JP7160834B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明の一態様である半導体装置は、温度センサ及び電圧補正回路を有する。半導体装置は、記憶装置等に含まれるトランジスタと電気的に接続し、温度に応じた電圧をトランジスタのバックゲートに印加する機能を有する。温度によらずトランジスタのカットオフ電流が概略同じになる様にバックゲート電圧を制御することで、広い温度範囲で高い動作周波数を有する記憶装置等とすることができる。
図1は、本発明の一態様である半導体装置100の構成例を示す回路図である。半導体装置100は、電圧生成回路11と、電圧保持回路12と、補正回路20を有する。電圧生成回路11は電圧保持回路12に電気的に接続され、電圧保持回路12は補正回路20と電気的に接続されている。なお、補正回路20と電圧保持回路12との結節点をノードNDと呼称する。電圧保持回路12と補正回路20は、ノードNDを介して出力端子VOUTと電気的に接続される。
電圧生成回路11の回路構成例を図2(A)及び図2(B)に示す。これらの回路図は降圧型のチャージポンプであり、入力端子INにGNDが入力され、出力端子OUTからVBG0が出力される。ここでは、一例として、チャージポンプ回路の基本回路の段数は4段としているが、これに限定されず任意の段数でチャージポンプ回路を構成してもよい。
電圧保持回路12は、トランジスタM11を有する(図1参照)。トランジスタM11は第1ゲートおよび第2ゲートを有する。第1ゲート及び第2ゲートは半導体層を間に介して互いに重なる領域を有することが好ましい。なお、以降の説明において、トランジスタM11はnチャネル型トランジスタとして説明を行う。
補正回路20は、温度を測定し、得られた温度情報に応じてトランジスタM10の第2ゲートに印加される電圧を制御する機能を有する。補正回路20は、温度が異なる場合においても、トランジスタM10のオフ電流が概略等しくなるように第2ゲートに印加される電圧を制御する。
本実施の形態では、実施の形態1に記載の半導体装置100を用いた記憶装置について説明する。
図8は、記憶装置の構成例を示すブロック図である。記憶装置300は、周辺回路311、セルアレイ401、および半導体装置100を有する。周辺回路311は、ローデコーダ321、ワード線ドライバ回路322、ビット線ドライバ回路330、出力回路340、コントロールロジック回路360を有する。
図9にセルアレイ401の詳細を記載する。セルアレイ401は、一列にm(mは1以上の整数である。)個、一行にn(nは1以上の整数である。)個、計m×n個のメモリセル411を有し、メモリセル411は行列状に配置されている。図9では、メモリセル411のアドレスも併せて表記しており、[1,1]、[m,1]、[i,j]、[1,n]、[m,n](iは、1以上m以下の整数であり、jは、1以上n以下の整数である。)のアドレスに位置しているメモリセル411を図示している。なお、セルアレイ401とワード線ドライバ回路322とを接続している配線の数は、メモリセル411の構成、一列中に含まれるメモリセル411の数などによって決まる。また、セルアレイ401とビット線ドライバ回路330とを接続している配線の数は、メモリセル411の構成、一行中に含まれるメモリセル411の数などによって決まる。
図10に、上述のメモリセル411に適用できるメモリセル411A乃至メモリセル411Eの構成例を示す。
図10(A)に、DRAM型のメモリセル411Aの回路構成例を示す。本明細書等において、OSトランジスタを用いたDRAMを、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ。メモリセル411Aは、トランジスタM11と、容量素子CAと、を有する。
図10(B)に、2つのトランジスタと1つの容量素子を有するゲインセル型(「2Tr1C型」ともいう。)のメモリセル411Bの回路構成例を示す。メモリセル411Bは、トランジスタM11と、トランジスタM3と、容量素子CBと、を有する。
図10(E)に、OSトランジスタを用いたSRAM(Static Random Access Memory)型のメモリセル411Eの回路構成例を示す。本明細書等において、OSトランジスタを用いたSRAMを、oxSRAMと呼ぶ。なお、図10(E)に示すメモリセル411Eは、バックアップ可能なSRAM型のメモリセルである。
本実施の形態では、記憶装置の断面構成例について図面を用いて説明する。
図11に、記憶装置300の一部の断面を示す。図11に示す記憶装置300は、基板231上に、層310および層320を積層している。図11では、基板231として単結晶半導体基板(例えば、単結晶シリコン基板)を用いる場合を示している。
図11において、層310は、基板231上にトランジスタ233a、トランジスタ233b、およびトランジスタ233cを有する。図11では、トランジスタ233a、トランジスタ233b、およびトランジスタ233cのチャネル長方向の断面を示している。
層320は、層310上に設けられる。層320は、トランジスタ368a、トランジスタ368b、容量素子369a、および容量素子369bを有する。図11では、トランジスタ368aおよびトランジスタ368bのチャネル長方向の断面を示している。なお、トランジスタ368a、およびトランジスタ368bは、バックゲートを有するトランジスタである。
図12に記憶装置300Aの一部の断面を示す。記憶装置300Aは記憶装置300の変形例である。記憶装置300Aは、層310Aおよび層320を有する。記憶装置300Aでは、基板231として絶縁性基板(例えば、ガラス基板)を用いる。
〔基板〕
基板として用いる材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。また、SOI基板や、半導体基板上に歪トランジスタやFIN型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。または、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。すなわち、基板は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。
絶縁層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
電極を形成するための導電性材料としては、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、インジウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
半導体層として、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
金属酸化物の一種である酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud-Aligned Composite)-OSの構成について説明する。
金属酸化物の一種である酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a-like OS:amorphous-like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
絶縁層を形成するための絶縁性材料、電極を形成するための導電性材料、または半導体層を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、スピンコート法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法、高密度プラズマCVD(High density plasma CVD)法、LPCVD(low pressure CVD)法、APCVD(atmospheric pressure CVD)法等を含む)、ALD(Atomic Layer Deposition)法、または、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、または、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ディップ法、スプレー塗布法、液滴吐出法(インクジェット法など)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷など)を用いて形成することができる。
本実施の形態では、上記実施の形態に示した半導体装置などに用いることができるトランジスタの構造例について説明する。
図13(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ500Aの構造例を説明する。図13(A)はトランジスタ500Aの上面図である。図13(B)は、図13(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図13(C)は、図13(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図13(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図14(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ500Bの構造例を説明する。図14(A)はトランジスタ500Bの上面図である。図14(B)は、図14(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図14(C)は、図14(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図14(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図15(A)、図15(B)及び図15(C)を用いてトランジスタ500Cの構造例を説明する。図15(A)はトランジスタ500Cの上面図である。図15(B)はトランジスタ500Cのチャネル長方向の断面図であり、図15(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図15(C)はトランジスタ500Cのチャネル幅方向の断面図であり、図15(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図15(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、図15に示すトランジスタ500Cにおいて、図13に示すトランジスタ500Aと同機能を有する構造には、同符号を付記し、詳細については、図13に示すトランジスタ500Aに係る記載を参酌することができる。
図16(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ500Dの構造例を説明する。図16(A)はトランジスタ500Dの上面図である。図16(B)は、図16(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図16(C)は、図16(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図16(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図17(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ500Eの構造例を説明する。図17(A)はトランジスタ500Eの上面図である。図17(B)は、図17(A)に一点鎖線で示すL1-L2部位の断面図である。図17(C)は、図17(A)に一点鎖線で示すW1-W2部位の断面図である。なお、図17(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本実施の形態は、上記実施の形態に示す記憶装置などが組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
まず、記憶装置300が組み込まれた電子部品の例を、図18(A)、(B)を用いて説明を行う。
次に、上記電子部品を備えた電子機器の例について図19を用いて説明を行う。
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器(例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ(ビデオカメラも含む)、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど)の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード(例えば、SDカード)、USBメモリ、SSD(ソリッド・ステート・ドライブ)等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図20にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
当該トランジスタは、図17に示すトランジスタ500Eと同様のトレンチゲート構造を有する自己整合型のトランジスタである。また、トップゲート(フロントゲート)側のゲート絶縁層の厚さをEOT(Equivalent Oxide Thickness)換算で6nmとした。また、バックゲート側のゲート絶縁層の厚さをEOT換算で31nmとした。
CAAC-IGZO FETは、CMOSなどの半導体製造プロセスのBEOL(Back End Of Line)工程で作製できる。よって、Siトランジスタ(Siトランジスタのうち、電界効果型のSiトランジスタを「Si FET」ともいう。)との積層が可能である。例えば、CMOSプロセスで高速動作が必要な回路を作製し、低リーク電流が求められる回路をCAAC-IGZOプロセスで作製するといった応用が可能である。
Claims (7)
- トランジスタと、補正回路と、電圧生成回路と、電圧保持回路と、を有し、
前記トランジスタは、第1ゲートおよび第2ゲートを有し、
前記第1ゲートおよび前記第2ゲートは、半導体層を間に介して互いに重なる領域を有し、
前記補正回路は、温度センサと、電圧制御回路と、バッファ回路と、容量素子と、を有し、
前記温度センサの出力は、前記電圧制御回路の入力と電気的に接続され、
前記電圧制御回路の出力は、前記バッファ回路の入力と電気的に接続され、
前記バッファ回路の出力は、前記容量素子の第1の端子と電気的に接続され、
前記容量素子の第2の端子は、前記第2ゲートと電気的に接続され、
前記電圧生成回路の出力は、前記電圧保持回路の入力と電気的に接続され、
前記電圧保持回路の出力は、前記第2ゲートと電気的に接続され、
前記電圧保持回路は、前記電圧生成回路が生成した電圧を前記第2ゲートに印加し保持する機能を有し、
前記温度センサは、温度情報を取得し、前記温度情報を前記電圧制御回路に出力する機能を有し、
前記電圧制御回路は、前記温度情報を制御電圧に変換する機能を有し、
前記補正回路は、前記制御電圧を前記第2ゲートに印加する半導体装置。 - 請求項1において、
前記電圧制御回路は、変換式をもとに前記温度情報を前記制御電圧に変換する半導体装置。 - 請求項1又は請求項2において、
前記電圧制御回路は、マイコンまたはアンプを有する半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記半導体層は金属酸化物を有する半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記電圧保持回路は、前記第2ゲートに負電圧を印加する半導体装置。 - 請求項5において、
前記電圧保持回路は、前記負電圧を保持する半導体装置。 - 請求項5又は請求項6において、
前記電圧保持回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタを有する半導体装置。
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