特許ウォッチ

公開番号2025075084
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-14
出願番号2025026850,2023179017
出願日2025-02-21,2011-08-23
発明の名称半導体装置
出願人株式会社半導体エネルギー研究所
代理人
主分類H10B 12/00 20230101AFI20250507BHJP()
要約【課題】長い期間においてデータの保持が可能な記憶装置を提供する。
【解決手段】記憶素子と、上記記憶素子における電荷の供給、保持、放出を制御するため
のスイッチング素子として機能するトランジスタとを有する。上記トランジスタは、通常
のゲート電極の他に、閾値電圧を制御するための第2のゲート電極が備えられており、ま
た、活性層に酸化物半導体を含むためにオフ電流が極めて低い。上記記憶装置では、絶縁
膜に囲まれたフローティングゲートに高電圧で電荷を注入するのではなく、オフ電流の極
めて低いトランジスタを介して記憶素子の電荷量を制御することで、データの記憶を行う
。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
複数の回路を有し、
前記回路は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタのゲート電極は、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方と、前記容量素子と、に電気的に接続される半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有するシリコン層と、
前記シリコン層の上方に配置され、前記第１のトランジスタのゲート電極として機能する領域を有する第１の導電層と、
前記第１の導電層と同層に配置される第２の導電層と、
前記シリコン層の上方に配置され、前記第１の導電層の側面に接する領域と、前記第２の導電層の側面に接する領域と、を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に配置された領域を有する第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上方に配置され、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方として機能する領域を有する第３の導電層と、
前記第３の導電層と同層に配置され、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方として機能する領域を有する第４の導電層と、
前記第３の導電層の上面に接する領域と、前記第３の導電層の側面に接する領域と、前記第４の導電層の側面に接する領域と、前記第４の導電層の上面に接する領域と、を有し、且つ、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置され、前記第２のトランジスタのゲート電極として機能する領域を有する第５の導電層と、
前記第５の導電層と同層に配置され、前記容量素子の電極として機能する領域を有する第６の導電層と、
前記第５の導電層の上方に配置された領域を有する第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層の上方に配置された領域を有する第７の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記第３の導電層と電気的に接続され、
前記第２の導電層は、前記第４の導電層を介して前記第７の導電層と重なりを有するように配置され、
前記第７の導電層は、前記第１のトランジスタのソース又はドレインと、隣接する回路の前記第１のトランジスタのソース又はドレインと、を電気的に接続する機能を有する、半導体装置。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
複数の回路を有し、
前記回路は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタのゲート電極は、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方と、前記容量素子と、に電気的に接続される半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有するシリコン層と、
前記シリコン層の上方に配置され、前記第１のトランジスタのゲート電極として機能する領域を有する第１の導電層と、
前記第１の導電層と同層に配置される第２の導電層と、
前記シリコン層の上方に配置され、前記第１の導電層の側面に接する領域と、前記第２の導電層の側面に接する領域と、を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に配置された領域を有する第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上方に配置され、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方として機能する領域を有する第３の導電層と、
前記第３の導電層と同層に配置され、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の他方として機能する領域を有する第４の導電層と、
前記第３の導電層の上面に接する領域と、前記第３の導電層の側面に接する領域と、前記第４の導電層の側面に接する領域と、前記第４の導電層の上面に接する領域と、を有し、且つ、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置され、前記第２のトランジスタのゲート電極として機能する領域を有する第５の導電層と、
前記第５の導電層と同層に配置され、前記容量素子の電極として機能する領域を有する第６の導電層と、
前記第５の導電層の上方に配置された領域を有する第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層の上方に配置された領域を有する第７の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記第３の導電層と電気的に接続され、
前記第２の導電層は、前記第４の導電層を介して前記第７の導電層と重なりを有するように配置され、
前記第７の導電層は、前記第１のトランジスタのソース又はドレインと、隣接する回路の前記第１のトランジスタのソース又はドレインと、を電気的に接続する機能を有し、
平面視において、前記第１のトランジスタのソース領域とドレイン領域を結ぶ方向は第１の方向であり、
平面視において、前記第２の導電層の前記第１の方向の幅は、前記第１の導電層の前記第１の方向の幅よりも大きく、
平面視において、前記第５の導電層の前記第１の方向の幅は、前記第６の導電層の前記第１の方向の幅よりも大きい、半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記酸化物半導体層は、Ｉｎを含む、半導体装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２において、
前記酸化物半導体層は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む、半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
不揮発性の半導体記憶装置に係り、データを保持するメモリセルの構成に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体記憶装置（以下、単に記憶装置とする）には、揮発性メモリに分類されるＤＲＡＭ
、ＳＲＡＭ、不揮発性メモリに分類されるマスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フ
ラッシュメモリ、強誘電体メモリなどがあり、単結晶の半導体基板を用いて形成されたこ
れらのメモリの多くは既に実用化されている。上記の半導体メモリの中でも、フラッシュ
メモリは、データの書き込みと消去を繰り返し行うことができ、電源の供給がなくてもデ
ータの保持が可能な不揮発性メモリであるために、利便性が高く、また、物理的な衝撃に
強いため、主にＵＳＢメモリ、メモリーカードなどの携帯型の記憶媒体に用いられ、市場
に広く出回っている。
【０００３】
フラッシュメモリには、複数のメモリセルが直列に接続された構造を有するＮＡＮＤ型と
、複数のメモリセルがマトリクス状に接続された構造を有するＮＯＲ型とがあるが、いず
れのフラッシュメモリも、記憶素子として機能するトランジスタを各メモリセルに有する
。そして、この記憶素子として機能するトランジスタは、フローティングゲートと呼ばれ
る電荷を蓄積するための電極を、ゲート電極と、活性層である半導体膜との間に有してお
り、フローティングゲートにおける電荷の蓄積によりデータの記憶を行うことができる。
【０００４】
下記の特許文献１と特許文献２には、ガラス基板上に形成された、フローティングゲート
を有する薄膜トランジスタについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開平６－０２１４７８号公報
特開２００５－３２２８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、不揮発性メモリは、データの書き込み時に記憶素子に印加される電圧の絶対値
が、２０Ｖ前後と、揮発性メモリに比べて一般的に大きい傾向にある。データの書き換え
を繰り返し行うことができるフラッシュメモリの場合は、データの書き込み時のみならず
、データの消去時にも、記憶素子として用いるトランジスタに大きい電圧を印加する必要
がある。よって、データの書き込み、消去などの、フラッシュメモリの動作時において消
費される電力は高く、そのことが、フラッシュメモリを記憶装置として用いる電子機器の
低消費電力化を阻む一因となっている。特に、カメラや携帯電話などの携帯型の電子機器
にフラッシュメモリを用いる場合、消費電力の高さは、連続使用時間の短縮化というデメ
リットに繋がる。
【０００７】
また、フラッシュメモリは不揮発性メモリではあるが、微少な電荷のリークによりデータ
が消失してしまう。そのため、データの保持期間は現状５年から１０年程度であると言わ
れており、より長い保持期間の確保が可能なフラッシュメモリの実現が望まれている。
【０００８】
更に、フラッシュメモリは、データの書き込みと消去を繰り返し行うことが可能ではある
が、フローティングゲートに電荷を蓄積する際に、トンネル電流によりゲート絶縁膜が劣
化しやすい。そのため、１つの記憶素子におけるデータの書き換え回数は数万から数十万
回程度が限度であり、より多くの書き換え回数に耐えうるようなフラッシュメモリの実現
が望まれている。
【０００９】
上述の課題に鑑み、本発明は、消費電力を抑えることができる記憶装置、当該記憶装置を
用いた半導体装置の提供を目的の一つとする。本発明は、更に長い期間においてデータの
保持が可能な記憶装置、当該記憶装置を用いた半導体装置の提供を目的の一つとする。本
発明は、データの書き換え回数を増やすことができる記憶装置、当該記憶装置を用いた半
導体装置の提供を目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る記憶装置は、記憶素子と、上記記憶素子における電荷の供給、保持
、放出を制御するためのスイッチング素子として機能するトランジスタと、を有する。上
記記憶装置では、絶縁膜に囲まれたフローティングゲートに高電圧で電荷を注入するので
はなく、オフ電流の極めて低いトランジスタを介して記憶素子の電荷量を制御することで
、データの記憶を行う。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許