[发明专利]半导体装置的驱动方法

说明书

技术领域

所公开的发明涉及一种利用半导体元件的半导体装置及该半导体装置的驱动方法。

背景技术

利用半导体元件的存储装置可以粗分为如果没有电力供给存储内容就消失的易失性存储装置和即使没有电力供给也保持存储内容的非易失性存储装置。

作为易失性存储装置的典型例子，有DRAM(Dynamic Random Access Memory：动态随机存取存储器)。DRAM选择构成存储元件的晶体管并将电荷储存在电容器中而储存信息。

根据上述原理，因为当从DRAM读出信息时电容器的电荷消失，所以每次读出信息时都需要再次进行写入工作。另外，因为在构成存储元件的晶体管中因截止状态下的源极和漏极之间的泄漏电流(截止电流)等而即使晶体管未被选择电荷也流出或流入，所以数据的保持期间较短。为此，需要按预定的周期再次进行写入工作(刷新工作)，由此，难以充分降低耗电量。另外，因为如果没有电力供给存储内容就消失，所以需要利用磁性材料或光学材料的其他存储装置以实现较长期间的存储保持。

作为易失性存储装置的另一例子，有SRAM(Static Random Access Memory：静态随机存取存储器)。SRAM使用触发器等电路保持存储内容，而不需要进行刷新工作，在这一点上SRAM优越于DRAM。但是，因为SRAM使用触发器等电路，所以存在存储容量的单价变高的问题。另外，在如果没有电力供给存储内容就消失这一点上，SRAM和DRAM相同。

作为非易失性存储装置的典型例子，有快闪存储器。快闪存储器在晶体管的栅电极和沟道形成区域之间具有浮动栅极，在该浮动栅极保持电荷而进行存储，因此，快闪存储器具有数据保持期间极长(半永久)、不需要进行易失性存储装置所需要的刷新工作的优点(例如，参照专利文献1)。

但是，由于当进行写入时产生的隧道电流会引起构成存储元件的栅极绝缘层的退化，因此发生因预定次数的写入而使存储元件不能工作的问题。为了缓和上述问题的影响，例如，使用使各存储元件的写入次数均等的方法，但是，为了使用该方法，需要具有复杂的外围电路。另外，即使使用上述方法，也不能从根本上解决使用寿命的问题。就是说，快闪存储器不合适于信息的改写频率高的用途。

另外，为了对浮动栅极注入电荷或者去除该电荷，需要高电压和用于该目的的电路。再者，还有由于电荷的注入或去除需要较长时间而难以实现写入或擦除的高速化的问题。

[专利文献1]日本专利申请公开昭57-105889号公报

发明内容

鉴于上述问题，所公开的发明的一个方式的目的之一在于：提供一种即使没有电力供给也能够保持存储内容且对写入次数也没有限制的具有新的结构的半导体装置。

在所公开的发明中，通过使用可以使晶体管的截止电流充分小的材料如作为宽带隙半导体的氧化物半导体材料构成半导体装置。通过使用可以使晶体管的截止电流充分小的半导体材料，可以长期保持信息。

另外，所公开的发明提供一种具有非易失性存储单元的半导体装置，该非易失性存储单元包括：使用氧化物半导体的写入用晶体管；使用与该写入用晶体管不同的半导体材料的读出用晶体管；以及电容元件。对该存储单元的信息的写入及改写通过如下步骤来进行：通过使写入用晶体管成为导通状态，将电位供应到写入用晶体管的源电极及漏电极中的一方、电容元件的电极中的一方以及读出用晶体管的栅电极彼此电连接的节点，然后，通过使写入用晶体管成为截止状态，使节点保持预定量的电荷。另外，在保持期间中，通过使存储单元成为选择状态且将读出用晶体管的源电极及漏电极设定为同一电位，保持存储在节点中的电荷。另外，作为读出用晶体管，使用p沟道型晶体管，而以不使用负电位的方式进行读出。

更具体地说，例如，可以使用如下结构。

所公开的发明的一个方式是一种半导体装置的驱动方法，在该半导体装置中，位线与第一晶体管的源电极及第二晶体管的源电极电连接，写入字线与第二晶体管的栅电极电连接，源极线与第一晶体管的漏电极电连接，写入及读出字线与电容元件的一方电极电连接，第一晶体管的栅电极、第二晶体管的漏电极以及电容元件的另一方电极彼此电连接而构成保持电荷的节点，上述驱动方法包括如下步骤：在写入期间中，将使第二晶体管成为导通状态的电位供应到写入字线，并且将接地电位供应到源极线，以使电荷累积在节点中；以及在写入期间后的保持期间中，将接地电位供应到写入字线和写入及读出字线，并且将同一电位供应到源极线及位线，以保持累积在节点中的电荷。