[发明专利]单极性电平转移电路及半导体装置

说明书

提供一种能够使用n沟道型晶体管向负电位方向进行电平转换的半导体装置。半导体装置包括第一源极跟随器、第二源极跟随器及比较器。第一源极跟随器被供应第二高电源电位及低电源电位，第二源极跟随器被供应第一高电源电位及低电源电位，第一源极跟随器被输入使用第二高电源电位及第一高电源电位表示高电平或低电平的数字信号。在此，第二高电源电位比第一高电源电位高，第一高电源电位比低电源电位高。比较器对第一源极跟随器与第二源极跟随器的输出电位进行比较并输出使用第一高电源电位及低电源电位表示高电平或低电平的数字信号。

技术领域

本发明的一个方式涉及一种由单极性晶体管构成的电平转移电路。

另外，本发明的一个方式涉及一种半导体装置。在本说明书等中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置。例如，集成电路、具备集成电路的芯片、在其封装中容纳有芯片的电子构件、具备集成电路的电子设备都是半导体装置的例子。

注意，本发明的一个方式不局限于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。另外，本发明的一个方式涉及一种工序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或组合物(composition of matter)。

背景技术

处理由高电平或低电平表示(有时由High或Low、H或L、1或0等表示)的数字信号的电路(也称为数字电路)被广泛使用。在很多情况下，数字电路被供应高电源电位及低电源电位，高电平使用高电源电位表示，低电平使用低电源电位表示。

在此，当在表示高电平的电位和表示低电平的电位中的一方(或双方)彼此不同的第一电路与第二电路之间进行数字信号的收发时，需要改变表示高电平的电位和表示低电平的电位中的一方(或双方)。此时，使用电平转移电路(也称为电平转移器、电平转换电路)。

另一方面，在沟道形成区域中包含金属氧化物的晶体管(也称为氧化物半导体晶体管、OS晶体管)近年来受到关注。作为OS晶体管，n沟道型晶体管已实现实用化，其具有如下特征：关态电流(off-state current)非常小；可以将高电压(也称为电位差)施加在源极与漏极之间(也就是耐压高)；由于是薄膜晶体管而可以层叠设置；等。另外，OS晶体管具有如下特征：在高温环境下也不容易增加关态电流；在高温环境下通态电流与关态电流的比例也大。由OS晶体管构成的半导体装置具有高可靠性。

例如，专利文献1公开了：在形成有驱动电路、控制电路等外围电路的半导体衬底上包括使用OS晶体管的多个存储单元的半导体装置；在DRAM(Dynamic Random AccessMemory)的存储单元中使用OS晶体管的例子。例如，可以使用形成在单晶硅衬底上的Si晶体管构成外围电路，在其上方层叠设置使用OS晶体管的存储单元。当将使用OS晶体管的存储单元设置在形成有外围电路的单晶硅衬底上时，具有如下特征：可以减少芯片面积；由于OS晶体管的关态电流非常小，可以长时间保持所储存的数据。

另外，作为氧化物半导体(也称为Oxide Semiconductor)，例如除了如氧化铟、氧化锌等单元金属氧化物之外，还已知多元金属氧化物。在多元金属氧化物中，有关In-Ga-Zn氧化物(也称为IGZO)的研究尤为火热。

通过对IGZO的研究，在氧化物半导体中，发现了既不是单晶也不是非晶的CAAC(c-axis aligned crystalline：c轴取向结晶)结构及nc(nanocrystalline：纳米晶)结构(参照非专利文献1至非专利文献3)。

非专利文献1及非专利文献2公开了使用具有CAAC结构的氧化物半导体制造晶体管的技术。此外，非专利文献4及非专利文献5公开了结晶性比CAAC结构及nc结构低的氧化物半导体也具有微小的结晶。

非专利文献6报告了使用氧化物半导体的晶体管的关态电流非常小，非专利文献7及非专利文献8报告了利用关态电流非常小的特性的LSI(Large Scale Integration：大规模集成电路)及显示器。