特許 7463290 半導体装置

(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】2024-03-29

(45)【発行日】2024-04-08

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240401BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20240401BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20240401BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240401BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 S

H02J7/00 301E

H02J50/10

H02J7/00 301D

H01M10/44 Q

H01M10/48 P

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020557014

(86)(22)【出願日】2019-11-12

(86)【国際出願番号】 IB2019059682

(87)【国際公開番号】W WO2020104892

(87)【国際公開日】2020-05-28

【審査請求日】2022-11-07

(31)【優先権主張番号】P 2018219323

(32)【優先日】2018-11-22

(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】大貫 達也

(72)【発明者】

【氏名】池田 隆之

(72)【発明者】

【氏名】山崎 舜平

【審査官】永井 啓司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１３５８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３０７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５１０８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－３１２１７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ１０／４２－１０／４８

Ｈ０２Ｊ７／００－７／１２

７／３４－７／３６

５０／００－５０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二次電池と、
前記二次電池の第１の端子に接続され、放電時に前記二次電池から出力される電力を伝送する第１の伝送路と、
前記第１の伝送路に接続され、前記二次電池の側面に接して可撓性基板上に設けられた充電制御回路と、
前記充電制御回路と前記二次電池の第２の端子とを接続する第２の伝送路と、
前記第２の伝送路を遮断する遮断用スイッチと、
前記充電制御回路と電気的に接続された充電回路と、
前記充電回路と電気的に接続されたアンテナと、
前記アンテナから前記充電回路を介して、充電時に前記二次電池へ電力が供給される第３の伝送路と、を有し、
前記充電制御回路は、前記遮断用スイッチを制御して前記第２の伝送路を遮断する機能と、前記充電回路の出力トランジスタを制御して前記第３の伝送路を遮断する機能と、前記第２の伝送路の遮断と前記第３の伝送路の遮断とを同時に行わせる機能と、を有し、
前記二次電池は、前記側面において曲面領域を有し、
前記充電制御回路は、前記二次電池と接する領域において、曲面領域を有する、半導体装置。

【請求項2】

二次電池と、
前記二次電池の第１の端子に接続され、放電時に前記二次電池から出力される電力を伝送する第１の伝送路と、
前記第１の伝送路に接続され、前記二次電池の側面に接して可撓性基板上に設けられた充電制御回路と、
前記充電制御回路と前記二次電池の第２の端子とを接続する第２の伝送路と、
前記第２の伝送路を遮断する遮断用スイッチと、
前記充電制御回路と電気的に接続された充電回路と、
前記充電回路と電気的に接続されたアンテナと、
前記アンテナから前記充電回路を介して、充電時に前記二次電池へ電力が供給される第３の伝送路と、を有し、
前記充電制御回路は、前記遮断用スイッチをオフにして前記第２の伝送路を遮断する機能と、前記充電回路の出力トランジスタをオフにして前記第３の伝送路を遮断する機能と、前記遮断用スイッチをオフにするときに前記充電回路の出力トランジスタをオフにする機能と、を有し、
前記二次電池は、前記側面において曲面領域を有し、
前記充電制御回路は、前記二次電池と接する領域において、曲面領域を有する、半導体装置。

【請求項3】

請求項１又は２において、前記遮断用スイッチ及び前記出力トランジスタはそれぞれ、酸化物半導体を用いたトランジスタである、半導体装置。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか一において、
前記可撓性基板は、前記二次電池の側面面積と同じ又は前記二次電池の側面面積以下の面積を有する、半導体装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一において、
前記可撓性基板は、曲率半径が９ｍｍ以上の曲面を有する領域を有する、半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一様態は、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、酸化物半導体を用いる半導体装置及びその作製方法に関する。

【0002】

なお、本明細書中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し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。

【0003】

また、本発明の一態様は、半導体装置を用いた充電制御システム、充電制御方法、及び二次電池を有する電子機器に関する。

【0004】

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、一次電池、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】

【0005】

近年、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、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、モバイル機器、例えば携帯電話、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、デジタルカメラなどに用いられている。また、リチウムイオン二次電池は、その他にも、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や、電動バイク、電動アシスト自転車などの電動車両などにも用いられている。このように、リチウムイオン二次電池は、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。

【0006】

二次電池は、使用者が使用して残量が減れば充電を行うことを繰り返し行う。充電を繰り返し行うことで二次電池は劣化するため、二次電池の劣化の程度に合わせて充電条件を変えることで二次電池の寿命を長くする工夫などが行われている。二次電池は、製造直後において個体差があり、サイクル数とともに劣化し、さらに電池の電圧、充放電電流、温度、内部抵抗などの様々なパラメータの影響を受ける。

【0007】

また、リチウムイオンを用いる二次電池は、劣化により内部短絡や過充電などの原因で熱暴走することが知られている。熱暴走する前に予兆となる異常を検知し、安全対策をとることが望まれている。

【0008】

携帯情報端末や電気自動車などにおいては、複数の二次電池を直列接続または並列接続して保護回路を設け、電池パック（組電池ともよぶ）として使用される。電池パックとは、二次電池の取り扱いを容易にするため、複数個の二次電池で構成される電池モジュールを、所定の回路と共に容器（金属缶、フィルム外装体）内部に収納したものを指す。

【0009】

また、組電池を構成する全ての二次電池が正常に機能していれば問題ないが、一つでも異常になると、他の二次電池にも悪影響が及び、保護回路が機能すれば組電池は使用停止となる。

【0010】

また、携帯情報端末においては、筐体の小型化、または薄型化が進められており、携帯情報端末の筐体は小さく、二次電池の容量は大きいことが望まれており、筐体内の空間には限りがある。

【0011】

従来、二次電池の異常から、安全を確保するため、過充電や過放電を防止する保護回路がＩＣチップとしてリジッド基板（プリント配線板）に実装されている。また、放電電流の導通や遮断を行うためのスイッチング回路がＩＣチップに実装され、これらの複数のＩＣチップを組み合わせてリジッド基板に実装されている。また、保護回路のＩＣチップとスイッチング回路のＩＣチップの両方を実装した小さなリジッド基板が電池セルの２端子の間に配置され、そのリジット基板と電池セルをまとめてフィルムで固定したものが一つの電池パックを形成している場合がある。

【0012】

特許文献１では、二次電池の微小短絡を検出する電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パックが示されている。

【0013】

また、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ともいう）に関して、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛など、一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ＩＧＺＯ、ともいう）に関する研究が盛んに行われている。

【0014】

ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造、および、ｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３、参照）。

【0015】

非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いて、トランジスタを作製する技術が開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に示されている。

【0016】

非特許文献６では、酸化物半導体を用いたトランジスタの、オフ電流が非常に小さいことが報告され、非特許文献７および非特許文献８では、オフ電流が非常に小さい性質を利用した、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）およびディスプレイが報告されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0017】

【文献】特開２０１０－６６１６１号

【非特許文献】

【0018】

【文献】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ４３，ｉｓｓｕｅ １，ｐ．１８３－１８６

【文献】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ５３，Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８－１－０４ＥＤ１８－１０

【文献】Ｓ．Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．，“Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＭ－ＦＰＤ’１３ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”，２０１３，ｐ．１５１－１５４

【文献】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“ＥＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ３，ｉｓｓｕｅ ９，ｐ．Ｑ３０１２－Ｑ３０２２

【文献】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ，“ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ６４，ｉｓｓｕｅ １０，ｐ．１５５－１６４

【文献】Ｋ．Ｋａｔｏ ｅｔ ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ５１，ｐ．０２１２０１－１－０２１２０１－７

【文献】Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ ｅｔ ａｌ．，“２０１５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”，２０１５，ｐ．Ｔ２１６－Ｔ２１７

【文献】Ｓ．Ａｍａｎｏ ｅｔ ａｌ．，“ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”，２０１０，ｖｏｌｕｍｅ ４１，ｉｓｓｕｅ １，ｐ．６２６－６２９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

二次電池の充電作業を簡略にするために、給電装置（充電器）と携帯情報端末との間で無線による電力伝送を利用した無線給電（ワイヤレス充電とも呼ばれる）が広まりつつある。

【0020】

給電装置（充電器）である送信側ワイヤレス電源と、携帯情報端末の受信側ワイヤレス電源とを空間的に接近させると、充電器から生成された交流磁束によるエネルギーが受電コイルに伝送される。受電コイルから交流電流が発生し、整流回路に送出されて直流電流に変換される。受信側ワイヤレス電源は、受電コイルと整流回路を少なくとも有する。また、受信側ワイヤレス電源は、二次電池が充電に必要とする電流及び電圧に変換するための電流電圧変換回路などの充電回路を有する。

【0021】

無線充電であっても充電時の安全性を確保するため、二次電池の異常を検知し、例えば二次電池の安全性を低下させる現象を早期に検知し、使用者に警告、または二次電池の使用を停止することにより、安全性を確保することを課題の一つとしている。

【0022】

また、二次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することも課題の一つとしている。

【0023】

また、二次電池の充電回数が増えることで寿命が短くなる傾向があることから、充電回数を減らすためには、充電タイミングの間隔を長くすることが好ましい。特に使用していない状態（スタンバイ状態）における節電、例えば画面をオフ状態にする等を行えばよいが、電源スイッチを入れていることで給電されてしまう回路もあるため、そのような回路の消費電力も制御することが望まれている。従って、充電回数を減らし、二次電池の寿命を長くすることも課題としている。また、二次電池に限らず、一次電池においても電池の交換間隔を長くすることも課題の一つとしている。

【課題を解決するための手段】

【0024】

上記課題を解決するため、可撓性基板上に充電制御回路を設け、電池外表面に貼り付ける。電池が有する２端子のうち、少なくとも一方と充電制御回路は電気的に接続し、充電制御を行う。無線充電を行う場合には、さらに、充電制御回路は、充電回路（電流電圧変換回路など）、整流回路、及び受電コイル（アンテナ、二次コイルとも呼ぶ）などと電気的に接続される。

【0025】

電池への過充電を防ぐため、過充電を検知した際、充電制御回路が電池のプラス側とマイナス側の２箇所に設けた遮断用スイッチをオフ状態に制御する。このようにすることで電池への電力供給を２箇所で遮断して過充電から二次電池を保護することができる。

【0026】

本明細書で開示する発明の構成の一つは、二次電池と、二次電池の第１の端子に接続され、放電時に二次電池から出力される電力を伝送する第１の伝送路と、第１の伝送路に接続され、二次電池の側面に接して可撓性基板上に設けられた充電制御回路と、充電制御回路と二次電池の第２の端子とを接続する第２の伝送路と、第２の伝送路を遮断する第１のスイッチと、充電制御回路と電気的に接続された充電回路と、充電回路に電気的に接続された受電回路と、受電回路に電気的に接続されたアンテナと、充電時に受電回路から充電回路を介して二次電池へ電力が供給される第３の伝送路と、第３の伝送路を遮断する充電回路の出力トランジスタである第２のスイッチと、を有し、第１のスイッチは、二次電池への過充電時に第２の伝送路を遮断し、二次電池の充電中に充電制御回路により異常と判定された場合に第２の伝送路を遮断して充電を停止し、第２のスイッチは、二次電池への過充電時に第３の伝送路を遮断し、充電回路は、受電回路に充電完了を通知する充電制御システムである。

【0027】

アンテナ（２次コイル）を用いてのリチウムイオン二次電池の充電は、Ｑｉ規格によるワイヤレス充電を採用し、１次コイルを有する充電器を用いて非接触の充電を行うことができる。本明細書で開示するデバイスは、Ｑｉ規格による信号通信機能を有する無線充電モジュールを有する電子機器であり、この新規の電子機器は、外部の充電器からの信号をＱｉ規格による信号通信機能を有する無線充電モジュールで受信できる。

【0028】

可撓性基板上に設けられた充電制御回路は、過充電を検知すると、第１のスイッチと第２のスイッチをオフ状態とする信号を出力する。そして１次コイルからの送電を停止する。送電を停止することができるため、有線での充電に比べて無線での充電は過放電を防ぐことができる。

【0029】

消費電力を小さくすることができるため、上記充電制御回路は酸化物半導体を用いるトランジスタを用いることが好ましい。半導体層に酸化物半導体を用いるトランジスタは、オフ状態でのリーク電流が非常に小さい。酸化物半導体を用いるトランジスタは、チャネル幅で規格化されたオフ電流を数ｙＡ（ヨクトアンペア）／μｍ以上数ｚＡ（ゼプトアンペア）／μｍ以下程度に低くすることができる。

【0030】

また、高温環境下で使用可能であるため、充電制御回路は酸化物半導体を用いるトランジスタを用いることが好ましい。プロセスを簡略なものとするため、充電制御回路は単極性のトランジスタを用いて形成してもよい。半導体層に酸化物半導体を用いるトランジスタは、動作周囲温度が単結晶Ｓｉよりも広く－４０℃以上１５０℃以下であり、二次電池が加熱しても特性変化が単結晶に比べて小さい。酸化物半導体を用いるトランジスタのオフ電流は、１５０℃であっても温度によらず測定下限以下であるが、単結晶Ｓｉトランジスタのオフ電流特性は、温度依存性が大きい。例えば、１５０℃では、単結晶Ｓｉトランジスタはオフ電流が上昇し、電流オン／オフ比が十分に大きくならない。

【0031】

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、又は電池制御システムを、ＢＴＯＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）と呼称する場合がある。

【0032】

円筒形二次電池の場合、可撓性基板を曲げて、二次電池の側面の曲面に巻きつけるように設置することもできる。

【0033】

また、同一の可撓性基板上に保護回路、第１のスイッチ、及び上記充電制御回路を設けることによって筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現する。

【0034】

可撓性基板は、有機樹脂フィルム、金属フィルムを用いることができる。有機樹脂フィルムの材料としては、例えば、ＰＥＴ、ＰＥＮ等のポリエステル樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ＰＣ樹脂、ＰＥＳ樹脂、ポリアミド樹脂（ナイロン、アラミド等）、ポリシロキサン樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＰＴＦＥ樹脂、ＡＢＳ樹脂等が挙げられる。

【0035】

なお、金属フィルムとしてはステンレス、アルミニウムなどを用いることができる。

【0036】

充電制御回路を可撓性基板上に形成する作製方法は、半導体基板上に形成した後、剥離方法を用いて剥離後に可撓性基板上に固定する方法を用いる。剥離方法においては、公知の技術を用いることができる。また、半導体基板上に形成した後、裏面を研磨した後、可撓性基板上に固定する方法でもよい。また、レーザー光を用いて部分的に切り取った、所謂レーザーカット後、可撓性基板上に固定する方法でもよい。また、直接、充電制御回路を可撓性基板上に形成する方法でもよい。また、ガラス基板上に形成した充電制御回路を剥離方法を用いて剥離後に可撓性基板上に固定する方法を用いる。

【0037】

本明細書において充電制御回路とは、充電電圧及び充電電流量の制御、劣化の度合いに応じた充電電流量制御、マイクロショート検知のいずれか一または全てを実行する回路を指している。

【0038】

マイクロショートとは、二次電池の内部の微小な短絡のことを指しており、二次電池の正極と負極が短絡して充放電不可能の状態になるというほどではなく、微小な短絡部でわずかに短絡電流が流れてしまう現象を指している。比較的短時間、且つ、わずかな箇所であっても大きな電圧変化が生じるため、その異常な電圧値がその後の推定に影響を与える恐れがある。

【0039】

充放電が複数回行われることによって、正極活物質の不均一な分布により、正極の一部と負極の一部で局所的な電流の集中が生じ、セパレータの一部が機能しなくなる箇所が発生、または副反応による副反応物の発生によりマイクロショートと呼ばれる現象が生じていると言われている。

【0040】

また、マイクロショートの検知だけでなく、充電制御回路は、二次電池の端子電圧を検知し、二次電池の充放電状態を管理する。例えば、過充電を防ぐために充電回路の出力トランジスタと遮断用スイッチの両方をほぼ同時にオフ状態とすることができる。

【0041】

本明細書で開示する他の発明の構成の一つは、二次電池と、二次電池の第１の端子に接続され、放電時に二次電池から出力される電力を伝送する第１の伝送路と、第１の伝送路に接続され、二次電池の側面に接して可撓性基板上に設けられた充電制御回路と、充電制御回路と二次電池の第２の端子とを接続する第２の伝送路と、第２の伝送路を遮断する遮断用スイッチと、充電制御回路と電気的に接続された充電回路と、を有し、充電制御回路は、遮断用スイッチと充電回路の出力トランジスタとの両方を制御する半導体装置である。

【0042】

第２の伝送路を遮断する第１のスイッチは、導通および遮断動作を制御するためのスイッチであり、保護回路とも言える。また、この第１のスイッチはダイオードと組み合わせることで保護回路を構成することもある。このような保護回路と、上述した充電制御回路とで二重に保護しているともいえ、安全性の高い半導体装置と言える。

【0043】

第１のスイッチ（遮断用スイッチとも呼ぶ）は酸化物半導体を用いたトランジスタで形成することもできる。

【0044】

また、過充電を防ぐため、第３の伝送路を遮断する充電回路の出力トランジスタである第２のスイッチは、酸化物半導体を用いたトランジスタで形成することもできる。

【0045】

本明細書において、保護回路とは、過充電の防止、過電流の防止、または過放電の防止のいずれか一または全てを実行する回路を指している。また、充電を遮断するための遮断用スイッチを保護回路に含める場合もある。

【0046】

上述した充電制御回路を設けた可撓性基板は、電池に限らず、カード型電子マネー、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグなどに組み込むことも可能である。

【発明の効果】

【0047】

電池に繋がっている２つの経路を遮断することで過充電を検知した際、素早く充電停止し、過充電による電池へのダメージを低減できる。

【0048】

電池の側面に設けられた１つのフレキシブル状のシートに保護回路、充電制御回路、及び異常検知回路を設けることによって、これらをＩＣチップとして複数実装していたプリント基板が不要になり、機能を減らすことなく小型化した電子機器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0049】

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃは本発明の一態様を示す概念図である。
図２Ａは本発明の一態様を示すブロック図の一例であり、図２Ｂは回路構成例であり、図２ＣはトランジスタのＩｄ－Ｖｇ特性を説明する図である。
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは本発明の一態様を示す斜視図及び概念図である。
図４Ａ、図４Ｂは本発明の一態様を示すブロック図の一例及びフローチャートの一例である。
図５Ａ、図５Ｂは本発明の一態様を示す概念図である。
図６Ａ、図６Ｂは本発明の一態様を示す斜視図である。
図７は半導体装置の構成例を示す断面図である。
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図９Ａはトランジスタの構造例を示す上面図であり、図９Ｂ、図９Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１０Ａはトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１０Ｂ、図１０Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１１Ａはトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１１Ｂ、図１１Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１２Ａはトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１２Ｂ、図１２Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１３Ａはトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１３Ｂ、図１３Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１４Ａはトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１４Ｂ、図１４Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１５Ａはトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１５Ｂはトランジスタの構造例を示す斜視図である。
図１６Ａ、図１６Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１７は電子機器の一例を示す図である。
図１８Ａ、図１８Ｂは電子機器の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0050】

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。

【0051】

（実施の形態１）
図１Ａは、フレキシブルなフィルムである可撓性基板１１上に形成された充電制御回路１０を円筒形の二次電池１５に実装させた無線充電の充電制御システムの概念図である。なお、図１Ａ内において、Ｖｂａｔは二次電池の電圧、Ｖｓｓ及びＶ－は充電制御回路の電圧、Ｄｏｕｔ及びＣｏｕｔは出力端子である。充電制御システムは、円筒形の二次電池１５と、充電制御回路１０と、第１のスイッチ２０と、充電回路１６と、アンテナ３０とを少なくとも有している。

【0052】

円筒形の二次電池１５は、上面に第１の端子１２を有し、底面に第２の端子１３を有している。円筒形二次電池の第１の端子１２に接続され、円筒形の二次電池１５から出力される電力を伝送する第１の伝送路は、電極１８を介して充電制御回路の端子と電気的に接続される。また、円筒形二次電池の第２の端子１３に接続されている第２の伝送路は、電極１９を介して第２の伝送路を遮断する第１のスイッチ２０と接続されている。

【0053】

図１Ａでは、第２の伝送路を遮断する第１のスイッチ２０（遮断用スイッチとも呼ぶ）として、トランジスタとダイオードからなるスイッチングダイオードが２個接続されており、過放電、過充電、または過電流を防止するための保護回路として機能している。第１のスイッチ２０は、導通および遮断動作を制御しており、供給及び遮断を切り替える切替手段とも呼べる。可撓性基板１１上に形成された第２の伝送路のもう一方の端子である第３の端子１４は、充電回路１６や電子機器１７に接続されている。

【0054】

また、充電時にアンテナ３０（または受電回路）から充電回路１６を介して円筒形の二次電池１５へ電力が供給される第３の伝送路も設けられている。

【0055】

充電制御回路１０を可撓性基板１１上に形成する作製方法は、半導体基板上に形成した後、剥離方法を用いて剥離した後に可撓性基板１１上に固定する方法を用いる。剥離方法においては、公知の技術を用いることができる。また、半導体基板上に形成した後、裏面を研磨した後、可撓性基板１１上に固定する方法でもよい。また、レーザー光を用いて部分的に切り取った、所謂レーザーカット後、可撓性基板１１上に固定する方法でもよい。また、直接、充電制御回路１０を可撓性基板１１上に形成する方法でもよい。また、ガラス基板上に形成した充電制御回路１０を剥離方法を用いて剥離した後に可撓性基板１１上に固定する方法を用いてもよい。

【0056】

本実施の形態では、これらのスイッチングダイオードからなる第１のスイッチ２０も可撓性基板１１上に形成または実装させる例を示しているが、特にこの構成に限定されない。

【0057】

充電制御回路１０でマイクロショートなどの異常を検知した場合には、第２の伝送路を遮断する第１のスイッチ２０のゲートに信号を入力することで第２の伝送路を遮断することができる。第２の伝送路を遮断すれば、充電回路１６からの電流の供給の停止、または電子機器１７への電流の供給の停止を行うことができる。また、第２の伝送路を遮断するスイッチ２０のゲートへ印加する信号電圧をメモリ回路（酸化物半導体を用いたトランジスタを含む）で保持することで、遮断を長時間維持することができる。

【0058】

また、マイクロショートなどの異常を検知した場合には、第２の伝送路を遮断する際に、充電回路１６の出力トランジスタ（第２のスイッチ）をオフ状態として第３の伝送路を遮断し、アンテナ３０から送電停止の信号を発信し、送電停止することができる。従って、安全性の高い充電制御システムとすることができる。

【0059】

また、図１Ｂは、円筒形の二次電池１５と、可撓性基板１１とを貼り合わせる直前の様子を示す工程図であり、可撓性基板１１の接触面側を示している。図１Ｂに示すように可撓性基板１１の接触面に円筒形の二次電池１５の胴部をあてがって転動させ、胴部の円周方向に可撓性基板１１を巻き付け貼着する。また、可撓性基板１１にはＹ方向に電極１８と電極１９を並べた配置としているが特に限定されず、一方がＸ方向にずれていてもよい。なお、転動後の図が図１Ｃである。

【0060】

円筒形の二次電池１５の胴部外周面を覆うように外装フィルムが装着されている。この外装フィルムは、二次電池内部の構造を封止するための金属缶を保護し、金属缶との絶縁性を図るために用いられる。

【0061】

外装フィルムを使用せずに、円筒形の二次電池１５の外表面（端子部分を除く）が金属面である場合には、金属面と電極１８との間、金属面と電極１９との間に絶縁シートを挟むことが好ましい。電極１８、または電極１９は、導電性金属箔や、導電材料からなる導電性テープや、リード線であり、円筒形の二次電池１５の端子と、半田付けや、ワイヤボンディング法などの公知の方法により接続する。また、電極１８、または電極１９は、充電制御回路１０の端子と半田付けや、ワイヤボンディング法により接続する。

【0062】

従来のように、円筒形二次電池の底面と重なる円形のリジット基板にＩＣチップを実装した保護回路を用いる場合、ソケットに嵌めてバネに接触するため物理的な圧力がかかり故障の原因になる恐れがある。本発明においては、円筒形二次電池の側面に設けるため、従来に比べて物理的な圧力がかからない。また、従来においては、底部に円形のリジット基板を配置するとそのスペースに合わせて、電池のサイズを小さくする必要があるため、容量が小さくなる。本発明においては、円筒形二次電池の側面に設けるため、従来に比べて容量を小さくすることなく、省スペース化も実現できる。

【0063】

このように、円筒形二次電池１５の側面の曲面領域に充電制御回路１０や保護回路を設けることは有用である。例えば、１８６５０電池の場合、直径１８ｍｍ、長さ６５ｍｍであるため、可撓性基板１１の面積は、円筒形二次電池の側面面積とほぼ同じ面積（Ｘ方向の長さは３．１４×１８ｍｍ、Ｙ方向の長さは６５ｍｍ）またはそれ以下となる。また、２６６５０電池の場合、直径２６ｍｍ、長さ６５ｍｍであるため、可撓性基板１１の面積は、Ｘ方向の長さは３．１４×２６ｍｍ、Ｙ方向の長さは６５ｍｍとする。

【0064】

また、円筒形の二次電池１５が１８６５０電池の場合、可撓性基板１１を貼り付けると可撓性基板１１の曲面領域は、曲率半径が約９ｍｍとなる。可撓性基板１１上に設けた回路や配線の影響で一律に曲率半径が約９ｍｍとならない場合もあるため、本明細書等では、最も小さい曲率半径を面の曲率半径とする。曲面が複数の曲率中心を有する形状となる場合は、複数の曲率中心それぞれにおける曲率半径の中で、最も曲率半径が小さい曲面においての曲率半径を指すことする。用いる円筒形の二次電池１５のサイズにもよるが、曲率半径３０ｍｍ以上、好ましくは曲率半径９ｍｍ以上の範囲で可撓性基板１１を曲げることができる。

【0065】

また、充電制御回路１０の具体的な回路のブロック図の一例を図２Ａに示す。

【0066】

図２Ａに示すように二次電池１５の充電制御回路１０は、比較回路１０２と、第１のメモリ１０３と、第２のメモリ１０４と、制御回路１０６を少なくとも備える。

【0067】

図２Ａでは二次電池１５及び遮断用スイッチ１０５（第１のスイッチ）を充電制御回路１０と分けて示しているが、同一基板上に遮断用スイッチ１０５と充電制御回路１０を形成することもできる。

【0068】

比較回路１０２は、２つの入力電圧の大小関係を比較し、出力する。比較回路１０２は、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタを用いて単極性回路を用いることもできる。

【0069】

第１のメモリ１０３は、アナログメモリであり、オフセットされた二次電池のアナログ電位を保存する。オフセットされた二次電池の電圧値のデータは、第１のメモリ１０３のトランジスタのゲートに書き込み信号を印加することでゲート電極とドレイン電極間に発生する寄生容量により作成することができる。第１のメモリ１０３は酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ１つと容量とで構成される。第１のメモリ１０３は、高精度な充電電圧モニター回路とも呼べる。また、第１のメモリ１０３は、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタの低リーク電流であることのメリットを生かすことができる。

【0070】

第２のメモリ１０４は、第１のメモリ１０３と同じ素子構成であり、酸化物半導体（ＯＳ）をチャネル形成領域に有するトランジスタ１つと容量とで構成される。第２のメモリ１０４は、遮断用スイッチ１０５（第１のスイッチ）のデータ保持を行う。

【0071】

遮断用スイッチ１０５（第１のスイッチ）は、異常が発生した二次電池の電源への電力供給を遮断するためのスイッチである。遮断用スイッチ１０５は、図２Ａに示す回路構成とすることで、異常が発生した二次電池１５を継続して充電してしまい、過充電により発火することを防ぐことができる。さらに充電制御回路１０が充電回路の出力トランジスタをオフ状態とすることで過充電の危険性を低減できる。

【0072】

図２Ａでは、遮断用スイッチ１０５（第１のスイッチ）を用いて異常検出後に二次電池１５への電力供給をストップする例を示しているが、異常検出の回数に合わせて充電条件の変更や充電の一時停止や警告表示などを行ってもよい。

【0073】

また、図２Ａに示す第１のメモリ１０３、および第２のメモリ１０４に用いることのできるメモリセルを図２Ｂに示す。図２Ｂはトランジスタにバックゲートを有する場合のメモリセル１００の回路構成例である。

【0074】

メモリセル１００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」ともいう。）、およびバックゲートを有する。バックゲートは、ゲートとバックゲートで半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。なお、ゲートおよびバックゲートの呼称は便宜的なものであり、一方を「ゲート」という場合に他方を「バックゲート」という。よって、ゲートおよびバックゲートの呼称は、互いに入れ換えて用いることができる。ゲートまたはバックゲートの一方を「第１のゲート」と呼び、他方を「第２のゲート」と呼ぶ場合もある。

【0075】

トランジスタＭ１のソースまたはドレインの一方は、容量素子ＣＡの一方の電極と電気的に接続され、トランジスタＭ１のソースまたはドレインの他方は、ビット線ＢＬまたはビット線ＢＬＢと電気的に接続され、トランジスタＭ１のゲートは、ワード線ＷＬと電気的に接続され、トランジスタＭ１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ＣＡの他方の電極は、配線ＣＡＬと接続されている。

【0076】

配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの他方の電極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、ＶＳＳなどの固定電位を供給するのが好ましい。

【0077】

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。

【0078】

図２Ｃに、トランジスタの電気特性の１つであるＩｄ－Ｖｇ特性の一例を示す。Ｉｄ－Ｖｇ特性は、ゲート電圧（Ｖｇ）の変化に対するドレイン電流（Ｉｄ）の変化を示す。図２Ｃの横軸は、Ｖｇをリニアスケールで示している。また、図２Ｃの縦軸は、Ｉｄをログスケールで示している。図２Ｃに示すように、配線ＢＧＬにバックゲート電圧（Ｖｂｇ）として、正バイアスである電圧＋Ｖｂｇを供給すると、Ｉｄ－Ｖｇ特性がＶｇのマイナス方向にシフトする。配線ＢＧＬに負バイアスである電圧－Ｖｂｇを供給すると、Ｉｄ－Ｖｇ特性がＶｇのプラス方向にシフトする。Ｉｄ－Ｖｇ特性のシフト量は、配線ＢＧＬに供給される電圧の大きさで決まる。配線ＢＧＬに印加する電圧を調整することによって、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。

【0079】

データの書き込みおよび読み出しは、ワード線ＷＬにトランジスタＭ１を導通状態（オン状態）とする電位を供給し、トランジスタＭ１を導通状態にして、ビット線ＢＬまたはビット線ＢＬＢと容量素子ＣＡの一方の電極を電気的に接続することによって行われる。

【0080】

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、書き込んだデータの長時間保持がトランジスタＭ１によって可能となるため、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、メモリセルにアナログデータを保持することができる。

【0081】

図１Ａに示すように、円筒形の二次電池１５から電子機器１７に電力を供給する場合、円筒形の二次電池１５は放電状態となり、第１の端子１２及び第２の端子１３における電圧や電流などの挙動を充電制御回路１０で監視し、異常を検知した場合には、第１のスイッチ２０により第２の伝送路を遮断して放電を停止する。

【0082】

電子機器１７は二次電池以外の構成を指しており、電子機器１７にとっての電源が、円筒形二次電池１５である。なお、電子機器１７とは、携帯して持ち歩けるモバイル機器を含む。

【0083】

また、円筒形の二次電池１５を無線により電力を供給して充電する場合、円筒形の二次電池１５は充電状態となる。第１の端子１２及び第２の端子１３における電圧や電流などの挙動を充電制御回路１０で監視し、異常を検知した場合には、第２の伝送路及び第３の伝送路を遮断して充電を停止する。

【0084】

充電回路１６は、無線信号を用いて電力伝送を行う回路を指している。なお、充電回路１６が電子機器１７に内蔵されている場合もある。

【0085】

充電回路１６が電子機器１７に内蔵されている一例を説明する。電子機器１７は、複数の回路を実装したリジット基板を内蔵し、充電制御回路を巻き付けた電池を電源としている。プロセッサ２３や電源回路２４や充電回路１６や受電回路２２などをリジッド基板に実装しているブロック図を図４Ａに示している。なお、図４Ａと図１Ａとで共通している部分には同じ符号を用いている。なお、図４Ａにおいて１次コイル３１と２次コイル（アンテナ３０）はアンテナモジュールとしてリジット基板の端子に電気的に接続する。

【0086】

図４Ｂに、二次電池１５に充電制御回路１０を搭載した電子機器１７に対して１回の充電中に過充電を検知する場合の、充電制御システムのフローの一例を示す。

【0087】

まず、充電制御回路１０が過充電を検知する（Ｓ１）。次いで、充電制御回路１０は、遮断用スイッチである第１のスイッチ２０をオフするとともに充電回路１６に過充電を検知したことを通知する（Ｓ２）。

【0088】

次いで、充電回路１６の出力トランジスタをオフすることによって充電回路１６が充電を停止し、受電回路２２に充電完了を通知する（Ｓ３）。受電回路２２が送電側に信号を送り、送電を停止する（Ｓ４）。そして、最後に１次コイル３１からの送信が停止され、充電停止する（Ｓ５）。

【0089】

また、ここでは、過充電を検出する構成を主に説明したが、特に限定されず、過電流の防止、マイクロショートのような異常の検知なども同じフローで行えばよい。

【0090】

上記充電制御システムにより、異常検出後にほぼ同時に複数の回路を停止することが可能である。

【0091】

ここで、円筒形二次電池について図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。円筒形二次電池１５は、図３Ｂに示すように、上面に正極キャップ（電池蓋）２０１を有し、側面および底面に電池缶（外装缶）２０２を有している。これら正極キャップと電池缶（外装缶）２０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）２１０によって絶縁されている。

【0092】

図３Ｂは、円筒形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２０２の内側には、帯状の正極２０４と負極２０６とがセパレータ２０５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２０２は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶２０２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２０２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２０８、２０９により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶２０２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。

【0093】

円筒形二次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２０４には正極端子（正極集電リード）２０３が接続され、負極２０６には負極端子（負極集電リード）２０７が接続される。正極端子２０３および負極端子２０７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２０３は安全弁機構２１２に、負極端子２０７は電池缶２０２の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構２１２は、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子２１１を介して正極キャップ２０１と電気的に接続されている。安全弁機構２１２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２０１と正極２０４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子２１１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。

【0094】

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。

【0095】

図３Ｃ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。図３Ｃ中において、１４０６は電解液、１４０８はセパレータである。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３Ｃ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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１の円筒形二次電池の別の構造例について、図５及び図６を用いて説明する。

【0101】

図５Ａは、扁平形状の二次電池９１３及び充電制御回路９１４及び接続端子９１１を有する電池パックの外観図を示す図である。

【0102】

充電制御回路９１４は、可撓性基板９１０上に形成または固定されている。充電制御回路９１４は、マイクロショートなどの異常を検出する。さらに、過充電、過放電および過電流から二次電池９１３を保護する、保護回路としての機能を有してもよい。

【0103】

充電制御回路９１４は、実施の形態１に示した充電制御回路１０を用いることができる。回路構成などは同一のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明は省略することとする。

【0104】

また、充電制御回路９１４に加えて図４Ａに示したようにアンテナ及び受電回路を設けてもよい。アンテナを用いて二次電池９１３に非接触で充電を行うこともできる。アンテナは、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、ＥＨアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。アンテナは、たとえば外部機器とのデータ通信を行うことができる機能を有する。アンテナを介した電池パックと他の機器との通信方式としては、ＮＦＣなど、電池パックと他の機器との間で用いることができる応答方式などを適用することができる。

【0105】

図５Ｂに示すように、接続端子９１１は、充電制御回路９１４を介して、二次電池９１３が有する端子９５１および端子９５２と電気的に接続される。なお、接続端子９１１を複数設けて、複数の接続端子９１１のそれぞれを、制御信号入力端子、電源端子などとしてもよい。

【0106】

電池パックは、充電制御回路９１４と、二次電池９１３との間に絶縁シート層９１６を有する。絶縁シート層９１６は、例えば二次電池９１３による短絡を防止する機能を有する。絶縁シート層９１６としては、例えば有機樹脂フィルムや接着シートを用いることができる。

【0107】

さらに、二次電池９１３の内部構造例について図６を用いて説明する。

【0108】

二次電池９１３の内部に配置される捲回体９５０の構造について図６Ａに示す。捲回体９５０は、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、を有する。捲回体９５０は、セパレータ９３３を挟んで負極９３１と、正極９３２が重なり合って積層され、該積層シートを捲回させた捲回体である。なお、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、の積層を、さらに複数重ねてもよい。

【0109】

負極９３１は、端子９５１及び端子９５２の一方を介して図５に示す接続端子９１１に接続される。正極９３２は、端子９５１及び端子９５２の他方を介して図５に示す接続端子９１１に接続される。

【0110】

図６Ａに示す捲回体９５０は、外装体の内部で電解液に含浸される。外装体は金属からなる筐体が用いられる。外装体はフィルムを用いる場合もあり、その場合、そのフィルムに可撓性基板上に形成された充電制御回路を設ける場合もある。

【0111】

図６Ｂに示す二次電池９１３は、筐体９３０の内部に端子９５１と端子９５２が設けられた捲回体９５０を有する。捲回体９５０は、筐体９３０の内部で電解液に含浸される。端子９５２は、筐体９３０に接し、端子９５１は、絶縁材などを用いることにより筐体９３０に接していない。なお、図６Ｂでは、便宜のため、筐体９３０を分離して図示しているが、実際は、捲回体９５０が筐体９３０に覆われ、端子９５１及び端子９５２が筐体９３０の外に延在している。筐体９３０としては、金属材料（例えばアルミニウムなど）又は樹脂材料を用いることができる。

【0112】

筐体９３０としては、金属材料、有機樹脂など、絶縁材料を用いることができる。

【0113】

図５Ａでは、筐体表面に絶縁シート層９１６を設け、充電制御回路が設けられている面を内側にして可撓性基板を固定している例を示しているが、特に限定されず、充電制御回路が形成されている面を外側にして端子９５１や端子９５２と接続を行ってもよい。ただし、その場合には接続部分が露出することとなり、静電破壊、または短絡の危険があるため注意して組み立てることとなる。

【0114】

接続端子９１１と電気的に接続される充電制御回路９１４は、実施の形態１に示した充電制御回路１０であるため、安全性の高い二次電池９１３とすることができる。

【0115】

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。

【0116】

（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した充電制御回路１０に用いることができる、ＯＳトランジスタの構成例について説明する。なお、ＯＳトランジスタは薄膜トランジスタであり、ガラス基板上に設けられた剥離層上に形成することも、単結晶シリコン基板上に積層して設けることもできる。

【0117】

実施の形態１は、充電制御回路を設けた可撓性基板を二次電池の曲面に貼り付けた例であるため、ガラス基板上に設けられた剥離層上に形成したＯＳトランジスタを、公知の剥離方法にて可撓性基板に固定する。また、実施の形態２は、二次電池の平面に充電制御回路を貼り付けた例であるため、単結晶シリコン基板上にＯＳトランジスタを形成した後、例えば、単結晶シリコン基板裏面を研磨して薄膜化したものを可撓性基板に固定する。また、水素イオン注入剥離法を用いて単結晶シリコン基板からＯＳトランジスタを分離して可撓性基板に固定してもよい。

【0118】

以下、本実施の形態では、単結晶シリコン基板に形成されたＳｉトランジスタの上方に、ＯＳトランジスタを設けた半導体装置の構成例について説明する。

【0119】

＜半導体装置の構成例＞
図７に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ５００、および容量素子６００を有している。図８Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図８Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図８Ｃはトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。

【0120】

トランジスタ５００は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）である。トランジスタ５００は、ソースとドレインとの間に高い電圧を印加できる、高温環境下でもオフ電流が増加しにくい、高温環境下でもオン電流とオフ電流の比が大きいという特徴を有するため、上記実施の形態では、これを充電制御回路１０に用いることにより、モバイル機器を安全性の高い半導体装置とすることができる。

【0121】

本実施の形態で説明する半導体装置は、図７に示すように、トランジスタ３００、トランジスタ５００、および容量素子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およびトランジスタ５００の上方に設けられている。

【0122】

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、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。

【0123】

トランジスタ３００は、図８Ｃに示すように、半導体領域３１３の上面およ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と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。

【0124】

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。

【0125】

半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体など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。または、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）など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。または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。

【0126】

低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。

【0127】

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

【0128】

なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、トランジスタのＶｔｈ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など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など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。

【0129】

なお、図７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。

【0130】

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

【0131】

絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体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、窒化アルミニウムなどを用いればよい。

【0132】

絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００など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。

【0133】

また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、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。

【0134】

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。

【0135】

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ分析）法など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。

【0136】

なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも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。

【0137】

また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子６００、またはトランジスタ５００と接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０は、プラグまたは配線としての機能を有する。また、プラグまた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、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。

【0138】

各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層また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など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。または、アルミニウムや銅など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。

【0139】

絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図７において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体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、および絶縁体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、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0140】

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が有する開口部に、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。

【0141】

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。

【0142】

絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図７において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体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、および絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0143】

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が有する開口部に、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。

【0144】

絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図７において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体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、および絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0145】

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が有する開口部に、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。

【0146】

絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図７において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体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、および絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0147】

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が有する開口部に、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。

【0148】

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、および導電体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。

【0149】

絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体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、および絶縁体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。

【0150】

例えば、絶縁体５１０、および絶縁体５１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、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できる。

【0151】

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とする。

【0152】

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、および絶縁体５１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。

【0153】

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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および作製後において、水素、水分など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。

【0154】

また、例えば、絶縁体５１２、および絶縁体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、比較的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。例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

【0155】

また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６には、導電体５１８、およびトランジスタ５００を構成する導電体（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、またはトランジスタ３００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0156】

特に、絶縁体５１０、および絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、およ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、およ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。

【0157】

絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。

【0158】

図８Ａ、図８Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１２および絶縁体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と導電体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、互いに離して配置された導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、導電体５４２ａおよび導電体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、開口の中に配置された導電体５６０と、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、および絶縁体５８０と、導電体５６０と、の間に配置された絶縁体５５０と、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、および絶縁体５８０と、絶縁体５５０と、の間に配置された酸化物５３０ｃと、を有する。

【0159】

また、図８Ａ、図８Ｂに示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、絶縁体５８０の間に絶縁体５４４が配置されることが好ましい。また、図８Ａ、図８Ｂ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８Ａ、図８Ｂに示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、および絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。

【0160】

なお、以下において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。また、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂをまとめて導電体５４２という場合がある。

【0161】

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、および酸化物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、または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７、図８Ａ、図８Ｂ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。

【0162】

ここで、導電体５６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂは、それぞれソース電極また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、および導電体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および導電体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。

【0163】

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または導電体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および導電体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を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。

【0164】

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Ｖｔｈ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Ｖｔｈ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。

【0165】

導電体５０３は、酸化物５３０、および導電体５６０と、重なるように配置する。これにより、導電体５６０、および導電体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、および第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）構造とよぶ。

【0166】

また、本明細書等において、Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造は、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに接する酸化物５３０の側面及び周辺が、チャネル形成領域と同じくＩ型であるといった特徴を有する。また、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに接する酸化物５３０の側面及び周辺は、絶縁体５４４と接しているため、チャネル形成領域と同様にＩ型となりうる。なお、本明細書等において、Ｉ型とは後述する、高純度真性と同様として扱うことができる。また、本明細書等で開示するＳ－ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造及びプレーナ型構造とは異なる。Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。

【0167】

また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４および絶縁体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。

【0168】

絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、および絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0169】

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。

【0170】

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、または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、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。

【0171】

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、酸素分子など）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。

【0172】

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が有する酸素は、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。

【0173】

絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流など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。

【0174】

特に、不純物、および酸素など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およびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方また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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）など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。

【0175】

または、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。また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、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。

【0176】

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、酸化シリコンおよ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、また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。

【0177】

なお、絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４が、２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。

【0178】

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、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）等の金属酸化物を用いるとよい。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。

【0179】

また、トランジスタ５００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。金属酸化物のキャリア密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また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。

【0180】

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。金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥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。従って、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。

【0181】

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、キャリア密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密度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア密度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。

【0182】

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。水素など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。

【0183】

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密度は、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密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。

【0184】

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、および導電体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。

【0185】

また、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）へ拡散することで、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂとの間、および、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）構造と呼ぶ、またはＭＩＳ構造を主としたダイオード接合構造と呼ぶ場合がある。

【0186】

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ず、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や、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間、および導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。

【0187】

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。

【0188】

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への不純物の拡散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への不純物の拡散を抑制することができる。

【0189】

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または酸化物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。

【0190】

また、酸化物５３０ａおよび酸化物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および酸化物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。

【0191】

ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物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、および酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化また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、および酸化物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。

【0192】

具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、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および酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。

【0193】

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、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、および酸化物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。

【0194】

酸化物５３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）が設けられる。導電体５４２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、また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など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、または、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。

【0195】

また、図８Ａに示すように、酸化物５３０の、導電体５４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域５４３（領域５４３ａ、および領域５４３ｂ）が形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域また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。

【0196】

酸化物５３０と接するように上記導電体５４２を設けることで、領域５４３の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３に導電体５４２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５４３のキャリア密度が増加し、領域５４３は、低抵抗領域となる。

【0197】

絶縁体５４４は、導電体５４２を覆うように設けられ、導電体５４２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。

【0198】

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、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、また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。

【0199】

特に、絶縁体５４４として、アルミニウム、またはハフニウムの一方また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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）など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５４２が耐酸化性を有する材料、または、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。

【0200】

絶縁体５５０は、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（上面および側面）に接して配置することが好ましい。絶縁体５５０は、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。例えば、ＴＤＳ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、または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℃以下の範囲が好ましい。

【0201】

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、炭素およ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、およ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。

【0202】

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、絶縁体５５０から、酸化物５３０ｃを通じて、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中の水または水素など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以下とするのが好ましい。

【0203】

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ことが好ましい。酸素の拡散を抑制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。

【0204】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図８Ａ、図８Ｂ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。

【0205】

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など）、銅原子など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。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ）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持つことにより、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、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。

【0206】

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、また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、チタンまた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。

【0207】

絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２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、炭素およ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、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよ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、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。

【0208】

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と接して設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。

【0209】

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、および導電体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。

【0210】

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、形成することができる。

【0211】

絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、および絶縁体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および絶縁体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。

【0212】

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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、また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。

【0213】

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、およ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、水素など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。

【0214】

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などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。

【0215】

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

【0216】

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、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。

【0217】

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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および作製後において、水素、水分など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。

【0218】

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、比較的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。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などを用いることができる。

【0219】

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、および絶縁体５８６には、導電体５４６、および導電体５４８等が埋め込まれている。

【0220】

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

【0221】

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と、導電体６２０、絶縁体６３０とを有する。

【0222】

また、導電体５４６、および導電体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、また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、および導電体６１０は、同時に形成することができる。

【0223】

導電体６１２、および導電体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、また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。または、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などの導電性材料を適用することもできる。

【0224】

図７では、導電体６１２、および導電体６１０は単層構造として示しているが、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、およ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。

【0225】

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、または金属酸化物材料など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など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、導電体など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。

【0226】

導電体６２０、および絶縁体６３０上には、絶縁体６５０が設けられている。絶縁体６５０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６５０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。

【0227】

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、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。

【0228】

＜トランジスタの構造例＞
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ５００は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ５００に用いることができる構造例について説明する。

【0229】

＜トランジスタの構造例１＞
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃを用いてトランジスタ５１０Ａの構造例を説明する。図９Ａはトランジスタ５１０Ａの上面図である。図９Ｂは、図９Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図９Ｃは、図９Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図９Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0230】

図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃでは、トランジスタ５１０Ａと、層間膜として機能する絶縁体５１１、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４を示している。また、トランジスタ５１０Ａと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電体５４６（導電体５４６ａ、および導電体５４６ｂ）と、配線として機能する導電体５０３と、を示している。

【0231】

トランジスタ５１０Ａは、第１のゲート電極として機能する導電体５６０（導電体５６０ａ、および導電体５６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体５０５（導電体５０５ａ、および導電体５０５ｂ）と、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５５０と、第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４と、チャネルが形成される領域を有する酸化物５３０（酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体５４２ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体５４２ｂと、絶縁体５７４とを有する。

【0232】

また、図９に示すトランジスタ５１０Ａでは、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０が、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５７４を介して配置される。また、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０は、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂとの間に配置される。

【0233】

絶縁体５１１、および絶縁体５１２は、層間膜として機能する。

【0234】

層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。また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。また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、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。

【0235】

例えば、絶縁体５１１は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ５１０Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体５１１は、水素原子、水素分子、水分子、銅原子など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）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ）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）絶縁性材料を用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体５１１として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１１よりも基板側からトランジスタ５１０Ａ側に拡散するのを抑制することができる。

【0236】

例えば、絶縁体５１２は、絶縁体５１１よりも誘電率が低いことが好ましい。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。

【0237】

導電体５０３は、絶縁体５１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体５０３の上面の高さと、絶縁体５１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体５０３は、単層と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を２層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電体５０３は、タングステン、銅、また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。

【0238】

トランジスタ５１０Ａにおいて、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５０５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５０５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５１０Ａのしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ５１０Ａ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５０５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。

【0239】

また、例えば、導電体５０５と、導電体５６０とを重畳して設けることで、導電体５６０、および導電体５０５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５０５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。

【0240】

つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体５６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体５０５の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。すなわち、先に記載のトランジスタ５００と同様に、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造である。

【0241】

絶縁体５１４、および絶縁体５１６は、絶縁体５１１または絶縁体５１２と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体５１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ５１０Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１４よりも基板側からトランジスタ５１０Ａ側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体５１６は、絶縁体５１４よりも誘電率が低いことが好ましい。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。

【0242】

第２のゲートとして機能する導電体５０５は、絶縁体５１４および絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０５ａが形成され、さらに内側に導電体５０５ｂが形成されている。ここで、導電体５０５ａおよび導電体５０５ｂの上面の高さと、絶縁体５１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ５１０Ａでは、導電体５０５ａおよび導電体５０５ｂ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５０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。

【0243】

ここで、導電体５０５ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子など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。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ）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、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一つ、または、すべての拡散を抑制する機能とする。

【0244】

例えば、導電体５０５ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５０５ｂ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。

【0245】

また、導電体５０５が配線の機能を兼ねる場合、導電体５０５ｂは、タングステン、銅、また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５０３は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体５０５ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

【0246】

絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0247】

また、絶縁体５２２は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体５２２がバリア性を有することで、トランジスタ５１０Ａの周辺部からトランジスタ５１０Ａ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。

【0248】

絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよ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）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流など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。

【0249】

また、絶縁体５２１は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよ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、また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５２１を得ることができる。

【0250】

なお、図９には、第２のゲート絶縁膜として、３層の積層構造を示したが、単層、または２層以上の積層構造としてもよい。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。

【0251】

チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物５３０は、酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａ上の酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上の酸化物５３０ｃと、を有する。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への不純物の拡散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への不純物の拡散を抑制することができる。酸化物５３０として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。

【0252】

なお、酸化物５３０ｃは、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５７４を介して設けられることが好ましい。絶縁体５７４がバリア性を有する場合、絶縁体５８０からの不純物が酸化物５３０へと拡散することを抑制することができる。

【0253】

導電体５４２は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。

【0254】

導電体５４２ａと、導電体５４２ｂとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。

【0255】

また、図９では導電体５４２が単層構造である場合を示したが、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。

【0256】

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

【0257】

また、導電体５４２上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体５７４を成膜する際に、導電体５４２が酸化することを抑制することができる。

【0258】

バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。

【0259】

バリア層を有することで、導電体５４２の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４２に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。

【0260】

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、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、酸化物５３０ｃ、および絶縁体５７４を介して設けられることが好ましい。

【0261】

トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、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。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の低減が可能となる。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。

【0262】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、導電体５０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子など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。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ）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。

【0263】

導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。

【0264】

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、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０として用いることが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とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。

【0265】

また、導電体５６０ｂは、配線として機能するため、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、また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、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

【0266】

絶縁体５８０と、トランジスタ５１０Ａとの間に絶縁体５７４を配置する。絶縁体５７４は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。

【0267】

絶縁体５７４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物が酸化物５３０ｃ、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が酸化するのを抑制することができる。

【0268】

絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４は、層間膜として機能する。

【0269】

絶縁体５８２は、絶縁体５１４と同様に、水または水素などの不純物が、外部からトランジスタ５１０Ａに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。

【0270】

また、絶縁体５８０、および絶縁体５８４は、絶縁体５１６と同様に、絶縁体５８２よりも誘電率が低いことが好ましい。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。

【0271】

また、トランジスタ５１０Ａは、絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４に埋め込まれた導電体５４６などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。

【0272】

また、導電体５４６の材料としては、導電体５０５と同様に、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。例えば、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅など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。

【0273】

例えば、導電体５４６として、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。

【0274】

上記構造を有することで、オン電流が大きい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を提供することができる。または、オフ電流が小さい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を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。

【0275】

＜トランジスタの構造例２＞
図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｂの構造例を説明する。図１０Ａはトランジスタ５１０Ｂの上面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１０Ｃは、図１０Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１０Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0276】

トランジスタ５１０Ｂはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。

【0277】

トランジスタ５１０Ｂは、導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）と、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。

【0278】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、導電体５０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子など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。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ）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。

【0279】

導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。

【0280】

また、導電体５６０の上面および側面、絶縁体５５０の側面、および酸化物５３０ｃの側面を覆うように、絶縁体５７４を設けることが好ましい。なお、絶縁体５７４は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。

【0281】

絶縁体５７４を設けることで、導電体５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁体５７４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ５１０Ｂへ拡散することを抑制することができる。

【0282】

また、導電体５４６と、絶縁体５８０との間に、バリア性を有する絶縁体５７６（絶縁体５７６ａ、および絶縁体５７６ｂ）を配置してもよい。絶縁体５７６を設けることで、絶縁体５８０の酸素が導電体５４６と反応し、導電体５４６が酸化することを抑制することができる。

【0283】

また、バリア性を有する絶縁体５７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４６に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。

【0284】

＜トランジスタの構造例３＞
図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｃの構造例を説明する。図１１Ａはトランジスタ５１０Ｃの上面図である。図１１Ｂは、図１１Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１１Ｃは、図１１Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0285】

トランジスタ５１０Ｃはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。

【0286】

図１１に示すトランジスタ５１０Ｃは、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ａが配置され、導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ｂが配置されている。ここで、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）は、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）の上面および導電体５６０側の側面を越えて延在し、酸化物５３０ｂの上面に接する領域を有する。ここで、導電体５４７は、導電体５４２に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体５４７の膜厚は、少なくとも導電体５４２より厚いことが好ましい。

【0287】

図１１に示すトランジスタ５１０Ｃは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ５１０Ａよりも、導電体５４２を導電体５６０に近づけることができる。または、導電体５４２ａの端部および導電体５４２ｂの端部と、導電体５６０を重ねることができる。これにより、トランジスタ５１０Ｃの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。

【0288】

また、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）は、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体５４６ａ（導電体５４６ｂ）を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）がストッパとして機能し、酸化物５３０ｂがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。

【0289】

また、図１１に示すトランジスタ５１０Ｃは、絶縁体５４４の上に接して絶縁体５４５を配置する構成にしてもよい。絶縁体５４４としては、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体５８０側からトランジスタ５１０Ｃに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体５４５としては、絶縁体５４４に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体５４４としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。

【0290】

また、図１１に示すトランジスタ５１０Ｃは、図９に示すトランジスタ５１０Ａと異なり、導電体５０５を単層構造で設けてもよい。この場合、パターン形成された導電体５０５の上に絶縁体５１６となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電体５０５の上面が露出するまでＣＭＰ法などを用いて除去すればよい。ここで、導電体５０５の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体５０５上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電体５０５の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物５３０ｂおよび酸化物５３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。

【0291】

＜トランジスタの構造例４＞
図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｄの構造例を説明する。図１２Ａはトランジスタ５１０Ｄの上面図である。図１２Ｂは、図１２Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１２Ｃは、図１２Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１２Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0292】

トランジスタ５１０Ｄは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。

【0293】

図１２Ａ乃至図１２Ｃでは、導電体５０３を設けずに、第２のゲートとしての機能を有する導電体５０５を配線としても機能させている。また、酸化物５３０ｃ上に絶縁体５５０を有し、絶縁体５５０上に金属酸化物５５２を有する。また、金属酸化物５５２上に導電体５６０を有し、導電体５６０上に絶縁体５７０を有する。また、絶縁体５７０上に絶縁体５７１を有する。

【0294】

金属酸化物５５２は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体５５０と、導電体５６０との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物５５２を設けることで、導電体５６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。

【0295】

なお、金属酸化物５５２は、第１のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物５５２として用いることができる。その場合、導電体５６０をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物５５２の電気抵抗値を低下させて導電層（前述したＯＣ電極）とすることができる。

【0296】

また、金属酸化物５５２は、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体５５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物５５２は、比誘電率が高いｈｉｇｈ－ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。

【0297】

トランジスタ５１０Ｄにおいて、金属酸化物５５２を単層で示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。

【0298】

金属酸化物５５２がゲート電極として機能する場合は、導電体５６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ５１０Ｄのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁膜として機能する場合は、絶縁体５５０と、金属酸化物５５２との物理的な厚みにより、導電体５６０と、酸化物５３０との間の距離を保つことで、導電体５６０と酸化物５３０との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体５５０、および金属酸化物５５２との積層構造を設けることで、導電体５６０と酸化物５３０との間の物理的な距離、および導電体５６０から酸化物５３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。

【0299】

具体的には、酸化物５３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物５５２として用いることができる。または、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、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、また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。

【0300】

特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方また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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）など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、金属酸化物５５２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。

【0301】

絶縁体５７０は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体５７０よりも上方からの酸素で導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体５７０よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体５６０および絶縁体５５０を介して、酸化物５３０に混入することを抑制することができる。

【0302】

絶縁体５７１はハードマスクとして機能する。絶縁体５７１を設けることで、導電体５６０の加工の際、導電体５６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体５６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。

【0303】

なお、絶縁体５７１に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体５７０は設けなくともよい。

【0304】

絶縁体５７１をハードマスクとして用いて、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｃの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させることができる。

【0305】

また、トランジスタ５１０Ｄは、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。

【0306】

領域５３１ａおよび領域５３１ｂの形成は、例えば、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、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物５３０ｂ表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。

【0307】

また、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物５３０ｂに拡散させて領域５３１ａおよび領域５３１ｂを形成することもできる。

【0308】

酸化物５３０ｂの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。

【0309】

絶縁体５７１および／または導電体５６０をマスクとして用いることで、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することができる。よって、領域５３１ａおよび／または領域５３１ｂと、導電体５６０が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域（領域５３１ａまたは領域５３１ｂ）の間にオフセット領域が形成されない。領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。

【0310】

なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体５７５の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体５７５も絶縁体５７１などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物５３０ｂの絶縁体５７５と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。

【0311】

また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｃの側面に絶縁体５７５を有する。絶縁体５７５は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。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、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、炭素およ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、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体５７５に用いると、後の工程で絶縁体５７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。また、絶縁体５７５は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。

【0312】

また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７５、酸化物５３０上に絶縁体５７４を有する。絶縁体５７４は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体５７４として、酸化アルミニウムを用いるとよい。

【0313】

なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体５７４が酸化物５３０および絶縁体５７５から水素および水を吸収することで、酸化物５３０および絶縁体５７５の水素濃度を低減することができる。

【0314】

＜トランジスタの構造例５＞
図１３Ａ乃至図１３Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｅの構造例を説明する。図１３Ａはトランジスタ５１０Ｅの上面図である。図１３Ｂは、図１３Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１３Ｃは、図１３Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１３Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0315】

トランジスタ５１０Ｅは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。

【0316】

図１３Ａ乃至図１３Ｃでは、導電体５４２を設けずに、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物５３０ｂと、絶縁体５７４の間に、絶縁体５７３を有する。

【0317】

図１３に示す、領域５３１（領域５３１ａ、および領域５３１ｂ）は、酸化物５３０ｂに下記の元素が添加された領域である。領域５３１は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。

【0318】

具体的には、酸化物５３０ｂ上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物５３０ｂを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物５３０が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域５３１が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。

【0319】

なお、酸化物５３０を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。

【0320】

特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。

【0321】

続いて、酸化物５３０ｂ、およびダミーゲート上に、絶縁体５７３となる絶縁膜、および絶縁体５７４となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体５７３となる絶縁膜、および絶縁体５７４となる絶縁膜を積層して設けることで、領域５３１と、酸化物５３０ｃおよび絶縁体５５０とが重畳する領域を設けることができる。

【0322】

具体的には、絶縁体５７４となる絶縁膜上に絶縁体５８０となる絶縁膜を設けた後、絶縁体５８０となる絶縁膜にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体５８０となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体５７３の一部も除去するとよい。従って、絶縁体５８０に設けられた開口部の側面には、絶縁体５７４、および絶縁体５７３が露出し、当該開口部の底面には、酸化物５３０ｂに設けられた領域５３１の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、および導電体５６０となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体５８０が露出するまでＣＭＰ処理などにより、酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、および導電体５６０となる導電膜の一部を除去することで、図１３に示すトランジスタを形成することができる。

【0323】

なお、絶縁体５７３、および絶縁体５７４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。

【0324】

図１３に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電体５４２を設けないため、コストの低減を図ることができる。

【0325】

＜トランジスタの構造例６＞
図１４Ａ乃至図１４Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｆの構造例を説明する。図１４Ａはトランジスタ５１０Ｆの上面図である。図１４Ｂは、図１４Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１４Ｃは、図１４Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１４Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0326】

トランジスタ５１０Ｆはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。

【0327】

トランジスタ５１０Ａでは、絶縁体５７４の一部が絶縁体５８０に設けられた開口部内に設けられ、導電体５６０の側面を覆うように設けられている。一方で、トランジスタ５１０Ｆでは絶縁体５８０と絶縁体５７４の一部を除去して開口が形成されている。

【0328】

また、導電体５４６と、絶縁体５８０との間に、バリア性を有する絶縁体５７６（絶縁体５７６ａ、および絶縁体５７６ｂ）を配置してもよい。絶縁体５７６を設けることで、絶縁体５８０の酸素が導電体５４６と反応し、導電体５４６が酸化することを抑制することができる。

【0329】

なお、酸化物５３０として酸化物半導体を用いる場合は、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または酸化物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。

【0330】

酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃは、結晶性を有することが好ましく、特に、ＣＡＡＣ－ＯＳを用いることが好ましい。ＣＡＡＣ－ＯＳ等の結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損等）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物５３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物５３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ５１０Ｆは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。

【0331】

なお、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの一方または双方を省略してもよい。酸化物５３０を酸化物５３０ｂの単層としてもよい。酸化物５３０を、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの積層とする場合は、酸化物５３０ａおよび酸化物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および酸化物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。この場合、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａに用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。具体的には、酸化物５３０ｃ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５３０ｃ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５３０ｃ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。

【0332】

ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物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、および酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化また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、および酸化物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。

【0333】

具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、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および酸化物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てもよい。また、酸化物５３０ｃを積層構造としてもよい。例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物上のＧａ－Ｚｎ酸化物との積層構造、またはＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物上の酸化ガリウムとの積層構造を用いることができる。別言すると、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、Ｉｎを含まない酸化物との積層構造を、酸化物５３０ｃとして用いてもよい。

【0334】

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３：１：２［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］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［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、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化ガリウムとの積層構造等が挙げられる。

【0335】

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、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、および酸化物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５１０Ｆは高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。なお、酸化物５３０ｃを積層構造とした場合、上述の酸化物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効果に加え、酸化物５３０ｃが有する構成元素が、絶縁体５５０側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物５３０ｃを積層構造とし、積層構造の上方にＩｎを含まない酸化物を位置させるため、絶縁体５５０側に拡散しうるＩｎを抑制することができる。絶縁体５５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物５３０ｃを積層構造とすることで、信頼性の高い表示装置を提供することが可能となる。

【0336】

酸化物５３０は、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のチャネル形成領域となる金属酸化物としては、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。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。

【0337】

＜トランジスタの構造例７＞
また、図７及び図８では、ゲートとしての機能を有する導電体５６０が、絶縁体５８０の開口の内部に形成されている構造例について説明したが、例えば、当該導電体の上方に、当該絶縁体が設けられた構造を用いることもできる。このようなトランジスタの構造例を、図１５、図１６に示す。

【0338】

図１５Ａはトランジスタの上面図であり、図１５Ｂはトランジスタの斜視図である。また、図１５ＡにおけるＸ１－Ｘ２の断面図を図１６Ａに示し、Ｙ１－Ｙ２の断面図を図１６Ｂに示す。

【0339】

図１５、図１６に示すトランジスタは、バックゲートとしての機能を有する導電体ＢＧＥと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体ＢＧＩと、酸化物半導体Ｓと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体ＴＧＩと、フロントゲートとしての機能を有する導電体ＴＧＥと、配線としての機能を有する導電体ＷＥと、を有する。また、導電体ＰＥは、導電体ＷＥと、酸化物Ｓ、導電体ＢＧＥ、又は導電体ＴＧＥと、を接続するためのプラグとしての機能を有する。なお、ここでは、酸化物半導体Ｓが、３層の酸化物Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３によって構成されている例を示している。

【0340】

（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ＯＳトランジスタに用いることができる金属酸化物の構成について説明する。

【0341】

＜金属酸化物の構成＞
本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、及び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。

【0342】

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、トランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）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。

【0343】

また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及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。

【0344】

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。

【0345】

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、及び高い電界効果移動度を得ることができる。

【0346】

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。

【0347】

＜金属酸化物の構造＞
酸化物半導体は、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。

【0348】

トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。

【0349】

２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ、と呼ぶ）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。

【0350】

また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ｎｃ－ＩＧＺＯ、と呼ぶ）が発見された（非特許文献３参照）。ここでは、ｎｃ－ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。

【0351】

非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ、ｎｃ－ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶サイズの結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ－ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ－ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。

【0352】

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。

【0353】

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）を確認することはできない。即ち、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と考えられる。

【0354】

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。

【0355】

ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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、酸化物半導体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）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、ＯＳトランジスタにＣＡＡＣ－ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。

【0356】

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。

【0357】

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酸化物半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。

【0358】

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一形態の酸化物半導体は、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。

【0359】

＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。

【0360】

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、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。

【0361】

また、上記酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０^－２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照）。

【0362】

また、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。

【0363】

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体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言う。

【0364】

また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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。

【0365】

また、酸化物半導体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酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

【0366】

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体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。

【0367】

＜不純物＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。

【0368】

酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体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、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

【0369】

また、酸化物半導体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。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体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。このため、酸化物半導体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により得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。

【0370】

また、酸化物半導体において、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酸化物半導体を半導体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。従って、該酸化物半導体において、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、酸化物半導体中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

【0371】

また、酸化物半導体に含まれる水素は、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。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。従って、水素が含まれている酸化物半導体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。このため、酸化物半導体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、酸化物半導体において、ＳＩＭＳ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。

【0372】

不純物が十分に低減された酸化物半導体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。

【0373】

ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。

【0374】

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

【0375】

（実施の形態５）
上述した実施の形態では、可撓性基板に充電制御回路を設ける例を示したが、特に限定されず、同一基板上に保護回路、第２スイッチ、二次コイル、センサなどを設けてもよい。充電制御回路は、可撓性基板に形成されており、曲げることができ、且つ、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。また、本発明の一態様の充電制御回路は、二次電池の側面に設けることができ、省スペース化及び使用部品数の削減を実現することができる。

【0376】

本実施の形態では、無線による充電制御システム及び充電制御回路を備えた電子機器の例について図１７を用いて説明を行う。

【0377】

ロボット７１００は、二次電池、照度センサ、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、ディスプレイ、各種センサ（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）、および移動機構などを備える。ロボット７１００の二次電池に本発明の一態様の無線による充電制御システム及び充電制御回路を適用して、二次電池の過充電や、マイクロショートなどの異常を検知することができる。

【0378】

マイクロフォンは、使用者の音声および環境音などの音響信号を検知する機能を有する。また、スピーカは、音声および警告音などのオーディオ信号を発する機能を有する。ロボット７１００は、マイクロフォンを介して入力されたオーディオ信号を解析し、必要なオーディオ信号をスピーカから発することができる。ロボット７１００は、マイクロフォンおよびスピーカを用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。

【0379】

カメラは、ロボット７１００の周囲を撮像する機能を有する。また、ロボット７１００は、移動機構を用いて移動する機能を有する。ロボット７１００は、カメラを用いて周囲の画像を撮像し、画像を解析して移動する際の障害物の有無などを察知することができる。

【0380】

飛行体７１２０は、プロペラ、カメラ、および二次電池などを有し、自律して飛行する機能を有する。

【0381】

また、飛行体７１２０の二次電池に本発明の一態様の無線による充電制御システム及び充電制御回路を適用して、軽量化に加えて、二次電池の過充電や、マイクロショートなどの異常を検知することができる。

【0382】

掃除ロボット７１４０は、二次電池、上面に配置されたディスプレイ、側面に配置された複数のカメラ、ブラシ、操作ボタン、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット７１４０には、タイヤ、吸い込み口などが備えられている。掃除ロボット７１４０は自走し、ゴミを検知し、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。掃除ロボット７１４０の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の無線による充電制御システム及び充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池の過充電や、マイクロショートなどの異常を検知することができる。

【0383】

移動体の一例として電気自動車７１６０を示す。電気自動車７１６０は、二次電池、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、カメラなどを有する。電気自動車７１６０の二次電池に接続する本発明の一態様の無線による充電制御システム及び充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池の過充電や、マイクロショートなどの異常を検知することができる。

【0384】

なお、上述では、移動体の一例として電気自動車について説明しているが、移動体は電気自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の無線による充電制御システム及び充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池の過充電や、マイクロショートなどの異常を検知することができる。

【0385】

充電制御回路７００を備えた円筒形二次電池および／または充電制御回路７３０を備えた電池パックは、スマートフォン７２１０、ＰＣ７２２０（パーソナルコンピュータ）、ゲーム機７２４０、ゲーム機７２６０等に組み込むことができる。なお、充電制御回路７００を備えた円筒形二次電池は、実施の形態１に示した充電制御回路１０に相当する。また、充電制御回路７３０を備えた電池パックは、実施の形態２に示した充電制御回路９１４に相当する。小型の電池パックの駆動を安全に制御する充電制御回路７００、７３０を搭載しつつ、スマートフォンの筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することもできる。

【0386】

スマートフォン７２１０は、携帯情報端末の一例である。スマートフォン７２１０は、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、各種センサ、および表示部を有する。無線による充電制御システム及び充電制御回路７３０によってこれら周辺機器が制御される。スマートフォン７２１０の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の無線による充電制御システム及び充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池の過充電や、マイクロショートなどの異常を検知することができ、安全性を高めることができる。

【0387】

ＰＣ７２２０はそれぞれノート型ＰＣの例である。ノート型ＰＣの二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の無線による充電制御システム及び充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池の過充電や、マイクロショートなどの異常を検知することができ、安全性を高めることができる。

【0388】

ゲーム機７２４０は携帯型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０は家庭用の据え置き型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０には、無線または有線でコントローラ７２６２が接続されている。コントローラ７２６２に、充電制御回路７３０を備えた電池パックおよび／または充電制御回路を備えた円筒形二次電池を組み込むことで使用部品数を削減し、且つ、二次電池の過充電や、マイクロショートなどの異常を検知することができる。

【0389】

また、二次電池に限定されず、一次電池に充電制御回路７００または充電制御回路７３０を備えることにより、消費電力を低減できるため、電池のリークを抑え、長寿命の電池を実現できる。さらに、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0390】

図１８Ａは、ウェアラブルデバイスの例を示している。ウェアラブルデバイスは、電源として一次電池または二次電池を用いる。また、使用者が生活使用または屋外使用において水による耐水性を高めるため、接続するコネクタ部分が露出している有線による充電だけでなく、無線充電も行えるウェアラブルデバイスが望まれている。

【0391】

例えば、図１８Ａに示すような眼鏡型デバイス４００に搭載することができる。眼鏡型デバイス４００は、フレーム４００ａと、表示部４００ｂを有する。湾曲を有するフレーム４００ａのテンプル部に一次電池または二次電池を搭載することで、重量バランスがよく継続使用時間の長い眼鏡型デバイス４００とすることができる。電池側面に充電制御回路を備えてもよく、一次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0392】

また、ヘッドセット型デバイス４０１に搭載することができる。ヘッドセット型デバイス４０１は、少なくともマイク部４０１ａと、フレキシブルパイプ４０１ｂと、イヤフォン部４０１ｃを有する。フレキシブルパイプ４０１ｂ内やイヤフォン部４０１ｃ内に一次電池または二次電池を設けることができる。電池側面に充電制御回路を備えてもよく、一次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0393】

また、身体に直接取り付け可能なデバイス４０２に搭載することができる。デバイス４０２の薄型の筐体４０２ａの中に、一次電池または二次電池４０２ｂを設けることができる。電池側面に充電制御回路を備えてもよく、一次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0394】

また、衣服に取り付け可能なデバイス４０３に搭載することができる。デバイス４０３の薄型の筐体４０３ａの中に、一次電池または二次電池４０３ｂを設けることができる。電池側面に充電制御回路を備えてもよく、一次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0395】

また、腕時計型デバイス４０５に搭載することができる。腕時計型デバイス４０５は表示部４０５ａおよびベルト部４０５ｂを有し、表示部４０５ａまたはベルト部４０５ｂに、一次電池または二次電池を設けることができる。電池側面に充電制御回路を備えてもよく、一次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0396】

表示部４０５ａには、時刻だけでなく、メールや電話の着信等、様々な情報を表示することができる。

【0397】

また、腕時計型デバイス４０５は、腕に直接巻きつけるタイプのウェアラブルデバイスであるため、使用者の脈拍、血圧等を測定するセンサを搭載してもよい。使用者の運動量および健康に関するデータを蓄積し、健康維持に役立てることができる。

【0398】

また、ベルト型デバイス４０６に搭載することができる。ベルト型デバイス４０６は、ベルト部４０６ａおよびワイヤレス給電受電部４０６ｂを有し、ベルト部４０６ａの内部に、一次電池または二次電池を搭載することができる。電池側面に充電制御回路を備えてもよく、一次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0399】

また、日用電子製品の蓄電装置として本発明の一態様の充電制御システムを用いることで、軽量で長寿命な製品を提供できる。例えば、日用電子製品として、電動歯ブラシ、電気シェーバー、電動美容機器などが挙げられ、それらの製品の蓄電装置としては、使用者の持ちやすさを考え、形状をスティック状とし、小型、軽量、且つ、大容量の電池が望まれている。電池側面に充電制御回路を備えてもよく、二次電池または一次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0400】

図１８Ｂに電池側面に充電制御回路を備えた一次電池を用いた検知器、例えば火災報知器の例を示す。

【0401】

図１８Ｂにおいて、警報装置８１００は、住宅用火災警報器であり、検出部と、スピーカ部と、マイクロコンピュータと、電池８１０１を有している。異常が検出されれば、警報装置８１００のスピーカ部から音声を出力することが可能である。電池８１０１側面に充電制御回路を備えてもよく、二次電池または一次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載し、消費電力を低減できるため、電池のリークを抑え、長寿命の電池を実現できる。さらに、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することができる。

【0402】

なお、本明細書中において、火災報知器とは、火災の発生を急報する装置全般を示すものであり、例えば、住宅用火災警報器や、自動火災報知設備や、当該自動火災報知設備に用いられる火災感知器なども火災報知器に含むものとする。

【0403】

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】

【0404】

１０：充電制御回路、１１：可撓性基板、１２：第１の端子、１３：第２の端子、１４：第３の端子、１５：二次電池、１６：充電回路、１７：電子機器、１８：電極、１９：電極、２０：第１のスイッチ、２２：受電回路、２３：プロセッサ、２４：電源回路、３０：アンテナ、３１：１次コイル、１００：メモリセル、１０１：二次電池、１０２：比較回路、１０３：メモリ、１０４：メモリ、１０５：遮断用スイッチ、１０６：制御回路、２０１：正極キャップ、２０２：電池缶、２０３：正極端子、２０４：正極、２０５：セパレータ、２０６：負極、２０７：負極端子、２０８：絶縁板、２０９：絶縁板、２１１：ＰＴＣ素子、２１２：安全弁機構、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、４００：眼鏡型デバイス、４００ａ：フレーム、４００ｂ：表示部、４０１：ヘッドセット型デバイス、４０１ａ：マイク部、４０１ｂ：フレキシブルパイプ、４０１ｃ：イヤフォン部、４０２：デバイス、４０２ａ：筐体、４０２ｂ：二次電池、４０３：デバイス、４０３ａ：筐体、４０３ｂ：二次電池、４０５：腕時計型デバイス、４０５ａ：表示部、４０５ｂ：ベルト部、４０６：ベルト型デバイス、４０６ａ：ベルト部、４０６ｂ：ワイヤレス給電受電部、５００：トランジスタ、５０３：導電体、５０３ａ：導電体、５０３ｂ：導電体、５０５：導電体、５０５ａ：導電体、５０５ｂ：導電体、５１０：絶縁体、５１０Ａ：トランジスタ、５１０Ｂ：トランジスタ、５１０Ｃ：トランジスタ、５１０Ｄ：トランジスタ、５１０Ｅ：トランジスタ、５１０Ｆ：トランジスタ、５１１：絶縁体、５１２：絶縁体、５１４：絶縁体、５１６：絶縁体、５１８：導電体、５２０：絶縁体、５２１：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、５３１：領域、５３１ａ：領域、５３１ｂ：領域、５４０ａ：導電体、５４０ｂ：導電体、５４２：導電体、５４２ａ：導電体、５４２ｂ：導電体、５４３：領域、５４３ａ：領域、５４３ｂ：領域、５４４：絶縁体、５４５：絶縁体、５４６：導電体、５４６ａ：導電体、５４６ｂ：導電体、５４７：導電体、５４７ａ：導電体、５４７ｂ：導電体、５４８：導電体、５５０：絶縁体、５５２：金属酸化物、５６０：導電体、５６０ａ：導電体、５６０ｂ：導電体、５７０：絶縁体、５７１：絶縁体、５７３：絶縁体、５７４：絶縁体、５７５：絶縁体、５７６：絶縁体、５７６ａ：絶縁体、５７６ｂ：絶縁体、５８０：絶縁体、５８１：絶縁体、５８２：絶縁体、５８４：絶縁体、５８６：絶縁体、６００：容量素子、６１０：導電体、６１２：導電体、６２０：導電体、６３０：絶縁体、６５０：絶縁体、７００：充電制御回路、７３０：充電制御回路、９１０：可撓性基板、９１１：接続端子、９１３：二次電池、９１４：充電制御回路、９１６：絶縁シート層、９３０：筐体、９３１：負極、９３２：正極、９３３：セパレータ、９５０：捲回体、９５１：端子、９５２：端子、１４００：蓄電池、１４０２：正極、１４０４：負極、７１００：ロボット、７１２０：飛行体、７１４０：掃除ロボット、７１６０：電気自動車、７２１０：スマートフォン、７２２０：ＰＣ、７２４０：ゲーム機、７２６０：ゲーム機、７２６２：コントローラ、８１００：警報装置、８１０１：電池

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図15A】

【図15B】

【図16A】

【図16B】

【図17】

【図18A】

【図18B】