特許 7436387 二次電池の過放電防止回路、電子機器、二次電池モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-13

(45)【発行日】2024-02-21

(54)【発明の名称】二次電池の過放電防止回路、電子機器、二次電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240214BHJP

   H02H 7/18 20060101ALI20240214BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20240214BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302D

H02H7/18

H01M10/44 Q

H01M10/48 P

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020560636

(86)(22)【出願日】2019-12-05

(86)【国際出願番号】 IB2019060459

(87)【国際公開番号】W WO2020128702

(87)【国際公開日】2020-06-25

【審査請求日】2022-11-10

(31)【優先権主張番号】P 2018237087

(32)【優先日】2018-12-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2018240100

(32)【優先日】2018-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000153878

【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所

(72)【発明者】

【氏名】上妻 宗広

(72)【発明者】

【氏名】池田 隆之

【審査官】清水 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０７９２７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１０３８７６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｈ ７／００

Ｈ０２Ｈ ７／１０ － ７／２０

Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ － ７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２ － １０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二次電池と電気的に接続された、充電制御回路と、
過放電検出回路と、
遮断用トランジスタと、
第１のトランジスタ乃至第３のトランジスタと、を有し、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記充電制御回路と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記遮断用トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記遮断用トランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記過放電検出回路と電気的に接続され、
前記二次電池が過放電状態になったとき、前記過放電検出回路により、前記遮断用トランジスタはオフ状態となる機能を有し、かつ前記第３のトランジスタはオフ状態となる機能を有し、
前記第３のトランジスタがオフ状態になったとき、前記過放電検出回路への電源供給が遮断され、かつ前記第１のトランジスタはオフ状態となる機能を有し、
前記第１のトランジスタがオフ状態になったとき、前記充電制御回路への電源供給が遮断される、
二次電池の過放電防止回路。

【請求項2】

二次電池と電気的に接続された、充電制御回路と、
第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有する充電検出回路と、
過放電検出回路と、
遮断用トランジスタと、
第３のトランジスタと、を有し、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記充電検出回路は、前記充電制御回路と電気的に接続され、
前記遮断用トランジスタは、前記充電制御回路及び前記充電検出回路と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記遮断用トランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記過放電検出回路と電気的に接続され、
前記二次電池が過放電状態になったとき、前記過放電検出回路により、前記遮断用トランジスタはオフ状態となる機能を有し、かつ前記第３のトランジスタはオフ状態となる機能を有し、
前記第３のトランジスタがオフ状態になったとき、前記過放電検出回路への電源供給が遮断され、かつ前記第１のトランジスタはオフ状態となる機能を有し、
前記第１のトランジスタがオフ状態になったとき、前記充電制御回路への電源供給が遮断される、
二次電池の過放電防止回路。

【請求項3】

請求項１又は２において、さらにインバータを有し、
前記インバータの入力は、前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記インバータの出力は、前記第３のトランジスタのゲートと電気的に接続された、二次電池の過放電防止回路。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか一において、前記第１のトランジスタは酸化物半導体層を有する、二次電池の過放電防止回路。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一の前記過放電防止回路を有する、電子機器。

【請求項6】

二次電池と
前記二次電池と電気的に接続された、充電制御回路と、
過放電検出回路と、
遮断用トランジスタと、
第１のトランジスタ乃至第３のトランジスタと、を有し、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記充電制御回路と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記遮断用トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記遮断用トランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記過放電検出回路と電気的に接続され、
前記二次電池が過放電状態になったとき、前記過放電検出回路により、前記遮断用トランジスタはオフ状態となる機能を有し、かつ前記第３のトランジスタはオフ状態となる機能を有し、
前記第３のトランジスタがオフ状態になったとき、前記過放電検出回路への電源供給が遮断され、かつ前記第１のトランジスタはオフ状態となる機能を有し、
前記第１のトランジスタがオフ状態になったとき、前記充電制御回路への電源供給が遮断される、
二次電池モジュール。

【請求項7】

二次電池と電気的に接続された、充電制御回路と、
第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有する充電検出回路と、
過放電検出回路と、
遮断用トランジスタと、
第３のトランジスタと、を有し、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記充電検出回路は、前記充電制御回路と電気的に接続され、
前記遮断用トランジスタは、前記充電制御回路及び前記充電検出回路と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記遮断用トランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記過放電検出回路と電気的に接続され、
前記二次電池が過放電状態になったとき、前記過放電検出回路により、前記遮断用トランジスタはオフ状態となる機能を有し、かつ前記第３のトランジスタはオフ状態となる機能を有し、
前記第３のトランジスタがオフ状態になったとき、前記過放電検出回路への電源供給が遮断され、かつ前記第１のトランジスタはオフ状態となる機能を有し、
前記第１のトランジスタがオフ状態になったとき、前記充電制御回路への電源供給が遮断される、
二次電池モジュール。

【請求項8】

請求項６又は７において、さらにインバータを有し、
前記インバータの入力は、前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記インバータの出力は、前記第３のトランジスタのゲートと電気的に接続された、二次電池モジュール。

【請求項9】

請求項６乃至８のいずれか一において、前記第１のトランジスタは酸化物半導体層を有する、二次電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一様態は、物、方法、又は、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、照明装置、電子機器、またはそれらの製造方法に関する。特に、充電制御システム、充電制御方法、及び二次電池を有する電子機器に関する。本発明の一態様は、車両、または車両に設けられる車両用電子機器に関する。

【0002】

なお、本明細書中において、蓄電装置とは、蓄電機能を有する素子及び装置全般を指すものである。例えば、リチウムイオン二次電池などの蓄電池（二次電池ともいう）、リチウムイオンキャパシタ、全固体電池、及び電気二重層キャパシタなどを含む。

【背景技術】

【0003】

近年、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池等、種々の蓄電装置の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池は、携帯電話、スマートフォン、タブレット、もしくはノート型コンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ、医療機器、又は、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、もしくはプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）等の次世代クリーンエネルギー自動車など、半導体産業の発展と併せて急速にその需要が拡大し、充電可能なエネルギーの供給源として現代の情報化社会に不可欠なものとなっている。

【0004】

電気自動車（ＥＶ）はメーカーからの注意事項の一つに長時間使用しない時は３か月に１回充電することが推奨されており、バッテリー残量がゼロの状態で２週間放置するとバッテリーが損傷する恐れがあるとしている。これらの要因は過放電状態とみられる。

【0005】

また、外出先でスマートフォン、タブレットなどの電力が足りなくなりそうな場合、補充するために携帯型二次電池（モバイルバッテリーとも呼ばれる）も普及してきている。携帯機器の設計が、電池を取り外して交換できない一体型設計が増えているため、モバイルバッテリーの需要が生まれている。

【0006】

スマートフォンや、タブレットや、ノート型コンピュータ等には、メインの二次電池とは別に、日付、時間の情報を保持するために小型の二次電池を有している。

【0007】

また、携帯情報端末などの二次電池は、保護回路によって、正常に電圧を供給できる状態を維持するために監視制御している。特許文献１には、保護回路の制御に酸化物半導体を用いたトランジスタを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】米国特許公開第２０１３／０２６５０１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

電気自動車や携帯情報端末などの二次電池を使用していくと最終的には容量が減り、保護回路などで設定されている電圧下限に達する。電圧下限に達した場合、過放電状態とみなし、二次電池と携帯情報端末（二次電池を除く）とを接続している部分の電源遮断スイッチがオフとされる。

【0010】

この電源遮断スイッチ（トランジスタ等）によって電流パスがオフにされても、スイッチが完全な絶縁性を有していないため、オフリーク電流が生じてしまう。特に過放電状態でオフリーク電流が高い場合、バッテリーの電圧が下がり続けることになる。この状態を継続してしまうと、電圧下限を下回り、バッテリーは急速に劣化し、二次電池としての機能を失ってしまう恐れがある。

【0011】

また、少ない残量の携帯情報端末を長い間放置すると、同様の理由にて電圧下限を下回り、使おうとした場合には、電圧下限に達するまでの充電期間と、電圧下限を上回り残量がある状態まで充電する充電時間が必要となり、再使用できるまで充電期間と充電時間が合計されてしまい長時間の充電時間が予想される。

【0012】

また、日付、時間の情報を保持するための小型の二次電池の残量がなくなり、長時間放置した場合には、保持されていた日付データや時間データが消失してしまうため、充電した後、改めて日付、時間の設定を行う手間がかかる。

【0013】

また、一度、過放電状態になった電池は、充電後、再び使用した場合に過放電状態になりやすい電池になってしまい、大幅に劣化するという場合もある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

過放電状態とならないようにするため、低リーク電流の制御回路を酸化物半導体を用いたトランジスタで構成し、二次電池の特性を保持する。また、制御信号生成回路も一体化したシステムを構成する。このシステム構成によって、過放電検出後の回路動作に合わせて制御回路を低消費電力モードに移行させる。また、過放電状態からの復帰は充電開始の電圧上昇に合わせて、制御回路を通常動作モードに移行させる。

【0015】

本明細書で開示する発明の構成は、二次電池と電気的に接続する充電制御回路と、二次電池と充電制御回路の間に遮断用トランジスタと、二次電池と遮断用トランジスタを接続する配線とソースが電気的に接続する第１のトランジスタと、遮断用トランジスタと前記充電制御回路を接続する配線と接続する第２のトランジスタと、第２のトランジスタのゲートと接続するドレイン或いはソースを有する第３のトランジスタと、を有する二次電池の過放電防止回路である。

【0016】

上記構成において、さらにインバータを有し、インバータの入力が第２のトランジスタのドレインと接続し、インバータの出力が第１のトランジスタのゲートと接続する過放電防止回路としてもよい。なお、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、インバータと、を用いて充電検出を行うことができる。

【0017】

また、上記構成において、過放電防止回路に含まれる充電検出回路は、遮断用トランジスタを駆動して第１のトランジスタと第２のトランジスタとの電気的な接続を遮断することができる。

【0018】

また、上記構成において、少なくとも第１のトランジスタの半導体層は酸化物半導体層である。酸化物半導体層を用いることで第１のトランジスタ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第１のトランジスタ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、メモリセルに対してアナログデータを保持することができる。

【0019】

二次電池の過放電による充電性能の劣化を防止する回路とも言える。

【0020】

また、上述した過放電防止回路を二次電池とセットにしたものを二次電池モジュールと呼び、その構成も本発明の一つである。その構成は、二次電池と、二次電池と電気的に接続する充電制御回路と、二次電池と充電制御回路の間に遮断用トランジスタと、二次電池と遮断用トランジスタを接続する配線とソースが電気的に接続する第１のトランジスタと、遮断用トランジスタと充電制御回路を接続する配線と接続する第２のトランジスタと、第２のトランジスタのゲートと接続するドレイン或いはソースを有する第３のトランジスタと、を有する二次電池モジュールである。

【0021】

上記構成において、さらにインバータを有し、インバータの入力が第２のトランジスタのドレインと接続し、インバータの出力が第１のトランジスタのゲートと接続する過放電防止回路としてもよい。なお、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、インバータと、を用いて充電検出を行うことができる。

【0022】

また、上記構成において、過放電防止回路に含まれる充電検出回路は、遮断用トランジスタを駆動して第１のトランジスタと第２のトランジスタとの電気的な接続を遮断することができる。

【0023】

また、バッテリーモジュールは電池パックとも呼ぶ場合がある。また、複数の二次電池にそれぞれ過放電防止回路を設けてそれをひとまとめにして一つの電池パックを構成してもよい。また、複数の二次電池に一つの過放電防止回路を設けて一つの電池パックを構成してもよい。

【0024】

また、二次電池としてはリチウムイオン二次電池に限定されず、ニッケル水素二次電池、ナトリウムイオン二次電池、亜鉛空気電池、全固体二次電池などに本発明を有効に利用することができる。

【発明の効果】

【0025】

酸化物半導体を用いたトランジスタを含む制御回路は、低消費電力制御のための信号生成回路を一体化できるため、過放電検知後のシステム全体のオフリーク電流を低減できる。また、システム全体のオフ状態でのリーク電流量を低減することで、蓄電状態を長期に維持でき、正常に充電復帰可能なバッテリーシステムを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

図１は本発明の一態様を示す回路図の一例である。
図２は本発明の一態様を示す回路図の一例である。
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｆ、図３Ｇはメモリの回路構成例を説明する図である。
図４は半導体装置の構成例を説明する断面模式図である。
図５は半導体装置の構成例を説明する断面模式図である。
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃはトランジスタの構成例を説明する断面模式図である。
図７Ａ、図７Ｂはトランジスタの構成例を説明する断面模式図である。
図８は半導体装置の構成例を説明する断面模式図である。
図９Ａ、図９Ｂはトランジスタの構成例を説明する断面模式図である。
図１０は半導体装置の構成例を説明する断面模式図である。
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃは移動体の一例を示す図である。
図１２Ａ、図１２Ｂは二次電池の一例を示す斜視図であり、図１２Ｃは二次電池の充電時のモデル図である。
図１３は本発明の一態様を示す回路図の一例である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

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、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。また、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。

【0028】

（実施の形態１）
図１にオフ時のリーク対策の動作の一例を説明するための回路図を示す。

【0029】

二次電池に接続される回路１５の低電位側は、トランジスタＭ２のように低電位側Ｇ１に接続する。なお、図１のトランジスタはバックゲートを有するトランジスタとする例を示しているが、特に限定されず、バックゲートを有していないトランジスタを用いてもよい。

【0030】

また、充電検出回路は低電位側Ｇ２に接続する。低電位側Ｇ１と低電位側Ｇ２の間には遮断用スイッチ１２が設けられている。本実施の形態では、充電検出回路１３とそれ以外の回路１５で電源の接続先を分けている。遮断用スイッチ１２が電源供給を遮断することによって回路１５が完全な停止状態になってしまうと、再び充電したときに電圧の上昇を認識できなくなるため、充電検出回路１３とそれ以外の回路１５で電源の接続先を分ける特徴点は新規である。

【0031】

二次電池の使用による電力消耗によって二次電池の供給電圧が低下し、過放電状態になると、回路１５の過放電検出動作によってＧ１とＧ２は遮断用スイッチ１２によって切り離される。同時にトランジスタＭ２のゲート電位も下げることでトランジスタＭ２はオフ状態になる。回路１５は過放電検出回路を含む。

【0032】

トランジスタＭ２は二次電池の低電位側Ｇ１の供給を制御するパワースイッチとして機能するため、トランジスタＭ２がオフ状態になることで、充電検出回路以外の全ての回路への電源供給が遮断される。一方で、Ｇ２の電位は最大で二次電池の高電位側と同じ電位（ＶＤＤ）まで上昇する。相対的にＧ２に対してトランジスタＭ１のゲートＳ１は電位が下がる（トランジスタＭ１のＶｇｓが低下する）ため、トランジスタＭ１はオフ状態になる。トランジスタＭ１は充電制御回路１１の低電位側Ｇ２の供給を制御するパワースイッチとして機能するため、トランジスタＭ１がオフ状態になることで、充電検出回路への電源供給が遮断される。このとき、回路１５はオフリーク電流を低減する状態（低消費電力モード）である。

【0033】

二次電池の充電が開始されると、充電制御回路１１の低電位が供給されるため、Ｇ２の電位は再び下がり（トランジスタＭ１のＶｇｓが上昇し）、トランジスタＭ１はオン状態になる。その後、充電検出回路が充電状態であることを検出したら、トランジスタＭ２のゲート電位を高くして充電検出回路以外の回路１５をオン状態（通常動作モード）にする。

【0034】

上記のように回路１５の内部のＯＳトランジスタ（チャネルが形成される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たトランジスタ）で自らの動作状態に合わせてオフ状態にする、即ち自動的なオフ状態とする構成とすることで、過放電状態におけるシステム全体のオフリーク電流を低減できる。また、本構成は、自動的なオフだけでなく、自動的な復帰、即ち自動的なオン状態とすることも可能である。

【0035】

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。トランジスタＭ１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、メモリセルに対してアナログデータを保持することができる。ＯＳトランジスタは、ＳｉＦＥＴと比べて約１５桁低いオフ電流が実現できる。

【0036】

回路１５は、酸化物半導体を用いたトランジスタを含むメモリ回路を有する充電制御回路であり、この充電制御回路、又は電池制御システムを、ＢＴＯＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ、又はＢａｔｔｅｒｙ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称する場合がある。

【0037】

（実施の形態２）
本実施の形態では、図２を用いて具体的な回路構成の例を示す。なお、図１と共通の部分には同じ符号を用いる。

【0038】

図２において、充電検出回路１３は、トランジスタＭ１、トランジスタＭ３と、プルアップ抵抗Ｒ１、インバータＸ１で構成される。また、回路１５の低電位電源にはパワースイッチといえるトランジスタＭ２を介して電池の低電位電源（ＶＳＳ）が供給される。

【0039】

回路１５は、コンパレータ、遅延検出ロジック回路、オシレータ回路、残量計用回路、マイクロショート発生予測回路などのいずれか一または複数を指している。

【0040】

トランジスタＭ３はＳ１の電位保持を実現するために用いられる極めて低いオフリーク電流特性を有する。図２において、各トランジスタはバックゲートを有していない例を示しているが、特に限定されず、バックゲートを有していてもよい。

【0041】

システムがオン状態のとき、Ｓ１がＨｉｇｈ（ＶＤＤ）であるため、インバータＸ１の入力電位はＬｏｗとなり、トランジスタＭ２のゲート電位（インバータＸ１の出力電位）はＨｉｇｈとなる。つまり、トランジスタがオン状態のため、回路１５はＶＳＳが供給される状態になる。

【0042】

一方、システムがオフ状態のとき、Ｓ１がＬｏｗ（ＶＳＳ）であるため、インバータＸ１の入力電位はＨｉｇｈとなり、トランジスタＭ２のゲート電位（インバータＸ１の出力電位）はＬｏｗとなる。つまり、トランジスタＭ２がオフ状態のため、回路１５はＶＳＳが供給されない状態（パワーゲーティング状態）になる。したがって、トランジスタＭ２に極めて低いオフリーク特性を有するスイッチ（例えば、ＯＳトランジスタ）を用いることで、回路１５のオフリーク電流を低減することができる。ＯＳトランジスタの半導体層として、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体を用いることが好ましい。

【0043】

また、オフリークを特に抑えたい過放電状態のとき、Ｇ２の電位がＶＤＤに上昇するため、Ｓ１－Ｇ２の電位差となるトランジスタＭ１の電圧Ｖｇｓが０Ｖに近づくことでトランジスタＭ１はオフ状態になる。このとき、プルアップ抵抗Ｒ１によってインバータＸ１の入力電位はＨｉｇｈとなり、トランジスタＭ２のゲート電位（インバータＸ１の出力電位）はＬｏｗとなる。つまり、トランジスタＭ２がオフ状態のため、回路１５は電圧ＶＳＳが供給されない状態（パワーゲーティング状態）になる。したがって、トランジスタＭ２に極めて低いオフリーク特性を有するスイッチ（例えば、ＯＳトランジスタ）を用いることで、回路１５のオフリーク電流を低減することができる。その後、充電が開始されると、Ｇ２の電位がＶＳＳに引き戻されることで、システムがオン状態のときと同様の回路状態に戻り、回路１５に電源供給が開始される。

【0044】

トランジスタＭ３のゲート制御信号はＳ１のノードを保持することを目的とする。回路１５からＳ１に対する電位を供給するが、回路１５がオフ状態では出力信号の供給源が存在しなくなるため、不定値となる。Ｓ１をメモリとして機能させることで、回路１５がオフ状態においても充電検出を正しく機能させることができる。

【0045】

トランジスタＭ１とプルアップ抵抗Ｒ１の電流供給能力でインバータＸ１の入力電位が決定するため、トランジスタＭ１はプルアップ抵抗Ｒ１に比べて十分にオン電流が大きく、十分にオフ電流が小さい必要がある。また、プルアップ抵抗Ｒ１はトランジスタを用いたプルアップトランジスタで構成してもよい。トランジスタＭ１＋Ｍ３と同じ接続構成でプルアップ抵抗を実現すれば、書き込み電位の値によってプルアップ電流の量を調節できる。

【0046】

充電検出回路は、過放電検出コンパレータを用いてもよい。その場合、トランジスタＭ２のＯＮ／ＯＦＦ制御ができるようにコンパレータの出力論理を合わせる。

【0047】

本実施の形態は、実施の形態１と自由に組み合わせることができる。

【0048】

（実施の形態３）
本実施の形態では、記憶手段の回路構成例を図３Ａ乃至図３Ｇに示す。図３Ａ乃至図３Ｇは、それぞれが記憶素子として機能する。図３Ａに示す記憶素子４１０は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。記憶素子４１０は、１つのトランジスタと１つの容量素子を有する記憶素子である。

【0049】

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ＢＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＬ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。トランジスタＭ１の第１端子と容量素子ＣＡの第１端子が電気的に接続される節点をノードＮＤという。

【0050】

実際のトランジスタにおいて、ゲートとバックゲートは、半導体層のチャネル形成領域を介して互いに重なるように設けられる。ゲートとバックゲートは、どちらもゲートとして機能できる。よって、一方を「バックゲート」という場合、他方を「ゲート」または「フロントゲート」という場合がある。また、一方を「第１ゲート」、他方を「第２ゲート」という場合がある。

【0051】

バックゲートは、ゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。

【0052】

バックゲートを設けることで、更には、ゲートとバックゲートを同電位とすることで、半導体層においてキャリアの流れる領域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタのオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高くなる。

【0053】

したがって、トランジスタを占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタにすることができる。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、集積度の高い半導体装置を実現することができる。

【0054】

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。

【0055】

データの書き込みおよび読み出しは、配線ＷＬ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ＢＬとノードＮＤを電気的に接続することによって行われる。

【0056】

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。配線ＣＡＬには、固定電位を印加するのが好ましい。

【0057】

図３Ｂに示す記憶素子４２０は、記憶素子４１０の変形例である。記憶素子４２０では、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＷＬと電気的に接続される。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。よって、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。

【0058】

また、図３Ｃに示す記憶素子４３０のように、トランジスタＭ１をシングルゲート構造のトランジスタ（バックゲートを有さないトランジスタ）としてもよい。記憶素子４３０は、記憶素子４１０および記憶素子４２０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。よって、記憶素子４３０は、記憶素子４１０、および記憶素子４２０よりも作製工程を短縮することができる。

【0059】

記憶素子４１０、記憶素子４２０、および記憶素子４３０は、ＤＲＡＭ型の記憶素子である。

【0060】

トランジスタＭ１のチャネルが形成される半導体層には、酸化物半導体を用いることが好ましい。本明細書などでは、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を含むトランジスタを「ＯＳトランジスタ」ともいう。

【0061】

例えば、酸化物半導体として、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、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）、亜鉛のいずれか一つを有する酸化物半導体を用いることができる。特に、酸化物半導体は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体であることが好ましい。

【0062】

ＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて少ないという特性を有している。トランジスタＭ１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。よって、記憶素子のリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、記憶素子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、記憶素子４１０、記憶素子４２０、記憶素子４３０において多値データ、またはアナログデータを保持することができる。

【0063】

本明細書などでは、ＯＳトランジスタを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）という。

【0064】

図３Ｄに、２つのトランジスタと１つの容量素子で構成するゲインセル型の記憶素子の回路構成例を示す。記憶素子４４０は、トランジスタＭ１と、トランジスタＭ２と、容量素子ＣＡと、を有する。

【0065】

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ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＷＬ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。トランジスタＭ２の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＲＷＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、容量素子ＣＡの第１端子と接続されている。トランジスタＭ１の第１端子と、容量素子ＣＡの第１端子と、トランジスタＭ２のゲートと、が電気的に接続される節点をノードＮＤという。

【0066】

ビット線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、ビット線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、ワード線ＷＷＬは、書き込みワード線として機能し、ワード線ＲＷＬは、読み出しワード線として機能する。トランジスタＭ１は、ノードＮＤとビット線ＷＢＬとを、導通または非導通とするスイッチとしての機能を有する。

【0067】

トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いることが好ましい。前述したとおり、ＯＳトランジスタはオフ電流が非常に少ないため、トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いることで、ノードＮＤに書き込んだ電位を長時間保持することができる。つまり、記憶素子に書き込んだデータを長時間保持することができる。

【0068】

トランジスタＭ２に用いるトランジスタに特段の限定は無い。トランジスタＭ２として、ＯＳトランジスタ、Ｓｉトランジスタ（半導体層にシリコンを用いたトランジスタ。）、またはその他のトランジスタを用いてもよい。

【0069】

なお、トランジスタＭ２にＳｉトランジスタを用いる場合、半導体層に用いるシリコンは、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）、または単結晶シリコンとすればよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳ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トランジスタを用いると、読み出し時の動作速度を高めることができる。

【0070】

トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用い、トランジスタＭ２にＳｉトランジスタを用いる場合、両者を異なる層に積層して設けてもよい。ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタと同様の製造装置および同様のプロセスで作製することが可能である。よって、ＯＳトランジスタとＳｉトランジスタの混載（ハイブリッド化）が容易であり、高集積化も容易である。

【0071】

また、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いると、非選択時のリーク電流を極めて少なくすることができるため、読み出し精度を高めることができる。トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２の両方にＯＳトランジスタを用いることで、半導体装置の作製工程が低減され、生産性を高めることができる。例えば、４００℃以下のプロセス温度で半導体装置を作製することもできる。

【0072】

トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２にバックゲートを有するトランジスタ（４端子型のトランジスタ。「４端子素子」ともいう。）を用いる場合の回路構成例を図３Ｅ乃至図３Ｇに示す。図３Ｅに示す記憶素子４５０、図３Ｆに示す記憶素子４６０、および図３Ｇに示す記憶素子４７０は、記憶素子４４０の変形例である。

【0073】

図３Ｅに示す記憶素子４５０では、トランジスタＭ１のゲートとバックゲートが電気的に接続されている。また、トランジスタＭ２のゲートとバックゲートが電気的に接続されている。

【0074】

図３Ｆに示す記憶素子４６０では、トランジスタＭ１のバックゲート、およびトランジスタＭ２のバックゲートを配線ＢＧＬと電気的に接続している。配線ＢＧＬを介して、トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２のバックゲートに所定の電位を印加することができる。

【0075】

図３Ｇに示す記憶素子４７０では、トランジスタＭ１のバックゲートが配線ＷＢＧＬと電気的に接続され、トランジスタＭ２のバックゲートが配線ＲＢＧＬと電気的に接続されている。トランジスタＭ１のバックゲートとトランジスタＭ２のバックゲートをそれぞれ異なる配線に接続することで、それぞれ独立してしきい値電圧を変化させることができる。

【0076】

記憶素子４４０乃至記憶素子４７０は、２Ｔｒ１Ｃ型のメモリセルである。本明細書などにおいて、トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いて、２Ｔｒ１Ｃ型のメモリセルを構成した記憶装置をＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎ－ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）という。また、記憶素子４４０乃至記憶素子４７０は、ノードＮＤの電位をトランジスタＭ２で増幅して読みだすことができる。また、ＯＳトランジスタはオフ電流が非常に少ないため、ノードＮＤの電位を長期間保持することができる。また、読み出し動作を行ってもノードＮＤの電位が保持される非破壊読み出しを行うことができる。

【0077】

記憶素子に保持されている情報は、書き換え頻度が少ない情報である。よって、記憶素子としては、情報の非破壊読み出しが可能かつ長期保持が可能であるＮＯＳＲＡＭを用いることが好ましい。

【0078】

また、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｅ乃至図３Ｇに示したトランジスタは、４端子素子であるため、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）特性を利用したＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、相変化メモリ（Ｐｈａｓｅ－ｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｏｒｙ）などに代表される２端子素子と比較して、入出力の独立制御が簡便に行うことができるといった特徴を有する。

【0079】

また、ＭＲＡＭ、ＲｅＲＡＭ、相変化メモリは、情報の書き換えの際に、原子レベルで構造変化が生じる場合がある。一方で、本発明の一態様の記憶装置は、情報の書き換えの際にトランジスタを介した電荷のチャージ、またはディスチャージにより動作するため、繰り返し書き換え耐性に優れ、構造変化も少ないといった特徴を有する。

【0080】

（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した記憶素子の構成に適用可能なトランジスタの構成、具体的には異なる電気特性を有するトランジスタを積層して設ける構成について説明する。特に本実施の形態では、半導体装置を構成するメモリ回路が有する各トランジスタの構成について説明する。当該構成とすることで、半導体装置の設計自由度を高めることができる。また、異なる電気特性を有するトランジスタを積層して設けることで、半導体装置の集積度を高めることができる。

【0081】

図４に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ５００と、容量素子６００と、を有している。図６Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図６Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図６Ｃはトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。

【0082】

トランジスタ５００は、ＯＳトランジスタである。トランジスタ５００は、オフ電流が小さい。このため、例えば上記実施の形態で説明したトランジスタＭ２の構成をトランジスタ５００と同様の構成とすることにより、ノードＮＤに長期間電位を保持することができる。これにより、ノードＮＤへの電位の書き込みの頻度が少なくなるため、半導体装置の消費電力を低減することができる。

【0083】

本実施の形態で説明する半導体装置は、図４に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ５００、及び容量素子６００を有する。トランジスタ５００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子６００はトランジスタ３００、及びトランジスタ５００の上方に設けられている。例えば上記実施の形態で説明したトランジスタＭ１の構成をトランジスタ３００と同様の構成とすることができ、容量素子ＣＡの構成を容量素子６００と同様の構成とすることができる。

【0084】

トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂを有する。

【0085】

トランジスタ３００は、図６Ｃに示すように、半導体領域３１３の上面、及びチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大する。これにより、トランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。

【0086】

なお、トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。

【0087】

半導体領域３１３のチャネルが形成される領域及びその近傍の領域、並びにソース領域又はドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ及び低抵抗領域３１４ｂ等において、シリコン系半導体等の半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。又は、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）等を有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。又はＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。

【0088】

低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リン等のｎ型の導電性を付与する元素、又はホウ素等のｐ型の導電性を付与する元素を含む。

【0089】

ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リン等のｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素等のｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコン等の半導体材料、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を用いることができる。

【0090】

なお、導電体の材料によって仕事関数が決まるため、当該導電体の材料を選択することで、トランジスタのしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタル等の材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウム等の金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。

【0091】

なお、図４に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、半導体装置をＯＳトランジスタのみの単極性回路とする場合、図５に示すとおり、トランジスタ３００の構成を、ＯＳトランジスタであるトランジスタ５００と同様の構成にすればよい。なお、トランジスタ５００の詳細については後述する。

【0092】

本明細書等において、単極性回路とは、例えば全てのトランジスタが同極性のトランジスタである回路を示す。例えば、全てのトランジスタがｎチャネル型トランジスタである回路は、単極性回路であるということができる。

【0093】

トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６が順に積層して設けられている。

【0094】

絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等を用いればよい。

【0095】

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。また、本明細書等において、酸化窒化アルミニウムとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化アルミニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。

【0096】

絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００等によって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。

【0097】

また、絶縁体３２４には、基板３１１、又はトランジスタ３００等から、トランジスタ５００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。

【0098】

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。

【0099】

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）等を用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であればよい。

【0100】

なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも比誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。

【0101】

また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６には容量素子６００、又はトランジスタ５００と接続する導電体３２８、及び導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、及び導電体３３０は、プラグ又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、及び導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。

【0102】

各プラグ、及び配線（導電体３２８、導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を、単層又は積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。又は、アルミニウムや銅等の低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。

【0103】

絶縁体３２６、及び導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0104】

なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０に設けられる開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0105】

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。

【0106】

絶縁体３５４、及び導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0107】

なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０に設けられる開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0108】

絶縁体３６４、及び導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0109】

なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０に設けられる開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0110】

絶縁体３７４、及び導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0111】

なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０に設けられる開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0112】

上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、及び導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。

【0113】

絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。

【0114】

例えば、絶縁体５１０及び絶縁体５１４には、基板３１１等から、又はトランジスタ３００を設ける領域等からトランジスタ５００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることが好ましい。

【0115】

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜である。

【0116】

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体５１０、及び絶縁体５１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル等の金属酸化物を用いることが好ましい。

【0117】

特に、酸化アルミニウムは、酸素と、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分等の不純物と、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分等の不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する金属酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。

【0118】

また、例えば、絶縁体５１２、及び絶縁体５１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５１２、及び絶縁体５１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。

【0119】

また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６には、導電体５１８、及びトランジスタ５００を構成する導電体（例えば、導電体５０３）等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量素子６００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0120】

特に、絶縁体５１０、及び絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0121】

絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。

【0122】

図６Ａ、図６Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４及び絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６及び導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に互いに離れて配置された導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の底面及び側面に配置された酸化物５３０ｃと、酸化物５３０ｃの形成面に配置された絶縁体５５０と、絶縁体５５０の形成面に配置された導電体５６０と、を有する。

【0123】

また、図６Ａ、図６Ｂに示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂと、絶縁体５８０との間に絶縁体５４４を配置することが好ましい。また、図６Ａ、図６Ｂに示すように、導電体５６０は、絶縁体５５０の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図６Ａ、図６Ｂに示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、及び絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。

【0124】

なお、以下において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。

【0125】

なお、トランジスタ５００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物５３０ｂの単層、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ａの２層構造、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃの２層構造、又は４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ５００では、導電体５６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５６０が単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、図４、図５、図６Ａ、図６Ｂに示すトランジスタ５００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

【0126】

ここで、導電体５６０は、トランジスタ５００のゲート電極として機能し、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂは、それぞれソース電極又はドレイン電極として機能する。上記のように、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、及び導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体５６０、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂの配置は、絶縁体５８０の開口に対して自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ５００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に自己整合的に配置させることができる。よって、導電体５６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ５００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。

【0127】

さらに、導電体５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体５６０は、導電体５４２ａ又は導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、の間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ５００のスイッチング速度が向上し、高い周波数特性を有することができる。

【0128】

導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体５０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０３に印加する電位を、導電体５６０に印加する電位と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ５００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。

【0129】

導電体５０３は、酸化物５３０、及び導電体５６０と重なる領域を有するように配置する。これにより、導電体５６０、及び導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第１のゲート電極、及び第２のゲート電極の電界によってチャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造という。

【0130】

また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４及び絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。なお、トランジスタ５００では、導電体５０３ａ及び導電体５０３ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５０３は、単層、又は３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。

【0131】

ここで、導電体５０３ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子等の不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記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。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子等の少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書等において、不純物、又は酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、又は上記酸素のいずれか一、又は全ての拡散を抑制する機能とする。

【0132】

例えば、導電体５０３ａが酸素の拡散を抑制する機能を有することにより、導電体５０３ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。

【0133】

また、導電体５０３が配線の機能を兼ねる場合、導電体５０３ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体５０３ａは、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体５０３ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

【0134】

絶縁体５２０、絶縁体５２２、及び絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0135】

ここで、酸化物５３０と接する絶縁体５２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体５２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物５３０に接して設けることにより、酸化物５３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ５００の信頼性を向上させることができる。

【0136】

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、又は３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、又は１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。

【0137】

また、上記過剰酸素領域を有する絶縁体と、酸化物５３０と、を接して加熱処理、マイクロ波処理、又はＲＦ処理のいずれか一又は複数の処理を行ってもよい。当該処理を行うことで、酸化物５３０中の水、又は水素を除去することができる。例えば、酸化物５３０において、ＶｏＨの結合が切断される反応が起きる、別言すると「Ｖ_ＯＨ→Ｖ_Ｏ＋Ｈ」という反応が起きることにより、脱水素化することができる。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ_２Ｏとして、酸化物５３０、又は酸化物５３０近傍の絶縁体から除去される場合がある。

【0138】

また、上記マイクロ波処理は、例えば、高密度プラズマを発生させる電源を有する装置、又は、基板側にＲＦを印加する電源を有する装置を用いると好適である。例えば、酸素を含むガスを用い、且つ高密度プラズマを用いることにより、高密度の酸素ラジカルを生成することができる。また、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを、効率よく酸化物５３０、又は酸化物５３０近傍の絶縁体中に導入することができる。また、上記マイクロ波処理は、圧力を１３３Ｐａ以上、好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。また、マイクロ波処理を行う装置内に導入するガスとしては、例えば酸素及びアルゴンを用い、酸素流量比（Ｏ_２／（Ｏ_２＋Ａｒ））は５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下とするとよい。

【0139】

また、トランジスタ５００の作製工程中において、酸化物５３０の表面が露出した状態で加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、又は酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物５３０に酸素を供給して、酸素欠損（Ｖ_Ｏ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。又は、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、又は１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。又は、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、又は１０％以上含む雰囲気で加熱処理した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

【0140】

なお、酸化物５３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物５３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「Ｖ_Ｏ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物５３０中に残存した水素と、酸化物５３０に供給された酸素と、が反応することで、当該水素をＨ_２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物５３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶ_ＯＨが形成されるのを抑制することができる。

【0141】

また、絶縁体５２４が過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子等）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。

【0142】

絶縁体５２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物５３０が有する酸素が絶縁体５２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や酸化物５３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。

【0143】

絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）等のいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層又は積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。

【0144】

特に、不純物、及び酸素等の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料であるアルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はアルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）等を用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０からの酸素の放出や、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。

【0145】

又は、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。又はこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン、又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。

【0146】

また、絶縁体５２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好適である。また、ｈｉｇｈ－ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、又は酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体５２０を得ることができる。

【0147】

なお、図６Ａ、図６Ｂのトランジスタ５００では、３層の積層構造からなる第２のゲート絶縁膜として、絶縁体５２０、絶縁体５２２、及び絶縁体５２４が図示されているが、第２のゲート絶縁膜は、単層、２層、又は４層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。

【0148】

トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウム等から選ばれた一種、又は複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、酸化物５３０として適用できるＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物は、ＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｃ－Ａｘｌｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ＣＡＣ－ＯＳ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であることが好ましい。また、酸化物５３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。ＣＡＡＣ－ＯＳ及びＣＡＣ－ＯＳについては後述する。

【0149】

また、トランジスタ５００には、キャリア濃度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア濃度を低くする場合においては、金属酸化物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又は実質的に高純度真性という。なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、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。

【0150】

特に、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、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。また、酸化物５３０中の酸素欠損に水素が入った場合、酸素欠損と水素とが結合しＶ_ＯＨを形成する場合がある。Ｖ_ＯＨはドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。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場合がある。したがって、水素が多く含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。また、金属酸化物中の水素は、熱、電界等のストレスによって動きやすいため、金属酸化物に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。本発明の一態様においては、酸化物５３０中のＶ_ＯＨをできる限り低減し、高純度真性又は実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、Ｖ_ＯＨが十分低減された金属酸化物を得るには、金属酸化物中の水分、水素等の不純物を除去すること（脱水、脱水素化処理と記載する場合がある。）と、金属酸化物に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（加酸素化処理と記載する場合がある。）が重要である。Ｖ_ＯＨ等の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。

【0151】

酸素欠損に水素が入った欠陥は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。

【0152】

よって、金属酸化物を酸化物５３０に用いる場合、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、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。水素等の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。

【0153】

また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以下であることが好ましく、１×１０^１７ｃｍ^－３未満であることがより好ましく、１×１０^１６ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１３ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１２ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０^－９ｃｍ^－３とすることができる。

【0154】

また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、導電体５４２（導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ）と酸化物５３０とが接することで、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散し、導電体５４２が酸化する場合がある。導電体５４２が酸化することで、導電体５４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散することを、導電体５４２が酸化物５３０中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。

【0155】

また、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２（導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ）へ拡散することで、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂとの間、及び導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体５４２よりも酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体５４２と、当該異層と、酸化物５３０ｂとの３層構造は、金属－絶縁体－半導体からなる３層構造とみなすことができ、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造という、又はＭＩＳ構造を主としたダイオード接合構造という場合がある。

【0156】

なお、上記異層は、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間に形成されることに限られない。例えば、異層が、導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。又は、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間、及び導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。

【0157】

また、酸化物５３０においてチャネル形成領域として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

【0158】

酸化物５３０は、酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへ不純物が拡散することを抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへ不純物が拡散することを抑制することができる。

【0159】

なお、酸化物５３０は、各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物層の積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａ又は酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を用いることができる。

【0160】

具体的には、酸化物５３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または１：１：１［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造、酸化ガリウムと、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造などが挙げられる。

【0161】

また、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。

【0162】

ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化又は連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

【0163】

具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウム等を用いるとよい。

【0164】

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａ、及び酸化物５３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ５００は高いオン電流を得られる。

【0165】

なお、酸化物５３０に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物５３０として、バンドギャップを有する半導体材料（ゼロギャップ半導体ではない半導体材料）を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料などともいう。）などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。

【0166】

ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合やイオン結合によって形成される層が、ファンデルワールス力のような、共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、２次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、２次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。

【0167】

層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第１６族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、１３族カルコゲナイドなどが挙げられる。

【0168】

酸化物５３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物５３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ_２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ_２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ_２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ_２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ_２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ_２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ_２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ_２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ_２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ_２）などが挙げられる。

【0169】

酸化物５３０ｂ上には、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂが設けられる。導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、又は上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物等を用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、又は酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため好ましい。更に、窒化タンタル等の金属窒化物膜は、水素又は酸素に対するバリア性があるため好ましい。

【0170】

また、図６では、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂを単層構造として示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅－マグネシウム－アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。

【0171】

また、チタン膜又は窒化チタン膜と、そのチタン膜又は窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜又は窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜又は窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜又は窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜又は窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

【0172】

また、図６Ａに示すように、酸化物５３０の、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）との界面とその近傍には、低抵抗領域として領域５４３ａ、及び領域５４３ｂが形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域又はドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域又はドレイン領域の他方として機能する。また、領域５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。

【0173】

酸化物５３０と接するように上記導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）を設けることで、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）に導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）に含まれる金属と、酸化物５３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）のキャリア濃度が増加し、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）は、低抵抗領域となる。

【0174】

絶縁体５４４は、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂを覆うように設けられ、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂの酸化を抑制する。このとき、絶縁体５４４は、酸化物５３０の側面を覆い、絶縁体５２４と接するように設けられてもよい。

【0175】

絶縁体５４４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、ネオジム、ランタン、マグネシウム等から選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体５４４として、窒化酸化シリコン又は窒化シリコン等も用いることができる。

【0176】

特に、絶縁体５４４として、アルミニウム、又はハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はアルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）等を用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂが耐酸化性を有する材料、又は酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体５４４は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により適宜設計すればよい。

【0177】

絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０に含まれる水、及び水素等の不純物が、酸化物５３０ｃ及び絶縁体５５０を介して酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化することを抑制することができる。

【0178】

絶縁体５５０は、第１のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、酸化物５３０ｃの内側（上面、及び側面）と接するように配置することが好ましい。絶縁体５５０は、上述した絶縁体５２４と同様に、過剰に酸素を含み、かつ加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。

【0179】

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素、及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。

【0180】

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体５５０として酸化物５３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物５３０ｃを通じて、絶縁体５５０から酸化物５３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体５２４と同様に、絶縁体５５０中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体５５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0181】

また、絶縁体５５０が有する過剰酸素を効率的に酸化物５３０へ供給するために、絶縁体５５０と導電体５６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体５５０から導電体５６０への酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。酸素の拡散を抑制する機能を有する金属酸化物を設けることで、絶縁体５５０から導電体５６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体５４４に用いることができる材料を用いればよい。

【0182】

なお、絶縁体５５０は、第２のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。このため、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、ｈｉｇｈ－ｋ材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位を低減することが可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。

【0183】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図６Ａ、図６Ｂでは２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。

【0184】

導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２等）、銅原子等の不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子等の少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体５５０に含まれる酸素により導電体５６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、又は酸化ルテニウム等を用いることが好ましい。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０に適用できる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａの電気抵抗値を低下させて導電体にすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極ということができる。

【0185】

また、導電体５６０ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体５６０ｂは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。

【0186】

絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素、及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、又は樹脂等を有することが好ましい。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、及び空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。

【0187】

絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体５８０を、酸化物５３０ｃと接する領域を有するように設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｂへと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。

【0188】

絶縁体５８０の開口は、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、及び導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。

【0189】

半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体５６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体５６０の膜厚を大きくすると、導電体５６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体５６０を絶縁体５８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体５６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体５６０を倒壊させることなく導電体５６０を形成することができる。

【0190】

絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、及び絶縁体５５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５５０、及び絶縁体５８０へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物５３０中に酸素を供給することができる。

【0191】

例えば、絶縁体５７４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又はマグネシウム等から選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。

【0192】

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、及び窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素等の不純物のバリア膜としての機能も有することができる。

【0193】

また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４等と同様に、膜中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。

【0194】

また、絶縁体５８１、絶縁体５７４、絶縁体５８０、及び絶縁体５４４に形成された開口に、導電体５４０ａ、及び導電体５４０ｂを配置する。導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂは、後述する導電体５４６、及び導電体５４８と同様の構成である。

【0195】

絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられている。絶縁体５８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体５８２には、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体５８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル等の金属酸化物を用いることが好ましい。

【0196】

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分等の不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分等の不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。

【0197】

また、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。絶縁体５８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。

【0198】

また、絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、及び絶縁体５８６には、導電体５４６、及び導電体５４８等が埋め込まれている。

【0199】

導電体５４６、及び導電体５４８は、容量素子６００、トランジスタ５００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体５４６、及び導電体５４８は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0200】

なお、トランジスタ５００の形成後、トランジスタ５００を囲むように開口を形成し、当該開口を覆うように、水素、又は水に対するバリア性が高い絶縁体を形成してもよい。上述のバリア性の高い絶縁体でトランジスタ５００を包み込むことで、外部から水分、及び水素が侵入することを防止することができる。又は、複数のトランジスタ５００をまとめて、水素、又は水に対するバリア性が高い絶縁体で包み込んでもよい。なお、トランジスタ５００を囲むように開口を形成する場合、例えば、絶縁体５１４又は絶縁体５２２に達する開口を形成し、絶縁体５１４又は絶縁体５２２に接するように上述のバリア性の高い絶縁体を形成すると、トランジスタ５００の作製工程の一部を兼ねられるため好適である。なお、水素、又は水に対するバリア性が高い絶縁体としては、例えば、絶縁体５２２と同様の材料を用いればよい。

【0201】

続いて、トランジスタ５００の上方には、容量素子６００が設けられている。容量素子６００は、導電体６１０、導電体６２０、及び絶縁体６３０を有する。

【0202】

また、導電体５４６、及び導電体５４８上に、導電体６１２を設けてもよい。導電体６１２は、トランジスタ５００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体６１０は、容量素子６００の電極としての機能を有する。なお、導電体６１２、及び導電体６１０は、同時に形成することができる。

【0203】

導電体６１２、及び導電体６１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、又は上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物等の導電性材料を適用することもできる。

【0204】

図４では、導電体６１２、及び導電体６１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、及び導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。

【0205】

絶縁体６３０を介して導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体等の他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。

【0206】

導電体６２０、及び絶縁体６３０上には、絶縁体６４０が設けられている。絶縁体６４０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体６４０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。

【0207】

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化又は高集積化を図ることができる。

【0208】

図７Ａ、図７Ｂは、図６Ａ、図６Ｂに示すトランジスタ５００の変形例である。図６Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図６Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図である。なお、図７Ａ、図７Ｂに示す構成は、トランジスタ３００等、本発明の一態様の半導体装置が有する他のトランジスタにも適用することができる。

【0209】

図７Ａは、トランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図７Ｂは、トランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図である。図７Ａ、図７Ｂに示すトランジスタ５００は、絶縁体４０２及び絶縁体４０４を有する点が、図６Ａ、図６Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。また、導電体５４０ａの側面に接して絶縁体５５２が設けられ、導電体５４０ｂの側面に接して絶縁体５５２が設けられる点が、図６Ａ、図６Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。さらに、絶縁体５２０を有さない点が、図６Ａ、図６Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。

【0210】

図７Ａ、図７Ｂに示すトランジスタ５００は、絶縁体５１２上に絶縁体４０２が設けられる。また、絶縁体５７４上、及び絶縁体４０２上に絶縁体４０４が設けられる。

【0211】

図７Ａ、図７Ｂに示すトランジスタ５００では、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、及び絶縁体５７４がパターニングされており、絶縁体４０４がこれらを覆う構造になっている。つまり、絶縁体４０４は、絶縁体５７４の上面、絶縁体５７４の側面、絶縁体５８０の側面、絶縁体５４４の側面、絶縁体５２４の側面、絶縁体５２２の側面、絶縁体５１６の側面、絶縁体５１４の側面、絶縁体４０２の上面とそれぞれ接する。これにより、酸化物５３０等は、絶縁体４０４と絶縁体４０２によって外部から隔離される。

【0212】

絶縁体４０２及び絶縁体４０４は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）又は水分子の拡散を抑制する機能が高いことが好ましい。例えば、絶縁体４０２及び絶縁体４０４として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを用いることが好ましい。これにより、酸化物５３０に水素等が拡散することを抑制することができるので、トランジスタ５００の特性が低下することを抑制することができる。よって、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。

【0213】

絶縁体５５２は、絶縁体５８１、絶縁体４０４、絶縁体５７４、絶縁体５８０、及び絶縁体５４４に接して設けられる。絶縁体５５２は、水素又は水分子の拡散を抑制する機能を有するが好ましい。たとえば、絶縁体５５２として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は窒化酸化シリコン等の絶縁体を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンは水素バリア性が高い材料であるので、絶縁体５５２として用いると好適である。絶縁体５５２として水素バリア性が高い材料を用いることにより、水又は水素等の不純物が、絶縁体５８０等から導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂを通じて酸化物５３０に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０に含まれる酸素が導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂに吸収されることを抑制することができる。以上により、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。

【0214】

図８は、トランジスタ５００及びトランジスタ３００を図７Ａ、図７Ｂに示す構成とした場合における、半導体装置の構成例を示す断面図である。導電体５４６の側面に、絶縁体５５２が設けられている。

【0215】

図９Ａ、図９Ｂは、図７Ａ、図７Ｂに示すトランジスタの変形例である。図９Ａはトランジスタのチャネル長方向の断面図であり、図９Ｂはトランジスタのチャネル幅方向の断面図である。図９Ａ、図９Ｂに示すトランジスタは、酸化物５３０ｃが酸化物５３０ｃ１及び酸化物５３０ｃ２の２層構造である点が、図７Ａ、図７Ｂに示すトランジスタと異なる。

【0216】

酸化物５３０ｃ１は、絶縁体５２４の上面、酸化物５３０ａの側面、酸化物５３０ｂの上面及び側面、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂの側面、絶縁体５４４の側面、及び絶縁体５８０の側面と接する。酸化物５３０ｃ２は、絶縁体５５０と接する。

【0217】

酸化物５３０ｃ１として、例えばＩｎ－Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化物５３０ｃ２として、酸化物５３０ｃが１層構造である場合に酸化物５３０ｃに用いることができる材料と同様の材料を用いることができる。例えば、酸化物５３０ｃ２として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いることができる。

【0218】

酸化物５３０ｃを酸化物５３０ｃ１及び酸化物５３０ｃ２の２層構造とすることにより、酸化物５３０ｃを１層構造とする場合より、トランジスタのオン電流を高めることができる。よって、トランジスタを、例えばパワーＭＯＳトランジスタとすることができる。なお、図６Ａ、図６Ｂに示すトランジスタが有する酸化物５３０ｃも、酸化物５３０ｃ１と酸化物５３０ｃ２の２層構造とすることができる。

【0219】

図９Ａ、図９Ｂに示すトランジスタは、例えばトランジスタ３００に適用することができる。前述のように、トランジスタ３００は、上記実施の形態の図３に示すトランジスタＭ１に適用することができる。よって、出力トランジスタとしての機能を有するトランジスタＭ１のオン電流を高めることができ、本発明の一態様の半導体装置から出力される電位の精度を高めることができる。なお、図９Ａ、図９Ｂに示す構成は、トランジスタ５００等、本発明の一態様の半導体装置が有する、トランジスタ３００以外のトランジスタにも適用することができる。

【0220】

図１０は、トランジスタ５００を図６Ａ、図６Ｂに示す構成とし、トランジスタ３００を図９Ａ、図９Ｂに示す構成とした場合における、半導体装置の構成例を示す断面図である。なお、図８と同様に、導電体５４６の側面に絶縁体５５２を設ける構成としている。図１０に示すように、本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ３００とトランジスタ５００を両方ともＯＳトランジスタとしつつ、トランジスタ３００とトランジスタ５００のそれぞれを異なる構成にすることができる。

【0221】

本実施の形態は、他の実施の形態等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。

【0222】

（実施の形態５）
円筒型の二次電池の例について図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して説明する。円筒型の二次電池６１６は、図１２Ｂ示すように、上面に正極キャップ（電池蓋）６０１を有し、側面および底面に電池缶（外装缶）６０２を有している。これら正極キャップと電池缶（外装缶）６０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）６１９によって絶縁されている。

【0223】

図１２Ｂは、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶６０２の内側には、帯状の正極６０４と負極６０６とがセパレータ６０５を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶６０２は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶６０２には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金（例えば、ステンレス鋼等）を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。電池缶６０２の内側において、正極、負極およびセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板６０８、６０９により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶６０２の内部は、非水電解液（図示せず）が注入されている。二次電池は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）やリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）などの活物質を含む正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な黒鉛等の炭素材料からなる負極と、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの有機溶媒に、ＬｉＢＦ_４やＬｉＰＦ_６等のリチウム塩からなる電解質を溶解させた非水電解液などにより構成される。

【0224】

円筒型の蓄電池に用いる正極および負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成することが好ましい。正極６０４には正極端子（正極集電リード）６０３が接続され、負極６０６には負極端子（負極集電リード）６０７が接続される。正極端子６０３および負極端子６０７は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子６０３は安全弁機構６１７に、負極端子６０７は電池缶６０２の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構６１７は、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子６１１を介して正極キャップ６０１と電気的に接続されている。安全弁機構６１７は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ６０１と正極６０４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子６１１は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。ＰＴＣ素子には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）系半導体セラミックス等を用いることができる。

【0225】

電解液を用いるリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、セパレータと、電解液と、外装体とを有する。なお、リチウムイオン二次電池では、充電と放電でアノード（陽極）とカソード（陰極）が入れ替わり、酸化反応と還元反応とが入れ替わることになるため、反応電位が高い電極を正極と呼び、反応電位が低い電極を負極と呼ぶ。したがって、本明細書においては、充電中であっても、放電中であっても、逆パルス電流を流す場合であっても、充電電流を流す場合であっても、正極は「正極」または「＋極（プラス極）」と呼び、負極は「負極」または「－極（マイナス極）」と呼ぶこととする。酸化反応や還元反応に関連したアノード（陽極）やカソード（陰極）という用語を用いると、充電時と放電時とでは、逆になってしまい、混乱を招く可能性がある。したがって、アノード（陽極）やカソード（陰極）という用語は、本明細書においては用いないこととする。仮にアノード（陽極）やカソード（陰極）という用語を用いる場合には、充電時か放電時かを明記し、正極（プラス極）と負極（マイナス極）のどちらに対応するものかも併記することとする。

【0226】

図１２Ｃに示す２つの端子には充電器が接続され、蓄電池１４００が充電される。蓄電池１４００の充電が進めば、電極間の電位差は大きくなる。図１２Ｃでは、蓄電池１４００の外部の端子から、正極１４０２の方へ流れ、蓄電池１４００の中において、正極１４０２から負極１４０４の方へ流れ、負極から蓄電池１４００の外部の端子の方へ流れる電流の向きを正の向きとしている。つまり、充電電流の流れる向きを電流の向きとしている。

【0227】

本実施の形態では、リチウムイオン二次電池の例を示すが、リチウムイオン二次電池に限定されず、二次電池の正極材料として例えば、元素Ａ、元素Ｘ、及び酸素を有する材料を用いることができる。元素Ａは第１族の元素および第２族の元素から選ばれる一以上であることが好ましい。第１族の元素として例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を用いることができる。また、第２族の元素として例えば、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム等を用いることができる。元素Ｘとして例えば金属元素、シリコン及びリンから選ばれる一以上を用いることができる。また、元素Ｘはコバルト、ニッケル、マンガン、鉄、及びバナジウムから選ばれる一以上であることが好ましい。代表的には、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）や、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）が挙げられる。

【0228】

負極は、負極活物質層および負極集電体を有する。また、負極活物質層は、導電助剤およびバインダを有していてもよい。

【0229】

負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な元素を用いることができる。例えば、シリコン、スズ、ガリウム、アルミニウム、ゲルマニウム、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特にシリコンは理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇと高い。

【0230】

また、二次電池は、セパレータを有することが好ましい。セパレータとしては、例えば、紙をはじめとするセルロースを有する繊維、不織布、ガラス繊維、セラミックス、或いはナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維）、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いることができる。

【0231】

図１１において、本発明の一態様である二次電池の過放電低減システムを用いた車両を例示する。図１１Ａに示す自動車８４００の二次電池モジュール８０２４は、電気モーター８４０６を駆動するだけでなく、ヘッドライト８４０１やルームライト（図示せず）などの発光装置に電力を供給することができる。自動車８４００の二次電池モジュール８０２４は、図１２Ｂに示した円筒形の二次電池６１６を複数並べ、第１の導電板および第２の導電板の間に挟んで電池パックとしたものを用いてもよい。

【0232】

複数の二次電池６１６は、並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよいし、並列に接続された後、さらに直列に接続されていてもよい。複数の二次電池６１６を有する二次電池モジュール８０２４を構成することで、大きな電力を取り出すことができる。また、複数の二次電池６１６にそれぞれ実施の形態１または実施の形態２に示す過放電防止回路を設けてもよいし、複数の二次電池６１６に一つの過放電防止回路を設けてもよい。

【0233】

車載の二次電池において、複数の二次電池からの電力を遮断するため、工具を使わずに高電圧を遮断できるサービスプラグまたはサーキットブレーカを有している。例えば、２個から１０個のセルを有する電池モジュールを４８個直列に接続する場合には、２４個目と２５個目の間にサービスプラグまたはサーキットブレーカを有している。

【0234】

図１１Ｂに示す自動車８５００は、自動車８５００が有する二次電池にプラグイン方式や非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図１１Ｂに、地上設置型の充電装置８０２１から自動車８５００に搭載された二次電池モジュール８０２４に、ケーブル８０２２を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法やコネクターの規格等はＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）やコンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。充電装置８０２１は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源であってもよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により自動車８５００に搭載された二次電池モジュール８０２４を充電することができる。充電は、ＡＣＤＣコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。

【0235】

また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時や走行時に二次電池の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。

【0236】

また、図１１Ｃは、本発明の一態様の二次電池を用いた二輪車の一例である。図１１Ｃに示すスクータ８６００は、二次電池８６０２、サイドミラー８６０１、方向指示灯８６０３を備える。二次電池８６０２は、方向指示灯８６０３に電気を供給することができる。

【0237】

また、図１１Ｃに示すスクータ８６００は、座席下収納８６０４に、二次電池８６０２を収納することができる。二次電池８６０２は、座席下収納８６０４が小型であっても、座席下収納８６０４に収納することができる。また、スクータに代えてスノーモービルや水上バイクの動力源にも本実施の形態を適用することができる。

【0238】

本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。

【0239】

（実施の形態６）
図１３に実施の形態１と異なる、オフ時のリーク対策の動作の一例を説明するための回路図を示す。

【0240】

保護回路１４は低電位側Ｇ２に接続する。低電位側Ｇ１と低電位側Ｇ２の間には遮断用スイッチ１２が設けられている。Ｇ２に電気的に接続するトランジスタＭ１のゲートＳ１は容量と接続され、その一方の端子はＧ１に接続する。遮断用スイッチ１２はＯＳトランジスタを用いて構成してもよく、その場合、負荷のリークも削減できる。

【0241】

二次電池の使用による電力消耗によって二次電池の供給電圧が低下し、過放電状態になると、過放電検出されてＧ１とＧ２は遮断用スイッチ１２によって切り離される。一方で、Ｇ２の電位は最大で二次電池の高電位側と同じ電位（ＶＤＤ）まで上昇する。

【0242】

上昇した電位となったＧ２に対してゲートＳ１の電位が相対的に下がり、トランジスタＭ１が自動的なオフ状態となる。トランジスタＭ１は充電制御回路１１の低電位側Ｇ２の供給を制御するパワースイッチとして機能するため、トランジスタＭ１がオフ状態になることで、充電検出回路への電源供給が遮断される。

【0243】

二次電池の充電が開始されると、充電制御回路１１の低電位が供給されるため、Ｇ２の電位は再び下がり（トランジスタＭ１のＶｇｓが上昇し）、トランジスタＭ１はオン状態になり、自動的な復帰、即ち自動的なオン状態とすることができる。

【0244】

なお、図１３の各トランジスタはバックゲートを有するトランジスタとする例を示しているが、特に限定されず、バックゲートを有していないトランジスタを用いてもよい。

【0245】

過放電を検出した後は、二次電池を保護するための保護回路１４も完全なオフに近い状態とする必要がある。図１３に示す保護回路１４の構成とすることで自動的なオフ状態とすることができ、過放電状態におけるシステム全体のオフリーク電流を低減できる。また、本構成は、自動的なオフだけでなく、自動的な復帰、即ち自動的なオン状態とすることも可能である。

【0246】

本実施の形態は他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0247】

１２：遮断用スイッチ、１３：充電検出回路、１４：保護回路、１５：回路、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４０２：絶縁体、４０４：絶縁体、４１０：記憶素子、４２０：記憶素子、４３０：記憶素子、４４０：記憶素子、４５０：記憶素子、４６０：記憶素子、４７０：記憶素子、５００：トランジスタ、５０３：導電体、５０３ａ：導電体、５０３ｂ：導電体、５１０：絶縁体、５１２：絶縁体、５１４：絶縁体、５１６：絶縁体、５１８：導電体、５２０：絶縁体、５２２：絶縁体、５２４：絶縁体、５３０：酸化物、５３０ａ：酸化物、５３０ｂ：酸化物、５３０ｃ：酸化物、５３０ｃ１：酸化物、５３０ｃ２：酸化物、５４０ａ：導電体、５４０ｂ：導電体、５４２：導電体、５４２ａ：導電体、５４２ｂ：導電体、５４３ａ：領域、５４３ｂ：領域、５４４：絶縁体、５４６：導電体、５４８：導電体、５５０：絶縁体、５５２：絶縁体、５６０：導電体、５６０ａ：導電体、５６０ｂ：導電体、５７４：絶縁体、５８０：絶縁体、５８１：絶縁体、５８２：絶縁体、５８６：絶縁体、６００：容量素子、６０１：正極キャップ、６０２：電池缶、６０３：正極端子、６０４：正極、６０５：セパレータ、６０６：負極、６０７：負極端子、６０８：絶縁板、６０９：絶縁板、６１０：導電体、６１１：ＰＴＣ素子、６１２：導電体、６１６：二次電池、６１７：安全弁機構、６１９：ガスケット、６２０：導電体、６３０：絶縁体、６４０：絶縁体、１４００：蓄電池、１４０２：正極、１４０４：負極、８０２１：充電装置、８０２２：ケーブル、８０２４：二次電池モジュール、８４００：自動車、８４０１：ヘッドライト、８４０６：電気モーター、８５００：自動車、８６００：スクータ、８６０１：サイドミラー、８６０２：二次電池、８６０３：方向指示灯、８６０４：座席下収納

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図3F】

【図3G】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13】