:比較回路、
72、73、74、75、76、77、78、79:インバータ、
100、101、102、105、106、110:制御部、
111、114、115、115A、115B、115C:電位比較部、
116、120、121、121A、121B、121C、122、122A、122B、122C:負電位生成部、
125A、125B、125C:正電位生成部、
130、131、131A、131B、131C、132、132A、132B、132C:電位保持部、
150:負電位生成回路、
160、161、162、163:チャージポンプ回路、
170、171:クロックバッファ回路、
172、180、181、182:クロック生成部、
185、186、187:カウンタ、
200:記憶装置、 201:電位生成部、 202:制御部、 203:セルアレイ、 204:センスアンプ回路、 205:ドライバ、 206:メインアンプ、 207:入出力回路、 208:周辺回路、 209:メモリセル、
220:記憶装置、 221:電位生成部、 222:制御部、 223:セルアレイ、 224:周辺回路、 225:入力回路、 226:出力回路、 227:メモリセル、 230:プレデコーダ、 231:行デコーダ、 232:列デコーダ、 233:行ドライバ、 234:列ドライバ、 241、242、243:メモリセル、
250:MCU(マイクロコントローラユニット)、 260:PMU(電源管理ユニット)、 261:電位生成ユニット、 262:バス、 264、265:パワースイッチ、 267:レベルシフタおよびバッファ回路、 270:プロセッサコア、 271:フリップフロップ、 272:バックアップ回路、 273:スキャンフリップフロップ、 275:セレクタ、 276:フリップフロップ、 280:メモリ、 281:制御部、 282:周辺回路、 283:セルアレイ、
400:撮像装置、 401:電位生成ユニット、 402:制御部、 403:画素アレイ、 404:周辺回路、 405:行ドライバ、 406:列ドライバ、 410:画素、
501、502、503、504、505、506、507:OSトランジスタ、 510、511、512、513、514:金属酸化物層、 521、522、523、524、525、526、527、528、529、530:絶縁層、 550、550a、550b、550c、551、551a、551b、552、552a、552b、553、553a、553b:導電層、 560:単結晶シリコンウエハ、 570:CMOS層、 571:OSFET層、
2010:情報端末、 2011:筐体、 2012:表示部、 2013:操作ボタン、 2014:外部接続ポート、 2015:スピーカ、 2016:マイクロフォン、 2020:無線信号、 2021:無線信号、 2030:情報端末、 2031:筐体、 2032:表示部、 2033:リュウズ、 2034:ベルト、 2035:検知部、 2040:情報端末、 2041:装着部、 2042:筐体、 2045:ケーブル、 2046:バッテリ、 2047:表示部、 2050:ノート型PC(パーソナルコンピュータ)、 2051:筐体、 2052:表示部、 2053:キーボード、 2054:ポインティングデバイス、 2070:ビデオカメラ、 2071:筐体、 2072:表示部、 2073:筐体、 2074:操作キー、 2075:レンズ、 2076:接続部、 2110:携帯型遊技機、 2111:筐体、 2112:表示部、 2113:スピーカ、 2114:LEDランプ、 2115:操作キーボタン、 2116:接続端子、 2117:カメラ、 2118:マイクロフォン、 2119:記録媒体読込部、 2150:電気冷凍冷蔵庫、 2151:筐体、 2152:冷蔵室用扉、 2153:冷凍室用扉、 2170:自動車、 2171:車体、 2172:車輪、 2173:ダッシュボード、 2174:ライト、
7000:電子部品、 7001:リード、 7002:プリント基板、 7004:回路基板、 7100:半導体ウエハ、 7102:回路領域、 7104:分離領域、 7106:分離線、 7110:チップ、
M1、M2、M3、M4、M5、M13、M14、M15、M61、M62、M63、M64、M65、M71、M72、M73、M80、MI1、MI2、MI3、MI4、MN1、MN2、MN3、MN30、MN31、MN32、MN61、MN62、MN63、MN64、MN65、MP1、MP2、MR2、MR3、MR4、MR5、MR6、MR7、MW1、MW2、MW3、MW5、MW6:トランジスタ、
C40、C61、C62、C63、C64、C65、C71、C80、CS1、CS2、CS3、CS5、CS6:容量素子、
PD1、R1、R2:抵抗素子、
BGL、BL、CSEL、GBL、GBLB、GRBL、GWBL、LBL、LBLB、RBL、RCL、RWL、SL、WBL、WL、WWL:配線、
a1、a2、a3、BIS2、BIS、d1、d2、d3、d11、d12、d13、d21、d22、d23、IN1、IN2、OBG1、OBG2、OBG3、OBG4、OBG5、OUT1、VH1、VL1、VL2:端子、
b1、b2、BK、CK、D、FN、FN40、Q、RE、SD、SDIN、SE:ノード
Claims (12)
- 差動対、電流源、負荷、および第1出力端子を有し、
前記差動対に入力される第1電位と第2電位とを比較し、比較結果に応じた第3電位を前記第1出力端子から出力する半導体装置であって、
前記負荷は前記差動対および高電源電位に電気的に接続され、
前記差動対は第1トランジスタおよび前記第2トランジスタを有し、
前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタはバックゲートを有し、
前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタのバックゲートには第4電位が入力され、
前記電流源は前記差動対に電流を供給し、前記電流源は第3トランジスタを有し、
前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタのチャネル形成領域は、金属酸化物を有し、
前記第3トランジスタのソースには第5電位が入力され、
前記第3トランジスタのドレインは前記差動対に電気的に接続され、
前記第1電位、および前記第2電位は前記第5電位よりも低く、
前記第4電位は前記第5電位よりも高く、
前記第2トランジスタのバックゲートには、前記第4電位よりも高い第6電位が入力される半導体装置。 - 請求項1において、
前記第3トランジスタはバックゲートを有し、
前記第3トランジスタのバックゲートには第7電位が入力される半導体装置。 - 請求項1において、
前記第3トランジスタはバックゲートを有し、
前記第3トランジスタのバックゲートは、前記第3トランジスタのゲート、または前記第3トランジスタのドレインに電気的に接続されている半導体装置。 - 請求項1乃至3の何れか1項において、
前記負荷は、第4トランジスタおよび第5トランジスタを有し、
前記第4トランジスタ、前記第5トランジスタは、それぞれ、ダイオード接続されたトランジスタであり、
前記第4トランジスタのソースは、前記第1トランジスタのドレインに電気的に接続され
前記第5トランジスタのソースは、前記第2トランジスタのドレインに電気的に接続され、
前記第4および前記第5トランジスタのチャネル形成領域は、金属酸化物を有する半導体装置。 - 請求項1乃至4の何れか1項において、
前記第1乃至前記第3トランジスタのチャネル形成領域は、金属酸化物を有する半導体装置。 - 請求項1乃至5の何れか1項において、
前記第5電位は接地電位である半導体装置。 - 第1電位生成部、第2電位生成部、第1電位保持部、電位比較部、制御部、および第2出力端子を有する半導体装置であって、
前記電位比較部は、請求項1乃至6の何れか1項に記載の半導体装置を有し、
前記電位比較部の前記差動対の入力端子の一方は、前記第2電位生成部の出力端子に電気的に接続され、他方の入力端子は、前記第2出力端子に電気的に接続され、
前記第1電位生成部は、前記第2出力端子に負電位を供給し、
前記第1電位保持部は、前記第2出力端子の電位を保持し、
前記第2電位生成部は、前記電位比較部の前記第入力1端子に負電位を供給し、
前記制御部は、前記電位比較部で生成される前記第3電位に応じて前記第1電位生成部を制御する機能を有する半導体装置。 - 請求項7において、
前記制御部は、前記電位比較部で生成される前記第3電位に応じて、前記第1および前記第2電位生成部を制御する半導体装置。 - チップおよびリードを有し、
前記リードは前記チップに電気的に接続され、
前記チップには、請求項1乃至8の何れか1項に記載の半導体装置が設けられている電子部品。 - チップおよびリードを有する電子部品であって、
前記リードは前記チップに電気的に接続され、
前記チップには、請求項7または8に記載の半導体装置が設けられ、
前記チップには、記憶装置、プロセッサコアの少なくとも一方が設けられている電子部品。 - チップおよびリードを有する電位部品であって、
前記リードは前記チップに電気的に接続され、
前記チップには、請求項7または8に記載の半導体装置が設けられ、
前記チップには、画素アレイが設けられ、
前記画素アレイは、行列状に配置された複数の撮像素子を有する電子部品。 - 請求項9乃至11の何れか1項に記載の電子部品と、
表示部、タッチセンサ、マイク、スピーカ、操作キー、及び筐体の少なくとも一と、を有する電子機器。
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