(57)【要約】      （修正有）【課題】占有面積の小さい半導体装置、高速動作が可能な半導体装置、消費電力の小さい半導体装置、信頼性の高い半導体装置及び新規な半導体装置を提供する。【解決手段】ＣＰＵと、ＧＰＵと、メモリと、を有する半導体装置１００であって、ＣＰＵは第１トランジスタを有し、ＧＰＵは第２トランジスタを有し、メモリは第３トランジスタを有し、メモリはＣＰＵの上に設けられ、ＧＰＵはメモリの上に設けられる。ＣＰＵは、記憶回路と電気的に接続され、ＧＰＵは記憶回路と電気的に接続される。ＣＰＵは、ＣＰＵとして動作する機能を有し、ＧＰＵは、並列演算処理を行なう機能を有する。メモリを構成するトランジスタにには、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる。【選択図】図１
2019047006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１演算回路と、第２演算回路と、記憶回路と、を有し、
前記第１演算回路は第１トランジスタを有し、
前記第２演算回路は第２トランジスタを有し、
前記記憶回路は第３トランジスタを有し、
前記記憶回路は前記第１演算回路の上に設けられ、
前記第２演算回路は前記記憶回路の上に設けられ、
前記第１演算回路は前記記憶回路と電気的に接続され、
前記第２演算回路は前記記憶回路と電気的に接続され、
前記第１演算回路または前記第２演算回路の一方は、
ＣＰＵとして動作する機能を有し、
前記第１演算回路または前記第２演算回路の他方は、
並列演算処理を行なう機能を有し、
前記第３トランジスタの半導体層は酸化物半導体を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１トランジスタの半導体層および前記第２トランジスタの半導体層の少なくとも一方は、シリコンを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記第１トランジスタの半導体層および前記第２トランジスタの半導体層の少なくとも一方は、酸化物半導体を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置と、
カメラ、バッテリ、またはセンサと、
を有する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置に関する。
【０００２】
ただし、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されるものではない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本明細書等で開示する発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。
【０００３】
より具体的には、本明細書等で開示する本発明の一態様の技術分野の一例として、表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、電子機器、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を挙げることができる。
【０００４】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、表示装置、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置と言える場合がある。もしくは、これらは半導体装置を有すると言える場合がある。
【背景技術】
【０００５】
近年、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）および人工知能（ＡＩ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）などの技術が発展しており、人工知能の一つとして人工ニューラルネットワークが注目されている。人工ニューラルネットワークにより、従来のノイマン型コンピュータよりも高性能なコンピュータの実現が期待される。
【０００６】
人工ニューラルネットワークの演算には、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などが用いられている。また、特許文献１では、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを用いた記憶装置によって、人工ニューラルネットワークの演算に必要な重みデータを保持する発明が開示されている。一般に、ＧＰＵは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）や、メモリなどと組み合わせて用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許公開第２０１６／０３４３４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一態様は、占有面積の小さい半導体装置の提供を課題の一とする。または、高速動作が可能な半導体装置の提供を課題の一とする。または、消費電力の小さい半導体装置の提供を課題の一とする。または、信頼性の高い半導体装置の提供を課題の一とする。または、新規な半導体装置の提供を課題の一とする。
【０００９】
なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、第１演算回路と、第２演算回路と、記憶回路と、を有し、第１演算回路は第１トランジスタを有し、第２演算回路は第２トランジスタを有し、記憶回路は第３トランジスタを有し、記憶回路は第１演算回路の上に設けられ、第２演算回路は記憶回路の上に設けられ、第１演算回路は記憶回路と電気的に接続され、第２演算回路は記憶回路と電気的に接続され、第１演算回路または第２演算回路の一方は、ＣＰＵとして動作する機能を有し、第１演算回路または第２演算回路の他方は、並列演算処理を行なう機能を有し、第３トランジスタの半導体層は酸化物半導体を含むことを特徴とする半導体装置である。
【００１１】
第１トランジスタおよび第２トランジスタの一方または双方の半導体層に、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いてもよい。なお、第１演算回路および第２演算回路の一方または双方に高速動作が求められる場合は、第１トランジスタおよび第２トランジスタの、一方または双方の半導体層にシリコン、ガリウム砒素などの半導体材料を用いてもよい。
【００１２】
また、本発明の別の一態様は、上記の半導体装置と、カメラ、バッテリ、またはセンサと、を有する電子機器である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一態様により、占有面積の小さい半導体装置を提供することができる。または、高速動作が可能な半導体装置を提供することができる。または、消費電力の小さい半導体装置を提供することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
【００１４】
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。これら以外の効果は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】半導体装置の構成例を示す図。
【図２】演算回路（ＣＰＵ）の構成例を示すブロック図。
【図３】記憶回路（メモリ）の構成例を示すブロック図。
【図４】メモリセルアレイの構成例を示す図。
【図５】メモリセルの構成例を示す回路図。
【図６】メモリセルの構成例を示す回路図。
【図７】演算回路（ＧＰＵ）の構成例を示すブロック図。
【図８】半導体装置の構成例を示す断面図。
【図９】半導体装置の構成例を示す断面図。
【図１０】ニューラルネットワークの構成例を説明する図。
【図１１】半導体装置の構成例を説明する図。
【図１２】メモリセルの構成例を説明する図。
【図１３】オフセット回路の構成例を説明する図。
【図１４】半導体装置の動作例を説明するタイミングチャート。
【図１５】電子部品の例を示す模式図。
【図１６】電子機器の例を示す模式図。
【図１７】電子機器の例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、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、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、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。
【００１７】
また、本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒともいう）などに分類される。例えば、トランジスタのチャネル形成領域に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、およびスイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことができる。以下、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタを、「ｏｘトランジスタ」または「ＯＳトランジスタ」という場合がある。
【００１８】
また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
【００１９】
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
【００２０】
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、オン状態、または、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している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
【００２１】
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
【００２２】
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子または別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子または別の回路を挟まずに接続されている場合）とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
【００２３】
また、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、「ソースまたはドレインの一方」（または第１電極、または第１端子）と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソースまたはドレインの他方」（または第２電極、または第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また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。また、本明細書等では、ゲート以外の２つの端子を第１端子、第２端子と呼ぶ場合や、第３端子、第４端子と呼ぶ場合がある。なお、本明細書等において、チャネル形成領域はチャネルが形成される領域を指し、ゲートに電位を印加することでこの領域が形成されて、ソース‐ドレイン間に電流を流すことができる。
【００２４】
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。
【００２５】
また、本明細書等に記載するトランジスタが２つ以上のゲートを有するとき、それらのゲートを第１ゲート、第２ゲートと呼ぶ場合や、フロントゲート、バックゲートと呼ぶ場合がある。特に、「フロントゲート」という語句は、単に「ゲート」という語句に互いに言い換えることができる。また、「バックゲート」という語句は、単に「ゲート」という語句に互いに言い換えることができる。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、本明細書等において、特に断りがない場合、オン電流とは、トランジスタがオン状態にあるときのドレイン電流をいう。オン状態（オンと略す場合もある）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（ＶＧ）がしきい値電圧（Ｖｔｈ）以上の状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ＶＧがＶｔｈ以下の状態をいう。例えば、ｎチャネル型のトランジスタのオン電流とは、ＶＧがＶｔｈ以上のときのドレイン電流を言う。また、トランジスタのオン電流は、ドレインとソースの間の電圧（ＶＤ）に依存する場合がある。
【００２８】
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にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態（オフと略す場合もある）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、ＶＧがＶｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ＶＧが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、ＶＧがＶｔｈよりも低いときのドレイン電流を言う。トランジスタのオフ電流は、ＶＧ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１０−２１Ａ未満である、とは、トランジスタのオフ電流が１０−２１Ａ未満となるＶＧの値が存在することを言う場合がある。
【００２９】
また、トランジスタのオフ電流は、ＶＤ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、ＶＤの絶対値が０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、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ＶＤにおけるオフ電流を表す場合がある。
【００３０】
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位（接地電位）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。
【００３１】
また、本明細書等において、「配線」、「信号線」、「電源線」などの用語は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「配線」という用語を、「信号線」という用語に変更することが可能な場合がある。また、例えば、「配線」という用語を、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号線」「電源線」などの用語を、「配線」という用語に変更することが可能な場合がある。「電源線」などの用語は、「信号線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で「信号線」などの用語は、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、配線に印加されている「電位」という用語を、場合によっては、または、状況に応じて、「信号」などという用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号」などの用語は、「電位」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００３２】
また、図面上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、および電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
【００３３】
本明細書等において、「第１」、「第２」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において付された序数詞と、特許請求の範囲において付された序数詞が異なる場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。
【００３４】
（実施の形態１）
本発明の一態様に係る半導体装置について、図面を用いて説明する。図１（Ａ）は、半導体装置１００の斜視図である。半導体装置１００は、集積回路１１０、集積回路１２０、および集積回路１３０が積層された構成を有する。図１（Ａ）では、集積回路１１０上に集積回路１２０が設けられ、集積回路１２０上に集積回路１３０が設けられている。
【００３５】
集積回路１１０、集積回路１２０、および集積回路１３０としては、演算回路（ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）など）、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ｕｎｉｔ）、カスタムＬＳＩ、記憶回路（メモリ：フラッシュメモリ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなど）、または通信用回路などの任意の回路を用いることができる。
【００３６】
図１（Ｂ）は、半導体装置１００の構成を分かり易く説明するための斜視図である。本実施の形態では、集積回路１１０としてＣＰＵ、集積回路１２０として記憶回路（以下、「メモリ」ともいう。）、集積回路１３０としてＧＰＵを用いる場合について説明する。
【００３７】
＜ＣＰＵ＞
図２に、集積回路１１０に適用可能なＣＰＵの構成の一例を示す。図２に示すＣＰＵ２００は、ＣＰＵコア２０１、パワーマネージメントユニット２２１および周辺回路２２２を有する。パワーマネージメントユニット２２１は、パワーコントローラ２０２、およびパワースイッチ２０３を有する。周辺回路２２２は、キャッシュメモリを有するキャッシュ２０４、バスインターフェース（ＢＵＳ  Ｉ／Ｆ）２０５、およびデバッグインターフェース（Ｄｅｂｕｇ  Ｉ／Ｆ）２０６を有する。ＣＰＵコア２０１は、データバス２２３、制御装置２０７（コントロールユニット）、ＰＣ２０８（プログラムカウンタ）、パイプラインレジスタ２０９、パイプラインレジスタ２１０、ＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ）２１１、およびレジスタファイル３１２を有する。ＣＰＵコア２０１と、キャッシュ２０４等の周辺回路２２２とのデータのやり取りは、データバス２２３を介して行われる。
【００３８】
制御装置２０７は、ＰＣ２０８、パイプラインレジスタ２０９、パイプラインレジスタ２１０、ＡＬＵ２１１、レジスタファイル２１２、キャッシュ２０４、バスインターフェース２０５、デバッグインターフェース２０６、およびパワーマネージメントユニット２２１の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。
【００３９】
ＡＬＵ２１１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。
【００４０】
キャッシュ２０４は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。ＰＣ２０８は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図２では図示していないが、キャッシュ２０４には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。
【００４１】
パイプラインレジスタ２０９は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
【００４２】
レジスタファイル２１２は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはＡＬＵ２１１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。
【００４３】
パイプラインレジスタ２１０は、ＡＬＵ２１１の演算処理に利用するデータ、またはＡＬＵ２１１の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
【００４４】
バスインターフェース２０５は、ＣＰＵ２００とＣＰＵ２００の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース２０６は、デバッグの制御を行うための命令をＣＰＵ２００に入力するための信号の経路としての機能を有する。
【００４５】
パワースイッチ２０３は、ＣＰＵ２００が有する、パワーコントローラ２０２以外の各種回路への、電力供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ２０３によって電力供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ２０２はパワースイッチ２０３の動作を制御する機能を有する。このような構成を有することで、ＣＰＵ２００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。
【００４６】
パワーゲーティングの流れについて、一例を挙げて説明する。まず、ＣＰＵコア２０１が、電力供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ２０２のレジスタに設定する。次いで、ＣＰＵコア２０１からパワーコントローラ２０２へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、ＣＰＵ２００内に含まれる各種レジスタとキャッシュ２０４が、データの退避を開始する。次いで、ＣＰＵ２００が有するパワーコントローラ２０２以外の各種回路への電力供給が、パワースイッチ２０３により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ２０２に入力されることで、ＣＰＵ２００が有する各種回路への電力供給が開始される。なお、パワーコントローラ２０２にカウンタを設けておき、電力供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ２０４が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置２０７における命令の実行が再開される。
【００４７】
このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電力供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。
【００４８】
各種レジスタとキャッシュ２０４のデータを後述するメモリに退避することで、ＣＰＵ２００への電力供給が停止されても、各種レジスタとキャッシュ２０４のデータを保持することができる。また、一定期間毎に各種レジスタとキャッシュ２０４のデータを退避することで、ＣＰＵ２００の電力供給が予期せず停止した場合も、データ消失の被害を最小限に抑えることができる。さらに、後述するメモリが不揮発性メモリである場合は、半導体装置１００への電力供給が予期せず停止した場合も、データ消失の被害を最小限に抑えることができる。
【００４９】
＜メモリ＞
図３に、集積回路１２０に適用可能なメモリの一例を示す。メモリ３００は、周辺回路３１１、およびメモリセルアレイ４０１を有する。周辺回路３１１は、ローデコーダ３２１、ワード線ドライバ回路３２２、ビット線ドライバ回路３３０、出力回路３４０、コントロールロジック回路３６０を有する。
【００５０】
ビット線ドライバ回路３３０は、カラムデコーダ３３１、プリチャージ回路３３２、センスアンプ３３３、および書き込み回路３３４を有する。プリチャージ回路３３２は、配線ＳＬ（図示せず）および配線ＣＬ（図示せず）などをプリチャージする機能を有する。センスアンプ３３３は、配線ＲＢＬから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、配線ＳＬ、配線ＣＬ、および配線ＲＢＬは、メモリセルアレイ４０１が有するメモリセル４１１に接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路３４０を介して、デジタルのデータ信号ＲＤＡＴＡとしてメモリ３００の外部に出力される。
【００５１】
メモリ３００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路３１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ４０１用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。
【００５２】
また、メモリ３００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、ローデコーダ３２１およびカラムデコーダ３３１に入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路３３４に入力される。
【００５３】
コントロールロジック回路３６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、ローデコーダ３２１、カラムデコーダ３３１の制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路３６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
【００５４】
なお、上述の各回路あるいは各信号は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。
【００５５】
メモリセルアレイ４０１を構成するトランジスタにｏｘトランジスタを適用することができる。また、周辺回路３１１を構成するトランジスタにｏｘトランジスタを適用することができる。メモリセルアレイ４０１と周辺回路３１１を、ｏｘトランジスタを用いて形成することで、メモリセルアレイ４０１と周辺回路３１１を、同一の製造工程で作製することが可能になり、製造コストを低く抑えることができる。
【００５６】
〔メモリセルアレイの構成例〕
図４にメモリセルアレイ４０１の詳細を記載する。メモリセルアレイ４０１は、一列にｍ（ｍは１以上の整数である。）個、一行にｎ（ｎは１以上の整数である。）個、計ｍ×ｎ個のメモリセル４１１を有し、メモリセル４１１は行列状に配置されている。図４では、メモリセル４１１のアドレスも併せて表記しており、［１，１］、［ｍ，１］、［ｉ，ｊ］、［１，ｎ］、［ｍ，ｎ］（ｉは、１以上ｍ以下の整数であり、ｊは、１以上ｎ以下の整数である。）のアドレスに位置しているメモリセル４１１を図示している。なお、メモリセルアレイ４０１とワード線ドライバ回路３２２とを接続している配線の数は、メモリセル４１１の構成、一列中に含まれるメモリセル４１１の数などによって決まる。また、メモリセルアレイ４０１とビット線ドライバ回路３３０とを接続している配線の数は、メモリセル４１１の構成、一行中に含まれるメモリセル４１１の数などによって決まる。
【００５７】
〔メモリセルの構成例〕
図５および図６に上述のメモリセル４１１に適用できるメモリセルの構成例について説明する。
【００５８】
［ＤＯＳＲＡＭ］
図５（Ａ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、ｏｘトランジスタを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）呼ぶ。メモリセル４１０は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、およびバックゲートを有する。
【００５９】
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
【００６０】
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、および読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位（基準電位という場合がある。）を印加するのが好ましい。
【００６１】
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
【００６２】
データの書き込みおよび読み出しは、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ１を導通状態にし、配線ＢＩＬと容量素子ＣＡの第１端子を接続することによって行われる。
【００６３】
また、上述したメモリ３００が有するメモリセルは、メモリセル４１０に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。
【００６４】
例えば、上述したメモリ３００が有するメモリセルは、図５（Ｂ）に示すようなメモリセルの構成でもよい。メモリセル４２０は、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成となっている。このような構成にすることによって、トランジスタＭ１のバックゲートに、トランジスタＭ１のゲートと同じ電位を印加することができるため、トランジスタＭ１が導通状態のときにおいて、トランジスタＭ１に流れる電流を増加することができる。
【００６５】
また、例えば、上述したメモリ３００が有するメモリセルは、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。そのメモリセルの回路構成例を図５（Ｃ）に示す。メモリセル４３０は、メモリセル４１０のトランジスタＭ１からバックゲートを除いた構成となっている。なお、メモリ３００にメモリセル４３０を適用することによって、トランジスタＭ１はバックゲートを有さないため、メモリ３００の作製工程をメモリセル４１０、およびメモリセル４２０よりも短縮することができる。
【００６６】
なお、トランジスタＭ１のチャネル形成領域には、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることができる。つまり、トランジスタＭ１としてｏｘトランジスタを適用することができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体であることが好ましい。
【００６７】
インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したｏｘトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有している。トランジスタＭ１としてｏｘトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル４１０、メモリセル４２０、メモリセル４３０に対して多値データ、またはアナログデータを保持することができる。
【００６８】
トランジスタＭ１としてｏｘトランジスタを適用することにより、ＤＯＳＲＡＭを構成することができる。
【００６９】
［ＮＯＳＲＡＭ］
図５（Ｄ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。メモリセル４４０は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、およびバックゲートを有する。
【００７０】
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
【００７１】
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位（基準電位という場合がある）を印加するのが好ましい。
【００７２】
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
【００７３】
データの書き込みは、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ２を導通状態にし、配線ＷＢＬと容量素子ＣＢの第１端子を接続することによって行われる。具体的には、トランジスタＭ２が導通状態のときに、配線ＷＢＬに記録する情報に対応する電位を印加し、容量素子ＣＢの第１端子、およびトランジスタＭ３のゲートに該電位を書き込む。その後、配線ＷＯＬに低レベル電位を印加し、トランジスタＭ２を非導通状態にすることによって、容量素子ＣＢの第１端子の電位、およびトランジスタＭ３のゲートの電位を保持する。
【００７４】
データの読み出しは、配線ＳＬに所定の電位を印加することによって行われる。トランジスタＭ３のソース−ドレイン間に流れる電流、およびトランジスタＭ３の第１端子の電位は、トランジスタＭ３のゲートの電位、およびトランジスタＭ３の第２端子の電位によって決まるので、トランジスタＭ３の第１端子に接続されている配線ＲＢＬの電位を読み出すことによって、容量素子ＣＢの第１端子（またはトランジスタＭ３のゲート）に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、容量素子ＣＢの第１端子（またはトランジスタＭ３のゲート）に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。
【００７５】
また、上述したメモリ３００が有するメモリセルは、メモリセル４４０に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。
【００７６】
例えば、上述したメモリ３００が有するメモリセルは、図５（Ｅ）に示すようなメモリセルの構成でもよい。メモリセル４５０は、図５（Ｂ）のメモリセル４２０が有するトランジスタＭ１と同様に、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成となっている。このような構成にすることによって、トランジスタＭ２のバックゲートに、トランジスタＭ２のゲートと同じ電位を印加することができるため、トランジスタＭ２が導通状態のときにおいて、トランジスタＭ２に流れる電流を増加することができる。
【００７７】
また、例えば、上述したメモリ３００が有するメモリセルは、バックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルであってもよい。そのメモリセルの回路構成例を図５（Ｆ）に示す。メモリセル４６０は、メモリセル４４０のトランジスタＭ２からバックゲートを除いた構成となっている。なお、メモリ３００にメモリセル４６０を適用することによって、トランジスタＭ２はバックゲートを有さないため、メモリ３００の作製工程をメモリセル４６０、およびメモリセル４５０よりも短縮することができる。
【００７８】
また、例えば、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。そのメモリセルの回路構成例を図５（Ｇ）に示す。メモリセル４７０は、メモリセル４４０の配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとして、トランジスタＭ２の第２端子、およびトランジスタＭ３の第１端子が、配線ＢＩＬと接続されている構成となっている。つまり、メモリセル４７０は、書き込みビット線と、読み出しビット線と、を１本の配線ＢＩＬとして動作する構成となっている。
【００７９】
なお、トランジスタＭ２、および／またはトランジスタＭ３のチャネル形成領域には、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることができる。つまり、トランジスタＭ２、および／またはトランジスタＭ３としてｏｘトランジスタを適用することができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体であることが好ましい。
【００８０】
インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有しているので、トランジスタＭ２、および／またはトランジスタＭ３としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２、および／またはトランジスタＭ３のリーク電流を非常に低くすることができる。特に、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル４４０、メモリセル４５０、メモリセル４６０、メモリセル４７０に対して多値データ、またはアナログデータを保持することができる。
【００８１】
トランジスタＭ２としてｏｘトランジスタを適用したメモリセル４４０、メモリセル４５０、メモリセル４６０、およびメモリセル４７０は、前述したＮＯＳＲＡＭの一態様である。
【００８２】
なお、トランジスタＭ３のチャネル形成領域には、シリコンを有することが好ましい。特に、該シリコンは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ：Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）とすることができる（以後、Ｓｉトランジスタと呼称する。）。Ｓｉトランジスタは、ｏｘトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合があるため、読み出しトランジスタとして、Ｓｉトランジスタを適用するのは好適といえる。
【００８３】
また、トランジスタＭ３としてｏｘトランジスタを用いた場合、メモリセルを単極性回路で構成することができる。
【００８４】
また、図６（Ａ）に、３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルを示す。メモリセル４８０は、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６と、容量素子ＣＣと、を有する。なお、トランジスタＭ４は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、およびバックゲートを有する。
【００８５】
トランジスタＭ４の第１端子は、容量素子ＣＣの第１端子と接続され、トランジスタＭ４の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ４のゲートは、配線ＷＷＬと接続され、トランジスタＭ４のバックゲートは、配線ＢＧＬと電気的に接続されている。容量素子ＣＣの第２端子は、トランジスタＭ５の第１端子と、配線ＧＮＤＬと、に電気的に接続されている。トランジスタＭ５の第２端子は、トランジスタＭ６の第１端子と接続され、トランジスタＭ５のゲートは、容量素子ＣＣの第１端子と接続されている。トランジスタＭ６の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ６のゲートは配線ＲＷＬと接続されている。
【００８６】
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＷＬは、書き込みワード線として機能し、配線ＲＷＬは、読み出しワード線として機能する。
【００８７】
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ４のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ４のしきい値電圧を増減することができる。
【００８８】
配線ＧＮＤＬは、低レベル電位を与える配線である。
【００８９】
データの書き込みは、配線ＷＷＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ４を導通状態にし、配線ＢＩＬと容量素子ＣＣの第１端子を接続することによって行われる。具体的には、トランジスタＭ４が導通状態のときに、配線ＢＩＬに記録する情報に対応する電位を印加し、容量素子ＣＣの第１端子、およびトランジスタＭ５のゲートに該電位を書き込む。その後、配線ＷＷＬに低レベル電位を印加し、トランジスタＭ４を非導通状態にすることによって、容量素子ＣＣの第１端子の電位、およびトランジスタＭ５のゲートの電位を保持する。
【００９０】
データの読み出しは、配線ＢＩＬに所定の電位をプリチャージして、その後配線ＢＩＬを電気的に浮遊状態にし、かつ配線ＲＷＬに高レベル電位を印加することによって行われる。配線ＲＷＬが高レベル電位となるので、トランジスタＭ６は導通状態となり、配線ＢＩＬとトランジスタＭ５の第２端子が電気的に接続状態となる。このとき、トランジスタＭ５の第２端子には、配線ＢＩＬの電位が印加されることになるが、容量素子ＣＣの第１端子（またはトランジスタＭ５のゲート）に保持されている電位に応じて、トランジスタＭ５の第２端子の電位、および配線ＢＩＬの電位が変化する。ここで、配線ＢＩＬの電位を読み出すことによって、容量素子ＣＣの第１端子（またはトランジスタＭ５のゲート）に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、容量素子ＣＣの第１端子（またはトランジスタＭ５のゲート）に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。
【００９１】
また、上述したメモリ３００が有するメモリセルは、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、図５（Ｂ）に示すメモリセル４２０のトランジスタＭ１、および図５（Ｅ）に示すメモリセル４５０のトランジスタＭ２のように、メモリセル４８０は、トランジスタＭ４のバックゲートを、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続する構成であってもよい（図示しない）。このような構成にすることによって、トランジスタＭ４のバックゲートに、トランジスタＭ４のゲートと同じ電位を印加することができるため、トランジスタＭ４が導通状態のときにおいて、トランジスタＭ４に流れる電流を増加することができる。また、例えば、図５（Ｃ）に示すメモリセル４３０のトランジスタＭ１、および図５（Ｆ）に示すメモリセル４６０のトランジスタＭ２のように、メモリセル４８０は、トランジスタＭ４がバックゲートを有さない構成であってもよい。このような構成にすることによって、トランジスタＭ４はバックゲートを有さない分、メモリ３００の作製工程を短縮することができる。
【００９２】
なお、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６のチャネル形成領域には、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることができる。つまり、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６としてｏｘトランジスタを適用することができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体であることが好ましい。インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有しているので、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６としてｏｘトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６のリーク電流を非常に低くすることができる。特に、書き込んだデータをトランジスタＭ４によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。
【００９３】
トランジスタＭ４としてｏｘトランジスタを適用したメモリセル４８０は、前述したＮＯＳＲＡＭの一態様である。
【００９４】
なお、本実施の形態で説明したトランジスタＭ５およびＭ６のチャネル形成領域には、シリコンを有することが好ましい。特に、該シリコンは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、低温ポリシリコンとすることができる。Ｓｉトランジスタは、ｏｘトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合があるため、読み出しトランジスタとして、Ｓｉトランジスタを適用するのは好適といえる。
【００９５】
また、トランジスタＭ５およびＭ６としてｏｘトランジスタを用いた場合、メモリセルを単極性回路で構成することができる。
【００９６】
［ｏｘＳＲＡＭ］
図６（Ｂ）に、ｏｘトランジスタを用いたＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）の一例を示す。本明細書等において、ｏｘトランジスタを用いたＳＲＡＭを、ｏｘＳＲＡＭと呼ぶ。なお、図６（Ｂ）に示すメモリセル４９０は、バックアップ可能なＳＲＡＭのメモリセルである。
【００９７】
メモリセル４９０は、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０と、トランジスタＭＳ１乃至トランジスタＭＳ４と、容量素子ＣＤ１と、容量素子ＣＤ２と、有する。なお、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、およびバックゲートを有する。なお、トランジスタＭＳ１、およびトランジスタＭＳ２は、ｐチャネル型トランジスタであり、トランジスタＭＳ３、およびトランジスタＭＳ４は、ｎチャネル型トランジスタである。
【００９８】
トランジスタＭ７の第１端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ７の第２端子は、トランジスタＭＳ１の第１端子と、トランジスタＭＳ３の第１端子と、トランジスタＭＳ２のゲートと、トランジスタＭＳ４のゲートと、トランジスタＭ１０の第１端子と、に接続されている。トランジスタＭ７のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ７のバックゲートは、配線ＢＧＬ１と接続されている。トランジスタＭ８の第１端子は、配線ＢＩＬＢと接続され、トランジスタＭ８の第２端子は、トランジスタＭＳ２の第１端子と、トランジスタＭＳ４の第１端子と、トランジスタＭＳ１のゲートと、トランジスタＭＳ３のゲートと、トランジスタＭ９の第１端子と、に接続されている。トランジスタＭ８のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ８のバックゲートは、配線ＢＧＬ２と接続されている。
【００９９】
トランジスタＭＳ１の第２端子は、配線ＶＤＬと電気的に接続されている。トランジスタＭＳ２の第２端子は、配線ＶＤＬと電気的に接続されている。トランジスタＭＳ３の第２端子は、配線ＧＮＤＬと電気的に接続されている。トランジスタＭＳ４の第２端子は、配線ＧＮＤＬと接続されている。
【０１００】
トランジスタＭ９の第２端子は、容量素子ＣＤ１の第１端子と接続され、トランジスタＭ９のゲートは、配線ＢＲＬと接続され、トランジスタＭ９のバックゲートは、配線ＢＧＬ３と接続されている。トランジスタＭ１０の第２端子は、容量素子ＣＤ２の第１端子と接続され、トランジスタＭ１０のゲートは、配線ＢＲＬと接続され、トランジスタＭ１０のバックゲートは、配線ＢＧＬ４と接続されている。
【０１０１】
容量素子ＣＤ１の第２端子は、配線ＧＮＤＬと接続され、容量素子ＣＤ２の第２端子は、配線ＧＮＤＬと接続されている。
【０１０２】
配線ＢＩＬおよび配線ＢＩＬＢは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能し、配線ＢＲＬは、トランジスタＭ９、およびトランジスタＭ１０の導通状態、非導通状態を制御する配線である。
【０１０３】
配線ＢＧＬ１乃至配線ＢＧＬ４は、それぞれトランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬ１乃至配線ＢＧＬ４に任意の電位を印加することによって、それぞれトランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０のしきい値電圧を増減することができる。
【０１０４】
配線ＶＤＬは、高レベル電位を与える配線であり、配線ＧＮＤＬは、低レベル電位を与える配線である。
【０１０５】
データの書き込みは、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、かつ配線ＢＲＬに高レベル電位を印加することによって行われる。具体的には、トランジスタＭ１０が導通状態のときに、配線ＢＩＬに記録する情報に対応する電位を印加し、トランジスタＭ１０の第２端子側に該電位を書き込む。
【０１０６】
ところで、メモリセル４９０は、トランジスタＭＳ１乃至トランジスタＭＳ２によってインバータループを構成しているので、トランジスタＭ８の第２端子側に、該電位に対応するデータ信号の反転信号が入力される。トランジスタＭ８が導通状態であるため、配線ＢＩＬＢには、配線ＢＩＬに印加されている電位、すなわち配線ＢＩＬに入力されている信号の反転信号が出力される。また、トランジスタＭ９、およびトランジスタＭ１０が導通状態であるため、トランジスタＭ７の第２端子の電位、およびトランジスタＭ８の第２端子の電位は、それぞれ容量素子ＣＤ２の第１端子、および容量素子ＣＤ１の第１端子に保持される。その後、配線ＷＯＬに低レベル電位を印加し、かつ配線ＢＲＬに低レベル電位を印加し、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０を非導通状態にすることによって、容量素子ＣＤ１の第１端子、および容量素子ＣＤ２の第１端子を保持する。
【０１０７】
データの読み出しは、あらかじめ配線ＢＩＬおよび配線ＢＩＬＢを所定の電位にプリチャージした後に、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、配線ＢＲＬに高レベル電位を印加することによって、容量素子ＣＤ１の第１端子の電位が、メモリセル４９０のインバータループによってリフレッシュされ、配線ＢＩＬＢに出力される。また、容量素子ＣＤ２の第１端子の電位が、メモリセル４９０のインバータループによってリフレッシュされ、配線ＢＩＬに出力される。配線ＢＩＬおよび配線ＢＩＬＢでは、それぞれプリチャージされた電位から容量素子ＣＤ２の第１端子の電位、および容量素子ＣＤ１の第１端子の電位に変動するため、配線ＢＩＬまたは配線ＢＩＬＢの電位から、メモリセルに保持された電位を読み出すことができる。
【０１０８】
なお、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０のチャネル形成領域には、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることができる。つまり、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０としてｏｘトランジスタを適用することができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体であることが好ましい。インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有しているので、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０のリーク電流を非常に低くすることができる。特に、書き込んだデータをトランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル４８０に対して多値データ、またはアナログデータを保持することができる。
【０１０９】
トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０としてｏｘトランジスタを用いることにより、ｏｘＳＲＡＭを構成することができる。
【０１１０】
なお、トランジスタＭＳ１乃至トランジスタＭＳ４のチャネル形成領域には、シリコンを有することが好ましい。特に、該シリコンは、該シリコンは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、低温ポリシリコンとすることができる。Ｓｉトランジスタは、ｏｘトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合があるため、インバータに含まれるトランジスタとして、Ｓｉトランジスタを適用するのは好適といえる。
【０１１１】
本実施の形態で説明したメモリは、ＣＰＵやＧＰＵなどに含まれる、レジスタおよびキャッシュなどの記憶素子に用いることができる。
【０１１２】
＜ＧＰＵ＞
図７に、集積回路１３０に適用可能なＧＰＵの構成の一例を示す。図７に示すＧＰＵ５００は、制御装置５０１（コントロールユニット）、パワーマネージメントユニット５１６、スレッド配分ユニット５０２、複数の演算ユニット（ＡＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  Ｕｎｉｔ）５１２、Ｌ２（レベル２）キャッシュメモリ５０４、デバイスメモリ５０５を有する。パワーマネージメントユニット５１６は、パワーコントローラ５１７、およびパワースイッチ５１８を有する。
【０１１３】
デバイスメモリ５０５は、ＧＰＵ５００が実行するプログラム（カーネル、またはカーネル・プログラムとも呼ばれる。）、ＧＰＵ５００が処理するデータを記憶する。ホスト５２０のＣＰＵ５２１の命令に応じて、ＧＰＵ５００はカーネルを起動し、データを処理する。ＧＰＵ５００が処理したデータは、デバイスメモリ５０５に書き込まれ、ＣＰＵ５２１のメインメモリ５２２へ転送される。メインメモリ５２２とデバイスメモリ５０５間のデータの転送は、ＣＰＵ５２１によって制御される。
【０１１４】
なお、ＣＰＵ５２１として上掲のＣＰＵ２００を用いればよい。メインメモリ５２２として上掲のメモリ３００を用いればよい。
【０１１５】
制御装置５０１は、パワーマネージメントユニット５１６、スレッド配分ユニット５０２、ＡＵ５０３、Ｌ２キャッシュメモリ５０４、デバイスメモリ５０５の動作を統括的に制御する。
【０１１６】
スレッド配分ユニット５０２は、複数のスレッドで構成されるスレッド・ブロックを、使用可能なＡＵ５０３に割り当てる。ここでいう、スレッドとは、カーネルにおける最小の実行単位をさす。
【０１１７】
ＡＵ５０３は、多数のスレッドを同時に実行する並列演算処理ができる。例えば、ＡＵ５０３は、Ｌ１キャッシュメモリ、共有メモリ、レジスタ、命令発行ユニット、複数のプロセッサ・コア、複数の超越関数演算器を備える。ＧＰＵ５００の並列演算処理機能を活かすため、ＡＵ５０３に、複数のディープラーニング用演算器を設けてもよい。
【０１１８】
Ｌ２キャッシュメモリ５０４は、ＧＰＵ５００内のＡＵ５０３で共有される。Ｌ２キャッシュメモリ５０４とＡＵ５０３のＬ１キャッシュ間でデータのロードおよびストアが行われる。Ｌ２キャッシュメモリ５０４は適宜設ければよい。Ｌ２キャッシュメモリ５０４が設けられない場合は、デバイスメモリ５０５とＬ１キャッシュ間でデータのロードおよびストアが行われる。
【０１１９】
ＧＰＵ５００を構成するトランジスタの少なくとも一部にｏｘトランジスタを用いることで、ＧＰＵの消費電力を低減させることができる。例えば、人工ニューラルネットワークなど大規模な計算をＧＰＵで行う場合、ＧＰＵは大電力を必要とし、チップは高温に発熱する。ＧＰＵ５００を構成するトランジスタの少なくとも一部にｏｘトランジスタを用いることで、ＧＰＵ５００の消費電力を低減し、半導体装置１００の発熱を抑えることができる。
【０１２０】
パワースイッチ５１８は、ＧＰＵ５００が有する、パワーコントローラ５１７以外の各種回路への、電力供給を制御する機能を有する。各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ５１８によって電力供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ５１７はパワースイッチ５１８の動作を制御する機能を有する。このような構成を有することで、ＧＰＵ５００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。
【０１２１】
Ｌ２キャッシュメモリ５０４およびデバイスメモリ５０５のデータをメモリ３００（集積回路１２０）に退避することで、ＧＰＵ５００（集積回路１３０）への電力供給が停止されても、Ｌ２キャッシュメモリ５０４およびデバイスメモリ５０５のデータを保持することができる。また、一定期間毎にＬ２キャッシュメモリ５０４およびデバイスメモリ５０５のデータを退避することで、ＧＰＵ５００の電力供給が予期せず停止した場合も、データ消失の被害を最小限に抑えることができる。さらに、メモリ３００が不揮発性メモリである場合は、半導体装置１００への電力供給が予期せず停止した場合も、データ消失の被害を最小限に抑えることができる。
【０１２２】
また、Ｌ２キャッシュメモリ５０４として、ＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ、ｏｘＳＲＡＭを用いてもよい。デバイスメモリ５０５として、ＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ、ｏｘＳＲＡＭを用いてもよい。この場合、メモリ３００にデータを退避する前にＧＰＵ５００の電力供給が停止した場合でも、データ消失の被害を最小限に抑えることができる。
【０１２３】
また、使用していないＡＵ５０３への電力供給を停止することで、ＧＰＵ５００の消費電力を低減し、半導体装置１００の発熱を抑えることができる。
【０１２４】
＜半導体装置１００＞
半導体装置１００を構成する集積回路１１０としてＣＰＵ、集積回路１２０としてメモリ、集積回路１３０としてＧＰＵを用いる場合は、ＣＰＵとＧＰＵの間にメモリを挟んで積層することが好ましい。なお、ＣＰＵとＧＰＵの積層順に特段の限定は無い。すなわち、図１（Ａ）の構成だけでなく、集積回路１３０上に集積回路１２０が設けられ、集積回路１２０上に集積回路１１０を設けてもよい。
【０１２５】
集積回路１１０（ＣＰＵ）、集積回路１２０（メモリ）、および集積回路１３０（ＧＰＵ）は、それぞれが互いに電気的に接続され、データの送受信が行なわれる。また、一般に、半導体装置の高速動作実現のため、データ転送速度の向上が求められている。ＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリなどの集積回路を平面に並べて配置すると、それぞれを接続する配線の抵抗および寄生容量の低減が難しく、データ転送速度の向上が難しい。ＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリなどの集積回路を積層して設けることで、配線抵抗および寄生容量の低減が容易となり、データ転送速度を高めることができる。
【０１２６】
特に、ＣＰＵとＧＰＵの間にメモリを設けることで、ＣＰＵとメモリまでの距離とＧＰＵとメモリまでの距離を揃えやすくなる。よって、ＣＰＵとメモリ間のアクセス速度と、ＧＰＵとメモリ間のアクセス速度の最適化が容易となる。
【０１２７】
また、ＣＰＵとＧＰＵでメモリを共通使用することで、デバイス間のデータコピー動作を削減することができる。
【０１２８】
また、ＣＰＵ、メモリ、およびＧＰＵを積層することで、半導体装置１００の占有面積を低減することができる。
【０１２９】
集積回路１２０として用いるメモリは、ＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ、および／またはｏｘＲＡＭなどのｏｘトランジスタを用いたメモリが好ましい。ｏｘトランジスタは高温下でもオフ電流が増加しにくいため、ＣＰＵまたはＧＰＵの発熱による高温下においてもデータ消失が生じにくい。同様の理由により、ＣＰＵおよびＧＰＵが有するキャッシュメモリやレジスタにｏｘトランジスタを用いることが好ましい。ｏｘトランジスタを用いることで、半導体装置１００の信頼性を高めることができる。また、ｏｘトランジスタを用いることにより、集積回路１１０乃至集積回路１３０の積層を容易とすることができる。
【０１３０】
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。
【０１３１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置１００の断面構成例について図面を用いて説明する。
【０１３２】
＜半導体装置の構造例＞
図８に、半導体装置１００の一部の断面を示す。図８に示す半導体装置１００は、基板２３１上に、集積回路１１０、集積回路１２０、および集積回路１３０を積層している。図８では、基板２３１として単結晶半導体基板（例えば、単結晶シリコン基板）を用いる場合を示している。集積回路１１０に含まれるトランジスタは、ソース、ドレイン、およびチャネルが、基板２３１の一部に形成される。また、集積回路１２０および集積回路１３０には薄膜トランジスタ（例えば、ｏｘトランジスタ）が含まれる。
【０１３３】
〔集積回路１１０〕
図８において、集積回路１１０は、基板２３１上にトランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃを有する。図８では、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃのチャネル長方向の断面を示している。
【０１３４】
前述した通り、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃのチャネルは、基板２３１の一部に形成される。集積回路に高速動作が求められる場合は、基板２３１として単結晶半導体基板を用いることが好ましい。
【０１３５】
トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃは、素子分離層２３２によって他のトランジスタと電気的に分離される。素子分離層の形成は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法や、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法などを用いることができる。
【０１３６】
また、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃ上に絶縁層２３４、絶縁層２３５、絶縁層２３７が設けられ、絶縁層２３７中に電極２３８が埋設されている。電極２３８はコンタクトプラグ２３６を介してトランジスタ２３３ａのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。
【０１３７】
また、電極２３８および絶縁層２３７の上に、絶縁層２３９、絶縁層２４０、および絶縁層２４１が設けられ、絶縁層２３９、絶縁層２４０、および絶縁層２４１の中に電極２４２が埋設されている。電極２４２は、電極２３８と電気的に接続される。
【０１３８】
また、電極２４２および絶縁層２４１の上に、絶縁層２４３、および絶縁層２４４が設けられ、絶縁層２４３、および絶縁層２４４の中に電極２４５が埋設されている。電極２４５は、電極２４２と電気的に接続される。
【０１３９】
また、電極２４５および絶縁層２４４の上に、絶縁層２４６および絶縁層２４７が設けられ、絶縁層２４６および絶縁層２４７の中に電極２４９が埋設されている。電極２４９は、電極２４５と電気的に接続される。
【０１４０】
また、電極２４９および絶縁層２４７の上に、絶縁層２４８および絶縁層２５０が設けられ、絶縁層２４８および絶縁層２５０の中に電極２５１が埋設されている。電極２５１は、電極２４９と電気的に接続される。
【０１４１】
〔集積回路１２０〕
集積回路１２０は、集積回路１１０上に設けられる。図８において、集積回路１２０は、トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、トランジスタ３６８ｃ、および容量素子３６９を有する。図８では、トランジスタ３６８ａおよびトランジスタ３６８ｂは、チャネル長方向の断面を示している。また、トランジスタ３６８ｃは、チャネル幅方向の断面を示している。なお、トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、およびトランジスタ３６８ｃは、バックゲートを有するトランジスタである。
【０１４２】
トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、およびトランジスタ３６８ｃの半導体層に、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることが好ましい。すなわち、トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、およびトランジスタ３６８ｃにｏｘトランジスタを用いることが好ましい。
【０１４３】
トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、およびトランジスタ３６８ｃは、絶縁層３６１および絶縁層３６２上に設けられている。また、絶縁層３６２上に絶縁層３６３および絶縁層３６４が設けられている。トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、およびトランジスタ３６８ｃのバックゲートは、絶縁層３６３および絶縁層３６４中に埋設されている。絶縁層３６４上に、絶縁層３６５および絶縁層３６６が設けられている。また、電極３６７が、絶縁層３６１乃至絶縁層３６６中に埋設されている。電極３６７は、電極２５１と電気的に接続されている。
【０１４４】
また、トランジスタ３６８ａ、トランジスタ３６８ｂ、トランジスタ３６８ｃ、および容量素子３６９上に、絶縁層３７１、絶縁層３７２、および絶縁層３７３が形成され、絶縁層３７３上に電極３７５が形成されている。電極３７５はコンタクトプラグ３７４を介して電極３６７と電気的に接続される。
【０１４５】
また、電極３７５上に、絶縁層３７６、絶縁層３７７、絶縁層３７８、および絶縁層３７９が設けられている。また、電極３８０が、絶縁層３７６乃至絶縁層３７９中に埋設されている。電極３８０は、電極３７５と電気的に接続されている。
【０１４６】
また、電極３８０および絶縁層３７９の上に、絶縁層３８１および絶縁層３８２が設けられ、絶縁層３８１および絶縁層３８２の中に電極３８３が埋設されている。電極３８３は、電極３８０と電気的に接続される。
【０１４７】
〔集積回路１３０〕
集積回路１３０は、集積回路１２０上に設けられる。図８において、集積回路１３０は、トランジスタ５３８ａ、トランジスタ５３８ｂ、トランジスタ５３８ｃ、および容量素子５３９を有する。図８では、トランジスタ５３８ａおよびトランジスタ５３８ｂは、チャネル長方向の断面を示している。また、トランジスタ５３８ｃは、チャネル幅方向の断面を示している。なお、トランジスタ５３８ａ、トランジスタ５３８ｂ、およびトランジスタ５３８ｃは、バックゲートを有するトランジスタである。
【０１４８】
トランジスタ５３８ａ、トランジスタ５３８ｂ、およびトランジスタ５３８ｃの半導体層に、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることが好ましい。すなわち、トランジスタ５３８ａ、トランジスタ５３８ｂ、およびトランジスタ５３８ｃにｏｘトランジスタを用いることが好ましい。
【０１４９】
トランジスタ５３８ａ、トランジスタ５３８ｂ、およびトランジスタ５３８ｃは、絶縁層５３１および絶縁層５３２上に設けられている。また、絶縁層５３２上に絶縁層５３３および絶縁層５３４が設けられている。トランジスタ５３８ａ、トランジスタ５３８ｂ、およびトランジスタ５３８ｃのバックゲートは、絶縁層５３３および絶縁層５３４中に埋設されている。絶縁層５３４上に、絶縁層５３５および絶縁層５３６が設けられている。また、電極５３７が、絶縁層５３１乃至絶縁層５３６中に埋設されている。電極５３７は、電極３８３と電気的に接続されている。
【０１５０】
また、トランジスタ５３８ａ、トランジスタ５３８ｂ、トランジスタ５３８ｃ、および容量素子５３９上に、絶縁層５４１、絶縁層５４２、および絶縁層５４３が形成され、絶縁層５４３上に電極５４５が形成されている。電極５４５は電極５３７とコンタクトプラグ５４４を介して電気的に接続される。また、電極５４５は、コンタクトプラグを介してトランジスタ５３８ａのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。
【０１５１】
また、電極５４５上に、絶縁層５４６、絶縁層５４７、および絶縁層５４８が設けられている。また、電極５４９が、絶縁層５４６乃至絶縁層５４８中に埋設されている。電極５４９は、電極５４５を介してコンタクトプラグ５４４と電気的に接続されている。
【０１５２】
また、電極５４９および絶縁層５４８の上に、絶縁層５５０および絶縁層５５１が設けられ、絶縁層５５０および絶縁層５５１の中に電極５５２が埋設されている。電極５５２および絶縁層５５１の上に、絶縁層５５３が設けられている。
【０１５３】
＜変形例＞
図９に半導体装置１００Ａの一部の断面を示す。半導体装置１００Ａは半導体装置１００の変形例である。半導体装置１００Ａは、集積回路１１０Ａ、集積回路１２０、および集積回路１３０を有する。集積回路１１０Ａ、集積回路１２０、および集積回路１３０は、基板２３１上に順に設けられる。半導体装置１００Ａでは、基板２３１として絶縁性基板（例えば、ガラス基板）を用いる。
【０１５４】
半導体装置１００Ａでは、集積回路１１０Ａに含まれるトランジスタに薄膜トランジスタ（例えば、ｏｘトランジスタ）を用いる。半導体装置１００Ａは、集積回路１２０および／または集積回路１３０と同様に作製することができる。
【０１５５】
集積回路１１０Ａに含まれるトランジスタを全てｏｘトランジスタとすることで、集積回路１１０Ａを単極性の集積回路にすることができる。半導体装置１００Ａに含まれるトランジスタを全てｏｘトランジスタとすることで、半導体装置１００Ａを単極性の半導体装置にすることができる。
【０１５６】
＜構成材料について＞
〔基板〕
基板として用いる材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。また、ＳＯＩ基板や、半導体基板上に歪トランジスタやＦＩＮ型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。または、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。すなわち、基板は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。
【０１５７】
また、基板として、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることもできる。なお、基板として、可撓性基板（フレキシブル基板）を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性基板上に、トランジスタや容量素子などを直接作製してもよいし、他の作製基板上にトランジスタや容量素子などを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板とトランジスタや容量素子などとの間に剥離層を設けるとよい。
【０１５８】
可撓性基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。基板に用いる可撓性基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。基板に用いる可撓性基板は、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板として好適である。
【０１５９】
〔絶縁層〕
絶縁層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
【０１６０】
なお、本明細書等において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定することができる。
【０１６１】
また、半導体層として金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる場合は、半導体層中の水素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の水素濃度を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。特に、半導体層と接する絶縁層の水素濃度を低減することが好ましい。
【０１６２】
また、半導体層中の窒素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の窒素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の窒素濃度を、ＳＩＭＳにおいて５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１６３】
また、絶縁層の少なくとも半導体層と接する領域と、絶縁層の少なくとも半導体層と接する領域は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、ｇ値が２．００１に観察されるＥ’センターが挙げられる。なお、Ｅ’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。例えば、絶縁層として、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いる場合、Ｅ’センター起因のスピン密度が、３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いればよい。
【０１６４】
また、上述のシグナル以外に二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Ｎの核スピンにより３つのシグナルに分裂しており、それぞれのｇ値が２．０３７以上２．０３９以下（第１のシグナルとする）、ｇ値が２．００１以上２．００３以下（第２のシグナルとする）、及びｇ値が１．９６４以上１．９６６以下（第３のシグナルとする）に観察される。
【０１６５】
例えば、絶縁層として、二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルのスピン密度が、１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である絶縁層を用いると好適である。
【０１６６】
なお、二酸化窒素（ＮＯ２）を含む窒素酸化物（ＮＯｘ）は、絶縁層中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体層のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物（ＮＯｘ）が、絶縁層と酸化物半導体層の界面に拡散すると、当該準位が絶縁層側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁層および絶縁層として窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することができる。
【０１６７】
窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量が少ない絶縁層としては、例えば、酸化窒化シリコン層を用いることができる。当該酸化窒化シリコン層は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８個／ｃｍ３以上５×１０１９個／ｃｍ３以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、ＴＤＳにおける加熱処理の温度が５０℃以上６５０℃以下、または５０℃以上５５０℃以下の範囲での総量である。
【０１６８】
窒素酸化物（ＮＯｘ）は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁層を用いることで窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減される。
【０１６９】
また、酸化物半導体層に接する絶縁層のうち少なくとも１つは、加熱により酸素が放出される絶縁層を用いて形成することが好ましい。具体的には、絶縁層の表面温度が１００℃以上７００℃以下、好ましくは１００℃以上５００℃以下の加熱処理で行われるＴＤＳにて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層を用いることが好ましい。なお、本明細書などにおいて、加熱により放出される酸素を「過剰酸素」ともいう。
【０１７０】
また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸化性雰囲気下における熱処理やプラズマ処理などで行なうことができる。または、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注入法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加する処理に用いるガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガス、またはオゾンガスなどの、酸素を含むガスが挙げられる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。酸素ドープ処理は、基板を加熱して行なってもよい。
【０１７１】
また、絶縁層として、ポリイミド、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
【０１７２】
なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。
【０１７３】
絶縁層の形成方法は、特に限定されない。なお、絶縁層に用いる材料によっては焼成工程が必要な場合がある。この場合、絶縁層の焼成工程と他の熱処理工程を兼ねることで、効率よくトランジスタを作製することが可能となる。
【０１７４】
〔電極〕
電極を形成するための導電性材料としては、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、インジウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
【０１７５】
また、前述した金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、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、インジウムガリウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。
【０１７６】
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、窒素を含む導電性材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
【０１７７】
なお、半導体層に酸化物半導体を用いて、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いる場合は、酸素を含む導電性材料を半導体層側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料を半導体層側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素が半導体層に供給されやすくなる。
【０１７８】
なお、電極としては、例えば、タングステン、ポリシリコン等の埋め込み性の高い導電性材料を用いればよい。また、埋め込み性の高い導電性材料と、チタン層、窒化チタン層、窒化タンタル層などのバリア層（拡散防止層）を組み合わせて用いてもよい。なお、電極を「コンタクトプラグ」という場合がある。
【０１７９】
特に、ゲート絶縁層と接する電極に不純物が透過しにくい導電性材料を用いることが好ましい。不純物が透過しにくい導電性材料として、例えば窒化タンタルが挙げられる。
【０１８０】
絶縁層に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用い、電極、電極に不純物が透過しにくい導電性材料を用いることで、トランジスタへの不純物の拡散をさらに抑制することができる。よって、トランジスタの信頼性をさらに高めることができる。すなわち、半導体装置の信頼性をさらに高めることができる。
【０１８１】
〔半導体層〕
半導体層として、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
【０１８２】
また、半導体層として有機物半導体を用いる場合は、芳香環をもつ低分子有機材料やπ電子共役系導電性高分子などを用いることができる。例えば、ルブレン、テトラセン、ペンタセン、ペリレンジイミド、テトラシアノキノジメタン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレンビニレンなどを用いることができる。
【０１８３】
なお、半導体層を積層してもよい。半導体層を積層する場合は、それぞれ異なる結晶状態を有する半導体を用いてもよいし、それぞれ異なる半導体材料を用いてもよい。
【０１８４】
また、酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上あるため、半導体層に酸化物半導体を用いると、オフ電流が極めて少ないトランジスタを実現することができる。具体的には、ソースとドレイン間の電圧が３．５Ｖ、室温（代表的には２５℃）下において、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を１×１０−２０Ａ未満、１×１０−２２Ａ未満、あるいは１×１０−２４Ａ未満とすることができる。すなわち、オンオフ比を２０桁以上とすることもできる。また、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。よって、信頼性の良好なトランジスタを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧なトランジスタを提供できる。また、信頼性の良好な半導体装置などを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧な半導体装置を提供することができる。
【０１８５】
また、本明細書等において、チャネルが形成される半導体層に結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタを「結晶性Ｓｉトランジスタ」ともいう。
【０１８６】
結晶性Ｓｉトランジスタは、ｏｘトランジスタよりも比較的高い移動度を得やすい。一方で、結晶性Ｓｉトランジスタは、ｏｘトランジスタのように極めて少ないオフ電流の実現が困難である。よって、半導体層に用いる半導体材料は、目的や用途に応じて適宜使い分けることが肝要である。例えば、目的や用途に応じて、ｏｘトランジスタと結晶性Ｓｉトランジスタなどを組み合わせて用いてもよい。
【０１８７】
半導体層として酸化物半導体層を用いる場合は、酸化物半導体層をスパッタリング法で形成することが好ましい。酸化物半導体層は、スパッタリング法で形成すると酸化物半導体層の密度を高められるため、好適である。スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または、希ガスおよび酸素の混合ガスを用いればよい。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物半導体層に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０１８８】
また、スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０−４Ｐａ以下、好ましく５×１０−５Ｐａ以下とすることが好ましい。
【０１８９】
〔金属酸化物〕
酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【０１９０】
ここで、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素として、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【０１９１】
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
【０１９２】
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
【０１９３】
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）、および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。
【０１９４】
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（または正孔）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。
【０１９５】
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、導電性領域、およ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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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形成領域に用いる場合、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、および高い電界効果移動度を得ることができる。
【０１９８】
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。
【０１９９】
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）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）および非晶質酸化物半導体などがある。
【０２００】
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。
【０２０１】
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、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である。
【０２０２】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ、Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ、Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ、Ｍ）層と表すこともできる。
【０２０３】
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、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、金属酸化物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）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
【０２０４】
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。
【０２０５】
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金属酸化物である。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
【０２０６】
酸化物半導体（金属酸化物）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。
【０２０７】
［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
【０２０８】
なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、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。
【０２０９】
また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物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いう。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
【０２１０】
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、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。
【０２１１】
また、金属酸化物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金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０２１２】
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物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。
【０２１３】
［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
【０２１４】
金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物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／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２１５】
また、金属酸化物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。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域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。このため、金属酸化物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により得られる金属酸化物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／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【０２１６】
また、金属酸化物において、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金属酸化物をチャネル形成領域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。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の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、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２１７】
また、金属酸化物に含まれる水素は、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。当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。したがって、水素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域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。このため、金属酸化物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、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【０２１８】
不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成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。
【０２１９】
＜成膜方法について＞
絶縁層を形成するための絶縁性材料、電極を形成するための導電性材料、または半導体層を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、スピンコート法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法、高密度プラズマＣＶＤ（Ｈｉｇｈ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｐｌａｓｍａ  ＣＶＤ）法、ＬＰＣＶＤ（ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＣＶＤ）法、ＡＰＣＶＤ（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＣＶＤ）法等を含む）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、または、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ディップ法、スプレー塗布法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）を用いて形成することができる。
【０２２０】
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法、または熱ＣＶＤ法などの、成膜時にプラズマを用いない成膜方法を用いると、被形成面にダメージが生じにくい。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない成膜方法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
【０２２１】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
【０２２２】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
【０２２３】
なお、ＡＬＤ法により成膜する場合は、材料ガスとして塩素を含まないガスを用いることが好ましい。
【０２２４】
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。
【０２２５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、人工ニューラルネットワークに用いることが可能な半導体装置の構成例について説明する。
【０２２６】
図１０（Ａ）に示すように、ニューラルネットワークＮＮは入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、中間層（隠れ層）ＨＬによって構成することができる。入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、中間層ＨＬはそれぞれ、１または複数のニューロン（ユニット）を有する。なお、中間層ＨＬは１層であってもよいし２層以上であってもよい。２層以上の中間層ＨＬを有するニューラルネットワークはＤＮＮ（ディープニューラルネットワーク）と呼ぶこともでき、ディープニューラルネットワークを用いた学習は深層学習と呼ぶこともできる。
【０２２７】
入力層ＩＬの各ニューロンには入力データが入力され、中間層ＨＬの各ニューロンには前層または後層のニューロンの出力信号が入力され、出力層ＯＬの各ニューロンには前層のニューロンの出力信号が入力される。なお、各ニューロンは、前後の層の全てのニューロンと結合されていてもよいし（全結合）、一部のニューロンと結合されていてもよい。
【０２２８】
図１０（Ｂ）に、ニューロンによる演算の例を示す。ここでは、ニューロンＮと、ニューロンＮに信号を出力する前層の２つのニューロンを示している。ニューロンＮには、前層のニューロンの出力ｘ１と、前層のニューロンの出力ｘ２が入力される。そして、ニューロンＮにおいて、出力ｘ１と重みｗ１の乗算結果（ｘ１ｗ１）と出力ｘ２と重みｗ２の乗算結果（ｘ２ｗ２）の総和ｘ１ｗ１＋ｘ２ｗ２が計算された後、必要に応じてバイアスｂが加算され、値ａ＝ｘ１ｗ１＋ｘ２ｗ２＋ｂが得られる。そして、値ａは活性化関数ｈによって変換され、ニューロンＮから出力信号ｙ＝ｈ（ａ）が出力される。
【０２２９】
このように、ニューロンによる演算には、前層のニューロンの出力と重みの積を足し合わせる演算、すなわち積和演算が含まれる（上記のｘ１ｗ１＋ｘ２ｗ２）。この積和演算は、プログラムを用いてソフトウェア上で行ってもよいし、ハードウェアによって行われてもよい。積和演算をハードウェアによって行う場合は、積和演算回路を用いることができる。この積和演算回路としては、デジタル回路を用いてもよいし、アナログ回路を用いてもよい。積和演算回路にアナログ回路を用いる場合、積和演算回路の回路規模の縮小、または、メモリへのアクセス回数の減少による処理速度の向上及び消費電力の低減を図ることができる。
【０２３０】
積和演算回路は、チャネル形成領域にシリコン（単結晶シリコンなど）を含むトランジスタ（Ｓｉトランジスタ）によって構成してもよいし、チャネル形成領域に金属酸化物の一種である酸化物半導体を含むトランジスタ（ｏｘトランジスタ）によって構成してもよい。特に、ｏｘトランジスタはオフ電流が極めて少ないため、書き込まれたデータが変動しにくく、長期間保持することができる。よって、ｏｘトランジスタは、アナログデータまたは多値のデジタルデータ（離散的なデータ）を保持するメモリ（「多値メモリ」ともいう。）を構成するトランジスタとして好適である。すなわち、ｏｘトランジスタは、アナログ回路を構成するトランジスタとして好適である。なお、Ｓｉトランジスタとｏｘトランジスタの両方を用いて積和演算回路を構成してもよい。以下、積和演算回路の機能を備えた半導体装置の構成例について説明する。
【０２３１】
＜半導体装置の構成例＞
図１１に、ニューラルネットワークの演算を行う機能を有する半導体装置ＭＡＣの構成例を示す。なお、半導体装置ＭＡＣは、本発明の一態様の半導体装置１００で実現することができる。半導体装置ＭＡＣは、ニューロン間の結合強度（重み）に対応する第１のデータと、入力データに対応する第２のデータの積和演算を行う機能を有する。なお、第１のデータ及び第２のデータはそれぞれ、アナログデータまたは多値のデジタルデータとすることができる。また、半導体装置ＭＡＣは、積和演算によって得られたデータを活性化関数によって変換する機能を有する。
【０２３２】
半導体装置ＭＡＣは、セルアレイＣＡ、電流源回路ＣＳ、カレントミラー回路ＣＭ、回路ＷＤＤ、回路ＷＬＤ、回路ＣＬＤ、オフセット回路ＯＦＳＴ、及び活性化関数回路ＡＣＴＶを有する。
【０２３３】
セルアレイＣＡは、複数のメモリセルＭＣ及び複数のメモリセルＭＣｒｅｆを有する。図１１には、セルアレイＣＡがｍ行ｎ列（ｍ，ｎは１以上の整数）のメモリセルＭＣ（ＭＣ［１，１］乃至［ｍ，ｎ］）と、ｍ個のメモリセルＭＣｒｅｆ（ＭＣｒｅｆ［１］乃至［ｍ］）を有する構成例を示している。メモリセルＭＣは、第１のデータを格納する機能を有する。また、メモリセルＭＣｒｅｆは、積和演算に用いられる参照データを格納する機能を有する。なお、参照データはアナログデータまたは多値のデジタルデータとすることができる。
【０２３４】
メモリセルＭＣ［ｉ，ｊ］（ｉは１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数）は、配線ＷＬ［ｉ］、配線ＲＷ［ｉ］、配線ＷＤ［ｊ］、及び配線ＢＬ［ｊ］と接続されている。また、メモリセルＭＣｒｅｆ［ｉ］は、配線ＷＬ［ｉ］、配線ＲＷ［ｉ］、配線ＷＤｒｅｆ、配線ＢＬｒｅｆと接続されている。ここで、メモリセルＭＣ［ｉ，ｊ］と配線ＢＬ［ｊ］間を流れる電流をＩＭＣ［ｉ，ｊ］と表記し、メモリセルＭＣｒｅｆ［ｉ］と配線ＢＬｒｅｆ間を流れる電流をＩＭＣｒｅｆ［ｉ］と表記する。
【０２３５】
メモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆの具体的な構成例を、図１２に示す。図１２には代表例としてメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］を示しているが、他のメモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆにも同様の構成を用いることができる。メモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆはそれぞれ、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２、容量素子Ｃ１１を有する。ここでは、トランジスタＴｒ１１及びトランジスタＴｒ１２がｎチャネル型のトランジスタである場合について説明する。
【０２３６】
メモリセルＭＣにおいて、トランジスタＴｒ１１のゲートは配線ＷＬと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタＴｒ１２のゲート、及び容量素子Ｃ１１の第１の電極と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＷＤと接続されている。トランジスタＴｒ１２のソースまたはドレインの一方は配線ＢＬと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＶＲと接続されている。容量素子Ｃ１１の第２の電極は、配線ＲＷと接続されている。配線ＶＲは、所定の電位を供給する機能を有する配線である。ここでは一例として、配線ＶＲから低電源電位（接地電位など）が供給される場合について説明する。
【０２３７】
トランジスタＴｒ１１のソースまたはドレインの一方、トランジスタＴｒ１２のゲート、及び容量素子Ｃ１１の第１の電極と接続されたノードを、ノードＮＭとする。また、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］のノードＮＭを、それぞれノードＮＭ［１，１］、［２，１］と表記する。
【０２３８】
メモリセルＭＣｒｅｆも、メモリセルＭＣと同様の構成を有する。ただし、メモリセルＭＣｒｅｆは配線ＷＤの代わりに配線ＷＤｒｅｆと接続され、配線ＢＬの代わりに配線ＢＬｒｅｆと接続されている。また、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］において、トランジスタＴｒ１１のソースまたはドレインの一方、トランジスタＴｒ１２のゲート、及び容量素子Ｃ１１の第１の電極と接続されたノードを、それぞれノードＮＭｒｅｆ［１］、［２］と表記する。
【０２３９】
ノードＮＭとノードＮＭｒｅｆはそれぞれ、メモリセルＭＣとメモリセルＭＣｒｅｆの保持ノードとして機能する。ノードＮＭには第１のデータが保持され、ノードＮＭｒｅｆには参照データが保持される。また、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］のトランジスタＴｒ１２には、それぞれ電流ＩＭＣ［１，１］、ＩＭＣ［２，１］が流れる。また、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］のトランジスタＴｒ１２には、それぞれ電流ＩＭＣｒｅｆ［１］、ＩＭＣｒｅｆ［２］が流れる。
【０２４０】
トランジスタＴｒ１１は、ノードＮＭまたはノードＮＭｒｅｆの電位を保持する機能を有するため、トランジスタＴｒ１１のオフ電流は少ないことが好ましい。そのため、トランジスタＴｒ１１としてオフ電流が極めて少ないｏｘトランジスタを用いることが好ましい。これにより、ノードＮＭまたはノードＮＭｒｅｆの電位の変動を抑えることができ、演算精度の向上を図ることができる。また、ノードＮＭまたはノードＮＭｒｅｆの電位をリフレッシュする動作の頻度を低く抑えることが可能となり、消費電力を削減することができる。
【０２４１】
トランジスタＴｒ１２は特に限定されず、例えばＳｉトランジスタまたはｏｘトランジスタなどを用いることができる。トランジスタＴｒ１２にｏｘトランジスタを用いる場合、トランジスタＴｒ１１と同じ製造装置を用いて、トランジスタＴｒ１２を作製することが可能となり、製造コストを抑制することができる。なお、トランジスタＴｒ１２はｎチャネル型であってもｐチャネル型であってもよい。
【０２４２】
電流源回路ＣＳは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］及び配線ＢＬｒｅｆと接続されている。電流源回路ＣＳは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］及び配線ＢＬｒｅｆに電流を供給する機能を有する。なお、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］に供給される電流値と配線ＢＬｒｅｆに供給される電流値は異なっていてもよい。ここでは、電流源回路ＣＳから配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］に供給される電流をＩＣ、電流源回路ＣＳから配線ＢＬｒｅｆに供給される電流をＩＣｒｅｆと表記する。
【０２４３】
カレントミラー回路ＣＭは、配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］及び配線ＩＬｒｅｆを有する。配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］はそれぞれ配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］と接続され、配線ＩＬｒｅｆは、配線ＢＬｒｅｆと接続されている。ここでは、配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］と配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］の接続箇所をノードＮＰ［１］乃至［ｎ］と表記する。また、配線ＩＬｒｅｆと配線ＢＬｒｅｆの接続箇所をノードＮＰｒｅｆと表記する。
【０２４４】
カレントミラー回路ＣＭは、ノードＮＰｒｅｆの電位に応じた電流ＩＣＭを配線ＩＬｒｅｆに流す機能と、この電流ＩＣＭを配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］にも流す機能を有する。図１１には、配線ＢＬｒｅｆから配線ＩＬｒｅｆに電流ＩＣＭが排出され、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］から配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］に電流ＩＣＭが排出される例を示している。また、カレントミラー回路ＣＭから配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］を介してセルアレイＣＡに流れる電流を、ＩＢ［１］乃至［ｎ］と表記する。また、カレントミラー回路ＣＭから配線ＢＬｒｅｆを介してセルアレイＣＡに流れる電流を、ＩＢｒｅｆと表記する。
【０２４５】
回路ＷＤＤは、配線ＷＤ［１］乃至［ｎ］及び配線ＷＤｒｅｆと接続されている。回路ＷＤＤは、メモリセルＭＣに格納される第１のデータに対応する電位を、配線ＷＤ［１］乃至［ｎ］に供給する機能を有する。また、回路ＷＤＤは、メモリセルＭＣｒｅｆに格納される参照データに対応する電位を、配線ＷＤｒｅｆに供給する機能を有する。回路ＷＬＤは、配線ＷＬ［１］乃至［ｍ］と接続されている。回路ＷＬＤは、データの書き込みを行うメモリセルＭＣまたはメモリセルＭＣｒｅｆを選択するための信号を、配線ＷＬ［１］乃至［ｍ］に供給する機能を有する。回路ＣＬＤは、配線ＲＷ［１］乃至［ｍ］と接続されている。回路ＣＬＤは、第２のデータに対応する電位を、配線ＲＷ［１］乃至［ｍ］に供給する機能を有する。
【０２４６】
オフセット回路ＯＦＳＴは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］及び配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］と接続されている。オフセット回路ＯＦＳＴは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流量、及び／または、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流の変化量を検出する機能を有する。また、オフセット回路ＯＦＳＴは、検出結果を配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］に出力する機能を有する。なお、オフセット回路ＯＦＳＴは、検出結果に対応する電流を配線ＯＬに出力してもよいし、検出結果に対応する電流を電圧に変換して配線ＯＬに出力してもよい。セルアレイＣＡとオフセット回路ＯＦＳＴの間を流れる電流を、Ｉα［１］乃至［ｎ］と表記する。
【０２４７】
オフセット回路ＯＦＳＴの構成例を図１３に示す。図１３に示すオフセット回路ＯＦＳＴは、回路ＯＣ［１］乃至［ｎ］を有する。また、回路ＯＣ［１］乃至［ｎ］はそれぞれ、トランジスタＴｒ２１、トランジスタＴｒ２２、トランジスタＴｒ２３、容量素子Ｃ２１、及び抵抗素子Ｒ１を有する。各素子の接続関係は図１３に示す通りである。なお、容量素子Ｃ２１の第１の電極及び抵抗素子Ｒ１の第１の端子と接続されたノードを、ノードＮａとする。また、容量素子Ｃ２１の第２の電極、トランジスタＴｒ２１のソースまたはドレインの一方、及びトランジスタＴｒ２２のゲートと接続されたノードを、ノードＮｂとする。
【０２４８】
配線ＶｒｅｆＬは電位Ｖｒｅｆを供給する機能を有し、配線ＶａＬは電位Ｖａを供給する機能を有し、配線ＶｂＬは電位Ｖｂを供給する機能を有する。また、配線ＶＤＤＬは電位ＶＤＤを供給する機能を有し、配線ＶＳＳＬは電位ＶＳＳを供給する機能を有する。ここでは、電位ＶＤＤが高電源電位であり、電位ＶＳＳが低電源電位である場合について説明する。また、配線ＲＳＴは、トランジスタＴｒ２１の導通状態を制御するための電位を供給する機能を有する。トランジスタＴｒ２２、トランジスタＴｒ２３、配線ＶＤＤＬ、配線ＶＳＳＬ、及び配線ＶｂＬによって、ソースフォロワ回路が構成される。
【０２４９】
次に、回路ＯＣ［１］乃至［ｎ］の動作例を説明する。なお、ここでは代表例として回路ＯＣ［１］の動作例を説明するが、回路ＯＣ［２］乃至［ｎ］も同様に動作させることができる。まず、配線ＢＬ［１］に第１の電流が流れると、ノードＮａの電位は、第１の電流と抵抗素子Ｒ１の抵抗値に応じた電位となる。また、このときトランジスタＴｒ２１はオン状態であり、ノードＮｂに電位Ｖａが供給される。その後、トランジスタＴｒ２１はオフ状態となる。
【０２５０】
次に、配線ＢＬ［１］に第２の電流が流れると、ノードＮａの電位は、第２の電流と抵抗素子Ｒ１の抵抗値に応じた電位に変化する。このときトランジスタＴｒ２１はオフ状態であり、ノードＮｂはフローティング状態となっているため、ノードＮａの電位の変化に伴い、ノードＮｂの電位は容量結合により変化する。ここで、ノードＮａの電位の変化をΔＶＮａとし、容量結合係数を１とすると、ノードＮｂの電位はＶａ＋ΔＶＮａとなる。そして、トランジスタＴｒ２２のしきい値電圧をＶｔｈとすると、配線ＯＬ［１］から電位Ｖａ＋ΔＶＮａ−Ｖｔｈが出力される。ここで、Ｖａ＝Ｖｔｈとすることにより、配線ＯＬ［１］から電位ΔＶＮａを出力することができる。
【０２５１】
電位ΔＶＮａは、第１の電流から第２の電流への変化量、抵抗素子Ｒ１、及び電位Ｖｒｅｆに応じて定まる。ここで、抵抗素子Ｒ１と電位Ｖｒｅｆは既知であるため、電位ΔＶＮａから配線ＢＬに流れる電流の変化量を求めることができる。
【０２５２】
上記のようにオフセット回路ＯＦＳＴによって検出された電流量、及び／または電流の変化量に対応する信号は、配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］を介して活性化関数回路ＡＣＴＶに入力される。
【０２５３】
活性化関数回路ＡＣＴＶは、配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］、及び、配線ＮＩＬ［１］乃至［ｎ］と接続されている。活性化関数回路ＡＣＴＶは、オフセット回路ＯＦＳＴから入力された信号を、あらかじめ定義された活性化関数に従って変換するための演算を行う機能を有する。活性化関数としては、例えば、シグモイド関数、ｔａｎｈ関数、ｓｏｆｔｍａｘ関数、ＲｅＬＵ関数、しきい値関数などを用いることができる。活性化関数回路ＡＣＴＶによって変換された信号は、出力データとして配線ＮＩＬ［１］乃至［ｎ］に出力される。
【０２５４】
＜半導体装置の動作例＞
上記の半導体装置ＭＡＣを用いて、第１のデータと第２のデータの積和演算を行うことができる。以下、積和演算を行う際の半導体装置ＭＡＣの動作例を説明する。
【０２５５】
図１４に半導体装置ＭＡＣの動作例のタイミングチャートを示す。図１４には、図１２における配線ＷＬ［１］、配線ＷＬ［２］、配線ＷＤ［１］、配線ＷＤｒｅｆ、ノードＮＭ［１，１］、ノードＮＭ［２，１］、ノードＮＭｒｅｆ［１］、ノードＮＭｒｅｆ［２］、配線ＲＷ［１］、及び配線ＲＷ［２］の電位の推移と、電流ＩＢ［１］−Ｉα［１］、及び電流ＩＢｒｅｆの値の推移を示している。電流ＩＢ［１］−Ｉα［１］は、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］に流れる電流の総和に相当する。
【０２５６】
なお、ここでは代表例として図１２に示すメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］に着目して動作を説明するが、他のメモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆも同様に動作させることができる。
【０２５７】
〔第１のデータの格納〕
まず、時刻Ｔ０１−Ｔ０２において、配線ＷＬ［１］の電位がハイレベルとなり、配線ＷＤ［１］の電位が接地電位（ＧＮＤ）よりもＶＰＲ−ＶＷ［１，１］大きい電位となり、配線ＷＤｒｅｆの電位が接地電位よりもＶＰＲ大きい電位となる。また、配線ＲＷ［１］、及び配線ＲＷ［２］の電位が基準電位（ＲＥＦＰ）となる。なお、電位ＶＷ［１，１］はメモリセルＭＣ［１，１］に格納される第１のデータに対応する電位である。また、電位ＶＰＲは参照データに対応する電位である。これにより、メモリセルＭＣ［１，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］が有するトランジスタＴｒ１１がオン状態となり、ノードＮＭ［１，１］の電位がＶＰＲ−ＶＷ［１，１］、ノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がＶＰＲとなる。
【０２５８】
このとき、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣ［１，１］，０は、次の式で表すことができる。ここで、ｋはトランジスタＴｒ１２のチャネル長、チャネル幅、移動度、及びゲート絶縁膜の容量などで決まる定数である。また、ＶｔｈはトランジスタＴｒ１２のしきい値電圧である。
【０２５９】
ＩＭＣ［１，１］，０＝ｋ（ＶＰＲ−ＶＷ［１，１］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ１）
【０２６０】
また、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣｒｅｆ［１］，０は、次の式で表すことができる。
【０２６１】
ＩＭＣｒｅｆ［１］，０＝ｋ（ＶＰＲ−Ｖｔｈ）２          （Ｅ２）
【０２６２】
次に、時刻Ｔ０２−Ｔ０３において、配線ＷＬ［１］の電位がローレベルとなる。これにより、メモリセルＭＣ［１，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］が有するトランジスタＴｒ１１がオフ状態となり、ノードＮＭ［１，１］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位が保持される。
【０２６３】
なお、前述の通り、トランジスタＴｒ１１としてｏｘトランジスタを用いることが好ましい。これにより、トランジスタＴｒ１１のリーク電流を抑えることができ、ノードＮＭ［１，１］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位を正確に保持することができる。
【０２６４】
次に、時刻Ｔ０３−Ｔ０４において、配線ＷＬ［２］の電位がハイレベルとなり、配線ＷＤ［１］の電位が接地電位よりもＶＰＲ−ＶＷ［２，１］大きい電位となり、配線ＷＤｒｅｆの電位が接地電位よりもＶＰＲ大きい電位となる。なお、電位ＶＷ［２，１］はメモリセルＭＣ［２，１］に格納される第１のデータに対応する電位である。これにより、メモリセルＭＣ［２，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［２］が有するトランジスタＴｒ１１がオン状態となり、ノードＮＭ［１，１］の電位がＶＰＲ−ＶＷ［２，１］、ノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がＶＰＲとなる。
【０２６５】
このとき、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［２，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣ［２，１］，０は、次の式で表すことができる。
【０２６６】
ＩＭＣ［２，１］，０＝ｋ（ＶＰＲ−ＶＷ［２，１］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ３）
【０２６７】
また、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［２］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣｒｅｆ［２］，０は、次の式で表すことができる。
【０２６８】
ＩＭＣｒｅｆ［２］，０＝ｋ（ＶＰＲ−Ｖｔｈ）２          （Ｅ４）
【０２６９】
次に、時刻Ｔ０４−Ｔ０５において、配線ＷＬ［２］の電位がローレベルとなる。これにより、メモリセルＭＣ［２，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［２］が有するトランジスタＴｒ１１がオフ状態となり、ノードＮＭ［２，１］及びノードＮＭｒｅｆ［２］の電位が保持される。
【０２７０】
以上の動作により、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］に第１のデータが格納され、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］に参照データが格納される。
【０２７１】
ここで、時刻Ｔ０４−Ｔ０５において、配線ＢＬ［１］及び配線ＢＬｒｅｆに流れる電流を考える。配線ＢＬｒｅｆには、電流源回路ＣＳから電流が供給される。また、配線ＢＬｒｅｆを流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］へ排出される。電流源回路ＣＳから配線ＢＬｒｅｆに供給される電流をＩＣｒｅｆ、配線ＢＬｒｅｆからカレントミラー回路ＣＭへ排出される電流をＩＣＭ，０とすると、次の式が成り立つ。
【０２７２】
ＩＣｒｅｆ−ＩＣＭ，０＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，０＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，０          （Ｅ５）
【０２７３】
配線ＢＬ［１］には、電流源回路ＣＳからの電流が供給される。また、配線ＢＬ［１］を流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］へ排出される。また、配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴに電流が流れる。電流源回路ＣＳから配線ＢＬ［１］に供給される電流をＩＣ，０、配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流をＩα，０とすると、次の式が成り立つ。
【０２７４】
ＩＣ−ＩＣＭ，０＝ＩＭＣ［１，１］，０＋ＩＭＣ［２，１］，０＋Ｉα，０          （Ｅ６）
【０２７５】
〔第１のデータと第２のデータの積和演算〕
次に、時刻Ｔ０５−Ｔ０６において、配線ＲＷ［１］の電位が基準電位よりもＶＸ［１］大きい電位となる。このとき、メモリセルＭＣ［１，１］、及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のそれぞれの容量素子Ｃ１１には電位ＶＸ［１］が供給され、容量結合によりトランジスタＴｒ１２のゲートの電位が上昇する。なお、電位Ｖｘ［１］はメモリセルＭＣ［１，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］に供給される第２のデータに対応する電位である。
【０２７６】
トランジスタＴｒ１２のゲートの電位の変化量は、配線ＲＷの電位の変化量に、メモリセルの構成によって決まる容量結合係数を乗じた値となる。容量結合係数は、容量素子Ｃ１１の容量、トランジスタＴｒ１２のゲート容量、及び寄生容量などによって算出される。以下では便宜上、配線ＲＷの電位の変化量とトランジスタＴｒ１２のゲートの電位の変化量が同じ、すなわち容量結合係数が１であるとして説明する。実際には、容量結合係数を考慮して電位Ｖｘを決定すればよい。
【０２７７】
メモリセルＭＣ［１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］の容量素子Ｃ１１に電位ＶＸ［１］が供給されると、ノードＮＮ［１］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がそれぞれＶＸ［１］上昇する。
【０２７８】
ここで、時刻Ｔ０５−Ｔ０６において、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣ［１，１］，１は、次の式で表すことができる。
【０２７９】
ＩＭＣ［１，１］，１＝ｋ（ＶＰＲ−ＶＷ［１，１］＋ＶＸ［１］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ７）
【０２８０】
すなわち、配線ＲＷ［１］に電位ＶＸ［１］を供給することにより、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流は、ΔＩＭＣ［１，１］＝ＩＭＣ［１，１］，１−ＩＭＣ［１，１］，０増加する。
【０２８１】
また、時刻Ｔ０５−Ｔ０６において、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣｒｅｆ［１］，１は、次の式で表すことができる。
【０２８２】
ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＝ｋ（ＶＰＲ＋ＶＸ［１］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ８）
【０２８３】
すなわち、配線ＲＷ［１］に電位ＶＸ［１］を供給することにより、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流は、ΔＩＭＣｒｅｆ［１］＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，１−ＩＭＣｒｅｆ［１］，０増加する。
【０２８４】
また、配線ＢＬ［１］及び配線ＢＬｒｅｆに流れる電流について考える。配線ＢＬｒｅｆには、電流源回路ＣＳから電流ＩＣｒｅｆが供給される。また、配線ＢＬｒｅｆを流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］へ排出される。配線ＢＬｒｅｆからカレントミラー回路ＣＭへ排出される電流をＩＣＭ，１とすると、次の式が成り立つ。
【０２８５】
ＩＣｒｅｆ−ＩＣＭ，１＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，０          （Ｅ９）
【０２８６】
配線ＢＬ［１］には、電流源回路ＣＳから電流ＩＣが供給される。また、配線ＢＬ［１］を流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］へ排出される。さらに、配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴにも電流が流れる。配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流をＩα，１とすると、次の式が成り立つ。
【０２８７】
ＩＣ−ＩＣＭ，１＝ＩＭＣ［１，１］，１＋ＩＭＣ［２，１］，１＋Ｉα，１          （Ｅ１０）
【０２８８】
そして、式（Ｅ１）乃至式（Ｅ１０）から、電流Ｉα，０と電流Ｉα，１の差（差分電流ΔＩα）は次の式で表すことができる。
【０２８９】
ΔＩα＝Ｉα，０−Ｉα，１＝２ｋＶＷ［１，１］ＶＸ［１］          （Ｅ１１）
【０２９０】
このように、差分電流ΔＩαは、電位ＶＷ［１，１］とＶＸ［１］の積に応じた値となる。
【０２９１】
その後、時刻Ｔ０６−Ｔ０７において、配線ＲＷ［１］の電位は接地電位となり、ノードＮＭ［１，１］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位は時刻Ｔ０４−Ｔ０５と同様になる。
【０２９２】
次に、時刻Ｔ０７−Ｔ０８において、配線ＲＷ［１］の電位が基準電位よりもＶＸ［１］大きい電位となり、配線ＲＷ［２］の電位が基準電位よりもＶＸ［２］大きい電位が供給される。これにより、メモリセルＭＣ［１，１］、及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のそれぞれの容量素子Ｃ１１に電位ＶＸ［１］が供給され、容量結合によりノードＮＭ［１，１］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がそれぞれＶＸ［１］上昇する。また、メモリセルＭＣ［２，１］、及びメモリセルＭＣｒｅｆ［２］のそれぞれの容量素子Ｃ１１に電位ＶＸ［２］が供給され、容量結合によりノードＮＭ［２，１］及びノードＮＭｒｅｆ［２］の電位がそれぞれＶＸ［２］上昇する。
【０２９３】
ここで、時刻Ｔ０７−Ｔ０８において、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［２，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣ［２，１］，１は、次の式で表すことができる。
【０２９４】
ＩＭＣ［２，１］，１＝ｋ（ＶＰＲ−ＶＷ［２，１］＋ＶＸ［２］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ１２）
【０２９５】
すなわち、配線ＲＷ［２］に電位ＶＸ［２］を供給することにより、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［２，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流は、ΔＩＭＣ［２，１］＝ＩＭＣ［２，１］，１−ＩＭＣ［２，１］，０増加する。
【０２９６】
また、時刻Ｔ０５−Ｔ０６において、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［２］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣｒｅｆ［２］，１は、次の式で表すことができる。
【０２９７】
ＩＭＣｒｅｆ［２］，１＝ｋ（ＶＰＲ＋ＶＸ［２］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ１３）
【０２９８】
すなわち、配線ＲＷ［２］に電位ＶＸ［２］を供給することにより、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［２］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流は、ΔＩＭＣｒｅｆ［２］＝ＩＭＣｒｅｆ［２］，１−ＩＭＣｒｅｆ［２］，０増加する。
【０２９９】
また、配線ＢＬ［１］及び配線ＢＬｒｅｆに流れる電流について考える。配線ＢＬｒｅｆには、電流源回路ＣＳから電流ＩＣｒｅｆが供給される。また、配線ＢＬｒｅｆを流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］へ排出される。配線ＢＬｒｅｆからカレントミラー回路ＣＭへ排出される電流をＩＣＭ，２とすると、次の式が成り立つ。
【０３００】
ＩＣｒｅｆ−ＩＣＭ，２＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，１          （Ｅ１４）
【０３０１】
配線ＢＬ［１］には、電流源回路ＣＳから電流ＩＣが供給される。また、配線ＢＬ［１］を流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］へ排出される。さらに、配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴにも電流が流れる。配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流をＩα，２とすると、次の式が成り立つ。
【０３０２】
ＩＣ−ＩＣＭ，２＝ＩＭＣ［１，１］，１＋ＩＭＣ［２，１］，１＋Ｉα，２          （Ｅ１５）
【０３０３】
そして、式（Ｅ１）乃至式（Ｅ８）、及び、式（Ｅ１２）乃至式（Ｅ１５）から、電流Ｉα，０と電流Ｉα，２の差（差分電流ΔＩα）は次の式で表すことができる。
【０３０４】
ΔＩα＝Ｉα，０−Ｉα，２＝２ｋ（ＶＷ［１，１］ＶＸ［１］＋ＶＷ［２，１］ＶＸ［２］）          （Ｅ１６）
【０３０５】
このように、差分電流ΔＩαは、電位ＶＷ［１，１］と電位ＶＸ［１］の積と、電位ＶＷ［２，１］と電位ＶＸ［２］の積と、を足し合わせた結果に応じた値となる。
【０３０６】
その後、時刻Ｔ０８−Ｔ０９において、配線ＲＷ［１］、［２］の電位は接地電位となり、ノードＮＭ［１，１］、［２，１］及びノードＮＭｒｅｆ［１］、［２］の電位は時刻Ｔ０４−Ｔ０５と同様になる。
【０３０７】
式（Ｅ９）及び式（Ｅ１６）に示されるように、オフセット回路ＯＦＳＴに入力される差分電流ΔＩαは、第１のデータ（重み）に対応する電位ＶＸと、第２のデータ（入力データ）に対応する電位ＶＷの積を足し合わせた結果に応じた値となる。すなわち、差分電流ΔＩαをオフセット回路ＯＦＳＴで計測することにより、第１のデータと第２のデータの積和演算の結果を得ることができる。
【０３０８】
なお、上記では特にメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］に着目したが、メモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆの数は任意に設定することができる。メモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆの行数ｍを任意の数とした場合の差分電流ΔＩαは、次の式で表すことができる。
【０３０９】
ΔＩα＝２ｋΣｉＶＷ［ｉ，１］ＶＸ［ｉ］          （Ｅ１７）
【０３１０】
また、メモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆの列数ｎを増やすことにより、並列して実行される積和演算の数を増やすことができる。
【０３１１】
以上のように、半導体装置ＭＡＣを用いることにより、第１のデータと第２のデータの積和演算を行うことができる。なお、メモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆとして図１２に示す構成を用いることにより、少ないトランジスタ数で積和演算回路を構成することができる。そのため、半導体装置ＭＡＣの回路規模の縮小を図ることができる。
【０３１２】
半導体装置ＭＡＣをニューラルネットワークにおける演算に用いる場合、メモリセルＭＣの行数ｍは一のニューロンに供給される入力データの数に対応させ、メモリセルＭＣの列数ｎはニューロンの数に対応させることができる。例えば、図１０（Ａ）に示す中間層ＨＬにおいて半導体装置ＭＡＣを用いた積和演算を行う場合を考える。このとき、メモリセルＭＣの行数ｍは、入力層ＩＬから供給される入力データの数（入力層ＩＬのニューロンの数）に設定し、メモリセルＭＣの列数ｎは、中間層ＨＬのニューロンの数に設定することができる。
【０３１３】
なお、半導体装置ＭＡＣを適用するニューラルネットワークの構造は特に限定されない。例えば半導体装置ＭＡＣは、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、オートエンコーダ、ボルツマンマシン（制限ボルツマンマシンを含む）などに用いることもできる。
【０３１４】
以上のように、半導体装置ＭＡＣを用いることにより、ニューラルネットワークの積和演算を行うことができる。さらに、セルアレイＣＡに図１２に示すメモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆを用いることにより、演算精度の向上、消費電力の削減、または回路規模の縮小を図ることが可能な集積回路ＩＣを提供することができる。
【０３１５】
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。
【０３１６】
（実施の形態４）
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および電子機器の一例を示す。
【０３１７】
＜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１５（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明を行う。
【０３１８】
図１５（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。
【０３１９】
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。
【０３２０】
図１５（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。
【０３２１】
図１５（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、およびレンズ７４３５等を有する。また、パッケージ基板７４１１およ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およ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１５（Ｂ）は、電子部品７４００の内部を示すために、レンズカバー７４２１およびレンズ７４３５の一部を省略して図示している。
【０３２２】
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１１０、集積回路１２０、集積回路１３０）、層７０３３の積層でなる。
【０３２３】
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。
【０３２４】
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。
【０３２５】
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。
【０３２６】
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。
【０３２７】
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。
【０３２８】
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。
【０３２９】
＜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１６乃至図１７を用いて説明を行う。
【０３３０】
図１６（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および障害物センサ２１０７、移動機構２１０８を備える。
【０３３１】
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および障害物センサ２１０７等に、上記電子部品を使用することができる。
【０３３２】
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およびスピーカ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。
【０３３３】
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。
【０３３４】
上部カメラ２１０３および下部カメラ２１０６は、ロボット２１００の周囲を撮像する機能を有する。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および障害物センサ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。
【０３３５】
図１６（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。
【０３３６】
飛行体２１２０において、演算装置２１２１およびカメラ２１２２に上記電子部品を用いることができる。
【０３３７】
図１６（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。
【０３３８】
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。
【０３３９】
図１６（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、および操作スイッチ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およ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。
【０３４０】
図１６（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。
【０３４１】
図１６（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。
【０３４２】
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。
【０３４３】
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。
【０３４４】
図１７は、掃除ロボットの一例を示す模式図である。
【０３４５】
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。
【０３４６】
カメラ５１０２に、上記電子部品を用いることができる。
【０３４７】
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。
【０３４８】
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。
【０３４９】
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。
【０３５０】
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。
【０３５１】
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。
【符号の説明】
【０３５２】
１００    半導体装置
１１０    集積回路
１２０    集積回路
１３０    集積回路
２００    ＣＰＵ
２０１    ＣＰＵコア
２０２    パワーコントローラ
２０３    パワースイッチ
２０４    キャッシュ
２０５    バスインターフェース
２０６    デバッグインターフェース
２０７    制御装置
２０８    ＰＣ
２０９    パイプラインレジスタ
２１０    パイプラインレジスタ
２１１    ＡＬＵ
２２１    パワーマネージメントユニット
２２２    周辺回路
２２３    データバス
【図１】
2019047006.tif 000003
【図２】
2019047006.tif 000004
【図３】
2019047006.tif 000005
【図４】
2019047006.tif 000006
【図５】
2019047006.tif 000007
【図６】
2019047006.tif 000008
【図７】
2019047006.tif 000009
【図８】
2019047006.tif 000010
【図９】
2019047006.tif 000011
【図１０】
2019047006.tif 000012
【図１１】
2019047006.tif 000013
【図１２】
2019047006.tif 000014
【図１３】
2019047006.tif 000015
【図１４】
2019047006.tif 000016
【図１５】
2019047006.tif 000017
【図１６】
2019047006.tif 000018
【図１７】
2019047006.tif 000019