JP7092592B2 - Semiconductor devices, semiconductor wafers, and electronic devices - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、半導体装置、半導体ウエハ、および電子機器に関する。 One aspect of the invention relates to semiconductor devices, semiconductor wafers, and electronic devices.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。 It should be noted that one aspect of the present invention is not limited to the above technical fields. One aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter).

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置(液晶表示装置、発光表示装置など)、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。 In the present specification and the like, the semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing the semiconductor characteristics. It may be said that a display device (liquid crystal display device, light emission display device, etc.), projection device, lighting device, electro-optical device, power storage device, storage device, semiconductor circuit, image pickup device, electronic device, and the like have a semiconductor device.

近年、チャネル形成領域に酸化物半導体(Oxide Semiconductor)を用いたトランジスタ(OSトランジスタ)が注目されている。OSトランジスタは、トランジスタを非導通状態とした際に流れるリーク電流(オフ電流)が極めて小さい。そのため、データの保持が可能な半導体装置への応用が検討されている。 In recent years, a transistor (OS transistor) using an oxide semiconductor (Oxide Semiconductor) in a channel forming region has been attracting attention. The leakage current (off current) of the OS transistor is extremely small when the transistor is in a non-conducting state. Therefore, application to semiconductor devices capable of retaining data is being studied.

OSトランジスタは、オフ電流が極めて小さい状態を長い時間にわたって保持することが求められる。そのため、導通状態を制御するゲート電極の他に、バックゲート電極を設け、当該バックゲート電極に電圧を与えて閾値電圧を制御する構成が検討されている(例えば特許文献1を参照)。 The OS transistor is required to maintain a state in which the off current is extremely small for a long period of time. Therefore, in addition to the gate electrode for controlling the conduction state, a configuration in which a back gate electrode is provided and a voltage is applied to the back gate electrode to control the threshold voltage has been studied (see, for example, Patent Document 1).

米国特許出願公開第2011/0147737号明細書US Patent Application Publication No. 2011/01773737

特許文献1では、ゲート電極側の配線(ワード線)とバックゲート電極側の配線(バックゲート電位線)との間の容量結合を利用して、ゲート電極での電圧の変動に併せてバックゲート電極での電圧を変動させる構成について開示している。しかしながら、容量結合を利用して、ゲート電極での電圧の変動に併せてバックゲート電極での電圧を変動させる構成では、ワード線とバックゲート線との間の静電容量(容量ともいう。)を大きくする必要がある。この場合、ワード線の負荷が増大してしまい、トランジスタをオンまたはオフするなどの動作速度が低下してしまうといった虞がある。 In Patent Document 1, the back gate is adjusted to the voltage fluctuation at the gate electrode by utilizing the capacitive coupling between the wiring on the gate electrode side (ward line) and the wiring on the back gate electrode side (back gate potential line). The configuration that fluctuates the voltage at the electrode is disclosed. However, in a configuration in which the voltage at the back gate electrode is changed according to the voltage change at the gate electrode by using capacitive coupling, the capacitance (also referred to as capacitance) between the word line and the back gate line is changed. Needs to be large. In this case, the load on the word line may increase, and the operating speed such as turning on or off the transistor may decrease.

また容量結合を利用して、ワード線の信号の変動に併せてバックゲート電極での電圧を変動させる構成では、バックゲート電位線の電位の制御幅がワード線の信号の振幅電圧以下になる。そのため、バックゲート電位線の振幅電圧を大きくすることが難しかった。 Further, in the configuration in which the voltage at the back gate electrode is fluctuated according to the fluctuation of the ward line signal by using capacitive coupling, the control width of the potential of the back gate potential line is equal to or less than the amplitude voltage of the ward line signal. Therefore, it is difficult to increase the amplitude voltage of the back gate potential line.

本発明の一態様は、ワード線の容量を大きくすることなく、バックゲート電位線の振幅電圧を変動させることができる、新規な半導体装置等を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、ワード線に与える信号の振幅電圧に依ることなくバックゲート電位線の振幅電圧を大きくすることができる、新規な半導体装置等を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置等を提供することを課題の一つとする。 One of the problems of the present invention is to provide a novel semiconductor device or the like capable of varying the amplitude voltage of the backgate potential line without increasing the capacitance of the word line. Another object of the present invention is to provide a novel semiconductor device or the like capable of increasing the amplitude voltage of the back gate potential line without depending on the amplitude voltage of the signal applied to the word line. .. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a new semiconductor device or the like.

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。 The description of these issues does not preclude the existence of other issues. It should be noted that one aspect of the present invention does not need to solve all of these problems. Issues other than these are self-evident from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract problems other than these from the description of the specification, drawings, claims, etc. Is.

本発明の一態様は、メモリセルと、駆動回路と、電圧保持回路と、バッファ回路と、容量素子と、を有し、メモリセルは、第1のトランジスタを有し、第1のトランジスタは、第1の半導体層と、第1のゲート電極と、第1のバックゲート電極とを有し、第1のゲート電極は、第1の配線に電気的に接続され、第1のバックゲート電極は、第2の配線に電気的に接続され、駆動回路は、第1のトランジスタの導通状態を制御する信号を第1の配線に与える機能を有し、電圧保持回路は、第1のトランジスタのしきい値電圧を制御する電圧を第2の配線に与える機能を有し、電圧保持回路は、第1のトランジスタの導通状態を制御する信号を第1の配線に与える期間において、第2の配線を電気的に浮遊状態とする機能を有し、バッファ回路の入力端子は、第1の配線に電気的に接続され、バッファ回路の出力端子は、容量素子の一方の電極に電気的に接続され、容量素子の他方の電極は、第2の配線に電気的に接続される半導体装置である。 One aspect of the present invention includes a memory cell, a drive circuit, a voltage holding circuit, a buffer circuit, and a capacitive element, the memory cell has a first transistor, and the first transistor has a first transistor. It has a first semiconductor layer, a first gate electrode, and a first backgate electrode, the first gate electrode is electrically connected to the first wiring, and the first backgate electrode is , Electrically connected to the second wiring, the drive circuit has the function of giving a signal to control the continuity state of the first transistor to the first wiring, and the voltage holding circuit is the same as that of the first transistor. It has a function of applying a voltage for controlling the threshold voltage to the second wiring, and the voltage holding circuit provides the second wiring during the period in which the signal for controlling the conduction state of the first transistor is given to the first wiring. It has the function of electrically floating, the input terminal of the buffer circuit is electrically connected to the first wiring, and the output terminal of the buffer circuit is electrically connected to one electrode of the capacitive element. The other electrode of the capacitive element is a semiconductor device that is electrically connected to the second wiring.

本発明の一態様は、メモリセルと、駆動回路と、電圧保持回路と、バッファ回路と、容量素子と、を有し、メモリセルは、第1のトランジスタを有し、第1のトランジスタは、第1の半導体層と、第1のゲート電極と、第1のバックゲート電極とを有し、第1のゲート電極は、第1の配線に電気的に接続され、第1のバックゲート電極は、第2の配線に電気的に接続され、駆動回路は、第1のトランジスタの導通状態を制御する信号を第1の配線に与える機能を有し、電圧保持回路は、第1のトランジスタのしきい値電圧を制御する電圧を第2の配線に与える機能を有し、電圧保持回路は、第2のトランジスタを有し、第2のトランジスタは、第2の半導体層と、第2のゲート電極とを有し、第2のゲート電極は、第2のトランジスタのソース又はドレインの一方に電気的に接続され、バッファ回路の入力端子は、第1の配線に電気的に接続され、バッファ回路の出力端子は、容量素子の一方の電極に電気的に接続され、容量素子の他方の電極は、第2の配線に電気的に接続される半導体装置である。 One aspect of the present invention includes a memory cell, a drive circuit, a voltage holding circuit, a buffer circuit, and a capacitive element, the memory cell has a first transistor, and the first transistor has a first transistor. It has a first semiconductor layer, a first gate electrode, and a first backgate electrode, the first gate electrode is electrically connected to the first wiring, and the first backgate electrode is , Electrically connected to the second wiring, the drive circuit has the function of giving a signal to control the continuity state of the first transistor to the first wiring, and the voltage holding circuit is the same as that of the first transistor. It has a function of applying a voltage for controlling a threshold voltage to a second wiring, a voltage holding circuit has a second transistor, and the second transistor has a second semiconductor layer and a second gate electrode. The second gate electrode is electrically connected to one of the source or drain of the second transistor, and the input terminal of the buffer circuit is electrically connected to the first wiring of the buffer circuit. The output terminal is a semiconductor device that is electrically connected to one electrode of the capacitive element and the other electrode of the capacitive element is electrically connected to the second wiring.

本発明の一態様において、第2の半導体層は、酸化物半導体を有する半導体装置が好ましい。 In one aspect of the present invention, the second semiconductor layer is preferably a semiconductor device having an oxide semiconductor.

本発明の一態様において、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタは、nチャネル型のトランジスタであり、第2のトランジスタの閾値電圧は、第1のゲート電極と第1のバックゲート電極とを同電位とした時の第1のトランジスタの閾値電圧よりも大きい半導体装置が好ましい。 In one aspect of the present invention, the first transistor and the second transistor are n-channel type transistors, and the threshold voltage of the second transistor is the same for the first gate electrode and the first backgate electrode. A semiconductor device having a value larger than the threshold voltage of the first transistor when the potential is used is preferable.

本発明の一態様において、バッファ回路は、入力端子の電圧を昇圧して出力端子に出力可能な機能を有する半導体装置が好ましい。 In one aspect of the present invention, the buffer circuit is preferably a semiconductor device having a function of boosting the voltage of the input terminal and outputting the voltage to the output terminal.

本発明の一態様は、上記記載の半導体装置と、アンテナ、バッテリ、操作スイッチ、マイク、または、スピーカーのうち少なくとも一つと、を有する電子機器である。 One aspect of the present invention is an electronic device comprising the semiconductor device described above and at least one of an antenna, a battery, an operation switch, a microphone, or a speaker.

本発明の一態様は、上記記載の半導体装置を複数有し、分離領域を有する半導体ウエハである。 One aspect of the present invention is a semiconductor wafer having a plurality of the above-mentioned semiconductor devices and having a separation region.

なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、および図面に記載されている。 Further, another aspect of the present invention is described in the description and drawings of the embodiments described below.

本発明の一態様により、ワード線の容量を大きくすることなく、バックゲート線の振幅電圧を変動させることができる、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。または本発明の一態様により、ワード線に与える信号の振幅電圧に依ることなくバックゲート電位線の振幅電圧を大きくすることができる、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置等を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device or the like having a novel configuration capable of varying the amplitude voltage of the back gate line without increasing the capacitance of the word line. Alternatively, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device or the like having a novel configuration capable of increasing the amplitude voltage of the back gate potential line without depending on the amplitude voltage of the signal applied to the word line. Alternatively, according to one aspect of the present invention, a novel semiconductor device or the like can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、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、これら以外の効果を抽出することが可能である。 The description of these effects does not preclude the existence of other effects. It should be noted that one aspect of the present invention does not have to have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are self-evident from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the effects other than these from the description of the description, drawings, claims, etc. Is.

半導体装置の構成および動作を説明する図。The figure explaining the structure and operation of the semiconductor device. 半導体装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the semiconductor device. 半導体装置の動作を説明する図。The figure explaining the operation of a semiconductor device. 半導体装置の動作を説明する図。The figure explaining the operation of a semiconductor device. 半導体装置の動作を説明する図。The figure explaining the operation of a semiconductor device. 半導体装置の動作を説明する図。The figure explaining the operation of a semiconductor device. 半導体装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the semiconductor device. 半導体装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the semiconductor device. 半導体装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the semiconductor device. 半導体装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the semiconductor device. 半導体装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structural example of the semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structural example of the semiconductor device. トランジスタの構造例を示す上面図、及び断面図。Top view and sectional view showing a structural example of a transistor. 半導体ウエハおよび電子部品の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the semiconductor wafer and the electronic component. 電子機器の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the electronic device.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、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。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it is easily understood by those skilled in the art that embodiments can be implemented in many different embodiments and that the embodiments and details can be varied in various ways without departing from the spirit and scope thereof. .. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the following embodiments.

なお本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第2」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。 In the present specification and the like, the ordinal numbers "first", "second", and "third" are added to avoid confusion of the constituent elements. Therefore, the number of components is not limited. Moreover, the order of the components is not limited. Further, for example, the component referred to in "first" in one of the embodiments of the present specification and the like is regarded as another embodiment or the component referred to in "second" in the scope of claims. It is possible. Further, for example, the component referred to in "first" in one of the embodiments of the present specification and the like may be omitted in another embodiment or in the scope of claims.

なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 In the drawings, the same elements or elements having the same function, elements of the same material, elements formed at the same time, and the like may be designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof may be omitted.

(実施の形態1)
本発明の一態様の半導体装置の構成および動作について、図1乃至図11を用いて説明する。なお本発明の一態様の半導体装置は、データを一定期間保持することができる記憶装置としての機能を有する。
(Embodiment 1)
The configuration and operation of the semiconductor device according to one aspect of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11. The semiconductor device of one aspect of the present invention has a function as a storage device capable of holding data for a certain period of time.

図1(A)に示す半導体装置10は、メモリセルアレイ11、周辺回路12、電圧保持回路13、バッファ回路17、および容量素子18を有する。 The semiconductor device 10 shown in FIG. 1A includes a memory cell array 11, a peripheral circuit 12, a voltage holding circuit 13, a buffer circuit 17, and a capacitive element 18.

メモリセルアレイ11は、一例として、2行2列の4つのメモリセルMC(MC1_1、MC1_2、MC2_1、MC2_2)を有する。メモリセルMCの数は4つに限らずそれ以上であってもよい。 As an example, the memory cell array 11 has four memory cells MC (MC1_1, MC1_2, MC2_1, MC2_2) having 2 rows and 2 columns. The number of memory cells MC is not limited to four, and may be more than four.

なおメモリセルMCのうち1つを特定する必要があるときは、メモリセルMCの符号を用いて説明し、任意のメモリセルMCを指すときにはメモリセルMC1_1、MC1_2、MC2_1、MC2_2などの符号を用いて説明する。他の要素についても同様であり、複数の要素を区別するために、「_2」、あるいは[1]等の符号が用いられる。 When it is necessary to specify one of the memory cell MCs, the reference code of the memory cell MC is used, and when referring to an arbitrary memory cell MC, the reference numerals such as memory cells MC1_1, MC1_2, MC2_1, and MC2_2 are used. I will explain. The same applies to the other elements, and a reference numeral such as "_2" or [1] is used to distinguish a plurality of elements.

メモリセルMC1_1は、トランジスタM1_1を有する。メモリセルMC1_1は、データに対応する電圧(データ電圧)を保持する。データ電圧は、例えば、データ”1”であればハイレベルの電圧、データ”0”であればローレベルの電圧である。メモリセルMC1_1は、データ電圧を保持するための容量素子Cを有する。データ電圧は、トランジスタM1_1と容量素子Cとの間のノードSN1_1に保持される。 The memory cell MC1_1 has a transistor M1_1. The memory cell MC1_1 holds a voltage (data voltage) corresponding to the data. The data voltage is, for example, a high-level voltage if the data is "1" and a low-level voltage if the data is "0". The memory cell MC1_1 has a capacitive element CS for holding the data voltage. The data voltage is held in the node SN1-1 between the transistor M1_1 and the capacitive element CS.

同様にメモリセルMC1_2、MC2_1およびMC2_2は、それぞれトランジスタM1_2、M2_1、およびM2_2を有する。メモリセルMC1_2、MC2_1およびMC2_2は、それぞれ、データ電圧を保持するための容量素子Cを有する。データ電圧は、メモリセルMC1_2、MC2_1およびMC2_2のノードSN1_2、SN2_1、およびSN2_2に保持される。 Similarly, the memory cells MC1_2, MC2_1 and MC2_2 have transistors M1-2, M2_1, and M2_2, respectively. The memory cells MC1_2, MC2_1, and MC2_1 each have a capacitive element CS for holding a data voltage. The data voltage is held in the nodes SN1_2, SN2_1, and SN2_2 of the memory cells MC1_2, MC2_1, and MC2_2.

トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2は、それぞれゲート電極およびバックゲート電極を有する。トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体(OS)を用いることが好ましい。OSをチャネルが形成される半導体層に用いたトランジスタをOSトランジスタともいう。なお、以下の説明において、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2は、nチャネル型のトランジスタであるとして説明を行うが、pチャネル型のトランジスタとしてもよい。 The transistors M1_1, M1_2, M2_1, and M2_1 have a gate electrode and a back gate electrode, respectively. For the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_1, it is preferable to use an oxide semiconductor (OS) for the semiconductor layer in which the channel is formed. A transistor in which an OS is used in a semiconductor layer on which a channel is formed is also referred to as an OS transistor. In the following description, the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_1 will be described as n-channel type transistors, but may be p-channel type transistors.

OSトランジスタは、非導通時に流れるリーク電流(オフ電流)が極めて小さい。そのため、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2を非導通状態とすることで、ノードSN1_1、SN1_2、SN2_1、およびSN2_2に書き込まれたデータ電圧に応じた電荷を保持し続けることができる。 The leak current (off current) that flows in the OS transistor when it is not conducting is extremely small. Therefore, by setting the transistors M1_1, M1_2, M2_1, and M2_1 in a non-conducting state, it is possible to continue to hold the charge corresponding to the data voltage written in the nodes SN1_1, SN1_1, SN2_1, and SN2_2.

2行2列のメモリセルMCは、一例として、ワード線WL(WL_1、WL_2)に与えるワード信号によってノードSN1_1、SN1_2、SN2_1、およびSN2_2へのデータ電圧の書き込みが制御される。 As an example, in the memory cell MC having 2 rows and 2 columns, the writing of the data voltage to the nodes SN1_1, SN1_1, SN2_1, and SN2_2 is controlled by the word signal given to the word line WL (WL_1, WL_2).

ワード線WL_1は、トランジスタM1_1、およびM1_2のゲート電極に接続される。ワード線WL_2は、トランジスタM2_1、およびM2_2のゲート電極に接続される。ワード信号は、ハイレベルの電圧(VH_WL)とすることによってトランジスタM1_1およびM1_2、またはトランジスタM2_1およびM2_2を導通状態とする。ワード信号は、ローレベルの電圧(VL_WL)とすることによってトランジスタM1_1およびM1_2、またはトランジスタM2_1およびM2_2を非導通状態とする。 The word line WL_1 is connected to the gate electrodes of the transistors M1_1 and M1-2. The word line WL_2 is connected to the gate electrodes of the transistors M2_1 and M2_2. The word signal makes the transistors M1_1 and M1-2, or the transistors M2_1 and M2_1 conductive by setting a high level voltage ( VH_WL ). The word signal makes the transistors M1_1 and M1-2, or the transistors M2_1 and M2_1 non-conducting by setting a low level voltage ( VL_WL ).

2行2列のメモリセルMCは、一例として、ビット線BL(BL_1、BL_2)にデータ電圧を与える。データ電圧は、各行のワード線WLに与えるワード信号の制御によって、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2を介して、ノードSN1_1、SN1_2、SN2_1、およびSN2_2に書き込まれる。 The memory cell MC having 2 rows and 2 columns applies a data voltage to the bit lines BL (BL_1, BL_1) as an example. The data voltage is written to the nodes SN1_1, SN1_2, SN2_1, and SN2_2 via the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_2 by controlling the word signal given to the word line WL of each row.

ビット線BL_1は、トランジスタM1_1およびM2_1のソースまたはドレインの一方に接続される。ビット線BL_2は、トランジスタM1_2およびM2_2のソースまたはドレインの一方に接続される。 The bit line BL_1 is connected to one of the source or drain of the transistors M1_1 and M2_1. The bit line BL_2 is connected to one of the source or drain of the transistors M1-2 and M2_2.

2行2列のメモリセルMCは、一例として、バックゲート電位線BGL(BGL_1、BGL_2)に与えるバックゲート電圧(VBG)によってトランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2の閾値電圧が制御される。 In the two-row, two-column memory cell MC, for example, the threshold voltages of the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_1 are controlled by the backgate voltage ( VBG ) applied to the backgate potential lines BGL (BGL_1, BGL_1).

バックゲート電圧は、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2の閾値電圧をプラスシフトまたはマイナスシフトさせることができる電圧である。例えば、閾値電圧をプラスシフトさせる場合バックゲート電圧は、基準となる電圧(0V)よりも小さい電圧である。当該構成とすることで、ワード信号のローレベルの電圧をより小さい電圧にすることなく、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2を非導通状態とすることができる。そのため、ワード信号の振幅電圧を小さくできる。 The backgate voltage is a voltage capable of positively or negatively shifting the threshold voltage of the transistors M1_1, M1_2, M2_1, and M2_1. For example, when the threshold voltage is positively shifted, the back gate voltage is a voltage smaller than the reference voltage (0V). With this configuration, the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_1 can be put into a non-conducting state without reducing the low-level voltage of the word signal to a smaller voltage. Therefore, the amplitude voltage of the word signal can be reduced.

バックゲート電位線BGL_1は、トランジスタM1_1、およびM1_2のバックゲート電極に接続される。バックゲート電位線BGL_2は、トランジスタM2_1、およびM2_2のバックゲート電極に接続される。 The backgate potential line BGL_1 is connected to the backgate electrodes of the transistors M1_1 and M1_2. The backgate potential line BGL_2 is connected to the backgate electrodes of the transistors M2_1 and M2_2.

周辺回路12は、ワード線WL_1、WL_2にワード信号を与える機能を有する。周辺回路12は、ビット線BL_1、BL_2にデータ電圧を与える機能を有する。周辺回路12は、ワード線駆動回路およびビット線駆動回路といった複数の回路で構成される。周辺回路12は、メモリセルMCとの間でデータ電圧の書き込みおよび読み出しを行う期間において、ワード信号およびデータ電圧を出力し、それ以外の期間は、ワード信号をローレベルの電圧として、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2が非導通状態となるようにする。 The peripheral circuit 12 has a function of giving a word signal to the word lines WL_1 and WL_1. The peripheral circuit 12 has a function of applying a data voltage to the bit lines BL_1 and BL_1. The peripheral circuit 12 is composed of a plurality of circuits such as a word line drive circuit and a bit line drive circuit. The peripheral circuit 12 outputs the word signal and the data voltage during the period of writing and reading the data voltage to and from the memory cell MC, and during the other period, the word signal is used as a low-level voltage, and the transistor M1-1. Make sure that M1-2, M2_1, and M2_1 are in a non-conducting state.

電圧保持回路13は、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2にバックゲート電圧を与える機能を有する。電圧保持回路13は、周辺回路12がメモリセルMCとの間でデータ電圧の書き込みおよび読み出しを行う期間において、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2を電気的に浮遊状態(フローティング)とする機能を有する。 The voltage holding circuit 13 has a function of applying a back gate voltage to the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1. The voltage holding circuit 13 has a function of electrically floating the back gate potential lines BGL_1 and BGL_2 during the period in which the peripheral circuit 12 writes and reads the data voltage to and from the memory cell MC.

バッファ回路17_1は、入力端子がワード線WL_1に接続される。バッファ回路17_1は、出力端子が容量素子18_1の一方の電極に接続される。容量素子18_1は、他方の電極がバックゲート電位線BGL_1に接続される。同様にバッファ回路17_2は、入力端子がワード線WL_1に接続される。バッファ回路17_2は、出力端子が容量素子15_2の一方の電極に接続される。容量素子18_2は、他方の電極がバックゲート電位線BGL_2に接続される。 In the buffer circuit 17_1, the input terminal is connected to the word line WL_1. In the buffer circuit 17_1, the output terminal is connected to one electrode of the capacitive element 18_1. The other electrode of the capacitive element 18_1 is connected to the backgate potential line BGL_1. Similarly, in the buffer circuit 17_2, the input terminal is connected to the word line WL_1. In the buffer circuit 17_2, the output terminal is connected to one electrode of the capacitive element 15_2. The other electrode of the capacitive element 18_2 is connected to the back gate potential line BGL_2.

図1(A)では、バッファ回路17_1と容量素子18_1との間のノードをノードBN_1として図示している。図1(A)では、バッファ回路17_2と容量素子18_2との間のノードをノードBN_2として図示している。 In FIG. 1A, the node between the buffer circuit 17_1 and the capacitive element 18_1 is illustrated as a node BN_1. In FIG. 1A, the node between the buffer circuit 17_2 and the capacitive element 18_2 is illustrated as a node BN_2.

バッファ回路17_1は、入力端子の振幅電圧を増幅して出力端子から出力する機能を有する。例えばバッファ回路17_1は、ワード信号の電圧VH_WLを電圧VH_BUFとして出力する機能を有する。また、バッファ回路17_1は、ワード信号の電圧VL_WLをより電圧VL_BUFとして出力する機能を有する。バッファ回路17_1は、電荷供給能力を高めた電圧VH_BUFおよびVL_BUFを出力する。また電圧VH_BUFおよびVL_BUFは、電圧VH_WLおよび電圧VL_WLとは異なる電位であってもよく、電圧VH_BUFは、電圧VH_WLよりも大きい電位であることが好ましい。バッファ回路17_1はワード信号を増幅して容量素子18_1に出力することができるため、バックゲート電位線BGL_1に対する容量結合による電位の変動を大きくすることができる。またワード線WL_1に寄生する静電容量を小さくすることができる。 The buffer circuit 17_1 has a function of amplifying the amplitude voltage of the input terminal and outputting it from the output terminal. For example, the buffer circuit 17_1 has a function of outputting the voltage V H_WL of the word signal as the voltage V H_BUF . Further, the buffer circuit 17_1 has a function of outputting the voltage VL_WL of the word signal as a voltage VL_BUF . The buffer circuit 17_1 outputs the voltages V H_BUF and VL_BUF with increased charge supply capacity. Further, the voltages V H_BUF and VL_BUF may have different potentials from the voltage V H_WL and the voltage V L_WL , and the voltage V H_BUF is preferably a potential larger than the voltage V H_WL . Since the buffer circuit 17_1 can amplify the word signal and output it to the capacitive element 18_1, it is possible to increase the fluctuation of the potential due to the capacitive coupling with respect to the backgate potential line BGL_1. In addition, the capacitance parasitic on the word line WL_1 can be reduced.

同様にバッファ回路17_2は、入力端子の振幅電圧を増幅して出力端子から出力する機能を有する。例えばバッファ回路17_2は、ワード信号の電圧VH_WLを電圧VH_BUFとして出力する機能を有する。また、バッファ回路17_2は、ワード信号の電圧VL_WLをより電圧VL_BUFとして出力する機能を有する。バッファ回路17_2は、電荷供給能力を高めた電圧VH_BUFおよびVL_BUFを出力する。バッファ回路17_2はワード信号を増幅して容量素子18_2に出力することができるため、バックゲート電位線BGL_2に対する容量結合による電位の変動を大きくすることができる。またワード線WL_2に寄生する静電容量を小さくすることができる。 Similarly, the buffer circuit 17_2 has a function of amplifying the amplitude voltage of the input terminal and outputting it from the output terminal. For example, the buffer circuit 17_2 has a function of outputting the voltage V H_WL of the word signal as the voltage V H_BUF . Further, the buffer circuit 17_2 has a function of outputting the voltage VL_WL of the word signal as a voltage VL_BUF . The buffer circuit 17_2 outputs the voltages V H_BUF and VL_BUF with increased charge supply capacity. Since the buffer circuit 17_2 can amplify the word signal and output it to the capacitive element 18_2, it is possible to increase the fluctuation of the potential due to the capacitive coupling with respect to the back gate potential line BGL_2. In addition, the capacitance parasitic on the word line WL_2 can be reduced.

容量素子18_1は、電気的に浮遊状態にある他方の電極の電位を、一方の電極の電位の変動に応じて変動させることができる機能を有する。容量素子18_1は他方の電極を電気的に浮遊状態とすることで、容量結合を用いて他方の電圧を昇圧することができる。容量素子18_1は静電容量を、バックゲート電位線BGL_1の静電容量より大きくすることで容量結合による電位の変動を大きくすることができる。 The capacitive element 18_1 has a function of being able to change the potential of the other electrode, which is electrically suspended, according to the fluctuation of the potential of one electrode. Capacitive element 18_1 can boost the voltage of the other by using capacitive coupling by electrically suspending the other electrode. The capacitance element 18_1 can increase the fluctuation of the potential due to the capacitive coupling by making the capacitance larger than the capacitance of the backgate potential line BGL_1.

同様に容量素子18_2は、電気的に浮遊状態にある他方の電極の電位を、一方の電極の電位の変動に応じて変動させることができる機能を有する。容量素子18_2は他方の電極を電気的に浮遊状態とすることで、容量結合を用いて他方の電圧を昇圧することができる。容量素子18_2は静電容量を、バックゲート電位線BGL_2の静電容量より大きくすることで容量結合による電位の変動を大きくすることができる。 Similarly, the capacitive element 18_2 has a function of being able to change the potential of the other electrode, which is electrically suspended, according to the fluctuation of the potential of one electrode. Capacitive element 18_2 can boost the voltage of the other by using capacitive coupling by electrically suspending the other electrode. The capacitance element 18_2 can increase the fluctuation of the potential due to the capacitive coupling by making the capacitance larger than the capacitance of the backgate potential line BGL_2.

上記構成を有することで、メモリセルのアクセストランジスタをオフにする期間では、バックゲート電位線にバックゲート電圧を常時与え続けてメモリセルのアクセストランジスタの閾値電圧をプラスシフトさせることができる。併せて、ワード線の動作速度に影響を与えることなく、容量結合を用いてバックゲート電位線の電圧を上昇させることができる。加えて、バッファ回路においてワード線の振幅電圧を大きくした信号を生成することで、ワード線の動作速度に影響を与えることなく、バックゲート電位線の電圧変動を大きくすることができるため、メモリセルのアクセストランジスタのオン電流を高めることができるとともに、オフ電流の低減を図ることができる。 With the above configuration, during the period when the access transistor of the memory cell is turned off, the back gate voltage can be continuously applied to the back gate potential line to positively shift the threshold voltage of the access transistor of the memory cell. At the same time, the voltage of the backgate potential line can be increased by using capacitive coupling without affecting the operating speed of the word line. In addition, by generating a signal in which the amplitude voltage of the word line is increased in the buffer circuit, the voltage fluctuation of the back gate potential line can be increased without affecting the operating speed of the word line, so that the memory cell can be used. The on-current of the access transistor can be increased and the off-current can be reduced.

加えて本発明の一態様では、異なるバックゲート電位線、例えばバックゲート電位線BGL_1とバックゲート電位線BGL_2、を別々に電気的に浮遊状態とする。つまりバックゲート電位線BGL_1およびバックゲート電位線BGL_2は、共に電気的に浮遊状態となるが、ワード線WL_1のワード信号をハイレベルとしてバッファ回路17_1および容量素子18_1を介してバックゲート電位線BGL_1の電圧を上昇させる際、ワード線WL_2のワード信号をローレベルとしてバッファ回路17_1および容量素子18_1を介したバックゲート電位線BGL_2の容量結合による電圧の上昇を小さくし、最初に与えたバックゲート電圧の変動を抑制することができる。当該構成とすることで、ワード信号をハイレベルの電圧とするトランジスタのオン電流の上昇と、ワード信号をローレベルの電圧とするトランジスタのオフ電流の極めて小さい状態での維持との、両立を図ることができる。 In addition, in one aspect of the present invention, different backgate potential lines, such as the backgate potential line BGL_1 and the backgate potential line BGL_1, are electrically suspended separately. That is, the back gate potential line BGL_1 and the back gate potential line BGL_1 are both electrically suspended, but the backgate potential line BGL_1 is set to the high level of the word signal of the word line WL_1 via the buffer circuit 17_1 and the capacitive element 18_1. When raising the voltage, the word signal of the word line WL_2 is set to a low level to reduce the voltage rise due to the capacitive coupling of the backgate potential line BGL_1 via the buffer circuit 17_1 and the capacitive element 18_1, and the voltage increase of the backgate voltage initially applied is reduced. Fluctuations can be suppressed. With this configuration, it is possible to achieve both an increase in the on-current of the transistor whose ward signal is a high-level voltage and a maintenance of the off-current of the transistor whose ward signal is a low-level voltage in an extremely small state. be able to.

次いで図1(B)では、図1(A)に示す半導体装置10の動作について説明する。図1(B)では、期間P1と期間P2におけるワード線WL_1のワード信号、ワード線WL_2のワード信号、バッファ回路17_1の出力信号にあたるノードBN_1の電圧、バッファ回路17_2の出力信号にあたるノードBN_2の電圧、バックゲート電位線BGL_1の電圧、およびバックゲート電位線BGL_2の電圧、の時間変化を図示している。図1(B)では、説明のため、時刻T1乃至T7を図示している。 Next, in FIG. 1B, the operation of the semiconductor device 10 shown in FIG. 1A will be described. In FIG. 1B, the word signal of the word line WL_1 in the period P1 and the period P2, the word signal of the word line WL_1, the voltage of the node BN_1 corresponding to the output signal of the buffer circuit 17_1, and the voltage of the node BN_1 corresponding to the output signal of the buffer circuit 17_1 , The voltage of the back gate potential line BGL_1 and the voltage of the back gate potential line BGL_1 are illustrated. In FIG. 1B, the times T1 to T7 are illustrated for the sake of explanation.

なお期間P1は、バックゲート電位線のバックゲート電圧を設定する期間に相当する。期間P2は、データ電圧の書き込みまたは読み出しを行うために、ワード線にワード信号を与える期間に相当する。 The period P1 corresponds to a period for setting the backgate voltage of the backgate potential line. The period P2 corresponds to a period in which a word signal is applied to the word line in order to write or read the data voltage.

図1(B)では、ワード線WL_1、WL_2のワード信号のハイレベルの電圧をVH_WLと図示している。VH_WLは、基準となる電圧0Vより大きい電圧であることが好ましく、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2を導通状態とする電圧である。図1(B)では、ワード線WL_1、WL_2のワード信号のローレベルの電圧をVL_WLと図示している。VL_WLは、基準となる電圧0V以下の電圧であることが好ましく、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2を非導通状態とする電圧である。 In FIG. 1B, the high-level voltage of the word signals of the word lines WL_1 and WL_1 is shown as VH_WL. V H_WL is preferably a voltage larger than the reference voltage 0V, and is a voltage that makes the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_2 conductive. In FIG. 1B, the low-level voltage of the word signal of the word lines WL_1 and WL_1 is illustrated as VL_WL. VL_WL is preferably a voltage of 0 V or less as a reference voltage, and is a voltage that causes the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_1 to be in a non-conducting state.

また図1(B)では、バッファ回路17_1、17_2の出力信号のハイレベルの電圧をVH_BUFと図示している。VH_BUFは、VH_WLより大きい電圧であることが好ましい。図1(B)では、バッファ回路17_1、17_2の出力信号のローレベルの電圧をVL_BUFと図示している。VL_BUFは、VL_WLと同じ電圧、あるいは基準となる電圧0V以下の電圧であることが好ましい。 Further, in FIG. 1B, the high-level voltage of the output signals of the buffer circuits 17_1 and 17_2 is shown as VH_BUF. It is preferable that V H_BUF has a voltage larger than V H_WL . In FIG. 1B, the low-level voltage of the output signals of the buffer circuits 17_1 and 17_2 is shown as VL_BUF. It is preferable that VL_BUF has the same voltage as VL_WL or a reference voltage of 0 V or less.

図1(B)では、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2のバックゲート電圧をVBGと図示している。VBGは、基準となる電圧0Vより小さく、VあるいはVL_BUFよりも小さいことが好ましい。VBGをVあるいはVL_BUFより小さく設定することで、トランジスタの閾値電圧のマイナスシフトを確実に防ぎ、オフ電流が極めて小さい状態を維持することができる。 In FIG. 1 (B), the back gate voltages of the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 are shown as VBG . The VBG is preferably smaller than the reference voltage 0V and preferably smaller than VL or VL_BUF . By setting VBG smaller than VL or VL_BUF , it is possible to reliably prevent a negative shift of the threshold voltage of the transistor and maintain a state in which the off-current is extremely small.

図1(B)の期間P1では、時刻T1で、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2の電圧を基準となる電圧0VからVBGに設定する。期間P1では、ワード線WL_1、WL_2は、ローレベルの電圧に設定しておく。 In the period P1 of FIG. 1B, the voltages of the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 are set from the reference voltage 0V to VBG at the time T1. In the period P1, the word lines WL_1 and WL_1 are set to low-level voltages.

図1(B)の期間P1では、時刻T2で、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2の電圧をVBGに維持する。トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2の各トランジスタは、バックゲート電極の電圧がVBGとなる。そのため、各トランジスタの閾値電圧がプラスシフトし、オフ電流が極めて小さい状態となる。 In the period P1 of FIG. 1 (B), the voltages of the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 are maintained at VBG at the time T2. In each of the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_1, the voltage of the back gate electrode is VBG . Therefore, the threshold voltage of each transistor is positively shifted, and the off-current becomes extremely small.

図1(B)の期間P2では、時刻T3で、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2の電圧をVBGに設定した状態で電気的に浮遊状態とする。期間P2では、データ電圧の書き込みまたは読み出しを行うために、ワード線WL_1、WL_2をVH_WLまたはVL_WLとする。時刻T3において、ワード線WL_1、WL_2共にVL_WLであり、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2は非導通状態である。また時刻T3において、ノードBN_1、BN_2共にVL_BUFである。 In the period P2 of FIG. 1 (B), at time T3, the voltage of the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 is set to VBG and the state is electrically suspended. In the period P2, the word lines WL_1 and WL_1 are set to VF_WL or VL_WL in order to write or read the data voltage. At time T3, the word lines WL_1 and WL_1 are both VL_WL , and the transistors M1_1, M1_2, M2_1, and M2_2 are in a non-conducting state. Further, at time T3, both the nodes BN_1 and BN_2 are VL_BUF .

なおトランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2は、バックゲート電極の電圧をVBGとした状態で電気的に浮遊状態としている。バックゲート電極に与えたVBGに応じた電荷が保持されるため、閾値電圧がプラスシフトし、オフ電流が極めて小さい状態が維持される。 The transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_1 are electrically suspended in a state where the voltage of the back gate electrode is VBG . Since the electric charge corresponding to the VBG applied to the back gate electrode is retained, the threshold voltage is positively shifted and the off current is maintained in an extremely small state.

図1(B)の期間P2では、時刻T4で、1行目のワード線WL_1に接続されたメモリセルMC1_1、MC1_2へのデータ電圧の書き込みまたは読み出しを行うために、ワード線WL_1をVH_WL、ワード線WL_2をVL_WLとする。トランジスタM1_1およびM1_2は導通状態、トランジスタM2_1およびM2_2は非導通状態となる。また時刻T4において、ノードBN_1はVH_BUF、ノードBN_2はVL_BUFとなる。 In the period P2 of FIG. 1B, the word line WL_1 is set to V H_WL in order to write or read the data voltage to the memory cells MC1_1 and MC1_2 connected to the word line WL_1 of the first line at time T4. Let the word line WL_2 be VL_WL . The transistors M1_1 and M1-2 are in a conductive state, and the transistors M2_1 and M2_1 are in a non-conducting state. Further, at time T4, the node BN_1 becomes VH_BUF and the node BN_1 becomes VL_BUF .

上述したように、図1(B)の期間P2では、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2の電圧をVBGに設定した状態で電気的に浮遊状態とする。そのため時刻T4で、トランジスタM1_1およびM1_2を導通状態とすること、すなわちワード線WL_1をVL_WLからVH_WLに昇圧することによって、ノードBN_1がVL_BUFからVH_BUFに昇圧され、容量素子18_1の容量結合でバックゲート電位線BGL_1の電圧を上昇させることができる。 As described above, in the period P2 of FIG. 1 (B), the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 are electrically suspended in a state of being set to VBG . Therefore, at time T4, the transistors M1_1 and M1-2 are brought into a conductive state, that is, the word line WL_1 is boosted from VL_WL to VH_WL , so that the node BN_1 is boosted from VL_BUF to VH_BUF , and the capacitive coupling of the capacitive element 18_1 is performed. The voltage of the back gate potential line BGL_1 can be increased by.

当該構成とすることで、ワード線WL_1のVH_WLをより小さい電圧としても容量素子18_1の一方の電極に与える電圧をVH_BUFとすることができる。容量素子18_1の一方の電極をVH_BUFとすることで、ワード線WL_1の動作速度に影響を与えることなくノードBN_1での電圧の変動幅を大きくできるため、容量結合を用いたバックゲート電位線BGL_1の電圧の変動幅を大きくすることができる。そのため、トランジスタM1_1およびM1_2を導通状態とした際のオン電流を大きくできる。 With this configuration, even if the V H_WL of the word line WL_1 is set to a smaller voltage, the voltage applied to one electrode of the capacitive element 18_1 can be set to V H_BUF . By setting one electrode of the capacitive element 18_1 to VH_BUF , the fluctuation range of the voltage at the node BN_1 can be increased without affecting the operating speed of the word line WL_1, so that the backgate potential line BGL_1 using capacitive coupling can be increased. The fluctuation range of the voltage can be increased. Therefore, the on-current can be increased when the transistors M1_1 and M1_2 are in a conductive state.

加えて図1(B)の期間P2では、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2の電圧をVBGに設定した状態で電気的に浮遊状態とする。そのため時刻T4で、トランジスタM2_1およびM2_2を非導通状態とすること、すなわちワード線WL_2をVL_WLに維持してノードBN_2をVL_BUFに維持することによって、バックゲート電位線BGL_2の電圧の変動を抑制することができる。 In addition, in the period P2 of FIG. 1 (B), the voltage of the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 is set to VBG and the state is electrically suspended. Therefore, at time T4, the fluctuation of the voltage of the back gate potential line BGL_2 is suppressed by making the transistors M2_1 and M2_2 non-conducting, that is, by maintaining the word line WL_2 at VL_WL and the node BN_2 at VL_BUF . can do.

当該構成は、バックゲート電位線BGL_1とバックゲート電位線BGL_2とを別々に電気的に浮遊状態とすることで実現できる。つまり、バックゲート電位線BGL_1とバックゲート電位線BGL_2とは、スイッチまたはトランジスタ等を介して電気的に接続することで、個別に電気的な浮遊状態を実現できる。当該構成とすることで、ノードBN_1をVH_BUFとしてバックゲート電位線BGL_1を昇圧することによるトランジスタのオン電流の増加と、ノードBN_2をVL_BUFとしてバックゲート電位線BGL_2をVBGとすることによるトランジスタのオフ電流の極めて小さい状態での維持との、両立を図ることができる。 This configuration can be realized by separately electrically suspending the back gate potential line BGL_1 and the back gate potential line BGL_1. That is, the back gate potential line BGL_1 and the backgate potential line BGL_1 can be individually electrically connected to each other via a switch, a transistor, or the like to realize an electrically floating state. With this configuration, the on-current of the transistor is increased by boosting the backgate potential line BGL_1 with the node BN_1 as VH_BUF, and the transistor with the node BN_1 as VL_BUF and the backgate potential line BGL_1 as VBG . It is possible to achieve both the maintenance of the off-current in an extremely small state.

図1(B)の期間P2では、時刻T5で、時刻T3と同じ状態となる。つまりワード線WL_1、WL_2共にVL_WLであり、トランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2は非導通状態である。なお前述の時刻T4でのバックゲート電位線BGL_1の電圧は、時刻T5でノードBN_1がVH_BUFからVL_BUFに降圧するのにあわせて降圧する。この降圧は、容量素子18_1における容量結合を用いた降圧によるものである。降圧の結果、バックゲート電位線BGL_1の電圧は、元のVBGとなっている。そのためトランジスタM1_1、M1_2、M2_1、およびM2_2は、バックゲート電極の電圧をVBGとした状態で電気的に浮遊状態となる。なおバックゲート電位線BGL_1の電圧は、ワード線WL_1以外のビット線BLまたはノードSN等の電圧の変動によって、変動する場合があり得る。 In the period P2 of FIG. 1 (B), the time T5 is the same as the time T3. That is, both the word lines WL_1 and WL_1 are VL_WL , and the transistors M1_1, M1_1, M2_1, and M2_2 are in a non-conducting state. The voltage of the back gate potential line BGL_1 at the time T4 described above is stepped down as the node BN_1 steps down from VH_BUF to VL_BUF at time T5. This step-down is due to the step-down using the capacitive coupling in the capacitive element 18_1. As a result of step-down, the voltage of the back gate potential line BGL_1 is the original VBG . Therefore, the transistors M1_1, M1-2, M2_1, and M2_1 are electrically suspended in a state where the voltage of the back gate electrode is VBG . The voltage of the back gate potential line BGL_1 may fluctuate due to fluctuations in the voltage of the bit line BL or the node SN other than the word line WL_1.

図1(B)の期間P2では、時刻T6で、2行目のワード線WL_2に接続されたメモリセルMC2_1、MC2_2へのデータ電圧の書き込みまたは読み出しを行うために、ワード線WL_1をVL_WL、ワード線WL_2をVH_WLとする。トランジスタM1_1およびM1_2は非導通状態、トランジスタM2_1およびM2_2は導通状態となる。また時刻T6において、ノードBN_1はVL_BUF、ノードBN_2はVH_BUFとなる。 In the period P2 of FIG. 1B, the word line WL_1 is set to VL_WL in order to write or read the data voltage to the memory cells MC2_1 and MC2_2 connected to the word line WL_2 in the second line at time T6 . Let the word line WL_2 be V H_WL . The transistors M1_1 and M1-2 are in a non-conducting state, and the transistors M2_1 and M2_1 are in a conducting state. Further, at time T6, the node BN_1 becomes VL_BUF , and the node BN_1 becomes VH_BUF.

上述したように、図1(B)の期間P2では、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2の電圧をVBGに設定した状態で電気的に浮遊状態とする。そのため時刻T6で、トランジスタM2_1およびM2_2を導通状態とすること、すなわちワード線WL_2をVL_WLからVH_WLに昇圧することによって、ノードBN_1がVL_BUFからVH_BUFに昇圧され、容量素子18_2の容量結合でバックゲート電位線BGL_2の電圧を上昇させることができる。 As described above, in the period P2 of FIG. 1 (B), the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 are electrically suspended in a state of being set to VBG . Therefore, at time T6, the transistors M2_1 and M2_2 are brought into a conductive state, that is, the word line WL_1 is boosted from VL_WL to VEH_WL , so that the node BN_1 is boosted from VL_BUF to VH_BUF , and the capacitive coupling of the capacitive element 18_2 is performed. The voltage of the back gate potential line BGL_2 can be increased by.

当該構成とすることで、ワード線WL_2のVH_WLをより小さい電圧としても容量素子18_2の一方の電極に与える電圧をVH_BUFとすることができる。容量素子18_2の一方の電極をVH_BUFとすることで、ワード線WL_2の動作速度に影響を与えることなくノードBN_2での電圧の変動幅を大きくできるため、容量結合を用いたバックゲート電位線BGL_2の電圧の変動幅を大きくすることができる。そのため、トランジスタM2_1およびM2_2を導通状態とした際のオン電流を大きくできる。 With this configuration, even if the V H_WL of the word line WL_2 is set to a smaller voltage, the voltage applied to one electrode of the capacitive element 18_2 can be set to V H_BUF . By setting one electrode of the capacitive element 18_2 to VH_BUF , the fluctuation range of the voltage at the node BN_2 can be increased without affecting the operating speed of the word line WL_2, so that the back gate potential line BGL_2 using capacitive coupling can be increased. The fluctuation range of the voltage can be increased. Therefore, the on-current can be increased when the transistors M2_1 and M2_1 are brought into a conductive state.

加えて図1(B)の期間P2では、バックゲート電位線BGL_1、BGL_2の電圧をVBGに設定した状態で電気的に浮遊状態とする。そのため時刻T6で、トランジスタM1_1およびM1_2を非導通状態とすること、すなわちワード線WL_1をVH_WLに維持してノードBN_1をVL_BUFに維持することによって、バックゲート電位線BGL_1の電圧の変動を抑制することができる。 In addition, in the period P2 of FIG. 1 (B), the voltage of the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 is set to VBG and the state is electrically suspended. Therefore, at time T6, the fluctuation of the voltage of the back gate potential line BGL_1 is suppressed by making the transistors M1_1 and M1-2 in a non-conducting state, that is, by maintaining the word line WL_1 at VH_WL and the node BN_1 at VL_BUF . can do.

当該構成は、バックゲート電位線BGL_1とバックゲート電位線BGL_2とを別々に電気的に浮遊状態とすることで実現できる。つまり、バックゲート電位線BGL_1とバックゲート電位線BGL_2とは、スイッチまたはトランジスタ等を介して電気的に接続することで、個別に電気的な浮遊状態を実現できる。当該構成とすることで、ノードBN_2をVH_BUFとしてバックゲート電位線BGL_2を昇圧することによるトランジスタのオン電流の低下の抑制と、ノードBN_1をVL_BUFとしてバックゲート電位線BGL_1をVBGとすることによるトランジスタのオフ電流の極めて小さい状態での維持との、両立を図ることができる。 This configuration can be realized by separately electrically suspending the back gate potential line BGL_1 and the back gate potential line BGL_1. That is, the back gate potential line BGL_1 and the backgate potential line BGL_1 can be individually electrically connected to each other via a switch, a transistor, or the like to realize an electrically floating state. With this configuration, the decrease in the on-current of the transistor is suppressed by boosting the back gate potential line BGL_1 with the node BN_1 as VH_BUF, and the backgate potential line BGL_1 is set as VBG with the node BN_1 as VL_BUF. It is possible to achieve both the maintenance of the off-current of the transistor in an extremely small state and the maintenance of the transistor.

図1(B)の期間P2では、時刻T7で、時刻T3、T5と同じ状態となる。 In the period P2 of FIG. 1B, the time T7 is the same as the time T3 and T5.

図2(A)、(B)には、図1(B)で説明した動作を実現可能な電圧保持回路13の構成例を図示している。図2(A)、(B)では、2行n列のメモリセルMCが有するトランジスタM1_1乃至M1_n、およびM2_1乃至M2_nを図示している。トランジスタM1_1乃至M1_nのゲート電極は、ワード線WL_1に接続される。トランジスタM1_1乃至M1_nのバックゲート電極は、バックゲート電位線BGL_1に接続される。トランジスタM2_1乃至M2_nのゲート電極は、ワード線WL_2に接続される。トランジスタM2_1乃至M2_nのバックゲート電極は、バックゲート電位線BGL_2に接続される。バッファ回路17_1は、入力端子がワード線WL_1に接続される。バッファ回路17_1は、出力端子が容量素子18_1の一方の電極に接続される。容量素子18_1は、他方の電極がバックゲート電位線BGL_1に接続される。同様にバッファ回路17_2は、入力端子がワード線WL_1に接続される。バッファ回路17_2は、出力端子が容量素子15_2の一方の電極に接続される。容量素子18_2は、他方の電極がバックゲート電位線BGL_2に接続される。 2 (A) and 2 (B) show a configuration example of the voltage holding circuit 13 capable of realizing the operation described with reference to FIG. 1 (B). In FIGS. 2A and 2B, transistors M1_1 to M1_n and M2_1 to M2_n included in the memory cell MC having 2 rows and n columns are illustrated. The gate electrodes of the transistors M1_1 to M1_n are connected to the word line WL_1. The back gate electrodes of the transistors M1_1 to M1_n are connected to the back gate potential line BGL_1. The gate electrodes of the transistors M2_1 to M2_n are connected to the word line WL_1. The back gate electrodes of the transistors M2-1 to M2_n are connected to the back gate potential line BGL_1. In the buffer circuit 17_1, the input terminal is connected to the word line WL_1. In the buffer circuit 17_1, the output terminal is connected to one electrode of the capacitive element 18_1. The other electrode of the capacitive element 18_1 is connected to the backgate potential line BGL_1. Similarly, in the buffer circuit 17_2, the input terminal is connected to the word line WL_1. In the buffer circuit 17_2, the output terminal is connected to one electrode of the capacitive element 15_2. The other electrode of the capacitive element 18_2 is connected to the back gate potential line BGL_2.

図2(A)に示す電圧保持回路13は、トランジスタRM1、トランジスタRM2、トランジスタRM、容量素子CVR、および電圧生成回路14を有する。なお図2(A)において、トランジスタRM1、トランジスタRM2、トランジスタRMおよび容量素子CVRが接続されるノードを、ノードNVRと図示している。 The voltage holding circuit 13 shown in FIG. 2A includes a transistor RM1, a transistor RM2, a transistor RM, a capacitive element CVR, and a voltage generation circuit 14. In FIG. 2A, the node to which the transistor RM1, the transistor RM2, the transistor RM, and the capacitive element CVR are connected is shown as a node NVR .

図2(A)に示す電圧生成回路14は、メモリセルMCが有するトランジスタの閾値電圧を制御できるVBGを生成する回路である。VBGは、例えば、基準となる電圧(0V)を降圧して生成すればよい。 The voltage generation circuit 14 shown in FIG. 2A is a circuit that generates a VBG capable of controlling the threshold voltage of the transistor included in the memory cell MC. The VBG may be generated, for example, by stepping down the reference voltage (0V).

図2(A)に示すトランジスタRMは、電圧生成回路14で生成されたVBGをノードNVRに与え、その後電圧生成回路14による電圧の生成を停止してもノードNVRのVBGを保持することができるトランジスタである。トランジスタRMは、OSトランジスタであることが好ましい。トランジスタRMは、メモリセルMCが有するトランジスタよりも閾値電圧が大きいことが好ましい。トランジスタRMは、メモリセルMCが有するトランジスタよりもオン電流およびオフ電流を共に小さくすることで、ノードNVRのVBGを保持しやすくできるため好ましい。トランジスタRMのゲートは、トランジスタRMのソースまたはドレインの一方と接続する。図2(A)に示す構成とすることで、トランジスタRMはダイオードとして機能し、外部からの制御信号によらずノードNVRのVBGを保持することができる。 The transistor RM shown in FIG. 2A holds the VBG of the node NVR even if the VBG generated by the voltage generation circuit 14 is given to the node NVR and then the voltage generation by the voltage generation circuit 14 is stopped. It is a transistor that can be used. The transistor RM is preferably an OS transistor. The transistor RM preferably has a larger threshold voltage than the transistor included in the memory cell MC. The transistor RM is preferable because both the on current and the off current are smaller than those of the memory cell MC, so that the VBG of the node NVR can be easily held. The gate of the transistor RM is connected to either the source or the drain of the transistor RM. With the configuration shown in FIG. 2A, the transistor RM functions as a diode and can hold the VBG of the node NVR regardless of the control signal from the outside.

図2(A)に示すトランジスタRM1、RM2は、ノードNVRに保持されたVBGをバックゲート電位線BGL_1およびBGL_2に与え、バックゲート電位線BGL_1およびBGL_2がVBGに設定された後はバックゲート電位線BGL_1およびBGL_2を電気的に浮遊状態とすることができるトランジスタである。トランジスタRM1、RM2は、OSトランジスタであることが好ましい。トランジスタRM1、RM2は、トランジスタRMと同様に、メモリセルMCが有するトランジスタよりも閾値電圧が大きいことが好ましい。トランジスタRM1、RM2は、トランジスタRMと同様に、メモリセルMCが有するトランジスタよりもオン電流およびオフ電流を共に小さくすることで、バックゲート電位線BGL_1およびBGL_2のVBGを保持しやすくできるため好ましい。トランジスタRM1、RM2は、ゲートとソースまたはドレインの一方とを接続する。図2(A)に示す構成とすることで、トランジスタRM1、RM2はダイオードとして機能し、外部からの制御信号によらずRM1、RM2のVBGを保持するとともに、ノードNVRとバックゲート電位線BGL_1およびBGL_2とが等電位の場合は、バックゲート電位線BGL_1およびBGL_2を電気的に浮遊状態とすることができる。 Transistors RM1 and RM2 shown in FIG. 2A provide VBG held in the node NVR to the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1, and back after the backgate potential lines BGL_1 and BGL_1 are set to VBG . A transistor capable of electrically suspending the gate potential lines BGL_1 and BGL_1. The transistors RM1 and RM2 are preferably OS transistors. Like the transistor RM, the transistors RM1 and RM2 preferably have a larger threshold voltage than the transistor included in the memory cell MC. Similar to the transistor RM, the transistors RM1 and RM2 are preferable because the on-current and off-current are both smaller than those of the transistor of the memory cell MC, so that the VBGs of the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 can be easily held. Transistors RM1 and RM2 connect the gate to one of the source or drain. With the configuration shown in FIG. 2A, the transistors RM1 and RM2 function as diodes, hold the VBGs of RM1 and RM2 regardless of external control signals, and hold the node NVR and backgate potential lines. When BGL_1 and BGL_2 are equipotential, the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 can be electrically suspended.

図2(A)で示したトランジスタRM、RM1およびRM2は、スイッチに置き換えることが可能である。この場合の回路構成を図2(B)に示す。図2(B)に示す電圧保持回路13は、スイッチSW1、スイッチSW2、スイッチSW、容量素子CVR、および電圧生成回路14を有する。なお図2(B)において、スイッチSW1、スイッチSW2、スイッチSWおよび容量素子CVRが接続されるノードを、ノードNVRと図示している。図2(B)は、各スイッチを制御して、バックゲート電位線BGL_1およびBGL_2をVBGに設定し、その後電気的に浮遊状態とすることで、図1(B)で説明した動作を実現することができる。 The transistors RM, RM1 and RM2 shown in FIG. 2A can be replaced with switches. The circuit configuration in this case is shown in FIG. 2 (B). The voltage holding circuit 13 shown in FIG. 2B includes a switch SW1, a switch SW2, a switch SW, a capacitive element CVR , and a voltage generation circuit 14. In FIG. 2B, the node to which the switch SW1, the switch SW2, the switch SW, and the capacitive element CVR are connected is shown as a node NVR . FIG. 2B realizes the operation described in FIG. 1B by controlling each switch to set the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 to VBG and then electrically suspending them. can do.

図2(A)に示す電圧保持回路13の動作、バッファ回路17_1と容量素子18_1の間のノードBN_1の電圧、バッファ回路17_2と容量素子18_2の間のノードBN_1の電圧、並びにバックゲート電位線BGL_1およびBGL_2の状態について図3乃至6を参照して説明する。図3(A)の状態は、図1(B)の時刻T1に対応する。図3(B)の状態は、図1(B)の時刻T2に対応する。図4(A)の状態は、図1(B)の時刻T3に対応する。図4(B)の状態は、図1(B)の時刻T4に対応する。図5(A)の状態は、図1(B)の時刻T5に対応する。図5(B)の状態は、図1(B)の時刻T6に対応する。図6の状態は、図1(B)の時刻T7に対応する。 The operation of the voltage holding circuit 13 shown in FIG. 2A, the voltage of the node BN_1 between the buffer circuit 17_1 and the capacitive element 18_1, the voltage of the node BN_1 between the buffer circuit 17_2 and the capacitive element 18_1, and the backgate potential line BGL_1 And the state of BGL_2 will be described with reference to FIGS. 3 to 6. The state of FIG. 3A corresponds to the time T1 of FIG. 1B. The state of FIG. 3B corresponds to the time T2 of FIG. 1B. The state of FIG. 4 (A) corresponds to the time T3 of FIG. 1 (B). The state of FIG. 4B corresponds to the time T4 of FIG. 1B. The state of FIG. 5A corresponds to the time T5 of FIG. 1B. The state of FIG. 5B corresponds to the time T6 of FIG. 1B. The state of FIG. 6 corresponds to the time T7 of FIG. 1 (B).

図3(A)では、電圧生成回路14でVBGを生成する。なお初期状態において、ノードNVR、バックゲート電位線BGL_1およびBGL_2は基準となる電圧(0V)としている。 In FIG. 3A, the voltage generation circuit 14 generates VBG . In the initial state, the node NVR, the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 are set to the reference voltage (0V).

図3(B)では、電圧生成回路14とノードNVRとの間で電位差が生じるため、トランジスタRMに電流が流れる。その結果、ノードNVRの電圧がVBGとなる。同様に、バックゲート電位線BL_1とノードNVRとの間で電位差が生じるため、トランジスタRM1に電流が流れる。その結果、バックゲート電位線BGL_1の電圧がVBGとなる。同様に、バックゲート電位線BL_2とノードNVRとの間で電位差が生じるため、トランジスタRM2に電流が流れる。その結果、バックゲート電位線BGL_2の電圧がVBGとなる。なお実際には、トランジスタRM、RM1、およびRM2の閾値電圧だけ低下した電圧が、ノードNVR、バックゲート電位線BGL_1およびBGL_2に与えられるが、以下の説明では閾値電圧が小さいものとして省略している。 In FIG. 3B, a potential difference occurs between the voltage generation circuit 14 and the node NVR , so that a current flows through the transistor RM. As a result, the voltage of the node NVR becomes VBG . Similarly, since a potential difference occurs between the back gate potential line BL_1 and the node NVR, a current flows through the transistor RM1. As a result, the voltage of the back gate potential line BGL_1 becomes VBG . Similarly, since a potential difference occurs between the back gate potential line BL_2 and the node NVR, a current flows through the transistor RM2. As a result, the voltage of the back gate potential line BGL_2 becomes VBG . Actually, the voltage lowered by the threshold voltage of the transistors RM, RM1 and RM2 is given to the node NVR, the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1, but in the following description, it is omitted as the threshold voltage is small. There is.

図4(A)では、電圧生成回路14によるVBGの生成を停止する。その結果、電圧生成回路14とトランジスタRMとの間の電圧は、基準となる電圧(0V)となる。ノードNVRのVBGは、基準となる電圧(0V)より小さい。ダイオードとして機能するトランジスタは非導通状態となる。ノードNVRは、電気的に浮遊状態となる。トランジスタRMはオフ電流が極めて小さい。そのため、ノードNVRのVBGは、長時間保持することができる。バックゲート電位線BGL_1のVBGは、ノードNVRのVBGと等電位となる。ダイオードとして機能するトランジスタは非導通状態となる。バックゲート電位線BGL_1は、電気的に浮遊状態となる。またトランジスタRM1はオフ電流が極めて少ない。そのため、バックゲート電位線BGL_1のVBGは、長時間保持することができる。 In FIG. 4A, the generation of VBG by the voltage generation circuit 14 is stopped. As a result, the voltage between the voltage generation circuit 14 and the transistor RM becomes a reference voltage (0V). The VBG of the node NVR is smaller than the reference voltage (0V). The transistor that functions as a diode is in a non-conducting state. The node N VR is electrically suspended. The off current of the transistor RM is extremely small. Therefore, the VBG of the node NVR can be held for a long time. The VBG of the backgate potential line BGL_1 is equipotential with the VBG of the node NVR. The transistor that functions as a diode is in a non-conducting state. The backgate potential line BGL_1 is electrically in a floating state. Further, the transistor RM1 has an extremely small off current. Therefore, the VBG of the back gate potential line BGL_1 can be held for a long time.

図4(B)では、ワード線WL_1をVH_WL、ワード線WL_2をVL_WLとする。そのため、図4(B)では、ノードNB_1がVL_WLからVH_BUF、ノードNB_2がVL_WLとなる。バックゲート電位線BGL_1の電圧は、電気的に浮遊状態であるため、容量結合によってVBGからΔV上昇する。バックゲート電位線BGL_2の電圧は、電気的に浮遊状態であるものの、ノードNB_1とバックゲート電位線BGL_2との間に生じる容量結合が小さいため、VBGのままとなる。なおバックゲート電位線BGL_2の電圧は、ビット線BLまたはノードSN等の電圧の変動によって、変動する場合があり得る。 In FIG. 4B, the word line WL_1 is referred to as VH_WL , and the word line WL_1 is referred to as VL_WL . Therefore, in FIG. 4B, the node NB_1 changes from VL_WL to VH_BUF , and the node NB_2 changes to VL_WL . Since the voltage of the backgate potential line BGL_1 is electrically suspended, it rises by ΔV from VBG due to capacitive coupling. Although the voltage of the backgate potential line BGL_2 is electrically suspended, it remains VBG because the capacitive coupling between the node NB_1 and the backgate potential line BGL_1 is small. The voltage of the back gate potential line BGL_2 may fluctuate due to fluctuations in the voltage of the bit line BL, the node SN, or the like.

図5(A)では、ワード線WL_1をVL_WL、ワード線WL_2をVL_WLとする。そのため、図5(A)では、ノードNB_1がVH_WLからVL_BUF、ノードNB_2がVL_WLとなる。バックゲート電位線BGL_1の電圧は、電気的に浮遊状態であるため、ノードNB_1をVL_BUFに戻すことでVBGとなる。 In FIG. 5A, the word line WL_1 is referred to as VL_WL , and the word line WL_1 is referred to as VL_WL . Therefore, in FIG. 5A, the node NB_1 is changed from VH_WL to VL_BUF , and the node NB_2 is changed to VL_WL . Since the voltage of the back gate potential line BGL_1 is electrically in a floating state, it becomes VBG by returning the node NB_1 to VL_BUF .

図5(B)では、ワード線WL_1をVL_WL、ワード線WL_2をVL_WLとする。そのため、図5(B)では、ノードNB_1がVL_WL、ノードNB_2がVL_WLからVH_BUFとなる。バックゲート電位線BGL_2の電圧は、電気的に浮遊状態であるため、容量結合によってVBGからΔV上昇する。バックゲート電位線BGL_1の電圧は、電気的に浮遊状態であるものの、ノードNB_2とバックゲート電位線BGL_1との間に生じる容量結合が小さいため、VBGのままとなる。なおバックゲート電位線BGL_1の電圧は、ビット線BLまたはノードSN等の電圧の変動によって、変動する場合があり得る。 In FIG. 5B, the word line WL_1 is referred to as VL_WL , and the word line WL_1 is referred to as VL_WL . Therefore, in FIG. 5B, the node NB_1 is changed to VL_WL , and the node NB_2 is changed from VL_WL to VH_BUF . Since the voltage of the backgate potential line BGL_2 is electrically suspended, it rises by ΔV from VBG due to capacitive coupling. Although the voltage of the backgate potential line BGL_1 is electrically suspended, it remains VBG because the capacitive coupling between the node NB_2 and the backgate potential line BGL_1 is small. The voltage of the back gate potential line BGL_1 may fluctuate due to fluctuations in the voltage of the bit line BL or the node SN.

図6では、ワード線WL_1をVL_WL、ワード線WL_2をVL_WLとする。そのため、図6では、ノードNB_1がVL_WL、ノードNB_2がVH_WLからVL_WLとなる。バックゲート電位線BGL_2の電圧は、電気的に浮遊状態であるため、ノードNB_2をVL_BUFに戻すことでVBGとなる。 In FIG. 6, the word line WL_1 is referred to as VL_WL , and the word line WL_1 is referred to as VL_WL . Therefore, in FIG. 6, the node NB_1 is changed to VL_WL , and the node NB_2 is changed from VH_WL to VL_WL . Since the voltage of the back gate potential line BGL_2 is electrically in a floating state, it becomes VBG by returning the node NB_2 to VL_BUF .

以上説明したように本発明の一態様では、メモリセルのアクセストランジスタをオフにする期間では、バックゲート電位線にバックゲート電圧を常時与え続けてメモリセルのアクセストランジスタの閾値電圧をプラスシフトさせることができる。併せて、メモリセルのアクセストランジスタをオンにする期間では、ワード信号の振幅電圧を大きくすることなく、バックゲート電位線にバックゲート電圧が容量結合を用いて上昇させることで、アクセストランジスタの閾値電圧をマイナスシフトさせることができる。ワード線の負荷を増大することなくバックゲート電位線の電圧を変動させることができるとともに、トランジスタのオンまたはオフなどの動作速度の低下を回避することができる。加えて、バッファ回路においてワード線の振幅電圧を大きくした信号を生成することで、ワード信号の振幅電圧に依らずにバックゲート電位線の電位の変動を大きくすることができるため、メモリセルのアクセストランジスタのオン電流を高めることができるとともに、オフ電流の低減を図ることができる。 As described above, in one aspect of the present invention, during the period when the access transistor of the memory cell is turned off, the back gate voltage is constantly applied to the back gate potential line to positively shift the threshold voltage of the access transistor of the memory cell. Can be done. At the same time, during the period when the access transistor of the memory cell is turned on, the threshold voltage of the access transistor is increased by increasing the backgate voltage to the backgate potential line by using capacitive coupling without increasing the amplitude voltage of the word signal. Can be negatively shifted. It is possible to fluctuate the voltage of the backgate potential line without increasing the load on the ward line, and it is possible to avoid a decrease in operating speed such as turning on or off the transistor. In addition, by generating a signal in which the amplitude voltage of the word line is increased in the buffer circuit, it is possible to increase the fluctuation of the potential of the back gate potential line regardless of the amplitude voltage of the word signal, so that the access of the memory cell can be increased. The on-current of the transistor can be increased and the off-current can be reduced.

上述した図1乃至図6で説明した各構成の具体例について図7乃至図11を参照して説明する。 Specific examples of the configurations described with reference to FIGS. 1 to 6 described above will be described with reference to FIGS. 7 to 11.

図7(A)には、上述したバッファ回路17_1、17_2に適用可能なバッファ回路17の回路構成の一例について示す。 FIG. 7A shows an example of the circuit configuration of the buffer circuit 17 applicable to the buffer circuits 17_1 and 17_2 described above.

図7(A)には、入力端子がワード線WLに接続され、出力端子が容量素子18の一方の電極に接続されたバッファ回路17を図示している。 FIG. 7A illustrates a buffer circuit 17 in which an input terminal is connected to a word line WL and an output terminal is connected to one electrode of a capacitive element 18.

上述したようにバッファ回路17は、ワード信号を同じ論理の信号の電流供給能力を高めて容量素子18の一方の電極側、すなわちノードBNに出力する。そのためバッファ回路17は、図7(B)に図示するようにインバータ回路を複数直列に接続して設ける構成とする。バッファ回路17が有するインバータ回路は、Siトランジスタで構成することが好ましい。当該構成とすることでCMOS(相補型MOS)回路を構成することができるため、低消費電力化を図ることができる。またインバータ回路に限らず、レベルシフタ回路等を用いる構成とすることで、入力端子の電圧を昇圧して出力端子に出力可能な機能を備えたバッファ回路とすることができる。当該構成とすることで、より確実にバックゲート電位線の昇圧を行うことができる。 As described above, the buffer circuit 17 outputs the word signal to one electrode side of the capacitive element 18, that is, the node BN, by increasing the current supply capacity of the signal of the same logic. Therefore, the buffer circuit 17 is configured to be provided by connecting a plurality of inverter circuits in series as shown in FIG. 7 (B). The inverter circuit included in the buffer circuit 17 is preferably composed of a Si transistor. With this configuration, a CMOS (complementary MOS) circuit can be configured, so that power consumption can be reduced. Further, not limited to the inverter circuit, a buffer circuit having a function of boosting the voltage of the input terminal and outputting to the output terminal can be obtained by using a level shifter circuit or the like. With this configuration, the backgate potential line can be boosted more reliably.

また容量素子18は、バックゲート電位線BGL_1およびBGL_2に一旦与えた電圧を保持しやすいように容量素子によって大きい静電容量を有することが好ましい。また容量素子18の容量結合によってバックゲート電位線を昇圧させるためには、電気的に浮遊状態となるバックゲート電位線の寄生容量を低減しておくことが好ましい。バックゲート電位線の寄生容量と容量素子18の静電容量(単に容量ともいう)とについて、図7(C)を用いて説明する。 Further, it is preferable that the capacitive element 18 has a large capacitance due to the capacitive element so that the voltage once applied to the back gate potential lines BGL_1 and BGL_1 can be easily held. Further, in order to boost the backgate potential line by the capacitive coupling of the capacitive element 18, it is preferable to reduce the parasitic capacitance of the backgate potential line that is electrically suspended. The parasitic capacitance of the backgate potential line and the capacitance (simply referred to as capacitance) of the capacitive element 18 will be described with reference to FIG. 7 (C).

図7(C)に図示するようにバックゲート電位線BGLは、容量素子18の容量CBUF-BGLの他、ビット線BL_1乃至BL_nとの間の容量CBL-BGL、ノードSNとの間の容量CSN-BGL、およびその他の配線OL(隣接しないBLまたはWLなどのその他の配線)との間の容量COL-BGLを有する。 As shown in FIG. 7C, the back gate potential line BGL is provided between the capacitance C BUF-BGL of the capacitance element 18, the capacitance C BL-BGL between the bit lines BL_1 to BL_n, and the node SN. It has a capacitance C SN-BGL and a capacitance C OL-BGL to and from other wiring OLs (other wiring such as non-adjacent BLs or WLs).

図7(C)は、前述のバックゲート電位線BGLに付加する容量CBUF-BGL、容量CBL-BGL、容量CSN-BGL、および容量COL-BGLを有する等価回路図である。ノードBNの電圧の変化に応じて、電気的に浮遊状態となるバックゲート電位線BGLの電圧を変化させるためには、容量CBUF-BGLを、容量CBL-BGL、容量CSN-BGL、およびCOL-BGLと比べて大きくする構成が好ましい。具体的には、容量CBUF-BGLは、容量CBL-BGL、容量CSN-BGL、および容量COL-BGLを併せた容量の1.2倍以上であることが好ましい。 FIG. 7C is an equivalent circuit diagram having a capacitance C BUF-BGL , a capacitance C BL-BGL , a capacitance C SN-BGL , and a capacitance COL-BGL added to the above-mentioned backgate potential line BGL. In order to change the voltage of the backgate potential line BGL, which is electrically suspended, in response to the change in the voltage of the node BN, the capacitance C BUF-BGL , the capacitance C BL-BGL , the capacitance C SN-BGL , And a configuration that is larger than COL-BGL is preferable. Specifically, the capacity C BUF-BGL is preferably 1.2 times or more the total capacity of the capacity C BL-BGL , the capacity C SN-BGL , and the capacity COL -BGL .

なお図2(A)において、トランジスタRM、RM1は、バックゲート電極がないトップゲート構造またはボトムゲート構造のトランジスタとして図示したがこれに限らない。例えば、図8(A)に図示するように、バックゲート電極を有するトランジスタRM_AおよびRM1_Aとしてもよい。図8(A)の構成とすることで、トランジスタRM_AおよびRM1_Aを流れる電流量を増やし、バックゲート電位線BGLを短い期間でVBGに設定することができる。 In FIG. 2A, the transistors RM and RM1 are shown as transistors having a top gate structure or a bottom gate structure without a back gate electrode, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 8A, transistors RM_A and RM1_A having a back gate electrode may be used. With the configuration of FIG. 8A, the amount of current flowing through the transistors RM_A and RM1_A can be increased, and the back gate potential line BGL can be set to VBG in a short period of time.

あるいは図8(B)に図示するように、図8(A)のトランジスタRM1_Aは、ゲート電極を配線ENL_Aに接続し、バックゲート電極を配線ENL_Bに接続するトランジスタRM1_Bとしてもよい。配線ENL_Aと配線ENL_Bとには、別々の制御信号を与える構成が好ましい。例えば配線ENL_Aと配線ENL_Bに与える制御信号は、トランジスタRM1_Bをワード線WLにワード信号を与える期間に非導通状態とし、その他の期間では導通状態とする。図8(B)の構成とすることで、トランジスタRM1_Bの状態を外部より制御しやすくすることができる。 Alternatively, as shown in FIG. 8B, the transistor RM1_A of FIG. 8A may be a transistor RM1_B in which the gate electrode is connected to the wiring ENL_A and the back gate electrode is connected to the wiring ENL_B. It is preferable that the wiring ENL_A and the wiring ENL_B are configured to give separate control signals. For example, the control signal given to the wiring ENL_A and the wiring ENL_B is in a non-conducting state during the period in which the transistor RM1_B is given the word signal to the word line WL, and is in a conductive state in the other period. With the configuration of FIG. 8B, the state of the transistor RM1_B can be easily controlled from the outside.

図9(A)には、上述した電圧生成回路14に適用可能な回路構成の一例を示す。 FIG. 9A shows an example of a circuit configuration applicable to the voltage generation circuit 14 described above.

図9(A)に示す電圧生成回路14Aは、ダイオードD1乃至D5、キャパシタC1乃至C5、およびインバータINVを有する4段のチャージポンプである。クロック信号CLKは、キャパシタC1乃至C5に直接、あるいはインバータINVを介して与えられる。インバータINVの電源電圧を、VDDとグラウンド(0V)とによって印加される電圧とすると、クロック信号CLKによって、0VからVDDの4倍の負電圧に降圧されたVBGを得ることができる。なお、ダイオードD1乃至D5の順方向電圧は0Vとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望のVBGを得ることができる。 The voltage generation circuit 14A shown in FIG. 9A is a four-stage charge pump having diodes D1 to D5, capacitors C1 to C5, and an inverter INV. The clock signal CLK is given to the capacitors C1 to C5 directly or via the inverter INV. Assuming that the power supply voltage of the inverter INV is a voltage applied by VDD and ground (0V), VBG stepped down from 0V to a negative voltage four times VDD can be obtained by the clock signal CLK. The forward voltage of the diodes D1 to D5 is 0V. Further, a desired VBG can be obtained by changing the number of stages of the charge pump.

なお上述した電圧生成回路14Aの回路構成は、図9(A)で示す回路図の構成に限らない。電圧生成回路14Aの変形例を図9(B)、(C)に示す。 The circuit configuration of the voltage generation circuit 14A described above is not limited to the configuration of the circuit diagram shown in FIG. 9A. Modification examples of the voltage generation circuit 14A are shown in FIGS. 9 (B) and 9 (C).

図9(B)に示す電圧生成回路14Bは、図9(A)に示す電圧生成回路14AのダイオードD1乃至D5をダイオード接続したトランジスタM11乃至M15に置き換えた構成に相当する。図9(B)に示す電圧生成回路14Bは、トランジスタM11乃至M15をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタC1乃至C5に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に0VからVBGへの降圧を図ることができる。 The voltage generation circuit 14B shown in FIG. 9B corresponds to a configuration in which the diodes D1 to D5 of the voltage generation circuit 14A shown in FIG. 9A are replaced with transistors M11 to M15 connected by diodes. In the voltage generation circuit 14B shown in FIG. 9B, the off-current can be reduced by using the transistors M11 to M15 as OS transistors, and the leakage of electric charges held in the capacitors C1 to C5 can be suppressed. Therefore, it is possible to efficiently reduce the pressure from 0V to VBG .

また図9(C)に示す電圧生成回路14Cは、図9(B)に示す電圧生成回路14BのトランジスタM11乃至M15を、バックゲート電極を有するトランジスタM21乃至M25に置き換えた構成に相当する。図9(C)に示す電圧生成回路14Cは、バックゲート電極にゲート電極と同じ電圧を与えることができるため、トランジスタを流れる電流量を増やすことができる。そのため、効率的に0VからVBGへの降圧を図ることができる。 Further, the voltage generation circuit 14C shown in FIG. 9C corresponds to a configuration in which the transistors M11 to M15 of the voltage generation circuit 14B shown in FIG. 9B are replaced with transistors M21 to M25 having a back gate electrode. Since the voltage generation circuit 14C shown in FIG. 9C can apply the same voltage to the back gate electrode as the gate electrode, the amount of current flowing through the transistor can be increased. Therefore, it is possible to efficiently reduce the pressure from 0V to VBG .

図10(A)乃至(E)には、図1(A)で説明したメモリセルMCが取り得る回路構成の一例を示す。図10(A)乃至(E)に示すメモリセルの回路図では、ソース線SLあるいはビット線BLからデータ電圧を書きこみ、書き込みワード線WWL及び読み出しワード線RWLの電圧を制御することで、データ電圧の書き込みあるいは読み出しを制御することができる。 10 (A) to 10 (E) show an example of a circuit configuration that the memory cell MC described with reference to FIG. 1 (A) can take. In the circuit diagram of the memory cell shown in FIGS. 10A to 10E, the data voltage is written from the source line SL or the bit line BL, and the voltage of the write word line WWL and the read word line RWL is controlled to control the data. It is possible to control the writing or reading of the voltage.

図10(A)に示すメモリセルMC_Aは、トランジスタM1と、トランジスタM2_Aと、容量素子Cと、を有する。トランジスタM1はバックゲート電極を有し、バックゲート電位線BGLによりバックゲート電極に与える電圧を制御可能な構成としている。トランジスタM2_Aは、pチャネルトランジスタである。トランジスタM1を非導通状態にすることで、ノードSNにデータ電圧に応じた電荷を保持することができる。トランジスタM2_Aは、保持されるデータ電圧に応じた電荷に応じて流れる電流が制御される。図10(A)の構成を、図1(A)のメモリセルMCに適用可能である。 The memory cell MC_A shown in FIG. 10A has a transistor M1, a transistor M2_A , and a capacitive element CS. The transistor M1 has a back gate electrode, and the voltage applied to the back gate electrode can be controlled by the back gate potential line BGL. The transistor M2_A is a p-channel transistor. By making the transistor M1 non-conducting, it is possible to hold the electric charge corresponding to the data voltage in the node SN. The current of the transistor M2_A is controlled according to the electric charge corresponding to the held data voltage. The configuration of FIG. 10 (A) can be applied to the memory cell MC of FIG. 1 (A).

図10(B)に示すメモリセルMC_Bは、トランジスタM1と、トランジスタM2_Bと、容量素子Cと、を有する。図10(A)と異なる点として、トランジスタM2_Bは、nチャネルトランジスタである。図10(B)の構成を、図1(A)のメモリセルMCに適用可能である。 The memory cell MC_B shown in FIG. 10B has a transistor M1, a transistor M2_B , and a capacitive element CS. The difference from FIG. 10A is that the transistor M2_B is an n-channel transistor. The configuration of FIG. 10B can be applied to the memory cell MC of FIG. 1A.

図10(C)に示すメモリセルMC_Cは、トランジスタM1と、トランジスタM2_Aと、トランジスタM3と、容量素子Cと、を有する。図10(A)と異なる点として、メモリセルMC_Cは、トランジスタM3を有する。トランジスタM3は、トランジスタM2_Aと同じpチャネルトランジスタである。トランジスタM3を非導通状態にすることで、ビット線BLとソース線SLとの間に流れる電流を制御できる。図10(C)の構成を、図1(A)のメモリセルMCに適用可能である。 The memory cell MC_C shown in FIG. 10C has a transistor M1, a transistor M2_A , a transistor M3, and a capacitive element CS. The memory cell MC_C has a transistor M3, which is different from FIG. 10 (A). The transistor M3 is the same p-channel transistor as the transistor M2_A. By making the transistor M3 non-conducting, the current flowing between the bit line BL and the source line SL can be controlled. The configuration of FIG. 10 (C) can be applied to the memory cell MC of FIG. 1 (A).

図10(D)に示すメモリセルMC_Dは、トランジスタM1と、トランジスタM2_Aと、容量素子Cと、を有する。トランジスタM1は、書き込みビット線WBLに接続され、トランジスタM2_Aは、読み出しビット線RBLに接続される。図10(D)の構成では、例えば、読み出しビット線RBLをデータ電圧の読み出し用、書き込みビット線WBLをデータ電圧の書き込み用とすることができる。図10(D)の構成を、図1(A)のメモリセルMCに適用可能である。 The memory cell MC_D shown in FIG. 10D has a transistor M1, a transistor M2_A , and a capacitive element CS. The transistor M1 is connected to the write bit line WBL, and the transistor M2_A is connected to the read bit line RBL. In the configuration of FIG. 10D, for example, the read bit line RBL can be used for reading the data voltage, and the write bit line WBL can be used for writing the data voltage. The configuration of FIG. 10 (D) can be applied to the memory cell MC of FIG. 1 (A).

図10(E)に示すメモリセルMC_Eは、トランジスタM1と、トランジスタM2_Aと、トランジスタM3と、容量素子Cと、を有する。図10(A)と異なる点として、メモリセルMC_Eは、トランジスタM3を有する。トランジスタM3は、トランジスタM2_Aと同じpチャネルトランジスタである。トランジスタM3を非導通状態にすることで、ビット線BLとソース線SLとの間に流れる電流を制御できる。加えて図10(E)に示すメモリセルMC_Eは、トランジスタM1は、書き込みビット線WBLに接続され、トランジスタM2_Aは、読み出しビット線RBLに接続される。図10(E)の構成では、例えば、読み出しビット線RBLをデータ電圧の読み出し用、書き込みビット線WBLをデータ電圧の書き込み用とすることができる。図10(E)の構成を、図1(A)のメモリセルMCに適用可能である。 The memory cell MC_E shown in FIG. 10 (E) has a transistor M1, a transistor M2_A , a transistor M3, and a capacitive element CS. The memory cell MC_E has a transistor M3, which is different from FIG. 10 (A). The transistor M3 is the same p-channel transistor as the transistor M2_A. By making the transistor M3 non-conducting, the current flowing between the bit line BL and the source line SL can be controlled. In addition, in the memory cell MC_E shown in FIG. 10 (E), the transistor M1 is connected to the write bit line WBL, and the transistor M2_A is connected to the read bit line RBL. In the configuration of FIG. 10E, for example, the read bit line RBL can be used for reading the data voltage, and the write bit line WBL can be used for writing the data voltage. The configuration of FIG. 10 (E) can be applied to the memory cell MC of FIG. 1 (A).

図11(A)に示すメモリセルMC_Fは、SRAM(Static RAM)を構成するトランジスタM4、M5、インバータINV1、INV2と、トランジスタM1_Q、M1_QBと、容量素子Cと、を有する。 The memory cell MC_F shown in FIG. 11A has transistors M4, M5, inverters INV1, INV2, transistors M1_Q, M1_QB , and a capacitance element CS constituting a SRAM (Static RAM).

メモリセルMC_Fは、制御線ENLを制御して、SRAMのノードQ,QBのデータ電圧のノードSN1、SN2へのバックアップ、及びノードQ,QBへのノードSN1、SN2からのデータ電圧のリカバリーを制御する。トランジスタM1_Q、M1_QBは、バックゲート電極を有し、バックゲート電位線BGLによりバックゲート電極に与える電圧を制御可能な構成としている。トランジスタM1_Q、M1_QBを非導通状態にすることで、ノードSN1、SN2にデータ電圧に応じた電荷を保持することができる。図11(A)の構成を、図1(A)のメモリセルMCに適用可能である。 The memory cell MC_F controls the control line ENL to control the backup of the data voltage of the SRAM nodes Q and QB to the nodes SN1 and SN2, and the recovery of the data voltage from the nodes SN1 and SN2 to the nodes Q and QB. do. The transistors M1_Q and M1_QB have a back gate electrode, and the voltage applied to the back gate electrode can be controlled by the back gate potential line BGL. By setting the transistors M1_Q and M1_QB in a non-conducting state, the nodes SN1 and SN2 can hold charges according to the data voltage. The configuration of FIG. 11 (A) can be applied to the memory cell MC of FIG. 1 (A).

図11(B)に示すメモリセルMC_Gは、SRAM(Static RAM)を構成するトランジスタM4、M5、インバータINV1、INV2と、トランジスタM1、M6と、容量素子Cと、インバータINV3と、を有する。 The memory cell MC_G shown in FIG. 11B has transistors M4 and M5, inverters INV1 and INV2, transistors M1 and M6, a capacitance element CS, and an inverter INV3 that constitute a SRAM (Static RAM).

メモリセルMC_Gは、書き込み制御線WENを制御して、SRAMのノードQのデータ電圧のノードSNへのバックアップを制御する。またメモリセルMC_Fは、読み出し制御線RENを制御して、ノードQBへのノードSNからのインバータINV3を介したデータ電圧のリカバリーを制御する。トランジスタM1は、バックゲート電極を有し、バックゲート電位線BGL_Aによりバックゲート電極に与える電圧を制御可能な構成としている。トランジスタM6は、バックゲート電極を有し、バックゲート電位線BGL_Bによりバックゲート電極に与える電圧を制御可能な構成としている。トランジスタM1を非導通状態にすることで、ノードSNにデータ電圧に応じた電荷を保持することができる。トランジスタM6を非導通状態にすることで、ノードQBからのリーク電流を抑制できる。図11(B)の構成を、図1(A)のメモリセルMCに適用可能である。 The memory cell MC_G controls the write control line WEN to control the backup of the data voltage of the node Q of the SRAM to the node SN. Further, the memory cell MC_F controls the read control line REN to control the recovery of the data voltage from the node SN to the node QB via the inverter INV3. The transistor M1 has a back gate electrode, and has a configuration in which the voltage applied to the back gate electrode can be controlled by the back gate potential line BGL_A. The transistor M6 has a back gate electrode, and has a configuration in which the voltage applied to the back gate electrode can be controlled by the back gate potential line BGL_B. By making the transistor M1 non-conducting, it is possible to hold the electric charge corresponding to the data voltage in the node SN. By making the transistor M6 non-conducting, the leakage current from the node QB can be suppressed. The configuration of FIG. 11B can be applied to the memory cell MC of FIG. 1A.

以上説明したように、本発明の一態様は、様々な構成を採用して動作させることができる。 As described above, one aspect of the present invention can be operated by adopting various configurations.

(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置の構成に適用可能なトランジスタの構成、具体的には異なる電気特性を有するトランジスタを積層して設ける構成について説明する。当該構成とすることで、半導体装置の設計自由度を高めることができる。また、異なる電気特性を有するトランジスタを積層して設けることで、半導体装置の集積度を高めることができる。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a transistor configuration applicable to the configuration of the semiconductor device described in the above embodiment, specifically, a configuration in which transistors having different electrical characteristics are laminated and provided will be described. With this configuration, the degree of freedom in designing semiconductor devices can be increased. Further, by stacking transistors having different electrical characteristics, the degree of integration of the semiconductor device can be increased.

図12に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ500と、容量素子600と、を有している。図14(A)はトランジスタ500のチャネル長方向の断面図であり、図14(B)はトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図であり、図14(C)はトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。 The semiconductor device shown in FIG. 12 includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitive element 600. 14 (A) is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel length direction, FIG. 14 (B) is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel width direction, and FIG. 14 (C) is a cross-sectional view of the transistor 300 in the channel width direction. It is a figure.

トランジスタ500は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ(OSトランジスタ)である。トランジスタ500は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置が有するOSトランジスタに用いることにより、長期にわたり書き込んだデータ電圧あるいは電荷を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度が少ない、あるいは、リフレッシュ動作を必要としないため、半導体装置の消費電力を低減することができる。 The transistor 500 is a transistor (OS transistor) having a metal oxide in the channel forming region. Since the transistor 500 has a small off-current, it is possible to hold the written data voltage or charge for a long period of time by using the transistor 500 for an OS transistor included in a semiconductor device. That is, since the frequency of the refresh operation is low or the refresh operation is not required, the power consumption of the semiconductor device can be reduced.

本実施の形態で説明する半導体装置は、図12に示すようにトランジスタ300、トランジスタ500、容量素子600を有する。トランジスタ500はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子600はトランジスタ300、及びトランジスタ500の上方に設けられている。なお、容量素子600は、メモリ回路MCにおける容量素子Csなどとすることができる。 As shown in FIG. 12, the semiconductor device described in this embodiment includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitive element 600. The transistor 500 is provided above the transistor 300, and the capacitive element 600 is provided above the transistor 300 and the transistor 500. The capacitive element 600 can be a capacitive element Cs or the like in the memory circuit MC.

トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、及び低抵抗領域314bを有する。なお、トランジスタ300は、例えば、上記実施の形態におけるバッファ回路17が有するトランジスタ等に適用することができる。 The transistor 300 is provided on the substrate 311 and has a semiconductor region 313 composed of a conductor 316, an insulator 315, and a part of the substrate 311, a low resistance region 314a functioning as a source region or a drain region, and a low resistance region 314b. .. The transistor 300 can be applied to, for example, the transistor included in the buffer circuit 17 in the above embodiment.

トランジスタ300は、図14(C)に示すように、半導体領域313の上面及びチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。 As shown in FIG. 14C, the transistor 300 is covered with the conductor 316 on the upper surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction via the insulator 315. As described above, by making the transistor 300 a Fin type, the on characteristic of the transistor 300 can be improved by increasing the effective channel width. Further, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, the off characteristic of the transistor 300 can be improved.

なお、トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。 The transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.

半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、又はドレイン領域となる低抵抗領域314a、及び低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。又は、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。又はGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 It is preferable to include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor in a region in which a channel of the semiconductor region 313 is formed, a region in the vicinity thereof, a low resistance region 314a serving as a source region or a drain region, a low resistance region 314b, and the like. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, it may be formed of a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like. A configuration using silicon in which the effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be used. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs and GaAlAs or the like.

低抵抗領域314a、及び低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、又はホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 In the low resistance region 314a and the low resistance region 314b, in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 313, elements that impart n-type conductivity such as arsenic and phosphorus, or p-type conductivity such as boron are imparted. Contains elements that

ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。 The conductor 316 that functions as a gate electrode is a semiconductor material such as silicon, a metal material, or an alloy containing an element that imparts n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element that imparts p-type conductivity such as boron. A conductive material such as a material or a metal oxide material can be used.

なお、導電体の材料によって仕事関数が決まるため、当該導電体の材料を選択することで、トランジスタのしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。 Since the work function is determined by the material of the conductor, the threshold voltage of the transistor can be adjusted by selecting the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embedding property, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten in terms of heat resistance.

なお、図12に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、半導体装置をOSトランジスタのみの単極性回路(nチャネル型トランジスタのみ、などと同極性のトランジスタを意味する)とする場合、図13に示すとおり、トランジスタ300の構成を、酸化物半導体を用いているトランジスタ500と同様の構成にすればよい。なお、トランジスタ500の詳細については後述する。 The transistor 300 shown in FIG. 12 is an example, and the transistor 300 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method. For example, when the semiconductor device is a unipolar circuit containing only OS transistors (meaning transistors having the same polarity as n-channel transistors only, etc.), as shown in FIG. 13, the transistor 300 is configured by using an oxide semiconductor. The configuration may be the same as that of the transistor 500. The details of the transistor 500 will be described later.

トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326が順に積層して設けられている。 An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are laminated in this order so as to cover the transistor 300.

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。 As the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, etc. are used. Just do it.

なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。また、本明細書中において、酸化窒化アルミニウムとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化アルミニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。 In the present specification, silicon nitride refers to a material having a higher oxygen content than nitrogen as its composition, and silicon nitride as its composition means a material having a higher nitrogen content than oxygen as its composition. Is shown. Further, in the present specification, aluminum nitride refers to a material whose composition has a higher oxygen content than nitrogen, and aluminum nitride refers to a material whose composition has a higher nitrogen content than oxygen. Is shown.

絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。 The insulator 322 may have a function as a flattening film for flattening a step generated by a transistor 300 or the like provided below the insulator 322. For example, the upper surface of the insulator 322 may be flattened by a flattening treatment using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to improve the flatness.

また、絶縁体324には、基板311、又はトランジスタ300などから、トランジスタ500が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。 Further, for the insulator 324, it is preferable to use a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse in the region where the transistor 500 is provided from the substrate 311 or the transistor 300.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, for example, silicon nitride formed by the CVD method can be used. Here, hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 500, which may deteriorate the characteristics of the semiconductor element. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300. Specifically, the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS)などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、膜の表面温度が50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atoms/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下であればよい。 The amount of hydrogen desorbed can be analyzed using, for example, a heated desorption gas analysis method (TDS). For example, in the TDS analysis, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is the amount desorbed in terms of hydrogen atoms in the range of 50 ° C. to 500 ° C. in the surface temperature of the film, which is converted into the area of the insulator 324. It may be 10 × 10 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 × 10 15 atoms / cm 2 or less.

なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体326の比誘電率は、絶縁体324の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 The insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324. For example, the relative permittivity of the insulator 326 is preferably less than 4, more preferably less than 3. Further, for example, the relative permittivity of the insulator 326 is preferably 0.7 times or less, more preferably 0.6 times or less the relative permittivity of the insulator 324. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.

また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326には容量素子600、又はトランジスタ500と接続する導電体328、及び導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、及び導電体330は、プラグ又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、及び導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 Further, the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with a capacitive element 600, a conductor 328 connected to the transistor 500, a conductor 330, and the like. The conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or wiring. Further, in the conductor having a function as a plug or wiring, a plurality of structures may be collectively given the same reference numeral. Further, in the present specification and the like, the wiring and the plug connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.

各プラグ、及び配線(導電体328、導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を、単層又は積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。又は、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 As the material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used as a single layer or laminated. be able to. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.

絶縁体326、及び導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、トランジスタ300と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体356は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 12, the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354 are laminated in this order. Further, a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 300. The conductor 356 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 350, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 356 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。 As the conductor having a barrier property against hydrogen, for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by laminating tantalum nitride and tungsten having high conductivity, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen from the transistor 300 while maintaining the conductivity as wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen has a structure in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.

絶縁体354、及び導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体366は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 354 and the conductor 356. For example, in FIG. 12, the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364 are laminated in this order. Further, a conductor 366 is formed on the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364. The conductor 366 has a function as a plug or wiring. The conductor 366 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 360, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 366 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 360 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体364、及び導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体376は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 364 and the conductor 366. For example, in FIG. 12, the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374 are laminated in this order. Further, a conductor 376 is formed on the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374. The conductor 376 has a function as a plug or wiring. The conductor 376 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 370, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 376 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 370 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体374、及び導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図12において、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体386は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 374 and the conductor 376. For example, in FIG. 12, the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384 are laminated in this order. Further, a conductor 386 is formed on the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384. The conductor 386 has a function as a plug or wiring. The conductor 386 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 380, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 386 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 380 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

上記において、導電体356を含む配線層、導電体366を含む配線層、導電体376を含む配線層、及び導電体386を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体356を含む配線層と同様の配線層を3層以下にしてもよいし、導電体356を含む配線層と同様の配線層を5層以上にしてもよい。 In the above, the wiring layer including the conductor 356, the wiring layer including the conductor 366, the wiring layer including the conductor 376, and the wiring layer including the conductor 386 have been described, but the semiconductor device according to the present embodiment is described. It is not limited to this. The number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be 3 or less, or the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be 5 or more.

絶縁体384上には絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、及び絶縁体516が、順に積層して設けられている。絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、及び絶縁体516のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。 An insulator 510, an insulator 512, an insulator 514, and an insulator 516 are laminated on the insulator 384 in this order. As any of the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516, it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen.

例えば、絶縁体510、及び絶縁体514には、例えば、基板311、又はトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ500を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。 For example, for the insulator 510 and the insulator 514, a film having a barrier property such that hydrogen and impurities are not diffused from the region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to the region where the transistor 500 is provided is used. Is preferable. Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, silicon nitride formed by the CVD method can be used. Here, hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 500, which may deteriorate the characteristics of the semiconductor element. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300. Specifically, the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体510、及び絶縁体514には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 Further, as the film having a barrier property against hydrogen, for example, it is preferable to use metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 510 and the insulator 514.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ500に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, it is possible to suppress the release of oxygen from the oxides constituting the transistor 500. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.

また、例えば、絶縁体512、及び絶縁体516には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体512、及び絶縁体516として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 Further, for example, the same material as the insulator 320 can be used for the insulator 512 and the insulator 516. Further, by applying a material having a relatively low dielectric constant to these insulators, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 512 and the insulator 516, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used.

また、絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、及び絶縁体516には、導電体518、及びトランジスタ500を構成する導電体(例えば、導電体503)等が埋め込まれている。なお、導電体518は、容量素子600、又はトランジスタ300と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体518は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 Further, a conductor 518, a conductor constituting the transistor 500 (for example, a conductor 503) and the like are embedded in the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516. The conductor 518 has a function as a plug or wiring for connecting to the capacitive element 600 or the transistor 300. The conductor 518 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

特に、絶縁体510、及び絶縁体514と接する領域の導電体518は、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, the conductor 518 in the region in contact with the insulator 510 and the insulator 514 is preferably a conductor having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a layer having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体516の上方には、トランジスタ500が設けられている。 A transistor 500 is provided above the insulator 516.

図14(A)(B)に示すように、トランジスタ500は、絶縁体514及び絶縁体516に埋め込まれるように配置された導電体503と、絶縁体516及び導電体503の上に配置された絶縁体520と、絶縁体520の上に配置された絶縁体522と、絶縁体522の上に配置された絶縁体524と、絶縁体524の上に配置された酸化物530aと、酸化物530aの上に配置された酸化物530bと、酸化物530b上に互いに離れて配置された導電体542a及び導電体542bと、導電体542a及び導電体542b上に配置され、導電体542aと導電体542bの間に重畳して開口が形成された絶縁体580と、開口の底面及び側面に配置された酸化物530cと、酸化物530cの形成面に配置された絶縁体550と、絶縁体550の形成面に配置された導電体560と、を有する。 As shown in FIGS. 14 (A) and 14 (B), the transistor 500 is arranged on the conductor 503 arranged so as to be embedded in the insulator 514 and the insulator 516, and on the insulator 516 and the conductor 503. An insulator 520, an insulator 522 placed on the insulator 520, an insulator 524 placed on the insulator 522, an oxide 530a placed on the insulator 524, and an oxide 530a. The oxide 530b arranged on the oxide 530b, the conductors 542a and the conductors 542b arranged apart from each other on the oxide 530b, and the conductors 542a and the conductors 542b arranged on the conductors 542a and 542b. Formation of an insulator 580 in which an opening is formed by superimposing between the two, an oxide 530c arranged on the bottom surface and side surfaces of the opening, an insulator 550 arranged on a formation surface of the oxide 530c, and an insulator 550. It has a conductor 560 arranged on a surface.

また、図14(A)(B)に示すように、酸化物530a、酸化物530b、導電体542a、及び導電体542bと、絶縁体580との間に絶縁体544が配置されることが好ましい。また、図14(A)(B)に示すように、導電体560は、絶縁体550の内側に設けられた導電体560aと、導電体560aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体560bと、を有することが好ましい。また、図14(A)(B)に示すように、絶縁体580、導電体560、及び絶縁体550の上に絶縁体574が配置されることが好ましい。 Further, as shown in FIGS. 14A and 14B, it is preferable that the insulator 544 is arranged between the oxide 530a, the oxide 530b, the conductor 542a, and the conductor 542b and the insulator 580. .. Further, as shown in FIGS. 14A and 14B, the conductor 560 includes a conductor 560a provided inside the insulator 550 and a conductor 560b provided so as to be embedded inside the conductor 560a. And, it is preferable to have. Further, as shown in FIGS. 14A and 14B, it is preferable that the insulator 574 is arranged on the insulator 580, the conductor 560, and the insulator 550.

なお、以下において、酸化物530a、酸化物530b、及び酸化物530cをまとめて酸化物530という場合がある。 In the following, the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c may be collectively referred to as the oxide 530.

なお、トランジスタ500では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物530a、酸化物530b、及び酸化物530cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物530bの単層、酸化物530bと酸化物530aの2層構造、酸化物530bと酸化物530cの2層構造、又は4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ500では、導電体560を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体560が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。また、図12、図14(A)に示すトランジスタ500は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 The transistor 500 shows a configuration in which three layers of oxide 530a, oxide 530b, and oxide 530c are laminated in a region where a channel is formed and in the vicinity thereof, but the present invention is limited to this. It's not a thing. For example, a single layer of the oxide 530b, a two-layer structure of the oxide 530b and the oxide 530a, a two-layer structure of the oxide 530b and the oxide 530c, or a laminated structure of four or more layers may be provided. Further, in the transistor 500, the conductor 560 is shown as a two-layer laminated structure, but the present invention is not limited to this. For example, the conductor 560 may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers. Further, the transistor 500 shown in FIGS. 12 and 14A is an example, and the transistor 500 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method.

ここで、導電体560は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体542a及び導電体542bは、それぞれソース電極又はドレイン電極として機能する。上記のように、導電体560は、絶縁体580の開口、及び導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体560、導電体542a及び導電体542bの配置は、絶縁体580の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ500において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体560を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ500の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。 Here, the conductor 560 functions as a gate electrode of the transistor, and the conductor 542a and the conductor 542b function as a source electrode or a drain electrode, respectively. As described above, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductor 542a and the conductor 542b. The arrangement of the conductor 560, the conductor 542a and the conductor 542b is self-aligned with respect to the opening of the insulator 580. That is, in the transistor 500, the gate electrode can be arranged in a self-aligned manner between the source electrode and the drain electrode. Therefore, since the conductor 560 can be formed without providing the alignment margin, the occupied area of the transistor 500 can be reduced. As a result, the semiconductor device can be miniaturized and highly integrated.

さらに、導電体560が、導電体542aと導電体542bの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体560は、導電体542a又は導電体542bと重畳する領域を有さない。これにより、導電体560と導電体542a及び導電体542bとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ500のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。 Further, since the conductor 560 is formed in a region between the conductor 542a and the conductor 542b in a self-aligned manner, the conductor 560 does not have a region overlapping with the conductor 542a or the conductor 542b. This makes it possible to reduce the parasitic capacitance formed between the conductor 560 and the conductors 542a and 542b. Therefore, the switching speed of the transistor 500 can be improved and high frequency characteristics can be provided.

導電体560は、第1のゲート(トップゲートともいう)電極として機能する場合がある。また、導電体503は、第2のゲート(ボトムゲートともいう)電極として機能する場合がある。その場合、導電体503に印加する電位を、導電体560に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ500のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体503に負の電位を印加することにより、トランジスタ500のしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体503に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体560に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 The conductor 560 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode. Further, the conductor 503 may function as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, the threshold voltage of the transistor 500 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 503 independently of the potential applied to the conductor 560 without interlocking with the potential applied to the conductor 560. In particular, by applying a negative potential to the conductor 503, the threshold voltage of the transistor 500 can be made larger than 0V, and the off-current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 503, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.

導電体503は、酸化物530、及び導電体560と、重なるように配置する。これにより、導電体560、及び導電体503に電位を印加した場合、導電体560から生じる電界と、導電体503から生じる電界と、がつながり、酸化物530に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第1のゲート電極、及び第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S-channel)構造とよぶ。 The conductor 503 is arranged so as to overlap the oxide 530 and the conductor 560. As a result, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 503, the electric field generated from the conductor 560 and the electric field generated from the conductor 503 are connected to cover the channel forming region formed in the oxide 530. Can be done. In the present specification and the like, the structure of the transistor that electrically surrounds the channel forming region by the electric fields of the first gate electrode and the second gate electrode is called a slurried channel (S-channel) structure.

また、導電体503は、導電体518と同様の構成であり、絶縁体514及び絶縁体516の開口の内壁に接して導電体503aが形成され、さらに内側に導電体503bが形成されている。なお、トランジスタ500では、導電体503a及び導電体503bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体503は、単層、又は3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。 Further, the conductor 503 has the same structure as the conductor 518, and the conductor 503a is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulator 514 and the insulator 516, and the conductor 503b is further formed inside. Although the transistor 500 shows a configuration in which the conductor 503a and the conductor 503b are laminated, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 503 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers.

ここで、導電体503aは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、又は酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、又は上記酸素のいずれか一又は、すべての拡散を抑制する機能とする。 Here, as the conductor 503a, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the above impurities are difficult to permeate). Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the above oxygen is difficult to permeate). In the present specification, the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the above impurities or the above oxygen.

例えば、導電体503aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体503bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。 For example, since the conductor 503a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 503b from being oxidized and the conductivity from being lowered.

また、導電体503が配線の機能を兼ねる場合、導電体503bは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体505は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体503bを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 When the conductor 503 also has a wiring function, it is preferable to use a highly conductive conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component for the conductor 503b. In that case, the conductor 505 does not necessarily have to be provided. Although the conductor 503b is shown as a single layer, it may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.

絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、及び絶縁体550は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, and the insulator 550 have a function as a second gate insulating film.

ここで、酸化物530と接する絶縁体524は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体524には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物530に接して設けることにより、酸化物530中の酸素欠損を低減し、トランジスタ500の信頼性を向上させることができる。 Here, as the insulator 524 in contact with the oxide 530, it is preferable to use an insulator containing more oxygen than oxygen satisfying the stoichiometric composition. That is, it is preferable that the insulator 524 has an excess oxygen region formed therein. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 530, oxygen deficiency in the oxide 530 can be reduced and the reliability of the transistor 500 can be improved.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm以上、又は3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、又は100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 As the insulator having an excess oxygen region, specifically, it is preferable to use an oxide material in which a part of oxygen is desorbed by heating. Oxides that desorb oxygen by heating are those whose oxygen desorption amount in terms of oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1 in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. An oxide film of 0.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.

また、絶縁体524が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体522は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)ことが好ましい。 Further, when the insulator 524 has an excess oxygen region, it is preferable that the insulator 522 has a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the oxygen is difficult to permeate).

絶縁体522が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物530が有する酸素は、絶縁体520側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体503が、絶縁体524や、酸化物530が有する酸素と反応することを抑制することができる。 Since the insulator 522 has a function of suppressing the diffusion of oxygen and impurities, the oxygen contained in the oxide 530 does not diffuse to the insulator 520 side, which is preferable. Further, it is possible to suppress the conductor 503 from reacting with the oxygen contained in the insulator 524 and the oxide 530.

絶縁体522は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、又は(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh-k材料を含む絶縁体を単層又は積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にhigh-k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulator 522 may be, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or It is preferable to use an insulator containing a so-called high-k material such as (Ba, Sr) TiO 3 (BST) in a single layer or in a laminated manner. As the transistor becomes finer and more integrated, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulating film. By using a high-k material for an insulator that functions as a gate insulating film, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.

特に、不純物、及び酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料であるアルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体522を形成した場合、絶縁体522は、酸化物530からの酸素の放出や、トランジスタ500の周辺部から酸化物530への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。 In particular, it is preferable to use an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which are insulating materials having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (which oxygen is difficult to permeate). As an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate) and the like. When the insulator 522 is formed using such a material, the insulator 522 suppresses the release of oxygen from the oxide 530 and the mixing of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 500 into the oxide 530. Functions as a layer.

又は、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。又はこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon nitride or silicon nitride may be laminated and used on the above-mentioned insulator.

また、絶縁体520は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、high-k材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体520や、絶縁体526を得ることができる。 Further, the insulator 520 is preferably thermally stable. For example, silicon oxide and silicon nitride nitride are suitable because they are thermally stable. Further, by combining the insulator of the high-k material with silicon oxide or silicon oxide nitride, it is possible to obtain an insulator 520 having a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity, and an insulator 526.

なお、図14(A)(B)のトランジスタ500では、3層の積層構造からなる第2のゲート絶縁膜として、絶縁体520、絶縁体522、及び絶縁体524が図示されているが、第2のゲート絶縁膜は、単層、2層、又は4層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 In the transistor 500 of FIGS. 14A and 14B, an insulator 520, an insulator 522, and an insulator 524 are shown as a second gate insulating film having a three-layer laminated structure. The gate insulating film of 2 may have a single layer, two layers, or a laminated structure of four or more layers. In that case, the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

トランジスタ500は、チャネル形成領域を含む酸化物530に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物530として、In-M-Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。特に、酸化物530として適用できるIn-M-Zn酸化物は、実施の形態4で説明するCAAC-OS、CAC-OSであることが好ましい。また、酸化物530として、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物を用いてもよい。 For the transistor 500, it is preferable to use a metal oxide that functions as an oxide semiconductor for the oxide 530 including the channel forming region. For example, as the oxide 530, an In-M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lantern, cerium, neodymium). , One or more selected from hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like) and the like may be used. In particular, the In—M—Zn oxide applicable as the oxide 530 is preferably CAAC-OS or CAC-OS described in the fourth embodiment. Further, as the oxide 530, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.

酸化物530においてチャネル形成領域にとして機能する金属酸化物は、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 As the metal oxide that functions as a channel forming region in the oxide 530, it is preferable to use an oxide having a bandgap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. As described above, by using a metal oxide having a large bandgap, the off-current of the transistor can be reduced.

酸化物530は、酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。 By having the oxide 530a under the oxide 530b, the oxide 530 can suppress the diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b. Further, by having the oxide 530c on the oxide 530b, it is possible to suppress the diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 530c to the oxide 530b.

なお、酸化物530は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物530aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物530aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物530aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530cは、酸化物530a又は酸化物530bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。 The oxide 530 preferably has a laminated structure due to oxides having different atomic number ratios of each metal atom. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used in the oxide 530b. Is preferable. Further, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 530b. Further, in the metal oxide used for the oxide 530b, the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530a. Further, as the oxide 530c, a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b can be used.

また、酸化物530a及び酸化物530cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物530bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物530a及び酸化物530cの電子親和力が、酸化物530bの電子親和力より小さいことが好ましい。 Further, it is preferable that the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530a and the oxide 530c is higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530b. In other words, it is preferable that the electron affinity of the oxide 530a and the oxide 530c is smaller than the electron affinity of the oxide 530b.

ここで、酸化物530a、酸化物530b、及び酸化物530cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物530a、酸化物530b、及び酸化物530cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化又は連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物530aと酸化物530bとの界面、及び酸化物530bと酸化物530cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 Here, at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that the energy level at the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c is continuously changed or continuously bonded. In order to do so, it is preferable to reduce the defect level density of the mixed layer formed at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c.

具体的には、酸化物530aと酸化物530b、酸化物530bと酸化物530cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物530bがIn-Ga-Zn酸化物の場合、酸化物530a及び酸化物530cとして、In-Ga-Zn酸化物、Ga-Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。 Specifically, the oxide 530a and the oxide 530b, and the oxide 530b and the oxide 530c have a common element (main component) other than oxygen, thereby forming a mixed layer having a low defect level density. be able to. For example, when the oxide 530b is an In—Ga—Zn oxide, In—Ga—Zn oxide, Ga—Zn oxide, gallium oxide or the like may be used as the oxide 530a and the oxide 530c.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物530bとなる。酸化物530a、酸化物530cを上述の構成とすることで、酸化物530aと酸化物530bとの界面、及び酸化物530bと酸化物530cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ500は高いオン電流を得られる。 At this time, the main path of the carrier is the oxide 530b. By making the oxide 530a and the oxide 530c have the above-mentioned constitution, the defect level density at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 500 can obtain a high on-current.

酸化物530b上には、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電体542a、及び導電体542bが設けられる。導電体542a、及び導電体542bとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、又は上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、又は、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。更に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素又は酸素に対するバリア性があるため好ましい。 A conductor 542a and a conductor 542b that function as a source electrode and a drain electrode are provided on the oxide 530b. The conductors 542a and 542b include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, and ruthenium. , Iridium, strontium, a metal element selected from lanthanum, an alloy containing the above-mentioned metal element as a component, an alloy in which the above-mentioned metal element is combined, or the like is preferably used. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, a nitride containing titanium and aluminum, a nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lanthanum and nickel, and the like are used. Is preferable. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize. It is preferable because it is a conductive material or a material that maintains conductivity even if it absorbs oxygen. Further, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen.

また、図14では、導電体542a、及び導電体542bを単層構造として示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅-マグネシウム-アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。 Further, in FIG. 14, the conductor 542a and the conductor 542b are shown as a single-layer structure, but a laminated structure of two or more layers may be used. For example, a tantalum nitride film and a tungsten film may be laminated. Further, the titanium film and the aluminum film may be laminated. In addition, a two-layer structure in which an aluminum film is laminated on a tungsten film, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a titanium film, and a tungsten film. It may have a two-layer structure in which copper films are laminated.

また、チタン膜又は窒化チタン膜と、そのチタン膜又は窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜又は窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜又は窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜又は窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜又は窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。 Further, a three-layer structure, a molybdenum film or a molybdenum film or a titanium film having a titanium film or a titanium nitride film and an aluminum film or a copper film laminated on the titanium film or the titanium nitride film and further forming a titanium film or a titanium nitride film on the aluminum film or the copper film. There is a three-layer structure in which a molybdenum nitride film and an aluminum film or a copper film are laminated on the molybdenum film or the molybdenum nitride film, and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is formed on the aluminum film or a copper film. A transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide or zinc oxide may be used.

また、図14(A)に示すように、酸化物530の、導電体542a(導電体542b)との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域543a、及び領域543bが形成される場合がある。このとき、領域543aはソース領域又はドレイン領域の一方として機能し、領域543bはソース領域又はドレイン領域の他方として機能する。また、領域543aと領域543bに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。 Further, as shown in FIG. 14A, when the region 543a and the region 543b are formed as low resistance regions at the interface of the oxide 530 with the conductor 542a (conductor 542b) and its vicinity thereof. There is. At this time, the region 543a functions as one of the source region or the drain region, and the region 543b functions as the other of the source region or the drain region. Further, a channel formation region is formed in a region sandwiched between the region 543a and the region 543b.

酸化物530と接するように上記導電体542a(導電体542b)を設けることで、領域543a(領域543b)の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域543a(領域543b)に導電体542a(導電体542b)に含まれる金属と、酸化物530の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域543a(領域543b)のキャリア密度が増加し、領域543a(領域543b)は、低抵抗領域となる。 By providing the conductor 542a (conductor 542b) in contact with the oxide 530, the oxygen concentration in the region 543a (region 543b) may be reduced. Further, in the region 543a (region 543b), a metal compound layer containing the metal contained in the conductor 542a (conductor 542b) and the component of the oxide 530 may be formed. In such a case, the carrier density of the region 543a (region 543b) increases, and the region 543a (region 543b) becomes a low resistance region.

絶縁体544は、導電体542a、及び導電体542bを覆うように設けられ、導電体542a、及び導電体542bの酸化を抑制する。このとき、絶縁体544は、酸化物530の側面を覆い、絶縁体524と接するように設けられてもよい。 The insulator 544 is provided so as to cover the conductor 542a and the conductor 542b, and suppresses the oxidation of the conductor 542a and the conductor 542b. At this time, the insulator 544 may be provided so as to cover the side surface of the oxide 530 and come into contact with the insulator 524.

絶縁体544として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、ネオジム、ランタン又は、マグネシウムなどから選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体544として、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなども用いることができる。 As the insulator 544, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, neodymium, lanthanum, magnesium and the like. Can be used. Further, as the insulator 544, silicon nitride oxide, silicon nitride or the like can also be used.

特に、絶縁体544として、アルミニウム、又はハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム、及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体542a、及び導電体542bが耐酸化性を有する材料、又は、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体544は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, as the insulator 544, it is preferable to use aluminum or an oxide containing one or both oxides of hafnium, such as aluminum oxide, hafnium oxide, aluminum, and an oxide containing hafnium (hafnium aluminate). .. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the thermal history in a later step. If the conductors 542a and 542b are made of a material having oxidation resistance, or if the conductivity does not significantly decrease even if oxygen is absorbed, the insulator 544 is not an essential configuration. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.

絶縁体544を有することで、絶縁体580に含まれる水、及び水素などの不純物が酸化物530c、絶縁体550を介して、酸化物530bに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体580が有する過剰酸素により、導電体560が酸化するのを抑制することができる。 By having the insulator 544, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 580 from diffusing into the oxide 530b via the oxide 530c and the insulator 550. Further, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560 due to the excess oxygen contained in the insulator 580.

絶縁体550は、第1のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、酸化物530cの内側(上面、及び側面)接して配置することが好ましい。絶縁体550は、上述した絶縁体524と同様に、過剰に酸素を含み、かつ加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。 The insulator 550 functions as a first gate insulating film. It is preferable that the insulator 550 is arranged in contact with the inside (upper surface and side surface) of the oxide 530c. Similar to the above-mentioned insulator 524, the insulator 550 is preferably formed by using an insulator that contains excessive oxygen and releases oxygen by heating.

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素、及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。 Specifically, silicon oxide having excess oxygen, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, carbon, and silicon oxide to which nitrogen is added, and vacancies are used. Silicon oxide having can be used. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are stable against heat.

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体550として、酸化物530cの上面に接して設けることにより、絶縁体550から、酸化物530cを通じて、酸化物530bのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体524と同様に、絶縁体550中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体550の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 By providing an insulator that releases oxygen by heating as an insulator 550 in contact with the upper surface of the oxide 530c, oxygen is effectively applied from the insulator 550 to the channel forming region of the oxide 530b through the oxide 530c. Can be supplied. Further, as with the insulator 524, it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 550 is reduced. The film thickness of the insulator 550 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.

また、絶縁体550が有する過剰酸素を、効率的に酸化物530へ供給するために、絶縁体550と導電体560との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体550から導電体560への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体550から導電体560への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物530へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体560の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体544に用いることができる材料を用いればよい。 Further, in order to efficiently supply the excess oxygen contained in the insulator 550 to the oxide 530, a metal oxide may be provided between the insulator 550 and the conductor 560. The metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 550 to the conductor 560. By providing the metal oxide that suppresses the diffusion of oxygen, the diffusion of excess oxygen from the insulator 550 to the conductor 560 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 530. In addition, oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen can be suppressed. As the metal oxide, a material that can be used for the insulator 544 may be used.

なお、絶縁体550は、第2のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合があるため、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、high-k材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 The insulator 550 may have a laminated structure as in the case of the second gate insulating film. As the transistor becomes finer and more integrated, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulating film. Therefore, an insulator that functions as a gate insulating film is heat-k material and heat. By forming a laminated structure with a material that is stable, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness. In addition, a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity can be obtained.

第1のゲート電極として機能する導電体560は、図14(A)(B)では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。 Although the conductor 560 functioning as the first gate electrode is shown as a two-layer structure in FIGS. 14A and 14B, it may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers.

導電体560aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体550に含まれる酸素により、導電体560bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、又は酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体560aとして、酸化物530に適用できる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体560bをスパタリング法で成膜することで、導電体560aの電気抵抗値を低下させて導電体にすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。 The conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule ( N2O, NO, NO2 , etc.) and copper atom. It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule). Since the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 560b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 550 and the conductivity from being lowered. As the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used. Further, as the conductor 560a, an oxide semiconductor applicable to the oxide 530 can be used. In that case, by forming the conductor 560b into a film by a sputtering method, the electric resistance value of the conductor 560a can be lowered to form a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.

また、導電体560bは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体560bは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体560bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。 Further, as the conductor 560b, it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, since the conductor 560b also functions as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. Further, the conductor 560b may have a laminated structure, for example, a laminated structure of titanium or titanium nitride and the conductive material.

絶縁体580は、絶縁体544を介して、導電体542a、及び導電体542b上に設けられる。絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体580として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素、及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、又は樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 The insulator 580 is provided on the conductor 542a and the conductor 542b via the insulator 544. The insulator 580 preferably has an excess oxygen region. For example, as the insulator 580, silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, carbon, and silicon oxide added with nitrogen, oxidation having pores. It is preferable to have silicon, resin, or the like. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are thermally stable. In particular, silicon oxide and silicon oxide having pores are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.

絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体580を、酸化物530cと接して設けることで、絶縁体580中の酸素を、酸化物530cを通じて、酸化物530へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体580中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 The insulator 580 preferably has an excess oxygen region. By providing the insulator 580 from which oxygen is released by heating in contact with the oxide 530c, the oxygen in the insulator 580 can be efficiently supplied to the oxide 530 through the oxide 530c. It is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 580 is reduced.

絶縁体580の開口は、導電体542aと導電体542bの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体560は、絶縁体580の開口、及び導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。 The opening of the insulator 580 is formed so as to overlap with the region between the conductor 542a and the conductor 542b. As a result, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductor 542a and the conductor 542b.

半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体560の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体560の膜厚を大きくすると、導電体560はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体560を絶縁体580の開口に埋め込むように設けるため、導電体560をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体560を倒壊させることなく、形成することができる。 In miniaturizing a semiconductor device, it is required to shorten the gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the conductor 560 from decreasing. Therefore, if the film thickness of the conductor 560 is increased, the conductor 560 may have a shape having a high aspect ratio. In the present embodiment, since the conductor 560 is provided so as to be embedded in the opening of the insulator 580, even if the conductor 560 has a shape having a high aspect ratio, the conductor 560 is formed without collapsing during the process. Can be done.

絶縁体574は、絶縁体580の上面、導電体560の上面、及び絶縁体550の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体574をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体550、及び絶縁体580へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物530中に酸素を供給することができる。 The insulator 574 is preferably provided in contact with the upper surface of the insulator 580, the upper surface of the conductor 560, and the upper surface of the insulator 550. By forming the insulator 574 into a film by a sputtering method, an excess oxygen region can be provided in the insulator 550 and the insulator 580. Thereby, oxygen can be supplied into the oxide 530 from the excess oxygen region.

例えば、絶縁体574として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the insulator 574, use one or more metal oxides selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like. Can be done.

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、及び窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property, and even a thin film of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen. Therefore, the aluminum oxide formed by the sputtering method can have a function as a barrier film for impurities such as hydrogen as well as an oxygen supply source.

また、絶縁体574の上に、層間膜として機能する絶縁体581を設けることが好ましい。絶縁体581は、絶縁体524などと同様に、膜中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 Further, it is preferable to provide an insulator 581 that functions as an interlayer film on the insulator 574. It is preferable that the insulator 581 has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the membrane, similarly to the insulator 524 and the like.

また、絶縁体581、絶縁体574、絶縁体580、及び絶縁体544に形成された開口に、導電体540a、及び導電体540bを配置する。導電体540a及び導電体540bは、導電体560を挟んで対向して設ける。導電体540a及び導電体540bは、後述する導電体546、及び導電体548と同様の構成である。 Further, the conductor 540a and the conductor 540b are arranged in the openings formed in the insulator 581, the insulator 574, the insulator 580, and the insulator 544. The conductor 540a and the conductor 540b are provided so as to face each other with the conductor 560 interposed therebetween. The conductor 540a and the conductor 540b have the same configuration as the conductor 546 and the conductor 548 described later.

絶縁体581上には、絶縁体582が設けられている。絶縁体582は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体582には、絶縁体514と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体582には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 An insulator 582 is provided on the insulator 581. As the insulator 582, it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen. Therefore, the same material as the insulator 514 can be used for the insulator 582. For example, it is preferable to use a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 582.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ500に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, it is possible to suppress the release of oxygen from the oxides constituting the transistor 500. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.

また、絶縁体582上には、絶縁体586が設けられている。絶縁体586は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体586として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 Further, an insulator 586 is provided on the insulator 582. As the insulator 586, the same material as the insulator 320 can be used. Further, by applying a material having a relatively low dielectric constant to these insulators, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 586, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used.

また、絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、絶縁体544、絶縁体580、絶縁体574、絶縁体581、絶縁体582、及び絶縁体586には、導電体546、及び導電体548等が埋め込まれている。 Further, the insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, the insulator 544, the insulator 580, the insulator 574, the insulator 581, the insulator 582, and the insulator 586 include the conductor 546 and the conductor 548. Is embedded.

導電体546、及び導電体548は、容量素子600、トランジスタ500、又はトランジスタ300と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体546、及び導電体548は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 546 and the conductor 548 have a function as a plug or wiring for connecting to the capacitive element 600, the transistor 500, or the transistor 300. The conductor 546 and the conductor 548 can be provided by using the same materials as the conductor 328 and the conductor 330.

続いて、トランジスタ500の上方には、容量素子600が設けられている。容量素子600は、導電体610と、導電体620、絶縁体630とを有する。 Subsequently, a capacitive element 600 is provided above the transistor 500. The capacitive element 600 has a conductor 610, a conductor 620, and an insulator 630.

また、導電体546、及び導電体548上に、導電体612を設けてもよい。導電体612は、トランジスタ500と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体610は、容量素子600の電極としての機能を有する。なお、導電体612、及び導電体610は、同時に形成することができる。 Further, the conductor 612 may be provided on the conductor 546 and the conductor 548. The conductor 612 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 500. The conductor 610 has a function as an electrode of the capacitive element 600. The conductor 612 and the conductor 610 can be formed at the same time.

導電体612、及び導電体610には、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、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、又は上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。又は、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適用することもできる。 The conductor 612 and the conductor 610 include a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing the above-mentioned elements as components. (Tantal nitride film, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) and the like can be used. Alternatively, indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, and silicon oxide are added. It is also possible to apply a conductive material such as indium zinc oxide.

図12では、導電体612、及び導電体610は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、及び導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。 In FIG. 12, the conductor 612 and the conductor 610 have a single-layer structure, but the structure is not limited to this, and a laminated structure of two or more layers may be used. For example, a conductor having a barrier property and a conductor having a high adhesion to the conductor having a high conductivity may be formed between the conductor having the barrier property and the conductor having a high conductivity.

絶縁体630を介して、導電体610と重畳するように、導電体620を設ける。なお、導電体620は、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。 The conductor 620 is provided so as to be superimposed on the conductor 610 via the insulator 630. As the conductor 620, a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. When it is formed at the same time as other structures such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which are low resistance metal materials, may be used.

導電体620、及び絶縁体630上には、絶縁体640が設けられている。絶縁体640は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体640は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 An insulator 640 is provided on the conductor 620 and the insulator 630. The insulator 640 can be provided by using the same material as the insulator 320. Further, the insulator 640 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 640.

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化又は高集積化を図ることができる。 By using this structure, it is possible to achieve miniaturization or high integration in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor.

(実施の形態3)
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。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an IC chip, an electronic component, an electronic device, and the like will be described as an example of a semiconductor device.

<電子部品の作製方法例>
図15(A)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。
<Example of manufacturing method of electronic parts>
FIG. 15A is a flowchart showing an example of a method for manufacturing an electronic component. Electronic components are also referred to as semiconductor packages or IC packages. This electronic component has a plurality of standards and names depending on the terminal take-out direction and the shape of the terminal. Therefore, in the present embodiment, an example thereof will be described.

トランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程(後工程)を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。後工程については、図15(A)に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成(ステップST71)した後、基板の裏面を研削する。この段階で基板を薄膜化して、前工程での基板の反り等を低減し、部品の小型化を図る。次に、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う(ステップST72)。 A semiconductor device composed of transistors is completed by combining a plurality of removable parts on a printed circuit board through an assembly process (post-process). The post-process can be completed by going through each process shown in FIG. 15 (A). Specifically, after the element substrate obtained in the previous step is completed (step ST71), the back surface of the substrate is ground. At this stage, the substrate is thinned to reduce the warpage of the substrate in the previous process and to reduce the size of the parts. Next, a dicing step of separating the substrate into a plurality of chips is performed (step ST72).

図15(B)は、ダイシング工程が行われる前の半導体ウエハ7100の上面図である。図15(C)は、図15(B)の部分拡大図である。半導体ウエハ7100には、複数の回路領域7102が設けられている。回路領域7102には、本発明の形態に係る半導体装置が設けられている。 FIG. 15B is a top view of the semiconductor wafer 7100 before the dicing step is performed. 15 (C) is a partially enlarged view of FIG. 15 (B). The semiconductor wafer 7100 is provided with a plurality of circuit regions 7102. A semiconductor device according to the embodiment of the present invention is provided in the circuit region 7102.

複数の回路領域7102は、それぞれが分離領域7104に囲まれている。分離領域7104と重なる位置に分離線(「ダイシングライン」ともいう。)7106が設定される。ダイシング工程ST72では、分離線7106に沿って半導体ウエハ7100切断することで、回路領域7102を含むチップ7110を半導体ウエハ7100から切り出す。図15(D)にチップ7110の拡大図を示す。 Each of the plurality of circuit areas 7102 is surrounded by a separation area 7104. A separation line (also referred to as a “dicing line”) 7106 is set at a position overlapping the separation region 7104. In the dicing step ST72, the semiconductor wafer 7100 is cut along the separation line 7106 to cut out the chip 7110 including the circuit region 7102 from the semiconductor wafer 7100. FIG. 15 (D) shows an enlarged view of the chip 7110.

分離領域7104に導電層や半導体層を設けてもよい。分離領域7104に導電層や半導体層を設けることで、ダイシング工程時に生じうるESDを緩和し、ダイシング工程に起因する歩留まりの低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に供給しながら行なう。分離領域7104に導電層や半導体層を設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。 A conductive layer or a semiconductor layer may be provided in the separation region 7104. By providing the conductive layer or the semiconductor layer in the separation region 7104, ESD that may occur during the dicing step can be alleviated, and the decrease in yield due to the dicing step can be prevented. Further, in general, the dicing step is performed while supplying pure water having a reduced specific resistance by dissolving carbon dioxide gas or the like to the cutting portion for the purpose of cooling the substrate, removing shavings, preventing static electricity, and the like. By providing a conductive layer or a semiconductor layer in the separation region 7104, the amount of pure water used can be reduced. Therefore, the production cost of the semiconductor device can be reduced. In addition, the productivity of semiconductor devices can be increased.

ステップST72を行った後、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う(ステップST73)。ダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着方法は製品に適した方法を選択すればよい。例えば、接着は樹脂やテープによって行えばよい。ダイボンディング工程は、インターポーザ上にチップを搭載し接合してもよい。ワイヤーボンディング工程で、リードフレームのリードとチップ上の電極とを金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する(ステップST74)。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。ワイヤーボンディングは、ボールボンディングとウェッジボンディングの何れでもよい。 After performing step ST72, a die bonding step is performed in which the separated chips are individually picked up, mounted on a lead frame, and bonded (step ST73). As the bonding method between the chip and the lead frame in the die bonding process, a method suitable for the product may be selected. For example, adhesion may be performed by resin or tape. In the die bonding step, the chip may be mounted on the interposer and bonded. In the wire bonding step, the lead of the lead frame and the electrode on the chip are electrically connected by a thin metal wire (wire) (step ST74). A silver wire or a gold wire can be used as the thin metal wire. The wire bonding may be either ball bonding or wedge bonding.

ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される(ステップST75)。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力による内蔵される回路部やワイヤーに対するダメージを低減することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。リードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する(ステップST76)。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。パッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す(ステップST77)。検査工程(ステップST78)を経て、電子部品が完成する(ステップST79)。 The wire-bonded chips are subjected to a molding process in which they are sealed with an epoxy resin or the like (step ST75). By performing the molding process, the inside of the electronic component is filled with resin, damage to the built-in circuit part and wire due to mechanical external force can be reduced, and deterioration of characteristics due to moisture and dust can be reduced. can. The leads of the lead frame are plated. Then, the lead is cut and molded (step ST76). The plating process prevents rust on the leads, and soldering can be performed more reliably when mounting on a printed circuit board later. A printing process (marking) is applied to the surface of the package (step ST77). The electronic component is completed through the inspection step (step ST78) (step ST79).

完成した電子部品の斜視模式図を図15(E)に示す。図15(E)では、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図15(E)に示すように、電子部品7000は、リード7001及びチップ7110を有する。 A schematic perspective view of the completed electronic component is shown in FIG. 15 (E). FIG. 15E shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. As shown in FIG. 15E, the electronic component 7000 has a lead 7001 and a chip 7110.

電子部品7000は、例えばプリント基板7002に実装される。このような電子部品7000が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板7002上で電気的に接続されることで電子機器に搭載することができる。完成した回路基板7004は、電子機器等の内部に設けられる。 The electronic component 7000 is mounted on, for example, the printed circuit board 7002. A plurality of such electronic components 7000 are combined and electrically connected to each other on the printed circuit board 7002 so that they can be mounted on an electronic device. The completed circuit board 7004 is provided inside an electronic device or the like.

電子部品7000は、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス(通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器)、ASICのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス(生物情報科学)、機械装置のエミュレータ、および電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器の電子部品(ICチップ)に適用することが可能である。このような電子機器としては、カメラ(ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等)、表示装置、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯型情報端末(スマートフォン、タブレット型情報端末など)、電子書籍端末、ウエアラブル型情報端末(時計型、ヘッドマウント型、ゴーグル型、眼鏡型、腕章型、ブレスレット型、ネックレス型等)、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、家庭用電化製品などが挙げられる。 Electronic components 7000 include digital signal processing, software radio, avionics (electronic equipment related to aviation such as communication equipment, navigation systems, automatic control devices, flight management systems, etc.), ASIC prototyping, medical image processing, voice recognition, encryption, etc. It can be applied to electronic components (IC chips) of electronic devices in a wide range of fields such as bioinformatics (biological information science), emulators of mechanical devices, and radio telescopes in radio astronomy. Such electronic devices include cameras (video cameras, digital still cameras, etc.), display devices, personal computers (PCs), mobile phones, game machines including portable devices, portable information terminals (smartphones, tablet information terminals, etc.). ), Electronic book terminals, wearable information terminals (clock type, head mount type, goggles type, glasses type, arm badge type, bracelet type, necklace type, etc.), navigation system, sound reproduction device (car audio, digital audio player, etc.) , Copiers, facsimiles, printers, multifunction printers, automatic cash deposit / payment machines (ATMs), vending machines, household appliances, etc.

<電子機器への適用例>
次いで、コンピュータ、携帯情報端末(携帯電話、携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む)、電子ペーパー、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、デジタルビデオカメラなどの電子機器に、上述の電子部品を適用する場合について説明する。
<Example of application to electronic devices>
Next, for electronic devices such as computers, mobile information terminals (including mobile phones, portable game machines, sound reproduction devices, etc.), electronic papers, television devices (also referred to as televisions or television receivers), and digital video cameras. , The case where the above-mentioned electronic component is applied will be described.

図16(A)は、携帯型の情報端末であり、筐体901、筐体902、第1の表示部903a、第2の表示部903bなどによって構成されている。筐体901と筐体902の少なくとも一部には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。 FIG. 16A is a portable information terminal, which is composed of a housing 901, a housing 902, a first display unit 903a, a second display unit 903b, and the like. At least a part of the housing 901 and the housing 902 is provided with the semiconductor device shown in the previous embodiment.

なお、第1の表示部903aはタッチ入力機能を有するパネルとなっており、例えば図16(A)の左図のように、第1の表示部903aに表示される選択ボタン904により「タッチ入力」を行うか、「キーボード入力」を行うかを選択できる。選択ボタンは様々な大きさで表示できるため、幅広い世代の人が使いやすさを実感できる。ここで、例えば「キーボード入力」を選択した場合、図16(A)の右図のように第1の表示部903aにはキーボード905が表示される。これにより、従来の情報端末と同様に、キー入力による素早い文字入力などが可能となる。 The first display unit 903a is a panel having a touch input function. For example, as shown in the left figure of FIG. 16A, the selection button 904 displayed on the first display unit 903a "touch input". You can select whether to perform "keyboard input". Since the selection button can be displayed in various sizes, people of all ages can experience the ease of use. Here, for example, when "keyboard input" is selected, the keyboard 905 is displayed on the first display unit 903a as shown in the right figure of FIG. 16A. This makes it possible to quickly input characters by key input, as in the case of conventional information terminals.

また、図16(A)に示す携帯型の情報端末は、図16(A)の右図のように、第1の表示部903a及び第2の表示部903bのうち、一方を取り外すことができる。第2の表示部903bもタッチ入力機能を有するパネルとし、持ち運びの際、さらなる軽量化を図ることができ、一方の手で筐体902を持ち、他方の手で操作することができるため便利である。 Further, in the portable information terminal shown in FIG. 16A, one of the first display unit 903a and the second display unit 903b can be removed as shown in the right figure of FIG. 16A. .. The second display unit 903b is also a panel having a touch input function, which makes it possible to further reduce the weight when carrying it, and it is convenient because the housing 902 can be held by one hand and operated by the other hand. be.

図16(A)に示す携帯型の情報端末は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。 The portable information terminal shown in FIG. 16A has a function of displaying various information (still images, moving images, text images, etc.), a function of displaying a calendar, a date, a time, etc. on the display unit, and a function of displaying the information on the display unit. It can have a function of manipulating or editing the information, a function of controlling processing by various software (programs), and the like. Further, the back surface or the side surface of the housing may be provided with an external connection terminal (earphone terminal, USB terminal, etc.), a recording medium insertion portion, or the like.

また、図16(A)に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。 Further, the portable information terminal shown in FIG. 16A may be configured to be able to transmit and receive information wirelessly. It is also possible to purchase and download desired book data or the like from an electronic book server wirelessly.

更に、図16(A)に示す筐体902にアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話として用いてもよい。 Further, the housing 902 shown in FIG. 16A may be provided with an antenna, a microphone function, and a wireless function, and may be used as a mobile phone.

図16(B)は、電子ペーパーを実装した電子書籍端末910であり、筐体911と筐体912の2つの筐体で構成されている。筐体911及び筐体912には、それぞれ表示部913及び表示部914が設けられている。筐体911と筐体912は、軸部915により接続されており、該軸部915を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体911は、電源916、操作キー917、スピーカー918などを備えている。筐体911、筐体912の少なくとも一には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。 FIG. 16B is an electronic book terminal 910 on which electronic paper is mounted, and is composed of two housings, a housing 911 and a housing 912. The housing 911 and the housing 912 are provided with a display unit 913 and a display unit 914, respectively. The housing 911 and the housing 912 are connected by a shaft portion 915, and the opening / closing operation can be performed with the shaft portion 915 as an axis. Further, the housing 911 includes a power supply 916, an operation key 917, a speaker 918, and the like. At least one of the housing 911 and the housing 912 is provided with the semiconductor device shown in the previous embodiment.

図16(C)は、テレビジョン装置であり、筐体921、表示部922、スタンド923などで構成されている。テレビジョン装置920の操作は、筐体921が備えるスイッチや、リモコン操作機924により行うことができる。筐体921及びリモコン操作機924には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。 FIG. 16C is a television device, which is composed of a housing 921, a display unit 922, a stand 923, and the like. The operation of the television device 920 can be performed by the switch provided in the housing 921 or the remote controller operating device 924. The housing 921 and the remote controller operating device 924 are provided with the semiconductor device shown in the previous embodiment.

図16(D)は、スマートフォンであり、本体930には、表示部931と、スピーカー932と、マイク933と、操作ボタン934等が設けられている。本体930内には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。 FIG. 16D shows a smartphone, and the main body 930 is provided with a display unit 931, a speaker 932, a microphone 933, an operation button 934, and the like. The semiconductor device shown in the previous embodiment is provided in the main body 930.

図16(E)は、デジタルカメラであり、本体941、表示部942、操作スイッチ943などによって構成されている。本体941内には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。 FIG. 16E is a digital camera, which is composed of a main body 941, a display unit 942, an operation switch 943, and the like. The semiconductor device shown in the previous embodiment is provided in the main body 941.

以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が設けられている。 As described above, the electronic device shown in the present embodiment is provided with the semiconductor device according to the previous embodiment.

(本明細書等の記載に関する付記)
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
(Additional notes regarding the description of this specification, etc.)
The above-described embodiments and explanations of the respective configurations in the embodiments will be described below.

各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。 The configuration shown in each embodiment can be appropriately combined with the configuration shown in other embodiments to form one aspect of the present invention. Further, when a plurality of configuration examples are shown in one embodiment, the configuration examples can be appropriately combined.

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)、及び/又は、一つ若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、又は置き換えなどを行うことが出来る。 In addition, the content described in one embodiment (may be a part of the content) is another content (may be a part of the content) described in the embodiment, and / or one or more. It is possible to apply, combine, or replace the contents described in another embodiment (some contents may be used).

なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。 In addition, the content described in the embodiment is the content described by using various figures or the content described by using the text described in the specification in each embodiment.

なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。 It should be noted that the figure (which may be a part) described in one embodiment is another part of the figure, another figure (which may be a part) described in the embodiment, and / or one or more. By combining the figures (which may be a part) described in another embodiment of the above, more figures can be formed.

また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 Further, in the present specification and the like, in the block diagram, the components are classified by function and shown as blocks independent of each other. However, in an actual circuit or the like, it is difficult to separate the components for each function, and there may be a case where a plurality of functions are involved in one circuit or a case where one function is involved in a plurality of circuits. Therefore, the blocks in the block diagram are not limited to the components described in the specification, and can be appropriately paraphrased according to the situation.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。 Further, in the drawings, the size, the thickness of the layer, or the area are shown in any size for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. It should be noted that the drawings are schematically shown for the sake of clarity, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, it is possible to include variations in the signal, voltage, or current due to noise, or variations in the signal, voltage, or current due to timing deviation.

本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、「ソース又はドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)という表記を用いる。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In the present specification and the like, when explaining the connection relationship of transistors, "one of the source or drain" (or the first electrode or the first terminal) and the other of the source and drain are "the other of the source or drain" (or the other). The notation (second electrode or second terminal) is used. This is because the source and drain of the transistor change depending on the structure of the transistor, operating conditions, and the like. The names of the source and drain of the transistor can be appropriately paraphrased according to the situation, such as the source (drain) terminal and the source (drain) electrode.

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。 Further, in the present specification and the like, the terms "electrode" and "wiring" do not functionally limit these components. For example, an "electrode" may be used as part of a "wiring" and vice versa. Further, the terms "electrode" and "wiring" include the case where a plurality of "electrodes" and "wiring" are integrally formed.

また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電圧(接地電圧)とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも0Vを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。 Further, in the present specification and the like, the voltage and the potential can be paraphrased as appropriate. The voltage is a potential difference from a reference potential. For example, if the reference potential is a ground voltage (ground voltage), the voltage can be paraphrased as a potential. The ground potential does not always mean 0V. The potential is relative, and the potential given to the wiring or the like may be changed depending on the reference potential.

なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 In the present specification and the like, terms such as "membrane" and "layer" can be interchanged with each other in some cases or depending on the situation. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive film". Alternatively, for example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer".

本明細書等において、スイッチとは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。 In the present specification and the like, the switch means a switch that is in a conductive state (on state) or a non-conducting state (off state) and has a function of controlling whether or not a current flows. Alternatively, the switch means a switch having a function of selecting and switching a path through which a current flows.

本明細書等において、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲートとが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとの間の距離をいう。 In the present specification and the like, the channel length means, for example, in the top view of a transistor, a region or a channel where a semiconductor (or a part where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate overlap is formed. The distance between the source and the drain in the area.

本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。 In the present specification and the like, the channel width is a source in, for example, a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in a semiconductor when a transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed. The length of the part where the drain and the drain face each other.

本明細書等において、AとBとが接続されている、とは、AとBとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。 In the present specification and the like, the fact that A and B are connected includes those in which A and B are directly connected and those in which A and B are electrically connected. Here, the fact that A and B are electrically connected means that an electric signal can be exchanged between A and B when an object having some kind of electrical action exists between A and B. It means what is said.

10 半導体装置
11 メモリセルアレイ
12 周辺回路
13 電圧保持回路
14 電圧生成回路
17_1 バッファ回路
17_2 バッファ回路
18_1 容量素子
18_2 容量素子
10 Semiconductor device 11 Memory cell array 12 Peripheral circuit 13 Voltage holding circuit 14 Voltage generation circuit 17_1 Buffer circuit 17_1 Buffer circuit 18_1 Capacitive element 18_2 Capacitive element

Claims (7)

メモリセルと、駆動回路と、電圧保持回路と、バッファ回路と、容量素子と、を有し、
前記メモリセルは、第1のトランジスタを有し、
前記第1のトランジスタは、第1の半導体層と、第1のゲート電極と、第1のバックゲート電極とを有し、
前記第1のゲート電極は、第1の配線に電気的に接続され、
前記第1のバックゲート電極は、第2の配線に電気的に接続され、
前記駆動回路は、前記第1のトランジスタの導通状態を制御する信号を前記第1の配線に与える機能を有し、
前記電圧保持回路は、前記第1のトランジスタのしきい値電圧を制御する電圧を前記第2の配線に与える機能を有し、
前記電圧保持回路は、前記第1のトランジスタの導通状態を制御する信号を前記第1の配線に与える期間において、前記第2の配線を電気的に浮遊状態とする機能を有し、
前記バッファ回路の入力端子は、前記第1の配線に電気的に接続され、
前記バッファ回路の出力端子は、前記容量素子の一方の電極に電気的に接続され、
前記容量素子の他方の電極は、前記第2の配線に電気的に接続される、半導体装置。
It has a memory cell, a drive circuit, a voltage holding circuit, a buffer circuit, and a capacitive element.
The memory cell has a first transistor and
The first transistor has a first semiconductor layer, a first gate electrode, and a first back gate electrode.
The first gate electrode is electrically connected to the first wiring.
The first backgate electrode is electrically connected to the second wiring.
The drive circuit has a function of giving a signal for controlling the conduction state of the first transistor to the first wiring.
The voltage holding circuit has a function of applying a voltage for controlling the threshold voltage of the first transistor to the second wiring.
The voltage holding circuit has a function of electrically suspending the second wiring during a period in which a signal for controlling the conduction state of the first transistor is given to the first wiring.
The input terminal of the buffer circuit is electrically connected to the first wiring.
The output terminal of the buffer circuit is electrically connected to one of the electrodes of the capacitive element.
A semiconductor device in which the other electrode of the capacitive element is electrically connected to the second wiring.
メモリセルと、駆動回路と、電圧保持回路と、バッファ回路と、容量素子と、を有し、
前記メモリセルは、第1のトランジスタを有し、
前記第1のトランジスタは、第1の半導体層と、第1のゲート電極と、第1のバックゲート電極とを有し、
前記第1のゲート電極は、第1の配線に電気的に接続され、
前記第1のバックゲート電極は、第2の配線に電気的に接続され、
前記駆動回路は、前記第1のトランジスタの導通状態を制御する信号を前記第1の配線に与える機能を有し、
前記電圧保持回路は、前記第1のトランジスタのしきい値電圧を制御する電圧を前記第2の配線に与える機能を有し、
前記電圧保持回路は、第2のトランジスタを有し、
前記第2のトランジスタは、第2の半導体層と、第2のゲート電極とを有し、
前記第2のゲート電極は、前記第2のトランジスタのソース又はドレインの一方に電気的に接続され、
前記バッファ回路の入力端子は、前記第1の配線に電気的に接続され、
前記バッファ回路の出力端子は、前記容量素子の一方の電極に電気的に接続され、
前記容量素子の他方の電極は、前記第2の配線に電気的に接続される、半導体装置。
It has a memory cell, a drive circuit, a voltage holding circuit, a buffer circuit, and a capacitive element.
The memory cell has a first transistor and
The first transistor has a first semiconductor layer, a first gate electrode, and a first back gate electrode.
The first gate electrode is electrically connected to the first wiring.
The first backgate electrode is electrically connected to the second wiring.
The drive circuit has a function of giving a signal for controlling the conduction state of the first transistor to the first wiring.
The voltage holding circuit has a function of applying a voltage for controlling the threshold voltage of the first transistor to the second wiring.
The voltage holding circuit has a second transistor and has a second transistor.
The second transistor has a second semiconductor layer and a second gate electrode.
The second gate electrode is electrically connected to one of the source or drain of the second transistor.
The input terminal of the buffer circuit is electrically connected to the first wiring.
The output terminal of the buffer circuit is electrically connected to one of the electrodes of the capacitive element.
A semiconductor device in which the other electrode of the capacitive element is electrically connected to the second wiring.
請求項2において、
前記第2の半導体層は、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。
In claim 2,
The second semiconductor layer is a semiconductor device characterized by having an oxide semiconductor.
請求項2または3において、
前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタは、nチャネル型のトランジスタであり、
前記第2のトランジスタの閾値電圧は、前記第1のゲート電極と前記第1のバックゲート電極とを同電位とした時の前記第1のトランジスタの閾値電圧よりも大きい、半導体装置。
In claim 2 or 3,
The first transistor and the second transistor are n-channel type transistors, and are
A semiconductor device in which the threshold voltage of the second transistor is larger than the threshold voltage of the first transistor when the first gate electrode and the first back gate electrode have the same potential.
請求項1乃至4のいずれか一において、
前記バッファ回路は、前記入力端子の電圧を昇圧して前記出力端子に出力可能な機能を有する、半導体装置。
In any one of claims 1 to 4,
The buffer circuit is a semiconductor device having a function of boosting the voltage of the input terminal and outputting the voltage to the output terminal.
請求項1乃至5のいずれか一に記載の半導体装置と、
アンテナ、バッテリ、操作スイッチ、マイク、または、スピーカーのうち少なくとも一つと、
を有する、電子機器。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5.
With at least one of the antenna, battery, operation switch, microphone, or speaker,
Have an electronic device.
請求項1乃至5のいずれか一に記載の半導体装置を複数有し、
分離領域を有する、半導体ウエハ。
Having a plurality of semiconductor devices according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor wafer having a separation region.
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