JP6942612B2 - Storage devices, semiconductor wafers, electronic devices - Google Patents

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Description

本発明の一形態は、半導体装置、特に記憶装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, particularly a storage device.

また、本発明の一形態は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明の一形態は、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。本発明の一形態は、半導体装置の駆動方法、または、その作製方法に関する。 Further, one embodiment of the present invention relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition of matter. One embodiment of the present invention relates to a method for driving a semiconductor device or a method for manufacturing the same.

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、電気光学装置、蓄電装置、半導体回路及び電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 In the present specification and the like, the semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing the semiconductor characteristics. Display devices, electro-optical devices, power storage devices, semiconductor circuits and electronic devices may include semiconductor devices.

半導体記憶装置として、SRAM(Static Random Access Memory)、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、フラッシュメモリなどが広く使われている。 As the semiconductor storage device, SRAM (Static Random Access Memory), DRAM (Dynamic Random Access Memory), flash memory and the like are widely used.

SRAMは、書き込み速度及び読み出し速度が早い。しかし、メモリセルを構成するトランジスタの数が多いためメモリセル密度の向上、すなわち、高集積化が困難である。また、静的な消費電力によりデータ保持に要する消費電力が高い。さらに、揮発性記憶装置のため、頻繁に電源電圧の供給を停止して必要な時だけ動作する、所謂ノーマリオフコンピューティングの記憶装置として利用することは困難である。 SRAM has a high write speed and read speed. However, since the number of transistors constituting the memory cell is large, it is difficult to improve the memory cell density, that is, to achieve high integration. In addition, the static power consumption requires high power consumption for data retention. Further, since it is a volatile storage device, it is difficult to use it as a storage device for so-called normal off-computing, in which the supply of power supply voltage is frequently stopped and the storage device operates only when necessary.

DRAMは、書き込み速度及び読み出し速度が早い。また、メモリセルを構成するトランジスタ数が少ないためメモリセル密度の向上、すなわち、高集積化が可能である。しかし、データ保持にリフレッシュ動作が必要で、消費電力が高い。また、揮発性記憶装置のため、ノーマリオフコンピューティングの記憶装置として利用することは困難である。 DRAM has a high write speed and read speed. Further, since the number of transistors constituting the memory cell is small, it is possible to improve the memory cell density, that is, to achieve high integration. However, a refresh operation is required for data retention, and power consumption is high. Moreover, since it is a volatile storage device, it is difficult to use it as a storage device for normal off-computing.

フラッシュメモリは、メモリセルを構成するトランジスタ数が少ないためメモリセル密度の向上、すなわち高集積化が可能である。また、積層構造、所謂3D化により、さらなる高集積化が可能である。さらに、不揮発性記憶装置であるため、データ保持に要する消費電力が低い。しかし、書き込み速度及び読み出し速度が遅い。また、書き込み時に高電圧を必要とするため消費電力が高い。したがって、低消費電力での頻繁なデータ書き込みが困難なため、ノーマリオフコンピューティングの記憶装置として利用することは困難である。 Since the number of transistors constituting the memory cell is small in the flash memory, the memory cell density can be improved, that is, the memory cell can be highly integrated. In addition, a laminated structure, so-called 3D, enables further high integration. Further, since it is a non-volatile storage device, the power consumption required for data retention is low. However, the writing speed and the reading speed are slow. In addition, power consumption is high because a high voltage is required for writing. Therefore, it is difficult to use it as a storage device for normal off-computing because it is difficult to write data frequently with low power consumption.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタが注目されている(特許文献1)。酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流が非常に小さい。そのことを利用して、特許文献2には酸化物半導体トランジスタを用いた不揮発性メモリが開示されている。これらの不揮発性メモリは、データの書き換え可能回数に制限がなく、さらにデータを書き換えるときの消費電力も少ない。 Further, a transistor using an oxide semiconductor has attracted attention (Patent Document 1). Transistors using oxide semiconductors have a very small off-current. Taking advantage of this, Patent Document 2 discloses a non-volatile memory using an oxide semiconductor transistor. These non-volatile memories have no limit on the number of times data can be rewritten, and consume less power when rewriting data.

特開2007−123861号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-123861 特開2011−151383号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-151383

記憶装置において、メモリセルの密度を大きくする場合、多数のメモリセルをマトリクス状に配置する構成が有効である。この場合、各行ごとに設けられた信号線に接続された全てのメモリセルに対して、データの書き込み(または読み出し)を同時に行う必要がある。各行の全てメモリセルのデータを同時に書き込む(または読み出す)には、大量のビット数の信号を供給する必要がある。特に、メモリセルを積層構造とすることによって多値化する場合に、大量のビット数の信号が供給される。これら大量のビット数の信号を同時に書き込むことは極めて困難である。 When increasing the density of memory cells in a storage device, it is effective to arrange a large number of memory cells in a matrix. In this case, it is necessary to write (or read) data to all the memory cells connected to the signal line provided for each row at the same time. In order to write (or read) the data of all the memory cells in each row at the same time, it is necessary to supply a signal with a large number of bits. In particular, when the number of values is increased by forming the memory cells in a stacked structure, a signal having a large number of bits is supplied. It is extremely difficult to write signals having a large number of bits at the same time.

本発明の一形態は、多値のデータを効率よく書き込むことができる記憶装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一形態は、高集積化されたメモリセルを有する記憶装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一形態は、積層されたメモリセルを有する記憶装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一形態は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。 One of the problems of one embodiment of the present invention is to provide a storage device capable of efficiently writing multi-valued data. Another object of the present invention is to provide a storage device having a highly integrated memory cell. Another object of the present invention is to provide a storage device having stacked memory cells. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device.

なお、本発明の一形態は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一つの課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から自ずと明らかになるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 It should be noted that one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of the above problems, but may solve at least one problem. Moreover, the description of the above-mentioned problem does not prevent the existence of other problem. Issues other than these are naturally clarified from the description of the specification, claims, drawings, etc., and it is possible to extract issues other than these from the description of the specification, claims, drawings, etc. It is possible.

本発明の一形態は、メモリセルと、第1回路と、第1乃至第4信号線と、第1電源線と、を有する記憶装置である。メモリセルは、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第1容量素子と、を有する。第1回路は、第3トランジスタと、第4トランジスタと、第2容量素子と、第2電源線と、を有する。第1トランジスタのソースまたはドレインの一方は第1信号線に電気的に接続される。第1トランジスタのソースまたはドレインの他方は第2トランジスタのゲートに電気的に接続される。第1トランジスタのゲートは第2信号線に電気的に接続される。第1トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有する。第2トランジスタのソースまたはドレインの一方は第1トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。第2トランジスタのソースまたはドレインの他方は第1電源線に電気的に接続される。第1容量素子の第1端子は第2トランジスタのゲートに電気的に接続される。第1容量素子の第2端子は第3信号線に電気的に接続される。第3トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1信号線に電気的に接続される。第3トランジスタのソースまたはドレインの他方は第4トランジスタのゲートに電気的に接続される。第3トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有する。第3トランジスタのゲートは、第4信号線に電気的に接続される。第4トランジスタのソースまたはドレインの一方は第3トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。第4トランジスタのソースまたはドレインの他方は第2電源線に電気的に接続される。第2容量素子の第1端子は第4トランジスタのゲートに電気的に接続される。第2容量素子の第2端子は第2電源線に電気的に接続される。 One embodiment of the present invention is a storage device including a memory cell, a first circuit, first to fourth signal lines, and a first power supply line. The memory cell includes a first transistor, a second transistor, and a first capacitance element. The first circuit includes a third transistor, a fourth transistor, a second capacitance element, and a second power supply line. One of the source and drain of the first transistor is electrically connected to the first signal line. The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the gate of the second transistor. The gate of the first transistor is electrically connected to the second signal line. The first transistor has a metal oxide in the channel forming region. One of the source or drain of the second transistor is electrically connected to one of the source or drain of the first transistor. The other of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the first power line. The first terminal of the first capacitive element is electrically connected to the gate of the second transistor. The second terminal of the first capacitance element is electrically connected to the third signal line. One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the first signal line. The other of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the gate of the fourth transistor. The third transistor has a metal oxide in the channel forming region. The gate of the third transistor is electrically connected to the fourth signal line. One of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to one of the source or drain of the third transistor. The other of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to the second power line. The first terminal of the second capacitance element is electrically connected to the gate of the fourth transistor. The second terminal of the second capacitance element is electrically connected to the second power supply line.

上記形態において、第1回路は、メモリセルが格納する第1アナログデータを、第2アナログデータとして格納する機能を有する。 In the above embodiment, the first circuit has a function of storing the first analog data stored in the memory cell as the second analog data.

上記形態において、記憶装置は、D/Aコンバータと、第5トランジスタと、第5信号線と、を有することが好ましい。D/Aコンバータの出力端子は、第5トランジスタのゲートに電気的に接続される。第5トランジスタに流れるドレイン電流は、第5信号線に流れる。第5信号線は、第1信号線に電気的に接続される。 In the above embodiment, the storage device preferably includes a D / A converter, a fifth transistor, and a fifth signal line. The output terminal of the D / A converter is electrically connected to the gate of the fifth transistor. The drain current flowing through the fifth transistor flows through the fifth signal line. The fifth signal line is electrically connected to the first signal line.

上記形態において、第5トランジスタに流れるドレイン電流は、カレントミラー回路を介して、第5信号線に流れることが好ましい。 In the above embodiment, the drain current flowing through the fifth transistor preferably flows through the fifth signal line via the current mirror circuit.

上記形態において、記憶装置は、A/Dコンバータと、第6トランジスタと、第6信号線と、第3電源線と、を有することが好ましい。第6トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第6信号線に電気的に接続される。第6トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3電源線に電気的に接続される。A/Dコンバータの入力端子は、第6信号線に電気的に接続される。第6信号線は第1信号線に電気的に接続される。 In the above embodiment, the storage device preferably includes an A / D converter, a sixth transistor, a sixth signal line, and a third power supply line. One of the source or drain of the sixth transistor is electrically connected to the sixth signal line. The other of the source or drain of the sixth transistor is electrically connected to the third power line. The input terminal of the A / D converter is electrically connected to the sixth signal line. The sixth signal line is electrically connected to the first signal line.

上記形態において、A/Dコンバータは、直列に接続された複数の抵抗素子と、複数の抵抗素子の1つに接続された複数のコンパレータを有する。 In the above embodiment, the A / D converter has a plurality of resistance elements connected in series and a plurality of comparators connected to one of the plurality of resistance elements.

本発明の一形態は、メモリセルと、第1回路と、第2回路と、第1乃至第4信号線と、第1電源線と、を有する記憶装置である。メモリセルは、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第1容量素子と、を有する。第1回路は、第3トランジスタと、第4トランジスタと、第2容量素子と、第2電源線と、を有する。第1トランジスタのソースまたはドレインの一方は第1信号線に電気的に接続される。第1トランジスタのソースまたはドレインの他方は第2トランジスタのゲートに電気的に接続される。第1トランジスタのゲートは第2信号線に電気的に接続される。第1トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有する。第2トランジスタのソースまたはドレインの一方は第1トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。第2トランジスタのソースまたはドレインの他方は第1電源線に電気的に接続される。第1容量素子の第1端子は第2トランジスタのゲートに電気的に接続される。第1容量素子の第2端子は第3信号線に電気的に接続される。第3トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1信号線に電気的に接続される。第3トランジスタのソースまたはドレインの他方は第4トランジスタのゲートに電気的に接続される。第3トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有する。第3トランジスタのゲートは、第4信号線に電気的に接続される。第4トランジスタのソースまたはドレインの一方は第3トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。第4トランジスタのソースまたはドレインの他方は第2電源線に電気的に接続される。第2容量素子の第1端子は第4トランジスタのゲートに電気的に接続される。第2容量素子の第2端子は第2電源線に電気的に接続される。第1回路は、メモリセルが格納する第1アナログデータを、第2アナログデータとして格納する機能を有する。第2回路は、A/Dコンバータと、第5信号線と、を有する。第5信号線は第1信号線と電気的に接続される。A/Dコンバータは、第5信号線の第3アナログデータをデジタルデータに変換する機能を有する。A/Dコンバータは、コンパレータと、カウンタを有する。 One embodiment of the present invention is a storage device having a memory cell, a first circuit, a second circuit, first to fourth signal lines, and a first power supply line. The memory cell includes a first transistor, a second transistor, and a first capacitance element. The first circuit includes a third transistor, a fourth transistor, a second capacitance element, and a second power supply line. One of the source and drain of the first transistor is electrically connected to the first signal line. The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the gate of the second transistor. The gate of the first transistor is electrically connected to the second signal line. The first transistor has a metal oxide in the channel forming region. One of the source or drain of the second transistor is electrically connected to one of the source or drain of the first transistor. The other of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the first power line. The first terminal of the first capacitive element is electrically connected to the gate of the second transistor. The second terminal of the first capacitance element is electrically connected to the third signal line. One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the first signal line. The other of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the gate of the fourth transistor. The third transistor has a metal oxide in the channel forming region. The gate of the third transistor is electrically connected to the fourth signal line. One of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to one of the source or drain of the third transistor. The other of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to the second power line. The first terminal of the second capacitance element is electrically connected to the gate of the fourth transistor. The second terminal of the second capacitance element is electrically connected to the second power supply line. The first circuit has a function of storing the first analog data stored in the memory cell as the second analog data. The second circuit includes an A / D converter and a fifth signal line. The fifth signal line is electrically connected to the first signal line. The A / D converter has a function of converting the third analog data of the fifth signal line into digital data. The A / D converter has a comparator and a counter.

本発明の一形態は、メモリセルと、第1回路と、第2回路と、第1乃至第4信号線と、第1電源線と、を有する記憶装置である。メモリセルは、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第1容量素子と、を有する。第1回路は、第3トランジスタと、第4トランジスタと、第2容量素子と、第2電源線と、を有する。第1トランジスタのソースまたはドレインの一方は第1信号線に電気的に接続される。第1トランジスタのソースまたはドレインの他方は第2トランジスタのゲートに電気的に接続される。第1トランジスタのゲートは第2信号線に電気的に接続される。第1トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有する。第2トランジスタのソースまたはドレインの一方は第1トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。第2トランジスタのソースまたはドレインの他方は第1電源線に電気的に接続される。第1容量素子の第1端子は第2トランジスタのゲートに電気的に接続される。第1容量素子の第2端子は第3信号線に電気的に接続される。第3トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1信号線に電気的に接続される。第3トランジスタのソースまたはドレインの他方は第4トランジスタのゲートに電気的に接続される。第3トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有する。第3トランジスタのゲートは、第4信号線に電気的に接続される。第4トランジスタのソースまたはドレインの一方は第3トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。第4トランジスタのソースまたはドレインの他方は第2電源線に電気的に接続される。第2容量素子の第1端子は第4トランジスタのゲートに電気的に接続される。第2容量素子の第2端子は第2電源線に電気的に接続される。第1回路は、メモリセルが格納する第1アナログデータを、第2アナログデータとして格納する機能を有する。第2回路は、A/Dコンバータと、第5信号線と、を有する。第5信号線は第1信号線と電気的に接続される。A/Dコンバータは、第5信号線の第3アナログデータをデジタルデータに変換する機能を有する。A/Dコンバータは、コンパレータと、逐次変換レジスタと、D/Aコンバータと、を有する。 One embodiment of the present invention is a storage device having a memory cell, a first circuit, a second circuit, first to fourth signal lines, and a first power supply line. The memory cell includes a first transistor, a second transistor, and a first capacitance element. The first circuit includes a third transistor, a fourth transistor, a second capacitance element, and a second power supply line. One of the source and drain of the first transistor is electrically connected to the first signal line. The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the gate of the second transistor. The gate of the first transistor is electrically connected to the second signal line. The first transistor has a metal oxide in the channel forming region. One of the source or drain of the second transistor is electrically connected to one of the source or drain of the first transistor. The other of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the first power line. The first terminal of the first capacitive element is electrically connected to the gate of the second transistor. The second terminal of the first capacitance element is electrically connected to the third signal line. One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the first signal line. The other of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the gate of the fourth transistor. The third transistor has a metal oxide in the channel forming region. The gate of the third transistor is electrically connected to the fourth signal line. One of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to one of the source or drain of the third transistor. The other of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to the second power line. The first terminal of the second capacitance element is electrically connected to the gate of the fourth transistor. The second terminal of the second capacitance element is electrically connected to the second power supply line. The first circuit has a function of storing the first analog data stored in the memory cell as the second analog data. The second circuit includes an A / D converter and a fifth signal line. The fifth signal line is electrically connected to the first signal line. The A / D converter has a function of converting the third analog data of the fifth signal line into digital data. The A / D converter includes a comparator, a sequential conversion register, and a D / A converter.

本発明の一形態は、メモリセルと、第1回路と、第1乃至第4信号線と、第1電源線と、第2電源線と、を有する記憶装置である。メモリセルは、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第1容量素子と、を有する。第1回路は、第3トランジスタと、第4トランジスタと、第2容量素子と、を有する。第1トランジスタのソースまたはドレインの一方は第1信号線に電気的に接続される。第1トランジスタのソースまたはドレインの他方は第2トランジスタのゲートに電気的に接続される。第1トランジスタのゲートは第2信号線に電気的に接続される。第1トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有する。第2トランジスタのソースまたはドレインの一方は第1トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、第2トランジスタのソースまたはドレインの他方は第1電源線に電気的に接続される。第2トランジスタは、nチャネル型トランジスタである。第1容量素子の第1端子は第2トランジスタのゲートに電気的に接続され、第1容量素子の第2端子は第3信号線に電気的に接続される。第3トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1信号線に電気的に接続され、第3トランジスタのソースまたはドレインの他方は第4トランジスタのゲートに電気的に接続される。第3トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有する。第3トランジスタのゲートは、第4信号線に電気的に接続される。第4トランジスタのソースまたはドレインの一方は第3トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、第4トランジスタのソースまたはドレインの他方は第2電源線に電気的に接続される。第2容量素子の第1端子は第4トランジスタのゲートに電気的に接続され、第2容量素子の第2端子は第2電源線に電気的に接続される。第4トランジスタはnチャネル型トランジスタである。第4トランジスタに流れるドレイン電流は、第1信号線に流れる。 One embodiment of the present invention is a storage device having a memory cell, a first circuit, first to fourth signal lines, a first power supply line, and a second power supply line. The memory cell includes a first transistor, a second transistor, and a first capacitance element. The first circuit includes a third transistor, a fourth transistor, and a second capacitance element. One of the source and drain of the first transistor is electrically connected to the first signal line. The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the gate of the second transistor. The gate of the first transistor is electrically connected to the second signal line. The first transistor has a metal oxide in the channel forming region. One of the source or drain of the second transistor is electrically connected to one of the source or drain of the first transistor, and the other of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the first power supply line. The second transistor is an n-channel transistor. The first terminal of the first capacitance element is electrically connected to the gate of the second transistor, and the second terminal of the first capacitance element is electrically connected to the third signal line. One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the first signal line, and the other of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the gate of the fourth transistor. The third transistor has a metal oxide in the channel forming region. The gate of the third transistor is electrically connected to the fourth signal line. One of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to one of the source or drain of the third transistor, and the other of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to the second power supply line. The first terminal of the second capacitance element is electrically connected to the gate of the fourth transistor, and the second terminal of the second capacitance element is electrically connected to the second power supply line. The fourth transistor is an n-channel transistor. The drain current flowing through the fourth transistor flows through the first signal line.

上記形態において、第1回路はカレントミラー回路を有することが好ましい。第4トランジスタに流れるドレイン電流は、カレントミラー回路を介して、第1信号線に流れる。 In the above embodiment, the first circuit preferably has a current mirror circuit. The drain current flowing through the fourth transistor flows through the current mirror circuit to the first signal line.

上記形態において、第1回路は、メモリセルが格納する第1アナログデータを、第2アナログデータとして格納することができる。 In the above embodiment, the first circuit can store the first analog data stored in the memory cell as the second analog data.

上記形態に記載の記憶装置は、D/Aコンバータと、第5トランジスタと、第5信号線と、を有することが好ましい。D/Aコンバータの出力端子は、第5トランジスタのゲートに電気的に接続される。第5トランジスタに流れるドレイン電流は、第5信号線に流れる。第5信号線は、第1信号線に電気的に接続される。 The storage device according to the above embodiment preferably includes a D / A converter, a fifth transistor, and a fifth signal line. The output terminal of the D / A converter is electrically connected to the gate of the fifth transistor. The drain current flowing through the fifth transistor flows through the fifth signal line. The fifth signal line is electrically connected to the first signal line.

上記形態に記載の記憶装置は、A/Dコンバータと、第6トランジスタと、第6信号線と、第3電源線と、を有することが好ましい。第6トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第6信号線に電気的に接続され、第6トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3電源線に電気的に接続される。A/Dコンバータの入力端子は、第6信号線に電気的に接続され、第6信号線は第1信号線に電気的に接続される。 The storage device according to the above embodiment preferably includes an A / D converter, a sixth transistor, a sixth signal line, and a third power supply line. One of the source or drain of the sixth transistor is electrically connected to the sixth signal line, and the other of the source or drain of the sixth transistor is electrically connected to the third power supply line. The input terminal of the A / D converter is electrically connected to the sixth signal line, and the sixth signal line is electrically connected to the first signal line.

本発明の一形態は、上記形態に記載の記憶装置を複数有し、分離領域を有する半導体ウエハである。 One embodiment of the present invention is a semiconductor wafer having a plurality of storage devices according to the above embodiment and having a separation region.

本発明の一形態は、上記形態に記載の記憶装置と、バッテリと、を有する電子機器である。 One embodiment of the present invention is an electronic device having the storage device and the battery according to the above embodiment.

本発明の一形態により、多値のデータを効率よく書き込むことができる記憶装置を提供することができる。また、本発明の一形態により、高集積化されたメモリセルを有する記憶装置を提供することができる。また、本発明の一形態により、積層されたメモリセルを有する記憶装置を提供することができる。また、本発明の一形態により、新規な半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a storage device capable of efficiently writing multi-valued data. Further, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a storage device having highly integrated memory cells. Further, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a storage device having stacked memory cells. Moreover, according to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device 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、本発明の一形態は、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 form of the present invention does not have to have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally clarified 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.

記憶装置の構成例を示すブロック図。The block diagram which shows the configuration example of the storage device. メモリセルの構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a memory cell. メモリセルの構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a memory cell. 回路20の構成例を示すブロック図および回路図。A block diagram and a circuit diagram showing a configuration example of the circuit 20. A/Dコンバータの構成例を示す回路図。The circuit diagram which shows the structural example of the A / D converter. A/Dコンバータの構成例を示す回路図およびタイミングチャート。A circuit diagram and a timing chart showing a configuration example of an A / D converter. A/Dコンバータの構成例を示す回路図およびタイミングチャート。A circuit diagram and a timing chart showing a configuration example of an A / D converter. 選択回路の構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a selection circuit. 記憶装置の動作例を示すタイミングチャート。A timing chart showing an operation example of the storage device. 記憶装置の構成例を示すブロック図。The block diagram which shows the configuration example of the storage device. 選択回路の構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a selection circuit. 回路RDの構成例を示す回路図。The circuit diagram which shows the structural example of the circuit RD. 記憶装置の動作例を示すタイミングチャート。A timing chart showing an operation example of the storage device. 記憶装置の構成例を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of a storage device. 記憶装置の構成例を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of a storage device. トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。Top view and cross-sectional view showing a configuration example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structural example of a transistor. 金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図。The figure explaining the range of the atomic number ratio of a metal oxide. トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。Top view and cross-sectional view showing a configuration example of a transistor. メモリセルの構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a memory cell. 記憶装置の構成例を示すブロック図。The block diagram which shows the configuration example of the storage device. 半導体ウエハの上面図。Top view of the semiconductor wafer. 電子部品の作製工程例を説明するフローチャートおよび斜視模式図。A flowchart and a schematic perspective view illustrating an example of a manufacturing process of electronic components. 電子機器を示す図。The figure which shows 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形態で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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 the embodiments can be implemented in many different embodiments, and that the embodiments and details can be variously changed without departing from the purpose and scope thereof. .. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the following embodiments.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。 Also, in the drawings, the size, layer thickness, or area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.

なお、本明細書中において、高電源電圧をHレベル(又はVDD)、低電源電圧をLレベル(又はGND)と呼ぶ場合がある。 In the present specification, the high power supply voltage may be referred to as H level (or VDD ), and the low power supply voltage may be referred to as L level (or GND).

また、本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductor、または単にOSともいう。)などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも1つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)、略してOSと呼ぶことができる。また、OSトランジスタ、またはOS FETと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。 Further, in the present specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in a broad expression. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as Oxide Semiconductor, or simply OS) and the like. For example, when a metal oxide is used in the active layer of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, when the metal oxide has at least one of an amplification action, a rectifying action, and a switching action, the metal oxide can be referred to as a metal oxide semiconductor, or OS for short. Further, when it is described as an OS transistor or an OS FET, it can be paraphrased as a transistor having a metal oxide or an oxide semiconductor.

また、本明細書は、以下の実施の形態を適宜組み合わせることが可能である。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、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。 In addition, the present specification can appropriately combine the following embodiments. Further, when a plurality of configuration examples are shown in one embodiment, the configuration examples can be appropriately combined with each other.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一形態である記憶装置について図1乃至図9を用いて説明を行う。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, the storage device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9.

<記憶装置10A>
図1は、記憶装置10Aの構成例を示すブロック図である。記憶装置10Aは、回路20と、選択回路30と、メモリセルアレイ40と、デコーダ50と、デコーダ60と、を有する。
<Storage device 10A>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the storage device 10A. The storage device 10A includes a circuit 20, a selection circuit 30, a memory cell array 40, a decoder 50, and a decoder 60.

記憶装置10Aは、入力端子DINからデータが入力され、出力端子DOUTからデータを出力する機能を有する。 The storage device 10A has a function of inputting data from the input terminal DIN and outputting the data from the output terminal DOUT.

メモリセルアレイ40は、M行、S×L列のマトリクス状に配置されたメモリセルMEMを有する。なお、Mは2以上の整数、Sは2以上の整数、Lは2以上の整数とする。 The memory cell array 40 has memory cell MEMs arranged in a matrix of M rows and S × L columns. In addition, M is an integer of 2 or more, S is an integer of 2 or more, and L is an integer of 2 or more.

メモリセルMEMは不揮発性メモリである。また、メモリセルMEMはNビット(Nは1以上の整数)のデータを格納することができる。例えば、N=2の場合、メモリセルMEMは2ビット(4値=2)のデータを格納することができる。例えば、N=8の場合、メモリセルMEMは8ビット(256値=2)のデータを格納することができる。すなわちメモリセルMEMは、多値データを格納することができる。 The memory cell MEM is a non-volatile memory. Further, the memory cell MEM can store N-bit (N is an integer of 1 or more) data. For example, for N = 2, the memory cell MEM can store data of 2 bits (4 values = 2 2). For example, when N = 8, the memory cell MEM can store 8 -bit (256 value = 28) data. That is, the memory cell MEM can store multi-valued data.

なお、本明細書において、多値データとは、2値より大きいデータのことを指す。 In addition, in this specification, multi-valued data refers to data larger than binary value.

記憶装置10Aは、Sの数だけあるL列毎の組(例えば、第1列乃至第L列、第[(S−1)×L+1]列乃至第S×L列など)の各々における一の列に対応し、且つ、第1行乃至第M行の一の行に対応するメモリセルMEMにデータを書き込み、読み出すことができる。すなわち、S列1行に対応するメモリセルMEMに、同時に、データを書き込み、読み出すことができる。多値データをNビットとすると、記憶装置10Aは、同時にS×Nビットのデータを書き込み、読み出すことができる。つまり、入力端子DIN、出力端子DOUTにおいて、それぞれ、S×Nビットのデータが入力され、出力される。 The storage device 10A is one in each of the sets for each L column having the number of S (for example, the first column to the L column, the [(S-1) × L + 1] column to the S × L column, etc.). Data can be written and read to the memory cell MEM corresponding to the column and corresponding to one row of the first row to the Mth row. That is, data can be written and read from the memory cell MEM corresponding to one row in the S column at the same time. Assuming that the multi-valued data is N bits, the storage device 10A can write and read S × N bit data at the same time. That is, S × N bit data is input and output at the input terminal DIN and the output terminal DOUT, respectively.

なお、上記の値は一例であり、例えば、入力端子DINと出力端子DOUTを異なるビット数の端子とすることもできる。つまり、第1列乃至第L’列〜第[(S’−1)×L’+1]列乃至第S’×L’列のS’組の各々における一の列に対応し、且つ、第1行乃至第M行の一の行に対応するメモリセルMEMにデータを書き込むことができ、第1列乃至第L’’列〜第[(S’’−1)×L’’+1]列乃至第S’’×L’’列のS’’組の各々における一の列に対応し、且つ、第1行乃至第M行の一の行に対応するメモリセルMEMからデータを読み出すことができる。すなわち、S’列1行に対応するメモリセルMEMに、同時に、データを書き込むことができ、S’’列1行に対応するメモリセルMEMから、同時に、データを読み出すことができる。ここで、データをNビットとすると、同時にS’×Nビットのデータを書き込み、S’’×Nビットのデータを読み出すことができる。なお、S’、L’、S’’およびL’’はそれぞれ2以上の整数とする。 The above values are examples. For example, the input terminal DIN and the output terminal DOUT may be terminals having different bit numbers. That is, it corresponds to one column in each of the S'sets of the first column to the L'column to the [(S'-1) x L'+ 1] column to the S'x L'column, and is the first column. Data can be written to the memory cell MEM corresponding to one row of rows 1 to M, and columns 1 to L'' to [(S''-1) × L'' + 1]. To read data from the memory cell MEM corresponding to one column in each of the S'' pairs of columns S'' × L'' and corresponding to one row of the first row to the Mth row. can. That is, data can be written to the memory cell MEM corresponding to one row in the S ″ column at the same time, and data can be read out from the memory cell MEM corresponding to the one row in the S ″ column at the same time. Here, assuming that the data is N bits, S ″ × N bits of data can be written at the same time, and S ″ × N bits of data can be read out. Note that S ″, L ″, S ″ and L ″ are integers of 2 or more, respectively.

デコーダ50は、データが書き込まれるメモリセルMEMを行単位で選択する機能を有する。デコーダ50は、アドレス信号WADRをデコードし、さらに、制御信号WRITEに従って、信号線WW[1]乃至WW[M]の何れかに選択信号を供給する。デコーダ50によって選択された信号線WWに接続されているメモリセルMEMは、信号線BL[1]乃至BL[S×L]から供給されるデータが書き込まれる。 The decoder 50 has a function of selecting a memory cell MEM to which data is written in row units. The decoder 50 decodes the address signal WADR and further supplies a selection signal to any of the signal lines WW [1] to WW [M] according to the control signal WRITE. Data supplied from the signal lines BL [1] to BL [S × L] is written to the memory cell MEM connected to the signal line WW selected by the decoder 50.

デコーダ60は、データが読み出されるメモリセルMEMを行単位で選択する機能を有する。デコーダ60は、アドレス信号RADRをデコードし、さらに、制御信号READに従って、信号線RW[1]乃至RW[M]の何れかに選択信号を供給する。デコーダ60によって選択された信号線RWに接続されているメモリセルMEMは、信号線BL[1]乃至BL[S×L]へデータを供給する。 The decoder 60 has a function of selecting the memory cell MEM from which data is read in row units. The decoder 60 decodes the address signal RADR and further supplies a selection signal to any of the signal lines RW [1] to RW [M] according to the control signal READ. The memory cell MEM connected to the signal line RW selected by the decoder 60 supplies data to the signal lines BL [1] to BL [S × L].

回路20は、入力端子DINから供給されるS×NビットのデジタルデータをS個のNビットのデジタルデータとし、さらに、S個のNビットのデジタルデータからS個のアナログ信号を生成し、それぞれ、信号線WB[1]乃至WB[S]に供給する機能を有する。 The circuit 20 uses S × N-bit digital data supplied from the input terminal DIN as S N-bit digital data, and further generates S analog signals from S N-bit digital data, respectively. , Has a function of supplying signal lines WB [1] to WB [S].

また、回路20は、信号線RB[1]乃至RB[S]から供給されるS個のアナログ信号から、それぞれNビットのデジタルデータを生成し、まとめてS×Nビットのデジタルデータとして、出力端子DOUTから出力する機能を有する。 Further, the circuit 20 generates N-bit digital data from each of the S analog signals supplied from the signal lines RB [1] to RB [S], and collectively outputs them as S × N-bit digital data. It has a function to output from the terminal DOUT.

選択回路30は、メモリセルアレイ40の列を選択する機能を有する。選択回路30に選択されたメモリセルMEMは、データの書き込みおよび読み出し、またはデータの事前読み出しが行われる。 The selection circuit 30 has a function of selecting a row of the memory cell array 40. The memory cell MEM selected by the selection circuit 30 writes and reads data, or reads data in advance.

選択回路30は、信号線WS[1]乃至WS[L]に供給される信号に従って、信号線WB[1]を信号線BL[1]乃至BL[L]の何れか一と電気的に接続し、信号線WB[S]を信号線BL[(S−1)×L+1]乃至BL[S×L]の何れか一と電気的に接続し、電源線VB[1]乃至VB[S×L]を後述する電源線VLと電気的に接続する。 The selection circuit 30 electrically connects the signal line WB [1] to any one of the signal lines BL [1] to BL [L] according to the signal supplied to the signal lines WS [1] to WS [L]. Then, the signal line WB [S] is electrically connected to any one of the signal lines BL [(S-1) × L + 1] to BL [S × L], and the power supply lines VB [1] to VB [S × L] is electrically connected to the power supply line VL described later.

また、選択回路30は信号線RS[1]乃至RS[L]に供給される信号に従って、信号線RB[1]を信号線BL[1]乃至BL[L]の何れか一と電気的に接続し、信号線RB[S]を信号線BL[(S−1)×L+1]乃至BL[S×L]の何れか一と電気的に接続し、電源線VB[1]乃至VB[S×L]を後述する電源線VHと電気的に接続する。 Further, the selection circuit 30 electrically connects the signal line RB [1] with any one of the signal lines BL [1] to BL [L] according to the signal supplied to the signal lines RS [1] to RS [L]. Connect and electrically connect the signal line RB [S] to any one of the signal lines BL [(S-1) × L + 1] to BL [S × L], and connect the power supply lines VB [1] to VB [S]. XL] is electrically connected to the power supply line VH described later.

また、選択回路30は、信号線PRE[1]乃至PRE[L]に供給される信号に従って、信号線BL[1]乃至BL[S×L]を後述する回路RDと電気的に接続し、電源線VB[1]乃至VB[S×L]を後述する電源線VLと電気的に接続する。 Further, the selection circuit 30 electrically connects the signal lines BL [1] to BL [S × L] to the circuit RD described later according to the signals supplied to the signal lines PRE [1] to PRE [L]. The power supply lines VB [1] to VB [S × L] are electrically connected to the power supply line VL described later.

<メモリセルMEM>
図2は、メモリセルアレイ40の構成例を示す回路図である。図2において、メモリセルMEMは、トランジスタTr1と、トランジスタTr2と、容量素子C1を有する。なお、以下において、トランジスタTr1およびトランジスタTr2は、nチャネル型トランジスタとして説明を行う。
<Memory cell MEM>
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the memory cell array 40. In FIG. 2, the memory cell MEM includes a transistor Tr1, a transistor Tr2, and a capacitance element C1. In the following, the transistor Tr1 and the transistor Tr2 will be described as n-channel transistors.

メモリセルMEMにおいて、トランジスタTr1のゲートは信号線WWに電気的に接続され、トランジスタTr1のソースまたはドレインの一方は、信号線BLに電気的に接続され、トランジスタTr1のソースまたはドレインの他方は、トランジスタTr2のゲートに電気的に接続される。トランジスタTr2のソースまたはドレインの一方はトランジスタTr1のソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、トランジスタTr2のソースまたはドレインの他方は電源線VBに電気的に接続される。容量素子C1の第1端子はトランジスタTr2のゲートに電気的に接続され、容量素子C1の第2端子は信号線RWに電気的に接続される。なお、トランジスタTr2のゲートをノードN1と呼称する場合もある。 In the memory cell MEM, the gate of the transistor Tr1 is electrically connected to the signal line WW, one of the source or drain of the transistor Tr1 is electrically connected to the signal line BL, and the other of the source or drain of the transistor Tr1 is. It is electrically connected to the gate of the transistor Tr2. One of the source or drain of the transistor Tr2 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor Tr1, and the other of the source or drain of the transistor Tr2 is electrically connected to the power supply line VB. The first terminal of the capacitive element C1 is electrically connected to the gate of the transistor Tr2, and the second terminal of the capacitive element C1 is electrically connected to the signal line RW. The gate of the transistor Tr2 may be referred to as a node N1.

メモリセルMEMはNビットのデータを格納することができる。具体的に言うと、メモリセルMEMはノードN1にNビットのデータに対応する電位を格納することができる。 The memory cell MEM can store N-bit data. Specifically, the memory cell MEM can store the potential corresponding to the N-bit data in the node N1.

トランジスタTr1およびトランジスタTr2には、OSトランジスタを用いることができる。特に、トランジスタTr1にOSトランジスタを用いることが好ましい。OSトランジスタはオフ電流が小さく好適である。なお、オフ電流が小さいとは、ソースとドレインとの間の電圧を1.8Vとし、チャネル幅1μmあたりの規格化されたオフ電流が、室温において1×10−20A以下、85℃において1×10−18A以下、又は125℃において1×10−16A以下、であることをいう。トランジスタTr1にOSトランジスタを用いることで、メモリセルMEMは、ノードN1に格納されたデータを長期間保持することができる。すなわち、記憶装置10Aを不揮発性メモリとして動作させることができる。 An OS transistor can be used for the transistor Tr1 and the transistor Tr2. In particular, it is preferable to use an OS transistor for the transistor Tr1. The OS transistor has a small off current and is suitable. When the off-current is small, the voltage between the source and the drain is 1.8 V, and the normalized off-current per 1 μm of the channel width is 1 × 10 -20 A or less at room temperature and 1 at 85 ° C. × 10 -18 a or less, or refers to 1 × 10 -16 a or less that is at 125 ° C.. By using the OS transistor for the transistor Tr1, the memory cell MEM can hold the data stored in the node N1 for a long period of time. That is, the storage device 10A can be operated as a non-volatile memory.

また、同一の信号線BLおよび電源線VBを共有するメモリセルMEMを積層する構成が好ましい。また、同一の信号線WWおよび信号線RWを共有するメモリセルMEMを積層する構成が好ましい。例えば、メモリセルMEM[1、1]乃至MEM[1、S×L]を構成するOSトランジスタを第1の層に設け、メモリセルMEM[2、1]乃至MEM[2、S×L]を構成するOSトランジスタを第2の層に設け、メモリセルMEM[M、1]乃至MEM[M、S×L]を構成するOSトランジスタを第Mの層に設ける構成が可能である。 Further, it is preferable to stack memory cells MEM sharing the same signal line BL and power supply line VB. Further, it is preferable to stack memory cells MEM sharing the same signal line WW and signal line RW. For example, the OS transistors constituting the memory cells MEM [1, 1] to MEM [1, S × L] are provided in the first layer, and the memory cells MEM [2, 1] to MEM [2, S × L] are provided. It is possible to provide the OS transistors to be configured in the second layer and to provide the OS transistors constituting the memory cells MEM [M, 1] to MEM [M, S × L] in the third layer.

図3は、信号線BL[1]および電源線VB[1]を共有するメモリセルMEM[1、1]乃至MEM[M、1]を積層させた例である。この場合、トランジスタTr1およびトランジスタTr2は、OSトランジスタを用いて形成している。このようにすることで、高集積化されたメモリセルを有する記憶装置を提供することができる。 FIG. 3 is an example in which memory cells MEM [1, 1] to MEM [M, 1] sharing the signal line BL [1] and the power supply line VB [1] are stacked. In this case, the transistor Tr1 and the transistor Tr2 are formed by using an OS transistor. By doing so, it is possible to provide a storage device having highly integrated memory cells.

再び図2に説明を戻す。信号線WWにHレベルが与えられると、信号線BLから供給されるデータに対応した第1の電位がノードN1に格納される。このとき、信号線RWは高電位とし、電源線VBは低電位とすることが好ましい。また、トランジスタTr2は飽和領域で動作するものとする。 The explanation is returned to FIG. 2 again. When the H level is given to the signal line WW, the first potential corresponding to the data supplied from the signal line BL is stored in the node N1. At this time, it is preferable that the signal line RW has a high potential and the power supply line VB has a low potential. Further, it is assumed that the transistor Tr2 operates in the saturation region.

メモリセルMEMは、信号線WWにLレベルが与えられると、トランジスタTr1がオフ状態になり、ノードN1に格納された第1の電位を保持する。トランジスタTr1はオフ電流が小さいため、ノードN1に格納された第1の電位は、トランジスタTr1がオフ状態の間保持される。 When the L level is given to the signal line WW, the memory cell MEM turns off the transistor Tr1 and holds the first potential stored in the node N1. Since the off current of the transistor Tr1 is small, the first potential stored in the node N1 is held while the transistor Tr1 is in the off state.

信号線RWに高電位が与えられると、トランジスタTr2は、第1の電位に対応した電流を信号線BLに供給する。このとき、トランジスタTr2は飽和領域で動作するものとする。 When a high potential is applied to the signal line RW, the transistor Tr2 supplies a current corresponding to the first potential to the signal line BL. At this time, the transistor Tr2 is assumed to operate in the saturation region.

記憶装置10Aは、信号線BLに流れる電流値を、ノードN1に格納される電位に変換することで、メモリセルMEMに多値データを書き込む。また、記憶装置10Aは、ノードN1に格納された電位を、信号線BLに流れる電流値に変換することで、メモリセルMEMに書き込まれた多値データを読み出すことができる。すなわち、記憶装置10Aは、信号線BLを流れる電流を介して、多値データの書き込みと読み出しを行う。こうすることで、記憶装置10Aは、信号線BLの寄生容量の影響を受けにくくなり、より高精度に多値データの書き込みと読み出しを行うことができる。 The storage device 10A writes multi-valued data to the memory cell MEM by converting the current value flowing through the signal line BL into a potential stored in the node N1. Further, the storage device 10A can read the multi-valued data written in the memory cell MEM by converting the potential stored in the node N1 into the current value flowing in the signal line BL. That is, the storage device 10A writes and reads multi-valued data via the current flowing through the signal line BL. By doing so, the storage device 10A is less likely to be affected by the parasitic capacitance of the signal line BL, and can write and read multi-valued data with higher accuracy.

<回路20>
図4(A)は、回路20の構成例を示すブロック図である。回路20は、回路21[1]乃至21[S]および、回路22[1]乃至22[S]を有する。
<Circuit 20>
FIG. 4A is a block diagram showing a configuration example of the circuit 20. The circuit 20 has circuits 21 [1] to 21 [S] and circuits 22 [1] to 22 [S].

入力端子DINから入力されたS×Nビットのデジタルデータは、Nビットごとに分割され、それぞれ回路21[1]乃至21[S]へ分配される。回路21[1]乃至21[S]は、受け取ったNビットのデジタルデータをアナログデータに変換し、それぞれ信号線WB[1]乃至WB[S]に出力する機能を有する。 The S × N bit digital data input from the input terminal DIN is divided into N bits and distributed to the circuits 21 [1] to 21 [S], respectively. The circuits 21 [1] to 21 [S] have a function of converting the received N-bit digital data into analog data and outputting the received N-bit digital data to the signal lines WB [1] to WB [S], respectively.

回路22[1]乃至22[S]は、それぞれ信号線RB[1]乃至RB[S]から入力されたアナログデータを、Nビットのデジタルデータに変換し出力する機能を有する。回路22[1]乃至22[S]は合計でS×Nビットのデジタルデータを生成し、出力端子DOUTへ出力する機能を有する。 The circuits 22 [1] to 22 [S] have a function of converting analog data input from the signal lines RB [1] to RB [S] into N-bit digital data and outputting the analog data. The circuits 22 [1] to 22 [S] have a function of generating digital data of S × N bits in total and outputting the digital data to the output terminal DOUT.

なお、本明細書において、アナログデータとは、2値(「1」と「0」、または「High」と「Low」)で表すことのできないデータのことを言う。なお、4値や8値などの多値データをアナログデータと言う場合がある。 In the present specification, analog data refers to data that cannot be represented by two values (“1” and “0”, or “High” and “Low”). Multi-valued data such as 4-value and 8-value may be referred to as analog data.

図4(B)は回路21の具体的な回路構成例を示し、図4(C)は回路22の具体的な回路構成例を示している。 FIG. 4B shows a specific circuit configuration example of the circuit 21, and FIG. 4C shows a specific circuit configuration example of the circuit 22.

なお、本明細書中において、電源線VHは高電位が与えられる電源線を表し、電源線VLは低電位が与えられる電源線を表している。 In the present specification, the power supply line VH represents a power supply line to which a high potential is given, and the power supply line VL represents a power supply line to which a low potential is given.

回路21は、トランジスタTr3乃至トランジスタTr5と、D/Aコンバータ23を有する。ここで、トランジスタTr3乃至トランジスタTr5は飽和領域で動作するものとする。D/Aコンバータ23は、抵抗方式、容量方式など公知の構成が適用可能である。 The circuit 21 includes transistors Tr3 to Tr5 and a D / A converter 23. Here, it is assumed that the transistors Tr3 to Tr5 operate in the saturation region. Known configurations such as a resistance method and a capacitance method can be applied to the D / A converter 23.

D/Aコンバータ23は、入力端子DINから供給されるS×Nビットのデータのうち、Nビットのデジタルデータをアナログデータに変換し、これをトランジスタTr3のゲート電位として出力する。トランジスタTr3は当該ゲート電位に対応したドレイン電流をトランジスタTr4に供給する。トランジスタTr4とトランジスタTr5はカレントミラー回路を構成しているため、トランジスタTr4に流れる電流は信号線WBに供給される。すなわち、回路21は、入力端子DINから供給されるNビットのデジタルデータに対応した電流を、信号線WBに供給する機能を有する。 The D / A converter 23 converts N-bit digital data among the S × N-bit data supplied from the input terminal DIN into analog data, and outputs this as the gate potential of the transistor Tr3. The transistor Tr3 supplies the drain current corresponding to the gate potential to the transistor Tr4. Since the transistor Tr4 and the transistor Tr5 form a current mirror circuit, the current flowing through the transistor Tr4 is supplied to the signal line WB. That is, the circuit 21 has a function of supplying a current corresponding to N-bit digital data supplied from the input terminal DIN to the signal line WB.

回路22は、トランジスタTr6、A/Dコンバータ24を有する。トランジスタTr6は信号線RBIASから供給されるバイアス電圧により、定電流源として機能する。A/Dコンバータ24は、信号線RBの電位(アナログデータ)を、Nビットのデジタルデータとして、出力端子DOUTへ出力する機能を有する。 The circuit 22 includes a transistor Tr6 and an A / D converter 24. The transistor Tr6 functions as a constant current source by the bias voltage supplied from the signal line RBIAS. The A / D converter 24 has a function of outputting the potential (analog data) of the signal line RB to the output terminal DOUT as N-bit digital data.

<A/Dコンバータ24>
次にA/Dコンバータ24の具体的な回路構成例(A/Dコンバータ24a、24b、24c)について、図5乃至図7を用いて説明を行う。
<A / D converter 24>
Next, specific circuit configuration examples (A / D converters 24a, 24b, 24c) of the A / D converter 24 will be described with reference to FIGS. 5 to 7.

[A/Dコンバータ24a]
図5に示すA/Dコンバータ24aは、抵抗素子25[1]乃至25[2]と、コンパレータ26[1]乃至26[2−1]と、エンコーダ27を有する。
[A / D converter 24a]
The A / D converter 24a shown in FIG. 5 includes resistance elements 25 [1] to 25 [2 N ], comparators 26 [1] to 26 [2 N -1], and an encoder 27.

抵抗素子25[1]乃至25[2]は、電源線ADHと電源線ADLの間の電圧を抵抗分割して2−1個の基準電位を生成する。なお、電源線ADHには高電位が与えられ、電源線ADLには低電位が与えられる。 The resistance elements 25 [1] to 25 [2 N ] divide the voltage between the power supply line ADH and the power supply line ADL into resistors to generate 2 N- 1 reference potentials. A high potential is given to the power supply line ADH, and a low potential is given to the power supply line ADL.

コンパレータ26の一方の入力端子に先述の基準電位の一が供給され、他方の入力端子に信号線RBの電位(アナログデータ)が供給される。当該電位の方が基準電位より高い場合、コンパレータ26の出力はHレベルとなり、その他の場合、コンパレータ26の出力はLレベルとなる。 One of the above-mentioned reference potentials is supplied to one input terminal of the comparator 26, and the potential (analog data) of the signal line RB is supplied to the other input terminal. When the potential is higher than the reference potential, the output of the comparator 26 is H level, and in other cases, the output of the comparator 26 is L level.

エンコーダ27は、コンパレータ26[1]乃至26[2−1]の出力をエンコードすることで、出力端子DOUTからNビットのデータを出力する。 The encoder 27 encodes the outputs of the comparators 26 [1] to 26 [2 N -1] to output N-bit data from the output terminal DOUT.

A/Dコンバータ24aは、処理速度が速く、高速にA/D変換を行うことができる。 The A / D converter 24a has a high processing speed and can perform A / D conversion at high speed.

また、A/Dコンバータ24aは、Nビット以下の多値データを扱うこともできる。その結果、記憶装置10Aは、1ビットからNビットまで、可変的に多値データを扱うことができる。 Further, the A / D converter 24a can also handle multi-valued data of N bits or less. As a result, the storage device 10A can variably handle multi-valued data from 1 bit to N bits.

[A/Dコンバータ24b]
図6(A)に示すA/Dコンバータ24bは、コンパレータ80、ラッチ81と、AND回路82と、カウンタ83から構成される。A/Dコンバータ24bは、シングルスロープ型のA/Dコンバータである。また、ラッチ81とAND回路82はクロックゲーティング回路であり、カウンタ83の動作を安定させる機能を有する。
[A / D converter 24b]
The A / D converter 24b shown in FIG. 6A includes a comparator 80, a latch 81, an AND circuit 82, and a counter 83. The A / D converter 24b is a single slope type A / D converter. Further, the latch 81 and the AND circuit 82 are clock gating circuits and have a function of stabilizing the operation of the counter 83.

以下、図6(B)に示すタイミングチャートを用いて、A/Dコンバータ24bの動作例について説明を行う。なお、コンパレータ80の一方の入力端子に信号RAMP、他方の入力端子に信号線RBのアナログ電位を供給する。 Hereinafter, an operation example of the A / D converter 24b will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 6 (B). The signal RAMP is supplied to one input terminal of the comparator 80, and the analog potential of the signal line RB is supplied to the other input terminal.

時刻T31乃至時刻T40において、信号RAMPとして供給する電位を次第に大きくしながら、信号CLK(クロック信号)を入力する。カウンタ83は、入力される信号GCLK(ゲートクロック信号)のパルスの数を計数する。なお、時刻T31において、信号RST(リセット信号)をHレベルとすることで、出力端子DOUTはLレベルを出力する。 At time T31 to time T40, the signal CLK (clock signal) is input while gradually increasing the potential supplied as the signal RAMP. The counter 83 counts the number of pulses of the input signal GCLK (gate clock signal). By setting the signal RST (reset signal) to H level at time T31, the output terminal DOUT outputs L level.

時刻T31乃至時刻T36において、信号RAMPの電位より信号線RBの電位の方が高い。したがって、コンパレータ80が出力する信号CMPはHレベルで、カウンタ83の計数値は、信号GCLK(または信号CLK)のパルスが立ち上がるタイミングで1つずつ増加していく。出力端子DOUTにはカウンタ83の計数値(デジタルデータ)が出力される。 At time T31 to time T36, the potential of the signal line RB is higher than the potential of the signal RAMP. Therefore, the signal CMP output by the comparator 80 is at the H level, and the count value of the counter 83 increases one by one at the timing when the pulse of the signal GCLK (or signal CLK) rises. The count value (digital data) of the counter 83 is output to the output terminal DOUT.

時刻T36乃至時刻T37において、信号RAMPの電位が信号線RBの電位を上回る。したがって、信号CMPはLレベルとなる。 At time T36 to time T37, the potential of the signal RAMP exceeds the potential of the signal line RB. Therefore, the signal CMP becomes L level.

時刻T37以降、ラッチ81とAND回路82で構成したクロックゲーティング回路により、信号GCLKは停止する。したがって、カウンタ83の計数値は増加しない。出力端子DOUTには、時刻T37以前の計数値が出力される。 After time T37, the signal GCLK is stopped by the clock gating circuit composed of the latch 81 and the AND circuit 82. Therefore, the count value of the counter 83 does not increase. The count value before the time T37 is output to the output terminal DOUT.

時刻T40以降、それまでのカウンタ83の計数値を、A/D変換の結果とすることで、A/Dコンバータ24bは、Nビットのデジタルデータを出力することができる。 After the time T40, the A / D converter 24b can output N-bit digital data by using the count value of the counter 83 up to that point as the result of the A / D conversion.

A/Dコンバータ24bは、A/Dコンバータ24aのようなフラッシュ型のA/Dコンバータに比べて回路規模を小さくすることができる。また、扱う多値データのビット数が大きくなっても、回路規模を一定に保つことができる。メモリセルMEMの集積度が高くなると、回路22[1]乃至22[S]に割りあてられる面積は小さくなる。A/Dコンバータ24bは、メモリセルMEMの集積度が高くても、回路22[1]乃至22[S]に含めることができる。 The circuit scale of the A / D converter 24b can be reduced as compared with a flash type A / D converter such as the A / D converter 24a. Further, even if the number of bits of the multi-valued data to be handled becomes large, the circuit scale can be kept constant. As the degree of integration of the memory cell MEM increases, the area allocated to the circuits 22 [1] to 22 [S] decreases. The A / D converter 24b can be included in the circuits 22 [1] to 22 [S] even if the memory cell MEM has a high degree of integration.

また、A/Dコンバータ24bは、図6(B)における信号RAMPの電位増加率を調整することで、扱う多値データのビット数を変更することができる。例えば、扱う多値データのビット数が大きい場合は、長時間かけて信号RAMPの電位を増加させればよい。例えば、扱う多値データのビット数が小さい場合は、短時間で信号RAMPの電位を増加させればよい。その結果、記憶装置10Aは、扱う多値データのビット数を任意に選択することができる。 Further, the A / D converter 24b can change the number of bits of the multi-valued data to be handled by adjusting the potential increase rate of the signal RAMP in FIG. 6B. For example, when the number of bits of the multi-valued data to be handled is large, the potential of the signal RAMP may be increased over a long period of time. For example, when the number of bits of the multi-valued data to be handled is small, the potential of the signal RAMP may be increased in a short time. As a result, the storage device 10A can arbitrarily select the number of bits of the multi-valued data to be handled.

[A/Dコンバータ24c]
図7(A)に示すA/Dコンバータ24cは、コンパレータ71、SAR(逐次変換レジスタ)72、D/Aコンバータ73から構成される。SAR72はN個のレジスタ74[N:1]を有し、各レジスタ74の出力端子は、ビットごとに、出力端子DOUT[N:1]に対応する。
[A / D converter 24c]
The A / D converter 24c shown in FIG. 7A is composed of a comparator 71, a SAR (sequential conversion register) 72, and a D / A converter 73. The SAR 72 has N registers 74 [N: 1], and the output terminal of each register 74 corresponds to the output terminal DOUT [N: 1] bit by bit.

レジスタ74[N:1]は、リセット信号である信号RSTがHレベルのときにリセットされる(レジスタ74の出力QがLレベルとなる)。また、レジスタ74[N:1]は、セット信号である信号SET[N:1]がHレベルのときにセットされる(レジスタ74[N:1]の出力QがHレベルとなる)。また、レジスタ74[N:1]は、クロック信号である信号CLK[N:1]のパルスが立ち上がるときに入力Dの値が格納され出力Qとなる。 The register 74 [N: 1] is reset when the signal RST, which is a reset signal, is at the H level (the output Q of the register 74 becomes the L level). Further, the register 74 [N: 1] is set when the signal SET [N: 1], which is a set signal, is at the H level (the output Q of the register 74 [N: 1] becomes the H level). Further, the register 74 [N: 1] stores the value of the input D when the pulse of the signal CLK [N: 1], which is a clock signal, rises, and becomes the output Q.

レジスタ74[N:1]から出力された信号は、D/Aコンバータ73で信号DACOUT(アナログ電位)となり、コンパレータ71の一方の入力端子に入力される。また、コンパレータ71の他方の入力端子には信号線RBの電位が入力される。コンパレータ71の出力端子は、レジスタ74[N:1]の入力端子となる。 The signal output from the register 74 [N: 1] becomes a signal DACOUT (analog potential) in the D / A converter 73, and is input to one input terminal of the comparator 71. Further, the potential of the signal line RB is input to the other input terminal of the comparator 71. The output terminal of the comparator 71 is an input terminal of the register 74 [N: 1].

なお、信号SET[N]をレジスタ74[N]のセット信号、及び、レジスタ74[N−1]乃至74[1]のリセット信号として共通化する構成が可能である。また、信号SET[N−1]を、レジスタ74[N−1]のセット信号、及び、レジスタ74[N]のクロック信号として共通化する構成が可能である。以下、同様に、信号SET[1]を、レジスタ74[1]のセット信号、及び、レジスタ74[2]のクロック信号として共通化する構成が可能である。 The signal SET [N] can be shared as a set signal of the register 74 [N] and a reset signal of the registers 74 [N-1] to 74 [1]. Further, the signal SET [N-1] can be shared as a set signal of the register 74 [N-1] and a clock signal of the register 74 [N]. Hereinafter, similarly, the signal SET [1] can be shared as a set signal of the register 74 [1] and a clock signal of the register 74 [2].

以下、図7(B)に示すタイミングチャートを用いて、A/Dコンバータ24cの動作例を説明する。 Hereinafter, an operation example of the A / D converter 24c will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 7 (B).

時刻T31において、信号RSTをHレベルとして、レジスタ74[N:1]をリセットする。このとき、SAR72の出力はデータ“000...00”となる。 At time T31, the signal RST is set to H level and the register 74 [N: 1] is reset. At this time, the output of the SAR 72 becomes the data "000 ... 00".

時刻T32において、信号SET[N]をHレベルとする。このとき、レジスタ74[N]はセットされ、SAR72の出力はデータ“100...00”となる。また、信号DACOUTの電位は、データ“100...00”に対応した第1電位となる。コンパレータ71で第1電位と信号線RBの電位を比較する。ここでは、信号線RBの電位の方が第1電位より高いものとする。すなわち、コンパレータ71から出力される信号CMPがHレベルとなる。 At time T32, the signal SET [N] is set to H level. At this time, the register 74 [N] is set, and the output of the SAR 72 becomes the data “100 ... 00”. Further, the potential of the signal DACOUT becomes the first potential corresponding to the data "100 ... 00". The comparator 71 compares the first potential with the potential of the signal line RB. Here, it is assumed that the potential of the signal line RB is higher than the first potential. That is, the signal CMP output from the comparator 71 becomes the H level.

時刻T33において、信号CLK[N]、信号SET[N−1]をHレベルとする。このとき、レジスタ74[N]は信号CMPのHレベルを格納し、レジスタ74[N−1]はセットされ、SAR72の出力はデータ“110...00”となる。また、信号DACOUTの電位は、データ“110...00”に対応した第2電位となる。コンパレータ71で第2電位と信号線RBの電位を比較する。ここでは、信号線RBの電位の方が第2電位より低いものとする。すなわち、信号CMPがLレベルとなる。以下、同様の動作を繰り返す。 At time T33, the signal CLK [N] and the signal SET [N-1] are set to H level. At this time, the register 74 [N] stores the H level of the signal CMP, the register 74 [N-1] is set, and the output of the SAR 72 becomes the data “110 ... 00”. Further, the potential of the signal DACOUT becomes a second potential corresponding to the data "110 ... 00". The comparator 71 compares the second potential with the potential of the signal line RB. Here, it is assumed that the potential of the signal line RB is lower than the second potential. That is, the signal CMP becomes the L level. Hereinafter, the same operation is repeated.

時刻T36において、信号CLK[2]、信号SET[1]をHレベルとする。このとき、レジスタ74[2]は信号CMPのLレベルを格納し、レジスタ74[1]はセットされ、SAR72の出力はデータ“100...01”となる。また、信号DACOUTの電位は、データ“100...01”に対応した第3電位となる。コンパレータ71で第3電位と信号線RBの電位を比較する。ここでは、信号線RBの電位の方が第3電位より高いものとする。すなわち、信号CMPがHレベルとなる。 At time T36, the signal CLK [2] and the signal SET [1] are set to the H level. At this time, the register 74 [2] stores the L level of the signal CMP, the register 74 [1] is set, and the output of the SAR 72 becomes the data "100 ... 01". Further, the potential of the signal DACOUT becomes a third potential corresponding to the data "100 ... 01". The comparator 71 compares the potential of the third potential with the potential of the signal line RB. Here, it is assumed that the potential of the signal line RB is higher than the third potential. That is, the signal CMP becomes the H level.

時刻T37において、信号CLK[1]をHレベルとする。このとき、レジスタ74[1]は信号CMPのHレベルを格納し、SAR72の出力はデータ“100...01”となる。 At time T37, the signal CLK [1] is set to H level. At this time, the register 74 [1] stores the H level of the signal CMP, and the output of the SAR 72 becomes the data “100 ... 01”.

時刻T38以降において、SAR72の出力をA/Dコンバータ24cの出力とすることで、出力端子DOUTからNビットのデジタルデータ“100...01”が取得できる。 By setting the output of the SAR 72 to the output of the A / D converter 24c after the time T38, N-bit digital data "100 ... 01" can be acquired from the output terminal DOUT.

A/Dコンバータ24cは、扱う多値データのビット数(N)が大きい場合、Nに比例して回路規模が大きくなる。そのため、Nに比例して回路規模が大きくなるA/Dコンバータ24aと比較すると、多値データのビット数が大きい場合、回路規模を相対的に小さくすることができる。メモリセルMEMの集積度が高くなると、回路22[1]乃至22[S]に割りあてられる面積は小さくなる。A/Dコンバータ24cは、メモリセルMEMの集積度が高くても、回路22[1]乃至22[S]に含めることができる。 When the number of bits (N) of the multi-valued data handled by the A / D converter 24c is large, the circuit scale increases in proportion to N. Therefore, as compared with the A / D converter 24a in which the circuit scale increases in proportion to N 2 , the circuit scale can be relatively reduced when the number of bits of the multi-valued data is large. As the degree of integration of the memory cell MEM increases, the area allocated to the circuits 22 [1] to 22 [S] decreases. The A / D converter 24c can be included in the circuits 22 [1] to 22 [S] even if the memory cell MEM has a high degree of integration.

また、A/Dコンバータ24cは、Nビット以下の多値データも扱うことができる。その結果、記憶装置10Aは、扱う多値データのビット数を1ビットからNビットの範囲で任意に選択することができる。 The A / D converter 24c can also handle multi-valued data of N bits or less. As a result, the storage device 10A can arbitrarily select the number of bits of the multi-valued data to be handled in the range of 1 bit to N bits.

<選択回路30>
図8は、選択回路30の回路構成例を示す。図8は、信号線WB[1]乃至信号線WB[S]のうち信号線WB[1]と、信号線RB[1]乃至RB[S]のうち信号線RB[1]と、信号線BL[1]乃至BL[S×L]のうち信号線BL[1]乃至BL[L]と、に対応した部分を示す。他の信号線WB[2]乃至WB[S]と、信号線RB[2]乃至RB[S]と、信号線BL[L+1]乃至BL[S×L]と、に対応した部分も同様な構成である。
<Selection circuit 30>
FIG. 8 shows a circuit configuration example of the selection circuit 30. FIG. 8 shows a signal line WB [1] among the signal lines WB [1] to WB [S], a signal line RB [1] among the signal lines RB [1] to RB [S], and a signal line. The portion of BL [1] to BL [S × L] corresponding to the signal lines BL [1] to BL [L] is shown. The same applies to the parts corresponding to the other signal lines WB [2] to WB [S], the signal lines RB [2] to RB [S], and the signal lines BL [L + 1] to BL [S × L]. It is a composition.

選択回路30は、トランジスタTr9[1]乃至Tr9[L]と、トランジスタTr10[1]乃至Tr10[L]と、トランジスタTr11[1]乃至Tr11[L]と、トランジスタTr12[1]乃至Tr12[L]と、トランジスタTr13[1]乃至Tr13[L]と、トランジスタTr14[1]乃至Tr14[L]と、回路RD[1]乃至回路RD[L]と、を有する。 The selection circuit 30 includes transistors Tr9 [1] to Tr9 [L], transistors Tr10 [1] to Tr10 [L], transistors Tr11 [1] to Tr11 [L], and transistors Tr12 [1] to Tr12 [L]. ], Transistors Tr13 [1] to Tr13 [L], transistors Tr14 [1] to Tr14 [L], and circuits RD [1] to RD [L].

信号線WS[1]乃至WS[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr9[1]乃至Tr9[L]のオン・オフを制御し、信号線WB[1]と信号線BL[1]乃至BL[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines WS [1] to WS [L], the on / off of the transistors Tr9 [1] to Tr9 [L] is controlled, and the signal lines WB [1] and the signal lines BL [1] It is possible to switch between conduction and non-conduction with BL [L].

信号線WS[1]乃至WS[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr10[1]乃至Tr10[L]のオン・オフを制御し、電源線VLと電源線VB[1]乃至VB[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines WS [1] to WS [L], the on / off of the transistors Tr10 [1] to Tr10 [L] is controlled, and the power supply line VL and the power supply lines VB [1] to VB [1] to VB [ It is possible to switch between conduction and non-conduction with [L].

信号線RS[1]乃至RS[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr11[1]乃至Tr11[L]のオン・オフを制御し、信号線RB[1]と信号線BL[1]乃至BL[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines RS [1] to RS [L], the on / off of the transistors Tr11 [1] to Tr11 [L] is controlled, and the signal line RB [1] and the signal line BL [1] It is possible to switch between conduction and non-conduction with BL [L].

信号線RS[1]乃至RS[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr12[1]乃至Tr12[L]のオン・オフを制御し、電源線VHと電源線VB[1]乃至VB[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines RS [1] to RS [L], the on / off of the transistors Tr12 [1] to Tr12 [L] is controlled, and the power supply line VH and the power supply lines VB [1] to VB [1] to VB [ It is possible to switch between conduction and non-conduction with [L].

信号線PRE[1]乃至PRE[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr13[1]乃至Tr13[L]のオン・オフを制御し、回路RD[1]乃至RD[L]と信号線BL[1]乃至BL[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines PRE [1] to PRE [L], the on / off of the transistors Tr13 [1] to Tr13 [L] is controlled, and the circuits RD [1] to RD [L] and the signal line It is possible to switch between conduction and non-conduction with BL [1] to BL [L].

信号線PRE[1]乃至PRE[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr14[1]乃至Tr14[L]のオン・オフを制御し、電源線VLと電源線VB[1]乃至VB[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines PRE [1] to PRE [L], the on / off of the transistors Tr14 [1] to Tr14 [L] is controlled, and the power supply line VL and the power supply lines VB [1] to VB [1] to VB [ It is possible to switch between conduction and non-conduction with [L].

回路RDは、トランジスタTr7と、トランジスタTr8と、容量素子C2を有する。トランジスタTr7はnチャネル型トランジスタ、トランジスタTr8はpチャネル型トランジスタとする。また、トランジスタTr8は飽和領域で動作するものとする。 The circuit RD includes a transistor Tr7, a transistor Tr8, and a capacitive element C2. The transistor Tr7 is an n-channel transistor, and the transistor Tr8 is a p-channel transistor. Further, it is assumed that the transistor Tr8 operates in the saturation region.

トランジスタTr7のゲートは信号線PRに電気的に接続され、トランジスタTr7のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr13を介して、信号線BLに電気的に接続され、トランジスタTr7のソースまたはドレインの他方はトランジスタTr8のゲートに電気的に接続される。トランジスタTr8のソースまたはドレインの一方はトランジスタTr7のソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、トランジスタTr8のソースまたはドレインの他方は電源線VHに電気的に接続される。容量素子C2の第1端子は、トランジスタTr7のソースまたはドレインの他方に電気的に接続され、容量素子C2の第2端子は、電源線VHに電気的に接続される。 The gate of the transistor Tr7 is electrically connected to the signal line PR, one of the source or drain of the transistor Tr7 is electrically connected to the signal line BL via the transistor Tr13, and the other of the source or drain of the transistor Tr7 is. It is electrically connected to the gate of the transistor Tr8. One of the source or drain of the transistor Tr8 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor Tr7, and the other of the source or drain of the transistor Tr8 is electrically connected to the power supply line VH. The first terminal of the capacitive element C2 is electrically connected to the other of the source and drain of the transistor Tr7, and the second terminal of the capacitive element C2 is electrically connected to the power supply line VH.

回路RDは、信号線PRをHレベルとすることで、信号線BLに流れる電流に対応した電位が容量素子C2に格納される。 In the circuit RD, the potential corresponding to the current flowing in the signal line BL is stored in the capacitive element C2 by setting the signal line PR to the H level.

トランジスタTr7は、OSトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタTr7にOSトランジスタを用いることで、回路RDは、容量素子C2に格納されたデータを長期間保持することができる。 It is preferable to use an OS transistor as the transistor Tr7. By using the OS transistor for the transistor Tr7, the circuit RD can hold the data stored in the capacitive element C2 for a long period of time.

<タイミングチャート>
図9は、記憶装置10Aの動作の一例を示すタイミングチャートである。時刻T01乃至時刻T13はメモリセルMEMにデータを書き込む動作に相当し、時刻T21乃至時刻T27はメモリセルMEMからデータを読み出す動作に相当する。なお、ここでは、第1列乃至第L列に配置されたメモリセルMEMの動作について説明するが、他の列に配置されたメモリセルMEMの動作についても、同様に説明することができる。
<Timing chart>
FIG. 9 is a timing chart showing an example of the operation of the storage device 10A. Time T01 to time T13 correspond to an operation of writing data to the memory cell MEM, and time T21 to time T27 correspond to an operation of reading data from the memory cell MEM. Although the operation of the memory cell MEMs arranged in the first to the Lth columns will be described here, the operation of the memory cell MEMs arranged in the other columns can also be described in the same manner.

時刻T01乃至時刻T02において、信号線PR、PRE[1]乃至PRE[L]をHレベルとし、信号線RW[1]を高電位とする。このとき、信号線BL[1]乃至BL[L]のそれぞれにおいて、第1行のメモリセルMEMに格納されたデータに対応する第1の電流が流れる。その後、回路RD[1]乃至RD[L]の容量素子C2に、第1の電流を流し得る電位が設定される。 At time T01 to time T02, the signal lines PR and PRE [1] to PRE [L] are set to H level, and the signal line RW [1] is set to high potential. At this time, in each of the signal lines BL [1] to BL [L], the first current corresponding to the data stored in the memory cell MEM of the first row flows. After that, the potential at which the first current can flow is set in the capacitive element C2 of the circuits RD [1] to RD [L].

時刻T02乃至時刻T03において、信号線WS[1]、WW[1]、PRE[2]乃至PRE[L]をHレベル、信号線PRE[1]、PRをLレベル、信号線RW[1]を高電位とする。このとき、回路21[1]で生成されたデータD11に対応した第2の電流が、信号線WB[1]に供給される。第2の電流は信号線BL[1]に供給される。一方、信号線BL[2]乃至BL[L]には、回路RD[2]乃至RD[L]から先述の第1の電流が供給される。ここで、メモリセルMEM[1、1]には第2の電流を流し得る電位が容量素子C1に格納される。また、メモリセルMEM[1、2]乃至MEM[1、L]には第1の電流を流し得る電位が容量素子C1に格納される。つまりメモリセルMEM[1、1]にはデータD11に対応した電位が格納され、メモリセルMEM[1、2]乃至MEM[1、L]には、時刻T02で書き込まれていたデータに対応した電位が格納される。従って、メモリセルMEM[1、1]乃至MEM[1、L]のうち、メモリセルMEM[1、1]のデータのみ更新することができる。 At time T02 to time T03, signal line WS [1], WW [1], PRE [2] to PRE [L] are H level, signal line PRE [1], PR is L level, signal line RW [1]. Is set to a high potential. At this time, the second current corresponding to the data D11 generated by the circuit 21 [1] is supplied to the signal line WB [1]. The second current is supplied to the signal line BL [1]. On the other hand, the above-mentioned first current is supplied to the signal lines BL [2] to BL [L] from the circuits RD [2] to RD [L]. Here, in the memory cells MEM [1, 1], a potential through which a second current can flow is stored in the capacitive element C1. Further, in the memory cells MEM [1, 2] to MEM [1, L], a potential capable of passing a first current is stored in the capacitance element C1. That is, the potential corresponding to the data D11 is stored in the memory cell MEM [1, 1], and the memory cells MEM [1, 2] to MEM [1, L] correspond to the data written at the time T02. The electric potential is stored. Therefore, among the memory cells MEM [1, 1] to MEM [1, L], only the data of the memory cell MEM [1, 1] can be updated.

以下、同様に、時刻T03乃至時刻T05において、メモリセルMEM[1、L]にデータD1Lに対応した電位が格納され、時刻T05乃至時刻T07において、メモリセルMEM[2、1]にデータD21に対応した電位が格納され、時刻T07乃至時刻T09において、メモリセルMEM[2、L]にデータD2Lに対応した電位が格納され、時刻T09乃至時刻T11において、メモリセルMEM[M、1]にデータDM1に対応した電位が格納され、時刻T11乃至時刻T13において、メモリセルMEM[M、L]にデータDMLに対応した電位が格納される。 Similarly, similarly, at time T03 to time T05, the potential corresponding to the data D1L is stored in the memory cell MEM [1, L], and in the time T05 to time T07, the data D21 is stored in the memory cell MEM [2, 1]. The corresponding potential is stored, the potential corresponding to the data D2L is stored in the memory cell MEM [2, L] at time T07 to time T09, and the data is stored in the memory cell MEM [M, 1] at time T09 to time T11. The potential corresponding to DM1 is stored, and the potential corresponding to the data DML is stored in the memory cells MEM [M, L] at time T11 to time T13.

時刻T21乃至時刻T22において、信号線RS[1]をHレベル、信号線RW[1]を高電位とする。このとき、メモリセルMEM[1、1]のトランジスタTr2と回路22[1]のトランジスタTr6は、トランジスタTr6を電流源とするソースフォロア回路を構成し、メモリセルMEM[1、1]のデータに対応した電位、すなわち、データD11に対応した電位(アナログデータ)は、信号線RB[1]に出力される。当該電位をA/Dコンバータ24でデジタルデータに変換し、出力端子DOUTからデータD11を出力することができる。 At time T21 to time T22, the signal line RS [1] is set to H level, and the signal line RW [1] is set to high potential. At this time, the transistor Tr2 of the memory cell MEM [1, 1] and the transistor Tr6 of the circuit 22 [1] form a source follower circuit using the transistor Tr6 as a current source, and the data of the memory cell MEM [1, 1] is used. The corresponding potential, that is, the potential (analog data) corresponding to the data D11 is output to the signal line RB [1]. The potential can be converted into digital data by the A / D converter 24, and the data D11 can be output from the output terminal DOUT.

以下、同様に、時刻T22乃至時刻T23において、メモリセルMEM[1、L]のデータD1L、時刻T23乃至時刻T24において、メモリセルMEM[2、1]のデータD21、時刻T24乃至時刻T25において、メモリセルMEM[2、L]のデータD2L、時刻T25乃至時刻T26において、メモリセルMEM[M、1]のデータDM1、時刻T26乃至時刻T27において、メモリセルMEM[M、L]のデータDML、を取得することができる。 Similarly, in the same manner, at the time T22 to the time T23, in the data D1L of the memory cell MEM [1, L], in the time T23 to the time T24, in the data D21 of the memory cell MEM [2, 1], in the time T24 to the time T25. Data D2L of memory cell MEM [2, L], data DM1 of memory cell MEM [M, 1] at time T25 to time T26, data DML of memory cell MEM [M, L] at time T26 to time T27, Can be obtained.

上述のように、記憶装置10Aは、書き込み(あるいは読み出し)の対象となるメモリセルを選択することで、同じ行に接続された全てのメモリセルを同時に書き込む(あるいは読み出す)場合よりも、効率的にデータの書き込み(あるいは読み出し)を行うことができる。その結果、記憶装置10Aは、高集積化されたメモリセルに対して、効率的にデータのやり取りを行うことができる。また、記憶装置10Aは、高集積化されたメモリセルを有することで、チップ1つあたりの記憶容量を大きくすることができる。その結果、記憶装置の1ビットあたりの価格を低く抑えることができる。 As described above, the storage device 10A is more efficient than the case where all the memory cells connected to the same row are written (or read) at the same time by selecting the memory cell to be written (or read). Data can be written (or read) to the memory cell. As a result, the storage device 10A can efficiently exchange data with the highly integrated memory cells. Further, since the storage device 10A has a highly integrated memory cell, the storage capacity per chip can be increased. As a result, the price per bit of the storage device can be kept low.

以上、記憶装置10Aを上記構成とすることで、多値のデータを記憶することが可能な記憶装置を提供することができる。また、高集積化されたメモリセルを有する記憶装置を提供することができる。また、積層されたメモリセルを有する記憶装置を提供することができる。 As described above, by configuring the storage device 10A as described above, it is possible to provide a storage device capable of storing multi-valued data. Further, it is possible to provide a storage device having a highly integrated memory cell. It is also possible to provide a storage device having stacked memory cells.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一形態である記憶装置について図10乃至図13を用いて説明を行う。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the storage device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 10 to 13.

<記憶装置10B>
図10は、記憶装置10Bの構成例を示すブロック図である。記憶装置10Bは、回路20と、選択回路30と、メモリセルアレイ40と、デコーダ50と、デコーダ60と、を有する。
<Storage device 10B>
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of the storage device 10B. The storage device 10B includes a circuit 20, a selection circuit 30, a memory cell array 40, a decoder 50, and a decoder 60.

図10に示す記憶装置10Bは、図1に示す記憶装置10Aと比較して、選択回路30が異なる。図10は選択回路30に信号線PRと信号線PRBが接続されている点で図1と異なる。記憶装置10Bのその他の構成要素(回路20、メモリセルアレイ40、デコーダ50およびデコーダ60)は記憶装置10Aと同一であり、これらの詳細は実施の形態1の記載を参照すればよい。 The storage device 10B shown in FIG. 10 has a different selection circuit 30 as compared with the storage device 10A shown in FIG. FIG. 10 is different from FIG. 1 in that the signal line PR and the signal line PRB are connected to the selection circuit 30. The other components of the storage device 10B (circuit 20, memory cell array 40, decoder 50 and decoder 60) are the same as the storage device 10A, and details thereof may be referred to the description of the first embodiment.

図11は、記憶装置10Bが有する選択回路30の回路構成例を示す。図11は、信号線WB[1]乃至WB[S]のうち信号線WB[1]と、信号線RB[1]乃至RB[S]のうち信号線RB[1]と、信号線BL[1]乃至BL[S×L]のうち信号線BL[1]乃至BL[L]と、に対応した部分を示す。他の信号線WB[2]乃至WB[S]と、信号線RB[2]乃至RB[S]と、信号線BL[L+1]乃至BL[S×L]と、に対応した部分も同様な構成である。 FIG. 11 shows a circuit configuration example of the selection circuit 30 included in the storage device 10B. FIG. 11 shows a signal line WB [1] among the signal lines WB [1] to WB [S], a signal line RB [1] among the signal lines RB [1] to RB [S], and a signal line BL [ Of the 1] to BL [S × L], the portions corresponding to the signal lines BL [1] to BL [L] are shown. The same applies to the parts corresponding to the other signal lines WB [2] to WB [S], the signal lines RB [2] to RB [S], and the signal lines BL [L + 1] to BL [S × L]. It is a composition.

選択回路30は、トランジスタTr9[1]乃至Tr9[L]と、トランジスタTr10[1]乃至Tr10[L]と、トランジスタTr11[1]乃至Tr11[L]と、トランジスタTr12[1]乃至Tr12[L]と、トランジスタTr13[1]乃至Tr13[L]と、トランジスタTr14[1]乃至Tr14[L]と、回路RD[1]乃至RD[L]と、を有する。 The selection circuit 30 includes transistors Tr9 [1] to Tr9 [L], transistors Tr10 [1] to Tr10 [L], transistors Tr11 [1] to Tr11 [L], and transistors Tr12 [1] to Tr12 [L]. ], Transistors Tr13 [1] to Tr13 [L], transistors Tr14 [1] to Tr14 [L], and circuits RD [1] to RD [L].

信号線WS[1]乃至WS[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr9[1]乃至Tr9[L]のオン・オフを制御し、信号線WBと信号線BL[1]乃至BL[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines WS [1] to WS [L], the on / off of the transistors Tr9 [1] to Tr9 [L] is controlled, and the signal lines WB and the signal lines BL [1] to BL [L] It is possible to switch between conduction and non-conduction with [L].

信号線WS[1]乃至WS[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr10[1]乃至Tr10[L]のオン・オフを制御し、電源線VLと電源線VB[1]乃至VB[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines WS [1] to WS [L], the on / off of the transistors Tr10 [1] to Tr10 [L] is controlled, and the power supply line VL and the power supply lines VB [1] to VB [1] to VB [ It is possible to switch between conduction and non-conduction with [L].

信号線RS[1]乃至RS[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr11[1]乃至Tr11[L]のオン・オフを制御し、信号線RBと信号線BL[1]乃至BL[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines RS [1] to RS [L], the on / off of the transistors Tr11 [1] to Tr11 [L] is controlled, and the signal lines RB and the signal lines BL [1] to BL [L] It is possible to switch between conduction and non-conduction with [L].

信号線RS[1]乃至RS[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr12[1]乃至Tr12[L]のオン・オフを制御し、電源線VHと電源線VB[1]乃至VB[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines RS [1] to RS [L], the on / off of the transistors Tr12 [1] to Tr12 [L] is controlled, and the power supply line VH and the power supply lines VB [1] to VB [1] to VB [ It is possible to switch between conduction and non-conduction with [L].

信号線PRE[1]乃至PRE[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr13[1]乃至Tr13[L]のオン・オフを制御し、回路RD[1]乃至RD[L]と信号線BL[1]乃至BL[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines PRE [1] to PRE [L], the on / off of the transistors Tr13 [1] to Tr13 [L] is controlled, and the circuits RD [1] to RD [L] and the signal line It is possible to switch between conduction and non-conduction with BL [1] to BL [L].

信号線PRE[1]乃至PRE[L]に選択信号を与えることで、トランジスタTr14[1]乃至Tr14[L]のオン・オフを制御し、電源線VLと電源線VB[1]乃至VB[L]との導通・非導通を切り替えることができる。 By giving a selection signal to the signal lines PRE [1] to PRE [L], the on / off of the transistors Tr14 [1] to Tr14 [L] is controlled, and the power supply line VL and the power supply lines VB [1] to VB [1] to VB [ It is possible to switch between conduction and non-conduction with [L].

記憶装置10Bが有する回路RDの構成例を図12に示す。回路RDは、トランジスタTr7と、トランジスタTr8と、トランジスタTr15と、トランジスタTr16と、トランジスタTr17と、トランジスタTr18と、容量素子C2と、を有する。トランジスタTr7およびトランジスタTr8はnチャネル型トランジスタとし、トランジスタTr15乃至トランジスタTr18はpチャネル型トランジスタとする。また、トランジスタTr8、トランジスタTr15及びトランジスタTr16は飽和領域で動作するものとする。 FIG. 12 shows a configuration example of the circuit RD included in the storage device 10B. The circuit RD includes a transistor Tr7, a transistor Tr8, a transistor Tr15, a transistor Tr16, a transistor Tr17, a transistor Tr18, and a capacitive element C2. The transistor Tr7 and the transistor Tr8 are n-channel transistors, and the transistors Tr15 to Tr18 are p-channel transistors. Further, it is assumed that the transistor Tr8, the transistor Tr15 and the transistor Tr16 operate in the saturation region.

トランジスタTr15のゲートはトランジスタTr16のゲートに電気的に接続され、トランジスタTr15のソースまたはドレインの一方は信号線BLに電気的に接続され、トランジスタTr15のソースまたはドレインの他方は電源線VHに電気的に接続される。トランジスタTr16のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr8のソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、トランジスタTr16のソースまたはドレインの他方は電源線VHに電気的に接続される。トランジスタTr8のゲートは容量素子C2の第1端子に電気的に接続され、トランジスタTr8のソースまたはドレインの他方は電源線VLに電気的に接続される。容量素子C2の第2端子は電源線VLに電気的に接続される。 The gate of the transistor Tr15 is electrically connected to the gate of the transistor Tr16, one of the source or drain of the transistor Tr15 is electrically connected to the signal line BL, and the other of the source or drain of the transistor Tr15 is electrically connected to the power supply line VH. Connected to. One of the source or drain of the transistor Tr16 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor Tr8, and the other of the source or drain of the transistor Tr16 is electrically connected to the power supply line VH. The gate of the transistor Tr8 is electrically connected to the first terminal of the capacitive element C2, and the other of the source or drain of the transistor Tr8 is electrically connected to the power supply line VL. The second terminal of the capacitive element C2 is electrically connected to the power supply line VL.

トランジスタTr15のゲートは、トランジスタTr17を介して、トランジスタTr15のソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、トランジスタTr16のゲートは、トランジスタTr18を介して、トランジスタTr16のソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。トランジスタTr8のゲートは、トランジスタTr7を介して、トランジスタTr8のソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。 The gate of the transistor Tr15 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor Tr15 via the transistor Tr17, and the gate of the transistor Tr16 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor Tr16 via the transistor Tr18. Connected to. The gate of the transistor Tr8 is electrically connected to either the source or the drain of the transistor Tr8 via the transistor Tr7.

トランジスタTr17のゲートは信号線PRBに電気的に接続され、トランジスタTr18のゲートは信号線PRに電気的に接続され、トランジスタTr7のゲートは信号線PRに電気的に接続される。 The gate of the transistor Tr17 is electrically connected to the signal line PRB, the gate of the transistor Tr18 is electrically connected to the signal line PR, and the gate of the transistor Tr7 is electrically connected to the signal line PR.

トランジスタTr7のゲートは信号線PRに電気的に接続され、トランジスタTr7のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr8のゲートに電気的に接続され、トランジスタTr7のソースまたはドレインの他方は、トランジスタTr8のソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。トランジスタTr8のゲートは容量素子C2の第1端子に電気的に接続され、トランジスタTr8のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr16のソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、トランジスタTr8のソースまたはドレインの他方は電源線VLに電気的に接続される。容量素子C2の第2端子は電源線VLに電気的に接続される。 The gate of the transistor Tr7 is electrically connected to the signal line PR, one of the source or drain of the transistor Tr7 is electrically connected to the gate of the transistor Tr8, and the other of the source or drain of the transistor Tr7 is the source of the transistor Tr8. Or it is electrically connected to one of the drains. The gate of the transistor Tr8 is electrically connected to the first terminal of the capacitive element C2, one of the source or drain of the transistor Tr8 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor Tr16, and the source or drain of the transistor Tr8 is connected. The other is electrically connected to the power line VL. The second terminal of the capacitive element C2 is electrically connected to the power supply line VL.

回路RDは、信号線PRをHレベル、信号線PRBをLレベルとすることで、トランジスタTr17およびトランジスタTr7がオン、トランジスタTr18がオフになる。トランジスタTr15およびトランジスタTr16はカレントミラー回路として機能し、信号線BLに流れる電流に対応した電位が容量素子C2に格納される。すなわち、容量素子C2にデータが書き込まれる。 In the circuit RD, the signal line PR is set to H level and the signal line PRB is set to L level, so that the transistor Tr17 and the transistor Tr7 are turned on and the transistor Tr18 is turned off. The transistor Tr15 and the transistor Tr16 function as a current mirror circuit, and a potential corresponding to the current flowing through the signal line BL is stored in the capacitive element C2. That is, data is written to the capacitive element C2.

回路RDは、信号線PRをLレベル、信号線PRBをHレベルとすることで、トランジスタTr17およびトランジスタTr7がオフ、トランジスタTr18がオンになる。容量素子C2に格納した電位に応じてトランジスタTr8にドレイン電流が流れる。また、トランジスタTr15およびトランジスタTr16はカレントミラー回路として機能し、トランジスタTr8を流れるドレイン電流が信号線BLに供給される。すなわち、容量素子C2が格納しているデータが読み出される。 In the circuit RD, the signal line PR is set to L level and the signal line PRB is set to H level, so that the transistor Tr17 and the transistor Tr7 are turned off and the transistor Tr18 is turned on. A drain current flows through the transistor Tr8 according to the potential stored in the capacitive element C2. Further, the transistor Tr15 and the transistor Tr16 function as a current mirror circuit, and the drain current flowing through the transistor Tr8 is supplied to the signal line BL. That is, the data stored in the capacitive element C2 is read out.

トランジスタTr7は、OSトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタTr7にOSトランジスタを用いることで、回路RDは、容量素子C2に格納されたデータを長期間保持することができる。 It is preferable to use an OS transistor as the transistor Tr7. By using the OS transistor for the transistor Tr7, the circuit RD can hold the data stored in the capacitive element C2 for a long period of time.

図2に示すメモリセルMEMは容量素子C1にnチャネル型のトランジスタTr1とnチャネル型のトランジスタTr2が接続されている。また、図8に示す回路RDは容量素子C2にnチャネル型のトランジスタTr7とpチャネル型のトランジスタTr8が接続され、図12に示す回路RDは容量素子C2にnチャネル型のトランジスタTr7とnチャネル型のトランジスタTr8が接続されている。つまり、メモリセルMEMと図12に示す回路RDは、1つの容量素子に2つのnチャネル型トランジスタが接続されている点で共通している。 In the memory cell MEM shown in FIG. 2, an n-channel type transistor Tr1 and an n-channel type transistor Tr2 are connected to the capacitance element C1. Further, in the circuit RD shown in FIG. 8, an n-channel transistor Tr7 and a p-channel transistor Tr8 are connected to the capacitance element C2, and in the circuit RD shown in FIG. 12, an n-channel transistor Tr7 and an n-channel are connected to the capacitance element C2. A type transistor Tr8 is connected. That is, the memory cell MEM and the circuit RD shown in FIG. 12 are common in that two n-channel transistors are connected to one capacitive element.

図12に示す回路RDは、メモリセルMEMとトランジスタサイズ(チャネル長、チャネル幅)を同一とすることで、閾値やゲインをメモリセルMEMに近い値にすることができる。つまり、図12に示す回路RDは、図8に示す回路RDよりも、メモリセルMEMに格納されたデータをより正確にコピーして記憶することができる。 In the circuit RD shown in FIG. 12, the threshold value and the gain can be set to values close to those of the memory cell MEM by making the transistor size (channel length, channel width) the same as that of the memory cell MEM. That is, the circuit RD shown in FIG. 12 can more accurately copy and store the data stored in the memory cell MEM than the circuit RD shown in FIG.

<タイミングチャート>
図13は、記憶装置10Bの動作の一例を示すタイミングチャートである。時刻T01乃至時刻T13はメモリセルMEMにデータを書き込む動作に相当し、時刻T21乃至時刻T27はメモリセルMEMからデータを読み出す動作に相当する。なお、ここでは、第1列乃至第L列に配置されたメモリセルMEMの動作について説明するが、他の列に配置されたメモリセルMEMの動作についても、同様に説明することができる。
<Timing chart>
FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the storage device 10B. Time T01 to time T13 correspond to an operation of writing data to the memory cell MEM, and time T21 to time T27 correspond to an operation of reading data from the memory cell MEM. Although the operation of the memory cell MEMs arranged in the first to the Lth columns will be described here, the operation of the memory cell MEMs arranged in the other columns can also be described in the same manner.

時刻T01乃至時刻T02において、信号線PR、PRE[1]乃至PRE[L]をHレベルとし、信号線PRBをLレベルとし、信号線RW[1]を高電位とする。このとき、信号線BL[1]乃至BL[L]のそれぞれにおいて、第1行のメモリセルMEMに格納されたデータに対応する第1の電流が流れる。その後、回路RD[1]乃至RD[L]の容量素子C2に、第1の電流を流し得る電位が設定される。 At time T01 to time T02, the signal line PR, PRE [1] to PRE [L] are set to H level, the signal line PRB is set to L level, and the signal line RW [1] is set to high potential. At this time, in each of the signal lines BL [1] to BL [L], the first current corresponding to the data stored in the memory cell MEM of the first row flows. After that, the potential at which the first current can flow is set in the capacitive element C2 of the circuits RD [1] to RD [L].

時刻T02乃至時刻T03において、信号線PRB、WS[1]、WW[1]、PRE[2]乃至PRE[L]をHレベル、信号線PR、PRE[1]をLレベル、信号線RW[1]を高電位とする。このとき、回路21[1]で生成されたデータD11に対応した第2の電流が、信号線WB[1]に供給される。第2の電流は信号線BL[1]に供給される。一方、信号線BL[2]乃至BL[L]には、回路RD[2]乃至RD[L]から先述の第1の電流が供給される。ここで、メモリセルMEM[1、1]には第2の電流を流し得る電位が容量素子C1に格納される。また、メモリセルMEM[1、2]乃至MEM[1、L]には第1の電流を流し得る電位が容量素子C1に格納される。つまりメモリセルMEM[1、1]にはデータD11に対応した電位が格納され、メモリセルMEM[1、2]乃至MEM[1、L]には、時刻T02で書き込まれていたデータに対応した電位が格納される。従って、メモリセルMEM[1、1]乃至MEM[1、L]のうち、メモリセルMEM[1、1]のデータのみ更新することができる。 At time T02 to time T03, signal line PRB, WS [1], WW [1], PRE [2] to PRE [L] are H level, signal line PR, PRE [1] is L level, signal line RW [ 1] is set to a high potential. At this time, the second current corresponding to the data D11 generated by the circuit 21 [1] is supplied to the signal line WB [1]. The second current is supplied to the signal line BL [1]. On the other hand, the above-mentioned first current is supplied to the signal lines BL [2] to BL [L] from the circuits RD [2] to RD [L]. Here, in the memory cells MEM [1, 1], a potential through which a second current can flow is stored in the capacitive element C1. Further, in the memory cells MEM [1, 2] to MEM [1, L], a potential capable of passing a first current is stored in the capacitance element C1. That is, the potential corresponding to the data D11 is stored in the memory cell MEM [1, 1], and the memory cells MEM [1, 2] to MEM [1, L] correspond to the data written at the time T02. The electric potential is stored. Therefore, among the memory cells MEM [1, 1] to MEM [1, L], only the data of the memory cell MEM [1, 1] can be updated.

以下、同様に、時刻T03乃至時刻T05において、メモリセルMEM[1、L]にデータD1Lに対応した電位が格納され、時刻T05乃至時刻T07において、メモリセルMEM[2、1]にデータD21に対応した電位が格納され、時刻T07乃至時刻T09において、メモリセルMEM[2、L]にデータD2Lに対応した電位が格納され、時刻T09乃至時刻T11において、メモリセルMEM[M、1]にデータDM1に対応した電位が格納され、時刻T11乃至時刻T13において、メモリセルMEM[M、L]にデータDMLに対応した電位が格納される。 Similarly, similarly, at time T03 to time T05, the potential corresponding to the data D1L is stored in the memory cell MEM [1, L], and in the time T05 to time T07, the data D21 is stored in the memory cell MEM [2, 1]. The corresponding potential is stored, the potential corresponding to the data D2L is stored in the memory cell MEM [2, L] at time T07 to time T09, and the data is stored in the memory cell MEM [M, 1] at time T09 to time T11. The potential corresponding to DM1 is stored, and the potential corresponding to the data DML is stored in the memory cells MEM [M, L] at time T11 to time T13.

時刻T21乃至時刻T22において、信号線PR、RS[1]をHレベル、信号線PRBをLレベル、信号線RW[1]を高電位とする。このとき、メモリセルMEM[1、1]のトランジスタTr2と回路22[1]のトランジスタTr6は、トランジスタTr6を電流源とするソースフォロア回路を構成し、メモリセルMEM[1、1]のデータに対応した電位、すなわち、データD11に対応した電位(アナログデータ)は、信号線RB[1]に出力される。当該電位をA/Dコンバータ24でデジタルデータに変換し、出力端子DOUTからデータD11を出力することができる。 At time T21 to time T22, the signal line PR and RS [1] are set to H level, the signal line PRB is set to L level, and the signal line RW [1] is set to high potential. At this time, the transistor Tr2 of the memory cell MEM [1, 1] and the transistor Tr6 of the circuit 22 [1] form a source follower circuit using the transistor Tr6 as a current source, and the data of the memory cell MEM [1, 1] is used. The corresponding potential, that is, the potential (analog data) corresponding to the data D11 is output to the signal line RB [1]. The potential can be converted into digital data by the A / D converter 24, and the data D11 can be output from the output terminal DOUT.

以下、同様に、時刻T22乃至時刻T23において、メモリセルMEM[1、L]のデータD1L、時刻T23乃至時刻T24において、メモリセルMEM[2、1]のデータD21、時刻T24乃至時刻T25において、メモリセルMEM[2、L]のデータD2L、時刻T25乃至時刻T26において、メモリセルMEM[M、1]のデータDM1、時刻T26乃至時刻T27において、メモリセルMEM[M、L]のデータDML、を取得することができる。 Similarly, in the same manner, at the time T22 to the time T23, in the data D1L of the memory cell MEM [1, L], in the time T23 to the time T24, in the data D21 of the memory cell MEM [2, 1], in the time T24 to the time T25. Data D2L of memory cell MEM [2, L], data DM1 of memory cell MEM [M, 1] at time T25 to time T26, data DML of memory cell MEM [M, L] at time T26 to time T27, Can be obtained.

なお、時刻T13以降、信号線PRE[1]乃至PRE[L]が全てLレベルのとき、すなわち、回路RDの書き込みも読み出しも行っていないとき、信号線PRをHレベル、信号線PRBをLレベルとすることで、回路RDにて、トランジスタTr15のゲート電位はトランジスタTr15がオフとなる電位に固定され、トランジスタTr16もオフとなる。また、容量素子C2に設定される電位はトランジスタTr8をオフにする。したがって、回路RDにおける消費電力を低減することができる。 After time T13, when all the signal lines PRE [1] to PRE [L] are at L level, that is, when neither writing nor reading of the circuit RD is performed, the signal line PR is set to H level and the signal line PRB is set to L level. By setting the level, in the circuit RD, the gate potential of the transistor Tr15 is fixed to the potential at which the transistor Tr15 is turned off, and the transistor Tr16 is also turned off. Further, the potential set in the capacitance element C2 turns off the transistor Tr8. Therefore, the power consumption in the circuit RD can be reduced.

上述のように、記憶装置10Bは、書き込み(あるいは読み出し)の対象となるメモリセルを選択することで、同じ行に接続された全てのメモリセルを同時に書き込む(あるいは読み出す)場合よりも、効率的にデータの書き込み(あるいは読み出し)を行うことができる。その結果、記憶装置10Bは、高集積化されたメモリセルに対して、効率的にデータのやり取りを行うことができる。また、記憶装置10Bは、高集積化されたメモリセルを有することで、チップ1つあたりの記憶容量を大きくすることができる。その結果、記憶装置の1ビットあたりの価格を低く抑えることができる。 As described above, the storage device 10B is more efficient than the case where all the memory cells connected to the same row are written (or read) at the same time by selecting the memory cell to be written (or read). Data can be written (or read) to the memory cell. As a result, the storage device 10B can efficiently exchange data with the highly integrated memory cells. Further, since the storage device 10B has a highly integrated memory cell, the storage capacity per chip can be increased. As a result, the price per bit of the storage device can be kept low.

以上、記憶装置10Bを上記構成とすることで、多値のデータを記憶することが可能な記憶装置を提供することができる。また、高集積化されたメモリセルを有する記憶装置を提供することができる。また、積層されたメモリセルを有する記憶装置を提供することができる。 As described above, by configuring the storage device 10B as described above, it is possible to provide a storage device capable of storing multi-valued data. Further, it is possible to provide a storage device having a highly integrated memory cell. It is also possible to provide a storage device having stacked memory cells.

(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態に記載の記憶装置10Aおよび記憶装置10B(以下、まとめて記憶装置10と記載)の一形態を、図14および図15を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, one embodiment of the storage device 10A and the storage device 10B (hereinafter collectively referred to as the storage device 10) described in the above embodiment will be described with reference to FIGS. 14 and 15.

<記憶装置10の断面構造>
図14は記憶装置10の一例を示す断面模式図である。記憶装置10は、トランジスタ300と、トランジスタ200、および容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
<Cross-sectional structure of storage device 10>
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing an example of the storage device 10. The storage device 10 includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitive element 100. The transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitive element 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.

トランジスタ200はチャネル形成領域に酸化物半導体を有するOSトランジスタである。OSトランジスタは微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ200の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。OSトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The transistor 200 is an OS transistor having an oxide semiconductor in the channel forming region. Since the OS transistor can be formed with a good yield even if it is miniaturized, the transistor 200 can be miniaturized. By using such a transistor in a storage device, the storage device can be miniaturized or highly integrated. Since the OS transistor has a small off current, it is possible to retain the stored contents for a long period of time by using the OS transistor as a storage device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, the power consumption of the storage device can be sufficiently reduced.

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、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。 The transistor 300 is provided on the substrate 311 and includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 composed of a part of the substrate 311 and a low resistance region 314a and a low resistance region 314b that function as a source region or a drain region. Have.

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、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、および低抵抗領域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。または、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。 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.

低抵抗領域314a、および低抵抗領域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、またはホウ素などの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, an element that imparts n-type conductivity such as arsenic and phosphorus, or a p-type conductivity such as boron is 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、また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 that contains an element that imparts n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element that imparts p-type conductivity such as boron. A material or a conductive material such as a metal oxide material can be used.

なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、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。 The threshold voltage can be adjusted by determining the work function depending on 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.

図14に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面および上面を、絶縁体315を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。 In the transistor 300 shown in FIG. 14, the semiconductor region 313 (a part of the substrate 311) on which the channel is formed has a convex shape. Further, the side surface and the upper surface of the semiconductor region 313 are provided so as to be covered with the conductor 316 via the insulator 315. The conductor 316 may be made of a material that adjusts the work function. Since such a transistor 300 utilizes a convex portion of a semiconductor substrate, it is also called a FIN type transistor. It should be noted that an insulator that is in contact with the upper portion of the convex portion and functions as a mask for forming the convex portion may be provided. Further, although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form a convex portion is shown here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.

なお、図14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。 The transistor 300 shown in FIG. 14 is an example, and the transistor 300 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.

トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体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、および絶縁体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 nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, aluminum nitride, aluminum nitride and the like can be used. Just do it.

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、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200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, as 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 200 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200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、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200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 200, so that the characteristics of the semiconductor element may deteriorate. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 200 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、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, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is 10 × 10 in the range of 50 ° C. to 500 ° C. in the TDS analysis, in which the amount desorbed in terms of hydrogen atoms is converted into the area of the insulator 324. It may be 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、および絶縁体326には導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330はプラグ、または配線としての機能を有する。また、プラグまた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、配線と電気的に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、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 Further, a conductor 328, a conductor 330, and the like are embedded in the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326. The conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or a wiring. Further, a conductor having a function as a plug or a wiring may collectively give a plurality of structures the same reference numerals. Further, in the present specification and the like, the wiring and the plug electrically 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、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層また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。または、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 single-layered or laminated. 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 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、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図14において、絶縁体350、絶縁体352、絶縁体354、絶縁体360、絶縁体362、絶縁体364、絶縁体370、絶縁体372、絶縁体374、絶縁体380、絶縁体382および絶縁体384が順に積層して設けられている。また、これら絶縁体には、導電体356、導電体366、導電体376および導電体386が形成されている。これら導電体は、プラグ、または配線としての機能を有する。なおこれら導電体は、導電体328、および導電体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. 14, insulator 350, insulator 352, insulator 354, insulator 360, insulator 362, insulator 364, insulator 370, insulator 372, insulator 374, insulator 380, insulator 382 and Insulators 384 are laminated and provided in order. Further, a conductor 356, a conductor 366, a conductor 376 and a conductor 386 are formed on these insulators. These conductors have a function as a plug or a wiring. These conductors can be provided by using the same materials as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、絶縁体350、絶縁体360、絶縁体370および絶縁体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356、導電体366、導電体376および導電体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。例えば、絶縁体350と導電体356についてみた場合、絶縁体350が有する開口部に導電体356が形成されることで、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。他の絶縁体と導電体についても同じことが言える。 As the insulator 350, the insulator 360, the insulator 370, and the insulator 380, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 356, the conductor 366, the conductor 376 and the conductor 386 preferably contain a conductor having a barrier property against hydrogen. For example, in the case of the insulator 350 and the conductor 356, the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed by forming the conductor 356 in the opening of the insulator 350. The same is true for other insulators and conductors.

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。 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.

絶縁体384上には絶縁体214および絶縁体216が積層して設けられている。絶縁体214および絶縁体216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。 Insulator 214 and insulator 216 are laminated and provided on the insulator 384. As either the insulator 214 or the insulator 216, it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen.

例えば、絶縁体214には、例えば、基板311またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ200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。従って、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 214, 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 200 is provided, for example, from the region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided. 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200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、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200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 200, so that the characteristics of the semiconductor element may deteriorate. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 200 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214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 a film having a barrier property against hydrogen, for example, it is preferable to use a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide for the insulator 214.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およ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および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200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200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 200 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 200. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.

また、例えば、絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的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。例えば、絶縁体216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 216. Further, by using a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 216, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used.

また、絶縁体214および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体(例えばバックゲートとして機能する電極)等が埋め込まれている。導電体218は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 Further, in the insulator 214 and the insulator 216, a conductor 218, a conductor constituting the transistor 200 (for example, an electrode functioning as a back gate) and the like are embedded. The conductor 218 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

導電体218は、酸素、水素、およ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200とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全に分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 The conductor 218 is preferably a conductor having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 200 can be completely 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 200 can be suppressed. ..

絶縁体216の上方には、トランジスタ200が設けられている。なお、トランジスタ200としては、OSトランジスタを用いればよい。トランジスタ200の詳細は後述する実施の形態4で説明を行う。 A transistor 200 is provided above the insulator 216. As the transistor 200, an OS transistor may be used. Details of the transistor 200 will be described in the fourth embodiment described later.

トランジスタ200の上方には、絶縁体280を設ける。絶縁体280には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ200に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ200近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ200が有する金属酸化物406の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。また、トランジスタ200を覆う絶縁体280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。なお、絶縁体280は、トランジスタ200の上部に形成される絶縁体225に接して設けられる。 An insulator 280 is provided above the transistor 200. It is preferable that the insulator 280 is formed with an excess oxygen region. In particular, when an oxide semiconductor is used for the transistor 200, the oxygen deficiency of the metal oxide 406 of the transistor 200 can be reduced by providing an insulator having an excess oxygen region in the interlayer film or the like in the vicinity of the transistor 200. Reliability can be improved. Further, the insulator 280 that covers the transistor 200 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 280. The insulator 280 is provided in contact with the insulator 225 formed on the upper portion of the transistor 200.

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、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, as the insulator having an excess oxygen region, it is preferable to use an oxide material in which a part of oxygen is desorbed by heating. Oxides that desorb oxygen by heating have an oxygen desorption amount of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 in terms of oxygen atoms in TDS analysis. It is an oxide film having 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 500 ° C. or lower.

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。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。 For example, as such a material, it is preferable to use a material containing silicon oxide or silicon oxide nitride. Alternatively, a metal oxide can be used. In the present specification, silicon oxide 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.

絶縁体280上に、絶縁体282を設ける構成にしてもよい。絶縁体282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。従って、絶縁体282には、絶縁体214と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体282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。また、例えば、絶縁体282をスパッタリング法によって、酸素を含むプラズマを用いて成膜すると該酸化物の下地層となる絶縁体280へ酸素を添加することができる。 The insulator 282 may be provided on the insulator 280. As the insulator 282, it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen. Therefore, the same material as that of the insulator 214 can be used for the insulator 282. For example, it is preferable to use a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 282. Further, for example, when the insulator 282 is formed into a film by a sputtering method using plasma containing oxygen, oxygen can be added to the insulator 280 which is the base layer of the oxide.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およ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および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200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200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 200 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 200. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.

また、絶縁体282上には、絶縁体286が設けられている。絶縁体286は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的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。例えば、絶縁体286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 286 is provided on the insulator 282. As the insulator 286, the same material as the insulator 320 can be used. Further, by using a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 286, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used.

また、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体225、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体286には、導電体246、および導電体248等が埋め込まれている。 Further, a conductor 246, a conductor 248 and the like are embedded in the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, the insulator 225, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 286.

導電体246、および導電体248は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 246 and the conductor 248 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200の上方には、容量素子100が設けられている。容量素子100は、導電体110と、導電体120、および絶縁体130とを有する。 Subsequently, a capacitance element 100 is provided above the transistor 200. The capacitive element 100 has a conductor 110, a conductor 120, and an insulator 130.

また、導電体246、および導電体248上に、導電体112を設けてもよい。なお、導電体112、および導電体110は、同時に形成することができる。 Further, the conductor 112 may be provided on the conductor 246 and the conductor 248. The conductor 112 and the conductor 110 can be formed at the same time.

導電体112、および導電体110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、また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 112 and the conductor 110 are formed of 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. (Tantalum 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 tin oxide.

図14では、導電体112、および導電体110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、およ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. 14, the conductor 112 and the conductor 110 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 a conductor having a high conductivity may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.

また、導電体112、および導電体110上に、容量素子100の誘電体として、絶縁体130を設ける。絶縁体130は、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、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。 Further, an insulator 130 is provided on the conductor 112 and the conductor 110 as a dielectric of the capacitance element 100. The insulator 130 includes, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxide, hafnium nitride, hafnium nitride, and the like. It may be used and may be provided in a laminated or single layer.

例えば、絶縁体130には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子100は、絶縁体130を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子100の静電破壊を抑制することができる。 For example, for the insulator 130, a material having a large dielectric strength such as silicon oxide may be used. With this configuration, the capacitive element 100 has the insulator 130, so that the dielectric strength is improved and the electrostatic breakdown of the capacitive element 100 can be suppressed.

絶縁体130上に、導電体110と重畳するように、導電体120を設ける。なお、導電体120は、金属材料、合金材料、また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 120 is provided on the insulator 130 so as to overlap with the conductor 110. As the conductor 120, 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 another structure such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which are low resistance metal materials, may be used.

導電体120、および絶縁体130上には、絶縁体150が設けられている。絶縁体150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150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 150 is provided on the conductor 120 and the insulator 130. The insulator 150 can be provided by using the same material as the insulator 320. Further, the insulator 150 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 150.

以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、OSトランジスタを用いた記憶装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、OSトランジスタを用いた記憶装置において、消費電力を低減することができる。または、OSトランジスタを用いた記憶装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された記憶装置を生産性良く提供することができる。 The above is the description of the configuration example. By using this configuration, in a storage device using an OS transistor, fluctuations in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, power consumption can be reduced in a storage device using an OS transistor. Alternatively, in a storage device using an OS transistor, miniaturization or high integration can be achieved. Alternatively, a miniaturized or highly integrated storage device can be provided with high productivity.

<記憶装置10の変形例1>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図15に示す。
<Modification 1 of storage device 10>
Further, an example of a modification of the present embodiment is shown in FIG.

図15は、図14のトランジスタ200をトランジスタ201に置き替えた場合の断面模式図である。トランジスタ200と同様、トランジスタ201はOSトランジスタである。なお、トランジスタ201の詳細は後述する実施の形態4で説明を行う。 FIG. 15 is a schematic cross-sectional view when the transistor 200 of FIG. 14 is replaced with the transistor 201. Like the transistor 200, the transistor 201 is an OS transistor. The details of the transistor 201 will be described in the fourth embodiment described later.

図15のその他の構成例の詳細は、図14の記載を参酌すればよい。 For details of the other configuration examples of FIG. 15, the description of FIG. 14 may be referred to.

(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態3に示すトランジスタ200およびトランジスタ201の詳細について、図16乃至図20を用いて説明を行う。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, the details of the transistor 200 and the transistor 201 shown in the third embodiment will be described with reference to FIGS. 16 to 20.

<<トランジスタ200>>
まず、図14に示すトランジスタ200の詳細について説明を行う。
<< Transistor 200 >>
First, the details of the transistor 200 shown in FIG. 14 will be described.

図16(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図16(B)は、図16(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図16(C)は、図16(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。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。 FIG. 16A is a top view of the semiconductor device having the transistor 200. Further, FIG. 16B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A1-A2 in FIG. 16A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction. Further, FIG. 16C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A3-A4 in FIG. 16A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction. In the top view of FIG. 16A, some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.

図16(A)から(C)に示すように、トランジスタ200は、基板(図示せず)の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された金属酸化物406aと、金属酸化物406aの上面の少なくとも一部に接して配置された金属酸化物406bと、金属酸化物406bの上に配置された絶縁体412と、絶縁体412の上に配置された導電体404aと、導電体404aの上に配置された導電体404bと、導電体404bの上に配置された絶縁体419と、絶縁体412、導電体404a、および導電体404b、および絶縁体419の側面に接して配置された絶縁体418と、金属酸化物406bの上面に接し、かつ絶縁体418の側面に接して配置された絶縁体225と、を有する。ここで、図16(B)に示すように、絶縁体418の上面は、絶縁体419の上面と略一致することが好ましい。また、絶縁体225は、絶縁体419、導電体404、絶縁体418、および金属酸化物406を覆って設けられることが好ましい。 As shown in FIGS. 16A to 16C, the conductor 200 includes an insulator 224 arranged on a substrate (not shown), a metal oxide 406a arranged on the insulator 224, and the like. A metal oxide 406b arranged in contact with at least a part of the upper surface of the metal oxide 406a, an insulator 412 arranged on the metal oxide 406b, and a conductor 404a arranged on the insulator 412. , The conductor 404b arranged on the conductor 404a, the insulator 419 arranged on the conductor 404b, the insulator 412, the conductor 404a, and the conductor 404b, and the side surface of the insulator 419. The insulator 418 is arranged in contact with the upper surface of the metal oxide 406b, and the insulator 225 is arranged in contact with the side surface of the insulator 418. Here, as shown in FIG. 16B, it is preferable that the upper surface of the insulator 418 substantially coincides with the upper surface of the insulator 419. Further, the insulator 225 is preferably provided so as to cover the insulator 419, the conductor 404, the insulator 418, and the metal oxide 406.

以下において、金属酸化物406aと金属酸化物406bをまとめて金属酸化物406という場合がある。なお、トランジスタ200では、金属酸化物406aおよび金属酸化物406b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、金属酸化物406bのみを設ける構成にしてもよい。また、導電体404aと導電体404bをまとめて導電体404という場合がある。なお、トランジスタ200では、導電体404aおよび導電体404b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404bのみを設ける構成にしてもよい。 In the following, the metal oxide 406a and the metal oxide 406b may be collectively referred to as the metal oxide 406. Although the transistor 200 shows a configuration in which the metal oxide 406a and the metal oxide 406b are laminated, the present invention is not limited to this. For example, only the metal oxide 406b may be provided. Further, the conductor 404a and the conductor 404b may be collectively referred to as the conductor 404. Although the transistor 200 shows a configuration in which the conductor 404a and the conductor 404b are laminated, the present invention is not limited to this. For example, only the conductor 404b may be provided.

導電体440は、絶縁体384の開口の内壁に接して導電体440aが形成され、さらに内側に導電体440bが形成されている。ここで、導電体440aおよび導電体440bの上面の高さと、絶縁体384の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体440aおよび導電体440b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440bのみを設ける構成にしてもよい。 The conductor 440 is in contact with the inner wall of the opening of the insulator 384 to form the conductor 440a, and the conductor 440b is further formed inside. Here, the height of the upper surface of the conductor 440a and the conductor 440b can be made the same as the height of the upper surface of the insulator 384. Although the transistor 200 shows a configuration in which the conductor 440a and the conductor 440b are laminated, the present invention is not limited to this. For example, only the conductor 440b may be provided.

導電体310は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して導電体310aが形成され、さらに内側に導電体310bが形成されている。よって、導電体310aは導電体440bに接する構成が好ましい。ここで、導電体310aおよび導電体310bの上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体310aおよび導電体310b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310bのみを設ける構成にしてもよい。 In the conductor 310, the conductor 310a is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 214 and the insulator 216, and the conductor 310b is further formed inside. Therefore, it is preferable that the conductor 310a is in contact with the conductor 440b. Here, the heights of the upper surfaces of the conductors 310a and 310b and the heights of the upper surfaces of the insulator 216 can be made about the same. Although the transistor 200 shows a configuration in which the conductor 310a and the conductor 310b are laminated, the present invention is not limited to this. For example, only the conductor 310b may be provided.

導電体404は、トップゲートとして機能でき、導電体310は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。 The conductor 404 can function as a top gate, and the conductor 310 can function as a back gate. The potential of the back gate may be the same potential as that of the top gate, or may be a ground potential or an arbitrary potential. Further, the threshold voltage of the transistor can be changed by changing the potential of the back gate independently without interlocking with the top gate.

導電体440は、導電体404と同様にチャネル幅方向に延伸されており、導電体310、すなわちバックゲートに電位を印加する配線として機能する。ここで、バックゲートの配線として機能する導電体440の上に積層して、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれた導電体310を設けることにより、導電体440と導電体404の間に絶縁体214および絶縁体216などが設けられ、導電体440と導電体404の間の寄生容量を低減し、絶縁耐圧を高めることができる。導電体440と導電体404の間の寄生容量を低減することで、トランジスタのスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体440と導電体404の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体214および絶縁体216の膜厚を大きくすることが好ましい。なお、導電体440の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ200のチャネル長方向に延伸されてもよい。 The conductor 440 is stretched in the channel width direction like the conductor 404, and functions as a wiring for applying an electric potential to the conductor 310, that is, the back gate. Here, by stacking on the conductor 440 that functions as the wiring of the back gate and providing the conductor 310 embedded in the insulator 214 and the insulator 216, insulation is provided between the conductor 440 and the conductor 404. A body 214, an insulator 216, and the like are provided, and the parasitic capacitance between the conductor 440 and the conductor 404 can be reduced, and the insulation withstand voltage can be increased. By reducing the parasitic capacitance between the conductor 440 and the conductor 404, the switching speed of the transistor can be improved and the transistor can have high frequency characteristics. Further, the reliability of the transistor 200 can be improved by increasing the withstand voltage between the conductor 440 and the conductor 404. Therefore, it is preferable to increase the film thickness of the insulator 214 and the insulator 216. The stretching direction of the conductor 440 is not limited to this, and may be stretched in the channel length direction of the transistor 200, for example.

ここで、導電体310aおよび導電体440aは、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する(透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、下層から水素、水などの不純物が導電体440および導電体310を通じて上層に拡散するのを抑制することができる。なお、導電体310aおよび導電体440aは、水素原子、水素分子、水分子、酸素原子、酸素分子、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または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料について記載する場合も同様である。導電体310aおよび導電体440aが酸素の透過を抑制する機能を持つことにより、導電体310bおよび導電体440bが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。 Here, as the conductor 310a and the conductor 440a, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen (difficult to permeate). For example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used, and may be a single layer or a laminated layer. This makes it possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing from the lower layer to the upper layer through the conductor 440 and the conductor 310. Incidentally, the conductor 310a and the conductor 440a is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, an oxygen atom, an oxygen molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O, NO, etc. NO 2), copper atoms etc. It is preferable to have a function of suppressing the permeation of at least one of the impurities or oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.). Further, the same applies to the case where the conductive material having a function of suppressing the permeation of impurities is described below. Since the conductor 310a and the conductor 440a have a function of suppressing the permeation of oxygen, it is possible to prevent the conductor 310b and the conductor 440b from being oxidized and the conductivity from being lowered.

また、導電体310bは、タングステン、銅、また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、図示しないが、導電体310bは積層構造としても良く、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。 Further, as the conductor 310b, it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, although not shown, the conductor 310b may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.

また、導電体440bは、配線として機能するため、導電体310bより導電性が高い導電体を用いることが好ましく、例えば、銅、また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、図示しないが、導電体440bは積層構造としても良く、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。 Further, since the conductor 440b functions as a wiring, it is preferable to use a conductor having a higher conductivity than the conductor 310b, and for example, a conductive material containing copper or aluminum as a main component can be used. Further, although not shown, the conductor 440b may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.

絶縁体214は、下層から水または水素などの不純物がトランジスタに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体214は、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体214として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体214より上層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体214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少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料について記載する場合も同様である。 The insulator 214 can function as a barrier insulating film that prevents impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor from the lower layer. As the insulator 214, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen. For example, it is preferable to use silicon nitride or the like as the insulator 214. This makes it possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing into the upper layer of the insulator 214. The insulating member 214 is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O, NO, etc. NO 2), inhibit at least one transmission of impurities such as copper atoms It is preferable to have a function. The same applies to the case where an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities is described below.

また、絶縁体214は、酸素(例えば、酸素原子または酸素分子など)の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体224などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。 Further, as the insulator 214, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of oxygen (for example, oxygen atom or oxygen molecule). As a result, it is possible to suppress the downward diffusion of oxygen contained in the insulator 224 and the like.

また、導電体440の上に導電体310を積層して設ける構成にすることにより、導電体440と導電体310の間に絶縁体214を設けることができる。ここで、導電体440bに銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体214として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを防ぐことができる。 Further, by stacking the conductor 310 on the conductor 440, the insulator 214 can be provided between the conductor 440 and the conductor 310. Here, even if a metal such as copper that is easily diffused is used for the conductor 440b, it is possible to prevent the metal from diffusing into the layer above the insulator 214 by providing silicon nitride or the like as the insulator 214.

また、絶縁体222は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体222より下層から水素、水などの不純物が絶縁体222より上層に拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体224などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。 Further, as the insulator 222, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen, and for example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. This makes it possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing from the layer below the insulator 222 to the layer above the insulator 222. Further, it is possible to suppress the downward diffusion of oxygen contained in the insulator 224 and the like.

また、絶縁体224中の水、水素または窒素酸化物などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体224の水素の脱離量は、昇温脱離ガス分析法(TDS(Thermal Desorption Spectroscopy))において、50℃から500℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体224の面積当たりに換算して、2×1015molecules/cm以下、好ましくは1×1015molecules/cm以下、より好ましくは5×1014molecules/cm以下であればよい。また、絶縁体224は、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。 Further, it is preferable that the concentration of impurities such as water, hydrogen or nitrogen oxides in the insulator 224 is reduced. For example, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 224 is determined by the amount of desorption converted into hydrogen molecules in the range of 50 ° C. to 500 ° C. in the temperature desorption gas analysis method (TDS (Thermal Desorption Spectroscopy)). In terms of the area of the body 224, it may be 2 × 10 15 molecules / cm 2 or less, preferably 1 × 10 15 molecules / cm 2 or less, and more preferably 5 × 10 14 molecules / cm 2 or less. Further, the insulator 224 is preferably formed by using an insulator in which oxygen is released by heating.

絶縁体412は、第1のゲート絶縁膜として機能でき、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、第2のゲート絶縁膜として機能できる。なお、トランジスタ200では、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224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、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224のうちいずれか2層を積層した構造にしてもよいし、いずれか1層を用いる構造にしてもよい。 The insulator 412 can function as a first gate insulating film, and the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 can function as a second gate insulating film. Although the transistor 200 shows a configuration in which an insulator 220, an insulator 222, and an insulator 224 are laminated, the present invention is not limited to this. For example, the structure may be such that any two layers of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are laminated, or a structure using any one layer may be used.

金属酸化物406は、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。金属酸化物としては、エネルギーギャップが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、エネルギーギャップの広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 406, it is preferable to use a metal oxide that functions as an oxide semiconductor. As the metal oxide, it is preferable to use an oxide having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. As described above, by using the metal oxide having a wide energy gap, the off-current of the transistor can be reduced.

金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、金属酸化物は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。 A transistor using a metal oxide has an extremely small leakage current in a non-conducting state, so that a semiconductor device having low power consumption can be provided. Further, since the metal oxide can be formed into a film by using a sputtering method or the like, it can be used for a transistor constituting a highly integrated semiconductor device.

金属酸化物406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。 The metal oxide 406 preferably contains at least indium or zinc. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition to them, aluminum, gallium, yttrium, tin and the like are preferably contained. It may also contain one or more selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like.

ここでは、金属酸化物406が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn−M−Zn酸化物である場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、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、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Here, consider the case where the metal oxide 406 is an In—M—Zn oxide having indium, the element M, and zinc. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Examples of elements applicable to the other element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, as the element M, a plurality of the above-mentioned elements may be combined in some cases.

なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。 In addition, in this specification and the like, a metal oxide having nitrogen may also be generically referred to as a metal oxide. Further, a metal oxide having nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.

ここで、金属酸化物406a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、金属酸化物406b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、金属酸化物406a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、金属酸化物406b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、金属酸化物406b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、金属酸化物406a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。 Here, in the metal oxide used for the metal oxide 406a, 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 for the metal oxide 406b. Is preferable. Further, in the metal oxide used for the metal oxide 406a, 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 metal oxide 406b. Further, in the metal oxide used for the metal oxide 406b, 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 metal oxide 406a.

以上のような金属酸化物を金属酸化物406aとして用いて、金属酸化物406aの伝導帯下端のエネルギーが、金属酸化物406bの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における、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、金属酸化物406aの電子親和力が、金属酸化物406bの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における電子親和力より小さいことが好ましい。 Using the above metal oxide as the metal oxide 406a, the energy at the lower end of the conduction band of the metal oxide 406a is higher than the energy at the lower end of the conduction band in the region where the energy at the lower end of the conduction band of the metal oxide 406b is low. Is preferable. In other words, it is preferable that the electron affinity of the metal oxide 406a is smaller than the electron affinity of the metal oxide 406b in the region where the energy at the lower end of the conduction band is low.

ここで、金属酸化物406aおよび金属酸化物406b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、連続的に変化また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、金属酸化物406aと金属酸化物406b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, in the metal oxide 406a and the metal oxide 406b, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can also be said to be continuously changing or continuously joining. In order to do so, it is preferable to reduce the defect level density of the mixed layer formed at the interface between the metal oxide 406a and the metal oxide 406b.

具体的には、金属酸化物406aと金属酸化物406b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、金属酸化物406bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、金属酸化物406a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, since the metal oxide 406a and the metal oxide 406b have a common element (main component) other than oxygen, a mixed layer having a low defect level density can be formed. For example, when the metal oxide 406b is an In-Ga-Zn oxide, it is preferable to use In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, gallium oxide or the like as the metal oxide 406a.

このとき、キャリアの主たる経路は金属酸化物406bに形成されるナローギャップ部分となる。金属酸化物406aと金属酸化物406b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ため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。 At this time, the main path of the carrier is the narrow gap portion formed in the metal oxide 406b. Since the defect level density at the interface between the metal oxide 406a and the metal oxide 406b can be lowered, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is small, and a high on-current can be obtained.

また、金属酸化物406は、領域426a、領域426b、および領域426cを有する。領域426aは、図16(B)に示すように、領域426bと領域426cに挟まれる。領域426bおよび領域426cは、絶縁体225の成膜により低抵抗化された領域であり、領域426aより導電性が高い領域となる。領域426bおよび領域426cは、絶縁体225の成膜雰囲気に含まれる、水素または窒素などの不純物元素が添加される。これにより、金属酸化物406bの絶縁体225と重なる領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。 Further, the metal oxide 406 has a region 426a, a region 426b, and a region 426c. As shown in FIG. 16B, the region 426a is sandwiched between the region 426b and the region 426c. The region 426b and the region 426c are regions whose resistance has been reduced by the film formation of the insulator 225, and are regions having higher conductivity than the region 426a. Impurity elements such as hydrogen and nitrogen contained in the film forming atmosphere of the insulator 225 are added to the regions 426b and 426c. As a result, oxygen deficiency is formed by the added impurity element mainly in the region overlapping the insulator 225 of the metal oxide 406b, and the impurity element enters the oxygen deficiency, so that the carrier density becomes high and the resistance is low. Be transformed.

よって、領域426bおよび領域426cは、領域426aより、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素または窒素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)などを用いて測定すればよい。ここで、領域426aの水素または窒素の濃度としては、金属酸化物406bの絶縁体412と重なる領域の中央近傍(例えば、金属酸化物406bの絶縁体412のチャネル長方向の両側面からの距離が概略等しい部分)の水素または窒素の濃度を測定すればよい。 Therefore, it is preferable that the concentration of at least one of hydrogen and nitrogen in the region 426b and the region 426c is higher than that in the region 426a. The concentration of hydrogen or nitrogen may be measured by using secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like. Here, as the concentration of hydrogen or nitrogen in the region 426a, the distance from both sides in the channel length direction of the vicinity of the center of the region overlapping the insulator 412 of the metal oxide 406b (for example, the insulator 412 of the metal oxide 406b) is used. The concentration of hydrogen or nitrogen in approximately equal parts) may be measured.

なお、領域426bおよび領域426cは、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。よって、領域426bおよび領域426cは、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。 The resistance of the region 426b and the region 426c is reduced by adding an element that forms an oxygen deficiency or an element that binds to the oxygen deficiency. Typical examples of such elements include hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, and rare gases. Typical examples of noble gas elements include helium, neon, argon, krypton, xenon and the like. Therefore, the region 426b and the region 426c may be configured to contain one or more of the above elements.

また、金属酸化物406aは、領域426bおよび領域426cにおいて、元素Mに対するInの原子数比が、金属酸化物406bの元素Mに対するInの原子数比と同程度になることが好ましい。言い換えると、金属酸化物406aは、領域426bおよび領域426cにおける元素Mに対するInの原子数比が、領域426a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。ここで、金属酸化物406は、インジウムの含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。このような構成にすることにより、トランジスタ200の作製工程において、金属酸化物406bの膜厚が薄くなり、金属酸化物406bの電気抵抗が大きくなった場合でも、領域426bおよび領域426cにおいて、金属酸化物406aが十分低抵抗化されており、金属酸化物406の領域426bおよび領域426cはソース領域およびドレイン領域として機能させることができる。 Further, it is preferable that the atomic number ratio of In to the element M of the metal oxide 406a is about the same as the atomic number ratio of In to the element M of the metal oxide 406b in the region 426b and the region 426c. In other words, in the metal oxide 406a, it is preferable that the atomic number ratio of In to the element M in the region 426b and 426c is larger than the atomic number ratio of In to the element M in the region 426a. Here, the metal oxide 406 can increase the carrier density and reduce the resistance by increasing the indium content. With such a configuration, even when the film thickness of the metal oxide 406b becomes thin and the electric resistance of the metal oxide 406b increases in the manufacturing process of the transistor 200, the metal oxidation occurs in the region 426b and the region 426c. The resistance of the object 406a is sufficiently lowered, and the region 426b and the region 426c of the metal oxide 406 can function as a source region and a drain region.

図16(B)に示す領域426a近傍の拡大図を、図17(A)に示す。図17(A)に示すように、領域426bおよび領域426cは、金属酸化物406の少なくとも絶縁体225と重なる領域に形成される。ここで、金属酸化物406bの領域426bおよび領域426cの一方は、ソース領域として機能でき、他方はドレイン領域として機能できる。また、金属酸化物406bの領域426aはチャネル形成領域として機能できる。 An enlarged view of the vicinity of the region 426a shown in FIG. 16 (B) is shown in FIG. 17 (A). As shown in FIG. 17 (A), the region 426b and the region 426c are formed in a region overlapping with at least the insulator 225 of the metal oxide 406. Here, one of the region 426b and the region 426c of the metal oxide 406b can function as a source region and the other can function as a drain region. Further, the region 426a of the metal oxide 406b can function as a channel forming region.

なお、図16(B)および図17(A)では、領域426a、領域426b、および領域426cが、金属酸化物406bおよび金属酸化物406aに形成されているが、これらの領域は少なくとも金属酸化物406bに形成されていればよい。また、図16(B)などでは、領域426aと領域426bの境界、および領域426aと領域426cの境界を金属酸化物406の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域426bおよび領域426cが金属酸化物406bの表面近傍では導電体404側に張り出し、金属酸化物406aの下面近傍では、絶縁体225側に後退する形状になる場合がある。 In addition, in FIG. 16B and FIG. 17A, the region 426a, the region 426b, and the region 426c are formed in the metal oxide 406b and the metal oxide 406a, but these regions are at least the metal oxide. It suffices if it is formed in 406b. Further, in FIG. 16B and the like, the boundary between the region 426a and the region 426b and the boundary between the region 426a and the region 426c are displayed substantially perpendicular to the upper surface of the metal oxide 406. It is not limited to this. For example, the region 426b and the region 426c may project toward the conductor 404 near the surface of the metal oxide 406b and recede toward the insulator 225 near the lower surface of the metal oxide 406a.

トランジスタ200では、図17(A)に示すように、領域426bおよび領域426cが、金属酸化物406の絶縁体225と接する領域と、絶縁体418、および絶縁体412の両端部近傍と重なる領域に形成される。このとき、領域426bおよび領域426cの導電体404と重なる部分は、所謂オーバーラップ領域(Lov領域ともいう)として機能する。Lov領域を有する構造とすることで、金属酸化物406のチャネル形成領域と、ソース領域およびドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流および移動度を大きくすることができる。 In the transistor 200, as shown in FIG. 17A, the region 426b and the region 426c overlap the region in contact with the insulator 225 of the metal oxide 406, the insulator 418, and the vicinity of both ends of the insulator 412. It is formed. At this time, the portion of the region 426b and the region 426c that overlaps with the conductor 404 functions as a so-called overlapping region (also referred to as a Lov region). By adopting a structure having a Lov region, a high resistance region is not formed between the channel formation region of the metal oxide 406 and the source region and the drain region, so that the on-current and mobility of the transistor can be increased. ..

ただし、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図17(B)に示すように、領域426bおよび領域426cが、金属酸化物406の絶縁体225および絶縁体418と重なる領域に形成される構成にしてもよい。なお、図17(B)に示す構成を別言すると、導電体404のチャネル長方向の幅と、領域426aとの幅と、が概略一致している構成である。図17(B)に示す構成とすることで、ソース領域およびドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。また、図17(B)に示す構成とすることで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。 However, the semiconductor device shown in this embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 17B, the region 426b and the region 426c may be formed in a region overlapping the insulator 225 and the insulator 418 of the metal oxide 406. In other words, the configuration shown in FIG. 17B is such that the width of the conductor 404 in the channel length direction and the width of the region 426a are substantially the same. With the configuration shown in FIG. 17B, since a high resistance region is not formed between the source region and the drain region, the on-current of the transistor can be increased. Further, by adopting the configuration shown in FIG. 17B, since the source region and the drain region and the gate do not overlap in the channel length direction, it is possible to suppress the formation of unnecessary capacitance.

このように、領域426bおよび領域426cの範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 By appropriately selecting the ranges of the region 426b and the region 426c in this way, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics that meet the requirements according to the circuit design.

絶縁体412は、金属酸化物406bの上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体412は、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。このような絶縁体412を金属酸化物406bの上面に接して設けることにより、金属酸化物406bに効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体412中の水また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412の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましく、例えば、1nm程度の膜厚にすればよい。 The insulator 412 is preferably arranged in contact with the upper surface of the metal oxide 406b. The insulator 412 is preferably formed by using an insulator that releases oxygen by heating. By providing such an insulator 412 in contact with the upper surface of the metal oxide 406b, oxygen can be effectively supplied to the metal oxide 406b. Further, similarly to the insulator 224, it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 412 is reduced. The film thickness of the insulator 412 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less, and for example, the film thickness may be about 1 nm.

絶縁体412は酸素を含むことが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、100℃以上700℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量を絶縁体412の面積当たりに換算して、1×1014molecules/cm以上、好ましくは2×1014molecules/cm以上、より好ましくは4×1014molecules/cm以上であればよい。 The insulator 412 preferably contains oxygen. For example, in a heated desorption gas spectroscopy analysis (TDS analysis), the amount of desorption of oxygen molecules per area of the insulator 412 is determined in the range of surface temperature of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower or 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. In terms of, it may be 1 × 10 14 moles / cm 2 or more, preferably 2 × 10 14 moles / cm 2 or more, and more preferably 4 × 10 14 moles / cm 2 or more.

絶縁体412、導電体404、および絶縁体419は、金属酸化物406bと重なる領域を有する。また、絶縁体412、導電体404a、導電体404b、および絶縁体419の側面は略一致することが好ましい。 The insulator 412, the conductor 404, and the insulator 419 have a region overlapping the metal oxide 406b. Further, it is preferable that the side surfaces of the insulator 412, the conductor 404a, the conductor 404b, and the insulator 419 are substantially the same.

導電体404aとして、導電性酸化物を用いることが好ましい。例えば、金属酸化物406aまたは金属酸化物406bとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、In−Ga−Zn系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が[In]:[Ga]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体404aを設けることで、導電体404bへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体404bの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。 It is preferable to use a conductive oxide as the conductor 404a. For example, a metal oxide that can be used as the metal oxide 406a or the metal oxide 406b can be used. In particular, among In-Ga-Zn-based oxides, the atomic number ratio of the metal having high conductivity is [In]: [Ga]: [Zn] = 4: 2: 3 to 4.1, or a value close thereto. It is preferable to use one. By providing such a conductor 404a, it is possible to suppress the permeation of oxygen into the conductor 404b and prevent the electric resistance value of the conductor 404b from increasing due to oxidation.

また、このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体412に酸素を添加し、金属酸化物406bに酸素を供給することが可能となる。これにより、金属酸化物406の領域426aの酸素欠損を低減することができる。 Further, by forming such a conductive oxide into a film by using a sputtering method, oxygen can be added to the insulator 412 and oxygen can be supplied to the metal oxide 406b. Thereby, the oxygen deficiency in the region 426a of the metal oxide 406 can be reduced.

導電体404bは、例えばタングステンなどの金属を用いることができる。また、導電体404bとして、導電体404aに窒素などの不純物を添加して導電体404aの導電性を向上できる導電体を用いてもよい。例えば導電体404bは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。また、導電体404bを、窒化チタンなどの金属窒化物と、その上にタングステンなどの金属を積層した構造にしてもよい。 As the conductor 404b, a metal such as tungsten can be used. Further, as the conductor 404b, a conductor capable of improving the conductivity of the conductor 404a by adding an impurity such as nitrogen to the conductor 404a may be used. For example, it is preferable to use titanium nitride or the like for the conductor 404b. Further, the conductor 404b may have a structure in which a metal nitride such as titanium nitride and a metal such as tungsten are laminated on the metal nitride.

ここで、ゲート電極の機能を有する導電体404が、絶縁体412を介して、金属酸化物406bの領域426a近傍の上面及びチャネル幅方向の側面を覆うように設けられる。従って、ゲート電極としての機能を有する導電体404の電界によって、金属酸化物406bの領域426a近傍の上面及びチャネル幅方向の側面を電気的に取り囲むことができる。導電体404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。そのため、金属酸化物406bの領域426a近傍の上面及びチャネル幅方向の側面にチャネルを形成することができるので、ソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を大きくすることができる。また、金属酸化物406bの領域426a近傍の上面及びチャネル幅方向の側面が、導電体404の電界によって取り囲まれていることから、非導通時のリーク電流(オフ電流)を小さくすることができる。 Here, the conductor 404 having the function of the gate electrode is provided so as to cover the upper surface in the vicinity of the region 426a of the metal oxide 406b and the side surface in the channel width direction via the insulator 412. Therefore, the electric field of the conductor 404 having a function as a gate electrode can electrically surround the upper surface of the metal oxide 406b near the region 426a and the side surface in the channel width direction. The structure of the transistor that electrically surrounds the channel formation region by the electric field of the conductor 404 is called a surroundd channel (s-channel) structure. Therefore, since a channel can be formed on the upper surface near the region 426a of the metal oxide 406b and the side surface in the channel width direction, a large current can flow between the source and the drain, and the current (on current) at the time of conduction can be increased. Can be made larger. Further, since the upper surface of the metal oxide 406b near the region 426a and the side surface in the channel width direction are surrounded by the electric field of the conductor 404, the leakage current (off current) at the time of non-conduction can be reduced.

導電体404bの上に絶縁体419が配置されることが好ましい。また、絶縁体419、導電体404a、導電体404b、および絶縁体412の側面は略一致することが好ましい。絶縁体419は、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体419の膜厚を1nm以上20nm以下程度、好ましくは5nm以上510nm以下程度で成膜することができる。ここで、絶縁体419は、絶縁体418と同様に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。 It is preferable that the insulator 419 is arranged on the conductor 404b. Further, it is preferable that the side surfaces of the insulator 419, the conductor 404a, the conductor 404b, and the insulator 412 substantially coincide with each other. The insulator 419 is preferably formed by using an atomic layer deposition (ALD) method. Thereby, the film thickness of the insulator 419 can be formed to be about 1 nm or more and 20 nm or less, preferably about 5 nm or more and 510 nm or less. Here, as the insulator 419, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen as in the insulator 418. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is used. It is preferable to use it.

このような絶縁体419を設けることにより、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体419と絶縁体418で導電体404の上面と側面を覆うことができる。これにより、導電体404を介して、水または水素などの不純物が金属酸化物406に混入することを防ぐことができる。このように、絶縁体418と絶縁体419はゲートを保護するゲートキャップとしての機能を有する。 By providing such an insulator 419, the upper surface and the side surface of the conductor 404 can be covered with the insulator 419 and the insulator 418 having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen. This makes it possible to prevent impurities such as water and hydrogen from being mixed into the metal oxide 406 via the conductor 404. As described above, the insulator 418 and the insulator 419 have a function as a gate cap for protecting the gate.

絶縁体418は、絶縁体412、導電体404、および絶縁体419の側面に接して設けられる。また、絶縁体418の上面は、絶縁体419の上面に略一致することが好ましい。絶縁体418は、ALD法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体418の膜厚を1nm以上20nm以下程度、好ましくは1nm以上3nm以下程度、例えば1nmで成膜することができる。 The insulator 418 is provided in contact with the side surfaces of the insulator 412, the conductor 404, and the insulator 419. Further, it is preferable that the upper surface of the insulator 418 substantially coincides with the upper surface of the insulator 419. The insulator 418 is preferably formed by using the ALD method. As a result, the film thickness of the insulator 418 can be formed at about 1 nm or more and 20 nm or less, preferably about 1 nm or more and 3 nm or less, for example, 1 nm.

上記の通り、金属酸化物406の領域426bおよび領域426cは、絶縁体225の成膜で添加された不純物元素によって形成される。トランジスタが微細化され、チャネル長が10nm乃至30nm程度に形成されている場合、ソース領域またはドレイン領域に含まれる不純物元素が拡散し、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通する恐れがある。これに対して、本実施の形態に示すように、絶縁体418を形成することにより、金属酸化物406の絶縁体225と接する領域どうしの間の距離を大きくすることができるので、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通することを防ぐことができる。さらに、ALD法を用いて、絶縁体418を形成することで、微細化されたチャネル長と同程度以下の膜厚にし、必要以上にソース領域とドレイン領域の距離が広がって、抵抗が増大することをふせぐことができる。 As described above, the regions 426b and 426c of the metal oxide 406 are formed by the impurity elements added in the film formation of the insulator 225. When the transistor is miniaturized and the channel length is formed to be about 10 nm to 30 nm, the impurity elements contained in the source region or the drain region may diffuse, and the source region and the drain region may be electrically conductive. On the other hand, as shown in the present embodiment, by forming the insulator 418, the distance between the regions in contact with the insulator 225 of the metal oxide 406 can be increased, so that the distance from the source region can be increased. It is possible to prevent the drain region from being electrically conductive. Furthermore, by forming the insulator 418 using the ALD method, the film thickness is made equal to or less than the miniaturized channel length, the distance between the source region and the drain region is increased more than necessary, and the resistance is increased. You can block things.

ここで、絶縁体418は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体412中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体412の端部などから金属酸化物406に水素、水などの不純物が浸入するのを抑制することができる。 Here, as the insulator 418, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen, and for example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. This makes it possible to prevent oxygen in the insulator 412 from diffusing to the outside. Further, it is possible to suppress the infiltration of impurities such as hydrogen and water into the metal oxide 406 from the end portion of the insulator 412 and the like.

絶縁体418は、ALD法を用いて絶縁膜を成膜してから、異方性エッチングを行って、当該絶縁膜のうち、絶縁体412、導電体404、および絶縁体419の側面に接する部分を残存させて形成することが好ましい。これにより、上記のように膜厚の薄い絶縁体を容易に形成することができる。また、このとき、導電体404の上に、絶縁体419を設けておくことで、当該異方性エッチングで絶縁体419が一部除去されても、絶縁体418の絶縁体412および導電体404に接する部分を十分残存させることができる。 The insulator 418 is subjected to anisotropic etching after forming an insulating film by the ALD method, and the portion of the insulating film in contact with the side surfaces of the insulator 412, the conductor 404, and the insulator 419. It is preferable to form the residue. As a result, it is possible to easily form an insulator having a thin film thickness as described above. Further, at this time, by providing the insulator 419 on the conductor 404, even if the insulator 419 is partially removed by the anisotropic etching, the insulator 412 and the conductor 404 of the insulator 418 are provided. The part in contact with is sufficiently left.

絶縁体225は、絶縁体419、絶縁体418、金属酸化物406および絶縁体224を覆って設けられる。ここで、絶縁体225は、絶縁体419および絶縁体418の上面に接し、かつ絶縁体418の側面に接して設けられる。絶縁体225は、上述の通り、水素または窒素などの不純物を金属酸化物406に添加して、領域426bおよび領域426cを形成する。このため、絶縁体225は、水素および窒素の少なくとも一方を有することが好ましい。 The insulator 225 is provided so as to cover the insulator 419, the insulator 418, the metal oxide 406, and the insulator 224. Here, the insulator 225 is provided in contact with the upper surface of the insulator 419 and the insulator 418 and in contact with the side surface of the insulator 418. As described above, the insulator 225 adds an impurity such as hydrogen or nitrogen to the metal oxide 406 to form a region 426b and a region 426c. For this reason, the insulator 225 preferably has at least one of hydrogen and nitrogen.

また、絶縁体225は、金属酸化物406bの上面に加えて、金属酸化物406bの側面および金属酸化物406aの側面に接して設けられることが好ましい。これにより、領域426bおよび領域426cにおいて、金属酸化物406bの側面および金属酸化物406aの側面まで低抵抗化することができる。 Further, the insulator 225 is preferably provided in contact with the side surface of the metal oxide 406b and the side surface of the metal oxide 406a in addition to the upper surface of the metal oxide 406b. Thereby, in the region 426b and the region 426c, the resistance can be reduced to the side surface of the metal oxide 406b and the side surface of the metal oxide 406a.

また、絶縁体225は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体225として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。このような絶縁体225を形成することで、絶縁体225を透過して酸素が浸入し、領域426bおよび領域426cの酸素欠損に酸素を供給して、キャリア密度が低下するのを防ぐことができる。また、絶縁体225を透過して水または水素などの不純物が浸入し、領域426bおよび領域426cが過剰に領域426a側に拡張するのを防ぐことができる。 Further, as the insulator 225, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen. For example, it is preferable to use silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride nitride, aluminum nitride, aluminum nitride or the like as the insulator 225. By forming such an insulator 225, it is possible to prevent oxygen from infiltrating through the insulator 225 and supplying oxygen to the oxygen deficiency in the region 426b and the region 426c to reduce the carrier density. .. Further, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen from infiltrating through the insulator 225 and causing the region 426b and the region 426c to excessively expand to the region 426a side.

絶縁体225の上に絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、絶縁体224などと同様に、膜中の水また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。 It is preferable to provide the insulator 280 on the insulator 225. Like the insulator 224, the insulator 280 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film.

絶縁体280および絶縁体225に形成された開口に導電体450aおよび導電体451aと、導電体450bおよび導電体451bと、が配置される。導電体450aおよび導電体451aと、導電体450bおよび導電体451bと、は、導電体404を挟んで対向して設けられることが好ましい。 The conductor 450a and the conductor 451a, and the conductor 450b and the conductor 451b are arranged in the openings formed in the insulator 280 and the insulator 225. It is preferable that the conductor 450a and the conductor 451a and the conductor 450b and the conductor 451b are provided so as to face each other with the conductor 404 interposed therebetween.

ここで、絶縁体280および絶縁体225の開口の内壁に接して導電体450aが形成され、さらに内側に導電体451aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には金属酸化物406の領域426bが位置しており、導電体450aは領域426bと接する。同様に、絶縁体280および絶縁体225の開口の内壁に接して導電体450bが形成され、さらに内側に導電体451bが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には金属酸化物406の領域426cが位置しており、導電体450bは領域426cと接する。 Here, the conductor 450a is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulator 280 and the insulator 225, and the conductor 451a is further formed inside. A region 426b of the metal oxide 406 is located at least in part of the bottom of the opening, and the conductor 450a is in contact with the region 426b. Similarly, the conductor 450b is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 280 and the insulator 225, and the conductor 451b is further formed inside. A region 426c of the metal oxide 406 is located at least in part of the bottom of the opening, and the conductor 450b is in contact with the region 426c.

ここで、図16(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図を図18(A)に示す。なお、図18(A)では、導電体450bおよび導電体451bの断面図を示すが、導電体450aおよび導電体451aの構造も同様である。 Here, FIG. 18 (A) shows a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line in FIG. 16 (A). Although FIG. 18A shows a cross-sectional view of the conductor 450b and the conductor 451b, the structures of the conductor 450a and the conductor 451a are also the same.

図16(B)および図18(A)に示すように、導電体450bは、少なくとも金属酸化物406の上面と接し、さらに金属酸化物406の側面と接することが好ましい。特に、図18(A)に示すように、導電体450bは、金属酸化物406のチャネル幅方向のA5側の側面およびA6側の側面双方、または一方と接することが好ましい。また、図16(B)に示すように、導電体450bが、金属酸化物406のチャネル長方向のA2側の側面と接する構成にしてもよい。このように、導電体450bが金属酸化物406の上面に加えて、金属酸化物406の側面と接する構成にすることにより、導電体450bと金属酸化物406のコンタクト部の上面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体450bと金属酸化物406の接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。なお、導電体450aおよび導電体451aについても上記と同様のことが言える。 As shown in FIGS. 16B and 18A, it is preferable that the conductor 450b is in contact with at least the upper surface of the metal oxide 406 and further in contact with the side surface of the metal oxide 406. In particular, as shown in FIG. 18A, it is preferable that the conductor 450b is in contact with both or one of the side surface on the A5 side and the side surface on the A6 side in the channel width direction of the metal oxide 406. Further, as shown in FIG. 16B, the conductor 450b may be configured to be in contact with the side surface of the metal oxide 406 on the A2 side in the channel length direction. In this way, by forming the conductor 450b in contact with the side surface of the metal oxide 406 in addition to the upper surface of the metal oxide 406, the upper area of the contact portion between the conductor 450b and the metal oxide 406 is not increased. , The contact area of the contact portion can be increased, and the contact resistance between the conductor 450b and the metal oxide 406 can be reduced. As a result, the on-current can be increased while miniaturizing the source electrode and the drain electrode of the transistor. The same can be said for the conductor 450a and the conductor 451a.

ここで、導電体450aはトランジスタ200のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域426bと接しており、導電体450bはトランジスタ200のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域426cと接している。よって、導電体450aおよび導電体451aはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体450bおよび導電体451bはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。領域426bおよび領域426cは低抵抗化されているので、導電体450aと領域426bの接触抵抗、および導電体450bと領域426cの接触抵抗を低減し、トランジスタ200のオン電流を大きくすることができる。 Here, the conductor 450a is in contact with a region 426b that functions as one of the source region and the drain region of the transistor 200, and the conductor 450b is in contact with a region 426c that functions as the other of the source region and the drain region of the transistor 200. .. Therefore, the conductor 450a and the conductor 451a can function as one of the source electrode and the drain electrode, and the conductor 450b and the conductor 451b can function as the other of the source electrode and the drain electrode. Since the regions 426b and 426c have low resistances, the contact resistance between the conductor 450a and the region 426b and the contact resistance between the conductor 450b and the region 426c can be reduced, and the on-current of the transistor 200 can be increased.

ここで、導電体450aおよび導電体450bは、導電体310aなどと同様に、水または水素などの不純物の透過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。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体280より上層から水素、水などの不純物が導電体451aおよび導電体451bを通じて金属酸化物406に混入するのを抑制することができる。 Here, as the conductor 450a and the conductor 450b, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen, similarly to the conductor 310a and the like. For example, tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used, and a single layer or a laminated layer may be used. As a result, it is possible to prevent impurities such as hydrogen and water from being mixed into the metal oxide 406 from the layer above the insulator 280 through the conductor 451a and the conductor 451b.

また、導電体451aおよび導電体451bは、タングステン、銅、また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、図示しないが、導電体451aおよび導電体451bは積層構造としても良く、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。 Further, as the conductor 451a and the conductor 451b, it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, although not shown, the conductor 451a and the conductor 451b may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.

なお、図16(B)および図18(A)では、導電体450aおよび導電体450bが、金属酸化物406aおよび金属酸化物406bの両方と接しているが、これに限られず、例えば、金属酸化物406bのみと接する構成にしてもよい。また、導電体450a、導電体451a、導電体450b、および導電体451bの上面の高さは同程度にできる。また、トランジスタ200では、導電体450aと導電体451aを積層にし、導電体450bと導電体451bを積層に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451aと導電体451bのみを設ける構成にしてもよい。 In addition, in FIG. 16B and FIG. 18A, the conductor 450a and the conductor 450b are in contact with both the metal oxide 406a and the metal oxide 406b, but the present invention is not limited to this, and for example, metal oxidation. It may be configured to be in contact with only the object 406b. Further, the heights of the upper surfaces of the conductor 450a, the conductor 451a, the conductor 450b, and the conductor 451b can be made the same. Further, in the transistor 200, the configuration in which the conductor 450a and the conductor 451a are laminated and the conductor 450b and the conductor 451b are laminated is shown, but the present invention is not limited to this. For example, only the conductor 451a and the conductor 451b may be provided.

また、図16(B)および図18(A)では、絶縁体224が、導電体450aおよび導電体450bが設けられる開口の底部になっているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。図18(B)に示すように、絶縁体222が、導電体450aおよび導電体450bが設けられる開口の底部になる場合もある。図16(B)および図18(A)に示す場合は、導電体450b(導電体450a)が、絶縁体224、金属酸化物406a、金属酸化物406b、絶縁体225、および絶縁体280と接する。図18(B)に示す場合では、導電体450b(導電体450a)が、絶縁体222、絶縁体224、金属酸化物406a、金属酸化物406b、絶縁体225、および絶縁体280と接する。 Further, in FIGS. 16B and 18A, the insulator 224 is the bottom of the opening in which the conductor 450a and the conductor 450b are provided, but the present embodiment is not limited to this. No. As shown in FIG. 18B, the insulator 222 may be the bottom of the opening in which the conductor 450a and the conductor 450b are provided. In the case shown in FIGS. 16B and 18A, the conductor 450b (conductor 450a) is in contact with the insulator 224, the metal oxide 406a, the metal oxide 406b, the insulator 225, and the insulator 280. .. In the case shown in FIG. 18B, the conductor 450b (conductor 450a) is in contact with the insulator 222, the insulator 224, the metal oxide 406a, the metal oxide 406b, the insulator 225, and the insulator 280.

次に、トランジスタ200の構成材料について説明する。 Next, the constituent materials of the transistor 200 will be described.

<基板>
トランジスタ200を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
<Board>
As the substrate on which the transistor 200 is formed, for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used. Examples of the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (yttria-stabilized zirconia substrate, etc.), a resin substrate, and the like. Further, examples of the semiconductor substrate include a semiconductor substrate such as silicon and germanium, and a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, and gallium oxide. Further, there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the above-mentioned semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate and the like. Examples of the conductor substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, there are a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, and the like. Further, there are a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided in an insulator substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided in a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided in a conductor substrate, and the like. Alternatively, those on which an element is provided may be used. Elements provided on the substrate include a capacitance element, a resistance element, a switch element, a light emitting element, a storage element, and the like.

また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。 Further, a flexible substrate may be used as the substrate. As a method of providing the transistor on the flexible substrate, there is also a method of forming the transistor on the non-flexible substrate, peeling the transistor, and transposing it to the substrate which is the flexible substrate. In that case, it is advisable to provide a release layer between the non-flexible substrate and the transistor. As the substrate, a sheet, film, foil, or the like in which fibers are woven may be used. Further, the substrate may have elasticity. Further, the substrate may have a property of returning to the original shape when bending or pulling is stopped. Alternatively, it may have a property of not returning to the original shape. The substrate has, for example, a region having a thickness of 5 μm or more and 700 μm or less, preferably 10 μm or more and 500 μm or less, and more preferably 15 μm or more and 300 μm or less. By thinning the substrate, the weight of the semiconductor device having a transistor can be reduced. Further, by making the substrate thinner, it may have elasticity even when glass or the like is used, or it may have a property of returning to the original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, it is possible to alleviate the impact applied to the semiconductor device on the substrate due to dropping or the like. That is, it is possible to provide a durable semiconductor device.

可とう性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板として好適である。 As the substrate which is a flexible substrate, for example, metal, alloy, resin or glass, fibers thereof, or the like can be used. As for the substrate which is a flexible substrate, the lower the coefficient of linear expansion, the more the deformation due to the environment is suppressed, which is preferable. As the substrate which is a flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 -3 / K or less, 5 × 10 -5 / K or less, or 1 × 10 -5 / K or less may be used. .. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic and the like. In particular, aramid has a low coefficient of linear expansion and is therefore suitable as a substrate that is a flexible substrate.

<絶縁体>
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
<Insulator>
Examples of the insulator include oxides, nitrides, oxide nitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxide nitrides, metal nitride oxides and the like having insulating properties.

トランジスタを、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁体222、絶縁体214として、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。 By surrounding the transistor with an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, the electrical characteristics of the transistor can be stabilized. For example, as the insulator 222 and the insulator 214, an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen may be used.

水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。 Examples of the insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, tantalum, and zirconium. Insulators containing, lanthanum, neodymium, hafnium or tantalum may be used in single layers or in layers.

また、例えば、絶縁体222および絶縁体214としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。なお、絶縁体222および絶縁体214は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを有することが好ましい。 Further, for example, examples of the insulator 222 and the insulator 214 include metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide or tantalum oxide, and nitrided oxides. Silicon oxide, silicon nitride, or the like may be used. The insulator 222 and the insulator 214 preferably have aluminum oxide, hafnium oxide, or the like.

絶縁体384、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体224および絶縁体412としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体384、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体224および絶縁体412としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。 Examples of the insulator 384, insulator 216, insulator 220, insulator 224 and insulator 412 include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, and the like. Insulators containing yttrium, gallium, lanthanum, neodymium, hafnium or tantalum may be used in single layers or in layers. For example, as the insulator 384, the insulator 216, the insulator 220, the insulator 224, and the insulator 412, it is preferable to have silicon oxide, silicon oxide nitride, or silicon nitride.

絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および/または絶縁体412は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および/または絶縁体412は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などを有することが好ましい。または、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および/または絶縁体412は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体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とすることができる。例えば、絶縁体224および絶縁体412において、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを金属酸化物406と接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、金属酸化物406に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体224および絶縁体412において、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを金属酸化物406と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。 The insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and / or the insulator 412 preferably has an insulator having a high relative permittivity. For example, insulator 220, insulator 222, insulator 224, and / or insulator 412 may be gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides with aluminum and hafnium, nitrides with aluminum and hafnium, silicon and It is preferable to have an oxide having hafnium, an oxide nitride having silicon and hafnium, a nitride having silicon and hafnium, and the like. Alternatively, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and / or the insulator 412 preferably has a laminated structure of silicon oxide or silicon oxide nitride and an insulator having a high relative permittivity. Since silicon oxide and silicon oxide nitride are thermally stable, they can be combined with an insulator having a high relative permittivity to form a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity. For example, in the insulator 224 and the insulator 412, by adopting a structure in which aluminum oxide, gallium oxide or hafnium oxide is in contact with the metal oxide 406, silicon contained in the silicon oxide or silicon oxide nitride is mixed in the metal oxide 406. Can be suppressed. Further, for example, in the insulator 224 and the insulator 412, by forming the silicon oxide or silicon oxide nitride in contact with the metal oxide 406, aluminum oxide, gallium oxide or hafnium oxide, silicon oxide or silicon nitride nitride can be obtained. A trap center may be formed at the interface of. The trap center may be able to fluctuate the threshold voltage of the transistor in the positive direction by capturing electrons.

絶縁体384、絶縁体216、および絶縁体280は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体384、絶縁体216、および絶縁体280は、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、炭素およ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または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体384、絶縁体216、および絶縁体280は、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、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。 The insulator 384, the insulator 216, and the insulator 280 preferably have an insulator having a low relative permittivity. For example, the insulator 384, the insulator 216, and the insulator 280 were added with silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide with fluorine, silicon oxide with carbon added, carbon and nitrogen. It is preferable to have silicon oxide, silicon oxide having pores, a resin, or the like. Alternatively, the insulator 384, the insulator 216, and the insulator 280 were added with silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide with fluorine, silicon oxide with carbon added, carbon and nitrogen. It is preferable to have a laminated structure of silicon oxide or silicon oxide having pores and a resin. Since silicon oxide and silicon oxide nitride are thermally stable, they can be combined with a resin to form a laminated structure that is thermally stable and has a low relative permittivity. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic, and the like.

絶縁体418および絶縁体419としては、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体418および絶縁体419としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。 As the insulator 418 and the insulator 419, an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen may be used. Examples of the insulator 418 and the insulator 419 include metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide or tantalum oxide, and silicon nitride. Alternatively, silicon nitride or the like may be used.

<導電体>
導電体404a、導電体404b、導電体310a、導電体310b、導電体450a、導電体450b、導電体451aおよび導電体451b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。
<Conductor>
The conductors 404a, 404b, conductor 310a, conductor 310b, conductor 450a, conductor 450b, conductor 451a and conductor 451b include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, and the like. A material containing one or more metal elements selected from titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium and the like can be used. Further, a semiconductor having high electrical conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, and silicide such as nickel silicide may be used.

また、上記導電体、特に導電体404a、導電体310a、導電体450a、および導電体450bとして、金属酸化物406に適用可能な金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、金属酸化物406に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。 Further, as the conductor, particularly the conductor 404a, the conductor 310a, the conductor 450a, and the conductor 450b, a conductive material containing a metal element and oxygen contained in the metal oxide applicable to the metal oxide 406 is used. You may. Further, the above-mentioned conductive material containing a metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride and tantalum nitride may be used. In addition, 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 were added. Indium tin oxide may be used. Further, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. By using such a material, it may be possible to capture hydrogen contained in the metal oxide 406. Alternatively, it may be possible to capture hydrogen mixed in from an outer insulator or the like.

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。 Further, a plurality of conductive layers formed of the above materials may be laminated and used. For example, a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined. Further, a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined. Further, a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen are combined.

なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合は、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。 When an oxide is used in the channel forming region of the transistor, it is preferable to use a laminated structure in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined as a gate electrode. In this case, a conductive material containing oxygen may be provided on the channel forming region side. By providing the conductive material containing oxygen on the channel forming region side, oxygen separated from the conductive material can be easily supplied to the channel forming region.

<金属酸化物406に適用可能な金属酸化物>
以下に、本発明に係る金属酸化物406について説明する。金属酸化物406として、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。
<Metal oxide applicable to metal oxide 406>
The metal oxide 406 according to the present invention will be described below. As the metal oxide 406, it is preferable to use a metal oxide that functions as an oxide semiconductor.

金属酸化物406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。 The metal oxide 406 preferably contains at least indium or zinc. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition to them, aluminum, gallium, yttrium, tin and the like are preferably contained. It may also contain one or more selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like.

ここで、金属酸化物406が、インジウム、元素M及び亜鉛を有する場合を考える。なお、金属酸化物406が有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。 Here, consider the case where the metal oxide 406 has indium, the element M, and zinc. The terms of the atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the metal oxide 406 are [In], [M], and [Zn].

以下に、図19(A)、図19(B)、および図19(C)を用いて、金属酸化物406が有するインジウム、元素Mおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図19(A)、図19(B)、および図19(C)には、酸素の原子数比については記載しない。 Hereinafter, the preferable range of the atomic number ratio of indium, element M, and zinc contained in the metal oxide 406 will be described with reference to FIGS. 19 (A), 19 (B), and 19 (C). Note that FIGS. 19 (A), 19 (B), and 19 (C) do not describe the atomic number ratio of oxygen.

図19(A)、図19(B)、および図19(C)において、破線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):1の原子数比(−1≦α≦1)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):2の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):3の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):4の原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5の原子数比となるラインを表す。 In FIGS. 19 (A), 19 (B), and 19 (C), the broken line indicates the atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 1. Line where (-1 ≤ α ≤ 1), [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): Line where the atomic number ratio is 2, [In]: [M] : [Zn] = (1 + α): (1-α): A line having an atomic number ratio of 3, [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): 4 atomic numbers It represents a line having a ratio and a line having an atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 5.

また、一点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比(β≧0)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:1:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=1:4:βの原子数比となるラインを表す。 The one-point chain line is a line having an atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: β (β ≧ 0), [In]: [M]: [Zn] = 2: Line with an atomic number ratio of 1: β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: Line with an atomic number ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 2: Atomic number ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 3: β atomic number ratio, and [In]: [M]: [Zn] = 1 : Represents a line having an atomic number ratio of 4: β.

また、図19(A)、図19(B)、および図19(C)に示す、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。 Further, the atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1 and its vicinity values shown in FIGS. 19 (A), 19 (B), and 19 (C). Metal oxides tend to have a spinel-type crystal structure.

また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある(二相共存、三相共存など)。例えば、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=1:0:0の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。 In addition, a plurality of phases may coexist in the metal oxide (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.). For example, when the atomic number ratio is in the vicinity of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1, two phases of a spinel-type crystal structure and a layered crystal structure tend to coexist. Further, when the atomic number ratio is in the vicinity of [In]: [M]: [Zn] = 1: 0: 0, two phases of a big bite-type crystal structure and a layered crystal structure tend to coexist. When a plurality of phases coexist in a metal oxide, grain boundaries may be formed between different crystal structures.

図19(A)に示す領域Aは、金属酸化物406が有する、インジウム、元素M、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。 The region A shown in FIG. 19A shows an example of a preferable range of atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the metal oxide 406.

金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。 By increasing the content of indium in the metal oxide, the carrier mobility (electron mobility) of the metal oxide can be increased. Therefore, a metal oxide having a high indium content has a higher carrier mobility than a metal oxide having a low indium content.

一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=0:1:0、およびその近傍値である場合(例えば図19(C)に示す領域C)は、絶縁性が高くなる。 On the other hand, when the content of indium and zinc in the metal oxide is low, the carrier mobility is low. Therefore, when the atomic number ratio is [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 and its neighboring values (for example, region C shown in FIG. 19C), the insulating property is high. ..

例えば、金属酸化物406bに用いる金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図19(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。金属酸化物406bに用いる金属酸化物は、例えばIn:Ga:Zn=4:2:3から4.1、およびその近傍値程度になるようにすればよい。一方、金属酸化物406aに用いる金属酸化物は、絶縁性が比較的高い、図19(C)の領域Cで示される原子数比を有することが好ましい。金属酸化物406aに用いる金属酸化物は、例えばIn:Ga:Zn=1:3:4程度になるようにすればよい。 For example, the metal oxide used for the metal oxide 406b preferably has a high carrier mobility and has an atomic number ratio shown in region A in FIG. 19 (A). The metal oxide used for the metal oxide 406b may be, for example, In: Ga: Zn = 4: 2: 3 to 4.1, or a value in the vicinity thereof. On the other hand, the metal oxide used for the metal oxide 406a preferably has an atomic number ratio shown in region C of FIG. 19C, which has a relatively high insulating property. The metal oxide used for the metal oxide 406a may be, for example, about In: Ga: Zn = 1: 3: 4.

特に、図19(B)に示す領域Bでは、領域Aの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。 In particular, in the region B shown in FIG. 19B, an excellent metal oxide having high carrier mobility and high reliability can be obtained even in the region A.

なお、領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、[In]:[M]:[Zn]=5:3:4が含まれる。また、領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=5:1:6、およびその近傍値、および[In]:[M]:[Zn]=5:1:7、およびその近傍値を含む。 The region B includes [In]: [M]: [Zn] = 4: 2: 3 to 4.1, and values in the vicinity thereof. The neighborhood value includes, for example, [In]: [M]: [Zn] = 5: 3: 4. Further, the region B includes [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: 6 and its neighboring values, and [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: 7 and its vicinity. Includes neighborhood values.

また、金属酸化物406として、In−M−Zn酸化物を用いる場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のIn−M−Zn酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成膜される金属酸化物の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。例えば、金属酸化物406に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の場合、成膜される金属酸化物の組成は、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]の近傍となる場合がある。また、金属酸化物406に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=5:1:7[原子数比]の場合、成膜される金属酸化物の組成は、In:Ga:Zn=5:1:6[原子数比]の近傍となる場合がある。 When In-M-Zn oxide is used as the metal oxide 406, it is preferable to use a target containing polycrystalline In-M-Zn oxide as the sputtering target. The atomic number ratio of the metal oxide to be formed includes a fluctuation of plus or minus 40% of the atomic number ratio of the metal element contained in the sputtering target. For example, when the composition of the sputtering target used for the metal oxide 406 is In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic number ratio], the composition of the metal oxide to be formed is In: Ga: Zn. = It may be in the vicinity of 4: 2: 3 [atomic number ratio]. When the composition of the sputtering target used for the metal oxide 406 is In: Ga: Zn = 5: 1: 7 [atomic number ratio], the composition of the metal oxide to be formed is In: Ga: Zn = 5. It may be in the vicinity of 1: 6 [atomic number ratio].

なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物406をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。 The properties of metal oxides are not uniquely determined by the atomic number ratio. Even if the atomic number ratio is the same, the properties of the metal oxide may differ depending on the formation conditions. For example, when the metal oxide 406 is formed by a sputtering apparatus, a film having an atomic number ratio deviating from the target atomic number ratio is formed. Further, depending on the substrate temperature at the time of film formation, the [Zn] of the film may be smaller than the [Zn] of the target. Therefore, the region shown is a region showing an atomic number ratio in which the metal oxide tends to have a specific property, and the boundary between the regions A and C is not strict.

<金属酸化物の構成>
以下では、OS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。
<Composition of metal oxide>
Hereinafter, the configuration of the CAC (Cloud-Aligned Company) -OS that can be used for the OS transistor will be described.

なお、本明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、及びCAC(Cloud−Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。 In addition, in this specification and the like, it may be described as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (Cloud-Aligned Company). In addition, CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a composition of a material.

CAC−OSまたはCAC−metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OSまたはCAC−metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC−OSまたはCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 The CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in a part of the material and an insulating function in a part of the material, and has a function as a semiconductor in the whole material. When CAC-OS or CAC-metal oxide is used for the active layer of the transistor, the conductive function is the function of flowing electrons (or holes) that serve as carriers, and the insulating function is the function of flowing electrons (or holes) that serve as carriers. It is a function that does not shed. By making the conductive function and the insulating function act in a complementary manner, a switching function (on / off function) can be imparted to the CAC-OS or the CAC-metal oxide. In CAC-OS or CAC-metal oxide, by separating each function, both functions can be maximized.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-mentioned conductive function, and the insulating region has the above-mentioned insulating function. Further, in the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. Further, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 Further, in CAC-OS or CAC-metal oxide, when the conductive region and the insulating region are dispersed in the material in a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less, respectively. There is.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OSまたはCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap due to an insulating region and a component having a narrow gap due to a conductive region. In the case of this configuration, when the carriers flow, the carriers mainly flow in the components having a narrow gap. Further, the component having a narrow gap acts complementarily to the component having a wide gap, and the carrier flows to the component having a wide gap in conjunction with the component having a narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the channel region of the transistor, a high current driving force, that is, a large on-current and a high field effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.

すなわち、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be referred to as a matrix composite or a metal matrix composite.

<金属酸化物の構造>
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。
<Structure of metal oxide>
Oxide semiconductors are divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors. Examples of the non-single crystal oxide semiconductor include CAAC-OS (c-axis aligned crystal oxide semiconductor), polycrystal oxide semiconductor, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-lique). OS: atomous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductors.

CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 CAAC-OS has a c-axis orientation and has a distorted crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction. The strain refers to a region where the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another lattice arrangement is aligned in the region where a plurality of nanocrystals are connected.

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagons and may have non-regular hexagons. In addition, in distortion, it may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon. In CAAC-OS, a clear grain boundary (also referred to as grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion because the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. It is thought that this is the reason.

また、CAAC−OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 Further, CAAC-OS is a layered crystal in which a layer having indium and oxygen (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc, and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. It tends to have a structure (also called a layered structure). Indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M of the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can be expressed as the (In, M, Zn) layer. Further, when the indium of the In layer is replaced with the element M, it can be expressed as the (In, M) layer.

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC−OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。 CAAC-OS is a highly crystalline oxide semiconductor. On the other hand, in CAAC-OS, since a clear crystal grain boundary cannot be confirmed, it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary is unlikely to occur. Further, since the crystallinity of the oxide semiconductor may be lowered due to the mixing of impurities or the generation of defects, CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor having few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.). Therefore, the oxide semiconductor having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the oxide semiconductor having CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less). In addition, nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, nc-OS may be indistinguishable from a-like OS and amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.

a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。 The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or low density region. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics. The oxide semiconductor of one aspect of the present invention may have two or more of amorphous oxide semiconductor, polycrystalline oxide semiconductor, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS.

<金属酸化物を有するトランジスタ>
続いて、上記金属酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。
<Transistor with metal oxide>
Subsequently, a case where the above metal oxide is used for a transistor will be described.

なお、上記金属酸化物をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 By using the metal oxide in the transistor, a transistor having high field effect mobility can be realized. Moreover, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタには、金属酸化物406bの領域426aにおけるキャリア密度の低いことが好ましい。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、金属酸化物406bの領域426aにおけるキャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 Further, it is preferable that the transistor has a low carrier density in the region 426a of the metal oxide 406b. When the carrier density of the metal oxide is lowered, the impurity concentration in the metal oxide may be lowered and the defect level density may be lowered. In the present specification and the like, a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. For example, the carrier density in region 426a of the metal oxide 406b is less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 It may be -9 / cm 3 or more.

また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 In addition, a metal oxide having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity may have a low trap level density because of its low defect level density.

また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge captured at the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in an oxide semiconductor having a high trap level density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物406bの領域426a中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物406bの領域426a中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the region 426a of the metal oxide 406b. Further, in order to reduce the impurity concentration in the region 426a of the metal oxide 406b, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.

<不純物>
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。
<Impurities>
Here, the influence of each impurity in the metal oxide will be described.

金属酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物406bの領域426aにおけるシリコンや炭素の濃度(SIMSにより得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 When silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, is contained in the metal oxide, a defect level is formed in the metal oxide. Therefore, the concentration of silicon and carbon (concentration obtained by SIMS) in the region 426a of the metal oxide 406b is set to 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物406bの領域426aにおいて、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる金属酸化物406bの領域426a中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 Further, when the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the region 426a of the metal oxide 406b. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the region 426a of the metal oxide 406b obtained by SIMS is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less. To.

また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、金属酸化物406bの領域426aに窒素が含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、金属酸化物406bの領域426aにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、金属酸化物406bの領域426a中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 Further, when nitrogen is contained in the metal oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the metal oxide is easily formed into an n-type. As a result, the transistor containing nitrogen in the region 426a of the metal oxide 406b tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that the nitrogen is reduced as much as possible in the region 426a of the metal oxide 406b, for example, the nitrogen concentration in the region 426a of the metal oxide 406b is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 in SIMS. , Preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, still more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、金属酸化物406bの領域426aに水素が多く含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物406bの領域426a中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 Further, hydrogen contained in a metal oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency. When hydrogen enters the oxygen deficiency, electrons that are carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor containing a large amount of hydrogen in the region 426a of the metal oxide 406b tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that the hydrogen in the region 426a of the metal oxide 406b is reduced as much as possible. Specifically, in metal oxides, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

金属酸化物406bの領域426a中の不純物を十分に低減することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。 By sufficiently reducing the impurities in the region 426a of the metal oxide 406b, stable electrical characteristics can be imparted to the transistor.

<<トランジスタ201>>
次に、図15に示すトランジスタ201の詳細について説明を行う。
<< Transistor 201 >>
Next, the details of the transistor 201 shown in FIG. 15 will be described.

図20(A)は、トランジスタ201を有する半導体装置の上面図である。また、図20(B)は、図20(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ201のチャネル長方向の断面図でもある。また、図20(C)は、図20(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ201のチャネル幅方向の断面図でもある。図20(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、トランジスタ201の構成要素のうち、トランジスタ200と共通のものについては、符号を同じくする。 FIG. 20A is a top view of the semiconductor device having the transistor 201. Further, FIG. 20B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A1-A2 in FIG. 20A, and is also a cross-sectional view of the transistor 201 in the channel length direction. Further, FIG. 20C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A3-A4 in FIG. 20A, and is also a cross-sectional view of the transistor 201 in the channel width direction. In the top view of FIG. 20 (A), some elements are omitted for the sake of clarity of the figure. Further, among the components of the transistor 201, those common to the transistor 200 have the same reference numerals.

図20(A)から(C)に示すように、トランジスタ201は、基板(図示せず)の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された金属酸化物406aと、金属酸化物406aの上面の少なくとも一部に接して配置された金属酸化物406bと、金属酸化物406bの上面の少なくとも一部に接して配置された導電体452aおよび導電体452bと、金属酸化物406bの上面の少なくとも一部に接し且つ導電体452aおよび導電体452bの上に配置された金属酸化物406cと、金属酸化物406cの上に配置された絶縁体413と、絶縁体413の上に配置された導電体405aと、導電体405aの上に配置された導電体405bと、導電体405bの上に配置された絶縁体420と、を有する。 As shown in FIGS. 20A to 20C, the conductor 201 includes an insulator 224 arranged on a substrate (not shown), a metal oxide 406a arranged on the insulator 224, and the like. A metal oxide 406b arranged in contact with at least a part of the upper surface of the metal oxide 406a, a conductor 452a and a conductor 452b arranged in contact with at least a part of the upper surface of the metal oxide 406b, and a metal oxide. On the metal oxide 406c, which is in contact with at least a part of the upper surface of the 406b and is arranged on the conductor 452a and the conductor 452b, the insulator 413 which is arranged on the metal oxide 406c, and the insulator 413. It has a conductor 405a arranged, a conductor 405b arranged on the conductor 405a, and an insulator 420 arranged on the conductor 405b.

導電体405(導電体405aおよび導電体405b)は、トップゲートとして機能でき、導電体310は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。 The conductor 405 (conductor 405a and conductor 405b) can function as a top gate, and the conductor 310 can function as a back gate. The potential of the back gate may be the same potential as that of the top gate, or may be a ground potential or an arbitrary potential. Further, the threshold voltage of the transistor can be changed by changing the potential of the back gate independently without interlocking with the top gate.

導電体405aは、図16の導電体404aと同様の材料を用いて設けることができる。導電体405bは、図16の導電体404bと同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 405a can be provided by using the same material as the conductor 404a of FIG. The conductor 405b can be provided by using the same material as the conductor 404b of FIG.

導電体452aはソース電極またはドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体452bはソース電極またはドレイン電極の他方としての機能を有する。 The conductor 452a has a function as one of the source electrode and the drain electrode, and the conductor 452b has a function as the other of the source electrode and the drain electrode.

導電体452a、452bは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。また、図では単層構造を示したが、2層以上の積層構造としてもよい。また、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。 As the conductors 452a and 452b, a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the same as a main component can be used. Further, although the single-layer structure is shown in the figure, a laminated structure of two or more layers may be used. Further, a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide or zinc oxide may be used.

トランジスタ201において、チャネルは金属酸化物406bに形成されることが好ましい。そのため、金属酸化物406cは金属酸化物406bよりも絶縁性が比較的高い材料を用いることが好ましい。金属酸化物406cは、金属酸化物406aと同様の材料を用いればよい。 In the transistor 201, the channel is preferably formed in the metal oxide 406b. Therefore, it is preferable to use a material having a relatively high insulating property as the metal oxide 406c as compared with the metal oxide 406b. As the metal oxide 406c, the same material as the metal oxide 406a may be used.

トランジスタ201は、金属酸化物406cを設けることで、トランジスタ201を埋め込みチャネル型のトランジスタとすることができる。また、導電体452aおよび導電体452bの端部の酸化を防ぐことができる。また、導電体405と導電体452a(または導電体405と導電体452b)との間のリーク電流を防ぐことができる。なお、金属酸化物406cは、場合によっては省略してもよい。 By providing the metal oxide 406c in the transistor 201, the transistor 201 can be made into an embedded channel type transistor. In addition, oxidation of the ends of the conductor 452a and the conductor 452b can be prevented. Further, it is possible to prevent a leakage current between the conductor 405 and the conductor 452a (or the conductor 405 and the conductor 452b). The metal oxide 406c may be omitted in some cases.

絶縁体420は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体420として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。 For the insulator 420, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen. For example, as the insulator 420, metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide or tantalum oxide, silicon nitride or silicon nitride, etc. It may be used.

トランジスタ201に、絶縁体420を設けることで、導電体405が酸化することを防ぐことができる。また、水または水素などの不純物が、金属酸化物406へ侵入することを防ぐことができる。 By providing the insulator 420 in the transistor 201, it is possible to prevent the conductor 405 from being oxidized. In addition, impurities such as water and hydrogen can be prevented from entering the metal oxide 406.

トランジスタ201は、トランジスタ200と比べて、金属酸化物406bと電極(ソース電極またはドレイン電極)との接触面積を大きくすることができる。また、図16に示す領域426bおよび領域426cを作製する工程が不要になる。そのため、トランジスタ201は、トランジスタ200よりもオン電流を大きくすることができる。また製造工程を簡略化することができる。 The transistor 201 can have a larger contact area between the metal oxide 406b and the electrode (source electrode or drain electrode) than the transistor 200. Further, the step of producing the region 426b and the region 426c shown in FIG. 16 becomes unnecessary. Therefore, the transistor 201 can have a larger on-current than the transistor 200. Moreover, the manufacturing process can be simplified.

トランジスタ201のその他の構成要素の詳細は、トランジスタ200の記載を参照すればよい。 For details of the other components of the transistor 201, refer to the description of the transistor 200.

(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一形態である記憶装置について図21及び図22を用いて説明を行う。
(Embodiment 5)
In the present embodiment, the storage device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 21 and 22.

<メモリセル600の構成例>
図21(A)に示すメモリセル600は、信号線S1と、ワード線WLと、トランジスタ601と、トランジスタ602と、容量素子603と、から構成されている。トランジスタ601は、酸化物半導体以外の材料を用いて形成されており、トランジスタ602はOSトランジスタを用いることが好ましい。ここで、トランジスタ602は、実施の形態4に示すトランジスタ200またはトランジスタ201と同様の構成とするのが好ましい。また、トランジスタ601は、実施の形態3に示すトランジスタ300と同様の構成とするのが好ましい。また、メモリセル600は、ソース線SL及びビット線B1と電気的に接続されており、トランジスタ(他のメモリセルを構成するものも含む。)を介して、ソース線SL及びビット線B1と電気的に接続されていてもよい。
<Configuration example of memory cell 600>
The memory cell 600 shown in FIG. 21 (A) is composed of a signal line S1, a word line WL, a transistor 601, a transistor 602, and a capacitance element 603. The transistor 601 is formed of a material other than an oxide semiconductor, and it is preferable that the transistor 602 uses an OS transistor. Here, it is preferable that the transistor 602 has the same configuration as the transistor 200 or the transistor 201 shown in the fourth embodiment. Further, the transistor 601 preferably has the same configuration as the transistor 300 shown in the third embodiment. Further, the memory cell 600 is electrically connected to the source line SL and the bit line B1 and is electrically connected to the source line SL and the bit line B1 via a transistor (including those constituting other memory cells). May be connected.

ここで、トランジスタ601のゲート電極と、トランジスタ602のソース電極またはドレイン電極の一方と、容量素子603の電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ソース線SLと、トランジスタ601のソース電極とは、電気的に接続され、ビット線B1と、トランジスタ601のドレイン電極とは、電気的に接続され、信号線S1と、トランジスタ602のゲート電極とは、電気的に接続され、ワード線WLと、トランジスタ602のソース電極またはドレイン電極の他方と、容量素子603の電極の他方とは、電気的に接続されている。なお、ソース線SLと、トランジスタ601のソース電極とは、トランジスタ(他のメモリセルを構成するものも含む。)を介して接続されていてもよい。また、ビット線B1と、トランジスタ601のドレイン電極とは、トランジスタ(他のメモリセルを構成するものも含む。)を介して接続されていてもよい。 Here, the gate electrode of the transistor 601, one of the source electrode or the drain electrode of the transistor 602, and one of the electrodes of the capacitive element 603 are electrically connected. Further, the source line SL and the source electrode of the transistor 601 are electrically connected, the bit line B1 and the drain electrode of the transistor 601 are electrically connected, and the signal line S1 and the gate electrode of the transistor 602 are electrically connected. Is electrically connected, and the word wire WL, the other of the source electrode or drain electrode of the transistor 602, and the other of the electrodes of the capacitive element 603 are electrically connected. The source line SL and the source electrode of the transistor 601 may be connected via a transistor (including those constituting other memory cells). Further, the bit wire B1 and the drain electrode of the transistor 601 may be connected via a transistor (including those constituting other memory cells).

<記憶装置11の構成例>
図22に、m×nビットの記憶容量を有する記憶装置11のブロック回路図を示す。ここでは一例として、メモリセル600が直列に接続されたNAND型の半導体装置を示す。
<Configuration example of storage device 11>
FIG. 22 shows a block circuit diagram of a storage device 11 having a storage capacity of m × n bits. Here, as an example, a NAND type semiconductor device in which memory cells 600 are connected in series is shown.

本発明の一態様に係る半導体装置は、m本のワード線WLと、n本のビット線B1及び信号線S1と、2本の選択線SEL(1)、SEL(2)と、複数のメモリセル600(1、1)乃至600(m、n)が縦m個(行)×横n個(列)(m、nは2以上の整数)のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ610と、選択線SEL(1)に沿って、ビット線B1(1)乃至B1(n)とメモリセル600(1、1)乃至600(1、n)の間に配置されたトランジスタ615(1、1)乃至615(1、n)と、選択線SEL(2)に沿って、ソース線SL(1)乃至SL(n)とメモリセル600(m、1)乃至600(m、n)の間に配置されたトランジスタ615(2、1)乃至615(2、n)と、ビット線及び信号線の駆動回路611と、ワード線の駆動回路613と、読み出し回路612といった周辺回路によって構成されている。他の周辺回路として、リフレッシュ回路等が設けられてもよい。 The semiconductor device according to one aspect of the present invention includes m word lines WL, n bit lines B1 and signal lines S1, two selection lines SEL (1) and SEL (2), and a plurality of memories. A memory cell array 610 in which cells 600 (1, 1) to 600 (m, n) are arranged in a matrix of m vertical (rows) x n horizontal (columns) (m, n are integers of 2 or more). Transistors 615 (1, 1) arranged between bit lines B1 (1) to B1 (n) and memory cells 600 (1, 1) to 600 (1, n) along the selection line SEL (1). To 615 (1, n) and along the selection line SEL (2) between the source lines SL (1) to SL (n) and the memory cells 600 (m, 1) to 600 (m, n). It is composed of peripheral circuits such as transistors 615 (2, 1) to 615 (2, n), a bit line and signal line drive circuit 611, a word line drive circuit 613, and a read circuit 612. A refresh circuit or the like may be provided as another peripheral circuit.

メモリセル600(i、j)(iは1以上m以下の整数、jは1以上n以下の整数)は、信号線S1(j)及びワード線WL(i)にそれぞれ接続されている。また、メモリセル600(i、j)(iは2以上、m以下の整数)が有するトランジスタ601のドレイン電極は、メモリセル600(i−1、j)が有するトランジスタ601のソース電極に接続される。メモリセル600(1、j)が有するトランジスタ601のドレイン電極は、トランジスタ615(1、j)のソース電極に接続され、メモリセル600(m、j)が有するトランジスタ601のソース電極は、トランジスタ615(2、j)のドレイン電極に接続される。トランジスタ615(1、j)のドレイン電極はビット線B1(j)に接続され、トランジスタ615(2、j)のソース電極はソース線SL(j)に接続される。また、トランジスタ615(1,j)のゲート電極は、選択線SEL(1)に接続され、トランジスタ615(2,j)のゲート電極は、選択線SEL(2)に接続される。 The memory cells 600 (i, j) (i is an integer of 1 or more and m or less, j is an integer of 1 or more and n or less) are connected to the signal line S1 (j) and the word line WL (i), respectively. Further, the memory cell 600 (i 1, j) ( i 1 is 2 or more, an integer m) the drain electrode of the transistor 601 included in the memory cell 600 (i 1 -1, j) the source electrode of the transistor 601 has Connected to. The drain electrode of the transistor 601 of the memory cell 600 (1, j) is connected to the source electrode of the transistor 615 (1, j), and the source electrode of the transistor 601 of the memory cell 600 (m, j) is the transistor 615. It is connected to the drain electrode of (2, j). The drain electrode of the transistor 615 (1, j) is connected to the bit line B1 (j), and the source electrode of the transistor 615 (2, j) is connected to the source line SL (j). Further, the gate electrode of the transistor 615 (1, j) is connected to the selection line SEL (1), and the gate electrode of the transistor 615 (2, j) is connected to the selection line SEL (2).

また、ビット線B1(1)乃至B1(n)及び信号線S1(1)乃至S1(n)は駆動回路611に、ワード線WL(1)乃至WL(m)及び選択線SEL(1)、SEL(2)は駆動回路613にそれぞれ接続されている。また、ビット線B1(1)乃至B1(n)は、読み出し回路612にも接続されている。ソース線SL(1)乃至SL(n)には電位Vsが与えられている。なお、ソース線SL(1)乃至SL(n)は必ずしも分離されている必要はなく、互いに電気的に接続されているような構成にしてもよい。 Further, the bit lines B1 (1) to B1 (n) and the signal lines S1 (1) to S1 (n) are connected to the drive circuit 611 with the word lines WL (1) to WL (m) and the selection line SEL (1). The SEL (2) is connected to the drive circuit 613, respectively. Further, the bit lines B1 (1) to B1 (n) are also connected to the read circuit 612. The potential Vs is given to the source lines SL (1) to SL (n). The source lines SL (1) to SL (n) do not necessarily have to be separated, and may be configured to be electrically connected to each other.

<記憶装置11の動作例>
次に、図22に示した記憶装置の動作について説明する。本構成では、書き込みは列ごと、読み出しは行ごとに行う。
<Operation example of storage device 11>
Next, the operation of the storage device shown in FIG. 22 will be described. In this configuration, writing is performed column by column and reading is performed row by row.

第j列のメモリセル600(1,j)乃至600(m,j)に書き込みを行う場合は、信号線S1(j)の電位をV1(任意の電位、例えば2V)、とし、対象メモリセルのトランジスタ602をオン状態とする。一方、第j列以外の信号線S1の電位はV0(任意の電位、例えば0V)とし、対象ではないメモリセルのトランジスタ602をオフ状態とする。他の配線は、ビット線B1(1)乃至B1(n)の電位をV0、選択線SEL(1)、SEL(2)の電位をV0、ソース線SL(1)乃至SL(n)の電位VsをV0とする。ここで、電位V1は、ゲート電極に印加することにより、トランジスタ601、トランジスタ602及びトランジスタ615をオン状態とする程度の電位とし、電位V0は、ゲート電極に印加することにより、トランジスタ601、トランジスタ602及びトランジスタ615をオフ状態とする程度の電位とする。 When writing to the memory cells 600 (1, j) to 600 (m, j) in the jth column, the potential of the signal line S1 (j) is set to V1 (arbitrary potential, for example, 2V), and the target memory cell. The transistor 602 of the above is turned on. On the other hand, the potential of the signal line S1 other than the j-th column is set to V0 (arbitrary potential, for example, 0V), and the transistor 602 of the non-target memory cell is turned off. In the other wiring, the potentials of the bit lines B1 (1) to B1 (n) are V0, the potentials of the selection lines SEL (1) and SEL (2) are V0, and the potentials of the source lines SL (1) to SL (n). Let Vs be V0. Here, the potential V1 is set to a potential that turns on the transistor 601 and the transistor 602 and the transistor 615 by applying the potential V1 to the gate electrode, and the potential V0 is applied to the gate electrode to set the transistor 601 and the transistor 602. The potential is set so that the transistor 615 is turned off.

この状態で、ワード線WLの電位VWLを所定の電位とすることにより、データの書き込みが行われる。例えば、データ”1”を書き込む場合には、対象メモリセルに接続されたワード線WLの電位をVw_1とし、データ”0”を書き込む場合には、対象メモリセルに接続されたワード線WLの電位をVw_0とする。なお、書き込み終了にあたっては、ワード線WLの電位が変化する前に、信号線S1(j)の電位をV0として、対象メモリセルのトランジスタ602をオフ状態にする。 In this state, data is written by setting the potential VWL of the word line WL to a predetermined potential. For example, when writing data "1", the potential of the word line WL connected to the target memory cell is set to Vw_1, and when writing data "0", the potential of the word line WL connected to the target memory cell is set. Is Vw_0. At the end of writing, the potential of the signal line S1 (j) is set to V0 and the transistor 602 of the target memory cell is turned off before the potential of the word line WL changes.

ここで、トランジスタ601のゲート電極に接続されるノード(以下、ノードA)には、書き込み時のワード線WLの電位VWLに応じた電荷QAが蓄積され、これによってデータが格納されることになる。ここで、トランジスタ602のオフ電流が極めて小さいことから、書き込まれたデータは長時間にわたって保持される。他の列のメモリセルでは、ノードAに蓄積された電荷QAは変化しない。 Here, a charge QA corresponding to the potential VWL of the word line WL at the time of writing is accumulated in the node connected to the gate electrode of the transistor 601 (hereinafter referred to as node A), whereby data is stored. .. Here, since the off-current of the transistor 602 is extremely small, the written data is held for a long time. In the memory cells of the other columns, the charge QA stored in node A does not change.

なお、書き込み時のビット線B1(1)乃至B1(n)の電位はV0としたが、トランジスタ615(1,1)乃至615(1,n)がオフ状態の範囲で、フローティング状態や任意の電位に充電されていても構わない。 The potential of the bit lines B1 (1) to B1 (n) at the time of writing was set to V0, but the transistor 615 (1,1) to 615 (1, n) was in the off state, and was in a floating state or an arbitrary state. It may be charged to an electric potential.

また、書き込み時において、SOI基板上にトランジスタを形成した場合など、半導体装置が基板電位を有さない場合には、例えば次のようにメモリセルにデータの書き込みを行う。まず、選択線SEL(1)の電位をV0、選択線SEL(2)の電位をV1として、トランジスタ615(1,j)をオフ状態、トランジスタ615(2,j)をオン状態とする。また、信号線S1(j)の電位をV1とし、第j列のメモリセル600(1、j)乃至600(m,j)のトランジスタ602をオン状態とする。また、ワード線WL(1)乃至WL(m)の電位をV1とし、第j列のメモリセル600(1,j)乃至600(m,j)のトランジスタ601をオン状態とする。次に、第1行のメモリセル600(1,j)から順にワード線WLの電位VWLを所定の電位とすることで、上述のデータの書き込みを行う。第m行のメモリセル600(m,j)までデータの書き込みが終了したら、選択線SEL(2)の電位をV0として、トランジスタ615(2,j)をオフ状態とする。これにより、第j列のメモリセルのトランジスタ601のソース電極の電位を約V0としながらデータの書き込みを行うことができる。また、他の配線については、上述のデータの書き込みと同様にすればよい。なお、第1行目から第m行目の順番でデータを書き込む方法について説明したが、これに限られることなく、ビット線B1(1)乃至B1(n)の電位をV0とし、選択線SEL(1)の電位をV1としてトランジスタ615(1,j)をオン状態として、第m行目から第1行目の順番でデータの書き込みを行っても良い。 Further, when the semiconductor device does not have the substrate potential, such as when a transistor is formed on the SOI substrate at the time of writing, data is written to the memory cell as follows, for example. First, the potential of the selection line SEL (1) is set to V0, the potential of the selection line SEL (2) is set to V1, the transistor 615 (1, j) is turned off, and the transistor 615 (2, j) is turned on. Further, the potential of the signal line S1 (j) is set to V1, and the transistors 602 of the memory cells 600 (1, j) to 600 (m, j) in the jth column are turned on. Further, the potential of the word lines WL (1) to WL (m) is set to V1, and the transistor 601 of the memory cells 600 (1, j) to 600 (m, j) in the jth column is turned on. Next, the above-mentioned data is written by setting the potential VWL of the word line WL to a predetermined potential in order from the memory cell 600 (1, j) in the first row. When the writing of data up to the memory cell 600 (m, j) in the mth row is completed, the potential of the selection line SEL (2) is set to V0, and the transistor 615 (2, j) is turned off. As a result, data can be written while the potential of the source electrode of the transistor 601 of the memory cell in the j-th column is set to about V0. Further, for other wiring, the same as the above-mentioned data writing may be performed. Although the method of writing data in the order of the first line to the mth line has been described, the method is not limited to this, and the potential of the bit lines B1 (1) to B1 (n) is set to V0 and the selection line SEL is used. Data may be written in the order of the mth row to the first row with the potential of (1) set to V1 and the transistor 615 (1, j) turned on.

一方、単結晶半導体基板上にトランジスタを形成した場合など、半導体装置が基板電位を有する場合には、基板電位を0Vとして上述のデータの書き込みを行えばよい。 On the other hand, when the semiconductor device has a substrate potential, such as when a transistor is formed on a single crystal semiconductor substrate, the above data may be written with the substrate potential set to 0V.

第i行のメモリセル600(i,1)乃至600(i,n)の読み出しも、ワード線WLの電位VWLを所定の電位とすることにより行われる。第i行のメモリセル600(i,1)乃至600(i,n)の読み出しを行う場合は、選択線SEL(1)、SEL(2)の電位をV1、信号線S1(1)乃至S1(n)の電位をV0、ソース線SL(1)乃至SL(n)の電位VsをV0、ビット線B1(1)乃至B1(n)に接続されている読み出し回路612を動作状態とする。これにより、トランジスタ615(1、1)乃至615(2、n)をオン状態とし、全てのメモリセルのトランジスタ602をオフ状態とする。 The reading of the memory cells 600 (i, 1) to 600 (i, n) in the i-th row is also performed by setting the potential VWL of the word line WL to a predetermined potential. When reading the memory cells 600 (i, 1) to 600 (i, n) in the i-th row, the potentials of the selection lines SEL (1) and SEL (2) are set to V1, and the potentials of the signal lines S1 (1) to S1 are set. The potential of (n) is V0, the potential Vs of the source lines SL (1) to SL (n) is V0, and the read circuit 612 connected to the bit lines B1 (1) to B1 (n) is in the operating state. As a result, the transistors 615 (1, 1) to 615 (2, n) are turned on, and the transistors 602 of all memory cells are turned off.

そして、ワード線WL(i)の電位をVr_1、第i行以外のワード線WLの電位をVr_0とする。このとき、第i行以外のメモリセルのトランジスタ601はオン状態となる。その結果、第i行のメモリセルのトランジスタ601がオン状態かオフ状態かでメモリセル列の抵抗状態が決まる。第i行のメモリセルのうち、データ”0”を有するメモリセルでは、トランジスタ601はオフ状態となり、メモリセル列が高抵抗状態になる。一方、第i行のメモリセルのうち、データ”1”を有するメモリセルでは、トランジスタ601がオン状態となり、メモリセル列が低抵抗状態になる。その結果、読み出し回路612は、メモリセル列の抵抗状態の違いから、データ”0”,”1”を読み出すことができる。 Then, the potential of the word line WL (i) is Vr_1, and the potential of the word line WL other than the i-th line is Vr_0. At this time, the transistors 601 of the memory cells other than the i-th row are turned on. As a result, the resistance state of the memory cell column is determined depending on whether the transistor 601 of the memory cell in row i is on or off. Among the memory cells in the i-th row, in the memory cell having the data "0", the transistor 601 is turned off and the memory cell column is in the high resistance state. On the other hand, among the memory cells in the i-th row, in the memory cell having the data "1", the transistor 601 is turned on and the memory cell column is in the low resistance state. As a result, the read circuit 612 can read the data "0" and "1" from the difference in the resistance state of the memory cell sequence.

次に、書き込みの際のワード線WLの電位Vw_0、Vw_1、および、読み出しの際のワード線WLの電位Vr_0、Vr_1の決定方法について説明する。 Next, a method for determining the potentials Vw_0 and Vw_1 of the word line WL at the time of writing and the potentials Vr_0 and Vr_1 of the word line WL at the time of reading will be described.

トランジスタ601の状態を決めるノードAの電位VAは、トランジスタ601のゲート−ソース(ドレイン)間の容量CGSと、容量素子603の容量CSに依存する。VAは、書き込み時のワード線WLの電位VWL(書)、及び、読み出し時のワード線WLの電位VWL(読)を用いて、次のように表すことができる。
VA=(CGS・VWL(書)+CS・VWL(読))/(CGS+CS)
The potential VA of the node A that determines the state of the transistor 601 depends on the capacitance CGS between the gate and the source (drain) of the transistor 601 and the capacitance CS of the capacitance element 603. VA can be expressed as follows by using the potential VWL (book) of the word line WL at the time of writing and the potential VWL (reading) of the word line WL at the time of reading.
VA = (CGS / VWL (book) + CS / VWL (reading)) / (CGS + CS)

読み出しが選択状態にあるメモリセル600においては、VWL(読)=Vr_1であり、読み出しが非選択状態にあるメモリセル600においては、VWL(読)=Vr_0である。また、データ”1”書き込み時はVWL(書)=Vw_1であり、データ”0”書き込み時はVWL(書)=Vw_0である。つまり、各状態におけるノードAの電位は、次のように表すことができる。
読み出しが選択状態、データ”1”
VA≒(CGS・Vw_1+CS・Vr_1)/(CGS+CS)
読み出しが選択状態、データ”0”
VA≒(CGS・Vw_0+CS・Vr_1)/(CGS+CS)
読み出しが非選択状態、データ”1”
VA≒(CGS・Vw_1+CS・Vr_0)/(CGS+CS)
読み出しが非選択状態、データ”0”
VA≒(CGS・Vw_0+CS・Vr_0)/(CGS+CS)
In the memory cell 600 in which the read is in the selected state, VWL (read) = Vr_1, and in the memory cell 600 in which the read is in the non-selected state, VWL (read) = Vr_1. Further, when writing the data "1", VWL (book) = Vw_1, and when writing the data "0", VWL (book) = Vw_1. That is, the potential of the node A in each state can be expressed as follows.
Read is selected, data "1"
VA ≒ (CGS / Vw_1 + CS / Vr_1) / (CGS + CS)
Read is selected, data "0"
VA ≒ (CGS ・ Vw_0 + CS ・ Vr_1) / (CGS + CS)
Read is not selected, data "1"
VA ≒ (CGS / Vw_1 + CS / Vr_0) / (CGS + CS)
Read is not selected, data "0"
VA ≒ (CGS ・ Vw_0 + CS ・ Vr_0) / (CGS + CS)

読み出しが選択状態にある場合であって、データ”1”が書き込まれている場合には、トランジスタ601はオン状態となることが望ましく、ノードAの電位VAはトランジスタ601のしきい値電圧Vthを上回ることが望ましい。つまり、以下の式を満たすことが望ましい。
(CGS・Vw_1+CS・Vr_1)/(CGS+CS)>Vth
When the read is in the selected state and the data "1" is written, it is desirable that the transistor 601 is turned on, and the potential VA of the node A sets the threshold voltage Vth of the transistor 601. It is desirable to exceed. That is, it is desirable to satisfy the following equation.
(CGS / Vw_1 + CS / Vr_1) / (CGS + CS)> Vth

読み出しが選択状態にある場合であって、データ”0”が書き込まれている場合には、トランジスタ601はオフ状態となることが望ましく、ノードAの電位VAはトランジスタ601のしきい値電圧Vthを下回ることが望ましい。つまり、以下の式を満たすことが望ましい。
(CGS・Vw_0+CS・Vr_1)/(CGS+CS)<Vth
When the read is in the selected state and the data "0" is written, it is desirable that the transistor 601 is in the off state, and the potential VA of the node A sets the threshold voltage Vth of the transistor 601. It is desirable to fall below. That is, it is desirable to satisfy the following equation.
(CGS / Vw_0 + CS / Vr_1) / (CGS + CS) <Vth

読み出しが非選択状態にある場合には、データ”1”またはデータ”0”のいずれが書き込まれている場合であっても、トランジスタ601はオン状態となる必要があるため、ノードAの電位VAはトランジスタ601のしきい値電圧Vthを上回ることが条件となる。つまり、以下の式を満たす必要がある。
(CGS・Vw_1+CS・Vr_0)/(CGS+CS)>Vth
(CGS・Vw_0+CS・Vr_0)/(CGS+CS)>Vth
When the read is in the non-selected state, the transistor 601 needs to be in the ON state regardless of whether data “1” or data “0” is written, so that the potential VA of the node A is VA. Is required to exceed the threshold voltage Vth of the transistor 601. That is, it is necessary to satisfy the following equation.
(CGS / Vw_1 + CS / Vr_0) / (CGS + CS)> Vth
(CGS / Vw_0 + CS / Vr_0) / (CGS + CS)> Vth

上述の関係を満たすようにVw_0、Vw_1、Vr_0、Vr_1、などを決定することで、半導体装置を動作させることができる。例えば、トランジスタ601のしきい値電圧Vth=0.3(V)、CGS/CS=1の場合には、V0=0(V)、V1=2(V)、Vw_0=0(V)、Vw_1=2(V)、Vr_0=2(V)、Vr_1=0(V)とすることができる。なお、これらの電位は一例に過ぎず、上記の条件を満たす範囲で適宜変更することが可能である。 The semiconductor device can be operated by determining Vw_0, Vw_1, Vr_0, Vr_1, etc. so as to satisfy the above relationship. For example, when the threshold voltage Vth = 0.3 (V) of the transistor 601 and CGS / CS = 1, V0 = 0 (V), V1 = 2 (V), Vw_0 = 0 (V), Vw_1 = 2 (V), Vr_0 = 2 (V), Vr_1 = 0 (V). It should be noted that these potentials are only examples, and can be appropriately changed within a range satisfying the above conditions.

ここで、CGS/CS<<1の条件では、ノードAとワード線WLが強く結合することになるため、トランジスタ602のオン状態・オフ状態に関わらず、ワード線WLの電位とノードAの電位は同程度となる。このため、トランジスタ602をオンにして書き込みを行っても、ノードAが蓄積できる電荷は僅かであるから、データ”0”とデータ”1”の差は小さいものになってしまう。 Here, under the condition of CGS / CS << 1, the node A and the word line WL are strongly coupled to each other. Therefore, regardless of whether the transistor 602 is on or off, the potential of the word line WL and the potential of the node A Is about the same. Therefore, even if the transistor 602 is turned on and writing is performed, the charge that can be accumulated by the node A is small, so that the difference between the data "0" and the data "1" becomes small.

具体的には、選択したワード線WLの電位をVr_1として上述した読み出しを行う場合、データ”0”、データ”1”のいずれを書き込んだ場合であっても、メモリセルのノードAの電位は下降し、トランジスタ601がオフ状態となってしまう。その結果、データを読み出すことが困難になる。 Specifically, when the above-mentioned reading is performed with the potential of the selected word line WL as Vr_1, the potential of the node A of the memory cell is the potential regardless of whether data “0” or data “1” is written. It descends and the transistor 601 is turned off. As a result, it becomes difficult to read the data.

一方、CGS/CS>>1の条件では、ノードAとワード線WLの結合は弱いため、ワード線WLの電位を変化させてもノードAの電位はほとんど変化しない。このため、トランジスタ601のオン状態・オフ状態を制御することが可能なノードAの電位は非常に限られたものとなり、トランジスタ601のオン状態・オフ状態を制御することが困難になる。 On the other hand, under the condition of CGS / CS >> 1, since the connection between the node A and the word line WL is weak, the potential of the node A hardly changes even if the potential of the word line WL is changed. Therefore, the potential of the node A capable of controlling the on / off state of the transistor 601 is very limited, and it becomes difficult to control the on / off state of the transistor 601.

具体的には、非選択のワード線WLの電位をVr_0として上述した読み出しを行う場合、メモリセルのノードAの電位はほとんど上がらず、データ”0”のトランジスタ601はオフ状態となってしまう。その結果、データを読み出すことが困難になる。 Specifically, when the above-mentioned reading is performed with the potential of the non-selected word line WL as Vr_0, the potential of the node A of the memory cell hardly rises, and the transistor 601 of the data “0” is turned off. As a result, it becomes difficult to read the data.

このように、CGSとCSの大きさによってはその動作が困難になる場合があるから、これらの決定に関しては留意が必要である。なお、Vw_0=0(V)、Vw_1=Vdd、Vr_0=0(V)、Vr_1=Vddとする場合には、CGS/CSがVth/(Vdd−Vth)以上(Vdd−Vth)/Vth以下の間にあれば、十分に動作させることが可能である。 As described above, since the operation may be difficult depending on the size of CGS and CS, it is necessary to pay attention to these decisions. When Vw_0 = 0 (V), Vw_1 = Vdd, Vr_0 = 0 (V), and Vr_1 = Vdd, CGS / CS is Vth / (Vdd-Vth) or more (Vdd-Vth) / Vth or less. If it is in between, it can be operated sufficiently.

なお、データ”1”とデータ”0”は便宜上の区別に過ぎないから、入れ替えて用いても構わない。また、V0として接地電位GNDなどを採用し、V1として電源電位Vddなどを採用しても良い。 Since the data "1" and the data "0" are merely distinctions for convenience, they may be interchanged. Further, a ground potential GND or the like may be adopted as V0, and a power supply potential Vdd or the like may be adopted as V1.

OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、これを用いることにより極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。 Since the off-current of the OS transistor is extremely small, it is possible to retain the stored contents for an extremely long period of time by using the OS transistor. That is, the refresh operation becomes unnecessary, or the frequency of the refresh operation can be made extremely low, so that the power consumption can be sufficiently reduced. Moreover, even when there is no power supply, it is possible to retain the stored contents for a long period of time.

また、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速動作も容易に実現しうる。また、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる情報を消去するための動作が不要であるというメリットもある。 In addition, a high voltage is not required for writing information, and there is no problem of element deterioration. Further, since information is written depending on whether the transistor is on or off, high-speed operation can be easily realized. In addition, there is an advantage that the operation for erasing the information required in the flash memory or the like is unnecessary.

<メモリセル620の構成例>
次に、メモリセル600とは異なるメモリセルの一形態を図21(B)に示す。図21(B)に示すメモリセル620は、信号線S1と、ワード線WLと、トランジスタ621と、トランジスタ622と、容量素子623とから構成されている。トランジスタ621は、酸化物半導体以外の材料を用いて形成されており、トランジスタ622はOSトランジスタを用いることが好ましい。ここで、トランジスタ621は、実施の形態3に示すトランジスタ300と同様の構成とするのが好ましい。また、トランジスタ622は、実施の形態4に示すトランジスタ200またはトランジスタ201と同様の構成とするのが好ましい。また、メモリセル620は、ソース線SL及びビット線B1と電気的に接続されており、トランジスタ(他のメモリセルを構成するものも含む)を介して、ソース線SL及びビット線B1と電気的に接続されていてもよい。
<Configuration example of memory cell 620>
Next, a form of a memory cell different from the memory cell 600 is shown in FIG. 21 (B). The memory cell 620 shown in FIG. 21B is composed of a signal line S1, a word line WL, a transistor 621, a transistor 622, and a capacitance element 623. The transistor 621 is formed of a material other than an oxide semiconductor, and the transistor 622 preferably uses an OS transistor. Here, it is preferable that the transistor 621 has the same configuration as the transistor 300 shown in the third embodiment. Further, the transistor 622 preferably has the same configuration as the transistor 200 or the transistor 201 shown in the fourth embodiment. Further, the memory cell 620 is electrically connected to the source line SL and the bit line B1 and is electrically connected to the source line SL and the bit line B1 via a transistor (including those constituting other memory cells). It may be connected to.

ここで、トランジスタ621のゲート電極と、トランジスタ622のソース電極またはドレイン電極の一方と、容量素子623の電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ソース線SLと、トランジスタ621のソース電極とは、電気的に接続され、ビット線B1と、トランジスタ621のドレイン電極とは、電気的に接続され、信号線S1と、トランジスタ622のソース電極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、ワード線WLと、トランジスタ622のゲート電極と、容量素子623の電極の他方とは、電気的に接続されている。なお、ソース線SLと、トランジスタ621のソース電極とは、トランジスタ(他のメモリセルを構成するものも含む。)を介して接続されていてもよい。また、ビット線B1と、トランジスタ621のドレイン電極とは、トランジスタ(他のメモリセルを構成するものも含む。)を介して接続されていてもよい。 Here, the gate electrode of the transistor 621, one of the source electrode or the drain electrode of the transistor 622, and one of the electrodes of the capacitive element 623 are electrically connected. Further, the source line SL and the source electrode of the transistor 621 are electrically connected, the bit line B1 and the drain electrode of the transistor 621 are electrically connected, and the signal line S1 and the source electrode of the transistor 622 are electrically connected. Alternatively, the other of the drain electrodes is electrically connected, and the word wire WL, the gate electrode of the transistor 622, and the other of the electrodes of the capacitive element 623 are electrically connected. The source line SL and the source electrode of the transistor 621 may be connected via a transistor (including those constituting other memory cells). Further, the bit wire B1 and the drain electrode of the transistor 621 may be connected via a transistor (including those constituting other memory cells).

<メモリセル620の動作>
次に、メモリセル620の動作について具体的に説明する。
<Operation of memory cell 620>
Next, the operation of the memory cell 620 will be specifically described.

メモリセル620への書き込みを行う場合は、トランジスタ621のソース電極またはドレイン電極の電位をV0(任意の電位、例えば0V)、ワード線WLの電位をV1(任意の電位、例えば2V)とする。このとき、トランジスタ622はオン状態となる。 When writing to the memory cell 620, the potential of the source electrode or drain electrode of the transistor 621 is V0 (arbitrary potential, for example 0V), and the potential of the word line WL is V1 (arbitrary potential, for example 2V). At this time, the transistor 622 is turned on.

この状態で、信号線S1の電位VS1を所定の電位とすることにより、データの書き込みが行われる。例えば、データ”1”を書き込む場合には、信号線S1の電位をVw_1とし、データ”0”を書き込む場合には、信号線S1の電位をVw_0とする。なお、書き込み終了にあたっては、信号線S1の電位が変化する前に、ワード線WLの電位をV0として、トランジスタ622をオフ状態にする。 In this state, data is written by setting the potential VS1 of the signal line S1 to a predetermined potential. For example, when writing the data "1", the potential of the signal line S1 is Vw_1, and when writing the data "0", the potential of the signal line S1 is Vw_1. At the end of writing, the potential of the word line WL is set to V0 and the transistor 622 is turned off before the potential of the signal line S1 changes.

トランジスタ621のゲート電極に接続されるノード(以下、ノードA)には、書き込み時の信号線S1の電位に応じた電荷QAが蓄積され、これによってデータが格納されることになる。ここで、トランジスタ622のオフ電流が極めて小さい、あるいは実質0であることから、書き込まれたデータは長時間にわたって保持される。 A charge QA corresponding to the potential of the signal line S1 at the time of writing is accumulated in the node (hereinafter referred to as node A) connected to the gate electrode of the transistor 621, whereby data is stored. Here, since the off-current of the transistor 622 is extremely small or substantially zero, the written data is retained for a long time.

メモリセル620の読み出しは、ワード線WLの電位VWLを所定の電位とすることにより行われる。例えば、読み出しを行うメモリセル620は、ワード線WLの電位をVr_1とし、読み出しを行わないメモリセル620は、ワード線WLの電位をVr_0とする。いずれの場合も信号線S1の電位をV1とする。 The reading of the memory cell 620 is performed by setting the potential VWL of the word line WL to a predetermined potential. For example, the memory cell 620 that reads out has the potential of the word line WL set to Vr_1, and the memory cell 620 that does not read out has the potential of the word line WL set to Vr_1. In either case, the potential of the signal line S1 is V1.

書き込み時の信号線S1の電位Vw_1、Vw_0、及び、読み出し時のワード線WLの電位Vr_1、Vr_0は、ワード線WLの電位をVr_1としたときに、データ”1”が格納されたメモリセルのトランジスタ621がオン状態となり、データ”0”が格納されたメモリセルのトランジスタ621がオフ状態となるように設定する。また、トランジスタ622がオフ状態となるように設定する。さらに、ワード線WLの電位をVr_0としたときに、データ”0”、データ”1”のいずれが格納されたかに関わらず、メモリセルのトランジスタ621がオン状態となり、かつ、トランジスタ622がオフ状態となるように設定する。 The potentials Vw_1 and Vw_0 of the signal line S1 at the time of writing and the potentials Vr_1 and Vr_1 of the word line WL at the time of reading are the memory cells in which the data "1" is stored when the potential of the word line WL is Vr_1. The transistor 621 is turned on, and the transistor 621 of the memory cell in which the data "0" is stored is set to be turned off. Further, the transistor 622 is set to be in the off state. Further, when the potential of the word line WL is set to Vr_0, the transistor 621 of the memory cell is in the ON state and the transistor 622 is in the OFF state regardless of whether the data “0” or the data “1” is stored. Set to be.

メモリセル620を用いてNAND型の不揮発性メモリを構成する場合には、上述のような関係の電位を用いることで、読み出し動作を行うことができる。つまり、読み出しが選択されたメモリセルでは格納されたデータによって抵抗状態を異ならせることが可能であり、メモリセル列の他のメモリセルでは格納されたデータにかかわらず低抵抗状態とすることができる。その結果、ビット線B1の抵抗状態の違いを検出する読み出し回路を用いて、メモリセルのデータを読み出すことができる。 When a NAND-type non-volatile memory is configured by using the memory cell 620, the read operation can be performed by using the potentials having the above-mentioned relationship. That is, in the memory cell for which reading is selected, the resistance state can be changed depending on the stored data, and in the other memory cells in the memory cell column, the resistance state can be set to the low resistance state regardless of the stored data. .. As a result, the data in the memory cell can be read out by using the read-out circuit that detects the difference in the resistance state of the bit line B1.

なお、データ”1”とデータ”0”は便宜上の区別に過ぎないから、入れ替えて用いても構わない。また、V0として接地電位GNDなどを採用し、V1として電源電位Vddなどを採用しても良い。 Since the data "1" and the data "0" are merely distinctions for convenience, they may be interchanged. Further, a ground potential GND or the like may be adopted as V0, and a power supply potential Vdd or the like may be adopted as V1.

なお、本実施の形態において示したメモリセル620を用いる場合にも、マトリクス状の半導体装置を実現することができる。マトリクス状の半導体装置は、先の実施の形態で示した構成と同様な回路を用い、駆動回路や読み出し回路、書き込み回路を信号線の構成にあわせて適宜構成することで実現できる。なお、メモリセル620を用いる場合には、読み出しおよび書き込みは、いずれも行ごとに行う構成とする。 Even when the memory cell 620 shown in the present embodiment is used, a matrix-like semiconductor device can be realized. The matrix-shaped semiconductor device can be realized by using a circuit similar to the configuration shown in the previous embodiment and appropriately configuring a drive circuit, a read circuit, and a write circuit according to the configuration of the signal line. When the memory cell 620 is used, both reading and writing are performed row by row.

(実施の形態6)
本実施の形態では、上記実施の形態の記憶装置を有する半導体装置の一形態を、図23、および図24を用いて説明する。
(Embodiment 6)
In the present embodiment, one form of the semiconductor device having the storage device of the above-described embodiment will be described with reference to FIGS. 23 and 24.

<半導体ウエハ、チップ>
図23(A)は、ダイシング処理が行なわれる前の基板711の上面図を示している。基板711としては、例えば、半導体基板(「半導体ウエハ」ともいう。)を用いることができる。基板711上には、複数の回路領域712が設けられている。回路領域712には、本発明の一態様に係る半導体装置などを設けることができる。
<Semiconductor wafers and chips>
FIG. 23A shows a top view of the substrate 711 before the dicing process is performed. As the substrate 711, for example, a semiconductor substrate (also referred to as a "semiconductor wafer") can be used. A plurality of circuit regions 712 are provided on the substrate 711. A semiconductor device or the like according to one aspect of the present invention can be provided in the circuit area 712.

複数の回路領域712は、それぞれが分離領域713に囲まれている。分離領域713と重なる位置に分離線(「ダイシングライン」ともいう。)714が設定される。分離線714に沿って基板711を切断することで、回路領域712を含むチップ715を基板711から切り出すことができる。図23(B)にチップ715の拡大図を示す。 Each of the plurality of circuit areas 712 is surrounded by a separation area 713. A separation line (also referred to as a “dicing line”) 714 is set at a position overlapping the separation region 713. By cutting the substrate 711 along the separation line 714, the chip 715 including the circuit area 712 can be cut out from the substrate 711. FIG. 23 (B) shows an enlarged view of the chip 715.

また、分離領域713に導電層、半導体層などを設けてもよい。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、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713に導電層、半導体層などを設けることで、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。 Further, a conductive layer, a semiconductor layer, or the like may be provided in the separation region 713. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, ESD that may occur during the dicing step can be alleviated, and a decrease in yield due to the dicing step can be prevented. Further, in general, the dicing step is performed while supplying pure water with 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 antistatic, and the like. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, the amount of pure water used can be reduced. Therefore, the production cost of the semiconductor device can be reduced. Moreover, the productivity of the semiconductor device can be increased.

<電子部品>
チップ715を用いた電子部品の一例について、図24(A)および図24(B)を用いて説明する。なお、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。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。
<Electronic components>
An example of an electronic component using the chip 715 will be described with reference to FIGS. 24 (A) and 24 (B). The electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. Electronic components have a plurality of standards, names, etc., depending on the terminal take-out direction, the shape of the terminal, and the like.

電子部品は、組み立て工程(後工程)において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。 In the assembly process (post-process), the electronic component is completed by combining the semiconductor device shown in the above embodiment and a component other than the semiconductor device.

図24(A)に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において基板711に本発明の一態様に係る半導体装置などを形成した後、基板711の裏面(半導体装置などが形成されていない面)を研削する「裏面研削工程」を行なう(ステップS721)。研削により基板711を薄くすることで、電子部品の小型化を図ることができる。 The post-process will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 24 (A). After forming the semiconductor device or the like according to one aspect of the present invention on the substrate 711 in the previous step, a "back surface grinding step" for grinding the back surface of the substrate 711 (the surface on which the semiconductor device or the like is not formed) is performed (step S721). .. By thinning the substrate 711 by grinding, it is possible to reduce the size of electronic components.

次に、基板711を複数のチップ715に分離する「ダイシング工程」を行う(ステップS722)。そして、分離したチップ715を個々のリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う(ステップS723)。ダイボンディング工程におけるチップ715とリードフレームとの接合は、樹脂による接合、またはテープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップ715を接合してもよい。 Next, a "dicing step" for separating the substrate 711 into a plurality of chips 715 is performed (step S722). Then, a "die bonding step" is performed in which the separated chips 715 are bonded onto the individual lead frames (step S723). For joining the chip 715 and the lead frame in the die bonding step, a method suitable for the product is appropriately selected, such as joining with a resin or joining with a tape. The chip 715 may be bonded on the interposer substrate instead of the lead frame.

次いで、リードフレームのリードとチップ715上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う(ステップS724)。金属の細線には、銀線、金線などを用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、例えば、ボールボンディング、またはウェッジボンディングを用いることができる。 Next, a "wire bonding step" is performed in which the leads of the lead frame and the electrodes on the chip 715 are electrically connected by a thin metal wire (wire) (step S724). A silver wire, a gold wire, or the like can be used as the thin metal wire. Further, as the wire bonding, for example, ball bonding or wedge bonding can be used.

ワイヤーボンディングされたチップ715は、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程(モールド工程)」が施される(ステップS725)。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップ715とリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分、埃などによる特性の劣化(信頼性の低下)を低減することができる。 The wire-bonded chip 715 is subjected to a "sealing step (molding step)" in which the chip 715 is sealed with an epoxy resin or the like (step S725). By performing the sealing process, the inside of the electronic component is filled with resin, the wire connecting the chip 715 and the lead can be protected from mechanical external force, and the characteristics deteriorate (reliability) due to moisture, dust, etc. (Decrease) can be reduced.

次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう(ステップS726)。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。次いで、リードを切断および成形加工する「成形工程」を行なう(ステップS727)。 Next, a "lead plating step" for plating the leads of the lead frame is performed (step S726). The plating process prevents rust on the leads, and soldering can be performed more reliably when mounting on a printed circuit board later. Next, a "molding step" of cutting and molding the lead is performed (step S727).

次いで、パッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す「マーキング工程」を行なう(ステップS728)。そして外観形状の良否、動作不良の有無などを調べる「検査工程」(ステップS729)を経て、電子部品が完成する。 Next, a "marking step" is performed in which a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S728). Then, the electronic component is completed through an "inspection step" (step S729) for checking the quality of the appearance shape, the presence or absence of malfunction, and the like.

また、完成した電子部品の斜視模式図を図24(B)に示す。図24(B)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24(B)に示す電子部品750は、リード755およびチップ715を有する。電子部品750は、チップ715を複数有していてもよい。 Further, a schematic perspective view of the completed electronic component is shown in FIG. 24 (B). FIG. 24B shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. The electronic component 750 shown in FIG. 24B has a lead 755 and a chip 715. The electronic component 750 may have a plurality of chips 715.

図24(B)に示す電子部品750は、例えばプリント基板752に実装される。このような電子部品750が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板752上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板754)が完成する。完成した実装基板754は、電子機器などに用いられる。 The electronic component 750 shown in FIG. 24B is mounted on, for example, a printed circuit board 752. A plurality of such electronic components 750 are combined and electrically connected to each other on the printed circuit board 752 to complete a substrate (mounting substrate 754) on which the electronic components are mounted. The completed mounting board 754 is used for electronic devices and the like.

(実施の形態7)
<電子機器>
上記実施の形態に示す記憶装置は、様々な電子機器に用いることができる。図25に、記憶装置10を用いた電子機器の具体例を示す。
(Embodiment 7)
<Electronic equipment>
The storage device shown in the above embodiment can be used for various electronic devices. FIG. 25 shows a specific example of an electronic device using the storage device 10.

図25(A)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、車体2981、車輪2982、ダッシュボード2983、およびライト2984等を有する。また、自動車2980は、アンテナ、バッテリなどを備える。 FIG. 25A is an external view showing an example of an automobile. The car 2980 has a body 2981, wheels 2982, dashboard 2983, lights 2984 and the like. Further, the automobile 2980 includes an antenna, a battery and the like.

図25(B)に示す情報端末2910は、筐体2911、表示部2912、マイク2917、スピーカ部2914、カメラ2913、外部接続部2916、および操作スイッチ2915等を有する。表示部2912には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタッチスクリーンを備える。また、情報端末2910は、筐体2911の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2910は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。 The information terminal 2910 shown in FIG. 25B has a housing 2911, a display unit 2912, a microphone 2917, a speaker unit 2914, a camera 2913, an external connection unit 2916, an operation switch 2915, and the like. The display unit 2912 includes a display panel and a touch screen using a flexible substrate. Further, the information terminal 2910 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2911. The information terminal 2910 can be used as, for example, a smartphone, a mobile phone, a tablet-type information terminal, a tablet-type personal computer, an electronic book terminal, or the like.

図25(C)に示すノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921、表示部2922、キーボード2923、およびポインティングデバイス2924等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。 The notebook personal computer 2920 shown in FIG. 25C has a housing 2921, a display unit 2922, a keyboard 2923, a pointing device 2924, and the like. Further, the notebook personal computer 2920 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2921.

図25(D)に示すビデオカメラ2940は、筐体2941、筐体2942、表示部2943、操作スイッチ2944、レンズ2945、および接続部2946等を有する。操作スイッチ2944およびレンズ2945は筐体2941に設けられており、表示部2943は筐体2942に設けられている。また、ビデオカメラ2940は、筐体2941の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体2941と筐体2942は、接続部2946により接続されており、筐体2941と筐体2942の間の角度は、接続部2946により変えることが可能な構造となっている。筐体2941に対する筐体2942の角度によって、表示部2943に表示される画像の向きの変更や、画像の表示/非表示の切り換えを行うことができる。 The video camera 2940 shown in FIG. 25 (D) has a housing 2941, a housing 2942, a display unit 2943, an operation switch 2944, a lens 2945, a connection unit 2946, and the like. The operation switch 2944 and the lens 2945 are provided in the housing 2941, and the display unit 2943 is provided in the housing 2942. Further, the video camera 2940 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2941. The housing 2941 and the housing 2942 are connected by a connecting portion 2946, and the angle between the housing 2941 and the housing 2942 can be changed by the connecting portion 2946. Depending on the angle of the housing 2942 with respect to the housing 2941, the orientation of the image displayed on the display unit 2943 can be changed, and the display / non-display of the image can be switched.

図25(E)にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末2950は、筐体2951、および表示部2952等を有する。また、情報端末2950は、筐体2951の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部2952は、曲面を有する筐体2951に支持されている。表示部2952には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末2950を提供することができる。 FIG. 25 (E) shows an example of a bangle type information terminal. The information terminal 2950 has a housing 2951, a display unit 2952, and the like. Further, the information terminal 2950 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2951. The display unit 2952 is supported by a housing 2951 having a curved surface. Since the display unit 2952 includes a display panel using a flexible substrate, it is possible to provide an information terminal 2950 that is flexible, light, and easy to use.

図25(F)に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末2960は、筐体2961、表示部2962、バンド2963、バックル2964、操作スイッチ2965、入出力端子2966などを備える。また、情報端末2960は、筐体2961の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2960は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。 FIG. 25F shows an example of a wristwatch-type information terminal. The information terminal 2960 includes a housing 2961, a display unit 2962, a band 2963, a buckle 2964, an operation switch 2965, an input / output terminal 2966, and the like. Further, the information terminal 2960 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2961. The information terminal 2960 can execute various applications such as mobile phone, e-mail, text viewing and creation, music playback, Internet communication, and computer games.

表示部2962の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部2962はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部2962に表示されたアイコン2967に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ2965は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末2960に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ2965の機能を設定することもできる。 The display surface of the display unit 2962 is curved, and display can be performed along the curved display surface. Further, the display unit 2962 is provided with a touch sensor and can be operated by touching the screen with a finger or a stylus. For example, the application can be started by touching the icon 2967 displayed on the display unit 2962. In addition to setting the time, the operation switch 2965 can have various functions such as power on / off operation, wireless communication on / off operation, manner mode execution / cancellation, and power saving mode execution / cancellation. .. For example, the function of the operation switch 2965 can be set by the operating system incorporated in the information terminal 2960.

また、情報端末2960は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末2960は入出力端子2966を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子2966を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子2966を介さずに無線給電により行ってもよい。 In addition, the information terminal 2960 can execute short-range wireless communication standardized for communication. For example, by communicating with a headset capable of wireless communication, it is possible to make a hands-free call. Further, the information terminal 2960 is provided with an input / output terminal 2966, and data can be directly exchanged with another information terminal via a connector. It is also possible to charge via the input / output terminal 2966. The charging operation may be performed by wireless power supply without going through the input / output terminal 2966.

例えば、上記実施の形態に示す記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。 For example, the storage device shown in the above embodiment can hold the above-mentioned control information of the electronic device, the control program, and the like for a long period of time. By using the semiconductor device according to one aspect of the present invention, a highly reliable electronic device can be realized.

本明細書において、特に断りがない場合、オン電流とは、トランジスタがオン状態にあるときのドレイン電流をいう。オン状態(オンと略す場合もある)とは、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧(V)がしきい値電圧(Vth)以上の状態、pチャネル型トランジスタでは、VがVth以下の状態をいう。例えば、nチャネル型のトランジスタのオン電流とは、VがVth以上のときのドレイン電流を言う。また、トランジスタのオン電流は、ドレインとソースの間の電圧(V)に依存する場合がある。 In the present specification, unless otherwise specified, the on-current means the drain current when the transistor is in the on-state. The ON state (sometimes referred to as turned on), unless otherwise specified, the n-channel transistor, the voltage between the gate and source (V G) is the threshold voltage (V th) or more states, p in channel transistor, V G refers to the following state V th. For example, the on-current of the n-channel transistor, V G refers to a drain current when the above V th. The on-current of the transistor may be dependent on the voltage (V D) between the drain and the source.

本明細書において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態(オフと略す場合もある)とは、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、VがVthよりも低い状態、pチャネル型トランジスタでは、VがVthよりも高い状態をいう。例えば、nチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、VがVthよりも低いときのドレイン電流を言う。トランジスタのオフ電流は、Vに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流が10−21A未満である、とは、トランジスタのオフ電流が10−21A未満となるVの値が存在することを言う場合がある。 In the present specification, unless otherwise specified, the off current means the drain current when the transistor is in the off state. The OFF state (sometimes referred to as OFF), unless otherwise specified, the n-channel type transistor, V G is lower than V th state, the p-channel type transistor, V G is higher than V th state To say. For example, the off-current of the n-channel transistor, refers to the drain current when V G is lower than V th. Off-state current of the transistor may be dependent on the V G. Accordingly, the off current of the transistor is less than 10 -21 A, and may refer to the value of V G to off-current of the transistor is less than 10 -21 A are present.

また、トランジスタのオフ電流は、Vに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Vの絶対値が0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V、2.5V、3V、3.3V、10V、12V、16V、または20Vにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVにおけるオフ電流を表す場合がある。 Further, the off current of the transistor may depend on V D. In this specification, off-state current, unless otherwise, 0.1 V the absolute value of V D is, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V , 2.5V, 3V, 3.3V, 10V , 12V, 16V, or 20V may represent off-current. Or it may represent an off current at V D for use in a semiconductor device or the like includes the transistor.

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、ソースとドレインとの一方を、「ソースまたはドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソースまたはドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)と表記している。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 and the drain is referred to as "one of the source or the drain" (or the first electrode or the first terminal), and the source and the drain are referred to. The other is referred to as "the other of the source or drain" (or the second electrode, or the second terminal). This is because the source and drain of the transistor change depending on the structure or operating conditions of the transistor. 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.

本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。 In the present specification and the like, when it is explicitly stated that X and Y are connected, the case where X and Y are electrically connected and the case where X and Y are directly connected are directly connected. It is assumed that the case is disclosed in the present specification and the like.

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display) that enables an electrical connection between X and Y is used. This is a case where X and Y are connected without going through an element, a light emitting element, a load, etc.).

XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、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している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display) that enables an electrical connection between X and Y is used. One or more elements, light emitting elements, loads, etc.) can be connected between X and Y. The switch 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 has a function of selecting and switching the path through which the current flows. The case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.

B1 ビット線、BL 信号線、C1 容量素子、C2 容量素子、D1L データ、D2L データ、D11 データ、D21 データ、DM1 データ、DML データ、MEM メモリセル、N1 ノード、PR 信号線、PRB 信号線、PRE 信号線、RB 信号線、RBIAS 信号線、RD 回路、RS 信号線、RW 信号線、S1 信号線、T01 時刻、T02 時刻、T03 時刻、T05 時刻、T07 時刻、T09 時刻、T11 時刻、T13 時刻、T21 時刻、T22 時刻、T23 時刻、T24 時刻、T25 時刻、T26 時刻、T27 時刻、T31 時刻、T32 時刻、T33 時刻、T36 時刻、T37 時刻、T38 時刻、T40 時刻、Tr1 トランジスタ、Tr2 トランジスタ、Tr3 トランジスタ、Tr4 トランジスタ、Tr5 トランジスタ、Tr6 トランジスタ、Tr7 トランジスタ、Tr8 トランジスタ、Tr9 トランジスタ、Tr10 トランジスタ、Tr11 トランジスタ、Tr12 トランジスタ、Tr13 トランジスタ、Tr14 トランジスタ、Tr15 トランジスタ、Tr16 トランジスタ、Tr17 トランジスタ、Tr18 トランジスタ、V0 電位、V1 電位、VA 電位、Vs 電位、Vr_0 電位、Vr_1 電位、VS1 電位、Vw_0 電位、Vw_1 電位、VWL 電位、WB 信号線、WS 信号線、WW 信号線、10 記憶装置、10A 記憶装置、10B 記憶装置、11 記憶装置、20 回路、21 回路、22 回路、23 D/Aコンバータ、24 A/Dコンバータ、24a A/Dコンバータ、24b A/Dコンバータ、24c A/Dコンバータ、25 抵抗素子、26 コンパレータ、27 エンコーダ、30 選択回路、40 メモリセルアレイ、50 デコーダ、60 デコーダ、71 コンパレータ、73 D/Aコンバータ、74 レジスタ、80 コンパレータ、81 ラッチ、82 AND回路、83 カウンタ、100 容量素子、110 導電体、112 導電体、120 導電体、130 絶縁体、150 絶縁体、200 トランジスタ、201 トランジスタ、214 絶縁体、216 絶縁体、218 導電体、220 絶縁体、222 絶縁体、224 絶縁体、225 絶縁体、246 導電体、248 導電体、280 絶縁体、282 絶縁体、286 絶縁体、300 トランジスタ、310 導電体、310a 導電体、310b 導電体、311 基板、313 半導体領域、314a 低抵抗領域、314b 低抵抗領域、315 絶縁体、316 導電体、320 絶縁体、322 絶縁体、324 絶縁体、326 絶縁体、328 導電体、330 導電体、350 絶縁体、352 絶縁体、354 絶縁体、356 導電体、360 絶縁体、362 絶縁体、364 絶縁体、366 導電体、370 絶縁体、372 絶縁体、374 絶縁体、376 導電体、380 絶縁体、382 絶縁体、384 絶縁体、386 導電体、404 導電体、404a 導電体、404b 導電体、405 導電体、405a 導電体、405b 導電体、406 金属酸化物、406a 金属酸化物、406b 金属酸化物、406c 金属酸化物、412 絶縁体、413 絶縁体、418 絶縁体、419 絶縁体、420 絶縁体、426a 領域、426b 領域、426c 領域、440 導電体、440a 導電体、440b 導電体、450a 導電体、450b 導電体、451a 導電体、451b 導電体、452a 導電体、452b 導電体、600 メモリセル、601 トランジスタ、602 トランジスタ、603 容量素子、610 メモリセルアレイ、611 駆動回路、612 回路、613 駆動回路、615 トランジスタ、620 メモリセル、621 トランジスタ、622 トランジスタ、623 容量素子、711 基板、712 回路領域、713 分離領域、714 分離線、715 チップ、750 電子部品、752 プリント基板、754 実装基板、755 リード、2910 情報端末、2911 筐体、2912 表示部、2913 カメラ、2914 スピーカ部、2915 操作スイッチ、2916 外部接続部、2917 マイク、2920 ノート型パーソナルコンピュータ、2921 筐体、2922 表示部、2923 キーボード、2924 ポインティングデバイス、2940 ビデオカメラ、2941 筐体、2942 筐体、2943 表示部、2944 操作スイッチ、2945 レンズ、2946 接続部、2950 情報端末、2951 筐体、2952 表示部、2960 情報端末、2961 筐体、2962 表示部、2963 バンド、2964 バックル、2965 操作スイッチ、2966 入出力端子、2967 アイコン、2980 自動車、2981 車体、2982 車輪、2983 ダッシュボード、2984 ライト B1 bit line, BL signal line, C1 capacitive element, C2 capacitive element, D1L data, D2L data, D11 data, D21 data, DM1 data, DML data, MEM memory cell, N1 node, PR signal line, PRB signal line, PRE Signal line, RB signal line, RBIAS signal line, RD circuit, RS signal line, RW signal line, S1 signal line, T01 time, T02 time, T03 time, T05 time, T07 time, T09 time, T11 time, T13 time, T21 time, T22 time, T23 time, T24 time, T25 time, T26 time, T27 time, T31 time, T32 time, T33 time, T36 time, T37 time, T38 time, T40 time, Tr1 transistor, Tr2 transistor, Tr3 transistor , Tr4 transistor, Tr5 transistor, Tr6 transistor, Tr7 transistor, Tr8 transistor, Tr9 transistor, Tr10 transistor, Tr11 transistor, Tr12 transistor, Tr13 transistor, Tr14 transistor, Tr15 transistor, Tr16 transistor, Tr17 transistor, Tr18 transistor, V0 potential, V1 Potential, VA potential, Vs potential, Vr_1 potential, Vr_1 potential, VS1 potential, Vw_1 potential, Vw_1 potential, VWL potential, WB signal line, WS signal line, WW signal line, 10 storage device, 10A storage device, 10B storage device, 11 storage device, 20 circuits, 21 circuits, 22 circuits, 23 D / A converters, 24 A / D converters, 24a A / D converters, 24b A / D converters, 24c A / D converters, 25 resistance elements, 2 6 comparator, 27 encoder, 30 selection circuit, 40 memory cell array, 50 decoder, 60 decoder, 71 comparator, 73 D / A converter, 74 register, 80 comparator, 81 latch, 82 AND circuit, 83 counter, 100 capacitive element, 110 Conductor, 112 Conductor, 120 Insulator, 130 Insulator, 150 Insulator, 200 Insulator, 201 Insulator, 214 Insulator, 216 Insulator, 218 Insulator, 220 Insulator, 222 Insulator, 224 Insulator, 225 Insulator, 246 Insulator, 248 Insulator, 280 Insulator, 282 Insulator, 286 Insulator, 300 Transistor, 310 Conductor, 310a Conductor, 310b Conductor, 311 Substrate, 313 Semiconductor Region, 314a Low Resistance Region, 314b Low Resistance Region, 315 Insulator, 316 Insulator, 320 Insulator, 322 Insulator, 324 Insulator, 326 Insulator, 328 Insulator, 330 Insulator, 350 Insulator, 352 Insulator, 354 Insulator, 356 Conductor, 360 Insulator, 362 Insulator, 364 Insulator, 366 Insulator, 370 Insulator, 372 Insulator, 374 Insulator, 376 Insulator, 380 Insulator, 382 Insulator, 384 Insulator, 386 Insulator , 404 Conductor, 404a Conductor, 404b Conductor, 405 Conductor, 405a Conductor, 405b Conductor, 406 Metal Oxide, 406a Metal Oxide, 406b Metal Oxide, 406c Metal Oxide, 412 Insulator, 413 Insulator, 418 Insulator, 419 Insulator, 420 Insulator, 426a Region, 426b Region, 426c Region, 440 Conductor, 440a Conductor, 440b Conductor, 450a Conductor, 450b Conductor, 451a Conductor, 451b Conductor, 452a Conductor, 452b Conductor, 600 Memory Cell, 601 Transistor, 602 Transistor, 603 Capacitive Element, 610 Memory Array, 611 Drive Circuit, 612 Circuit, 613 Drive Circuit, 615 transistor, 620 memory cell, 621 transistor, 622 transistor, 623 capacitive element, 711 board, 712 circuit area, 713 separation area, 714 separation line, 715 chip, 750 electronic components, 752 printed circuit board, 754 printed circuit board, 755 Read, 2910 information terminal, 2911 housing, 2912 display, 2913 camera, 2914 speaker, 2915 operation switch, 2916 external connection, 2917 microphone, 2920 notebook personal computer, 2921 housing, 2922 display, 2923 keyboard, 2924 pointing device, 2940 video camera, 2941 housing, 2942 housing, 2943 display unit, 2944 operation switch, 2945 lens, 2946 connection part, 2950 information terminal, 2951 housing, 2952 display unit, 2960 information terminal, 2961 housing , 2962 display, 2963 band, 2964 buckle, 2965 operation switch, 2966 input / output terminal, 2967 icon, 2980 car, 2981 body, 2982 wheels, 2983 dashboard, 2984 light

Claims (7)

メモリセルと、
第1回路と、
第1信号線と、
第2信号線と、
第3信号線と、
第4信号線と、
第1電源線と、
第2電源線と、を有し、
前記メモリセルは、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第1容量素子と、を有し、
前記第1回路は、第3トランジスタと、第4トランジスタと、第2容量素子と、を有し、
前記第1トランジスタのソースまたはドレインの一方は前記第1信号線に電気的に接続され、
前記第1トランジスタのソースまたはドレインの他方は前記第2トランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第1トランジスタのゲートは前記第2信号線に電気的に接続され、
前記第1トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有し、
前記第2トランジスタのソースまたはドレインの一方は前記第1トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、
前記第2トランジスタのソースまたはドレインの他方は前記第1電源線に電気的に接続され、
前記第2トランジスタは、nチャネル型トランジスタであり、
前記第1容量素子の第1端子は前記第2トランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第1容量素子の第2端子は前記第3信号線に電気的に接続され、
前記第3トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第1信号線に電気的に接続され、
前記第3トランジスタのソースまたはドレインの他方は前記第4トランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第3トランジスタはチャネル形成領域に金属酸化物を有し、
前記第3トランジスタのゲートは、前記第4信号線に電気的に接続され、
前記第4トランジスタのソースまたはドレインの一方は前記第3トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的に接続され、
前記第4トランジスタのソースまたはドレインの他方は前記第2電源線に電気的に接続され、
前記第2容量素子の第1端子は前記第4トランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第2容量素子の第2端子は前記第2電源線に電気的に接続され、
前記第4トランジスタはnチャネル型トランジスタであり、
前記第4トランジスタに流れるドレイン電流は、前記第1信号線に流れることを特徴とする記憶装置。
With memory cells
The first circuit and
The first signal line and
The second signal line and
The third signal line and
4th signal line and
1st power line and
Has a second power line,
The memory cell has a first transistor, a second transistor, and a first capacitance element.
The first circuit includes a third transistor, a fourth transistor, and a second capacitance element.
One of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the first signal line.
The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the gate of the second transistor.
The gate of the first transistor is electrically connected to the second signal line,
The first transistor has a metal oxide in the channel forming region and has a metal oxide.
One of the source or drain of the second transistor is electrically connected to one of the source or drain of the first transistor.
The other of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the first power line.
The second transistor is an n-channel transistor and is an n-channel transistor.
The first terminal of the first capacitance element is electrically connected to the gate of the second transistor.
The second terminal of the first capacitance element is electrically connected to the third signal line, and the second terminal is electrically connected to the third signal line.
One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the first signal line.
The other of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the gate of the fourth transistor.
The third transistor has a metal oxide in the channel forming region and has a metal oxide.
The gate of the third transistor is electrically connected to the fourth signal line.
One of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to one of the source or drain of the third transistor.
The other of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to the second power line.
The first terminal of the second capacitance element is electrically connected to the gate of the fourth transistor.
The second terminal of the second capacitance element is electrically connected to the second power supply line.
The fourth transistor is an n-channel transistor and is an n-channel transistor.
A storage device characterized in that the drain current flowing through the fourth transistor flows through the first signal line.
請求項において、
前記第1回路はカレントミラー回路を有し、
前記第4トランジスタに流れるドレイン電流は、前記カレントミラー回路を介して、前記第1信号線に流れることを特徴とする記憶装置。
In claim 1 ,
The first circuit has a current mirror circuit.
A storage device characterized in that the drain current flowing through the fourth transistor flows through the first signal line via the current mirror circuit.
請求項または請求項において、
前記第1回路は、前記メモリセルが格納する第1アナログデータを、第2アナログデータとして格納する機能を有することを特徴とする記憶装置。
In claim 1 or 2 ,
The first circuit is a storage device having a function of storing the first analog data stored in the memory cell as the second analog data.
請求項乃至請求項の何れか一項において、
D/Aコンバータと、第5トランジスタと、第5信号線と、を有し、
前記D/Aコンバータの出力端子は、前記第5トランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第5トランジスタに流れるドレイン電流は、前記第5信号線に流れ、
前記第5信号線は、前記第1信号線に電気的に接続されていることを特徴とする記憶装置。
In any one of claims 1 to 3 ,
It has a D / A converter, a fifth transistor, and a fifth signal line.
The output terminal of the D / A converter is electrically connected to the gate of the fifth transistor.
The drain current flowing through the fifth transistor flows through the fifth signal line,
The storage device is characterized in that the fifth signal line is electrically connected to the first signal line.
請求項乃至請求項の何れか一項において、
A/Dコンバータと、第6トランジスタと、第6信号線と、第3電源線と、を有し、
前記第6トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第6信号線に電気的に接続され、
前記第6トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第3電源線に電気的に接続され、
前記A/Dコンバータの入力端子は、前記第6信号線に電気的に接続され、
前記第6信号線は前記第1信号線に電気的に接続されることを特徴とする記憶装置。
In any one of claims 1 to 4 ,
It has an A / D converter, a sixth transistor, a sixth signal line, and a third power supply line.
One of the source or drain of the sixth transistor is electrically connected to the sixth signal line.
The other of the source or drain of the sixth transistor is electrically connected to the third power line.
The input terminal of the A / D converter is electrically connected to the sixth signal line.
A storage device characterized in that the sixth signal line is electrically connected to the first signal line.
請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の記憶装置を複数有し、
分離領域を有する半導体ウエハ。
The storage device according to any one of claims 1 to 5 is provided.
A semiconductor wafer having a separation region.
請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の記憶装置と、バッテリと、を有する電子機器。 An electronic device having the storage device according to any one of claims 1 to 5 and a battery.
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