JP6108960B2 - 半導体装置、処理装置 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成について、図1を参照して説明する。図1(A)は本発明の一態様の半導体装置の構成を説明するブロック図であり、図1(B)は本発明の他の一態様の半導体装置の構成を説明するブロック図であり、図1(C)は本発明のさらに別の一態様の半導体装置の構成を説明するブロック図である。
レジスタ210は、高速に動作するほど好ましく、例えば、不揮発性のFILO型レジスタ220以上の速度で動作すると好ましい。レジスタ210が高速に動作するほど、半導体装置の動作速度を向上できる。
読み出し書き込み回路120は、第2の伝送路160から読み出したデータを第1の伝送路150に書き込む。
不揮発性のFILO型レジスタ220は、第2の伝送路160のデータを格納し、格納しているデータを第2の伝送路160に読み出す。
制御回路110は、制御信号線111を介してモード制御信号を不揮発性のFILO型レジスタ220に出力し、不揮発性のFILO型レジスタ220の動作を制御する。具体的には、不揮発性のFILO型レジスタ220からデータを読み出す動作と、不揮発性のFILO型レジスタ220にデータを書き込む動作を切り替える。
本実施の形態で例示する本発明の一態様の半導体装置の変形例について、図1(B)を参照して説明する。
第1のメモリアクセス判定回路214は、レジスタ210から読み出されたデータを不揮発性のFILO型レジスタ220に書き込む間に、レジスタ210にアクセス要求が発せられないように、ウエイト信号を端子215に出力する。他の回路は、端子215を監視することにより、レジスタ210への不適切なタイミングでのデータの書き込みを防止できる。
本実施の形態で例示する本発明の一態様の半導体装置の変形例について、図1(C)を参照して説明する。
第2のメモリアクセス判定回路216はレジスタ210から不揮発性のFILO型レジスタ220に書き込まれるデータを監視し、新たなデータが不揮発性のFILO型レジスタ220の容量を超えて書き込まれる直前に、ウエイト信号を端子217に出力する。他の回路は端子217に出力されるウエイト信号を監視することにより、不揮発性のFILO型レジスタ220へのデータの書き込みを避け、他の記憶回路(例えば、スタックレジスタや、外部記憶装置等)に書き込むことができる。その結果、不揮発性のFILO型レジスタ220の容量を超える書き込みを回避して、不揮発性のFILO型レジスタ220のデータの消失を防止できる。また、不適切なタイミングでのデータの書き込みを防止できる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に適用可能な不揮発性のFILO型レジスタの構成について、図2および図6を参照して説明する。図2は1ビットのデータを扱う本発明の一態様の半導体装置の構成を説明するブロック図であり、図6はk(kは2以上の自然数)ビットのデータを扱う本発明の一態様の半導体装置に適用可能な不揮発性のFILO型レジスタ220Eの構成を説明するブロック図である。
不揮発性のFILO型レジスタ220は、n(nは2以上の自然数)個の不揮発性のフリップ・フロップ回路を有する。図2には、第1の不揮発性のフリップ・フロップ回路224a、第2の不揮発性のフリップ・フロップ回路224b、第3の不揮発性のフリップ・フロップ回路224c、第nの不揮発性のフリップ・フロップ回路224nを示す。
本実施の形態で例示して説明する不揮発性のFILO型レジスタ220の動作について説明する。
不揮発性のフリップ・フロップ回路は、さまざまな書き換え可能な不揮発性の記憶回路を用いて構成することができる。
制御回路110は、モード制御信号を出力し、不揮発性のFILO型レジスタの書き込み動作と読み出し動作を切り替える。複数の不揮発性のフリップ・フロップ回路が、制御回路110に対し並列に第1の制御信号線111_1と接続されているため、少ない数の制御信号並びに制御信号線で不揮発性のFILO型レジスタの動作を制御できる。
本実施の形態で例示する本発明の一態様の半導体装置100Eについて、図6を参照して説明する。具体的には、図2に例示された1ビットのデータを扱う半導体装置100とは異なり、図6(A)に例示する半導体装置100Eは、k(kは2以上の自然数)ビットのデータを扱うことができる。なお、半導体装置100Eは、データの他、データの一部、プログラムなどの大規模な情報並びにプログラムの一部も扱うことができる。
不揮発性のFILO型レジスタ220Eは、N(Nは2以上の自然数)個の不揮発性の記憶回路を有する。図6(B)には、第1の不揮発性の記憶回路224A、第2の不揮発性の記憶回路224B、第Nの不揮発性の記憶回路224Nが図示されている。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成について、図3を参照して説明する。図3(A)は本発明の一態様の半導体装置の構成を説明するブロック図であり、図3(B)はそれに用いることができるFIFO型レジスタの構成を説明するブロック図である。
本実施の形態で例示して説明する不揮発性のFIFO型レジスタ280は、第1の制御信号線111_1を介して入力されるモード制御信号に応じて、シフト方向が反転するシフトレジスタである。そして、不揮発性のFIFO型レジスタ280は、不揮発性のフリップ・フロップ回路で構成され、電力が供給されない状態でデータを保持できる。これにより、消費電力の増加を抑制しながらレジスタの記憶容量を増やすことができる。
本実施の形態で例示して説明する不揮発性のFIFO型レジスタ280の動作について、不揮発性のFILO型レジスタ220の動作と対比して説明する。
外部記憶装置290は、書き換え可能であって不揮発性であればよい。書き換え可能な不揮発性の記憶回路は、例えば、磁気抵抗メモリ、強誘電体メモリ、フラッシュメモリ、相変化メモリ、抵抗変化型メモリなどの書き換え可能な不揮発性のメモリ素子を用いて構成することができる他、実施の形態4で説明するオフ状態におけるリーク電流が著しく小さいトランジスタを用いて構成されたDRAMや、NAND型、NOR型の記憶回路を適用することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置のFILO型レジスタに適用可能な不揮発性のフリップ・フロップ回路の構成について、図4を参照して説明する。図4(A)は本発明の一態様の半導体装置に適用可能な不揮発性のフリップ・フロップ回路の構成を説明する回路図であり、図4(B)は図4(A)に記されている要素回路の端子の配置を説明する図であり、図4(C)は要素回路の一例を説明する図である。
要素回路は、ラッチ回路ともいうことができる。要素回路は、D端子にロウの電位が、E端子にハイの電位が入力された状態でA端子とB端子がハイインピーダンスの状態に、C端子とD端子にハイの電位が、E端子にロウの電位が入力された状態で、A端子から入力された信号に応じた信号をB端子に出力する(図4(B)参照)。
第1のスイッチングトランジスタ251aは、オフ状態におけるリーク電流が著しく小さいトランジスタである。第1のスイッチングトランジスタ251aに適用可能なトランジスタは、シリコンよりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半導体を備えるものをその例に挙げることができる。
第1のトライステートバッファ252aは、要素回路のD端子を介してハイの電位が、E端子を介してロウの電位が入力された状態において、A端子を介して入力端子に入力される信号に応じた信号を出力端子に出力する。具体的には、A端子を介して入力端子に入力される論理値を反転した論理値を出力端子に出力する。
第1の動作期間T1において、第1のモード制御信号(ハイの電位)が第1の制御端子261に入力される。第1のトライステートバッファ252aおよび第2のトライステートバッファ252bは導通状態であり、第3のトライステートバッファ252cと第4のトライステートバッファ252dは非導通状態である。その結果、不揮発性のフリップ・フロップ回路224の第1の端子271は入力端子として機能し、第2の端子272は出力端子として機能する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に適用可能な、オフ状態におけるリーク電流が著しく小さいトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる半導体について説明する。
また、用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)あるいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZnを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド(例えば、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ガドリニウム(Gd))から選ばれた一種、または複数種が含まれていることが好ましい。
好ましくは、酸化物半導体膜は、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜とする。
酸化物半導体膜として、CAAC−OS膜を適用する場合、該CAAC−OS膜を形成する方法としては、三つ挙げられる。
酸化物半導体膜の形成後において、脱水化処理(脱水素化処理)を行い酸化物半導体膜から、水素、または水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化し、脱水化処理(脱水素化処理)によって増加した酸素欠損を補填するため酸素を酸化物半導体膜に加える処理を行うことが好ましい。また、本明細書等において、酸化物半導体膜に酸素を供給する場合を、加酸素化処理と記す場合がある、または酸化物半導体膜に含まれる酸素を化学量論的組成よりも多くする場合を過酸素化処理と記す場合がある。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に適用可能な構成について、図8を参照して説明する。図8は本発明の一態様の半導体装置の構成を説明する断面図であり、具体的には、オフ状態におけるリーク電流が著しく低いトランジスタと容量素子とを備える単位記憶回路が、CMOSプロセスで形成された他の回路の上層に設けられている。
半導体層311は、領域313a及び領域313bを有する。また、半導体層311の一部の領域に設けられた絶縁層312により、隣接するトランジスタが電気的に分離されている。
半導体層331は、絶縁層320の上に設けられる。半導体層331としては、実施の形態5において説明する半導体を用いることができる。
100B 半導体装置
100C 半導体装置
100D 半導体装置
100E 半導体装置
110 制御回路
111 制御信号線
111_1 制御信号線
111_2 制御信号線
120 回路
150 伝送路
160 伝送路
160E 伝送路
210 レジスタ
214 メモリアクセス判定回路
215 端子
216 第2のメモリアクセス判定回路
217 端子
220 不揮発性のFILO型レジスタ
220E 不揮発性のFILO型レジスタ
224 フリップ・フロップ回路
224a 第1の不揮発性のフリップ・フロップ回路
224b 第2の不揮発性のフリップ・フロップ回路
224c 第3の不揮発性のフリップ・フロップ回路
224n 第nの不揮発性のフリップ・フロップ回路
224A 第1の不揮発性の記憶回路
224B 第2の不揮発性の記憶回路
224N 第Nの不揮発性の記憶回路
250a 要素回路
250b 要素回路
250c 要素回路
250d 要素回路
251a〜251d スイッチングトランジスタ
252a〜252d トライステートバッファ
253a 容量素子
253b 容量素子
255a インバータ回路
255b インバータ回路
261 制御端子
261a 制御端子
262 制御端子
262a 制御端子
271 端子
271a 端子
271b 端子
271c 端子
272 端子
272a 端子
272b 端子
272n 端子
280 不揮発性のFIFO型レジスタ
281 入出力端子
282 入出力端子
290 外部記憶装置
301 トランジスタ
302 容量素子
303 トランジスタ
311 半導体層
312 絶縁層
313a 領域
313b 領域
314 絶縁層
315 導電層
316 絶縁層
317 絶縁層
318 接続層
319a 導電層
319b 導電層
319c 導電層
320 絶縁層
321 接続層
331 半導体層
333 絶縁層
334 導電層
336a 導電層
336b 導電層
338 導電層
339 絶縁層
341 接続層
342 導電層
Claims (6)
- 第1の伝送路および第2の伝送路に電気的に接続されたレジスタと、
前記第1の伝送路および前記第2の伝送路に電気的に接続された読み出し書き込み回路と、
前記第2の伝送路に電気的に接続された不揮発性のFILO型レジスタと、
前記不揮発性のFILO型レジスタを制御する制御回路と、
前記不揮発性のFILO型レジスタと前記制御回路とを電気的に接続する制御信号線と、を有し、
前記レジスタは、前記第1の伝送路からデータを書き込み可能に設けられ、且つ格納しているデータを前記第1の伝送路または前記第2の伝送路に読み出し可能に設けられ、
前記読み出し書き込み回路は、前記第2の伝送路から読み出したデータを前記第1の伝送路に書き込むように設けられ、
前記不揮発性のFILO型レジスタは、前記第2の伝送路からデータを書き込む第1のモードと、格納しているデータを前記第2の伝送路に読み出す第2のモードとを備え、
前記制御回路は、前記制御信号線を介してモード制御信号を出力し、前記不揮発性のFILO型レジスタの第1のモードと第2のモードを切り替える、半導体装置。 - 第1の端子および第2の端子と、
前記制御信号線に含まれる第1の制御信号線と電気的に接続される第1の制御端子と、
前記制御信号線に含まれる第2の制御信号線と電気的に接続される第2の制御端子と、を備え、
前記第1の制御端子に入力される第1のモード制御信号に応じて、前記第1の端子が入力端子、前記第2の端子が出力端子として機能し、第2のモード制御信号に応じて、前記第1の端子が出力端子、前記第2の端子が入力端子として機能し、
電力が供給された状態で、前記第2の制御端子に入力されるクロック信号に応じて、格納している第1のデータを出力端子に出力し、入力端子から第2のデータを格納し、
電力が供給されない状態で、格納されているデータを保持する不揮発性のフリップ・フロップ回路を、複数具備する不揮発性のFILO型レジスタを有する、請求項1記載の半導体装置。 - 前記不揮発性のFILO型レジスタが、
A端子、B端子、C端子、D端子およびE端子を具備し、
前記D端子にロウの電位が、前記E端子にハイの電位が入力された状態で前記A端子と前記B端子がハイインピーダンスの状態に、
前記C端子と前記D端子にハイの電位が、前記E端子にロウの電位が入力された状態で、前記A端子から入力された信号に応じた信号を前記B端子に出力する要素回路を4つと、
一方の端子が、前記第1の要素回路のB端子、前記第2の要素回路のA端子、前記第3の要素回路のB端子並びに前記第4の要素回路のA端子と接続され、他方の端子は接地される第1の容量素子と、
一方の端子が、前記第2の要素回路のB端子、前記第3の要素回路のA端子と接続され、他方の端子は接地される第2の容量素子と、
前記第1の要素回路のD端子および前記第2の要素回路のD端子並びに前記第3の要素回路のE端子および前記第4の要素回路のE端子と接続される第1の制御端子と、
前記第1の要素回路のC端子および前記第3の要素回路のC端子と接続される第2の制御端子と、
前記第1の制御端子に入力端子が接続される第1のインバータ回路と、
前記第2の制御端子に入力端子が接続される第2のインバータ回路と、
前記第1の要素回路のA端子および前記第4の要素回路のB端子と接続される第1の端子と、
前記第2の要素回路のB端子および前記第3の要素回路のA端子と接続される第2の端子と、を有し、
前記第1の要素回路のE端子および前記第2の要素回路のE端子並びに前記第3の要素回路のD端子および前記第4の要素回路のD端子は、前記第1のインバータ回路の出力端子と接続され、
前記第2の要素回路のC端子および前記第4の要素回路のC端子は、前記第2のインバータ回路の出力端子と接続される不揮発性のフリップ・フロップ回路を備える、請求項2記載の半導体装置。 - 前記不揮発性のフリップ・フロップ回路が、
トライステートバッファと、
前記トライステートバッファの出力端子と第1の電極が接続されたスイッチングトランジスタと、
前記トライステートバッファの入力端子と接続されたA端子と、
前記スイッチングトランジスタの第2の電極と接続されたB端子と、
前記スイッチングトランジスタのゲート電極と接続されたC端子と、
前記トライステートバッファのモード制御信号端子と接続されたD端子と、
前記トライステートバッファの反転モード制御信号端子と接続されたE端子と、を備え、
前記スイッチングトランジスタが、シリコンよりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半導体をチャネル形成領域に含む、前記要素回路を備える、請求項3記載の半導体装置。 - 前記不揮発性のFILO型レジスタの書き込み期間中に、ウエイト信号を出力するメモリアクセス判定回路を備える、請求項1記載の半導体装置。
- 前記不揮発性のFILO型レジスタが、
不揮発性の外部記憶装置と、
前記第2の伝送路に電気的に接続される第1の入出力端子と、前記外部記憶装置に接続された第2の入出力端子と、を具備する不揮発性のFIFO型レジスタと、を含み、
前記不揮発性のFIFO型レジスタは、第1のモードと第2のモードで動作し、
前記第1のモードにおいて、
前記不揮発性のFIFO型レジスタは、第1の入出力端子からデータを書き込み可能であって、且つ最初に第1の入出力端子から格納されたデータを、第2の入出力端子から読み出し可能に設けられ、
前記外部記憶装置は、前記不揮発性のFIFO型レジスタの第2の入出力端子から読み出されるデータを書き込むように設けられ、
前記第2のモードにおいて、
前記不揮発性のFIFO型レジスタは、最後に第1の入出力端子から格納されたデータを、第1の入出力端子から読み出し可能であって、且つ第2の入出力端子からデータを書き込み可能に設けられ、
前記外部記憶装置は、読み出すデータが、前記不揮発性のFIFO型レジスタの第2の入出力端子から書き込まれるように設けられる、請求項1記載の半導体装置。
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