(57)【要約】【課題】データの信頼性を高めることができる記憶装置の提供。【解決手段】第１電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第１論理素子と、第１電源電圧とは異なる系統の第２電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第２論理素子と、上記第１論理素子が有する上記入力端子に接続された第１記憶回路と、上記第２論理素子が有する上記入力端子に接続された第２記憶回路と、上記第１論理素子が有する上記入力端子と第１配線の接続を制御する第１スイッチと、上記第２論理素子が有する上記入力端子と第２配線の接続を制御する第２スイッチと、を有する。そして、上記第１論理素子が有する上記入力端子に上記第２論理素子が有する上記出力端子が接続され、上記第２論理素子が有する上記入力端子に上記第１論理素子が有する上記出力端子が接続されている記憶装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第１論理素子と、
第１電源電圧とは異なる系統の第２電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第２論理素子と、
前記第１論理素子が有する前記入力端子に接続された第１記憶回路と、
前記第２論理素子が有する前記入力端子に接続された第２記憶回路と、
前記第１論理素子が有する前記入力端子と第１配線の接続を制御する第１スイッチと、
前記第２論理素子が有する前記入力端子と第２配線の接続を制御する第２スイッチと、を有し、
前記第１論理素子が有する前記入力端子に前記第２論理素子が有する前記出力端子が接続され、
前記第２論理素子が有する前記入力端子に前記第１論理素子が有する前記出力端子が接続されている記憶装置。
【請求項２】
第１電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第１論理素子と、
第１電源電圧とは異なる系統の第２電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第２論理素子と、
第１容量素子、及び第２容量素子と、
前記第１論理素子が有する前記入力端子と前記第１容量素子の接続を制御する第１スイッチと、
前記第２論理素子が有する前記入力端子と前記第２容量素子の接続を制御する第２スイッチと、
前記第１論理素子が有する前記入力端子と第１配線の接続を制御する第３スイッチと、
前記第２論理素子が有する前記入力端子と第２配線の接続を制御する第４スイッチと、を有し、
前記第１論理素子が有する前記入力端子に前記第２論理素子が有する前記出力端子が接続され、
前記第２論理素子が有する前記入力端子に前記第１論理素子が有する前記出力端子が接続されている記憶装置。
【請求項３】
請求項２において、前記第１スイッチまたは前記第２スイッチはトランジスタを有し、
前記トランジスタは、シリコンよりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半導体をチャネル形成領域に含む記憶装置。
【請求項４】
請求項３において、前記半導体は酸化物半導体である記憶装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記第１論理素子または前記第２論理素子はトランジスタを有し、
前記トランジスタは、結晶性を有するシリコンをチャネル形成領域に含む記憶装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の記憶装置を用いた半導体装置。
【請求項７】
結晶性を有するシリコンをチャネル形成領域に含むトランジスタと、酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタとを有する記憶装置をキャッシュとして用いるＣＰＵと、
前記ＣＰＵへ電源電圧を印加するか否かを制御するパワーコントローラと、を有する半導体装置。
【請求項８】
結晶性を有するシリコンをチャネル形成領域に含むトランジスタと、酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタとを有する、請求項１または請求項２に記載の記憶装置を、キャッシュとして用いるＣＰＵと、
前記ＣＰＵへ電源電圧を印加するか否かを制御するパワーコントローラと、を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記憶装置と、当該記憶装置を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの半導体装置は、動作速度や集積度を向上させるために半導体素子の微細化が進められており、チャネル長が３０ｎｍ程度のトランジスタが製造されるに至っている。一方で、ＣＰＵは、半導体素子が微細化されることにより、トランジスタのリーク電流に起因する消費電力（リーク電力）が増加している。具体的に、従来では、ＣＰＵにおける消費電力のほとんどが演算時の消費電力（動作電力）であったが、近年ではＣＰＵにおける消費電力の１割以上をリーク電力が占めるようになった。
【０００３】
特にキャッシュは、高い処理能力のＣＰＵを実現するために大容量化されていることが多く、ＣＰＵの中でも最もリーク電力が大きい集積回路に相当する。特に携帯電話や携帯情報端末などの携帯端末向けのＣＰＵでは、キャッシュがＣＰＵのチップ面積やトランジスタ数の半分以上を占めているため、キャッシュにおけるリーク電力低減の要求が高い。そこで、パワーゲートを用いることで、使用していないキャッシュなどの集積回路において電源を遮断することで、ＣＰＵの消費電力を低減させる、ノーマリオフコンピュータと呼ばれる技術が注目されている（非特許文献１）。上記ノーマリオフコンピュータでは、短い期間内に電源の遮断が行われるので、キャッシュとして用いる記憶素子には、不揮発性であることのみならず、動作の高速性が要求される。不揮発性のメモリであるフラッシュメモリは、上記高速性を満たせず、またデータの書き換え回数が、キャッシュとして用いるのには不十分であった。
【０００４】
そこで、従来からキャッシュに用いられてきた揮発性の記憶素子に、フラッシュメモリよりも高速動作が可能で、なおかつ書き換え回数が多い不揮発性の記憶素子を付加した構成の記憶装置が、提案されている。下記の特許文献１では、インバータを用いた揮発性のデータ保持回路と、強誘電体コンデンサとを有し、データを強誘電体コンデンサに記憶させることで電源が遮断されてもデータを保持することができる電子回路について開示されている。また、下記の特許文献２では、クロスカップルされた第１及び第２インバータと、第１及び第２磁気抵抗素子とで構成された不揮発性ラッチ回路について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１５２５０６号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／０７２５１１号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】安藤功兒、「不揮発性磁気メモリ」、２００２年３月１４日、ＦＥＤ  Ｒｅｖｉｅｗ、  ｖｏｌ．１，  Ｎｏ．１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記記憶装置では、データの待避及び復帰により消費される電力（オーバーヘッド）と、電源の遮断により削減される電力とが等しくなる電源の遮断時間、すなわち損益分岐時間（ＢＥＴ：Ｂｒｅａｋ  Ｅｖｅｎ  Ｔｉｍｅ）が長い場合、電源を遮断する期間が短いと却ってＣＰＵの消費電力が増えやすいという問題がある。
【０００８】
また、上記記憶装置では、電源を遮断する前に揮発性の記憶素子から不揮発性の記憶素子にデータを待避させておき、電源の復帰後に上記データを揮発性の記憶素子に戻している。ところが、揮発性の記憶素子には、一般的にフリップフロップが用いられており、電源が遮断されている間は、フリップフロップを構成している各半導体素子間のノードのいずれかにおいて、電位が不定状態にある。そして、電位が不定状態にあるノードは、記憶装置において電源を復帰させた後、ハイレベルまたはローレベルのいずれの電位に定まるのかが確実ではない。そして、電源が復帰した後は、上記ノードの電位がハイレベルまたはローレベルのいずれの電位に定まったとしても、上記ノードの電位は電源により安定になる。そのため、不揮発性の記憶素子からデータを復帰させようとしても、上記ノードの電位によっては、データが打ち消されてしまう場合がある。よって、上記記憶装置では、電源の遮断により、データの信頼性が低くなりやすい。
【０００９】
上述したような技術的背景のもと、本発明は、データの書き込み時における消費電力を小さく抑えることができる記憶装置の提供を課題の一つとする。或いは、本発明は、データの信頼性を高めることができる記憶装置の提供を課題の一つとする。
【００１０】
或いは、本発明は、上記記憶装置を用いることで、消費電力を低く抑えることができる半導体装置の提供を課題の一つとする。或いは、本発明は、上記記憶装置を用いることで、信頼性を高めることができる半導体装置の提供を課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の第１の構成を有する記憶装置では、出力端子の電位が互いの入力端子に与えられ、なおかつ、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第１論理素子及び第２論理素子と、第１論理素子及び第２論理素子のデータが記憶される記憶回路と、を有する。そして、本発明の一態様では、第１論理素子と第２論理素子にそれぞれ与えられる電源電圧が、別系統であるものとする。
【００１２】
上記第１の構成を有する記憶装置では、第１論理素子及び第２論理素子に保持されているデータを、記憶装置への電源電圧の供給が停止される前に、記憶回路に待避させることができる。具体的に記憶回路には、記憶装置への電源電圧の供給が停止されている期間においてデータを保持することができる、容量素子、ＭＲＡＭ、ＲｅＲＡＭ、ＦｅＲＡＭなどの回路素子を用いることができる。
【００１３】
そして、本発明の第１の構成を有する記憶装置では、第１論理素子に与えられる電源電圧と、第２論理素子に与えられる電源電圧を別系統とすることで、記憶回路に保持されていたデータを第１論理素子及び第２論理素子に戻す際に、第１論理素子及び第２論理素子において、一方に電源電圧を与えつつ、他方に電源電圧を与えない状態を、作ることができる。よって、第１論理素子及び第２論理素子のいずれか一方にのみ電源電圧を与える動作と、待避させていたデータを第１論理素子及び第２論理素子に書き込む動作と、第１論理素子及び第２論理素子の両方に電源電圧を与えることで上記データを第１論理素子及び第２論理素子に保持させる動作とを、同時にではなく、順に行うことができる。
【００１４】
したがって、本発明の一態様に係る記憶装置では、記憶装置への電源電圧の供給が停止されている間に、第１論理素子または第２論理素子の入力端子または出力端子などのノードにおいて、電位が不定状態にあっても、いずれか一方の論理素子に先に電源電圧を供給してから待避させていたデータを復帰させることができるので、不定状態にあった上記ノードの電位を、データに従って確実に定めることができる。よって、記憶回路から第１論理素子及び第２論理素子にデータを戻した後でも、データの高信頼性を確保することができる。
【００１５】
或いは、本発明の第２の構成を有する記憶装置は、出力端子の電位が互いの入力端子に与えられ、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子にそれぞれ与える第１論理素子及び第２論理素子と、スイッチと、スイッチを介して書き込まれた第１論理素子及び第２論理素子のデータが記憶される容量素子と、を有する。そして、本発明の一態様では、上記第２の構成を有する記憶装置において、第１論理素子と第２論理素子にそれぞれ与えられる電源電圧が、別系統であっても良い。
【００１６】
上記第２の構成を有する記憶装置では、第１論理素子及び第２論理素子に保持されているデータを、記憶装置への電源電圧の供給が停止される前に、容量素子に待避させることができる。具体的に、データの待避は、容量素子への電荷の供給により行い、上記電荷の保持は、上記スイッチをオフにすることで行う。
【００１７】
そして、本発明の第２の構成を有する記憶装置では、第１論理素子に与えられる電源電圧と、第２論理素子に与えられる電源電圧を別系統とすることで、容量素子に保持されていた電荷を放出して待避させておいたデータを第１論理素子及び第２論理素子に戻す際に、第１論理素子及び第２論理素子において、一方に電源電圧を与えつつ、他方に電源電圧を与えない状態を、作ることができる。よって、第１論理素子及び第２論理素子のいずれか一方にのみ電源電圧を与える動作と、待避させていたデータを第１論理素子及び第２論理素子に書き込む動作と、第１論理素子及び第２論理素子の両方に電源電圧を与えることで上記データを第１論理素子及び第２論理素子に保持させる動作とを、同時にではなく、順に行うことができる。
【００１８】
したがって、本発明の第２の構成を有する記憶装置では、記憶装置への電源電圧の供給が停止されている間に、第１論理素子または第２論理素子の入力端子または出力端子などのノードにおいて、電位が不定状態にあっても、いずれか一方の論理素子に先に電源電圧を供給してから待避させていたデータを復帰させることができるので、不定状態にあった上記ノードの電位を、データに従って確実に定めることができる。よって、記憶回路から第１論理素子及び第２論理素子にデータを戻した後でも、データの高信頼性を確保することができる。
【００１９】
また、本発明の第１の構成または第２の構成を有する記憶装置では、データを待避させることで、電源電圧の供給が停止されても、記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。よって、外部記憶装置にデータを待避させる必要がないため、記憶装置、もしくは記憶装置を用いた半導体装置へ、６０秒のように長い時間であっても、ミリ秒程度の短い時間であっても、電源電圧の供給の停止を行うことができる。その結果、記憶装置、及び半導体装置の消費電力を低減させることができる。
【００２０】
さらに、本発明の第２の構成を有する記憶装置では、オフ電流の小さいトランジスタで上記スイッチを構成することを、構成要件に加えても良い。例えば、バンドギャップが広く、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された半導体を、チャネル形成領域に含むトランジスタは、オフ電流が著しく小さい。本発明の一態様では、上記構成を有するトランジスタをスイッチとして用いることで、容量素子において保持されている電荷のリークを防ぎ、データの信頼性を高めることができる。
【００２１】
そして、本発明の第２の構成を有する記憶装置では、容量素子への電荷の供給によりデータの書き込みを行っているので、ＭＲＡＭなどに比べてデータの書き込みに要する電流を１／１００程度に抑えることができる。そのため、本発明の一態様では、電源の遮断に要するオーバーヘッドをＭＲＡＭの場合よりも小さくすることができるので、損益分岐時間を短くすることができる。よって、上記記憶装置を用いた本発明の一態様に係る半導体装置では、ＭＲＡＭを用いる場合より消費電力を抑えることができる。
【００２２】
具体的に、本発明の一態様に係る記憶装置では、第１電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第１論理素子と、第１電源電圧とは異なる系統の第２電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第２論理素子と、上記第１論理素子が有する上記入力端子に接続された第１記憶回路と、上記第２論理素子が有する上記入力端子に接続された第２記憶回路と、上記第１論理素子が有する上記入力端子と第１配線の接続を制御する第１スイッチと、上記第２論理素子が有する上記入力端子と第２配線の接続を制御する第２スイッチと、を有する。そして、上記第１論理素子が有する上記入力端子に上記第２論理素子が有する上記出力端子が接続され、上記第２論理素子が有する上記入力端子に上記第１論理素子が有する上記出力端子が接続されている。
【００２３】
具体的に、本発明の一態様に係る記憶装置では、第１電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第１論理素子と、第１電源電圧とは異なる系統の第２電源電圧が供給されると、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する第２論理素子と、第１容量素子、及び第２容量素子と、上記第１論理素子が有する上記入力端子と上記第１容量素子の接続を制御する第１スイッチと、上記第２論理素子が有する上記入力端子と上記第２容量素子の接続を制御する第２スイッチと、上記第１論理素子が有する上記入力端子と第１配線の接続を制御する第３スイッチと、上記第２論理素子が有する上記入力端子と第２配線の接続を制御する第４スイッチと、を有する。そして、上記第１論理素子が有する上記入力端子に上記第２論理素子が有する上記出力端子が接続され、上記第２論理素子が有する上記入力端子に上記第１論理素子が有する上記出力端子が接続されている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の一態様により、データの信頼性を高めることができる記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、データの書き込み時における消費電力を小さく抑えることができ、不揮発性と高速性を兼ね備えた記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、信頼性を高めることができる半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、消費電力を低く抑えることができる半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】記憶素子の構成を示す図。
【図２】タイミングチャート。
【図３】記憶素子の構成を示す図。
【図４】タイミングチャート。
【図５】記憶素子の構成を示す図。
【図６】タイミングチャート。
【図７】記憶装置の構成を示す図。
【図８】ＣＰＵの構成を示す図。
【図９】半導体装置の構成を示す図。
【図１０】記憶装置の構成を示す図。
【図１１】記憶装置の断面図。
【図１２】電子機器の図。
【図１３】半導体装置の断面図。
【図１４】半導体装置のブロック図。
【図１５】記憶装置の光学顕微鏡による写真と、記憶装置の構成を示す図。
【図１６】記憶装置の構成を示す図と、記憶装置の光学顕微鏡による写真。
【図１７】記憶装置のデータ保持特性のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２７】
なお、本発明は、マイクロプロセッサ、画像処理回路、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロコントローラなどの集積回路や、ＲＦタグ、半導体表示装置等、記憶装置を用いることができる半導体装置を、その範疇に含む。半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子（ＯＬＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）等や、記憶装置を駆動回路または制御回路に有しているその他の半導体表示装置が、その範疇に含まれる。
【００２８】
（実施の形態１）
本発明の一態様に係る記憶装置は、１ビットのデータを記憶することができる記憶素子１００を、単数または複数有している。図１では、記憶素子１００の構成を例示している。
【００２９】
記憶素子１００は、論理素子１０１及び論理素子１０２と、スイッチ１０３と、スイッチ１０４と、記憶回路１２０と、記憶回路１２１とを有する。
【００３０】
論理素子１０１及び論理素子１０２は、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する機能を有している。つまり、論理素子１０１及び論理素子１０２は、信号の論理レベルを反転させる機能を有している。具体的に、論理素子１０１及び論理素子１０２として、それぞれインバータ、またはクロックドインバータなどを用いることができる。そして、論理素子１０１と論理素子１０２は、入力端子が互いの出力端子に接続されている。
【００３１】
また、記憶素子１００には、配線１０９乃至配線１１３が接続されている。記憶素子１００におけるデータの書き込みと読み出しは、配線１０９及び配線１１０を介して行われる。スイッチ１０３は、配線１０９に与えられたデータの論理素子１０１及び論理素子１０２への書き込みと、論理素子１０１及び論理素子１０２から配線１０９へのデータの読み出しとを、制御する機能を有する。また、スイッチ１０４は、配線１１０に与えられたデータの論理素子１０１及び論理素子１０２への書き込みと、論理素子１０１及び論理素子１０２から配線１１０へのデータの読み出しとを、制御する機能を有する。
【００３２】
具体的に、図１では、スイッチ１０３は、論理素子１０１の入力端子と配線１０９の電気的な接続を制御する機能を有する。また、スイッチ１０４は、論理素子１０２の入力端子と配線１１０の電気的な接続を制御する機能を有する。
【００３３】
配線１１１乃至配線１１３は、記憶素子１００に電源電位を与える機能を有する。具体的に、図１では、配線１１１に与えられる電源電位と配線１１３に与えられる電源電位の差が、電源電圧として論理素子１０１に与えられる。また、図１では、配線１１２に与えられる電源電位と配線１１３に与えられる電源電位の差が、電源電圧として論理素子１０２に与えられる。
【００３４】
本発明の一態様では、上記構成により、論理素子１０１に与えられる電源電圧と、論理素子１０２に与えられる電源電圧とを、別系統にすることができる。電源電圧を別系統にすることで、論理素子１０１に電源電圧を与えつつ、論理素子１０２に電源電圧を与えない状態を作ることができる。或いは、論理素子１０２に電源電圧を与えつつ、論理素子１０１に電源電圧を与えない状態を作ることができる。
【００３５】
なお、電源電圧を与えない状態とは、論理素子１０１の場合、配線１１１と配線１１３の電位差が限りなく０Ｖに近い状態を意味し、論理素子１０２の場合、配線１１２と配線１１３の電位差が限りなく０Ｖに近い状態を意味する。
【００３６】
論理素子１０１及び論理素子１０２は、電源電圧が与えられることで、スイッチ１０３及びスイッチ１０４を介して書き込まれたデータを、保持することができる。
【００３７】
記憶回路１２０及び記憶回路１２１は、電源電圧の供給が停止されていても、データを記憶する機能を有する。具体的に、図１では、記憶回路１２０が論理素子１０１の入力端子に接続されており、記憶回路１２１が論理素子１０２の入力端子に接続されている。上記構成により、記憶素子１００への電源電圧の供給が停止する前に、論理素子１０１及び論理素子１０２に保持されているデータを記憶回路１２０及び記憶回路１２１に待避させ、データが消失するのを防ぐことができる。
【００３８】
なお、記憶回路１２０及び記憶回路１２１には、電源電圧の供給が停止されている期間においてデータを保持することができる、容量素子、ＭＲＡＭ、ＲｅＲＡＭ、ＦｅＲＡＭなどの回路素子を用いることができる。
【００３９】
また、記憶素子１００は、必要に応じて、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどの、その他の回路素子を、さらに有していても良い。
【００４０】
図１に示した記憶素子１００の動作の一例は、図２に示したタイミングチャートで示される。図２に示すタイミングチャートでは、記憶素子１００の動作が期間Ｔ１乃至期間Ｔ８によって異なる。期間Ｔ１、期間Ｔ２、及び期間Ｔ８では、論理素子１０１及び論理素子１０２におけるデータの書き込みと、保持と、読み出しとが行われる。期間Ｔ３乃至期間Ｔ７では、論理素子１０１及び論理素子１０２への電源電圧の供給の停止及び再開と、データの待避及び復帰とが行われる。
【００４１】
以下、各期間における記憶素子１００の動作について詳細に説明する。なお、配線１１３には常にローレベルの電源電位ＶＳＳが与えられているものとして、以下の説明を行う。
【００４２】
期間Ｔ１では、配線１０９及び配線１１０を介して、データが記憶素子１００に書き込まれる。具体的に、スイッチ１０３及びスイッチ１０４がオン（導通状態）となる。そして、データを含む信号の第１電位が、配線１０９からスイッチ１０３を介して論理素子１０１の入力端子に与えられる。また、第１電位の極性が反転することで得られる第２電位が、配線１１０からスイッチ１０４を介して論理素子１０２の入力端子に与えられる。
【００４３】
また、配線１１１及び配線１１２には、ハイレベルの電源電位ＶＤＤが与えられており、電源電位ＶＳＳと電源電位ＶＤＤの差に相当する電源電圧が、論理素子１０１及び論理素子１０２に与えられている。よって、論理素子１０１及び論理素子１０２は、電源電圧が与えられることで、書き込まれたデータを保持する。
【００４４】
期間Ｔ２では、記憶素子１００に書き込まれたデータが、論理素子１０１及び論理素子１０２により保持される。具体的に、スイッチ１０３及びスイッチ１０４がオフ（非導通状態）となる。また、配線１１１及び配線１１２には電源電位ＶＤＤが与えられており、電源電位ＶＳＳと電源電位ＶＤＤの差に相当する電源電圧が、論理素子１０１及び論理素子１０２に与えられている。そして、データを含む信号の第１電位が、論理素子１０１の入力端子及び論理素子１０２の出力端子において保持され、第２電位が、論理素子１０２の入力端子及び論理素子１０１の出力端子において保持される。
【００４５】
期間Ｔ３では、論理素子１０１及び論理素子１０２により保持されているデータを、記憶回路１２０及び記憶回路１２１に待避させる。具体的に、スイッチ１０３及びスイッチ１０４はオフである。また、配線１１１及び配線１１２には、電源電位ＶＤＤが与えられており、電源電位ＶＳＳと電源電位ＶＤＤの差に相当する電源電圧が、論理素子１０１及び論理素子１０２に与えられている。そして、データを含む信号の第１電位が、論理素子１０１の入力端子及び論理素子１０２の出力端子から記憶回路１２０に書き込まれ、第２電位が、論理素子１０２の入力端子及び論理素子１０１の出力端子から記憶回路１２１に書き込まれることで、記憶回路１２０及び記憶回路１２１にデータが書き込まれる。
【００４６】
期間Ｔ４では、記憶素子１００への電源電圧の供給を停止する。具体的に、スイッチ１０３及びスイッチ１０４はオフである。そして、配線１１１及び配線１１２には、電源電位ＶＳＳが与えられる。よって、配線１１１及び配線１１２と配線１１３の電位差は限りなく０Ｖに近くなり、論理素子１０１及び論理素子１０２への電源電圧の供給は停止する。よって、論理素子１０１及び論理素子１０２を構成するトランジスタのオフ電流に起因するリーク電力を、限りなく０に近づけることができる。また、記憶回路１２０及び記憶回路１２１では、期間Ｔ３において書き込まれた論理素子１０１及び論理素子１０２のデータが、保持される。
【００４７】
なお、期間Ｔ４において、配線１１１及び配線１１２に与える電源電位を、電源電位ＶＤＤから電源電位ＶＳＳに切り換えるタイミングは、同じであっても良い。或いは、配線１１１及び配線１１２のいずれか一方に与える電源電位を、電源電位ＶＤＤから電源電位ＶＳＳに先に切り換えるようにしても良い。
【００４８】
期間Ｔ５では、論理素子１０１及び論理素子１０２のいずれか一方への、電源電圧の供給を再開する。具体的に、スイッチ１０３及びスイッチ１０４はオフである。そして、配線１１１に与えられる電源電位は、電源電位ＶＳＳから電源電位ＶＤＤに切り換えられ、配線１１２には電源電位ＶＳＳが与えられ続ける。上記動作により、論理素子１０１への電源電圧の供給が再開され、論理素子１０２への電源電圧の供給は停止した状態を維持する。
【００４９】
或いは、配線１１２に与えられる電源電位が、電源電位ＶＳＳから電源電位ＶＤＤに切り換えられ、配線１１１には電源電位ＶＳＳが与えられ続けても良い。上記動作の場合、論理素子１０２への電源電圧の供給が再開され、論理素子１０１への電源電圧の供給が停止した状態を維持する。
【００５０】
記憶回路１２０及び記憶回路１２１では、期間Ｔ３において書き込まれた論理素子１０１及び論理素子１０２のデータが、保持され続ける。
【００５１】
期間Ｔ６では、記憶回路１２０及び記憶回路１２１に保持されているデータを、論理素子１０１及び論理素子１０２に復帰させる。具体的に、スイッチ１０３及びスイッチ１０４はオフである。また、期間Ｔ５と同様に、配線１１１には電源電位ＶＤＤが与えられ、配線１１２には電源電位ＶＳＳが与えられている。或いは、期間Ｔ５と同様に、配線１１２に電源電位ＶＤＤが与えられ、配線１１１に電源電位ＶＳＳが与えられていても良い。そして、データを含む信号の第１電位が記憶回路１２０から読み出されて、論理素子１０１の入力端子及び論理素子１０２の出力端子に与えられ、第２電位が記憶回路１２１から読み出されて、論理素子１０２の入力端子及び論理素子１０１の出力端子に与えられることで、論理素子１０１及び論理素子１０２にデータが書き込まれる。
【００５２】
なお、期間Ｔ６では、論理素子１０１及び論理素子１０２の一方に、電源電圧が与えられた状態にあるため、論理素子１０１の入力端子（ｎｏｄｅＡ）の電位と、出力端子（ｎｏｄｅＢ）の電位とは、いずれか一方がハイレベルに、他方がローレベルになり、互いにその極性が反転した状態になる。そして、論理素子１０１及び論理素子１０２の他方には、電源電圧が供給されていない状態であるので、入力端子（ｎｏｄｅＡ）の電位と出力端子（ｎｏｄｅＢ）の電位のどちらがハイレベルでどちらがローレベルなのかは、記憶回路１２０及び記憶回路１２１からのデータに従って定まる。
【００５３】
期間Ｔ７では、論理素子１０１及び論理素子１０２のうち、期間Ｔ５において電源電圧が停止された状態にある他方の論理素子に、電源電圧の供給を再開する。具体的に、スイッチ１０３及びスイッチ１０４はオフである。そして、期間Ｔ５において、論理素子１０１への電源電圧の供給が再開されている場合、期間Ｔ７において、配線１１２に与えられる電源電位は、電源電位ＶＳＳから電源電位ＶＤＤに切り換えられ、配線１１１には電源電位ＶＤＤが与えられ続ける。上記動作により、論理素子１０１のみならず、論理素子１０２への電源電圧の供給が再開される。
【００５４】
或いは、期間Ｔ５において、論理素子１０２への電源電圧の供給が再開されている場合、期間Ｔ７において、配線１１１に与えられる電源電位が、電源電位ＶＳＳから電源電位ＶＤＤに切り換えられ、配線１１２には電源電位ＶＤＤが与えられ続ける。上記動作により、論理素子１０２のみならず、論理素子１０１への電源電圧の供給が再開される。
【００５５】
なお、期間Ｔ７では、上記他方の論理素子に電源電圧の供給を再開する際に、記憶回路１２０及び記憶回路１２１から論理素子１０１及び論理素子１０２に第１電位及び第２電位を与えている状態を維持しておく。具体的には、第１電位を記憶回路１２０から論理素子１０１の入力端子及び論理素子１０２の出力端子に与え、第２電位が記憶回路１２１から論理素子１０２の入力端子及び論理素子１０１の出力端子に与えた状態を、期間Ｔ６から引き続き維持しておく。そして、上記他方の論理素子において電源電圧の供給が再開された後、記憶回路１２０及び記憶回路１２１から論理素子１０１及び論理素子１０２への第１電位及び第２電位の供給を停止する。
【００５６】
上記動作により、期間Ｔ７では、期間Ｔ６において論理素子１０１及び論理素子１０２に書き込まれたデータが、保持される。
【００５７】
期間Ｔ８では、論理素子１０１及び論理素子１０２に保持されているデータが、配線１０９及び配線１１０を介して読み出される。具体的に、スイッチ１０３及びスイッチ１０４がオンとなる。そして、データを含む信号の第１電位が、論理素子１０１の入力端子からスイッチ１０３を介して配線１０９に与えられる。また、第２電位が、論理素子１０２の入力端子からスイッチ１０４を介して配線１１０に与えられる。
【００５８】
また、配線１１１及び配線１１２には、ハイレベルの電源電位ＶＤＤが与えられており、電源電位ＶＳＳと電源電位ＶＤＤの差に相当する電源電圧が、論理素子１０１及び論理素子１０２に与えられている。
【００５９】
なお、期間Ｔ１、期間Ｔ２、及び期間Ｔ８において、記憶回路１２０及び記憶回路１２１は、上記データの書き込み及び読み出しが可能な状態にあっても良いし、上記データの書き込み及び読み出しが不可の状態にあっても良い。
【００６０】
本発明の一態様に係る記憶装置では、論理素子１０１に与えられる電源電圧と、論理素子１０２に与えられる電源電圧を別系統とすることで、期間Ｔ５のように、記憶回路１２０及び記憶回路１２１に保持されていたデータを論理素子１０１及び論理素子１０２に戻す際に、論理素子１０１及び論理素子１０２において、一方に電源電圧を与えつつ、他方に電源電圧を与えない状態を、作ることができる。よって、論理素子１０１及び論理素子１０２のいずれか一方にのみ電源電圧を与える期間Ｔ５の動作と、待避させていたデータを論理素子１０１及び論理素子１０２に書き込む期間Ｔ６の動作と、論理素子１０１及び論理素子１０２の両方に電源電圧を与えることで上記データを論理素子１０１及び論理素子１０２に保持させる期間Ｔ７の動作とを、同時にではなく、順に行うことができる。したがって、本発明の一態様に係る記憶装置では、記憶回路１２０及び記憶回路１２１に待避させていたデータを論理素子１０１及び論理素子１０２に戻した後でも、データの高信頼性を確保することができる。
【００６１】
次いで、図１に示した記憶素子１００の具体的な構成の一例について、図３を用いて示す。
【００６２】
図３に示す記憶素子１００は、論理素子１０１の一例に相当するインバータ１０１ｉと、論理素子１０２の一例に相当するインバータ１０２ｉと、スイッチ１０３と、スイッチ１０４と、記憶回路１２０の一例に相当するスイッチ１０７及び容量素子１０５と、記憶回路１２１の一例に相当するスイッチ１０８及び容量素子１０６とを有する。インバータ１０１ｉとインバータ１０２ｉは、入力端子が互いの出力端子に接続されている。
【００６３】
インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉは、配線１１１乃至配線１１３から電源電圧が与えられることで、スイッチ１０３及びスイッチ１０４を介して書き込まれたデータを、保持することができる。
【００６４】
容量素子１０５は、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに保持されているデータを必要に応じて記憶できるように、スイッチ１０７を介して、インバータ１０１ｉの入力端子に接続されている。また、容量素子１０６は、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに保持されているデータを必要に応じて記憶できるように、スイッチ１０８を介して、インバータ１０２ｉの入力端子に接続されている。
【００６５】
具体的に、容量素子１０５は、一対の電極間に誘電体を有するコンデンサであり、その一方の電極は、スイッチ１０７を介してインバータ１０１ｉの入力端子に接続され、他方の電極は、接地電位などの電位が与えられているノードに接続されている。また、容量素子１０６は、一対の電極間に誘電体を有するコンデンサであり、その一方の電極は、スイッチ１０８を介してインバータ１０２ｉの入力端子に接続され、他方の電極は、接地電位などの電位が与えられているノードに接続されている。
【００６６】
そして、本発明の一態様では、スイッチ１０７及びスイッチ１０８に、オフ電流が著しく小さいトランジスタを用いる。上記構成により、記憶素子１００への電源電圧の供給が停止されても、スイッチ１０７及びスイッチ１０８をオフにすることで、記憶回路１２０及び記憶回路１２１においてデータを保持することができる。よって、記憶素子１００への電源電圧の供給が停止する前に、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに保持されているデータを記憶回路１２０及び記憶回路１２１に待避させ、データが消失するのを防ぐことができる。
【００６７】
なお、記憶素子１００は、必要に応じて、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどの、その他の回路素子を、さらに有していても良い。
【００６８】
図３に示した記憶素子１００の動作の一例は、図４に示したタイミングチャートで示される。図４に示すタイミングチャートでは、図２と同様に、記憶素子１００の動作が期間Ｔ１乃至期間Ｔ８によって異なる。期間Ｔ１、期間Ｔ２、及び期間Ｔ８では、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉにおけるデータの書き込みと、保持と、読み出しとが行われる。期間Ｔ３乃至期間Ｔ７では、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給の停止及び再開と、データの待避及び復帰とが行われる。
【００６９】
以下、各期間における、図３に示した記憶素子１００の動作について説明する。ただし、スイッチ１０３及びスイッチ１０４の動作と、配線１１１及び配線１１２に与えられる電源電位については、全ての期間において図２に示したタイミングチャートの場合と同じであるので、本実施の形態では各期間におけるスイッチ１０７及びスイッチ１０８の動作について詳細に説明する。また、配線１１３には常にローレベルの電源電位ＶＳＳが与えられているものとして、以下の説明を行う。
【００７０】
期間Ｔ１及び期間Ｔ２では、スイッチ１０７及びスイッチ１０８はオフとする。上記期間Ｔ１及び期間Ｔ２においてスイッチ１０７またはスイッチ１０８がオンであっても良いが、期間Ｔ１においてスイッチ１０７及びスイッチ１０８がオフの場合、記憶素子１００へのデータの書き込み時に、容量素子１０５及び容量素子１０６において電荷が充放電されないので、記憶素子１００へのデータの書き込みを高速に行うことができる。
【００７１】
期間Ｔ３では、スイッチ１０７及びスイッチ１０８をオンとする。そして、データを含む信号の第１電位が、インバータ１０１ｉの入力端子及びインバータ１０２ｉの出力端子から容量素子１０５の一方の電極に与えられ、第２電位が、インバータ１０２ｉの入力端子及びインバータ１０１ｉの出力端子から容量素子１０６の一方の電極に与えられることで、記憶回路１２０及び記憶回路１２１にデータが書き込まれる。上記動作により、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに保持されているデータに従って、スイッチ１０７及びスイッチ１０８を介して、容量素子１０５及び容量素子１０６に電荷が供給されるため、上記データを記憶回路１２０及び記憶回路１２１に待避させることができる。
【００７２】
期間Ｔ４及び期間Ｔ５では、スイッチ１０７及びスイッチ１０８をオフとする。上記動作により、容量素子１０５及び容量素子１０６に供給された電荷が、保持される。
【００７３】
期間Ｔ６では、スイッチ１０７及びスイッチ１０８をオンとする。そして、容量素子１０５により保持されていた第１電位が、記憶回路１２０から読み出されて、インバータ１０１ｉの入力端子及びインバータ１０２ｉの出力端子に与えられる。また、容量素子１０６により保持されていた第２電位が記憶回路１２１から読み出されて、インバータ１０２ｉの入力端子及びインバータ１０１ｉの出力端子に与えられる。上記動作により、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉにデータが書き込まれる。
【００７４】
期間Ｔ６においては、インバータ１０２ｉに電源電圧が供給されないため、インバータ１０２ｉは動作しない。そのため、容量素子１０５がインバータ１０２ｉによって充放電されることはない。従って、インバータ１０２ｉへの電源電圧の供給が開始された時に、インバータ１０２ｉの誤動作によって容量素子１０５のデータが消失することはない。一方、容量素子１０６のデータは、インバータ１０１ｉへの電源電圧の供給が開始された時に、インバータ１０１ｉの誤動作により消失する可能性がある。しかし、容量素子１０５にはデータが残っているので、容量素子１０５のデータを用いて、インバータ１０２ｉにより容量素子１０６のデータが書き直される。具体的には、容量素子１０５のデータが、インバータ１０２ｉによりデジタル値が反転させられ、容量素子１０６に書き込まれる。
【００７５】
期間Ｔ７及び期間Ｔ８では、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給が再開されるまで、スイッチ１０７及びスイッチ１０８をオンとする。そして、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給が再開された後、スイッチ１０７及びスイッチ１０８をオフとする。なお、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給が再開された後も、スイッチ１０７及びスイッチ１０８をオンの状態にしておいても良いが、期間Ｔ８においてスイッチ１０７及びスイッチ１０８がオフの場合、記憶素子１００からのデータの読み出し時に、容量素子１０５及び容量素子１０６において電荷が充放電されないので、記憶素子１００からのデータの読み出しを高速に行うことができる。
【００７６】
次いで、図３に示した記憶素子１００のさらに具体的な構成の一例について、図５を用いて示す。
【００７７】
図５に示す記憶素子１００では、スイッチ１０３としてトランジスタ１０３ｔを用い、スイッチ１０４としてトランジスタ１０４ｔを用い、スイッチ１０７としてトランジスタ１０７ｔを用い、スイッチ１０８としてトランジスタ１０８ｔを用いている。トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔと、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔとは、ｎチャネル型であってもｐチャネル型であっても、どちらでも良い。図５では、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔと、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔとが全てｎチャネル型である場合を例示している。
【００７８】
また、図５では、インバータ１０１ｉはｐチャネル型のトランジスタ１１６と、ｎチャネル型のトランジスタ１１７とを有する。インバータ１０２ｉはｐチャネル型のトランジスタ１１４と、ｎチャネル型のトランジスタ１１５とを有する。
【００７９】
そして、トランジスタ１０３ｔのソース端子及びドレイン端子は、一方が配線１０９に接続され、他方がトランジスタ１１６及びトランジスタ１１７のゲート電極に接続されている。トランジスタ１０３ｔのゲート電極は、配線１１８に接続されている。トランジスタ１０４ｔのソース端子及びドレイン端子は、一方が配線１１０に接続され、他方がトランジスタ１１４及びトランジスタ１１５のゲート電極に接続されている。トランジスタ１０４ｔのゲート電極は、配線１１８に接続されている。
【００８０】
なお、トランジスタのソース端子とは、活性層の一部であるソース領域、或いは活性層に接続されたソース電極を意味する。同様に、トランジスタのドレイン端子とは、活性層の一部であるドレイン領域、或いは活性層に接続されたドレイン電極を意味する。
【００８１】
また、トランジスタ１０７ｔのソース端子及びドレイン端子は、一方がトランジスタ１１６及びトランジスタ１１７のゲート電極に接続され、他方が容量素子１０５の一方の電極に接続されている。トランジスタ１０７ｔのゲート電極は、配線１１９に接続されている。トランジスタ１０８ｔのソース端子及びドレイン端子は、一方がトランジスタ１１４及びトランジスタ１１５のゲート電極に接続され、他方が容量素子１０６の一方の電極に接続されている。トランジスタ１０８ｔのゲート電極は、配線１１９に接続されている。
【００８２】
また、トランジスタ１１４のソース端子及びドレイン端子は、一方が配線１１２に接続され、他方がトランジスタ１１６及びトランジスタ１１７のゲート電極に接続されている。トランジスタ１１５のソース端子及びドレイン端子は、一方が配線１１３に接続され、他方がトランジスタ１１６及びトランジスタ１１７のゲート電極に接続されている。トランジスタ１１６のソース端子及びドレイン端子は、一方が配線１１１に接続され、他方がトランジスタ１１４及びトランジスタ１１５のゲート電極に接続されている。トランジスタ１１７のソース端子及びドレイン端子は、一方が配線１１３に接続され、他方がトランジスタ１１４及びトランジスタ１１５のゲート電極に接続されている。
【００８３】
上記構成を有するインバータ１０１ｉでは、トランジスタ１１６及びトランジスタ１１７のゲート電極が、その入力端子としての機能を有する。また、インバータ１０１ｉでは、トランジスタ１１６のソース端子及びドレイン端子の他方と、トランジスタ１１７のソース端子及びドレイン端子の他方とが、その出力端子としての機能を有する。上記構成を有するインバータ１０２ｉでは、トランジスタ１１４及びトランジスタ１１５のゲート電極が、その入力端子としての機能を有する。また、インバータ１０２ｉでは、トランジスタ１１４のソース端子及びドレイン端子の他方と、トランジスタ１１５のソース端子及びドレイン端子の他方とが、その出力端子としての機能を有する。
【００８４】
なお、記憶素子１００は、必要に応じて、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどの、その他の回路素子を、さらに有していても良い。
【００８５】
また、図５では、各スイッチが一のトランジスタで構成されている場合を例示しているが、本発明はこの構成に限定されない。本発明の一態様では、複数のトランジスタにより一のスイッチが構成されていても良い。一のスイッチが複数のトランジスタで構成されている場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていても良いし、直列に接続されていても良いし、直列と並列が組み合わされて接続されていても良い。
【００８６】
本明細書において、トランジスタが直列に接続されている状態とは、第１のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方のみが、第２のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方のみに接続されている状態を意味する。また、トランジスタが並列に接続されている状態とは、第１のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方が、第２のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方に接続され、第１のトランジスタのソース端子とドレイン端子の他方が第２のトランジスタのソース端子とドレイン端子の他方に接続されている状態を意味する。
【００８７】
また、トランジスタが有するソース端子とドレイン端子は、トランジスタのチャネル型、及びソース端子とドレイン端子に与えられる電位の高低によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、ｎチャネル型のトランジスタでは、ソース端子とドレイン端子のうち、低い電位が与えられる方がソース端子と呼ばれ、高い電位が与えられる方がドレイン端子と呼ばれる。また、ｐチャネル型のトランジスタでは、ソース端子とドレイン端子のうち、低い電位が与えられる方がドレイン端子と呼ばれ、高い電位が与えられる方がソース端子と呼ばれる。本明細書では、便宜上、ソース端子とドレイン端子とが固定されているものと仮定して、トランジスタの接続関係を説明する場合があるが、実際には上記電位の関係に従ってソース端子とドレイン端子の呼び方が入れ替わる。
【００８８】
また、図５では、各スイッチを構成しているトランジスタがシングルゲート構造である場合を例示しているが、上記トランジスタは、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。
【００８９】
図５に示した記憶素子１００の動作の一例を、図６のタイミングチャートに示す。図６では、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔと、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔとが、全てｎチャネル型であると仮定したときの、配線１１１及び配線１１２と、配線１１８及び配線１１９とにおける電位の時間変化を示している。また、図６に示すタイミングチャートでは、図２と同様に、記憶素子１００の動作が期間Ｔ１乃至期間Ｔ８によって異なる。期間Ｔ１、期間Ｔ２、及び期間Ｔ８では、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉにおけるデータの書き込みと、保持と、読み出しとが行われる。期間Ｔ３乃至期間Ｔ７では、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給の停止及び再開と、データの待避及び復帰とが行われる。
【００９０】
以下、図５に示した記憶素子１００の各期間における動作について詳細に説明する。なお、配線１１３には常に電源電位ＶＳＳが与えられているものとして、以下の説明を行う。
【００９１】
期間Ｔ１では、配線１１８にハイレベルの電位ＶＨが与えられるので、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔはオンとなる。よって、配線１０９及び配線１１０のデータが、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに書き込まれる。また、配線１１９にローレベルの電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔはオフである。配線１１１及び配線１１２には、電源電位ＶＤＤが与えられており、電源電位ＶＳＳと電源電位ＶＤＤの差に相当する電源電圧が、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに与えられている。
【００９２】
期間Ｔ２では、配線１１８に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔはオフとなる。よって、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉは、データを保持する。また、配線１１９に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔはオフである。配線１１１及び配線１１２には、電源電位ＶＤＤが与えられており、電源電位ＶＳＳと電源電位ＶＤＤの差に相当する電源電圧が、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに与えられている。
【００９３】
期間Ｔ３では、配線１１８に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔはオフである。また、配線１１９に電位ＶＨが与えられるので、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔはオンとなる。よって、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉのデータが、容量素子１０５及び容量素子１０６に書き込まれる。配線１１１及び配線１１２には、電源電位ＶＤＤが与えられており、電源電位ＶＳＳと電源電位ＶＤＤの差に相当する電源電圧が、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに与えられている。
【００９４】
期間Ｔ４では、配線１１８に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔはオフである。また、配線１１９に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔはオフである。配線１１１及び配線１１２には、電源電位ＶＳＳが与えられるので、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給は停止している。よって、トランジスタ１１４及びトランジスタ１１５のオフ電流により、配線１１２と配線１１３の間に流れる電流を限りなく０に近づけることができる。また、トランジスタ１１６及びトランジスタ１１７のオフ電流により、配線１１１と配線１１３の間に流れる電流を限りなく０に近づけることができる。よって、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉを構成するトランジスタのオフ電流に起因するリーク電力を、限りなく０に近づけることができる。そして、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔのオフ電流が十分に小さければ、容量素子１０５及び容量素子１０６のデータは、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給が停止した後も、保持され続ける。
【００９５】
なお、特に断りがない限り、本明細書でトランジスタのオフ電流とは、ｎチャネル型のトランジスタにおいては、ドレイン端子をソース端子とゲート電極よりも高い電圧とした状態において、ソース端子の電圧を基準としたときのゲート電極の電圧が０Ｖ以下であるときに、ソース端子とドレイン端子の間に流れる電流のことを意味する。或いは、本明細書でオフ電流とは、ｐチャネル型のトランジスタにおいては、ドレイン端子をソース端子とゲート電極よりも低い電圧とした状態において、ソース端子の電圧を基準としたときのゲート電極の電圧が０Ｖ以上であるときに、ソース端子とドレイン端子の間に流れる電流のことを意味する。
【００９６】
また、図６に示すタイミングチャートでは、期間Ｔ３から期間Ｔ４へ移行する際に、配線１１２に与える電源電位を電源電位ＶＤＤから電源電位ＶＳＳに切り換えた後で、配線１１１に与える電源電位を電源電位ＶＤＤから電源電位ＶＳＳに切り換えている。本発明の一態様では、配線１１１に与える電源電位と、配線１１２に与える電源電位とを、同時に電源電位ＶＤＤから電源電位ＶＳＳに切り換えても良い。或いは、本発明の一態様では、配線１１１に与える電源電位を電源電位ＶＤＤから電源電位ＶＳＳに切り換えた後で、配線１１２に与える電源電位を電源電位ＶＤＤから電源電位ＶＳＳに切り換えても良い。
【００９７】
期間Ｔ５では、配線１１８に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔはオフである。また、配線１１９に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔはオフである。配線１１１には、電源電位ＶＤＤが与えられるので、インバータ１０１ｉへの電源電圧の供給が再開される。また、配線１１２には電源電位ＶＳＳが与えられるので、インバータ１０２ｉへの電源電圧の供給は停止している。
【００９８】
期間Ｔ６では、配線１１８に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔはオフである。また、配線１１９に電位ＶＨが与えられるので、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔはオンとなる。配線１１１には、電源電位ＶＤＤが与えられており、インバータ１０１ｉには電源電圧が供給されている。また、配線１１２には電源電位ＶＳＳが与えられるので、インバータ１０２ｉへの電源電圧の供給は停止している。
【００９９】
期間Ｔ７では、配線１１８に電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔはオフである。また、配線１１９に与えられる電位は、電位ＶＨから電位ＶＬに変化するので、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔはオンからオフとなる。配線１１１には、電源電位ＶＤＤが与えられており、インバータ１０１ｉには電源電圧が供給されている。また、配線１１２には電源電位ＶＤＤが与えられるので、インバータ１０２ｉへの電源電圧の供給が再開される。
【０１００】
なお、図６に示すタイミングチャートでは、期間Ｔ５においてインバータ１０１ｉへの電源電圧の供給を再開し、期間Ｔ７においてインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給を再開しているが、期間Ｔ５においてインバータ１０２ｉへの電源電圧の供給を再開し、期間Ｔ７においてインバータ１０１ｉへの電源電圧の供給を再開しても良い。この場合、期間Ｔ５及び期間Ｔ６において、配線１１１に電源電位ＶＳＳが、配線１１２に電源電位ＶＤＤが与えられる。
【０１０１】
期間Ｔ８では、配線１１８にハイレベルの電位ＶＨが与えられるので、トランジスタ１０３ｔ及びトランジスタ１０４ｔはオンとなる。また、配線１１９にローレベルの電位ＶＬが与えられるので、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔはオフである。配線１１１及び配線１１２には、電源電位ＶＤＤが与えられており、電源電位ＶＳＳと電源電位ＶＤＤの差に相当する電源電圧が、インバータ１０１ｉ及びインバータ１０２ｉに与えられている。
【０１０２】
なお、期間Ｔ１、期間Ｔ２、及び期間Ｔ８において、記憶回路１２０及び記憶回路１２１は、上記データの書き込み及び読み出しが可能な状態にあっても良いし、上記データの書き込み及び読み出しが不可の状態にあっても良い。すなわち、上記期間Ｔ１、期間Ｔ２、及び期間Ｔ８において、配線１１９にハイレベルの電位ＶＨが与えられていても良い。
【０１０３】
図５に示す記憶素子１００では、トランジスタ１０７ｔをオフにすることで容量素子１０５における電荷の保持を行う。また、トランジスタ１０８ｔをオフにすることで容量素子１０６における電荷の保持を行う。よって、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔは、オフ電流が小さいことが望ましい。オフ電流が小さいトランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔをスイッチ１０７及びスイッチ１０８として用いることで、容量素子１０５及び容量素子１０６からリークする電荷の量を小さく抑えることができるので、記憶回路１２０及び記憶回路１２１においてデータを確実に保持することができる。
【０１０４】
バンドギャップが広く、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタは、オフ電流が著しく小さい。上記トランジスタをトランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔに用いることで、記憶回路１２０及び記憶回路１２１においてデータを確実に保持することができる。
【０１０５】
なお、トランジスタ１０３ｔ、トランジスタ１０４ｔ、トランジスタ１１４乃至トランジスタ１１７は、酸化物半導体などのバンドギャップの広い半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタであっても良いし、シリコンまたはゲルマニウムなどの半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタであっても良い。結晶性を有するシリコンまたはゲルマニウムなどの半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタは、移動度が高い。上記トランジスタをトランジスタ１０３ｔ、トランジスタ１０４ｔ、トランジスタ１１４乃至トランジスタ１１７に用いることで、記憶素子１００におけるデータの書き込み及び読み出しを、高速に行うことができる。
【０１０６】
また、トランジスタ１０３ｔ、トランジスタ１０４ｔ、トランジスタ１１４乃至トランジスタ１１７が、シリコンまたはゲルマニウムなどの半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタであり、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔが、酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタである場合、トランジスタ１０３ｔ、トランジスタ１０４ｔ、トランジスタ１１４乃至トランジスタ１１７と、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔとを積層することで、記憶装置の高集積化を実現することができる。
【０１０７】
なお、図３及び図５に示した構成を有する記憶素子１００は、ＭＲＡＭなどを記憶回路に用いた記憶素子に比べて、オーバーヘッドが小さい。具体的に、ＭＲＡＭは、１セルあたりの書き込み電流が５０μＡ〜５００μＡと言われているが、図３及び図５に示した構成を有する記憶素子１００では、容量素子への電荷の供給によりデータの待避を行っているので、データの書き込みに要する電流をＭＲＡＭの１／１００程度に抑えることができる。そのため、図３及び図５に示した構成を有する本発明の一態様では、電源の遮断に要するオーバーヘッドをＭＲＡＭの場合よりも小さくすることができるので、損益分岐時間を短くすることができる。よって、上記記憶装置を用いた本発明の一態様に係る半導体装置では、ＭＲＡＭを用いる場合より消費電力を抑えることができる。
【０１０８】
次いで、図７（Ａ）に、記憶装置の構成を一例として示す。図７（Ａ）に示す記憶装置は、スイッチ１３０及びスイッチ１３１と、記憶素子１００を複数有する記憶素子群１７０とを有している。スイッチ１３０を介して配線１１１に与えられた電源電位ＶＤＤが、各記憶素子１００に供給される。また、スイッチ１３１を介して配線１１２に与えられた電源電位ＶＤＤが、各記憶素子１００に供給される。さらに、各記憶素子１００には、配線１１３を介して電源電位ＶＳＳが与えられる。
【０１０９】
図７（Ａ）では、スイッチ１３０及びスイッチ１３１として、それぞれ一のトランジスタを用いている場合を例示している。そして、スイッチ１３０は信号ＳｉｇＡによりスイッチングが制御され、スイッチ１３１は信号ＳｉｇＢによりスイッチングが制御される。スイッチ１３０及びスイッチ１３１により、各記憶素子１００への、二系統の電源電位ＶＤＤの供給を制御することができる。
【０１１０】
また、図７（Ａ）では、各記憶素子１００に、二系統の電源電位ＶＤＤが供給される場合を例示しているが、本発明の一態様に係る記憶装置は、各記憶素子１００に、二系統の電源電位ＶＳＳが供給される構成を有していても良い。
【０１１１】
図７（Ｂ）に示す記憶装置は、スイッチ１３２及びスイッチ１３３と、記憶素子１００を複数有する記憶素子群１７０とを有している。スイッチ１３２を介して配線１５２に与えられた電源電位ＶＳＳが、各記憶素子１００に供給される。また、スイッチ１３３を介して配線１５１に与えられた電源電位ＶＳＳが、各記憶素子１００に供給される。さらに、各記憶素子１００には、配線１５０を介して電源電位ＶＤＤが与えられる。
【０１１２】
図７（Ｂ）では、スイッチ１３２及びスイッチ１３３として、それぞれ一のトランジスタを用いている場合を例示している。そして、スイッチ１３２は信号ＳｉｇＡによりスイッチングが制御され、スイッチ１３３は信号ＳｉｇＢによりスイッチングが制御される。スイッチ１３２及びスイッチ１３３により、各記憶素子１００への、二系統の電源電位ＶＳＳの供給を制御することができる。
【０１１３】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の一形態に相当するＣＰＵの、具体的な一形態について説明する。図８に、ＣＰＵの構成をブロック図で一例として示す。なお、本明細書に添付した図面では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとしてブロック図を示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが難しく、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。
【０１１４】
ＣＰＵ６００は、制御装置６０１と、演算装置に相当するＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ）６０２と、データキャッシュ６０３と、命令キャッシュ６０４と、プログラムカウンタ６０５と、命令レジスタ６０６と、主記憶装置６０７と、レジスタファイル６０８とを有する。
【０１１５】
制御装置６０１は、入力された命令をデコードし、実行する機能を有する。ＡＬＵ６０２は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。データキャッシュ６０３は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく緩衝記憶装置である。命令キャッシュ６０４は、制御装置６０１に送られる命令（プログラム）のうち、使用頻度の高い命令を一時的に記憶しておく緩衝記憶装置である。プログラムカウンタ６０５は、次に実行する命令のアドレスを記憶するレジスタである。命令レジスタ６０６は、次に実行する命令を記憶するレジスタである。主記憶装置６０７には、ＡＬＵ６０２における演算処理に用いられるデータや、制御装置６０１において実行される命令が記憶されている。レジスタファイル６０８は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、主記憶装置６０７から読み出されたデータ、ＡＬＵ６０２の演算処理の途中で得られたデータ、或いはＡＬＵ６０２の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。
【０１１６】
次いで、ＣＰＵ６００の動作について説明する。
【０１１７】
制御装置６０１は、プログラムカウンタ６０５に記憶されている、次に実行する命令のアドレスに従い、命令キャッシュ６０４の対応するアドレスから命令を読み出し、命令レジスタ６０６に上記命令を記憶させる。命令キャッシュ６０４の対応するアドレスに、該当する命令が記憶されていない場合は、主記憶装置６０７の対応するアドレスにアクセスし、主記憶装置６０７から命令を読み出し、命令レジスタ６０６に記憶させる。この場合、上記命令を命令キャッシュ６０４にも記憶させておく。
【０１１８】
制御装置６０１は、命令レジスタ６０６に記憶されている命令をデコードし、命令を実行する。具体的には、上記命令に従ってＡＬＵ６０２の動作を制御するための各種信号を生成する。
【０１１９】
実行すべき命令が演算命令の場合は、レジスタファイル６０８に記憶されているデータを用いてＡＬＵ６０２に演算処理を行わせ、その演算処理の結果をレジスタファイル６０８に格納する。
【０１２０】
実行すべき命令がロード命令の場合は、制御装置６０１は、まずデータキャッシュ６０３の対応するアドレスにアクセスし、該当するデータがデータキャッシュ６０３中にあるか否かを確認する。該当するデータがある場合は、上記データをデータキャッシュ６０３の対応するアドレスからレジスタファイル６０８にコピーする。該当するデータがない場合は、上記データを主記憶装置６０７の対応するアドレスからデータキャッシュ６０３の対応するアドレスにコピーした後、データキャッシュ６０３の対応するアドレスからレジスタファイル６０８に上記データをコピーする。なお、該当するデータがない場合は、上述のように低速な主記憶装置６０７にアクセスする必要があるため、データキャッシュ６０３などの緩衝記憶装置にのみアクセスする場合よりも、命令の実行に時間を要する。しかし、上記データのコピーに加えて、主記憶装置６０７における当該データのアドレス及びその近傍のアドレスのデータも緩衝記憶装置にコピーしておくことで、主記憶装置６０７における当該データのアドレス及びその近傍のアドレスへの２度目以降のアクセスを、高速に行うことができる。
【０１２１】
実行すべき命令がストア命令の場合は、レジスタファイル６０８のデータを、データキャッシュ６０３の対応するアドレスに記憶させる。このとき、制御装置６０１は、まずデータキャッシュ６０３の対応するアドレスにアクセスし、該当するデータがデータキャッシュ６０３中に格納できるか否かを確認する。格納できる場合は、上記データをレジスタファイル６０８からデータキャッシュ６０３の対応するアドレスにコピーする。格納できない場合は、データキャッシュ６０３の一部領域に新たに対応するアドレスを割り振り、上記データをレジスタファイル６０８からデータキャッシュ６０３の対応するアドレスにコピーする。なお、データキャッシュ６０３にデータをコピーしたら直ちに、主記憶装置６０７にも上記データをコピーする構成も可能である。また、幾つかのデータをデータキャッシュ６０３にコピーした後、それらのデータをまとめて主記憶装置６０７にコピーする構成も可能である。
【０１２２】
そして、制御装置６０１は、命令の実行が終了すると、再度プログラムカウンタ６０５にアクセスし、命令レジスタ６０６から読み出した命令をデコード、実行するという上記動作を繰り返す。
【０１２３】
本発明の一態様では、データキャッシュ６０３や命令キャッシュ６０４などの緩衝記憶装置に、上記実施の形態で示した記憶装置を用いることで、電源電圧の供給の停止による緩衝記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を停止する前に保持していたデータの待避を短時間で行うことができ、さらに、電源電圧の供給を再開した後、短時間で上記データを復帰することができる。よって、ＣＰＵ６００全体、もしくはＣＰＵ６００を構成する各種回路において、６０秒のように長い時間であっても、ミリ秒程度の短い時間であっても、電源電圧の供給の停止を行うことができる。従って、ＣＰＵ６００の消費電力を小さく抑えることができる。
【０１２４】
次いで、ＣＰＵ６００を有する半導体装置６５０の構成を、一例として図９に示す。図９に示す半導体装置６５０は、ＣＰＵ６００と、パワーコントローラ６５１と、スイッチ６５２と、ＢＵＦ（バッファ）６５３とを有する。
【０１２５】
ＣＰＵ６００は、パワーコントローラ６５１、ＢＵＦ６５３の動作を統括的に制御する機能を有する。ＢＵＦ６５３は、半導体装置６５０に入力されたデータをＣＰＵ６００に供給する機能を有する。
【０１２６】
パワーコントローラ６５１は、ＣＰＵ６００からの命令に従って、ＣＰＵ６００に、電源電圧及び駆動信号の供給を制御する機能を有する。ＣＰＵ６００は、パワーコントローラ６５１からの電源電圧及び駆動信号の供給が行われることで、動作状態となる。また、ＣＰＵ６００は、パワーコントローラ６５１からの電源電圧及び駆動信号の供給が停止されることで、停止状態となる。
【０１２７】
具体的に、パワーコントローラ６５１は、スイッチ６５２のオンまたはオフを制御するための、信号ＳｉｇＡ及びＳｉｇＢを生成する機能を有する。スイッチ６５２は、信号ＳｉｇＡ及びＳｉｇＢに従ってオンまたはオフのいずれかの状態が選択される。スイッチ６５２がオンだと、電源電位（図９では電源電位ＶＤＤを例示している）がスイッチ６５２を介してＣＰＵ６００に供給され、スイッチ６５２がオフだと、電源電位はＣＰＵ６００に供給されない。
【０１２８】
スイッチ６５２は、例えば図７（Ａ）に示したスイッチ１３０及びスイッチ１３１、または図７（Ｂ）に示したスイッチ１３２及びスイッチ１３３などを有する。
【０１２９】
また、ＣＰＵ６００の駆動信号には、クロック信号Ｃ−ＣＬＫなどがある。パワーコントローラ６５１は、半導体装置６５０に入力されたクロック信号ＣＬＫから、ＣＰＵ６００で用いられるクロック信号Ｃ−ＣＬＫを生成する機能を有する。
【０１３０】
次いで、図９に示した半導体装置６５０の動作の一例について説明する。
【０１３１】
電源電圧の供給を停止する際、まずＣＰＵ６００は、パワーコントローラ６５１に、ＣＰＵ６００への電源電圧及び駆動信号の供給を停止するよう、命令する。そして、上記命令に従って、パワーコントローラ６５１は、信号ＳｉｇＡ及びＳｉｇＢによりスイッチ６５２をオフさせることで、ＣＰＵ６００への電源電圧の供給を停止する。具体的に、本発明の一態様では、まず、ＣＰＵ６００では、緩衝記憶装置内において記憶回路へのデータの待避を行う。次いで、クロック信号Ｃ−ＣＬＫのＣＰＵ６００への供給を停止した後、二系統で行われている緩衝記憶装置への電源電圧の供給を両方とも停止する。
【０１３２】
パワーコントローラ６５１が、ＣＰＵ６００への電源電圧及び駆動信号の供給を停止すると、ＣＰＵ６００は停止状態になる。
【０１３３】
なお、ＣＰＵ６００への電源電圧の供給が停止した後に、ＣＰＵ６００への駆動信号の供給を停止させても良い。ただし、ＣＰＵ６００への駆動信号の供給を停止した後に、ＣＰＵ６００への電源電圧の供給を停止することで、ＣＰＵ６００が誤動作を起こすことなく、ＣＰＵ６００を停止状態にすることができるので好ましい。
【０１３４】
各種命令が半導体装置６５０に入力されると、パワーコントローラ６５１により電源電圧の供給が再開される。パワーコントローラ６５１は、上記命令の入力が行われると、ＣＰＵ６００への電源電圧及び駆動信号の供給を再開する。
【０１３５】
具体的に、まず、パワーコントローラ６５１は、緩衝記憶装置への二系統の電源電圧の供給のうち、いずれか一方を再開する。次いで、ＣＰＵ６００では、緩衝記憶装置内において、記憶回路に待避させておいたデータを論理素子に書き込むことで、当該データを復帰させる。その後、緩衝記憶装置への二系統の電源電圧の供給のうち、他方を再開させる。そして、クロック信号Ｃ−ＣＬＫのＣＰＵ６００への供給を再開する。ＣＰＵ６００は、電源電圧及び駆動信号の供給が再開されることで、再び動作状態となる。
【０１３６】
なお、ＣＰＵ６００への駆動信号の供給を再開した後に、ＣＰＵ６００への電源電圧の供給を再開しても良い。ただし、ＣＰＵ６００への電源電圧の供給を再開した後に、ＣＰＵ６００への駆動信号の供給を再開することで、ＣＰＵ６００が誤動作を起こすことなく、ＣＰＵ６００を動作状態にすることができる。
【０１３７】
上記のようにＣＰＵ６００がパワーコントローラ６５１を制御する方式に換えて、パワーコントローラ６５１の動作を、ソフトウェアすなわちＢＩＯＳ（ｂａｓｉｃ  ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ  ｓｙｓｔｅｍ）やオペレーティングシステムと連動する電源管理プログラムによって制御することもできる。
【０１３８】
例えば、ＢＩＯＳによってＣＰＵ６００が新たな命令をフェッチしないことを感知したとき、パワーコントローラ６５１にスイッチ６５２をオフにする命令を出力させるようにする。
【０１３９】
また、半導体装置６５０がコンピュータに搭載されているとき、オペレーティングシステム上で動作する電源管理プログラムによってパワーコントローラ６５１を制御するようにしても良い。電源管理プログラムは、ＣＰＵ６００の動作状態、またはハードディスクやキーボードなどの入力デバイスが一定期間動作していないことを検知して、パワーコントローラ６５１にスイッチ６５２をオフにする命令を与える。あるいは、電源管理プログラムによらず、ファンクションキーを設定しておき、使用者の意思によってパワーコントローラ６５１の動作を制御する信号を入力されるようにすることもできる。
【０１４０】
次いで、図１０に、一列の記憶素子１００に対応した、プリチャージ回路１６１、スイッチ回路１６２、センスアンプ１６３、及び出力回路１６４の接続構造を例示する。なお、図１０では、図１に示した記憶素子１００の一つを、例示している。
【０１４１】
プリチャージ回路１６１は、データの読み出し前に、配線１０９及び配線１１０の電位をリセットする機能を有する。スイッチ回路１６２は、記憶素子１００に接続された配線１０９及び配線１１０と、センスアンプ１６３及び出力回路１６４との間の接続を制御する機能を有する。
【０１４２】
センスアンプ１６３は、記憶素子１００からデータを読み出すときに、配線１０９と配線１１０の電位差を増幅させる機能を有する。また、センスアンプ１６３は、記憶素子１００から読み出されたデータを一時的に記憶する機能を有する。出力回路１６４は、センスアンプ１６３により増幅された電位差を用いて、データを読み出す機能を有する。
【０１４３】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１４４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、図５に示した記憶素子１００を有する記憶装置の、断面構造の一例について説明する。なお、本実施の形態では、トランジスタ１０３ｔ、トランジスタ１０４ｔ、トランジスタ１１４乃至トランジスタ１１７が、非晶質、微結晶、多結晶又は単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの半導体を活性層に用い、トランジスタ１０７ｔ及びトランジスタ１０８ｔが、酸化物半導体を活性層に用いる場合を例に挙げて、記憶素子１００の断面構造について説明する。
【０１４５】
なお、シリコンとしては、プラズマＣＶＤ法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーアニールなどの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。
【０１４６】
図１１に、ｐチャネル型のトランジスタ１１４及びｎチャネル型のトランジスタ１１５と、容量素子１０５と、トランジスタ１０７ｔの構成を、断面図で一例として示す。
【０１４７】
図１１に示す記憶装置は、その表面に絶縁膜２０１が形成された基板２００上に、トランジスタ１１５と、トランジスタ１１４とを有する。
【０１４８】
トランジスタ１１５は、結晶性を有するシリコンを有する半導体膜２０３ｎと、半導体膜２０３ｎ上のゲート絶縁膜２０４ｎと、ゲート絶縁膜２０４ｎを間に挟んで半導体膜２０３ｎと重なる位置に設けられたゲート電極２０５ｎと、半導体膜２０３ｎに接続された導電膜２０６及び導電膜２０７とを有する。そして、半導体膜２０３ｎは、チャネル形成領域として機能する第１の領域２０８と、ソース領域またはドレイン領域として機能する第２の領域２０９及び第２の領域２１０とを有する。第２の領域２０９及び第２の領域２１０は、第１の領域２０８を間に挟んでいる。なお、図１１では、半導体膜２０３ｎが、第１の領域２０８と第２の領域２０９及び第２の領域２１０との間に、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域として機能する第３の領域２１１及び第３の領域２１２を有している場合を例示している。
【０１４９】
また、トランジスタ１１４は、結晶性を有するシリコンを有する半導体膜２０３ｐと、半導体膜２０３ｐ上のゲート絶縁膜２０４ｐと、ゲート絶縁膜２０４ｐを間に挟んで半導体膜２０３ｐと重なる位置に設けられたゲート電極２０５ｐと、半導体膜２０３ｐに接続された導電膜２０７及び導電膜２１３とを有する。そして、半導体膜２０３ｐは、チャネル形成領域として機能する第１の領域２１４と、ソース領域またはドレイン領域として機能する第２の領域２１５及び第２の領域２１６とを有する。第２の領域２１５及び第２の領域２１６は、第１の領域２１４を間に挟んでいる。なお、図１１では、半導体膜２０３ｐが、第１の領域２１４と第２の領域２１５及び第２の領域２１６との間に、ＬＤＤ領域として機能する第３の領域２１７及び第３の領域２１８を有している場合を例示している。
【０１５０】
なお、図１１では、トランジスタ１１５と、トランジスタ１１４とが導電膜２０７を共有している。
【０１５１】
また、図１１では、トランジスタ１１５と、トランジスタ１１４とが、薄膜の半導体膜を用いている場合を例示しているが、トランジスタ１１５と、トランジスタ１１４とが、バルクの半導体基板にチャネル形成領域を有するトランジスタであっても良い。薄膜の半導体膜としては、例えば、非晶質シリコンをレーザー結晶化させることで得られる多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。
【０１５２】
そして、図１１に示す記憶装置は、導電膜２０６、導電膜２０７、及び導電膜２１３上に絶縁膜２１９が設けられている。そして、絶縁膜２１９上には、トランジスタ１０７ｔが設けられている。
【０１５３】
トランジスタ１０７ｔは、絶縁膜２１９上に、酸化物半導体を含む半導体膜２３０と、半導体膜２３０上のゲート絶縁膜２３１とを有する。なお、ゲート絶縁膜２３１は半導体膜２３０を完全に覆ってはいない。トランジスタ１０７ｔは、半導体膜２３０上に、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜２３２及び導電膜２３３を有しており、半導体膜２３０のうちゲート絶縁膜２３１に覆われていない領域において、半導体膜２３０と、導電膜２３２及び導電膜２３３とが、それぞれ接続されている。
【０１５４】
そして、導電膜２３３は、絶縁膜２１９に設けられた開口部を介して、導電膜２０７に接続されている。
【０１５５】
また、トランジスタ１０７ｔは、ゲート絶縁膜２３１上において、半導体膜２３０と重なる位置に、ゲート電極２３４及びサイドウォール２３５を有する。サイドウォール２３５はゲート電極２３４の側部に設けられている。そして、導電膜２３２の一部、及び導電膜２３３の一部は、サイドウォール２３５上に重なっている。また、導電膜２３２及び導電膜２３３上には、絶縁膜２３７が形成されている。
【０１５６】
なお、導電膜２３２及び導電膜２３３は必ずしもサイドウォール２３５に接している必要はないが、サイドウォール２３５に接するように導電膜２３２及び導電膜２３３を形成することで、導電膜２３２及び導電膜２３３の位置が多少ずれて形成されたとしても、導電膜２３２及び導電膜２３３と半導体膜２３０との接する面積が、変動するのを防ぐことができる。よって、導電膜２３２及び導電膜２３３の位置がずれることによる、トランジスタ１０７ｔのオン電流の変動を防ぐことができる。
【０１５７】
また、ゲート電極２３４上には絶縁膜２３６が設けられている。絶縁膜２３６は必ずしも設ける必要は無いが、絶縁膜２３６をゲート電極２３４の上部に設けることで、導電膜２３２及び導電膜２３３の位置がずれて、ゲート電極２３４の上部にかかるように形成されても、導電膜２３２及び導電膜２３３とゲート電極２３４が接触するのを防ぐことができる。
【０１５８】
また、トランジスタ１０７ｔ及び絶縁膜２３７上には、絶縁膜２３８が設けられており、絶縁膜２３８上には導電膜２３９が設けられている。絶縁膜２３７及び絶縁膜２３８を間に挟んで導電膜２３２及び導電膜２３９が重なっている部分が、容量素子１０５として機能する。
【０１５９】
なお、図１１では、容量素子１０５をトランジスタ１０７ｔと共に絶縁膜２１９の上に設けている場合を例示しているが、容量素子１０５は、トランジスタ１１５及びトランジスタ１１４と共に、絶縁膜２１９の下に設けられていても良い。
【０１６０】
また、図１１において、トランジスタ１０７ｔは、ゲート電極２３４を半導体膜２３０の片側において少なくとも有していれば良いが、半導体膜２３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。
【０１６１】
シリコン半導体よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半導体材料の一例として、酸化物半導体の他に、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体などがある。酸化物半導体は、炭化珪素や窒化ガリウムと異なり、スパッタリング法や湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、炭化シリコンまたは窒化ガリウムとは異なり、酸化物半導体は室温でも成膜が可能なため、ガラス基板上或いはシリコンを用いた集積回路上に電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。よって、上述したワイドギャップ半導体の中でも、特に酸化物半導体は量産性が高いというメリットを有する。また、トランジスタの性能（例えば電界効果移動度）を向上させるために結晶性の酸化物半導体を得ようとする場合でも、２５０℃から８００℃の熱処理によって容易に結晶性の酸化物半導体を得ることができる。
【０１６２】
なお、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ  ＯＳ）は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、上記酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さいという特性を有する。また、酸化物半導体のバンドギャップは、２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。水分または水素などの不純物濃度が十分に低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体膜を用いることにより、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。
【０１６３】
具体的に、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流が小さいことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。この場合、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流は、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電流の測定を行った。当該測定では、高純度化された酸化物半導体膜を上記トランジスタのチャネル形成領域に用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が３Ｖの場合に、数十ｙＡ／μｍという、さらに小さいオフ電流が得られることが分かった。従って、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく小さい。
【０１６４】
なお、酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気的特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。
【０１６５】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を含んでいてもよい。
【０１６６】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【０１６７】
なお、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを含む酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素を含んでいてもよい。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、移動度も高いため、半導体装置に用いる半導体材料としては好適である。
【０１６８】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【０１６９】
しかし、これらに限られず、必要とする電気的特性（移動度、しきい値、またはこれらの特性のばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【０１７０】
なお、例えば、酸化物半導体膜は、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含むターゲットを用いたスパッタ法により形成することができる。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、４：２：３、３：１：２、１：１：２、２：１：３、または３：１：４で示されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のターゲットを用いる。前述の原子数比を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のターゲットを用いて酸化物半導体膜を成膜することで、多結晶または後述するＣＡＡＣ−ＯＳが形成されやすくなる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上１００％未満である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
【０１７１】
なお、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ系酸化物の材料を用いる場合、用いるターゲット中の金属元素の原子数比は、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１．５：１〜１５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝３：４〜１５：２）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物である酸化物半導体膜の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。Ｚｎの比率を上記範囲に収めることで、移動度の向上を実現することができる。
【０１７２】
また、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、２：１：３、１：２：２、または４：９：７で示されるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物ターゲットを用いる。
【０１７３】
そして、具体的に酸化物半導体膜は、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて形成すればよい。成膜時に、基板温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて処理室を排気すると、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【０１７４】
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体膜中には、不純物としての水分または水素（水酸基を含む）が多量に含まれていることがある。水分または水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体膜中の水分または水素などの不純物を低減（脱水化または脱水素化）するために、酸化物半導体膜に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、または超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で、加熱処理を施す。
【０１７５】
酸化物半導体膜に加熱処理を施すことで、酸化物半導体膜中の水分または水素を脱離させることができる。具体的には、２５０℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、５００℃、３分間以上６分間以下程度で行えばよい。加熱処理にＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
【０１７６】
なお、上記加熱処理により、酸化物半導体膜から酸素が脱離し、酸化物半導体膜内に酸素欠損が形成される場合がある。そこで、上記加熱処理の後に、半導体膜２３０に酸素を供給する処理を行い、酸素欠損を低減させることが望ましい。
【０１７７】
例えば、酸素を含むガス雰囲気下において加熱処理を行うことで、半導体膜２３０に酸素を供給することができる。酸素を供給するための加熱処理は、上述した、水分又は水素の濃度を低減するための加熱処理と同様の条件で行えば良い。ただし、酸素を供給するための加熱処理は、酸素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）などの酸素を含むガス雰囲気下において行う。
【０１７８】
上記酸素を含むガスには、水、水素などの濃度が低いことが好ましい。具体的には、酸素を含むガス内に含まれる不純物濃度を、１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【０１７９】
或いは、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いて、半導体膜２３０に酸素を供給することができる。上記方法を用いて酸素を半導体膜２３０に供給した後、半導体膜２３０に含まれる結晶部が損傷を受けた場合は、加熱処理を行い、損傷を受けた結晶部を修復するようにしても良い。
【０１８０】
また、酸化物半導体膜と接するゲート絶縁膜などの絶縁膜として、酸素を含む絶縁膜を用い、上記絶縁膜から酸化物半導体膜に酸素を供給するようにしても良い。酸素を含む絶縁膜は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素を半導体膜に添加することをいう。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素を半導体膜に添加する酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法又はイオンドーピング法を用いて行ってもよい。酸素ドープ処理を行うことにより、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を形成することができる。そして、酸素を含む絶縁膜を形成した後、加熱処理を施すことで、上記絶縁膜から酸化物半導体膜に酸素が供与されるようにする。上記構成により、ドナーとなる酸素欠損を低減し、酸化物半導体膜に含まれる酸化物半導体の、化学量論的組成を満たすことができる。半導体膜には化学量論的組成を超える量の酸素が含まれていることが好ましい。その結果、酸化物半導体膜をｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気的特性のばらつきを軽減し、電気的特性の向上を実現することができる。
【０１８１】
酸素を絶縁膜から酸化物半導体膜に供与するための加熱処理は、窒素、超乾燥空気、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）で行う。上記ガスは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下であることが望ましい。
【０１８２】
また、半導体膜２３０として、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態を有する酸化物半導体膜を用いることができる。好ましくは、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。
【０１８３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜で構成された酸化物半導体膜は、スパッタリング法によっても作製することができる。スパッタリング法によってＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得るには酸化物半導体膜の堆積初期段階において六方晶の結晶が形成されるようにすることと、当該結晶を種として結晶が成長されるようにすることが肝要である。そのためには、ターゲットと基板の距離を広くとり（例えば、１５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度）、基板加熱温度を１００℃〜５００℃、好適には２００℃〜４００℃、さらに好適には２５０℃〜３００℃にすると好ましい。また、これに加えて、成膜時の基板加熱温度よりも高い温度で、堆積された酸化物半導体膜を熱処理することで膜中に含まれるミクロな欠陥や、積層界面の欠陥を修復することができる。
【０１８４】
酸化物半導体膜は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質を有する。非単結晶において、非晶質は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣは最も欠陥準位密度が低い。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
【０１８５】
酸化物半導体膜は、例えばＣＡＡＣ−ＯＳを有してもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、ｃ軸配向し、ａ軸または／及びｂ軸はマクロに揃っていない酸化物半導体を有している。
【０１８６】
酸化物半導体膜は、例えば微結晶を有してもよい。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満のサイズの微結晶を膜中に含む酸化物半導体を有している。または、微結晶酸化物半導体膜は、例えば、非晶質相に１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。
【０１８７】
酸化物半導体膜は、例えば非晶質を有してもよい。非晶質酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分のない酸化物半導体を有している。または、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない酸化物半導体を有している。
【０１８８】
なお、酸化物半導体膜が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、の積層構造を有してもよい。
【０１８９】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、単結晶を有してもよい。
【０１９０】
酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸及びｂ軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜がある。
【０１９１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく（非単結晶の一種）、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば非晶質相に結晶部及び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には明確な粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【０１９２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、例えば、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつａ−ｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸及びｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８０°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好ましくは−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【０１９３】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
【０１９４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃っている。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【０１９５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気的特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【０１９６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である金属酸化物ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該ターゲットにイオンが衝突すると、ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
【０１９７】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【０１９８】
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、処理室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【０１９９】
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
【０２００】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【０２０１】
ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットについて以下に示す。
【０２０２】
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、ターゲットによって適宜変更すればよい。
【０２０３】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２０４】
（実施の形態４）
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１２に示す。
【０２０５】
図１２（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５００１、筐体５００２、表示部５００３、表示部５００４、マイクロホン５００５、スピーカー５００６、操作キー５００７、スタイラス５００８等を有する。なお、図１２（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５００３と表示部５００４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０２０６】
図１２（Ｂ）は携帯情報端末であり、第１筐体５６０１、第２筐体５６０２、第１表示部５６０３、第２表示部５６０４、接続部５６０５、操作キー５６０６等を有する。第１表示部５６０３は第１筐体５６０１に設けられており、第２表示部５６０４は第２筐体５６０２に設けられている。そして、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２とは、接続部５６０５により接続されており、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２の間の角度は、接続部５６０５により変更できる。第１表示部５６０３における映像を、接続部５６０５における第１筐体５６０１と第２筐体５６０２との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第１表示部５６０３及び第２表示部５６０４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
【０２０７】
図１２（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体５４０１、表示部５４０２、キーボード５４０３、ポインティングデバイス５４０４等を有する。
【０２０８】
図１２（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体５３０１、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３等を有する。
【０２０９】
図１２（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体５８０１、第２筐体５８０２、表示部５８０３、操作キー５８０４、レンズ５８０５、接続部５８０６等を有する。操作キー５８０４及びレンズ５８０５は第１筐体５８０１に設けられており、表示部５８０３は第２筐体５８０２に設けられている。そして、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２とは、接続部５８０６により接続されており、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度は、接続部５８０６により変更できる。表示部５８０３における映像の切り替えを、接続部５８０６における第１筐体５８０１と第２筐体５８０２との間の角度に従って行う構成としても良い。
【０２１０】
図１２（Ｆ）は普通自動車であり、車体５１０１、車輪５１０２、ダッシュボード５１０３、ライト５１０４等を有する。
【０２１１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２１２】
（実施の形態５）
図１３に、本発明の一態様に係る半導体装置の断面構造の一部を、一例として示す。なお、図１３では、トランジスタ１０７ｔ、容量素子１０５、及びトランジスタ１１５を、例示している。
【０２１３】
また、本実施の形態では、トランジスタ１１５が、単結晶のシリコン基板に形成され、酸化物半導体を活性層に用いたトランジスタ１０７ｔと、容量素子１０５とが、トランジスタ１１５上に形成されている場合を例示している。トランジスタ１１５は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの薄膜の半導体を活性層に用いていても良い。或いは、トランジスタ１１５は、酸化物半導体を活性層に用いていても良い。全てのトランジスタが酸化物半導体を活性層に用いている場合、トランジスタ１０７ｔはトランジスタ１１５上に積層されていなくとも良く、トランジスタ１０７ｔとトランジスタ１１５とは、同一の層に形成されていても良い。
【０２１４】
薄膜のシリコンを用いてトランジスタ１１５を形成する場合、プラズマＣＶＤ法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーアニールなどの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。
【０２１５】
なお、記憶回路を構成するトランジスタのうち、トランジスタ１０７ｔに酸化物半導体を用い、トランジスタ１１５を含むその他のトランジスタにシリコンを用いる場合、シリコンを用いたトランジスタの数に対し、酸化物半導体を用いたトランジスタの数は少なくて済む。よって、シリコンを用いたトランジスタ上にトランジスタ１０７ｔを積層させることで、トランジスタ１０７ｔのデザインルールを緩和させることができる。
【０２１６】
図１３では、半導体基板４００にｎチャネル型のトランジスタ１１５が形成されている。
【０２１７】
半導体基板４００は、例えば、ｎ型またはｐ型の導電型を有するシリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンゲルマニウム基板、化合物半導体基板（ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＰ基板、ＧａＩｎＡｓＰ基板、ＺｎＳｅ基板等）等を用いることができる。図１３では、ｎ型の導電性を有する単結晶シリコン基板を用いた場合を例示している。
【０２１８】
また、トランジスタ１１５は、素子分離用絶縁膜４０１により、他のトランジスタと電気的に分離されている。素子分離用絶縁膜４０１の形成には、選択酸化法（ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法）またはトレンチ分離法等を用いることができる。
【０２１９】
具体的に、トランジスタ１１５は、半導体基板４００に形成された、ソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域４０２及び不純物領域４０３と、ゲート電極４０４と、半導体基板４００とゲート電極４０４の間に設けられたゲート絶縁膜４０５とを有する。ゲート電極４０４は、ゲート絶縁膜４０５を間に挟んで、不純物領域４０２と不純物領域４０３の間に形成されるチャネル形成領域と重なる。
【０２２０】
トランジスタ１１５上には、絶縁膜４０９が設けられている。絶縁膜４０９には開口部が形成されている。そして、上記開口部には、不純物領域４０２、不純物領域４０３にそれぞれ接する配線４１０、配線４１１が形成されている。
【０２２１】
そして、配線４１０は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１５に接続されており、配線４１１は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１６に接続されている。
【０２２２】
配線４１５及び配線４１６上には、絶縁膜４２０が形成されている。絶縁膜４２０には開口部が形成されており、上記開口部に、配線４１６に接続された配線４２１が形成されている。
【０２２３】
そして、図１３では、絶縁膜４２０上にトランジスタ１０７ｔ及び容量素子１０５が形成されている。
【０２２４】
トランジスタ１０７ｔは、絶縁膜４２０上に、酸化物半導体を含む半導体膜４３０と、半導体膜４３０上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜４３２及び導電膜４３３と、半導体膜４３０、導電膜４３２及び導電膜４３３上のゲート絶縁膜４３１と、ゲート絶縁膜４３１上に位置し、導電膜４３２と導電膜４３３の間において半導体膜４３０と重なっているゲート電極４３４と、を有する。
【０２２５】
また、ゲート絶縁膜４３１上において導電膜４３３と重なる位置に、導電膜４３５が設けられている。ゲート絶縁膜４３１を間に挟んで導電膜４３３及び導電膜４３５が重なっている部分が、容量素子１０５として機能する。
【０２２６】
また、配線４２１は、導電膜４３２に接続されている。
【０２２７】
なお、図１３では、容量素子１０５がトランジスタ１０７ｔと共に絶縁膜４２０の上に設けられている場合を例示しているが、容量素子１０５は、トランジスタ１１５と共に、絶縁膜４２０の下に設けられていても良い。
【０２２８】
そして、トランジスタ１０７ｔ、容量素子１０５上に、絶縁膜４４１が設けられている。絶縁膜４４１には開口部が設けられており、上記開口部においてゲート電極４３４に接する導電膜４４３が、絶縁膜４４１上に設けられている。
【０２２９】
なお、図１３において、トランジスタ１０７ｔは、ゲート電極４３４を半導体膜４３０の片側において少なくとも有していれば良いが、半導体膜４３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。
【０２３０】
トランジスタ１０７ｔが、半導体膜４３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極にはオンまたはオフを制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、電位が他から与えられている状態であっても良い。後者の場合、一対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。
【０２３１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２３２】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の一例について、説明する。
【０２３３】
図１４に、本発明の一態様に係る半導体装置８００の構成を、ブロック図で示す。図１４に示す半導体装置８００は、ＣＰＵ８０１、ＤＲＡＭ８０２、タイマー（Ｔｉｍｅｒ）８０３、Ｉ／Ｏポート（Ｉ／Ｏ）８０４、システムバス（Ｓｙｓｔｅｍ  Ｂｕｓ）８０５などを有する。
【０２３４】
ＤＲＡＭ８０２は、ＣＰＵ８０１において実行される命令やデータなどが記憶される、主記憶装置としての機能を有する。タイマー８０３は、時間を計測し、計測された時間を情報として含む信号を、生成する機能を有する。Ｉ／Ｏポート８０４は、半導体装置８００の外部にある機器と、半導体装置８００との信号の入出力におけるインターフェースとしての機能を有する。システムバス８０５は、ＣＰＵ８０１と、ＤＲＡＭ８０２、タイマー８０３、及びＩ／Ｏポート８０４との間の、信号の伝送経路としての機能を有する。
【０２３５】
ＣＰＵ８０１は、データパス（Ｄａｔａｐａｔｈ）８０６と、パワースイッチ（Ｐｏｗｅｒ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ）８０７と、パワーコントローラ（Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）８０８と、命令キャッシュ（Ｉ  ｃａｃｈｅ）８０９と、データキャッシュ（Ｄ  ｃａｃｈｅ）８１０と、コントローラ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）８１１とを有する。
【０２３６】
コントローラ８１１は制御装置に相当し、命令をデコードし、実行する機能を有する。
【０２３７】
データパス８０６は、レジスタ（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）８１２の他、例えば、ＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  Ｌｏｇｉｃ  Ｕｎｉｔ）、シフタ、乗算器、または浮動小数点演算器などの、各種の演算処理を行う回路を含んでいる。
【０２３８】
パワーコントローラ８０８は、データパス８０６からの命令に従って、パワースイッチ８０７が有する各スイッチの、導通状態または非導通状態を選択することで、命令キャッシュ８０９、データキャッシュ８１０、データパス８０６への電源電圧の供給を制御する機能を有する。なお、図１４では、パワーコントローラ８０８がＣＰＵ８０１の構成要素の１つとして図示されているが、パワーコントローラ８０８はＣＰＵ８０１の構成要素に必ずしも含まれるとは限らない。本発明の一態様に係る半導体装置では、パワーコントローラ８０８を、ＣＰＵ８０１とは異なる構成要素として有していても良い。
【０２３９】
本発明の一態様に係る半導体装置８００では、上記実施の形態で示した記憶素子１００を、命令キャッシュ８０９、データキャッシュ８１０、またはレジスタ８１２に用いることができる。上記実施の形態で示した記憶素子１００を、命令キャッシュ８０９、データキャッシュ８１０、またはレジスタ８１２などの緩衝記憶装置に用いることで、電源電圧の供給の停止による緩衝記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を停止する前に保持していたデータの待避を短時間で行うことができ、さらに、電源電圧の供給を再開した後、短時間で上記データを復帰することができる。よって、ＣＰＵ８０１全体、もしくはＣＰＵ８０１を有する半導体装置において、６０秒のように長い時間であっても、ミリ秒程度の短い時間であっても、電源電圧の供給の停止を行うことができる。従って、半導体装置８００の消費電力を小さく抑えることができる。
【０２４０】
半導体装置８００の仕様の一例を、下記の表１に示す。
【０２４１】
【表１】
2014063557.tif 000003
【０２４２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２４３】
（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る記憶装置における、１ビットのデータを記憶することができる記憶素子について、上記実施の形態とは別の構成についてその一例を示す。なお本発明の一態様に係る記憶装置は、上記実施の形態２で説明したデータキャッシュ６０３又は命令キャッシュ６０４、上記実施の形態５で説明したデータキャッシュ８１０又は命令キャッシュ８０９に用いることができる。
【０２４４】
本発明の一態様に係る記憶装置は、１ビットのデータを記憶することができる記憶素子を、単数又は複数有している。図１５（Ａ）では、実際に作製した、記憶素子（Ｍｅｍｏｒｙ＿Ｃｅｌｌ）を複数備えた記憶装置の光学顕微鏡による写真を示している。
【０２４５】
図１５（Ａ）において示す記憶素子はマトリクス状に設けられ、周辺にカラムドライバ（ＣＯＬＵＭＮ＿ＤＲＶ．）、ロードライバ（ＲＯＷ＿ＤＲＶ．）、及びセンスアンプ（ＳＥＮＳＥ＿ＡＭＰ．）を有する。
【０２４６】
図１５（Ｂ）には、図１５（Ａ）で実際に作製した記憶装置が有する、記憶素子の回路構成を示す。
【０２４７】
図１５（Ｂ）に示す記憶素子８２０は、スイッチとして機能するトランジスタＳＷ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＳＷ＿ＦＥＴ２、入力端子の電位の極性を反転させて出力端子から出力する機能を有するインバータＩＮＶ１及びインバータＩＮＶ２、オフ電流が著しく小さいトランジスタをスイッチとして用いるトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ２、並びに電荷を保持する機能を有する容量素子Ｃａｐ１及び容量素子Ｃａｐ２、を有する。
【０２４８】
図１５（Ｂ）に示す構成において、トランジスタＳＷ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＳＷ＿ＦＥＴ２は、実施の形態１で説明した、スイッチ１０３及びスイッチ１０４の一例に相当する。また、インバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ２は、実施の形態１で説明した、論理素子１０１及び論理素子１０２の一例に相当する。また、トランジスタＯＳ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ２並びに容量素子Ｃａｐ１及び容量素子Ｃａｐ２は、実施の形態１で説明した、記憶回路１２０及び記憶回路１２１の一例に相当する。インバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ２とは、入力端子が互いの出力端子に接続されている。
【０２４９】
インバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ２は、同じ配線から電源電圧が与えられることで、トランジスタＳＷ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＳＷ＿ＦＥＴ２を介して書き込まれたデータを、保持することができる。
【０２５０】
容量素子Ｃａｐ１は、インバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ２に保持されているデータを必要に応じて記憶できるように、トランジスタＯＳ＿ＦＥＴ１を介して、インバータＩＮＶ１の入力端子に接続されている。また、容量素子Ｃａｐ２は、インバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ２に保持されているデータを必要に応じて記憶できるようにトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ２を介して、インバータＩＮＶ２の入力端子に接続されている。
【０２５１】
具体的に、容量素子Ｃａｐ１は、一対の電極間に誘電体を有するコンデンサであり、その一方の電極は、トランジスタＯＳ＿ＦＥＴ１を介してインバータＩＮＶ１の入力端子に接続され、他方の電極は、接地電位などの電位が与えられているノードに接続されている。また、容量素子Ｃａｐ２は、一対の電極間に誘電体を有するコンデンサであり、その一方の電極は、トランジスタＯＳ＿ＦＥＴ２を介してインバータＩＮＶ２の入力端子に接続され、他方の電極は、接地電位などの電位が与えられているノードに接続されている。
【０２５２】
そして、本発明の一態様では、トランジスタＯＳ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ２に、オフ電流が著しく小さいトランジスタを用いる。上記構成により、記憶素子８２０への電源電圧の供給が停止されても、トランジスタＯＳ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ２をオフにすることで、記憶回路１２０及び記憶回路１２１においてデータを保持することができる。よって、記憶素子８２０への電源電圧の供給が停止する前に、インバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ２に保持されているデータを記憶回路１２０及び記憶回路１２１に待避させ、データが消失するのを防ぐことができる。
【０２５３】
なお、図１５（Ｂ）に示す記憶素子８２０の動作の一例は、図４に示したタイミングチャートに示すスイッチ１０３及びスイッチ１０４、並びにスイッチ１０７及びスイッチ１０８のように、トランジスタＳＷ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＳＷ＿ＦＥＴ２、並びにトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ２で構成されるスイッチのオン又はオフを切り替えて動作させればよい。具体的には、トランジスタＳＷ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＳＷ＿ＦＥＴ２、並びにトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ１及びトランジスタＯＳ＿ＦＥＴ２に接続されるビット線ＢＬ、反転ビット線ＢＬＢ、ワード線ＷＬ、制御線ＯＳ＿ＷＥまたインバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ２への電源電圧の供給の停止及び再開は、データの待避及び復帰との間に行う構成とすればよい。
【０２５４】
（実施の形態８）
本実施の形態では、先の実施の形態に示すキャッシュとして用いることができる記憶素子の一例を、図１６および図１７を用いて説明する。図１６（Ａ）には、記憶素子の一例として記憶素子９００の回路図を示す。
【０２５５】
図１６（Ａ）に示す記憶素子９００は、トランジスタ９１０と、トランジスタ９１２と、容量素子９１４とを有し、配線９２０、配線９２２および配線９２４と電気的に接続されている。トランジスタ９１０は、先の実施の形態に示すトランジスタ１０７ｔおよびトランジスタ１０８ｔと同様のものを用いることができ、本実施の形態では、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタを、用いるものとする。また、トランジスタ９１２は、先の実施の形態に示すトランジスタ１０３ｔおよびトランジスタ１０４ｔと同様のものを用いることができる。
【０２５６】
トランジスタ９１０のソース端子およびドレイン端子は、一方が配線９２０に接続され、他方がトランジスタ９１２のゲート電極及び容量素子９１４の一方の電極に接続されている。トランジスタ９１０のゲート電極は、配線９２２に接続されている。トランジスタ９１２のソース端子およびドレイン端子は、一方が配線９２０に接続され、他方には配線を介して所定の電位が与えられる。容量素子９１４の他方の電極は、配線９２４に接続されている。
【０２５７】
トランジスタ９１０は、オフ電流が著しく小さいという特徴を有しているため、トランジスタ９１０をオフとすることで、トランジスタ９１０のソース端子およびドレイン端子の他方と、トランジスタ９１２のゲート電極と、容量素子９１４の一方の電極とが接続されたノード（以下、ノードＦＧと呼ぶ）の電位を長時間に渡って保持することが可能である。そして、容量素子９１４を有することにより、ノードＦＧに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容易になる。
【０２５８】
記憶素子９００に情報を記憶させる場合（書き込み）は、まず、配線９２２の電位を、トランジスタ９１０がオンとなる電位にして、トランジスタ９１０をオンとする。これにより、配線９２０の電位が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が蓄積される。その後、配線９２４の電位を、トランジスタ９１０がオフとなる電位にして、トランジスタ９１０をオフとすることにより、ノードＦＧには所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードＦＧに所定量の電荷を蓄積及び保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
【０２５９】
記憶された情報を読み出す場合（読み出し）は、まず、トランジスタ９１２のソース端子及びドレイン端子の他方に所定の電位（定電位）を与えた状態で、ノードＦＧに保持された電荷によって、トランジスタ９１２のオンまたはオフが選択されるような電位（読み出し電位）を与える。その後、トランジスタ９１２のオンまたはオフを読み出す（配線９２０の電位を読み出す）ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
【０２６０】
図１６（Ａ）に示す記憶素子９００をマトリクス状に複数配列させて作製した記憶装置の光学顕微鏡写真を図１６（Ｂ）に示す。図１６（Ｂ）に示す記憶装置は、記憶素子９００をメモリセルとしてマトリクス状に配列させたメモリセルアレイと、ロードライバと、センスラッチと、コントローラを有する。
【０２６１】
図１６（Ｂ）に示す記憶装置は、行方向の幅が４．０ｍｍ、列方向の幅が５．８ｍｍであり、記憶容量は１Ｍビットである。
【０２６２】
図１６（Ｂ）に示す記憶装置のデータ保持特性を測定した結果を図１７に示す。データ保持特性の測定は、図１６（Ａ）に示す配線９２２の電圧を−２Ｖとし、温度１２５℃で行った。
【０２６３】
図１７に示すグラフは横軸に時間（秒）、縦軸にデータが保持されているビット数をとっている。図１７に示すように、図１６（Ｂ）に示す記憶装置は、１２５℃の環境で１０日以上経っても十分データを保持していた。ここで、１２５℃での加速係数は室温の加速係数の約１０４倍である。よって、図１６（Ｂ）に示す記憶装置は、室温の環境で１０年かそれ以上データを保持できることが推測される。
【０２６４】
このように、酸化物半導体などのバンドギャップの広い半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタを、記憶装置に用いることにより、良好なデータ保持特性を有する記憶装置を提供することができる。
【０２６５】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０２６６】
１００    記憶素子
１０１    論理素子
１０１ｉ    インバータ
１０２    論理素子
１０２ｉ    インバータ
１０３    スイッチ
１０３ｔ    トランジスタ
１０４    スイッチ
１０４ｔ    トランジスタ
１０５    容量素子
１０６    容量素子
１０７    スイッチ
１０７ｔ    トランジスタ
１０８    スイッチ
１０８ｔ    トランジスタ
１０９    配線
１１０    配線
１１１    配線
１１２    配線
１１３    配線
１１４    トランジスタ
１１５    トランジスタ
１１６    トランジスタ
１１７    トランジスタ
１１８    配線
１１９    配線
１２０    記憶回路
１２１    記憶回路
１３０    スイッチ
１３１    スイッチ
１３２    スイッチ
１３３    スイッチ
１５０    配線
１５１    配線
１５２    配線
１６１    プリチャージ回路
１６２    スイッチ回路
１６３    センスアンプ
１６４    出力回路
１７０    記憶素子群
２００    基板
２０１    絶縁膜
２０３ｎ    半導体膜
２０３ｐ    半導体膜
２０４ｎ    ゲート絶縁膜
２０４ｐ    ゲート絶縁膜
２０５ｎ    ゲート電極
２０５ｐ    ゲート電極
２０６    導電膜
２０７    導電膜
２０８    領域
２０９    領域
２１０    領域
２１１    領域
２１２    領域
２１３    導電膜
２１４    領域
２１５    領域
２１６    領域
２１７    領域
２１８    領域
２１９    絶縁膜
２３０    半導体膜
２３１    ゲート絶縁膜
２３２    導電膜
２３３    導電膜
２３４    ゲート電極
２３５    サイドウォール
２３６    絶縁膜
２３７    絶縁膜
２３８    絶縁膜
２３９    導電膜
４００    半導体基板
４０１    素子分離用絶縁膜
４０２    不純物領域
４０３    不純物領域
４０４    ゲート電極
４０５    ゲート絶縁膜
４０９    絶縁膜
４１０    配線
４１１    配線
４１５    配線
４１６    配線
４２０    絶縁膜
４２１    配線
４３０    半導体膜
４３１    ゲート絶縁膜
４３２    導電膜
４３３    導電膜
４３４    ゲート電極
４３５    導電膜
４４１    絶縁膜
４４３    導電膜
６００    ＣＰＵ
６０１    制御装置
６０２    ＡＬＵ
６０３    データキャッシュ
６０４    命令キャッシュ
６０５    プログラムカウンタ
６０６    命令レジスタ
６０７    主記憶装置
６０８    レジスタファイル
６５０    半導体装置
６５１    パワーコントローラ
６５２    スイッチ
６５３    ＢＵＦ
８００    半導体装置
８０１    ＣＰＵ
８０２    ＤＲＡＭ
８０３    タイマー
８０４    Ｉ／Ｏポート
８０５    システムバス
８０６    データパス
８０７    パワースイッチ
８０８    パワーコントローラ
８０９    命令キャッシュ
８１０    データキャッシュ
８１１    コントローラ
８１２    レジスタ
８２０    記憶素子
９００    記憶素子
９１０    トランジスタ
９１２    トランジスタ
９１４    容量素子
９２０    配線
９２２    配線
９２４    配線
５００１    筐体
５００２    筐体
５００３    表示部
５００４    表示部
５００５    マイクロホン
５００６    スピーカー
５００７    操作キー
５００８    スタイラス
５１０１    車体
５１０２    車輪
５１０３    ダッシュボード
５１０４    ライト
５３０１    筐体
５３０２    冷蔵室用扉
５３０３    冷凍室用扉
５４０１    筐体
５４０２    表示部
５４０３    キーボード
５４０４    ポインティングデバイス
５６０１    筐体
５６０２    筐体
５６０３    表示部
５６０４    表示部
５６０５    接続部
５６０６    操作キー
５８０１    筐体
５８０２    筐体
５８０３    表示部
５８０４    操作キー
５８０５    レンズ
５８０６    接続部
【図１】
2014063557.tif 000004
【図２】
2014063557.tif 000005
【図３】
2014063557.tif 000006
【図４】
2014063557.tif 000007
【図５】
2014063557.tif 000008
【図６】
2014063557.tif 000009
【図７】
2014063557.tif 000010
【図８】
2014063557.tif 000011
【図９】
2014063557.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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