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JP6986909B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description

本発明の一態様は、半導体装置、電子部品、及び電子機器に関する。 One aspect of the present invention relates to semiconductor devices, electronic components, and electronic devices.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、又は、製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法に関する。 It should be noted that one aspect of the present invention is not limited to the above technical fields. The technical field of one aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. In particular, one aspect of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light emitting device, a power storage device, a storage device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.

なお、本明細書等において、半導体装置は、半導体特性を利用することで機能しうる素子、回路、又は装置等を指す。一例としては、トランジスタ、ダイオード等の半導体素子は半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路は、半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路を備えた装置は、半導体装置である。 In the present specification and the like, the semiconductor device refers to an element, a circuit, a device, or the like that can function by utilizing the semiconductor characteristics. As an example, a semiconductor element such as a transistor or a diode is a semiconductor device. As another example, the circuit having a semiconductor element is a semiconductor device. As another example, the device provided with the circuit having the semiconductor element is a semiconductor device.

IoT(Internet of things)、AI(Artificial Intelligence)などの情報技術の発展により、扱われるデータ量が増大の傾向を示している。電子機器がIoT、AIなどの情報技術を利用するためには、データを大量に記憶することのできる半導体装置が求められている。さらに、電子機器を快適に使用するためには、高速に処置ができる半導体装置が求められている。 With the development of information technology such as IoT (Internet of things) and AI (Artificial Intelligence), the amount of data handled is increasing. In order for electronic devices to use information technologies such as IoT and AI, semiconductor devices capable of storing a large amount of data are required. Further, in order to comfortably use electronic devices, semiconductor devices capable of high-speed treatment are required.

特許文献1では、積和演算を行うデジタル回路において、メモリの使用方法により回路規模が削減された積和演算回路の構成について開示している。 Patent Document 1 discloses a configuration of a product-sum calculation circuit in which the circuit scale is reduced by a method of using a memory in a digital circuit that performs a product-sum calculation.

特許文献2では、メモリセルにおけるトランジスタのノードに蓄積された電荷量に応じて当該トランジスタの閾値電圧が異なることを利用して、多値データの記憶を行う構成について開示している。 Patent Document 2 discloses a configuration in which multi-valued data is stored by utilizing the fact that the threshold voltage of the transistor differs depending on the amount of charge stored in the node of the transistor in the memory cell.

特開1997−319730号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 1997-319730 米国特許出願公開第2012/0033488号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2012/0033488

IoTと、AIと、を組み合わせた電子機器は、小型で軽量であることが求められている。また、電子機器で使用される電子部品は、狭スペースで収納できるように電子部品の小型化を求められている。よって、電子部品の小型化は、処理能力を下げずに回路規模を小さくする課題がある。また、電子部品は、小型化に伴い低電力化が求められている。 Electronic devices that combine IoT and AI are required to be small and lightweight. Further, electronic parts used in electronic devices are required to be miniaturized so that they can be stored in a narrow space. Therefore, miniaturization of electronic components has a problem of reducing the circuit scale without reducing the processing capacity. Further, electronic components are required to have lower power consumption as they become smaller.

AIでは、様々な情報(画像、音声、ビッグデータなど)から機械学習により特徴の抽出に優れた検出効果を得ることができる。AIはニューラルネットワークによって情報が処理されることが知られている。ニューラルネットワークでは、多層パーセプトロンを有し、パーセプトロンは複数のニューロンを有している。ニューロンは、シナプスの機能を模した積和演算処理が知られている。積和演算回路は、複数の入力信号を重み係数で乗算した結果の総和を算出することが知られている。ただし、ニューロンの演算は、デジタル演算によって処理されるため、論理規模が大きくなる問題がある。又消費電力が論理規模の大きさと比例して大きくなる問題がある。 In AI, it is possible to obtain an excellent detection effect for extracting features by machine learning from various information (image, voice, big data, etc.). AI is known to process information by neural networks. In a neural network, it has a multi-layer perceptron, and the perceptron has multiple neurons. Neurons are known to perform multiply-accumulate processing that imitates synaptic functions. The product-sum calculation circuit is known to calculate the sum of the results of multiplying a plurality of input signals by a weighting coefficient. However, since the operation of the neuron is processed by the digital operation, there is a problem that the logic scale becomes large. In addition, there is a problem that the power consumption increases in proportion to the size of the logical scale.

上記問題に鑑み、本発明の一態様は、新規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、ニューロンがアナログ信号を出力する半導体装置を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、ニューロンの演算を低電力化させる半導体装置を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、ニューロンがアナログ信号で演算をするときのばらつきを補正する半導体装置を提供することを課題の一とする。 In view of the above problems, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having a novel configuration. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device in which a neuron outputs an analog signal. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device that reduces the power consumption of neurons. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device that corrects variations when a neuron performs an operation with an analog signal.

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 The description of these issues does not preclude the existence of other issues. It should be noted that one aspect of the present invention does not need to solve all of these problems. Issues other than these are self-evident from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract problems other than these from the description of the specification, drawings, claims, etc. Is.

なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、及び/又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。 The problems of one aspect of the present invention are not limited to the problems listed above. The issues listed above do not preclude the existence of other issues. Other issues are issues not mentioned in this item, which are described below. Issues not mentioned in this item can be derived from the description of the description, drawings, etc. by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions. In addition, one aspect of the present invention solves at least one of the above-listed descriptions and / or other problems.

本発明の一態様は、ニューラルネットワークを有する半導体装置であって、ニューラルネットワークは、第1のパーセプトロンと、第2のパーセプトロンと、フィードバック回路と、を有している。第1のパーセプトロンは、第1のニューロンと、第2のニューロンと、第1の出力回路と、を有し、第2のパーセプトロンは、第3のニューロンと、第4のニューロンと、第2の出力回路と、を有し、第1のニューロン乃至第4のニューロンは、それぞれシナプス回路を有し、シナプス回路は、複数の乗算回路を有し、乗算回路は、メモリセルを有している。フィードバック回路には、第1のパーセプトロンと、第2のパーセプトロンと、が電気的に接続されている。メモリセルは、重み係数を記憶する機能を有し、乗算回路は、メモリセルが記憶する重み係数と、メモリセルに与えられる入力データとを乗算する機能を有している。第1のパーセプトロンが有するシナプス回路は、複数の乗算回路の演算結果を加算して第1の信号を生成し第1の出力回路に出力する機能を有し、第1の出力回路は、第1の信号を、当該第1の信号よりインピーダンスの低い第2の信号に変換する機能を有し、第1出力回路は、第2の信号をフィードバック回路に出力する機能を有している。第2のパーセプトロンが有するシナプス回路は、複数の乗算回路の演算結果を加算して第3の信号を生成し前記第2の出力回路に出力する機能を有し、第2の出力回路は、第3の信号を、当該第3の信号よりインピーダンスの低い第4の信号に変換する機能を有し、第2出力回路は、第4の信号をフィードバック回路に出力する機能を有している。フィードバック回路は、第4の出力信号を第1の出力回路に与える機能を有し、第1の出力回路は、第4の信号と、第2の信号とを加算して出力する機能を有する、半導体装置である。 One aspect of the present invention is a semiconductor device having a neural network, in which the neural network has a first perceptron, a second perceptron, and a feedback circuit. The first perceptron has a first neuron, a second neuron, and a first output circuit, and the second perceptron has a third neuron, a fourth neuron, and a second. The first neuron to the fourth neuron each have a synaptic circuit, the synaptic circuit has a plurality of multiplication circuits, and the multiplication circuit has a memory cell. A first perceptron and a second perceptron are electrically connected to the feedback circuit. The memory cell has a function of storing the weighting coefficient, and the multiplication circuit has a function of multiplying the weighting coefficient stored in the memory cell and the input data given to the memory cell. The synaptic circuit of the first perceptron has a function of adding the calculation results of a plurality of multiplication circuits to generate a first signal and outputting it to the first output circuit, and the first output circuit is the first. The signal is converted into a second signal having a lower impedance than that of the first signal, and the first output circuit has a function of outputting the second signal to the feedback circuit. The synaptic circuit of the second perceptron has a function of adding the calculation results of a plurality of multiplication circuits to generate a third signal and outputting it to the second output circuit, and the second output circuit has a second output circuit. The second output circuit has a function of converting the signal of 3 into a fourth signal having a lower impedance than that of the third signal, and the second output circuit has a function of outputting the fourth signal to the feedback circuit. The feedback circuit has a function of giving a fourth output signal to the first output circuit, and the first output circuit has a function of adding and outputting the fourth signal and the second signal. It is a semiconductor device.

上記各構成において、第1の出力回路は、第1の補正データを生成する機能を有し、第2の出力回路は、第2の補正データを生成する機能を有している。フィードバック回路は、前記第1の補正データを前記第1の出力回路に与えることで前記第2の出力信号が前記第1の補正データによって補正される機能と、前記第2の補正データを前記第2の出力回路に与えることで前記第4の出力信号が前記第2の補正データによって補正される機能を有する半導体装置が好ましい。 In each of the above configurations, the first output circuit has a function of generating the first correction data, and the second output circuit has a function of generating the second correction data. The feedback circuit has a function of applying the first correction data to the first output circuit so that the second output signal is corrected by the first correction data, and the second correction data is the second correction data. A semiconductor device having a function of correcting the fourth output signal by the second correction data by giving it to the output circuit of 2 is preferable.

上記各構成において、半導体装置は、さらに、スキャンドライバ回路を有している。スキャンドライバ回路は、第1のパーセプトロンと、第2のパーセプトロンと、が有するメモリセルに同時に重み係数を書き込む機能を有する半導体装置が好ましい。 In each of the above configurations, the semiconductor device further includes a scan driver circuit. The scan driver circuit is preferably a semiconductor device having a function of writing a weighting coefficient to the memory cells of the first perceptron and the second perceptron at the same time.

上記各構成において、半導体装置は、さらに第3のパーセプトロンを有している。第3のパーセプトロンが有するシナプス回路は、複数の乗算回路の演算結果を加算して第5の信号を生成し第3の出力回路に出力する機能を有している。第3の出力回路は、入力インピーダンスが高い第5の信号を出力インピーダンスが低い第6の信号に変換する機能を有し、第3出力回路は、第6の信号を前記フィードバック回路に出力する機能を有し、フィードバック回路は、第6の出力信号を第1の出力回路に与える機能を有し、第1の出力回路は、第6の信号と、第2の信号とを加算して出力する機能を有する半導体装置が好ましい。 In each of the above configurations, the semiconductor device further has a third perceptron. The synaptic circuit of the third perceptron has a function of adding the calculation results of a plurality of multiplication circuits to generate a fifth signal and outputting it to the third output circuit. The third output circuit has a function of converting a fifth signal having a high input impedance into a sixth signal having a low output impedance, and the third output circuit has a function of outputting the sixth signal to the feedback circuit. The feedback circuit has a function of giving a sixth output signal to the first output circuit, and the first output circuit adds and outputs the sixth signal and the second signal. A semiconductor device having a function is preferable.

上記各構成において、フィードバック回路は、第6の出力信号を第2の出力回路に与える機能を有し、第2の出力回路は、第6の信号と、第4の信号とを加算して出力する機能を有する、半導体装置が好ましい。 In each of the above configurations, the feedback circuit has a function of giving a sixth output signal to the second output circuit, and the second output circuit adds and outputs the sixth signal and the fourth signal. A semiconductor device having such a function is preferable.

上記各構成において、フィードバック回路は、第2の出力信号を第3の出力回路に与える機能を有し、第3の出力回路は、第2の信号と、第6の信号とを加算して出力する機能を有する、半導体装置が好ましい。 In each of the above configurations, the feedback circuit has a function of giving a second output signal to the third output circuit, and the third output circuit adds the second signal and the sixth signal and outputs them. A semiconductor device having such a function is preferable.

上記各構成において、フィードバック回路は、第2の信号と、第4信号と、をモニタ信号として出力する機能を有する、半導体装置が好ましい。 In each of the above configurations, the feedback circuit is preferably a semiconductor device having a function of outputting a second signal and a fourth signal as monitor signals.

上記各構成において、メモリセルは、さらにトランジスタを有し、トランジスタは、半導体層に金属酸化物を有する半導体装置が好ましい。 In each of the above configurations, the memory cell further includes a transistor, and the transistor is preferably a semiconductor device having a metal oxide in the semiconductor layer.

上記各構成において、前記半導体装置に電気的に接続されたリードと、を有することを特徴とする電子部品が好ましい。 In each of the above configurations, an electronic component characterized by having a lead electrically connected to the semiconductor device is preferable.

上記各構成において、前記電子部品が設けられたプリント基板と、前記プリント基板が格納された筐体と、を有することを特徴とする電子機器が好ましい。 In each of the above configurations, an electronic device characterized by having a printed circuit board provided with the electronic components and a housing in which the printed circuit board is stored is preferable.

上記各構成において、前記半導体装置に電気的に接続されたリードと、を有することを特徴とする電子部品が好ましい。 In each of the above configurations, an electronic component characterized by having a lead electrically connected to the semiconductor device is preferable.

上記各構成において、前記電子部品が設けられたプリント基板と、前記プリント基板が格納された筐体と、を有することを特徴とする電子機器が好ましい。 In each of the above configurations, an electronic device characterized by having a printed circuit board provided with the electronic components and a housing in which the printed circuit board is stored is preferable.

本発明の一態様は、新規な構成の半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様は、ニューロンがアナログ信号を出力する半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様は、ニューロンの演算を低電力化させる半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様は、ニューロンがアナログ信号で演算をするときのばらつきを補正する半導体装置を提供することができる。 One aspect of the present invention can provide a semiconductor device having a novel configuration. Alternatively, one aspect of the present invention can provide a semiconductor device in which a neuron outputs an analog signal. Alternatively, one aspect of the present invention can provide a semiconductor device that reduces the power consumption of neurons. Alternatively, one aspect of the present invention can provide a semiconductor device that corrects variations when a neuron performs an operation with an analog signal.

なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び/又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。 The effect of one aspect of the present invention is not limited to the effects listed above. The effects listed above do not preclude the existence of other effects. The other effects are the effects not mentioned in this item, which are described below. Effects not mentioned in this item can be derived from the description in the specification, drawings, etc. by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions. In addition, one aspect of the present invention has at least one of the above-listed effects and / or other effects. Therefore, one aspect of the present invention may not have the effects listed above in some cases.

ニューラルネットワークを説明するブロック図。A block diagram illustrating a neural network. 半導体装置を説明するブロック図。A block diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明するブロック図。A block diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. (A)半導体装置を説明する回路図。(B)半導体装置の出力特性を説明する図。(A) A circuit diagram illustrating a semiconductor device. (B) The figure explaining the output characteristic of a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を駆動するタイミングチャート。Timing chart for driving semiconductor devices. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。A circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を駆動するタイミングチャート。Timing chart for driving semiconductor devices. 半導体装置の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the semiconductor device. トランジスタの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a transistor. 電子部品の例を示す模式図。The schematic diagram which shows the example of the electronic component. 電子機器の例を示す模式図。Schematic diagram showing an example of an electronic device. 電子機器の例を示す模式図。Schematic diagram showing an example of an electronic device.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の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 will be described with reference to the drawings. However, it is easily understood by those skilled in the art that embodiments can be implemented in many different embodiments and that the embodiments and details can be varied in various ways without departing from the spirit and scope thereof. .. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the following embodiments.

また、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。 Also, 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.

また、本明細書にて用いる「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。 In addition, the ordinal numbers "first", "second", and "third" used in the present specification are added to avoid confusion of the components, and are not limited numerically. Addition.

また、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。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。 Further, in the present specification, words and phrases indicating arrangements such as "above" and "below" are used for convenience in order to explain the positional relationship between the 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.

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域又はドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)の間にチャネル領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。 Further, in the present specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. A channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and the channel region is interposed between the source and the drain. It is capable of passing an electric current. In the present specification and the like, the channel region means a region in which a current mainly flows.

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。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。 Further, the functions of the source and the drain may be switched when transistors having different polarities are adopted or when the direction of the current changes in the circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。 Further, in the present specification and the like, "electrically connected" includes the case of being connected via "something having some kind of electrical action". Here, the "thing having some kind of electrical action" is not particularly limited as long as it enables the exchange of electric signals between the connection targets. For example, "things having some kind of electrical action" include electrodes, wirings, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。 Further, in the present specification and the like, "parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° or more and 10 ° or less. Therefore, the case of −5 ° or more and 5 ° or less is also included. Further, "vertical" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° or more and 100 ° or less. Therefore, the case of 85 ° or more and 95 ° or less is also included.

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、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。又は、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 Further, in the present specification and the like, the term "membrane" and the term "layer" can be interchanged with each other. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive layer". Alternatively, for example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer".

また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態(非導通状態、遮断状態、ともいう)にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低い状態、pチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも高い状態をいう。例えば、nチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低いときのドレイン電流をいう場合がある。 Further, in the present specification and the like, unless otherwise specified, the off current means a drain current when the transistor is in an off state (also referred to as a non-conducting state or a cutoff state). Unless otherwise specified, the off state is a state in which the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth in the n-channel transistor, and the voltage Vgs between the gate and the source in the p-channel transistor. Is higher than the threshold voltage Vth. For example, the off-current of an n-channel transistor may refer to the drain current when the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth.

トランジスタのオフ電流は、Vgsに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、トランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することをいう場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のVgsにおけるオフ状態、所定の範囲内のVgsにおけるオフ状態、又は、十分に低減されたオフ電流が得られるVgsにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。 The off current of the transistor may depend on Vgs. Therefore, the fact that the off current of the transistor is I or less may mean that there is a value of Vgs in which the off current of the transistor is I or less. The off-current of a transistor may refer to an off-current in a predetermined Vgs, an off-state in Vgs within a predetermined range, an off-state in Vgs in which a sufficiently reduced off-current is obtained, and the like.

一例として、しきい値電圧Vthが0.5Vであり、Vgsが0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−9Aであり、Vgsが0.1Vにおけるドレイン電流が1×10−13Aであり、Vgsが−0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−19Aであり、Vgsが−0.8Vにおけるドレイン電流が1×10−22Aであるようなnチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Vgsが−0.5Vにおいて、又は、Vgsが−0.5V乃至−0.8Vの範囲において、1×10−19A以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は1×10−19A以下である、という場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が1×10−22A以下となるVgsが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は1×10−22A以下である、という場合がある。 As an example, the threshold voltage Vth is 0.5 V, the drain current at Vgs is 0.5 V is 1 × 10 -9 A, and the drain current at Vgs is 0.1 V is 1 × 10 -13 A. Assume an n-channel transistor having a drain current of 1 × 10 -19 A at Vgs of −0.5 V and a drain current of 1 × 10 -22 A at Vgs of −0.8 V. Since the drain current of the transistor is 1 × 10 -19 A or less in the range of Vgs of −0.5 V or Vgs in the range of −0.5 V to −0.8 V, the off current of the transistor is 1. It may be said that it is × 10 -19 A or less. Since there are Vgs in which the drain current of the transistor is 1 × 10-22 A or less, the off current of the transistor may be 1 × 10 -22 A or less.

また、本明細書等では、チャネル幅Wを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Wあたりを流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅(例えば1μm)あたりを流れる電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流/長さの次元を持つ単位(例えば、A/μm)で表される場合がある。 Further, in the present specification and the like, the off-current of a transistor having a channel width W may be represented by a current value flowing per channel width W. Further, it may be represented by a current value flowing around a predetermined channel width (for example, 1 μm). In the latter case, the unit of off-current may be expressed in units having a current / length dimension (eg, A / μm).

トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、60℃、85℃、95℃、又は125℃におけるオフ電流を表す場合がある。又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)におけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、室温、60℃、85℃、95℃、125℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを指す場合がある。 The off current of the transistor may depend on the temperature. In the present specification, the off-current may represent an off-current at room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., or 125 ° C., unless otherwise specified. Alternatively, at a temperature at which the reliability of the semiconductor device or the like containing the transistor is guaranteed, or at a temperature at which the semiconductor device or the like containing the transistor is used (for example, any one of 5 ° C. and 35 ° C.). May represent off-current. The off current of a transistor is I or less, which means that the temperature is room temperature, 60 ° C, 85 ° C, 95 ° C, 125 ° C, the temperature at which the reliability of the semiconductor device including the transistor is guaranteed, or the transistor is included. It may indicate that there is a value of Vgs in which the off-current of the transistor is I or less at the temperature at which the semiconductor device or the like is used (for example, any one of 5 ° C. to 35 ° C.).

トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Vdsに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Vdsが0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V、2.5V、3V、3.3V、10V、12V、16V、又は20Vにおけるオフ電流を表す場合がある。又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるVds、又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVdsにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、Vdsが0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V、2.5V、3V、3.3V、10V、12V、16V、20V、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるVds、又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVds、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを指す場合がある。 The off current of the transistor may depend on the voltage Vds between the drain and the source. In the present specification, the off current has Vds of 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V unless otherwise specified. , Or may represent off-current at 20V. Alternatively, it may represent Vds in which the reliability of the semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or the off-current in Vds used in the semiconductor device or the like including the transistor. When the off current of the transistor is I or less, Vds is 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V, 20V. , There is a value of Vgs in which the off current of the transistor is I or less in Vds in which the reliability of the semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or Vds in which the reliability of the semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed. It may refer to that.

上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流をいう場合もある。 In the above description of the off-current, the drain may be read as the source. That is, the off current may refer to the current flowing through the source when the transistor is in the off state.

また、本明細書等では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。 Further, in the present specification and the like, it may be described as a leak current in the same meaning as an off current. Further, in the present specification and the like, the off current may refer to, for example, the current flowing between the source and the drain when the transistor is in the off state.

なお、電圧とは2点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。ただし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。 The voltage means the potential difference between two points, and the potential means the electrostatic energy (electrical potential energy) of the unit charge in the electrostatic field at a certain point. However, in general, the potential difference between the potential at a certain point and the reference potential (for example, the ground potential) is simply called potential or voltage, and potential and voltage are often used as synonyms. Therefore, unless otherwise specified in the present specification, the potential may be read as a voltage, or the voltage may be read as a potential.

(実施の形態1)
本実施の形態では、ニューラルネットワークの機能を有する半導体装置について、図1乃至図14を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, the semiconductor device having the function of the neural network will be described with reference to FIGS. 1 to 14.

図1は、半導体装置100がニューラルネットワークとして機能するときの構成を説明するブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration when the semiconductor device 100 functions as a neural network.

図1では、代表的なニューラルネットワークとして3層(入力層102a、中間層102b、及び出力層102c)で構成された例を示している。それぞれの層は、パーセプトロンと言い換えてもよい。ニューラルネットワークは、さらに、出力回路108と、フィードバック回路109とを有している。 FIG. 1 shows an example of a typical neural network composed of three layers (input layer 102a, intermediate layer 102b, and output layer 102c). Each layer may be paraphrased as a perceptron. The neural network further has an output circuit 108 and a feedback circuit 109.

入力層102aは、メモリセルアレイ103aと、出力回路104aとを有し、中間層102bは、メモリセルアレイ103bと、出力回路104bとを有し、出力層102cはメモリセルアレイ103cと、出力回路104cとを有している。 The input layer 102a has a memory cell array 103a and an output circuit 104a, the intermediate layer 102b has a memory cell array 103b and an output circuit 104b, and the output layer 102c has a memory cell array 103c and an output circuit 104c. Have.

図1では、パーセプトロンが3つのニューロンを有した例を示しているが、ニューロンの数は3つに限定されない。パーセプトロンはm個のニューロンを有することができる。また、それぞれのパーセプトロンが、異なる数のニューロンを有した構成でもよい。またパーセプトロンの階層は、入力層102a、中間層102b、及び出力層102cに限定されない。中間層102bは複数の階層で構成されてもよい。例えば、パーセプトロンは、1以上s以下の階層を有することができる。以降では、それぞれのパーセプトロンを、入力層102a、中間層102b、及び出力層102cと言い換えて説明をする。mは、1以上の整数であり、sは2以上の整数である。 FIG. 1 shows an example in which the perceptron has three neurons, but the number of neurons is not limited to three. Perceptrons can have m neurons. Also, each perceptron may have a different number of neurons. Further, the layer of the perceptron is not limited to the input layer 102a, the intermediate layer 102b, and the output layer 102c. The intermediate layer 102b may be composed of a plurality of layers. For example, the perceptron can have a hierarchy of 1 or more and s or less. Hereinafter, each perceptron will be referred to as an input layer 102a, an intermediate layer 102b, and an output layer 102c. m is an integer of 1 or more, and s is an integer of 2 or more.

入力層102aには、中間層102bが電気的に接続され、中間層102bには、出力層102cが電気的に接続され、出力層102cには出力回路108が電気的に接続されている。フィードバック回路109には、入力層102a、中間層102b、及び出力層102cが有する出力回路104a乃至出力回路104cが電気的に接続されている。 The intermediate layer 102b is electrically connected to the input layer 102a, the output layer 102c is electrically connected to the intermediate layer 102b, and the output circuit 108 is electrically connected to the output layer 102c. The input layer 102a, the intermediate layer 102b, and the output circuit 104a to the output circuit 104c of the output layer 102c are electrically connected to the feedback circuit 109.

パーセプトロンを説明するために、入力層102a、中間層102b、及び出力層102cについて説明する。パーセプトロンは、複数のニューロンと、出力回路と、を有し、ニューロンは、シナプス回路を有し、シナプス回路は、複数の乗算回路を有し、乗算回路は、メモリセルを有している。 To illustrate the perceptron, the input layer 102a, the intermediate layer 102b, and the output layer 102c will be described. The perceptron has a plurality of neurons and an output circuit, the neurons have a synaptic circuit, the synaptic circuit has a plurality of multiplication circuits, and the multiplication circuit has a memory cell.

メモリセルには、重み係数を記憶することができ、乗算回路は、メモリセルが記憶する重み係数と、メモリセルに与えられる入力データとを乗算することができる。 The weight coefficient can be stored in the memory cell, and the multiplication circuit can multiply the weight coefficient stored in the memory cell by the input data given to the memory cell.

入力層102aは、ニューロンNP1乃至ニューロンNP3を有している。一例としてニューロンNP1について説明する。ニューロンNP1は、入力データXin[j]を第1の信号として第1の出力回路に出力することができる。このとき、入力データXin[j]に、重み係数と乗算して第1の信号を生成してもよい。出力回路104aは、入力インピーダンスが高い第1の信号を出力インピーダンスが低い第2の信号に変換することができる。出力回路104aは、第2の信号を中間層102bのニューロンNQ1乃至ニューロンNQ3と、フィードバック回路109と、に出力することができる。jは、ニューロンの番号を示す変数であり、1以上m以下の整数である。 The input layer 102a has neurons NP1 to neurons NP3. As an example, the neuron NP1 will be described. The neuron NP1 can output the input data Xin [j] as the first signal to the first output circuit. At this time, the input data Xin [j] may be multiplied by a weighting coefficient to generate a first signal. The output circuit 104a can convert a first signal having a high input impedance into a second signal having a low output impedance. The output circuit 104a can output the second signal to the neurons NQ1 to NQ3 of the intermediate layer 102b and the feedback circuit 109. j is a variable indicating the number of the neuron, and is an integer of 1 or more and m or less.

次に中間層102bは、ニューロンNQ1乃至ニューロンNQ3を有している。一例としてニューロンNQ1について説明する。ニューロンNQ1が有するシナプス回路は、乗算回路が有するメモリセルに保存されている重み係数と、ニューロンNP1から与えられる第2の信号との演算結果を第3の信号として出力回路104bに出力することができる。このとき第3の信号には、ニューロンNP2と重み係数の演算結果と、ニューロンNP3と重み係数の演算結果とが加算されることが好ましい。出力回路104bは、入力インピーダンスが高い第3の信号を出力インピーダンスが低い第4の信号に変換することができる。出力回路104bは、第4の信号を中間層102bのニューロンNR1乃至ニューロンNR3と、フィードバック回路109と、に出力することができる。 Next, the intermediate layer 102b has neurons NQ1 to neurons NQ3. As an example, the neuron NQ1 will be described. The synaptic circuit of the neuron NQ1 can output the calculation result of the weighting coefficient stored in the memory cell of the multiplication circuit and the second signal given from the neuron NP1 to the output circuit 104b as a third signal. can. At this time, it is preferable that the calculation result of the neuron NP2 and the weighting coefficient and the calculation result of the neuron NP3 and the weighting coefficient are added to the third signal. The output circuit 104b can convert a third signal having a high input impedance into a fourth signal having a low output impedance. The output circuit 104b can output the fourth signal to the neurons NR1 to NR3 of the intermediate layer 102b and the feedback circuit 109.

次に出力層102cは、ニューロンNR1乃至ニューロンNR3を有している。一例としてニューロンNR1について説明する。ニューロンNR1が有するシナプス回路は、乗算回路が有するメモリセルに保存されている重み係数と、ニューロンNQ1から与えられる第4の信号との演算結果を第5の信号として出力回路104cに出力することができる。このとき第5の信号には、ニューロンNQ2と重み係数の演算結果と、ニューロンNQ3と重み係数の演算結果とが加算されることが好ましい。出力回路104cは、入力インピーダンスが高い第5の信号を低い出力インピーダンスの第6の信号に変換することができる。出力回路104cは、第6の信号を出力回路108と、フィードバック回路109と、に出力することができる。出力回路108は、比較回路を有し、比較回路によって判定された結果は、図示していないが電子機器が有する制御回路又はプロセッサによって使用される。 Next, the output layer 102c has neurons NR1 to neurons NR3. As an example, the neuron NR1 will be described. The synaptic circuit of the neuron NR1 can output the calculation result of the weighting coefficient stored in the memory cell of the multiplication circuit and the fourth signal given from the neuron NQ1 to the output circuit 104c as the fifth signal. can. At this time, it is preferable that the calculation result of the neuron NQ2 and the weighting coefficient and the calculation result of the neuron NQ3 and the weighting coefficient are added to the fifth signal. The output circuit 104c can convert a fifth signal having a high input impedance into a sixth signal having a low output impedance. The output circuit 104c can output the sixth signal to the output circuit 108 and the feedback circuit 109. The output circuit 108 has a comparison circuit, and the result determined by the comparison circuit is used by a control circuit or processor of an electronic device (not shown).

メモリセルに保存されている重み係数には、それぞれ異なる重み係数が設定されることが好ましい。又は、メモリセルに保存されている重み係数には、同じ重み係数が設定されてもよい。 It is preferable that different weight coefficients are set for the weight coefficients stored in the memory cells. Alternatively, the same weighting factor may be set for the weighting factor stored in the memory cell.

図2では、図1で示したニューラルネットワークが機能する半導体装置100について説明する。 FIG. 2 describes the semiconductor device 100 in which the neural network shown in FIG. 1 functions.

図2は、メモリセルアレイ101、スキャンドライバ回路105、ウエイトドライバ回路106、データドライバ回路107、出力回路108、フィードバック回路109とを有している。メモリセルアレイ101は、入力層102a、中間層102b、及び出力層102cを有している。入力層102aは、メモリセルアレイ103aと、出力回路104aとを有している。中間層102bは、メモリセルアレイ103bと、出力回路104bとを有している。出力層102cは、メモリセルアレイ103cと、出力回路104cとを有している。 FIG. 2 has a memory cell array 101, a scan driver circuit 105, a weight driver circuit 106, a data driver circuit 107, an output circuit 108, and a feedback circuit 109. The memory cell array 101 has an input layer 102a, an intermediate layer 102b, and an output layer 102c. The input layer 102a has a memory cell array 103a and an output circuit 104a. The intermediate layer 102b has a memory cell array 103b and an output circuit 104b. The output layer 102c has a memory cell array 103c and an output circuit 104c.

メモリセルアレイ103a、メモリセルアレイ103b、及びメモリセルアレイ103cは、複数のニューロンを有し、それぞれのニューロンは、シナプス回路を有し、シナプス回路は、複数の乗算回路を有し、それぞれの乗算回路はメモリセルを有している。 The memory cell array 103a, the memory cell array 103b, and the memory cell array 103c have a plurality of neurons, each neuron has a synaptic circuit, the synaptic circuit has a plurality of multiplication circuits, and each multiplication circuit has a memory. Has a cell.

メモリセルアレイ103a、メモリセルアレイ103b、及びメモリセルアレイ103cが有するメモリセルには、スキャンドライバ回路105によって選択されることでウエイトドライバ回路106から重み係数が電圧値として与えられる。重み係数は、メモリセルに保存される。またメモリセルアレイ103aには、データドライバ回路107から入力データが与えられる。つまり入力層102aが有する The weight coefficient is given as a voltage value from the weight driver circuit 106 to the memory cells included in the memory cell array 103a, the memory cell array 103b, and the memory cell array 103c by being selected by the scan driver circuit 105. The weighting factor is stored in the memory cell. Further, input data is given to the memory cell array 103a from the data driver circuit 107. That is, the input layer 102a has

重み係数が保存されたメモリセルは、入力データが与えられることで重み係数と、入力データが乗算される。入力層102aが有するシナプス回路は、複数のメモリセルの乗算結果を加算し第1の信号を生成する。第1の信号は、出力回路104aに出力される。 In the memory cell in which the weighting factor is stored, the weighting factor is multiplied by the input data when the input data is given. The synaptic circuit included in the input layer 102a adds the multiplication results of a plurality of memory cells to generate a first signal. The first signal is output to the output circuit 104a.

第1の信号は、複数のメモリセルの出力が加算されているため入力インピーダンスが高くなることがある。出力回路104aは、第1の信号を第1の信号よりも出力インピーダンスが低い第2の信号に変換することができる。第2の信号は、メモリセルアレイ103bの入力信号として与えられ、さらに、フィードバック回路109に出力される。 Since the outputs of the plurality of memory cells are added to the first signal, the input impedance may be high. The output circuit 104a can convert the first signal into a second signal having a lower output impedance than the first signal. The second signal is given as an input signal of the memory cell array 103b, and is further output to the feedback circuit 109.

メモリセルアレイ103bの重み係数が保存されたメモリセルは、第2の信号が与えられることで重み係数と、第2の信号が乗算される。中間層102bが有するシナプス回路は、複数のメモリセルの乗算結果を加算し第3の信号を生成する。第3の信号は、出力回路104bに出力される。 In the memory cell in which the weighting coefficient of the memory cell array 103b is stored, the weighting coefficient and the second signal are multiplied by the second signal. The synaptic circuit included in the intermediate layer 102b adds the multiplication results of a plurality of memory cells to generate a third signal. The third signal is output to the output circuit 104b.

第3の信号は、複数のメモリセルの出力が加算されているため入力インピーダンスが高くなることがある。出力回路104bは、第3の信号を第3の信号よりも出力インピーダンスが低い第4の信号に変換することができる。第4の信号は、メモリセルアレイ103bの入力信号として与えられ、さらに、フィードバック回路109に出力される。 Since the outputs of the plurality of memory cells are added to the third signal, the input impedance may be high. The output circuit 104b can convert the third signal into a fourth signal having a lower output impedance than the third signal. The fourth signal is given as an input signal of the memory cell array 103b, and is further output to the feedback circuit 109.

メモリセルアレイ103cの重み係数が保存されたメモリセルは、第4の信号が与えられることで重み係数と、第4の信号が乗算される。出力層102cが有するシナプス回路は、複数のメモリセルの乗算結果を加算し第5の信号を生成する。第5の信号は、出力回路104cに出力される。 In the memory cell in which the weighting coefficient of the memory cell array 103c is stored, the weighting coefficient is multiplied by the fourth signal when the fourth signal is given. The synaptic circuit included in the output layer 102c adds the multiplication results of a plurality of memory cells to generate a fifth signal. The fifth signal is output to the output circuit 104c.

第5の信号は、複数のメモリセルの出力が加算されているため入力インピーダンスが高くなることがある。出力回路104cは、第5の信号を第5の信号よりも出力インピーダンスが低い第6の信号に変換することができる。第6の信号は、出力回路108に与えられ、さらに、フィードバック回路109に出力される。 Since the outputs of the plurality of memory cells are added to the fifth signal, the input impedance may be high. The output circuit 104c can convert the fifth signal into a sixth signal having a lower output impedance than the fifth signal. The sixth signal is given to the output circuit 108 and further output to the feedback circuit 109.

フィードバック回路109は、入力された第2の信号、第4の信号、及び第6の信号をモニタ信号として出力することができる。信号線MDDには、アナログ信号でモニタ信号を出力し、信号線MDDには、デジタル信号が出力される。さらに、フィードバック回路109は、第2の信号を信号線FFBDに与えることができる。第2の信号は、信号線FFBDを介して出力回路104b又は出力回路104cのいずれかに与えることができる。又は、フィードバック回路109は、第4の信号を信号線FFBDに与えることができる。第4の信号は、信号線FFBDを介して出力回路104a又は出力回路104cのいずれかに与えることができる。又は、フィードバック回路109は、第6の信号を信号線FFBDに与えることができる。第6の信号は、信号線FFBDを介して出力回路104a又は出力回路104bのいずれかに与えることができる。 The feedback circuit 109 can output the input second signal, fourth signal, and sixth signal as monitor signals. A monitor signal is output as an analog signal to the signal line MDD, and a digital signal is output to the signal line MDD. Further, the feedback circuit 109 can give a second signal to the signal line FFBD. The second signal can be given to either the output circuit 104b or the output circuit 104c via the signal line FFBD. Alternatively, the feedback circuit 109 can give a fourth signal to the signal line FFBD. The fourth signal can be given to either the output circuit 104a or the output circuit 104c via the signal line FFBD. Alternatively, the feedback circuit 109 can give a sixth signal to the signal line FFBD. The sixth signal can be given to either the output circuit 104a or the output circuit 104b via the signal line FFBD.

図3では、さらに詳しく半導体装置100について説明する。 In FIG. 3, the semiconductor device 100 will be described in more detail.

図3では、さらに、半導体装置100が、タイミング制御回路110を有している。またスキャンドライバ回路105は、第1のスキャン回路105aと、第2のスキャン回路105bと、第3のスキャン回路105cとを有している。ウエイトドライバ回路106は、ラッチ回路106aと、デジタルアナログ変換回路106bと、ソースフォロワ回路106cとを有している。データドライバ回路107は、ラッチ回路107aと、デジタルアナログ変換回路107bと、ソースフォロワ回路107cとを有している。フィードバック回路109は、選択回路109aと、選択回路109bと、増幅回路109cと、アナログデジタル変換回路109dと、増幅回路109eと、増幅回路109fとを有している。 In FIG. 3, the semiconductor device 100 further includes a timing control circuit 110. Further, the scan driver circuit 105 has a first scan circuit 105a, a second scan circuit 105b, and a third scan circuit 105c. The weight driver circuit 106 includes a latch circuit 106a, a digital-to-analog conversion circuit 106b, and a source follower circuit 106c. The data driver circuit 107 includes a latch circuit 107a, a digital-to-analog conversion circuit 107b, and a source follower circuit 107c. The feedback circuit 109 includes a selection circuit 109a, a selection circuit 109b, an amplifier circuit 109c, an analog-to-digital conversion circuit 109d, an amplifier circuit 109e, and an amplifier circuit 109f.

スキャン回路105aは、シフトレジスタ回路によって構成されることが好ましい。したがってスキャン回路105aは、メモリセルアレイ103aが有する信号線WWに走査信号を与えることができる。スキャン回路105bは、メモリセルアレイ103bが有する信号線WWに走査信号を与えることができる。スキャン回路105cは、メモリセルアレイ103cが有する信号線WWに走査信号を与えることができる。走査線WWについては、図7で詳細な説明をする。 The scan circuit 105a is preferably configured by a shift register circuit. Therefore, the scan circuit 105a can give a scan signal to the signal line WW of the memory cell array 103a. The scan circuit 105b can give a scan signal to the signal line WW of the memory cell array 103b. The scan circuit 105c can give a scan signal to the signal line WW of the memory cell array 103c. The scanning line WW will be described in detail with reference to FIG. 7.

タイミング制御回路110は、スキャンドライバ回路105にクロック信号CKと、スタートパルスSPを与えることができる。スキャン回路105aにスタートパルスSPが与えられたときは、順にスキャン回路105a、スキャン回路105b、スキャン回路105cが駆動され、メモリセルアレイ103a乃至メモリセルアレイ103cの信号線WWには、順に走査信号が与えられる。したがって、メモリセルアレイ103a乃至メモリセルアレイ103cが有するメモリセルには、異なる重みデータを与えることができる。 The timing control circuit 110 can give a clock signal CK and a start pulse SP to the scan driver circuit 105. When the start pulse SP is given to the scan circuit 105a, the scan circuit 105a, the scan circuit 105b, and the scan circuit 105c are driven in this order, and the scan signals are sequentially given to the signal lines WW of the memory cell array 103a to the memory cell array 103c. .. Therefore, different weight data can be given to the memory cells included in the memory cell array 103a to the memory cell array 103c.

スキャン回路105a、スキャン回路105b、及びスキャン回路105cに同時にスタートパルスSPが与えられたときは、メモリセルアレイ103a乃至メモリセルアレイ103cの信号線WWに対して同時に走査信号が与えられる。したがって、ウエイトドライバ回路106によって、重み係数は、メモリセルアレイ103a、メモリセルアレイ103b、及びメモリセルアレイ103cが有するメモリセルには、同じ重み係数が与えられる。 When the start pulse SP is simultaneously given to the scan circuit 105a, the scan circuit 105b, and the scan circuit 105c, the scan signal is simultaneously given to the signal line WW of the memory cell array 103a to the memory cell array 103c. Therefore, the weight driver circuit 106 gives the same weighting factor to the memory cells of the memory cell array 103a, the memory cell array 103b, and the memory cell array 103c.

上述したスキャンドライバ回路105とは異なる構成を用いてもよい。図示していないが、スキャンドライバ回路105は、デコーダ回路を用いてもよい。スキャンドライバ回路105にデコーダ回路を用いるときは、アドレス信号と、イネーブル信号を与えることが好ましい。指定されたメモリセルの重み係数を更新するときは、デコーダ回路を用いることが好ましい。重み係数を必要に応じて更新することができるため、更新に要する時間を少なくすることができる。 A configuration different from the scan driver circuit 105 described above may be used. Although not shown, the scan driver circuit 105 may use a decoder circuit. When a decoder circuit is used for the scan driver circuit 105, it is preferable to give an address signal and an enable signal. When updating the weighting factor of the specified memory cell, it is preferable to use a decoder circuit. Since the weighting factor can be updated as needed, the time required for updating can be reduced.

ウエイトドライバ回路106は、スキャンドライバ回路105に同期して、重み係数をメモリセルに与えることが好ましい。したがって、スキャンドライバ回路105と同じクロック信号CKをラッチ回路106aと、デジタルアナログ変換回路106bとに与えることが好ましい。ソースフォロワ回路106cは、出力インピーダンスを低くすることができるため、メモリセルアレイ101に与える重み係数の電圧値をより正確に書き込むことができる。 The weight driver circuit 106 preferably gives a weighting factor to the memory cells in synchronization with the scan driver circuit 105. Therefore, it is preferable to give the same clock signal CK as the scan driver circuit 105 to the latch circuit 106a and the digital-to-analog conversion circuit 106b. Since the source follower circuit 106c can lower the output impedance, the voltage value of the weighting coefficient given to the memory cell array 101 can be written more accurately.

データドライバ回路107は、メモリセルアレイ103aに与える入力データをラッチ回路107aに保持することができる。ラッチ回路107aに入力データが保持されることによって、デジタルアナログ変換回路107bは、入力データをアナログ信号に変換する時間を確保することができる。アナログ信号に変換された入力データは、ソースフォロワ回路107cによって、出力インピーダンスを低くすることができるため、メモリセルアレイ103aに与える入力データの電圧値をより正確に書き込むことができる。 The data driver circuit 107 can hold the input data given to the memory cell array 103a in the latch circuit 107a. By holding the input data in the latch circuit 107a, the digital-to-analog conversion circuit 107b can secure the time for converting the input data into an analog signal. Since the output impedance of the input data converted into the analog signal can be lowered by the source follower circuit 107c, the voltage value of the input data given to the memory cell array 103a can be written more accurately.

フィードバック回路109が有する選択回路109aは、出力回路104aが出力する第2の信号、出力回路104bが出力する第4の信号、出力回路104cが出力する第6の信号をのいずれか一を選択し、信号sdataとして出力する。信号sdataは、選択回路109b、アナログデジタル変換回路109d、又は増幅回路109fに与えられる。 The selection circuit 109a included in the feedback circuit 109 selects one of a second signal output by the output circuit 104a, a fourth signal output by the output circuit 104b, and a sixth signal output by the output circuit 104c. , Output as signal sdata. The signal sdata is given to the selection circuit 109b, the analog-to-digital conversion circuit 109d, or the amplifier circuit 109f.

選択回路109bに与えられた信号sdataは、出力回路104a、出力回路104b、又は出力回路104cのいずれか一に増幅回路109cを介して信号線FFBDに与えることができる。 The signal sdata given to the selection circuit 109b can be given to the signal line FFBD via the amplifier circuit 109c to any one of the output circuit 104a, the output circuit 104b, or the output circuit 104c.

また、アナログデジタル変換回路109dに与えられた信号sdataは、デジタル変換され増幅回路109eを介して信号線MDDにデジタル信号で出力される。また、増幅回路109fに与えられた信号sdataは、信号線MADにアナログ信号で出力される。 Further, the signal sdata given to the analog-to-digital conversion circuit 109d is digitally converted and output as a digital signal to the signal line MDD via the amplifier circuit 109e. Further, the signal sdata given to the amplifier circuit 109f is output as an analog signal to the signal line MAD.

また、メモリセルに重み係数及び入力データに初期化電位を与えることで、出力回路104aは、第1の補正データを生成することができる。また、出力回路104bは、第2の補正データを生成することができる。また、出力回路104cは、第3の補正データを生成することができる。初期化電圧には、0Vを与えることが好ましいが、必ずしも0Vに限定はされない。 Further, by giving the weight coefficient and the initialization potential to the input data to the memory cell, the output circuit 104a can generate the first correction data. Further, the output circuit 104b can generate the second correction data. Further, the output circuit 104c can generate the third correction data. The initialization voltage is preferably 0 V, but is not necessarily limited to 0 V.

よって出力回路104aは、フィードバック回路109から第1の補正データが与えられることで第2の出力信号を補正することができる。また、出力回路104bは、フィードバック回路109から第2の補正データが与えられることで第4の出力信号を補正することができる。また、出力回路104cは、フィードバック回路109から第3の補正データが与えられることで第6の出力信号を補正することができる。 Therefore, the output circuit 104a can correct the second output signal by being given the first correction data from the feedback circuit 109. Further, the output circuit 104b can correct the fourth output signal by being given the second correction data from the feedback circuit 109. Further, the output circuit 104c can correct the sixth output signal by being given the third correction data from the feedback circuit 109.

また、フィードバック回路109は、入力された第2の信号を信号線FFBDに与えることができる。第2の信号は、信号線FFBDを介して出力回路104b又は出力回路104cのいずれかに与えることができる。つまり、第2の信号は、フィードフォワード信号として用いることができる。 Further, the feedback circuit 109 can give the input second signal to the signal line FFBD. The second signal can be given to either the output circuit 104b or the output circuit 104c via the signal line FFBD. That is, the second signal can be used as a feedforward signal.

また、フィードバック回路109は、第4の信号を信号線FFBDに与えることができる。第4の信号は、信号線FFBDを介して出力回路104a又は出力回路104cのいずれかに与えることができる。出力回路104aに第4の信号を与えるときは、フィードバック信号として用いることができ、出力回路104cに第4の信号を与えるときは、フィードフォワード信号として用いることができる。 Further, the feedback circuit 109 can give a fourth signal to the signal line FFBD. The fourth signal can be given to either the output circuit 104a or the output circuit 104c via the signal line FFBD. When the fourth signal is given to the output circuit 104a, it can be used as a feedback signal, and when the fourth signal is given to the output circuit 104c, it can be used as a feedforward signal.

また、フィードバック回路109は、入力された第6の信号を信号線FFBDに与えることができる。第6の信号は、信号線FFBDを介して出力回路104a又は出力回路104bのいずれかに与えることができる。つまり、第6の信号は、フィードバック信号として用いることができる。 Further, the feedback circuit 109 can give the input sixth signal to the signal line FFBD. The sixth signal can be given to either the output circuit 104a or the output circuit 104b via the signal line FFBD. That is, the sixth signal can be used as a feedback signal.

なお、フィードバック回路109を有することで、演算処理に時間展開可能なフィードバック機能を加えることができる。例えば、再帰型ニューラルネットワーク(RNN)、又はニューラルネットワークとして、Long Short‐Term Memory(LSTM:長・短期記憶)と呼ばれる機械学習のアルゴリズムに用いることができる。 By having the feedback circuit 109, it is possible to add a time-expandable feedback function to the arithmetic processing. For example, as a recurrent neural network (RNN) or a neural network, it can be used in a machine learning algorithm called Long Short-Term Memory (LSTM).

図4では、パーセプトロンを説明するために、メモリセルアレイ101を用いて説明する。メモリセルアレイ101は、多層のパーセプトロンを有することができるが、一例として入力層102aについて説明する。入力層102aは、メモリセルアレイ103aと、出力回路104aと、電流源回路30とを有している。メモリセルアレイ103aは、複数のシナプス回路23aを有し、出力回路104aは、複数の活性化関数回路24aを有している。電流源回路30は、それぞれのパーセプトロンに配置されることが好ましい。よって、ニューロンは、シナプス回路23a及び活性化関数回路24aによって構成されている。 In FIG. 4, a memory cell array 101 will be used to explain the perceptron. The memory cell array 101 may have a multi-layered perceptron, but the input layer 102a will be described as an example. The input layer 102a has a memory cell array 103a, an output circuit 104a, and a current source circuit 30. The memory cell array 103a has a plurality of synaptic circuits 23a, and the output circuit 104a has a plurality of activation function circuits 24a. The current source circuit 30 is preferably arranged in each perceptron. Therefore, the neuron is composed of a synaptic circuit 23a and an activation function circuit 24a.

メモリセルアレイ103aは、信号線WD[j]、信号線WW[i]、信号線SL[j]、信号線RW[i]、及び配線COMと、複数のメモリセルMCを有している。メモリセルMCは、トランジスタ41、トランジスタ42、及び容量素子51を有している。説明を簡便化するために、図3では、一例としてメモリセルMC[i、j]乃至メモリセルMC[i+2、j+2]を用いて説明する。 The memory cell array 103a has a signal line WD [j], a signal line WW [i], a signal line SL [j], a signal line RW [i], a wiring COM, and a plurality of memory cells MC. The memory cell MC has a transistor 41, a transistor 42, and a capacitive element 51. In order to simplify the explanation, in FIG. 3, a memory cell MC [i, j] to a memory cell MC [i + 2, j + 2] will be used as an example.

メモリセルMCは、信号線WD[j]、信号線WW[i]、信号線SL[j]、信号線RW[i]、及び配線COMとが電気的に接続されている。トランジスタ41のゲートは、信号線WWと電気的に接続されている。トランジスタ41のソース又はドレインの一方は、信号線WDと電気的に接続されている。トランジスタ41のソース又はドレインの他方は、トランジスタ42のゲートと、容量素子51の電極の一方と、が電気的に接続されている。トランジスタ42のソース又はドレインの一方は、信号線SLと電気的に接続されている。トランジスタ42のソース又はドレインの他方は、配線COMと電気的に接続されている。容量素子51の電極の他方は、信号線RWと電気的に接続されている。ノードFN1は、トランジスタ42のゲートと、トランジスタ41のソース又はドレインの他方、及び容量素子51の電極の一方が接続されることで形成されている。 The memory cell MC is electrically connected to the signal line WD [j], the signal line WW [i], the signal line SL [j], the signal line RW [i], and the wiring COM. The gate of the transistor 41 is electrically connected to the signal line WW. One of the source and drain of the transistor 41 is electrically connected to the signal line WD. The other of the source or drain of the transistor 41 is electrically connected to the gate of the transistor 42 and one of the electrodes of the capacitive element 51. One of the source and drain of the transistor 42 is electrically connected to the signal line SL. The other of the source or drain of the transistor 42 is electrically connected to the wiring COM. The other electrode of the capacitive element 51 is electrically connected to the signal line RW. The node FN1 is formed by connecting the gate of the transistor 42, the other of the source or drain of the transistor 41, and one of the electrodes of the capacitive element 51.

メモリセルMCは、ノードFN1に重み係数を記憶することができる。重み係数は、アナログ信号で与えられるため重み電位として表すことができる。信号線RWは、アナログ信号の入力信号が与えられる。よって、容量素子51は、容量素子51の電極の他方に入力信号が与えられる。ノードFN1は、重み電位に容量素子51を介して入力信号が加えられることで第1の電位に変化する。よって、トランジスタ42のゲートには、第1の電位が与えられる。トランジスタ42は、トランジスタ42のゲートに与える第1の電位を変化させることでトランジスタ42のコンダクタンスに応じた電流を流すことができる。つまり、トランジスタ42は、入力信号に重み係数を乗算し前記第1の電流に変換することができる。従って乗算された結果は、第1の電流として出力される。配線COMには、シナプス回路23aで使用する一番低い電位を与えることが好ましい。トランジスタ42に流れる電流は、配線COMに吸い込まれる方向に流れることが好ましい。 The memory cell MC can store the weighting factor in the node FN1. Since the weighting coefficient is given by an analog signal, it can be expressed as a weighting potential. The signal line RW is given an input signal of an analog signal. Therefore, in the capacitive element 51, an input signal is given to the other of the electrodes of the capacitive element 51. The node FN1 changes to the first potential when an input signal is applied to the weight potential via the capacitive element 51. Therefore, the gate of the transistor 42 is given a first potential. The transistor 42 can flow a current according to the conductance of the transistor 42 by changing the first potential applied to the gate of the transistor 42. That is, the transistor 42 can multiply the input signal by the weighting factor and convert it into the first current. Therefore, the result of multiplication is output as a first current. It is preferable to give the wiring COM the lowest potential used in the synaptic circuit 23a. It is preferable that the current flowing through the transistor 42 flows in the direction of being sucked into the wiring COM.

シナプス回路23aは、電流源回路30と電気的に接続されている。電流源回路30は、メモリユニット23bが有している複数のメモリセルMREFを用いて電流IREFを生成することができる。メモリセルMREFは、メモリセルMCと同じ構成であることが好ましい。電流IREFは、信号線SL[j]に電流を供給するときの基準電流になる。電流源回路30は、カレントミラー回路を有し、電流IREFを電流IR[j]にコピーすることができる。従って、信号線SL[j]には、電流IREFと同じ大きさの電流IR[j]を供給することができる。電流源回路30については、図5で詳細な説明をする。 The synaptic circuit 23a is electrically connected to the current source circuit 30. The current source circuit 30 can generate a current IREF using a plurality of memory cells MREF included in the memory unit 23b. The memory cell MREF preferably has the same configuration as the memory cell MC. The current IREF becomes a reference current when supplying a current to the signal line SL [j]. The current source circuit 30 has a current mirror circuit and can copy the current IREF to the current IR [j]. Therefore, the current IR [j] having the same magnitude as the current IREF can be supplied to the signal line SL [j]. The current source circuit 30 will be described in detail with reference to FIG.

活性化関数回路24aは、複数の第1の電流を加算し、第2の電位をランプ関数によって第3の電位に変換することができる。第3の電位は、次段のニューロン23が有する信号線RWに与えられる。活性化関数回路24aの詳細な説明は図6にて行う。 The activation function circuit 24a can add a plurality of first currents and convert the second potential into a third potential by a ramp function. The third potential is given to the signal line RW possessed by the neuron 23 in the next stage. A detailed description of the activation function circuit 24a will be given with reference to FIG.

図5では、電流源回路30の詳細な説明をする。図5は、一例として電流源回路30の回路構成を示している。電流源回路30は、カレントミラー回路で構成されている。カレントミラー回路は、基準になるカレントミラー回路CMREFと、複数のカレントミラー回路CMによって構成されている。カレントミラー回路CMの数は、ニューロン23と同じ数が好ましい。カレントミラー回路CMREF及びカレントミラー回路CM[j]は、pチャネル型のトランジスタ59を有している。トランジスタ59は、同じ大きさのチャネル長、チャネル幅、電気特性を有していることが好ましい。電流源回路30は、信号線BJ[j]に同じ大きさの電流を流すことができればよく、図5で示した例のようにpチャネル型のトランジスタで構成されたカレントミラー回路に限定されない。 In FIG. 5, the current source circuit 30 will be described in detail. FIG. 5 shows the circuit configuration of the current source circuit 30 as an example. The current source circuit 30 is composed of a current mirror circuit. The current mirror circuit is composed of a reference current mirror circuit CMREF and a plurality of current mirror circuit CMs. The number of current mirror circuit CMs is preferably the same as that of the neuron 23. The current mirror circuit CMREF and the current mirror circuit CM [j] have a p-channel type transistor 59. The transistor 59 preferably has the same channel length, channel width, and electrical characteristics. The current source circuit 30 is not limited to the current mirror circuit composed of the p-channel type transistor as in the example shown in FIG. 5, as long as the current of the same magnitude can be passed through the signal line BJ [j].

カレントミラー回路CMREF及びカレントミラー回路CM[j]が有するトランジスタ59のソースは、配線VDDと電気的に接続されている。トランジスタ59のゲートは、配線CMVと電気的に接続されている。トランジスタ59のドレインは、信号線SL[j]に電気的に接続されている。カレントミラー回路CMREFは、トランジスタ59のゲートとドレインとが電気的に接続されている。カレントミラー回路CMREFは、信号線SLREFを介してメモリセルMREFと電気的に接続されている。 The source of the transistor 59 included in the current mirror circuit CMREF and the current mirror circuit CM [j] is electrically connected to the wiring VDD. The gate of the transistor 59 is electrically connected to the wiring CMV. The drain of the transistor 59 is electrically connected to the signal line SL [j]. In the current mirror circuit CMREF, the gate and drain of the transistor 59 are electrically connected. The current mirror circuit CMREF is electrically connected to the memory cell MREF via the signal line SLREF.

信号線SLREFには、メモリセルMREFが有するトランジスタ42に流れる電流の和に等しい電流IREFが流れる。よって、カレントミラー回路CMREFの有するトランジスタ49のドレイン電位と、ゲート電位とが電流IREFによって決まる。カレントミラー回路CMREFの有するトランジスタ49のゲートに与えられた電位は、配線CMVを介してカレントミラー回路CMの有するトランジスタ49のゲートに与えられる。従って、電流IR[j]は、電流IREFと同じ大きさの電流が与えられる。 A current IREF equal to the sum of the currents flowing through the transistor 42 of the memory cell MREF flows through the signal line SLREF. Therefore, the drain potential of the transistor 49 of the current mirror circuit CMREF and the gate potential are determined by the current IREF. The potential given to the gate of the transistor 49 of the current mirror circuit CMREF is given to the gate of the transistor 49 of the current mirror circuit CM via the wiring CMV. Therefore, the current IR [j] is given the same magnitude as the current IREF.

図6(A)では、活性化関数回路24aの詳細な説明をする。ニューラルネットワークでは、活性化関数回路のことをシグモイド関数と呼ばれることがある。活性化関数回路24aは、加算回路、第1のソースフォロワ回路、信号線RST、配線VDD、配線OBS、及び配線NB1を有している。加算回路は、容量素子25、容量素子26、トランジスタ27と、及び第1のノードND1を有している。第1のソースフォロワ回路は、トランジスタ46、トランジスタ47、及びトランジスタ48を有している。 In FIG. 6A, the activation function circuit 24a will be described in detail. In a neural network, the activation function circuit is sometimes called a sigmoid function. The activation function circuit 24a includes an adder circuit, a first source follower circuit, a signal line RST, wiring VDD, wiring OBS, and wiring NB1. The adder circuit has a capacitive element 25, a capacitive element 26, a transistor 27, and a first node ND1. The first source follower circuit includes a transistor 46, a transistor 47, and a transistor 48.

まず、加算回路について説明する。容量素子25の電極の一方は、信号線SL[j]と電気的に接続され、容量素子25の電極の他方は、容量素子26の電極の一方と、トランジスタ27のソース又はドレインの一方と、トランジスタ48のゲートとが電気的に接続されている。容量素子26の電極の他方は、信号線FFBD[j]と電気的に接続されている。第1のノードND1は、容量素子25の電極の他方と、容量素子26の電極の一方と、トランジスタ27のソース又はドレインの一方と、トランジスタ48のゲートと接続されることで形成されている。 First, the adder circuit will be described. One of the electrodes of the capacitive element 25 is electrically connected to the signal line SL [j], and the other of the electrodes of the capacitive element 25 is one of the electrodes of the capacitive element 26 and one of the source or drain of the transistor 27. The gate of the transistor 48 is electrically connected. The other electrode of the capacitive element 26 is electrically connected to the signal line FFBD [j]. The first node ND1 is formed by connecting the other of the electrodes of the capacitive element 25, one of the electrodes of the capacitive element 26, one of the source or drain of the transistor 27, and the gate of the transistor 48.

信号線SL[j]には、シナプス回路23aが有するメモリセルMCが出力する第1の電流が加算されることで生成された第2の電流が流れている。容量素子25は、第2の電流を第2の電位に変換することができる。第2の電位は、容量素子25を介して第1のノードND1に与えられる。第1のノードND1の電位が変化することで、トランジスタ48のゲートに与えられる電位が変化する。第1のノードND1には、信号線FFBD[j]に与えられたフィードバック信号が容量素子26を介して加えられてもよい。第2の電位は、第2の信号に相当する。トランジスタ27のゲートには、信号線RSTに与えられるリセット信号によって、第1のノードND1を初期化することができることが好ましい。 A second current generated by adding the first current output by the memory cell MC of the synapse circuit 23a flows through the signal line SL [j]. The capacitive element 25 can convert the second current into the second potential. The second potential is applied to the first node ND1 via the capacitive element 25. By changing the potential of the first node ND1, the potential given to the gate of the transistor 48 changes. A feedback signal given to the signal line FFBD [j] may be added to the first node ND1 via the capacitive element 26. The second potential corresponds to the second signal. At the gate of the transistor 27, it is preferable that the first node ND1 can be initialized by the reset signal given to the signal line RST.

次に、第1のソースフォロワ回路について説明する。トランジスタ46のゲートは、配線NB1と電気的に接続されている。トランジスタ47のゲートは、配線OBSと電気的に接続されている。第1のノードND1は、トランジスタ48のゲートと電気的に接続されている。配線VDDは、トランジスタ47のソース又はドレインの一方と、トランジスタ48のソース又はドレインの一方と、が電気的に接続されている。トランジスタ46のソース又はドレインの一方は、トランジスタ47のソース又はドレインの他方と、トランジスタ48のソース又はドレインの他方と、出力端子ORY[j]とが電気的に接続されている。トランジスタ46のソース又はドレインの他方は、配線COMと電気的に接続されている。 Next, the first source follower circuit will be described. The gate of the transistor 46 is electrically connected to the wiring NB1. The gate of the transistor 47 is electrically connected to the wiring OBS. The first node ND1 is electrically connected to the gate of the transistor 48. In the wiring VDD, one of the source or drain of the transistor 47 and one of the source or drain of the transistor 48 are electrically connected. One of the source or drain of the transistor 46 is electrically connected to the other of the source or drain of the transistor 47, the other of the source or drain of the transistor 48, and the output terminal ORY [j]. The other of the source or drain of the transistor 46 is electrically connected to the wiring COM.

活性化関数回路24aは、第2の電位をランプ関数によって第2の電位に変換することができる。トランジスタ46のゲートは、配線NB1によって固定電位が与えられている。従って、トランジスタ46は第2のソースフォロワ回路の定電流源として機能することができる。トランジスタ47のゲートは、配線OBSによって電圧VBSを与えられる。トランジスタ48のゲートには、第2の電位が与えられる。トランジスタ46、トランジスタ47、及びトランジスタ48は、トランジスタのチャネル長、チャネル幅、及び電気特性が同じであることが好ましい。 The activation function circuit 24a can convert the second potential into the second potential by the ramp function. The gate of the transistor 46 is given a fixed potential by the wiring NB1. Therefore, the transistor 46 can function as a constant current source of the second source follower circuit. The gate of the transistor 47 is given a voltage VBS by the wiring OBS. A second potential is applied to the gate of the transistor 48. It is preferable that the transistor 46, the transistor 47, and the transistor 48 have the same channel length, channel width, and electrical characteristics of the transistor.

ランプ関数は、第1の出力範囲と、第2の出力範囲と、を有している。第1の出力範囲は、トランジスタ47によって出力端子ORY[j]に固定電位が出力される。第2の出力範囲は、トランジスタ48によって出力端子ORY[j]に第2の電位が出力される。より正確には、第1の出力範囲では、電圧VBSよりトランジスタ47の閾値電圧だけ低い固定電位が出力端子ORY[j]に出力される。第2の出力範囲では、第2の電位よりトランジスタ48の閾値電圧だけ低い電位が出力端子ORY[j]に出力される。 The ramp function has a first output range and a second output range. In the first output range, a fixed potential is output to the output terminal ORY [j] by the transistor 47. In the second output range, the second potential is output to the output terminal ORY [j] by the transistor 48. More precisely, in the first output range, a fixed potential lower than the voltage VBS by the threshold voltage of the transistor 47 is output to the output terminal ORY [j]. In the second output range, a potential lower than the second potential by the threshold voltage of the transistor 48 is output to the output terminal ORY [j].

つまり換言すると、活性化関数回路24aが有するランプ関数は、第2の電位が電圧VBSより小さいとに出力端子ORY[j]の出力電圧を固定することができる。また、第2の電位が電圧VBSより大きいときは、出力端子ORY[j]をトランジスタ48のゲートに与える第2の電位に応じた出力電圧に変化させることができる。 That is, in other words, the ramp function of the activation function circuit 24a can fix the output voltage of the output terminal ORY [j] when the second potential is smaller than the voltage VBS. When the second potential is larger than the voltage VBS, the output terminal ORY [j] can be changed to an output voltage corresponding to the second potential given to the gate of the transistor 48.

アナログ信号の演算は、素子の電気特性、又は配線などの時定数などの影響によってばらつくことがある。ただし、第1の出力範囲を有することで、ばらつきの影響を削減することができる。ランプ関数によって変換された第2の電位は、次段のニューロンの入力信号として信号線RWに与えられる。 The calculation of the analog signal may vary depending on the electrical characteristics of the element or the time constant of the wiring or the like. However, by having the first output range, the influence of variation can be reduced. The second potential converted by the ramp function is given to the signal line RW as an input signal of the neuron in the next stage.

図6(B)は、活性化関数回路24aの出力特性を示している。x軸は、活性化関数回路24aに入力信号として与えられる第2の電位を表している。説明のために、第2の電位を、電圧VSL[j]として図中に示している。y軸は、活性化関数回路24aの出力信号として出力端子ORY[j]与えられる電圧VRY[j]を表している。 FIG. 6B shows the output characteristics of the activation function circuit 24a. The x-axis represents a second potential given as an input signal to the activation function circuit 24a. For illustration purposes, the second potential is shown in the figure as voltage VSL [j]. The y-axis represents the voltage VRY [j] given to the output terminal ORY [j] as the output signal of the activation function circuit 24a.

図7には、図6とは異なる活性化関数回路24bを示している。活性化関数回路24bは、配線OBSと、トランジスタ47とを有さない点が図6(A)と異なっている。活性化関数回路24bは、ランプ関数を有さないため第2の電位が次段のニューロンの入力信号として信号線RWに与えられる。より正確なデータを用いて演算するときには、ランプ関数を有さないことが好ましい。 FIG. 7 shows an activation function circuit 24b different from that of FIG. The activation function circuit 24b is different from FIG. 6A in that it does not have the wiring OBS and the transistor 47. Since the activation function circuit 24b does not have a ramp function, a second potential is given to the signal line RW as an input signal of the neuron in the next stage. When calculating with more accurate data, it is preferable not to have a ramp function.

図8では、図4と異なるメモリセルアレイ101Aについて説明する。図8では、メモリセルアレイ101と異なる点について説明し、メモリセルアレイ101と重複する構成要素については説明を省略する。メモリセルアレイ101Aでは、出力回路104bの構成が異なっている。 FIG. 8 describes the memory cell array 101A, which is different from FIG. In FIG. 8, the points different from the memory cell array 101 will be described, and the description of the components overlapping with the memory cell array 101 will be omitted. In the memory cell array 101A, the configuration of the output circuit 104b is different.

出力回路104bは、列出力回路31と、オフセット電流回路32とを有している。列出力回路31は、電流電圧変換回路31aと、オフセット回路31bとを有している。 The output circuit 104b has a column output circuit 31 and an offset current circuit 32. The column output circuit 31 has a current-voltage conversion circuit 31a and an offset circuit 31b.

電流電圧変換回路31aは、信号線SL[j]に流れる第2の電流を第3の電位に変換することができる。第3の電位は、オフセット回路31bに与えられる。オフセット回路31bは、メモリセルMC[i,j]乃至メモリセルMC[i+2,j]に入力信号が与えられていないときを基準として、入力信号が与えられるときの第3の電位を記憶することができる。オフセット回路31bは、第3の電位から生成する第4の電位を第1の出力端子に出力する。 The current-voltage conversion circuit 31a can convert the second current flowing through the signal line SL [j] into the third potential. The third potential is applied to the offset circuit 31b. The offset circuit 31b stores the third potential when the input signal is given, with reference to the time when the input signal is not given to the memory cells MC [i, j] to the memory cells MC [i + 2, j]. Can be done. The offset circuit 31b outputs a fourth potential generated from the third potential to the first output terminal.

図9では、列出力回路31の詳細な説明をする。列出力回路31は、電流電圧変換回路31a、オフセット回路31b、信号線ER、配線OREF、配線OPR、信号線RST、及び配線NBを有している。 In FIG. 9, a detailed description of the column output circuit 31 will be given. The column output circuit 31 includes a current-voltage conversion circuit 31a, an offset circuit 31b, a signal line ER, a wiring OREF, a wiring ORG, a signal line RST, and a wiring NB.

電流電圧変換回路31aは、電流電圧変換素子R1と、スイッチSWとを有している。スイッチの電極の一方は、信号線SLと電気的に接続され、スイッチSWの電極の他方は電流電圧変換素子R1の電極の一方と電気的に接続され、電流電圧変換素子R1の他方の電極は、配線OREFと電気的に接続されている。スイッチSWは、信号線ERによって制御される。電流電圧変換素子R1は、抵抗素子が好ましいが限定はされない。ダイオード、又は容量素子などを用いてもよい。またスイッチSWは、トランジスタを用いることが好ましいが限定はされない。ダイオードなどを用いてもよい。ただしダイオードを用いるときは、信号線ERによる制御を必要としない。 The current-voltage conversion circuit 31a has a current-voltage conversion element R1 and a switch SW. One of the electrodes of the switch is electrically connected to the signal line SL, the other of the electrodes of the switch SW is electrically connected to one of the electrodes of the current-voltage conversion element R1, and the other electrode of the current-voltage conversion element R1 is. , Electrically connected to the wiring OREF. The switch SW is controlled by the signal line ER. The current-voltage conversion element R1 is preferably a resistance element, but is not limited thereto. A diode, a capacitive element, or the like may be used. Further, it is preferable to use a transistor for the switch SW, but the switch SW is not limited. A diode or the like may be used. However, when a diode is used, control by the signal line ER is not required.

スイッチSWをオフ状態にすることで、オフセット電流回路32が信号線SLのオフセット電流をキャンセルする期間として用いることができる。また、スイッチSWをオン状態にすることで、電流電圧変換回路31aが信号線SLに与えられる電流を電流電圧変換素子R1によって電位に変換することができる。よって、スイッチSWは、電流を流す期間を制御し、消費電力を小さくすることができる。 By turning off the switch SW, the offset current circuit 32 can be used as a period for canceling the offset current of the signal line SL. Further, by turning on the switch SW, the current-voltage conversion circuit 31a can convert the current applied to the signal line SL into a potential by the current-voltage conversion element R1. Therefore, the switch SW can control the period in which the current flows and reduce the power consumption.

電流電圧変換素子R1は、配線OREFに与えられる電位VREFを基準電位として第2の電流を第3の電位に変換することができる。ただし、電位VREFには、ノードFN1に与えられる重み電位と、信号線RWに与えられる入力信号とを考慮して最適な電位VREFを与えることができる。 The current-voltage conversion element R1 can convert the second current to the third potential with the potential VREF given to the wiring OREF as a reference potential. However, the potential VREF can be given an optimum potential VREF in consideration of the weight potential given to the node FN1 and the input signal given to the signal line RW.

電流電圧変換回路31aは、一つの抵抗素子で電流を電圧に変換する例を示したが、複数の抵抗素子とスイッチとを有した構成でもよい。複数の抵抗素子と、スイッチを有することで、電流電圧変換回路31aは、電流の大きさに応じた検出範囲を切り替えることができる。 Although the current-voltage conversion circuit 31a has shown an example of converting a current into a voltage with one resistance element, it may be configured to have a plurality of resistance elements and a switch. By having a plurality of resistance elements and a switch, the current-voltage conversion circuit 31a can switch the detection range according to the magnitude of the current.

例えば、配線OREFに与えられる電位VREFは、ノードFN1に正の重み電位又は負の重み電位が与えられても第1の電位が正の電位を示すように設定することが好ましい。従って、トランジスタ42に流れる第1の電流は、ノードFN1に正の重み電位または負の重み電位のいずれかが与えられても配線COMに吸い込まれることが好ましい。ただし、第1の電流が、正の重みのとき配線COMに吸い込まれ、負の重みのとき配線COMから供給するように電位VREFを設定してもよい。また、電流源回路30は、信号線SL[j]に与えるIR[j]が、第2の電流より大きいことが好ましい。 For example, the potential VREF given to the wiring OREF is preferably set so that the first potential shows a positive potential even if a positive weighted potential or a negative weighted potential is given to the node FN1. Therefore, it is preferable that the first current flowing through the transistor 42 is sucked into the wiring COM even if either the positive weight potential or the negative weight potential is given to the node FN1. However, the potential VREF may be set so that the first current is sucked into the wiring COM when the weight is positive and is supplied from the wiring COM when the weight is negative. Further, in the current source circuit 30, it is preferable that the IR [j] given to the signal line SL [j] is larger than the second current.

続いて、オフセット回路は31bについて説明する。オフセット回路は31bは、リセット回路、第2のソースフォロワ回路、容量素子53、及び第1の出力端子を有している。リセット回路は、容量素子52と、トランジスタ43とを有している。第2のソースフォロワ回路は、トランジスタ44と、トランジスタ45とを有している。 Subsequently, the offset circuit describes 31b. The offset circuit 31b has a reset circuit, a second source follower circuit, a capacitive element 53, and a first output terminal. The reset circuit has a capacitive element 52 and a transistor 43. The second source follower circuit has a transistor 44 and a transistor 45.

オフセット回路は31bは、配線OPR、信号線RST、及び配線NBが電気的に接続されている。容量素子52の電極の一方は、信号線SL[j]に電気的に接続されている。容量素子53の電極の一方は、信号線FFBDと電気的に接続されている。容量素子52の電極の他方は、容量素子53の電極の他方と、トランジスタ43のソース又はドレインのいずれか一方と、トランジスタ44のゲートとが電気的に接続されている。トランジスタ43のソース又はドレインの他方は、配線OPRに電気的に接続されている。トランジスタ44のソース又はドレインの一方は、配線VDDに電気的に接続されている。トランジスタ44のソース又はドレインの他方は、トランジスタ45のソース又はドレインの一方と、出力端子OPS[j]とが電気的に接続されている。トランジスタ45のソース又はドレインの他方は、配線COMと電気的に接続されている。トランジスタ45のゲートは、配線NB1と電気的に接続されている。ノードFN2は、容量素子52の電極の他方と、トランジスタ43のソース又はドレインの一方と、トランジスタ44のゲートが接続することによって形成されている。 In the offset circuit 31b, the wiring OP, the signal line RST, and the wiring NB are electrically connected. One of the electrodes of the capacitive element 52 is electrically connected to the signal line SL [j]. One of the electrodes of the capacitive element 53 is electrically connected to the signal line FFBD. The other electrode of the capacitive element 52 is electrically connected to the other electrode of the capacitive element 53, either the source or the drain of the transistor 43, and the gate of the transistor 44. The other of the source or drain of the transistor 43 is electrically connected to the wiring OPS. One of the source or drain of the transistor 44 is electrically connected to the wiring VDD. The other of the source or drain of the transistor 44 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 45 and the output terminal OPS [j]. The other of the source or drain of the transistor 45 is electrically connected to the wiring COM. The gate of the transistor 45 is electrically connected to the wiring NB1. The node FN2 is formed by connecting the other of the electrodes of the capacitive element 52, one of the source or drain of the transistor 43, and the gate of the transistor 44.

配線OPRには、ノードFN2のリセット電位VPRが与えられる。リセット回路は、信号線RSTにデジタル信号“H”を与えることで、トランジスタ43をオン状態にすることができる。従って、ノードFN2は、電位VPRが与えられる。ノードFN2は、リセット電位VPRが与えられている第1の期間を有している。第1の期間は、信号線SL[j]がメモリセルMCに対して入力データが与えられていない状態であることが好ましい。 The reset potential VPR of the node FN2 is given to the wiring OP. The reset circuit can turn on the transistor 43 by giving a digital signal "H" to the signal line RST. Therefore, the node FN2 is given the potential VPR. Node FN2 has a first period in which the reset potential VPR is given. In the first period, it is preferable that the signal line SL [j] is in a state where no input data is given to the memory cell MC.

トランジスタ43がオフ状態になり、メモリセルMCには、信号線RWから入力信号が与えられる。容量素子52の電極の一方には、電流電圧変換回路31aが第2の電流から生成する第4の電位が与えられる。ノードFN2は、容量素子52による容量結合によって第4の電位に変化する。このとき、ノードFN2に生成された第4の電位には、容量素子53を介してフィードバック回路109からフィードバック信号が加えられてもよい。ノードFN2に与えられた第4の電位は、第2のソースフォロワ回路を構成するトランジスタ44のゲートに与えられる。トランジスタ45のゲートは、配線NB1によって固定電位が与えられている。従って、トランジスタ45は第2のソースフォロワ回路の定電流源として機能することができる。トランジスタ44及びトランジスタ45は、トランジスタのチャネル長、チャネル幅、及び電気特性が同じであることが好ましい。 The transistor 43 is turned off, and an input signal is given to the memory cell MC from the signal line RW. One of the electrodes of the capacitive element 52 is given a fourth potential generated by the current-voltage conversion circuit 31a from the second current. The node FN2 changes to a fourth potential due to capacitive coupling by the capacitive element 52. At this time, a feedback signal may be added from the feedback circuit 109 to the fourth potential generated in the node FN2 via the capacitive element 53. The fourth potential given to the node FN2 is given to the gate of the transistor 44 constituting the second source follower circuit. The gate of the transistor 45 is given a fixed potential by the wiring NB1. Therefore, the transistor 45 can function as a constant current source of the second source follower circuit. It is preferable that the transistor 44 and the transistor 45 have the same channel length, channel width, and electrical characteristics.

出力端子OPS[j]には、第2のソースフォロワ回路の出力が与えられる。従って、出力端子OPS[j]は、トランジスタ44のゲートに与えられた第4の電位からトランジスタ44の閾値電圧だけ低い電位が出力される。 The output of the second source follower circuit is given to the output terminal OPS [j]. Therefore, the output terminal OPS [j] outputs a potential lower than the fourth potential given to the gate of the transistor 44 by the threshold voltage of the transistor 44.

図10では、オフセット電流回路32について説明する。オフセット電流回路32は、電流吸込み回路32a、電流供給回路32b、信号線ORM、信号線OSM、信号線ORP、信号線OSP、配線COM、及び配線VDDを有している。電流吸込み回路32aは、トランジスタ61、トランジスタ62、トランジスタ63、及び容量素子64を有し、電流供給回路32bは、トランジスタ65、トランジスタ66、トランジスタ67、及び容量素子68を有している。 In FIG. 10, the offset current circuit 32 will be described. The offset current circuit 32 has a current suction circuit 32a, a current supply circuit 32b, a signal line ORM, a signal line OSM, a signal line ORP, a signal line OSP, a wiring COM, and a wiring VDD. The current suction circuit 32a has a transistor 61, a transistor 62, a transistor 63, and a capacitive element 64, and the current supply circuit 32b has a transistor 65, a transistor 66, a transistor 67, and a capacitive element 68.

信号線SL[j]に着目して説明をする。電流吸込み回路32a[j]、及び電流供給回路32b[j]は、図10で表示されていないが信号線SL[j]を介して電流源回路30、電流電圧変換回路31a[j]、オフセット回路31b[j]、及びメモリセルMC[i、j]乃至メモリセルMC[i+2、j]と電気的に接続されている。 The explanation will be given focusing on the signal line SL [j]. Although the current suction circuit 32a [j] and the current supply circuit 32b [j] are not shown in FIG. 10, the current source circuit 30, the current-voltage conversion circuit 31a [j], and the offset are via the signal line SL [j]. It is electrically connected to the circuit 31b [j] and the memory cell MC [i, j] to the memory cell MC [i + 2, j].

信号線SL[j]は、トランジスタ61のソース又はドレインの一方と、トランジスタ65のソース又はドレインの一方とが電気的に接続されている。 In the signal line SL [j], one of the source or drain of the transistor 61 and one of the source or drain of the transistor 65 are electrically connected.

トランジスタ61のソース又はドレインの一方は、さらに、トランジスタ62のソース及びドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタ61のゲートは、容量素子64の電極の一方と、トランジスタ62のソース又はドレインの他方と、トランジスタ63のソース又はドレインの一方とが電気的に接続され、トランジスタ63のソース又はドレインの他方は、配線COMと、トランジスタ61のソース又はドレインの他方と、容量素子64の電極の他方とが電気的に接続され、トランジスタ62のゲートは、配線OSPと電気的に接続され、トランジスタ63のゲートは、配線ORPと電気的に接続されている。 One of the source or drain of the transistor 61 is further electrically connected to one of the source and drain of the transistor 62, and the gate of the transistor 61 is one of the electrodes of the capacitive element 64 and the other of the source or drain of the transistor 62. And one of the source or drain of the transistor 63 is electrically connected, and the other of the source or drain of the transistor 63 is the wiring COM, the other of the source or drain of the transistor 61, and the other of the electrodes of the capacitive element 64. Is electrically connected, the gate of the transistor 62 is electrically connected to the wiring OSP, and the gate of the transistor 63 is electrically connected to the wiring ORP.

トランジスタ65のソース又はドレインの一方は、さらに、トランジスタ66のソース及びドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタ65のゲートは、容量素子68の電極の一方と、トランジスタ66のソース又はドレインの他方と、トランジスタ67のソース又はドレインの一方とが電気的に接続され、トランジスタ67のソース又はドレインの他方は、配線VDDと、トランジスタ65のソース又はドレインの他方と、容量素子68の電極の他方とが電気的に接続され、トランジスタ66のゲートは、配線OSMと電気的に接続され、トランジスタ67のゲートは、配線ORMと電気的に接続されている。 One of the source or drain of the transistor 65 is further electrically connected to one of the source and drain of the transistor 66, and the gate of the transistor 65 is one of the electrodes of the capacitive element 68 and the other of the source or drain of the transistor 66. And one of the source or drain of the transistor 67 is electrically connected, and the other of the source or drain of the transistor 67 is the wiring VDD, the other of the source or drain of the transistor 65, and the other of the electrodes of the capacitive element 68. Is electrically connected, the gate of the transistor 66 is electrically connected to the wiring OSM, and the gate of the transistor 67 is electrically connected to the wiring ORM.

信号線RWには、初期電位が与えられ、さらに、メモリセルMC[i、j]乃至メモリセルMC[i+2、j]のノードFN1には、それぞれ異なる重み係数が重み電位として与えられる。よって、トランジスタ42には、ノードFN1に与えられた重み電位の大きさによって電流が流れる。信号線RWが初期電位のとき、トランジスタ42が重み電位の大きさによって流す電流をオフセット電流とすることができる。ただし、オフセット電流とは、メモリセルMC[i、j]乃至メモリセルMC[i+2、j]のトランジスタ42にそれぞれに流れる電流の合計電流を示している。 An initial potential is given to the signal line RW, and different weight coefficients are given to the nodes FN1 of the memory cells MC [i, j] to the memory cells MC [i + 2, j] as weight potentials. Therefore, a current flows through the transistor 42 depending on the magnitude of the weighting potential given to the node FN1. When the signal line RW is the initial potential, the current flowing by the transistor 42 depending on the magnitude of the weight potential can be used as the offset current. However, the offset current indicates the total current of the currents flowing through the transistors 42 of the memory cells MC [i, j] to the memory cells MC [i + 2, j].

シナプス回路23aは、それぞれの入力信号に重み係数を乗算し、乗算結果を加算することで変化量を判断する。そのため、重み係数が設定されることによって発生するオフセット成分は、キャンセルされることが好ましい。 The synapse circuit 23a determines the amount of change by multiplying each input signal by a weighting coefficient and adding the multiplication result. Therefore, it is preferable that the offset component generated by setting the weighting coefficient is canceled.

続いて、オフセット成分をキャンセルする方法について説明する。まず、信号線SL[j]には、電流源回路30が有するカレントミラー回路から基準電流が与えられている。重み係数が与えられず、メモリセルMCのトランジスタ42がオフセット電流を流さなないとき、信号線SL[j]には、電流電圧変換回路31a[j]によって基準電位が生成される。しかし、重み係数がそれぞれのメモリセルMCに与えられると、オフセット電流がトランジスタ42に流れ、信号線SL[j]は、電流電圧変換回路31a[j]によって生成される電圧の大きさが変化する。 Subsequently, a method of canceling the offset component will be described. First, a reference current is given to the signal line SL [j] from the current mirror circuit of the current source circuit 30. When no weighting coefficient is given and the transistor 42 of the memory cell MC does not allow an offset current to flow, a reference potential is generated in the signal line SL [j] by the current-voltage conversion circuit 31a [j]. However, when a weighting coefficient is given to each memory cell MC, an offset current flows through the transistor 42, and the magnitude of the voltage generated by the current-voltage conversion circuit 31a [j] changes in the signal line SL [j]. ..

従って、シナプス回路23aは、メモリセルMCに重み係数を設定した後、重み係数によって発生するオフセット電流をキャンセルことが好ましい。重み係数は、正の重み係数、又は負の重み係数を取ることができる。従って、重み係数によらず、基準電流を維持するためには、電流吸込み回路32a[j]がオフセット電流をキャンセルするための電流を吸い込むことができ、もしくは、電流供給回路32b[j]がオフセット電流をキャンセルするための電流を供給できることが好ましい。 Therefore, it is preferable that the synapse circuit 23a cancels the offset current generated by the weighting coefficient after setting the weighting coefficient in the memory cell MC. The weighting factor can be a positive weighting factor or a negative weighting factor. Therefore, in order to maintain the reference current regardless of the weighting factor, the current suction circuit 32a [j] can suck the current for canceling the offset current, or the current supply circuit 32b [j] is offset. It is preferable to be able to supply a current for canceling the current.

まず、電流吸込み回路32a[j]がオフセット電流をキャンセルするために電流を吸い込む方法について説明する。トランジスタ63は、信号線ORPにデジタル信号“H”が与えられるとオン状態になる。よって容量素子の電極の一方は、トランジスタ63を介して配線COMの電位で初期化される。 First, a method in which the current suction circuit 32a [j] sucks the current in order to cancel the offset current will be described. The transistor 63 is turned on when the digital signal "H" is given to the signal line ORP. Therefore, one of the electrodes of the capacitive element is initialized by the potential of the wiring COM via the transistor 63.

続いてトランジスタ63をオフ状態にしたのち、トランジスタ62は、信号線OSPにデジタル信号“H”の信号が与えられるとオン状態になる。従って、信号線SL[j]に流れるオフセット電流は、容量素子64に与えられ、トランジスタ61と、容量素子64はソースフォロワ回路を形成する。トランジスタ61が流す電流と、オフセット電流とが均衡を得ると容量素子64の電位が安定化する。トランジスタ61は、nチャネル型トランジスタであることが好ましい。続いてトランジスタ62をオフ状態にし、容量素子64にオフセット電流に応じたオフセットキャンセル電位を保持することができる。 Subsequently, after the transistor 63 is turned off, the transistor 62 is turned on when the signal of the digital signal "H" is given to the signal line OSP. Therefore, the offset current flowing through the signal line SL [j] is applied to the capacitive element 64, and the transistor 61 and the capacitive element 64 form a source follower circuit. When the current flowing through the transistor 61 and the offset current are in equilibrium, the potential of the capacitive element 64 is stabilized. The transistor 61 is preferably an n-channel transistor. Subsequently, the transistor 62 can be turned off, and the capacitive element 64 can hold an offset cancel potential corresponding to the offset current.

次に、電流供給回路32b[j]がオフセット電流をキャンセルするために電流を供給する方法について説明する。トランジスタ67は、信号線ORMにデジタル信号“H”が与えられるとオン状態になる。よって容量素子の電極の一方は、トランジスタ67を介して配線VDDの電位で初期化される。 Next, a method in which the current supply circuit 32b [j] supplies a current to cancel the offset current will be described. The transistor 67 is turned on when the digital signal "H" is given to the signal line ORM. Therefore, one of the electrodes of the capacitive element is initialized at the potential of the wiring VDD via the transistor 67.

続いてトランジスタ67をオフ状態にしたのち、トランジスタ66は、信号線OSMにデジタル信号“H”の信号が与えられるとオン状態になる。従って、信号線SL[j]に流れるオフセット電流は、容量素子68に与えられ、トランジスタ65と、容量素子68はソースフォロワ回路を形成する。トランジスタ65が流す電流と、オフセット電流とが均衡を得ると容量素子68の電位が安定化する。トランジスタ65は、pチャネル型トランジスタであることが好ましい。続いてトランジスタ626オフ状態にし、容量素子68にオフセット電流に応じたオフセットキャンセル電位を保持することができる。 Subsequently, after the transistor 67 is turned off, the transistor 66 is turned on when the signal of the digital signal "H" is given to the signal line OSM. Therefore, the offset current flowing through the signal line SL [j] is given to the capacitive element 68, and the transistor 65 and the capacitive element 68 form a source follower circuit. When the current flowing through the transistor 65 and the offset current are in equilibrium, the potential of the capacitive element 68 is stabilized. The transistor 65 is preferably a p-channel type transistor. Subsequently, the transistor 626 is turned off, and the capacitive element 68 can hold the offset cancel potential according to the offset current.

電流吸込み回路32a[j]、及び電流供給回路32b[j]は、異なるタイミングでオフセット電流のキャンセル動作をすることが好ましい。 It is preferable that the current suction circuit 32a [j] and the current supply circuit 32b [j] cancel the offset current at different timings.

また、オフセット電流のキャンセル動作期間は、電流電圧変換回路31a[j]のスイッチSWがオフ状態であることが好ましい。電流電圧変換素子R1にオフセット電流を流さないことで、電流電圧変換素子R1による変換誤差の影響を抑えることができる。 Further, during the offset current cancellation operation period, it is preferable that the switch SW of the current-voltage conversion circuit 31a [j] is in the off state. By not passing an offset current through the current-voltage conversion element R1, the influence of the conversion error due to the current-voltage conversion element R1 can be suppressed.

もしくは、オフセット電流のキャンセル動作期間は、電流電圧変換回路31a[j]のスイッチSWがオン状態であってもよい。オフセット電流を電流電圧変換素子R1にも流すことで、電流電圧変換素子R1の影響を含んだオフセット補正をすることができる。 Alternatively, the switch SW of the current-voltage conversion circuit 31a [j] may be in the ON state during the offset current cancellation operation period. By passing the offset current through the current-voltage conversion element R1, the offset correction including the influence of the current-voltage conversion element R1 can be performed.

さらに、積和演算処理を停止している期間は、スイッチSWをオフ状態にすることで電流電圧変換素子R1が消費する電力を削減することができる。 Further, during the period when the product-sum calculation process is stopped, the power consumed by the current-voltage conversion element R1 can be reduced by turning off the switch SW.

図11では、図10と異なるオフセット電流回路32について説明する。電流吸込み回路32c[j]は、電流吸込み回路32a[j]と異なり、トランジスタ63と、信号線ORPと、を有しない。よって、容量素子64は、配線COMによって与えられる電位で初期化されない。また、電流供給回路32d[j]は、電流供給回路32b[j]と異なり、トランジスタ67と、信号線ORMと、を有しない。よって、容量素子68は、配線VDDによって与えられる電位で初期化されない。 In FIG. 11, an offset current circuit 32 different from that in FIG. 10 will be described. Unlike the current suction circuit 32a [j], the current suction circuit 32c [j] does not have the transistor 63 and the signal line ORP. Therefore, the capacitive element 64 is not initialized at the potential given by the wiring COM. Further, unlike the current supply circuit 32b [j], the current supply circuit 32d [j] does not have the transistor 67 and the signal line ORM. Therefore, the capacitive element 68 is not initialized at the potential given by the wiring VDD.

よってオフセット電流回路32は、信号線の数を削減でき、さらに使用するトランジスタの数を削減できるため実装面積を小さくすることができる。さらに、初期化する時間を削減できるため処理速度を向上させることができる。 Therefore, the offset current circuit 32 can reduce the number of signal lines and the number of transistors used, so that the mounting area can be reduced. Further, the processing speed can be improved because the initialization time can be reduced.

図12では、図6(A)と異なる活性化関数回路24cについて説明する。図6(A)の活性化関数回路24aと異なる点は、出力端子OPS[j]がトランジスタ48のゲートと電気的に接続されている。第1のソースフォロワについては、前述の第1のソースフォロワを参照できるため、詳細を省略する。 In FIG. 12, the activation function circuit 24c different from that in FIG. 6A will be described. The difference from the activation function circuit 24a of FIG. 6A is that the output terminal OPS [j] is electrically connected to the gate of the transistor 48. As for the first source follower, the above-mentioned first source follower can be referred to, and details thereof will be omitted.

図13では、半導体装置100の動作をタイミングチャートで示す。図14で示すタイミングチャートでは、図10のオフセット電流回路32を用いた動作を説明する。また、説明を簡便化するために、図14では、メモリセルMC[i,j]乃至メモリセルMC[i+1,j+1]、メモリセルMREF[i]、及びメモリセルMREF[i+1]の動作について説明する。 In FIG. 13, the operation of the semiconductor device 100 is shown by a timing chart. In the timing chart shown in FIG. 14, the operation using the offset current circuit 32 of FIG. 10 will be described. Further, in order to simplify the explanation, in FIG. 14, the operation of the memory cell MC [i, j] to the memory cell MC [i + 1, j + 1], the memory cell MREF [i], and the memory cell MREF [i + 1] will be described. do.

時刻T01乃至時刻T04の期間では、メモリセルMCにアナログ信号を格納するステップである。 In the period from time T01 to time T04, it is a step of storing an analog signal in the memory cell MC.

また、時刻T05から時刻T10の期間では、オフセット電流回路32にオフセットキャンセル電位を設定するステップである。 Further, in the period from the time T05 to the time T10, it is a step of setting the offset cancel potential in the offset current circuit 32.

時刻T11乃至時刻T12の期間では、列出力回路31のオフセット回路31bにリセット電位を設定するステップである。 In the period from time T11 to time T12, it is a step of setting a reset potential in the offset circuit 31b of the column output circuit 31.

時刻T13乃至時刻T14の期間では、多層パーセプトロンの各階層の積和演算及び活性化関数の処理を実行し、多層ニューラルネットワークの出力を取得するステップである。 In the period from time T13 to time T14, it is a step of executing the product-sum operation of each layer of the multi-layer perceptron and the processing of the activation function to acquire the output of the multi-layer neural network.

時刻T01から時刻T02の期間について説明する。信号線WDREFには、アナログ信号WSTの電位が与えられる。また、信号線WD[j]には、アナログ信号WST−VWX[i,j]の電位が与えられる。また、信号線WD[j+1]には、アナログ信号WST−VWX[i,j+1]の電位が与えられる。また、信号線RW[i]及び信号線RW[i+1]には、アナログ信号VXSTが基準電位として与えられる。よって、メモリセルMC[i,j]に与えられるアナログ信号VWX[i,j]、及びメモリセルMC[i,j+1]に与えられるアナログ信号VWX[i,j+1]は、それぞれ異なる重み係数を示している。 The period from the time T01 to the time T02 will be described. The potential of the analog signal WST is given to the signal line WDREF. Further, the potential of the analog signal WST-VWX [i, j] is given to the signal line WD [j]. Further, the potential of the analog signal WST-VWX [i, j + 1] is given to the signal line WD [j + 1]. Further, an analog signal VXST is given as a reference potential to the signal line RW [i] and the signal line RW [i + 1]. Therefore, the analog signal VWX [i, j] given to the memory cell MC [i, j] and the analog signal VWX [i, j + 1] given to the memory cell MC [i, j + 1] show different weighting coefficients. ing.

信号線WW[i]には、デジタル信号“H”が与えられ、信号線WW[i+1]には、デジタル信号“L”が与えられる。また、信号線ERには、デジタル信号“L”が与えられ、信号線RST[i]には、デジタル信号“H”が与えられる。 A digital signal "H" is given to the signal line WW [i], and a digital signal "L" is given to the signal line WW [i + 1]. Further, a digital signal "L" is given to the signal line ER, and a digital signal "H" is given to the signal line RST [i].

よって、ノードFNREF[i]には、アナログ信号WSTの電位が保持される。また、ノードFN1[i,j]には、アナログ信号WST−VWX[i,j]の電位が保持される。また、ノードFN1[i,j+1]には、アナログ信号WST−VWX[i,j+1]の電位が保持される。 Therefore, the potential of the analog signal WST is held in the node FNREF [i]. Further, the potential of the analog signal WST-VWX [i, j] is held in the node FN1 [i, j]. Further, the potential of the analog signal WST-VWX [i, j + 1] is held in the node FN1 [i, j + 1].

メモリセルMC[i,j]が有するトランジスタ42には、ノードFN1[i,j]に与えられたアナログ信号WST−VWX[i,j]の電位に応じたオフセット電流が流れる。また、メモリセルMC[i,j+1]が有するトランジスタ42には、ノードFN1[i,j+1]に与えられたアナログ信号WST−VWX[i,j+1]の電位によってオフセット電流が流れる。 An offset current corresponding to the potential of the analog signal WST-VWX [i, j] given to the node FN1 [i, j] flows through the transistor 42 of the memory cell MC [i, j]. Further, an offset current flows through the transistor 42 of the memory cell MC [i, j + 1] due to the potential of the analog signal WST-VWX [i, j + 1] given to the node FN1 [i, j + 1].

時刻T03から時刻T04の期間について説明する。信号線WW[i]には、デジタル信号“L”が与えられる。また、信号線WW[i+1]には、デジタル信号“H”が与えられる。また、信号線WD[j]には、アナログ信号WST−VWX[i+1,j]が与えられる。また、信号線WD[j+1]には、アナログ信号WST−VWX[i+1,j+1]が与えられる。また、信号線WDREFには、アナログ信号WSTが与えられる。よって、メモリセルMC[i+1,j]に与えられるアナログ信号VWX[i+1,j]、及びメモリセルMC[i+1,j+1]に与えられるアナログ信号VWX[i+1,j+1]は、それぞれ異なる重み係数を示している。 The period from the time T03 to the time T04 will be described. A digital signal "L" is given to the signal line WW [i]. Further, a digital signal "H" is given to the signal line WW [i + 1]. Further, an analog signal WST-VWX [i + 1, j] is given to the signal line WD [j]. Further, an analog signal WST-VWX [i + 1, j + 1] is given to the signal line WD [j + 1]. Further, an analog signal WST is given to the signal line WDREF. Therefore, the analog signal VWX [i + 1, j] given to the memory cell MC [i + 1, j] and the analog signal VWX [i + 1, j + 1] given to the memory cell MC [i + 1, j + 1] show different weighting coefficients. ing.

よって、ノードFNREF[i+1]には、アナログ信号WSTの電位が保持される。ノードFN1[i+1,j]には、アナログ信号WST−VWX[i+1,j]の電位が保持される。ノードFN1[i+1,j+1]には、アナログ信号WST−VWX[i+1,j+1]の電位が保持される。 Therefore, the potential of the analog signal WST is held in the node FNREF [i + 1]. The potential of the analog signal WST-VWX [i + 1, j] is held in the node FN1 [i + 1, j]. The potential of the analog signal WST-VWX [i + 1, j + 1] is held in the node FN1 [i + 1, j + 1].

従って、信号線SL[j]には、メモリセルMC[i,j]と、メモリセルMC[i+1,j]と、が有するそれぞれのトランジスタ42に流れる電流の和がオフセット電流として流れる。また、信号線SL[j+1]には、メモリセルMC[i,j+1]と、メモリセルMC[i+1,j+1]と、が有するそれぞれのトランジスタ42に流れる電流の和がオフセット電流として流れる。 Therefore, in the signal line SL [j], the sum of the currents flowing through the respective transistors 42 of the memory cells MC [i, j] and the memory cells MC [i + 1, j] flows as an offset current. Further, in the signal line SL [j + 1], the sum of the currents flowing through the respective transistors 42 of the memory cells MC [i, j + 1] and the memory cells MC [i + 1, j + 1] flows as an offset current.

時刻T05から時刻T06の期間について説明する。ここでは、説明を簡便化するために信号線SL[j]と電気的に接続されたオフセット電流回路32[j]に着目して説明する。 The period from the time T05 to the time T06 will be described. Here, in order to simplify the explanation, the offset current circuit 32 [j] electrically connected to the signal line SL [j] will be described.

電流吸込み回路32a[j]は、信号線ORPにデジタル信号“H”が与えられると配線COMに与えられた電位で初期化される。また、電流供給回路32b[j]は、信号線ORMにデジタル信号“H”が与えられると配線VDDに与えられた電位で初期化される。 The current suction circuit 32a [j] is initialized at the potential given to the wiring COM when the digital signal “H” is given to the signal line ORP. Further, the current supply circuit 32b [j] is initialized at the potential given to the wiring VDD when the digital signal “H” is given to the signal line ORM.

時刻T07から時刻T08の期間について説明する。まず、電流供給回路32b[j]によってオフセット電流をキャンセルする。図13では、オフセット電流として示している。信号線SL[j]には、重み係数によって発生したオフセット電流が流れている。信号線SL[j]には、電流源回路30が有するカレントミラー回路から供給される基準電流が流れることが好ましい。したがって、オフセット電流をキャンセルするための電流が、電流供給回路32b[j]から供給される。 The period from the time T07 to the time T08 will be described. First, the offset current is canceled by the current supply circuit 32b [j]. In FIG. 13, it is shown as an offset current. An offset current generated by the weighting coefficient flows through the signal line SL [j]. It is preferable that a reference current supplied from the current mirror circuit of the current source circuit 30 flows through the signal line SL [j]. Therefore, the current for canceling the offset current is supplied from the current supply circuit 32b [j].

時刻T09から時刻T10の期間について説明する。続いて、電流吸込み回路32a[j]によってオフセット電流をキャンセルする。信号線SL[j]には、重み係数によって発生したオフセット電流が流れている。信号線SL[j]には、電流源回路30が有するカレントミラー回路から供給される基準電流が流れることが好ましい。したがって、オフセット電流をキャンセルするための電流が、電流吸込み回路32a[j]に吸い込まれる。図13のタイミングチャートで示しているオフセット電流IOF[j]は、電流吸込み回路32a[j]及び電流供給回路32b[j]に流れるオフセット電流を示している。 The period from the time T09 to the time T10 will be described. Subsequently, the offset current is canceled by the current suction circuit 32a [j]. An offset current generated by the weighting coefficient flows through the signal line SL [j]. It is preferable that a reference current supplied from the current mirror circuit included in the current source circuit 30 flows through the signal line SL [j]. Therefore, the current for canceling the offset current is sucked into the current suction circuit 32a [j]. The offset current IOF [j] shown in the timing chart of FIG. 13 indicates the offset current flowing through the current suction circuit 32a [j] and the current supply circuit 32b [j].

時刻T11から時刻T12の期間について説明する。スイッチSWは、信号線ERにデジタル信号“H”が与えられるとオン状態になる。信号線SL[j]には、重み係数によって発生したオフセット電流がキャンセルされた電流が出力されている。電流電圧変換素子R1は、信号線SL[j]に流れる電流を基準電位に変換する。このとき、信号RSTによってノードFN2には、配線OPRを介してリセット電位VPRが与えられている。よって、オフセット回路31bが有する容量素子52には、ノードFN2[j]に与えられたリセット電位VPRを基準とした基準電位を保持することができる。 The period from the time T11 to the time T12 will be described. The switch SW is turned on when the digital signal "H" is given to the signal line ER. A current in which the offset current generated by the weighting coefficient is canceled is output to the signal line SL [j]. The current-voltage conversion element R1 converts the current flowing through the signal line SL [j] into a reference potential. At this time, the reset potential VPR is given to the node FN2 by the signal RST via the wiring OPS. Therefore, the capacitive element 52 included in the offset circuit 31b can hold a reference potential with reference to the reset potential VPR given to the node FN2 [j].

時刻T12から時刻T13の期間について説明する。ノードFN2[j]は、信号線RSTにデジタル信号“L”を与えることでフローティングノードになる。従って、ノードFN2[j]は、信号線SL[j]の電位の変化を検知することができる。 The period from the time T12 to the time T13 will be described. The node FN2 [j] becomes a floating node by giving a digital signal “L” to the signal line RST. Therefore, the node FN2 [j] can detect the change in the potential of the signal line SL [j].

時刻T13から時刻T14の期間について説明する。信号線SL[j]に着目して説明をする。メモリセルMC[i,j]には、信号線RW[i]を介して入力データ電位が与えられる。ノードFN1[i,j]は、ノードFN1[i,j]に保持されているアナログ信号WST−VWX[i,j]に容量素子51を介して入力データ電位を加えることができる。よって、トランジスタ42のゲートには、アナログ信号WST−VWX[i,j]に入力データ電位が加えた電位が与えられる。従って、トランジスタ42は、トランジスタ42のコンダクタンスを用いて入力データ電位と重み電位とを乗算し、乗算結果を第1の電流に変換することができる。さらに、メモリセルMC[i+1,j]は、信号線RW[i+1]によって入力データ電位が与えられ、入力データ電位と重み電位とを乗算することができる。 The period from the time T13 to the time T14 will be described. The explanation will be given focusing on the signal line SL [j]. The memory cell MC [i, j] is given an input data potential via the signal line RW [i]. The node FN1 [i, j] can add an input data potential to the analog signal WST-VWX [i, j] held in the node FN1 [i, j] via the capacitive element 51. Therefore, the gate of the transistor 42 is given a potential obtained by adding the input data potential to the analog signal WST-VWX [i, j]. Therefore, the transistor 42 can multiply the input data potential and the weight potential by using the conductance of the transistor 42, and convert the multiplication result into the first current. Further, in the memory cell MC [i + 1, j], the input data potential is given by the signal line RW [i + 1], and the input data potential and the weight potential can be multiplied.

信号線SL[j]には、メモリセルMC[i,j]及びメモリセルMC[i+1,j]で乗算される第1の電流が出力する、第2の電流は、それぞれの第1の電流を加算することで生成される。第2の電流は、電流電圧変換素子R1によって第3の電位に変換され、オフセット回路31bの容量素子52を介してノードFN2[j]に与えられる。よってノードFN2[j]が検出する第4の電位は、オフセット回路31bが有するソースフォロワ回路によって、第4の電位からトランジスタ44の閾値電圧だけ低い電位が出力端子OPSに出力される。 The first current to be multiplied by the memory cells MC [i, j] and the memory cells MC [i + 1, j] is output to the signal line SL [j], and the second current is the respective first current. Is generated by adding. The second current is converted into a third potential by the current-voltage conversion element R1 and is given to the node FN2 [j] via the capacitive element 52 of the offset circuit 31b. Therefore, the fourth potential detected by the node FN2 [j] is output to the output terminal OPS by the source follower circuit of the offset circuit 31b, which is lower than the fourth potential by the threshold voltage of the transistor 44.

オフセット電流回路32は、積和演算結果が重み電位によって生成されるオフセット電流をキャンセルすることで、演算結果が重み電位によって検出範囲から外れることを防ぐことができる。さらに、ニューロン23は、スイッチSWを備えることで演算に寄与しない期間の消費電力を抑えることができる。 The offset current circuit 32 can prevent the calculated result from being out of the detection range due to the weighted potential by canceling the offset current generated by the weighted potential in the product-sum calculation result. Further, by providing the switch SW, the neuron 23 can suppress the power consumption during the period that does not contribute to the calculation.

<メモリセルの構成例>
図14では、図4又は図8で説明したメモリセルMCと異なるトランジスタを有している。
<Memory cell configuration example>
FIG. 14 has a transistor different from the memory cell MC described with reference to FIG. 4 or FIG.

図14(A)に示すメモリセルMCAでは、トランジスタ42pがメモリセルMCと異なる点である。トランジスタ42pは、トランジスタ41のnチャネル型とは異なる極性であるpチャネル型のトランジスタである。図14(A)に示すように、メモリセルMCに用いることができるトランジスタの極性は、多様な構成を選択することができる。 In the memory cell MCA shown in FIG. 14A, the transistor 42p is different from the memory cell MC. The transistor 42p is a p-channel type transistor having a polarity different from that of the n-channel type of the transistor 41. As shown in FIG. 14A, the polarities of the transistors that can be used in the memory cell MC can be selected from various configurations.

図14(B)に示すメモリセルMCBでは、トランジスタ41BがメモリセルMCと異なる点である。図14(B)に示すトランジスタ41Bは、配線BGに接続されたバックゲートを有する。トランジスタ41Bは、配線BGに与える電位によって閾値電圧を制御可能な構成とすることができる。 In the memory cell MCB shown in FIG. 14B, the transistor 41B is different from the memory cell MC. The transistor 41B shown in FIG. 14B has a back gate connected to the wiring BG. The transistor 41B can be configured such that the threshold voltage can be controlled by the potential applied to the wiring BG.

以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the configuration and method shown in this embodiment can be used in appropriate combination with the configuration and method shown in other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、ニューロンが有する乗算回路の演算ばらつきを小さくするための補正方法について、図15乃至図17を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a correction method for reducing the calculation variation of the multiplication circuit of the neuron will be described with reference to FIGS. 15 to 17.

図15では、実施の形態1とは異なるメモリセルアレイ101Aについて説明する。図15では、図8のメモリセルアレイ101Aと異なる点について説明し、メモリセルアレイ101Aと重複する構成要素については説明を省略する。 FIG. 15 describes a memory cell array 101A different from the first embodiment. FIG. 15 describes the differences from the memory cell array 101A of FIG. 8, and omits the description of the components overlapping with the memory cell array 101A.

メモリセルアレイ101Bでは、メモリセルMC1が異なっている点である。さらに、メモリセルアレイ103aが、信号線G1、信号線G2、及び信号線G3を有している点が異なっている。 The memory cell MC1 is different in the memory cell array 101B. Further, the memory cell array 103a is different in that it has a signal line G1, a signal line G2, and a signal line G3.

メモリセルMR1には、信号線WD、信号線WW、信号線SL、信号線RW、信号線G1、信号線G2、信号線G3、配線V1、及び配線COMと、が電気的に接続されている。図中では示されていないが信号線WD、信号線WW、信号線SL、信号線RW、信号線G1、信号線G2、及び信号線G3は、スキャンドライバ回路105によって制御されることが好ましい。 A signal line WD, a signal line WW, a signal line SL, a signal line RW, a signal line G1, a signal line G2, a signal line G3, a wiring V1, and a wiring COM are electrically connected to the memory cell MR1. .. Although not shown in the figure, the signal line WD, the signal line WW, the signal line SL, the signal line RW, the signal line G1, the signal line G2, and the signal line G3 are preferably controlled by the scan driver circuit 105.

図16では、メモリセルMR1について詳細に説明する。メモリセルMR1は、トランジスタ11、トランジスタ12、トランジスタ13、トランジスタ14、トランジスタ15、容量素子16、容量素子17、第3のノードFN3、第4のノードFN4、及び第5のノードFN5を有している。 In FIG. 16, the memory cell MR1 will be described in detail. The memory cell MR1 has a transistor 11, a transistor 12, a transistor 13, a transistor 14, a transistor 15, a capacitive element 16, a capacitive element 17, a third node FN3, a fourth node FN4, and a fifth node FN5. There is.

トランジスタ11のゲートは、信号線WWと電気的に接続され、トランジスタ11のソース又はドレインの一方は、信号線WDと電気的に接続され、トランジスタ11のソース又はドレインの他方は、トランジスタ12のゲートと、トランジスタ15のソース又はドレインの一方と、容量素子16の電極の一方と、が電気的に接続され、容量素子16の電極の他方は、信号線RWと電気的に接続され、トランジスタ12のソース又はドレインの一方は、信号線SLと電気的に接続され、トランジスタ12のソース又はドレインの他方は、トランジスタ13のソース又はドレインの一方と、トランジスタ15のソース又はドレインの他方と、容量素子17の電極の一方とが電気的に接続され、トランジスタ15のゲートは、信号線G1と電気的に接続され、トランジスタ13のソース又はドレインの他方は、配線COMと電気的に接続され、トランジスタ13のゲートは、信号線G2と電気的に接続され、容量素子17の電極の他方は、トランジスタ12のバックゲートと、トランジスタ14のソース又はドレインの一方とが電気的に接続され、トランジスタ14のソース又はドレインの他方は、配線V1と電気的に接続され、トランジスタ14のゲートは、信号線G3と電気的に接続される。 The gate of the transistor 11 is electrically connected to the signal line WW, one of the source or drain of the transistor 11 is electrically connected to the signal line WD, and the other of the source or drain of the transistor 11 is the gate of the transistor 12. , One of the source or drain of the transistor 15 and one of the electrodes of the capacitive element 16 are electrically connected, and the other of the electrodes of the capacitive element 16 is electrically connected to the signal line RW. One of the source or drain is electrically connected to the signal line SL, and the other of the source or drain of the transistor 12 is one of the source or drain of the transistor 13, the other of the source or drain of the transistor 15, and the capacitive element 17. One of the electrodes of the transistor 15 is electrically connected, the gate of the transistor 15 is electrically connected to the signal line G1, the other of the source or drain of the transistor 13 is electrically connected to the wiring COM, and the transistor 13 is connected. The gate is electrically connected to the signal line G2, the other of the electrodes of the capacitive element 17 is electrically connected to the back gate of the transistor 12 and one of the source or drain of the transistor 14, and the source or drain of the transistor 14 is connected. The other of the drains is electrically connected to the wiring V1 and the gate of the transistor 14 is electrically connected to the signal line G3.

第3のノードFN3は、トランジスタ12のゲートと、トランジスタ11のソース又はドレインの他方と、15トランジスタのソース又はドレインの一方と、及び容量素子16の電極の一方とが接続されることで形成される。第4のノードFN4は、トランジスタ12のソース又はドレインの他方と、トランジスタ13のソース又はドレインの一方と、15トランジスタのソース又はドレインの他方と、容量素子17の電極の一方とが接続されることで形成される。第5のノードFN5は、容量素子17の電極の他方と、トランジスタ12のバックゲートと、トランジスタ14のソース又はドレインの一方とが接続されることで形成される。 The third node FN3 is formed by connecting the gate of the transistor 12, the other of the source or drain of the transistor 11, one of the source or drain of 15 transistors, and one of the electrodes of the capacitive element 16. Ru. The fourth node FN4 is connected to the other of the source or drain of the transistor 12, one of the source or drain of the transistor 13, the other of the source or drain of the 15 transistor, and one of the electrodes of the capacitive element 17. Formed by. The fifth node FN5 is formed by connecting the other of the electrodes of the capacitive element 17, the back gate of the transistor 12, and one of the source or drain of the transistor 14.

図17では、乗算回路に用いられるメモリセルMC1の演算ばらつきを小さくするために、メモリセルMC1が有するトランジスタのばらつきを小さくするための補正方法をタイミングチャートで示す。図17では、メモリセルアレイ101Bが有するいずれか一のメモリセルMC1について説明する。メモリセルアレイ101Bが有する全てのメモリセルMC1及びメモリセルMREF1は同時に補正されてもよいし、それぞれ異なるタイミングで補正されてもよい。 In FIG. 17, a timing chart shows a correction method for reducing the variation in the transistors of the memory cell MC1 in order to reduce the calculation variation in the memory cell MC1 used in the multiplication circuit. In FIG. 17, any one of the memory cells MC1 included in the memory cell array 101B will be described. All the memory cells MC1 and the memory cell MREF1 included in the memory cell array 101B may be corrected at the same time, or may be corrected at different timings.

時刻T11では、信号線G1、信号線G2、及び信号線G3にデジタル信号“H”の信号が与えられることでトランジスタ13、トランジスタ14、及びトランジスタ15がオン状態になるステップである。 At time T11, the transistor 13, the transistor 14, and the transistor 15 are turned on by giving the signal of the digital signal “H” to the signal line G1, the signal line G2, and the signal line G3.

このとき、信号線SLには、デジタル信号“H”に相当する大きな電圧が与えられることが好ましい。また、信号線RWと信号線WDには、配線COMと同じ初期化電圧が与えられていることが好ましい。また、配線V1には、トランジスタ12のバックゲートの閾値電圧よりも大きな電圧v1が与えられていることが好ましい。電圧v1は、式1で表すことができる。Vbthは、トランジスタ12のバックゲートの閾値電圧、αは、任意の電圧を示している。
v1=Vbth+α(式1)
At this time, it is preferable that a large voltage corresponding to the digital signal “H” is applied to the signal line SL. Further, it is preferable that the signal line RW and the signal line WD are given the same initialization voltage as the wiring COM. Further, it is preferable that the wiring V1 is provided with a voltage v1 larger than the threshold voltage of the back gate of the transistor 12. The voltage v1 can be expressed by the equation 1. Vbth indicates the threshold voltage of the back gate of the transistor 12, and α indicates an arbitrary voltage.
v1 = Vbth + α (Equation 1)

トランジスタ13及びトランジスタ15がオン状態になることで第3のノードFN3及び第4のノードFN4は、配線COMに与えられた初期化電位になる。このとき、初期化電圧は、0Vであることが好ましいが、限定はされず0Vでなくてもよい。 When the transistor 13 and the transistor 15 are turned on, the third node FN3 and the fourth node FN4 become the initialization potential given to the wiring COM. At this time, the initialization voltage is preferably 0V, but is not limited and may not be 0V.

トランジスタ14がオン状態になることで第5のノードFN5は、配線V1に与えられる第1の電位になる。 When the transistor 14 is turned on, the fifth node FN5 becomes the first potential given to the wiring V1.

時刻T12では、信号線G2にデジタル信号“L”の信号が与えられることで、トランジスタ13がオフ状態となるステップである。よって、第4のノードFN4は、フローティング状態になる。 At time T12, the signal of the digital signal “L” is given to the signal line G2, so that the transistor 13 is turned off. Therefore, the fourth node FN4 is in a floating state.

第4のノードFN4は、ノードFN5に与えられた第1の電位よりトランジスタ12のバックゲートの閾値電位だけ低い電位に収束する。第4のノードFN4の電位VFN4は、式2で表すことができる。
FN4=v1−vbth(式2)
The fourth node FN4 converges to a potential lower than the first potential given to the node FN5 by the threshold potential of the back gate of the transistor 12. The potential V FN4 of the fourth node FN4 can be expressed by Equation 2.
V FN4 = v1-vbth (Equation 2)

時刻T13では、信号線G3にデジタル信号“L”の信号を与え、次に信号線G2にデジタル信号“H”の信号が与えられる。まず、トランジスタ14がオフ状態になり、次にトランジスタ13がオン状態になるステップである。 At time T13, the signal of the digital signal “L” is given to the signal line G3, and then the signal of the digital signal “H” is given to the signal line G2. First, the transistor 14 is turned off, and then the transistor 13 is turned on.

トランジスタ14がオフ状態になることで第5のノードFN5は、フローティング状態になる。次にトランジスタ13がオン状態になることで第4のノードFN4は、配線COMに与えられた初期化電位になる。よって、容量素子17には、第4のノードFN4を基準としてトランジスタ12のバックゲートの閾値電圧が記憶される。
FN4=v1−(v1−vbth)=vbth(式3)
When the transistor 14 is turned off, the fifth node FN5 is in a floating state. Next, when the transistor 13 is turned on, the fourth node FN4 becomes the initialization potential given to the wiring COM. Therefore, the capacitive element 17 stores the threshold voltage of the back gate of the transistor 12 with reference to the fourth node FN4.
V FN4 = v1- (v1-vbth) = vbth (Equation 3)

時刻T13では、信号線G1、信号線G2、及び信号線G3にデジタル信号“L”の信号が与えられることでトランジスタ13、トランジスタ14、及びトランジスタ15がオフ状態になるステップである。 At time T13, the transistor 13, the transistor 14, and the transistor 15 are turned off by giving the signal of the digital signal “L” to the signal line G1, the signal line G2, and the signal line G3.

メモリセルMC1及びメモリセルMREF1の容量素子17には、トランジスタ12のバックゲートの閾値電圧が保存される。よって、メモリセルMC1を用いて乗算するときのばらつきを補正することができる。 The threshold voltage of the back gate of the transistor 12 is stored in the capacitive element 17 of the memory cell MC1 and the memory cell MREF1. Therefore, it is possible to correct the variation when multiplying by using the memory cell MC1.

以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the configuration and method shown in this embodiment can be used in appropriate combination with the configuration and method shown in other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した演算回路MACFを含む半導体装置に用いることが可能なoxトランジスタの構成例について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a configuration example of an ox transistor that can be used in a semiconductor device including the arithmetic circuit MACF described in the above embodiment will be described.

<半導体装置の構成例>
図18に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200、及び容量素子160を有している。図19(A)はトランジスタ200のチャネル長方向の断面図であり、図19(B)はトランジスタ200のチャネル幅方向の断面図であり、図19(C)はトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。
<Semiconductor device configuration example>
The semiconductor device shown in FIG. 18 includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitive element 160. 19A is a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction, FIG. 19B is a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction, and FIG. 19C is a cross-sectional view of the transistor 300 in the channel width direction. It is a figure.

トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、半導体装置の消費電力を十分に低減することができる。 The transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer having an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has a small off-current, it is possible to retain the stored contents for a long period of time by using the transistor 200 in a semiconductor device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, the power consumption of the semiconductor device can be sufficiently reduced.

図18に示す半導体装置において、配線1001はトランジスタ300のソース及びドレインの一方と接続され、配線1002はトランジスタ300のソース及びドレインの他方と接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソース及びドレインの一方と接続され、配線1004はトランジスタ200のトップゲートと接続され、配線1006はトランジスタ200のボトムゲートと接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、及びトランジスタ200のソース及びドレインの他方は、容量素子160の電極の一方と接続され、配線1005は容量素子160の電極の他方と接続されている。 In the semiconductor device shown in FIG. 18, the wiring 1001 is connected to one of the source and drain of the transistor 300, and the wiring 1002 is connected to the other of the source and drain of the transistor 300. Further, the wiring 1003 is connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is connected to the top gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is connected to the bottom gate of the transistor 200. The gate of the transistor 300 and the other of the source and drain of the transistor 200 are connected to one of the electrodes of the capacitive element 160, and the wiring 1005 is connected to the other of the electrodes of the capacitive element 160.

ここで、実施の形態1に示す演算回路MACFのメモリセルアレイ103aが有するメモリセルMCに、本実施の形態に示す半導体装置を用いる場合、トランジスタ42はトランジスタ300に、トランジスタ41はトランジスタ200に、容量素子51は容量素子160に対応する。また、配線COMは、配線1001に、配線SLは、配線1002に、配線WDは、配線1003に、配線WL[1]は、配線1004に、配線RW[1]は、配線1005に対応する。なお、配線1006は、トランジスタ41がバックゲートを有する構成の場合、当該バックゲートと電気的に接続される配線に対応する。なお、メモリセルアレイ103aが有するメモリセルMC[2]、メモリセルMREF[1]、メモリセルMREF[2]の場合は、上述の記載を参酌する。 Here, when the semiconductor device shown in the present embodiment is used for the memory cell MC included in the memory cell array 103a of the arithmetic circuit MACF shown in the first embodiment, the transistor 42 is connected to the transistor 300 and the transistor 41 is connected to the transistor 200. The element 51 corresponds to the capacitive element 160. Further, the wiring COM corresponds to the wiring 1001, the wiring SL corresponds to the wiring 1002, the wiring WD corresponds to the wiring 1003, the wiring WL [1] corresponds to the wiring 1004, and the wiring RW [1] corresponds to the wiring 1005. When the transistor 41 has a back gate, the wiring 1006 corresponds to the wiring electrically connected to the back gate. In the case of the memory cell MC [2], the memory cell MREF [1], and the memory cell MREF [2] included in the memory cell array 103a, the above description is taken into consideration.

本発明の一態様の半導体装置は、図18に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子160を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子160はトランジスタ300、及びトランジスタ200の上方に設けられている。 As shown in FIG. 18, the semiconductor device of one aspect of the present invention includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitive element 160. The transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitive element 160 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.

トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、及びソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、及び低抵抗領域314bを有する。 The transistor 300 is provided on the substrate 311 and has a semiconductor region 313 composed of a conductor 316, an insulator 315, and a part of the substrate 311, and a low resistance region 314a and a low resistance region 314b that function as a source region or a drain region. Have.

トランジスタ300は、図19(C)に示すように、半導体領域313の上面及びチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。 As shown in FIG. 19C, the transistor 300 is covered with the conductor 316 on the upper surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction via the insulator 315. As described above, by making the transistor 300 a Fin type, the on characteristic of the transistor 300 can be improved by increasing the effective channel width. Further, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, the off characteristic of the transistor 300 can be improved.

なお、トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。 The transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.

半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、及び低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 It is preferable to include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor in a region in which a channel of the semiconductor region 313 is formed, a region in the vicinity thereof, a low resistance region 314a serving as a source region or a drain region, a low resistance region 314b, and the like. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, it may be formed of a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like. A configuration using silicon in which the effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be used. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.

低抵抗領域314a、及び低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 In the low resistance region 314a and the low resistance region 314b, in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 313, elements that impart n-type conductivity such as arsenic and phosphorus, or p-type conductivity such as boron are imparted. Contains elements that

ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。 The conductor 316 that functions as a gate electrode is a semiconductor material such as silicon, a metal material, or an alloy containing an element that imparts n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element that imparts p-type conductivity such as boron. A material or a conductive material such as a metal oxide material can be used.

なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、トランジスタのVthを調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。 The Vth of the transistor can be adjusted by determining the work function depending on the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embedding property, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten in terms of heat resistance.

なお、図18に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、トランジスタ200と同様に、トランジスタ300に酸化物半導体を用いる構成にしてもよい。 The transistor 300 shown in FIG. 18 is an example, and the transistor 300 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method. For example, similarly to the transistor 200, an oxide semiconductor may be used for the transistor 300.

トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326が順に積層して設けられている。 An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are laminated in this order so as to cover the transistor 300.

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。 As the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, etc. are used. Just do it.

絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。 The insulator 322 may have a function as a flattening film for flattening a step generated by a transistor 300 or the like provided below the insulator 322. For example, the upper surface of the insulator 322 may be flattened by a flattening treatment using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to improve the flatness.

また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。 Further, for the insulator 324, it is preferable to use a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse in the region where the transistor 200 is provided from the substrate 311 or the transistor 300.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, for example, silicon nitride formed by the CVD method can be used. Here, hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 200, which may deteriorate the characteristics of the semiconductor element. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS)などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atom/cm以下、好ましくは5×1015atom/cm以下であればよい。 The amount of hydrogen desorbed can be analyzed using, for example, a heated desorption gas analysis method (TDS). For example, in the TDS analysis, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is 10 × 10 in the range of 50 ° C to 500 ° C. It may be 15 atom / cm 2 or less, preferably 5 × 10 15 atom / cm 2 or less.

なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体326の比誘電率は、絶縁体324の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 The insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324. For example, the relative permittivity of the insulator 326 is preferably less than 4, more preferably less than 3. Further, for example, the relative permittivity of the insulator 326 is preferably 0.7 times or less, more preferably 0.6 times or less the relative permittivity of the insulator 324. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.

また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326には容量素子160、またはトランジスタ200と接続する導電体328、及び導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、及び導電体330はプラグ、または配線として機能を有する。また、プラグまたは配線として機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、及び導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 Further, the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with a capacitive element 160, a conductor 328 connected to the transistor 200, a conductor 330, and the like. The conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or wiring. Further, in the conductor having a function as a plug or wiring, a plurality of structures may be collectively given the same reference numeral. Further, in the present specification and the like, the wiring and the plug connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.

各プラグ、及び配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 As the material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is single-layered or laminated. Can be used. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.

絶縁体326、及び導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図18において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、トランジスタ300と接続するプラグ、または配線として機能を有する。なお導電体356は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 18, the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354 are laminated in this order. Further, a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 300. The conductor 356 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 350, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 356 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。 As the conductor having a barrier property against hydrogen, for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by laminating tantalum nitride and tungsten having high conductivity, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen from the transistor 300 while maintaining the conductivity as wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen has a structure in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.

絶縁体354、及び導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図18において、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体366は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 354 and the conductor 356. For example, in FIG. 18, the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364 are laminated and provided in this order. Further, a conductor 366 is formed on the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364. The conductor 366 has a function as a plug or wiring. The conductor 366 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 360, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 366 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 360 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体364、及び導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図18において、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体376は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 364 and the conductor 366. For example, in FIG. 18, the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374 are laminated in this order. Further, a conductor 376 is formed on the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374. The conductor 376 has a function as a plug or wiring. The conductor 376 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 370, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 376 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 370 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体374、及び導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図18において、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体386は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 374 and the conductor 376. For example, in FIG. 18, the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384 are laminated in this order. Further, a conductor 386 is formed on the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384. The conductor 386 functions as a plug or wiring. The conductor 386 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 380, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 386 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 380 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

上記において、導電体356を含む配線層、導電体366を含む配線層、導電体376を含む配線層、及び導電体386を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体356を含む配線層と同様の配線層を3層以下にしてもよいし、導電体356を含む配線層と同様の配線層を5層以上にしてもよい。 In the above, the wiring layer including the conductor 356, the wiring layer including the conductor 366, the wiring layer including the conductor 376, and the wiring layer including the conductor 386 have been described, but the semiconductor device according to the present embodiment has been described. It is not limited to this. The number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be 3 or less, or the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be 5 or more.

絶縁体384上には絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、及び絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、及び絶縁体216のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。 An insulator 210, an insulator 212, an insulator 214, and an insulator 216 are laminated on the insulator 384 in this order. As any of the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216, it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen.

例えば、絶縁体210、及び絶縁体214には、例えば、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ200を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。 For example, for the insulator 210 and the insulator 214, for example, a film having a barrier property that prevents hydrogen and impurities from diffusing from the region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to the region where the transistor 200 is provided is used. Is preferable. Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, silicon nitride formed by the CVD method can be used. Here, hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 200, which may deteriorate the characteristics of the semiconductor element. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体210、及び絶縁体214には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 Further, as the film having a barrier property against hydrogen, for example, it is preferable to use metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 210 and the insulator 214.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, it is possible to suppress the release of oxygen from the oxides constituting the transistor 200. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.

また、例えば、絶縁体212、及び絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体212、及び絶縁体216として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 Further, for example, the same material as the insulator 320 can be used for the insulator 212 and the insulator 216. Further, by using a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film in the insulating film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 212 and the insulator 216, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used.

また、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、及び絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体(導電体203)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子160、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 Further, a conductor 218, a conductor (conductor 203) and the like constituting the transistor 200 are embedded in the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216. The conductor 218 has a function as a plug or wiring for connecting to the capacitive element 160 or the transistor 300. The conductor 218 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

特に、絶縁体210、及び絶縁体214と接する領域の導電体218は、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, the conductor 218 in the region in contact with the insulator 210 and the insulator 214 is preferably a conductor having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. With this configuration, the transistor 300 and the transistor 200 are layers having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water, and can be completely separated from each other, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed. ..

絶縁体216の上方には、トランジスタ200が設けられている。 A transistor 200 is provided above the insulator 216.

図19(A)、(B)に示すように、トランジスタ200は、絶縁体214及び絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体203と、絶縁体216と導電体203の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230aと、酸化物230aの上に配置された酸化物230bと、酸化物230b上に、互いに離して配置された導電体242a、及び導電体242bと、導電体242a及び導電体242b上に配置され、導電体242aと導電体242bの間に重畳して開口が形成された絶縁体280と、開口の中に配置された導電体260と、酸化物230b、導電体242a、導電体242b、及び絶縁体280と、導電体260と、の間に配置された絶縁体250と、酸化物230b、導電体242a、導電体242b、及び絶縁体280と、絶縁体250と、の間に配置された酸化物230cと、を有する。また、図19(A)、(B)に示すように、酸化物230a、酸化物230b、導電体242a、及び導電体242bと、絶縁体280の間に絶縁体244が配置されることが好ましい。また、図19(A)、(B)に示すように、導電体260は、絶縁体250の内側に設けられた導電体260aと、導電体260aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体260bと、を有することが好ましい。また、図19(A)、(B)に示すように、絶縁体280、導電体260、及び絶縁体250の上に絶縁体274が配置されることが好ましい。 As shown in FIGS. 19A and 19B, the transistor 200 is arranged on the insulator 203 and the insulator 203 arranged so as to be embedded in the insulator 216, and on the insulator 216 and the conductor 203. Insulator 220, insulator 222 arranged on the insulator 220, insulator 224 arranged on the insulator 222, oxide 230a arranged on the insulator 224, and oxide. The oxide 230b arranged on the 230a, the conductors 242a and the conductors 242b arranged apart from each other on the oxide 230b, and the conductors 242a and 242b arranged on the conductors 242a and 242a. Insulator 280 in which an opening is formed by superimposing between the conductors 242b, a conductor 260 arranged in the opening, an oxide 230b, a conductor 242a, a conductor 242b, and an insulator 280, and conductivity. An insulator 250 arranged between the body 260, an oxide 230b, a conductor 242a, a conductor 242b, and an insulator 280, and an oxide 230c arranged between the insulator 250 and the insulator 250. Have. Further, as shown in FIGS. 19A and 19B, it is preferable that the insulator 244 is arranged between the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 242a, and the conductor 242b, and the insulator 280. .. Further, as shown in FIGS. 19A and 19B, the conductor 260 is a conductor 260a provided inside the insulator 250 and a conductor provided so as to be embedded inside the conductor 260a. It is preferable to have 260b. Further, as shown in FIGS. 19A and 19B, it is preferable that the insulator 274 is arranged on the insulator 280, the conductor 260, and the insulator 250.

なお、以下において、酸化物230a、酸化物230b、及び酸化物230cをまとめて酸化物230という場合がある。また、導電体242a及び導電体242bをまとめて導電体242という場合がある。 In the following, the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c may be collectively referred to as the oxide 230. Further, the conductor 242a and the conductor 242b may be collectively referred to as a conductor 242.

なお、トランジスタ200では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物230a、酸化物230b、及び酸化物230cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230bの単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ200では、導電体260を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体260が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。また、図18、図19(A)(B)に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 The transistor 200 shows a configuration in which three layers of oxide 230a, oxide 230b, and oxide 230c are laminated in a region where a channel is formed and in the vicinity thereof, but the present invention is limited to this. It's not a thing. For example, a single layer of the oxide 230b, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230a, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230c, or a laminated structure of four or more layers may be provided. Further, in the transistor 200, the conductor 260 is shown as a two-layer laminated structure, but the present invention is not limited to this. For example, the conductor 260 may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers. Further, the transistor 200 shown in FIGS. 18 and 19 (A) and 19 (B) is an example, and the transistor 200 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method.

ここで、導電体260は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体242a及び導電体242bは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体260は、絶縁体280の開口、及び導電体242aと導電体242bに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体260、導電体242a及び導電体242bの配置は、絶縁体280の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ200において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体260を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ200の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。 Here, the conductor 260 functions as a gate electrode of the transistor, and the conductor 242a and the conductor 242b function as a source electrode or a drain electrode, respectively. As described above, the conductor 260 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 280 and the region sandwiched between the conductor 242a and the conductor 242b. The arrangement of the conductor 260, the conductor 242a and the conductor 242b is self-aligned with respect to the opening of the insulator 280. That is, in the transistor 200, the gate electrode can be arranged in a self-aligned manner between the source electrode and the drain electrode. Therefore, since the conductor 260 can be formed without providing the alignment margin, the occupied area of the transistor 200 can be reduced. As a result, the semiconductor device can be miniaturized and highly integrated.

さらに、導電体260が、導電体242aと導電体242bの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体260は、導電体242aまたは導電体242bと重畳する領域を有さない。これにより、導電体260と導電体242a及び導電体242bとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ200のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。 Further, since the conductor 260 is self-aligned in the region between the conductor 242a and the conductor 242b, the conductor 260 does not have a region that overlaps with the conductor 242a or the conductor 242b. This makes it possible to reduce the parasitic capacitance formed between the conductor 260 and the conductors 242a and 242b. Therefore, the switching speed of the transistor 200 can be improved and a high frequency characteristic can be provided.

導電体260は、第1のゲート(トップゲートともいう。)電極として機能する場合がある。また、導電体203は、第2のゲート(ボトムゲートともいう。)電極として機能する場合がある。その場合、導電体203に印加する電位を、導電体260に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ200のVthを制御することができる。特に、導電体203に負の電位を印加することにより、トランジスタ200のVthを0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体203に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体260に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 The conductor 260 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode. Further, the conductor 203 may function as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, the Vth of the transistor 200 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 203 independently of the potential applied to the conductor 260 without interlocking with the potential applied to the conductor 260. In particular, by applying a negative potential to the conductor 203, it is possible to make the Vth of the transistor 200 larger than 0V and reduce the off-current. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 203, the drain current when the potential applied to the conductor 260 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.

導電体203は、酸化物230、及び導電体260と、重なるように配置する。これにより、導電体260、及び導電体203に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体203から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書において、第1のゲート電極、及び第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。 The conductor 203 is arranged so as to overlap the oxide 230 and the conductor 260. As a result, when a potential is applied to the conductor 260 and the conductor 203, the electric field generated from the conductor 260 and the electric field generated from the conductor 203 are connected to cover the channel forming region formed in the oxide 230. Can be done. In the present specification, the structure of the transistor that electrically surrounds the channel forming region by the electric fields of the first gate electrode and the second gate electrode is referred to as a curved channel (S-channel) structure.

また、導電体203は、導電体218と同様の構成であり、絶縁体214及び絶縁体216の開口の内壁に接して導電体203aが形成され、さらに内側に導電体203bが形成されている。 Further, the conductor 203 has the same structure as the conductor 218, and the conductor 203a is formed in contact with the inner wall of the openings of the insulator 214 and the insulator 216, and the conductor 203b is further formed inside.

絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体250は、ゲート絶縁体としての機能を有する。 The insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 250 have a function as a gate insulator.

ここで、酸化物230と接する絶縁体224は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体224には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。 Here, as the insulator 224 in contact with the oxide 230, it is preferable to use an insulator containing more oxygen than oxygen satisfying the stoichiometric composition. That is, it is preferable that the insulator 224 has an excess oxygen region. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 230, oxygen deficiency in the oxide 230 can be reduced and the reliability of the transistor 200 can be improved.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm、または3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 As the insulator having an excess oxygen region, specifically, it is preferable to use an oxide material in which a part of oxygen is desorbed by heating. Oxides that desorb oxygen by heating are those whose oxygen desorption amount in terms of oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1 in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. An oxide film of 0.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.

また、絶縁体224が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体222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。 Further, when the insulator 224 has an excess oxygen region, the insulator 222 has a function of suppressing the diffusion of at least one oxygen (for example, an oxygen atom, an oxygen molecule, etc.) (the oxygen is difficult to permeate). Is preferable.

絶縁体222が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物230が有する酸素は、絶縁体220側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体203が、絶縁体224や、酸化物230が有する酸素と反応することを抑制することができる。 Since the insulator 222 has a function of suppressing the diffusion of oxygen and impurities, the oxygen contained in the oxide 230 does not diffuse to the insulator 220 side, which is preferable. Further, it is possible to suppress the conductor 203 from reacting with the oxygen contained in the insulator 224 and the oxide 230.

絶縁体222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(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(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、及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 insulator 222 is a so-called high such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferable to use an insulator containing a −k material in a single layer or in a laminated manner. As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulator. By using a high-k material for an insulator that functions as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.

特に、不純物、及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及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。アルミニウム及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、アルミニウム及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222を形成した場合、絶縁体222は、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部から酸化物230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 insulator 222 is formed by using such a material, the insulator 222 suppresses the release of oxygen from the oxide 230 and the mixing of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200 into the oxide 230. Functions as a layer.

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.

また、絶縁体220は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、high−k材料の絶縁体と絶縁体220とを組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 Further, the insulator 220 is preferably thermally stable. For example, since silicon oxide and silicon oxide nitride are thermally stable, a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity can be obtained by combining an insulator made of a high-k material and an insulator 220. Can be done.

なお、絶縁体220、絶縁体222、及び絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 may have a laminated structure of two or more layers. In that case, the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

トランジスタ200は、チャネル形成領域を含む酸化物230に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物230として、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物230として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。 For the transistor 200, it is preferable to use a metal oxide that functions as an oxide semiconductor for the oxide 230 including the channel forming region. For example, as the oxide 230, an In-M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lantern, cerium, neodym). , Hafnium, tantalum, tungsten, or one or more selected from gallium, etc.) and the like. Further, as the oxide 230, an In-Ga oxide or an In-Zn oxide may be used.

酸化物230においてチャネル形成領域にとして機能する金属酸化物は、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 As the metal oxide that functions as the channel forming region in the oxide 230, it is preferable to use an oxide having a bandgap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. As described above, by using a metal oxide having a large bandgap, the off-current of the transistor can be reduced.

酸化物230は、酸化物230b下に酸化物230aを有することで、酸化物230aよりも下方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物230b上に酸化物230cを有することで、酸化物230cよりも上方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。 By having the oxide 230a under the oxide 230b, the oxide 230 can suppress the diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 230a to the oxide 230b. Further, by having the oxide 230c on the oxide 230b, it is possible to suppress the diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 230c to the oxide 230b.

なお、酸化物230は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物230aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物230aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物230aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230cは、酸化物230aまたは酸化物230bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。 The oxide 230 preferably has a laminated structure due to oxides having different atomic number ratios of each metal atom. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 230a, the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used in the oxide 230b. Is preferable. Further, in the metal oxide used for the oxide 230a, the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b. Further, in the metal oxide used for the oxide 230b, the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a. Further, as the oxide 230c, a metal oxide that can be used for the oxide 230a or the oxide 230b can be used.

また、酸化物230a及び酸化物230cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物230b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、酸化物230a及び酸化物230cの電子親和力が、酸化物230bの電子親和力より小さいことが好ましい。 Further, it is preferable that the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230a and the oxide 230c is higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230b. In other words, it is preferable that the electron affinity of the oxide 230a and the oxide 230c is smaller than the electron affinity of the oxide 230b.

ここで、酸化物230a、酸化物230b、及び酸化物230cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物230a、酸化物230b、及び酸化物230cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物230aと酸化物230bとの界面、及び酸化物230bと酸化物230c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。 Here, at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that the energy level at the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c is continuously changed or continuously bonded. In order to do so, it is preferable to reduce the defect level density of the mixed layer formed at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b and the interface between the oxide 230b and the oxide 230c.

具体的には、酸化物230aと酸化物230b、酸化物230bと酸化物230cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする。)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物230bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物230a及び酸化物230c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るとよい。 Specifically, the oxide 230a and the oxide 230b, and the oxide 230b and the oxide 230c have a common element (main component) other than oxygen, thereby forming a mixed layer having a low defect level density. can do. For example, when the oxide 230b is an In-Ga-Zn oxide, In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, gallium oxide or the like may be used as the oxide 230a and 230c.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bとなる。酸化物230a、酸化物230cを上述の構成とすることで、酸化物230aと酸化物230bとの界面、及び酸化物230bと酸化物230c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、トランジスタ200は高いオン電流を得られる。 At this time, the main path of the carrier is the oxide 230b. By configuring the oxide 230a and the oxide 230c as described above, the defect level density at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b and the interface between the oxide 230b and the oxide 230c can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 200 can obtain a high on-current.

酸化物230b上には、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電体242(導電体242a、および導電体242b)が設けられる。導電体242としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。 A conductor 242 (conductor 242a and conductor 242b) that functions as a source electrode and a drain electrode is provided on the oxide 230b. The conductors 242 include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, berylium, indium, ruthenium, iridium, and strontium. It is preferable to use a metal element selected from lantern, an alloy containing the above-mentioned metal element as a component, an alloy in which the above-mentioned metal element is combined, or the like. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, a nitride containing titanium and aluminum, a nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lanthanum and nickel, and the like are used. Is preferable. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize. It is preferable because it is a conductive material or a material that maintains conductivity even if it absorbs oxygen.

また、図19(A)に示すように、酸化物230の、導電体242との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域243(領域243a、および領域243b)が形成される場合がある。このとき、領域243aはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域243bはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域243aと領域243bに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。 Further, as shown in FIG. 19A, a region 243 (region 243a and region 243b) may be formed as a low resistance region at the interface of the oxide 230 with the conductor 242 and its vicinity thereof. be. At this time, the region 243a functions as one of the source region or the drain region, and the region 243b functions as the other of the source region or the drain region. Further, a channel forming region is formed in a region sandwiched between the region 243a and the region 243b.

酸化物230と接するように上記導電体242を設けることで、領域243の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域243に導電体242に含まれる金属と、酸化物230の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域243のキャリア密度が増加し、領域243は、低抵抗領域となる。 By providing the conductor 242 so as to be in contact with the oxide 230, the oxygen concentration in the region 243 may be reduced. Further, a metal compound layer containing the metal contained in the conductor 242 and the component of the oxide 230 may be formed in the region 243. In such a case, the carrier density of the region 243 increases, and the region 243 becomes a low resistance region.

絶縁体244は、導電体242を覆うように設けられ、導電体242の酸化を抑制する。このとき、絶縁体244は、酸化物230の側面を覆い、絶縁体224と接するように設けられてもよい。 The insulator 244 is provided so as to cover the conductor 242 and suppresses the oxidation of the conductor 242. At this time, the insulator 244 may be provided so as to cover the side surface of the oxide 230 and be in contact with the insulator 224.

絶縁体244として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 As the insulator 244, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like can be used. can.

特に、絶縁体244として、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体242が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体244は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, as the insulator 244, it is preferable to use aluminum or an oxide containing one or both oxides of hafnium, such as aluminum oxide, hafnium oxide, and an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate). In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the thermal history in a later step. If the conductor 242 is a material having oxidation resistance, or if the conductivity does not significantly decrease even if oxygen is absorbed, the insulator 244 is not an essential configuration. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.

絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの内側(上面および側面)接して配置することが好ましい。絶縁体250は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm、または3.0×1020atoms/cmである酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。 The insulator 250 functions as a gate insulator. It is preferable that the insulator 250 is arranged in contact with the inside (upper surface and side surface) of the oxide 230c. The insulator 250 is preferably formed by using an insulator that releases oxygen by heating. For example, in a heated desorption gas spectroscopic analysis (TDS analysis), the amount of oxygen desorbed in terms of oxygen molecules is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19. It is an oxide film having atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。 Specifically, it has silicon oxide having excess oxygen, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and vacancies. Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are stable against heat.

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体250として、酸化物230cの上面に接して設けることにより、絶縁体250から、酸化物230cを通じて、酸化物230bのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 By providing an insulator that releases oxygen by heating in contact with the upper surface of the oxide 230c as the insulator 250, oxygen is effectively applied to the channel forming region of the oxide 230b from the insulator 250 through the oxide 230c. Can be supplied. Further, as with the insulator 224, it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 250 is reduced. The film thickness of the insulator 250 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.

また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、絶縁体250と導電体260との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体250から導電体260への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体250から導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体244に用いることができる材料を用いればよい。 Further, in order to efficiently supply the excess oxygen contained in the insulator 250 to the oxide 230, a metal oxide may be provided between the insulator 250 and the conductor 260. The metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 250 to the conductor 260. By providing the metal oxide that suppresses the diffusion of oxygen, the diffusion of excess oxygen from the insulator 250 to the conductor 260 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 230. In addition, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 260 due to excess oxygen. As the metal oxide, a material that can be used for the insulator 244 may be used.

第1のゲート電極として機能する導電体260は、図19(A)、(B)では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 260 that functions as the first gate electrode is shown as a two-layer structure in FIGS. 19A and 19B, but may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers. ..

導電体260aは、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(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250に含まれる酸素により、導電体260b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。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。 Conductor 260a is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O, NO, etc. NO 2), conductive having a function of suppressing the diffusion of impurities such as copper atoms It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of at least one oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.). Since the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 260b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 250 and the conductivity from being lowered. As the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.

また、導電体260bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体260bは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体260bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。 Further, as the conductor 260b, it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, since the conductor 260b also functions as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. Further, the conductor 260b may have a laminated structure, for example, a laminated structure of titanium or titanium nitride and the conductive material.

絶縁体280は、絶縁体244を介して、導電体242上に設けられる。絶縁体280は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体280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、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 The insulator 280 is provided on the conductor 242 via the insulator 244. The insulator 280 preferably has an excess oxygen region. For example, as the insulator 280, silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having holes. , Or a resin or the like is preferable. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are thermally stable. In particular, silicon oxide and silicon oxide having pores are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.

絶縁体280は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体280を、酸化物230cと接して設けることで、絶縁体280中の酸素を、酸化物230cを通じて、酸化物230の領域234へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体280中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 The insulator 280 preferably has an excess oxygen region. By providing the insulator 280, which releases oxygen by heating, in contact with the oxide 230c, the oxygen in the insulator 280 can be efficiently supplied to the region 234 of the oxide 230 through the oxide 230c. .. It is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 280 is reduced.

絶縁体280の開口は、導電体242aと導電体242bの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体260は、絶縁体280の開口、及び導電体242aと導電体242bに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。 The opening of the insulator 280 is formed so as to overlap the region between the conductor 242a and the conductor 242b. As a result, the conductor 260 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 280 and the region sandwiched between the conductor 242a and the conductor 242b.

半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体260の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体260の膜厚を大きくすると、導電体260はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体260を絶縁体280の開口に埋め込むように設けるため、導電体260をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体260を倒壊させることなく、形成することができる。 In miniaturizing a semiconductor device, it is required to shorten the gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the conductor 260 from decreasing. Therefore, if the film thickness of the conductor 260 is increased, the conductor 260 may have a shape having a high aspect ratio. In the present embodiment, since the conductor 260 is provided so as to be embedded in the opening of the insulator 280, even if the conductor 260 has a shape having a high aspect ratio, the conductor 260 is formed without collapsing during the process. Can be done.

絶縁体274は、絶縁体280の上面、導電体260の上面、及び絶縁体250の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体274をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体250及び絶縁体280へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物230中に酸素を供給することができる。 The insulator 274 is preferably provided in contact with the upper surface of the insulator 280, the upper surface of the conductor 260, and the upper surface of the insulator 250. By forming the insulator 274 into a film by a sputtering method, an excess oxygen region can be provided in the insulator 250 and the insulator 280. Thereby, oxygen can be supplied into the oxide 230 from the excess oxygen region.

例えば、絶縁体274として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the insulator 274, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like is used. Can be done.

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、及び窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property, and even a thin film of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen. Therefore, the aluminum oxide formed by the sputtering method can have a function as a barrier film for impurities such as hydrogen as well as an oxygen supply source.

また、絶縁体274の上に、層間膜として機能する絶縁体281を設けることが好ましい。絶縁体281は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 Further, it is preferable to provide an insulator 281 that functions as an interlayer film on the insulator 274. Like the insulator 224, the insulator 281 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the membrane.

また、絶縁体281、絶縁体274、絶縁体280、及び絶縁体244に形成された開口に、導電体240a及び導電体240bを配置する。導電体240a及び導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。導電体240a及び導電体240bは、後述する導電体246及び導電体248と同様の構成である。 Further, the conductor 240a and the conductor 240b are arranged in the openings formed in the insulator 281, the insulator 274, the insulator 280, and the insulator 244. The conductor 240a and the conductor 240b are provided so as to face each other with the conductor 260 interposed therebetween. The conductor 240a and the conductor 240b have the same configuration as the conductor 246 and the conductor 248 described later.

絶縁体281上には、絶縁体282が設けられている。絶縁体282は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体282には、絶縁体214と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体282には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 An insulator 282 is provided on the insulator 281. As the insulator 282, it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen. Therefore, the same material as the insulator 214 can be used for the insulator 282. For example, it is preferable to use a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 282.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, it is possible to suppress the release of oxygen from the oxides constituting the transistor 200. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.

また、絶縁体282上には、絶縁体286が設けられている。絶縁体286は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体286として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 Further, an insulator 286 is provided on the insulator 282. As the insulator 286, the same material as the insulator 320 can be used. Further, by using a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film in the insulating film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 286, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used.

また、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体244、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体281、絶縁体282、及び絶縁体286には、導電体246、及び導電体248等が埋め込まれている。 Further, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, the insulator 244, the insulator 280, the insulator 274, the insulator 281, the insulator 282, and the insulator 286 include the conductor 246 and the conductor 248. Is embedded.

導電体246、及び導電体248は、容量素子160、トランジスタ200、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体246、及び導電体248は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 246 and the conductor 248 function as a plug or wiring for connecting to the capacitive element 160, the transistor 200, or the transistor 300. The conductor 246 and the conductor 248 can be provided by using the same materials as the conductor 328 and the conductor 330.

続いて、トランジスタ200の上方には、容量素子160が設けられている。容量素子160は、導電体161と、導電体162、絶縁体163とを有する。 Subsequently, a capacitive element 160 is provided above the transistor 200. The capacitive element 160 has a conductor 161 and a conductor 162 and an insulator 163.

また、導電体246、及び導電体248上に、導電体112を設けてもよい。導電体112は、トランジスタ200と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体161は、容量素子160の電極としての機能を有する。なお、導電体112、及び導電体161は、同時に形成することができる。 Further, the conductor 112 may be provided on the conductor 246 and the conductor 248. The conductor 112 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 200. The conductor 161 has a function as an electrode of the capacitive element 160. The conductor 112 and the conductor 161 can be formed at the same time.

導電体112、及び導電体161には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。または、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。 The conductor 112 and the conductor 161 include a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing the above-mentioned elements as components. (Tantalum nitride, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) and the like can be used. Alternatively, add indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, and silicon oxide. It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.

図18では、導電体112、及び導電体161は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、及び導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。 In FIG. 18, the conductor 112 and the conductor 161 show a single-layer structure, but the structure is not limited to this, and a laminated structure of two or more layers may be used. For example, a conductor having a barrier property and a conductor having a high adhesion to the conductor having a high conductivity may be formed between the conductor having a barrier property and the conductor having a high conductivity.

絶縁体163を介して、導電体161と重畳するように、導電体162を設ける。なお、導電体162は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。 The conductor 162 is provided so as to be superimposed on the conductor 161 via the insulator 163. As the conductor 162, a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. When it is formed at the same time as other structures such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which are low resistance metal materials, may be used.

導電体162、及び絶縁体163上には、絶縁体150が設けられている。絶縁体150は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 An insulator 150 is provided on the conductor 162 and the insulator 163. The insulator 150 can be provided by using the same material as the insulator 320. Further, the insulator 150 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 150.

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。 By using this structure, it is possible to suppress fluctuations in electrical characteristics and improve reliability in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor. Alternatively, it is possible to provide a transistor having an oxide semiconductor having a large on-current. Alternatively, it is possible to provide a transistor having an oxide semiconductor having a small off-current. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor, miniaturization or high integration can be achieved.

<トランジスタの構成例>
図18及び図19では、ゲートとしての機能を機能する導電体260が、絶縁体280の開口の内部に形成されている構成例について説明したが、oxトランジスタの構成はこれに限られない。例えば、当該導電体の上方に、当該絶縁体が設けられた構成を用いることもできる。このようなトランジスタの構成例を、図20、図21に示す。
<Transistor configuration example>
In FIGS. 18 and 19, a configuration example in which the conductor 260 functioning as a gate is formed inside the opening of the insulator 280 has been described, but the configuration of the ox transistor is not limited to this. For example, a configuration in which the insulator is provided above the conductor can also be used. Examples of the configuration of such a transistor are shown in FIGS. 20 and 21.

図20(A)はトランジスタの上面図であり、図20(B)はトランジスタの斜視図である。また、図20(A)におけるX1−X2の断面図を図21(A)に示し、Y1−Y2の断面図を図21(B)に示す。 20 (A) is a top view of the transistor, and FIG. 20 (B) is a perspective view of the transistor. Further, a cross-sectional view of X1-X2 in FIG. 20 (A) is shown in FIG. 21 (A), and a cross-sectional view of Y1-Y2 is shown in FIG. 21 (B).

図20、図21に示すトランジスタは、バックゲートとしての機能を有する導電体BGEと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体BGIと、酸化物半導体Sと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体FGIと、フロントゲートとしての機能を有する導電体FGEと、配線としての機能を有する導電体WEと、を有する。また、導電体PEは、導電体WEと、酸化物半導体S、導電体BGE、又は導電体FGEと、を接続するためのプラグとしての機能を有する。なお、ここでは、酸化物半導体Sが、3層の酸化物S1、S2、S3によって構成されている例を示している。 The transistors shown in FIGS. 20 and 21 include a conductor BGE having a function as a back gate, an insulator BGI having a function as a gate insulating film, an oxide semiconductor S, and an insulator having a function as a gate insulating film. It has a body FGI, a conductor FGE having a function as a front gate, and a conductor WE having a function as a wiring. Further, the conductor PE has a function as a plug for connecting the conductor WE and the oxide semiconductor S, the conductor BGE, or the conductor FGE. Here, an example is shown in which the oxide semiconductor S is composed of three layers of oxides S1, S2, and S3.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 It should be noted that this embodiment can be appropriately combined with other embodiments shown in the present specification.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したoxトランジスタに用いることができる金属酸化物の構成について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, the configuration of the metal oxide that can be used in the ox transistor described in the above embodiment will be described.

<金属酸化物の構成>
明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、及びCAC(Cloud−Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。
<Composition of metal oxide>
In the specification and the like, it may be described as CAAC (c-axis aligned composite) and CAC (Cloud-Aligned Composite). In addition, CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a composition of a material.

CAC−OSまたはCAC−metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OSまたはCAC−metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC−OSまたはCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 The CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in a part of the material, an insulating function in a part of the material, and a semiconductor function as a whole of the material. When CAC-OS or CAC-metal oxide is used for the active layer of the transistor, the conductive function is the function of allowing electrons (or holes) to be carriers to flow, and the insulating function is the function of allowing electrons (or holes) to be carriers. It is a function that does not shed. By making the conductive function and the insulating function act in a complementary manner, a switching function (on / off function) can be imparted to the CAC-OS or the CAC-metal oxide. In CAC-OS or CAC-metal oxide, by separating each function, both functions can be maximized.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-mentioned conductive function, and the insulating region has the above-mentioned insulating function. Further, in the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. Further, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 Further, in CAC-OS or CAC-metal oxide, when the conductive region and the insulating region are dispersed in the material in a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less, respectively. There is.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OSまたはCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap due to an insulating region and a component having a narrow gap due to a conductive region. In the case of this configuration, when the carrier is flown, the carrier mainly flows in the component having a narrow gap. Further, the component having a narrow gap acts complementarily to the component having a wide gap, and the carrier flows to the component having a wide gap in conjunction with the component having a narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the channel region of the transistor, a high current driving force, that is, a large on-current and a high field effect mobility can be obtained in the ON state of the transistor.

すなわち、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, the CAC-OS or CAC-metal oxide can also be referred to as a matrix composite or a metal matrix composite.

<金属酸化物の構造>
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)及び非晶質酸化物半導体などがある。
<Structure of metal oxide>
Oxide semiconductors are divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors. Examples of the non-single crystal oxide semiconductor include CAAC-OS (c-axis aligned crystalline oxide semiconductor), polycrystal oxide semiconductor, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and pseudoamorphous oxide semiconductor (a-lik). OS: amorphous-like oxide semiconductor), amorphous oxide semiconductors, and the like.

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 crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and have strain. 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、及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. Further, in the strain, 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.

また、CAAC−OSは、インジウム、及び酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、及び酸素を有する層(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。 Further, CAAC-OS is a layered crystal 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 structure (also called 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.

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC−OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、CAAC−OSは、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対しても安定である。したがって、oxトランジスタにCAAC−OSを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。 CAAC-OS is a highly crystalline oxide semiconductor. On the other hand, in CAAC-OS, since a clear crystal grain boundary cannot be confirmed, it can be said that the decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary is unlikely to occur. Further, since the crystallinity of the oxide semiconductor may be deteriorated due to the mixing of impurities or the generation of defects, CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor having few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.). Therefore, the oxide semiconductor having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the oxide semiconductor having CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability. CAAC-OS is also stable against high temperatures (so-called thermal budgets) in the manufacturing process. Therefore, if CAAC-OS is used for the ox transistor, the degree of freedom in the manufacturing process can be expanded.

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodicity in 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, the nc-OS may be indistinguishable from the a-like OS and the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.

a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−like OSは、nc−OS及びCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。 The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or low density region. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics. The oxide semiconductor according to one aspect of the present invention may have two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS.

<酸化物半導体を有するトランジスタ>
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
<Transistor with oxide semiconductor>
Subsequently, a case where the oxide semiconductor is used for a transistor will be described.

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 By using the oxide semiconductor as a transistor, a transistor having high field effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 Further, it is preferable to use an oxide semiconductor having a low carrier density for the transistor. When the carrier density of the oxide semiconductor film is lowered, the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be lowered and the defect level density may be lowered. In the present specification and the like, a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. For example, oxide semiconductors have a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 -9 /. It may be cm 3 or more.

また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 Further, since the oxide semiconductor film having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity has a low defect level density, the trap level density may also be low.

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge captured at the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in an oxide semiconductor having a high trap level density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor. Further, in order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.

<不純物>
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
<Impurities>
Here, the influence of each impurity in the oxide semiconductor will be described.

酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 When silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, is contained in the oxide semiconductor, a defect level is formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon and carbon near the interface with the oxide semiconductor (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) are 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 Further, when the oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal, defect levels may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 Further, in an oxide semiconductor, when nitrogen is contained, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type is easily formed. As a result, a transistor using an oxide semiconductor containing nitrogen as a semiconductor tends to have normally-on characteristics. Therefore, in the oxide semiconductor, it is preferable that nitrogen is reduced as much as possible, for example, the nitrogen concentration in the oxide semiconductor is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 in SIMS, preferably 5 × 10 18 Atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, still more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 Further, hydrogen contained in an oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency. When hydrogen enters the oxygen deficiency, electrons that are carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing hydrogen tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor is reduced as much as possible. Specifically, in an oxide semiconductor, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , and more preferably 5 × 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using an oxide semiconductor in which impurities are sufficiently reduced in the channel region of the transistor, stable electrical characteristics can be imparted.

本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments.

(実施の形態5)
本実施の形態は、上記実施の形態に示す半導体装置が組み込まれた電子部品及び電子機器の一例を示す。
(Embodiment 5)
This embodiment shows an example of an electronic component and an electronic device in which the semiconductor device shown in the above embodiment is incorporated.

<電子部品>
まず、半導体装置100が組み込まれた電子部品の例を、図22(A)、(B)を用いて説明を行う。
<Electronic components>
First, an example of an electronic component in which the semiconductor device 100 is incorporated will be described with reference to FIGS. 22A and 22B.

図22(A)に示す電子部品7000はICチップであり、リード及び回路部を有する。電子部品7000は、例えばプリント基板7002に実装される。このようなICチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板7002上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板7004)が完成する。 The electronic component 7000 shown in FIG. 22 (A) is an IC chip and has a lead and a circuit unit. The electronic component 7000 is mounted on, for example, the printed circuit board 7002. A board (mounting board 7004) on which electronic components are mounted is completed by combining a plurality of such IC chips and electrically connecting each of them on the printed circuit board 7002.

電子部品7000の回路部に、半導体装置100を用いることができる。 The semiconductor device 100 can be used in the circuit portion of the electronic component 7000.

図22(A)では、電子部品7000のパッケージにQFP(Quad Flat Package)を適用しているが、パケージの態様はこれに限定されない。例えば、QFN(Quad Flat Non−leaded package)、BGA(Ball Grid Array)、またはLGA(Land Grid Array)であってもよい。また、TCP(Tape Carrier Package)であってもよい。 In FIG. 22A, QFP (Quad Flat Package) is applied to the package of the electronic component 7000, but the package mode is not limited to this. For example, it may be QFN (Quad Flat Non-read package), BGA (Ball Grid Array), or LGA (Land Grid Array). Further, it may be TCP (Tape Carrier Package).

図22(B)は、電子部品7400の模式図である。電子部品7400はカメラモジュールであり、イメージセンサチップ7451を内蔵している。電子部品7400は、イメージセンサチップ7451を固定するパッケージ基板7411、レンズカバー7421、及びレンズ7435等を有する。また、パッケージ基板7411及びイメージセンサチップ7451の間には撮像装置の駆動回路及び信号変換回路などの機能を有するICチップ7490も設けられており、SiP(System in package)としての構成を有している。ランド7441は電極パッド7461と電気的に接続され、電極パッド7461はイメージセンサチップ7451またはICチップ7490とワイヤ7471によって電気的に接続されている。図22(B)は、電子部品7400の内部を示すために、レンズカバー7421及びレンズ7435の一部を省略して図示している。 FIG. 22B is a schematic diagram of the electronic component 7400. The electronic component 7400 is a camera module and contains an image sensor chip 7451. The electronic component 7400 has a package substrate 7411 for fixing the image sensor chip 7451, a lens cover 7421, a lens 7435, and the like. Further, an IC chip 7490 having functions such as a drive circuit for an image pickup device and a signal conversion circuit is also provided between the package substrate 7411 and the image sensor chip 7451, and has a configuration as a SiP (System in package). There is. The land 7441 is electrically connected to the electrode pad 7461, and the electrode pad 7461 is electrically connected to the image sensor chip 7451 or the IC chip 7490 by a wire 7471. In FIG. 22B, a part of the lens cover 7421 and the lens 7435 is omitted in order to show the inside of the electronic component 7400.

イメージセンサチップ7451の回路部は、半導体装置100(集積回路120、集積回路130、集積回路140)、層7033の積層でなる。 The circuit portion of the image sensor chip 7451 is a stack of semiconductor devices 100 (integrated circuit 120, integrated circuit 130, integrated circuit 140) and layer 7033.

層7033は受光素子を有する。当該受光素子として、例えば、セレン系材料を光電変換層としたpn接合型フォトダイオードなどを用いることができる。セレン系材料を用いた光電変換素子は、可視光に対する外部量子効率が高く、高感度の光センサを実現することができる。 Layer 7033 has a light receiving element. As the light receiving element, for example, a pn junction type photodiode having a selenium-based material as a photoelectric conversion layer can be used. A photoelectric conversion element using a selenium-based material has high external quantum efficiency with respect to visible light and can realize a highly sensitive optical sensor.

セレン系材料はp型半導体として用いることができる。セレン系材料としては、単結晶セレンや多結晶セレンなどの結晶性セレン、非晶質セレン、銅、インジウム、セレンの化合物(CIS)、または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物(CIGS)などを用いることができる。 The selenium-based material can be used as a p-type semiconductor. Examples of the selenium-based material include crystalline selenium such as single crystal selenium and polycrystalline selenium, amorphous selenium, copper, indium, and selenium compounds (CIS), or copper, indium, gallium, and selenium compounds (CIGS). Can be used.

上記pn接合型フォトダイオードのn型半導体は、バンドギャップが広く、可視光に対して透光性を有する材料で形成することが好ましい。例えば、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、インジウム酸化物、錫酸化物、またはそれらが混在した酸化物などを用いることができる。 The n-type semiconductor of the pn junction type photodiode is preferably formed of a material having a wide bandgap and translucency with respect to visible light. For example, zinc oxide, gallium oxide, indium oxide, tin oxide, or an oxide in which they are mixed can be used.

また、層7033が有する受光素子として、p型シリコン半導体とn型シリコン半導体の用いたpn接合型フォトダイオードを用いてもよい。また、p型シリコン半導体とn型シリコン半導体の間にi型シリコン半導体層を設けたpin接合型フォトダイオードであってもよい。 Further, as the light receiving element of the layer 7033, a pn junction type photodiode using a p-type silicon semiconductor and an n-type silicon semiconductor may be used. Further, it may be a pin junction type photodiode in which an i-type silicon semiconductor layer is provided between a p-type silicon semiconductor and an n-type silicon semiconductor.

上記シリコンを用いたフォトダイオードは単結晶シリコンを用いて形成することができる。このとき、層7032と層7033とは、貼り合わせ工程を用いて電気的な接合を得ることが好ましい。また、上記シリコンを用いたフォトダイオードは、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどの薄膜を用いて形成することもできる。 The photodiode using the above silicon can be formed by using the single crystal silicon. At this time, it is preferable that the layer 7032 and the layer 7033 are electrically bonded by using a bonding step. Further, the photodiode using the above silicon can also be formed by using a thin film such as amorphous silicon, microcrystalline silicon, and polycrystalline silicon.

また、層7033に換えて、半導体装置100とMEMSセンサなどを組み合わせてもよい。半導体装置100と層7033に加えて、MEMSセンサなどを組み合わせてもよい。また、例えば、力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、匂い、または赤外線を測定する機能を含むセンサを組み合わせてもよい。 Further, instead of the layer 7033, the semiconductor device 100 and the MEMS sensor or the like may be combined. In addition to the semiconductor device 100 and the layer 7033, a MEMS sensor or the like may be combined. Also, for example, force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, voice, time, hardness, electric field, current, voltage, power, radiation, flow rate, Sensors may be combined that include the ability to measure humidity, slope, vibration, odor, or infrared light.

<電子機器>
次に、上記電子部品を備えた電子機器の例について図23乃至図24を用いて説明を行う。
<Electronic equipment>
Next, an example of an electronic device provided with the above electronic components will be described with reference to FIGS. 23 to 24.

図23(A)に示すロボット2100は、演算装置2110、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、ディスプレイ2105、下部カメラ2106及び障害物センサ2107、移動機構2108を備える。 The robot 2100 shown in FIG. 23A includes a computing device 2110, an illuminance sensor 2101, a microphone 2102, an upper camera 2103, a speaker 2104, a display 2105, a lower camera 2106, an obstacle sensor 2107, and a moving mechanism 2108.

ロボット2100において、演算装置2110、照度センサ2101、上部カメラ2103、ディスプレイ2105、下部カメラ2106及び障害物センサ2107等に、上記電子部品を使用することができる。 In the robot 2100, the above electronic components can be used for the arithmetic unit 2110, the illuminance sensor 2101, the upper camera 2103, the display 2105, the lower camera 2106, the obstacle sensor 2107, and the like.

マイクロフォン2102は、使用者の話し声及び環境音等を検知する機能を有する。また、スピーカ2104は、音声を発する機能を有する。ロボット2100は、マイクロフォン2102及びスピーカ2104を用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。 The microphone 2102 has a function of detecting a user's voice, environmental sound, and the like. Further, the speaker 2104 has a function of emitting sound. The robot 2100 can communicate with the user by using the microphone 2102 and the speaker 2104.

ディスプレイ2105は、種々の情報の表示を行う機能を有する。ロボット2100は、使用者の望みの情報をディスプレイ2105に表示することが可能である。ディスプレイ2105は、タッチパネルを搭載していてもよい。 The display 2105 has a function of displaying various information. The robot 2100 can display the information desired by the user on the display 2105. The display 2105 may be equipped with a touch panel.

上部カメラ2103及び下部カメラ2106は、ロボット2100の周囲を撮像する機能を有する。また、障害物センサ2107は、移動機構2108を用いてロボット2100が前進する際の進行方向における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及び障害物センサ2107を用いて、周囲の環境を認識し、安全に移動することが可能である。 The upper camera 2103 and the lower camera 2106 have a function of photographing the surroundings of the robot 2100. Further, the obstacle sensor 2107 can detect the presence or absence of an obstacle in the traveling direction when the robot 2100 moves forward by using the moving mechanism 2108. The robot 2100 can recognize the surrounding environment and move safely by using the upper camera 2103, the lower camera 2106, and the obstacle sensor 2107.

図23(B)に示す飛行体2120は、演算装置2121と、プロペラ2123と、カメラ2122と、を有し、自立して飛行する機能を有する。 The flying object 2120 shown in FIG. 23B has an arithmetic unit 2121, a propeller 2123, and a camera 2122, and has a function of independently flying.

飛行体2120において、演算装置2121及びカメラ2122に上記電子部品を用いることができる。 In the flying object 2120, the above electronic components can be used for the arithmetic unit 2121 and the camera 2122.

図23(C)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、カメラ2981等を有する。また、自動車2980は、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2980は、カメラ2981が撮影した画像を解析し、歩行者の有無など、周囲の交通状況を判断し、自動運転を行うことができる。 FIG. 23C is an external view showing an example of an automobile. The automobile 2980 has a camera 2981 and the like. Further, the automobile 2980 is equipped with various sensors such as an infrared radar, a millimeter wave radar, and a laser radar. The automobile 2980 can analyze the image taken by the camera 2891, determine the surrounding traffic conditions such as the presence or absence of pedestrians, and perform automatic driving.

自動車2980において、カメラ2981に上記電子部品を用いることができる。 In the automobile 2980, the above electronic components can be used for the camera 2891.

図23(D)に示す情報端末2910は、筐体2911に、表示部2912、マイク2917、スピーカ部2914、カメラ2913、外部接続部2916、及び操作スイッチ2915等を有する。表示部2912には、可撓性基板が用いられた表示パネル及びタッチスクリーンを備える。また、情報端末2910は、筐体2911の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2910は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。情報端末2910はその内部の記憶装置とカメラ2913に上記電子部品を用いることができる。 The information terminal 2910 shown in FIG. 23D has a display unit 2912, a microphone 2917, a speaker unit 2914, a camera 2913, an external connection unit 2916, an operation switch 2915, and the like in the housing 2911. The display unit 2912 includes a display panel and a touch screen using a flexible substrate. Further, the information terminal 2910 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2911. The information terminal 2910 can be used as, for example, a smartphone, a mobile phone, a tablet-type information terminal, a tablet-type personal computer, an electronic book terminal, or the like. The information terminal 2910 can use the above electronic components for the internal storage device and the camera 2913.

図23(E)に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末2960は、筐体2961、表示部2962、バンド2963、バックル2964、操作スイッチ2965、入出力端子2966などを備える。また、情報端末2960、筐体2961の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2960は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。情報端末2960はその内部の記憶装置に上記電子部品を用いることができる。 FIG. 23 (E) shows an example of a wristwatch-type information terminal. The information terminal 2960 includes a housing 2961, a display unit 2962, a band 2963, a buckle 2964, an operation switch 2965, an input / output terminal 2966, and the like. Further, an antenna, a battery, and the like are provided inside the information terminal 2960 and the housing 2961. The information terminal 2960 can execute various applications such as mobile phone, e-mail, text viewing and creation, music playback, Internet communication, and computer games. The information terminal 2960 can use the above electronic components for the storage device inside the information terminal 2960.

図23(F)にUSB型の周辺機器の一例を示す。周辺機器2920は、スティック型の周辺機器であり、筐体2921、コネクタ2922、半導体装置2923などを備える。半導体装置2923は筐体2921に設けられている。半導体装置2923に上記電子部品を用いることができる。 FIG. 23 (F) shows an example of a USB type peripheral device. The peripheral device 2920 is a stick-type peripheral device, and includes a housing 2921, a connector 2922, a semiconductor device 2923, and the like. The semiconductor device 2923 is provided in the housing 2921. The above electronic components can be used in the semiconductor device 2923.

周辺機器2920は、USBポートを有するホスト機器とコネクタ2922を介して接続し、ホスト機器の機能を高めることができる。例えば、半導体装置2923が記憶装置として機能する場合、ホスト機器の記憶容量を増やすことができる。また、半導体装置2923がGPUとして機能する場合、ホスト機器の画像処理能力や並列演算処理能力などを高めることができる。周辺機器2920は可搬性に優れ、持ち運びが容易である。 The peripheral device 2920 can be connected to a host device having a USB port via the connector 2922 to enhance the function of the host device. For example, when the semiconductor device 2923 functions as a storage device, the storage capacity of the host device can be increased. Further, when the semiconductor device 2923 functions as a GPU, the image processing capability and parallel computing capability of the host device can be enhanced. The peripheral device 2920 has excellent portability and is easy to carry.

なお、ホスト機器と周辺機器2920を接続するための通信規格はUSB規格に限らない。IEEE1394またはHDMI(登録商標)などの通信規格を用いてもよい。 The communication standard for connecting the host device and the peripheral device 2920 is not limited to the USB standard. Communication standards such as IEEE 1394 or HDMI® may be used.

図24は、掃除ロボットの一例を示す模式図である。 FIG. 24 is a schematic diagram showing an example of a cleaning robot.

掃除ロボット5100は、上面に配置されたディスプレイ5101、側面に配置された複数のカメラ5102、ブラシ5103、操作ボタン5104を有する。また図示されていないが、掃除ロボット5100の下面には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット5100は、その他に赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなどの各種センサを備えている。また、掃除ロボット5100は、無線による通信手段を備えている。 The cleaning robot 5100 has a display 5101 arranged on the upper surface, a plurality of cameras 5102 arranged on the side surface, a brush 5103, and an operation button 5104. Although not shown, the lower surface of the cleaning robot 5100 is provided with tires, suction ports, and the like. The cleaning robot 5100 also includes various sensors such as an infrared sensor, an ultrasonic sensor, an acceleration sensor, a piezo sensor, an optical sensor, and a gyro sensor. Further, the cleaning robot 5100 is provided with a wireless communication means.

カメラ5102に、上記電子部品を用いることができる。 The above electronic components can be used for the camera 5102.

掃除ロボット5100は自走し、ゴミ5120を検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。 The cleaning robot 5100 is self-propelled, can detect dust 5120, and can suck dust from a suction port provided on the lower surface.

また、掃除ロボット5100はカメラ5102が撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシ5103に絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシ5103の回転を止めることができる。 Further, the cleaning robot 5100 can analyze the image taken by the camera 5102 and determine the presence or absence of an obstacle such as a wall, furniture, or a step. Further, when an object that is likely to be entangled with the brush 5103 such as wiring is detected by image analysis, the rotation of the brush 5103 can be stopped.

ディスプレイ5101には、バッテリの残量や、吸引したゴミの量などを表示することができる。また、掃除ロボット5100が走行した経路をディスプレイ5101に表示させてもよい。また、ディスプレイ5101をタッチパネルとし、操作ボタン5104をディスプレイ5101に設けてもよい。 The display 5101 can display the remaining battery level, the amount of sucked dust, and the like. Further, the route traveled by the cleaning robot 5100 may be displayed on the display 5101. Further, the display 5101 may be a touch panel, and the operation buttons 5104 may be provided on the display 5101.

掃除ロボット5100は、スマートフォンなどの携帯電子機器5140と通信することができる。カメラ5102が撮影した画像は、携帯電子機器5140に表示させることができる。そのため、掃除ロボット5100の持ち主は、外出先からでも、部屋の様子を知ることができる。 The cleaning robot 5100 can communicate with a portable electronic device 5140 such as a smartphone. The image taken by the camera 5102 can be displayed on the portable electronic device 5140. Therefore, the owner of the cleaning robot 5100 can know the state of the room even when he / she is out.

本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be appropriately combined with the configurations described in other embodiments and the like.

(本明細書等の記載に関する付記)
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
(Additional notes regarding the description of this specification, etc.)
The above-described embodiments and explanations of the respective configurations in the embodiments will be described below.

各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互い構成例を適宜組み合わせることが可能である。 The configuration shown in each embodiment can be appropriately combined with the configuration shown in other embodiments to form one aspect of the present invention. Further, when a plurality of configuration examples are shown in one embodiment, it is possible to appropriately combine the configuration examples with each other.

なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、及び/又は、一つもしくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことができる。 In addition, the content described in one embodiment (may be a part of the content) is another content (may be a part of the content) described in the embodiment, and / or one or more. It can be applied, combined, or replaced with respect to the content described in another embodiment (may be a part of the content).

なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。 In addition, the content described in the embodiment is the content described by using various figures or the content described by using the text described in the specification in each embodiment.

なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つもしくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることができる。 It should be noted that the figure (which may be a part) described in one embodiment is another part of the figure, another figure (which may be a part) described in the embodiment, and / or one or more. By combining the figures (which may be a part) described in another embodiment of the above, more figures can be formed.

また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 Further, in the present specification and the like, in the block diagram, the components are classified by function and shown as blocks independent of each other. However, in an actual circuit or the like, it is difficult to separate the components for each function, and there may be a case where a plurality of functions are involved in one circuit or a case where one function is involved in a plurality of circuits. Therefore, the blocks in the block diagram are not limited to the components described in the specification, and can be appropriately paraphrased according to the situation.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために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、も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、もしくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。 Further, in the drawings, the size, the thickness of the layer, or the area are shown in any size for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. The drawings are schematically shown for the sake of clarity, 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.

本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In the present specification and the like, when explaining the connection relationship of transistors, one of the source and the drain is referred to as "one of the source or the drain" (or the first electrode or the first terminal), and the source and the drain are referred to. The other is referred to as "the other of the source or drain" (or the second electrode, or the second terminal). This is because the source and drain of the transistor change depending on the structure of the transistor, operating conditions, and the like. The names of the source and drain of the transistor can be appropriately paraphrased according to the situation, such as the source (drain) terminal and the source (drain) electrode.

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。 Further, in the present specification and the like, the terms "electrode" and "wiring" do not functionally limit these components. For example, an "electrode" may be used as part of a "wiring" and vice versa. Further, the terms "electrode" and "wiring" include the case where a plurality of "electrodes" and "wiring" are integrally formed.

また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電圧(接地電圧)とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも0Vを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。 Further, in the present specification and the like, the voltage and the potential can be paraphrased as appropriate. The voltage is a potential difference from a reference potential. For example, if the reference potential is a ground voltage (ground voltage), the voltage can be paraphrased as a potential. The ground potential does not always mean 0V. The potential is relative, and the potential given to the wiring or the like may be changed depending on the reference potential.

なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、又は、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。又は、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 In the present specification and the like, terms such as "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". Alternatively, for example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer".

本明細書等において、スイッチとは、導通状態(オン状態)、又は、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。又は、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。 In the present specification and the like, the switch means a switch that is in a conductive state (on state) or a non-conducting state (off state) and has a function of controlling whether or not a current flows. Alternatively, the switch means a switch having a function of selecting and switching a path through which a current flows.

一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。 As an example, an electric switch, a mechanical switch, or the like can be used. That is, the switch is not limited to a specific switch as long as it can control the current.

電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ(例えば、バイポーラトランジスタ、MOSトランジスタなど)、ダイオード(例えば、PNダイオード、PINダイオード、ショットキーダイオード、MIM(Metal Insulator Metal)ダイオード、MIS(Metal Insulator Semiconductor)ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど)、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。 Examples of electrical switches include transistors (eg, bipolar transistors, MOS transistors, etc.), diodes (eg, PN diodes, PIN diodes, shotkey diodes, MIM (Metal Insulator Metal) diodes, MIS (Metal Insulator Semiconductor) diodes). , Diode-connected transistors, etc.), or logic circuits that combine these.

なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性(導電型)は特に限定されない。 When a transistor is used as a switch, the "conduction state" of the transistor means a state in which the source and drain of the transistor can be regarded as being electrically short-circuited. Further, the "non-conducting state" of the transistor means a state in which the source and drain of the transistor can be regarded as being electrically cut off. When the transistor is operated as a simple switch, the polarity (conductive type) of the transistor is not particularly limited.

機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)のように、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。 An example of a mechanical switch is a switch using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, such as a Digital Micromirror Device (DMD). The switch has an electrode that can be moved mechanically, and by moving the electrode, conduction and non-conduction are controlled and operated.

本明細書等において、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(又はトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲートとが重なる領域、又はチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとの間の距離をいう。 In the present specification and the like, the channel length means, for example, in the top view of a transistor, a region or a channel where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate overlap is formed. The distance between the source and the drain in the area.

本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、半導体(又はトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、又はチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。 In the present specification and the like, the channel width is a source in, for example, a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in a semiconductor when a transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed. The length of the part where the drain and the drain face each other.

本明細書等において、AとBとが接続されている、とは、AとBとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。 In the present specification and the like, the fact that A and B are connected includes those in which A and B are directly connected and those in which A and B are electrically connected. Here, the fact that A and B are electrically connected means that an electric signal can be exchanged between A and B when an object having some kind of electrical action exists between A and B. It means what is said.

FN1 ノード
FN2 ノード
FN3 ノード
FN4 ノード
FN5 ノード
G1 信号線
G2 信号線
G3 信号線
MC1 メモリセル
MR1 メモリセル
MREF1 メモリセル
NB1 配線
ND1 ノード
NP1 ニューロン
NP2 ニューロン
NP3 ニューロン
NQ1 ニューロン
NQ2 ニューロン
NQ3 ニューロン
NR1 ニューロン
NR3 ニューロン
R1 電流電圧変換素子
S1 酸化物
V1 配線
11 トランジスタ
12 トランジスタ
13 トランジスタ
14 トランジスタ
15 トランジスタ
16 容量素子
17 容量素子
23 ニューロン
23a シナプス回路
23b メモリユニット
24a 活性化関数回路
24b 活性化関数回路
24c 活性化関数回路
25 容量素子
26 容量素子
27 トランジスタ
30 電流源回路
31 列出力回路
31a 電流電圧変換回路
31b オフセット回路
32 オフセット電流回路
32a 電流吸込み回路
32b 電流供給回路
32c 電流吸込み回路
32d 電流供給回路
41 トランジスタ
41B トランジスタ
42 トランジスタ
42p トランジスタ
43 トランジスタ
44 トランジスタ
45 トランジスタ
46 トランジスタ
47 トランジスタ
48 トランジスタ
49 トランジスタ
51 容量素子
52 容量素子
53 容量素子
59 トランジスタ
61 トランジスタ
62 トランジスタ
63 トランジスタ
64 容量素子
65 トランジスタ
66 トランジスタ
67 トランジスタ
68 容量素子
100 半導体装置
101 メモリセルアレイ
101A メモリセルアレイ
101B メモリセルアレイ
102a 入力層
102b 中間層
102c 出力層
103a メモリセルアレイ
103b メモリセルアレイ
103c メモリセルアレイ
104a 出力回路
104b 出力回路
104c 出力回路
105 スキャンドライバ回路
105a スキャン回路
105b スキャン回路
105c スキャン回路
106 ウエイトドライバ回路
106a ラッチ回路
106b デジタルアナログ変換回路
106c ソースフォロワ回路
107 データドライバ回路
107a ラッチ回路
107b デジタルアナログ変換回路
107c ソースフォロワ回路
108 出力回路
109 フィードバック回路
109a 選択回路
109b 選択回路
109c 増幅回路
109d アナログデジタル変換回路
109e 増幅回路
109f 増幅回路
110 タイミング制御回路
112 導電体
120 集積回路
130 集積回路
140 集積回路
150 絶縁体
160 容量素子
161 導電体
162 導電体
163 絶縁体
200 トランジスタ
203 導電体
203a 導電体
203b 導電体
210 絶縁体
212 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
230 酸化物
230a 酸化物
230b 酸化物
230c 酸化物
234 領域
240a 導電体
240b 導電体
242 導電体
242a 導電体
242b 導電体
243 領域
243a 領域
243b 領域
244 絶縁体
246 導電体
248 導電体
250 絶縁体
260 導電体
260a 導電体
260b 導電体
274 絶縁体
280 絶縁体
281 絶縁体
282 絶縁体
286 絶縁体
300 トランジスタ
311 基板
313 半導体領域
314a 低抵抗領域
314b 低抵抗領域
315 絶縁体
316 導電体
320 絶縁体
322 絶縁体
324 絶縁体
326 絶縁体
328 導電体
330 導電体
350 絶縁体
352 絶縁体
354 絶縁体
356 導電体
360 絶縁体
362 絶縁体
364 絶縁体
366 導電体
370 絶縁体
372 絶縁体
374 絶縁体
376 導電体
380 絶縁体
382 絶縁体
384 絶縁体
386 導電体
626 トランジスタ
1001 配線
1002 配線
1003 配線
1004 配線
1005 配線
1006 配線
1394 IEEE
2100 ロボット
2101 照度センサ
2102 マイクロフォン
2103 上部カメラ
2104 スピーカ
2105 ディスプレイ
2106 下部カメラ
2107 障害物センサ
2108 移動機構
2110 演算装置
2120 飛行体
2121 演算装置
2122 カメラ
2123 プロペラ
2910 情報端末
2911 筐体
2912 表示部
2913 カメラ
2914 スピーカ部
2915 操作スイッチ
2916 外部接続部
2917 マイク
2920 周辺機器
2921 筐体
2922 コネクタ
2923 半導体装置
2960 情報端末
2961 筐体
2962 表示部
2963 バンド
2964 バックル
2965 操作スイッチ
2966 入出力端子
2980 自動車
2981 カメラ
5100 掃除ロボット
5101 ディスプレイ
5102 カメラ
5103 ブラシ
5104 操作ボタン
5120 ゴミ
5140 携帯電子機器
7000 電子部品
7002 プリント基板
7004 実装基板
7400 電子部品
7411 パッケージ基板
7421 レンズカバー
7435 レンズ
7441 ランド
7451 イメージセンサチップ
7461 電極パッド
7471 ワイヤ
7490 ICチップ
FN1 node FN2 node FN3 node FN4 node FN5 node G1 signal line G2 signal line G3 signal line MC1 memory cell MR1 memory cell MREF1 memory cell NB1 wiring ND1 node NP1 neuron NP2 neuron NP3 neuron NQ1 neuron NQ2 neuron NQ3 neuron NR1 Voltage conversion element S1 Oxide V1 Wiring 11 Transistor 12 Transistor 13 Transistor 14 Transistor 15 Transistor 16 Capacitive element 17 Capacitive element 23 Neuron 23a Synapse circuit 23b Memory unit 24a Activation function circuit 24b Activation function circuit 24c Activation function circuit 25 Capacitive element 26 Capacitive element 27 Transistor 30 Current source circuit 31 Row output circuit 31a Current voltage conversion circuit 31b Offset circuit 32 Offset current circuit 32a Current suction circuit 32b Current supply circuit 32c Current suction circuit 32d Current supply circuit 41 Transistor 41B Transistor 42 Transistor 42p Transistor 43 Transistor 44 Transistor 45 Transistor 46 Transistor 47 Transistor 48 Transistor 49 Transistor 51 Capacitive element 52 Capacitive element 53 Capacitive element 59 Transistor 61 Transistor 62 Transistor 63 Transistor 64 Capacitive element 65 Transistor 66 Transistor 67 Transistor 68 Capacitive element 100 Semiconductor device 101 Memory cell array 101A Memory Array 101B Memory cell array 102a Input layer 102b Intermediate layer 102c Output layer 103a Memory cell array 103b Memory cell array 103c Memory cell array 104a Output circuit 104b Output circuit 104c Output circuit 105 Scan driver circuit 105a Scan circuit 105b Scan circuit 105c Scan circuit 106 Weight driver circuit 106a Latch Circuit 106b Digital analog conversion circuit 106c Source follower circuit 107 Data driver circuit 107a Latch circuit 107b Digital analog conversion circuit 107c Source follower circuit 108 Output circuit 109 Feedback circuit 109a Selection circuit 109b Selection circuit 109c Amplification circuit 109d Analog digital conversion circuit 109e Amplification circuit 109f Amplification times Road 110 Timing control circuit 112 Conductor 120 Integrated circuit 130 Integrated circuit 140 Integrated circuit 150 Insulator 160 Capacitive element 161 Conductor 162 Conductor 163 Insulator 200 Transistor 203 Conductor 203a Conductor 203b Conductor 210 Insulator 212 Insulator 214 Insulator 216 Insulator 218 Insulator 220 Insulator 222 Insulator 224 Insulator 230 Oxide 230a Oxide 230b Oxide 230c Oxide 234 Region 240a Conductor 240b Conductor 242 Conductor 242a Conductor 242b Conductor 243 Region 243a Region 243b Region 244 Insulator 246 Insulator 248 Insulator 250 Insulator 260 Insulator 260a Insulator 260b Insulator 274 Insulator 280 Insulator 281 Insulator 282 Insulator 286 Insulator 300 Transistor 311 Substrate 313 Semiconductor Region 314a Low Resistance Region 314b Low resistance region 315 Insulator 316 Insulator 320 Insulator 322 Insulator 324 Insulator 326 Insulator 328 Insulator 330 Insulator 350 Insulator 352 Insulator 354 Insulator 356 Insulator 360 Insulator 362 Insulator 364 Insulator 366 Insulator Body 370 Insulator 372 Insulator 374 Insulator 376 Insulator 380 Insulator 382 Insulator 384 Insulator 386 Insulator 626 Transistor 1001 Wiring 1002 Wiring 1003 Wiring 1004 Wiring 1005 Wiring 1006 Wiring 1394 IEEE
2100 Robot 2101 Illumination sensor 2102 Microphone 2103 Upper camera 2104 Speaker 2105 Display 2106 Lower camera 2107 Obstacle sensor 2108 Mobile mechanism 2110 Computational device 2120 Flying object 2121 Computational device 2122 Camera 2123 Propeller 2910 Information terminal 2911 Housing 2912 Display unit 2913 Camera 2914 Speaker Part 2915 Operation switch 2916 External connection part 2917 Microphone 2920 Peripheral device 2921 Housing 2922 Connector 2923 Semiconductor device 2960 Information terminal 2961 Housing 2962 Display unit 2963 Band 2964 Buckle 2965 Operation switch 2966 Input / output terminal 2980 Car 2980 Camera 5101 Cleaning robot 5101 Display 5102 Camera 5103 Brush 5104 Operation button 5120 Dust 5140 Portable electronic device 7000 Electronic component 7002 Print board 7004 Mounting board 7400 Electronic component 7411 Package board 7421 Lens cover 7435 Lens 7441 Land 7451 Image sensor chip 7461 Electrode pad 7471 Wire 7490 IC chip

Claims (3)

ニューラルネットワークを有する半導体装置であって、
前記ニューラルネットワークは、第1のパーセプトロンと、第2のパーセプトロンと、フィードバック回路と、を有し、
前記第1のパーセプトロンは、第1のニューロンと、第2のニューロンと、第1の出力回路と、を有し、
前記第2のパーセプトロンは、第3のニューロンと、第4のニューロンと、第2の出力回路と、を有し、
前記第1のニューロン、前記第2のニューロン、前記第3のニューロン、及び、前記第4のニューロンは、それぞれシナプス回路を有し、
前記シナプス回路は、複数の乗算回路を有し、
前記乗算回路は、メモリセルを有し、
前記フィードバック回路には、前記第1のパーセプトロンと、前記第2のパーセプトロンと、が電気的に接続され、
前記メモリセルは、重み係数を記憶する機能を有し、
前記乗算回路は、前記メモリセルが記憶する前記重み係数と、前記メモリセルに与えられる入力データとを乗算する機能を有し、
前記第1のパーセプトロンが有する前記シナプス回路は、複数の前記乗算回路の演算結果を加算して第1の信号を生成し前記第1の出力回路に出力する機能を有し、
前記第1の出力回路は、前記第1の信号を、前記第1の信号よりインピーダンスの低い第2の信号に変換する機能を有し、
前記第1出力回路は、前記第2の信号を前記フィードバック回路に出力する機能を有し、
前記第2のパーセプトロンが有する前記シナプス回路は、複数の前記乗算回路の演算結果を加算して第3の信号を生成し、前記第2の出力回路に出力する機能を有し、
前記第2の出力回路は、前記第3の信号を、前記第3の信号よりインピーダンスの低い第4の信号に変換する機能を有し、
前記第2出力回路は、前記第4の信号を前記フィードバック回路に出力する機能を有し、
前記フィードバック回路は、前記第4の信号を前記第1の出力回路に与える機能を有し、
前記第1の出力回路は、前記第4の信号と、前記第2の信号とを加算して出力する機能を有する、
半導体装置。
A semiconductor device with a neural network
The neural network has a first perceptron, a second perceptron, and a feedback circuit.
The first perceptron has a first neuron, a second neuron, and a first output circuit.
The second perceptron has a third neuron, a fourth neuron, and a second output circuit.
The first neuron , the second neuron, the third neuron, and the fourth neuron each have a synaptic circuit.
The synaptic circuit has a plurality of multiplication circuits.
The multiplication circuit has a memory cell and has a memory cell.
The first perceptron and the second perceptron are electrically connected to the feedback circuit.
The memory cell has a function of storing a weighting coefficient, and has a function of storing the weighting coefficient.
The multiplication circuit has a function of multiplying the weighting coefficient stored in the memory cell by the input data given to the memory cell.
The synaptic circuit of the first perceptron has a function of adding the calculation results of the plurality of multiplication circuits to generate a first signal and outputting it to the first output circuit.
Wherein the first output circuit, the first signal has a function of converting the low-impedance than the first signal a second signal,
It said first output circuit has a function of outputting the second signal to the feedback circuit,
The synaptic circuit of the second perceptron has a function of adding the calculation results of the plurality of multiplication circuits to generate a third signal and outputting it to the second output circuit.
It said second output circuit, said third signal has a function of converting the low-impedance than the third signal the fourth signal,
The second output circuit has a function of outputting the fourth signal to said feedback circuit,
The feedback circuit has a function of giving a signal of the fourth to the first output circuit,
The first output circuit has a function of adding and outputting the fourth signal and the second signal.
Semiconductor device.
請求項1において、
前記第1の出力回路は、第1の補正データを生成する機能を有し、
前記第2の出力回路は、第2の補正データを生成する機能を有し、
前記フィードバック回路は、前記第1の補正データを前記第1の出力回路に与えることで前記第2の信号が前記第1の補正データによって補正される機能を有し、
前記フィードバック回路は、前記第2の補正データを前記第2の出力回路に与えることで前記第4の信号が前記第2の補正データによって補正される機能を有する、
半導体装置。
In claim 1,
The first output circuit has a function of generating the first correction data, and has a function of generating the first correction data.
The second output circuit has a function of generating a second correction data, and has a function of generating the second correction data.
The feedback circuit has a function of said first of said second Nos signal correction data by giving to the first output circuit is corrected by said first correction data,
The feedback circuit has a function of the fourth issue signal is corrected by said second correction data by giving the second correction data to said second output circuit,
Semiconductor device.
請求項1において、
前記半導体装置は、さらに、スキャンドライバ回路を有し、
前記スキャンドライバ回路は、前記第1のパーセプトロンと、前記第2のパーセプトロンと、が有する前記メモリセルに同時に重み係数を書き込む機能を有する、
半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device further has a scan driver circuit.
The scan driver circuit has a function of writing a weighting coefficient to the memory cell of the first perceptron and the second perceptron at the same time.
Semiconductor device.
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