JP2019195028A - Storage device - Google Patents
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Abstract
【課題】新規な記憶装置を提供する。【解決手段】制御回路と、複数のメモリセルを有する記憶装置であって、メモリセルに含まれるトランジスタに、OSトランジスタを用いる。トランジスタはゲートとバックゲートを有する。前記制御回路は、少なくとも3つの電位からゲートに供給する電位を選択する機能を有する。3つの電位の1つはトランジスタをオン状態にする電位であり、他の1つはメモリセルの情報保持時間を1時間以上にする電位であり、残りの1つはメモリセルの情報保持時間を10年以上にする電位である。複数のメモリセルを含む記憶ブロックを複数設け、頻繁にアクセスする情報は高速動作モードで動作する記憶ブロックに保持し、そうでない情報は低速動作モードで動作する記憶ブロックに保持する。低速動作モードは情報の保持時間が長く、リフレッシュ頻度を低減できる。【選択図】図1A novel storage device is provided. In a storage device having a control circuit and a plurality of memory cells, OS transistors are used as transistors included in the memory cells. The transistor has a gate and a back gate. The control circuit has a function of selecting a potential to be supplied to the gate from at least three potentials. One of the three potentials is a potential for turning on the transistor, the other one is a potential for making the information holding time of the memory cell 1 hour or more, and the other one is a potential for holding the information holding time of the memory cell. The potential is 10 years or more. A plurality of memory blocks each including a plurality of memory cells are provided, frequently accessed information is held in a memory block operating in a high speed operation mode, and other information is held in a memory block operating in a low speed operation mode. In the low-speed operation mode, the information retention time is long and the refresh frequency can be reduced. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明の一形態は、記憶装置、半導体装置またはこれらを用いた電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a memory device, a semiconductor device, or an electronic device using the memory device.
ただし、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されるものではない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本明細書等で開示する発明の一態様は、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。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. One embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).
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。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、表示装置(液晶表示装置、発光表示装置など)、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置と言える場合がある。もしくは、これらは半導体装置を有すると言える場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. A display device (a liquid crystal display device, a light-emitting display device, or the like), a projection device, a lighting device, an electro-optical device, a power storage device, a memory device, a semiconductor circuit, an imaging device, an electronic device, or the like may be referred to as a semiconductor device. Alternatively, it may be said that these include semiconductor devices.
トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、In−Ga−Zn酸化物(以下、IGZOとも呼ぶ。)に関する研究が盛んに行われている。 As a semiconductor thin film applicable to a transistor, a silicon-based semiconductor material is widely known, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material. As oxide semiconductors, for example, not only single-component metal oxides such as indium oxide and zinc oxide but also multi-component metal oxides are known. In particular, research on In—Ga—Zn oxide (hereinafter also referred to as IGZO) has been actively conducted among multi-element metal oxides.
IGZOに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、CAAC(c−axis aligned crystalline)構造およびnc(nanocrystalline)構造が見出された(非特許文献1乃至非特許文献3参照。)。非特許文献1および非特許文献2では、CAAC構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、CAAC構造およびnc構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献4および非特許文献5に示されている。 As a result of research on IGZO, a CAAC (c-axis aligned crystalline) structure and an nc (nanocrystalline line) structure, which are neither single crystal nor amorphous, have been found in oxide semiconductors (see Non-Patent Document 1 to Non-Patent Document 3). .) Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 also disclose a technique for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure. Furthermore, Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5 show that even an oxide semiconductor having lower crystallinity than the CAAC structure and the nc structure has a minute crystal.
さらに、IGZOを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち(非特許文献6参照。)、その特性を利用したLSIおよびディスプレイが報告されている(非特許文献7および非特許文献8参照。)。 Further, a transistor using IGZO as an active layer has extremely low off-state current (see Non-Patent Document 6), and an LSI and a display using the characteristics have been reported (see Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8). .)
また、記憶装置の一つとしてDRAM(Dynamic Random Access Memory)が知られている。DRAMは、複数のメモリセルがマトリクス状に設けられたセルアレイと、複数のビット線と、複数のワード線とを有する。メモリセルは、複数のビット線のいずれか一つ、および、複数のワード線のいずれか一つと電気的に接続される。ワード線には、情報の書き込み読み出しが行なわれるメモリセルを選択するための選択信号が供給される。メモリセルに対する情報の書き込み、および読み出しは、ビット線を介して行なわれる。 As one of storage devices, a DRAM (Dynamic Random Access Memory) is known. A DRAM has a cell array in which a plurality of memory cells are provided in a matrix, a plurality of bit lines, and a plurality of word lines. The memory cell is electrically connected to any one of the plurality of bit lines and any one of the plurality of word lines. A selection signal for selecting a memory cell to which information is written / read is supplied to the word line. Information is written to and read from the memory cell through a bit line.
よって、例えば、ビット線Aを介してメモリセルXに情報を書き込む際に、ビット線Aの電位変動が、ビット線Aに隣接するビット線Bにノイズとして伝播する場合がある。すると、ビット線Bと電気的に接続しているメモリセルYの保持情報が意図せず書き変わってしまう場合がある。このようなノイズの影響を抑える方法の一つとして、ツイストビット線方式が提案されている(特許文献1参照)。 Therefore, for example, when writing information to the memory cell X via the bit line A, the potential fluctuation of the bit line A may propagate as noise to the bit line B adjacent to the bit line A. Then, there is a case where information held in the memory cell Y electrically connected to the bit line B is rewritten unintentionally. As one method for suppressing the influence of such noise, a twist bit line method has been proposed (see Patent Document 1).
本発明の一態様は、集積度の高い記憶装置を提供することを課題の一とする。または、高速動作可能な記憶装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性の高い記憶装置を提供することを課題の一とする。または、消費電力の少ない記憶装置を提供することを課題の一とする。または、新規な記憶装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a highly integrated memory device. Another object is to provide a memory device that can operate at high speed. Another object is to provide a highly reliable memory device. Another object is to provide a memory device with low power consumption. Another object is to provide a novel storage device. Another object is to provide a novel semiconductor device.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、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、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
本発明の一態様は、制御回路と、複数のメモリセルと、を有し、複数のメモリセルのそれぞれは、トランジスタと、容量素子と、を有し、トランジスタは、ゲートと、バックゲートと、を有し、トランジスタの半導体層は金属酸化物を含み、制御回路は、トランジスタのゲートに供給する電位を、第1電位、第2電位、または第3電位から選択する機能を有し、第1の電位は、トランジスタをオン状態にする電位であり、第2の電位および第3の電位は、トランジスタをオフ状態にする電位であり、第2の電位は、第3の電位より高い電位であることを特徴とする記憶装置である。 One embodiment of the present invention includes a control circuit and a plurality of memory cells. Each of the plurality of memory cells includes a transistor and a capacitor. The transistor includes a gate, a back gate, The semiconductor layer of the transistor includes a metal oxide, and the control circuit has a function of selecting a potential supplied to the gate of the transistor from the first potential, the second potential, or the third potential, Is a potential that turns on the transistor, and the second potential and the third potential are potentials that turn the transistor off, and the second potential is higher than the third potential. This is a storage device.
また、本発明の別の一態様は、制御回路と、複数のメモリセルと、を有し、複数のメモリセルのそれぞれは、トランジスタと、容量素子と、を有し、トランジスタは、ゲートと、バックゲートと、を有し、トランジスタのソースまたはドレインの一方は容量素子と電気的に接続され、トランジスタのソースまたはドレインの他方はビット線と電気的に接続され、ゲートはワード線と電気的に接続され、制御回路は、ワード線に第1電位を供給して、ビット線から容量素子に電荷を供給する機能と、ワード線に第2電位または第3電位を供給して、電荷を保持する機能と、を有し、第2電位は、第3電位より高い電位であることを特徴とする記憶装置である。 Another embodiment of the present invention includes a control circuit and a plurality of memory cells. Each of the plurality of memory cells includes a transistor and a capacitor. The transistor includes a gate, One of the source and drain of the transistor is electrically connected to the capacitor, the other of the source and drain of the transistor is electrically connected to the bit line, and the gate is electrically connected to the word line. The control circuit is configured to supply a first potential to the word line and supply a charge from the bit line to the capacitor, and supply a second potential or a third potential to the word line to hold the charge. The memory device is characterized in that the second potential is higher than the third potential.
第2電位は、例えば、電荷の保持時間が1時間以上になる電位である。第3電位は、例えば、電荷の保持時間が10年以上になる電位である。バックゲートには負バイアスが供給されていることが好ましい。金属酸化物は、インジウムおよび亜鉛のうち、少なくとも一方を含むことが好ましい。 The second potential is, for example, a potential at which the charge retention time is 1 hour or longer. The third potential is, for example, a potential at which the charge retention time is 10 years or longer. It is preferable that a negative bias is supplied to the back gate. The metal oxide preferably contains at least one of indium and zinc.
また、本発明の別の一態様は、複数の記憶ブロックを有し、複数の記憶ブロックは、それぞれが複数のメモリセルを有し、複数のメモリセルのそれぞれは、トランジスタと、容量素子と、を有し、トランジスタは、ゲートと、バックゲートと、を有し、トランジスタの半導体層は金属酸化物を含み、記憶ブロックは、複数の動作モードで動作する機能を有することを特徴とする記憶装置である。 Another embodiment of the present invention includes a plurality of storage blocks, each of the plurality of storage blocks includes a plurality of memory cells, and each of the plurality of memory cells includes a transistor, a capacitor, A transistor having a gate and a back gate, a semiconductor layer of the transistor including a metal oxide, and a memory block having a function of operating in a plurality of operation modes It is.
動作モードは、ゲートに供給する電位とバックゲートに供給する電位の組み合わせで決定される。複数の動作モードの1つは、メモリセルの動作速度を高める動作モードである。また、複数の動作モードの他の1つは、メモリセルの保持時間を長くする動作モードである。 The operation mode is determined by a combination of a potential supplied to the gate and a potential supplied to the back gate. One of the plurality of operation modes is an operation mode for increasing the operation speed of the memory cell. Another one of the plurality of operation modes is an operation mode for extending the retention time of the memory cell.
また、本発明の別の一態様は、複数の記憶ブロックを有し、複数の記憶ブロックは、それぞれが複数のメモリセルを有し、複数のメモリセルのそれぞれは、トランジスタと、容量素子と、を有し、トランジスタは、ゲートと、バックゲートと、を有し、トランジスタの半導体層は金属酸化物を含み、複数の記憶ブロックは、第1動作モードで動作する第1記憶ブロックと、第2動作モードで動作する第2記憶ブロックと、を有することを特徴とする記憶装置である。 Another embodiment of the present invention includes a plurality of storage blocks, each of the plurality of storage blocks includes a plurality of memory cells, and each of the plurality of memory cells includes a transistor, a capacitor, The transistor includes a gate and a back gate, the semiconductor layer of the transistor includes a metal oxide, the plurality of storage blocks include a first storage block that operates in the first operation mode, and a second storage block And a second storage block that operates in an operation mode.
第1動作モードは、メモリセルの動作速度を高める動作モードである。第2動作モードは、メモリセルの保持時間を長くする動作モードである。 The first operation mode is an operation mode for increasing the operation speed of the memory cell. The second operation mode is an operation mode for extending the retention time of the memory cell.
本発明の一態様によれば、集積度の高い記憶装置を提供することができる。または、高速動作可能な記憶装置を提供することができる。または、信頼性の高い記憶装置を提供することができる。または、消費電力の少ない記憶装置を提供することができる。または、新規な記憶装置を提供することができる。または、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, a highly integrated memory device can be provided. Alternatively, a memory device that can operate at high speed can be provided. Alternatively, a highly reliable memory device can be provided. Alternatively, a memory device with low power consumption can be provided. Alternatively, a novel storage device can be provided. Alternatively, 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、本発明の一態様は、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。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention need not have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の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、本発明は以下に示す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。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.
また、図面などにおいて示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面などに開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。 In addition, the position, size, range, and the like of each component illustrated in the drawings and the like may not represent the actual position, size, range, or the like in order to facilitate understanding of the invention. Therefore, the disclosed invention is not necessarily limited to the position, size, range, or the like disclosed in the drawings and the like. For example, in an actual manufacturing process, a layer or a resist mask may be lost unintentionally by a process such as etching, but may be omitted for easy understanding.
また、特に上面図(「平面図」ともいう。)や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。 In particular, in a top view (also referred to as a “plan view”), a perspective view, and the like, some components may not be described in order to facilitate understanding of the invention. Moreover, description of some hidden lines may be omitted.
本明細書等における「第1」、「第2」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。 In the present specification and the like, ordinal numbers such as “first” and “second” are used to avoid confusion between components, and do not indicate any order or order such as process order or stacking order. In addition, even in terms that do not have an ordinal number in this specification and the like, an ordinal number may be added in the claims to avoid confusion between the constituent elements. Further, even terms having an ordinal number in this specification and the like may have different ordinal numbers in the claims. Even in the present specification and the like, terms with ordinal numbers are sometimes omitted in the claims.
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。 Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。 In the present specification and the like, the terms “upper” and “lower” do not limit that the positional relationship between the components is directly above or directly below and is in direct contact. For example, the expression “electrode B on the insulating layer A” does not require the electrode B to be formed in direct contact with the insulating layer A, and another configuration between the insulating layer A and the electrode B. Do not exclude things that contain elements.
また、ソースおよびドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合など、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In addition, since the functions of the source and the drain are switched with each other depending on operating conditions, such as when transistors with different polarities are used, or when the direction of current changes in circuit operation, which is the source or drain is limited. Is difficult. Therefore, in this specification, the terms source and drain can be used interchangeably.
また、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とが機能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。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。 In addition, in this specification and the like, when it is explicitly described that X and Y are connected, X and Y are electrically connected, and X and Y function. And the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and anything other than the connection relation shown in the figure or text is also described in the figure or text.
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。 In addition, in this specification and the like, “electrically connected” includes a case of being connected via “thing having some electric action”. Here, the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets. Therefore, even in the case of being expressed as “electrically connected”, in an actual circuit, there is a case where there is no physical connection portion and the wiring is merely extended.
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 Note that the channel length refers to, for example, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in FIG. Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 The channel width is, for example, a region in which a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a source and a drain in a region where a channel is formed. This is the length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。)と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体層の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネルの割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter also referred to as “effective channel width”) and the channel width (hereinafter “apparently” shown in the top view of the transistor). Sometimes referred to as “channel width”). For example, when the gate electrode covers the side surface of the semiconductor layer, the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the influence may not be negligible. For example, in a fine transistor whose gate electrode covers a side surface of a semiconductor, the ratio of a channel formed on the side surface of the semiconductor may increase. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。 In such a case, it may be difficult to estimate the effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width when the shape of the semiconductor is not accurately known.
そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを解析することなどによって、値を決定することができる。 Therefore, in this specification, the apparent channel width may be referred to as “surrounded channel width (SCW)”. In this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, and the like can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。 Note that in the case where the field-effect mobility of a transistor, the current value per channel width, and the like are calculated and calculated, the calculation may be performed using the enclosed channel width. In that case, the value may be different from that calculated using the effective channel width.
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のDOS(Density of States)が高くなることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。 Note that the impurity of the semiconductor means, for example, a component other than the main component constituting the semiconductor. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be said to be an impurity. By including impurities, for example, DOS (Density of States) of a semiconductor may increase, carrier mobility may decrease, and crystallinity may decrease. In the case where the semiconductor is an oxide semiconductor, examples of the impurity that changes the characteristics of the semiconductor include a Group 1 element, a Group 2 element, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, and an oxide semiconductor. There are transition metals other than the main components of, for example, hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen and the like. In the case of an oxide semiconductor, water may also function as an impurity. In the case of an oxide semiconductor, oxygen vacancies may be formed, for example, by mixing impurities. In the case where the semiconductor is silicon, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include group 1 elements, group 2 elements, group 13 elements, and group 15 elements excluding oxygen and hydrogen.
また、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」および「直交」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 Further, in this specification, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° to 30 °. “Vertical” and “orthogonal” mean a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° to 120 °.
なお、本明細書等において、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」(これらの同意語を含む)などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス20%の誤差を含むものとする。 In addition, in this specification, etc., the terms “same”, “same”, “equal”, “uniform” (including these synonyms), etc. with respect to the count value and the measured value, unless otherwise specified. And an error of plus or minus 20%.
また、本明細書等において、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成し、その後にエッチング工程を行う場合は、特段の説明がない限り、当該レジストマスクは、エッチング工程終了後に除去するものとする。 In this specification and the like, in the case where a resist mask is formed by a photolithography method and an etching process is performed thereafter, the resist mask is removed after the etching process is finished unless otherwise specified.
また、本明細書等において、高電源電位VDD(「VDD」または「H電位」ともいう。)とは、低電源電位VSSよりも高い電位の電源電位を示す。また、低電源電位VSS(「VSS」または「L電位」ともいう。)とは、高電源電位VDDよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位(「GND」または「GND電位」ともいう。)をVDDまたはVSSとして用いることもできる。例えばVDDが接地電位の場合には、VSSは接地電位より低い電位であり、VSSが接地電位の場合には、VDDは接地電位より高い電位である。 In this specification and the like, the high power supply potential VDD (also referred to as “VDD” or “H potential”) indicates a power supply potential higher than the low power supply potential VSS. The low power supply potential VSS (also referred to as “VSS” or “L potential”) indicates a power supply potential lower than the high power supply potential VDD. In addition, a ground potential (also referred to as “GND” or “GND potential”) can be used as VDD or VSS. For example, when VDD is a ground potential, VSS is a potential lower than the ground potential, and when VSS is a ground potential, VDD is a potential higher than the ground potential.
また、VSSを基準電位(0V)とした場合、VSSよりも低い電位を「負電位」、「負電圧」、または「負バイアス」と呼ぶ場合がある。また、VSSを基準電位(0V)とした場合、VSSよりも高い電位を「正電位」、「正電圧」、または「正バイアス」と呼ぶ場合がある。 In addition, when VSS is set as a reference potential (0 V), a potential lower than VSS may be referred to as “negative potential”, “negative voltage”, or “negative bias”. In addition, when VSS is a reference potential (0 V), a potential higher than VSS may be referred to as “positive potential”, “positive voltage”, or “positive bias”.
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 Note that the terms “film” and “layer” can be interchanged with each other depending on the case or circumstances. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.
また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、エンハンスメント型(ノーマリーオフ型)の電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、nチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧(「Vth」ともいう。)は、明示されている場合を除き、0Vよりも大きいものとする。 The transistors described in this specification and the like are enhancement-type (normally-off-type) field effect transistors unless otherwise specified. The transistors described in this specification and the like are n-channel transistors unless otherwise specified. Therefore, the threshold voltage (also referred to as “Vth”) is assumed to be greater than 0 V unless otherwise specified.
(実施の形態1)
本発明の一態様の記憶装置について図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
A memory device according to one embodiment of the present invention is described with reference to drawings.
<記憶装置100>
図1は、本発明の一態様である記憶装置100の構成例を示すブロック図である。
<Storage device 100>
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a storage device 100 which is one embodiment of the present invention.
記憶装置100は、入出力回路111(IO Circuit)、制御回路112(Controller)、I2Cレシーバ113、設定レジスタ114(Setting Register)、LVDS回路115、LVDS回路116、デコーダ117(Decoder)、記憶ブロックアレイ210(Memory Block Array)を有する。 The storage device 100 includes an input / output circuit 111 (IO Circuit), a control circuit 112 (Controller), an I2C receiver 113, a setting register 114 (Setting Register), an LVDS circuit 115, an LVDS circuit 116, a decoder 117 (Decoder), and a storage block array. 210 (Memory Block Array).
また、制御回路112は、レジスタ118(Reg_r)、およびレジスタ119(Reg_w)を有する。また、記憶ブロックアレイ210は、n個(nは1以上の整数。)の記憶ブロック211(Memory Block)と負電圧生成回路218を有する。本明細書等では、1個目の記憶ブロック211を記憶ブロック211_1と示し、i個目(iは1以上n以下の整数。)の記憶ブロック211を記憶ブロック211_iと示している。 The control circuit 112 includes a register 118 (Reg_r) and a register 119 (Reg_w). The storage block array 210 includes n (n is an integer of 1 or more) storage blocks 211 (Memory Block) and a negative voltage generation circuit 218. In this specification and the like, the first storage block 211 is referred to as a storage block 211_1, and the i-th storage block 211 (i is an integer of 1 to n) is referred to as a storage block 211_i.
また、n個の記憶ブロック211は複数のグループに分けられる。図2(A)では、8つの記憶ブロック211(記憶ブロック211_1乃至記憶ブロック211_8)を、4つのグループに分ける例を示している。第1グループ261_1に記憶ブロック211_1が含まれ、第2グループ261_2に記憶ブロック211_2が含まれている。また、第3グループ261_3に記憶ブロック211_3および記憶ブロック211_4が含まれ、第4グループ261_4に記憶ブロック211_5乃至記憶ブロック211_8が含まれている。 The n storage blocks 211 are divided into a plurality of groups. FIG. 2A illustrates an example in which eight storage blocks 211 (storage blocks 211_1 to 211_8) are divided into four groups. The first group 261_1 includes a storage block 211_1, and the second group 261_2 includes a storage block 211_2. The third group 261_3 includes the storage block 211_3 and the storage block 211_4, and the fourth group 261_4 includes the storage block 211_5 to the storage block 211_8.
また、負電圧生成回路218を複数設けてもよい。例えば、図2(B)に示すように、グループ毎に負電圧生成回路218(負電圧生成回路218_1乃至負電圧生成回路218_4)を設けてもよい。図2(B)において、負電圧生成回路218_1は第1グループ261_1に負電圧を供給する機能を有し、負電圧生成回路218_2は第2グループ261_2に負電圧を供給する機能を有する。また、負電圧生成回路218_3は第3グループ261_3に負電圧を供給する機能を有し、負電圧生成回路218_4は第4グループ261_4に負電圧を供給する機能を有する。 A plurality of negative voltage generation circuits 218 may be provided. For example, as illustrated in FIG. 2B, a negative voltage generation circuit 218 (a negative voltage generation circuit 218_1 to a negative voltage generation circuit 218_4) may be provided for each group. 2B, the negative voltage generation circuit 218_1 has a function of supplying a negative voltage to the first group 261_1, and the negative voltage generation circuit 218_2 has a function of supplying a negative voltage to the second group 261_2. The negative voltage generation circuit 218_3 has a function of supplying a negative voltage to the third group 261_3, and the negative voltage generation circuit 218_4 has a function of supplying a negative voltage to the fourth group 261_4.
また、図3に示すように、記憶ブロック211毎に負電圧生成回路218(負電圧生成回路218_1乃至負電圧生成回路218_8)を設けてもよい。図4において、負電圧生成回路218_1は記憶ブロック211_1に負電圧を供給する機能を有し、負電圧生成回路218_2は記憶ブロック211_2に負電圧を供給する機能を有する。また、負電圧生成回路218_3は記憶ブロック211_3に負電圧を供給する機能を有し、負電圧生成回路218_4は記憶ブロック211_4に負電圧を供給する機能を有する。また、負電圧生成回路218_5は記憶ブロック211_5に負電圧を供給する機能を有し、負電圧生成回路218_6は記憶ブロック211_6に負電圧を供給する機能を有する。また、負電圧生成回路218_7は記憶ブロック211_7に負電圧を供給する機能を有し、負電圧生成回路218_8は記憶ブロック211_8に負電圧を供給する機能を有する。 As shown in FIG. 3, a negative voltage generation circuit 218 (negative voltage generation circuit 218_1 to negative voltage generation circuit 218_8) may be provided for each storage block 211. In FIG. 4, the negative voltage generation circuit 218_1 has a function of supplying a negative voltage to the storage block 211_1, and the negative voltage generation circuit 218_2 has a function of supplying a negative voltage to the storage block 211_2. The negative voltage generation circuit 218_3 has a function of supplying a negative voltage to the storage block 211_3, and the negative voltage generation circuit 218_4 has a function of supplying a negative voltage to the storage block 211_4. The negative voltage generation circuit 218_5 has a function of supplying a negative voltage to the storage block 211_5, and the negative voltage generation circuit 218_6 has a function of supplying a negative voltage to the storage block 211_6. The negative voltage generation circuit 218_7 has a function of supplying a negative voltage to the storage block 211_7, and the negative voltage generation circuit 218_8 has a function of supplying a negative voltage to the storage block 211_8.
入出力回路111は、外部機器と信号の受け渡しを行なう機能を有する。記憶装置100の動作条件などは、設定レジスタ114に記憶されている設定パラメータにより決定される。設定パラメータは、入出力回路111およびI2Cレシーバ113を介して設定レジスタ114に書き込まれる。なお、目的または用途などに応じてI2Cレシーバ113は省略してもよい。 The input / output circuit 111 has a function of exchanging signals with an external device. The operating conditions of the storage device 100 are determined by setting parameters stored in the setting register 114. The setting parameter is written to the setting register 114 via the input / output circuit 111 and the I2C receiver 113. The I2C receiver 113 may be omitted depending on the purpose or application.
設定パラメータの一例として、リフレッシュ動作の実行間隔や回路動作の動作タイミングなどの指定情報などがある。制御回路112は設定パラメータおよび外部からのコマンド信号を処理して記憶装置100の動作モードを決定する機能を有する。制御回路112は、色々な制御信号を生成して、記憶装置100全体の動作を制御する機能を有する。 As an example of the setting parameter, there is designation information such as the refresh operation execution interval and circuit operation timing. The control circuit 112 has a function of determining an operation mode of the storage device 100 by processing a setting parameter and an external command signal. The control circuit 112 has a function of generating various control signals and controlling the operation of the entire storage device 100.
また、外部から入出力回路111を介して制御回路112に、リセット信号res、アドレス信号ADDR[16:0]、行アドレス識別信号RAS(Row Address Strobe)、列アドレス識別信号CAS(Column Address Strobe)、書き込み制御信号WE(Write Enable)、データ読み出し用クロック信号clk_r、書き込みデータWDATA[7:0]などが供給される。データ読み出し用クロック信号clk_rは、転送回路LVDS_rxを介して制御回路112に供給される。 In addition, a reset signal res, an address signal ADDR [16: 0], a row address identification signal RAS (Row Address Strobe), and a column address identification signal CAS (Column Address Strobe) are externally transmitted to the control circuit 112 via the input / output circuit 111. A write control signal WE (Write Enable), a data read clock signal clk_r, write data WDATA [7: 0], and the like are supplied. The data read clock signal clk_r is supplied to the control circuit 112 via the transfer circuit LVDS_rx.
また、制御回路112から入出力回路111に、データ書き込み用クロック信号clk_t、読み出しデータRDATA[7:0]が供給される。データ読み出し用クロック信号clk_wは、転送回路LVDS_txを介して入出力回路111に供給される。転送回路LVDS_rxおよび転送回路LVDS_txは、LVDS(Low voltage differential signaling)規格で動作する転送回路である。なお、目的または用途などに応じて、転送回路LVDS_rxおよび転送回路LVDS_txの一方または双方を省略してもよい。 Further, the data write clock signal clk_t and the read data RDATA [7: 0] are supplied from the control circuit 112 to the input / output circuit 111. The data read clock signal clk_w is supplied to the input / output circuit 111 via the transfer circuit LVDS_tx. The transfer circuit LVDS_rx and the transfer circuit LVDS_tx are transfer circuits that operate according to the LVDS (Low voltage differential signaling) standard. Note that one or both of the transfer circuit LVDS_rx and the transfer circuit LVDS_tx may be omitted depending on the purpose or application.
書き込みデータWDATA[7:0]は、データ書き込み用クロック信号clk_tに同期して転送され、制御回路112内のレジスタ119に保持される。制御回路112はレジスタ119に保持されているデータを記憶ブロックアレイ210に供給する機能を有する。 The write data WDATA [7: 0] is transferred in synchronization with the data write clock signal clk_t and held in the register 119 in the control circuit 112. The control circuit 112 has a function of supplying data stored in the register 119 to the storage block array 210.
また、記憶ブロックアレイ210から読み出されたデータは、読み出しデータRDATA[7:0]として制御回路112内のレジスタ118に保持される。制御回路112は、読み出しデータRDATA[7:0]をデータ読み出し用クロック信号clk_rに同期して入出力回路111に転送する機能を有する。 The data read from the storage block array 210 is held in the register 118 in the control circuit 112 as read data RDATA [7: 0]. The control circuit 112 has a function of transferring the read data RDATA [7: 0] to the input / output circuit 111 in synchronization with the data read clock signal clk_r.
また、制御回路112は、列アドレス信号C_ADDR[6:0]、列選択イネーブル信号CSEL_EN、データラッチ信号DLAT、グローバル書き込み許可信号GW_EN、グローバル読み出し許可信号GR_EN、グローバルセンスアンプ許可信号GSA_EN、グローバルイコライズ許可信号GEQ_ENB、ローカルセンスアンプ許可信号LSA_EN、ローカルイコライズ許可信号LEQ_ENB、およびワード線アドレス選択信号WL_ADDR[7:0]などを出力する機能を有する。 The control circuit 112 also includes a column address signal C_ADDR [6: 0], a column selection enable signal CSEL_EN, a data latch signal DLAT, a global write enable signal GW_EN, a global read enable signal GR_EN, a global sense amplifier enable signal GSA_EN, and a global equalization enable. The signal GEQ_ENB, the local sense amplifier enable signal LSA_EN, the local equalization enable signal LEQ_ENB, and the word line address selection signal WL_ADDR [7: 0] are output.
列アドレス信号C_ADDRおよび列選択イネーブル信号CSEL_ENはデコーダ117に供給される。 The column address signal C_ADDR and the column selection enable signal CSEL_EN are supplied to the decoder 117.
<記憶ブロック>
図4(A)は記憶ブロック211_iの構成例を示すブロック図である。図4(B)は、記憶ブロック211_iに含まれる、ローカルセンスアンプアレイ214およびセルアレイ221の構成例を示す斜視ブロック図である。また、図4(B)などに、X方向、Y方向、およびZ方向を示す矢印を付している。X方向、Y方向、およびZ方向は、それぞれが互いに直交する方向である。
<Storage block>
FIG. 4A is a block diagram illustrating a configuration example of the storage block 211_i. FIG. 4B is a perspective block diagram illustrating a configuration example of the local sense amplifier array 214 and the cell array 221 included in the memory block 211_i. Further, arrows indicating the X direction, the Y direction, and the Z direction are attached to FIG. The X direction, the Y direction, and the Z direction are directions orthogonal to each other.
記憶ブロック211_iは、ワード線ドライバ212、ローカルセンスアンプドライバ213、ローカルセンスアンプアレイ214、グローバルセンスアンプ215、読み出し書き込みセレクタ216、およびセルアレイ221を有する。 The storage block 211_i includes a word line driver 212, a local sense amplifier driver 213, a local sense amplifier array 214, a global sense amplifier 215, a read / write selector 216, and a cell array 221.
データラッチ信号DLAT、グローバル書き込み許可信号GW_EN、およびグローバル読み出し許可信号GR_ENは、読み出し書き込みセレクタ216に供給される。グローバルセンスアンプ許可信号GSA_ENおよびグローバルイコライズ許可信号GEQ_ENBは、グローバルセンスアンプ215に供給される。ローカルセンスアンプ許可信号LSA_ENおよびローカルイコライズ許可信号EQ_ENBはローカルセンスアンプアレイ214に供給される。ワード線アドレス選択信号WL_ADDR[7:0]は、ワード線ドライバ212に供給される。 The data latch signal DLAT, the global write enable signal GW_EN, and the global read enable signal GR_EN are supplied to the read / write selector 216. The global sense amplifier enable signal GSA_EN and the global equalization enable signal GEQ_ENB are supplied to the global sense amplifier 215. Local sense amplifier enable signal LSA_EN and local equalize enable signal EQ_ENB are supplied to local sense amplifier array 214. The word line address selection signal WL_ADDR [7: 0] is supplied to the word line driver 212.
ローカルセンスアンプアレイ214は、f行g列(fおよびgは、共に1以上の整数)のマトリクス状に配置された複数のセンスアンプ127を有する。本明細書などでは、1行1列目のセンスアンプ127をセンスアンプ127[1,1]と示す。また、k行h列目(kは1以上f以下の整数。hは1以上g以下の整数。)のセンスアンプ127をセンスアンプ127[k,h]と示す。 The local sense amplifier array 214 includes a plurality of sense amplifiers 127 arranged in a matrix of f rows and g columns (f and g are both integers of 1 or more). In this specification and the like, the sense amplifier 127 in the first row and the first column is referred to as a sense amplifier 127 [1, 1]. The sense amplifier 127 in the k-th row and the h-th column (k is an integer of 1 to f. H is an integer of 1 to g) is referred to as a sense amplifier 127 [k, h].
セルアレイ221はローカルセンスアンプアレイ214の上方に重ねて設けられている。セルアレイ221をローカルセンスアンプアレイ214の上方に重ねて設けることで、ビット線の配線長を短くすることが出来る。 The cell array 221 is provided over the local sense amplifier array 214. By providing the cell array 221 over the local sense amplifier array 214, the wiring length of the bit lines can be shortened.
セルアレイ221は、p行q列(pおよびqは、共に1以上の整数)のマトリクス状に配置された複数のメモリセル10を有する。また、セルアレイ221は、X方向(行方向)に延在するp本のワード線WLを有する(図4(B)に図示せず。)。なお、本明細書などでは、j本目(jは1以上p以下の整数。)のワード線WLをワード線WL[j]と示す。 The cell array 221 includes a plurality of memory cells 10 arranged in a matrix of p rows and q columns (p and q are both integers of 1 or more). The cell array 221 includes p word lines WL extending in the X direction (row direction) (not illustrated in FIG. 4B). Note that in this specification and the like, the j-th word line WL (j is an integer of 1 to p) is referred to as a word line WL [j].
1つのメモリセル10は、ワード線WLのいずれか1つと電気的に接続される。 One memory cell 10 is electrically connected to any one of word lines WL.
<メモリセル>
図5に、メモリセル10の回路構成例を示す。メモリセル10は、トランジスタM1と、容量素子CAと、を有する。なお、トランジスタM1は、フロントゲート(単に「ゲート」ともいう。)、およびバックゲートを有する。バックゲートは、ゲートとバックゲートで半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。なお、ゲートおよびバックゲートの呼称は便宜的なものであり、一方を「ゲート」という場合に他方を「バックゲート」という。よって、ゲートおよびバックゲートの呼称は、互いに入れ換えて用いることができる。ゲートまたはバックゲートの一方を「第1のゲート」と呼び、他方を「第2のゲート」と呼ぶ場合もある。
<Memory cell>
FIG. 5 shows a circuit configuration example of the memory cell 10. The memory cell 10 includes a transistor M1 and a capacitor element CA. Note that the transistor M1 includes a front gate (also simply referred to as a “gate”) and a back gate. The back gate is disposed so that the channel formation region of the semiconductor layer is sandwiched between the gate and the back gate. The names of the gate and the back gate are for convenience, and when one is called a “gate”, the other is called a “back gate”. Therefore, the names of the gate and the back gate can be used interchangeably. One of the gate and the back gate may be referred to as a “first gate” and the other may be referred to as a “second gate”.
トランジスタM1のソースまたはドレインの一方は、容量素子CAの一方の電極と電気的に接続され、トランジスタM1のソースまたはドレインの他方は、ビット線BLまたはビット線BLBの一方と電気的に接続され、トランジスタM1のゲートは、ワード線WLaまたはワード線WLbの一方と電気的に接続され、トランジスタM1のバックゲートは、配線BGLと電気的に接続されている。容量素子CAの他方の電極は、配線CALと接続されている。 One of the source and the drain of the transistor M1 is electrically connected to one electrode of the capacitor CA, and the other of the source and the drain of the transistor M1 is electrically connected to one of the bit line BL and the bit line BLB. The gate of the transistor M1 is electrically connected to one of the word line WLa and the word line WLb, and the back gate of the transistor M1 is electrically connected to the wiring BGL. The other electrode of the capacitive element CA is connected to the wiring CAL.
配線CALは、容量素子CAの他方の電極に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、および読み出し時において、配線CALには、VSSなどの固定電位を供給するのが好ましい。 The wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the other electrode of the capacitor CA. A fixed potential such as VSS is preferably supplied to the wiring CAL at the time of data writing and data reading.
配線BGLは、トランジスタM1のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。 The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M1.
図5(B)に、トランジスタの電気特性の1つであるId−Vg特性の一例を示す。Id−Vg特性は、ゲート電圧(Vg)の変化に対するドレイン電流(Id)の変化を示す。図5(B)の横軸は、Vgをリニアスケールで示している。また、図5(B)の縦軸は、Idをログスケールで示している。図5(B)に示すように、配線BGLにバックゲート電圧(Vbg)として、正バイアスである電圧+Vbgを供給すると、Id−Vg特性がVgのマイナス方向にシフトする。配線BGLに負バイアスである電圧−Vbgを供給すると、Id−Vg特性がVgのプラス方向にシフトする。Id−Vg特性のシフト量は、配線BGLに供給される電圧の大きさで決まる。配線BGLに任意の電圧を印加することによって、トランジスタM1のしきい値電圧を増減することができる。 FIG. 5B illustrates an example of an Id-Vg characteristic which is one of the electrical characteristics of the transistor. The Id-Vg characteristic indicates a change in drain current (Id) with respect to a change in gate voltage (Vg). The horizontal axis in FIG. 5B indicates Vg on a linear scale. In addition, the vertical axis in FIG. 5B indicates Id on a log scale. As shown in FIG. 5B, when the positive bias voltage + Vbg is supplied as the back gate voltage (Vbg) to the wiring BGL, the Id-Vg characteristic shifts in the negative direction of Vg. When the voltage -Vbg that is a negative bias is supplied to the wiring BGL, the Id-Vg characteristic shifts in the positive direction of Vg. The shift amount of the Id-Vg characteristic is determined by the magnitude of the voltage supplied to the wiring BGL. By applying an arbitrary voltage to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M1 can be increased or decreased.
データの書き込みおよび読み出しは、ワード線WLにトランジスタM1を導通状態(オン状態)とする電位を供給し、トランジスタM1を導通状態にして、ビット線BLまたはビット線BLBと容量素子CAの一方の電極を電気的に接続することによって行われる。 Data writing and reading are performed by supplying a potential for turning on the transistor M1 to the word line WL, turning on the transistor M1, and turning on the bit line BL or the bit line BLB and one electrode of the capacitor CA. Is performed by electrically connecting the two.
なお、トランジスタM1として、チャネルが形成される半導体層に金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いたトランジスタ(「OSトランジスタ」ともいう。)を用いることが好ましい。例えば、チャネルが形成される半導体層として、インジウム、元素M(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)、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることが好ましい。特に、OSトランジスタの半導体層として、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体を用いることが好ましい。 Note that as the transistor M1, a transistor including an oxide semiconductor that is a kind of metal oxide for a semiconductor layer in which a channel is formed (also referred to as an “OS transistor”) is preferably used. For example, it is preferable to use an oxide semiconductor containing any one of indium, an element M (the element M is aluminum, gallium, yttrium, or tin) and zinc as a semiconductor layer in which a channel is formed. In particular, an oxide semiconductor including indium, gallium, and zinc is preferably used for the semiconductor layer of the OS transistor.
インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したOSトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有している。トランジスタM1としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM1のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタM1によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセルに対して多値データ、またはアナログデータを保持することができる。 An OS transistor using an oxide semiconductor containing indium, gallium, and zinc has a characteristic of extremely low off-state current. By using an OS transistor as the transistor M1, the leakage current of the transistor M1 can be very low. That is, since the written data can be held for a long time by the transistor M1, the frequency of refreshing the memory cells can be reduced. Also, the refresh operation of the memory cell can be made unnecessary. In addition, since the leakage current is very low, multi-value data or analog data can be held in the memory cell.
ここで、トランジスタの電気特性の1つであるId−Vg特性の温度依存性について説明しておく。 Here, the temperature dependence of the Id-Vg characteristic which is one of the electrical characteristics of the transistor will be described.
図6(A)は、OSトランジスタのId−Vg特性を示している。図6(B)は、チャネルが形成される半導体層にシリコンを用いたトランジスタ(「Siトランジスタ」ともいう。)のId−Vg特性を示している。なお、図6(A)および図6(B)は、どちらもnチャネル型トランジスタのId−Vg特性である。 FIG. 6A shows the Id-Vg characteristics of the OS transistor. FIG. 6B illustrates Id-Vg characteristics of a transistor in which silicon is used for a semiconductor layer in which a channel is formed (also referred to as a “Si transistor”). 6A and 6B both show Id-Vg characteristics of an n-channel transistor.
OSトランジスタおよびSiトランジスタともに、Vthは高温になるほどマイナス方向にシフトし、サブスレッショルド係数(「S値」ともいう。)は高温になるほど増大するという性質を有する。その結果、高温になるほどVgが0Vの時のId(「カットオフ電流」ともいう)が増加する。 Both the OS transistor and the Si transistor have the property that Vth shifts in the negative direction as the temperature increases, and the subthreshold coefficient (also referred to as “S value”) increases as the temperature increases. As a result, Id (also referred to as “cut-off current”) when Vg is 0 V increases as the temperature increases.
OSトランジスタは高温下の動作においてもオフ電流が増加しにくい(図6(A)参照。)。また、OSトランジスタは、動作温度の上昇とともにオン電流が増加する。一方で、Siトランジスタは、温度の上昇とともに、オフ電流が増加し、オン電流が低下する(図6(B)参照。)。オフ電流が増加すると、メモリセルに書き込まれた電圧(情報)が低下し易くなる。すなわち、情報の保持時間が短くなり、メモリセルのリフレッシュ頻度が多くなる。よって、消費電力が多くなる。 An OS transistor hardly increases off-state current even in operation at high temperature (see FIG. 6A). In addition, the on-current of the OS transistor increases as the operating temperature increases. On the other hand, in the Si transistor, as the temperature rises, the off-current increases and the on-current decreases (see FIG. 6B). As the off-current increases, the voltage (information) written in the memory cell tends to decrease. That is, the information holding time is shortened and the refresh frequency of the memory cell is increased. Therefore, power consumption increases.
本実施の形態などにおいて、保持時間とは、メモリセルに書き込まれた電圧が100%から60%に低下するまでの時間である。言い換えると、メモリセルに書き込まれた電荷量が100%から60%に低下するまでの時間である。 In this embodiment and the like, the holding time is a time until the voltage written in the memory cell is reduced from 100% to 60%. In other words, this is the time until the amount of charge written in the memory cell decreases from 100% to 60%.
図6(A)および図5(B)に示すように、OSトランジスタは、Vgおよび/またはVbgを負電圧にすることで高温下においてもオフ電流を低減することができる。すなわち、トランジスタM1としてOSトランジスタを用いることで、高温下の動作においてもリフレッシュ頻度の増加を抑え、情報の保持時間を長くすることができる。よって、トランジスタM1を含む半導体装置全体の消費電力の増加を抑えることができる。 As shown in FIGS. 6A and 5B, the OS transistor can reduce off-state current even at a high temperature by setting Vg and / or Vbg to a negative voltage. That is, by using an OS transistor as the transistor M1, an increase in the refresh frequency can be suppressed even in an operation at a high temperature, and the information holding time can be extended. Therefore, an increase in power consumption of the entire semiconductor device including the transistor M1 can be suppressed.
本明細書等において、OSトランジスタを用いたDRAMを、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)呼ぶ。トランジスタM1としてOSトランジスタを適用することにより、DOSRAMを構成することができる。 In this specification and the like, a DRAM using an OS transistor is referred to as DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory). A DOSRAM can be formed by applying an OS transistor as the transistor M1.
前述した通り、高温下の動作などによってOSトランジスタのS値が変動する場合がある。
図7(A)に、OSトランジスタのS値が80mV/dec、180mV/dec、または200mV/decであるの時の、特定の保持時間を達成するために必要なVgの計算結果を示す。また、図7(B)は、保持時間と算出したVgの関係を示すグラフである。図7(B)の横軸は保持時間を対数で示しており、縦軸はVgを示している。なお、Vbgは、Vgが−0.8Vの時に保持時間が1時間になる電圧に固定されているものとした。
As described above, the S value of the OS transistor may fluctuate due to operation at a high temperature.
FIG. 7A shows a calculation result of Vg necessary to achieve a specific holding time when the S value of the OS transistor is 80 mV / dec, 180 mV / dec, or 200 mV / dec. FIG. 7B is a graph showing the relationship between the holding time and the calculated Vg. In FIG. 7B, the horizontal axis indicates the holding time in logarithm, and the vertical axis indicates Vg. Note that Vbg is fixed to a voltage at which the holding time is 1 hour when Vg is −0.8V.
図7(A)および(B)より、OSトランジスタのS値が80mV/decの場合、Vgを−1.04Vにすることで約40日、Vgを−1.12Vにすることで約1年、Vgを−1.2Vにすることで約11年のデータ保持ができることがわかる。また、OSトランジスタのS値が120mV/decの場合、Vgを−1.16Vにすることで約40日、Vgを−1.28Vにすることで約1年、Vgを−1.4Vにすることで約11年のデータ保持ができることがわかる。また、OSトランジスタのS値が200mV/decの場合、Vgを−1.4Vにすることで約40日、Vgを−1.6Vにすることで約1年、Vgを−1.8Vにすることで約11年のデータ保持ができることがわかる。 7A and 7B, when the S value of the OS transistor is 80 mV / dec, about 40 days can be obtained by setting Vg to -1.04 V, and about one year by setting Vg to -1.12 V. It can be seen that the data can be retained for about 11 years by setting Vg to -1.2V. When the S value of the OS transistor is 120 mV / dec, Vg is set to −1.16V for about 40 days, Vg is set to −1.28V for about one year, and Vg is set to −1.4V. It can be seen that the data can be retained for about 11 years. When the S value of the OS transistor is 200 mV / dec, Vg is set to -1.4V for about 40 days, Vg is set to -1.6V for about one year, and Vg is set to -1.8V. It can be seen that the data can be retained for about 11 years.
トランジスタM1をオン状態とするVgをVgH、オフ状態とするVgをVgLとすると、グループ261毎にVgH、VgL、およびVbgの電圧を変えて、メモリセル10を異なる動作モードで動作させることができる。一例として、表1に4つの動作モードを示し、それぞれの動作条件を示す。本実施の形態では、VgHとVgLの電位差を3.3Vとする。ただし、VgHとVgLの電位差は3.3Vに限定されない。 When Vg for turning on the transistor M1 is VgH and Vg for turning off the transistor M1 is VgL, the voltages of VgH, VgL, and Vbg are changed for each group 261, and the memory cell 10 can be operated in different operation modes. . As an example, Table 1 shows four operation modes and shows the respective operation conditions. In this embodiment, the potential difference between VgH and VgL is 3.3V. However, the potential difference between VgH and VgL is not limited to 3.3V.
本実施の形態などに示すVgH、VgL、Vbgなどの電圧は一例であり、本実施の形態などに示す値に限定されない。動作モード毎にVgHおよび/またはVgLの値を変えてもよい。ただし、VgHおよびVgLの絶対値が大きすぎると、信頼性の低下の一因となりやすい。また、動作モード毎にVgHおよび/またはVgLの値を変更する場合は、回路設計などの負担も増えるため、VgHとVgLはなるべく変えないことが好ましい。 The voltages such as VgH, VgL, and Vbg shown in this embodiment and the like are examples, and are not limited to the values shown in this embodiment and the like. The value of VgH and / or VgL may be changed for each operation mode. However, if the absolute values of VgH and VgL are too large, the reliability is likely to be reduced. Further, when the value of VgH and / or VgL is changed for each operation mode, it is preferable that VgH and VgL are not changed as much as possible because the burden of circuit design increases.
〔通常モード〕
通常モードでは、VgHを2.5V、VgLを−0.8V、Vbgを−3Vとする。通常モードでのメモリセル10への情報の読み出し書き込み速度と保持時間が、記憶ブロック211の動作の基本になる。
[Normal mode]
In the normal mode, VgH is 2.5V, VgL is -0.8V, and Vbg is -3V. The read / write speed and retention time of information to / from the memory cell 10 in the normal mode are the basis of the operation of the storage block 211.
〔高速モード〕
高速モードでは、VgHを2.5V、VgLを−0.8Vとし、Vbgを0Vとする。Vbgの電位を高くすることで、トランジスタM1のVthを小さくすることができる。よって、VgHとVgLを変化させずに、トランジスタM1の動作速度を高めることができる。また、トランジスタの電気特性などによっては、Vbgを正電圧としてもよい。
[High-speed mode]
In the high speed mode, VgH is set to 2.5V, VgL is set to -0.8V, and Vbg is set to 0V. By increasing the potential of Vbg, Vth of the transistor M1 can be decreased. Therefore, the operating speed of the transistor M1 can be increased without changing VgH and VgL. Further, Vbg may be a positive voltage depending on the electrical characteristics of the transistor and the like.
また、VgをVgHにする時にVbgの電位を上げて、VgをVgLにする時にVbgの電位を下げてもよい。VgとVbgを同時に変化させることで、トランジスタM1の動作速度をさらに高めることができる。 Further, the potential of Vbg may be increased when Vg is set to VgH, and the potential of Vbg may be decreased when Vg is set to VgL. By changing Vg and Vbg simultaneously, the operation speed of the transistor M1 can be further increased.
〔低速モード〕
低速モードでは、VgHを2.5V、VgLを−0.8Vとし、Vbgを−6Vとする。Vbgの電位を低くすることで、トランジスタM1のVthを大きくすることができる。よって、VgHとVgLを変化させずにトランジスタM1のオフ電流が低減され、保持時間を長くすることができる。また、リフレッシュ間隔を長くすることができるため、記憶ブロック211の消費電力を低減することができる。
[Low speed mode]
In the low speed mode, VgH is set to 2.5V, VgL is set to -0.8V, and Vbg is set to -6V. By reducing the potential of Vbg, Vth of the transistor M1 can be increased. Therefore, the off-state current of the transistor M1 is reduced without changing VgH and VgL, and the holding time can be extended. Further, since the refresh interval can be extended, the power consumption of the storage block 211 can be reduced.
〔長期保持モード〕
長期保持モードでは、VgLを−2Vとし、Vbgを−6Vとする。VgLを−2V、Vbgを−6Vとすることで、10年以上の長期間にわたって情報を保持することができる。よって、長期保持モードにおいてVgHは実質的に使用されない。長期保持モードで動作している記憶ブロック211に保持されている情報を読み出す時は、一旦上記モードのいずれかで動作させればよい。
[Long retention mode]
In the long-term holding mode, VgL is set to -2V and Vbg is set to -6V. By setting VgL to −2 V and Vbg to −6 V, information can be held for a long period of 10 years or longer. Therefore, VgH is not substantially used in the long-term holding mode. When reading the information held in the storage block 211 operating in the long-term holding mode, the information may be temporarily operated in any of the above modes.
一方で、長期保持モードのままVgHを2.5Vとして情報を読み出しても構わない。この場合、Vbgを上昇させてもよい。ただし、VgLを−2V、VgHを2.5Vとして動作させる場合は、ワード線ドライバに用いるトランジスタの耐圧が4.5V以上必要となる。よって、長期保持モードでは、例えばVgHを基準電位(0V)としたのち、VgL=−2Vとすることで、ドライバに求められる耐圧性能を変更することなく、長期保持モードを実現可能である。 On the other hand, information may be read with VgH set to 2.5 V in the long-term holding mode. In this case, Vbg may be increased. However, when operating with VgL of −2 V and VgH of 2.5 V, the breakdown voltage of the transistor used for the word line driver needs to be 4.5 V or more. Therefore, in the long-term holding mode, for example, by setting VgH to the reference potential (0 V) and then setting VgL = −2 V, the long-term holding mode can be realized without changing the withstand voltage performance required for the driver.
また、長期保持モードで用いるVgLの電位が十分低い場合は、Vbgを0Vとしてもよいし、バックゲートをフローティング状態としてもよい。 Further, when the potential of VgL used in the long-term holding mode is sufficiently low, Vbg may be set to 0 V, or the back gate may be set in a floating state.
例えば、第1グループ261_1を高速モードで動作させ、第2グループ261_2を通常モードで動作させ、第3グループ261_3を低速モードで動作させ、第4グループ261_4を長期保持モードで動作させることができる。 For example, the first group 261_1 can be operated in the high speed mode, the second group 261_2 can be operated in the normal mode, the third group 261_3 can be operated in the low speed mode, and the fourth group 261_4 can be operated in the long-term holding mode.
頻繁にアクセスされる情報は、高速モードで動作する第1グループ261_1に保持(記憶)することが好ましい。例えば、インターフェイスに近い記憶ブロック211を高速モードで動作させてもよい。 It is preferable to store (store) frequently accessed information in the first group 261_1 operating in the high-speed mode. For example, the storage block 211 close to the interface may be operated in the high speed mode.
また、アクセス頻度に応じて、情報の書き込み先を、通常モードで動作する第2グループ261_2または低速モードで動作する第3グループ261_3のどちらかに振り分けることができる。 Further, according to the access frequency, the information write destination can be assigned to either the second group 261_2 operating in the normal mode or the third group 261_3 operating in the low speed mode.
また、長期間使用しない情報は、長期保持モードで動作する第4グループ261_4に記憶すればよい。例えば、第4グループ261_4を補助記憶装置(ストレージ)として使用することができる。 Information that is not used for a long time may be stored in the fourth group 261_4 operating in the long-term holding mode. For example, the fourth group 261_4 can be used as an auxiliary storage device (storage).
例えば、図8(A)に示すように、第1グループ261_1をレジスタ、第2グループ261_2をキャッシュ、第3グループ261_3を主記憶装置(メインメモリ)、第4グループ261_4をストレージとして機能させてもよい。 For example, as shown in FIG. 8A, the first group 261_1 functions as a register, the second group 261_2 functions as a cache, the third group 261_3 functions as a main memory (main memory), and the fourth group 261_4 functions as a storage. Good.
レジスタは演算処理の結果や、集積回路の設定情報などを保持する機能を有する。キャッシュは、メインメモリに保持されている情報の一部を複製して保持する機能を有する。メインメモリに保持されている情報の代わりにキャッシュに保持されているデータを用いることができる。頻繁にアクセスされるデータをキャッシュに複製しておくことで、アクセス速度を高めることができる。ストレージは、メインメモリのデータを保持する機能と保持されているデータをメインメモリに出力する機能を有する。 The register has a function of holding a result of arithmetic processing, setting information of the integrated circuit, and the like. The cache has a function of copying and holding a part of information held in the main memory. Data held in the cache can be used in place of the information held in the main memory. By copying frequently accessed data to the cache, the access speed can be increased. The storage has a function of holding data in the main memory and a function of outputting the held data to the main memory.
また、図8(B)に示すように、第1グループ261_1をキャッシュ、第2グループ261_2をメインメモリ、第3グループ261_3を1次ストレージ、第4グループ261_4を2次ストレージとして機能させてもよい。 Further, as shown in FIG. 8B, the first group 261_1 may function as a cache, the second group 261_2 as a main memory, the third group 261_3 as a primary storage, and the fourth group 261_4 as a secondary storage. .
また、図8(C)に示すように、第1グループ261_1を1次キャッシュ、第2グループ261_2を2次キャッシュ、第3グループ261_3をメインメモリ、第4グループ261_4をストレージとして機能させてもよい。 Also, as shown in FIG. 8C, the first group 261_1 may function as a primary cache, the second group 261_2 as a secondary cache, the third group 261_3 as a main memory, and the fourth group 261_4 as a storage. .
Vg、Vbg、グループの数、1つのグループに含まれる記憶ブロック211の数、グループの配置、グループ内の記憶ブロック211の配置、および動作モードの決定などは、制御回路112で制御される。例えば、1つのグループに含まれる記憶ブロック211の数などは、必要に応じて変化させることができる。 The control circuit 112 controls Vg, Vbg, the number of groups, the number of storage blocks 211 included in one group, the arrangement of the groups, the arrangement of the storage blocks 211 in the group, and the determination of the operation mode. For example, the number of storage blocks 211 included in one group can be changed as necessary.
また、一定期間毎に記憶ブロック211の動作モードを変えてもよい。記憶ブロック211の動作モードを定期的に変更することで、特性劣化を防ぎ、記憶装置100の信頼性を高めることができる。 Further, the operation mode of the storage block 211 may be changed every certain period. By periodically changing the operation mode of the storage block 211, characteristic deterioration can be prevented and the reliability of the storage device 100 can be improved.
本発明の一態様によれば、1つのDOSRAMデバイスで、単体SRAM(Static Random Access Memory)と同等の記憶装置や、混載DRAM(eDRAM:Embedded DRAM)と同等の記憶装置などを実現することができる。 According to one embodiment of the present invention, a single DOSRAM device can realize a storage device equivalent to a single SRAM (Static Random Access Memory), a storage device equivalent to an embedded DRAM (eDRAM), or the like. .
また、トランジスタM1としてOSトランジスタを用いることで、高温環境下であっても記憶ブロックアレイ210を上記動作モードで動作させることができる。 Further, by using an OS transistor as the transistor M1, the memory block array 210 can be operated in the above operation mode even under a high temperature environment.
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.
(実施の形態2)
本実施の形態では、記憶装置100の断面構成例について図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a cross-sectional structure example of the memory device 100 is described with reference to drawings.
<記憶装置の構造例>
図9に、記憶装置100の一部の断面を示す。図9に示す記憶装置100は、基板291上に、ローカルセンスアンプアレイ214、セルアレイ221を積層している。なお、セルアレイ221以外の回路は、ローカルセンスアンプアレイ214と同様に基板291上に設けられる。図9では、基板291として単結晶半導体基板(例えば、単結晶シリコン基板)を用いる場合を示している。ローカルセンスアンプアレイ214に含まれるトランジスタは、ソース、ドレイン、およびチャネルが、基板291の一部に形成される。また、セルアレイ221には薄膜トランジスタ(例えば、OSトランジスタ)が含まれる。
<Structural example of storage device>
FIG. 9 shows a partial cross section of the storage device 100. In the memory device 100 illustrated in FIG. 9, a local sense amplifier array 214 and a cell array 221 are stacked on a substrate 291. Circuits other than the cell array 221 are provided on the substrate 291 similarly to the local sense amplifier array 214. FIG. 9 illustrates the case where a single crystal semiconductor substrate (eg, a single crystal silicon substrate) is used as the substrate 291. A transistor included in the local sense amplifier array 214 has a source, a drain, and a channel formed in part of the substrate 291. The cell array 221 includes a thin film transistor (eg, an OS transistor).
〔ローカルセンスアンプアレイ214〕
図9において、ローカルセンスアンプアレイ214は、基板291上にトランジスタ233a、トランジスタ233b、およびトランジスタ233cを有する。図9では、トランジスタ233a、トランジスタ233b、およびトランジスタ233cのチャネル長方向の断面を示している。
[Local sense amplifier array 214]
In FIG. 9, the local sense amplifier array 214 includes a transistor 233a, a transistor 233b, and a transistor 233c on a substrate 291. FIG. 9 illustrates cross sections of the transistor 233a, the transistor 233b, and the transistor 233c in the channel length direction.
前述した通り、トランジスタ233a、トランジスタ233b、およびトランジスタ233cのチャネルは、基板291の一部に形成される。集積回路に高速動作が求められる場合は、基板291として単結晶半導体基板を用いることが好ましい。 As described above, the channels of the transistors 233a, 233b, and 233c are formed in part of the substrate 291. In the case where high speed operation is required for the integrated circuit, a single crystal semiconductor substrate is preferably used as the substrate 291.
トランジスタ233a、トランジスタ233b、およびトランジスタ233cは、素子分離層292によって他のトランジスタと電気的に分離される。素子分離層の形成は、LOCOS(Local OSidation of Silicon)法や、STI(Shallow Trench Isolation)法などを用いることができる。 The transistor 233a, the transistor 233b, and the transistor 233c are electrically isolated from other transistors by the element isolation layer 292. The element isolation layer can be formed by using a LOCOS (Local Osidation of Silicon) method, an STI (Shallow Trench Isolation) method, or the like.
また、トランジスタ233a、トランジスタ233b、およびトランジスタ233c上に絶縁層293、絶縁層235、絶縁層237が設けられ、絶縁層237中に電極238が埋設されている。電極238はコンタクトプラグ236を介してトランジスタ233aのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。 An insulating layer 293, an insulating layer 235, and an insulating layer 237 are provided over the transistor 233a, the transistor 233b, and the transistor 233c, and the electrode 238 is embedded in the insulating layer 237. The electrode 238 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 233a through a contact plug 236.
また、電極238および絶縁層237の上に、絶縁層239、絶縁層240、および絶縁層241が設けられ、絶縁層239、絶縁層240、および絶縁層241の中に電極242が埋設されている。電極242は、電極238と電気的に接続される。 An insulating layer 239, an insulating layer 240, and an insulating layer 241 are provided over the electrode 238 and the insulating layer 237, and the electrode 242 is embedded in the insulating layer 239, the insulating layer 240, and the insulating layer 241. . The electrode 242 is electrically connected to the electrode 238.
また、電極242および絶縁層241の上に、絶縁層243、および絶縁層244が設けられ、絶縁層243、および絶縁層244の中に電極245が埋設されている。電極245は、電極242と電気的に接続される。 An insulating layer 243 and an insulating layer 244 are provided over the electrode 242 and the insulating layer 241, and the electrode 245 is embedded in the insulating layer 243 and the insulating layer 244. The electrode 245 is electrically connected to the electrode 242.
また、電極245および絶縁層244の上に、絶縁層246および絶縁層247が設けられ、絶縁層246および絶縁層247の中に電極249が埋設されている。電極249は、電極245と電気的に接続される。 An insulating layer 246 and an insulating layer 247 are provided over the electrode 245 and the insulating layer 244, and the electrode 249 is embedded in the insulating layer 246 and the insulating layer 247. The electrode 249 is electrically connected to the electrode 245.
また、電極249および絶縁層247の上に、絶縁層248および絶縁層250が設けられ、絶縁層248および絶縁層250の中に電極251が埋設されている。電極251は、電極249と電気的に接続される。 Further, the insulating layer 248 and the insulating layer 250 are provided over the electrode 249 and the insulating layer 247, and the electrode 251 is embedded in the insulating layer 248 and the insulating layer 250. The electrode 251 is electrically connected to the electrode 249.
〔セルアレイ221〕
セルアレイ221は、ローカルセンスアンプアレイ214上に設けられる。図9において、セルアレイ221は、トランジスタ368a、トランジスタ368b、容量素子369a、および容量素子369bを有する。図9では、トランジスタ368aおよびトランジスタ368bは、チャネル長方向の断面を示している。なお、トランジスタ368a、およびトランジスタ368bは、バックゲートを有するトランジスタである。
[Cell array 221]
The cell array 221 is provided on the local sense amplifier array 214. In FIG. 9, the cell array 221 includes a transistor 368a, a transistor 368b, a capacitor 369a, and a capacitor 369b. In FIG. 9, the transistor 368a and the transistor 368b are cross-sectional views in the channel length direction. Note that the transistor 368a and the transistor 368b are transistors each having a back gate.
トランジスタ368a、およびトランジスタ368bの半導体層に、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることが好ましい。すなわち、トランジスタ368a、およびトランジスタ368bにOSトランジスタを用いることが好ましい。 An oxide semiconductor that is a kind of metal oxide is preferably used for the semiconductor layers of the transistors 368a and 368b. That is, an OS transistor is preferably used for the transistors 368a and 368b.
トランジスタ368a、およびトランジスタ368bは、絶縁層361および絶縁層362上に設けられている。また、絶縁層362上に絶縁層363および絶縁層364が設けられている。トランジスタ368a、およびトランジスタ368bのバックゲートは、絶縁層363および絶縁層364中に埋設されている。絶縁層364上に、絶縁層365および絶縁層366が設けられている。また、電極367が、絶縁層361乃至絶縁層366中に埋設されている。電極367は、電極251と電気的に接続されている。 The transistor 368a and the transistor 368b are provided over the insulating layer 361 and the insulating layer 362. An insulating layer 363 and an insulating layer 364 are provided over the insulating layer 362. The back gates of the transistors 368 a and 368 b are embedded in the insulating layers 363 and 364. An insulating layer 365 and an insulating layer 366 are provided over the insulating layer 364. An electrode 367 is embedded in the insulating layers 361 to 366. The electrode 367 is electrically connected to the electrode 251.
また、トランジスタ368a、トランジスタ368b、容量素子369a、および容量素子369b上に、絶縁層371、絶縁層372、および絶縁層373が形成され、絶縁層373上に電極375が形成されている。電極375はコンタクトプラグ374を介して電極367と電気的に接続される。 An insulating layer 371, an insulating layer 372, and an insulating layer 373 are formed over the transistor 368a, the transistor 368b, the capacitor 369a, and the capacitor 369b, and an electrode 375 is formed over the insulating layer 373. The electrode 375 is electrically connected to the electrode 367 through the contact plug 374.
また、電極375上に、絶縁層376、絶縁層377、絶縁層378、および絶縁層379が設けられている。また、電極380が、絶縁層376乃至絶縁層379中に埋設されている。電極380は、電極375と電気的に接続されている。 An insulating layer 376, an insulating layer 377, an insulating layer 378, and an insulating layer 379 are provided over the electrode 375. An electrode 380 is embedded in the insulating layers 376 to 379. The electrode 380 is electrically connected to the electrode 375.
また、電極380および絶縁層379の上に、絶縁層381および絶縁層382が設けられている。 An insulating layer 381 and an insulating layer 382 are provided over the electrode 380 and the insulating layer 379.
<変形例>
図10に記憶装置100Aの一部の断面を示す。記憶装置100Aは記憶装置100の変形例である。記憶装置100Aは、ローカルセンスアンプアレイ214A、セルアレイ221を有する。ローカルセンスアンプアレイ214A、セルアレイ221は、基板291上に順に設けられる。記憶装置100Aでは、基板291として絶縁性基板(例えば、ガラス基板)を用いる。
<Modification>
FIG. 10 shows a partial cross section of the storage device 100A. The storage device 100A is a modification of the storage device 100. The storage device 100A includes a local sense amplifier array 214A and a cell array 221. The local sense amplifier array 214A and the cell array 221 are sequentially provided on the substrate 291. In the storage device 100A, an insulating substrate (eg, a glass substrate) is used as the substrate 291.
ローカルセンスアンプアレイ214Aは、トランジスタ268a、トランジスタ268b、容量素子269a、および容量素子269bを有する。ローカルセンスアンプアレイ214Aに含まれるトランジスタに、薄膜トランジスタ(例えば、OSトランジスタ)を用いる。セルアレイ221は、上記と同様に作製することができる。 The local sense amplifier array 214A includes a transistor 268a, a transistor 268b, a capacitor 269a, and a capacitor 269b. Thin film transistors (for example, OS transistors) are used as transistors included in the local sense amplifier array 214A. The cell array 221 can be manufactured in the same manner as described above.
ローカルセンスアンプアレイ214Aに含まれるトランジスタを全てOSトランジスタとすることで、ローカルセンスアンプアレイ214Aを単極性の集積回路にすることができる。記憶装置100Aに含まれるトランジスタを全てOSトランジスタとすることで、記憶装置100Aを単極性の記憶装置にすることができる。 When all the transistors included in the local sense amplifier array 214A are OS transistors, the local sense amplifier array 214A can be a unipolar integrated circuit. When all the transistors included in the memory device 100A are OS transistors, the memory device 100A can be a unipolar memory device.
<構成材料について>
〔基板〕
基板として用いる材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。また、SOI基板や、半導体基板上に歪トランジスタやFIN型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。または、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。すなわち、基板は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。
<Constituent materials>
〔substrate〕
There is no particular limitation on the material used for the substrate, but it is necessary that the substrate have heat resistance enough to withstand at least heat treatment performed later. For example, a single crystal semiconductor substrate using a material such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate using silicon germanium, or the like as the substrate can be used. Alternatively, an SOI substrate, a semiconductor substrate provided with a semiconductor element such as a strain transistor or a FIN transistor, or the like can be used. Alternatively, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide, silicon germanium, or the like that can be used for a high electron mobility transistor (HEMT) may be used. That is, the substrate is not limited to a simple support substrate, and may be a substrate on which other devices such as transistors are formed.
また、基板として、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることもできる。なお、基板として、可撓性基板(フレキシブル基板)を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性基板上に、トランジスタや容量素子などを直接作製してもよいし、他の作製基板上にトランジスタや容量素子などを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板とトランジスタや容量素子などとの間に剥離層を設けるとよい。 As the substrate, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. Note that a flexible substrate (flexible substrate) may be used as the substrate. In the case of using a flexible substrate, a transistor, a capacitor, or the like may be directly formed over the flexible substrate, or a transistor, a capacitor, or the like is formed over another manufacturing substrate, and then the flexible substrate is formed. You may peel and transpose. Note that a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and a transistor, a capacitor, or the like in order to separate and transfer from the manufacturing substrate to the flexible substrate.
可撓性基板としては、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。基板に用いる可撓性基板は、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。基板に用いる可撓性基板は、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、可撓性基板として好適である。 As the flexible substrate, for example, metal, alloy, resin or glass, or fiber thereof can be used. The flexible substrate used for the substrate is preferably as the linear expansion coefficient is low because deformation due to the environment is suppressed. For the flexible substrate used for the 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 (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, and acrylic. In particular, since aramid has a low coefficient of linear expansion, it is suitable as a flexible substrate.
〔絶縁層〕
絶縁層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
[Insulation layer]
The insulating layer is made of aluminum nitride, aluminum oxide, aluminum nitride oxide, aluminum oxynitride, magnesium oxide, silicon nitride, silicon oxide, silicon nitride oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, A material selected from neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, aluminum silicate, or the like is used as a single layer or a stacked layer. Alternatively, a material obtained by mixing a plurality of materials among oxide materials, nitride materials, oxynitride materials, and nitride oxide materials may be used.
なお、本明細書等において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)等を用いて測定することができる。 Note that in this specification and the like, a nitrided oxide refers to a compound having a higher nitrogen content than oxygen. Further, oxynitride refers to a compound having a higher oxygen content than nitrogen. The content of each element can be measured using, for example, Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS).
また、半導体層として金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる場合は、半導体層中の水素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の水素濃度を、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)において2×1020atoms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下とする。特に、半導体層と接する絶縁層の水素濃度を低減することが好ましい。 In the case where an oxide semiconductor which is a kind of metal oxide is used for the semiconductor layer, it is preferable to reduce the hydrogen concentration in the insulating layer in order to prevent an increase in the hydrogen concentration in the semiconductor layer. Specifically, the hydrogen concentration in the insulating layer is set to 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less in secondary ion mass spectrometry (SIMS). More preferably, it is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, and further preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less. In particular, it is preferable to reduce the hydrogen concentration in the insulating layer in contact with the semiconductor layer.
また、半導体層中の窒素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の窒素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の窒素濃度を、SIMSにおいて5×1019atoms/cm3以下、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。 In order to prevent an increase in the nitrogen concentration in the semiconductor layer, it is preferable to reduce the nitrogen concentration in the insulating layer. Specifically, the nitrogen concentration in the insulating layer is 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less in SIMS, preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less. More preferably, it is 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
また、絶縁層の少なくとも半導体層と接する領域と、絶縁層の少なくとも半導体層と接する領域は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法(ESR:Electron Spin Resonance)で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、g値が2.001に観察されるE’センターが挙げられる。なお、E’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。例えば、絶縁層として、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いる場合、E’センター起因のスピン密度が、3×1017spins/cm3以下、好ましくは5×1016spins/cm3以下である酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いればよい。 It is preferable that at least a region of the insulating layer in contact with the semiconductor layer and at least a region of the insulating layer in contact with the semiconductor layer have few defects, and are typically observed by an electron spin resonance (ESR) method. It is preferable that the signal is low. For example, the signal described above includes the E ′ center where the g value is observed at 2.001. The E ′ center is caused by silicon dangling bonds. For example, when a silicon oxide layer or a silicon oxynitride layer is used as the insulating layer, the spin density due to the E ′ center is 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, preferably 5 × 10 16 spins / cm 3 or less. A silicon oxide layer or a silicon oxynitride layer may be used.
また、上述のシグナル以外に二酸化窒素(NO2)に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Nの核スピンにより3つのシグナルに分裂しており、それぞれのg値が2.037以上2.039以下(第1のシグナルとする)、g値が2.001以上2.003以下(第2のシグナルとする)、及びg値が1.964以上1.966以下(第3のシグナルとする)に観察される。 In addition to the above signal, a signal due to nitrogen dioxide (NO 2 ) may be observed. The signal is split into three signals by N nuclear spins, each having a g value of 2.037 or more and 2.039 or less (referred to as the first signal), and a g value of 2.001 or more and 2.003. The g value is observed below (referred to as the second signal) and from 1.964 to 1.966 (referred to as the third signal).
例えば、絶縁層として、二酸化窒素(NO2)に起因するシグナルのスピン密度が、1×1017spins/cm3以上1×1018spins/cm3未満である絶縁層を用いると好適である。 For example, as the insulating layer, an insulating layer in which the spin density of a signal caused by nitrogen dioxide (NO 2 ) is 1 × 10 17 spins / cm 3 or more and less than 1 × 10 18 spins / cm 3 is preferably used.
なお、二酸化窒素(NO2)を含む窒素酸化物(NOx)は、絶縁層中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体層のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物(NOx)が、絶縁層と酸化物半導体層の界面に拡散すると、当該準位が絶縁層側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁層として窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することができる。 Note that nitrogen oxide (NO x ) containing nitrogen dioxide (NO 2 ) forms a level in the insulating layer. The level is located in the energy gap of the oxide semiconductor layer. Therefore, when nitrogen oxide (NO x ) diffuses to the interface between the insulating layer and the oxide semiconductor layer, the level may trap electrons on the insulating layer side. As a result, trapped electrons remain in the vicinity of the interface between the insulating layer and the oxide semiconductor layer, so that the threshold voltage of the transistor is shifted in the positive direction. Therefore, when a film with a low content of nitrogen oxide is used for the insulating layer, a shift in threshold voltage of the transistor can be reduced.
窒素酸化物(NOx)の放出量が少ない絶縁層としては、例えば、酸化窒化シリコン層を用いることができる。当該酸化窒化シリコン層は、昇温脱離ガス分析法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)において、窒素酸化物(NOx)の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が1×1018個/cm3以上5×1019個/cm3以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、TDSにおける加熱処理の温度が50℃以上650℃以下、または50℃以上550℃以下の範囲での総量である。 For example, a silicon oxynitride layer can be used as the insulating layer that emits less nitrogen oxide (NO x ). The silicon oxynitride layer is a film in which the amount of ammonia released is larger than the amount of nitrogen oxide (NO x ) released in a temperature programmed desorption gas analysis (TDS: Thermal Desorption Spectroscopy). The discharge amount is 1 × 10 18 pieces / cm 3 or more and 5 × 10 19 pieces / cm 3 or less. The amount of ammonia released is the total amount when the temperature of the heat treatment in TDS is 50 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, or 50 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
窒素酸化物(NOx)は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁層を用いることで窒素酸化物(NOx)が低減される。 Since nitrogen oxide (NO x ) reacts with ammonia and oxygen in the heat treatment, nitrogen oxide (NO x ) is reduced by using an insulating layer that releases a large amount of ammonia.
また、酸化物半導体層に接する絶縁層のうち少なくとも1つは、加熱により酸素が放出される絶縁層を用いて形成することが好ましい。具体的には、絶縁層の表面温度が100℃以上700℃以下、好ましくは100℃以上500℃以下の加熱処理で行われるTDSにて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、1.0×1019atoms/cm3以上、または1.0×1020atoms/cm3以上である絶縁層を用いることが好ましい。なお、本明細書などにおいて、加熱により放出される酸素を「過剰酸素」ともいう。 In addition, at least one of the insulating layers in contact with the oxide semiconductor layer is preferably formed using an insulating layer from which oxygen is released by heating. Specifically, the amount of desorbed oxygen converted to oxygen atoms is 1.0 in TDS performed by heat treatment at a surface temperature of the insulating layer of 100 ° C. to 700 ° C., preferably 100 ° C. to 500 ° C. It is preferable to use an insulating layer with a size of 10 × 10 18 atoms / cm 3 or higher, 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or higher, or 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or higher. Note that in this specification and the like, oxygen released by heating is also referred to as “excess oxygen”.
また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸化性雰囲気下における熱処理やプラズマ処理などで行なうことができる。または、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加する処理に用いるガスとしては、16O2もしくは18O2などの酸素ガス、亜酸化窒素ガス、またはオゾンガスなどの、酸素を含むガスが挙げられる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。酸素ドープ処理は、基板を加熱して行なってもよい。 The insulating layer containing excess oxygen can also be formed by performing treatment for adding oxygen to the insulating layer. The treatment for adding oxygen can be performed by heat treatment or plasma treatment in an oxidizing atmosphere. Alternatively, oxygen may be added by an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like. As a gas used for the treatment for adding oxygen, an oxygen gas such as 16 O 2 or 18 O 2 , a gas containing oxygen such as a nitrous oxide gas, or an ozone gas can be given. Note that in this specification, treatment for adding oxygen is also referred to as “oxygen doping treatment”. The oxygen doping treatment may be performed by heating the substrate.
また、絶縁層として、ポリイミド、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。 As the insulating layer, a heat-resistant organic material such as polyimide, acrylic resin, benzocyclobutene resin, polyamide, or epoxy resin can be used. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material), a siloxane resin, PSG (phosphorus glass), BPSG (phosphorus boron glass), or the like can be used. Note that the insulating layer may be formed by stacking a plurality of insulating layers formed using these materials.
なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたSi−O−Si結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基(例えばアルキル基やアリール基)やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。 Note that the siloxane-based resin corresponds to a resin including a Si—O—Si bond formed using a siloxane-based material as a starting material. Siloxane resins may use organic groups (for example, alkyl groups and aryl groups) and fluoro groups as substituents. The organic group may have a fluoro group.
絶縁層の形成方法は、特に限定されない。なお、絶縁層に用いる材料によっては焼成工程が必要な場合がある。この場合、絶縁層の焼成工程と他の熱処理工程を兼ねることで、効率よくトランジスタを作製することが可能となる。 The method for forming the insulating layer is not particularly limited. Note that a baking step may be necessary depending on a material used for the insulating layer. In this case, the transistor can be efficiently manufactured by combining the baking process of the insulating layer and the other heat treatment process.
〔電極〕
電極を形成するための導電性材料としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
〔electrode〕
Examples of conductive materials for forming electrodes include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, etc. A material containing one or more metal elements selected from the above can be used. Alternatively, a semiconductor with high electrical conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used.
また、前述した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(ITO:Indium Tin Oxide)、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、インジウムガリウム亜鉛酸化物、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。 Alternatively, the above-described conductive material containing a metal element and oxygen may be used. Alternatively, the above-described conductive material containing a metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used. Indium tin oxide (ITO), indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc An oxide, indium gallium zinc oxide, or indium tin oxide to which silicon is added may be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used.
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。また、窒素を含む導電性材料と、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。 A plurality of conductive layers formed using the above materials may be stacked. For example, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen may be combined. Alternatively, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined may be employed. Alternatively, a stacked structure of a combination of the above-described material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen may be employed. Alternatively, a stacked structure of a conductive material containing nitrogen and a conductive material containing oxygen may be used.
なお、半導体層に酸化物半導体を用いて、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場合は、酸素を含む導電性材料を半導体層側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料を半導体層側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素が半導体層に供給されやすくなる。 Note that in the case of using a stacked structure in which an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer and the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are used as a gate electrode, the conductive material containing oxygen is used as a semiconductor. It is good to provide on the layer side. By providing a conductive material containing oxygen on the semiconductor layer side, oxygen released from the conductive material can be easily supplied to the semiconductor layer.
なお、電極としては、例えば、タングステン、ポリシリコン等の埋め込み性の高い導電性材料を用いればよい。また、埋め込み性の高い導電性材料と、チタン層、窒化チタン層、窒化タンタル層などのバリア層(拡散防止層)を組み合わせて用いてもよい。なお、電極を「コンタクトプラグ」という場合がある。 As the electrode, for example, a highly embedded conductive material such as tungsten or polysilicon may be used. Alternatively, a conductive material with high embeddability and a barrier layer (diffusion prevention layer) such as a titanium layer, a titanium nitride layer, or a tantalum nitride layer may be used in combination. The electrode may be referred to as a “contact plug”.
特に、ゲート絶縁層と接する電極に不純物が透過しにくい導電性材料を用いることが好ましい。不純物が透過しにくい導電性材料として、例えば窒化タンタルが挙げられる。 In particular, it is preferable to use a conductive material that does not easily transmit impurities for the electrode in contact with the gate insulating layer. An example of a conductive material that hardly transmits impurities is tantalum nitride.
絶縁層に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用い、電極、電極に不純物が透過しにくい導電性材料を用いることで、トランジスタへの不純物の拡散をさらに抑制することができる。よって、トランジスタの信頼性をさらに高めることができる。すなわち、記憶装置の信頼性をさらに高めることができる。 By using an insulating material that does not easily transmit impurities to the insulating layer and a conductive material that does not easily transmit impurities to the electrode and the electrode, diffusion of impurities to the transistor can be further suppressed. Thus, the reliability of the transistor can be further increased. That is, the reliability of the storage device can be further improved.
〔半導体層〕
半導体層として、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
[Semiconductor layer]
As the semiconductor layer, a single crystal semiconductor, a polycrystalline semiconductor, a microcrystalline semiconductor, an amorphous semiconductor, or the like can be used alone or in combination. As the semiconductor material, for example, silicon or germanium can be used. Alternatively, a compound semiconductor such as silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, an oxide semiconductor, or a nitride semiconductor, an organic semiconductor, or the like can be used.
また、半導体層として有機物半導体を用いる場合は、芳香環をもつ低分子有機材料やπ電子共役系導電性高分子などを用いることができる。例えば、ルブレン、テトラセン、ペンタセン、ペリレンジイミド、テトラシアノキノジメタン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレンビニレンなどを用いることができる。 In the case where an organic semiconductor is used as the semiconductor layer, a low molecular organic material having an aromatic ring, a π electron conjugated conductive polymer, or the like can be used. For example, rubrene, tetracene, pentacene, perylene diimide, tetracyanoquinodimethane, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene vinylene, and the like can be used.
なお、半導体層を積層してもよい。半導体層を積層する場合は、それぞれ異なる結晶状態を有する半導体を用いてもよいし、それぞれ異なる半導体材料を用いてもよい。 Note that a semiconductor layer may be stacked. In the case of stacking semiconductor layers, semiconductors having different crystal states may be used, or different semiconductor materials may be used.
また、酸化物半導体のバンドギャップは2eV以上あるため、半導体層に酸化物半導体を用いると、オフ電流が極めて少ないトランジスタを実現することができる。具体的には、ソースとドレイン間の電圧が3.5V、室温(代表的には25℃)下において、チャネル幅1μm当たりのオフ電流を1×10−20A未満、1×10−22A未満、あるいは1×10−24A未満とすることができる。すなわち、オンオフ比を20桁以上とすることもできる。また、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。よって、信頼性の良好なトランジスタを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧なトランジスタを提供できる。また、信頼性の良好な記憶装置などを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧な記憶装置を提供することができる。 In addition, since the band gap of an oxide semiconductor is 2 eV or more, a transistor with extremely low off-state current can be realized when an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer. Specifically, the off-current per channel width of 1 μm is less than 1 × 10 −20 A and 1 × 10 −22 A at a source-drain voltage of 3.5 V and room temperature (typically 25 ° C.). Or less than 1 × 10 −24 A. That is, the on / off ratio can be 20 digits or more. In addition, a transistor in which an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer has high withstand voltage between a source and a drain. Thus, a highly reliable transistor can be provided. In addition, a transistor with a large output voltage and high withstand voltage can be provided. Further, a highly reliable storage device or the like can be provided. In addition, a memory device with a large output voltage and high withstand voltage can be provided.
また、本明細書等において、チャネルが形成される半導体層に結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタを「結晶性Siトランジスタ」ともいう。 In this specification and the like, a transistor in which crystalline silicon is used for a semiconductor layer in which a channel is formed is also referred to as a “crystalline Si transistor”.
結晶性Siトランジスタは、OSトランジスタよりも比較的高い移動度を得やすい。一方で、結晶性Siトランジスタは、OSトランジスタのように極めて少ないオフ電流の実現が困難である。よって、半導体層に用いる半導体材料は、目的や用途に応じて適宜使い分けることが肝要である。例えば、目的や用途に応じて、OSトランジスタと結晶性Siトランジスタなどを組み合わせて用いてもよい。 A crystalline Si transistor tends to obtain a relatively high mobility than an OS transistor. On the other hand, a crystalline Si transistor is difficult to realize an extremely small off-state current like an OS transistor. Therefore, it is important that the semiconductor material used for the semiconductor layer is properly used depending on the purpose and application. For example, an OS transistor and a crystalline Si transistor may be used in combination depending on the purpose and application.
半導体層として酸化物半導体層を用いる場合は、酸化物半導体層をスパッタリング法で形成することが好ましい。酸化物半導体層は、スパッタリング法で形成すると酸化物半導体層の密度を高められるため、好適である。スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリングガスには、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、または、希ガスおよび酸素の混合ガスを用いればよい。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が−60℃以下、好ましくは−100℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物半導体層に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。 In the case where an oxide semiconductor layer is used as the semiconductor layer, the oxide semiconductor layer is preferably formed by a sputtering method. The oxide semiconductor layer is preferably formed by a sputtering method because the density of the oxide semiconductor layer can be increased. In the case where the oxide semiconductor layer is formed by a sputtering method, a rare gas (typically argon), oxygen, or a mixed gas of a rare gas and oxygen may be used as a sputtering gas. In addition, it is necessary to increase the purity of the sputtering gas. For example, as the oxygen gas or the rare gas used as the sputtering gas, a gas highly purified to have a dew point of −60 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower is used. By forming a film using a highly purified sputtering gas, moisture and the like can be prevented from being taken into the oxide semiconductor layer as much as possible.
また、スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空(5×10−7Paから1×10−4Pa程度まで)に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のH2Oに相当するガス分子(m/z=18に相当するガス分子)の分圧を1×10−4Pa以下、好ましく5×10−5Pa以下とすることが好ましい。 In the case where the oxide semiconductor layer is formed by a sputtering method, it is preferable to remove moisture in the deposition chamber included in the sputtering apparatus as much as possible. For example, it is preferable to evacuate the film formation chamber to a high vacuum (from about 5 × 10 −7 Pa to about 1 × 10 −4 Pa) using an adsorption-type vacuum exhaust pump such as a cryopump. In particular, the partial pressure of gas molecules corresponding to H 2 O (gas molecules corresponding to m / z = 18) in the deposition chamber during standby of the sputtering apparatus is 1 × 10 −4 Pa or less, preferably 5 × 10 −. 5 Pa or less is preferable.
〔金属酸化物〕
金属酸化物の一種である酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
[Metal oxide]
An oxide semiconductor which is a kind of metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. One or more kinds selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium may be included.
ここで、酸化物半導体が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有する場合を考える。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、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, a case where the oxide semiconductor includes indium, an element M, and zinc is considered. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Examples of other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.
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。 Note that in this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may be collectively referred to as metal oxides. Further, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.
[金属酸化物の構成]
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
[Composition of metal oxide]
A structure of a CAC (Cloud-Aligned Composite) -OS that can be used for the transistor disclosed in one embodiment of the present invention is described below.
なお、本明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、および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 etc., it may describe as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (Cloud-aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a material structure.
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(または正孔)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 the CAC-metal oxide has a conductive function in part of the material and an insulating function in part of the material, and the whole material has a function as a semiconductor. Note that in the case where a CAC-OS or a CAC-metal oxide is used for an active layer of a transistor, the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers, and the insulating function is a carrier. This function prevents electrons from flowing. By performing the conductive function and the insulating function in a complementary manner, a switching function (function to turn on / off) can be given 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、およ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, the CAC-OS or the CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-described conductive function, and the insulating region has the above-described insulating function. In the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. In addition, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material, respectively. 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。 In CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in a material with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 0.5 nm to 3 nm. 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形成領域に用いる場合、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、およ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 includes a component having a wide gap caused by an insulating region and a component having a narrow gap caused by a conductive region. In the case of the configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts in a complementary manner to the component having a wide gap, and the carrier flows through the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or the CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current driving capability, that is, high on-state current and 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(金属酸化物)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]
An oxide semiconductor (metal oxide) is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single crystal oxide semiconductor. Examples of the non-single-crystal oxide semiconductor include a CAAC-OS (c-axis aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide semiconductor). OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.
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。 The CAAC-OS has a c-axis orientation and a crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and have a strain. Note that the strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and a region where another lattice arrangement is aligned in a 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。)を確認することは難しい。すなわち、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である。 Nanocrystals are based on hexagons, but are not limited to regular hexagons and may be non-regular hexagons. In addition, there may be a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon in the distortion. Note that in the CAAC-OS, it is difficult to check a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Because.
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。 In addition, the CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as an In layer) and a layer including elements M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layers) are stacked. There is a tendency to have a structure (also called a layered structure). Note that indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as an (In, M, Zn) layer. Further, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as an (In, M) layer.
CAAC−OSは結晶性の高い金属酸化物である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、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、金属酸化物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)の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、CAAC−OSを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。 CAAC-OS is a metal oxide with high crystallinity. On the other hand, since it is difficult to confirm a clear crystal grain boundary in the CAAC-OS, it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary hardly occurs. In addition, since the crystallinity of the metal oxide may be reduced due to entry of impurities, generation of defects, or the like, the CAAC-OS can be said to be a metal oxide with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the physical properties of the metal oxide including a CAAC-OS are stable. Therefore, a metal oxide including a 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 atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an 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金属酸化物である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、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 a metal oxide having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or a low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and the CAAC-OS.
酸化物半導体(金属酸化物)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 (metal oxides) have various structures and have different characteristics. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a 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のチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
[Transistor with metal oxide]
Next, the case where the metal oxide is used for a channel formation region of a transistor will be described.
なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、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。 Note that by using the metal oxide for a channel formation region of a transistor, a transistor with high field-effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.
また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜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いう。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が8×1011/cm3未満、好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10−9/cm3以上とすればよい。 For the transistor, a metal oxide with low carrier density is preferably used. In the case where the carrier density of the metal oxide film is lowered, the impurity concentration in the metal oxide film may be lowered and the defect level density may be lowered. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low density of defect states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. For example, the metal oxide has a carrier density of 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 −9 / What is necessary is just to be 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膜は、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, since a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic metal oxide film has a low defect level density, the trap level density may also be low.
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金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge trapped in 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 including a metal oxide with a high trap state density in a channel formation region may have unstable electrical characteristics.
したがって、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 metal oxide. In order to reduce the impurity concentration in the metal oxide, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, 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、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017atoms/cm3以下とする。 In the metal oxide, when silicon or carbon, which is one of Group 14 elements, is included, a defect level is formed in the metal oxide. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the metal oxide and the concentration of silicon and carbon in the vicinity of the interface with the metal oxide (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) are 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。したがって、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チャネル形成領域に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、金属酸化物中の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/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。 In addition, when the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level is formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal is used for a channel formation region is likely to be normally on. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.
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、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に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。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の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、金属酸化物中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。 In addition, when nitrogen is included in the metal oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type is easily obtained. As a result, a transistor in which a metal oxide containing nitrogen is used for a channel formation region is likely to be normally on. Therefore, in the metal oxide, nitrogen in the channel formation region is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the metal oxide is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less in SIMS, Preferably, it is 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。当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。したがって、水素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に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/cm3未満、好ましくは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。 In addition, hydrogen contained in the metal oxide reacts with oxygen bonded to the metal atom to become water, so that oxygen vacancies may be formed. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing hydrogen is used for a channel formation region is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen in the metal oxide is reduced as much as possible. Specifically, in the metal oxide, 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 3. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .
不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using a metal oxide in which impurities are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be imparted.
<成膜方法について>
絶縁層を形成するための絶縁性材料、電極を形成するための導電性材料、または半導体層を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、スピンコート法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法、高密度プラズマCVD(High density plasma CVD)法、LPCVD(low pressure CVD)法、APCVD(atmospheric pressure CVD)法等を含む)、ALD(Atomic Layer Deposition)法、または、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、または、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ディップ法、スプレー塗布法、液滴吐出法(インクジェット法など)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷など)を用いて形成することができる。
<Deposition method>
An insulating material for forming an insulating layer, a conductive material for forming an electrode, or a semiconductor material for forming a semiconductor layer can be formed by a sputtering method, a spin coating method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method (thermal CVD). Method, MOCVD (Metal Organic Chemical Deposition) method, PECVD (Plasma Enhanced CVD) method, high density plasma CVD (CVD) method, LPCVD (low pressure CVD) method, APCVD (low pressure CVD) method, APCVD ), ALD (Atomic Layer Deposition) method, or MBE (Molecular Beam Epitaxy) ) Method, or a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, a dipping method, a spray coating method, a droplet discharge method (such as an inkjet method), or a printing method (such as screen printing or offset printing).
プラズマCVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。MOCVD法、ALD法、または熱CVD法などの、成膜時にプラズマを用いない成膜方法を用いると、被形成面にダメージが生じにくい。例えば、記憶装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、記憶装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない成膜方法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、記憶装置の歩留まりを高くすることができる。また、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。 In the plasma CVD method, a high-quality film can be obtained at a relatively low temperature. When a film formation method that does not use plasma at the time of film formation, such as an MOCVD method, an ALD method, or a thermal CVD method, damage to the formation surface is unlikely to occur. For example, a wiring, an electrode, an element (a transistor, a capacitor, or the like) included in the memory device may be charged up by receiving an electric charge from plasma. At this time, a wiring, an electrode, an element, or the like included in the memory device may be destroyed by the accumulated charge. On the other hand, in the case of a film formation method that does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of the memory device can be increased. In addition, since plasma damage during film formation does not occur, a film with few defects can be obtained.
CVD法およびALD法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。 The CVD method and the ALD method are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object to be processed, unlike a film forming method in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, it is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be processed and has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, and thus is suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio. However, since the ALD method has a relatively low film formation rate, it may be preferable to use it in combination with another film formation method such as a CVD method with a high film formation rate.
CVD法およびALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、CVD法およびALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法およびALD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、記憶装置の生産性を高めることができる場合がある。 In the CVD method and the ALD method, the composition of the obtained film can be controlled by the flow rate ratio of the source gases. For example, in the CVD method and the ALD method, a film having an arbitrary composition can be formed depending on the flow rate ratio of the source gases. Further, for example, in the CVD method and the ALD method, a film whose composition is continuously changed can be formed by changing the flow rate ratio of the source gas while forming the film. When film formation is performed while changing the flow rate ratio of the source gas, the time required for film formation can be shortened by the time required for conveyance and pressure adjustment compared to the case where film formation is performed using a plurality of film formation chambers. it can. Therefore, the productivity of the storage device may be increased.
なお、ALD法により成膜する場合は、材料ガスとして塩素を含まないガスを用いることが好ましい。 Note that when a film is formed by the ALD method, it is preferable to use a gas containing no chlorine as a material gas.
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.
(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態に示した記憶装置などに用いることができるトランジスタの構造例について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, structural examples of transistors that can be used for the memory device and the like described in the above embodiments are described.
<トランジスタの構造例1>
図11(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Aの構造例を説明する。図11(A)はトランジスタ510Aの上面図である。図11(B)は、図11(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図11(C)は、図11(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図11(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。
<Structure Example 1 of Transistor>
A structural example of the transistor 510A is described with reference to FIGS. 11A, 11B, and 11C. FIG. 11A is a top view of the transistor 510A. FIG. 11B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 11C is a cross-sectional view illustrating a portion indicated by dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 11A, some elements are omitted for clarity.
図11(A)、(B)および(C)では、トランジスタ510Aと、層間膜として機能する絶縁層511、絶縁層512、絶縁層514、絶縁層516、絶縁層580、絶縁層582、および絶縁層584を示している。また、トランジスタ510Aと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電層546(導電層546a、および導電層546b)と、配線として機能する導電層503と、を示している。 11A, 11B, and 11C, the transistor 510A, the insulating layer 511 functioning as an interlayer film, the insulating layer 512, the insulating layer 514, the insulating layer 516, the insulating layer 580, the insulating layer 582, and the insulating layer Layer 584 is shown. In addition, a conductive layer 546 (a conductive layer 546a and a conductive layer 546b) that is electrically connected to the transistor 510A and functions as a contact plug, and a conductive layer 503 that functions as a wiring are illustrated.
トランジスタ510Aは、第1のゲート電極として機能する導電層560(導電層560a、および導電層560b)と、第2のゲート電極として機能する導電層505(導電層505a、および導電層505b)と、第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁層550と、第2のゲート絶縁層として機能する絶縁層521、絶縁層522、および絶縁層524と、チャネルが形成される領域を有する酸化物530(酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530c)と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電層542aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電層542bと、絶縁層574とを有する。 The transistor 510A includes a conductive layer 560 (a conductive layer 560a and a conductive layer 560b) that functions as a first gate electrode, a conductive layer 505 (a conductive layer 505a and a conductive layer 505b) that functions as a second gate electrode, An insulating layer 550 functioning as a first gate insulating film, an insulating layer 521 functioning as a second gate insulating layer, an insulating layer 522, an insulating layer 524, and an oxide 530 having a region where a channel is formed (oxide) 530a, an oxide 530b, and an oxide 530c), a conductive layer 542a functioning as one of a source and a drain, a conductive layer 542b functioning as the other of a source and a drain, and an insulating layer 574.
また、図11に示すトランジスタ510Aでは、酸化物530c、絶縁層550、および導電層560が、絶縁層580に設けられた開口部内に、絶縁層574を介して配置される。また、酸化物530c、絶縁層550、および導電層560は、導電層542a、および導電層542bとの間に配置される。 In the transistor 510A illustrated in FIG. 11, the oxide 530c, the insulating layer 550, and the conductive layer 560 are provided in the opening provided in the insulating layer 580 with the insulating layer 574 interposed therebetween. The oxide 530c, the insulating layer 550, and the conductive layer 560 are provided between the conductive layer 542a and the conductive layer 542b.
絶縁層511、および絶縁層512は、層間膜として機能する。 The insulating layer 511 and the insulating layer 512 function as interlayer films.
層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などの絶縁層を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁層に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁層を窒化処理してもよい。上記の絶縁層に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 As the interlayer film, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) An insulating layer such as TiO 3 (BST) can be used as a single layer or a stacked layer. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulating layers. Alternatively, these insulating layers may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the insulating layer.
例えば、絶縁層511は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁層511は、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。また、例えば、絶縁層511として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁層511よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。 For example, the insulating layer 511 preferably functions as a barrier film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the substrate side. Therefore, the insulating layer 511 is preferably formed using an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the impurities are difficult to permeate). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing diffusion of at least one of oxygen (for example, oxygen atoms and oxygen molecules) (the oxygen is difficult to transmit). For example, aluminum oxide, silicon nitride, or the like may be used for the insulating layer 511. With this structure, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the substrate side to the transistor 510A side than the insulating layer 511 can be suppressed.
例えば、絶縁層512は、絶縁層511よりも誘電率が低いことが好ましい。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。 For example, the insulating layer 512 preferably has a lower dielectric constant than the insulating layer 511. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.
導電層503は、絶縁層512に埋め込まれるように形成される。ここで、導電層503の上面の高さと、絶縁層512の上面の高さは同程度にできる。なお導電層503は、単層と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、導電層503を2層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電層503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が高い導電性材料を用いることが好ましい。 The conductive layer 503 is formed so as to be embedded in the insulating layer 512. Here, the height of the upper surface of the conductive layer 503 and the height of the upper surface of the insulating layer 512 can be approximately the same. Note that although the conductive layer 503 has a single layer structure, the present invention is not limited to this. For example, the conductive layer 503 may have a multilayer structure including two or more layers. Note that the conductive layer 503 is preferably formed using a highly conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum.
トランジスタ510Aにおいて、導電層560は、第1のゲート(トップゲートともいう。)電極として機能する場合がある。また、導電層505は、第2のゲート(ボトムゲートともいう。)電極として機能する場合がある。その場合、導電層505に印加する電位を、導電層560に印加する電位と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ510Aの閾値電圧を制御することができる。特に、導電層505に負の電位を印加することにより、トランジスタ510Aの閾値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電層505に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電層560に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 In the transistor 510A, the conductive layer 560 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode. The conductive layer 505 may function as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, the threshold voltage of the transistor 510A can be controlled by changing the potential applied to the conductive layer 505 independently without being linked to the potential applied to the conductive layer 560. In particular, by applying a negative potential to the conductive layer 505, the threshold voltage of the transistor 510A can be made higher than 0 V and the off-state current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductive layer 505, the drain current when the potential applied to the conductive layer 560 is 0 V can be made smaller than when a negative potential is not applied.
また、例えば、導電層505と、導電層560とを重畳して設けることで、導電層560、および導電層505に電位を印加した場合、導電層560から生じる電界と、導電層505から生じる電界と、がつながり、酸化物530に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。 For example, when the conductive layer 505 and the conductive layer 560 are provided so as to overlap with each other, an electric field generated from the conductive layer 560 and an electric field generated from the conductive layer 505 when a potential is applied to the conductive layer 560 and the conductive layer 505. And the channel formation region formed in the oxide 530 can be covered.
つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電層560の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電層505の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、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。 That is, the channel formation region can be electrically surrounded by the electric field of the conductive layer 560 functioning as the first gate electrode and the electric field of the conductive layer 505 functioning as the second gate electrode. In this specification, a transistor structure in which a channel formation region is electrically surrounded by an electric field of the first gate electrode and the second gate electrode is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.
絶縁層514、および絶縁層516は、絶縁層511または絶縁層512と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁層514は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁層514よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁層516は、絶縁層514よりも誘電率が低いことが好ましい。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 insulating layer 514 and the insulating layer 516 function as interlayer films similarly to the insulating layer 511 or the insulating layer 512. For example, the insulating layer 514 preferably functions as a barrier film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the substrate side. With this structure, impurities such as hydrogen and water can be prevented from diffusing from the substrate side to the transistor 510A side with respect to the insulating layer 514. For example, the insulating layer 516 preferably has a lower dielectric constant than the insulating layer 514. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.
第2のゲートとして機能する導電層505は、絶縁層514および絶縁層516の開口の内壁に接して導電層505aが形成され、さらに内側に導電層505bが形成されている。ここで、導電層505aおよび導電層505bの上面の高さと、絶縁層516の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ510Aでは、導電層505aおよび導電層505b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、導電層505は、単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。 In the conductive layer 505 functioning as the second gate, a conductive layer 505a is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulating layer 514 and the insulating layer 516, and a conductive layer 505b is further formed inside. Here, the heights of the upper surfaces of the conductive layers 505a and 505b and the height of the upper surface of the insulating layer 516 can be approximately the same. Note that although the transistor 510A shows a structure in which the conductive layer 505a and the conductive layer 505b are stacked, the present invention is not limited to this. For example, the conductive layer 505 may be provided as a single layer or a stacked structure including three or more layers.
ここで、導電層505aは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。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)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。 Here, the conductive layer 505a is preferably formed using a conductive material that has a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the impurities are difficult to pass through). Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules) (the oxygen hardly transmits). Note that in this specification, the function of suppressing diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing diffusion of any one or all of the impurities and oxygen.
例えば、導電層505aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電層505bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。 For example, when the conductive layer 505a has a function of suppressing diffusion of oxygen, the conductive layer 505b can be prevented from being oxidized to decrease the conductivity.
また、導電層505が配線の機能を兼ねる場合、導電層505bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電層503は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電層505bを単層で図示したが、積層構造としてもよく、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。 In the case where the conductive layer 505 also functions as a wiring, the conductive layer 505b is preferably formed using a highly conductive conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. In that case, the conductive layer 503 is not necessarily provided. Note that although the conductive layer 505b is illustrated as a single layer, it may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.
絶縁層521、絶縁層522、および絶縁層524は、第2のゲート絶縁層としての機能を有する。 The insulating layer 521, the insulating layer 522, and the insulating layer 524 have a function as a second gate insulating layer.
また、絶縁層522は、バリア性を有することが好ましい。絶縁層522がバリア性を有することで、トランジスタ510Aの周辺部からトランジスタ510Aへの水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。 The insulating layer 522 preferably has a barrier property. Since the insulating layer 522 has barrier properties, the insulating layer 522 functions as a layer that suppresses entry of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 510A to the transistor 510A.
絶縁層522は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁層を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁層の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁層として機能する絶縁層にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulating layer 522 includes, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, aluminum and an oxide containing hafnium (hafnium aluminate), tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or ( An insulating layer containing a so-called high-k material such as Ba, Sr) TiO 3 (BST) is preferably used as a single layer or a stacked layer. As transistor miniaturization and higher integration progress, problems such as leakage current may occur due to a thinner gate insulating layer. By using a high-k material for the insulating layer functioning as the gate insulating layer, the gate potential during transistor operation can be reduced while maintaining the physical film thickness.
例えば、絶縁層521は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、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、high−k材料の絶縁層と絶縁層522とを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。 For example, the insulating layer 521 is preferably thermally stable. For example, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having a high thermal stability and a high relative dielectric constant can be obtained by combining an insulating layer of a high-k material and the insulating layer 522. Can do.
なお、図11には、第2のゲート絶縁層として、3層の積層構造を示したが、単層、または2層以上の積層構造としてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 Note that although FIG. 11 illustrates a three-layer structure as the second gate insulating layer, a single layer or a stacked structure of two or more layers may be used. In that case, the present invention is not limited to a laminated structure made of the same material, and may be a laminated structure made of different materials.
チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物530は、酸化物530aと、酸化物530a上の酸化物530bと、酸化物530b上の酸化物530cと、を有する。酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。酸化物530として、上記実施の形態に示した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。 The oxide 530 having a region functioning as a channel formation region includes an oxide 530a, an oxide 530b over the oxide 530a, and an oxide 530c over the oxide 530b. By including the oxide 530a below the oxide 530b, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b can be suppressed. In addition, by including the oxide 530c over the oxide 530b, diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 530c to the oxide 530b can be suppressed. As the oxide 530, an oxide semiconductor that is one of the metal oxides described in the above embodiments can be used.
なお、酸化物530cは、絶縁層580に設けられた開口部内に、絶縁層574を介して設けられることが好ましい。絶縁層574がバリア性を有する場合、絶縁層580からの不純物が酸化物530へと拡散することを抑制することができる。 Note that the oxide 530 c is preferably provided in the opening provided in the insulating layer 580 with the insulating layer 574 interposed therebetween. When the insulating layer 574 has barrier properties, diffusion of impurities from the insulating layer 580 into the oxide 530 can be suppressed.
導電層542は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。 One of the conductive layers 542 functions as a source electrode and the other functions as a drain electrode.
導電層542aと、導電層542bとは、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。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。 The conductive layer 542a and the conductive layer 542b can be formed using a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the metal as a main component. . In particular, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.
また、図11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。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。 Further, although a single layer structure is shown in FIG. 11, a stacked structure of two or more layers may be used. For example, a tantalum nitride film and a tungsten film are preferably stacked. Further, a titanium film and an aluminum film may be stacked. Also, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a titanium film, and a tungsten film A two-layer structure in which copper films are stacked may be used.
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、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。 In addition, a titanium film or a titanium nitride film and a three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is laminated on the titanium film or the titanium nitride film, and a titanium film or a titanium nitride film is further formed thereon, a molybdenum film or There is a three-layer structure in which a molybdenum nitride film and an aluminum film or a copper film are stacked over the molybdenum film or the molybdenum nitride film and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is further formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.
また、導電層542上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁層574を成膜する際に、導電層542が酸化することを抑制することができる。 Further, a barrier layer may be provided over the conductive layer 542. The barrier layer is preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen. With this structure, oxidation of the conductive layer 542 can be suppressed when the insulating layer 574 is formed.
バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。 For the barrier layer, for example, a metal oxide can be used. In particular, an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide, hafnium oxide, and gallium oxide, is preferably used. Alternatively, silicon nitride formed by a CVD method may be used.
バリア層を有することで、導電層542の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電層542に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。 By including the barrier layer, the material selection range of the conductive layer 542 can be widened. For example, the conductive layer 542 can be formed using a material that has low oxidation resistance but high conductivity, such as tungsten or aluminum. For example, a conductor that can be easily formed or processed can be used.
絶縁層550は、第1のゲート絶縁層として機能する。絶縁層550は、絶縁層580に設けられた開口部内に、酸化物530c、および絶縁層574を介して設けられることが好ましい。 The insulating layer 550 functions as a first gate insulating layer. The insulating layer 550 is preferably provided in the opening provided in the insulating layer 580 with the oxide 530c and the insulating layer 574 interposed therebetween.
トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁層の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、絶縁層550は、第2のゲート絶縁層と同様に、積層構造としてもよい。ゲート絶縁層として機能する絶縁層を、high−k材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、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。 As transistor miniaturization and higher integration progress, problems such as leakage current may occur due to a thinner gate insulating layer. In that case, the insulating layer 550 may have a stacked structure, like the second gate insulating layer. The insulating layer that functions as a gate insulating layer has a stacked structure of a high-k material and a thermally stable material, so that the gate potential during transistor operation can be reduced while maintaining the physical film thickness. It becomes. Moreover, it can be set as the laminated structure which is thermally stable and a high dielectric constant.
第1のゲート電極として機能する導電層560は、導電層560a、および導電層560a上の導電層560bを有する。導電層560aは、導電層505aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散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。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)の拡散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。 The conductive layer 560 functioning as the first gate electrode includes a conductive layer 560a and a conductive layer 560b over the conductive layer 560a. As in the conductive layer 505a, the conductive layer 560a is preferably formed using a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules).
導電層560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電層560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電層560aを有することで、導電層560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。 When the conductive layer 560a has a function of suppressing diffusion of oxygen, the material selectivity of the conductive layer 560b can be improved. That is, by including the conductive layer 560a, oxidation of the conductive layer 560b can be suppressed and the conductivity can be prevented from decreasing.
酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、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い。また、導電層560aとして、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電層560bをスパッタリング法で成膜することで、導電層560aの電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。 As a conductive material having a function of suppressing oxygen diffusion, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, or ruthenium oxide is preferably used. For the conductive layer 560a, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used. In that case, by forming the conductive layer 560b by a sputtering method, the electrical resistance value of the conductive layer 560a can be reduced to obtain a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
導電層560b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、導電層560は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、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できる。また、導電層560bは積層構造としてもよく、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。 The conductive layer 560b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. In addition, since the conductive layer 560 functions as a wiring, a highly conductive conductor is preferably used. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. The conductive layer 560b may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.
絶縁層580と、トランジスタ510Aとの間に絶縁層574を配置する。絶縁層574は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。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。また、他にも、例えば、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ることができる。 An insulating layer 574 is provided between the insulating layer 580 and the transistor 510A. The insulating layer 574 may be formed using an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. In addition, for example, metal oxide such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.
絶縁層574を有することで、絶縁層580が有する水、および水素などの不純物が酸化物530c、絶縁層550を介して、酸化物530bに拡散することを抑制することができる。また、絶縁層580が有する過剰酸素により、導電層560が酸化するのを抑制することができる。 By including the insulating layer 574, diffusion of water and impurities such as hydrogen included in the insulating layer 580 into the oxide 530b through the oxide 530c and the insulating layer 550 can be suppressed. Further, oxidation of the conductive layer 560 due to excess oxygen included in the insulating layer 580 can be suppressed.
絶縁層580、絶縁層582、および絶縁層584は、層間膜として機能する。 The insulating layer 580, the insulating layer 582, and the insulating layer 584 function as interlayer films.
絶縁層582は、絶縁層514と同様に、水または水素などの不純物が、外部からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。 As in the insulating layer 514, the insulating layer 582 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses entry of impurities such as water or hydrogen into the transistor 510A from the outside.
また、絶縁層582に抵抗率が1×1010以上1×1015Ωcm以下の絶縁材料を用いることで、成膜時またはエッチング時などで生じるプラズマダメージを低減することができる。例えば、絶縁層582として抵抗率が1×1014Ωcm以下、好ましくは1×1013Ωcm以下の窒化シリコンを用いればよい。なお、絶縁層582に限らず、他の絶縁層に抵抗率が1×1010以上1×1015Ωcm以下の絶縁材料を用いてもよい。例えば、絶縁層584、絶縁層580、絶縁層524、および/または絶縁層516に抵抗率が1×1014Ωcm以下、好ましくは1×1013Ωcm以下の窒化シリコンを用いてもよい。 In addition, by using an insulating material with a resistivity of 1 × 10 10 or more and 1 × 10 15 Ωcm or less for the insulating layer 582, plasma damage caused during film formation or etching can be reduced. For example, silicon nitride having a resistivity of 1 × 10 14 Ωcm or less, preferably 1 × 10 13 Ωcm or less may be used for the insulating layer 582. Note that an insulating material having a resistivity of greater than or equal to 1 × 10 10 and less than or equal to 1 × 10 15 Ωcm may be used for another insulating layer, not limited to the insulating layer 582. For example, silicon nitride having a resistivity of 1 × 10 14 Ωcm or less, preferably 1 × 10 13 Ωcm or less may be used for the insulating layer 584, the insulating layer 580, the insulating layer 524, and / or the insulating layer 516.
また、絶縁層580、および絶縁層584は、絶縁層516と同様に、絶縁層582よりも誘電率が低いことが好ましい。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 insulating layer 580 and the insulating layer 584 preferably have a dielectric constant lower than that of the insulating layer 582, similarly to the insulating layer 516. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.
また、トランジスタ510Aは、絶縁層580、絶縁層582、および絶縁層584に埋め込まれた導電層546などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。 The transistor 510A may be electrically connected to another structure through a plug or a wiring such as the insulating layer 580, the insulating layer 582, and the conductive layer 546 embedded in the insulating layer 584.
また、導電層546の材料としては、導電層505と同様に、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。例えば、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 for the conductive layer 546, a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material can be used as a single layer or a stack, as in the case of the conductive layer 505. . For example, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Alternatively, it is preferably formed using a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low-resistance conductive material.
例えば、導電層546としては、例えば、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。 For example, as the conductive layer 546, for example, by using a stacked structure of tantalum nitride which is a conductor having a barrier property against hydrogen and oxygen and tungsten having high conductivity, conductivity as a wiring is increased. While being held, diffusion of impurities from outside can be suppressed.
上記構造を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 With the above structure, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.
<トランジスタの構造例2>
図12(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Bの構造例を説明する。図12(A)はトランジスタ510Bの上面図である。図12(B)は、図12(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図12(C)は、図12(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図12(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。
<Structural Example 2 of Transistor>
A structural example of the transistor 510B will be described with reference to FIGS. 12A, 12B, and 12C. FIG. 12A is a top view of the transistor 510B. FIG. 12B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 12C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 12A, some elements are omitted for clarity.
トランジスタ510Bは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。 A transistor 510B is a modification of the transistor. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, differences from the above transistor will be mainly described.
図12(A)乃至(C)では、導電層542(導電層542a、および導電層542b)を設けずに、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物530bと、絶縁層574の間に、絶縁層573を有する。 12A to 12C, the conductive layer 542 (the conductive layer 542a and the conductive layer 542b) is not provided, and the region 531a and the region 531b are included in part of the exposed oxide 530b surface. One of the region 531a and the region 531b functions as a source region, and the other functions as a drain region. The insulating layer 573 is provided between the oxide 530b and the insulating layer 574.
図12に示す、領域531(領域531a、および領域531b)は、酸化物530bに上記の元素が添加された領域である。領域531は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。 A region 531 (a region 531a and a region 531b) illustrated in FIG. 12 is a region where the above element is added to the oxide 530b. The region 531 can be formed by using, for example, a dummy gate.
具体的には、酸化物530b上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物530bを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物530が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域531が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。 Specifically, a dummy gate may be provided over the oxide 530b, and the dummy gate may be used as a mask, and an element for reducing the resistance of the oxide 530b may be added. In other words, the element is added to a region where the oxide 530 does not overlap with the dummy gate, so that the region 531 is formed. In addition, as an addition method of the element, an ion implantation method in which an ionized source gas is added by mass separation, an ion doping method in which an ionized source gas is added without mass separation, a plasma immersion ion implantation method, or the like Can be used.
なお、酸化物530を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。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。当該元素の濃度は、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。 Note that typically, boron or phosphorus is given as an element for reducing the resistance of the oxide 530. Further, hydrogen, carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, chlorine, titanium, rare gas, or the like may be used. Typical examples of the rare gas element include helium, neon, argon, krypton, and xenon. The concentration of the element may be measured using secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like.
特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。 In particular, boron and phosphorus are preferable because an amorphous silicon or low-temperature polysilicon production line apparatus can be used. Existing equipment can be diverted, and capital investment can be suppressed.
続いて、酸化物530b、およびダミーゲート上に、絶縁層573となる絶縁膜、および絶縁層574となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁層573となる絶縁膜、および絶縁層574を積層して設けることで、領域531と、酸化物530cおよび絶縁層550とが重畳する領域を設けることができる。 Subsequently, an insulating film to be the insulating layer 573 and an insulating film to be the insulating layer 574 may be formed over the oxide 530b and the dummy gate. By stacking the insulating film to be the insulating layer 573 and the insulating layer 574, a region where the region 531 overlaps with the oxide 530c and the insulating layer 550 can be provided.
具体的には、絶縁層574となる絶縁膜上に絶縁層580となる絶縁膜を設けた後、絶縁層580となる絶縁膜にCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことで、絶縁層580となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁層573の一部も除去するとよい。従って、絶縁層580に設けられた開口部の側面には、絶縁層574、およい絶縁層573が露出し、当該開口部の底面には、酸化物530bに設けられた領域531の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物530cとなる酸化膜、絶縁層550となる絶縁膜、および導電層560となる導電膜を順に成膜した後、絶縁層580が露出するまでCMP処理などにより、酸化物530cとなる酸化膜、絶縁層550となる絶縁膜、および導電層560となる導電膜の一部を除去することで、図12に示すトランジスタを形成することができる。 Specifically, after an insulating film to be the insulating layer 580 is provided over the insulating film to be the insulating layer 574, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process is performed on the insulating film to be the insulating layer 580, whereby A part of the insulating film is removed to expose the dummy gate. Subsequently, when the dummy gate is removed, part of the insulating layer 573 in contact with the dummy gate may be removed. Therefore, the insulating layer 574 and the good insulating layer 573 are exposed on the side surface of the opening provided in the insulating layer 580, and a part of the region 531 provided in the oxide 530b is formed on the bottom surface of the opening. Exposed. Next, after an oxide film to be the oxide 530c, an insulating film to be the insulating layer 550, and a conductive film to be the conductive layer 560 are sequentially formed in the opening, CMP treatment or the like is performed until the insulating layer 580 is exposed. The transistor illustrated in FIG. 12 can be formed by removing part of the oxide film to be the oxide 530c, the insulating film to be the insulating layer 550, and the conductive film to be the conductive layer 560.
なお、絶縁層573、および絶縁層574は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 Note that the insulating layer 573 and the insulating layer 574 are not essential components. What is necessary is just to design suitably according to the transistor characteristic to request | require.
図12に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電層542を設けないため、コストの低減を図ることができる。 In the transistor illustrated in FIGS. 12A and 12B, an existing device can be diverted and the conductive layer 542 is not provided, so that cost can be reduced.
<トランジスタの構造例3>
図13(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Cの構造例を説明する。図13(A)はトランジスタ510Cの上面図である。図13(B)は、図13(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図13(C)は、図13(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図13(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Structure Example 3 of Transistor>
A structural example of the transistor 510C is described with reference to FIGS. 13A, 13B, and 13C. FIG. 13A is a top view of the transistor 510C. FIG. 13B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 13C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 13A, some elements are omitted for clarity.
トランジスタ510Cは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。 The transistor 510C is a modification of the above transistor. Therefore, in order to prevent repetition of description, points different from the transistor 510A are mainly described.
トランジスタ510Cは、導電層542(導電層542a、および導電層542b)と、酸化物530c、絶縁層550、酸化物551および導電層560と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。 The transistor 510C includes a region where the conductive layer 542 (the conductive layer 542a and the conductive layer 542b) overlaps with the oxide 530c, the insulating layer 550, the oxide 551, and the conductive layer 560. With such a structure, a transistor with high on-state current can be provided. In addition, a transistor with high controllability can be provided.
第1のゲート電極として機能する導電層560は、導電層560a、および導電層560a上の導電層560bを有する。導電層560aは、導電層505aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散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。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)の拡散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。 The conductive layer 560 functioning as the first gate electrode includes a conductive layer 560a and a conductive layer 560b over the conductive layer 560a. As in the conductive layer 505a, the conductive layer 560a is preferably formed using a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules).
導電層560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電層560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電層560aを有することで、導電層560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。 When the conductive layer 560a has a function of suppressing diffusion of oxygen, the material selectivity of the conductive layer 560b can be improved. That is, by including the conductive layer 560a, oxidation of the conductive layer 560b can be suppressed and the conductivity can be prevented from decreasing.
また、トランジスタのVthを調整するために、導電層560aに用いる材料を、仕事関数を考慮して決定してもよい。例えば、導電層560aを窒化チタン、導電層560bをタングステンで形成してもよい。導電層560aおよび導電層560bは、スパッタリング法、CVD法、またはAFM法などの既知の成膜方法で形成すればよい。なお、窒化チタンをCVD法で成膜する場合の成膜温度は380℃以上500℃以下が好ましく、400℃以上450℃以下がより好ましい。 In addition, in order to adjust Vth of the transistor, a material used for the conductive layer 560a may be determined in consideration of a work function. For example, the conductive layer 560a may be formed using titanium nitride and the conductive layer 560b may be formed using tungsten. The conductive layer 560a and the conductive layer 560b may be formed by a known film formation method such as a sputtering method, a CVD method, or an AFM method. Note that the film formation temperature when titanium nitride is formed by a CVD method is preferably 380 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and more preferably 400 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
酸化物551は、他の絶縁層と同様の材料を用いて形成してもよい。また、酸化物551として、過剰酸素を含むIn−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、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)等の金属酸化物を用いてもよい。例えば、酸化物551として、In−Ga−Zn酸化物をスパッタリング法で成膜する。具体的には、例えば原子数比がIn:Ga:Zn=1:3:4のターゲットを用いて、酸素を含むスパッタリングガスを用いて成膜する。酸化物551をスパッタリング法で成膜する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の流量比は70%以上が好ましく、80%以上がさらに好ましく、100%がより好ましい。 The oxide 551 may be formed using a material similar to that of other insulating layers. As the oxide 551, an In-M-Zn oxide containing excess oxygen (the element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, or the like) A metal oxide such as one or more selected from cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like may be used. For example, an In—Ga—Zn oxide film is formed as the oxide 551 by a sputtering method. Specifically, for example, the film is formed using a sputtering gas containing oxygen using a target having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 3: 4. When the oxide 551 is formed by a sputtering method, the flow rate ratio of oxygen contained in the sputtering gas is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and more preferably 100%.
スパッタリングガスに酸素を含むガスを用いることで、酸化物551だけでなく、酸化物551の被形成面である絶縁層550に酸素を供給することができる。また、スパッタリングガスに含まれる酸素の流量比を大きくすることで、絶縁層550への酸素供給量を増やすことができる。 By using a gas containing oxygen as a sputtering gas, oxygen can be supplied not only to the oxide 551 but also to the insulating layer 550 which is a formation surface of the oxide 551. In addition, the amount of oxygen supplied to the insulating layer 550 can be increased by increasing the flow ratio of oxygen contained in the sputtering gas.
また、絶縁層550上に酸化物551を設けることで、絶縁層550に含まれる過剰酸素が導電層560へ拡散しにくくなる。よって、トランジスタの信頼性を高めることができる。なお、酸化物551は、目的などによっては省略される場合がある。 Further, when the oxide 551 is provided over the insulating layer 550, excess oxygen contained in the insulating layer 550 is hardly diffused into the conductive layer 560. Thus, the reliability of the transistor can be increased. Note that the oxide 551 may be omitted depending on purposes.
また、導電層560の上面および側面、絶縁層550の側面、および酸化物530cの側面を覆うように、絶縁層574を設けることが好ましい。なお、絶縁層574は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。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。また、他にも、例えば、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ることができる。 The insulating layer 574 is preferably provided so as to cover the top surface and side surfaces of the conductive layer 560, the side surfaces of the insulating layer 550, and the side surfaces of the oxide 530c. Note that the insulating layer 574 is preferably formed using an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. In addition, for example, a metal oxide such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.
絶縁層574を設けることで、導電層560の酸化を抑制することができる。また、絶縁層574を有することで、絶縁層580が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ510Cへ拡散することを抑制することができる。 By providing the insulating layer 574, oxidation of the conductive layer 560 can be suppressed. In addition, with the insulating layer 574, diffusion of water and impurities such as hydrogen included in the insulating layer 580 into the transistor 510C can be suppressed.
また、導電層546と、絶縁層580との間に、バリア性を有する絶縁層576(絶縁層576a、および絶縁層576b)を配置してもよい。絶縁層576を設けることで、絶縁層580の酸素が導電層546と反応し、導電層546が酸化することを抑制することができる。 Further, an insulating layer 576 having a barrier property (the insulating layer 576a and the insulating layer 576b) may be provided between the conductive layer 546 and the insulating layer 580. By providing the insulating layer 576, it can be suppressed that oxygen in the insulating layer 580 reacts with the conductive layer 546 and the conductive layer 546 is oxidized.
また、バリア性を有する絶縁層576を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電層546に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることができる。 In addition, by providing the insulating layer 576 having a barrier property, the range of selection of materials for conductors used for plugs and wirings can be increased. For example, the conductive layer 546 can be formed using a metal material that absorbs oxygen but has high conductivity.
<トランジスタの構造例4>
図14(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Dの構造例を説明する。図14(A)はトランジスタ510Dの上面図である。図14(B)は、図14(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図14(C)は、図14(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図14(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Structural Example 4 of Transistor>
A structural example of the transistor 510D will be described with reference to FIGS. 14A, 14B, and 14C. FIG. 14A is a top view of the transistor 510D. FIG. 14B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 14C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 14A, some elements are omitted for clarity.
トランジスタ510Dは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。 A transistor 510D is a modification of the transistor. Therefore, in order to prevent repetition of description, points different from the transistor 510A are mainly described.
図14に示すトランジスタ510Dは、導電層542aと酸化物530bの間に導電層547aが配置され、導電層542bと酸化物530bの間に導電層547bが配置されている。ここで、導電層542a(導電層542b)は、導電層547a(導電層547b)の上面および導電層560側の側面を越えて延在し、酸化物530bの上面に接する領域を有する。ここで、導電層547は、導電層542に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電層547の膜厚は、少なくとも導電層542より厚いことが好ましい。 In the transistor 510D illustrated in FIG. 14, a conductive layer 547a is provided between the conductive layer 542a and the oxide 530b, and a conductive layer 547b is provided between the conductive layer 542b and the oxide 530b. Here, the conductive layer 542a (conductive layer 542b) extends beyond the upper surface of the conductive layer 547a (conductive layer 547b) and the side surface on the conductive layer 560 side, and has a region in contact with the upper surface of the oxide 530b. Here, the conductive layer 547 may be formed using a conductor that can be used for the conductive layer 542. Further, the conductive layer 547 is preferably at least thicker than the conductive layer 542.
図14に示すトランジスタ510Dは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ510Aよりも、導電層542を導電層560に近づけることができる。または、導電層542aの端部および導電層542bの端部と、導電層560を重ねることができる。これにより、トランジスタ510Dの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。 The transistor 510D illustrated in FIG. 14 has the above structure; thus, the conductive layer 542 can be closer to the conductive layer 560 than the transistor 510A. Alternatively, the conductive layer 560 can overlap with the end portion of the conductive layer 542a and the end portion of the conductive layer 542b. Thus, the substantial channel length of the transistor 510D can be shortened, and the on-state current and frequency characteristics can be improved.
また、導電層547a(導電層547b)は、導電層542a(導電層542b)と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電層546a(導電層546b)を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電層547a(導電層547b)がストッパとして機能し、酸化物530bがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。 The conductive layer 547a (the conductive layer 547b) is preferably provided so as to overlap with the conductive layer 542a (the conductive layer 542b). With such a structure, in etching for forming an opening for embedding the conductive layer 546a (conductive layer 546b), the conductive layer 547a (conductive layer 547b) functions as a stopper, and the oxide 530b is over-etched. Can be prevented.
また、図14に示すトランジスタ510Dは、絶縁層544の上に接して絶縁層565を配置する構成にしてもよい。絶縁層544としては、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁層580側からトランジスタ510Dに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁層565としては、絶縁層544に用いることができる絶縁層を用いることができる。また、絶縁層544を、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁材料を用いて形成してもよい。 14 may have a structure in which the insulating layer 565 is provided in contact with the insulating layer 544. The insulating layer 544 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses entry of impurities such as water or hydrogen and excess oxygen into the transistor 510D from the insulating layer 580 side. As the insulating layer 565, an insulating layer that can be used for the insulating layer 544 can be used. The insulating layer 544 may be formed using a nitride insulating material such as aluminum nitride, aluminum titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride, or silicon nitride oxide, for example.
また、図14に示すトランジスタ510Dは、図11に示すトランジスタ510Aと異なり、導電層505を単層構造で設けてもよい。この場合、パターン形成された導電層505の上に絶縁層516となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電層505の上面が露出するまでCMP法などを用いて除去すればよい。ここで、導電層505の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電層505上面の平均面粗さ(Ra)を1nm以下、好ましくは0.5nm以下、より好ましくは0.3nm以下にすればよい。これにより、導電層505の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物530bおよび酸化物530cの結晶性の向上を図ることができる。 14 is different from the transistor 510A in FIG. 11 in that the conductive layer 505 may be provided with a single-layer structure. In this case, an insulating film to be the insulating layer 516 is formed over the patterned conductive layer 505, and the upper portion of the insulating film is removed by a CMP method or the like until the upper surface of the conductive layer 505 is exposed. Good. Here, the flatness of the upper surface of the conductive layer 505 is preferably improved. For example, the average surface roughness (Ra) of the upper surface of the conductive layer 505 may be 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, more preferably 0.3 nm or less. Accordingly, the flatness of the insulating layer formed over the conductive layer 505 can be improved, and the crystallinity of the oxide 530b and the oxide 530c can be improved.
<トランジスタの構造例5>
図15(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Eの構造例を説明する。図15(A)はトランジスタ510Eの上面図である。図15(B)は、図15(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図15(C)は、図15(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図15(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Structure Example 5 of Transistor>
A structural example of the transistor 510E is described with reference to FIGS. 15A, 15B, and 15C. FIG. 15A is a top view of the transistor 510E. FIG. 15B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 15C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 15A, some elements are omitted for clarity.
トランジスタ510Eは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。 The transistor 510E is a modified example of the transistor. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, differences from the above transistor will be mainly described.
図15(A)乃至(C)では、導電層503を設けずに、第2のゲートとしての機能を有する導電層505を配線としても機能させている。また、酸化物530c上に絶縁層550を有し、絶縁層550上に金属酸化物552を有する。また、金属酸化物552上に導電層560を有し、導電層560上に絶縁層570を有する。また、絶縁層570上に絶縁層571を有する。 In FIGS. 15A to 15C, the conductive layer 503 having a function as a second gate is also provided as a wiring without providing the conductive layer 503. The insulating layer 550 is provided over the oxide 530c, and the metal oxide 552 is provided over the insulating layer 550. In addition, the conductive layer 560 is provided over the metal oxide 552 and the insulating layer 570 is provided over the conductive layer 560. In addition, the insulating layer 571 is provided over the insulating layer 570.
金属酸化物552は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁層550と、導電層560との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物552を設けることで、導電層560への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物530へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電層560の酸化を抑制することができる。 The metal oxide 552 preferably has a function of suppressing oxygen diffusion. By providing the metal oxide 552 which suppresses diffusion of oxygen between the insulating layer 550 and the conductive layer 560, diffusion of oxygen into the conductive layer 560 is suppressed. That is, a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 530 can be suppressed. Further, oxidation of the conductive layer 560 due to oxygen can be suppressed.
なお、金属酸化物552は、第1のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物552として用いることができる。その場合、導電層560をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物552の電気抵抗値を低下させて導電層とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。 Note that the metal oxide 552 may function as part of the first gate. For example, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the metal oxide 552. In that case, the conductive layer 560 can be formed by a sputtering method, whereby the electric resistance value of the metal oxide 552 can be reduced to form a conductive layer. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
また、金属酸化物552は、ゲート絶縁層の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁層550に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物552は、比誘電率が高いhigh−k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁層として機能する絶縁層の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。 In addition, the metal oxide 552 may function as a part of the gate insulating layer. Therefore, when silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the insulating layer 550, the metal oxide 552 is preferably a metal oxide that is a high-k material with a high relative dielectric constant. By setting it as the said laminated structure, it can be set as the laminated structure stable with respect to a heat | fever, and a high dielectric constant. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness. In addition, the equivalent oxide thickness (EOT) of the insulating layer functioning as the gate insulating layer can be reduced.
トランジスタ510Eにおいて、金属酸化物552を単層で示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁層の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。 Although the metal oxide 552 is shown as a single layer in the transistor 510E, a stacked structure of two or more layers may be used. For example, a metal oxide that functions as part of the gate electrode and a metal oxide that functions as part of the gate insulating layer may be stacked.
金属酸化物552を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電層560からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ510Eのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁層として機能する場合は、絶縁層550と、金属酸化物552との物理的な厚みにより、導電層560と、酸化物530との間の距離を保つことで、導電層560と酸化物530との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁層550、および金属酸化物552との積層構造を設けることで、導電層560と酸化物530との間の物理的な距離、および導電層560から酸化物530へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。 In the case where the metal oxide 552 serves as the gate electrode, the on-state current of the transistor 510E can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductive layer 560. Alternatively, in the case of functioning as a gate insulating layer, the distance between the conductive layer 560 and the oxide 530 is maintained depending on the physical thickness of the insulating layer 550 and the metal oxide 552, so that the conductive layer 560 Leakage current with the oxide 530 can be suppressed. Therefore, by providing a stacked structure of the insulating layer 550 and the metal oxide 552, the physical distance between the conductive layer 560 and the oxide 530 and the electric field strength applied from the conductive layer 560 to the oxide 530 can be reduced. It can be easily adjusted as appropriate.
具体的には、金属酸化物552として、酸化物530に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物552として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 Specifically, the metal oxide 552 can be used as the metal oxide 552 by reducing the resistance of an oxide semiconductor that can be used for the oxide 530. Alternatively, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, and the like can be used.
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物552は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulating layer containing one or both of aluminum and hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than a hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in a heat history in a later process. Note that the metal oxide 552 is not an essential component. What is necessary is just to design suitably according to the transistor characteristic to request | require.
絶縁層570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とよい。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、絶縁層570よりも上方からの酸素で導電層560が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁層570よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電層560および絶縁層550を介して、酸化物230に混入することを抑制することができる。 The insulating layer 570 may be formed using an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. Thus, oxidation of the conductive layer 560 with oxygen from above the insulating layer 570 can be suppressed. In addition, impurities such as water or hydrogen from above the insulating layer 570 can be prevented from entering the oxide 230 through the conductive layer 560 and the insulating layer 550.
絶縁層571はハードマスクとして機能する。絶縁層571を設けることで、導電層560の加工の際、導電層560の側面が概略垂直、具体的には、導電層560の側面と基板表面のなす角を、75度以上100度以下、好ましくは80度以上95度以下とすることができる。 The insulating layer 571 functions as a hard mask. By providing the insulating layer 571, when processing the conductive layer 560, the side surface of the conductive layer 560 is substantially vertical. Specifically, the angle formed between the side surface of the conductive layer 560 and the substrate surface is 75 ° to 100 °, Preferably, it can be set to 80 degrees or more and 95 degrees or less.
なお、絶縁層571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で、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁層570は設けなくともよい。 Note that the insulating layer 571 may also serve as a barrier layer by using an insulating material having a function of suppressing transmission of impurities such as water or hydrogen and oxygen. In that case, the insulating layer 570 is not necessarily provided.
絶縁層571をハードマスクとして用いて、絶縁層570、導電層560、金属酸化物552、絶縁層550、および酸化物530cの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物530b表面の一部を露出させることができる。 By selectively removing part of the insulating layer 570, the conductive layer 560, the metal oxide 552, the insulating layer 550, and the oxide 530c using the insulating layer 571 as a hard mask, the side surfaces thereof are substantially matched. In addition, a part of the surface of the oxide 530b can be exposed.
また、トランジスタ510Eは、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。 The transistor 510E includes a region 531a and a region 531b in part of the exposed surface of the oxide 530b. One of the region 531a and the region 531b functions as a source region, and the other functions as a drain region.
領域531aおよび領域531bの形成は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物530b表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。 The formation of the region 531a and the region 531b is performed by introducing an impurity element such as phosphorus or boron into the exposed oxide 530b surface by using, for example, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or a plasma treatment. This can be achieved. Note that the “impurity element” in this embodiment and the like refers to an element other than the main component elements.
また、酸化物530b表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物530bに拡散させて領域531aおよび領域531bを形成することもできる。 In addition, a metal film is formed after part of the surface of the oxide 530b is exposed, and then heat treatment is performed, whereby elements contained in the metal film are diffused into the oxide 530b, so that the regions 531a and 531b are formed. You can also
酸化物530bの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域531aおよび領域531bを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。 In the region where the impurity element of the oxide 530b is introduced, the electrical resistivity decreases. For this reason, the region 531a and the region 531b may be referred to as “impurity region” or “low resistance region”.
絶縁層571および/または導電層560をマスクとして用いることで、領域531aおよび領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することができる。よって、領域531aおよび/または領域531bと、導電層560が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域(領域531aまたは領域531b)の間にオフセット領域が形成されない。領域531aおよび領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。 By using the insulating layer 571 and / or the conductive layer 560 as a mask, the region 531a and the region 531b can be formed in a self-alignment manner. Accordingly, the region 531a and / or the region 531b and the conductive layer 560 do not overlap with each other, so that parasitic capacitance can be reduced. Further, no offset region is formed between the channel formation region and the source / drain region (the region 531a or the region 531b). By forming the region 531a and the region 531b in a self-aligned manner, an increase in on-state current, a reduction in threshold voltage, an improvement in operating frequency, and the like can be realized.
なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁層575の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁層575も絶縁層571などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物530bの絶縁層575と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。 Note that an offset region may be provided between the channel formation region and the source / drain region in order to further reduce the off-state current. The offset region is a region having a high electrical resistivity and is a region where the impurity element is not introduced. The offset region can be formed by introducing the impurity element described above after the insulating layer 575 is formed. In this case, the insulating layer 575 also functions as a mask similarly to the insulating layer 571 and the like. Therefore, the impurity element is not introduced into the region of the oxide 530b overlapping with the insulating layer 575, and the electrical resistivity of the region can be kept high.
また、トランジスタ510Eは、絶縁層570、導電層560、金属酸化物552、絶縁層550、および酸化物530cの側面に絶縁層575を有する。絶縁層575は、比誘電率の低い絶縁層であることが好ましい。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、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、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁層575に用いると、後の工程で絶縁層575中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、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好ましい。また、絶縁層575は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。 The transistor 510E includes the insulating layer 570, the conductive layer 560, the metal oxide 552, the insulating layer 550, and the insulating layer 575 on side surfaces of the oxide 530c. The insulating layer 575 is preferably an insulating layer with a low relative dielectric constant. For example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having voids, or resin Preferably there is. In particular, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having holes is preferably used for the insulating layer 575 because an excess oxygen region can be easily formed in the insulating layer 575 in a later step. Silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. The insulating layer 575 preferably has a function of diffusing oxygen.
また、トランジスタ510Eは、絶縁層575、酸化物530上に絶縁層574を有する。絶縁層574は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁層を成膜することができる。例えば、絶縁層574として、酸化アルミニウムを用いるとよい。 In addition, the transistor 510E includes the insulating layer 574 over the insulating layer 575 and the oxide 530. The insulating layer 574 is preferably formed by a sputtering method. By using a sputtering method, an insulating layer with few impurities such as water or hydrogen can be formed. For example, aluminum oxide may be used for the insulating layer 574.
なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁層574が酸化物230および絶縁層575から水素および水を吸収することで、酸化物230および絶縁層575の水素濃度を低減することができる。 Note that an oxide film formed by a sputtering method may extract hydrogen from a deposition target structure. Therefore, the insulating layer 574 absorbs hydrogen and water from the oxide 230 and the insulating layer 575, whereby the hydrogen concentration in the oxide 230 and the insulating layer 575 can be reduced.
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.
(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一形態に係る記憶装置または半導体装置を用いることができる製品イメージ、上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することができる電子部品および電子機器について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a product image in which a memory device or a semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, an electronic component and an electronic device to which the semiconductor device described in the above embodiments can be applied will be described.
<製品イメージ>
まず、本発明の一形態に係る記憶装置または半導体装置を用いることができる製品イメージを図16に示す。図16に示す領域801は高い温度特性(High T operate)を表し、領域802は高い周波数特性(High f operate)を表し、領域803は低いオフ特性(Ioff)を表し、領域804は、領域801、領域802、および領域803が重なった領域を表す。
<Product image>
First, FIG. 16 illustrates a product image in which a memory device or a semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used. A region 801 illustrated in FIG. 16 represents a high temperature characteristic (High T operation), a region 802 represents a high frequency characteristic (High f operation), a region 803 represents a low off characteristic (Ioff), and a region 804 represents a region 801. , Region 802 and region 803 are overlapped.
なお、領域801を満たそうとする場合、トランジスタのチャネル形成領域として、炭化シリコン、または窒化ガリウムなどの炭化物または窒化物を適用することで、概略満たすことができる。また、領域802を満たそうとする場合、トランジスタのチャネル形成領域として、単結晶シリコン、または結晶性シリコンなどの珪化物を適用することで、概略満たすことができる。また、領域803を満たそうとする場合、トランジスタのチャネル形成領域として、金属酸化物の一種である酸化物半導体(OS)を用いることで、概略満たすことができる。 Note that in the case where the region 801 is to be filled, the region 801 can be roughly filled by applying a carbide or nitride such as silicon carbide or gallium nitride as a channel formation region of the transistor. In addition, when the region 802 is to be filled, the region 802 can be roughly filled by applying silicide such as single crystal silicon or crystalline silicon as a channel formation region of the transistor. In addition, when the region 803 is to be filled, an oxide semiconductor (OS) that is a kind of metal oxide can be used as the channel formation region of the transistor.
本発明の一形態に係る記憶装置または半導体装置は、例えば、領域804に示す範囲の製品に好適に用いることができる。 The memory device or the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be preferably used for a product in the range shown in the region 804, for example.
従来までの製品においては、領域801、領域802、および領域803を全て満たすことが困難であった。しかしながら、本発明の一形態に係る記憶装置または半導体装置が有するトランジスタのチャネル形成領域にOSを用いる場合、特に、結晶性OSを用いる場合、高い温度特性と、高い周波数特性と、低いオフ特性とを満たす半導体装置を提供することができる。 In conventional products, it is difficult to fill all of the region 801, the region 802, and the region 803. However, when an OS is used for a channel formation region of a transistor included in a memory device or a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, particularly when a crystalline OS is used, a high temperature characteristic, a high frequency characteristic, and a low off characteristic A semiconductor device satisfying the above can be provided.
なお、領域804に示す範囲の、本発明の一形態に係る記憶装置または半導体装置を用いた製品としては、例えば、低消費電力且つ高性能なCPUなどを有する電子機器、高温環境下での高い信頼性が求められる車載用の電子部品および電子機器などが挙げられる。次に、本発明の一形態に係る記憶装置または半導体装置が組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。 Note that as a product using the memory device or the semiconductor device according to one embodiment of the present invention in the range illustrated in the region 804, for example, an electronic device having a low power consumption and a high-performance CPU or the like is high in a high temperature environment. Examples include in-vehicle electronic components and electronic devices that require reliability. Next, examples of electronic components and electronic devices each including a memory device or a semiconductor device according to one embodiment of the present invention are described.
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に搭載することができる。特に、本発明の一態様に係る半導体装置は、電子機器に内蔵されるメモリとして用いることができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ(Digital Signage:電子看板)、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。 The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be mounted on various electronic devices. In particular, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used as a memory incorporated in an electronic device. Examples of electronic devices include relatively large game machines such as television devices, desktop or notebook personal computers, monitors for computers, digital signage (digital signage), and pachinko machines. In addition to electronic devices including a screen, a digital camera, a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone, a portable game machine, a portable information terminal, a sound reproducing device, and the like can be given.
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナおよび二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。 The electronic device of one embodiment of the present invention may include an antenna. By receiving a signal with an antenna, video, information, and the like can be displayed on the display unit. In the case where the electronic device includes an antenna and a secondary battery, the antenna may be used for non-contact power transmission.
本発明の一態様の電子機器は、センサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの)を有していてもよい。 The electronic device of one embodiment of the present invention includes a sensor (force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, sound, time, hardness, electric field, current, It may have a function of measuring voltage, power, radiation, flow rate, humidity, gradient, vibration, odor, or infrared).
本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。 The electronic device of one embodiment of the present invention can have a variety of functions. For example, a function for displaying various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a function for displaying a calendar, date or time, a function for executing various software (programs), and wireless communication A function, a function of reading a program or data recorded on a recording medium, and the like can be provided.
<電子部品>
記憶装置100が組み込まれた電子部品の例を、図17(A)、(B)に示す。
<Electronic parts>
Examples of electronic components in which the memory device 100 is incorporated are shown in FIGS.
図17(A)に電子部品700および電子部品700が実装された基板(実装基板704)の斜視図を示す。図17(A)に示す電子部品700はIC半導体装置であり、リードおよび回路部を有する。電子部品700は、例えばプリント基板702に実装される。このようなIC半導体装置が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板702上で電気的に接続されることで実装基板704が完成する。 FIG. 17A is a perspective view of the electronic component 700 and a substrate (mounting substrate 704) on which the electronic component 700 is mounted. An electronic component 700 illustrated in FIG. 17A is an IC semiconductor device, which includes a lead and a circuit portion. The electronic component 700 is mounted on a printed circuit board 702, for example. A plurality of such IC semiconductor devices are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 702, whereby the mounting substrate 704 is completed.
電子部品700の回路部として、上記実施の形態に示した記憶装置100が設けられている。図17(A)では、電子部品700のパッケージにQFP(Quad Flat Package)を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。 As the circuit portion of the electronic component 700, the memory device 100 described in the above embodiment is provided. In FIG. 17A, QFP (Quad Flat Package) is applied to the package of the electronic component 700, but the form of the package is not limited to this.
図17(B)に電子部品730の斜視図を示す。電子部品730は、SiP(System in package)またはMCM(Multi Chip Module)の一例である。電子部品730は、パッケージ基板732(プリント基板)上にインターポーザ731が設けられ、インターポーザ731上に半導体装置735、および複数の記憶装置100が設けられている。 FIG. 17B is a perspective view of the electronic component 730. The electronic component 730 is an example of SiP (System in package) or MCM (Multi Chip Module). In the electronic component 730, an interposer 731 is provided on a package substrate 732 (printed substrate), and a semiconductor device 735 and a plurality of storage devices 100 are provided on the interposer 731.
電子部品730では、記憶装置100を広帯域メモリ(HBM:High Bandwidth Memory)として用いる例を示している。また、半導体装置735は、CPU、GPU、FPGAなどの集積回路を用いることができる。 In the electronic component 730, an example in which the storage device 100 is used as a high bandwidth memory (HBM) is illustrated. For the semiconductor device 735, an integrated circuit such as a CPU, a GPU, or an FPGA can be used.
パッケージ基板732は、セラミック基板、プラスチック基板、またはガラスエポキシ基板などを用いることができる。インターポーザ731は、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザなどを用いることができる。 As the package substrate 732, a ceramic substrate, a plastic substrate, a glass epoxy substrate, or the like can be used. As the interposer 731, a silicon interposer, a resin interposer, or the like can be used.
インターポーザ731は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を電気的に接続する機能を有する。複数の配線は、単層または多層で設けられる。また、インターポーザ731は、インターポーザ731上に設けられた集積回路をパッケージ基板732に設けられた電極と電気的に接続する機能を有する。これらのことから、インターポーザを「再配線基板」または「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポーザ731に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板732を電気的に接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として、TSV(Through Silicon Via)を用いることも出来る。 The interposer 731 includes a plurality of wirings and has a function of electrically connecting a plurality of integrated circuits having different terminal pitches. The plurality of wirings are provided in a single layer or multiple layers. In addition, the interposer 731 has a function of electrically connecting an integrated circuit provided over the interposer 731 to an electrode provided on the package substrate 732. For these reasons, the interposer is sometimes called a “redistribution substrate” or an “intermediate substrate”. In some cases, a through electrode is provided in the interposer 731 and the integrated circuit and the package substrate 732 are electrically connected using the through electrode. In the silicon interposer, TSV (Through Silicon Via) can be used as the through electrode.
インターポーザ731としてシリコンインターポーザを用いることが好ましい。シリコンインターポーザでは能動素子を設ける必要が無いため、集積回路よりも低コストで作製することができる。一方で、シリコンインターポーザの配線形成は半導体プロセスで行なうことができるため、樹脂インターポーザでは難しい微細配線の形成が容易である。 A silicon interposer is preferably used as the interposer 731. Since a silicon interposer does not require an active element, it can be manufactured at a lower cost than an integrated circuit. On the other hand, since the wiring formation of the silicon interposer can be performed by a semiconductor process, it is easy to form a fine wiring which is difficult with the resin interposer.
HBMでは、広いメモリバンド幅を実現するために多くの配線を用いる必要がある。このため、HBMを実装するインターポーザには、微細かつ高密度の配線形成が求められる。よって、HBMを実装するインターポーザには、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。 In the HBM, it is necessary to use many wirings in order to realize a wide memory bandwidth. For this reason, the interposer for mounting the HBM is required to form fine and high-density wiring. Therefore, it is preferable to use a silicon interposer as the interposer for mounting the HBM.
また、シリコンインターポーザを用いたSiPやMCMなどでは、集積回路とインターポーザ間の膨張係数の違いによる信頼性の低下が生じにくい。また、シリコンインターポーザは表面の平坦性が高いため、シリコンインターポーザ上に設ける集積回路とシリコンインターポーザ間の接続不良が生じにくい。特に、インターポーザ上に複数の集積回路を並べて配置する2.5Dパッケージ(2.5次元実装)では、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。 In addition, in SiP, MCM, and the like using a silicon interposer, reliability is unlikely to deteriorate due to a difference in expansion coefficient between the integrated circuit and the interposer. In addition, since the silicon interposer has high surface flatness, poor connection between an integrated circuit provided on the silicon interposer and the silicon interposer hardly occurs. In particular, a silicon interposer is preferably used in a 2.5D package (2.5-dimensional mounting) in which a plurality of integrated circuits are arranged side by side on the interposer.
また、電子部品730と重ねてヒートシンク(放熱板)を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ731上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品730では、記憶装置100と半導体装置735の高さを揃えることが好ましい。 Further, a heat sink (heat radiating plate) may be provided so as to overlap with the electronic component 730. In the case where a heat sink is provided, it is preferable that the height of the integrated circuit provided on the interposer 731 is uniform. For example, in the electronic component 730 described in this embodiment, it is preferable that the memory device 100 and the semiconductor device 735 have the same height.
電子部品730を他の基板に実装するため、パッケージ基板732の底部に電極733を設けてもよい。図17(B)では、電極733を半田ボールで形成する例を示している。パッケージ基板732の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、BGA(Ball Grid Array)実装を実現できる。また、電極733を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板732の底部に導電性のピンをマトリクス状に設けることで、PGA(Pin Grid Array)実装を実現できる。 In order to mount the electronic component 730 on another substrate, an electrode 733 may be provided on the bottom of the package substrate 732. FIG. 17B illustrates an example in which the electrode 733 is formed using a solder ball. By providing solder balls in a matrix on the bottom of the package substrate 732, BGA (Ball Grid Array) mounting can be realized. Alternatively, the electrode 733 may be formed using a conductive pin. By providing conductive pins in a matrix at the bottom of the package substrate 732, PGA (Pin Grid Array) mounting can be realized.
電子部品730は、BGAおよびPGAに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実装することができる。例えば、SPGA(Staggered Pin Grid Array)、LGA(Land Grid Array)、QFP(Quad Flat Package)、QFJ(Quad Flat J−leaded package)、またはQFN(Quad Flat Non−leaded package)などの実装方法を用いることができる。 The electronic component 730 is not limited to BGA and PGA, and can be mounted on another substrate using various mounting methods. For example, SPGA (Staggered Pin Grid Array), LGA (Land Grid Array), QFP (Quad Flat Package), QFJ (Quad Flat J-readed Package), or QFN (Quad Flat Non-leak method) be able to.
<電子機器>
次に、上記電子部品を備えた電子機器の例について図18および図20を用いて説明を行う。
<Electronic equipment>
Next, an example of an electronic device including the electronic component will be described with reference to FIGS.
ロボット7100は、照度センサ、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、ディスプレイ、各種センサ(赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなど)、および移動機構などを備える。電子部品730はプロセッサなどを有し、これら周辺機器を制御する機能を有する。例えば、電子部品700はセンサで取得されたデータを記憶する機能を有する。 The robot 7100 includes an illuminance sensor, a microphone, a camera, a speaker, a display, various sensors (such as an infrared sensor, an ultrasonic sensor, an acceleration sensor, a piezo sensor, an optical sensor, and a gyro sensor), a movement mechanism, and the like. The electronic component 730 includes a processor and the like and has a function of controlling these peripheral devices. For example, the electronic component 700 has a function of storing data acquired by a sensor.
マイクロフォンは、使用者の音声および環境音などの音響信号を検知する機能を有する。また、スピーカは、音声および警告音などのオーディオ信号を発する機能を有する。ロボット7100は、マイクロフォンを介して入力されたオーディオ信号を解析し、必要なオーディオ信号をスピーカから発することができる。ロボット7100において、は、マイクロフォン、およびスピーカを用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。 The microphone has a function of detecting acoustic signals such as a user's voice and environmental sound. The speaker has a function of emitting audio signals such as voice and warning sound. The robot 7100 can analyze an audio signal input via a microphone and emit a necessary audio signal from a speaker. The robot 7100 can communicate with a user using a microphone and a speaker.
カメラは、ロボット7100の周囲を撮像する機能を有する。また、ロボット7100は、移動機構を用いて移動する機能を有する。ロボット7100は、カメラを用いて周囲の画像を撮像し、画像を解析して移動する際の障害物の有無などを察知することができる。 The camera has a function of imaging the surroundings of the robot 7100. In addition, the robot 7100 has a function of moving using a moving mechanism. The robot 7100 can capture a surrounding image using a camera, analyze the image, and detect the presence or absence of an obstacle when moving.
飛行体7120は、プロペラ、カメラ、およびバッテリなどを有し、自律して飛行する機能を有する。電子部品730はこれら周辺機器を制御する機能を有する。 The flying object 7120 includes a propeller, a camera, a battery, and the like, and has a function of flying autonomously. The electronic component 730 has a function of controlling these peripheral devices.
例えば、カメラで撮影した画像データは、電子部品700に記憶される。電子部品730は、画像データを解析し、移動する際の障害物の有無などを察知することができる。また、電子部品730によってバッテリの蓄電容量の変化から、バッテリ残量を推定することができる。 For example, image data photographed with a camera is stored in the electronic component 700. The electronic component 730 can analyze the image data and detect the presence or absence of an obstacle when moving. Further, the remaining amount of the battery can be estimated from the change in the storage capacity of the battery by the electronic component 730.
掃除ロボット7140は、上面に配置されたディスプレイ、側面に配置された複数のカメラ、ブラシ、操作ボタン、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット7300には、タイヤ、吸い込み口などが備えられている。掃除ロボット7300は自走し、ゴミを検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。 The cleaning robot 7140 has a display arranged on the upper surface, a plurality of cameras arranged on the side, brushes, operation buttons, various sensors, and the like. Although not shown, the cleaning robot 7300 includes a tire, a suction port, and the like. The cleaning robot 7300 is self-propelled, can detect dust, and can suck dust from a suction port provided on the lower surface.
例えば、電子部品730は、カメラが撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシに絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシの回転を止めることができる。 For example, the electronic component 730 can analyze an image captured by the camera and determine whether there is an obstacle such as a wall, furniture, or a step. In addition, when an object that is likely to be entangled with the brush such as wiring is detected by image analysis, the rotation of the brush can be stopped.
移動体の一例として自動車7160を示す。自動車7160は、エンジン、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、カメラなどを有する。例えば、電子部品730は、ナビゲーション情報、速度、エンジンの状態、ギアの選択状態、ブレーキの使用頻度などのデータに基づいて、自動車7160の走行状態を最適化するための制御を行う。例えば、カメラで撮影した画像データは電子部品700に記憶される。 An automobile 7160 is shown as an example of the moving object. The automobile 7160 includes an engine, tires, brakes, a steering device, a camera, and the like. For example, the electronic component 730 performs control for optimizing the traveling state of the automobile 7160 based on data such as navigation information, speed, engine state, gear selection state, and brake usage frequency. For example, image data taken with a camera is stored in the electronic component 700.
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体(ヘリコプター、無人航空機(ドローン)、飛行機、ロケット)なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のコンピュータを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。 In the above description, the automobile is described as an example of the moving body, but the moving body is not limited to the automobile. For example, a moving object can include a train, a monorail, a ship, a flying object (helicopter, unmanned aerial vehicle (drone), airplane, rocket), and the like, and the computer of one embodiment of the present invention is applied to these moving objects. Thus, a system using artificial intelligence can be provided.
電子部品700および/または電子部品730は、TV装置7200(テレビジョン受像装置)、スマートフォン7210、PC7220(パーソナルコンピュータ)、7230、ゲーム機7240、ゲーム機7260等に組み込むことができる。 The electronic component 700 and / or the electronic component 730 can be incorporated in a TV device 7200 (television receiver), a smartphone 7210, a PC 7220 (personal computer), 7230, a game machine 7240, a game machine 7260, or the like.
例えば、TV装置7200に内蔵された電子部品730は画像エンジンとして機能させることができる。例えば、電子部品730は、ノイズ除去、解像度アップコンバージョンなどの画像処理を行う。 For example, the electronic component 730 incorporated in the TV device 7200 can function as an image engine. For example, the electronic component 730 performs image processing such as noise removal and resolution up-conversion.
スマートフォン7210は、携帯情報端末の一例である。スマートフォン7210は、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、各種センサ、および表示部を有する。電子部品730によってこれら周辺機器が制御される。 A smartphone 7210 is an example of a portable information terminal. A smartphone 7210 includes a microphone, a camera, a speaker, various sensors, and a display unit. These peripheral devices are controlled by the electronic component 730.
PC7220、PC7230はそれぞれノート型PC、据え置き型PCの例である。PC7230には、キーボード7232、およびモニタ装置7233が無線または有線により接続可能である。 PC 7220 and PC 7230 are examples of a notebook PC and a stationary PC, respectively. A keyboard 7232 and a monitor device 7233 can be connected to the PC 7230 wirelessly or by wire.
ゲーム機7240は携帯型ゲーム機の例である。ゲーム機7260は家庭用の据え置き型ゲーム機の例である。ゲーム機7260には、無線または有線でコントローラ7262が接続されている。コントローラ7262に、電子部品700および/または電子部品730を組み込むこともできる。 The game machine 7240 is an example of a portable game machine. The game machine 7260 is an example of a home-use game machine. A controller 7262 is connected to the game machine 7260 wirelessly or by wire. The controller 7262 can also incorporate the electronic component 700 and / or the electronic component 730.
本発明の一態様の半導体装置を適用するゲーム機はこれらに限定されない。本発明の一態様の半導体装置を用いるゲーム機としては、例えば、娯楽施設(ゲームセンター、遊園地など)に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。 A game machine to which the semiconductor device of one embodiment of the present invention is applied is not limited thereto. As the game machine using the semiconductor device of one embodiment of the present invention, for example, an arcade game machine installed in an amusement facility (game center, amusement park, or the like), a pitching machine for batting practice installed in a sports facility, or the like can be given. It is done.
図19(A)に示す警報装置8100は、住宅用火災警報器であり、検出部と、半導体装置8101を有している。半導体装置8101に上述した電子部品700および/または電子部品730を用いることで、警報装置8100を省電力化できる。また、高温環境下においても安定した動作を実現できる。よって、警報装置8100の信頼性を高めることができる。 An alarm device 8100 illustrated in FIG. 19A is a residential fire alarm, and includes a detection portion and a semiconductor device 8101. By using the electronic component 700 and / or the electronic component 730 described above for the semiconductor device 8101, the alarm device 8100 can save power. Further, stable operation can be realized even in a high temperature environment. Therefore, the reliability of the alarm device 8100 can be increased.
図19(A)に示すエアコンディショナーは、室内機8200および室外機8204を有する。室内機8200は、筐体8201、送風口8202、半導体装置8203などを有する。図19(A)では、半導体装置8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、半導体装置8203は室外機8204に設けられていてもよい。または、室内機8200と室外機8204の両方に、半導体装置8203が設けられていてもよい。半導体装置8203に上述した電子部品700および/または電子部品730を用いることで、エアコンディショナーを省電力化できる。また、高温環境下においても安定した動作を実現できる。よって、エアコンディショナーの信頼性を高めることができる。 An air conditioner illustrated in FIG. 19A includes an indoor unit 8200 and an outdoor unit 8204. The indoor unit 8200 includes a housing 8201, an air blowing port 8202, a semiconductor device 8203, and the like. FIG. 19A illustrates the case where the semiconductor device 8203 is provided in the indoor unit 8200; however, the semiconductor device 8203 may be provided in the outdoor unit 8204. Alternatively, the semiconductor device 8203 may be provided in both the indoor unit 8200 and the outdoor unit 8204. By using the electronic component 700 and / or the electronic component 730 described above for the semiconductor device 8203, the air conditioner can save power. Further, stable operation can be realized even in a high temperature environment. Therefore, the reliability of the air conditioner can be increased.
図19(A)に示す電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、冷蔵室用扉8302、冷凍室用扉8303、半導体装置8304などを有する。図19(A)では、半導体装置8304が、筐体8301の内部に設けられている。半導体装置8304に電子部品700および/または電子部品730を用いることで、電気冷凍冷蔵庫8300を省電力化できる。また、高温環境下においても安定した動作を実現できる。よって、電気冷凍冷蔵庫8300の信頼性を高めることができる。 An electric refrigerator-freezer 8300 illustrated in FIG. 19A includes a housing 8301, a refrigerator door 8302, a refrigerator door 8303, a semiconductor device 8304, and the like. In FIG. 19A, the semiconductor device 8304 is provided in the housing 8301. By using the electronic component 700 and / or the electronic component 730 for the semiconductor device 8304, the electric refrigerator-freezer 8300 can save power. Further, stable operation can be realized even in a high temperature environment. Therefore, the reliability of the electric refrigerator-freezer 8300 can be increased.
なお、本実施の形態では、電化製品の一例として電気冷凍冷蔵庫およびエアコンディショナーについて説明した。本発明の一態様の半導体装置は、その他の電化製品に用いることもできる。その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、IH調理器、ウォーターサーバ、冷暖房器具(エアーコンディショナーを含む)、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。 Note that in this embodiment, an electric refrigerator-freezer and an air conditioner have been described as examples of electrical appliances. The semiconductor device of one embodiment of the present invention can also be used for other electrical appliances. Other electrical appliances include, for example, vacuum cleaners, microwave ovens, microwave ovens, rice cookers, water heaters, IH cookers, water servers, air conditioners (including air conditioners), washing machines, dryers, audiovisual equipment, etc. Can be mentioned.
図19(B)に電気自動車の一例を示す。電気自動車9700には、二次電池9701が搭載されている。二次電池9701の電力は、制御回路9702により出力が調整されて、駆動装置9703に供給される。制御回路9702は、図示しない半導体装置などを有する処理装置9704によって制御される。制御回路9702や処理装置9704に、上述した電子部品700および/または電子部品730を用いることで、電気自動車9700を省電力化できる。また、高温環境下においても安定した動作を実現できる。よって、電気自動車9700の信頼性を高めることができる。 FIG. 19B illustrates an example of an electric vehicle. An electric vehicle 9700 is equipped with a secondary battery 9701. The output of the power of the secondary battery 9701 is adjusted by the control circuit 9702 and supplied to the driving device 9703. The control circuit 9702 is controlled by a processing device 9704 including a semiconductor device (not shown). By using the electronic component 700 and / or the electronic component 730 described above for the control circuit 9702 and the processing device 9704, the electric vehicle 9700 can save power. Further, stable operation can be realized even in a high temperature environment. Thus, the reliability of the electric vehicle 9700 can be increased.
駆動装置9703は、直流電動機もしくは交流電動機単体、または電動機と内燃機関と、を組み合わせて構成される。処理装置9704は、電気自動車9700の運転者の操作情報(加速、減速、停止など)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報など)の入力情報に基づき、制御回路9702に制御信号を出力する。制御回路9702は、処理装置9704の制御信号により、二次電池9701から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置9703の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。 Drive device 9703 is configured by a DC motor or an AC motor alone, or a combination of an electric motor and an internal combustion engine. The processing device 9704 is based on input information such as operation information (acceleration, deceleration, stop, etc.) of the driver of the electric vehicle 9700 and information at the time of travel (information such as uphill and downhill, load information on the drive wheels, etc.). The control signal is output to the control circuit 9702. The control circuit 9702 controls the output of the driving device 9703 by adjusting the electric energy supplied from the secondary battery 9701 according to the control signal of the processing device 9704. When an AC motor is mounted, an inverter that converts direct current to alternating current is also built in, although not shown.
図20(A)に示す計算機5400は、大型の計算機の例である。計算機5400には、ラック5410にラックマウント型の計算機5420が複数格納されている。 A computer 5400 illustrated in FIG. 20A is an example of a large computer. The computer 5400 stores a plurality of rack mount computers 5420 in a rack 5410.
計算機5420は、例えば、図20(B)に示す斜視図の構成とすることができる。図20(B)において、計算機5420は、マザーボード5430を有し、マザーボードは、複数のスロット5431、複数の接続端子5432、複数の接続端子5433を有する。スロット5431には、PCカード5421が挿されている。加えて、PCカード5421は、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425を有し、それぞれ、マザーボード5430に接続されている。 The computer 5420 can have a configuration shown in a perspective view of FIG. 20B, the computer 5420 includes a motherboard 5430, and the motherboard includes a plurality of slots 5431, a plurality of connection terminals 5432, and a plurality of connection terminals 5433. A PC card 5421 is inserted into the slot 5431. In addition, the PC card 5421 includes a connection terminal 5423, a connection terminal 5424, and a connection terminal 5425, and each is connected to the motherboard 5430.
図20(C)に示すPCカード5421は、CPU、GPU、記憶装置などを備えた処理ボードの一例である。PCカード5421は、ボード5422を有する。また、ボード5422は、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425と、半導体装置5426と、半導体装置5427と、半導体装置5428と、接続端子5429と、を有する。なお、図20(C)には、半導体装置5426、および半導体装置5427以外の半導体装置を図示しているが、それらの半導体装置については、以下に記載する半導体装置5426、半導体装置5427、および半導体装置5428の説明を参酌すればよい。 A PC card 5421 illustrated in FIG. 20C is an example of a processing board including a CPU, a GPU, a storage device, and the like. The PC card 5421 has a board 5422. The board 5422 includes a connection terminal 5423, a connection terminal 5424, a connection terminal 5425, a semiconductor device 5426, a semiconductor device 5427, a semiconductor device 5428, and a connection terminal 5429. Note that FIG. 20C illustrates a semiconductor device other than the semiconductor device 5426 and the semiconductor device 5427. These semiconductor devices are described below as a semiconductor device 5426, a semiconductor device 5427, and a semiconductor device. The description of the device 5428 may be referred to.
接続端子5429は、マザーボード5430のスロット5431に挿すことができる形状を有しており、接続端子5429は、PCカード5421とマザーボード5430とを接続するためのインターフェースとして機能する。接続端子5429の規格としては、例えば、PCIeなどが挙げられる。 The connection terminal 5429 has a shape that can be inserted into the slot 5431 of the motherboard 5430, and the connection terminal 5429 functions as an interface for connecting the PC card 5421 and the motherboard 5430. Examples of the standard of the connection terminal 5429 include PCIe.
接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425は、例えば、PCカード5421に対して電力供給、信号入力などを行うためのインターフェースとすることができる。また、例えば、PCカード5421によって計算された信号の出力などを行うためのインターフェースとすることができる。接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425のそれぞれの規格としては、例えば、USB(Universal Serial Bus)、SATA(Serial ATA)、SCSI(Small Computer System Interface)などが挙げられる。また、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425から映像信号を出力する場合、それぞれの規格としては、HDMI(登録商標)などが挙げられる。 The connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425 can be used as an interface for supplying power, inputting a signal, and the like to the PC card 5421, for example. Further, for example, an interface for outputting a signal calculated by the PC card 5421 can be used. Examples of the standards of the connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425 include USB (Universal Serial Bus), SATA (Serial ATA), and SCSI (Small Computer System Interface). When video signals are output from the connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425, HDMI (registered trademark) or the like can be given as the standard for each.
半導体装置5426は、信号の入出力を行う端子(図示しない。)を有しており、当該端子をボード5422が備えるソケット(図示しない。)に対して差し込むことで、半導体装置5426とボード5422を電気的に接続することができる。 The semiconductor device 5426 has a terminal (not shown) for inputting and outputting signals. By inserting the terminal into a socket (not shown) provided in the board 5422, the semiconductor device 5426 and the board 5422 are connected. Can be electrically connected.
半導体装置5427は、複数の端子を有しており、当該端子をボード5422が備える配線に対して、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、半導体装置5427とボード5422を電気的に接続することができる。半導体装置5427としては、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)、GPU、CPUなどが挙げられる。半導体装置5427として、電子部品730を用いることができる。 The semiconductor device 5427 has a plurality of terminals, and the semiconductor device 5427 and the board 5422 are electrically connected to the wiring provided in the board 5422 by, for example, reflow soldering. be able to. As the semiconductor device 5427, for example, a field programmable gate array (FPGA), a GPU, a CPU, and the like can be given. As the semiconductor device 5427, an electronic component 730 can be used.
半導体装置5428は、複数の端子を有しており、当該端子をボード5422が備える配線に対して、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、半導体装置5428とボード5422を電気的に接続することができる。半導体装置5428としては、例えば、記憶装置などが挙げられる。半導体装置5428として、電子部品700を用いることができる。 The semiconductor device 5428 has a plurality of terminals, and the semiconductor device 5428 and the board 5422 are electrically connected to the wiring provided in the board 5422 by, for example, reflow soldering. be able to. As the semiconductor device 5428, for example, a memory device or the like can be given. As the semiconductor device 5428, an electronic component 700 can be used.
計算機5400は並列計算機としても機能できる。計算機5400を並列計算機として用いることで、例えば、人工知能の学習、および推論に必要な大規模の計算を行うことができる。 The computer 5400 can also function as a parallel computer. By using the computer 5400 as a parallel computer, for example, it is possible to perform large-scale calculations necessary for artificial intelligence learning and inference.
上記の各種電子機器に、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより、電子機器の小型化、高速化、または低消費電力化を図ることができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。また、高温環境下においても安定した動作を実現できる。よって、電子機器の信頼性を高めることができる。 By using the semiconductor device of one embodiment of the present invention for the above various electronic devices, the electronic device can be reduced in size, increased in speed, or reduced in power consumption. Further, since heat generation from the circuit can be reduced with low power consumption, the influence of the heat generation on the circuit itself, peripheral circuits, and modules can be reduced. Further, stable operation can be realized even in a high temperature environment. Therefore, the reliability of the electronic device can be increased.
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.
10 メモリセル
100 記憶装置
111 入出力回路
112 制御回路
113 Cレシーバ
114 設定レジスタ
115 LVDS回路
116 LVDS回路
117 デコーダ
118 レジスタ
119 レジスタ
127 センスアンプ
210 記憶ブロックアレイ
211 記憶ブロック
212 ワード線ドライバ
213 ローカルセンスアンプドライバ
214 ローカルセンスアンプアレイ
215 グローバルセンスアンプ
216 セレクタ
218 負電圧生成回路
221 セルアレイ
10 memory cell 100 storage device 111 input / output circuit 112 control circuit 113 C receiver 114 setting register 115 LVDS circuit 116 LVDS circuit 117 decoder 118 register 119 register 127 sense amplifier 210 storage block array 211 storage block 212 word line driver 213 local sense amplifier driver 214 Local sense amplifier array 215 Global sense amplifier 216 Selector 218 Negative voltage generation circuit 221 Cell array
Claims (15)
前記複数のメモリセルのそれぞれは、トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記トランジスタは、ゲートと、バックゲートと、を有し、
前記トランジスタの半導体層は金属酸化物を含み、
前記制御回路は、
前記トランジスタの前記ゲートに供給する電位を、
第1電位、第2電位、または第3電位から選択する機能を有し、
前記第1の電位は、前記トランジスタをオン状態にする電位であり、
前記第2の電位および前記第3の電位は、前記トランジスタをオフ状態にする電位であり、
前記第2の電位は、前記第3の電位より高い電位であることを特徴とする記憶装置。 A control circuit and a plurality of memory cells;
Each of the plurality of memory cells includes a transistor and a capacitor.
The transistor has a gate and a back gate,
The semiconductor layer of the transistor comprises a metal oxide;
The control circuit includes:
The potential supplied to the gate of the transistor is
A function of selecting from the first potential, the second potential, or the third potential;
The first potential is a potential that turns on the transistor;
The second potential and the third potential are potentials that turn off the transistor,
The memory device, wherein the second potential is higher than the third potential.
前記複数のメモリセルのそれぞれは、トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記トランジスタは、ゲートと、バックゲートと、を有し、
前記トランジスタのソースまたはドレインの一方は容量素子と電気的に接続され、
前記トランジスタのソースまたはドレインの他方はビット線と電気的に接続され、
前記ゲートはワード線と電気的に接続され、
前記制御回路は、
前記ワード線に第1電位を供給して、前記ビット線から前記容量素子に電荷を供給する機能と、
前記ワード線に第2電位または第3電位を供給して、前記電荷を保持する機能と、
を有し、
前記第2電位は、前記第3電位より高い電位であることを特徴とする記憶装置。 A control circuit and a plurality of memory cells;
Each of the plurality of memory cells includes a transistor and a capacitor.
The transistor has a gate and a back gate,
One of a source and a drain of the transistor is electrically connected to a capacitor;
The other of the source and the drain of the transistor is electrically connected to the bit line;
The gate is electrically connected to a word line;
The control circuit includes:
A function of supplying a first potential to the word line and supplying a charge from the bit line to the capacitor;
A function of supplying the second potential or the third potential to the word line to hold the charge;
Have
The memory device, wherein the second potential is higher than the third potential.
前記第2電位は、前記電荷の保持時間が1時間以上になる電位であることを特徴とする記憶装置。 In claim 1,
2. The memory device according to claim 1, wherein the second potential is a potential at which the charge retention time is one hour or longer.
前記第3電位は、前記電荷の保持時間が10年以上になる電位であることを特徴とする記憶装置。 In claim 1 or claim 2,
The storage device according to claim 3, wherein the third potential is a potential that makes the charge retention time 10 years or longer.
前記バックゲートに負バイアスが供給されていることを特徴とする記憶装置。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
A storage device, wherein a negative bias is supplied to the back gate.
前記金属酸化物は、インジウムおよび亜鉛のうち、少なくとも一方を含むことを特徴とする記憶装置。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The memory device, wherein the metal oxide includes at least one of indium and zinc.
前記複数の記憶ブロックは、それぞれが複数のメモリセルを有し、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記トランジスタは、ゲートと、バックゲートと、を有し、
前記トランジスタの半導体層は金属酸化物を含み、
前記記憶ブロックは、複数の動作モードで動作する機能を有することを特徴とする記憶装置。 Having a plurality of storage blocks;
Each of the plurality of storage blocks has a plurality of memory cells;
Each of the plurality of memory cells includes a transistor and a capacitor.
The transistor has a gate and a back gate,
The semiconductor layer of the transistor comprises a metal oxide;
The storage device has a function of operating in a plurality of operation modes.
前記動作モードは、前記ゲートに供給する電位と前記バックゲートに供給する電位の組み合わせで決定されることを特徴とする記憶装置。 In claim 7,
The memory device according to claim 1, wherein the operation mode is determined by a combination of a potential supplied to the gate and a potential supplied to the back gate.
前記複数の動作モードの1つは、
メモリセルの動作速度を高める動作モードであることを特徴とする記憶装置。 In claim 7 or claim 8,
One of the plurality of operation modes is:
A memory device characterized by being in an operation mode for increasing an operation speed of a memory cell.
前記複数の動作モードの他の1つは、
メモリセルの保持時間を長くする動作モードであることを特徴とする記憶装置。 In claim 9,
Another one of the plurality of operation modes is:
A memory device characterized by being in an operation mode for extending a retention time of a memory cell.
前記金属酸化物は、インジウムおよび亜鉛のうち、少なくとも一方を含むことを特徴とする記憶装置。 In any one of Claims 7 to 10,
The memory device, wherein the metal oxide includes at least one of indium and zinc.
前記複数の記憶ブロックは、それぞれが複数のメモリセルを有し、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記トランジスタは、ゲートと、バックゲートと、を有し、
前記トランジスタの半導体層は金属酸化物を含み、
前記複数の記憶ブロックは、
第1動作モードで動作する第1記憶ブロックと、
第2動作モードで動作する第2記憶ブロックと、
を有することを特徴とする記憶装置。 Having a plurality of storage blocks;
Each of the plurality of storage blocks has a plurality of memory cells;
Each of the plurality of memory cells includes a transistor and a capacitor.
The transistor has a gate and a back gate,
The semiconductor layer of the transistor comprises a metal oxide;
The plurality of storage blocks are:
A first storage block operating in a first operation mode;
A second memory block operating in a second operation mode;
A storage device comprising:
前記第1動作モードは、
メモリセルの動作速度を高める動作モードであることを特徴とする記憶装置。 In claim 12,
The first operation mode is:
A memory device characterized by being in an operation mode for increasing an operation speed of a memory cell.
前記第2動作モードは、
メモリセルの保持時間を長くする動作モードであることを特徴とする記憶装置。 In claim 12 or claim 13,
The second operation mode is:
A memory device characterized by being in an operation mode for extending a retention time of a memory cell.
前記金属酸化物は、インジウムおよび亜鉛のうち、少なくとも一方を含むことを特徴とする記憶装置。 In any one of Claims 12 to 14,
The memory device, wherein the metal oxide includes at least one of indium and zinc.
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