[go: up one dir, main page]

KR20120127251A - Semiconductor device and method for driving semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device and method for driving semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
KR20120127251A
KR20120127251A KR1020120049014A KR20120049014A KR20120127251A KR 20120127251 A KR20120127251 A KR 20120127251A KR 1020120049014 A KR1020120049014 A KR 1020120049014A KR 20120049014 A KR20120049014 A KR 20120049014A KR 20120127251 A KR20120127251 A KR 20120127251A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switching element
phase inversion
capacitor
potential
capacitance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
KR1020120049014A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
야스히코 다케무라
Original Assignee
가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 filed Critical 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
Priority to KR1020120049014A priority Critical patent/KR20120127251A/en
Publication of KR20120127251A publication Critical patent/KR20120127251A/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C7/00Arrangements for writing information into, or reading information out from, a digital store
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D86/00Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates
    • H10D86/40Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates characterised by multiple TFTs
    • H10D86/481Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates characterised by multiple TFTs integrated with passive devices, e.g. auxiliary capacitors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D86/00Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates
    • H10D86/40Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates characterised by multiple TFTs
    • H10D86/60Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates characterised by multiple TFTs wherein the TFTs are in active matrices

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

소비 전력을 억제할 수 있는 기억 장치, 상기 기억 장치를 사용한 신호 처리 회로를 제공한다.
인버터 또는 클록드 인버터 등의, 입력된 신호의 위상을 반전시켜 출력하는 위상 반전 소자를 사용한 기억 소자 내에, 데이터를 유지하기 위한 용량 소자와, 상기 용량 소자에 있어서의 전하의 축적 및 방출을 제어하는 스위칭 소자를 형성한다. 예를 들면, 용량 소자의 한쪽의 전극을 위상 반전 소자의 입력 또는 출력에 접속하고, 다른쪽의 전극을 스위칭 소자에 접속한다. 상기 기억 소자를, 신호 처리 회로가 갖는 레지스터나 캐시 메모리 등의 기억 장치에 사용한다.
A memory device capable of suppressing power consumption and a signal processing circuit using the memory device are provided.
In a storage element using a phase inversion element for inverting and outputting the phase of an input signal, such as an inverter or a clocked inverter, a capacitor for holding data, and controlling the accumulation and emission of charge in the capacitor To form a switching element. For example, one electrode of the capacitor is connected to the input or output of the phase inversion element, and the other electrode is connected to the switching element. The storage element is used for a storage device such as a register or a cache memory included in the signal processing circuit.

Description

반도체 장치 및 반도체 장치의 구동 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR DRIVING SEMICONDUCTOR DEVICE}Semiconductor device and driving method of semiconductor device {SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR DRIVING SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은, 반도체 장치를 사용한 기억 소자 및 신호 처리 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a memory element and a signal processing circuit using a semiconductor device.

종래, 비정질 실리콘이나 폴리 실리콘, 미결정 실리콘 등을 사용한 트랜지스터는 액정 디스플레이 등의 표시 장치에 사용되어 왔지만, 이것을 반도체 집적 회로에 이용하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).Conventionally, transistors using amorphous silicon, polysilicon, microcrystalline silicon and the like have been used in display devices such as liquid crystal displays, but a technique of using them for semiconductor integrated circuits has been proposed (see Patent Document 1, for example).

또한, 최근, 폴리 실리콘이나 미결정 실리콘에 의해 얻어지는 것과 동정도의 높은 이동도와, 비정질 실리콘에 의해 얻어지는 것과 동정도의 균일한 소자 특성을 겸비한 새로운 반도체 재료로서, 산화물 반도체라고 불리는, 반도체 특성을 나타내는 금속 산화물에 주목이 모이고 있다.In recent years, as a new semiconductor material having a high degree of mobility similar to that obtained by polysilicon or microcrystalline silicon and uniform device characteristics equivalent to that obtained by amorphous silicon, a metal exhibiting semiconductor characteristics called an oxide semiconductor. Attention is focused on oxides.

금속 산화물은 여러 가지 용도로 사용되고 있으며, 예를 들면, 잘 알려진 금속 산화물인 산화인듐은, 액정 표시 장치 등에서 투명 전극 재료로서 사용되고 있다. 반도체 특성을 나타내는 금속 산화물로서는, 예를 들면, 산화텅스텐, 산화주석, 산화인듐, 산화아연 등이 있고, 이러한 반도체 특성을 나타내는 금속 산화물을 채널 형성 영역에 사용하는 트랜지스터가, 이미 알려져 있다(특허문헌 2 내지 특허문헌 4 참조).Metal oxides are used for various purposes. For example, indium oxide, which is a well-known metal oxide, is used as a transparent electrode material in liquid crystal display devices and the like. Examples of the metal oxide exhibiting semiconductor characteristics include tungsten oxide, tin oxide, indium oxide, zinc oxide, and the like, and transistors using a metal oxide exhibiting such semiconductor characteristics in a channel formation region have been known (Patent Documents). 2 to Patent Document 4).

미국 특허 제7772053호 명세서U.S. Pat.No.7772053 미국 특허출원공개 제2007/0072439호 명세서US Patent Application Publication No. 2007/0072439 미국 특허출원공개 제2011/0193078호 명세서US Patent Application Publication No. 2011/0193078 미국 특허출원공개 제2011/0176357호 명세서United States Patent Application Publication No. 2011/0176357

그런데, 중앙 연산 처리 장치(CPU: Central Processing Unit) 등의 신호 처리 회로는, 그 용도에 따라 다종 다양한 구성을 가지고 있지만, 일반적으로, 데이터나 프로그램을 기억하기 위한 메인 메모리 이외에, 레지스터, 캐시 메모리 등, 각종 반도체 기억 장치(이하, 단순히 기억 장치라고 한다)가 형성되어 있다. 레지스터는, 연산 처리나 프로그램의 실행 상태의 유지 등을 위해 일시적으로 데이터를 유지하는 역할을 담당하고 있다. 또한, 캐시 메모리는, 연산 장치와 메인 메모리 사이에 개재하여 메인 메모리로의 액세스를 감소시켜 연산 처리를 고속화시키는 것을 목적으로 하여 CPU에 형성되어 있다.By the way, signal processing circuits such as a central processing unit (CPU) have a variety of configurations depending on their use, but in general, in addition to the main memory for storing data and programs, registers, cache memories, etc. Various semiconductor memory devices (hereinafter simply referred to as memory devices) are formed. The register is responsible for temporarily holding data for arithmetic processing, program execution, and the like. In addition, a cache memory is formed in a CPU for the purpose of speeding up arithmetic processing by reducing access to the main memory between the computing device and the main memory.

레지스터나 캐시 메모리 등의 기억 장치는, 메인 메모리보다도 고속으로 데이터의 기록을 행할 필요가 있다. 따라서, 통상적으로는, 레지스터로서 플립플롭이, 캐시 메모리로서 SRAM 등이 사용된다.Storage devices such as registers and cache memories need to write data at a higher speed than main memory. Therefore, flip-flops are typically used as registers and SRAMs are used as cache memories.

도 2a에, 레지스터를 구성하는 기억 소자의 하나를 예시한다. 도 2a에 도시하는 기억 소자(200)는, 인버터(201), 인버터(202), 스위칭 소자(203), 스위칭 소자(204)를 가진다. 그리고, 인버터(201)의 입력 단자로의 신호(IN)의 입력은, 스위칭 소자(203)에 의해 제어되어 있다. 인버터(201)의 출력 단자의 전위는, 신호(OUT)로서, 후단의 회로에 주어진다. 또한, 인버터(201)의 출력 단자는 인버터(202)의 입력 단자에 접속되어 있고, 인버터(202)의 출력 단자는, 스위칭 소자(204)를 개재하여 인버터(201)의 입력 단자에 접속되어 있다.2A illustrates one of the memory elements constituting the register. The memory element 200 shown in FIG. 2A includes an inverter 201, an inverter 202, a switching element 203, and a switching element 204. The input of the signal IN to the input terminal of the inverter 201 is controlled by the switching element 203. The electric potential of the output terminal of the inverter 201 is given to the circuit of a later stage as a signal OUT. The output terminal of the inverter 201 is connected to the input terminal of the inverter 202, and the output terminal of the inverter 202 is connected to the input terminal of the inverter 201 via the switching element 204. .

스위칭 소자(203)를 개재하여 입력된 신호(IN)의 전위는, 스위칭 소자(203)가 오프, 스위칭 소자(204)가 온이 됨으로써, 기억 소자(200) 내에서 유지된다.The potential of the signal IN input via the switching element 203 is maintained in the memory element 200 by turning off the switching element 203 and turning on the switching element 204.

도 2a에 도시한 기억 소자(200)의, 보다 구체적인 회로 구성을, 도 2b에 도시한다. 도 2b에 도시하는 기억 소자(200)는, 인버터(201), 인버터(202), 스위칭 소자(203), 스위칭 소자(204)를 가지고 있으며, 이들 회로 소자의 접속 구성은 도 2a와 동일하다.A more specific circuit configuration of the memory element 200 shown in FIG. 2A is shown in FIG. 2B. The storage element 200 shown in FIG. 2B has an inverter 201, an inverter 202, a switching element 203, and a switching element 204, and the connection structure of these circuit elements is the same as that of FIG. 2A.

인버터(201)는, 게이트 전극이 서로 접속된 P 채널형 트랜지스터(207)와, N 채널형 트랜지스터(208)를 가지고 있다. 그리고, 활성 상태에서 하이레벨의 전원 전위가 주어져 있는 노드(VDD)와, 로우 레벨의 전원 전위가 주어져 있는 노드(VSS) 사이에 있어서, P 채널형 트랜지스터(207)와, N 채널형 트랜지스터(208)는, 직렬로 접속되어 있다. 또한, 마찬가지로, 인버터(202)는, 게이트 전극이 서로 접속된 P 채널형 트랜지스터(209)와, N 채널형 트랜지스터(210)를 가지고 있다. 그리고, VDD와 VSS 사이에 있어서, P 채널형 트랜지스터(209)와, N 채널형 트랜지스터(210)는, 직렬로 접속되어 있다.The inverter 201 includes a P-channel transistor 207 and an N-channel transistor 208 in which gate electrodes are connected to each other. The P-channel transistor 207 and the N-channel transistor 208 between the node VDD to which the high-level power supply potential is given in the active state and the node VSS to which the low-level power supply potential is given. ) Are connected in series. Similarly, the inverter 202 includes a P-channel transistor 209 and an N-channel transistor 210 in which gate electrodes are connected to each other. The P-channel transistor 209 and the N-channel transistor 210 are connected in series between VDD and VSS.

도 2b에 도시하는 인버터(201)는, P 채널형 트랜지스터(207)의 게이트 전극과, N 채널형 트랜지스터(208)의 게이트 전극에 주어지는 전위의 높이에 따라, 한쪽이 오프, 다른쪽이 온이 되도록 동작한다. 따라서, VDD와 VSS 사이의 전류는, 이상적으로는 0이 될 것이다. 그러나, 실제로는, 오프이어야 하는 트랜지스터에 약간의 오프 전류가 흐르고 있기 때문에, 완전하게 0으로는 되지 않는다. 인버터(202)에 관해서도 같은 현상이 발생하기 때문에, 기억 소자(200)에는, 데이터를 유지하기만 하는 상태에서도 소비 전력이 발생한다.Inverter 201 shown in FIG. 2B has one side turned off and the other turned on depending on the height of the potential given to the gate electrode of P-channel transistor 207 and the gate electrode of N-channel transistor 208. It works. Thus, the current between VDD and VSS will ideally be zero. However, since some off current flows through the transistor which should be off in reality, it does not become completely zero. Since the same phenomenon occurs with respect to the inverter 202, the power consumption is generated in the memory element 200 even in a state where only data is retained.

예를 들면, 트랜지스터의 사이즈에 따라서도 다르지만, 벌크의 실리콘을 사용하여 제작된 인버터의 경우, 실온하, VDD와 VSS 사이의 전압이 약 1V인 상태에서, 0.1pA 정도의 오프 전류가 발생한다. 도 2a 및 도 2b에 도시하는 기억 소자에는, 인버터(201)와 인버터(202)의, 2개의 인버터가 형성되어 있기 때문에, 0.2pA 정도의 오프 전류가 발생한다. 그리고, 기억 소자수가 약 107개 정도인 레지스터의 경우, 오프 전류는 레지스터 전체에서 2μA가 된다.For example, in the case of an inverter fabricated using bulk silicon, depending on the size of the transistor, an off current of about 0.1 pA occurs at room temperature with the voltage between VDD and VSS about 1V. Since two inverters of the inverter 201 and the inverter 202 are formed in the memory elements shown in FIGS. 2A and 2B, an off current of about 0.2 pA is generated. In the case of a resistor having about 10 7 memory elements, the off current is 2 µA in the entire register.

또한, 미세화의 진전과 함께, 게이트 절연물도 박막화되어 있기 때문에, 게이트 전류도 무시할 수 없는 크기로 되어 있다. 이들도 더해져서, 레지스터의 소비 전력은 회로 선폭의 축소화에 반하여 증대하고 있다.In addition, with the progress of miniaturization, since the gate insulator is also thinned, the gate current is also negligible. In addition, the power consumption of the resistor is increasing as the circuit line width is reduced.

또한, 최근에는, 전원 전압의 저하에 의한 속도의 저하를 보완하기 위해서, 트랜지스터의 임계값을 저하시키는 것이 행해지고 있지만, 그 결과, 오프 전류는 1개의 인버터당 추가로 3자리수 정도 증가하는 경우도 있다.In recent years, in order to compensate for the decrease in the speed caused by the decrease in the power supply voltage, the threshold value of the transistor is lowered. As a result, the off current may be increased by about three additional digits per inverter. .

이러한 결과, 레지스터의 소비 전력은 회로 선폭의 축소화에 반하여 증대되고 있다. 그리고, 전력의 소비에 의한 발열이 IC칩의 온도의 상승을 초래하고, 더욱 소비 전력이 증가된다고 하는 악순환에 빠지고 있다.As a result, the power consumption of the resistor is increasing as the circuit line width is reduced. Then, heat generation due to power consumption leads to an increase in the temperature of the IC chip, which leads to a vicious cycle of increasing power consumption.

또한, SRAM도 상기 레지스터와 같이, 인버터를 사용한 구성을 가지고 있으며, 트랜지스터의 오프 전류에 의해 전력이 소비된다. 따라서, SRAM을 사용한 캐시 메모리도 상기의 기억 소자(레지스터)의 경우와 같이, 데이터의 기록이 행해지고 있지 않은 상태에서도, 소비 전력이 증대되어 버린다. The SRAM also has a configuration in which an inverter is used as in the above resistor, and power is consumed by the off current of the transistor. Therefore, as in the case of the above-described storage element (register), the cache memory using the SRAM also consumes power even in a state where data is not written.

그래서, 소비 전력을 억제하기 위해서, 데이터의 입출력이 행해지지 않는 기간에 있어서, 기억 장치로의 전원 전위의 공급을 일시적으로 정지한다고 하는 하나의 방법이 제안되어 있다. 레지스터, 캐시 메모리에는, 전원 전위의 공급이 끊어지면 데이터를 소실해 버리는 휘발성 기억 장치가 사용되고 있기 때문에, 그 방법에서는, 상기 기억 장치의 주변에 불휘발성 기억 장치를 배치하고, 상기 데이터를 그 불휘발성 기억 장치로 일시적으로 옮기고 있다. 그러나, 이들 불휘발성 기억 장치는, 주로 자기 소자나 강유전체가 사용되고 있기 때문에, 제작 공정이 복잡하다.Thus, one method has been proposed to temporarily stop the supply of the power supply potential to the storage device in a period in which data input / output is not performed in order to suppress power consumption. In the register and the cache memory, a volatile memory device which loses data when the supply potential of the power supply is cut off is used. In this method, a nonvolatile memory device is arranged around the memory device, and the data is stored in the nonvolatile memory device. It is temporarily moving to memory. However, these nonvolatile memory devices have a complicated manufacturing process because magnetic elements and ferroelectrics are mainly used.

또한, CPU에 있어서 장시간의 전원 정지를 행할 때는, 전원 정지 전에, 기억 장치내의 데이터를 하드 디스크, 플래시 메모리 등의 외부 기억 장치로 옮김으로써, 데이터의 소실을 방지할 수도 있다. 그러나, 이들의 외부 기억 장치로부터 데이터를 레지스터, 캐시 메모리, 메인 메모리로 되돌리는데는 시간을 필요로 한다. 따라서, 하드 디스크, 플래시 메모리 등의 외부 기억 장치에 의한 데이터의 백업은, 소비 전력의 저감을 목적으로 한 단시간(예를 들면, 100μ초 내지 1분)의 전원 정지에는 적합하지 않다.In addition, when the power supply is stopped for a long time in the CPU, data loss can be prevented by moving the data in the storage device to an external storage device such as a hard disk or a flash memory before the power supply is stopped. However, it takes time to return data from these external storage devices to registers, cache memory, and main memory. Therefore, backup of data by an external storage device such as a hard disk or a flash memory is not suitable for a short time (for example, 100 µsec to 1 minute) power supply for the purpose of reducing power consumption.

상기의 과제를 감안하여, 본 발명은, 복잡한 제작 공정을 필요로 하지 않고, 소비 전력을 억제할 수 있는 신호 처리 회로, 상기 신호 처리 회로의 구동 방법의 제공을 목적의 하나로 한다. 특히, 단시간의 전원 정지에 의해 소비 전력을 억제할 수 있는 신호 처리 회로, 상기 신호 처리 회로의 구동 방법의 제공을 목적의 하나로 한다.In view of the above problems, the present invention is intended to provide a signal processing circuit capable of suppressing power consumption and a driving method of the signal processing circuit without requiring a complicated manufacturing process. In particular, it is an object of the present invention to provide a signal processing circuit capable of suppressing power consumption by a short power supply stop and a driving method of the signal processing circuit.

인버터 또는 클록드 인버터 등의, 입력된 신호의 위상을 반전시켜 출력하는 논리 소자(이하, 위상 반전 소자라고 한다)를 사용한 기억 소자 내에, 데이터를 유지하기 위한 용량 소자와, 상기 용량 소자에 있어서의 전하의 축적 및 방출을 제어하는 용량용 스위칭 소자를 형성한다. 용량 소자의 한쪽의 전극은 위상 반전 소자의 입력 또는 출력에 접속하고, 다른 쪽의 전극은 용량용 스위칭 소자의 소스 또는 드레인 중 어느 하나에 접속한다.In a storage element using a logic element (hereinafter referred to as a phase inversion element) that inverts and outputs the phase of an input signal, such as an inverter or a clocked inverter, a capacitor for holding data, and the capacitor A capacitance switching element is formed which controls the accumulation and release of charge. One electrode of the capacitor is connected to the input or output of the phase inversion element, and the other electrode is connected to either the source or the drain of the capacitor switching element.

그리고, 상기 용량용 스위칭 소자에는, 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 미결정 실리콘, 또는 산화물 반도체 등의 화합물 반도체(바람직하게는 와이드 밴드 갭 화합물 반도체)를 채널 형성 영역에 포함해도 좋다.The capacitor switching element may include a compound semiconductor (preferably a wide band gap compound semiconductor) such as amorphous silicon, polysilicon, microcrystalline silicon, or an oxide semiconductor in the channel formation region.

상기 용량용 스위칭 소자는 오프 저항이 높은 것이 바람직하기 때문에, 채널 길이가 최소 가공 선폭의 10배 이상, 바람직하게는 20배 이상, 보다 바람직하게는 50배 이상, 또는 1㎛ 이상인 트랜지스터를 사용해도 좋다. 이 때, 트랜지스터의 채널 길이는 채널 폭의 10배 이상, 바람직하게는 20배 이상, 보다 바람직하게는 50배 이상이라도 좋다.Since the capacitance switching element preferably has a high off resistance, a transistor having a channel length of 10 times or more, preferably 20 times or more, more preferably 50 times or more, or 1 μm or more of the minimum processing line width may be used. . At this time, the channel length of the transistor may be 10 times or more, preferably 20 times or more, more preferably 50 times or more of the channel width.

그리고, 상기 기억 소자를, 신호 처리 회로가 갖는, 레지스터, 캐시 메모리, 메인 메모리 등의 기억 장치에 사용한다. 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터에서는, 이러한 장채널의 트랜지스터를 사용함으로써, 단채널 효과에 의한, 특히 오프 특성의 열화를 억제할 수도 있다.The storage element is used for a storage device such as a register, a cache memory, a main memory, and the like, which the signal processing circuit has. In a transistor using an oxide semiconductor, by using such a long channel transistor, deterioration of the off characteristic due to the short channel effect, in particular, can also be suppressed.

또한, 본 명세서에서는 와이드 밴드 갭 화합물 반도체란, 2전자볼트 이상의 밴드 갭을 갖는 화합물 반도체를 말한다. 산화물 반도체 이외의 와이드 밴드 갭 화합물 반도체로서는, 황화아연 등의 황화물이나, 질화갈륨 등의 질화물을 들 수 있다. 어느 것이든지 고순도화함으로써, 도너나 억셉터의 농도를 매우 낮게 하는 것이 바람직하다.In addition, in this specification, a wide band gap compound semiconductor means the compound semiconductor which has a band gap of 2 electron volts or more. As wide band gap compound semiconductors other than an oxide semiconductor, sulfides, such as zinc sulfide, and nitrides, such as gallium nitride, are mentioned. In any case, it is desirable to make the concentration of donor or acceptor very low by making high purity.

용량용 스위칭 소자는, 위상 반전 소자의 상방에 중첩하여 형성되는 것이 바람직하며, 용량용 스위칭 소자에 사용되는 산화물 반도체층은, 꼬불꼬불 구부러진 형상 또는 적어도 1개의 오목부를 갖는 형상으로 함으로써, (1개 또는 복수의) 위상 반전 소자 위의 영역의 한정된 면적에 형성함으로써, 상기의 채널 길이를 실현할 수 있다.The capacitance switching element is preferably formed so as to overlap above the phase inversion element, and the oxide semiconductor layer used for the capacitance switching element has a curved shape or a shape having at least one concave portion. Alternatively, the channel length can be realized by forming in a limited area of the region on the plurality of phase inversion elements.

또한, 1개의 용량용 스위칭 소자는, 복수의 위상 반전 소자 위에 중첩되도록 형성되어도 좋고, 1개의 위상 반전 소자 위에, 복수의 용량용 스위칭 소자가 중첩되도록 형성되어도 좋다. 예를 들면, 복수의 위상 반전 소자 위에 복수의 직선상 또한 채널 길이가 채널 폭의 10배 이상인 스위칭 소자를 형성해도 좋다.In addition, one capacitance switching element may be formed so that it may overlap on some phase inversion element, and one capacitance switching element may be formed so that it may overlap on one phase inversion element. For example, a plurality of linear and switching elements having a channel length of 10 times or more of the channel width may be formed on the plurality of phase inversion elements.

구체적으로는 상기의 레지스터 또는 SRAM 등의 회로는 2개의 위상 반전 소자(인버터 등)가 조합된 회로(플립플롭 회로 등)를 갖지만, 그 회로가 점유하는 면적은 50F2(F는 최소 가공 선폭) 이상이며, 통상적으로는 100F2 내지 150F2이다. 예를 들면, 2개의 인버터가 조합된 회로가 점유하는 면적이 50F2로 하고, 그 절반의 면적(25F2)에 산화물 반도체를 사용한 용량용 스위칭 소자를 형성하는 경우, 채널 폭을 F로 하면, 채널 길이는 25F로 할 수 있다. F를 40nm으로 하면, 채널 길이는 1㎛이 된다.Specifically, a circuit such as a resistor or an SRAM has a circuit (flip-flop circuit, etc.) in which two phase inversion elements (inverter, etc.) are combined, but the area occupied by the circuit is 50F 2 (F is the minimum processing line width). or more, typically is 2 to 100F 150F 2. For example, when the area occupied by the circuit in which the two inverters are combined is 50F 2 , and the capacitance switching element using the oxide semiconductor is formed in the half area 25F 2 , the channel width is F. The channel length can be 25F. If F is 40 nm, the channel length is 1 m.

또한, 용량 소자도 위상 반전 소자의 상방에 중첩하여 형성되는 것이 바람직하며, 용량용 스위칭 소자와 동일한 층에 형성되어도 좋고, 상이한 층에 형성해도 좋다. 동일한 층에 형성하면 용량용 스위칭 소자를 위한 영역과 용량 소자를 위한 영역을 형성할 필요가 있지만, 제작 공정을 간략화할 수 있다. 한편, 상이한 층에 형성하면, 제작 공정은 여분으로 더 필요하지만, 집적도를 높이거나, 용량 소자를 위해 사용되는 면적을 크게 할 수 있어 용량 소자의 유전체를 용량용 스위칭 소자의 게이트 절연물과 상이한 것으로 하는 것 등에 의해, 보다 용량을 향상시키는 것도 가능하다.In addition, it is preferable that the capacitor element is also formed to overlap the phase inversion element, and may be formed in the same layer as the capacitor switching element, or may be formed in a different layer. If formed on the same layer, it is necessary to form the region for the capacitive switching element and the region for the capacitive element, but the manufacturing process can be simplified. On the other hand, if formed in different layers, an extra manufacturing process is required, but it is possible to increase the degree of integration or increase the area used for the capacitor, so that the dielectric of the capacitor is different from the gate insulator of the capacitor for switching. It is also possible to further improve the capacity.

스위칭 소자의 온 저항과 용량 소자의 용량은, 필요로 하는 스위칭 동작의 속도에 따라 결정하면 좋다. 전원의 정지와 회복이라는 목적이면 스위칭에 필요로 하는 시간은, 100μ초 있으면 충분하다. 용도에 따라서는, 100밀리초 이상이라도 좋다. 또한, 스위칭 소자의 오프 저항과 용량 소자의 용량은, 필요로 하는 스위칭 동작의 간격에 따라 결정하면 좋다. 또한, 스위칭 소자의 게이트 용량은, 용량 소자의 용량보다도 커도 좋다.What is necessary is just to determine the ON resistance of a switching element, and the capacitance of a capacitance element according to the speed | rate of the switching operation | movement required. For the purpose of stopping and restoring the power supply, the time required for switching is sufficient to be 100 μs. Depending on the application, 100 milliseconds or more may be sufficient. In addition, what is necessary is just to determine the off resistance of a switching element, and the capacitance of a capacitance element according to the space | interval of switching operation | movement required. In addition, the gate capacitance of the switching element may be larger than that of the capacitor.

또한, 신호 처리 회로는, 상기 기억 장치에 더하여, 기억 장치와 데이터의 교환을 행하는 연산 회로 등의 각종 논리 회로를 가진다. 그리고, 기억 장치에 전원 전압의 공급을 정지하는 동시에, 상기 기억 장치와 데이터의 교환을 행하는 연산 회로로의, 전원 전압의 공급을 정지하도록 해도 좋다.In addition to the storage device, the signal processing circuit includes various logic circuits such as a calculation circuit for exchanging data with the storage device. The supply of the power supply voltage to the storage device may be stopped, and the supply of the power supply voltage to the arithmetic circuit which exchanges data with the storage device may be stopped.

구체적으로, 기억 소자는 2개의 위상 반전 소자와, 용량 소자와 상기 용량 소자에 있어서의 전하의 축적 및 방출을 제어하는 용량용 스위칭 소자를 적어도 가진다. 기억 소자에 입력된 데이터를 포함하는 신호는 제 1 위상 반전 소자의 입력 단자에 주어진다. 제 1 위상 반전 소자의 출력 단자는 제 2 위상 반전 소자의 입력 단자에 접속되어 있다. 제 2 위상 반전 소자의 출력 단자는 제 1 위상 반전 소자의 입력 단자에 접속되어 있다. 제 1 위상 반전 소자의 출력 단자 또는 제 2 위상 반전 소자의 입력 단자의 전위가 신호로서 후단의 기억 소자 또는 다른 회로로 출력된다.Specifically, the memory element has at least two phase inversion elements, a capacitor element, and a capacitor switching element for controlling the accumulation and release of charge in the capacitor. A signal containing data input to the storage element is given to an input terminal of the first phase inversion element. The output terminal of the first phase inversion element is connected to the input terminal of the second phase inversion element. The output terminal of the second phase inversion element is connected to the input terminal of the first phase inversion element. The potential of the output terminal of the first phase inversion element or the input terminal of the second phase inversion element is output as a signal to a storage element or another circuit of a later stage.

상기 위상 반전 소자는 게이트 전극이 서로 접속된 적어도 1개의 P 채널형 트랜지스터와 적어도 1개의 N 채널형 트랜지스터가, VDD와 VSS 사이에 있어서, 직렬로 접속된 구성을 가진다.The phase inversion element has a configuration in which at least one P-channel transistor and at least one N-channel transistor having gate electrodes connected to each other are connected in series between VDD and VSS.

그리고, 용량 소자의 한쪽의 전극은 기억 소자에 입력된 신호의 데이터를 필요에 따라 기억할 수 있도록 상기 신호의 전위가 주어지는 노드에 접속되고, 다른쪽의 전극은 상기 용량용 스위칭 소자에 접속하고 있다.One electrode of the capacitor is connected to a node to which the potential of the signal is given so that the data of the signal input to the storage element can be stored as needed, and the other electrode is connected to the capacitor switching element.

VDD와 VSS 사이에 전원 전압이 주어져 있는 상태에 있어서, 제 1 위상 반전 소자의 입력 단자에 데이터를 포함하는 신호가 입력되면, 제 1 위상 반전 소자 및 제 2 위상 반전 소자에 의해, 그 데이터가 유지된다. 전원 전압의 인가를 정지하기 전에, 상기 용량용 스위칭 소자를 온으로 하고, 신호의 데이터를 용량 소자에 기억시킨다. 상기 구성에 의해, 위상 반전 소자로의 전원 전압의 인가를 정지해도, 기억 소자에 데이터를 유지시키는 것이 가능하다.In a state where a power supply voltage is given between VDD and VSS, when a signal including data is input to an input terminal of the first phase inversion element, the data is held by the first phase inversion element and the second phase inversion element. do. Before the application of the power supply voltage is stopped, the capacitive switching element is turned on and the data of the signal is stored in the capacitive element. With the above configuration, even when the application of the power supply voltage to the phase inversion element is stopped, it is possible to hold the data in the memory element.

그리고, 상기 용량용 스위칭 소자에 사용되는 트랜지스터의 채널 형성 영역은, 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 미결정 실리콘, 또는 화합물 반도체, 예를 들면, 고순도화된 산화물 반도체를 포함하고 있고, 또한, 채널 길이가 충분히 길기 때문에, 오프 전류가 현저하게 낮다고 하는 특성을 가지고 있다.The channel formation region of the transistor used in the capacitor switching element includes amorphous silicon, polysilicon, microcrystalline silicon, or a compound semiconductor, for example, a highly purified oxide semiconductor, and has a sufficient channel length. Since it is long, it has the characteristic that the off current is remarkably low.

또한, 위상 반전 소자에 사용되는 트랜지스터에는, 비정질, 미결정, 다결정, 또는 단결정의, 실리콘, 갈륨비소, 갈륨인, 또는 게르마늄 등의 반도체를 사용할 수 있다. 또한, 상기 트랜지스터에는, 박막의 반도체를 사용하여 제작되어도 좋고, 벌크의 반도체 웨이퍼를 사용하여 제작되어도 좋다. As the transistor used for the phase inversion element, a semiconductor such as silicon, gallium arsenide, gallium, or germanium, which is amorphous, microcrystalline, polycrystalline, or single crystal, can be used. The transistor may be produced using a thin film semiconductor, or may be produced using a bulk semiconductor wafer.

또한, 산화물 반도체는, 적어도 인듐(In) 또는 아연(Zn)을 함유하는 것이 바람직하다. 특히 In과 Zn을 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 전기 특성의 편차를 감소시키기 위한 스테빌라이저로서, 이들 외에 갈륨(Ga)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 주석(Sn)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 하프늄(Hf)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 알루미늄(Al)을 갖는 것이 바람직하다.In addition, the oxide semiconductor preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, it is preferable to contain In and Zn. Moreover, as a stabilizer for reducing the dispersion | variation in the electrical characteristics of the transistor using the said oxide semiconductor, it is preferable to have gallium (Ga) besides these. Further, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Further, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Further, it is preferable to have aluminum (Al) as a stabilizer.

또한, 기타 스테빌라이저로서, 란타노이드인, 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb), 루테튬(Lu) 중 어느 1종 또는 복수종을 가져도 좋다.In addition, as other stabilizers, lanthanoids, lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) Or any one or more of dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu).

예를 들면, 산화물 반도체로서, 산화인듐, 산화주석, 산화아연, 2원계 금속의 산화물인 In-Zn계 산화물, Sn-Zn계 산화물, Al-Zn계 산화물, Zn-Mg계 산화물, Sn-Mg계 산화물, In-Mg계 산화물, In-Ga계 산화물, 3원계 금속의 산화물인 In-Ga-Zn계 산화물(IGZO라고도 표기한다), Sn-Ga-Zn계 산화물, Al-Ga-Zn계 산화물, Sn-Al-Zn계 산화물, In-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Zn계 산화물, In-Hf-Zn계 산화물, In-La-Zn계 산화물, In-Ce-Zn계 산화물, In-Pr-Zn계 산화물, In-Nd-Zn계 산화물, In-Sm-Zn계 산화물, In-Eu-Zn계 산화물, In-Gd-Zn계 산화물, In-Tb-Zn계 산화물,In-Dy-Zn계 산화물, In-Ho-Zn계 산화물, In-Er-Zn계 산화물, In-Tm-Zn계 산화물, In-Yb-Zn계 산화물, In-Lu-Zn계 산화물, 4원계 금속의 산화물인 In-Sn-Ga-Zn계 산화물, In-Hf-Ga-Zn계 산화물, In-Al-Ga-Zn계 산화물, In-Sn-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Hf-Zn계 산화물, In-Hf-Al-Zn계 산화물을 사용할 수 있다.For example, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, In-Zn oxide, Sn-Zn oxide, Al-Zn oxide, Zn-Mg oxide, Sn-Mg which are oxides of binary metals as oxide semiconductors Oxide, In-Mg oxide, In-Ga oxide, In-Ga-Zn oxide (also referred to as IGZO), an oxide of a ternary metal, Sn-Ga-Zn oxide, and Al-Ga-Zn oxide , Sn-Al-Zn oxide, In-Al-Zn oxide, In-Sn-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide, In-La-Zn oxide, In-Ce-Zn oxide, In -Pr-Zn oxide, In-Nd-Zn oxide, In-Sm-Zn oxide, In-Eu-Zn oxide, In-Gd-Zn oxide, In-Tb-Zn oxide, In-Dy -Zn oxide, In-Ho-Zn oxide, In-Er-Zn oxide, In-Tm-Zn oxide, In-Yb-Zn oxide, In-Lu-Zn oxide, quaternary metal oxide Phosphorus In-Sn-Ga-Zn-based oxide, In-Hf-Ga-Zn-based oxide, In-Al-Ga-Zn-based oxide, In-Sn-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Hf-Zn-based oxide , In-Hf-Al-Zn-based oxides can be used The.

또한, 여기에서, 예를 들면, In-Ga-Zn계 산화물이란, In과 Ga와 Zn을 주성분으로서 갖는 산화물이라는 의미이며, In과 Ga와 Zn의 비율은 상관하지 않는다. 또한, In과 Ga와 Zn 이외의 금속 원소가 들어가 있어도 좋다. 또한, 상기 산화물 반도체는, 실리콘이나 유황, 질소 등을 함유하고 있어도 좋다.Here, for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide having In, Ga, and Zn as main components, and the ratio of In, Ga, and Zn does not matter. In addition, metallic elements other than In, Ga, and Zn may be contained. The oxide semiconductor may contain silicon, sulfur, nitrogen, or the like.

또는, 산화물 반도체는, 화학식 InMO3(ZnO)m(m>0)으로 표기되는 것을 사용할 수도 있다. 여기에서, M은, Sn, Ga, Al, Hf 및 Co로부터 선택된 1개 또는 복수의 금속 원소를 나타낸다.Alternatively, an oxide semiconductor may be one represented by the chemical formula InMO 3 (ZnO) m (m> 0). Here, M represents one or a plurality of metal elements selected from Sn, Ga, Al, Hf and Co.

예를 들면, In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3) 또는 In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)의 원자비의 In-Ga-Zn계 산화물이나 그 조성 근방의 산화물을 사용할 수 있다. 또는, In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3), In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2) 또는 In:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)의 원자비의 In-Sn-Zn계 산화물이나 그 조성 근방의 산화물을 사용하면 좋다.For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3) or In: Ga: Zn = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5 In-Ga-Zn-based oxides having an atomic ratio of: 1/5) and oxides in the vicinity of the composition can be used. Or In: Sn: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Sn: Zn = 2: 1: 3 (= 1/3: 1/6: 1 / 2) or an In-Sn-Zn-based oxide having an atomic ratio of In: Sn: Zn = 2: 1: 5 (= 1/4: 1/8: 5/8) or an oxide near its composition may be used. .

그러나, 이들에 한정되지 않고, 필요로 하는 반도체 특성(이동도, 임계값, 편차 등)에 따라 적절한 조성의 것을 사용하면 좋다. 또한, 필요로 하는 반도체 특성을 얻기 위해서, 캐리어 밀도나 불순물 농도, 결함 밀도, 금속 원소와 산소의 원자수비, 원자간 결합 거리, 밀도 등을 적절한 것으로 하는 것이 바람직하다.However, the present invention is not limited to these, and those having an appropriate composition may be used in accordance with required semiconductor characteristics (mobility, threshold value, deviation, and the like). Moreover, in order to acquire the required semiconductor characteristic, it is preferable to make carrier density, impurity concentration, defect density, atomic ratio of a metal element and oxygen, bond distance between atoms, density, etc. into an appropriate thing.

예를 들면, In-Sn-Zn계 산화물에서는 비교적 용이하게 높은 이동도가 얻어진다. 그러나, In-Ga-Zn계 산화물에서도, 벌크내 결함 밀도를 저감시킴으로써 이동도를 높일 수 있다.For example, in In—Sn—Zn-based oxides, high mobility can be obtained relatively easily. However, even in an In—Ga—Zn-based oxide, mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk.

또한, 예를 들면, In, Ga, Zn의 원자수비가 In:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)인 산화물이, 원자수비가 In:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)의 산화물의 근방이다란, a, b, c가,Further, for example, an oxide having an atomic ratio of In, Ga, and Zn of In: Ga: Zn = a: b: c (a + b + c = 1) has an atomic ratio of In: Ga: Zn = A: In the vicinity of the oxide of B: C (A + B + C = 1), a, b, and c are

Figure pat00001
Figure pat00001

을 만족시키는 것을 말한다. r로서는, 예를 들면, 0.05로 하면 좋다. 다른 산화물에서도 마찬가지이다.To satisfy. As r, it is good to set it as 0.05, for example. The same applies to other oxides.

산화물 반도체는 단결정이라도, 비단결정이라도 좋다. 후자의 경우, 비정질이라도, 다결정이라도 좋다. 또한, 비정질 중에 결정성을 갖는 부분을 포함하는 구조라도, 비비정질이라도 좋다.The oxide semiconductor may be single crystal or non-single crystal. In the latter case, it may be amorphous or polycrystalline. Moreover, the structure containing the part which has crystallinity in amorphous, or an amorphous may be sufficient.

비정질 상태의 산화물 반도체는, 비교적 용이하게 평탄한 표면을 얻을 수 있기 때문에, 이것을 사용하여 트랜지스터를 제작했을 때의 계면 산란을 저감시킬 수 있어 비교적 용이하게, 비교적 높은 이동도를 얻을 수 있다.Since the oxide semiconductor in the amorphous state can obtain a flat surface relatively easily, the interfacial scattering when a transistor is fabricated using this can be reduced, and relatively high mobility can be obtained relatively easily.

또한, 결정성을 갖는 산화물 반도체에서는, 보다 벌크내 결함을 저감시킬 수 있어 표면의 평탄성을 높이면 비정질 상태의 산화물 반도체 이상의 이동도를 얻을 수 있다. 표면의 평탄성을 높이기 위해서는, 평탄한 표면 위에 산화물 반도체를 형성하는 것이 바람직하며, 구체적으로는, 평균 면 거칠기(Ra)가 1nm 이하, 바람직하게는 0.3nm 이하, 보다 바람직하게는 0.1nm 이하인 표면 위에 형성하면 좋다.In addition, in oxide semiconductors having crystallinity, defects in bulk can be further reduced, and when the surface flatness is increased, mobility of oxide semiconductors in an amorphous state can be obtained. In order to increase the flatness of the surface, it is preferable to form an oxide semiconductor on a flat surface, specifically, the average surface roughness Ra is formed on the surface of 1 nm or less, preferably 0.3 nm or less, more preferably 0.1 nm or less. Do it.

산화물 반도체는 비교적 높은 이동도(1㎠/Vs 이상, 바람직하게는 10㎠/Vs 이상)의 반도체 특성을 나타내는 금속 산화물이다. 그리고, 전자 공여체(도너)가 되는 수분 또는 수소 등의 불순물 및 산소 결손이 저감되어 고순도화된 산화물 반도체(purified OS)는, I형(진성 반도체, 본 명세서에서는, 캐리어 농도가 1×1012/㎤ 이하인 반도체를 I형이라고 한다) 또는 I형에 매우 가까운(실질적으로 I형) 반도체이다.An oxide semiconductor is a metal oxide exhibiting semiconductor characteristics of relatively high mobility (1 cm 2 / Vs or more, preferably 10 cm 2 / Vs or more). In addition, an oxide semiconductor (purified OS) in which impurities such as moisture or hydrogen, which becomes an electron donor (donor), and oxygen deficiency are reduced and highly purified are I-type (intrinsic semiconductor, in this specification, carrier concentration is 1 × 10 12 / A semiconductor having a cm 3 or less is called an I type) or a semiconductor very close to the I type (substantially I type).

수소 농도에 관해서, 구체적으로는, 2차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의해 측정한 산화물 반도체에 함유되는 수소 농도의 값이, 5×1019/㎤ 이하, 바람직하게는 5×1018/㎤ 이하, 보다 바람직하게는 5×1017/㎤ 이하, 더욱 바람직하게는 1×1016/㎤ 이하가 되도록, 산화물 반도체에 함유되는 수분 또는 수소 등의 불순물을 제거한다. 또한, 산소 결손의 양도 가능한 한 저감시킨다. 이와 같이 진성 반도체로 하는데 있어서 바람직하지 못한 것을 제거하는 것을 고순도화라고 한다.Regarding the hydrogen concentration, specifically, the value of the hydrogen concentration contained in the oxide semiconductor measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) is 5 × 10 19 / cm 3 or less, preferably 5 × Impurities such as water or hydrogen contained in the oxide semiconductor are removed so as to be 10 18 / cm 3 or less, more preferably 5 x 10 17 / cm 3 or less, and more preferably 1 x 10 16 / cm 3 or less. In addition, the amount of oxygen deficiency is also reduced as much as possible. In this way, the removal of the undesirable thing in the intrinsic semiconductor is called high purity.

상기 구성에 의해, 홀 효과 측정에 의해 측정할 수 있는 산화물 반도체막의 캐리어 밀도를 1×1014/㎤ 미만, 바람직하게는 1×1012/㎤ 미만, 더욱 바람직하게는 측정 한계 이하의 1×1011/㎤ 미만으로 할 수 있다. 즉, 산화물 반도체막의 캐리어 밀도를 매우 제로에 가까이 할 수 있다.With this arrangement, the carrier density of the oxide semiconductor film which can be measured by Hall effect measurement is less than 1 × 10 14 / cm 3, preferably less than 1 × 10 12 / cm 3, more preferably 1 × 10 below the measurement limit. It can be made less than 11 / cm 3. That is, the carrier density of the oxide semiconductor film can be very close to zero.

또한, 사용하는 산화물 반도체의 밴드 갭은 2전자볼트 이상 4전자볼트 이하, 바람직하게는 2.5전자볼트 이상 4전자볼트 이하, 보다 바람직하게는 3전자볼트 이상 4전자볼트 이하로 한다. 이와 같이 밴드 갭이 넓고, 수분 또는 수소 등의 불순물 및 산소 결손이 충분히 저감되어 고순도화된 산화물 반도체막을 사용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 낮출 수 있다.The band gap of the oxide semiconductor to be used is 2 electron volts or more and 4 electron volts or less, preferably 2.5 electron volts or more and 4 electron volts or less, and more preferably 3 electron volts or more and 4 electron volts or less. As described above, by using an oxide semiconductor film having a wide band gap, sufficiently reducing impurities such as moisture or hydrogen, and oxygen deficiency, and high purity, the off current of the transistor can be lowered.

여기에서, 산화물 반도체막 중 및 도전막 중의 수소 농도의 분석에 관해서 언급해 둔다. 산화물 반도체막 중 및 도전막 중의 수소 농도 측정은 SIMS으로 행한다. SIMS은, 그 원리상, 시료 표면 근방이나, 재질이 상이한 막과의 적층 계면 근방의 데이터를 정확하게 얻는 것이 곤란한 것이 알려져 있다.Here, the analysis of the hydrogen concentration in the oxide semiconductor film and the conductive film is mentioned. Hydrogen concentration measurement in the oxide semiconductor film and in the conductive film is performed by SIMS. It is known that SIMS is difficult to accurately obtain data in the vicinity of a sample surface or in the vicinity of a laminated interface with a film having a different material.

그래서, 막 중에 있어서의 수소 농도의 두께 방향의 분포를 SIMS으로 분석하는 경우, 대상이 되는 막이 존재하는 범위에 있어서, 값에 극단적인 변동이 없고, 거의 일정한 값이 얻어지는 영역에 있어서의 평균값을 수소 농도로서 채용한다.Therefore, when analyzing the distribution of the thickness direction of the hydrogen concentration in a film | membrane by SIMS, the average value in the area | region where there is no extreme fluctuation in a value and a substantially constant value is obtained in the range in which the target film exists is hydrogen. It is adopted as a concentration.

또한, 측정의 대상이 되는 막의 두께가 작은 경우, 인접하는 막 내의 수소 농도의 영향을 받아 거의 일정한 값이 얻어지는 영역을 찾아낼 수 없는 경우가 있다. 이 경우, 상기 막이 존재하는 영역에 있어서의, 수소 농도의 극대값 또는 극소값을, 상기 막 중의 수소 농도로서 채용한다. 또한, 상기 막이 존재하는 영역에 있어서, 극대값을 나타내는 산형의 피크, 극소값을 나타내는 골짜기형의 피크가 존재하지 않는 경우, 변곡점의 값을 수소 농도로서 채용한다.In addition, when the thickness of the film to be measured is small, it may not be possible to find an area where an almost constant value is obtained under the influence of the hydrogen concentration in the adjacent film. In this case, the maximum or minimum value of the hydrogen concentration in the region where the film exists is employed as the hydrogen concentration in the film. In the region where the film is present, when the peak of the peak having a peak and the valley of the peak having no peak exist, the value of the inflection point is employed as the hydrogen concentration.

또한, 스퍼터링 등으로 성막된 산화물 반도체막 중에는, 불순물인 수분 또는 수소가 다량으로 함유되어 있는 것이 판명되어 있다. 수분 또는 수소는 도너 준위를 형성하기 쉽기 때문에, 산화물 반도체에 있어서는 불순물이다.In addition, it has been found that the oxide semiconductor film formed by sputtering or the like contains a large amount of moisture or hydrogen as impurities. Moisture or hydrogen is an impurity in oxide semiconductors because it is easy to form donor levels.

그래서, 본 발명의 일 형태에서는, 산화물 반도체막 중의 수분 또는 수소 등의 불순물을 저감시키기 위해서, 산화물 반도체막에 대해, 감압 분위기하, 질소나 희가스 등의 불활성 가스 분위기하, 산소 가스 분위기하, 또는 초건조 에어(CRDS(캐비티 링다운 레이저 분광법) 방식의 이슬점계를 사용하여 측정한 경우의 수분량이 20ppm(이슬점 환산으로 -55℃) 이하, 바람직하게는 1ppm 이하, 보다 바람직하게는 10ppb 이하의 공기) 분위기하에서 가열 처리를 행한다.Thus, in one embodiment of the present invention, in order to reduce impurities such as water or hydrogen in the oxide semiconductor film, the oxide semiconductor film is subjected to a reduced pressure atmosphere, an inert gas atmosphere such as nitrogen or a rare gas, an oxygen gas atmosphere, or Ultra-dry air (moisture when measured using a CRDS (cavity ring-down laser spectroscopy) dew point meter is 20 ppm or less (-55 ° C in terms of dew point), preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppm or less ) The heat treatment is performed in an atmosphere.

상기 가열 처리는, 300℃ 이상 850℃ 이하, 바람직하게는 550℃ 이상 750℃ 이하의 온도 범위에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 이 가열 처리는, 사용하는 기판의 내열 온도를 초과하지 않는 것으로 한다. 수분 또는 수소의 가열 처리에 의한 탈리의 효과에 관해서는, TDS(Thermal Desorption Spectrometry; 승온 탈리 가스 분석법)에 의해 확인 완료되었다.It is preferable to perform the said heat processing in the temperature range of 300 degreeC or more and 850 degrees C or less, Preferably it is 550 degreeC or more and 750 degrees C or less. In addition, this heat processing shall not exceed the heat resistance temperature of the board | substrate to be used. The effect of desorption by heat treatment of water or hydrogen was confirmed by TDS (Thermal Desorption Spectrometry).

가열 처리는, 로에서의 열처리 또는 래피드 서멀 어닐법(RTA법)을 사용한다. RTA법은, 램프 광원을 사용하는 방법과, 가열된 가스 중으로 기판을 이동시켜 단시간의 열처리를 행하는 방법이 있다. RTA법을 사용하면 열처리에 필요로 하는 시간을 0.1시간보다도 짧게 할 수도 있다.The heat treatment uses a heat treatment in a furnace or a rapid thermal annealing method (RTA method). The RTA method includes a method using a lamp light source and a method of performing a heat treatment for a short time by moving a substrate in a heated gas. When the RTA method is used, the time required for heat treatment can be made shorter than 0.1 hour.

구체적으로, 상기한 가열 처리 등에 의해 고순도화된 산화물 반도체막을 활성층으로서 사용한 트랜지스터는, 매우 낮은 오프 전류(매우 높은 오프 저항)를 나타낸다. 구체적으로는, 예를 들면, 채널 폭(W)이 1×106㎛(채널 길이(L)는 1㎛)의 소자라도, 드레인 전압(소스 전극과 드레인 전극간의 전압)이 1V일 때의 오프 전류(게이트 전극과 소스 전극간의 전압을 0V 이하로 했을 때의 드레인 전류)를, 반도체 파라미터 애널라이저의 측정 한계 이하, 즉 1×10-13A 이하로 할 수 있다.Specifically, the transistor using the oxide semiconductor film highly purified by the above heat treatment or the like as the active layer exhibits a very low off current (very high off resistance). Specifically, for example, even when an element having a channel width W of 1 × 10 6 μm (the channel length L is 1 μm) is turned off when the drain voltage (voltage between the source electrode and the drain electrode) is 1V. The current (drain current when the voltage between the gate electrode and the source electrode is 0 V or less) can be equal to or less than the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer, that is, 1 x 10 -13 A or less.

이 경우, 오프 전류 밀도(채널 폭 1㎛당 오프 전류)는, 100zA/㎛ 이하이다. 상기한 바와 같은 장채널이면서 협채널인 트랜지스터이면, 오프 전류는 1zA 이하가 된다. 따라서, 고순도화된 산화물 반도체막을 활성층으로서 사용한 트랜지스터는, 오프 전류가, 결정성을 갖는 실리콘을 사용한 트랜지스터에 비해 현저하게 낮다.In this case, off current density (off current per channel width of 1 micrometer) is 100 zA / micrometer or less. If the transistor is a long channel and a narrow channel as described above, the off current is 1 zA or less. Therefore, the transistor using the highly purified oxide semiconductor film as the active layer has a significantly lower off current than the transistor using silicon having crystallinity.

상기 구성을 갖는 트랜지스터를, 용량 소자에 축적된 전하의 방출을 제어하기 위한 용량용 스위칭 소자로서 사용함으로써, 용량 소자로부터의 전하의 리크를 방지할 수 있기 때문에, 전원 전압의 인가가 없는 경우에도, 데이터를 소실시키지 않고 유지하는 것이 가능해진다. 그리고, 용량 소자에 있어서 데이터를 유지하고 있는 기간은, 위상 반전 소자로의 전원 전압의 공급을 행하지 않아도 되기 때문에, 위상 반전 소자에 사용되고 있는 트랜지스터의 오프 전류에 기인하는 소비 전력의 낭비를 삭감할 수 있고, 기억 장치, 나아가서는 기억 장치를 사용한 신호 처리 회로 전체의 소비 전력을 낮게 억제하는 것이 가능해진다.Since the leakage of charge from the capacitor can be prevented by using the transistor having the above structure as a capacitor switching element for controlling the discharge of the charge accumulated in the capacitor, even when no power supply voltage is applied, It is possible to maintain the data without losing it. In the period in which the data is held in the capacitor, it is not necessary to supply the power supply voltage to the phase inversion element, so that waste of power consumption due to the off current of the transistor used in the phase inversion element can be reduced. In addition, it becomes possible to reduce the power consumption of the memory device and further the entire signal processing circuit using the memory device.

또한, 용량용 스위칭 소자의 오프 전류는 용량 소자의 용량과 데이터를 유지하는 시간에 의해 결정된다. 예를 들면, 고순도화된 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터를 용량용 스위칭 소자로 하는 경우에는, 상기한 바와 같이 드레인 전압 1V에서 오프 전류는 1zA 이하로 할 수 있다. 예를 들면, 용량 소자의 용량을 1fF로 하면, 데이터는 1일 이상 유지할 수 있다.Further, the off current of the capacitive switching element is determined by the capacitance of the capacitive element and the time to hold the data. For example, when a transistor using a highly purified oxide semiconductor is used as the capacitance switching element, the off current can be 1 zA or less at a drain voltage of 1 V as described above. For example, when the capacitance of the capacitor is 1fF, data can be held for one or more days.

한편, 데이터의 유지 시간으로서 그다지 장시간이 필요하지 않는 경우도 있다. 예를 들면, 데이터를 1초만 유지하면 된다는 경우라면, 용량 소자의 용량을 1fF로 하면, 오프 전류는 0.1fA 이하이면 된다.On the other hand, a very long time may not be required as the data retention time. For example, in the case where data is to be retained for only 1 second, when the capacitance of the capacitor is 1fF, the off current may be 0.1fA or less.

예를 들면, 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 미결정 실리콘 등에서는, 고순도화된 산화물 반도체와 같이 1zA 이하의 낮은 오프 전류는 실현할 수 없지만, 장채널이면서 협채널로 하거나, 특허문헌 1에 기재되어 있는 것 같이, 반도체층을 얇게 함으로써 오프 전류를 0.1fA 이하로 할 수 있다.For example, in amorphous silicon, polysilicon, microcrystalline silicon and the like, a low off current of 1zA or less, like a highly purified oxide semiconductor, cannot be realized, but it is long channel and narrow channel, or as described in Patent Document 1. By making the semiconductor layer thin, the off current can be made 0.1fA or less.

또한 오프 전류는, 반도체의 이동도에 비례하기 때문에, 이동도가 낮을수록 오프 전류가 낮아진다. 따라서, 폴리 실리콘보다도 비정질 실리콘 쪽이 오프 전류는 낮아진다. 한편 이동도가 낮은 반도체를 사용한 트랜지스터는 스위칭 특성이 떨어지지만, 이것은 본 발명의 일 형태에서는 거의 문제가 되지 않는다. 이것에 관해서는 후술한다.In addition, since the off current is proportional to the mobility of the semiconductor, the lower the mobility, the lower the off current. Therefore, the off current is lower in amorphous silicon than in polysilicon. On the other hand, a transistor using a low mobility semiconductor is inferior in switching characteristics, but this is rarely a problem in one embodiment of the present invention. This will be described later.

상기 구성을 갖는 기억 소자를, 신호 처리 회로가 갖는 레지스터나 캐시 메모리 등의 기억 장치에 사용함으로써, 전원 정지에 의한 기억 장치 내의 데이터의 소실을 방지할 수 있다. 따라서, 신호 처리 회로 전체, 또는 신호 처리 회로를 구성하는 1개 또는 복수의 논리 회로에 있어서, 짧은 시간이라도 전원 정지를 행할 수 있기 때문에, 소비 전력을 억제할 수 있는 신호 처리 회로, 소비 전력을 억제할 수 있는 상기 신호 처리 회로의 구동 방법을 제공할 수 있다.By using the storage element having the above structure in a storage device such as a register or a cache memory included in the signal processing circuit, the loss of data in the storage device due to the power failure can be prevented. Therefore, in one or a plurality of logic circuits constituting the entire signal processing circuit or the signal processing circuit, the power supply can be stopped even for a short time, so that the signal processing circuit and the power consumption can be suppressed. A driving method of the signal processing circuit can be provided.

또한, 전원의 정지와 회복이라는 조작은, 논리 회로의 클록과 비교하면 매우 느린 움직임이라도 좋다. 즉, 스위칭에 필요로 하는 시간은 100μ초 있으면 충분하며, 경우에 따라서는, 1m초 또는 그 이상이라도 좋다. 왜냐하면, 각 기억 소자의 플립플롭 회로에 유지되어 있던 데이터를 용량 소자로 옮기는 과정 또는 그 반대 과정은 모든 기억 소자에서 동시에 행할 수 있기 때문이다. 그러한 저속 동작이면, 장채널이면서 협채널인 트랜지스터라도 충분하다. 또한, 반도체의 이동도도 1㎠/Vs 이상이면 좋다.The operation of stopping and restoring the power supply may be very slow compared to the clock of the logic circuit. In other words, the time required for switching is sufficient to be 100 μsec, and in some cases, 1 m sec or more. This is because the process of transferring data held in the flip-flop circuit of each memory element to the capacitive element or vice versa can be performed simultaneously in all the memory elements. In such low-speed operation, even a long channel and narrow channel transistor are sufficient. In addition, the mobility of the semiconductor may be 1 cm 2 / Vs or more.

일반적으로, 트랜지스터의 온 전류(Ion)와 오프 전류(Ioff), 스위칭에 요하는 시간(τon)과 데이터를 유지하는 시간(τoff) 사이에는,In general, between the on current I on and the off current I off of a transistor, the time τ on required for switching and the time τ off for holding data,

Figure pat00002
Figure pat00002

이라는 관계가 있다. 따라서, 온 전류(Ion)가 오프 전류(Ioff)의 108배이면, τoff는 τon의 106 정도이다.There is a relationship. Therefore, when on current I on is 10 8 times the off current I off , τ off is about 10 6 of τ on .

예를 들면, 용량용 스위칭 소자가 용량 소자에 전하를 취득하는데 요하는 시간으로서 1μ초 필요하다면, 그 용량 소자와 용량용 스위칭 소자는 1초간 데이터를 유지할 수 있다. 만약, 데이터를 유지하는 기간이 1초를 초과하는 경우에는, 유지한 데이터를 위상 반전 소자로 되돌려서 증폭시키고, 그 후, 다시, 용량 소자에 취득하는 조작(리프레쉬)을 1초마다 반복하면 좋다.For example, if 1 μsec is required as the time required for the capacitive switching element to acquire charge in the capacitive element, the capacitive element and the capacitive switching element can hold data for 1 second. If the data holding period exceeds 1 second, the held data may be returned to the phase inversion element and amplified, and then the operation (refresh) to be acquired to the capacitive element may be repeated every second. .

또한, 용량 소자에 관해서도, 용량이 큰 편이 데이터를 플립플롭 회로로 되돌릴 때의 에러가 발생하기 어렵다. 한편, 용량이 크면, 용량 소자와 용량용 스위칭 소자로 구성되는 회로의 응답 속도가 저하된다. 그러나, 상기한 바와 같이, 전원의 정지와 회복이라는 조작은, 논리 회로의 클록 등과 비교하면 매우 느린 움직임이라도 좋기 때문에, 용량이 1pF 이하이면 조금도 방해가 되지 않는다.In the case of the capacitor, the larger the capacitance is less likely to cause an error when the data is returned to the flip-flop circuit. On the other hand, when the capacitance is large, the response speed of the circuit composed of the capacitor and the capacitor switching element is reduced. However, as described above, the operation of stopping and restoring the power supply may be very slow compared to the clock of the logic circuit, and the like, so that if the capacitance is 1 pF or less, it does not interfere at all.

또한, DRAM에 나타나는 바와 같이, 일반적으로 용량 소자의 용량을 크게 하는 경우에는, 용량 소자를 형성하는 것이 곤란해진다. 그러나, 본 발명의 일 형태에서는, 면적이 50F2 이상인 위상 반전 소자 위에 용량 소자를 형성하면 좋기 때문에, 면적이 8F2 이하인 영역에 용량 소자를 형성하는 DRAM과 비교하면 충분히 용이하며, 특수한 제작 방법이 요구되지 않는 플레이너형의 용량 소자라도 좋다. In addition, as shown in DRAM, in general, when the capacitance of the capacitor is increased, it becomes difficult to form the capacitor. However, in one embodiment of the present invention, since the capacitor may be formed on a phase inversion element having an area of 50F 2 or more, it is sufficiently easy to compare with a DRAM in which the capacitor is formed in an area of 8F 2 or less. A planar type capacitor which is not required may be used.

또한, 용량용 스위칭 소자로서 사용하는 트랜지스터를 장채널이면서 협채널로 함으로써 트랜지스터의 오프 전류를 작게 할 수 있고, 또한, 배선의 기생 용량의 영향도 작기 때문에, 용량 소자의 용량은 DRAM에서 사용되는 것(약 30fF)보다 충분히 작아도 좋다.In addition, since the transistor used as the capacitor switching element is a long channel and a narrow channel, the off current of the transistor can be reduced, and the influence of the parasitic capacitance of the wiring is small, so that the capacitance of the capacitor is used in DRAM. It may be smaller than (about 30 fF).

또한 위상 반전 소자로부터 용량 소자로 전하를 옮길 때에, 전하의 이동이 급격하게 일어나면, 위상 반전 소자의 안정성이 손상되어 위상 반전 소자에 유지되어 있던 데이터가 파괴되어 버리는 경우가 있다. 이 때는, 용량 소자에는 잘못된 데이터가 유지되게 된다.In addition, when charge is rapidly moved when transferring charge from the phase inversion element to the capacitor, the stability of the phase inversion element may be impaired, and data held in the phase inversion element may be destroyed. At this time, incorrect data is held in the capacitor.

이러한 문제점을 피하기 위해서는, 용량용 스위칭 소자의 온 전류를 어느 정도 낮게 하면 좋다. 상기한 바와 같이 장채널이면서 협채널인 트랜지스터, 또는, 이동도가 10㎠/Vs 이하인 트랜지스터는 이 목적에 적합하다.In order to avoid such a problem, what is necessary is just to lower the on-current of a capacitive switching element to some extent. As described above, a long channel and narrow channel transistor or a transistor having a mobility of 10 cm 2 / Vs or less is suitable for this purpose.

본 발명의 일 형태에 의해, 데이터를 용량 소자로 퇴피시켜 유지할 수 있어 기억 소자의 전원을 정지할 수 있기 때문에, 기억 소자 내의 위상 반전 소자에 사용하는 트랜지스터의 임계값을 낮게 해도 좋다. 즉, 고속이면서 전력 절약형의 기억 소자가 된다.According to one embodiment of the present invention, data can be retracted and retained by a capacitive element and the power supply of the memory element can be stopped. Therefore, the threshold value of the transistor used for the phase inversion element in the memory element may be lowered. That is, it becomes a high speed and power saving type memory element.

또한, 상기 구성에 있어서는, 위상 반전 소자에 용량 소자의 한쪽의 전극이 접속하고, 다른쪽의 전극에 용량용 스위칭 소자가 접속한다고 하는 구성을 가진다. 이 구성에서는, 용량용 스위칭 소자를 온으로 했을 때의 게이트 전위가, 위상 반전 소자에는 미치지 않는다고 하는 특징이 있다. 이로 인해, 용량용 스위칭 소자가 장채널이고, 이로 인해, 그 게이트 용량이 용량 소자보다도 커도, 위상 반전 소자의 노드에는, 용량용 스위칭 소자의 게이트의 전위의 변동이 미치지 않는다. 예를 들면, 용량용 스위칭 소자의 게이트 용량을 용량 소자의 용량의 5배 이상으로 할 수도 있다.Moreover, in the said structure, it has a structure in which one electrode of a capacitor | capacitance element is connected to a phase inversion element, and a switching element for capacitance is connected to the other electrode. This configuration has a feature that the gate potential when the capacitive switching element is turned on does not reach the phase inversion element. For this reason, the capacitance switching element is a long channel, and therefore, even if the gate capacitance thereof is larger than that of the capacitance element, the node of the phase inversion element does not fluctuate in the potential of the gate of the capacitance switching element. For example, the gate capacitance of the capacitor switching element may be five times or more the capacitance of the capacitor.

도 1a 및 도 1b는 기억 소자의 회로도.
도 2a 및 도 2b는 종래의 기억 소자의 회로도.
도 3a 내지 도 3c는 기억 소자의 회로도.
도 4a 내지 도 4d는 기억 소자의 동작의 예.
도 5a 내지 도 5c는 기억 소자의 동작의 예.
도 6a 내지 도 6c는 기억 소자의 동작의 예.
도 7a 내지 도 7d은 기억 소자의 구조를 설명하는 상면도.
도 8a 및 도 8b는 기억 소자의 구조를 설명하는 단면도.
도 9a 및 도 9b는 기억 소자를 사용한 신호 처리 회로 및 CPU의 블록도.
1A and 1B are circuit diagrams of a memory element.
2A and 2B are circuit diagrams of a conventional memory element.
3A to 3C are circuit diagrams of a memory element.
4A to 4D are examples of the operation of the memory element.
5A to 5C are examples of the operation of the memory element.
6A to 6C are examples of the operation of the memory element.
7A to 7D are top views illustrating the structure of the memory element.
8A and 8B are cross-sectional views illustrating the structure of the memory element.
9A and 9B are block diagrams of a signal processing circuit and a CPU using a memory element.

이하에서는, 본 발명의 실시형태에 관해서 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 설명으로 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 그 범위에서 일탈하지 않고 그 형태 및 상세를 다양하게 변경할 수 있는 것은, 당업자라면 용이하게 이해된다. 따라서, 본 발명은, 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용으로 한정하여 해석되는 것은 아니다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described in detail using drawing. However, this invention is not limited to the following description, It is easily understood by those skilled in the art that the form and detail can be changed in various ways, without deviating from the meaning and range of this invention. Therefore, this invention is not interpreted limited to the description content of embodiment shown below.

또한, 본 명세서에 있어서 접속이란 전기적인 접속을 의미하고 있고, 전류, 전압 또는 전위가, 공급 가능, 또는 전송 가능한 상태에 상당한다. 따라서, 접속하고 있는 상태란, 직접 접속하고 있는 상태를 반드시 가리키는 것은 아니고, 전류, 전압 또는 전위가, 공급 가능, 또는 전송 가능하도록, 배선, 저항 등의 회로 소자를 개재하여 간접적으로 접속하고 있는 상태도, 그 범주에 포함한다.In addition, in this specification, a connection means an electrical connection and a current, a voltage, or an electric potential corresponds to the state which can supply or can transmit. Therefore, the connected state does not necessarily refer to a directly connected state, but is a state in which a current, a voltage, or a potential is indirectly connected through a circuit element such as a wiring or a resistor such that a current, a voltage, or a potential can be supplied or transmitted. Also included in that category.

또한, 회로도상으로는 독립되어 있는 구성 요소끼리가 접속하고 있는 것처럼 도시되어 있는 경우라도, 실제로는, 예를 들면 배선의 일부가 전극으로서도 기능하는 경우 등, 하나의 도전막이, 복수의 구성 요소의 기능을 함께 가지고 있을 뿐인 경우도 있다. 본 명세서에 있어서 접속이란, 이러한, 하나의 도전막이, 복수의 구성 요소의 기능을 함께 가지고 있는 경우도, 그 범주에 포함시킨다.In addition, even if the components are shown as if they are connected to each other on the circuit diagram, in practice, one conductive film, for example, a part of the wiring also functions as an electrode, functions of a plurality of components. Sometimes you just have it together. In this specification, a connection includes even if such one electrically conductive film also has the function of a some component, in the category.

또한, 트랜지스터가 갖는 소스 전극과 드레인 전극은, 트랜지스터의 극성 및 각 전극에 주어지는 전위의 고저에 따라, 그 호칭이 바뀐다. 일반적으로, N 채널형 트랜지스터에서는, 낮은 전위가 주어지는 전극이 소스 전극이라고 불리고, 높은 전위가 주어지는 전극이 드레인 전극이라고 불린다. 또한, P 채널형 트랜지스터에서는, 낮은 전위가 주어지는 전극이 드레인 전극이라고 불리고, 높은 전위가 주어지는 전극이 소스 전극이라고 불린다.The source and drain electrodes of the transistor change their names according to the polarity of the transistor and the level of the potential given to each electrode. In general, in an N-channel transistor, an electrode to which a low potential is given is called a source electrode, and an electrode to which a high potential is given is called a drain electrode. In the P-channel transistor, an electrode to which a low potential is given is called a drain electrode, and an electrode to which a high potential is given is called a source electrode.

본 명세서에서는, 편의상, 소스 전극과 드레인 전극이 고정되어 있는 것으로 가정하고, 트랜지스터의 접속 관계를 설명하는 경우가 있는데, 실제로는 상기 전위의 관계에 따라 소스 전극과 드레인 전극의 호칭이 바뀐다.In the present specification, for convenience, it is assumed that the source electrode and the drain electrode are fixed, and there is a case where the connection relationship between the transistors is described.

또한, 본 명세서에 있어서, 트랜지스터가 직렬로 접속되어 있는 상태란, 제 1 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극의 어느 한쪽만이, 제 2 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극의 어느 한쪽에만 접속되어 있는 상태를 의미한다. 또한, 트랜지스터가 병렬로 접속되어 있는 상태란, 제 1 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극의 어느 한쪽이, 제 2 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극의 어느 한쪽에 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극의 다른쪽이 제 2 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극의 다른쪽에 접속되어 있는 상태를 의미한다.In this specification, the state in which the transistors are connected in series means a state in which only one of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is connected to only one of the source electrode and the drain electrode of the second transistor. it means. In the state where the transistors are connected in parallel, one of the source and drain electrodes of the first transistor is connected to one of the source and drain electrodes of the second transistor, and the source and drain of the first transistor are connected. It means the state in which the other side of the electrode is connected to the other side of the source electrode and the drain electrode of a 2nd transistor.

또한, 마이크로 프로세서, 화상 처리 회로, DSP(Digital Signal Processor), 마이크로 컨트롤러를 포함하는 LSI(Large Scale Integrated Circuit) 등의 집적 회로가, 본 발명의 신호 처리 회로의 범주에 포함되지만 이들에 한정되지 않는다.In addition, integrated circuits such as microprocessors, image processing circuits, digital signal processors (DSPs), and large scale integrated circuits (LSIs) including microcontrollers are included in the scope of the signal processing circuit of the present invention, but are not limited thereto. .

(실시형태 1)(Embodiment 1)

본 발명의 일 형태에 따르는 기억 장치는, 1비트의 데이터를 기억할 수 있는 기억 소자를, 1개 또는 복수 가진다. 도 1a에, 본 발명의 기억 장치가 갖는 기억 소자의 회로도의 일례를 도시한다. 도 1a에 도시하는 기억 소자(100)는, 입력된 신호의 위상을 반전시켜 출력하는 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)와, 스위칭 소자(103)와와 스위칭 소자(104)와, 용량 소자(105)와, 용량용 스위칭 소자(106)를 적어도 가진다.The storage device of one embodiment of the present invention has one or more memory elements capable of storing one bit of data. In FIG. 1A, an example of the circuit diagram of the memory element which the memory device of this invention has is shown. The memory element 100 shown in FIG. 1A includes a first phase inversion element 101 and a second phase inversion element 102, a switching element 103, and a switching element (inverting and outputting a phase of an input signal). 104, the capacitor 105, and the capacitor switching element 106 for at least.

기억 소자(100)에 입력된 데이터를 포함하는 신호(IN)는, 스위칭 소자(103)를 개재하여 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자에 주어진다. 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자는, 제 2 위상 반전 소자(102)의 입력 단자에 접속되어 있다. 제 2 위상 반전 소자(102)의 출력 단자는, 스위칭 소자(104)를 개재하여, 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자에 접속되어 있다.The signal IN including the data input to the storage element 100 is given to the input terminal of the first phase inversion element 101 via the switching element 103. The output terminal of the first phase inversion element 101 is connected to the input terminal of the second phase inversion element 102. The output terminal of the second phase inversion element 102 is connected to the input terminal of the first phase inversion element 101 via the switching element 104.

제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자 또는 제 2 위상 반전 소자(102)의 입력 단자의 전위가, 신호(OUT)로서 후단의 기억 소자, 또는 다른 회로로 출력된다. 여기에서, 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자의 노드를 제 1 노드(N1), 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자의 노드를 제 2 노드(N2)로 한다.The potential of the output terminal of the first phase inversion element 101 or the input terminal of the second phase inversion element 102 is output as a signal OUT to a storage element at a later stage or another circuit. Here, the node of the input terminal of the first phase inversion element 101 is the first node N1, and the node of the output terminal of the first phase inversion element 101 is the second node N2.

또한, 도 1a에서는, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)로서 인버터를 사용하는 예를 도시하고 있지만, 제 1 위상 반전 소자(101) 또는 제 2 위상 반전 소자(102)로서, 인버터 이외에, 클록드 인버터를 사용할 수도 있다.In addition, although the example which uses an inverter as the 1st phase inversion element 101 and the 2nd phase inversion element 102 is shown in FIG. 1A, the 1st phase inversion element 101 or the 2nd phase inversion element 102 is shown. In addition to the inverter, a clocked inverter may be used.

용량 소자(105)는 기억 소자(100)에 입력된 신호(IN)의 데이터를 필요에 따라 기억할 수 있도록, 기억 소자(100)의 입력 단자, 즉 신호(IN)의 전위가 주어지는 제 1 노드(N1)에 접속되어 있다. 구체적으로, 용량 소자(105)는, 한 쌍의 전극간에 유전체를 갖는 콘덴서이며, 그 한쪽의 전극은 제 1 노드(N1)에 접속되고, 다른쪽의 전극은 용량용 스위칭 소자(106)의 한쪽의 전극에 접속된다. 용량 소자(105)와 용량용 스위칭 소자(106)가 접속하는 노드를 제 3 노드(N3)로 한다.The capacitive element 105 includes a first node to which the potential of the input terminal of the memory element 100, that is, the signal IN, is stored so that data of the signal IN input to the memory element 100 can be stored as needed. N1). Specifically, the capacitor 105 is a capacitor having a dielectric between a pair of electrodes, one of which is connected to the first node N1, and the other of which is one of the capacitor switching elements 106. Is connected to the electrode. A node to which the capacitor 105 and the capacitor switching element 106 connect is referred to as a third node N3.

용량용 스위칭 소자(106)의 다른쪽의 전극은, 전위(VCC)가 주어져 있는 노드에 접속되어 있다.The other electrode of the capacitor switching element 106 is connected to a node to which the potential VCC is given.

또한, 용량용 스위칭 소자(106)에는, 고순도화된 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 갖는 트랜지스터를 사용하고 있다.In the capacitor switching element 106, a transistor having a highly purified oxide semiconductor in a channel formation region is used.

또한, 기억 소자(100)는, 필요에 따라, 다이오드, 저항 소자, 인덕터, 커패시터 등 그 밖의 회로 소자를, 또한 갖고 있어도 좋다.In addition, the memory element 100 may further have other circuit elements, such as a diode, a resistance element, an inductor, and a capacitor, as needed.

이어서, 도 1a에 도시한 기억 소자의, 보다 구체적인 회로도의 일례를, 도 1b에 도시한다. 도 1b에 도시하는 기억 소자(100)는, 제 1 위상 반전 소자(101)와, 제 2 위상 반전 소자(102)와, 스위칭 소자(103)와, 스위칭 소자(104)와, 용량 소자(105)와, 용량용 스위칭 소자(106)를 가지고 있고, 이들 회로 소자의 접속 구성은 도 1a와 동일하다.Next, an example of a more specific circuit diagram of the memory element shown in FIG. 1A is shown in FIG. 1B. The storage element 100 shown in FIG. 1B includes a first phase inversion element 101, a second phase inversion element 102, a switching element 103, a switching element 104, and a capacitor 105. ) And a capacitor switching element 106, and the connection structure of these circuit elements is the same as that of FIG. 1A.

그리고, 도 1b에 있어서 제 1 위상 반전 소자(101)는, 게이트 전극이 서로 접속된 P 채널형 트랜지스터(107)와, N 채널형 트랜지스터(108)가 VDD와 VSS 사이에 있어서, 직렬로 접속된 구성을 가진다. 구체적으로는, P 채널형 트랜지스터(107)의 소스 전극이 VSS에 접속되고, N 채널형 트랜지스터(108)의 소스 전극이 VDD에 접속된다. 또한, P 채널형 트랜지스터(107)의 드레인 전극과, N 채널형 트랜지스터(108)의 드레인 전극이 접속되어 있고, 상기 2개의 드레인 전극의 전위는, 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자의 전위로 간주할 수 있다. 또한, P 채널형 트랜지스터(107)의 게이트 전극, 및 N 채널형 트랜지스터(108)의 게이트 전극의 전위는, 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자의 전위로 간주할 수 있다.In FIG. 1B, the first phase inversion element 101 includes a P-channel transistor 107 in which gate electrodes are connected to each other, and an N-channel transistor 108 in series between VDD and VSS. Has a configuration. Specifically, the source electrode of the P-channel transistor 107 is connected to VSS, and the source electrode of the N-channel transistor 108 is connected to VDD. In addition, the drain electrode of the P-channel transistor 107 and the drain electrode of the N-channel transistor 108 are connected, and the potentials of the two drain electrodes are connected to the output terminal of the first phase inversion element 101. Can be regarded as a potential. The potential of the gate electrode of the P-channel transistor 107 and the gate electrode of the N-channel transistor 108 can be regarded as the potential of the input terminal of the first phase inversion element 101.

또한, 도 1b에 있어서 제 2 위상 반전 소자(102)는, 게이트 전극이 서로 접속된 P 채널형 트랜지스터(109)와 N 채널형 트랜지스터(110)가 VDD와 VSS 사이에 있어서, 직렬로 접속된 구성을 가진다. 구체적으로는, P 채널형 트랜지스터(109)의 소스 전극이 VDD에 접속되고, N 채널형 트랜지스터(110)의 소스 전극이 VSS에 접속된다. 또한, P 채널형 트랜지스터(109)의 드레인 전극과 N 채널형 트랜지스터(110)의 드레인 전극이 접속되어 있고, 상기 2개의 드레인 전극의 전위는, 제 2 위상 반전 소자(102)의 출력 단자의 전위로 간주할 수 있다. 또한, P 채널형 트랜지스터(109)의 게이트 전극, 및 N 채널형 트랜지스터(110)의 게이트 전극의 전위는, 제 2 위상 반전 소자(102)의 입력 단자의 전위로 간주할 수 있다.In addition, in FIG. 1B, the second phase inversion element 102 is configured such that a P-channel transistor 109 and an N-channel transistor 110 having gate electrodes connected to each other are connected in series between VDD and VSS. Has Specifically, the source electrode of the P-channel transistor 109 is connected to VDD, and the source electrode of the N-channel transistor 110 is connected to VSS. The drain electrode of the P-channel transistor 109 and the drain electrode of the N-channel transistor 110 are connected, and the potentials of the two drain electrodes are the potentials of the output terminals of the second phase inversion element 102. Can be regarded as. The potential of the gate electrode of the P-channel transistor 109 and the gate electrode of the N-channel transistor 110 can be regarded as the potential of the input terminal of the second phase inversion element 102.

또한, 도 1b에서는, 스위칭 소자(103)로서 1개의 트랜지스터를 사용하고 있는 경우를 예시하고 있고, 상기 트랜지스터는, 그 게이트 전극에 주어지는 신호(Sig1)에 의해 스위칭이 제어된다. 또한, 스위칭 소자(104)로서 1개의 트랜지스터를 사용하고 있는 경우를 예시하고 있고, 상기 트랜지스터는, 그 게이트 전극에 주어지는 신호(Sig2)에 의해 스위칭이 제어된다.In addition, in FIG. 1B, the case where one transistor is used as the switching element 103 is illustrated, and switching of the said transistor is controlled by the signal Sig1 supplied to the gate electrode. Moreover, the case where one transistor is used as the switching element 104 is illustrated, and switching of the said transistor is controlled by the signal Sig2 supplied to the gate electrode.

또한, 도 1b에서는, 스위칭 소자(103)와, 스위칭 소자(104)가, 각각 트랜지스터를 1개만 갖는 구성을 도시하고 있지만, 본 발명은 이 구성으로 한정되지 않는다. 본 발명의 일 형태에서는, 스위칭 소자(103) 또는 스위칭 소자(104)가, 트랜지스터를 복수 갖고 있어도 좋다. In addition, although FIG. 1B shows the structure which the switching element 103 and the switching element 104 each have only one transistor, this invention is not limited to this structure. In one embodiment of the present invention, the switching element 103 or the switching element 104 may have a plurality of transistors.

스위칭 소자(103) 또는 스위칭 소자(104)가, 스위칭 소자로서 기능하는 트랜지스터를 복수 가지고 있는 경우, 상기 복수의 트랜지스터는 병렬로 접속되어 있어도 좋고, 직렬로 접속되어 있어도 좋고, 직렬과 병렬이 조합되어 접속되어 있어도 좋다.When the switching element 103 or the switching element 104 has a plurality of transistors functioning as switching elements, the plurality of transistors may be connected in parallel, may be connected in series, or a combination of series and parallel You may be connected.

또한, 복수의 트랜지스터를 병렬로 접속하는 경우, 이들의 극성을 상이한 것으로 해도 좋고, 예를 들면, N 채널형 트랜지스터와 P 채널형 트랜지스터를 병렬로 접속한, 소위 트랜스퍼 게이트 구조로 해도 좋다.In the case where a plurality of transistors are connected in parallel, these polarities may be different, for example, a so-called transfer gate structure in which an N-channel transistor and a P-channel transistor are connected in parallel.

또한, 도 1b에서는, 용량용 스위칭 소자(106)로서, 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 갖는 트랜지스터를 사용하고 있고, 상기 트랜지스터는, 그 게이트 전극에 주어지는 신호(Sig3)에 의해 스위칭이 제어된다. 용량용 스위칭 소자(106)에 사용하는 트랜지스터는, 고순도화된 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 가지고, 또한, 그 채널 길이는, 최소 가공 선폭의 10배 이상, 바람직하게는 20배 이상, 보다 바람직하게는 50배 이상, 또는 1㎛ 이상이기 때문에, 그 오프 전류는, 상기한 바와 같이 현저하게 낮다.In Fig. 1B, a transistor having an oxide semiconductor in the channel formation region is used as the switching element 106 for the capacitor. The switching of the transistor is controlled by a signal Sig3 applied to the gate electrode thereof. The transistor used for the capacitor switching element 106 has a highly purified oxide semiconductor in the channel formation region, and the channel length is 10 times or more, preferably 20 times or more, of the minimum processing line width, more preferably. Since is 50 times or more, or 1 micrometer or more, the off current is remarkably low as mentioned above.

도 1b에서는, 용량용 스위칭 소자(106)가 트랜지스터를 1개만 갖는 구성을 도시하고 있지만, 본 발명은 이 구성으로 한정되지 않는다. 본 발명의 일 형태에서는, 용량용 스위칭 소자(106)가, 트랜지스터를 복수 갖고 있어도 좋다. 용량용 스위칭 소자(106)가, 스위칭 소자로서 기능하는 트랜지스터를 복수 가지고 있는 경우, 상기 복수의 트랜지스터는 병렬로 접속되어 있어도 좋고, 직렬로 접속되어 있어도 좋고, 직렬과 병렬이 조합되어 접속되어 있어도 좋다.In FIG. 1B, the capacitor switching element 106 has only one transistor, but the present invention is not limited to this configuration. In one embodiment of the present invention, the capacitor switching element 106 may have a plurality of transistors. When the capacitance switching element 106 has a plurality of transistors functioning as switching elements, the plurality of transistors may be connected in parallel, may be connected in series, or may be connected in series and in parallel. .

또한, 본 실시형태에서는, 적어도, 용량용 스위칭 소자(106)에 있어서 스위칭 소자로서 사용되는 트랜지스터가, 고순도화된 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 가지고 있으면 좋다.In the present embodiment, at least, the transistor used as the switching element in the capacitor switching element 106 may have a highly purified oxide semiconductor in the channel formation region.

제 1 위상 반전 소자(101), 제 2 위상 반전 소자(102), 스위칭 소자(103), 또는 스위칭 소자(104)에 사용되는 트랜지스터는, 산화물 반도체 이외의, 비정질, 미결정, 다결정, 또는 단결정의, 실리콘, 비화갈륨, 인화갈륨, 인화인듐, 또는 게르마늄 등의 반도체를 사용할 수 있다. 또한, 이러한 트랜지스터는, 박막의 반도체막을 사용하여 제작되어도 좋고, 벌크(반도체 웨이퍼)를 사용하여 제작되어도 좋다.Transistors used in the first phase inversion element 101, the second phase inversion element 102, the switching element 103, or the switching element 104 may be formed of amorphous, microcrystalline, polycrystalline, or single crystals other than oxide semiconductors. Semiconductors such as silicon, gallium arsenide, gallium phosphide, indium phosphide, or germanium can be used. In addition, such a transistor may be manufactured using a thin film semiconductor film, or may be manufactured using a bulk (semiconductor wafer).

도 7a 내지 도 7d를 사용하여 본 실시형태의 기억 소자의 회로 배치예를 설명한다. 도 7a에는 통상의 레지스터의 1개의 기억 소자(300)의 레이아웃을 도시한다. 기억 소자(300)는 도 1a 및 도 1b의 기억 소자(100)에 상당한다. 기억 소자(300)의 주요 부분인 인버터 등은 공지의 반도체 기술을 사용하여 형성하면 좋다. 즉, 반도체 웨이퍼 위에 소자 분리를 위한 절연물(소자 분리 영역), n형 영역 및 p형 영역을 형성하고, 그 위에 게이트층인 제 1 층 배선과, 또한 그 위에 제 2 층 배선을 형성한다.A circuit arrangement example of the memory element of this embodiment will be described with reference to FIGS. 7A to 7D. 7A shows the layout of one memory element 300 of a normal register. The memory element 300 corresponds to the memory element 100 of FIGS. 1A and 1B. An inverter or the like which is a main part of the memory element 300 may be formed using a known semiconductor technology. That is, an insulator (element isolation region), an n-type region, and a p-type region for element isolation are formed on the semiconductor wafer, and the first layer wiring serving as a gate layer and the second layer wiring formed thereon are formed thereon.

제 1 층 배선의 일부는, 신호(Sig1)를 공급하기 위한 Sig1 배선(302)이며, 또한, 일부는 신호(Sig2)를 공급하기 위한 Sig2 배선(303)이다. 또한, 제 2 층 배선의 일부는 노드 VDD에 접속하는 VDD 배선(301)이며, 또한, 일부는 신호(IN)를 입력하기 위한 IN 배선(304)이다. 도 7a에는 상방에 접속하기 위한 컨택트 홀의 위치도 도시한다. 또한, 단결정 반도체 웨이퍼를 사용한 회로에서는, 노드(VSS)는 반도체 웨이퍼에 접속하면 좋다.Part of the first layer wiring is the Sig1 wiring 302 for supplying the signal Sig1, and part of the first layer wiring is the Sig2 wiring 303 for supplying the signal Sig2. Part of the second layer wiring is the VDD wiring 301 connected to the node VDD, and part of the second layer wiring is the IN wiring 304 for inputting the signal IN. Fig. 7A also shows the position of the contact hole for connecting upward. In a circuit using a single crystal semiconductor wafer, the node VSS may be connected to the semiconductor wafer.

또한, 그 상층에는, 도 7b에 도시하는 바와 같이, 제 3 층 배선이 형성되고, 그 일부는 컨택트 홀을 개재하여 제 2 층 배선의 일부와 접속하고, 신호(OUT)를 출력하기 위한 OUT 배선(305)이 된다. 또한, 제 3 층 배선의 일부는 스위칭 소자인 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 게이트 배선(306) 및 제 1 용량 전극(307)이 된다.In addition, as shown in FIG. 7B, a third layer wiring is formed in the upper layer, a part of which is connected to a part of the second layer wiring through a contact hole, and an OUT wiring for outputting a signal OUT. (305). Part of the third layer wirings is the gate wiring 306 and the first capacitor electrode 307 of the transistor using the oxide semiconductor as the switching element.

게이트 배선(306)은, 그 후 형성하는 산화물 반도체 영역(308)의 80% 이상, 바람직하게는 85% 이상, 보다 바람직하게는 90% 이상으로 중첩되도록 형성하면 좋다. 게이트 배선(306)의 일부는, 도 1a 및 도 1b의 용량용 스위칭 소자(106)의 게이트 전극이 된다. 또한, 게이트 배선(306)에는 신호(Sig3)가 공급된다.The gate wiring 306 may be formed to overlap 80% or more, preferably 85% or more, and more preferably 90% or more of the oxide semiconductor region 308 formed thereafter. A part of the gate wiring 306 becomes a gate electrode of the capacitance switching element 106 of FIGS. 1A and 1B. In addition, the signal Sig3 is supplied to the gate wiring 306.

제 1 용량 전극(307)은, 컨택트 홀을 개재하여 제 2 층 배선의 일부(인버터의 어느 하나의 입력 또는 출력)와 접속한다. 또한, 제 1 용량 전극(307)은 그 후, 도 1a 및 도 1b의 용량 소자(105)에 상당하는 소자의 전극의 일부가 된다.The first capacitive electrode 307 is connected to a part of the second layer wiring (either an input or an output of the inverter) via the contact hole. The first capacitor electrode 307 then becomes a part of the electrode of the element corresponding to the capacitor 105 in FIGS. 1A and 1B.

제 3 층 배선 위에는, 산화물 반도체층(OS층)을 형성한다. 도 7c에 도시하는 바와 같이 산화물 반도체층의 일부는, 적어도 1개의 오목부를 가지며, 예를 들면, U자형 형상의 산화물 반도체 영역(308)으로 한다. 그 밖에도, J자형, L자형, V자형, 또는 C자형 형상의 산화물 반도체 영역(308)으로 해도 좋다. 또한, 2개 이상의 오목부를 갖는 형상(예를 들면, M자형, N자형, S자형, W자형, Z자형 외), 또는 그 외의 구부러진 형상이라도 좋다.An oxide semiconductor layer (OS layer) is formed on the third layer wiring. As shown in FIG. 7C, a part of the oxide semiconductor layer has at least one concave portion, and is, for example, a U-shaped oxide semiconductor region 308. In addition, the oxide semiconductor region 308 having a J shape, L shape, V shape, or C shape may be used. Moreover, the shape which has two or more recessed parts (for example, M-shape, N-shape, S-shape, W-shape, Z-shape etc.), or another curved shape may be sufficient.

보다 일반적으로 정의하면, 1개의 기억 소자의 전형적인 길이를 기억 소자의 점유 면적의 평방근으로 정의할 때, 산화물 반도체 영역(308)의 일단에서부터 타단까지의 길이가 상기 전형적인 길이 이상, 바람직하게는 전형적인 길이의 2배 이상, 보다 바람직하게는 5배 이상이면 좋다. 또는, 산화물 반도체 영역(308)의 외주의 길이가 전형적인 길이의 2배 이상, 바람직하게는 4배 이상, 보다 바람직하게는 10배 이상이면 좋다. 또는, 산화물 반도체 영역(308)의 면적을 그 주위의 길이로 나눈 수치가 전형적인 길이의 0.1배 이하이면 좋다.More generally, when the typical length of one memory element is defined as the square root of the occupied area of the memory element, the length from one end to the other end of the oxide semiconductor region 308 is greater than the above typical length, preferably the typical length. 2 times or more, More preferably, it is 5 times or more. Alternatively, the length of the outer circumference of the oxide semiconductor region 308 may be 2 times or more, preferably 4 times or more, more preferably 10 times or more of the typical length. Alternatively, the numerical value obtained by dividing the area of the oxide semiconductor region 308 by the length around it may be 0.1 times or less of the typical length.

이러한 형상으로 함으로써, 산화물 반도체 영역(308)의 일단에서부터 타단까지의 길이를 기억 소자(300)의 긴변보다도 길게 할 수 있다. 예를 들면, 최소 가공 선폭을 F로 할 때, 일단에서부터 타단까지의 길이를 10F 이상, 바람직하게는 20F 이상, 보다 바람직하게는 50F 이상으로 하고, 이러한 형상의 산화물 반도체 영역(308)을 사용하여 형성되는 트랜지스터(도 1a 및 도 1b의 용량용 스위칭 소자(106)에 상당한다)의 채널 길이는 10F 이상, 바람직하게는 20F 이상, 보다 바람직하게는 50F 이상으로 할 수 있다. 도 7c의 경우에는, 산화물 반도체 영역(308)의 일단에서부터 타단까지의 길이는 약 22F이다.By such a shape, the length from one end of the oxide semiconductor region 308 to the other end can be made longer than the long side of the memory element 300. For example, when the minimum processing line width is F, the length from one end to the other end is 10F or more, preferably 20F or more, more preferably 50F or more, and the oxide semiconductor region 308 having such a shape is used. The channel length of the formed transistor (corresponding to the capacitor switching element 106 in Figs. 1A and 1B) can be 10F or more, preferably 20F or more, and more preferably 50F or more. In the case of FIG. 7C, the length from one end to the other end of the oxide semiconductor region 308 is about 22F.

산화물 반도체층 위에는, 도 7d에 도시하는 바와 같이, 제 4 층 배선이 형성된다. 제 4 층 배선의 일부는, 소스 배선(309), 제 2 용량 전극(310)이 된다. 소스 배선(309)은 산화물 반도체 영역(308)의 일단에 접하고, 산화물 반도체 영역에서 형성되는 트랜지스터의 소스 전극이 된다.On the oxide semiconductor layer, as shown in FIG. 7D, a fourth layer wiring is formed. A part of the fourth layer wirings is a source wiring 309 and a second capacitor electrode 310. The source wiring 309 is in contact with one end of the oxide semiconductor region 308 and becomes a source electrode of a transistor formed in the oxide semiconductor region.

제 2 용량 전극(310)은 제 1 용량 전극(307)의 일부와 중첩되어 도 1a 및 도 1b의 용량 소자(105)의 일부가 된다. 도 7d의 경우, 용량 소자의 전극 면적(2개의 전극이 중첩되어 있는 부분의 면적)은 18F2이다. 또한, 제 2 용량 전극(310)은 산화물 반도체 영역(308)의 타단에 접하고, 산화물 반도체 영역에서 형성되는 트랜지스터의 드레인 전극이 된다.The second capacitive electrode 310 overlaps with a portion of the first capacitive electrode 307 to become part of the capacitive element 105 of FIGS. 1A and 1B. In the case of FIG. 7D, the electrode area (area of the portion where two electrodes overlap) of the capacitor is 18F 2 . The second capacitor electrode 310 is in contact with the other end of the oxide semiconductor region 308 and becomes a drain electrode of a transistor formed in the oxide semiconductor region.

도 8a 및 도 8b에는, 도 7a 내지 도 7d의 일점 쇄선 X-Y에 따르는 기억 소자(300)의 단면 구조를 모식적으로 도시한다. 또한, 해칭이 도 7a 내지 도 7d과 동일한 경우에는, 도 8a 및 도 8b에 있어서도 동일한 것을 가리키는 것으로 한다.8A and 8B schematically show the cross-sectional structure of the memory element 300 along the dashed-dotted line X-Y in FIGS. 7A to 7D. In addition, when hatching is the same as FIG. 7A-7D, suppose that the same thing is shown also in FIG. 8A and 8B.

도 8a는, 도 7b의 단계에서의 단면 구조를 도시한다. 반도체 웨이퍼 표면에 소자 분리 영역(311), n형 영역, p형 영역 또한, 제 1 층 배선, 제 2 층 배선으로 회로가 형성된다. n형 영역, p형 영역, 제 1 층 배선과 제 2 층 배선 사이에는, 층간 절연물(312)이 형성되고, 이들 사이에 전기적인 접속이 필요한 경우에는 컨택트 플러그(313)가 형성된다. 또한 상층에는, 제 3 층 배선에 의해 게이트 배선(306)과 제 1 용량 전극(307)이 매립 절연물(314)로 매립된 상태로 형성된다.FIG. 8A shows the cross-sectional structure in the step of FIG. 7B. A circuit is formed on the surface of the semiconductor wafer by the isolation region 311, the n-type region, and the p-type region, and the first layer wiring and the second layer wiring. An interlayer insulator 312 is formed between the n-type region, the p-type region, the first layer wiring and the second layer wiring, and a contact plug 313 is formed when electrical connection is required between them. In the upper layer, the gate wiring 306 and the first capacitor electrode 307 are formed in the state of being filled with the buried insulator 314 by the third layer wiring.

도 8b는, 도 7d의 단계에서의 단면 구조를 도시한다. 도 8a에서 설명한 구조물 위에, 또한 게이트 절연물(315)과 산화물 반도체층(산화물 반도체 영역(308)등) 및 제 4 층 배선(소스 배선(309)이나 제 2 용량 전극(310))을 형성한다. 여기에서, 산화물 반도체층의 두께는 1nm 내지 30nm, 바람직하게는 1nm 내지 10nm, 게이트 절연물(315)의 두께는 2nm 내지 30nm, 바람직하게는 5nm 내지 10nm으로 하면 좋다.FIG. 8B shows the cross-sectional structure in the step of FIG. 7D. On the structure described in FIG. 8A, a gate insulator 315, an oxide semiconductor layer (oxide semiconductor region 308, etc.) and a fourth layer wiring (source wiring 309 or second capacitor electrode 310) are also formed. Here, the thickness of the oxide semiconductor layer is 1 nm to 30 nm, preferably 1 nm to 10 nm, and the thickness of the gate insulator 315 may be 2 nm to 30 nm, preferably 5 nm to 10 nm.

또한 특허문헌 3과 같이, 산화물 반도체층에 접하여 적절한 1개 또는 복수의 일함수가 큰 재료가 접하도록 구성해도 좋다. 이와 같이 하면, 산화물 반도체층을 공핍화할 수 있고, 오프 저항을 높이는데 있어서 효과가 있다.Moreover, like patent document 3, you may comprise so that the material which contact | connects an oxide semiconductor layer and one suitable one or some some large work function may contact | connect. In this manner, the oxide semiconductor layer can be depleted, which is effective in increasing the off resistance.

본 실시형태에 있어서는 산화물 반도체층의 품질이 중시되기 때문에, 고순도화된 산화물 반도체(막)를 사용하면 좋다. 그러한 산화물 반도체(막)의 제작 방법의 상세한 것은 실시형태 4에서 설명한다.In this embodiment, since the quality of an oxide semiconductor layer is important, what is necessary is just to use the highly purified oxide semiconductor (film). The detail of the manufacturing method of such an oxide semiconductor (film) is demonstrated in Embodiment 4. FIG.

이어서, 도 1a에 도시하는 기억 소자의 동작의 일례에 관해서 설명한다. 또한, 이하의 설명 이외의 방법으로 기억 소자를 동작시킬 수도 있다. Next, an example of the operation of the memory element shown in FIG. 1A will be described. In addition, the storage element may be operated by a method other than the following description.

우선, 데이터의 기록시에 있어서, 스위칭 소자(103)는 온, 스위칭 소자(104)는 오프, 용량용 스위칭 소자(106)는 오프로 한다. 그리고, VDD와 VSS 사이에 적절한 전원 전압을 준다.First, at the time of data recording, the switching element 103 is turned on, the switching element 104 is turned off, and the capacitance switching element 106 is turned off. Then, an appropriate power supply voltage is applied between VDD and VSS.

기억 소자(100)에 주어지는 신호(IN)의 전위는, 스위칭 소자(103)를 개재하여 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자에 주어지기 때문에, 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자는, 신호(IN)의 전위의 위상이 반전된 전위가 된다. 그리고, 스위칭 소자(104)를 온으로 하고, 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자와 제 2 위상 반전 소자(102)의 출력 단자를 접속함으로써, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 데이터가 기록된다.Since the potential of the signal IN given to the memory element 100 is given to the input terminal of the first phase inversion element 101 via the switching element 103, the output terminal of the first phase inversion element 101 is provided. Is a potential at which the phase of the potential of the signal IN is inverted. Then, the switching element 104 is turned on and the input terminal of the first phase inversion element 101 and the output terminal of the second phase inversion element 102 are connected, whereby the first phase inversion element 101 and the second Data is recorded in the phase inversion element 102.

이어서, 입력된 데이터의 유지를, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 의해 행하는 경우, 스위칭 소자(104)를 온, 용량용 스위칭 소자(106)를 오프 상태로 한 채로, 스위칭 소자(103)를 오프로 한다. 스위칭 소자(103)를 오프로 함으로써, 입력된 데이터는 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 의해 유지된다. 이때, VDD와 VSS 사이에 전원 전압이 인가되어 있는 상태를 유지한다.Subsequently, when the input data is held by the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102, the switching element 104 is turned on and the capacitance switching element 106 is turned off. In the same manner, the switching element 103 is turned off. By turning off the switching element 103, the input data is held by the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102. At this time, a power supply voltage is maintained between VDD and VSS.

그리고, 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자의 전위에는, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 의해 유지되어 있는 데이터가 반영되어 있다. 따라서, 상기 전위를 판독함으로써, 데이터를 기억 소자(100)로부터 판독할 수 있다.The data held by the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 is reflected in the potential of the output terminal of the first phase inversion element 101. Therefore, by reading the potential, data can be read from the storage element 100.

또한, 데이터의 유지시에 있어서의 소비 전력을 삭감하기 위해서, 입력된 데이터의 유지를, 용량 소자(105)에 있어서 행하는 경우, 우선, 스위칭 소자(103)는 오프, 스위칭 소자(104)는 온으로 한 채, 용량용 스위칭 소자(106)는 온으로 한다. 그리고, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 의해 유지되어 있는 데이터의 값에 알맞은 양의 전하가 용량 소자(105)에 축적됨으로써, 용량 소자(105)로의 데이터의 기록이 행해진다.In addition, in order to reduce the power consumption at the time of data retention, when holding the input data in the capacitance element 105, first, the switching element 103 is turned off and the switching element 104 is turned on. With this, the capacitive switching element 106 is turned on. Then, the amount of charge appropriate to the value of the data held by the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 is accumulated in the capacitor element 105, thereby reducing the amount of data to the capacitor element 105. Recording is done.

용량 소자(105)에 데이터가 기억된 후, 용량용 스위칭 소자(106)를 오프로 함으로써, 용량 소자(105)에 기억된 데이터는 유지된다. 용량용 스위칭 소자(106)를 오프로 한 후에는, VDD와 VSS를 모두 등전위로 한다. 또한, 용량 소자(105)에 데이터가 기억된 후에는, 스위칭 소자(104)를 오프로 해 두어도 좋다.After the data is stored in the capacitor 105, the data stored in the capacitor 105 is retained by turning off the capacitor switching element 106. After the capacitive switching element 106 is turned off, both VDD and VSS are equipotential. In addition, after data is stored in the capacitor 105, the switching element 104 may be turned off.

이상의 조작에 따르는 전위의 변동을, 도 4a 내지 도 4d를 사용하여 설명한다. 여기에서는, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)가 활성일 때의 노드(VDD)의 전위를 +1V, 노드(VSS)의 전위를 0V로 한다. 처음에, 도 4a에 도시되는 바와 같이, 제 1 노드(N1)는 데이터에 따라, +1V 또는 0V이다. 한편, 도시하지 않지만, 제 2 노드(N2)의 전위는 제 1 노드(N1)와는 위상이 반전된 상태이고, 0V 또는 +1V이다. 또한, 용량용 스위칭 소자(106)는 오프이기 때문에, 제 3 노드(N3)는 플로우팅 상태이다. 또한, VCC는 +1V로 한다.The variation of the electric potential according to the above operation is demonstrated using FIG. 4A-FIG. 4D. Here, the potential of the node VDD when the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 are active is + 1V, and the potential of the node VSS is 0V. Initially, as shown in FIG. 4A, the first node N1 is + 1V or 0V, depending on the data. Although not shown, the potential of the second node N2 is in a phase inverted from that of the first node N1 and is 0V or + 1V. In addition, since the capacitance switching element 106 is off, the third node N3 is in a floating state. In addition, VCC is set to + 1V.

다음에, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 용량용 스위칭 소자(106)를 온으로 하면, 제 3 노드(N3)의 전위는 +1V가 된다. 이 때, 제 1 노드(N1)와 제 3 노드(N3)의 전위차에 의해, 용량 소자(105)의 전극간에는 그것에 따른 전하가 축적된다. 즉, 데이터가 용량 소자(105)에 기록된다.Next, as shown in FIG. 4B, when the capacitor switching element 106 is turned on, the potential of the third node N3 becomes + 1V. At this time, due to the potential difference between the first node N1 and the third node N3, charges corresponding thereto are accumulated between the electrodes of the capacitor 105. That is, data is recorded in the capacitive element 105.

다음에, 도 4c에 도시하는 바와 같이, 용량용 스위칭 소자(106)를 오프로 하면, 제 3 노드(N3)의 전위는 +1V 그대로이다.Next, as shown in FIG. 4C, when the capacitance switching element 106 is turned off, the potential of the third node N3 remains at + 1V.

다음에, 도 4d에 도시하는 바와 같이, 노드(VDD)와 노드(VSS)의 전위를 모두 0V로 하면, 제 1 노드(N1)도 0V가 된다. 또한, VCC도 0V로 한다. 그러자, 제 3 노드(N3)의 전위는, 기록된 데이터에 따라 0V 또는 +1V이다. 기록시의 제 1 노드(N1)의 전위가 +1V이면, 이 단계에서 제 3 노드(N3)의 전위는 0V가 되고, 기록시의 제 1 노드(N1)의 전위가 0V이면, 이 단계에서 제 3 노드의 전위는 +1V 그대로이다.Next, as shown in FIG. 4D, when the potentials of the node VDD and the node VSS are both 0V, the first node N1 also becomes 0V. In addition, VCC is also set to 0V. Then, the potential of the third node N3 is 0V or + 1V depending on the recorded data. If the potential of the first node N1 at the time of writing is + 1V, the potential of the third node N3 at this stage is 0V, and if the potential of the first node N1 at the time of writing is 0V, at this stage The potential of the third node remains as + 1V.

입력된 데이터의 유지를 용량 소자(105)에 있어서 행하는 경우에는, VDD와 VSS 사이에 전위차를 인가할 필요가 없기 때문에, 제 1 위상 반전 소자(101)가 갖는 P 채널형 트랜지스터(107) 및 N 채널형 트랜지스터(108), 또는, 제 2 위상 반전 소자(102)가 갖는 P 채널형 트랜지스터(109) 및 N 채널형 트랜지스터(110)를 개재하여 VDD와 VSS 사이에 흐르는 오프 전류를 0에 매우 가깝게 할 수 있다. 따라서, 데이터의 유지시에 있어서의 기억 소자의 오프 전류에 기인하는 소비 전력을 대폭 삭감할 수 있고, 기억 장치, 나아가서는 기억 장치를 사용한 신호 처리 회로 전체의, 소비 전력을 낮게 억제하는 것이 가능해진다.In the case where the input data is held in the capacitor 105, it is not necessary to apply a potential difference between VDD and VSS, so that the P-channel transistors 107 and N of the first phase inversion element 101 have. The off current flowing between VDD and VSS is very close to 0 via the P-channel transistor 109 and the N-channel transistor 110 included in the channel transistor 108 or the second phase inversion element 102. can do. Therefore, the power consumption resulting from the off-current of the memory element at the time of data retention can be reduced significantly, and it becomes possible to suppress the power consumption of the whole signal processing circuit which used the memory | storage device and further the memory device low. .

또한, 용량용 스위칭 소자(106)에 사용되고 있는 트랜지스터는, 고순도화된 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 사용하고 있기 때문에, 그 오프 전류 밀도를, 100zA/㎛ 이하, 바람직하게는 10zA/㎛ 이하, 보다 바람직하게는 1zA/㎛ 이하로 할 수 있다.In addition, since the transistor used for the capacitance switching element 106 uses a highly purified oxide semiconductor in the channel formation region, the off current density is 100 zA / µm or less, preferably 10 zA / µm or less. Preferably, it can be 1 zA / micrometer or less.

장채널이면서 협채널인 트랜지스터이면, 오프 전류는 1zA 이하가 된다. 그 결과, 상기 트랜지스터를 사용한 용량용 스위칭 소자(106)가 오프일 때, 용량 소자(105)에 축적된 전하는 거의 방전되지 않기 때문에, 데이터는 유지된다.In the long channel and narrow channel transistor, the off current is 1 zA or less. As a result, the electric charges accumulated in the capacitor 105 are hardly discharged when the capacitor switching element 106 using the transistor is off, so that data is retained.

다음에, 용량 소자(105)에 기억되어 있는 데이터를 판독하는 경우에 관해서, 도 5a 내지 도 5c를 사용하여 설명한다. 우선, 스위칭 소자(103)를 오프로 한다. 또한, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)도 불활성인 상태로 한다. 예를 들면, VDD와 VSS 모두에, +0.5V의 전위를 주어 두면 좋다.Next, the case where data stored in the capacitor 105 is read will be described with reference to FIGS. 5A to 5C. First, the switching element 103 is turned off. In addition, the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 are also in an inactive state. For example, a potential of +0.5 V may be given to both VDD and VSS.

그리고, 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2)도 전위를 +0.5V로 한다. 이 때 스위칭 소자(104)는 온이라도 오프라도 좋다. 제 1 노드(N1)의 전위가 +0.5V이기 때문에, 제 3 노드(N3)의 전위는 기록된 데이터에 따라 +0.5V 또는 +1.5V 중 어느 하나가 된다. 또한, VCC는 +1V로 한다(도 5a 참조).The first node N1 and the second node N2 also have a potential of + 0.5V. At this time, the switching element 104 may be on or off. Since the potential of the first node N1 is + 0.5V, the potential of the third node N3 becomes either + 0.5V or + 1.5V depending on the recorded data. In addition, VCC is set to + 1V (see Fig. 5A).

다음에, 용량용 스위칭 소자(106)를 온으로 하면, 제 3 노드(N3)의 전위는 +1V가 된다. 이 때, 용량 소자(105)의 한쪽의 전극(용량용 스위칭 소자(106)측의 전극)의 전위가 변동됨으로써, 다른쪽의 전극의 전위도 변동된다. 예를 들면, 당초, 제 3 노드(N3)의 전위가 +0.5V이었다면, 용량용 스위칭 소자(106)를 온으로 함으로써, 제 3 노드(N3)의 전위는 상승하기 때문에, 용량 소자(105)의 다른쪽의 전극(즉, 제 1 노드(N1))의 전위는 상승하는 방향이 된다. 반대로, 당초, 제 3 노드(N3)의 전위가 +1.5V이었다면, 제 3 노드(N3)의 전위는 하강하기 때문에, 용량 소자(105)의 다른쪽의 전극의 전위는 하강하는 방향이 된다.Next, when the capacitance switching element 106 is turned on, the potential of the third node N3 becomes + 1V. At this time, the potential of one electrode of the capacitor 105 (the electrode on the side of the capacitor switching element 106) is changed, so that the potential of the other electrode is also changed. For example, if the potential of the third node N3 was initially + 0.5V, the potential of the third node N3 rises by turning on the capacitor switching element 106, so that the capacitor 105 The potential of the other electrode of the (ie, the first node N1) becomes a rising direction. On the contrary, if the potential of the third node N3 is initially +1.5 V, the potential of the third node N3 will fall, so that the potential of the other electrode of the capacitor 105 is in the direction of falling.

전위의 상승이나 하강의 정도는, 용량 소자(105)의 용량과 제 1 노드(N1)의 기생 용량을 함유하는 용량(111)의 비율로 결정된다. 여기에서는, 기생 용량을 함유하는 용량(111)이 용량 소자(105)의 용량의 4배로 한다. 그러면, 제 1 노드(N1)의 전위는 +0.6V나 +0.4V가 된다. 즉, 기록시의 제 1 노드(N1)의 전위가 +1V이면, +0.6V가 되고, 기록시의 제 1 노드(N1)의 전위가 0V이면, +0.4V가 된다(도 5b참조).The degree of rise or fall of the potential is determined by the ratio of the capacitance of the capacitor 105 and the capacitance 111 containing the parasitic capacitance of the first node N1. Here, the capacitance 111 containing the parasitic capacitance is four times the capacitance of the capacitor 105. Then, the potential of the first node N1 becomes + 0.6V or + 0.4V. That is, if the potential of the first node N1 at the time of writing is + 1V, it is + 0.6V, and if the potential of the first node N1 at the time of writing is 0V, it becomes + 0.4V (see Fig. 5B).

이 때, 용량용 스위칭 소자(106)를 온으로 하기 때문에, 용량용 스위칭 소자(106)의 게이트 용량이 회로에 추가되는데, 용량 소자(105)가 사이에 존재하기 때문에, 그 용량이 아무리 커도, 직접, 제 1 노드(N1)의 전위가 용량용 스위칭 소자(106)의 게이트 전위에 의해 변동되는 경우는 없다.At this time, since the capacitive switching element 106 is turned on, the gate capacitance of the capacitive switching element 106 is added to the circuit, and since the capacitive element 105 is present therebetween, no matter how large the capacitance is, There is no direct change of the potential of the first node N1 by the gate potential of the capacitor switching element 106.

즉, 용량용 스위칭 소자(106)의 게이트 용량이나 게이트 전위의 영향을 받지 않고 제 1 노드(N1)의 전위가 결정된다. 이로 인해, 용량 소자(105)의 용량은 용량용 스위칭 소자(106)의 게이트 용량보다도 작아도 좋다.That is, the potential of the first node N1 is determined without being affected by the gate capacitance or the gate potential of the capacitor switching element 106. For this reason, the capacitance of the capacitor 105 may be smaller than the gate capacitance of the capacitor switching element 106.

그 후, VDD에 +1V를 주고, VSS에 0V를 줌으로써, VDD와 VSS 사이에 전원 전압을 인가한다. 이 과정에서는, 스위칭 소자(104)를 온으로 하는 것이 바람직하다. 이 결과, 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2)의 전위차가 증폭된다. 즉, 도 5b에서 제 1 노드(N1)의 전위가 +0.6V이면, 이 과정에서 제 1 노드(N1)의 전위는 +1V가 되고, 제 2 노드(N2)의 전위는 0V가 된다. 또한, 도 5b에서 제 1 노드(N1)의 전위가 +0.4V이면, 이 과정에서 제 1 노드(N1)의 전위는 0V가 되고, 제 2 노드(N2)의 전위는 +1V가 된다. 즉, 데이터를 기록했을 때의 상태가 복원된다(도 5c 참조).Thereafter, +1 V is applied to VDD and 0 V is applied to VSS, thereby applying a power supply voltage between VDD and VSS. In this process, it is preferable to turn on the switching element 104. As a result, the potential difference between the first node N1 and the second node N2 is amplified. That is, in FIG. 5B, when the potential of the first node N1 is + 0.6V, the potential of the first node N1 becomes + 1V and the potential of the second node N2 becomes 0V in this process. In addition, in FIG. 5B, when the potential of the first node N1 is + 0.4V, the potential of the first node N1 becomes 0V and the potential of the second node N2 becomes + 1V in this process. In other words, the state when data is recorded is restored (see Fig. 5C).

또한, 용량 소자(105)의 용량이, 기생 용량을 함유하는 용량(111)의 용량과 동정도 또는 그 이상이면, 보다 간단하게 데이터를 복원할 수 있다. 예를 들면, 용량 소자(105)의 용량이, 기생 용량을 함유하는 용량(111)의 용량과 동일하면, 도 5b의 단계에서, 제 1 노드의 전위는 +0.75V 또는 +0.25V가 된다. 이로 인해, 예를 들면, 스위칭 소자(104)를 오프로 한 채 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)의 VDD와 VSS 사이에 전원 전압을 인가함으로써, 오동작을 일으키지 않고, 신호를 증폭시키고, 데이터를 복원할 수도 있다. If the capacitance of the capacitor 105 is equal to or greater than the capacitance of the capacitor 111 containing the parasitic capacitance, the data can be restored more simply. For example, if the capacitance of the capacitor 105 is equal to the capacitance of the capacitor 111 containing the parasitic capacitance, the potential of the first node is +0.75 V or +0.25 V in the step of FIG. 5B. For this reason, for example, by applying a power supply voltage between VDD and VSS of the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 with the switching element 104 off, no malfunction occurs. You can also amplify the signal and restore the data.

이상에서는, 용량용 스위칭 소자(106)로서, 고순도화된 산화물 반도체를 사용한 박막 트랜지스터를 사용하는 예를 나타냈지만, 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 미결정 실리콘 등을 사용한 박막 트랜지스터를 사용해도 좋다.In the above, although the example which used the thin-film transistor which used the highly purified oxide semiconductor was shown as the capacitance switching element 106, you may use the thin-film transistor which used amorphous silicon, polysilicon, microcrystalline silicon, etc.

그 경우는, 오프 전류가, 고순도화된 산화물 반도체를 사용한 박막 트랜지스터보다 커지기 때문에, 데이터를 유지하는 시간은 짧아진다. 그러나, 정기적으로 데이터를 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)로 출력하고, 그 후, 데이터를 용량 소자(105)로 되돌리는 조작을 반복하는 것(리프레쉬)에 의해, 데이터를 계속해서 유지할 수 있다.In this case, since the off current is larger than the thin film transistor using the highly purified oxide semiconductor, the time for holding the data is shortened. However, by periodically outputting data to the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102, and then repeating the operation of returning the data to the capacitor element 105 (refresh). , You can keep the data.

또한, 이 경우의 리프레쉬는, DRAM인 경우의 리프레쉬와는 달리, 리프레쉬가 필요한 모든 기억 소자에 있어서 동시에 행할 수 있다. 이로 인해, 전체의 기억 소자가 리프레쉬하는데 필요로 하는 시간은 DRAM인 경우와 비교하여 매우 짧다. 물론, 필요로 하는 블록의 기억 소자별로 순차적으로, 리프레쉬해도 좋다.In addition, the refresh in this case can be performed simultaneously in all memory elements requiring refresh, unlike the refresh in the case of DRAM. For this reason, the time required for the entire memory element to be refreshed is very short compared to the case of DRAM. Of course, refreshing may be performed sequentially for each storage element of a required block.

(실시형태 2)(Embodiment 2)

본 실시형태에서는, 본 발명의 기억 장치가 갖는 기억 소자의, 다른 일례에 관해서 설명한다. 도 1a 및 도 1b에 도시하는 기억 소자(100)는, 용량 소자(105)의 한쪽의 전극이 제 1 노드(N1)에 접속하고 있지만, 그 밖의 부분에 접속하고 있어도 좋다. 예를 들면, 도 3a에 도시하는 기억 소자(100a)와 같이, 용량 소자(105)의 한쪽의 전극이 제 2 노드(N2)에 접속하고 있어도 좋고, 도 3b에 도시하는 기억 소자(100b)와 같이, 용량 소자(105)의 한쪽의 전극이 스위칭 소자(104)와 제 2 위상 반전 소자(102) 사이에 접속하고 있어도 좋다. 즉, 제 1 위상 반전 소자(101)와 제 2 위상 반전 소자(102)의 입력 또는 출력 중 어느 하나와 접속하고 있으면 좋다.In this embodiment, another example of the memory element of the memory device of the present invention will be described. In the memory device 100 shown in FIGS. 1A and 1B, one electrode of the capacitor 105 is connected to the first node N1, but may be connected to another part. For example, as with the memory element 100a shown in FIG. 3A, one electrode of the capacitor 105 may be connected to the second node N2, and the memory element 100b shown in FIG. Similarly, one electrode of the capacitor 105 may be connected between the switching element 104 and the second phase inversion element 102. That is, it is good to connect with either the input or the output of the 1st phase inversion element 101 and the 2nd phase inversion element 102. FIG.

그러한 구조에 있어서의 데이터의 기록이나 판독도 실시형태 1에서 설명한 방법과 같이 행하면 좋다. 어느 구조에 있어서도, 용량용 스위칭 소자(106)가 온이 됨으로써, 게이트 용량이 발생하지만, 이것에 의해, 제 3 노드(N3)의 전위가 변동되는 경우는 없다. 이로 인해, 데이터의 판독시에, 오동작할 확률을 저감시킬 수 있다.The recording and reading of data in such a structure may also be performed in the same manner as described in the first embodiment. In either structure, the gate capacitance occurs when the capacitor switching element 106 is turned on, but the potential of the third node N3 is not changed by this. For this reason, the probability of malfunction when reading data can be reduced.

(실시형태 3)(Embodiment 3)

본 실시형태에서는, 본 발명의 기억 장치가 갖는 기억 소자의, 다른 일례에 관해서 설명한다. 도 3c에, 본 실시형태의 기억 소자의 회로도를 일례로서 도시한다.In this embodiment, another example of the memory element of the memory device of the present invention will be described. 3C shows a circuit diagram of the memory device of this embodiment as an example.

도 3c에 도시하는 기억 소자(100c)는, 입력된 신호의 위상을 반전시켜 출력하는 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)와, 스위칭 소자(103)와, 스위칭 소자(104)와, 제 1 용량 소자(105a)와, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)와, 제 2 용량 소자(105b)와, 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)를 적어도 가진다.The storage element 100c illustrated in FIG. 3C includes a first phase inversion element 101 and a second phase inversion element 102, a switching element 103, and a switching element inverting and outputting a phase of an input signal. And at least 104, a first capacitor 105a, a first capacitor switching element 106a, a second capacitor 105b, and a second capacitor switching element 106b.

기억 소자(100c)에 입력된 데이터를 포함하는 신호(IN)는 스위칭 소자(103)를 개재하여 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자에 주어진다. 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자는 제 2 위상 반전 소자(102)의 입력 단자에 접속되어 있다. 제 2 위상 반전 소자(102)의 출력 단자는 스위칭 소자(104)를 개재하여, 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자에 접속되어 있다. 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자 또는 제 2 위상 반전 소자(102)의 입력 단자의 전위는, 신호(OUT)로서 후단의 기억 소자, 또는 다른 회로로 출력된다.The signal IN including data input to the memory element 100c is given to the input terminal of the first phase inversion element 101 via the switching element 103. The output terminal of the first phase inversion element 101 is connected to the input terminal of the second phase inversion element 102. The output terminal of the second phase inversion element 102 is connected to the input terminal of the first phase inversion element 101 via the switching element 104. The potential of the output terminal of the first phase inversion element 101 or the input terminal of the second phase inversion element 102 is output as a signal OUT to a storage element at a later stage or another circuit.

제 1 용량 소자(105a)의 한쪽의 전극은, 기억 소자(100c)에 입력된 신호(IN)의 데이터를 필요에 따라 기억할 수 있도록 기억 소자(100c)의 입력 단자, 즉 신호(IN)의 전위가 주어지는 제 1 노드(N1)에 접속되어 있다. 또한, 제 1 용량 소자(105a)의 다른쪽의 전극은, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)의 한쪽의 전극에 접속된다. 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)의 다른쪽의 전극은 전위(VCC)가 주어져 있는 노드에 접속되어 있다.One electrode of the first capacitor 105a has an input terminal of the memory element 100c, that is, the potential of the signal IN, so that data of the signal IN input to the memory element 100c can be stored as necessary. Is connected to the first node N1. The other electrode of the first capacitor 105a is connected to one electrode of the switching capacitor 106a for the first capacitor. The other electrode of the first capacitance switching element 106a is connected to a node to which the potential VCC is given.

제 2 용량 소자(105b)의 한쪽의 전극은, 기억 소자(100c)에 입력된 신호(IN)의 데이터를 필요에 따라 기억할 수 있도록 기억 소자(100c)의 출력 단자, 즉 신호(OUT)의 전위가 주어지는 제 2 노드(N2)에 접속되어 있다. 또한, 제 2 용량 소자(105b)의 다른쪽의 전극은, 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)의 한쪽의 전극에도 접속된다. 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)의 다른쪽의 전극은 전위(VCC)가 주어져 있는 노드에 접속되어 있다. 제 2 용량 소자(105b)와 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)가 접속하는 노드를 제 4 노드(N4)로 한다.One electrode of the second capacitor 105b has an output terminal of the memory element 100c, that is, the potential of the signal OUT so that data of the signal IN input to the memory element 100c can be stored as necessary. Is connected to the second node N2. The other electrode of the second capacitor 105b is also connected to one electrode of the second capacitor switching element 106b. The other electrode of the second capacitance switching element 106b is connected to a node to which the potential VCC is given. A node connected between the second capacitor 105b and the second capacitor switching element 106b is referred to as a fourth node N4.

또한, 도 3c에서는, 제 1 위상 반전 소자(101), 제 2 위상 반전 소자(102)로서 인버터를 사용하는 예를 도시하고 있지만, 제 1 위상 반전 소자(101) 또는 제 2 위상 반전 소자(102)로서, 인버터 이외에, 클록드 인버터를 사용할 수도 있다. 또한, 제 1 용량 소자(105a)와 제 2 용량 소자(105b)가, 제 1 위상 반전 소자(101), 제 2 위상 반전 소자(102)와 접속하는 노드는 상기로 한정되지 않고, 서로 위상이 반대인 2개의 노드이면 좋다.In addition, although the example which uses an inverter as the 1st phase inversion element 101 and the 2nd phase inversion element 102 is shown in FIG. 3C, the 1st phase inversion element 101 or the 2nd phase inversion element 102 is shown. In addition to the inverter, a clocked inverter may be used. In addition, the nodes to which the first capacitor 105a and the second capacitor 105b are connected to the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 are not limited to the above, and the phases are mutually different. Two nodes opposite are fine.

또한, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a) 및 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)는 고순도화된 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 갖는 트랜지스터를 사용하고 있다. 제 1 용량용 스위칭 소자(106a) 및 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)는 실시형태 1의 용량용 스위칭 소자(106)와 같이, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)의 상방에 산화물 반도체를 사용하여 형성하고, 최소 가공 선폭을 F로 할 때, 그 채널 길이를 10F 이상, 바람직하게는 20F 이상, 보다 바람직하게는 50F 이상, 또는 1㎛로 하면 좋다.The first capacitor switching element 106a and the second capacitor switching element 106b use a transistor having a highly purified oxide semiconductor in a channel formation region. The first capacitor switching element 106a and the second capacitor switching element 106b are the same as the capacitor switching element 106 of Embodiment 1, and the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 are similar. When the oxide semiconductor semiconductor is formed above the top surface) and the minimum processing line width is F, the channel length is 10F or more, preferably 20F or more, more preferably 50F or more, or 1 µm.

또한, 기억 소자(100c)는, 필요에 따라, 다이오드, 저항 소자, 인덕터, 커패시터 등 그 밖의 회로 소자를, 또한 갖고 있어도 좋다.In addition, the memory element 100c may further have other circuit elements such as a diode, a resistor, an inductor, and a capacitor, as necessary.

이어서, 도 3c에 도시하는 기억 소자의 동작의 일례에 관해서 설명한다. 또한, 이하의 설명 이외의 방법으로 기억 소자를 동작시킬 수도 있다. 이하에서는, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)가 활성일 때의 노드(VDD)의 전위를 +1V, 노드(VSS)의 전위를 0V로 한다.Next, an example of the operation of the memory element shown in FIG. 3C will be described. In addition, the storage element may be operated by a method other than the following description. Hereinafter, the potential of the node VDD when the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 are active is + 1V, and the potential of the node VSS is 0V.

우선, 데이터의 기록시에 있어서, 스위칭 소자(103)는 온, 스위칭 소자(104)는 오프, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)는 오프, 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)는 오프로 한다. 그리고, VDD와 VSS 사이에 전원 전압을 인가한다. 기억 소자(100c)에 주어지는 신호(IN)의 전위는, 스위칭 소자(103)를 개재하여 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자에 주어지기 때문에, 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자는 신호(IN)의 전위의 위상이 반전된 전위가 된다. 그리고, 스위칭 소자(104)를 온으로 하고, 제 1 위상 반전 소자(101)의 입력 단자와 제 2 위상 반전 소자(102)의 출력 단자를 접속함으로써, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 데이터가 기록된다.First, at the time of writing data, the switching element 103 is turned on, the switching element 104 is turned off, the first capacitance switching element 106a is turned off, and the second capacitance switching element 106b is turned off. . Then, a power supply voltage is applied between VDD and VSS. Since the potential of the signal IN given to the memory element 100c is given to the input terminal of the first phase inversion element 101 via the switching element 103, the output terminal of the first phase inversion element 101 is provided. Is the potential at which the phase of the potential of the signal IN is inverted. Then, the switching element 104 is turned on and the input terminal of the first phase inversion element 101 and the output terminal of the second phase inversion element 102 are connected, whereby the first phase inversion element 101 and the second Data is recorded in the phase inversion element 102.

이어서, 입력된 데이터의 유지를, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 의해 행하는 경우, 스위칭 소자(104)를 온, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)를 오프, 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)를 오프의 상태로 한 채로, 스위칭 소자(103)를 오프로 한다. 스위칭 소자(103)를 오프로 함으로써, 입력된 데이터는, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 의해 유지된다. 이 때, VDD와 VSS 사이에 전원 전압이 인가되어 있는 상태를 유지한다.Subsequently, when holding the input data by the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102, the switching element 104 is turned on and the first capacitance switching element 106a is turned off. The switching element 103 is turned off while the second capacitance switching element 106b is turned off. By turning off the switching element 103, the input data is held by the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102. At this time, the power supply voltage is maintained between VDD and VSS.

그리고, 제 1 위상 반전 소자(101)의 출력 단자의 전위에는, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 의해 유지되어 있는 데이터가 반영되어 있다. 따라서, 상기 전위를 판독함으로써, 데이터를 기억 소자(100c)로부터 판독할 수 있다.The data held by the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 is reflected in the potential of the output terminal of the first phase inversion element 101. Thus, by reading the potential, data can be read from the memory element 100c.

또한, 데이터의 유지시에 있어서의 소비 전력을 삭감하기 위해서, 입력된 데이터의 유지를, 제 1 용량 소자(105a), 제 2 용량 소자(105b)에 있어서 행하는 경우에는, 스위칭 소자(103)를 오프, 스위칭 소자(104)를 온, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)를 온, 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)를 온으로 한다.In addition, in order to reduce the power consumption at the time of data retention, when the holding of the input data is performed in the 1st capacitance element 105a and the 2nd capacitance element 105b, the switching element 103 is performed. Off, the switching element 104 is turned on, the 1st capacitance switching element 106a is turned on, and the 2nd capacitance switching element 106b is turned on.

그리고, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a) 및 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)를 개재하여, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)에 유지되어 있는 데이터의 값에 알맞은 양의 전하가, 제 1 용량 소자(105a), 제 2 용량 소자(105b)에 축적됨으로써, 제 1 용량 소자(105a), 제 2 용량 소자(105b)로의 데이터의 기록이 행해진다. 상세한 것은 실시형태 1 또는 도 4a 내지 도 4d를 참조하면 좋다.Then, the value of data held in the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 via the first capacitance switching element 106a and the second capacitance switching element 106b. By charging an appropriate amount of charge in the first capacitor 105a and the second capacitor 105b, data is written to the first capacitor 105a and the second capacitor 105b. See Embodiment 1 or FIGS. 4A to 4D for details.

또한, 제 1 용량 소자(105a)가 갖는 한 쌍의 전극간의 전압과, 제 2 용량 소자(105b)가 갖는 한 쌍의 전극간의 전압은, 그 극성이 반대가 된다.The polarity of the voltage between the pair of electrodes of the first capacitor 105a and the voltage of the pair of electrodes of the second capacitor 105b are reversed.

제 1 용량 소자(105a)에 데이터가 기억된 후, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)를 오프로 함으로써, 제 1 용량 소자(105a)에 기억된 데이터는 유지된다. 또한, 제 2 용량 소자(105b)에 데이터가 기억된 후, 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)를 오프로 함으로써, 제 2 용량 소자(105b)에 기억된 데이터는 유지된다. 제 1 용량용 스위칭 소자(106a), 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)를 오프로 한 후에는, VDD와 VSS에, 예를 들면 0V를 주고 등전위로 한다.After data is stored in the first capacitor 105a, the data stored in the first capacitor 105a is retained by turning off the first capacitor switching element 106a. After the data is stored in the second capacitor 105b, the second capacitor switching element 106b is turned off to hold the data stored in the second capacitor 105b. After the first capacitive switching element 106a and the second capacitive switching element 106b are turned off, for example, 0 V is applied to VDD and VSS to be at an equipotential.

이와 같이, 입력된 데이터의 유지를 제 1 용량 소자(105a) 및 제 2 용량 소자(105b)에 있어서 행하는 경우에는, VDD와 VSS 사이에 전원 전압을 인가할 필요가 없기 때문에, 제 1 위상 반전 소자(101) 또는 제 2 위상 반전 소자(102)의 VDD와 VSS 사이에 흐르는 오프 전류를, 0에 매우 가깝게 할 수 있다. 따라서, 유지시에 있어서의 기억 소자의 오프 전류에 기인하는 소비 전력을 대폭 삭감할 수 있고, 기억 장치, 나아가서는 기억 장치를 사용한 신호 처리 회로 전체의, 소비 전력을 낮게 억제하는 것이 가능해진다.In this way, when the input data is held in the first capacitor 105a and the second capacitor 105b, it is not necessary to apply a power supply voltage between VDD and VSS. The off current flowing between VDD and VSS of the 101 or second phase inversion element 102 can be made very close to zero. Therefore, the power consumption resulting from the off-current of the memory element at the time of holding | maintenance can be reduced significantly, and it becomes possible to suppress the power consumption of the whole signal processing circuit which used a memory | storage device and also the memory device low.

또한, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a) 및 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)에 사용되고 있는 트랜지스터는, 고순도화된 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 사용하고 있기 때문에, 그 오프 전류 밀도를, 100zA/㎛ 이하, 바람직하게는 10zA/㎛ 이하, 보다 바람직하게는 1zA/㎛ 이하로 할 수 있다.In addition, since the transistor used for the 1st capacitance switching element 106a and the 2nd capacitance switching element 106b uses the highly purified oxide semiconductor for the channel formation area, the off-current density is 100zA / Μm or less, Preferably it is 10 zA / micrometer or less, More preferably, it can be 1 zA / micrometer or less.

장채널이면서 협채널인 트랜지스터이면, 오프 전류는 1zA 이하가 된다. 그 결과, 상기 트랜지스터를 사용한 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)가 오프일 때, 제 1 용량 소자(105a)에 축적된 전하는 거의 방전되지 않기 때문에, 데이터는 유지된다. 또한, 상기 트랜지스터를 사용한 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)가 오프일 때, 제 2 용량 소자(105b)에 축적된 전하는 거의 방전되지 않기 때문에, 데이터는 유지된다.In the long channel and narrow channel transistor, the off current is 1 zA or less. As a result, when the first capacitance switching element 106a using the transistor is off, the electric charge accumulated in the first capacitance element 105a hardly discharges, so that data is retained. Further, when the second capacitance switching element 106b using the transistor is off, the electric charge accumulated in the second capacitance element 105b is hardly discharged, so that data is retained.

다음에, 제 1 용량 소자(105a) 및 제 2 용량 소자(105b)에 기억되어 있는 데이터를 판독하는 경우에 관해서, 도 6a 내지 도 6c를 사용하여 설명한다. 우선, 스위칭 소자(103)를 오프로 한다. 또한, 제 1 위상 반전 소자(101) 및 제 2 위상 반전 소자(102)도 불활성인 상태로 한다. 예를 들면, VDD와 VSS에 모두 0V의 전위를 주어 두면 좋다.Next, the case where data stored in the first capacitive element 105a and the second capacitive element 105b is read will be described with reference to FIGS. 6A to 6C. First, the switching element 103 is turned off. In addition, the first phase inversion element 101 and the second phase inversion element 102 are also in an inactive state. For example, a potential of 0 V may be provided to both VDD and VSS.

그리고, 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2)도 전위를 0V로 한다. 이 때 스위칭 소자(104)는 온이라도 오프라도 좋다. 제 1 노드(N1)의 전위가 0V이기 때문에, 제 3 노드(N3)의 전위는 기록된 데이터에 따라 0V 또는 +1V 중 어느 하나가 된다. 또한, 제 4 노드(N4)의 전위는 기록된 데이터에 따라, 제 3 노드와는 반대의 위상이 되고, 0V 또는 +1V 중 어느 하나가 된다. VCC는 +1V로 한다(도 6a 참조).The first node N1 and the second node N2 also have a potential of 0V. At this time, the switching element 104 may be on or off. Since the potential of the first node N1 is 0V, the potential of the third node N3 becomes either 0V or + 1V depending on the recorded data. Further, the potential of the fourth node N4 is in a phase opposite to that of the third node, depending on the recorded data, and becomes either 0V or + 1V. VCC is set to + 1V (see Fig. 6A).

다음에, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)를 온으로 하면, 제 3 노드(N3)의 전위는 +1V가 된다. 이 때, 제 1 용량 소자(105a)의 한쪽의 전극의 전위가 변동됨으로써, 다른쪽의 전극의 전위도 변동된다. 예를 들면, 당초, 제 3 노드(N3)의 전위가 0V이었다면, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)를 온으로 함으로써, 제 3 노드(N3)의 전위는 상승하기 때문에, 제 1 용량 소자(105a)의 다른쪽의 전극(즉, 제 1 노드(N1))의 전위는 상승하는 방향으로 된다. 반대로, 당초, 제 3 노드(N3)의 전위가 +1V이었다면, 제 3 노드(N3)의 전위는 변하지 않고, 제 1 용량 소자(105a)의 다른쪽의 전극의 전위도 변하지 않는다.Next, when the first capacitance switching element 106a is turned on, the potential of the third node N3 becomes + 1V. At this time, when the potential of one electrode of the first capacitor 105a is changed, the potential of the other electrode is also changed. For example, if the potential of the third node N3 is initially 0 V, the potential of the third node N3 rises by turning on the first capacitance switching element 106a, so that the first capacitance element ( The potential of the other electrode (ie, the first node N1) of 105a is in a rising direction. On the contrary, if the potential of the third node N3 is initially + 1V, the potential of the third node N3 does not change, and the potential of the other electrode of the first capacitor 105a does not change.

제 2 용량용 스위칭 소자(106b)를 온으로 함으로써, 제 2 용량 소자(105b)에 있어서도, 상기와 완전히 동일한 것이 일어나고, 결과적으로, 당초, 제 4 노드(N4)의 전위가 +1V이었다면, 제 2 노드(N2)의 전위는 변하지 않으며, 제 4 노드(N4)의 전위가 0V이었다면, 제 2 노드(N2)의 전위는 상승하는 방향이 된다.By turning on the second capacitive switching element 106b, the same thing as the above also occurs in the second capacitive element 105b. As a result, if the potential of the fourth node N4 is initially + 1V, The potential of the two nodes N2 does not change, and if the potential of the fourth node N4 is 0V, the potential of the second node N2 is in a rising direction.

전위의 상승의 정도는, 실시형태 1에서 설명한 바와 같이, 제 1 용량 소자(105a)의 용량과, 제 1 노드(N1)의 기생 용량을 함유하는 용량, 및 제 2 용량 소자(105b)의 용량과, 제 2 노드(N2)의 기생 용량을 함유하는 용량의 비율로 결정된다. 여기에서는, 제 1 노드(N1)의 기생 용량을 함유하는 용량이 제 1 용량 소자(105a)의 용량의 4배이며, 제 2 노드(N2)의 기생 용량을 함유하는 용량이 제 2 용량 소자(105b)의 용량의 4배인 것으로 한다.As described in the first embodiment, the degree of the potential rise is the capacitance of the first capacitor 105a, the capacitance containing the parasitic capacitance of the first node N1, and the capacitance of the second capacitor 105b. And the ratio containing the parasitic capacitance of the second node N2. Here, the capacitance containing the parasitic capacitance of the first node N1 is four times the capacitance of the first capacitor 105a, and the capacitance containing the parasitic capacitance of the second node N2 is the second capacitance element ( It is assumed that it is four times the capacity of 105b).

그렇게 하면, 제 1 노드(N1)의 전위는 +0.1V나 0V, 제 2 노드(N2)의 전위는 0V나 +0.1V가 된다. 즉, 기록시의 제 1 노드(N1)의 전위가 +1V(즉, 기록시의 제 2 노드(N2)의 전위가 0V)이면, 제 1 노드(N1)의 전위는 +0.1V, 제 2 노드(N2)의 전위는 0V가 되고, 기록시의 제 1 노드(N1)의 전위가 0V(즉, 기록시의 제 2 노드(N2)의 전위가 +1V)이면, 제 1 노드(N1)의 전위는 0V, 제 2 노드(N2)의 전위는 +0.1V가 된다(도 6b 참조).Then, the potential of the first node N1 is + 0.1V or 0V, and the potential of the second node N2 is 0V or + 0.1V. That is, if the potential of the first node N1 at the time of writing is + 1V (that is, the potential of the second node N2 at the time of writing is 0V), the potential of the first node N1 is + 0.1V, the second If the potential of the node N2 becomes 0V and the potential of the first node N1 at the time of writing is 0V (that is, the potential of the second node N2 at the time of writing is + 1V), the first node N1 The potential of is 0V and the potential of the second node N2 is + 0.1V (see Fig. 6B).

이 때, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)나 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)를 온으로 하기 때문에, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)나 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)의 게이트 용량이 회로에 추가되는데, 제 1 용량 소자(105a)나 제 2 용량 소자(105b)가 사이에 존재하기 때문에, 이들 용량이 아무리 커도, 직접, 제 1 노드(N1)나 제 2 노드(N2)의 전위가 이들 게이트의 전위에 의해 변동되는 경우는 없다.At this time, since the first capacitance switching element 106a or the second capacitance switching element 106b is turned on, the gate capacitance of the first capacitance switching element 106a or the second capacitance switching element 106b is turned on. In addition to this circuit, since the first capacitive element 105a and the second capacitive element 105b are present therebetween, no matter how large these capacities are, the first node N1 or the second node N2 is directly connected. The potential does not change with the potential of these gates.

즉, 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)나 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)의 게이트 용량이나, 이들 게이트의 전위의 영향을 받지 않고 제 1 노드(N1)나 제 2 노드(N2)의 전위가 결정된다. 이로 인해, 제 1 용량 소자(105a)나 제 2 용량 소자(105b)의 용량은 제 1 용량용 스위칭 소자(106a)나 제 2 용량용 스위칭 소자(106b)의 게이트 용량보다도 작아도 좋다.That is, the potential of the first node N1 or the second node N2 without being affected by the gate capacitance of the first capacitance switching element 106a or the second capacitance switching element 106b or the potential of these gates. Is determined. For this reason, the capacitance of the first capacitor 105a or the second capacitor 105b may be smaller than the gate capacitance of the first capacitor switching element 106a or the second capacitor switching element 106b.

그 후, 스위칭 소자(104)가 온이 된 상태에서, VSS의 전위를 0V로 유지한 채, VDD의 전위를 +1V로까지 상승시킨다(도 6c 참조). 이 결과, 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2)의 전위차가 증폭된다. 즉, 도 6b에서 제 1 노드(N1)의 전위가 +0.1V, 제 2 노드(N2)의 전위가 0V이면, 이 과정에서 제 1 노드(N1)의 전위는 +1V가 되고, 제 2 노드(N2)의 전위는 0V가 된다. 또한, 도 6b에서 제 1 노드(N1)의 전위가 0V, 제 2 노드(N2)의 전위가 +0.1V이면, 이 과정에서 제 1 노드(N1)의 전위는 0V가 되고, 제 2 노드(N2)의 전위는 +1V가 된다. 즉, 데이터를 기록했을 때의 상태가 복원된다.Thereafter, while the switching element 104 is turned on, the potential of VDD is raised to + 1V while the potential of VSS is maintained at 0V (see Fig. 6C). As a result, the potential difference between the first node N1 and the second node N2 is amplified. That is, in FIG. 6B, if the potential of the first node N1 is + 0.1V and the potential of the second node N2 is 0V, the potential of the first node N1 becomes + 1V in this process, and the second node The potential of (N2) becomes 0V. In addition, in FIG. 6B, if the potential of the first node N1 is 0V and the potential of the second node N2 is + 0.1V, the potential of the first node N1 becomes 0V in this process, and the second node ( The potential of N2) becomes + 1V. In other words, the state when data is recorded is restored.

본 실시형태에서는, 실시형태 1에서 필요로 했던 중간 전위(+0.5V)를 사용하지 않고도 데이터를 복원할 수 있다. 본 실시형태에서 개시된 사항은, 다른 실시형태에서 개시된 사항과 적절히 조합하여 실시하는 것이 가능하다.In this embodiment, data can be restored without using the intermediate potential (+ 0.5V) required in the first embodiment. The matter disclosed in this embodiment can be implemented in appropriate combination with the matter disclosed by the other embodiment.

(실시형태 4)(Fourth Embodiment)

본 실시형태에서는, 산화물 반도체막의 형성 방법에 관해서, 도 8b를 참조하여 설명한다. 처음에, 게이트 절연물(315) 위에, 필요한 두께의 산화물 반도체막을 형성한다. 산화물 반도체막은, 희가스(대표적으로는 아르곤) 분위기하, 산소 분위기하, 또는 희가스(예를 들면 아르곤) 및 산소 혼합 분위기하에서 스퍼터링법에 의해 형성할 수 있다. 산화물 반도체막에는, 상기한 바와 같은 산화물 반도체를 사용할 수 있다.In this embodiment, the formation method of an oxide semiconductor film is demonstrated with reference to FIG. 8B. Initially, an oxide semiconductor film of a required thickness is formed on the gate insulator 315. The oxide semiconductor film can be formed by sputtering in a rare gas (typically argon) atmosphere, an oxygen atmosphere, or a rare gas (for example argon) and oxygen mixed atmosphere. The oxide semiconductor as described above can be used for the oxide semiconductor film.

또한, 산화물 반도체막을 스퍼터링법에 의해 성막하기 전에, 아르곤 가스를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 역스퍼터링을 행하여 매립 절연물(314)의 표면에 부착되어 있는 진애를 제거하는 것이 바람직하다. 역스퍼터링이란, 타깃측에 전압을 인가하지 않고, 아르곤 분위기하에서 기판측에 RF 전원을 사용하여 전압을 인가하여 기판 근방에 플라즈마를 형성하여 표면을 개질하는 방법이다. 또한, 아르곤 분위기 대신에 질소, 헬륨 등을 사용해도 좋다. 이 공정은, 표면의 평탄화 효과도 있다. 또한, 아르곤 분위기에 산소, 아산화질소 등을 가한 분위기에서 행해도 좋다. 또한, 아르곤 분위기에 염소, 4불화탄소 등을 가한 분위기에서 행해도 좋다.In addition, before forming the oxide semiconductor film by the sputtering method, it is preferable to perform reverse sputtering to introduce an argon gas to generate plasma to remove dust adhering to the surface of the buried insulator 314. Reverse sputtering is a method of modifying a surface by applying a voltage using an RF power supply to a substrate side in an argon atmosphere without applying a voltage to the target side, thereby forming a plasma in the vicinity of the substrate. In addition, you may use nitrogen, helium, etc. instead of an argon atmosphere. This step also has a surface planarization effect. Moreover, you may carry out in the atmosphere which added oxygen, nitrous oxide, etc. to argon atmosphere. Moreover, you may carry out in the atmosphere which added chlorine, carbon tetrafluorocarbon, etc. to argon atmosphere.

본 실시형태에서는, In(인듐), Ga(갈륨), 및 Zn(아연)을 함유하는 금속 산화물 타깃을 사용한 스퍼터링법에 의해 얻어지는 막 두께 5nm의 In-Ga-Zn계 산화물 비단결정막을, 산화물 반도체막으로서 사용한다. 상기 타깃으로서, 예를 들면, 각 금속의 원자의 조성비가 In:Ga:Zn=1:1:0.5, In:Ga:Zn=1:1:1, 또는 In:Ga:Zn=1:1:2인 금속 산화물 타깃을 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 나중에 가열 처리를 행하여 의도적으로 결정화시키기 때문에, 결정화가 발생하기 쉬운 금속 산화물 타깃을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, In, Ga, 및 Zn을 함유하는 금속 산화물 타깃의 충전율은 90% 이상 100% 이하, 바람직하게는 95% 이상 99.9% 이하이다. 충전율이 높은 금속 산화물 타깃을 사용함으로써, 형성되는 산화물 반도체막 중의 불순물 농도를 저감시킬 수 있고, 전기 특성 또는 신뢰성의 높은 트랜지스터를 얻을 수 있다.In this embodiment, an In-Ga-Zn oxide non-single crystal film having a thickness of 5 nm obtained by a sputtering method using a metal oxide target containing In (indium), Ga (gallium), and Zn (zinc) is an oxide semiconductor. Used as a film. As the target, for example, the composition ratio of atoms of each metal is In: Ga: Zn = 1: 1: 0.5, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, or In: Ga: Zn = 1: 1: Two metal oxide targets can be used. In this embodiment, since it heat-treats later and intentionally crystallizes, it is preferable to use the metal oxide target which crystallization tends to occur. Moreover, the filling rate of the metal oxide target containing In, Ga, and Zn is 90% or more and 100% or less, Preferably they are 95% or more and 99.9% or less. By using the metal oxide target with a high filling rate, the impurity concentration in the oxide semiconductor film formed can be reduced, and the transistor of electrical characteristics or high reliability can be obtained.

감압 상태의 처리실 내에 기판을 유지하고, 처리실 내의 잔류 수분을 제거하면서 수소 및 수분이 제거된 스퍼터링 가스를 도입하고, 금속 산화물을 타깃으로 하여 절연 표면 위에 산화물 반도체막을 성막한다. 성막시에, 기판 온도를 100℃ 이상 600℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 400℃ 이하로 해도 좋다. 기판을 가열하면서 성막함으로써, 성막한 산화물 반도체막에 함유되는 불순물 농도를 저감시키고, 또한, 결정성을 높일 수 있다. 또한, 스퍼터링에 의한 손상이 경감된다. The substrate is held in the process chamber in a reduced pressure state, a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed while introducing residual moisture in the process chamber is introduced, and an oxide semiconductor film is formed on the insulating surface with a metal oxide as a target. At the time of film formation, the substrate temperature may be 100 ° C or more and 600 ° C or less, preferably 200 ° C or more and 400 ° C or less. By forming a film while heating the substrate, the impurity concentration contained in the formed oxide semiconductor film can be reduced, and crystallinity can be increased. In addition, damage due to sputtering is reduced.

처리실 내의 잔류 수분을 제거하기 위해서는, 흡착형의 진공 펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 크라이오 펌프, 이온 펌프, 티타늄 서블리메이션 펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 배기 수단으로서는, 터보 펌프에 콜드 트랩을 가한 것이라도 좋다. 크라이오 펌프를 사용하여 처리실을 배기하면, 예를 들면, 수소 원자, 물(H2O) 등 수소 원자를 함유하는 화합물(바람직하게는 탄소 원자를 함유하는 화합물도) 등이 배기되기 때문에, 상기 처리실에서 성막한 산화물 반도체막에 함유되는 불순물의 농도를 저감시킬 수 있다.In order to remove residual moisture in a process chamber, it is preferable to use a suction type vacuum pump. For example, it is preferable to use a cryopump, an ion pump, and a titanium servation pump. As the exhaust means, a cold trap may be applied to the turbopump. When the process chamber is evacuated using a cryopump, for example, compounds containing hydrogen atoms such as hydrogen atoms and water (H 2 O) (preferably compounds containing carbon atoms) and the like are exhausted. The concentration of impurities contained in the oxide semiconductor film formed in the processing chamber can be reduced.

성막 조건의 일례로서는, 기판과 타깃 사이의 거리를 170mm, 압력 0.4Pa, 직류(DC) 전원 0.5kW, 산소(산소 유량 비율 100%) 분위기하로 한 조건이 적용된다. 또한, 펄스 직류(DC) 전원을 사용하면, 성막시에 발생하는 파티클이라고 불리는 진애를 경감시킬 수 있고, 막 두께 분포도 균일해지기 때문에 바람직하다. 산화물 반도체막은 바람직하게는 1nm 이상 30nm 이하로 한다. 또한, 적용하는 산화물 반도체 재료에 의해 적절한 두께는 상이하며, 재료에 따라 적절히 두께를 선택하면 좋다.As an example of film-forming conditions, the conditions which made the distance between a board | substrate and a target 170 mm, a pressure 0.4Pa, a direct current (DC) power supply 0.5kW, and oxygen (100% of oxygen flow rates) atmospheres apply. In addition, when a pulsed direct current (DC) power supply is used, dust called particle | grains which generate | occur | produce at the time of film-forming can be reduced, and since film thickness distribution becomes uniform, it is preferable. The oxide semiconductor film is preferably 1 nm or more and 30 nm or less. Moreover, an appropriate thickness differs with the oxide semiconductor material to apply, and what is necessary is just to select thickness suitably according to a material.

또한, 산화물 반도체막에 수소, 수산기 및 수분이 가능한 한 함유되지 않도록 하기 위해서, 성막의 전처리로서, 스퍼터링 장치의 예비 가열실에서 기판을 예비 가열하여 기판에 흡착된 수소, 수분 등의 불순물을 탈리하여 배기하는 것이 바람직하다. 또한, 예비 가열의 온도는, 100℃ 이상 600℃ 이하, 바람직하게는 150℃ 이상 300℃ 이하이다. 또한, 예비 가열실에 형성하는 배기 수단은 크라이오 펌프가 바람직하다. 또한, 이 예비 가열의 처리는 생략할 수도 있다.In order to prevent hydrogen, hydroxyl groups and moisture from being contained in the oxide semiconductor film as much as possible, as a pretreatment for film formation, the substrate is preheated in a preheating chamber of a sputtering apparatus to remove impurities such as hydrogen and moisture adsorbed on the substrate. It is preferable to evacuate. Moreover, the temperature of preheating is 100 degreeC or more and 600 degrees C or less, Preferably they are 150 degreeC or more and 300 degrees C or less. In addition, a cryopump is preferable for the exhaust means formed in the preheating chamber. In addition, the process of this preheating can also be abbreviate | omitted.

이어서, 가열 처리를 행하여 산화물 반도체막의 표면으로부터 결정을 성장시킴으로써, 적어도 일부가 결정화되었거나, 또는 단결정으로 된, 산화물 반도체막을 얻는다. 가열 처리의 온도는, 450℃ 이상 850℃ 이하, 바람직하게는 600℃ 이상 700℃ 이하로 한다. 또한, 가열 시간은 1분 이상 24시간 이하로 한다. 결정층은, 표면으로부터 내부를 향하여 결정 성장하고, 2nm 이상 10nm 이하의 평균 두께를 갖는 판상 결정이다. 또한, 표면에 형성되는 결정층은, 그 표면에 a-b면을 가지며, 표면에 대해 수직 방향으로 c축 배향을 하고 있다. 본 실시형태에서는, 가열 처리에 의해 산화물 반도체막 전체를 결정화시켜도 좋다.Subsequently, heat treatment is performed to grow crystals from the surface of the oxide semiconductor film, thereby obtaining an oxide semiconductor film in which at least part of the crystallized or single crystal is obtained. The temperature of heat processing is 450 degreeC or more and 850 degrees C or less, Preferably you may be 600 degreeC or more and 700 degrees C or less. In addition, heating time shall be 1 minute or more and 24 hours or less. The crystal layer is a plate crystal having an average thickness of 2 nm or more and 10 nm or less, with crystal growth growing from the surface toward the inside. In addition, the crystal layer formed on the surface has a-b surface in the surface, and has c-axis orientation in the perpendicular direction with respect to the surface. In this embodiment, the entire oxide semiconductor film may be crystallized by heat treatment.

또한, 가열 처리에 있어서는, 질소, 산소, 또는 헬륨, 네온, 아르곤 등의 희가스에, 물, 수소 등이 함유되지 않는 것이 바람직하다. 또는, 가열 처리 장치에 도입하는 질소, 산소, 또는 헬륨, 네온, 아르곤 등의 희가스의 순도를, 6N(99.9999%) 이상, 바람직하게는 7N(99.99999%) 이상(즉 불순물 농도를 1ppm 이하, 바람직하게는 0.1ppm 이하)으로 하는 것이 바람직하다. 또한, H2O가 20ppm 이하인 건조 공기 분위기하에서 가열 처리를 행해도 좋다. 본 실시형태에서는, 건조 공기 분위기하에서 700℃, 1시간의 가열 처리를 행한다.Moreover, in heat processing, it is preferable that nitrogen, oxygen, or rare gas, such as helium, neon, argon, does not contain water, hydrogen, etc. Alternatively, the purity of nitrogen, oxygen, or rare gases such as helium, neon, and argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (ie, impurity concentration is 1 ppm or less). Preferably 0.1 ppm or less). In addition, the H 2 O may be conducted to a heat treatment under a dry air atmosphere 20ppm or less. In this embodiment, heat processing of 700 degreeC and 1 hour is performed in dry air atmosphere.

또한, 가열 처리 장치는 전기로로 한정되지 않고, 저항 발열체 등의 발열체로부터의 열전도 또는 열복사에 의해, 피처리물을 가열하는 장치를 구비하고 있어도 좋다. 예를 들면, GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal) 장치, LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal) 장치 등의 RTA(Rapid Thermal Anneal) 장치를 사용할 수 있다. LRTA 장치는, 할로겐 램프, 메탈할라이드 램프, 크세논 아크 램프, 카본 아크 램프, 고압 나트륨 램프, 고압 수은 램프 등의 램프로부터 발하는 광(전자파)의 복사에 의해, 피처리물을 가열하는 장치이다. GRTA 장치는, 고온의 가스를 사용하여 가열 처리를 행하는 장치이다. 기체에는, 아르곤 등의 희가스, 또는 질소와 같은, 가열 처리에 의해 피처리물과 반응하지 않는 불활성 기체가 사용된다.In addition, the heat processing apparatus is not limited to an electric furnace, and may be provided with the apparatus which heats a to-be-processed object by heat conduction or heat radiation from a heat generating body, such as a resistance heating body. For example, a Rapid Thermal Anneal (RTA) device such as a Gas Rapid Thermal Anneal (GRTA) device or a Lamp Rapid Thermal Anneal (LRTA) device may be used. An LRTA apparatus is an apparatus which heats a to-be-processed object by the radiation of the light (electromagnetic wave) emitted from lamps, such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, and a high pressure mercury lamp. A GRTA apparatus is an apparatus which heat-processes using high temperature gas. As the gas, a rare gas such as argon or an inert gas that does not react with the object to be processed by heat treatment such as nitrogen is used.

예를 들면, 가열 처리로서, 650℃ 내지 700℃의 고온으로 가열한 불활성 가스 중으로 기판을 이동시켜 넣고, 수분간 가열한 후, 기판을 이동시켜 고온으로 가열한 불활성 가스 중에서 내보내는 GRTA를 행해도 좋다. GRTA를 사용하면 단시간의 고온 가열 처리가 가능해진다.For example, as a heat treatment, the substrate may be moved into an inert gas heated at a high temperature of 650 ° C to 700 ° C, heated for several minutes, and then GRTA may be performed in which the substrate is moved and discharged in an inert gas heated at a high temperature. . GRTA enables short heat treatments at high temperatures.

이어서, 포토리소그래피법을 사용하여 산화물 반도체막의 형상을 실시형태 1에서 설명한 형상으로 가공함으로써, 산화물 반도체 영역(308)을 형성한다. 또한, 이를 위한 레지스트 마스크를 잉크젯법으로 형성해도 좋다. 레지스트 마스크를 잉크젯법으로 형성하면 포토마스크를 사용하지 않기 때문에, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.Next, the oxide semiconductor region 308 is formed by processing the shape of the oxide semiconductor film into the shape described in Embodiment 1 using the photolithography method. Moreover, you may form the resist mask for this by the inkjet method. When the resist mask is formed by the inkjet method, the photomask is not used, and thus manufacturing cost can be reduced.

본 실시형태에서 개시된 사항은, 다른 실시형태에서 개시된 사항과 적절히 조합하여 실시하는 것이 가능하다.The matter disclosed in this embodiment can be implemented in appropriate combination with the matter disclosed by the other embodiment.

(실시형태 5)(Embodiment 5)

도 9a에, 상기 실시형태에서 설명한 기억 소자를 기억 장치로서 사용한, 본 발명의 일 형태에 따르는 신호 처리 회로의 일례를 도시한다. 본 발명의 일 형태에 따르는 신호 처리 회로는, 1개 또는 복수의 연산 장치와, 1개 또는 복수의 기억 장치를 적어도 가진다. 구체적으로, 도 9a에 도시하는 신호 처리 회로(400)는, 연산 회로(401), 연산 회로(402), 기억 장치(403), 기억 장치(404), 기억 장치(405), 제어 장치(406), 전원 제어 회로(407)를 가진다.9A shows an example of a signal processing circuit of one embodiment of the present invention using the memory element described in the above embodiment as a storage device. The signal processing circuit of one embodiment of the present invention includes at least one computing device and at least one storage device. Specifically, the signal processing circuit 400 shown in FIG. 9A includes the arithmetic circuit 401, the arithmetic circuit 402, the memory device 403, the memory device 404, the memory device 405, and the control device 406. ) And a power supply control circuit 407.

연산 회로(401), 연산 회로(402)는, 단순한 논리 연산을 행하는 논리 회로를 비롯하여, 가산기, 승산기, 또한 각종 연산 장치 등을 포함한다. 그리고, 기억 장치(403)는, 연산 회로(401)에 있어서의 연산 처리시에, 데이터를 일시적으로 유지하는 레지스터로서 기능한다. 기억 장치(404)는, 연산 회로(402)에 있어서의 연산 처리시에, 데이터를 일시적으로 유지하는 레지스터로서 기능한다.The arithmetic circuit 401 and the arithmetic circuit 402 include an adder, a multiplier, various arithmetic units, and the like, as well as a logic circuit for performing a simple logic operation. The storage device 403 functions as a register that temporarily holds data at the time of the arithmetic processing in the arithmetic circuit 401. The memory device 404 functions as a register which temporarily holds data at the time of the arithmetic processing in the arithmetic circuit 402.

또한, 기억 장치(405)는 메인 메모리로서 사용할 수 있고, 제어 장치(406)가 실행하는 프로그램을 데이터로서 기억하거나, 또는 연산 회로(401), 연산 회로(402)로부터의 데이터를 기억할 수 있다.The storage device 405 can be used as a main memory, and can store a program executed by the control device 406 as data, or can store data from the arithmetic circuit 401 and the arithmetic circuit 402.

제어 장치(406)는, 신호 처리 회로(400)가 갖는 연산 회로(401), 연산 회로(402), 기억 장치(403), 기억 장치(404), 기억 장치(405)의 동작을 통괄적으로 제어하는 회로이다. 또한, 도 9a에서는, 제어 장치(406)가 신호 처리 회로(400)의 일부인 구성을 도시하고 있지만, 제어 장치(406)는 신호 처리 회로(400)의 외부에 형성되어 있어도 좋다.The control device 406 collectively handles operations of the calculation circuit 401, the calculation circuit 402, the memory device 403, the memory device 404, and the memory device 405 of the signal processing circuit 400. It is a circuit to control. In addition, although the control apparatus 406 shows the structure which is a part of signal processing circuit 400 in FIG. 9A, the control apparatus 406 may be formed outside the signal processing circuit 400. As shown in FIG.

상기 실시형태에서 설명한 기억 소자를 기억 장치(403), 기억 장치(404), 기억 장치(405)의 적어도 1개에 사용함으로써, 기억 장치(403), 기억 장치(404), 기억 장치(405)로의 전원 전압의 공급의 일부 또는 전부를 정지해도, 데이터를 유지할 수 있다. 따라서, 신호 처리 회로(400) 전체로의 전원 전압의 공급의 일부 또는 전부를 정지하고, 소비 전력을 억제할 수 있다.By using the memory elements described in the above embodiments for at least one of the memory device 403, the memory device 404, and the memory device 405, the memory device 403, the memory device 404, and the memory device 405. Even if part or all of the supply of the furnace power supply voltage is stopped, data can be retained. Therefore, part or all of the supply of the power supply voltage to the whole signal processing circuit 400 can be stopped and power consumption can be suppressed.

예를 들면, 기억 장치(403), 기억 장치(404), 또는 기억 장치(405) 중 어느 하나 또는 복수로의 전원 전압의 공급을 정지시키고, 소비 전력을 억제할 수 있다. 또는, 예를 들면, 도 1a 및 도 1b에 도시하는 기억 소자(100)의 노드(VDD) 및 노드(VSS) 사이의 전위를 동일하게 하고, Sig3에는 어떠한 인위적인 전위(특히 접지 전위보다도 0.5V 내지 1.5V 낮은 전위)로 하는 것도 소비 전력을 저감시키는데 있어서는 유효하다.For example, the supply of the power supply voltage to any one or more of the memory device 403, the memory device 404, or the memory device 405 can be stopped, and power consumption can be suppressed. Alternatively, for example, the potential between the node VDD and the node VSS of the memory element 100 shown in Figs. 1A and 1B is made the same, and Sig3 has no artificial potential (especially 0.5 V to ground potential). Low potential of 1.5V) is also effective in reducing power consumption.

Sig3을 상기의 전위로 할 때는, 용량용 스위칭 소자(106)의 게이트 전극과 산화물 반도체 영역 사이를 흐를 것으로 생각되지만, 실제로는 그 값을 측정할 수 없을 정도로 미소하기 때문에, 전력의 소비로는 이어지지 않는다. 이것에 대해, 노드(VDD)와 노드(VSS)에 상응하는 전위차가 있으면, 인버터의 관통 전류가 발생하여 상당량의 전력을 소비하게 된다. 따라서, 노드(VDD) 및 노드(VSS)로의 전원의 공급을 정지시키는 것에 의한 소비 전력 삭감의 효과는 절대적이다.When Sig3 is set to the above potential, it is thought to flow between the gate electrode of the capacitor switching element 106 and the oxide semiconductor region, but in reality, the value is so small that the value cannot be measured. Do not. On the other hand, if there is a potential difference corresponding to the node VDD and the node VSS, a through current of the inverter is generated and consumes a considerable amount of power. Therefore, the effect of power consumption reduction by stopping supply of power to the nodes VDD and VSS is absolute.

또한, 기억 장치로의 전원 전압의 공급이 정지되는 것에 더불어, 상기 기억 장치와 데이터의 교환을 행하는 연산 회로 또는 제어 회로로의, 전원 전압의 공급을 정지하도록 해도 좋다. 예를 들면, 연산 회로(401)와 기억 장치(403)에 있어서, 동작이 행해지지 않는 경우, 연산 회로(401) 및 기억 장치(403)로의 전원 전압의 공급을 정지하도록 해도 좋다.In addition to stopping the supply of the power supply voltage to the storage device, the supply of the power supply voltage to the arithmetic or control circuit for exchanging data with the storage device may be stopped. For example, in the arithmetic circuit 401 and the memory device 403, when the operation is not performed, the supply of the power supply voltage to the arithmetic circuit 401 and the memory device 403 may be stopped.

또한, 전원 제어 회로(407)는, 신호 처리 회로(400)가 갖는 연산 회로(401), 연산 회로(402), 기억 장치(403), 기억 장치(404), 기억 장치(405), 제어 장치(406)로 공급하는 전원 전압의 크기를 제어한다. 전원 제어 회로는, 상기한 바와 같이, 필요에 따라, VDD, VSS 및 Sig3의 전위를 제어하여 가장 효과적으로 전력을 삭감할 수 있다.In addition, the power supply control circuit 407 includes the arithmetic circuit 401, the arithmetic circuit 402, the memory device 403, the memory device 404, the memory device 405, and the control device of the signal processing circuit 400. The magnitude of the power supply voltage supplied to 406 is controlled. As described above, the power supply control circuit can control electric potentials of VDD, VSS, and Sig3 to reduce power most effectively.

전원 전압의 공급을 정지하는 경우, 전원 제어 회로(407)에 있어서 공급의 정지를 행해도 좋고, 연산 회로(401), 연산 회로(402), 기억 장치(403), 기억 장치(404), 기억 장치(405), 제어 장치(406)의 각각에 있어서 공급의 정지를 행해도 좋다. 즉, 전원 전압의 공급을 정지하기 위한 스위칭 소자는, 전원 제어 회로(407)에 형성되어 있어도 좋고, 연산 회로(401), 연산 회로(402), 기억 장치(403), 기억 장치(404), 기억 장치(405), 제어 장치(406)의 각각에 형성되어 있어도 좋다. 후자의 경우, 전원 제어 회로(407)는, 반드시 본 발명의 신호 처리 회로에 형성할 필요는 없다.When the supply of the power supply voltage is stopped, the supply may be stopped in the power supply control circuit 407, and the arithmetic circuit 401, the arithmetic circuit 402, the memory device 403, the memory device 404, and the memory may be stopped. In each of the apparatus 405 and the control apparatus 406, supply may be stopped. That is, the switching element for stopping the supply of the power supply voltage may be formed in the power supply control circuit 407, and includes the arithmetic circuit 401, the arithmetic circuit 402, the memory device 403, the memory device 404, It may be provided in each of the memory device 405 and the control device 406. In the latter case, the power supply control circuit 407 does not necessarily need to be formed in the signal processing circuit of the present invention.

또한, 메인 메모리인 기억 장치(405)와, 연산 회로(401), 연산 회로(402), 제어 장치(406) 사이에, 캐시 메모리로서 기능하는 기억 장치를 형성해도 좋다. 캐시 메모리를 형성함으로써, 메인 메모리로의 저속 액세스를 감소시켜 연산 처리 등의 신호 처리를 고속화시킬 수 있다. 캐시 메모리로서 기능하는 기억 장치에도, 상기한 기억 소자를 사용함으로써, 신호 처리 회로(400)의 소비 전력을 억제할 수 있다.In addition, a memory device that functions as a cache memory may be provided between the memory device 405 that is the main memory, the arithmetic circuit 401, the arithmetic circuit 402, and the control device 406. By forming the cache memory, it is possible to reduce the low-speed access to the main memory and speed up signal processing such as arithmetic processing. The power consumption of the signal processing circuit 400 can be suppressed by using the above-described storage element in the storage device functioning as the cache memory.

(실시형태 6)(Embodiment 6)

본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태에 따르는 신호 처리 회로의 하나인, CPU의 구성에 관해서 설명한다.In this embodiment, the structure of a CPU which is one of the signal processing circuits of one embodiment of the present invention will be described.

도 9b에, 본 실시형태의 CPU의 구성을 도시한다. 도 9b에 도시하는 CPU는, 기판(410) 위에, 연산 회로(ALU: Arithmetic logic unit)(411), 연산 회로 컨트롤러(ALU Controller)(412), 명령 디코더(Instruction Decoder)(413), 인터럽트 컨트롤러(Interrupt Controller)(414), 타이밍 컨트롤러(Timing Controller)(415), 레지스터(Register)(416), 레지스터 컨트롤러(Register Controller)(417), 버스 인터페이스(Bus I/F)(418), 재기록 가능한 ROM(419), ROM 인터페이스(ROMI/F)(420)를 주로 가지고 있다. ROM(419) 및 ROM 인터페이스(420)는, 다른 칩에 형성해도 좋다. 물론, 도 9b에 도시하는 CPU는, 그 구성을 간략화하여 도시한 일례에 지나지 않으며, 실제의 CPU는 그 용도에 따라 다종 다양한 구성을 가지고 있다.9B shows the configuration of the CPU of this embodiment. The CPU illustrated in FIG. 9B includes an arithmetic logic unit (ALU) 411, an ALU controller 412, an instruction decoder 413, and an interrupt controller on the substrate 410. (Interrupt Controller) 414, Timing Controller 415, Register 416, Register Controller 417, Bus Interface (Bus I / F) 418, Rewritable It mainly has a ROM 419 and a ROM interface (ROMI / F) 420. The ROM 419 and the ROM interface 420 may be formed on different chips. Of course, the CPU shown in Fig. 9B is merely an example of a simplified configuration, and the actual CPU has a variety of configurations depending on its use.

버스 인터페이스(418)를 개재하여 CPU에 입력된 명령은, 명령 디코더(413)에 입력되고, 디코드된 후, 연산 회로 컨트롤러(412), 인터럽트 컨트롤러(414), 레지스터 컨트롤러(417), 타이밍 컨트롤러(415)에 입력된다.The instruction input to the CPU via the bus interface 418 is input to the instruction decoder 413 and decoded, and then the arithmetic circuit controller 412, the interrupt controller 414, the register controller 417, and the timing controller ( 415).

연산 회로 컨트롤러(412), 인터럽트 컨트롤러(414), 레지스터 컨트롤러(417), 타이밍 컨트롤러(415)는, 디코드된 명령에 기초하여 각종 제어를 행한다. 구체적으로 연산 회로 컨트롤러(412)는, 연산 회로(411)의 동작을 제어하기 위한 신호를 생성한다. 또한, 인터럽트 컨트롤러(414)는, CPU의 프로그램 실행 중에, 외부의 입출력 장치나, 주변 회로로부터의 인터럽트 요구를, 그 우선도나 마스크 상태로부터 판단하고, 처리한다. 레지스터 컨트롤러(417)는, 레지스터(416)의 어드레스를 생성하고, CPU의 상태에 따라 레지스터(416)의 판독이나 기록을 행한다.The arithmetic circuit controller 412, the interrupt controller 414, the register controller 417, and the timing controller 415 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the arithmetic circuit controller 412 generates a signal for controlling the operation of the arithmetic circuit 411. In addition, the interrupt controller 414 determines the interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from its priority or mask state and processes it during program execution of the CPU. The register controller 417 generates the address of the register 416 and reads or writes the register 416 in accordance with the state of the CPU.

또한 타이밍 컨트롤러(415)는, 연산 회로(411), 연산 회로 컨트롤러(412), 명령 디코더(413), 인터럽트 컨트롤러(414), 레지스터 컨트롤러(417)의 동작의 타이밍을 제어하는 신호를 생성한다. 예를 들면 타이밍 컨트롤러(415)는, 기준 클록 신호(CLK1)를 바탕으로, 내부 클록 신호(CLK2)를 생성하는 내부 클록 생성부를 구비하고 있고, 클록 신호(CLK2)를 상기 각종 회로에 공급한다.The timing controller 415 also generates a signal for controlling the timing of the operation of the operation circuit 411, the operation circuit controller 412, the instruction decoder 413, the interrupt controller 414, and the register controller 417. For example, the timing controller 415 includes an internal clock generator that generates the internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and supplies the clock signals CLK2 to the various circuits.

본 실시형태의 CPU에서는, 레지스터(416)에, 상기 실시형태에서 나타낸 구성을 갖는 기억 소자를 형성하면 좋다. 레지스터 컨트롤러(417)는, 연산 회로(411)로부터의 지시에 따라, 레지스터(416)에 있어서의 유지 동작의 선택을 행한다. 즉, 레지스터(416)가 갖는 기억 소자에 있어서, 위상 반전 소자에 의한 데이터의 유지를 행할지, 용량 소자에 의한 데이터의 유지를 행할지를 선택한다. 위상 반전 소자에 의한 데이터의 유지가 선택되어 있는 경우, 레지스터(416) 내의 기억 소자로의 전원 전압의 공급이 행해진다. 용량 소자에 있어서의 데이터의 유지가 선택되어 있는 경우, 용량 소자로의 데이터의 재기록이 행해져 레지스터(416) 내의 기억 소자로의 전원 전압의 공급을 정지할 수 있다.In the CPU of this embodiment, a storage element having the structure shown in the above embodiments may be formed in the register 416. The register controller 417 selects the holding operation in the register 416 in accordance with an instruction from the arithmetic circuit 411. That is, in the storage element of the register 416, it is selected whether to hold data by the phase inversion element or to hold data by the capacitor. When the retention of data by the phase inversion element is selected, the supply voltage to the storage element in the register 416 is supplied. When the retention of data in the capacitor is selected, the data is rewritten to the capacitor so that the supply of the power supply voltage to the storage element in the register 416 can be stopped.

이와 같이 하여 일시적으로 CPU의 동작을 정지하고, 전원 전압의 공급을 정지한 경우에 있어서도 데이터를 유지하는 것이 가능하고, 소비 전력의 저감을 행할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, PC의 유저가, 키보드 등의 입력 장치로의 정보의 입력을 정지하고 있는 동안에도, CPU를 정지할 수 있고, 그것에 의해 소비 전력을 저감시킬 수 있다.In this way, even when the operation of the CPU is temporarily stopped and the supply of the power supply voltage is stopped, data can be retained and power consumption can be reduced. Specifically, for example, the CPU can be stopped while the user of the PC stops inputting information to an input device such as a keyboard, thereby reducing power consumption.

본 실시형태에서는, CPU를 예로 들어 설명했지만, 본 발명의 신호 처리 회로는 CPU로 한정되지 않고, DSP, 커스텀 LSI, FPGA(Field Programmable Gate Array) 등의 LSI에도 응용 가능하다. 또한, 본 발명에 나타내는 신호 처리 회로를 사용함으로써, 신뢰성이 높은 전자 기기, 소비 전력이 낮은 전자 기기를 제공하는 것이 가능하다.In the present embodiment, the CPU has been described as an example, but the signal processing circuit of the present invention is not limited to the CPU, but is applicable to LSIs such as DSPs, custom LSIs, and field programmable gate arrays (FPGAs). In addition, by using the signal processing circuit according to the present invention, it is possible to provide a highly reliable electronic device and an electronic device with low power consumption.

특히 외부로부터 전력의 공급을 항상 받는 것이 곤란한 휴대용의 전자 기기의 경우, 본 발명의 일 형태에 따르는 소비 전력이 낮은 신호 처리 회로를 그 구성 요소에 추가함으로써, 연속 사용 시간을 길게 할 수 있는 것과 같은 장점이 얻어진다.In particular, in the case of a portable electronic device in which it is difficult to always receive electric power from the outside, by adding a low power consumption signal processing circuit of one embodiment of the present invention to the component thereof, the continuous use time can be extended. Advantages are obtained.

본 발명의 일 형태에 따르는 신호 처리 회로는, 표시 장치, PC, 기록 매체를 구비한 화상 재생 장치(대표적으로는 DVD: Digital Versatile Disc 등의 기록 매체를 재생하고, 그 화상을 표시할 수 있는 디스플레이를 갖는 장치)에 사용할 수 있다. 그 밖에, 본 발명의 일 형태에 따르는 신호 처리 회로를 사용할 수 있는 전자 기기로서, 휴대 전화, 휴대형을 포함하는 게임기, 휴대 정보 단말, 전자 서적, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라 등의 카메라, 고글형 디스플레이(헤드 마운트 디스플레이), 네비게이션 시스템, 음향 재생 장치(카 오디오, 디지털 오디오 플레이어 등), 복사기, 팩시밀리, 프린터, 프린터 복합기, 현금 자동 입출금기(ATM), 자동 판매기 등을 들 수 있다.A signal processing circuit of one embodiment of the present invention is a display device, a PC, and a display device equipped with a recording medium (typically, a display capable of reproducing a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and displaying the image). Device with). In addition, as an electronic device that can use the signal processing circuit of one embodiment of the present invention, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable information terminal, an electronic book, a camera such as a video camera or a digital still camera, a goggle type display, etc. (Head mounted display), navigation system, sound reproducing apparatus (car audio, digital audio player, etc.), copying machine, facsimile machine, printer, printer multifunction machine, cash dispenser (ATM), vending machine and the like.

100 : 기억 소자 100a : 기억 소자
100b : 기억 소자 100c : 기억 소자
101 : 제 1 위상 반전 소자 102 : 제 2 위상 반전 소자
103 : 스위칭 소자 104 : 스위칭 소자
105 : 용량 소자 105a : 제 1 용량 소자
105b : 제 2 용량 소자 106 : 용량용 스위칭 소자
106a : 제 1 용량용 스위칭 소자 106b : 제 2 용량용 스위칭 소자
107 : P 채널형 트랜지스터 108 : N 채널형 트랜지스터
109 : P 채널형 트랜지스터 110 : N 채널형 트랜지스터
111 : 기생 용량을 함유하는 용량 200 : 기억 소자
201 : 인버터 202 : 인버터
203 : 스위칭 소자 204 : 스위칭 소자
207 : P 채널형 트랜지스터 208 : N 채널형 트랜지스터
209 : P 채널형 트랜지스터 210 : N 채널형 트랜지스터
300 : 기억 소자 301 : VDD 배선
302 : Sig1 배선 303 : Sig2 배선
304 : IN 배선 305 : OUT 배선
306 : 게이트 배선 307 : 제 1 용량 전극
308 : 산화물 반도체 영역 309 : 소스 배선
310 : 제 2 용량 전극 311 : 소자 분리 영역
312 : 층간 절연물 313 : 컨택트 플러그
314 : 매립 절연물 315 : 게이트 절연물
400 : 신호 처리 회로 401 : 연산 회로
402 : 연산 회로 403 : 기억 장치
404 : 기억 장치 405 : 기억 장치
406 : 제어 장치 407 : 전원 제어 회로
410 : 기판 411 : 연산 회로
412 : 연산 회로 컨트롤러 413 : 명령 디코더
414 : 인터럽트 컨트롤러 415 : 타이밍 컨트롤러
416 : 레지스터 417 : 레지스터 컨트롤러
418 : 버스 인터페이스 419 : ROM
420 : ROM 인터페이스 N1 : 제 1 노드
N2 : 제 2 노드 N3 : 제 3 노드
N4 : 제 4 노드 IN : 신호
OUT : 신호 Sig1 : 신호
Sig2 : 신호 Sig3 : 신호
CLK1 : 기준 클록 신호 CLK2 : 내부 클록 신호
100: memory element 100a: memory element
100b: memory element 100c: memory element
101: first phase inversion element 102: second phase inversion element
103 switching element 104 switching element
105: capacitor element 105a: first capacitor element
105b: second capacitance element 106: switching element for capacitance
106a: switching element for first capacitance 106b: switching element for second capacitance
107: P-channel transistor 108: N-channel transistor
109: P-channel transistor 110: N-channel transistor
111: capacitance containing parasitic capacitance 200: memory element
201: Inverter 202: Inverter
203: switching element 204: switching element
207: P-channel transistor 208: N-channel transistor
209 P-channel transistor 210 N-channel transistor
300: memory element 301: VDD wiring
302: Sig1 wiring 303: Sig2 wiring
304: IN wiring 305: OUT wiring
306: gate wiring 307: first capacitor electrode
308: oxide semiconductor region 309: source wiring
310: second capacitor electrode 311: device isolation region
312 interlayer insulation 313 contact plug
314: buried insulator 315: gate insulator
400: signal processing circuit 401: arithmetic circuit
402: arithmetic circuit 403: storage device
404: storage device 405: storage device
406: control device 407: power control circuit
410: substrate 411: arithmetic circuit
412 operation circuit controller 413 command decoder
414: interrupt controller 415: timing controller
416: register 417: register controller
418: bus interface 419: ROM
420: ROM interface N1: first node
N2: second node N3: third node
N4: fourth node IN: signal
OUT: Signal Sig1: Signal
Sig2: Signal Sig3: Signal
CLK1: reference clock signal CLK2: internal clock signal

Claims (20)

반도체 장치에 있어서,
한 쌍의 위상 반전 소자로서, 상기 위상 반전 소자 중 하나의 출력 단자는 상기 위상 반전 소자의 다른 하나의 입력 단자에 접속하여 데이터를 유지하는, 상기 한 쌍의 위상 반전 소자와;
용량 소자와;
스위칭 소자로서, 상기 위상 반전 소자 중 적어도 하나 위에 제공되고 상기 용량 소자에 대한 데이터의 기록을 제어하는, 상기 스위칭 소자를 포함하고,
상기 용량 소자의 전극 중 하나는 상기 위상 반전 소자의 출력 단자 및 입력 단자 중 하나에 접속되고 상기 용량 소자의 전극 중 다른 하나는 상기 스위칭 소자의 소스 및 드레인 중 하나에 접속되는, 반도체 장치.
In a semiconductor device,
A pair of phase inversion elements, wherein one output terminal of the phase inversion elements is connected to the other input terminal of the phase inversion element to hold data;
A capacitive element;
A switching element, said switching element being provided over at least one of said phase inversion elements and controlling the writing of data to said capacitive element,
One of the electrodes of the capacitor is connected to one of an output terminal and an input terminal of the phase inversion element, and the other of the electrodes of the capacitor is connected to one of a source and a drain of the switching element.
반도체 장치에 있어서,
한 쌍의 위상 반전 소자로서, 상기 위상 반전 소자 중 하나의 출력 단자는 상기 위상 반전 소자의 다른 하나의 입력 단자에 접속하여 데이터를 유지하는, 상기 한 쌍의 위상 반전 소자와;
제 1 용량 소자와;
제 1 스위칭 소자로서, 상기 위상 반전 소자 중 적어도 하나 위에 제공되고 상기 제 1 용량 소자에 대한 데이터의 기록을 제어하는, 상기 제 1 스위칭 소자와;
제 2 용량 소자와;
제 2 스위칭 소자로서, 상기 위상 반전 소자들 중 적어도 하나 위에 제공되고 상기 제 2 용량 소자에 대한 데이터의 기록을 제어하는, 상기 제 2 스위칭 소자를 포함하고,
상기 제 1 용량 소자의 전극 중 하나는 상기 위상 반전 소자들 중 하나의 입력 단자에 접속되고,
상기 제 1 용량 소자의 다른 전극은 상기 제 1 스위칭 소자의 소스 및 드레인 중 하나에 접속되고,
상기 제 2 용량 소자의 전극 중 하나는 상기 위상 반전 소자들 중 다른 하나의 입력 단자에 접속되고,
상기 제 2 용량 소자의 다른 전극은 상기 제 2 스위칭 소자의 소스 및 드레인 중 하나에 접속되는, 반도체 장치.
In a semiconductor device,
A pair of phase inversion elements, wherein one output terminal of the phase inversion elements is connected to the other input terminal of the phase inversion element to hold data;
A first capacitive element;
A first switching element, said first switching element being provided over at least one of said phase inversion elements and controlling the recording of data for said first capacitive element;
A second capacitive element;
A second switching element, said second switching element being provided over at least one of said phase inversion elements and controlling the writing of data for said second capacitive element,
One of the electrodes of the first capacitor is connected to an input terminal of one of the phase inversion elements,
The other electrode of the first capacitor is connected to one of a source and a drain of the first switching element,
One of the electrodes of the second capacitor is connected to an input terminal of the other of the phase inversion elements,
And the other electrode of the second capacitor is connected to one of a source and a drain of the second switching element.
반도체 장치에 있어서,
한 쌍의 위상 반전 소자로서, 상기 위상 반전 소자 중 하나의 출력 단자는 상기 위상 반전 소자의 다른 하나의 입력 단자에 접속하여 데이터를 유지하는, 상기 한 쌍의 위상 반전 소자와;
용량 소자와;
스위칭 소자로서, 반도체층을 포함하고 상기 위상 반전 소자 중 적어도 하나 위에 제공되고 상기 용량 소자에 대한 데이터의 기록을 제어하는, 상기 스위칭 소자를 포함하고,
상기 용량 소자의 전극 중 하나는 상기 위상 반전 소자의 출력 단자 및 입력 단자 중 하나에 접속되고 상기 용량 소자의 다른 전극은 상기 스위칭 소자의 소스 및 드레인 중 하나에 접속되고,
상기 스위칭 소자는 상기 반도체층에 적어도 하나의 오목부를 갖는, 반도체 장치.
In a semiconductor device,
A pair of phase inversion elements, wherein one output terminal of the phase inversion elements is connected to the other input terminal of the phase inversion element to hold data;
A capacitive element;
A switching element, comprising: a switching element, comprising a semiconductor layer, provided on at least one of the phase inversion elements and controlling the writing of data to the capacitive elements;
One of the electrodes of the capacitor is connected to one of an output terminal and an input terminal of the phase inversion element, and the other electrode of the capacitor is connected to one of a source and a drain of the switching element,
And the switching element has at least one recess in the semiconductor layer.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 소자의 채널 길이는 최소 가공 선폭의 10배 이상인, 반도체 장치.
The method of claim 1,
The channel length of the switching element is at least 10 times the minimum processing line width.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 소자의 채널 길이는 1㎛ 이상인, 반도체 장치.
The method of claim 1,
The channel length of the switching element is 1 µm or more.
제 1 항에 있어서,
상기 용량 소자의 용량은 상기 스위칭 소자의 게이트 용량보다 낮은, 반도체 장치.
The method of claim 1,
And the capacitance of the capacitor is lower than the gate capacitance of the switching element.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 소자는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 포함하는, 반도체 장치.
The method of claim 1,
And the switching element comprises an oxide semiconductor in the channel formation region.
제 7 항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 In-Ga-Zn 산화물인, 반도체 장치.
The method of claim 7, wherein
The oxide semiconductor is an In—Ga—Zn oxide.
제 7 항에 있어서,
상기 채널 형성 영역의 수소 농도는 5 × 1019 /㎤ 이하인, 반도체 장치.
The method of claim 7, wherein
And a hydrogen concentration in the channel formation region is 5 × 10 19 / cm 3 or less.
제 1 항에 있어서,
상기 한 쌍의 위상 반전 소자 중 하나는 클록드 인버터(clocked inverter)인, 반도체 장치.
The method of claim 1,
One of the pair of phase inversion elements is a clocked inverter.
제 1 항에 따른 상기 반도체 장치를 구동하는 방법에 있어서,
상기 위상 반전 소자의 상기 입력 단자의 전위와 상기 출력 단자의 전위 모두를 상기 스위칭 소자가 오프인 상태에서 제 1 전위로 설정하는 단계와;
상기 스위칭 소자를 턴 온하는 단계와;
상기 위상 반전 소자를 활성화하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 전위는 상기 위상 반전 소자가 활성 상태에 있을 때 상기 위상 반전 소자에 공급되는 전위 중 낮은 전위보다 높고,
상기 제 1 전위는 상기 위상 반전 소자가 활성 상태에 있을 때 상기 위상 반전 소자에 인가되는 전위 중 높은 전위보다 낮은, 반도체 장치를 구동하는 방법.
In the method of driving the semiconductor device according to claim 1,
Setting both the potential of the input terminal of the phase inversion element and the potential of the output terminal to a first potential with the switching element off;
Turning on the switching element;
Activating the phase reversal element;
The first potential is higher than a lower potential among the potentials supplied to the phase inversion element when the phase inversion element is in an active state,
And wherein the first potential is lower than a higher one of the potentials applied to the phase inversion element when the phase inversion element is in an active state.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 스위칭 소자의 채널 길이는 최소 가공 선폭의 10배 이상인, 반도체 장치를 구동하는 방법.
The method of claim 2,
And the channel length of said first switching element is at least 10 times the minimum overhead line width.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 스위칭 소자의 채널 길이는 1㎛ 이상인, 반도체 장치.
The method of claim 2,
The channel length of the said 1st switching element is a semiconductor device of 1 micrometer or more.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 용량 소자의 용량은 상기 제 1 스위칭 소자의 게이트 용량보다 낮은, 반도체 장치.
The method of claim 2,
And the capacitance of the first capacitor is lower than the gate capacitance of the first switching element.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 스위칭 소자는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 포함하는, 반도체 장치.
The method of claim 2,
And the first switching element comprises an oxide semiconductor in a channel formation region.
제 15 항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 In-Ga-Zn 산화물인, 반도체 장치.
The method of claim 15,
The oxide semiconductor is an In—Ga—Zn oxide.
제 2 항에 따른 상기 반도체 장치를 구동하는 방법에 있어서,
상기 위상 반전 소자의 상기 입력 단자의 전위와 상기 출력 단자의 전위 모두를 상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자가 오프인 상태에서 제 1 전위로 설정하는 단계와;
상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자를 턴 온하는 단계와;
상기 위상 반전 소자를 활성화하는 단계를 포함하는, 반도체 장치를 구동하는 방법.
In the method of driving the semiconductor device according to claim 2,
Setting both the potential of the input terminal of the phase inversion element and the potential of the output terminal to a first potential with the first switching element and the second switching element off;
Turning on the first switching element and the second switching element;
Activating the phase reversal element.
제 3 항에 있어서,
상기 스위칭 소자의 채널 길이는 최소 가공 선폭의 10배 이상인, 반도체 장치.
The method of claim 3, wherein
The channel length of the switching element is at least 10 times the minimum processing line width.
제 3 항에 있어서,
상기 스위칭 소자의 채널 길이는 1㎛ 이상인, 반도체 장치.
The method of claim 3, wherein
The channel length of the switching element is 1 µm or more.
제 3 항에 있어서,
상기 용량 소자의 용량은 상기 스위칭 소자의 게이트 용량보다 낮은, 반도체 장치.
The method of claim 3, wherein
And the capacitance of the capacitor is lower than the gate capacitance of the switching element.
KR1020120049014A 2011-05-11 2012-05-09 Semiconductor device and method for driving semiconductor device Ceased KR20120127251A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120049014A KR20120127251A (en) 2011-05-11 2012-05-09 Semiconductor device and method for driving semiconductor device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2011-106401 2011-05-11
KR1020120049014A KR20120127251A (en) 2011-05-11 2012-05-09 Semiconductor device and method for driving semiconductor device

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190077016A Division KR102141786B1 (en) 2011-05-11 2019-06-27 Semiconductor device and method for driving semiconductor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120127251A true KR20120127251A (en) 2012-11-21

Family

ID=47512457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120049014A Ceased KR20120127251A (en) 2011-05-11 2012-05-09 Semiconductor device and method for driving semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20120127251A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101975746B1 (en) Memory device and driving method of the memory device
KR102141786B1 (en) Semiconductor device and method for driving semiconductor device
JP7003174B2 (en) Semiconductor device
JP6598945B2 (en) Semiconductor device
JP6823215B2 (en) Semiconductor device
JP5985339B2 (en) Semiconductor device
KR101957519B1 (en) Signal processing circuit
TWI529531B (en) Signal processing circuit
TW201220435A (en) Semiconductor device
KR20120127251A (en) Semiconductor device and method for driving semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20120509

PG1501 Laying open of application
A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20170508

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20120509

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20180529

Patent event code: PE09021S01D

E90F Notification of reason for final refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event date: 20181120

Patent event code: PE09021S02D

E601 Decision to refuse application
E801 Decision on dismissal of amendment
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20190530

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20181120

Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event code: PE06011S02I

Patent event date: 20180529

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I

PE0801 Dismissal of amendment

Patent event code: PE08012E01D

Comment text: Decision on Dismissal of Amendment

Patent event date: 20190530

Patent event code: PE08011R01I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20190118

Patent event code: PE08011R01I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20180730

Patent event code: PE08011R01I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20170508

PA0107 Divisional application

Comment text: Divisional Application of Patent

Patent event date: 20190627

Patent event code: PA01071R01D