JP6975560B2 - Storage device - Google Patents
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Description
本出願の明細書、図面、および特許請求の範囲(以下、本明細書等と呼ぶ)で開示する発明の一形態は、半導体装置、その動作方法、その使用方法、およびその作製方法等に関する。なお、本発明の一形態は例示した技術分野に限定されるものではない。 One form of the invention disclosed in the specification, drawings, and claims of the present application (hereinafter referred to as the present specification and the like) relates to a semiconductor device, an operation method thereof, a method of use thereof, a method of manufacturing the same, and the like. It should be noted that one embodiment of the present invention is not limited to the illustrated technical field.
本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用した装置であり、半導体素子(トランジスタ、ダイオード、フォトダイオード等)を含む回路、同回路を有する装置等をいう。また、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般をいう。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップや、パッケージにチップを収納した電子部品は半導体装置の一例である。また、記憶装置、表示装置、発光装置、照明装置及び電子機器等は、それ自体が半導体装置であり、半導体装置を有している場合がある。 In the present specification and the like, the semiconductor device is a device utilizing semiconductor characteristics, and refers to a circuit including a semiconductor element (transistor, diode, photodiode, etc.), a device having the same circuit, and the like. It also refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. For example, an integrated circuit, a chip equipped with an integrated circuit, and an electronic component in which the chip is housed in a package are examples of semiconductor devices. Further, the storage device, the display device, the light emitting device, the lighting device, the electronic device, and the like are themselves semiconductor devices, and may have a semiconductor device.
近年、扱われるデータ量の増大に伴って、より大容量の記憶装置が求められている。NANDフラッシュメモリは、メモリセル当たりの配線、電極の数が少ないため、ビット単価が低い大容量記憶装置として知られている。NANDフラッシュメモリにおいては、2次元平面的なメモリセルの配置による高集積化の限界を迎えており、三次元的にメモリセルを配置する技術に置き換わりつつある(例えば、特許文献1を参照)。 In recent years, as the amount of data handled increases, a storage device having a larger capacity is required. NAND flash memory is known as a large-capacity storage device having a low bit unit price because the number of wires and electrodes per memory cell is small. NAND flash memory has reached the limit of high integration due to the arrangement of memory cells in a two-dimensional plane, and is being replaced by a technique for arranging memory cells in three dimensions (see, for example, Patent Document 1).
チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ(以下、「金属酸化物トランジスタ」、「酸化物半導体トランジスタ」、または「OSトランジスタ」と呼ぶ場合がある。)が知られている。OSトランジスタはSiトランジスタに積層して設けることが可能である。SiトランジスタとOSトランジスタとを組み合わせた様々な半導体装置が提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。 A transistor having a metal oxide in a channel forming region (hereinafter, may be referred to as a “metal oxide transistor”, an “oxide semiconductor transistor”, or an “OS transistor”) is known. The OS transistor can be stacked on the Si transistor. Various semiconductor devices that combine Si transistors and OS transistors have been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
本発明の一形態の課題は、新規な記憶装置を提供すること、データの読出し時間を短縮すること、記憶装置を組み込んだ半導体装置の性能を向上することなどである。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a new storage device, to shorten the data reading time, to improve the performance of the semiconductor device incorporating the storage device, and the like.
本発明の一形態はこれらの課題の全てを解決する必要はない。複数の課題の記載は互いの課題の存在を妨げるものではない。列記した以外の課題は本明細書等の記載から自ずと明らかになり、これらの課題も本発明の一形態の課題となり得る。 One embodiment of the present invention does not need to solve all of these problems. The description of multiple issues does not prevent the existence of each other's issues. Issues other than those listed are self-evident from the description of the present specification and the like, and these issues can also be issues of one form of the present invention.
複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。本発明の一形態は、例示した全ての課題を解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、本明細書等の記載から、自ずと明らかとなるものであり、このような課題も、本発明の一形態の課題となり得る。 The description of multiple issues does not preclude the existence of each other's issues. One embodiment of the present invention does not have to solve all of the illustrated problems. In addition, problems other than those listed are naturally clarified from the description of the present specification and the like, and such problems can also be problems of one aspect of the present invention.
(1) 本発明の一形態は、メモリセルアレイを有する記憶装置であって、グローバルビット線あたり第1乃至第M(Mは2以上の整数)ローカルビット線が設けられ、ローカルビット線には、第1乃至第M回路が電気的に接続され、第k(kは1乃至Mの整数)回路は、第1トランジスタと、バッファアンプとを有し、第1トランジスタは、第kローカルビット線とグローバルビット線との導通を制御し、バッファアンプは、第kローカルビット線の電流を増幅して、グローバルビット線に出力し第1乃至第M回路の第1トランジスタのオンオフは、互いに独立して制御され、第1乃至第M回路のバッファアンプの活性状態は、互いに独立して制御される。 (1) One embodiment of the present invention is a storage device having a memory cell array, in which first to M (M is an integer of 2 or more) local bit lines are provided per global bit line, and the local bit line is a local bit line. The first to M circuits are electrically connected, the k (k is an integer of 1 to M) circuit has a first transistor and a buffer amplifier, and the first transistor is a k local bit line. Controlling the continuity with the global bit line, the buffer amplifier amplifies the current of the kth local bit line and outputs it to the global bit line, and the on / off of the first transistor of the first to M circuits is independent of each other. It is controlled, and the active state of the buffer amplifiers of the first to M circuits is controlled independently of each other.
(2) 上掲の形態(1)において、第1乃至第M回路は、メモリセルアレイ上に積層されている。 (2) In the above-mentioned mode (1), the first to M circuits are stacked on the memory cell array.
(3) 上掲の形態(1)又は(2)において、バッファアンプはソースフォロア回路である。 (3) In the above-mentioned form (1) or (2), the buffer amplifier is a source follower circuit.
(4) 上掲の形態(3)において、ソースフォロア回路は、第2乃至第4トランジスタを有し、第2乃至第4トランジスタは、第1電源線と第2電源線との間に直列に電気的に接続され、第k回路の第3トランジスタのゲートは、第kローカルビット線に電気的に接続され、第1乃至第M回路の第2トランジスタへのバイアス電圧の入力は、互いに独立して制御され、第1乃至第M回路の第4トランジスタのオンオフは、互いに独立して制御される。 (4) In the above-mentioned embodiment (3), the source follower circuit has the second to fourth transistors, and the second to fourth transistors are connected in series between the first power supply line and the second power supply line. Electrically connected, the gate of the third transistor of the k-circuit is electrically connected to the k-local bit line, and the input of the bias voltage to the second transistor of the first to M circuits is independent of each other. The on / off of the fourth transistor of the first to M circuits is controlled independently of each other.
(5) 上掲の形態(4)において、第1乃至第4トランジスタのそれぞれの半導体層は、金属酸化物を有する。 (5) In the above-mentioned form (4), each semiconductor layer of the first to fourth transistors has a metal oxide.
本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」などの序数詞は、順序を表すために使用される場合がある。または、構成要素の混同を避けるために使用する場合がある。これらの場合、序数詞の使用は構成要素の個数を限定するものではない。例えば、「第1」を「第2」または「第3」に置き換えて、本発明の一形態を説明することができる。 In the present specification and the like, ordinal numbers such as "first", "second", and "third" may be used to indicate an order. Alternatively, it may be used to avoid confusion of components. In these cases, the use of ordinal numbers does not limit the number of components. For example, one embodiment of the present invention can be described by substituting "first" with "second" or "third".
本明細書等において、XとYとが接続されていると記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層など)であるとする。 In the present specification and the like, when it is described that X and Y are connected, the case where X and Y are electrically connected and the case where X and Y are functionally connected. It is assumed that the case and the case where X and Y are directly connected are disclosed in the present specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, a connection relationship shown in a figure or a sentence, and a connection relationship other than the connection relationship shown in the figure or the text is also described in the figure or the text. It is assumed that X and Y are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).
トランジスタは、ゲート、ソース、およびドレインと呼ばれる3個の端子を有する。ゲートは、トランジスタの導通状態を制御する制御端子である。ソースまたはドレインとして機能する2個の端子は、トランジスタの入出力端子である。2つの入出力端子は、トランジスタの導電型(nチャネル型、pチャネル型)及びトランジスタの3個の端子に与えられる電位の高低によって、一方がソースとなり他方がドレインとなる。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。また、本明細書等では、ゲート以外の2個の入出力端子を第1端子、第2端子等と呼ぶ場合がある。 Transistors have three terminals called gates, sources, and drains. The gate is a control terminal that controls the conduction state of the transistor. The two terminals that function as sources or drains are the input and output terminals of the transistor. One of the two input / output terminals becomes a source and the other becomes a drain depending on the high and low potentials given to the conductive type (n-channel type and p-channel type) of the transistor and the three terminals of the transistor. Therefore, in the present specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably. Further, in the present specification and the like, two input / output terminals other than the gate may be referred to as a first terminal, a second terminal and the like.
ノードは、回路構成やデバイス構造等に応じて、端子、配線、電極、導電層、導電体、不純物領域等と言い換えることが可能である。また、端子、配線等をノードと言い換えることが可能である。 A node can be paraphrased as a terminal, wiring, an electrode, a conductive layer, a conductor, an impurity region, or the like, depending on a circuit configuration, a device structure, or the like. In addition, terminals, wiring, etc. can be paraphrased as nodes.
電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位(GND)またはソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。なお、電位とは相対的なものである。よって、GNDと記載されていても、必ずしも0Vを意味しない場合もある。 The voltage often indicates the potential difference between a potential and a reference potential (eg, ground potential (GND) or source potential). Therefore, it is possible to paraphrase voltage as electric potential. The electric potential is relative. Therefore, even if it is described as GND, it may not necessarily mean 0V.
本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている場合がある。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In the present specification, words and phrases indicating arrangements such as "above" and "below" may be used for convenience in order to explain the positional relationship between configurations with reference to the drawings. Further, the positional relationship between the configurations changes appropriately depending on the direction in which each configuration is depicted. Therefore, it is not limited to the words and phrases explained in the specification, and can be appropriately paraphrased according to the situation.
本明細書等において、「膜」という言葉と「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。例えば、「絶縁膜」という用語を「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 In the present specification and the like, the words "membrane" and "layer" can be interchanged with each other in some cases or depending on the situation. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive layer". For example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer".
本発明の一形態によって、新規な記憶装置を提供すること、データの読出し時間を短縮すること、記憶装置を組み込んだ半導体装置の性能を向上することが可能になる。 According to one embodiment of the present invention, it becomes possible to provide a new storage device, shorten the data reading time, and improve the performance of the semiconductor device incorporating the storage device.
複数の効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、本発明の一形態は、必ずしも、例示した効果の全てを有する必要はない。また、本発明の一形態について、上記以外の課題、効果、および新規な特徴については、本明細書の記載および図面から自ずと明らかになるものである。 The description of multiple effects does not preclude the existence of other effects. Moreover, one embodiment of the present invention does not necessarily have to have all of the illustrated effects. In addition, problems, effects, and novel features other than the above with respect to one embodiment of the present invention will be self-evident from the description and drawings of the present specification.
以下に、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明の一形態は、以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明の一形態は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, it is easily understood by those skilled in the art that one form of the present invention is not limited to the following description, and that the form and details of the present invention can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. Will be done. Therefore, one embodiment of the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments shown below.
以下に示される複数の実施の形態は適宜組み合わせることが可能である。また1の実施の形態の中に、複数の構成例(作製方法例、動作方法例、使用方法例等も含む。)が示される場合は、互いの構成例を適宜組み合わせること、および他の実施の形態あに記載された1または複数の構成例と適宜組み合わせることも可能である。 The plurality of embodiments shown below can be combined as appropriate. Further, when a plurality of configuration examples (including production method examples, operation method examples, usage method examples, etc.) are shown in the embodiment, each configuration example is appropriately combined, and other implementations are performed. It is also possible to appropriately combine with one or more configuration examples described in the above-mentioned form.
図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。 In the drawings, the size, layer thickness, or area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, it is possible to include variations in the signal, voltage, or current due to noise, or variations in the signal, voltage, or current due to timing deviation.
〔実施の形態1〕
図1Aに、NAND型不揮発性記憶装置の構成例を示す。図1Aに示す記憶装置100は、制御回路105、メモリセルアレイ120、周辺回路を有する。
[Embodiment 1]
FIG. 1A shows a configuration example of a NAND non-volatile storage device. The
制御回路105は記憶装置100全体を統括的に制御し、データの書き込み、データの読み出しを行う。制御回路105は、外部からのコマンド信号を処理して、周辺回路の制御信号を生成する。周辺回路として、行デコーダ111、行ドライバ112、書込み読出し(W/R)回路115、列デコーダ116、ソース線ドライバ117、入出力回路118、ローカルビット線選択回路119が設けられている。これらの回路は、メモリセルアレイ120の構成、および駆動方法等に応じて、適宜、取捨することができる。
The
メモリセルアレイ120は、複数のメモリストリング130、ワード線WL1―WL4、選択ゲート線SGD、SGS、ローカルビット線LBLを有する。図1Bにメモリストリング130の回路構成例を示す。メモリストリング130は、選択トランジスタST1、ST2、メモリセル11_1―11_4を有する。メモリセル11_1―11_4は、それぞれ、メモリトランジスタMT1で構成されている。
The
メモリトランジスタMT1に特段の制約はない。メモリトランジスタMT1は、浮遊ゲート(FG)を備えるFG型メモリトランジスタでもよいし、絶縁物でなる電荷蓄積層を備える絶縁物トラップ型(代表的には、MONOS型)メモリトランジスタでもよい。 There are no particular restrictions on the memory transistor MT1. The memory transistor MT1 may be an FG type memory transistor including a floating gate (FG), or an insulator trap type (typically, MONOS type) memory transistor having a charge storage layer made of an insulator.
選択トランジスタST1、ST2のゲートは、選択ゲート線SGS、SGDにそれぞれ電気的に接続されている。メモリトランジスタMT1乃至MT4のゲートは、ワード線WL1乃至WL4にそれぞれ電気的に接続されている。ローカルビット線LBLは列方向に延在し、ワード線WL1乃至WL4、選択ゲート線SGS、SGDは行方向に延在する。 The gates of the selection transistors ST1 and ST2 are electrically connected to the selection gate lines SGS and SGD, respectively. The gates of the memory transistors MT1 to MT4 are electrically connected to the word lines WL1 to WL4, respectively. The local bit line LBL extends in the column direction, and the word lines WL1 to WL4, the selection gate lines SGS, and SGD extend in the row direction.
なお、メモリセル11_1―11_4を区別しない場合、メモリセル11と記載する。その他の要素の符号についても同様である。また、要素を区別する場合の符号として、『_1』の他に、『a』、『b』等が用いられる場合がある。 When the memory cells 11_1-11_4 are not distinguished, they are described as the memory cells 11. The same applies to the signs of other elements. Further, as a code for distinguishing the elements, "a", "b" and the like may be used in addition to "_1".
メモリストリング130を構成するトランジスタの半導体層は、金属酸化物、シリコン等で形成することができる。金属酸化物半導体を用いることで、オン電流特性が良好なOSトランジスタで、メモリストリング130を構成することができる。
The semiconductor layer of the transistor constituting the
金属酸化物のバンドギャップは2.5eV以上あるため、OSトランジスタは極小のオフ電流をもつ。一例として、ソースとドレイン間の電圧が3.5V、室温(25℃)下において、チャネル幅1μm当たりのオフ電流を1×10−20A未満、1×10−22A未満、あるいは1×10−24A未満とすることができる。すなわち、ドレイン電流のオン/オフ電流比を20桁以上150桁以下とすることができる。 Since the bandgap of the metal oxide is 2.5 eV or more, the OS transistor has a minimum off current. As an example, when the voltage between the source and drain is 3.5 V and the room temperature (25 ° C) is normal, the off current per 1 μm of channel width is less than 1 × 10 -20 A, 1 × 10 -22 A, or 1 × 10. It can be less than -24A. That is, the on / off current ratio of the drain current can be set to 20 digits or more and 150 digits or less.
金属酸化物のエネルギーギャップは、2.5eV以上、又は3.0eV以上と、大きい。金属酸化物は電子が励起されにくいことや、ホールの有効質量が大きいことなどから、OSトランジスタは、一般的なSiトランジスタと比較して、アバランシェ崩壊等が生じにくい場合がある。これにより、例えばアバランシェ崩壊に起因するホットキャリア劣化等を抑制できる場合がある。ホットキャリア劣化を抑制できことで、高いドレイン電圧でOSトランジスタを駆動することができる。 The energy gap of the metal oxide is as large as 2.5 eV or more or 3.0 eV or more. Since metal oxides are less likely to excite electrons and have a large effective mass of holes, OS transistors may be less likely to undergo avalanche breakdown than general Si transistors. As a result, for example, hot carrier deterioration caused by avalanche breakdown may be suppressed. By suppressing hot carrier deterioration, it is possible to drive an OS transistor with a high drain voltage.
例えば、メモリストリング130の半導体層を金属酸化物で形成することで、メモリトランジスタMT1のフローティングノードに高い電圧を印加することが可能になるため、メモリトランジスタMT1でより多くの状態を保持する事が可能である。
For example, by forming the semiconductor layer of the
半導体層に適用される金属酸化物は、Zn酸化物、Zn‐Sn酸化物、Ga‐Sn酸化物、In‐Ga酸化物、In‐Zn酸化物、In‐M‐Zn酸化物(Mは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)などがある。また、インジウムおよび亜鉛を含む酸化物に、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 The metal oxides applied to the semiconductor layer are Zn oxide, Zn-Sn oxide, Ga-Sn oxide, In-Ga oxide, In-Zn oxide, and In-M-Zn oxide (M is: Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn or Hf) and the like. In addition, oxides containing indium and zinc include aluminum, gallium, ittrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, and tungsten. , Or one selected from magnesium and the like, or a plurality of species may be contained.
OSトランジスタの信頼性、電気特性の向上のため、半導体層に適用される金属酸化物は、CAAC‐OS、nc‐OSなどの結晶部を有する金属酸化物であることが好ましい。CAAC‐OSとは、c‐axis‐aligned crystalline metal oxide semiconductorの略称である。nc‐OSとは、nanocrystalline metal oxide semiconductorの略称である。 In order to improve the reliability and electrical characteristics of the OS transistor, the metal oxide applied to the semiconductor layer is preferably a metal oxide having a crystal portion such as CAAC-OS or nc-OS. CAAC-OS is an abbreviation for c-axis-aligned crystalline metallic oxide semiconductor. nc-OS is an abbreviation for nanocrystalline metal oxide semiconductor ductor.
CAAC‐OSは、c軸配向性を有し、かつa‐b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域との間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 CAAC-OS has a c-axis orientation and has a distorted crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction. The strain refers to a region where the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another lattice arrangement is aligned in the region where a plurality of nanocrystals are connected.
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC‐OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC‐OSが、a‐b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagonal shapes and may have non-regular hexagonal shapes. In addition, in distortion, it may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon. In CAAC-OS, a clear grain boundary (also referred to as grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and that the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. It is thought that this is the reason.
CAAC‐OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 CAAC-OS has a layered crystal structure in which a layer having indium and oxygen (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc, and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. It tends to have a layered structure). Indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M of the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can be expressed as a (In, M, Zn) layer. Further, when the indium of the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as a (In, M) layer.
nc‐OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc‐OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc‐OSは、分析方法によっては、非晶質金属酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less). In addition, nc-OS has no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, nc-OS may be indistinguishable from an amorphous metal oxide semiconductor depending on the analysis method.
なお、メモリセルアレイ120に設けられるメモリストリング130に特段の制約はない、図1B以外の回路構成をもつメモリストリングをメモリセルアレイ120に設けてもよい。
The
行デコーダ111は、外部から入力されるアドレスデータをデコードし、アクセスされる行を決定する。行ドライバ112は、行デコーダ111のデコード結果に応じて、データの書込み、読出し、および消去に必要な電圧を、選択ゲート線SGS、SGD、SGL、ワード線WLに入力する。 The row decoder 111 decodes the address data input from the outside and determines the row to be accessed. The row driver 112 inputs the voltage required for writing, reading, and erasing data to the selection gate lines SGS, SGD, SGL, and word line WL according to the decoding result of the row decoder 111.
ソース線ドライバ117は、ソース線SLを駆動する。
The
列デコーダ116は、外部から入力されるアドレスデータをデコードし、アクセスする列を決定する。W/R回路115は、アクセスする書込み電圧の調整、メモリセルアレイ120から読み出された電圧の検知等を行う。例えば、W/R回路115は、グローバルビット線の電圧を検知するためのセンスアンプを備える。
The
入出力回路118は、外部から入力される書込みデータを一時的に保持すること、メモリセルアレイ120から読み出されたデータを一時的に保持すること等を行う。
The input /
記憶装置100のビット線構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。図2A、図2Bを参照して、記憶装置100の階層ビット線構造を説明する。
As the bit line structure of the
(比較例)
比較として、図2Bにビット線が階層化されていないメモリセルアレイの斜視模式図を示す。NANDセルアレイ191の各列には、ビット線BLが設けられている。ビット線BLには、複数のメモリストリングが電気的に接続されている。ビット線BLはW/R回路192に電気的に接続されている。
(Comparative example)
For comparison, FIG. 2B shows a schematic perspective view of a memory cell array in which bit lines are not layered. A bit line BL is provided in each column of the
NANDフラッシュメモリでは、ビット単価を下げるため、メモリセルを3次元的に積層することで、チップ面積を低減し、メモリセルの密度を高めている。しかしながら、NANDセルアレイを3次元構造とすることで、読出しに時間がかかるという短所が生ずる。メモリストリングのメモリトランジスタの電流駆動はプレナ型トランジスタよりも低い。読出しに時において、選択されたメモリトランジスタの電流は、複数のメモリトランジスタを通過する。そのため、ビット線BLの電圧が、データ判定(例えば、0/1判定)可能な値に到達するのに時間を要する。 In NAND flash memory, in order to reduce the bit unit price, memory cells are three-dimensionally stacked to reduce the chip area and increase the density of memory cells. However, the three-dimensional structure of the NAND cell array has the disadvantage that it takes time to read. The current drive of the memory transistor of the memory string is lower than that of the planar transistor. At the time of reading, the current of the selected memory transistor passes through the plurality of memory transistors. Therefore, it takes time for the voltage of the bit line BL to reach a value capable of data determination (for example, 0/1 determination).
(ビット線階層構造)
そこで、本実施の形態では、読み出し速度の改善のため、ビット線BLを複数のローカルビット線LBLに分割し、かつNANDセルアレイ上に、ローカルビット線LBLの選択および駆動を行う回路を積層する。図2Aに、メモリセルアレイ120の斜視模式図を示す。図2Aには、1本のビット線BLを2本のローカルビット線LBLa、LBLbに分割した例を示す。
(Bit line hierarchy)
Therefore, in the present embodiment, in order to improve the read speed, the bit line BL is divided into a plurality of local bit line LBLs, and a circuit for selecting and driving the local bit line LBL is laminated on the NAND cell array. FIG. 2A shows a schematic perspective view of the
メモリセルアレイ120は階層構造をもち、NANDセルアレイ122、回路部124、グローバルビット線部126に大別される。
The
NANDセルアレイ122には、複数のメモリストリング130が配列されている。メモリストリング130の配列に合わせて、ローカルビット線LBLa、LBLb、ワード線WL1―WL4、ソース線SL、選択ゲート線SGS、SGDが設けられている。グローバルビット線部126には、グローバルビット線GBLが設けられている。グローバルビット線GBLはW/R回路115に電気的に接続される。
A plurality of
W/R回路115は、書き込み電圧をグローバル線GBLに入力する、グローバルビット線GBLの電圧を増幅し、データ判定を行う、NANDセルアレイ122に書き込むデータを一時的に格納する、NANDセルアレイ122から読み出したデータの一時的な格納等を行う。また、メモリセル11が多値メモリセルである場合、W/R回路115は、書込みデータをデコードして、書込み電圧を生成する、グローバルビット線GBLの電圧をエンコードして、読み出しデータを生成する機能を備える。
The W /
回路部124には、グローバルビット線GBLあたり1個のビット線分割回路140が設けられている。ビット線分割回路140は、グローバルビット線GBLに導通するローカルビット線LBLの選択等を行う。
The
<<ビット線分割回路>>
図3A、図3Bを参照して、ビット線分割回路140について説明する。図3Aは、ビット線分割回路140の構成例を示す回路図であり、図3Bは、ビット線分割回路140の動作例を示すタイミングチャートである。
<< Bit line division circuit >>
The bit
ビット線分割回路140は2個の回路141を有する。回路141は、ビット線分割回路140の単位回路である。回路141は、4個のトランジスタM10―M13を有する。
The bit
ここでは、2個の回路141を区別する場合、ローカルビット線LBLaに電気的に接続されている方を回路141aと呼び、他方を回路141bと呼ぶ。また、回路141a、141bの要素を区別するために、符号に「a」、「b」を付加して記載する場合がある。
Here, when distinguishing between the two circuits 141, the one electrically connected to the local bit line LBLA is referred to as a
トランジスタM10―M13は、バックゲートを有するOSトランジスタである。トランジスタM10―M13のバックゲートには、電圧Vbgがそれぞれ入力される。電圧Vbgを変更することで、トランジスタM10―M13のしきい値電圧を変更することができる。なお、トランジスタM10のバックゲートを、ゲート、ソース、またはドレインに電気的に接続してもよい。トランジスタM11−M13についても同様である。 Transistors M10-M13 are OS transistors having a back gate. A voltage Vbg is input to each of the back gates of the transistors M10 to M13. By changing the voltage Vbg, the threshold voltage of the transistors M10-M13 can be changed. The back gate of the transistor M10 may be electrically connected to the gate, source, or drain. The same applies to the transistors M11-M13.
OSトランジスタは、電子を多数キャリアとする蓄積型トランジスタである。そのため、pn接合を有する反転型トランジスタ(代表的には、Siトランジスタ)と比較して短チャネル効果の一つであるDIBL(Drain‐Induced Barrier Lowering)の影響が小さい。つまり、OSランジスタは、Siトランジスタよりも短チャネル効果に対する高い耐性を有する。 The OS transistor is a storage type transistor having a large number of electrons as carriers. Therefore, the influence of DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering), which is one of the short-channel effects, is smaller than that of an inverting transistor (typically, a Si transistor) having a pn junction. That is, the OS Langista has higher resistance to the short channel effect than the Si transistor.
OSトランジスタは、短チャネル効果に対する耐性が高いために、Siシリコン等トランジスタよりもゲート絶縁物を厚くすることが可能となる。例えば、チャネル長及びチャネル幅が50nm以下の微細なトランジスタにおいても、10nm程度の厚いゲート絶縁物を設けることが可能である。ゲート絶縁物を厚くすることで、寄生容量を低減することができるので、回路の動作速度を向上できる。またゲート絶縁物を厚くすることにで、リーク電流が低減されるため、静的消費電流の低減につながる。 Since the OS transistor has high resistance to the short channel effect, it is possible to make the gate insulating thicker than the transistor such as Si silicon. For example, even in a fine transistor having a channel length and a channel width of 50 nm or less, a thick gate insulator of about 10 nm can be provided. By thickening the gate insulating material, the parasitic capacitance can be reduced, so that the operating speed of the circuit can be improved. Further, by making the gate insulating material thicker, the leakage current is reduced, which leads to a reduction in static current consumption.
チャネル長が微細化するのに伴いドレイン電界が強まるが、上掲したように、OSトランジスタはSiトランジスタよりもアバランシェ崩壊が起きにくい。 As the channel length becomes finer, the drain electric field becomes stronger, but as mentioned above, the OS transistor is less likely to undergo avalanche breakdown than the Si transistor.
つまり、ゲート絶縁物を厚くすることによりゲート絶縁物の耐圧を高めることができ、より高いゲート電圧でOSトランジスタを駆動することができる。ホットキャリア劣化が抑制されることで、チャネル長を長くせずとも高ドレイン電圧でOSトランジスタを駆動することが可能になる。よって、高電圧が入力される回路をOSトランジスタで構成することで、回路の信頼性を高めることができる。OSトランジスタの信頼性を劣化させずに、チャネル長を縮小することで、回路の集積度を高めることができる。 That is, by increasing the thickness of the gate insulating material, the withstand voltage of the gate insulating material can be increased, and the OS transistor can be driven with a higher gate voltage. By suppressing hot carrier deterioration, it becomes possible to drive an OS transistor with a high drain voltage without lengthening the channel length. Therefore, the reliability of the circuit can be improved by configuring the circuit to which the high voltage is input with the OS transistor. By reducing the channel length without degrading the reliability of the OS transistor, the degree of integration of the circuit can be increased.
従って、ビット線分割回路140をOSトランジスタで構成することで、面積ペナルティなしで、複数のビット線分割回路140をNANDセルアレイ122に積層することが可能である。
Therefore, by configuring the bit
トランジスタM10は転送トランジスタとして機能する。回路141aのトランジスタM10は、ゲート書込み制御線GWEaに電気的に接続されており、トランジスタM10は、ローカルビット線LBLaとグローバルビット線GBLとの導通を制御する。
The transistor M10 functions as a transfer transistor. The transistor M10 of the
回路141bのトランジスタM10のゲートは書込み制御線GWEbに電気的に接続されており、トランジスタM10は、ローカルビット線LBLbとグローバルビット線GBLとの導通を制御する。
The gate of the transistor M10 of the
回路141aにおいて、トランジスタM11―M13は、接地電位を供給する電源線(以下、接地線と呼ぶ)と電圧VHMを供給する電源線(以下、VHM線と呼ぶ場合がある。)との間に直列に電気的に接続されている。トランジスタM11―M13によって、ソースフォロワ回路142aが構成される。トランジスタM11―M13のゲートは、それぞれ、バイアス制御線RBIa、ローカルビット線LBLa、読出し制御線GREaに電気的に接続されている。トランジスタM12のソースはグローバルビット線GBLに電気的に接続されている。トランジスタM11は、ソースフォロワ回路142aの電流源を構成する。トランジスタM13はソースフォロワ回路142aの活性化を制御する。
In the
回路141bのトランジスタM11―M13も、同様に、ソースフォロワ回路142bを構成する。ソースフォロワ回路142bは、バイアス制御線RBIa、ローカルビット線LBLa、読出し制御線GREaに電気的に接続されている。
The transistors M11-M13 of the
ソースフォロワ回路142aは、ローカルビット線LBLaを流れる電流を増幅するバッファアンプとして機能する。従って、読出し動作時に、ローカルビット線LBLaに電気的に接続されているメモリセル11を流れる電流をソースフォロワ回路142aで増幅して、グローバルビット線GBLに入力することができる。ソースフォロワ回路142bもソースフォロワ回路142aと同様に機能する。
The
書込み制御線GWEa、GWEb、読出し制御線GREa、GREb、バイアス制御線RBIa、RBIbは、ローカルビット線選択回路119によって駆動される。
The write control lines GWEa and GWEb, the read control lines GREA and GREb, and the bias control lines RBIa and RBIb are driven by the local bit
図3Bを参照して、ローカルビット線LBLaに電気的に接続されているメモリセル11がアクセス対象である場合の、ビット線分割回路140の動作例を説明する。
An operation example of the bit
書込み動作では、書込み制御線GWEaを“H”にして、その他の制御線GWEb、GREa、GREb、RBIa、RBIbは“L”が維持される。回路141bのトランジスタM10はオフであり、ソースフォロワ回路142a、142bは非活性状態である。回路141aのトランジスタM10がオンになり、グローバルビット線GBLとローカルビット線LBLaとが導通されるため、グローバルビット線GBLの電圧が、ローカルビット線LBLaに入力される。
In the writing operation, the writing control line GWEa is set to "H", and the other control lines GWEb, GREa, GReb, RBIa, and RBIb are maintained at "L". The transistor M10 of the
読出し動作では、読出し制御線GREaを“H”にし、バイアス制御線RBIaにバイアス電圧Vbを入力する。その他の制御線GWEa、GWEb、GREb、RBIbは“L”が維持される。回路141a、141bの各トランジスタM10はオフであり、ソースフォロワ回路142bは非活性状態である。
In the read operation, the read control line GREA is set to “H”, and the bias voltage Vb is input to the bias control line RBIa. “L” is maintained for the other control lines GWEa, GWEb, GREb, and RBIb. Each transistor M10 of the
ソースフォロワ回路142aにおいて、トランジスタM11のゲートにバイアス電圧Vbが入力され、トランジスタM13はオンになる。よって、ソースフォロワ回路142aは活性状態となり、グローバルビット線GBLを駆動する。ローカルビット線LBLaの電圧に応じたドレイン電流がトランジスタM12に流れるため、グローバルビット線GBLの電圧が変化する。
In the
つまり、メモリセル11からグローバルビット線GBLへのデータ伝送を、メモリセル11よりも電流駆動能力の高いソースフォロワ回路142aが行っている。これより、グローバルビット線GBLの電圧がデータ判定可能な電圧に到達する時間が短縮されるため、データ読み出しにかかる時間を低減することができる。
That is, the data transmission from the memory cell 11 to the global bit line GBL is performed by the
ビット線分割回路140は、メモリセル11が多値メモリセルである場合のデータ読出しをサポートする。ソースフォロワ回路142aを流れる電流は、ローカルビット線LBLaの電圧に応じて変化するので、ソースフォロワ回路142aは、メモリセル11が保持する電圧レベルに応じた電流を、グローバルビット線GBLに入力することができる。
The bit
上掲したように、NANDフラッシュメモリは、ビット単価が低いが、動作速度は低い。そのため、NANDフラッシュメモリは、記憶階層の下位レベルに位置し、主にストレージとして使用される。NANDフラッシュメモリの動作速度は、メインメモリとして使用されるDRAMの1000分の1(10−3)である。従って、コンピューティングシステムにおいて、NANDフラッシュメモリへのアクセスは、プロセッサの性能の著しい劣化を招く。本実施の形態により、NANDフラッシュメモリの動作速度を向上することができるため、プロセッサの性能の劣化を低減できる。 As mentioned above, NAND flash memory has a low bit unit price, but its operating speed is low. Therefore, the NAND flash memory is located at a lower level of the storage hierarchy and is mainly used as storage. The operating speed of the NAND flash memory is 1/1000 (10 -3 ) of the DRAM used as the main memory. Therefore, in a computing system, access to NAND flash memory results in a significant degradation in processor performance. According to this embodiment, the operating speed of the NAND flash memory can be improved, so that the deterioration of the processor performance can be reduced.
ビット線階層構造の一例として、グローバルビット線あたり2本のローカルビット線を設ける例を説明したが、グローバルビット線あのローカルビット線数は2以上であればよい。図4を参照して、ビット線階層構造の他の例を説明する。図4はメモリセルアレイの3次元構造例を回路図で模式的に表した図である。 As an example of the bit line hierarchy structure, an example in which two local bit lines are provided for each global bit line has been described, but the number of local bit lines of the global bit line may be 2 or more. Another example of the bit line hierarchical structure will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of a three-dimensional structure of a memory cell array in a circuit diagram.
図4に示すメモリセルアレイ150には、グローバルビット線あたり4本のローカルビット線が設けられている。メモリセルアレイ150の構成要素は、メモリセルアレイ120と同様、NANDセルアレイ152、回路部154、グローバルビット線部156に大別される。
The
NANDセルアレイ152において、1列あたり4本のローカルビット線LBLa―LBLdが設けられている。ローカルビット線LBLa―LBLdには、複数のメモリストリング130がそれぞれ電気的に接続されている。グローバルビット線部156には、グローバルビット線GBLが設けられている。
In the
回路部154には、グローバルビット線GBLごとに、ビット線分割回路145が設けられている。ビット線分割回路145は、回路141a―141dを有し、書込み制御線GWEa―GWEd、読出し制御線GREa―GREd、バイアス制御線RBIa―RBIdに電気的に接続されている。
The
ビット線分割回路145の動作は、ビット線分割回路140と同様である。書込み動作の際には、ビット線分割回路145によって、ローカルビット線LBLa―LBLdの何れか1が選択され、選択されたローカルビット線LBLはグローバルビット線GBLに電気的に接続される。読出し動作の際には、読出し対象のローカルビット線LBLに電気的に接続されているソースフォロア回路が活性化される。
The operation of the bit
なお、ビット線の分割数が増えるほど、ビット線分割回路数が増える。そのため、面積ペナルティが発生しないように、ビット線分割数を決定することが好ましい。 As the number of bit line divisions increases, the number of bit line division circuits increases. Therefore, it is preferable to determine the number of bit line divisions so that an area penalty does not occur.
<<OSトランジスタ回路>>
記憶装置100の周辺回路の一部をOSトランジスタで構成される回路で構成することができる。
<< OS Transistor Circuit >>
A part of the peripheral circuit of the
なお、シリコンのようにドーピングによって、金属酸化物半導体の導電型を制御することは困難である。例えば、インジウムを含む金属酸化物(例えば、酸化インジウム)、あるいは亜鉛を含む金属酸化物(例えば、酸化亜鉛)では、n型半導体は作製できるが、p型半導体は作製できていない。現状、実用化レベルの特性を備えるpチャネル型OSトランジスタの作製されていない。 It is difficult to control the conductive type of a metal oxide semiconductor by doping like silicon. For example, a metal oxide containing indium (for example, indium oxide) or a metal oxide containing zinc (for example, zinc oxide) can produce an n-type semiconductor, but cannot produce a p-type semiconductor. At present, a p-channel type OS transistor having characteristics at a practical level has not been manufactured.
まず、OSトランジスタ回路の一例として、nチャネル型トランジスタのみで構成されるダイナミックロジック回路について説明する。 First, as an example of an OS transistor circuit, a dynamic logic circuit composed of only n-channel transistors will be described.
(AND回路)
図5Aに4入力AND回路の一例を示す。図5Aに示すAND回路170において、電圧VDD1用の電源線(以下、VDD1線と呼ぶ。)と電圧VSS用の電源厳線(以下、VSS線と呼ぶ。)との間に、トランジスタM51、M40―M42、M52が電気的に直列接続されている。トランジスタM40―M43のゲートはそれぞれノードA0―A3に電気的に接続されている。トランジスタM51、M52のゲートは、ノードPRE、PREBに電気的に接続されている。ここではトランジスタM43とトランジスタM52の接続ノードをノードYと呼ぶ。
(AND circuit)
FIG. 5A shows an example of a 4-input AND circuit. In the AND
電圧VDD2用の電源線(以下、VDD2線と呼ぶ。)とVSS線との間に、トランジスタM51、容量素子C53、C51が電気的に直列接続されている。電圧VDD2は電圧VDD1よりも高い電圧である。容量素子C53と容量素子C51との接続ノードは、ノードYに電気的に接続され、トランジスタM53と容量素子C53との接続ノードはノードOUTに電気的に接続されている。トランジスタM53のバックゲートは、ノードBSGに電気的に接続されている。トランジスタM53、容量素子C53によりブートストラップ回路175が構成されている。
A transistor M51, capacitive elements C53, and C51 are electrically connected in series between a power supply line for voltage VDD2 (hereinafter referred to as a VDD2 line) and a VSS line. The voltage VDD2 is a voltage higher than the voltage VDD1. The connection node between the capacitive element C53 and the capacitive element C51 is electrically connected to the node Y, and the connection node between the transistor M53 and the capacitive element C53 is electrically connected to the node OUT. The back gate of the transistor M53 is electrically connected to the node BSG. The
プリチャージ期間では、ノードPRE、PREBを“H”、“L”にする。評価期間では、ノードPRE、PREBを“L”、“H”にする。評価期間では、ノードA0―A3の論理積が演算され、演算結果に応じたデータがノードOUTから出力される。 In the precharge period, the nodes PRE and PREB are set to "H" and "L". In the evaluation period, the nodes PRE and PREB are set to "L" and "H". In the evaluation period, the logical product of the nodes A0 to A3 is calculated, and the data corresponding to the calculation result is output from the node OUT.
極小オフ電流のOSトランジスタでAND回路170を構成することで、容量素子C51から電荷がリークすることを防ぐことができるので、AND回路170の駆動周波数に制約がない。ブートストラップ回路175は適宜設ければよい。OSトランジスタはしきい値電圧がSiトランジスタよりも高くなる場合がある。ブートストラップ回路175によってノードYを昇圧することで、ノードOUTの出力信号に対する、トランジスタM40―M43のしきい値電圧の影響を低減できる。
By configuring the AND
ノードBSGの電圧によって、トランジスタM53のしきい値電圧を変更することができるので、ノードOUTの出力信号の振幅を変更できる。よって、ノードOUTに電気的に接続される回路に応じて、ノードBSGの電圧を設定すればよい。 Since the threshold voltage of the transistor M53 can be changed by the voltage of the node BSG, the amplitude of the output signal of the node OUT can be changed. Therefore, the voltage of the node BSG may be set according to the circuit electrically connected to the node OUT.
(OR回路)
図5Bに4入力OR回路の一例を示す。OR回路171では、トランジスタM51のソースとノードY間にトランジスタM45―M48が並列に電気的に接続されている。トランジスタM45―M48のゲートには、それぞれ、ノードA0―A3が電気的に接続されている。プリチャージ期間では、ノードPRE、PREBを“H”、“L”にする。評価期間では、ノードPRE、PREBを“L”、“H”にする。評価期間では、ノードA0―A3の論理和が演算され、演算結果に応じたデータがノードOUTから出力される。
(OR circuit)
FIG. 5B shows an example of a 4-input OR circuit. In the
OSトランジスタ回路は、Siトランジスタで構成される周辺回路上に積層すること、ビット線分割回路140と共に回路部124に設けることが可能である。例えば、NANDセルアレイ122と周辺回路とを導通するため引き回し配線が形成される領域に、OSトランジスタ回路を積層することができる。
The OS transistor circuit can be stacked on a peripheral circuit composed of Si transistors, and can be provided in the
なお、トランジスタM51において、バックゲートをソースまたはドレインに電気的に接続してもよいし、トランジスタM53と同様に、バックゲートに外部から電圧を入力してもよい。または、トランジスタM51をバックゲートの無いOSトランジスタで構成してもよい。AND回路170、OR回路171を構成するトランジスタについても同様である。
In the transistor M51, the back gate may be electrically connected to the source or drain, or a voltage may be input to the back gate from the outside as in the transistor M53. Alternatively, the transistor M51 may be configured by an OS transistor having no back gate. The same applies to the transistors constituting the AND
OSトランジスタによって、アナログ回路を構成することができる。一例として、チャージポンプ回路の一例を図6に示す。 An analog circuit can be configured by an OS transistor. As an example, an example of a charge pump circuit is shown in FIG.
図6に示すチャージポンプ回路173は、4個のOSトランジスタ、4個の容量素子、2個のインバータ回路を有する。インバータ回路は、Siトランジスタで構成される。クロック信号がアクティブであるとき、チャージポンプ回路173は、接地電圧を降圧し、負電圧Vcpを生成する。例えば、負電圧Vcpは、ビット線分割回路140のトランジスタM10−M13のバックゲートに入力される。なお、OSトランジスタによって、昇圧型チャージポンプ回路を構成してもよい。
The
上掲したように、本実施の形態に係る記憶装置は、ビット線分割回路を設け、ビット線を階層化することで、読出し時間を短縮することができる。また、ビット線分割回路をNANDセルアレイに積層することで、面積ペナルティなしに、ビット線を階層化することが可能になる。 As described above, the storage device according to the present embodiment is provided with a bit line dividing circuit, and the reading time can be shortened by layering the bit lines. Further, by stacking the bit line dividing circuit on the NAND cell array, it becomes possible to layer the bit lines without an area penalty.
なお、本実施の形態のビット線分割回路が適用できる記憶装置は、NANDフラッシュメモリに限定されるものではなく、様々な記憶装置に適用が可能である。 The storage device to which the bit line dividing circuit of the present embodiment can be applied is not limited to the NAND flash memory, and can be applied to various storage devices.
〔実施の形態2〕
本実施の形態では、上掲の記憶装置を有する電子部品、電子機器等について説明する。
[Embodiment 2]
In the present embodiment, the electronic components, electronic devices, and the like having the above-mentioned storage device will be described.
上掲の記憶装置は、例えば、各種電子機器(例えば、情報端末、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ(ビデオカメラも含む)、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど)のストレージ装置に適用できる。または、記憶装置100は、メモリカード(例えば、SDカード)、USBメモリ、SSD(ソリッド・ステート・ドライブ)等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図7A―図7Dに、リムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を示す。
The above-mentioned storage device can be applied to, for example, a storage device of various electronic devices (for example, an information terminal, a smartphone, an electronic book terminal, a digital camera (including a video camera), a recording / playback device, a navigation system, etc.). Alternatively, the
図7AはUSBメモリの模式図である。USBメモリ1100は、筐体1101、キャップ1102、USBコネクタ1103および基板1104を有する。基板1104は、筐体1101に収納されている。基板1104には、記憶装置100を構成する回路が設けられている。例えば、基板1104には、メモリチップ1105、コントローラチップ1106が取り付けられている。メモリチップ1105には、記憶装置100が組み込まれている。コントローラチップ1106には、プロセッサ、ワークメモリ、ECC(誤り検出訂正)回路等が組み込まれている。
FIG. 7A is a schematic diagram of the USB memory. The
図7BはSDカードの外観の模式図であり、図7CはSDカードの内部構造の模式図である。SDカード1110は、筐体1111、コネクタ1112、基板1113を有する。基板1113は筐体1111に収納されている。例えば、基板1113には、メモリチップ1114、コントローラチップ1115が取り付けられている。メモリチップ1114には、上掲の記憶装置が組み込まれている。コントローラチップ1115には、プロセッサ、ワークメモリ、ECC回路等が組み込まれている。
FIG. 7B is a schematic diagram of the appearance of the SD card, and FIG. 7C is a schematic diagram of the internal structure of the SD card. The
基板1113の裏面側にもメモリチップ1114を設けることで、SDカード1110の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板1113に設けてもよい。これによって、ホスト装置とSDカード1110間の無線通信によって、メモリチップ1114のデータの読み出し、書き込みが可能となる。
By providing the
図7DはSSDの外観の模式図であり、図7Eは、SSDの内部構造の模式図である。SSD1150は、筐体1151、コネクタ1152および基板1153を有する。基板1153は筐体1151に収納されている。例えば、基板1153には、メモリチップ1154、メモリチップ1155、コントローラチップ1156が取り付けられている。メモリチップ1154には、記憶装置100が組み込まれている。基板1153の裏面側にもメモリチップ1155を設けることで、SSD1150の容量を増やすことができる。メモリチップ1155にはワークメモリが組み込まれている。例えば、メモリチップ1155には、DRAMチップを用いればよい。コントローラチップ1156には、プロセッサ、ECC回路等が組み込まれている。コントローラチップ1156にも、ワークメモリとして機能する記憶装置を設けてもよい。
FIG. 7D is a schematic diagram of the appearance of the SSD, and FIG. 7E is a schematic diagram of the internal structure of the SSD. The
例えば、SSD1150は、各種のコンピューティングシステム(パーソナルコンピュータ、ワークステーション、サーバー、スーパーコンピュータ等)のストレージ装置に適用される。
For example, the
次に、図8を参照して、記憶装置100が組み込まれた情報処理システムについて説明する。図8に示す情報処理システム1500は、ホスト装置1510、記憶装置1520、出力装置1531、入力装置1532を有する。
Next, with reference to FIG. 8, an information processing system in which the
記憶装置1520は、記憶装置100を適用することができる。記憶装置1520は、例えば、ホスト装置1510のストレージ装置として用いられており、各種データ(例えば、プログラム、映像データ、音響データ等)を記憶する。
As the
ホスト装置1510は、情報処理システム1500全体を制御する機能を有する。ホスト装置1510は、プロセッサ1511、メモリ部1512、I/F(インターフェース)1513、およびバス1514を有する。バス1514により、プロセッサ1511、メモリ部1512およびI/F1513が相互接続されている。プロセッサ1511は、演算装置および制御装置として機能し、ファームウエア等のプログラムに従って、情報処理システム1500内の各種装置を制御する。プロセッサ1511には、CPU、マイクロプロセッサ(MPU)、FPGA、GPU等を用いることができる。メモリ部1512は、メインメモリとして機能する記憶装置(例えば、DRAM)を含む。メモリ部1512には、プロセッサ1511が実行するプログラムや、プロセッサ1511で処理したデータ等が格納される。メモリ部1512は、記憶装置100を有していてもよい。また、プロセッサ1511が、記憶装置100を有していてもよい。
The
ホスト装置1510は、I/F1513を介して、出力装置1531、入力装置1532、および記憶装置1520との通信を行う。例えば、入力装置1532からの入力信号は、I/F1513およびバス1514を経てプロセッサ1511に伝送される。
The
複数の出力装置1531を情報処理システム1500に設けることができる。出力装置1531として、表示装置、スピーカ、振動装置、発光装置(例えば、LEDランプ)等がある。複数の入力装置1532を情報処理システム1500に設けることができる。入力装置1532としては、タッチセンサ、キーボード、マウス、操作ボタン、マイクロフォン(音声入力装置)、カメラ(撮像装置)、各種のセンサ(照度センサ、色温度センサ、赤外線センサ、紫外線センサ、加速度センサ、温度センサ、圧力センサなど)等がある。
A plurality of
情報処理システム1500は、記憶装置1520およびホスト装置1510が1つの筐体に収められている態様であってもよいし、有線または無線で接続されている複数の装置で構成されている態様でもよい。例えば、前者の態様として、ノート型PC(パーソナルコンピュータ)、タブレット型情報端末、電子書籍端末、スマートフォン、携帯電話、オーディオ端末、録画再生装置等がある。後者の形態として、デスクトップ型PC、キーボード、マウスおよびモニタのセットがある。また、録画再生装置、音響機器(スピーカ、アンプ等)、およびテレビジョン装置を備えるAV(音響映像)システムや、監視カメラ、表示装置、および録画用記憶装置を備える監視システム等がある。
The
図9A―図9Dに、情報処理システム1500、または記憶装置100を備える電子機器を模式的に示す。
9A-9D schematically show an electronic device including an
図9Aにタブレット型情報端末の構成例を示す。図9Aに示す情報端末2010は、筐体2011、表示部2012、照度センサ2013、カメラ2015、操作ボタン2016を有する。筐体2011には、記憶装置100、プロセッサ等が組み込まれている。
FIG. 9A shows a configuration example of a tablet-type information terminal. The
表示部2012はタッチセンサが組み込まれた表示システムで構成される。表示部2012をスタイラスペン2017(または電子ペン)、指などでタッチ操作することで、情報端末2010を操作することが可能である。情報端末2010の機能には、音声通話、カメラ2015を利用したビデオ通話、電子メール、手帳、インターネット接続、音楽再生などがある。
The
図9BにPC(パーソナルコンピュータ)の構成例を示す。図9Bに示すPC2030は、筐体2031、表示部2032、照度センサ2034、カメラ2035、キーボード2036を有する。キーボード2036は、筐体2031から着脱可能な構成であってもよい。筐体2031にキーボード2036を装着した状態では、PC2030はノード型PCとして使用できる。筐体2031からキーボード2036を脱着した状態では、PC2030はタブレット型PCとして使用できる。
FIG. 9B shows a configuration example of a PC (personal computer). The
筐体2031には、表示部2032のコントローラ、記憶装置100、プロセッサ等が組み込まれている。
A controller for the
図9Cに示すロボット2100は、照度センサ2101、マイクロフォン2102、上部カメラ2103、スピーカ2104、表示部2105、下部カメラ2106、障害物センサ2107、移動機構2108、プロセッサ2110、記憶装置2111を備える。記憶装置2111に記憶装置100を適応することができる。
The
表示部2105は種々の情報を表示する。表示部2105は、タッチパネルを搭載していてもよい。マイクロフォン2102、スピーカ2104を用いて、使用者はロボット2100と音声によるコミュニケーションが可能である。上部カメラ2103および下部カメラ2106は、ロボット2100の周囲を撮像する。例えば、上部カメラ2103で撮影した使用者の情報をもとに、ロボット2100がスピーカ2104から発する音声が選択される。
The
ロボット2100は、移動機構2108によって移動することが可能である。障害物センサ2107によって、ロボット2100の移動方向の障害物の有無を察知することができる。ロボット2100は、上部カメラ2103、下部カメラ2106、および障害物センサ2107を用いて、周囲の環境を認識しており、安全にかつ自立して移動することが可能である。
The
図9Dに示す飛行体2120は、プロセッサ2121、記憶装置2122、カメラ2123、プロペラ2124を有する。記憶装置2122に記憶装置100を適用することができる。
The flying
図9Dに示す自動車2140は、赤外線レーダー、近赤外線レーダー、ミリ波レーダー、レーザーレーダーなど各種センサなどを備える。自動車2140は、カメラ2141が撮影した画像、およびセンサが取得したデータを解析し、ガードレール2150や歩行者の有無など、周囲の状況を判断し、自動運転を行うことができる。自動車2140には、上掲の記憶装置など、各種の電子部品が組み込まれている。
The
〔実施の形態3〕
本実施の形態では、図10A―図13を参照して、OSトランジスタについて説明する。本実施の形態に係るOSトランジスタは、上掲の記憶装置に用いることができる。
[Embodiment 3]
In this embodiment, the OS transistor will be described with reference to FIGS. 10A-13. The OS transistor according to this embodiment can be used in the above-mentioned storage device.
図10Aは、OSトランジスタ400の構成例を示す上面図である。なお、図10Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。図10Bは、切断線X1―X2による図10Aの断面図であり、OSトランジスタのチャネル長方向の断面図である。図11Aは、切断線Y3―Y4による図10Aの断面図であり、OSトランジスタのチャネル幅方向の断面図である。図11Bは、切断線Y5―Y6による図10Aの断面図である。図12は、図10Bの部分拡大図である。
FIG. 10A is a top view showing a configuration example of the
OSトランジスタ400は、絶縁体層410上に形成されている。OSトランジスタ400は、絶縁体層418、絶縁体層419、絶縁体層420に覆われている。411―416、422、425―427で示す要素は絶縁体である。
The
なお、図10B等では、絶縁体層410は単層構造で示されているが、複数の層でなる多層構造であってもよい。このことは、他の要素についても同様である。
Although the
絶縁体層416上にOSトランジスタ400の半導体層440が設けられている。半導体層440は金属酸化物層441―443で構成されている。金属酸化物層441―443は、上掲のIn‐M‐Zn酸化物等で構成される。半導体層440には、層447A、447Bが設けられている。半導体層440の構成の説明は後述する。
A
OSトランジスタ400のゲートは導電体層460で構成され、バックゲートは導電体層461で構成されている。導電体層460は、絶縁体層422、金属酸化物層444を介して、半導体層440と重なる。導電体層461は、絶縁体層414―415を介して半導体層440と重なる。層447A、447Bに接して、導電体層462A、462Bが設けられている。導電体層461に接して導電体層463が設けられている。導電体層462A、462Bはプラグとして機能し、導電体層463は配線として機能する。
The gate of the
導電体層460は、導電体層469、および導電体層470を有する。導電体層463は導電体層471、472を有する。導電体層462A、462Bはそれぞれ導電体層473、474を有する。導電体層463は導電体層475、476を有する。
The
ボトムゲート側のゲート絶縁層は、絶縁体層414、415、416で構成される。フロントゲート側のゲート絶縁層は、絶縁体層422で構成されている。
The gate insulating layer on the bottom gate side is composed of an
導電体層460上面に接して絶縁体層425が設けられ、絶縁体層425上に絶縁体層426が設けられている。導電体層460側面に接して絶縁体層427設けられている。
An
導電体層471、473、475には、不純物(例えば、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。例えば、不純物または酸素の拡散を抑制する機能をもつ導電材料としては、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどが挙げられる。 The conductive layer 471,473,475, impurities (e.g., hydrogen atom, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O, NO, etc. NO 2), copper atoms) diffusion of It is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the above. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.). In the present specification, the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the above impurities or the above oxygen. For example, examples of the conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen include tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like.
導電体層472は、導電体層471よりも抵抗率が低い導電材料とすることが好ましい、例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。導電体層474、476も同様である。
The
導電体層461において、導電体層471が、酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体層472が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。導電体層462A、462B、463についても同様である。
In the
導電体層476のように配線を構成する導電体には、銅を用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、半導体層440に拡散することで、OSトランジスタ400の電気特性を低下させる場合がある。そこで、導電体層476に銅を用いる場合は、絶縁体層412には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用い、銅の拡散を抑えることが好ましい。
It is preferable to use copper for the conductor constituting the wiring such as the
導電体層469は、導電体層471と同様に、不純物または酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体層470には導電体層469よりも抵抗率が低い導電性材料を用いる。例えば、導電体層470には、チタン、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。
As for the
導電体層461は、半導体層440、および導電体層460と重なるように配置する。チャネル幅方向において、導電体層461は、金属酸化物層442の端部よりも外側に延伸している端部を有することが好ましい(図11A参照)。このような構成にすることで、ゲート(導電体層460)の電界とバックゲート(導電体層461)の電界とによって、OSトランジスタ400のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。よって、OSトランジスタ400のオン電流を大きくできる。
The
なお、導電体層461、絶縁体層412、および絶縁体層413は設けなくてもよい場合がある。その場合、導電体層463の一部をバックゲートとして機能させればよい。
The
絶縁体層425には、不純物または酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体層460が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体層425よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体層460および絶縁体層422を介して、半導体層440に混入することを抑制することができる。
For the
絶縁体層426はハードマスクとして機能することが好ましい。絶縁体層426を設けることで、導電体層460の加工の際、導電体層460の側面が概略垂直、具体的には、導電体層460の側面と基板表面のなす角を、75度以上100度以下、好ましくは80度以上95度以下とすることができる。導電体層460をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体層427を所望の形状に形成することができる。
The
絶縁体層426に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア層の機能を兼ねてもよい。その場合、絶縁体層425は設けなくてもよい。
By using an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen in the
絶縁体層410、412は、上記不純物に対するバリア層として機能することが好ましい。これにより、基板側からOSトランジスタ400に不純物が混入するのを抑制することが好ましい。例えば、絶縁体層410として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体層412として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。また、絶縁体層420の上にバリア層として機能する絶縁体を設けてもよい。これにより、絶縁体層420の上からOSトランジスタ400に不純物が混入するのを抑制することができる。
The insulator layers 410 and 412 preferably function as a barrier layer against the above impurities. This preferably suppresses impurities from being mixed into the
これにより、絶縁体層410側からOSトランジスタ400に水素、水などの不純物が拡散することを抑制できる。または、絶縁体層416などに含まれる酸素が、絶縁体層410および絶縁体層412よりも絶縁層410側に拡散することを抑制できる。
As a result, it is possible to suppress the diffusion of impurities such as hydrogen and water from the
絶縁体層411、413、420は層間膜として機能するため、絶縁体層410、または絶縁体層412よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い層間膜を設けることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
Since the insulator layers 411, 413, and 420 function as interlayer films, the dielectric constant is preferably lower than that of the
例えば、絶縁体層411、絶縁体層413、および絶縁体層420として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
For example, as the
次に、半導体層440について説明を行う。
Next, the
金属酸化物層441および金属酸化物層443の伝導帯下端のエネルギーが、金属酸化物層442の伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、金属酸化物層441および金属酸化物層443の電子親和力が、金属酸化物層442の電子親和力より小さいことが好ましい。
It is preferable that the energy at the lower end of the conduction band of the
金属酸化物層441、金属酸化物層442、および金属酸化物層443の接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化することが好ましい。換言すると、金属酸化物層441、金属酸化物層442、および金属酸化物層443の接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合することが好ましい。このようにするためには、金属酸化物層441と金属酸化物層442との界面、および金属酸化物層442と金属酸化物層443との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
At the junction of the
このとき、キャリアの主たる経路は金属酸化物層442となる。金属酸化物層441、金属酸化物層443を上述の構成とすることで、金属酸化物層441と金属酸化物層442との界面、および金属酸化物層442と金属酸化物層443との界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、OSトランジスタ400は高いオン電流を得られる。
At this time, the main path of the carrier is the
欠陥準位密度が低い混合層を形成するには、例えば、金属酸化物層441と金属酸化物層442、金属酸化物層442と酸化物半導体443が、酸素以外に共通の金属元素を主成分とする。金属酸化物層442がIn‐Ga‐Zn酸化物の場合、金属酸化物層441および金属酸化物層443として、In‐Ga‐Zn酸化物、Ga‐Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いことができる。例えば、金属酸化物層441―443がIn‐Ga‐Zn酸化物層である場合、金属酸化物層441のInに対するGaの原子数比が、金属酸化物層442、443のInに対するGaの原子数比より大きいことが好ましい。
In order to form a mixed layer having a low defect level density, for example, the
図12に示すように、半導体層440は、領域480、481a、481b、482a、482bを有する。領域480はチャネル形成領域として機能する。領域481a、481bは、ソース領域およびドレイン領域として機能する。領域482a、482bは、絶縁体層427と重畳する領域を有する。領域482a、482bの少なくとも一方は、導電体層460と重畳する領域を有していてもよい。
As shown in FIG. 12, the
領域481a、481bは、酸素濃度が低く、低抵抗化された領域である。領域480は領域481a、481bよりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。領域482aは、領域481aよりも酸素濃度が高く、キャリア密度が低い、かつ領域480よりも酸素濃度が低く、キャリア密度が高い。つまり、領域482aは領域481aよりも高抵抗であり、領域480よりも低抵抗である。領域482bについても、領域482aと同様である。
The
領域482a、482bを設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域481a、481bと、チャネルが形成される領域480との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域482a、482bを有することで、チャネル長方向において、領域481a、481bはそれぞれゲート(導電体層460)と重ならないため、ゲートの寄生容量を低減。また、領域482a、482bを有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。
By providing the
図12では、各領域の境界を、半導体層440の上面に対して略垂直に表示しているが、これに限定されない。また、半導体層440において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化(グラデーションともいう。)していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
In FIG. 12, the boundary of each region is displayed substantially perpendicular to the upper surface of the
半導体層440を選択的に低抵抗化することで、半導体層440の各領域に所望の機能を付与することができる。つまり、回路設計の要求を満たすOSトランジスタ400を提供することができる。
By selectively reducing the resistance of the
半導体層440を選択的に低抵抗化するには、導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を所定の領域に添加すればよい。例えば、導電性を高める金属元素としては、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどがある。不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などがあり、具体的には、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス元素(代表的には、アルゴン)等が挙げられる。
In order to selectively reduce the resistance of the
領域481a、481bの、導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、領域481a、481bのキャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
By increasing the content of the metal elements that enhance the conductivity, the elements that form oxygen deficiencies, or the elements that are captured by the oxygen deficiencies in the
領域481a、481bを低抵抗化するために、例えば、領域481a、481bに接して、金属含有膜(以下、金属含有膜と呼ぶ)を成膜するとよい。絶縁体層427を形成した後に、金属含有膜を形成することが好ましい。
In order to reduce the resistance of the
つまり、半導体層440に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体層460、および絶縁体層427をマスクとすることで、自己整合的に半導体層440は低抵抗化する。そのため、複数のOSトランジスタ400を同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。例えば、導電体層460の幅を最小加工寸法とすることが可能であり、OSトランジスタ400微細化される。
That is, when the low resistance region is formed in the
金属含有膜としては、金属膜、金属元素を含む酸化膜、金属元素を含む窒化膜などがある。上記金属含有膜の厚さは、例えば、10nm以上200nm以下とするとよい。金属元素を有する膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Examples of the metal-containing film include a metal film, an oxide film containing a metal element, and a nitride film containing a metal element. The thickness of the metal-containing film may be, for example, 10 nm or more and 200 nm or less. The film formation of the film containing a metal element can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
半導体層440と金属含有膜とが接することにより、当該金属元素を有する膜の成分と、半導体層440の成分とが、金属化合物を形成し、領域481a、481bとなり、低抵抗化する。また、半導体層440と当該金属元素を有する膜との界面、または当該界面近傍に位置する半導体層440中の酸素の一部が層447A、447Bに吸収され、半導体層440に酸素欠損を形成し、低抵抗化し、領域481a、481bを形成する場合がある。
When the
また、半導体層440と金属含有膜とが接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、当該金属元素を有する膜から、当該金属元素を有する膜の成分である金属元素が半導体層440へ、または半導体層440の成分である金属元素が当該金属元素を有する膜へと、拡散し、半導体層440と、当該金属元素を有する膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化する。このようにして、半導体層440と当該金属元素を有する膜との間に層447A、447Bが形成される。なお、その際、半導体層440の金属元素と、当該金属元素を有する膜の金属元素とが、合金化してもよい。従って、層447A、447Bは合金を含む場合がある。当該合金は、比較的安定な状態であり、OSトランジスタ400の信頼性を劣化しない。
Further, it is preferable to perform the heat treatment in an atmosphere containing nitrogen with the
上記熱処理は、例えば、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、熱処理は減圧状態で行ってもよい。また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。 The heat treatment may be performed, for example, at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and more preferably 320 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. The heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. Further, the heat treatment may be performed in a reduced pressure state. Further, after the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen or an inert gas, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas.
また、半導体層440中の水素は、領域481a、481bに拡散し、領域481a、481bに存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。領域480に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域481a、481bに拡散し、領域481a、481bに存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域481a、481bはより低抵抗化し、領域480は高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。
Further, when hydrogen in the
領域480、482a、482bは、導電体層460、および絶縁体層427を存在することで、金属元素の添加が抑制される。また、領域480、482a、482bにおいて、半導体層440中の酸素原子が、上述した金属含有膜へ吸収されることが抑制される。
In the
領域481aの酸素が吸収されることで、これら領域481aに酸素欠損が生じる場合がある。半導体層440中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域481aのキャリア密度は増加する。従って、領域481aは、低抵抗化される。領域481b、482a、482bも低抵抗化される場合がある。
Oxygen deficiency may occur in these
金属含有膜が水素を吸収する特性を有する場合、上記熱処理において、半導体層440中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、半導体層440中の不純物である水素を低減することができる。金属含有膜は、後にエッチングにより除去されるので、半導体層440から吸収した水素の大部分は除去される。
When the metal-containing film has a property of absorbing hydrogen, hydrogen in the
OSトランジスタは、チャネル形成領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性低下する場合がある。また、チャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、OSトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域480中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
If impurities and oxygen deficiency are present in the channel forming region of the OS transistor, the electrical characteristics are liable to fluctuate and the reliability may be lowered. Further, when the channel formation region contains oxygen deficiency, the OS transistor tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that oxygen deficiency in the
絶縁体層427は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含む絶縁体であることが好ましい。絶縁体層427が有する過剰酸素が領域480に拡散することで、領域480の酸素欠損を低減し、領域480を高抵抗化することができる。
The
絶縁体層427に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体層427に接する絶縁体層418として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体層418となる絶縁体の成膜時に半導体層440への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いた成膜法を、VDSP(Vapor Deposition SP)(登録商標)と呼ぶことができる。
In order to provide an excess oxygen region in the
なお、絶縁体層427は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域を形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化窒化シリコンなどの材料と比較して、スパッタリング法を用いた酸化膜を半導体層440上に形成したとしても、半導体層440には、過剰酸素領域が形成しにくいという傾向がある。従って、過剰酸素領域を有する絶縁体層427を領域480の周辺に設けることで、領域480へ、絶縁体層427の過剰酸素を効果的に供給することができる。
For the
半導体層440の酸素欠損を低減するため、絶縁体層416、絶縁体層422も絶縁体層427と同様、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素過剰領域を有することが好ましい。
In order to reduce the oxygen deficiency of the
絶縁体層416が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体層415は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)ことが好ましい。絶縁体層415が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体層416が有する過剰酸素領域の酸素は、絶縁体層414側へ拡散することなく、効率よく半導体層440へ供給することができる。また、導電体層461が、絶縁体層416が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
When the
絶縁体層415は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるhigh‐k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にhigh‐k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
The insulating
特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体層415を形成した場合、絶縁体層415は、半導体層440からの酸素の放出や、OSトランジスタ400の周辺部から半導体層440への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
In particular, it is preferable to use an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which are insulating materials having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (the oxygen is difficult to permeate). As the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate) and the like. When the
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。または、これらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon nitride nitride, or silicon nitride may be laminated on the above insulator.
絶縁体層418も絶縁体層415と同様に酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。なお、絶縁体層418は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、半導体層440と近接した状態で、熱処理を行うことで、半導体層440中の水素を引き抜く場合がある。なお、半導体層440と、酸化アルミニウムとの間に層447A、447Bが設けられている場合、層447A、447B中の水素を酸化アルミニウムが吸収し、水素が低減された層447A、447Bは、半導体層440中の水素を吸収する場合がある。従って、半導体層440中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体層418と、半導体層440とを近接した状態で熱処理を行うことで、絶縁体層418から半導体層440、絶縁体層416に酸素を供給できる場合がある。
It is preferable that the
(OSトランジスタの他の構成例)
図13にOSトランジスタのチャネル長方向の部分拡大図を示す。図13に示すOSトランジスタ402は、OSトランジスタ400の変形例であり、絶縁体層427に代えて絶縁体層429が設けられている。なお、その他の構成については、図10乃至図12の説明を援用する。
(Other configuration examples of OS transistors)
FIG. 13 shows a partially enlarged view of the OS transistor in the channel length direction. The
絶縁体層429は、不純物または酸素の透過を抑制する機能をもつ絶縁物であることが好ましい。つまり、絶縁体層429は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとして機能する。絶縁体層429で絶縁体層422、金属酸化物層444、および導電体層460の側面を覆うことができる。従って、絶縁体層422、および金属酸化物層444の端部などから半導体層440に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。そのため、半導体層440と絶縁体層422との界面における酸素欠損の形成が抑制され、OSトランジスタ402の信頼性を向上させることができる。
The
例えば、絶縁体層429はALD法を用いて成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。絶縁体層429は、例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。絶縁体層429として、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体層429の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。
For example, the
11、11_1、11_2、11_3、11_4:メモリセル、
100:記憶装置、 105:制御回路、 111:行デコーダ、 112:行ドライバ、 116:列デコーダ、117:ソース線ドライバ、 118:入出力(I/O)回路、 119:ローカルビット線選択回路、
120、150、190:メモリセルアレイ、 122、152、192:NANDセルアレイ、 124、154:回路部、 126、156:グローバルビット線部、 130:メモリストリング、
140、145:ビット線分割回路、
141、141a、141b、141c、141d:回路、
142a、142b:ソースフォロワ回路、
170:AND回路、 171:OR回路、 173:チャージポンプ回路、 175:ブートストラップ回路、
MT1:メモリトランジスタ、 ST1、ST2:選択トランジスタ、
WL1、WL2、WL3、WL4:ワード線、
SL:ソース線、 SGD、SGS:選択ゲート線、
BL:ビット線、
GBL:グローバルビット線、
LBL、LBLa、LBLb、LBLc、LBLd:ローカルビット線、
GWEa、GWEb、GWEc、GWEd:書込み制御線、
GREa、GREb、GREc、GREd:読出し制御線、
RBIa、RBIb、RBIc、RBId:バイアス制御線
A0、A1、A2、A3、OUT、PRE、PREB、Y:ノード、 C51、C53:容量素子、 M10、M11、M12、M13、M40、M41、M42、M45、M46、M47、M48、M51、M52、M53:トランジスタ、
11, 11_1, 11_2, 11_3, 11_4: Memory cell,
100: Storage device, 105: Control circuit, 111: Row decoder, 112: Row driver, 116: Column decoder, 117: Source line driver, 118: Input / output (I / O) circuit, 119: Local bit line selection circuit,
120, 150, 190: Memory cell array, 122, 152, 192: NAND cell array, 124, 154: Circuit section, 126, 156: Global bit line section, 130: Memory string,
140, 145: Bit line dividing circuit,
141, 141a, 141b, 141c, 141d: circuit,
142a, 142b: Source follower circuit,
170: AND circuit, 171: OR circuit, 173: Charge pump circuit, 175: Bootstrap circuit,
MT1: Memory transistor, ST1, ST2: Selective transistor,
WL1, WL2, WL3, WL4: Word line,
SL: source line, SGD, SGS: selection gate line,
BL: Bit line,
GBP: Global Bit Line,
LBL, LBLa, LBBb, LBLc, LBLd: local bit line,
GWEa, GWEb, GWEc, GWEd: write control line,
GREEa, GREEb, GREEc, GRed: Read control line,
RBIa, RBIb, RBIc, RBId: Bias control lines A0, A1, A2, A3, OUT, PRE, PREB, Y: Node, C51, C53: Capacitive element, M10, M11, M12, M13, M40, M41, M42, M45, M46, M47, M48, M51, M52, M53: Transistor,
Claims (6)
グローバルビット線あたり第1ローカルビット線乃至第M(Mは2以上の整数)ローカルビット線が設けられ、
前記第1ローカルビット線乃至前記第Mローカルビット線には、第1回路乃至第M回路がそれぞれ電気的に接続され、
第k(kは1乃至Mの整数)回路は、第1トランジスタと、バッファアンプとを有し、
前記第1トランジスタは、前記第kローカルビット線と前記グローバルビット線との導通を制御し、
前記バッファアンプは、前記第kローカルビット線の電流を増幅して、前記グローバルビット線に出力し、
前記第1回路乃至前記第M回路の前記第1トランジスタのオンオフは、互いに独立して制御され、
前記第1回路乃至前記第M回路の前記バッファアンプの活性状態は、互いに独立して制御され、
前記第1回路乃至前記第M回路は、前記メモリセルアレイが有するNANDセルアレイ上に積層されていることを特徴とする記憶装置。 A storage device having a memory cell array
A first local bit line to an M (M is an integer of 2 or more) local bit lines are provided per global bit line.
The first circuit to the M circuit are electrically connected to the first local bit line to the M local bit line, respectively.
The k-th (k is an integer of 1 to M) circuit has a first transistor and a buffer amplifier.
The first transistor controls the conduction between the k-th local bit line and the global bit line, and controls the conduction between the k-th local bit line and the global bit line.
The buffer amplifier amplifies the current of the k-th local bit line and outputs it to the global bit line.
The on / off of the first transistor of the first circuit to the M circuit is controlled independently of each other.
The active states of the buffer amplifiers of the first circuit to the M circuit are controlled independently of each other .
The first circuit to the second M circuit, a storage device which is characterized that you have been stacked on the NAND cell array to said memory cell array has.
前記バッファアンプはソースフォロア回路であることを特徴とする記憶装置。 Oite to claim 1,
The buffer amplifier is a storage device characterized by being a source follower circuit.
前記ソースフォロア回路は、第2トランジスタ乃至第4トランジスタを有し、
前記第2トランジスタ乃至前記第4トランジスタは、第1電源線と第2電源線との間に直列に電気的に接続され、
前記第k回路の前記第3トランジスタのゲートは、前記第kローカルビット線に電気的に接続され、
前記第1回路乃至前記第M回路の前記第2トランジスタへのバイアス電圧の入力は、互いに独立して制御され、
前記第1回路乃至前記第M回路の前記第4トランジスタのオンオフは、互いに独立して制御されることを特徴とする記憶装置。 In claim 2 ,
The source follower circuit has a second transistor to a fourth transistor, and has a second transistor to a fourth transistor.
The second transistor to the fourth transistor are electrically connected in series between the first power supply line and the second power supply line.
The gate of the third transistor of the k-circuit is electrically connected to the k-local bit line.
The input of the bias voltage to the second transistor of the first circuit to the M circuit is controlled independently of each other.
A storage device characterized in that the on / off of the fourth transistor of the first circuit to the M circuit is controlled independently of each other.
前記第1トランジスタ乃至前記第4トランジスタのそれぞれの半導体層は、金属酸化物を有することを特徴とする記憶装置。 In claim 3 ,
A storage device in which each of the semiconductor layers of the first transistor to the fourth transistor has a metal oxide.
前記メモリセルアレイは、複数のメモリストリングを有し、
前記複数のメモリストリングには、それぞれ、直列に電気的に接続されているメモリセルが設けられていることを特徴とする記憶装置。 In any one of claims 1 to 4 ,
The memory cell array has a plurality of memory strings and has a plurality of memory strings.
A storage device, wherein each of the plurality of memory strings is provided with a memory cell electrically connected in series.
前記メモリストリングを構成するトランジスタの半導体層は金属酸化物を有することを特徴とする記憶装置。
In claim 5 ,
A storage device characterized in that the semiconductor layer of the transistor constituting the memory string has a metal oxide.
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