JP2015207997A - 保持回路、保持回路の駆動方法、および保持回路を有する半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】保持回路は、第1乃至第3入力端子、第1出力端子、第1乃至第3スイッチ、容量素子、および第1ノードを有する。第1スイッチは第1ノードと第1入力端子間の導通状態を制御し、第2スイッチは第1ノードと第1出力端子間の導通状態を制御し、第3スイッチは第2入力端子と第1出力端子間の導通状態を制御する。容量素子の第1端子は第1ノードと電気的に接続され、容量素子の第2端子は第3入力端子と電気的に接続されている。第1乃至第3スイッチは半導体領域が酸化物半導体層で形成されているトランジスタである。これにより電気的に浮遊状態となった第1ノードの電位の変動を抑えることができるため、保持回路は状態を長期間保持することが可能である。保持回路は、例えば、順序回路のバックアップ用記憶回路として用いることができる。
【選択図】図1
Description
<<半導体装置の構成例1>>
図1は、半導体装置の構成の一例を示すブロック図である。半導体装置100は、入力端子INa、入力端子INb、出力端子OUTa、回路10、および回路RC1を有する。端子INa、端子INbは、半導体装置100が処理するデータ信号を入力することが可能な端子である。端子OUTaは、半導体装置100(回路10)で処理されたデータ信号を出力する端子である。
回路10は回路20および回路30を有する。回路10は論理回路として機能することが可能な半導体装置である。回路10には、クロック信号CLK等の制御信号、高電源電位VDD、および低電源電位VSSが入力される。回路10は、クロックゲーティングおよびパワーゲーティングが可能な回路ブロックであり、半導体装置100が組み込まれている半導体装置のクロックゲーティング回路によりクロック信号CLKの供給が制御され、同半導体装置のパワーゲーティング回路により電源電位VDDの供給が制御される。
回路RC1は、データ(状態)を保持することが可能な保持回路として機能する。回路RC1は、ノードFN1、入力端子a1、入力端子a2、入力端子c1、出力端子b1、スイッチSW1、スイッチSW2、スイッチSW3および容量素子CP1を有する。
図2は、半導体装置の構成例を示す回路図であり、図3および図4は図2に示す半導体装置の駆動方法例を示すタイミングチャートである。図2の回路図は、図1に示す半導体装置100の具体例の1つである。図2に示す半導体装置101は回路11および回路RC2を有する。
図3に、クロックゲーティングおよびパワーゲーティングの制御方法の一例を示す。
期間T1では、通常動作モードで半導体装置101が動作している。通常動作とは、半導体装置101(回路11)がフリップフロップ回路として動作していることをいう。図3の例では、通常動作ではFF31が信号D0の状態を保持するように駆動されている。
期間T2では、VDDの供給は継続しているが、CLKの供給が停止されるため、半導体装置101は待機状態となる。RC2はFF31の状態をバックアップする。具体的には、FF31に入力されるデータ信号D0の論理レベルがRC2に書き込まれる。
期間T3は、VDDが遮断され、半導体装置101が停止状態である。OG1およびRESETをLレベルにした後、VDDを遮断する。
半導体装置101を通常動作に復帰させるため、まずVDDの供給を再開する。VDDの供給が再開すると、SELC1により、端子a20と端子a30間が導通状態となる。
FF31をCLK遮断前の状態に復帰する。具体的には、RC2で保持しているデータをFF31に書き込む。まず、SELおよびOG3をHレベルにして、端子INbとFF31の入力端子a30間を導通状態にし、信号SCをHレベルにする。これにより、端子a30の論理レベルがHになる。次に、トランジスタMos2を導通状態にして、ノードFN1と端子a30間を導通状態にする。ノードFN1の論理レベルがLであれば、端子a30の電位はLレベルとなるので、端子a30の論理レベルはLになる。ノードFN1の論理レベルがHであれば、端子a30の電位はほとんど変化しないため、端子a30は論理レベルがHの状態が維持される。以上により、FF31の状態をノードFN1で保持していた状態にすることができる。つまり、FF31をCLK遮断直前の状態に復帰することができる。
CLKの供給を再開し、半導体装置101を通常動作させる。CLK供給を再開する前の期間T5において、信号RESETはHレベルにされている。期間T6の半導体装置101の駆動方法は、期間T1と同様であるため説明を省略する。
図3の駆動方法例では、RC2は端子INaに入力されるデータ信号D0をバックアップしている。RC2は端子INbに入力される信号SCをバックアップすることも可能である。そのような駆動方法例を図4に示す。図4の駆動方法例において、図3の駆動方法例と同じ動作については、説明を省略し、図3の説明を援用する。
期間T11では、半導体装置101は通常動作モードである。図3の期間T1と異なる点は、信号D0の論理レベルがLのままである点である。もちろん、期間T11において、信号D0は、図3のように論理レベルが変化するようなデータ信号であってもよい。
端子INbに入力されるデータ信号のバックアップが行われる。CLKを遮断した後、まず、ノードFN1の論理レベルがHになるようにその電位を昇圧する。そのため、トランジスタMos1−Mos3を非導通状態にし、信号CSBをHレベルにする。次に、トランジスタMos2およびトランジスタMos3を導通状態にして、ノードFN1に信号SCを書き込む。
期間T13は、図3の期間T3と同様に半導体装置101を駆動する。トランジスタMos2およびトランジスタMos3を非導通状態にし、またVDDを遮断する。RC2は期間T12に端子INbに入力されていたデータを保持する。
図3の期間T4、T5と同様に、半導体装置101が駆動される。VDDの供給を再開し、RC2が保持しているデータをFF31の入力端子a30に書き込み、FF31の状態を復帰する。そして、CLKの供給を再開し、半導体装置101を通常動作させる。
期間T16は、半導体装置101が通常動作している期間である。図3の期間T6と異なるのは、トランジスタMos3により端子INbと端子a21間を導通状態としていること、信号SELをHレベルにしてSELC1により端子a30と端子a21間を導通状態としていることである。そのため、端子INbに入力されているデータ信号(SC)がFF31に入力されることとなる。
以下、半導体装置100(図1)のいくつかの変形例を示す。
図1には、RC1の入力端子a1を回路10の入力端子a20(入力端子INa)と電気的に接続している例を示している。端子a1の回路10との接続ノードは端子a20に限定されない。そのような接続ノードとして、例えば、回路20の出力端子b20、回路30の入力端子a30、出力端子b30およびその内部ノード等がある。この場合の回路30の内部ノードとは、端子a30から端子b30間のデータ信号の伝送経路にあるノードである。例えば、回路30を図2に示すFF31で構成する場合は、この内部ノードは、LATaのクロックドインバータ回路の出力端子、同NANDゲート回路の出力端子、LATbのインバータ回路の出力端子が該当する。
RC1の端子a1に入力される信号の論理レベルを補償するため、端子a1にバッファ部を電気的に接続してもよい。このバッファ部は、1段のバッファ回路、カスケード接続されている複数段のバッファ回路、1段のインバータ回路、およびカスケード接続されている複数段のインバータ回路等で構成することができる。図1において、回路10の回路構成等の制約により、信号D0の論理を反転したデータをRC1で保持させる必要がある場合は、バッファ部を奇数段のインバータ回路で構成すればよい。
図1に示す回路RC1は、保持できる状態は1つである。複数の状態を保持することが可能な保持回路を半導体装置に設けることもできる。図7にそのような構成例を示す。図7に示す半導体装置114は、状態のバックアップ用の記憶回路として、回路RC1の代わりに、回路RC14を有する。
本実施の形態では、半導体装置の一例としてOSトランジスタについて説明する。
図8にOSトランジスタの構成の一例を示す。図8AはOSトランジスタの構成の一例を示す上面図である。図8Bはy1−y2線断面図であり、図8Cはx1−x2線断面図であり、図8Dはx3−x4線断面図である。デバイス構造を明確にするため、図8Aでは、一部の構成要素が省略されている。ここでは、y1−y2線の方向をチャネル長方向と、x1−x2線方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。よって、図8Bは、OSトランジスタのチャネル長方向の断面構造を示す図になり、図8Cおよび図8Dは、OSトランジスタのチャネル幅方向の断面構造を示す図になる。
図9にOSトランジスタの構成の一例を示す。図9AはOSトランジスタの構成の一例を示す上面図である。図9Bはy1−y2線断面図であり、図9Cはx1−x2線断面図であり、図9Dはx3−x4線断面図である。デバイス構造を明確にするため、図9Aでは、一部の構成要素が省略されている。
OS層661−663の半導体材料は、代表的に、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、In−M−Zn酸化物(Mは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)等である。OS層660は、In−M−Zn酸化物膜であることが好ましい。もちろん、OS層661−663は、インジウムを含む酸化物膜に限定されない。OS層661−663は、例えば、Zn−Sn酸化物膜、Ga−Sn膜で形成することができる。
次に、OS層661、OS層662、およびOS層663の積層により構成されるOS層660の機能およびその効果について、図10Bに示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図10Aは、OSトランジスタ600のチャネルを拡大した図であり、図8Bの部分拡大図である。図10Bに、図10Aで点線z1−z2で示した部位(OSトランジスタ600のチャネル)のエネルギーバンド構造を示す。
まず、OS層660を構成する酸化物半導体の構造について説明する。また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一つである。透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OSの明視野像および回折パターンの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
nc−OSは、高分解能TEM像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
非晶質酸化物半導体は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
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、高分解能TEM像において鬆が観察される場合がある。また、高分解能TEM像において明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域とを有する。鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。a−like OSは、TEMによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なnc−OSであれば、TEMによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。
基板640は、単なる支持材料に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、OSトランジスタ600のゲート電極673、電極671、および電極672の一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
絶縁層652は、基板640からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、OS層660に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁層652は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、昇温脱離ガス(TDS)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が1.0×1019atoms/cm3以上である膜とする。ここでは、TDS分析での膜の表面温度が100℃以上700℃以下とする。また、上述のように基板640が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層652は、表面が平坦になるようにCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
ゲート電極673は、クロム(Cr)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)から選ばれた金属元素、並びに、これら1種または複数種の金属元素を成分とする合金および導電性化合物等を用いて形成することができる。導電性化合物としては、窒化チタン、ニッケルシリサイド等が挙げられる。
ゲート絶縁層653は単層構造または積層構造の絶縁膜で形成される。この絶縁膜は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタル等の絶縁材料で形成すればよい。ゲート絶縁層653に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。絶縁層651はゲート絶縁層653と同様に形成することができる。
電極671、電極672および導電層674は、ゲート電極673と同様に形成することができる。Cu−Mn合金膜は電気抵抗が低く、且つ、OS層660との界面に酸化マンガンを形成し、Cuの拡散を防ぐことができるため、電極671、電極672に用いることが好ましい。
絶縁層654は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁層654を設けることで、OS層660からの酸素の外部への拡散と、外部からOS層660への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。絶縁層654としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜等がある。なお、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化窒化ガリウム膜、酸化イットリウム膜、酸化窒化イットリウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化窒化ハフニウム膜等がある。
また、絶縁層654上には絶縁層655が形成されていることが好ましい。絶縁層655は単層または積層の絶縁膜で形成することができる。当該絶縁膜は、例えば、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタル等でなる膜とすればよい。
半導体装置を構成する絶縁膜、導電膜、半導体膜等の成膜方法としては、スパッタ法や、プラズマCVD法が代表的である。その他の方法、例えば、熱CVD法により形成することも可能である。熱CVD法として、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やALD(Atomic Layer Deposition)法を使用することができる。
実施の形態1の半導体装置のデバイス構造について説明する。図11は、半導体装置のデバイス構造の一例を示す断面図である。図11に示す半導体装置は、は、OSトランジスタおよび容量素子を含む回路ブロックを、Siトランジスタを含む回路ブロック上に積層することで形成された半導体装置であり、図11は、半導体装置のICチップダイの模式的な断面図である。なお、図11はICチップダイを特定の切断線で切った図ではなく、ICチップダイの積層構造を説明するための図である。
フリップフロップ回路等の順序回路は、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス(通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器)、ASICのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス(生物情報科学)、機械装置のエミュレータ、バッテリー(2次電池)を制御する、及び/又は保護するためのIC、及び電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器の集積回路に用いられている。また、実施の形態1に示した保持回路は、順序回路の状態(データ)をバックアップするための記憶装置に適用することが可能である。よって、実施の形態1等に示す半導体装置は、様々な半導体装置に組み込むことが可能である。本実施の形態では、このような半導体装置の一例としてデータを処理するプロセッシングユニットについて説明する。
図12にCPUの構成の一例を示す。図12に示すCPU300は、CPUコア301、パワーマネージメントユニット321および周辺回路322を有する。パワーマネージメントユニット321は、パワーコントローラ302、およびパワースイッチ303を有する。周辺回路322は、キャッシュメモリを有するキャッシュ304、バスインターフェース(BUS I/F)305、及びデバッグインターフェース(Debug I/F)306を有する。CPUコア301は、データバス323、制御装置307、PC(プログラムカウンタ)308、パイプラインレジスタ309、パイプラインレジスタ310、ALU(Arithmetic logic unit)311、及びレジスタファイル312を有する。CPUコア301と、キャッシュ304等の周辺回路322とのデータのやり取りは、データバス323を介して行われる。
本実施の形態では、半導体装置の一例として、電子部品、及び電子部品を具備する電子機器等について説明する。
図13Aは、電子部品の作製方法例を示すフローチャートである。電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
10、20、30、RC1 回路
Claims (11)
- 第1、第2および第3入力端子と、
第1出力端子と、
第1、第2および第3スイッチと、
容量素子と、
第1ノードと、
を有する保持回路であって、
前記第1スイッチは、前記第1ノードと前記第1入力端子間の導通状態を制御できる機能を有し、
前記第2スイッチは、前記第1ノードと前記第1出力端子間の導通状態を制御できる機能を有し、
前記第3スイッチは、前記第2入力端子と前記第1出力端子間の導通状態を制御できる機能を有し、
前記容量素子の第1端子は前記第1ノードと電気的に接続され、
前記容量素子の第2端子は前記第3入力端子と電気的に接続され、
第1、第2スイッチは、半導体領域が酸化物半導体層で形成されているトランジスタである保持回路。 - 請求項1において、
前記第3スイッチは、半導体領域が酸化物半導体層で形成されているトランジスタである保持回路。 - 請求項1または2において、
前記酸化物半導体層はc軸に配向している結晶部を有する保持回路。 - 請求項1乃至3の何れか1項に記載の保持回路の駆動方法において、
前記第1スイッチを非導通状態にし、前記第2スイッチおよび前記第3スイッチを導通状態にし、前記第2入力端子に第1電位を入力し、かつ、前記第3入力端子に第2電位を入力する第1の処理を有する保持回路の駆動方法。 - 請求項4において、
前記第1電位は、前記第1ノードの論理レベルをロウにすることができる電位である保持回路の駆動方法。 - 請求項4または5に記載の保持回路の駆動方法において、
前記第1の処理の後、前記第1スイッチを導通状態にし、前記第2スイッチおよび前記第3スイッチを非導通状態にし、前記第3入力端子に前記第2電位よりも高い第3電位を入力する第2の処理と、
前記第1の処理の後、前記第1スイッチを非導通状態にし、前記第2スイッチおよび前記第3スイッチを導通状態にし、前記第3入力端子に前記第3電位を入力する第3の処理と、
前記第2の処理または前記第3の処理の後、前記第1乃至前記第3スイッチを非導通状態にし、前記第3入力端子に前記第3電位を入力する第4の処理と、
を有する保持回路の駆動方法。 - 請求項6に記載の保持回路の駆動方法において、
前記第4の処理の後に、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチを非導通状態にし、前記第2スイッチを導通状態にし、前記第3入力端子に前記第3電位を入力する第5の処理を有する保持回路の駆動方法。 - 請求項1乃至3の何れか1項に記載の保持回路、および第1回路を有する半導体装置であって、
前記第1回路は、
第4入力端子、第5入力端子、および第2出力端子と、
選択回路と、
順序回路と、
を有し、
前記選択回路は、前記第4入力端子および前記第5入力端子の何れか1つを前記順序回路の入力端子に電気的に接続する機能を有し、
前記第2出力端子には、前記順序回路の出力端子が電気的に接続され、
前記保持回路の前記第1出力端子は、前記第5入力端子と電気的に接続され、
前記保持回路の前記第1入力端子は、前記第4入力端子、前記第2出力端子、および前記順序回路の1つの内部ノードと電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2に記載の保持回路を有しており、
前記第1入力端子および前記第1出力端子の一方または両方に、1つのバッファ回路、カスケード接続された複数のバッファ回路、1つのインバータ回路、およびカスケード接続されたインバータ回路の何れか1つが電気的に接続されている半導体装置。 - 請求項1乃至3に記載の保持回路、ならびに請求項8および請求項9に記載の半導体装置の何れか一と、
CPUコアと、
を有する半導体装置。 - 請求項8乃至10の何れか1項に記載の半導体装置と、
筐体、マイクロホン、スピーカ、表示部、および操作キーのうちの少なくとも1つと、を有する電子機器。
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