JP6709042B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成例について説明する。
図1(A)に、本発明の一態様にかかる半導体装置10の構成例を示す。半導体装置10は、複数のメモリセル20を有し、記憶装置として用いることができる。ここでは、半導体装置10がn行m列(n、mは自然数)のメモリセル20(メモリセル20[1,1]乃至[n,m])を有する構成について説明する。
図2(A)に、メモリセル20の具体的な構成例を示す。メモリセル20は、回路30a、回路30b、回路40を有する。回路30aは、トランジスタ31a、トランジスタ32a、容量素子33aを有する。回路30bは、トランジスタ31b、トランジスタ32b、容量素子33bを有する。回路40は、トランジスタ41を有する。なお、回路30a、30bは、それぞれ図1(B)における保持部21a、21bに対応する。また、回路40は、メモリセル20に記憶されたデータの読み出しを制御する機能を有する。
次に、メモリセル20の動作例について説明する。図3は、図2(A)に示すメモリセル20の動作を説明するためのタイミングチャートである。なお、期間T11から期間T12は、メモリセル20へのデータの書き込みを行う期間であり、期間T21から期間T25は、メモリセル20からのデータの読み出しを行う期間である。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るメモリセル20の変形例について説明する。
図5に、メモリセル20の変形例を示す。図5(A)に示すメモリセル20は、トランジスタ31aのソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ31bのソースまたはドレインの一方が、同一の配線BLと接続されている点で、図2(A)と異なる。すわなち、回路30aと回路30bで配線BLが共有されている。これにより、配線数を削減し、メモリセル20の面積を縮小することができる。
図6に、メモリセル20の他の変形例を示す。図6に示すメモリセル20は、OSトランジスタであるトランジスタ31a、31b、32a、32bが一対のゲートを有している点で、図2(A)と異なる。すなわち、トランジスタ31a、31b、32a、32bは、バックゲートを有する。
図2(A)においては、トランジスタ41が、トランジスタ32aと配線VLとの間に設けられた構成例を示したが、トランジスタ41が設けられる位置はこれに限られない。トランジスタ41が、トランジスタ32a、32bと直列に接続されていればよい。
本実施の形態では、本発明の一態様にかかる半導体装置の積層構造の一例を説明する。
図7に、回路40、回路30a、回路30bを順に積層したときのメモリセル20の平面図を示す。
図8に、回路40、回路30a、回路30bを順に積層したときのメモリセル20の断面図を示す。ここでは、図7のX1−X2線における断面図、およびX3−X4線における断面図を示す。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた記憶装置およびコンピュータについて説明する。
図9は、上記実施の形態で説明した半導体装置10を有する記憶装置の構成例を示すブロック図である。
図10は、図9で説明した行選択ドライバ320の構成例を示すブロック図である。
図11は、図9で説明した列選択ドライバ330の構成例を示すブロック図である。
図12は、図9で説明したA/Dコンバータ340の構成例を示すブロック図である。
<コンピュータの構成例>
図13は、上記の記憶装置を有するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることができるOSトランジスタの構成例について説明する。
図14にOSトランジスタの構成の一例を示す。図14(A)はOSトランジスタの構成の一例を示す上面図である。図14(B)は、y1−y2線断面図であり、図14(C)はx1−x2線断面図であり、図14(D)はx3−x4線断面図である。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14(B)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であり、図14(C)および図14(D)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である。なお、デバイス構造を明確にするため、図14(A)では、一部の構成要素が省略されている。
基板510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)、樹脂基板などである。また、半導体基板は、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、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である。半導体基板は、バルク型でよいし、半導体基板に絶縁領域を介して半導体層が設けられているSOI(Silicon On Insulator)型でもよい。導電体基板は、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などである。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である。または、上掲された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、記憶素子などである。
絶縁層511乃至516は、単層構造または積層構造の絶縁層で形成される。絶縁層を構成する材料には、例えば、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、酸化タンタルなどがある。
導電層531および導電層532は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、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い。また、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。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
半導体層522は、例えば、インジウム(In)を含む酸化物半導体である。半導体層522は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体層522は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)またはスズ(Sn)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(B)、シリコン(Si)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)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。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体層522は、亜鉛(Zn)を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
図14に示すトランジスタ581は、導電層530をマスクにして、半導体層523及び絶縁層515をエッチングすることができる。そのような工程を経たOSトランジスタの構成例を図16(A)に示す。図16(A)に示すトランジスタ582では、半導体層523および絶縁層515の端部は導電層530の端部とほぼ一致することになる。導電層530の下部のみに半導体層523および絶縁層513が存在する。
図16(B)に示すトランジスタ583は、トランジスタ582に導電層535、導電層536を追加したデバイス構造を有する。トランジスタ582のソース電極およびドレイン電極として一対の電極は、導電層535と導電層531の積層、および導電層536と導電層532の積層で構成される。
図14に示すトランジスタ581は、導電層531及び導電層532が、半導体層521、522の側面と接していてもよい。そのような構成例を図16(C)に示す。図16(C)に示すトランジスタ584は、導電層531及び導電層532が半導体層521の側面及び半導体層522の側面と接している。
以下に、半導体領域520を構成する酸化物半導体膜の構造について説明する。なお、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膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
微結晶酸化物半導体膜は、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。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、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。
非晶質酸化物半導体膜は、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膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
半導体装置を構成する絶縁層、導電層、半導体層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。
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。
本実施の形態では、上記実施の形態で用いることができるOSトランジスタの特性の測定結果について説明する。
まず、OSトランジスタとSiトランジスタの温度特性を測定した。図19(A)に、OSトランジスタのゲート電圧VG−ドレイン電流ID特性、及びゲート電圧VG−電界効果移動度μFE特性の温度依存性の測定結果を示す。また、図19(B)に、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下、Siトランジスタともいう)のゲート電圧VG−ドレイン電流ID特性、及びゲート電圧VG−電界効果移動度μFE特性の温度依存性を示す。なお、図19(A)、(B)においては、−25℃、50℃、150℃の温度での各電気特性の測定結果を示している。また、ドレイン電圧VDは1Vとしている。
次に、OSトランジスタと、Siトランジスタの耐圧性に関する測定を行った。図20に、SiトランジスタとOSトランジスタのVD−ID特性の測定結果を示す。図20では、SiトランジスタとOSトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を0.9μmとし、チャネル幅を10μmとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を20nmとしている。なお、ゲート電圧は、2Vとしている。
20 メモリセル
21 保持部
21a 保持部
21b 保持部
22 トランジスタ
23 容量素子
30 回路
30a 回路
30b 回路
30c 回路
31 トランジスタ
31a トランジスタ
31b トランジスタ
32a トランジスタ
32b トランジスタ
33a 容量素子
33b 容量素子
40 回路
40a 回路
40b 回路
41 トランジスタ
41a トランジスタ
41b トランジスタ
100 半導体基板
101a 不純物領域
101b 不純物領域
102 絶縁層
103 導電層
104 絶縁層
105 導電層
106 導電層
111 導電層
112 導電層
113 導電層
114 絶縁層
115 導電層
116 導電層
121 導電層
122 導電層
123 絶縁層
131 半導体層
132 半導体層
133a 導電層
133b 導電層
134a 導電層
134b 導電層
135 絶縁層
136 導電層
137 導電層
138 導電層
139 絶縁層
140 導電層
141 導電層
151 導電層
152 導電層
153 絶縁層
161 導電層
162 絶縁層
163 導電層
171 導電層
172 導電層
173 絶縁層
181 半導体層
182 半導体層
183a 導電層
183b 導電層
184a 導電層
184b 導電層
185 絶縁層
186 導電層
187 導電層
188 導電層
189 絶縁層
190 導電層
191 導電層
192 導電層
201 導電層
202 導電層
203 導電層
204 絶縁層
205 導電層
206 導電層
211 導電層
212 絶縁層
221 導電層
222 導電層
251 接続部
252 接続部
261 接続部
262 接続部
263 接続部
264 接続部
265 接続部
271 接続部
272 接続部
273 接続部
274 接続部
275 接続部
300 記憶装置
310 メモリセルアレイ
320 行選択ドライバ
321 デコーダ
322 制御回路
330 列選択ドライバ
331 デコーダ
332 ラッチ回路
333 D/Aコンバータ
334 スイッチ回路
335 トランジスタ
336 トランジスタ
340 A/Dコンバータ
341 コンパレータ
342 エンコーダ
343 ラッチ回路
344 バッファ
400 コンピュータ
410 入力装置
420 出力装置
430 中央演算処理装置
431 制御回路
432 演算回路
510 基板
511 絶縁層
512 絶縁層
513 絶縁層
514 絶縁層
515 絶縁層
516 絶縁層
520 半導体領域
521 半導体層
522 半導体層
523 半導体層
530 導電層
531 導電層
532 導電層
533 導電層
535 導電層
536 導電層
581 トランジスタ
582 トランジスタ
583 トランジスタ
584 トランジスタ
800 電子部品
801 リード
802 プリント基板
803 回路部
804 回路基板
900 携帯型ゲーム機
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロホン
906 スピーカ
907 操作キー
908 スタイラス
910 携帯情報端末
911 筐体
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942 筐体
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946 接続部
950 自動車
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
Claims (2)
- メモリセルを有し、
前記メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、
前記第1のトランジスタは、第1の酸化物半導体層を有し、
前記第3のトランジスタは、第2の酸化物半導体層を有し、
第1の酸化物半導体層は、前記第1のトランジスタのチャネル領域を有し、
第2の酸化物半導体層は、前記第3のトランジスタのチャネル領域を有し、
前記第1のトランジスタのゲートは、第1の配線と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第1の容量素子と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2の配線と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第5のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのゲートは、第3の配線と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第4のトランジスタのゲートおよび前記第2の容量素子と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第4の配線と電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第5の配線と電気的に接続され、
前記第5のトランジスタのゲートは、第6の配線と電気的に接続され、
前記第5のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第7の配線と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのチャネル幅方向に平行な断面視において、
前記第1のトランジスタのゲートは、前記第1の酸化物半導体層の側面に対向する領域を有し、
前記第2のトランジスタのチャネル幅方向に平行な断面視において、
前記第2のトランジスタのゲートは、前記第2の酸化物半導体層の側面に対向する領域を有する、半導体装置。 - 請求項1において、
前記第2のトランジスタのゲートの電位に対応する第1の電位を、前記第5の配線に供給する機能と、
前記第4のトランジスタのゲートの電位に対応する第2の電位を、前記第5の配線に供給する機能と、を有し、
第1の電位の前記第5の配線への供給は、前記第4のトランジスタおよび前記第5のトランジスタがオン状態であるときに行われ、
第2の電位の前記第5の配線への供給は、前記第2のトランジスタおよび前記第5のトランジスタがオン状態であるときに行われる、半導体装置。
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