CN113016111A - 半导体装置及充电控制系统 - Google Patents
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Abstract
在安装有安全控制二次电池的驱动的电路的同时实现能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。在柔性衬底上设置充电控制电路，将其贴合在二次电池外表面。二次电池所包括的两个端子中的至少一个与充电控制电路电连接，并进行充电控制。为了防止过充电而可以在几乎同时使充电电路的输出晶体管和遮断用开关的双方变为关闭状态。通过遮断与电池连接的两个路径来检测出过充电，此时迅速地停止充电，由此可以减少电池因过充电受到的损伤。
Description
技术领域
本发明的一个方式涉及一种物品、方法或者制造方法。此外，本发明涉及一种工序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或者组合物(composition of matter)。本发明的一个方式涉及一种半导体装置、显示装置、发光装置、蓄电装置、照明装置、电子设备或其制造方法。本发明尤其涉及一种使用氧化物半导体的半导体装置及其制造方法。
注意，在本说明书中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置，电光装置、半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
此外，本发明的一个方式涉及一种使用半导体装置的充电控制系统、充电控制方法及包括二次电池的电子设备。
注意，在本说明书中，蓄电装置是指具有蓄电功能的所有元件以及装置。例如，蓄电装置包括一次电池、锂离子二次电池等蓄电池(也称为二次电池)、锂离子电容器、全固态电池及双电层电容器等。
背景技术
近年来，对锂离子二次电池、镍氢二次电池、锂离子电容器及空气电池等各种蓄电装置积极地进行了开发。尤其是，高输出、高能量密度的锂离子二次电池被用于移动设备诸如移动电话、智能手机、平板电脑或笔记本个人计算机等便携式信息终端、便携式音乐播放机、数码相机等。此外，锂离子二次电池被用于医疗设备、混合动力汽车(HEV)、电动汽车(EV)或插电式混合动力汽车(PHEV)等新一代清洁能源汽车、或者电动摩托车、电动辅助自行车等电动车辆等。如此，随着半导体产业的发展，锂离子二次电池的需求量剧增，作为能够充电的能量供应源，成为现代信息化社会的必需品。
随着用户使用而二次电池的剩余电量减少，此时二次电池反复进行充电。随着反复进行充电而二次电池劣化，因此进行根据二次电池的劣化程度改变充电条件来延长二次电池的寿命的改良等。二次电池在刚制造之后有个体差别，经过循环发生劣化，并且受到电池的电压、充放电电流、温度、内部电阻等各种参数的影响。
此外，已知使用锂离子的二次电池因劣化而发生内部短路或过充电等引起热失控。被期待检测出发生热失控的预兆的异常来采取安全措施。
在便携式信息终端或电动汽车等中，使多个二次电池串联连接或并联连接并设置保护电路，将其作为电池组(也称为组电池)使用。电池组是指为了容易处理二次电池将由多个二次电池构成的电池模块与规定电路一起容纳在容器(金属罐、薄膜外包装体)内部。
此外，虽然在构成组电池的所有二次电池进行正常地工作时没有问题，但是在只有一个二次电池发生异常时其它二次电池受到负面影响，若保护电路起作用则停止组电池的使用。
此外，关于便携式信息终端，对小型或薄型的框体正在进行开发。便携式信息终端的框体优选小，二次电池的容量优选大，对框体内的空间有限制。
在现有方式中，为了确保安全，保护电路作为IC芯片安装在刚性衬底(印刷线路板)，该保护电路防止二次电池的异常引起过充电或过放电。此外，用来进行放电电流的导通或遮断的开关电路安装在IC芯片中，这些多个IC芯片组合安装在刚性衬底上。此外，有时将安装有保护电路的IC芯片及开关电路的IC芯片的双方的较小的刚性衬底配置在电池单元的两个端子之间，使用薄膜将该刚性衬底与该电池单元固定在一起，由此形成一个电池组。
在专利文献1中公开了检测出二次电池的微小短路的电池状态检测装置及内藏它的电池组。
此外，作为氧化物半导体(也称为Oxide Semiconductor)，例如除了如氧化铟、氧化锌等单元金属氧化物之外，还已知多元金属氧化物。在多元金属氧化物中，有关In-Ga-Zn氧化物(也称为IGZO)的研究尤为火热。
通过对IGZO的研究，发现了氧化物半导体具有既不是单晶也不是非晶的CAAC(c-axis aligned crystalline：c轴取向结晶)结构及nc(nanocrystalline：纳米晶)结构(参照非专利文献1至非专利文献3)。
非专利文献1及非专利文献2公开了使用具有CAAC结构的氧化物半导体制造晶体管的技术。此外，非专利文献4及非专利文献5公开了结晶性比CAAC结构及nc结构低的氧化物半导体也具有微小的结晶。
非专利文献6报告了使用氧化物半导体的晶体管的关态电流非常小，非专利文献7及非专利文献8报告了利用关态电流非常小的特性的大规模集成电路(LSI)及显示器。
[先行技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开第2010-66161号公报
[非专利文献]
[非专利文献1]S.Yamazaki et al.,“SID Symposium Digest of TechnicalPapers”,2012,volume 43,issue 1,p.183-186
[非专利文献2]S.Yamazaki et al.,“Japanese Journal of Applied Physics”,2014,volume 53,Number 4S,p.04ED18-1-04ED18-10
[非专利文献3]S.Ito et al.,“The Proceedings of AM-FPD’13 Digest ofTechnical Papers”,2013,p.151-154
[非专利文献4]S.Yamazaki et al.,“ECS Journal of Solid State Scienceand Technology”,2014,volume 3,issue 9,p.Q3012-Q3022
[非专利文献5]S.Yamazaki,“ECS Transactions”,2014,volume 64,issue 10,p.155-164
[非专利文献6]K.Kato et al.,“Japanese Journal of Applied Physics”,2012,volume 51,p.021201-1-021201-7
[非专利文献7]S.Matsuda et al.,“2015Symposium on VLSI TechnologyDigest of Technical Papers”,2015,p.T216-T217
[非专利文献8]S.Amano et al.,“SID Symposium Digest of TechnicalPapers”,2010,volume 41,issue 1,p.626-629
发明内容
发明所要解决的技术问题
为了使二次电池的充电工作简化，被广泛使用在供电装置(充电器)与便携式信息终端之间进行利用无线的电力传送的无线供电(也称为无线充电)。
当在供电装置(充电器)的发送侧无线电源与便携式信息终端的接收侧无线电源在空间上接近时，由充电器生成的交流磁通所产生的能量传送到受电线圈。受电线圈产生交流电流，该交流电流流到整流电路并将其转换为直流电流。接收侧无线电源至少包括受电线圈及整流电路。此外，接收侧无线电源包括电流电压转换电路等充电电路，该电流电压转换电路进行转换以获得在二次电池进行充电时所需要的电流及电压。
为了确保无线充电时的安全性，本发明的一个方式的目的之一是检测二次电池的异常，例如早期检测降低二次电池的安全性的现象，向用户发出警告或者停止二次电池的使用，从而确保安全性。
此外，本发明的另一个方式的目的之一是在安装有安全控制二次电池的驱动的电路的同时实现能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
此外，因为有随着二次电池的充电次数增加而寿命变短的倾向，所以为了减少充电次数，优选使充电时序的间隔变长。为了减少充电次数，只要进行未使用的状态(待机状态)下的省电如使屏幕变为关闭状态等即可，但是有的电路在使电源开关开启时被供电，所以被期待这种电路的功耗也得到控制。由此，本发明的另一个方式的目的之一是减少充电次数来使二次电池的寿命延长。此外，不局限于二次电池，延长一次电池的交换间隔也是本发明的另一个方式的目的之一。
解决技术问题的手段
为了实现上述目的，在柔性衬底上设置充电控制电路，将其贴合在电池外表面。电池所包括的两个端子中的至少一个与充电控制电路电连接，并进行充电控制。在进行无线充电的情况下，充电控制电路还与充电电路(电流电压转换电路等)、整流电路及受电线圈(也称为天线、二次线圈)等电连接。
为了防止电池的过充电，在检测出过充电时，充电控制电路将设置在电池的正侧与负侧这两处的遮断用开关控制为关闭状态。因此，在两处遮断向电池供应的电力，由此可以保护二次电池免受过充电。
本说明书所公开的发明的结构之一是充电控制系统，该充电控制系统包括二次电池、与二次电池的第一端子连接且在放电时传送从二次电池输出的电力的第一传送通道、与第一传送通道连接且以与二次电池的侧面接触的方式设置在柔性衬底上的充电控制电路、连接充电控制电路与二次电池的第二端子的第二传送通道、遮断第二传送通道的第一开关、与充电控制电路电连接的充电电路、与充电电路电连接的受电电路、与受电电路电连接的天线、在充电时电力从受电电路经过充电电路供应到二次电池的第三传送通道以及作为遮断第三传送通道的充电电路的输出晶体管的第二开关，第一开关在二次电池过充电时遮断第二传送通道，当在二次电池的充电中充电控制电路判断异常时，遮断第二传送通道来停止充电，第二开关在二次电池过充电时遮断第三传送通道，充电电路向受电电路通知充电结束。
使用天线(二次线圈)的锂离子二次电池的充电采用Qi标准的无线充电，可以使用包括一次线圈的充电器进行非接触充电。本说明书所公开的器件是包括具有Qi标准的信号通信功能的无线充电模块的电子设备，该新颖电子设备可以在具有Qi标准的信号通信功能的无线充电模块中接收来自外部充电器的信号。
设置在柔性衬底上的充电控制电路在检测出过充电时输出使第一开关和第二开关变为关闭状态的信号。并且，停止来自一次线圈的送电。因为可以停止送电，无线充电可以与有线充电相比防止过放电。
上述充电控制电路优选使用包含氧化物半导体的晶体管，因为该晶体管可以减小功耗。在半导体层中包含氧化物半导体的晶体管在关闭状态下的泄漏电流非常小。包含氧化物半导体的晶体管可以使以沟道宽度归一化的关态电流降低到几yA(幺科托安培)/μm至几zA(仄普托安培)/μm左右。
此外，充电控制电路优选使用包含氧化物半导体的晶体管，因为该晶体管能够在高温环境下使用。为了使工序简化，充电控制电路也可以使用单极性晶体管形成。在半导体层中包含氧化物半导体的晶体管的工作周围温度的范围比单晶Si大，即为-40℃以上且150℃以下，二次电池被加热时的特性变化比单晶小。包含氧化物半导体的晶体管的关态电流在150℃下也为测定下限以下而与温度无关，但是单晶Si晶体管的关态电流特性的温度依赖性很大。例如，在150℃下单晶Si晶体管的关态电流增大，电流的开关比没有变得充分大。
有时将具有包括包含氧化物半导体的晶体管的存储电路的充电控制电路或电池控制系统称为BTOS(Battery operating system)。
在为圆筒型二次电池的情况下，也可以弯曲柔性衬底并将其卷绕在二次电池侧面的曲面。
此外，通过在同一柔性衬底上设置保护电路、第一开关及上述充电控制电路来实现能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
作为柔性衬底，可以使用有机树脂薄膜及金属薄膜。作为有机树脂薄膜的材料，例如可以举出如下材料：聚酯树脂诸如PET或PEN等、聚丙烯腈树脂、丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂、聚甲基丙烯酸甲酯树脂、PC树脂、PES树脂、聚酰胺树脂(尼龙、芳族聚酰胺等)、聚硅氧烷树脂、聚环烯烃树脂、聚苯乙烯树脂、聚酰胺-酰亚胺树脂、聚氨酯树脂、聚氯乙烯树脂、聚偏二氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、PTFE树脂、ABS树脂等。
作为金属薄膜，可以使用不锈钢及铝等。
作为将充电控制电路形成在柔性衬底上的制造方法使用在半导体衬底上形成之后利用剥离方法在剥离后固定于柔性衬底上的方法。作为剥离方法可以使用已知技术。此外，也可以使用在半导体衬底上形成之后，对背面进行抛光之后，固定于柔性衬底上的方法。此外，也可以使用在利用激光部分地切割的所谓激光切割之后固定于柔性衬底上的方法。此外，也可以使用将充电控制电路直接形成在柔性衬底上的方法。另外，使用将形成在玻璃衬底上的充电控制电路利用剥离方法剥离后固定于柔性衬底上的方法。
本说明书中的充电控制电路是指执行充电电压及充电电流量的控制、根据劣化程度的充电电流量控制和微短路检测中的任一个或全部的电路。
微短路是指二次电池内部的极小的短路，不是由于二次电池的正极和负极之间发生短路而不能进行充放电的状态，而是在极小的短路部分中短路电流稍微流过的现象。由于即使时间较短且为极小的部分也产生很大的电压变化，所以该异常电压值会影响到之后的推测。
由于多次进行充放电，发生正极活性物质的不均匀分布，在正极的一部分与负极的一部分发生局部性电流集中，而使隔离体的一部分不起作用，或者，因副反应而发生副反应物，导致发生微短路的现象。
此外，充电控制电路除了微短路之外还检测出二次电池的端子电压，而管理二次电池的充放电状态。例如，为了防止过充电而可以在几乎同时使充电电路的输出晶体管和遮断用开关的双方变为关闭状态。
本说明书所公开的其他发明的结构之一是半导体装置，该半导体装置包括二次电池、与二次电池的第一端子连接且在放电时传送从二次电池输出的电力的第一传送通道、与第一传送通道连接且以与二次电池的侧面接触的方式设置在柔性衬底上的充电控制电路、连接充电控制电路与二次电池的第二端子的第二传送通道、遮断第二传送通道的遮断用开关以及与充电控制电路电连接的充电电路，充电控制电路控制遮断用开关和充电电路的输出晶体管的双方。
遮断第二传送通道的第一开关是用来控制导通及遮断工作的开关，也可以说是保护电路。此外，有时将该第一开关与二极管组合来构成保护电路。换言之，半导体装置由这种保护电路和上述充电控制电路重复保护，可以说是安全性高的半导体装置。
第一开关(也称为遮断用开关)可以由包含氧化物半导体的晶体管形成。
此外，为了防止过充电，作为遮断第三传送通道的充电电路的输出晶体管的第二开关也可以由包含氧化物半导体的晶体管形成。
在本说明书中，保护电路是指执行过充电的防止、过电流的防止和过放电的防止中的任一个或全部的电路。此外，遮断充电的遮断用开关有时包括在保护电路中。
设置有上述充电控制电路的柔性衬底除了电池之外还可以组装在卡型电子货币、RFID(Radio Frequency Identification：射频识别)标签等中。
发明效果
通过遮断与电池连接的两个路径来检测出过充电，此时迅速地停止充电，由此可以减少电池因过充电受到的损伤。
通过在设置于电池侧面的一个柔性薄片设置保护电路、充电控制电路及异常检测电路，不需要设置作为IC芯片安装有多个保护电路、充电控制电路及异常检测电路的印刷电路板，由此可以获得在维持其功能的同时实现小型化的电子设备。
附图简要说明
图1A、图1B及图1C是示出本发明的一个方式的示意图。
图2A是示出本发明的一个方式的方框图的一个例子，图2B是电路结构例子，图2C是说明晶体管的Id-Vg特性的图。
图3A、图3B及图3C是示出本发明的一个方式的立体图及示意图。
图4A及图4B是示出本发明的一个方式的方框图的一个例子及流程图的一个例子。
图5A及图5B是示出本发明的一个方式的示意图。
图6A及图6B是示出本发明的一个方式的立体图。
图7是示出半导体装置的结构例子的截面图。
图8A、图8B及图8C是示出晶体管的结构例子的截面图。
图9A是示出晶体管的结构例子的俯视图，图9B及图9C是示出晶体管的结构例子的截面图。
图10A是示出晶体管的结构例子的俯视图，图10B及图10C是示出晶体管的结构例子的截面图。
图11A是示出晶体管的结构例子的俯视图，图11B及图11C是示出晶体管的结构例子的截面图。
图12A是示出晶体管的结构例子的俯视图，图12B及图12C是示出晶体管的结构例子的截面图。
图13A是示出晶体管的结构例子的俯视图，图13B及图13C是示出晶体管的结构例子的截面图。
图14A是示出晶体管的结构例子的俯视图，图14B及图14C是示出晶体管的结构例子的截面图。
图15A是示出晶体管的结构例子的俯视图，图15B是示出晶体管的结构例子的立体图。
图16A及图16B是示出晶体管的结构例子的截面图。
图17是示出电子设备的一个例子的图。
图18A及图18B是示出电子设备的一个例子的图。
实施发明的方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。注意，本发明不局限于以下说明，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式和详细内容可以被变换为各种形式。此外，本发明不应该被解释为仅限定在下面的实施方式所记载的内容中。
(实施方式1)
图1A是将形成在作为柔性薄膜的柔性衬底11上的充电控制电路10安装在圆筒型二次电池15上的无线充电的充电控制系统的示意图。注意，在图1A中，Vbat表示二次电池的电压，Vss及V-表示充电控制电路的电压，Dout及Cout表示输出端子。充电控制系统至少包括圆筒型二次电池15、充电控制电路10、第一开关20、充电电路16及天线30。
在圆筒型二次电池15中，其顶面包括第一端子12，其底面包括第二端子13。与圆筒型二次电池的第一端子12连接且传送从圆筒型二次电池15输出的电力的第一传送通道通过电极18与充电控制电路的端子电连接。此外，与圆筒型二次电池的第二端子13连接的第二传送通道通过电极19与遮断第二传送通道的第一开关20连接。
在图1A中，作为遮断第二传送通道的第一开关20(也称为遮断开关)，连接有由晶体管及二极管构成的两个开关二极管，开关二极管具有用来防止过放电、过充电或过电流的保护电路功能。第一开关20控制导通及遮断工作，也称为切换供应及遮断的切换单元。形成在柔性衬底11上的第二传送通道的另一个端子的第三端子14与充电电路16及电子设备17连接。
此外，还设置有在充电时电力从天线30(或受电电路)经过充电电路16供应到圆筒型二次电池15的第三传送通道。
作为将充电控制电路10形成在柔性衬底11上的制造方法使用在半导体衬底上形成之后利用剥离方法在剥离后固定于柔性衬底11上的方法。作为剥离方法可以使用已知技术。此外，也可以使用在半导体衬底上形成之后，对背面进行抛光之后，固定于柔性衬底11上的方法。此外，也可以使用在利用激光部分地切割的所谓激光切割之后固定于柔性衬底11上的方法。此外，也可以使用将充电控制电路10直接形成在柔性衬底11上的方法。另外，也可以使用将形成在玻璃衬底上的充电控制电路10利用剥离方法剥离后固定于柔性衬底11上的方法。
在本实施方式中示出将由这些开关二极管构成的第一开关20也形成或安装在柔性衬底11上的例子，但是并不局限于该结构。
在由充电控制电路10检测出微短路等异常的情况下，可以通过对遮断第二传送通道的第一开关20的栅极输入信号遮断第二传送通道。通过遮断第二传送通道，可以停止来自充电电路16的电流的供应或者对电子设备17的电流的供应。此外，对遮断第二传送通道的开关20的栅极施加的信号电压保持在存储电路(包括使用氧化物半导体的晶体管)中，可以以长时间保持遮断状态。
此外，在检测出微短路等异常的情况下，当遮断第二传送通道时，可以使充电电路16的输出晶体管(第二开关)变为关闭状态，遮断第三传送通道，从天线30发送送电停止的信号，而停止送电。因此，可以实现安全性高的充电控制系统。
图1B是示出即将贴合圆筒型二次电池15与柔性衬底11之前的样子的工序图，示出柔性衬底11的接触面一侧。如图1B所示，对柔性衬底11的接触面贴圆筒型二次电池15的腹部上并转动，在腹部的圆周方向上卷起柔性衬底11并粘合。柔性衬底11在Y方向上排列电极18及电极19，但是并不局限于此，其中一个也可以在X方向上排列。注意，图1C是转动后的图。
以覆盖圆筒型二次电池15的腹部外周面的方式安装外包薄膜。该外包薄膜保护用来密封二次电池内部的结构的金属罐，用来与金属罐绝缘。
在不使用外包薄膜的情况下，圆筒型二次电池15的外表面(不包括端子部分)为金属面时，金属面与电极18之间以及金属面与电极19之间优选夹着绝缘薄膜。电极18或电极19为导电金属箔、由导电材料构成的导电胶带、引线，通过焊接、引线接合法等已知方法与圆筒型二次电池15的端子连接。此外，电极18或电极19通过焊接、引线接合法与充电控制电路10的端子连接。
如现有方式那样，当使用在与圆筒型二次电池的底面重叠的圆形刚性衬底上安装IC芯片的保护电路时，装入插座来与弹簧接触，因此该保护电路被施加物理上的压力，这有可能成为故障的原因。在本发明中，将该保护电路设置在圆筒型二次电池的侧面，所以与现有方式相比被施加的物理上的压力更小。此外，在现有方式中，当在其底部配置圆形的刚性衬底时，考虑该刚性衬底所占的空间而需要使电池尺寸变小，由此容量变小。在本发明中，将该保护电路设置在圆筒型二次电池的侧面，所以与现有方式相比可以实现空间节省而不使容量变小。
如此，在圆筒型二次电池15的侧面的曲面区域设置充电控制电路10及保护电路是很有用的。例如，在是18650电池的情况下，直径为18mm，长度为65mm，由此柔性衬底11的面积与圆筒型二次电池的侧面面积大致相同(X方向的长度为3.14×18mm，Y方向的长度为65mm)或更小。此外，在是26650电池的情况下，直径为26mm，长度为65mm，由此作为柔性衬底11的面积，X方向的长度为3.14×26mm，Y方向的长度为65mm。
此外，在圆筒型二次电池15是18650电池的情况下，在将柔性衬底11贴合于圆筒型二次电池15时，柔性衬底11的曲面区域的曲率半径大约为9mm。由于设置在柔性衬底11上的电路及布线的影响，曲率半径不一定大约为9mm，因此在本说明书等中，将最小的曲率半径看作面的曲率半径。当曲面具有包括多个曲率中心的形状时，曲率半径是指多个曲率中心各自的曲率半径中的曲率半径最小的曲面的曲率半径。虽然根据所使用的圆筒型二次电池15的尺寸而不同，但是可以在曲率半径为30mm以上，优选为9mm以上的范围内弯曲柔性衬底11。
此外，图2A示出充电控制电路10的具体电路的方框图的一个例子。
如图2A所示，二次电池15的充电控制电路10至少包括比较电路102、第一存储器103、第二存储器104及控制电路106。
在图2A中，分开示出二次电池15及遮断用开关105(第一开关)与充电控制电路10，也可以在同一衬底上形成遮断用开关105及充电控制电路10。
比较电路102比较两个输入电压的大小关系来进行输出。比较电路102也可以使用包括在沟道形成区域中包含氧化物半导体的晶体管的单极性电路。
第一存储器103是模拟存储器，并储存被偏置的二次电池的模拟电位。被偏置的二次电池的电压值的数据可以利用在对第一存储器103的晶体管的栅极施加写入信号时产生在栅电极与漏电极之间的寄生电容来生成。第一存储器103由在沟道形成区域中包含氧化物半导体的一个晶体管和电容器构成。第一存储器103可以被称为高精度的充电电压监视电路。此外，第一存储器103可以利用在沟道形成区域中包含氧化物半导体的晶体管的泄漏电流较低的优点。
第二存储器104具有与第一存储器103相同的元件结构，其由在沟道形成区域中包含氧化物半导体(OS)的一个晶体管和电容器构成。第二存储器104保持遮断用开关105(第一开关)的数据。
遮断用开关105(第一开关)是用来遮断向发生异常的二次电池的电源供应电力的开关。通过具有图2A所示的电路结构，遮断用开关105可以防止对发生异常的二次电池15继续进行充电而过充电导致起火。并且，通过充电控制电路10使充电电路的输出晶体管变为关闭状态，可以减少过充电的危险性。
图2A示出使用遮断用开关105(第一开关)在检测出异常之后停止向二次电池15供应电力的例子，但是也可以根据异常检测的次数进行充电条件的改变、充电的暂时停止、警告的显示等。
此外，图2B示出可用于图2A中的第一存储器103及第二存储器104的存储单元。图2B示出在晶体管中包括背栅极时的存储单元100的电路结构例子。
存储单元100包括晶体管M1及电容器CA。注意，晶体管M1包括前栅极(有时简称为栅极)及背栅极。以栅极与背栅极夹着半导体层的沟道形成区域的方式配置背栅极。注意，栅极及背栅极是为了方便而起的名称，在将其中一个称为“栅极”时，将其中另一个称为“背栅极”。因此，可以将“栅极”与“背栅极”相互调换。有时将栅极和背栅极中的一个称为“第一栅极”，将其中另一个称为“第二栅极”。
晶体管M1的源极和漏极中的一个与电容器CA的一个电极电连接，晶体管M1的源极和漏极中的另一个与位线BL或位线BLB电连接，晶体管M1的栅极与字线WL电连接，晶体管M1的背栅极与布线BGL电连接。电容器CA的另一个电极与布线CAL连接。
布线CAL是用来对电容器CA的另一个电极施加规定的电位的布线。在数据的写入及读出时，优选对布线CAL供应VSS等固定电位。
布线BGL是用来对晶体管M1的背栅极施加电位的布线。
图2C示出晶体管的电特性之一的Id-Vg特性的一个例子。Id-Vg特性表示相对于栅极电压(Vg)变化的漏极电流(Id)变化。图2C的横轴以线性标度表示Vg。此外，图2C的纵轴以对数标度表示Id。如图2C所示，当对布线BGL供应正偏压的电压+Vbg作为背栅极电压(Vbg)时，Id-Vg特性向Vg的负方向漂移。当对布线BGL供应负偏压的电压-Vbg时，Id-Vg特性向Vg的正方向漂移。Id-Vg特性的漂移量取决于供应到布线BGL的电压的大小。通过调整施加到布线BGL的电压，可以增加或减少晶体管M1的阈值电压。
数据的写入及读出通过如下方法进行：对字线WL供应使晶体管M1变为导通状态的电位来使晶体管M1变为导通状态，由此使位线BL或位线BLB与电容器CA的一个电极电连接。
通过作为晶体管M1使用OS晶体管，可以使晶体管M1的泄漏电流为非常低。换言之，因为可以由晶体管M1长时间保持写入的数据，所以可以减少存储单元的刷新频率。此外，可以不进行存储单元的刷新工作。此外，由于泄漏电流非常低，所以可以在存储单元中保持模拟数据。
如图1A所示，在将电力从圆筒型二次电池15供应给电子设备17时，圆筒型二次电池15成为放电状态，充电控制电路10监视第一端子12及第二端子13的电压或电流等的举动，在检测出异常时，由第一开关20遮断第二传送通道停止放电。
电子设备17是指二次电池以外的结构，电子设备17的电源为圆筒型二次电池15。注意，电子设备17包括能够携带的移动设备。
在利用无线将电力供应给圆筒型二次电池15而充电时，圆筒型二次电池15成为充电状态。由充电控制电路10监视第一端子12及第二端子13的电压或电流等的举动，在检测出异常时，遮断第二传送通道及第三传送通道停止充电。
充电电路16是指使用无线信号进行电力传送的电路。注意，有时充电电路16内置于电子设备17中。
对将充电电路16内置于电子设备17的一个例子进行说明。电子设备17内置有安装多个电路的刚性衬底，作为电源使用卷绕充电控制电路的电池。图4A是将处理器23、电源电路24、充电电路16、受电电路22等安装在刚性衬底上的方框图。注意，使用相同的符号表示图4A与图1A相同的部分。注意，在图4A中，一次线圈31及二次线圈(天线30)作为天线模块与刚性衬底的端子电连接。
图4B示出充电控制系统的流程的一个例子，其示出对在二次电池15中安装充电控制电路10的电子设备17在一次充电中检测出过充电的情况。
首先，充电控制电路10检测出过充电(S1)。接着，充电控制电路10使遮断用开关的第一开关20关闭并向充电电路16通知检测出过充电(S2)。
接着，通过使充电电路16的输出晶体管关闭，充电电路16停止充电，向受电电路22通知充电结束(S3)。受电电路22向送电侧发送信号，停止送电(S4)。最后，停止来自一次线圈31的发送，停止充电(S5)。
在此，虽然主要对检测出过充电的结构进行说明，但是对该结构没有特别的限制，过电流的防止、微短路等异常的检测等也可以通过相同流程进行。
上述充电控制系统可以在检测出异常之后在几乎同时停止多个电路。
在此，参照图3A及图3B说明圆筒型二次电池。如图3B所示，圆筒型二次电池15的顶面包括正极盖(电池盖)201，其侧面及底面包括电池罐(外装罐)202。这些正极盖与电池罐(外装罐)202通过垫片(绝缘垫片)210绝缘。
图3B是示意性地示出圆筒型二次电池的截面的图。在中空圆柱状电池罐202的内侧设置有带状正极204和带状负极206夹着隔离体205被卷绕的电池元件。虽然未图示，但是电池元件以中心销为中心被卷绕。电池罐202的一端关闭且另一端开着。作为电池罐202可以使用对电解液具有抗腐蚀性的镍、铝、钛等金属、它们的合金或者它们和其他金属的合金(例如不锈钢等)。另外，为了防止电解液所引起的腐蚀，电池罐202优选被镍或铝等覆盖。在电池罐202的内侧，正极、负极及隔离体被卷绕的电池元件由对置的一对绝缘板208和绝缘板209夹着。另外，在设置有电池元件的电池罐202的内部中注入有非水电解液(未图示)。二次电池由包括钴酸锂(LiCoO2)及磷酸铁锂(LiFePO4)等的活性物质的正极、由能够进行锂离子的吸留及释放的石墨等碳材料构成的负极、以及将由LiBF4、LiPF6等锂盐构成的电解质溶解于碳酸亚乙酯或碳酸二乙酯等有机溶剂中的非水电解液等构成。
因为用于圆筒型二次电池的正极及负极被卷绕，从而活性物质优选形成在集流体的两个表面。正极204连接有正极端子(正极集电引线)203，而负极206与负极端子(负极集电引线)207连接。正极端子203及负极端子207都可以使用铝等金属材料。将正极端子203电阻焊接到安全阀机构212，而将负极端子207电阻焊接到电池罐202底。安全阀机构212与正极盖201通过PTC(Positive Temperature Coefficient：正温度系数)元件211电连接。当电池的内压上升到超过指定的阈值时，安全阀机构212切断正极盖201与正极204的电连接。另外，PTC元件211是在温度上升时其电阻增大的热敏感电阻器，并通过电阻的增大来限制电流量以防止异常发热。PTC元件可以使用钛酸钡(BaTiO3)类半导体陶瓷等。
使用电解液的锂离子二次电池包括正极、负极、隔离体、电解液及外包装体。注意，在锂离子二次电池中，由于阳极及阴极、氧化反应及还原反应根据充电或放电调换，所以将反应电位高的电极称为正极，而将反应电位低的电极称为负极。由此，在本说明书中，即使在充电、放电、供应反向脉冲电流以及供应充电电流时也将正极称为“正极”或“+极”，而将负极称为“负极”或“-极”。如果使用与氧化反应及还原反应有关的阳极及阴极的术语，则充电时和放电时的阳极与阴极是相反的，这有可能引起混乱。因此，在本说明书中，不使用阳极及阴极的术语。当使用阳极及阴极的术语时，明确表示是充电时还是放电时，并示出是对应正极(+极)还是负极(-极)。
图3C所示的两个端子与充电器连接，对蓄电池1400进行充电。在图3C中，1406示出电解液，1408示出隔离体。随着蓄电池1400的充电进展，电极间的电位差增大。在图3C中，电流的正方向为如下：从蓄电池1400外部的端子向正极1402流过而在蓄电池1400中从正极1402向负极1404一侧流过，从负极向蓄电池1400外部的端子一侧流过的电流的方向。就是说，将充电电流流过的方向看作电流的方向。
在本实施方式中示出锂离子二次电池的例子，但是不局限于锂离子二次电池。作为二次电池的正极材料，例如可以使用包含元素A、元素X及氧的材料。元素A优选为选自第一族元素及第二族元素中的一个以上的元素。作为第一族元素，例如可以使用锂、钠、钾等碱金属。另外，作为第二族元素，例如可以使用钙、铍、镁等。作为元素X，例如可以使用选自金属元素、硅和磷中的一个以上的元素。另外，元素X优选为选自钴、镍、锰、铁和钒中的一个以上的元素。典型的例子是锂钴复合氧化物(LiCoO2)和磷酸铁锂(LiFePO4)。
负极包括负极活性物质层及负极集电体。此外，负极活性物质层也可以包含导电助剂及粘合剂。
作为负极活性物质，可以使用能够通过与锂的合金化/脱合金化反应进行充放电反应的元素。例如，可以使用包含硅、锡、镓、铝、锗、铅、锑、铋、银、锌、镉和铟等中的至少一个的材料。这种元素的容量比碳大，尤其是硅的理论容量大，为4200mAh/g。
此外，二次电池优选包括隔离体。作为隔离体，例如可以使用由纸等具有纤维素的纤维、无纺布、玻璃纤维、陶瓷或包含尼龙(聚酰胺)、维尼纶(聚乙烯醇类纤维)、聚酯、丙烯酸树脂、聚烯烃、聚氨酯的合成纤维等形成的隔离体。
(实施方式2)
在本实施方式中，参照图5及图6对实施方式1的圆筒型二次电池的另一个结构例子进行说明。
图5A是示出电池组的外观图的图，该电池组包括扁状二次电池913、充电控制电路914及连接端子911。
充电控制电路914形成于或固定于柔性衬底910上。充电控制电路914检测出微短路等的异常。再者，也可以具有保护二次电池913免受过充电、过放电及过电流的保护电路的功能。
作为充电控制电路914，可以使用实施方式1所示的充电控制电路10。因为可以使用同一电路结构等，所以在此省略详细说明。
如图4A所示，除了充电控制电路914以外还可以设置天线及受电电路。此外，也可以使用天线以非接触对二次电池913进行充电。天线不局限于线圈状，例如也可以为线状、板状。另外，还可以使用平面天线、口径天线、行波天线、EH天线、磁场天线或介质天线等天线。天线例如具有能够与外部设备进行数据通信的功能。作为电池组与其他设备之间的使用天线的通信方式，可以适当地使用NFC等能够用于电池组与其他设备之间的响应方式等。
如图5B所示，连接端子911通过充电控制电路914与二次电池913所包括的端子951及端子952电连接。注意，也可以设置多个连接端子911，将多个连接端子911分别用作控制信号输入端子、电源端子等。
电池组在充电控制电路914与二次电池913之间包括绝缘片层916。绝缘片层916例如具有防止因二次电池913导致的短路的功能。作为绝缘片层916例如可以使用有机树脂薄膜或粘合薄片。
再者，参照图6对二次电池913的内部结构例子进行说明。
图6A示出配置在二次电池913的内部的卷绕体950的结构。卷绕体950包括负极931、正极932和隔离体933。卷绕体950是夹着隔离体933使负极931和正极932彼此重叠来形成叠层片，并且将该叠层片卷绕而形成的。此外，也可以进一步层叠多个负极931、正极932和隔离体933的叠层。
负极931通过端子951及端子952中的一方与图5所示的连接端子911连接。正极932通过端子951及端子952中的另一方与图5所示的连接端子911连接。
图6A所示的卷绕体950在外包装体的内部浸渗在电解液中。作为外包装体使用金属框体。有时作为外包装体使用薄膜，在此情况下，有时将形成在柔性衬底上的充电控制电路设置于该薄膜。
图6B所示的二次电池913在框体930的内部包括设置有端子951和端子952的卷绕体950。卷绕体950在框体930的内部浸渗在电解液中。端子952与框体930接触，端子951由于有绝缘材料等而不与框体930接触。注意，为了方便起见，虽然在图6B中分离地图示框体930，但是，实际上卷绕体950被框体930覆盖，端子951及端子952延伸在框体930的外侧。作为框体930，可以使用金属材料(例如铝等)或树脂材料。
作为框体930，可以使用金属材料及有机树脂等绝缘材料。
在图5A中示出在框体表面设置绝缘片层916，以设置有充电控制电路的面向内侧的方式固定柔性衬底的例子，但是不局限于此，也可以以形成有充电控制电路的面向外侧的方式与端子951及端子952连接。注意，此时连接部分露出，有静电破坏或短路的危险，因此对这些危险给以注意进行装配。
因为与连接端子911电连接的充电控制电路914是实施方式1所示的充电控制电路10，所以可以实现安全性高的二次电池913。
本实施方式可以与实施方式1自由地组合。
(实施方式3)
在本实施方式中，说明对可应用于上述实施方式所示的充电控制电路10的OS晶体管的结构例子。注意，OS晶体管是薄膜晶体管，既可以形成在设置于玻璃衬底上的剥离层上，又可以层叠在单晶硅衬底上而设置。
实施方式1示出将设置有充电控制电路的柔性衬底贴合于二次电池的曲面的例子，由此利用已知的剥离方法将形成在设置于玻璃衬底上的剥离层上的OS晶体管固定于柔性衬底。此外，实施方式2示出将充电控制电路贴合于二次电池的平面的例子，由此在单晶硅衬底上形成OS晶体管之后，例如将对单晶硅衬底背面进行抛光来减薄的膜固定于柔性衬底。此外，也可以利用氢离子注入剥离法从单晶硅衬底分离OS晶体管而将其固定于柔性衬底。
以下，在本实施方式中，说明在形成于单晶硅衬底的Si晶体管上方设置OS晶体管的半导体装置的结构例子。
<半导体装置的结构例子>
图7所示的半导体装置包括晶体管300、晶体管500及电容器600。图8A是晶体管500的沟道长度方向上的截面图，图8B是晶体管500的沟道宽度方向上的截面图，图8C是晶体管300的沟道宽度方向上的截面图。
晶体管500是在沟道形成区域中包含金属氧化物的晶体管(OS晶体管)。晶体管500具有如下特征：可以在源极与漏极之间施加高电压；在高温环境下也不容易增加关态电流；在高温环境下通态电流与关态电流的比例也大。由此，通过在上述实施方式中将晶体管500用于充电控制电路10，可以使移动设备为安全性高的半导体装置。
如图7所示，在本实施方式中说明的半导体装置包括晶体管300、晶体管500及电容器600。晶体管500设置在晶体管300的上方，电容器600设置在晶体管300及晶体管500的上方。
晶体管300设置在衬底311上，并包括：导电体316、绝缘体315、由衬底311的一部分构成的半导体区域313；以及被用作源区或漏区的低电阻区域314a及低电阻区域314b。
如图8C所示，在晶体管300中，导电体316隔着绝缘体315覆盖半导体区域313的顶面及沟道宽度方向的侧面。如此，通过使晶体管300具有Fin型结构，实效上的沟道宽度增加，所以可以改善晶体管300的通态特性。此外，由于可以增加栅电极的电场的影响，所以可以改善晶体管300的关态特性。
此外，晶体管300可以为p沟道晶体管或n沟道晶体管。
半导体区域313的沟道形成区域或其附近的区域、被用作源区或漏区的低电阻区域314a及低电阻区域314b等优选包含硅类半导体等半导体，更优选包含单晶硅。此外，也可以使用包含Ge(锗)、SiGe(硅锗)、GaAs(砷化镓)、GaAlAs(镓铝砷)等的材料形成。可以使用通过产生晶格应力，改变晶面间距而控制有效质量的硅。此外，晶体管300也可以是使用GaAs和GaAlAs等的HEMT(High ElectronMobility Transistor：高电子迁移率晶体管)。
在低电阻区域314a及低电阻区域314b中，除了应用于半导体区域313的半导体材料之外，还包含砷、磷等赋予n型导电性的元素或硼等赋予p型导电性的元素。
作为被用作栅电极的导电体316，可以使用包含砷、磷等赋予n型导电性的元素或硼等赋予p型导电性的元素的硅等半导体材料、金属材料、合金材料或金属氧化物材料等导电材料。
此外，由于功函数取决于导电体的材料，所以通过改变导电体的材料，可以调整Vth。具体而言，作为导电体优选使用氮化钛或氮化钽等材料。为了兼具导电性和嵌入性，作为导电体优选使用钨或铝等金属材料的叠层，尤其在耐热性方面上优选使用钨。
注意，图7所示的晶体管300的结构只是一个例子，不局限于上述结构，根据电路结构或驱动方法使用适当的晶体管即可。
以覆盖晶体管300的方式依次层叠有绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326。
作为绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326，例如可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧氮化铝、氮氧化铝及氮化铝等。
绝缘体322也可以被用作使因设置在其下方的晶体管300等而产生的台阶平坦化的平坦化膜。例如，为了提高绝缘体322的顶面的平坦性，其顶面也可以通过利用化学机械抛光(CMP)法等的平坦化处理被平坦化。
作为绝缘体324，优选使用能够防止氢或杂质从衬底311或晶体管300等扩散到设置有晶体管500的区域中的具有阻挡性的膜。
作为对氢具有阻挡性的膜的一个例子，例如可以使用通过CVD法形成的氮化硅。在此，有时氢扩散到晶体管500等具有氧化物半导体的半导体元件中，导致该半导体元件的特性下降。因此，优选在晶体管500与晶体管300之间设置抑制氢的扩散的膜。具体而言，抑制氢的扩散的膜是指氢的脱离量少的膜。
氢的脱离量例如可以利用热脱附谱分析法(TDS)等测量。例如，在TDS分析中的膜表面温度为50℃至500℃的范围内，当将换算为氢原子的脱离量换算为绝缘体324的每单位面积的量时，绝缘体324中的氢的脱离量为10×1015atoms/cm2以下，优选为5×1015atoms/cm2以下，即可。
注意，绝缘体326的介电常数优选比绝缘体324低。例如，绝缘体326的相对介电常数优选低于4，更优选低于3。例如，绝缘体326的相对介电常数优选为绝缘体324的相对介电常数的0.7倍以下，更优选为0.6倍以下。通过将介电常数低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
此外，在绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326中嵌入与电容器600或晶体管500连接的导电体328、导电体330等。此外，导电体328及导电体330具有插头或布线的功能。注意，有时使用同一符号表示具有插头或布线的功能的多个导电体。此外，在本说明书等中，布线、与布线连接的插头也可以是一个构成要素。就是说，导电体的一部分有时被用作布线，并且导电体的一部分有时被用作插头。
作为各插头及布线(导电体328及导电体330等)的材料，可以使用金属材料、合金材料、金属氮化物材料或金属氧化物材料等导电材料的单层或叠层。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，优选使用钨。或者，优选使用铝或铜等低电阻导电材料。通过使用低电阻导电材料可以降低布线电阻。
也可以在绝缘体326及导电体330上形成布线层。例如，在图7中，依次层叠有绝缘体350、绝缘体352及绝缘体354。此外，在绝缘体350、绝缘体352及绝缘体354中形成有导电体356。导电体356具有与晶体管300连接的插头或布线的功能。此外，导电体356可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
此外，与绝缘体324同样，绝缘体350例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体356优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体350所具有的开口中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
注意，作为对氢具有阻挡性的导电体，例如优选使用氮化钽等。此外，通过层叠氮化钽和导电性高的钨，不但可以保持作为布线的导电性而且可以抑制氢从晶体管300扩散。此时，对氢具有阻挡性的氮化钽层优选与对氢具有阻挡性的绝缘体350接触。
此外，也可以在绝缘体354及导电体356上形成布线层。例如，在图7中，依次层叠有绝缘体360、绝缘体362及绝缘体364。此外，在绝缘体360、绝缘体362及绝缘体364中形成有导电体366。导电体366具有插头或布线的功能。此外，导电体366可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
此外，与绝缘体324同样，绝缘体360例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体366优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体360所具有的开口中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
此外，也可以在绝缘体364及导电体366上形成布线层。例如，在图7中，依次层叠有绝缘体370、绝缘体372及绝缘体374。此外，在绝缘体370、绝缘体372及绝缘体374中形成有导电体376。导电体376具有插头或布线的功能。此外，导电体376可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
此外，与绝缘体324同样，绝缘体370例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体376优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体370所具有的开口中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
此外，也可以在绝缘体374及导电体376上形成布线层。例如，在图7中，依次层叠有绝缘体380、绝缘体382及绝缘体384。此外，在绝缘体380、绝缘体382及绝缘体384中形成有导电体386。导电体386具有插头或布线的功能。此外，导电体386可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
此外，与绝缘体324同样，绝缘体380例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体386优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体380所具有的开口中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
在上面说明包括导电体356的布线层、包括导电体366的布线层、包括导电体376的布线层及包括导电体386的布线层，但是本实施方式的半导体装置不局限于此。与包括导电体356的布线层同样的布线层可以为三层以下，与包括导电体356的布线层同样的布线层可以为五层以上。
在绝缘体384上依次层叠有绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516。作为绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516中的至少任何一个，优选使用对氧或氢具有阻挡性的物质。
例如，作为绝缘体510及绝缘体514，优选使用能够防止氢或杂质从衬底311或设置有晶体管300的区域等扩散到设置有晶体管500的区域中的具有阻挡性的膜。因此，绝缘体510及绝缘体514可以使用与绝缘体324同样的材料。
作为对氢具有阻挡性的膜的一个例子，可以使用通过CVD法形成的氮化硅。在此，有时氢扩散到晶体管500等具有氧化物半导体的半导体元件中，导致该半导体元件的特性下降。因此，优选在晶体管300与晶体管500之间设置抑制氢的扩散的膜。具体而言，抑制氢的扩散的膜是指氢的脱离量少的膜。
例如，作为对氢具有阻挡性的膜，绝缘体510及绝缘体514优选使用氧化铝、氧化铪、氧化钽等金属氧化物。
尤其是，氧化铝的不使氧及导致晶体管的电特性变动的氢、水分等杂质透过的阻挡效果高。因此，在晶体管的制造工序中及制造工序之后，氧化铝可以防止氢、水分等杂质进入晶体管500中。此外，氧化铝可以抑制氧从构成晶体管500的氧化物释放。因此，氧化铝适合用作晶体管500的保护膜。
例如，作为绝缘体512及绝缘体516，可以使用与绝缘体320同样的材料。此外，通过由介电常数较低的材料形成层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。例如，作为绝缘体512及绝缘体516，可以使用氧化硅膜和氧氮化硅膜等。
此外，在绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516中嵌入有导电体518、构成晶体管500的导电体(导电体503)等。此外，导电体518被用作与电容器600或晶体管300连接的插头或布线。导电体518可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
尤其是，与绝缘体510及绝缘体514接触的区域的导电体518优选为对氧、氢及水具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以利用对氧、氢及水具有阻挡性的层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
在绝缘体516的上方设置有晶体管500。
如图8A和图8B所示，晶体管500包括：嵌入在绝缘体512及绝缘体516中的导电体503；配置在绝缘体516及导电体503上的绝缘体520；配置在绝缘体520上的绝缘体522；配置在绝缘体522上的绝缘体524；配置在绝缘体524上的氧化物530a；配置在氧化物530a上的氧化物530b；配置在氧化物530b上且彼此隔开的导电体542a及导电体542b；配置在导电体542a及导电体542b上且形成有与导电体542a和导电体542b之间重叠的开口的绝缘体580；配置在开口中的导电体560；配置在氧化物530b、导电体542a、导电体542b及绝缘体580与导电体560之间的绝缘体550；配置在氧化物530b、导电体542a、导电体542b及绝缘体580与绝缘体550之间的氧化物530c。
此外，如图8A和图8B所示，优选在氧化物530a、氧化物530b、导电体542a及导电体542b与绝缘体580之间配置有绝缘体544。此外，如图8A和图8B所示，导电体560优选包括设置在绝缘体550的内侧的导电体560a及嵌入在导电体560a的内侧的导电体560b。此外，如图8A和图8B所示，优选在绝缘体580、导电体560及绝缘体550上配置有绝缘体574。
注意，下面有时将氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c统称为氧化物530。此外，有时将导电体542a及导电体542b统称为导电体542。
在晶体管500中，在形成沟道的区域及其附近层叠有氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的三层，但是本发明不局限于此。例如，可以设置氧化物530b的单层、氧化物530b与氧化物530a的两层结构、氧化物530b与氧化物530c的两层结构或者四层以上的叠层结构。此外，在晶体管500中，导电体560具有两层结构，但是本发明不局限于此。例如，导电体560也可以具有单层结构或三层以上的叠层结构。注意，图7、图8A、图8B所示的晶体管500的结构只是一个例子而不局限于上述结构，可以根据电路结构或驱动方法使用适当的晶体管。
在此，导电体560被用作晶体管的栅电极，导电体542a及导电体542b被用作源电极或漏电极。如上所述，导电体560嵌入绝缘体580的开口中及夹在导电体542a与导电体542b之间的区域。导电体560、导电体542a及导电体542b相对于绝缘体580的开口的配置是自对准地被选择。换言之，在晶体管500中，可以在源电极与漏电极之间自对准地配置栅电极。由此，可以在不设置用于对准的余地的方式形成导电体560，所以可以实现晶体管500的占有面积的缩小。由此，可以实现半导体装置的微型化及高集成化。
再者，导电体560自对准地形成在导电体542a与导电体542b之间的区域，所以导电体560不包括与导电体542a及导电体542b重叠的区域。由此，可以降低形成在导电体560与导电体542a及导电体542b之间的寄生电容。因此，可以提高晶体管500的开关速度，从而晶体管500可以具有高频率特性。
导电体560有时被用作第一栅(也称为顶栅极)电极。导电体503有时被用作第二栅(也称为底栅极或背栅极)电极。在此情况下，通过独立地改变供应到导电体503的电位而不使其与供应到导电体560的电位联动，可以控制晶体管500的Vth。尤其是，通过对导电体503供应负电位，可以使晶体管500的Vth大于0V且可以减小关态电流。因此，与不对导电体503施加负电位时相比，在对导电体503施加负电位的情况下，可以减小对导电体560供应的电位为0V时的漏极电流。
导电体503以与氧化物530及导电体560重叠的方式配置。由此，在对导电体560及导电体503供应电位的情况下，从导电体560产生的电场和从导电体503产生的电场连接，可以覆盖形成在氧化物530中的沟道形成区域。在本说明书等中，将由第一栅电极的电场和第二栅电极的电场电围绕沟道形成区域的晶体管的结构称为surroundedchannel(S-channel：围绕沟道)结构。
此外，在本说明书等中，surrounded channel(S-channel)结构具有如下特征，即与沟道形成区域相同，接触于被用作源电极及漏电极的导电体542a及导电体542b的氧化物530的侧面及周边为I型。此外，因为接触于导电体542a及导电体542b的氧化物530的侧面及周边与绝缘体544接触，所以与沟道形成区域相同，有可能成为I型。注意，在本说明书等中，I型可以说与后面说明的高纯度本征相同。此外，本说明书等中公开的S-channel结构与Fin型结构及平面型结构不同。通过采用S-channel结构，可以提高对于短沟道效应的耐性，换言之，可以实现不容易发生短沟道效应的晶体管。
此外，导电体503具有与导电体518同样的结构，以与绝缘体514及绝缘体516的开口的内壁接触的方式形成有导电体503a，其内侧形成有导电体503b。
绝缘体520、绝缘体522、绝缘体524及绝缘体550被用作栅极绝缘膜。
在此，与氧化物530接触的绝缘体524优选使用包含超过化学计量组成的氧的绝缘体。换言之，优选在绝缘体524中形成有过剩氧区域。通过以与氧化物530接触的方式设置上述包含过剩氧的绝缘体，可以减少氧化物530中的氧空位，从而可以提高晶体管500的可靠性。
具体而言，作为具有过剩氧区域的绝缘体，优选使用通过加热使一部分的氧脱离的氧化物材料。通过加热使氧脱离的氧化物是指在TDS(Thermal DesorptionSpectroscopy：热脱附谱)分析中换算为氧原子的氧的脱离量为1.0×1018atoms/cm3以上，优选为1.0×1019atoms/cm3以上，进一步优选为2.0×1019atoms/cm3以上，或者3.0×1020atoms/cm3以上的氧化物膜。此外，进行上述TDS分析时的膜的表面温度优选在100℃以上且700℃以下，或者100℃以上且400℃以下的范围内。
当绝缘体524具有过剩氧区域时，绝缘体522优选具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等)的扩散的功能(不容易使上述氧透过)。
当绝缘体522具有抑制氧或杂质的扩散的功能时，氧化物530所包含的氧不扩散到绝缘体520一侧，所以是优选的。此外，可以抑制导电体503与绝缘体524或氧化物530所包含的氧起反应。
作为绝缘体522，例如优选使用包含氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶(SrTiO3)或(Ba,Sr)TiO3(BST)等所谓的high-k材料的绝缘体的单层或叠层。当进行晶体管的微型化及高集成化时，由于栅极绝缘膜的薄膜化，有时发生泄漏电流等问题。通过作为被用作栅极绝缘膜的绝缘体使用high-k材料，可以在保持物理厚度的同时降低晶体管工作时的栅极电位。
尤其是，优选使用作为具有抑制杂质及氧等的扩散的功能(不容易使上述氧透过)的绝缘材料的包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体。作为包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体，优选使用氧化铝、氧化铪、包含铝及铪的氧化物(铝酸铪)等。当使用这种材料形成绝缘体522时，绝缘体522被用作抑制氧从氧化物530释放或氢等杂质从晶体管500的周围部进入氧化物530的层。
或者，例如也可以对上述绝缘体添加氧化铝、氧化铋、氧化锗、氧化铌、氧化硅、氧化钛、氧化钨、氧化钇、氧化锆。此外，也可以对上述绝缘体进行氮化处理。还可以在上述绝缘体上层叠氧化硅、氧氮化硅或氮化硅。
绝缘体520优选具有热稳定性。例如，因为氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。此外，通过high-k材料的绝缘体与氧化硅或氧氮化硅组合，可以形成具有热稳定性且相对介电常数高的叠层结构的绝缘体520。
绝缘体520、绝缘体522及绝缘体524也可以具有两层以上的叠层结构。此时，不局限于使用相同材料构成的叠层结构，也可以是使用不同材料形成的叠层结构。
在晶体管500中，优选将被用作氧化物半导体的金属氧化物用于包含沟道形成区域的氧化物530。例如，作为氧化物530优选使用In-M-Zn氧化物(元素M为选自铝、镓、钇、铜、钒、铍、硼、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种)等金属氧化物。此外，作为氧化物530，也可以使用In-Ga氧化物、In-Zn氧化物。
此外，作为晶体管500优选使用载流子密度低的金属氧化物。在降低金属氧化物的载流子密度的情况下，降低金属氧化物中的杂质浓度而降低缺陷态密度即可。在本说明书等中，将杂质浓度低且缺陷态密度低的状态称为“高纯度本征”或“实质上高纯度本征”。作为金属氧化物中的杂质例如有氢、氮、碱金属、碱土金属、铁、镍、硅等。
尤其是，包含在金属氧化物中的氢与键合于金属原子的氧起反应生成水，因此有时在金属氧化物中形成氧空位。当金属氧化物中的沟道形成区域中包括氧空位时，晶体管有时具有常开启特性。再者，有时氢进入氧空位中而成的缺陷被用作供体而生成作为载流子的电子。此外，氢的一部分键合到与金属原子键合的氧而生成作为载流子的电子。因此，使用包含多量氢的金属氧化物的晶体管容易具有常开启特性。
氢进入氧空位的缺陷会用作金属氧化物的供体。然而，难以定量地评价该缺陷。于是，在金属氧化物中，有时不是使用供体浓度而是使用载流子密度进行评价。因此，在本说明书等中，作为金属氧化物的参数，有时不是使用供体浓度而是使用假定不施加电场的状态下的载流子密度。换言之，本说明书等所记载的“载流子密度”有时也可以称为“供体浓度”。
因此，在将金属氧化物用于氧化物530时，优选尽量减少金属氧化物中的氢。具体而言，在金属氧化物中，利用二次离子质谱(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)测得的氢浓度低于1×1020atoms/cm3，优选低于1×1019atoms/cm3，更优选低于5×1018atoms/cm3，进一步优选低于1×1018atoms/cm3。通过将氢等杂质被充分降低的金属氧化物用于晶体管的沟道形成区域，可以使晶体管具有稳定的电特性。
此外，在作为氧化物530使用金属氧化物时，沟道形成区域中的金属氧化物半导体的载流子密度优选为1×1018cm-3以下，更优选小于1×1017cm-3，进一步优选小于1×1016cm-3，更进一步优选小于1×1013cm-3，还进一步优选小于1×1012cm-3。注意，对沟道形成区域中的金属氧化物半导体的载流子密度的下限值没有特别的限制，例如可以设定为1×10-9cm-3。
此外，在作为氧化物530使用金属氧化物时，在导电体542(导电体542a及导电体542b)与氧化物530接触时，有时氧化物530中的氧扩散到导电体542而导电体542被氧化。在导电体542被氧化时，导电体542的导电率下降的可能性高。此外，也可以将“氧化物530中的氧向导电体542扩散”称为“导电体542吸收氧化物530中的氧”。
此外，在氧化物530中的氧扩散到导电体542(导电体542a及导电体542b)时，有时在导电体542a与氧化物530b间以及在导电体542b与氧化物530b间形成另一个层。该另一个层所包含的氧比导电体542多，所以可以视为该另一个层具有绝缘性。此时，导电体542、该另一个层与氧化物530b的三层结构可以视为由金属、绝缘体与半导体构成的三层结构，有时称为MIS(Metal-Insulator-Semiconductor，金属-绝缘体-金属)结构或者以MIS结构为主要结构的二极管接合结构。
注意，上述另一个层不局限于形成在导电体542与氧化物530b间，例如，有时另一个层形成在导电体542与氧化物530c间、导电体542与氧化物530b间或导电体542与氧化物530c间。
作为在氧化物530中被用作沟道形成区域的金属氧化物，优选使用其带隙为2eV以上，优选为2.5eV以上的金属氧化物。如此，通过使用带隙较宽的金属氧化物，可以减小晶体管的关态电流。
在氧化物530中，当在氧化物530b之下设置有氧化物530a时，可以防止杂质从形成在氧化物530a下的结构物扩散到氧化物530b。当在氧化物530b之上设置有氧化物530c时，可以防止杂质从形成在氧化物530c的上方的结构物扩散到氧化物530b。
此外，氧化物530优选具有各金属原子的原子个数比互不相同的多个氧化物层的叠层结构。具体而言，用于氧化物530a的金属氧化物的构成元素中的元素M的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物的构成元素中的元素M的原子个数比。此外，用于氧化物530a的金属氧化物中的相对于In的元素M的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于In的元素M的原子个数比。此外，用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于元素M的In的原子个数比优选大于用于氧化物530a的金属氧化物中的相对于元素M的In的原子个数比。此外，氧化物530c可以使用可用于氧化物530a或氧化物530b的金属氧化物。
优选的是，使氧化物530a及氧化物530c的导带底的能量高于氧化物530b的导带底的能量。换言之，氧化物530a及氧化物530c的电子亲和势优选小于氧化物530b的电子亲和势。
在此，在氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部中，导带底的能级平缓地变化。换言之，也可以将上述情况表达为氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部的导带底的能级连续地变化或者连续地接合。为此，优选降低形成在氧化物530a与氧化物530b的界面以及氧化物530b与氧化物530c的界面的混合层的缺陷态密度。
具体而言，通过使氧化物530a与氧化物530b、以及氧化物530b与氧化物530c除了氧之外还包含共同元素(为主要成分)，可以形成缺陷态密度低的混合层。例如，在氧化物530b为In-Ga-Zn氧化物的情况下，作为氧化物530a及氧化物530c优选使用In-Ga-Zn氧化物、Ga-Zn氧化物及氧化镓等。
此时，载流子的主要路径为氧化物530b。通过使氧化物530a及氧化物530c具有上述结构，可以降低氧化物530a与氧化物530b的界面及氧化物530b与氧化物530c的界面的缺陷态密度。因此，界面散射对载流子传导的影响减少，可以提高晶体管500的通态电流。
在氧化物530b上设置有被用作源电极及漏电极的导电体542(导电体542a及导电体542b)。作为导电体542，优选使用选自铝、铬、铜、银、金、铂、钽、镍、钛、钼、钨、铪、钒、铌、锰、镁、锆、铍、铟、钌、铱、锶和镧中的金属元素、以上述金属元素为成分的合金或者组合上述金属元素的合金等。例如，优选使用氮化钽、氮化钛、钨、包含钛和铝的氮化物、包含钽和铝的氮化物、氧化钌、氮化钌、包含锶和钌的氧化物、包含镧和镍的氧化物等。此外，氮化钽、氮化钛、包含钛和铝的氮化物、包含钽和铝的氮化物、氧化钌、氮化钌、包含锶和钌的氧化物、包含镧和镍的氧化物是不容易氧化的导电材料或者吸收氧也维持导电性的材料，所以是优选的。
此外，如图8A所示，有时在氧化物530与导电体542的界面及其附近作为低电阻区域形成有区域543(区域543a及区域543b)。此时，区域543a被用作源区和漏区中的一个，区域543b被用作源区和漏区中的另一个。此外，沟道形成区域形成在夹在区域543a和区域543b之间的区域中。
通过以与氧化物530接触的方式形成上述导电体542，区域543的氧浓度有时降低。此外，在区域543中有时形成包括包含在导电体542中的金属及氧化物530的成分的金属化合物层。在此情况下，区域543的载流子密度增加，区域543成为低电阻区域。
绝缘体544以覆盖导电体542的方式设置，抑制导电体542的氧化。此时，绝缘体544也可以以覆盖氧化物530的侧面且与绝缘体524接触的方式设置。
作为绝缘体544，可以使用包含选自铪、铝、镓、钇、锆、钨、钛、钽、镍、锗和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。
尤其是，作为绝缘体544，优选使用作为包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体的氧化铝、氧化铪、包含铝及铪的氧化物(铝酸铪)等。尤其是，铝酸铪的耐热性比氧化铪膜高。因此，在后面的工序的热处理中不容易晶化，所以是优选的。此外，在导电体542是具有耐氧化性的材料或者吸收氧也其导电性不会显著降低的情况下，不需要必须设置绝缘体544。根据所需要的晶体管特性，适当地设计即可。
绝缘体550被用作栅极绝缘膜。绝缘体550优选以与氧化物530c的内侧(顶面及侧面)接触的方式配置。绝缘体550优选使用通过加热而使氧释放的绝缘体形成。例如，可以使用在热脱附谱分析(TDS分析)中换算为氧原子的氧的脱离量为1.0×1018atoms/cm3以上，优选为1.0×1019atoms/cm3以上，进一步优选为2.0×1019atoms/cm3以上，或者3.0×1020atoms/cm3以上的氧化物膜。此外，进行上述TDS分析时的膜的表面温度优选在100℃以上且700℃以下的范围内。
具体而言，可以使用包含过剩氧的氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、添加有氟的氧化硅、添加有碳的氧化硅、添加有碳及氮的氧化硅、具有空孔的氧化硅等。尤其是，氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。
通过作为绝缘体550以与氧化物530c的顶面接触的方式设置通过加热而释放氧的绝缘体，可以高效地从绝缘体550通过氧化物530c对氧化物530b的沟道形成区域供应氧。此外，与绝缘体524同样，优选降低绝缘体550中的水或氢等杂质的浓度。绝缘体550的厚度优选为1nm以上且20nm以下。
此外，为了将绝缘体550所包含的过剩氧高效地供应到氧化物530，也可以在绝缘体550与导电体560之间设置金属氧化物。该金属氧化物优选抑制从绝缘体550到导电体560的氧扩散。通过设置抑制氧的扩散的金属氧化物，从绝缘体550到导电体560的过剩氧的扩散得到抑制。换言之，可以抑制供应到氧化物530的过剩氧的减少。此外，可以抑制因过剩氧导致的导电体560的氧化。作为该金属氧化物，可以使用可用于绝缘体544的材料。
在图8A及图8B中，被用作第一栅电极的导电体560具有两层结构，但是也可以具有单层结构或三层以上的叠层结构。
作为导电体560a，优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、氮原子、氮分子、氧化氮分子(N2O、NO、NO2等)、铜原子等杂质的扩散的功能的导电材料。此外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能的导电材料。通过使导电体560a具有抑制氧的扩散的功能，可以抑制因绝缘体550所包含的氧导致导电体560b氧化而导电率下降。作为具有抑制氧的扩散的功能的导电材料，例如，优选使用钽、氮化钽、钌或氧化钌等。
由于导电体560b还被用作布线，所以优选使用导电性高的导电体。例如，可以使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。导电体560b也可以具有叠层结构，例如，可以采用钛或氮化钛和上述导电材料的叠层结构。
绝缘体580优选隔着绝缘体544设置在导电体542上。绝缘体580优选具有过剩氧区域。例如，绝缘体580优选包含氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、添加有氟的氧化硅、添加有碳的氧化硅、添加有碳及氮的氧化硅、具有空孔的氧化硅或树脂等。尤其是，氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。尤其是，氧化硅和具有空孔的氧化硅容易在后面的工序中形成过剩氧区域，所以是优选的。
绝缘体580优选具有过剩氧区域。通过以与氧化物530c接触的方式设置通过加热而释放氧的绝缘体580，可以将绝缘体580中的氧通过氧化物530c高效地供应给氧化物530。此外，优选降低绝缘体580中的水或氢等杂质的浓度。
绝缘体580的开口以与导电体542a和导电体542b之间的区域重叠的方式形成。由此，导电体560嵌入绝缘体580的开口中及夹在导电体542a与导电体542b之间的区域。
在进行半导体装置的微型化时，需要缩短栅极长度，但是需要防止导电体560的导电性的下降。为此，在增大导电体560的厚度的情况下，导电体560有可能具有纵横比高的形状。在本实施方式中，由于将导电体560嵌入绝缘体580的开口，所以即使导电体560具有纵横比高的形状，在工序中也不发生导电体560的倒塌。
绝缘体574优选以与绝缘体580的顶面、导电体560的顶面及绝缘体550的顶面接触的方式设置。通过利用溅射法形成绝缘体574，可以在绝缘体550及绝缘体580中形成过剩氧区域。由此，可以将氧从该过剩氧区域供应到氧化物530中。
例如，作为绝缘体574，可以使用包含选自铪、铝、镓、钇、锆、钨、钛、钽、镍、锗和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。
尤其是，氧化铝具有高阻挡性，即使是0.5nm以上且3.0nm以下的薄膜，也可以抑制氢及氮的扩散。由此，通过利用溅射法形成的氧化铝可以在被用作氧供应源的同时还具有氢等杂质的阻挡膜的功能。
此外，优选在绝缘体574上设置被用作层间膜的绝缘体581。与绝缘体524等同样，优选降低绝缘体581中的水或氢等杂质的浓度。
此外，在形成于绝缘体581、绝缘体574、绝缘体580及绝缘体544中的开口配置导电体540a及导电体540b。导电体540a及导电体540b以隔着导电体560彼此对置的方式设置。导电体540a及导电体540b具有与后面说明的导电体546及导电体548同样的结构。
在绝缘体581上设置有绝缘体582。绝缘体582优选使用对氧或氢具有阻挡性的物质。因此，作为绝缘体582可以使用与绝缘体514同样的材料。例如，作为绝缘体582优选使用氧化铝、氧化铪、氧化钽等金属氧化物。
尤其是，氧化铝的不使氧及导致晶体管的电特性变动的氢、水分等杂质透过的阻挡效果高。因此，在晶体管的制造工序中及制造工序之后，氧化铝可以防止氢、水分等杂质进入晶体管500中。此外，氧化铝可以抑制氧从构成晶体管500的氧化物释放。因此，氧化铝适合用于晶体管500的保护膜。
此外，在绝缘体582上设置有绝缘体586。作为绝缘体586可以使用与绝缘体320同样的材料。此外，通过由介电常数较低的材料形成层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。例如，作为绝缘体586，可以使用氧化硅膜及氧氮化硅膜等。
此外，在绝缘体520、绝缘体522、绝缘体524、绝缘体544、绝缘体580、绝缘体574、绝缘体581、绝缘体582及绝缘体586中嵌入导电体546及导电体548等。
导电体546及导电体548被用作与电容器600、晶体管500或晶体管300连接的插头或布线。导电体546及导电体548可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
接着，在晶体管500的上方设置有电容器600。电容器600包括导电体610、导电体620及绝缘体630。
此外，也可以在导电体546及导电体548上设置导电体612。导电体612被用作与晶体管500连接的插头或者布线。导电体610被用作电容器600的电极。此外，可以同时形成导电体612及导电体610。
作为导电体612及导电体610可以使用包含选自钼、钛、钽、钨、铝、铜、铬、钕、钪中的元素的金属膜或以上述元素为成分的金属氮化物膜(氮化钽膜、氮化钛膜、氮化钼膜、氮化钨膜)等。或者，也可以使用铟锡氧化物、包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钨的铟锌氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、铟锌氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物等导电材料。
在图7中，导电体612及导电体610具有单层结构，但是不局限于此，也可以具有两层以上的叠层结构。例如，也可以在具有阻挡性的导电体与导电性高的导电体之间形成与具有阻挡性的导电体以及导电性高的导电体紧密性高的导电体。
以隔着绝缘体630重叠于导电体610的方式设置导电体620。作为导电体620可以使用金属材料、合金材料、金属氧化物材料等导电材料。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，尤其优选使用钨。当与导电体等其他构成要素同时形成导电体620时，使用低电阻金属材料的Cu(铜)或Al(铝)等即可。
在导电体620及绝缘体630上设置有绝缘体650。绝缘体650可以使用与绝缘体320同样的材料形成。此外，绝缘体650可以被用作覆盖其下方的凹凸形状的平坦化膜。
通过采用本结构，可以在抑制使用包含氧化物半导体的晶体管的半导体装置的电特性变动的同时提高可靠性。此外，可以提供一种通态电流大的包含氧化物半导体的晶体管。此外，可以提供一种关态电流小的包含氧化物半导体的晶体管。此外，可以提供一种功耗得到减少的半导体装置。此外，可以实现使用包含氧化物半导体的晶体管的半导体装置的微型化或高集成化。
<晶体管的结构例子>
注意，本实施方式所示的半导体装置的晶体管500的结构不局限于上述结构。下面，对可用于晶体管500的结构例子进行说明。
<晶体管的结构例子1>
参照图9A、图9B及图9C说明晶体管510A的结构例子。图9A是晶体管510A的俯视图。图9B是在图9A中以点划线L1-L2表示的部分的截面图。图9C是在图9A中以点划线W1-W2表示的部分的截面图。在图9A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分而进行表示。
在图9A、图9B及图9C中示出晶体管510A、被用作层间膜的绝缘体511、绝缘体512、绝缘体514、绝缘体516、绝缘体580、绝缘体582及绝缘体584。此外，示出与晶体管510A电连接且被用作接触插头的导电体546(导电体546a及导电体546b)及被用作布线的导电体503。
晶体管510A包括：被用作第一栅电极的导电体560(导电体560a及导电体560b)；被用作第二栅电极的导电体505(导电体505a及导电体505b)；被用作第一栅极绝缘膜的绝缘体550；被用作第二栅极绝缘膜的绝缘体521、绝缘体522、绝缘体524；包括形成沟道的区域的氧化物530(氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c)；被用作源极和漏极中的一个的导电体542a；被用作源极和漏极中的另一个的导电体542b；绝缘体574。
此外，在图9所示的晶体管510A中，在设置于绝缘体580中的开口中隔着绝缘体574配置有氧化物530c、绝缘体550及导电体560。此外，氧化物530c、绝缘体550及导电体560配置在导电体542a和导电体542b之间。
绝缘体511及绝缘体512被用作层间膜。
作为层间膜，可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶(SrTiO3)或(Ba,Sr)TiO3(BST)等绝缘体的单层或叠层。或者，例如也可以对这些绝缘体添加氧化铝、氧化铋、氧化锗、氧化铌、氧化硅、氧化钛、氧化钨、氧化钇、氧化锆。此外，也可以对这些绝缘体进行氮化处理。还可以将氧化硅、氧氮化硅或氮化硅层叠于上述绝缘体。
例如，绝缘体511优选被用作抑制水或氢等杂质从衬底一侧进入晶体管510A的阻挡膜。因此，作为绝缘体511优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能(不容易使上述杂质透过)的绝缘材料。此外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能(不容易使上述氧透过)的绝缘材料。此外，例如，优选作为绝缘体511使用氧化铝或氮化硅等。通过采用该结构，可以抑制氢、水等杂质从与绝缘体511相比更靠近衬底一侧扩散到晶体管510A一侧。
例如，绝缘体512的介电常数优选比绝缘体511低。通过将介电常数低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
导电体503以嵌入在绝缘体512中的方式形成。在此，导电体503的顶面的高度与绝缘体512的顶面的高度可以大致相同。导电体503具有单层结构，但是本发明不局限于此。例如，导电体503也可以具有两层以上的多层膜结构。作为导电体503，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电性高的导电材料。
在晶体管510A中，导电体560有时被用作第一栅(也称为顶栅极)电极。导电体505有时被用作第二栅(也称为底栅极)电极。在此情况下，通过独立地改变供应到导电体505的电位而不使其与供应到导电体560的电位联动，可以控制晶体管510A的阈值电压。尤其是，通过对导电体505供应负电位，可以使晶体管510A的阈值电压大于0V且可以减小关态电流。因此，与不对导电体505施加负电位时相比，在对导电体505施加负电位的情况下，可以减小对导电体560供应的电位为0V时的漏极电流。
此外，例如通过将导电体505重叠于导电体560，在对导电体560及导电体505供应电位的情况下，从导电体560产生的电场和从导电体505产生的电场连接，可以覆盖形成在氧化物530中的沟道形成区域。
就是说，可以由被用作第一栅电极的导电体560的电场和被用作第二栅电极的导电体505的电场电围绕沟道形成区域。也就是说，与上述晶体管500同样，具有surroundedchannel(S-channel：围绕沟道)结构。
与绝缘体511及绝缘体512同样，绝缘体514及绝缘体516被用作层间膜。例如，绝缘体514优选被用作抑制水或氢等杂质从衬底一侧进入晶体管510A的阻挡膜。通过采用该结构，可以抑制氢、水等杂质从与绝缘体514相比更靠近衬底一侧扩散到晶体管510A一侧。例如，绝缘体516的介电常数优选比绝缘体514低。通过将介电常数低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
在被用作第二栅极的导电体505中，以与绝缘体514及绝缘体516的开口的内壁接触的方式形成有导电体505a，其内侧形成有导电体505b。在此，导电体505a及导电体505b的顶面的高度与绝缘体516的顶面的高度可以大致相同。此外，在晶体管510A中，叠层有导电体505a与导电体505b，但是本发明不局限于此。例如，导电体505可以具有单层结构，也可以具有三层以上的叠层结构。
在此，作为导电体505a优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能(不容易使上述杂质透过)的导电材料。此外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能(不容易使上述氧透过)的导电材料。在本说明书中，“抑制杂质或氧的扩散的功能”是指抑制上述杂质和上述氧中的任一个或全部的扩散的功能。
例如，通过使导电体505a具有抑制氧的扩散的功能，可以抑制因导电体505b氧化而导致导电率的下降。
此外，在导电体505还具有布线的功能的情况下，作为导电体505b，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电性高的导电材料。在此情况下，不一定需要设置导电体503。在附图中，导电体505b具有单层结构，但是也可以具有叠层结构，例如，可以采用钛或氮化钛和上述导电材料的叠层结构。
绝缘体521、绝缘体522及绝缘体524被用作第二栅极绝缘膜。
绝缘体522优选具有阻挡性。当绝缘体522具有阻挡性时，绝缘体522被用作抑制氢等杂质从晶体管510A的周围部进入晶体管510A的层。
作为绝缘体522，例如优选使用包含氧化铝、氧化铪、含有铝及铪的氧化物(硅酸铪)、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶(SrTiO3)或(Ba,Sr)TiO3(BST)等所谓的high-k材料的绝缘体的单层或叠层。当进行晶体管的微型化及高集成化时，由于栅极绝缘膜的薄膜化，有时发生泄漏电流等问题。通过作为被用作栅极绝缘膜的绝缘体使用high-k材料，可以在保持物理厚度的同时降低晶体管工作时的栅极电位。
例如，绝缘体521优选具有热稳定性。例如，因为氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。此外，通过high-k材料的绝缘体与氧化硅或氧氮化硅组合，可以形成具有热稳定性且相对介电常数高的叠层结构的绝缘体521。
注意，在图9中，第二栅极绝缘膜具有三层的叠层结构，但是也可以具有单层结构或两层以上的叠层结构。此时，不局限于使用相同材料构成的叠层结构，也可以是使用不同材料形成的叠层结构。
包括被用作沟道形成区域的区域的氧化物530包括氧化物530a、氧化物530a上的氧化物530b及氧化物530b上的氧化物530c。当在氧化物530b之下设置有氧化物530a时，可以防止杂质从形成在氧化物530a下的结构物扩散到氧化物530b。当在氧化物530b之上设置有氧化物530c时，可以防止杂质从形成在氧化物530c的上方的结构物扩散到氧化物530b。作为氧化物530，可以使用上述金属氧化物之一的氧化物半导体。
优选在设置于绝缘体580中的开口内隔着绝缘体574设置氧化物530c。当绝缘体574具有阻挡性时，可以抑制来自绝缘体580的杂质扩散到氧化物530。
导电体542中的一个被用作源电极，另一个被用作漏电极。
导电体542a、导电体542b可以使用铝、钛、铬、镍、铜、钇、锆、钼、银、钽或钨等金属或者以这些元素为主要成分的合金。尤其是，氮化钽等金属氮化物膜对氢或氧具有阻挡性，且耐氧化性较高，所以是优选的。
此外，虽然在图9中示出导电体542具有单层结构的情况，但是也可以具有两层以上的叠层结构。例如，优选层叠氮化钽膜及钨膜。此外，也可以层叠钛膜及铝膜。此外，也可以采用在钨膜上层叠铝膜的两层结构、在铜-镁-铝合金膜上层叠铜膜的两层结构、在钛膜上层叠铜膜的两层结构、在钨膜上层叠铜膜的两层结构。
此外，也可以使用：在钛膜或氮化钛膜上层叠铝膜或铜膜并在其上形成钛膜或氮化钛膜的三层结构、在钼膜或氮化钼膜上层叠铝膜或铜膜并在其上形成钼膜或氮化钼膜的三层结构等。此外，也可以使用包含氧化铟、氧化锡或氧化锌的透明导电材料。
此外，也可以在导电体542上设置阻挡层。阻挡层优选使用对氧或氢具有阻挡性的物质。通过采用该结构，可以抑制在形成绝缘体574时导电体542氧化。
阻挡层例如可以使用金属氧化物。尤其是，优选使用氧化铝、氧化铪、氧化镓等对氧或氢具有阻挡性的绝缘膜。此外，也可以使用利用CVD法形成的氮化硅。
通过包括阻挡层，可以扩大导电体542的材料的选择范围。例如，导电体542可以使用钨或铝等耐氧化性低且导电性高的材料。此外，例如可以使用容易进行沉积或加工的导电体。
绝缘体550被用作第一栅极绝缘膜。优选在设置于绝缘体580中的开口内隔着氧化物530c及绝缘体574设置绝缘体550。
当进行晶体管的微型化及高集成化时，由于栅极绝缘膜的薄膜化，有时发生泄漏电流等问题。此时，与第二栅极绝缘膜同样，绝缘体550也可以具有叠层结构。通过使被用作栅极绝缘膜的绝缘体具有high-k材料与具有热稳定性的材料的叠层结构，可以在保持物理厚度的同时降低晶体管工作时的栅极电位。此外，可以实现具有热稳定性及高相对介电常数的叠层结构。
被用作第一栅电极的导电体560包括导电体560a及导电体560a上的导电体560b。与导电体505a同样，作为导电体560a优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能的导电材料。此外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能的导电材料。
当导电体560a具有抑制氧的扩散的功能时，可以提高导电体560b的材料的选择性。也就是说，通过包括导电体560a，可以抑制导电体560b的氧化，而可以防止导电率的下降。
作为具有抑制氧的扩散的功能的导电材料，例如，优选使用钽、氮化钽、钌或氧化钌等。此外，作为导电体560a，可以使用可用于氧化物530的氧化物半导体。在此情况下，通过利用溅射法形成导电体560b，可以降低导电体560a的电阻率而使其成为导电体。该导电体可以被称为OC(Oxide Conductor)电极。
由于导电体560b被用作布线，所以优选使用导电性高的导电体。例如，可以使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。导电体560b也可以具有叠层结构，例如，可以采用钛或氮化钛和上述导电材料的叠层结构。
在绝缘体580与晶体管510A之间配置绝缘体574。作为绝缘体574优选使用具有抑制水或氢等杂质及氧的扩散的功能的绝缘材料。例如优选使用氧化铝或氧化铪等。此外，例如，可以使用氧化镁、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕或氧化钽等金属氧化物、氮氧化硅或氮化硅等。
通过包括绝缘体574，可以抑制绝缘体580所包含的水、氢等杂质经过氧化物530c、绝缘体550扩散到氧化物530b。此外，可以抑制绝缘体580所包含的过剩氧使导电体560氧化。
绝缘体580、绝缘体582及绝缘体584被用作层间膜。
与绝缘体514同样，绝缘体582优选被用作抑制水或氢等杂质从外部进入晶体管510A的阻挡绝缘膜。
此外，与绝缘体516同样，绝缘体580及绝缘体584的介电常数优选比绝缘体582低。通过将介电常数较低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
此外，晶体管510A也可以通过嵌入在绝缘体580、绝缘体582及绝缘体584中的导电体546等插头或布线电连接到其他结构。
此外，与导电体505同样，作为导电体546的材料，可以使用金属材料、合金材料、金属氮化物材料或金属氧化物材料等导电材料的单层或叠层。例如，优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料。或者，优选使用铝或铜等低电阻导电材料。通过使用低电阻导电材料可以降低布线电阻。
例如，通过作为导电体546使用对氢及氧具有阻挡性的导电体的氮化钽等与导电性高的钨的叠层结构，可以在保持布线的导电性的同时抑制来自外部的杂质的扩散。
通过具有上述结构，可以提供一种使用包含通态电流大的氧化物半导体的晶体管的半导体装置。或者，可以提供一种使用包含关态电流小的氧化物半导体的晶体管的半导体装置。或者，可以提供一种在电特性变动得到抑制而具有稳定电特性的同时可靠性得到提高的半导体装置。
<晶体管的结构例子2>
参照图10A、图10B及图10C说明晶体管510B的结构例子。图10A是晶体管510B的俯视图。图10B是在图10A中以点划线L1-L2表示的部分的截面图。图10C是在图10A中以点划线W1-W2表示的部分的截面图。在图10A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
晶体管510B是晶体管510A的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与晶体管510A不同之处进行说明。
晶体管510B包括导电体542(导电体542a及导电体542b)与氧化物530c、绝缘体550及导电体560重叠的区域。通过采用该结构，可以提供通态电流高的晶体管。此外，可以提供控制性高的晶体管。
被用作第一栅电极的导电体560包括导电体560a及导电体560a上的导电体560b。与导电体505a同样，作为导电体560a优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能的导电材料。此外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能的导电材料。
当导电体560a具有抑制氧的扩散的功能时，可以提高导电体560b的材料的选择性。也就是说，通过包括导电体560a，可以抑制导电体560b的氧化，而可以防止导电率的下降。
此外，优选以覆盖导电体560的顶面及侧面、绝缘体550的侧面以及氧化物530c的侧面的方式设置绝缘体574。作为绝缘体574优选使用具有抑制水或氢等杂质及氧的扩散的功能的绝缘材料。例如优选使用氧化铝或氧化铪等。此外，例如，可以使用氧化镁、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕或氧化钽等金属氧化物、氮氧化硅或氮化硅等。
通过设置绝缘体574，可以抑制导电体560的氧化。此外，通过包括绝缘体574，可以抑制绝缘体580所包含的水、氢等杂质扩散到晶体管510B。
此外，也可以在导电体546与绝缘体580之间设置具有阻挡性的绝缘体576(绝缘体576a及绝缘体576b)。通过设置绝缘体576，可以抑制绝缘体580的氧与导电体546起反应而导致导电体546氧化。
此外，通过设置具有阻挡性的绝缘体576，可以扩大用于插头或布线的导电体的材料的选择范围。例如，通过作为导电体546使用具有吸收氧的性质且具有高导电性的金属材料，可以提供低功耗的半导体装置。具体而言，可以使用钨或铝等耐氧化性低且导电性高的材料。此外，例如可以使用容易进行成膜或加工的导电体。
<晶体管的结构例子3>
参照图11A、图11B及图11C说明晶体管510C的结构例子。图11A是晶体管510C的俯视图。图11B是在图11A中以点划线L1-L2表示的部分的截面图。图11C是在图11A中以点划线W1-W2表示的部分的截面图。在图11A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
晶体管510C是晶体管510A的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与晶体管510A不同之处进行说明。
图11所示的晶体管510C在导电体542a与氧化物530b之间配置有导电体547a，在导电体542b与氧化物530b之间配置有导电体547b。在此，导电体542a(导电体542b)具有超过导电体547a(导电体547b)的顶面及导电体560一侧的侧面延伸并与氧化物530b的顶面接触的区域。在此，作为导电体547，可以使用可用于导电体542的导电体。此外，导电体547的厚度优选至少厚于导电体542。
由于图11所示的晶体管510C具有上述结构，与晶体管510A相比，可以将导电体542靠近导电体560。或者，可以将导电体542a的端部及导电体542b的端部重叠于导电体560。由此，可以减小晶体管510C的实质上的沟道长度，而可以提高通态电流及频率特性。
此外，导电体547a(导电体547b)优选与导电体542a(导电体542b)重叠。通过采用该结构，在形成嵌入导电体546a(导电体546b)的开口的蚀刻时，导电体547a(导电体547b)被用作蚀刻停止层而可以防止氧化物530b的过蚀刻。
此外，在图11所示的晶体管510C中，也可以以接触于绝缘体544之上的方式配置绝缘体545。绝缘体544优选被用作抑制水或氢等杂质或过剩氧从绝缘体580一侧进入晶体管510C的阻挡绝缘膜。作为绝缘体545，可以使用可用于绝缘体544的绝缘体。此外，作为绝缘体544，例如也可以使用氮化铝、氮化铝钛、氮化钛、氮化硅或氮氧化硅等氮化物绝缘体。
此外，在图11所示的晶体管510C中，与图9所示的晶体管510A不同，导电体505也可以具有单层结构。此时，可以在已形成为图案的导电体505上形成成为绝缘体516的绝缘膜，通过利用CMP法等直到导电体505的顶面露出为止去除该绝缘膜的顶部。在此，优选提高导电体505的顶面的平坦性。例如，导电体505的顶面的平均表面粗糙度(Ra)可以为1nm以下，优选为0.5nm以下，更优选为0.3nm以下。由此，可以提高形成在导电体505上的绝缘层的平坦性，而可以提高氧化物530b及氧化物530c的结晶性。
<晶体管的结构例子4>
参照图12A、图12B及图12C说明晶体管510D的结构例子。图12A是晶体管510D的俯视图。图12B是在图12A中以点划线L1-L2表示的部分的截面图。图12C是在图12A中以点划线W1-W2表示的部分的截面图。在图12A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
晶体管510D是上述晶体管的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与上述晶体管不同之处进行说明。
在图12A至图12C中，将具有第二栅极的功能的导电体505还用作布线而不设置导电体503。此外，在氧化物530c上包括绝缘体550，在绝缘体550上包括金属氧化物552。此外，在金属氧化物552上包括导电体560，在导电体560上包括绝缘体570。此外，在绝缘体570上包括绝缘体571。
金属氧化物552优选具有抑制氧扩散的功能。通过在绝缘体550与导电体560之间设置抑制氧扩散的金属氧化物552，向导电体560的氧扩散得到抑制。换言之，可以抑制供应到氧化物530的氧量的减少。此外，可以抑制因氧导致的导电体560的氧化。
此外，金属氧化物552可以被用作第一栅极的一部分。例如，可以将可用作氧化物530的氧化物半导体用作金属氧化物552。在此情况下，通过利用溅射法形成导电体560，可以降低金属氧化物552的电阻值使其变为导电层(上述OC电极)。
此外，金属氧化物552有时被用作栅极绝缘膜的一部分。因此，在将氧化硅或氧氮化硅等用于绝缘体550的情况下，作为金属氧化物552优选使用作为相对介电常数高的high-k材料的金属氧化物。通过采用该叠层结构，可以形成具有热稳定性且相对介电常数高的叠层结构。因此，可以在保持物理厚度的同时降低在晶体管工作时施加的栅极电位。此外，可以减少被用作栅极绝缘膜的绝缘层的等效氧化物厚度(EOT)。
虽然示出晶体管510D中的金属氧化物552是单层的结构，但是也可以采用两层以上的叠层结构。例如，可以将被用作栅电极的一部分的金属氧化物与被用作栅极绝缘膜的一部分的金属氧化物层叠。
当将金属氧化物552用作栅电极时，可以在不减弱来自导电体560的电场的影响的情况下提高晶体管510D的通态电流。此外，当将金属氧化物552用作栅极绝缘膜时，通过利用绝缘体550及金属氧化物552的物理厚度保持导电体560与氧化物530之间的距离，可以抑制导电体560与氧化物530之间的泄漏电流。由此，通过设置绝缘体550及金属氧化物552的叠层结构，可以容易调节导电体560与氧化物530之间的物理距离及从导电体560施加到氧化物530的电场强度。
具体而言，可以通过使可用于氧化物530的氧化物半导体低电阻化来将其用作金属氧化物552。或者，可以使用包含选自铪、铝、镓、钇、锆、钨、钛、钽、镍、锗和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。
尤其是，优选使用作为包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体的氧化铝、氧化铪、包含铝及铪的氧化物(铝酸铪)等。尤其是，铝酸铪的耐热性比氧化铪膜高。因此，在后面的工序的加热处理中不容易晶化，所以是优选的。注意，金属氧化物552不是必需的构成要素，可以根据所需的晶体管特性适当地设计。
作为绝缘体570优选使用具有抑制水或氢等杂质及氧的透过的功能的绝缘材料。例如优选使用氧化铝或氧化铪等。由此，可以防止导电体560因来自绝缘体570的上方的氧而氧化。此外，可以抑制来自绝缘体570的上方的水或氢等杂质通过导电体560及绝缘体550进入氧化物530中。
绝缘体571被用作硬掩模。通过设置绝缘体571，可以以使导电体560的侧面与衬底表面大致垂直的方式对导电体560进行加工，具体而言，可以使导电体560的侧面与衬底表面所形成的角度为75度以上且100度以下，优选为80度以上且95度以下。
此外，也可以通过作为绝缘体571使用抑制水或氢等杂质及氧的透过的功能的绝缘材料，来将绝缘体571兼作用阻挡层。在此情况下，也可以不设置绝缘体570。
通过将绝缘体571用作硬掩模，选择性地去除绝缘体570、导电体560、金属氧化物552、绝缘体550及氧化物530c的一部分，可以使它们的侧面大致一致，且使氧化物530b的表面的一部分露出。
此外，晶体管510D在露出的氧化物530b的表面的一部分具有区域531a及区域531b。区域531a和区域531b中的一个被用作源区，另一个被用作漏区。
例如通过利用离子注入法、离子掺杂法、等离子体浸没离子注入法或等离子体处理等，对露出的氧化物530b的表面引入磷或硼等杂质元素，来可以形成区域531a及区域531b。注意，在本实施方式等中，“杂质元素”是指主要成分元素之外的元素。
此外，也可以在使氧化物530b的表面的一部分露出之后形成金属膜，然后进行加热处理，来将包含在该金属膜中的元素扩散到氧化物530b中，由此形成区域531a及区域531b。
氧化物530b中的被引入杂质元素的区域的电阻率下降。由此，有时将区域531a及区域531b称为“杂质区域”或“低电阻区域”。
通过将绝缘体571和/或导电体560用作掩模，可以自对准地形成区域531a及区域531b。因此，区域531a和/或区域531b不与导电体560重叠，可以减小寄生电容。此外，偏置区域不形成在沟道形成区域与源漏区域(区域531a或区域531b)之间。通过自对准地形成区域531a及区域531b，可以实现通态电流的增加、阈值电压的降低、工作频率的提高等。
此外，为了进一步降低关态电流，也可以在沟道形成区域与源漏区域之间设置偏置区域。偏置区域是电阻率高的区域，且是不被进行上述杂质元素的引入的区域。通过在形成绝缘体575后进行上述杂质元素的引入，可以形成偏置区域。在此情况下，与绝缘体571等同样，绝缘体575也被用作掩模。因此，氧化物530b的与绝缘体575重叠的区域不被引入杂质元素，由此可以将该区域的电阻率保持为高。
晶体管510D在绝缘体570、导电体560、金属氧化物552、绝缘体550及氧化物530c的侧面包括绝缘体575。绝缘体575优选为相对介电常数低的绝缘体。例如，优选使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、添加有氟的氧化硅、添加有碳的氧化硅、添加有碳及氮的氧化硅、具有空孔的氧化硅或树脂等。尤其是，当将氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅或具有空孔的氧化硅用于绝缘体575时，在后面的工序中可在绝缘体575中容易形成过剩氧区域，所以是优选的。此外，氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。此外，绝缘体575优选具有扩散氧的功能。
此外，晶体管510D在绝缘体575、氧化物530上包括绝缘体574。绝缘体574优选利用溅射法形成。通过利用溅射法，可以形成水或氢等杂质少的绝缘体。例如，作为绝缘体574，优选使用氧化铝。
有时利用溅射法形成的氧化膜从被形成的结构体抽出氢。因此，绝缘体574从氧化物530及绝缘体575吸收氢及水，来可以降低氧化物530及绝缘体575的氢浓度。
<晶体管的结构例子5>
参照图13A至图13C说明晶体管510E的结构例子。图13A是晶体管510E的俯视图。图13B是在图13A中以点划线L1-L2表示的部分的截面图。图13C是在图13A中以点划线W1-W2表示的部分的截面图。在图13A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
晶体管510E是上述晶体管的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与上述晶体管不同之处进行说明。
在图13A至图13C中，在露出的氧化物530b的表面的一部分包括区域531a及区域531b而不设置导电体542。区域531a和区域531b中的一个被用作源区，另一个被用作漏区。此外，在氧化物530b与绝缘体574之间包括绝缘体573。
图13所示的区域531(区域531a及区域531b)是氧化物530b被添加下述元素而成的区域。区域531例如可以利用伪栅极形成。
具体而言，在氧化物530b上设置伪栅极，将该伪栅极用作掩模，对氧化物530b添加使该氧化物530b低电阻化的元素。也就是说，该元素被添加到氧化物530的不与伪栅极重叠的区域中，由此形成区域531。作为该元素的添加方法，可以使用：对离子化了的源气体进行质量分离而添加的离子注入法；不对离子化了的源气体进行质量分离而添加的离子掺杂法；以及等离子体浸没离子注入法等。
此外，作为使氧化物530低电阻化的元素，典型的有硼或磷。此外，也可以使用氢、碳、氮、氟、硫、氯、钛、稀有气体元素等。作为稀有气体元素的典型例子有氦、氖、氩、氪及氙等。该元素的浓度可以利用二次离子质谱分析法(SIMS：Secondary Ion MassSpectrometry)等进行测量。
尤其是，硼及磷可以使用非晶硅或低温多晶硅的生产线的装置，所以是优选的。可以使用已有的设备，由此可以降低设备投资。
接着，也可以在氧化物530b及伪栅极上形成成为绝缘体573的绝缘膜及成为绝缘体574的绝缘膜。通过设置成为绝缘体573的绝缘膜和成为绝缘体574的绝缘膜的叠层，可以设置区域531与氧化物530c及绝缘体550重叠的区域。
具体而言，在成为绝缘体574的绝缘膜上设置成为绝缘体580的绝缘膜，然后对成为绝缘体580的绝缘膜进行CMP(Chemical Mechanical Polishing)处理，去除成为绝缘体580的绝缘膜的一部分，使伪栅极露出。接着，在去除伪栅极时，优选还去除与伪栅极接触的绝缘体573的一部分。由此，在设置于绝缘体580中的开口的侧面，绝缘体574及绝缘体573露出，在该开口的底面，设置在氧化物530b中的区域531的一部分露出。接着，在该开口依次形成成为氧化物530c的氧化膜，成为绝缘体550的绝缘膜及成为导电体560的导电膜，然后利用CMP处理等直到绝缘体580露出为止去除成为氧化物530c的氧化膜、成为绝缘体550的绝缘膜及成为导电体560的导电膜的一部分，由此可以形成图13所示的晶体管。
注意，不一定需要设置绝缘体573及绝缘体574。根据所需要的晶体管特性，适当地设计即可。
图13所示的晶体管可以利用已有的装置，并且不设置导电体542，由此可以降低成本。
<晶体管的结构例子6>
参照图14A至图14C说明晶体管510F的结构例子。图14A是晶体管510F的俯视图。图14B是在图14A中以点划线L1-L2表示的部分的截面图。图14C是在图14A中以点划线W1-W2表示的部分的截面图。在图14A的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
晶体管510F是晶体管510A的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与上述晶体管不同之处进行说明。
在晶体管510A中，绝缘体574的一部分设置在绝缘体580中的开口部内，覆盖导电体560的侧面。在晶体管510F中，通过去除绝缘体580的一部分和绝缘体574的一部分形成开口。
此外，也可以在导电体546与绝缘体580间设置具有阻挡性的绝缘体576(绝缘体576a及绝缘体576b)。通过设置绝缘体576，可以抑制绝缘体580的氧与导电体546发生反应导致导电体546被氧化。
此外，当作为氧化物530使用氧化物半导体时优选采用各金属原子的原子个数比互不相同的多个氧化物层的叠层结构。具体而言，在用于氧化物530a的金属氧化物中，构成元素中的元素M的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物的构成元素中的元素M的原子个数比。此外，在用于氧化物530a的金属氧化物中，相对于In的元素M的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于In的元素M的原子个数比。此外，在用于氧化物530b的金属氧化物中，相对于元素M的In的原子个数比优选大于用于氧化物530a的金属氧化物中的相对于元素M的In的原子个数比。此外，氧化物530c可以使用可用于氧化物530a或氧化物530b的金属氧化物。
氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c优选具有结晶性，尤其是，优选使用CAAC-OS。CAAC-OS等的具有结晶性的氧化物具有杂质及缺陷(氧空位等)少的结晶性高且致密的结构。因此，可以抑制由源电极或漏电极氧从氧化物530b被抽出。因此，即使进行加热处理也可以减少从氧化物530b被抽出的氧，所以晶体管510F对制造工序中的高温度(所谓热预算，thermal budget)也很稳定。
此外，也可以省略氧化物530a及氧化物530c中的一方或双方。氧化物530也可以采用氧化物530b的单层。当作为氧化物530采用氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的叠层时，优选的是，使氧化物530a及氧化物530c的导带底的能量高于氧化物530b的导带底的能量。换言之，氧化物530a及氧化物530c的电子亲和势优选小于氧化物530b的电子亲和势。在此情况下，氧化物530c优选使用可以用于氧化物530a的金属氧化物。具体而言，在用于氧化物530c的金属氧化物中，构成元素中的元素M的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物的构成元素中的元素M的原子个数比。此外，在用于氧化物530c的金属氧化物中，相对于In的元素M的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于In的元素M的原子个数比。此外，在用于氧化物530b的金属氧化物中，相对于元素M的In的原子个数比优选大于用于氧化物530c的金属氧化物中的相对于元素M的In的原子个数比。
在此，在氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部中，导带底的能级平缓地变化。换言之，也可以将上述情况表达为氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部的导带底的能级连续地变化或者连续地接合。为此，优选降低形成在氧化物530a与氧化物530b的界面以及氧化物530b与氧化物530c的界面的混合层的缺陷态密度。
具体而言，通过使氧化物530a与氧化物530b以及氧化物530b与氧化物530c除了氧之外还包含共同元素(为主要成分)，可以形成缺陷态密度低的混合层。例如，在氧化物530b为In-Ga-Zn氧化物的情况下，作为氧化物530a及氧化物530c可以使用In-Ga-Zn氧化物、Ga-Zn氧化物及氧化镓等。此外，氧化物530c可以具有叠层结构。例如，可以使用In-Ga-Zn氧化物和该In-Ga-Zn氧化物上的Ga-Zn氧化物的叠层结构，或者，可以使用In-Ga-Zn氧化物和该In-Ga-Zn氧化物上的氧化镓的叠层结构。换言之，作为氧化物530c，也可以使用In-Ga-Zn氧化物和不包含In的氧化物的叠层结构。
具体而言，作为氧化物530a使用In：Ga：Zn＝1：3：4[原子个数比]或1：1：0.5[原子个数比]的金属氧化物，即可。此外，作为氧化物530b使用In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]或3：1：2[原子个数比]的金属氧化物，即可。此外，作为氧化物530c使用In：Ga：Zn＝1：3：4[原子个数比]、In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]、Ga：Zn＝2：1[原子个数比]或Ga：Zn＝2：5[原子个数比]的金属氧化物，即可。此外，作为氧化物530c具有叠层结构的情况下的具体例子，可以举出In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]和Ga：Zn＝2：1[原子个数比]的叠层结构、In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]和Ga：Zn＝2：5[原子个数比]的叠层结构、In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]和氧化镓的叠层结构等。
此时，载流子的主要路径为氧化物530b。通过使氧化物530a及氧化物530c具有上述结构，可以降低氧化物530a与氧化物530b的界面及氧化物530b与氧化物530c的界面的缺陷态密度。因此，界面散射对载流子传导的影响减少，从而晶体管510F可以得到高通态电流及高频率特性。此外，在氧化物530c具有叠层结构时，被期待降低上述氧化物530b和氧化物530c之间的界面的缺陷态密度的效果及抑制氧化物530c所具有的构成元素扩散到绝缘体550一侧的效果。更具体而言，在氧化物530c具有叠层结构时，因为使不包含In的氧化物位于叠层结构的上方，所以可以抑制会扩散到绝缘体550一侧的In。由于绝缘体550被用作栅极绝缘体，因此在In扩散在其中的情况下导致晶体管的特性不良。由此，通过使氧化物530c具有叠层结构，可以提供可靠性高的显示装置。
作为氧化物530优选使用被用作氧化物半导体的金属氧化物。例如，作为将成为氧化物530的沟道形成区的金属氧化物，优选使用其带隙为2eV以上，优选为2.5eV以上的金属氧化物。如此，通过使用带隙较宽的金属氧化物，可以减小晶体管的关态电流。通过采用这种晶体管，可以提供低功耗的半导体装置。
<晶体管的结构例子7>
虽然在图7及图8中示出被用作栅极的导电体560形成在绝缘体580的开口内部的结构例子，但是例如也可以采用在该导电体的上方设置有该绝缘体的结构。图15、图16示出这种晶体管的结构例子。
图15A是晶体管的俯视图，图15B是晶体管的立体图。此外，图16A示出沿着图15A中的X1-X2的截面图，图16B示出沿着图15A中的Y1-Y2的截面图。
图15、图16所示的晶体管包括具有背栅极的功能的导电体BGE、具有栅极绝缘膜的功能的绝缘体BGI、氧化物半导体S、具有栅极绝缘膜的功能的绝缘体TGI、具有前栅极的功能的导电体TGE、具有布线的功能的导电体WE。此外，导电体PE具有将导电体WE连接到氧化物S、导电体BGE或导电体TGE的插头的功能。注意，在此示出氧化物半导体S由氧化物S1、S2、S3这三层构成的例子。
(实施方式4)
在本实施方式中，对可用于在上述实施方式中说明的OS晶体管的金属氧化物的构成进行说明。
<金属氧化物的构成>
在本说明书等中，有时记载为CAAC(c-axis aligned crystal)或CAC(Cloud-Aligned Composite)。注意，CAAC是指结晶结构的一个例子，CAC是指功能或材料构成的一个例子。
CAC-OS或CAC-metal oxide在材料的一部分中具有导电性的功能，在材料的另一部分中具有绝缘性的功能，作为材料的整体具有半导体的功能。此外，在将CAC-OS或CAC-metal oxide用于晶体管的沟道形成区域的情况下，导电性的功能是使被用作载流子的电子(或空穴)流过的功能，绝缘性的功能是不使被用作载流子的电子流过的功能。通过导电性的功能和绝缘性的功能的互补作用，可以使CAC-OS或CAC-metal oxide具有开关功能(控制On/Off的功能)。通过在CAC-OS或CAC-metal oxide中使各功能分离，可以最大限度地提高各功能。
此外，CAC-OS或CAC-metal oxide包括导电性区域及绝缘性区域。导电性区域具有上述导电性的功能，绝缘性区域具有上述绝缘性的功能。此外，在材料中，导电性区域和绝缘性区域有时以纳米粒子级分离。此外，导电性区域和绝缘性区域有时在材料中不均匀地分布。此外，有时观察到其边缘模糊而以云状连接的导电性区域。
此外，在CAC-OS或CAC-metal oxide中，导电性区域和绝缘性区域有时以0.5nm以上且10nm以下，优选为0.5nm以上且3nm以下的尺寸分散在材料中。
此外，CAC-OS或CAC-metal oxide由具有不同带隙的成分构成。例如，CAC-OS或CAC-metal oxide由具有起因于绝缘性区域的宽隙的成分及具有起因于导电性区域的窄隙的成分构成。在该结构中，当使载流子流过时，载流子主要在具有窄隙的成分中流过。此外，具有窄隙的成分通过与具有宽隙的成分的互补作用，与具有窄隙的成分联动而使载流子流过具有宽隙的成分。因此，在将上述CAC-OS或CAC-metal oxide用于晶体管的沟道形成区域时，在晶体管的导通状态中可以得到高电流驱动力，即，大通态电流及高场效应迁移率。
就是说，也可以将CAC-OS或CAC-metal oxide称为基质复合材料(matrixcomposite)或金属基质复合材料(metal matrix composite)。
<金属氧化物的结构>
氧化物半导体被分为单晶氧化物半导体和非单晶氧化物半导体。作为非单晶氧化物半导体例如有CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多晶氧化物半导体、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、a-like OS(amorphous-like oxide semiconductor)及非晶氧化物半导体等。
作为用于晶体管的半导体的氧化物半导体，优选使用结晶性高的薄膜。通过使用该薄膜可以提高晶体管的稳定性或可靠性。作为该薄膜，例如，可以举出单晶氧化物半导体薄膜或多晶氧化物半导体薄膜。但是，在衬底上形成单晶氧化物半导体薄膜或多晶氧化物半导体薄膜需要进行高温或激光加热的工序。因此，制造工序的成本变高且处理量下降。
非专利文献1及非专利文献2中报告了2009年发现了具有CAAC结构的In-Ga-Zn氧化物(也称为CAAC-IGZO)。在非专利文献1及非专利文献2中，报告了CAAC-IGZO具有c轴取向性、晶界不明确、可以低温形成在衬底上。此外，还报告了使用CAAC-IGZO的晶体管具有优良的电特性及可靠性。
此外，2013年发现了具有nc结构的In-Ga-Zn氧化物(称为nc-IGZO)(参照非专利文献3)。在非专利文献3中，报告了nc-IGZO在微小的区域(例如，1nm以上且3nm以下的区域)中的原子排列具有周期性，在不同区域间观察不到结晶取向的规律性。
非专利文献4及非专利文献5示出分别对上述CAAC-IGZO、nc-IGZO及结晶性低的IGZO的薄膜照射电子束时的平均结晶尺寸的变化。在结晶性低的IGZO薄膜中，在对其照射电子束之前就能够观察到结晶尺寸为1nm左右的结晶性IGZO。因此，在非专利文献4及非专利文献5中报告了在IGZO中没能确认到完全的非晶结构(completely amorphousstructure)的存在。再者，公开了与结晶性低的IGZO薄膜相比CAAC-IGZO薄膜及nc-IGZO薄膜的相对于电子束照射的稳定性较高。因此，作为晶体管的半导体优选使用CAAC-IGZO薄膜或nc-IGZO薄膜。
CAAC-OS具有c轴取向性，其多个纳米晶在a-b面方向上连结而结晶结构具有畸变。注意，畸变是指在多个纳米晶连结的区域中晶格排列一致的区域与其他晶格排列一致的区域之间的晶格排列的方向变化的部分。
虽然纳米晶基本上是六角形，但是并不局限于正六角形，有不是正六角形的情况。此外，在畸变中有时具有五角形或七角形等晶格排列。此外，在CAAC-OS中，即使在畸变附近也观察不到明确的晶界(grain boundary)。即，可知由于晶格排列畸变，可抑制晶界的形成。这可能是由于CAAC-OS因为a-b面方向上的氧原子排列的低密度或因金属元素被取代而使原子间的键合距离产生变化等而能够包容畸变。
CAAC-OS有具有层状结晶结构(也称为层状结构)的倾向，在该层状结晶结构中层叠有包含铟及氧的层(下面称为In层)和包含元素M、锌及氧的层(下面称为(M,Zn)层)。此外，铟和元素M彼此可以取代，在用铟取代(M,Zn)层中的元素M的情况下，也可以将该层表示为(In,M,Zn)层。此外，在用元素M取代In层中的铟的情况下，也可以将该层表示为(In,M)层。
CAAC-OS是结晶性高的氧化物半导体。另一方面，在CAAC-OS中观察不到明确的晶界，因此不容易发生起因于晶界的电子迁移率的下降。此外，氧化物半导体的结晶性有时因杂质的进入或缺陷的生成等而降低，因此可以说CAAC-OS是杂质或缺陷(氧空位等)少的氧化物半导体。因此，包含CAAC-OS的氧化物半导体的物理性质稳定。因此，包含CAAC-OS的氧化物半导体具有高耐热性及高可靠性。此外，CAAC-OS对制造工序中的高温度(所谓热积存；thermal budget)也很稳定。由此，通过在OS晶体管中使用CAAC-OS，可以扩大制造工序的自由度。
在nc-OS中，微小的区域(例如1nm以上且10nm以下的区域，特别是1nm以上且3nm以下的区域)中的原子排列具有周期性。此外，nc-OS在不同的纳米晶之间观察不到结晶取向的规律性。因此，在膜整体中观察不到取向性。所以，有时nc-OS在某些分析方法中与a-likeOS或非晶氧化物半导体没有差别。
a-like OS是具有介于nc-OS与非晶氧化物半导体之间的结构的氧化物半导体。a-like OS包含空洞或低密度区域。也就是说，a-like OS的结晶性比nc-OS及CAAC-OS的结晶性低。
氧化物半导体具有各种结构及各种特性。本发明的一个方式的氧化物半导体也可以包括非晶氧化物半导体、多晶氧化物半导体、a-like OS、nc-OS、CAAC-OS中的两种以上。
<具有氧化物半导体的晶体管>
接着，说明将上述氧化物半导体用于晶体管的情况。
通过将上述氧化物半导体用于晶体管，可以实现场效应迁移率高的晶体管。此外，可以实现可靠性高的晶体管。
非专利文献6公开了使用上述氧化物半导体的晶体管在非导通状态下的泄漏电流极低，具体而言，晶体管的每沟道宽度1μm的关态电流为yA/μm(10-24A/μm)等级(order)。例如，已公开了一种应用了使用氧化物半导体的晶体管的泄漏电流低这一特性的低功耗CPU等(参照非专利文献7)。
此外，还有利用使用氧化物半导体的晶体管的泄漏电流低这一特性将该晶体管应用于显示装置的报告(参照非专利文献8)。在显示装置中，显示图像在1秒间被切换几十次。每1秒钟的图像切换次数被称为“刷新频率”。此外，刷新频率有时被称为“驱动频率”。这样的人眼难以识别的高速画面切换被认为是导致眼睛疲劳的原因。于是，提出了降低显示装置的刷新频率以减少图像改写次数的技术。此外，刷新频率得到降低的驱动可以降低显示装置的功耗。将该驱动方法称为“空转停止(IDS)驱动”。
此外，优选将载流子密度低的氧化物半导体用于晶体管。在要降低氧化物半导体膜的载流子密度的情况下，可以降低氧化物半导体膜中的杂质浓度以降低缺陷态密度。在本说明书等中，将杂质浓度低且缺陷态密度低的状态称为“高纯度本征”或“实质上高纯度本征”。
此外，高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体膜具有较低的缺陷态密度，因此有时具有较低的陷阱态密度。
此外，被氧化物半导体的陷阱能级俘获的电荷到消失需要较长的时间，有时像固定电荷那样动作。因此，在陷阱态密度高的氧化物半导体中形成有沟道形成区域的晶体管的电特性有时不稳定。
因此，为了使晶体管的电特性稳定，减少氧化物半导体中的杂质浓度是有效的。为了减少氧化物半导体中的杂质浓度，优选还减少附近膜中的杂质浓度。作为杂质有氢、氮、碱金属、碱土金属、铁、镍、硅等。
<杂质>
在此，说明氧化物半导体中的各杂质的影响。
在氧化物半导体包含第14族元素之一的硅或碳时，在氧化物半导体中形成缺陷能级。因此，将氧化物半导体中或氧化物半导体的界面附近的硅或碳的浓度(通过二次离子质谱分析法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)测得的浓度)设定为2×1018atoms/cm3以下，优选为2×1017atoms/cm3以下。
此外，当氧化物半导体包含碱金属或碱土金属时，有时形成缺陷能级而形成载流子。因此，使用包含碱金属或碱土金属的氧化物半导体的晶体管容易具有常开启特性。由此，优选减少氧化物半导体中的碱金属或碱土金属的浓度。具体而言，使通过SIMS测得的氧化物半导体中的碱金属或碱土金属的浓度为1×1018atoms/cm3以下，优选为2×1016atoms/cm3以下。
当氧化物半导体包含氮时，容易产生作为载流子的电子，使载流子密度增高，而n型化。其结果是，在将包含氮的氧化物半导体用作半导体的晶体管容易具有常开启特性。因此，优选尽可能地减少该氧化物半导体中的氮，例如，利用SIMS测得的氧化物半导体中的氮浓度低于5×1019atoms/cm3，优选为5×1018atoms/cm3以下，更优选为1×1018atoms/cm3以下，进一步优选为5×1017atoms/cm3以下。
包含在氧化物半导体中的氢与键合于金属原子的氧起反应生成水，因此有时形成氧空位。当氢进入该氧空位时，有时产生作为载流子的电子。此外，有时由于氢的一部分与键合于金属原子的氧键合，产生作为载流子的电子。因此，使用包含氢的氧化物半导体的晶体管容易具有常开启特性。由此，优选尽可能减少氧化物半导体中的氢。具体而言，在氧化物半导体中，将利用SIMS测得的氢浓度设定为低于1×1020atoms/cm3，优选低于1×1019atoms/cm3，更优选低于5×1018atoms/cm3，进一步优选低于1×1018atoms/cm3。
通过将杂质被充分降低的氧化物半导体用于晶体管的沟道形成区域，可以使晶体管具有稳定的电特性。
CAAC结构及nc结构的发现有助于使用CAAC结构或具有nc结构的氧化物半导体的晶体管的电特性及可靠性的提高、制造工序的成本的降低以及处理量的提高。此外，已进行利用上述晶体管的泄漏电流低这一特性将该晶体管应用于显示装置及LSI的研究。
此外，本实施方式可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
(实施方式5)
上述实施方式示出在柔性衬底上设置充电控制电路的例子，但是不局限于此，也可以在同一衬底上设置保护电路、第二开关、二次线圈、传感器等。充电控制电路形成在柔性衬底上，能够弯曲，且可以检测二次电池的微短路等异常。此外，本发明的一个方式的充电控制电路可以设置在二次电池的侧面，可以实现节省空间及所使用的构件的减少。
在本实施方式中，参照图17对包括无线的充电控制系统及充电控制电路的电子设备的例子进行说明。
机器人7100包括二次电池、照度传感器、麦克风、照相机、扬声器、显示器、各种传感器(红外线传感器、超声波传感器、加速度传感器、压电传感器、光传感器、陀螺仪传感器等)及移动机构等。通过对机器人7100的二次电池使用本发明的一个方式的无线的充电控制系统及充电控制电路，可以检测二次电池的过充电及微短路等异常。
麦克风具有检测使用者的声音及周围的声音等音频信号的功能。此外，扬声器具有发出声音及警告音等音频信号的功能。机器人7100可以分析通过麦克风输入的音频信号，从扬声器发出所需要的音频信号。机器人7100可以通过使用麦克风及扬声器与使用者交流。
照相机具有拍摄机器人7100的周围的图像的功能。另外，机器人7100具有使用移动机构移动的功能。机器人7100可以通过使用照相机拍摄周围的图像而分析该图像，判断移动时的障碍物的有无等。
飞行物7120包括螺旋桨、照相机及二次电池等，并具有自主飞行功能。
通过对飞行物7120的二次电池使用本发明的一个方式的无线的充电控制系统及充电控制电路，除了实现轻量化以外还可以检测二次电池的过充电及微短路等异常。
扫地机器人7140包括二次电池、配置在顶面的显示器、配置在侧面的多个照相机、刷子、操作按钮及各种传感器等。虽然未图示，但是扫地机器人7140安装有轮胎、吸入口等。扫地机器人7140可以自动行走，检测垃圾，可以从底面的吸入口吸引垃圾。通过使用与扫地机器人7140的二次电池电连接的本发明的一个方式的无线的充电控制系统及充电控制电路，可以减少所使用的构件且检测二次电池的过充电及微短路等异常。
作为移动体的一个例子示出电动汽车7160。电动汽车7160包括二次电池、轮胎、制动器、转向装置、照相机等。通过使用与电动汽车7160的二次电池连接的本发明的一个方式的无线的充电控制系统及充电控制电路，可以减少所使用的构件且检测二次电池的过充电及微短路等异常。
注意，虽然在上述例子中作为移动体的一个例子说明了电动汽车，但是移动体不局限于电动汽车。例如，作为移动体，可以举出电车、单轨铁路、船舶、飞机(直升机、无人驾驶飞机(无人机)、飞机、火箭)等，通过使用与这些移动体的二次电池电连接的本发明的一个方式的无线的充电控制系统及充电控制电路，可以减少所使用的构件且检测二次电池的过充电及微短路等异常。
可以将包括充电控制电路700的圆筒型二次电池及/或包括充电控制电路730的电池组组装于智能手机7210、PC7220(个人计算机)、游戏机7240、游戏机7260等中。注意，包括充电控制电路700的圆筒型二次电池相当于实施方式1所示的充电控制电路10。此外，包括充电控制电路730的电池组相当于实施方式2所示的充电控制电路914。此外，也可以实现在安装有安全控制小型电池组的驱动的充电控制电路700、730的同时能够应付智能手机的框体的小型化所需的空间节省的结构。
智能手机7210是便携式信息终端的一个例子。智能手机7210包括麦克风、照相机、扬声器、各种传感器及显示部。通过无线的充电控制系统及充电控制电路730控制这些外围设备。通过使用与智能手机7210的二次电池电连接的本发明的一个方式的无线的充电控制系统及充电控制电路，可以减少所使用的构件且检测二次电池的过充电及微短路等异常，由此可以提高安全性。
PC7220各自是笔记本型PC的例子。通过使用与笔记本型PC的二次电池电连接的本发明的一个方式的无线的充电控制系统及充电控制电路，可以减少所示用的构件且检测二次电池的过充电及微短路等异常，由此可以提高安全性。
游戏机7240是便携式游戏机的例子。游戏机7260是家用游戏机的例子。游戏机7260以无线或有线与控制器7262连接。通过将包括充电控制电路730的电池组及/或包括充电控制电路的圆筒型二次电池组装于控制器7262，可以减少所使用的构件且检测二次电池的过充电及微短路等异常。
此外，本发明的一个方式不局限于二次电池，通过在一次电池中包括充电控制电路700或充电控制电路730，可以降低功耗，由此可以抑制电池的泄漏而实现长寿命的电池。并且，可以实现能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
图18A示出可穿戴设备的例子。可穿戴设备的电源使用一次电池或二次电池。另外，为了提高使用者在生活使用或户外使用时的防水性，使用者不仅希望可穿戴设备能够进行用于连接的连接器部分露出的有线充电，还希望能够进行无线充电。
例如，可以安装在图18A所示的眼镜型设备400上。眼镜型设备400包括镜框400a和显示部400b。通过在具有弯曲的镜框400a的镜腿部安装一次电池或二次电池，可以实现重量平衡性好的连续使用时间长的眼镜型设备400。可以在电池侧面包括充电控制电路，而可以实现在安装有安全控制一次电池的驱动的电路的同时能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
另外，可以安装在耳麦型设备401上。耳麦型设备401至少包括麦克风部401a、柔性管401b和耳机部401c。另外，可以在柔性管401b内、耳机部401c内设置一次电池或二次电池。可以在电池侧面包括充电控制电路，而可以实现在安装有安全控制一次电池的驱动的电路的同时能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
另外，可以安装在能直接安在身上的设备402上。可以将一次电池或二次电池402b设置在设备402的薄型框体402a中。可以在电池侧面包括充电控制电路，而可以实现在安装有安全控制一次电池的驱动的电路的同时能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
另外，可以安装在能够安到衣服上的设备403。可以将一次电池或二次电池403b设置在设备403的薄型框体403a中。可以在电池侧面包括充电控制电路，而可以实现在安装有安全控制一次电池的驱动的电路的同时能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
另外，可以安装在腕表型设备405上。腕表型设备405包括显示部405a及腰带部405b，可以将一次电池或二次电池设置在显示部405a或腰带部405b上。可以在电池侧面包括充电控制电路，而可以实现在安装有安全控制一次电池的驱动的电路的同时能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
显示部405a除了能够显示时间之外还可以显示电子邮件或电话来电等各种信息。
另外，由于腕表型设备405为直接缠在手腕上可穿戴设备，所以也可以安装有测量使用者的脉搏、血压等的传感器。由此，可以储存使用者的运动量及与健康有关的数据而将该数据有效用于健康维持。
另外，可以安装在腰带型设备406上。腰带型设备406包括腰带部406a及无线供电受电部406b，可以将一次电池或二次电池安装在腰带部406a的内部。可以在电池侧面包括充电控制电路，而可以实现在安装有安全控制一次电池的驱动的电路的同时能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
此外，通过将本发明的一个方式的充电控制系统用作日用电子产品的蓄电装置，可以提供轻量且使用寿命长的产品。例如，作为日用电子产品，可以举出电动牙刷、电动剃须刀、电动美容器等。这些产品中的蓄电装置被期待为了便于使用者容易握持而具有棒状形状且为小型、轻量、大容量。可以在电池侧面包括充电控制电路，而可以实现在安装有安全控制二次电池或一次电池的驱动的电路的同时能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
图18B示出使用在电池侧面包括充电控制电路的一次电池的检测器诸如火灾警报器的例子。
在图18B中，警报装置8100是一种住宅用火灾警报器，该警报器包括检测部、扬声器部、微型计算机及电池8101。若检测出异常，则可以从警报装置8100的扬声器部输出声音。可以在电池8101侧面包括充电控制电路，因为可以安装有安全控制二次电池或一次电池的驱动的电路并降低功耗，所以可以实现电池泄漏被抑制的长寿命的电池。并且，可以实现能够应付框体的小型化所需的空间节省的结构。
注意，在本说明书中，火灾警报器是指在发生火灾时发出警报的所有装置，其包括诸如住宅用火灾警报器、自动火灾警报设备、用于该自动火灾警报设备的火灾检测器等。
本实施方式可以与其他实施方式等所记载的结构适当地组合而实施。
[符号说明]
10：充电控制电路、11：柔性衬底、12：第一端子、13：第二端子、14：第三端子、15：二次电池、16：充电电路、17：电子设备、18：电极、19：电极、20：第一开关、22：受电电路、23：处理器、24：电源电路、30：天线、31：一次线圈、100：存储单元、101：二次电池、102：比较电路、103：存储器、104：存储器、105：遮断用开关、106：控制电路、201：正极盖、202：电池罐、203：正极端子、204：正极、205：隔离体、206：负极、207：负极端子、208：绝缘板、209：绝缘板、211：PTC元件、212：安全阀机构、300：晶体管、311：衬底、313：半导体区域、314a：低电阻区域、314b：低电阻区域、315：绝缘体、316：导电体、320：绝缘体、322：绝缘体、324：绝缘体、326：绝缘体、328：导电体、330：导电体、350：绝缘体、352：绝缘体、354：绝缘体、356：导电体、360：绝缘体、362：绝缘体、364：绝缘体、366：导电体、370：绝缘体、372：绝缘体、374：绝缘体、376：导电体、380：绝缘体、382：绝缘体、384：绝缘体、386：导电体、400：眼镜型设备、400a：镜框、400b：显示部、401：耳麦型设备、401a：麦克风部、401b：柔性管、401c：耳机部、402：设备、402a：框体、402b：二次电池、403：设备、403a：框体、403b：二次电池、405：腕表型设备、405a：显示部、405b：腰带部、406：腰带型设备、406a：腰带部、406b：无线供电受电部、500：晶体管、503：导电体、503a:导电体、503b：导电体、505：导电体、505a：导电体、505b：导电体、510：绝缘体、510A：晶体管、510B：晶体管、510C：晶体管、510D：晶体管、510E：晶体管、510F：晶体管、511：绝缘体、512：绝缘体、514：绝缘体、516：绝缘体、518：导电体、520：绝缘体、521：绝缘体、522：绝缘体、524：绝缘体、530：氧化物、530a：氧化物、530b：氧化物、530c：氧化物、531：区域、531a：区域、531b：区域、540a：导电体、540b：导电体、542：导电体、542a：导电体、542b：导电体、543：区域、543a：区域、543b：区域、544：绝缘体、545：绝缘体、546：导电体、546a：导电体、546b：导电体、547：导电体、547a：导电体、547b：导电体、548：导电体、550：绝缘体、552：金属氧化物、560：导电体、560a：导电体、560b：导电体、570：绝缘体、571：绝缘体、573：绝缘体、574：绝缘体、575：绝缘体、576：绝缘体、576a：绝缘体、576b：绝缘体、580：绝缘体、581：绝缘体、582：绝缘体、584：绝缘体、586：绝缘体、600：电容器、610：导电体、612：导电体、620：导电体、630：绝缘体、650：绝缘体、700：充电控制电路、730：充电控制电路、910：柔性衬底、911：连接端子、913：二次电池、914：充电控制电路、916：绝缘片层、930：框体、931：负极、932：正极、933：隔离体、950：卷绕体、951：端子、952：端子、1400：蓄电池、1402：正极、1404：负极、7100：机器人、7120：飞行物、7140：扫地机器人、7160：电动汽车、7210：智能手机、7220：PC、7240：游戏机、7260：游戏机、7262：控制器、8100：警报装置、8101：电池
Claims (6)
1.一种充电控制系统，包括：
二次电池；
与所述二次电池的第一端子连接且在放电时传送从所述二次电池输出的电力的第一传送通道；
与所述第一传送通道连接且以与所述二次电池的侧面接触的方式设置在柔性衬底上的充电控制电路；
连接所述充电控制电路与所述二次电池的第二端子的第二传送通道；
遮断所述第二传送通道的第一开关；
与所述充电控制电路电连接的充电电路；
与所述充电电路电连接的受电电路；
与所述受电电路电连接的天线；
在充电时电力从所述受电电路经过所述充电电路供应到所述二次电池的第三传送通道；以及
作为遮断所述第三传送通道的所述充电电路的输出晶体管的第二开关，
其中，所述第一开关在所述二次电池过充电时遮断所述第二传送通道，
当在所述二次电池的充电中所述充电控制电路判断异常时，遮断所述第二传送通道来停止充电，
所述第二开关在所述二次电池过充电时遮断所述第三传送通道，
并且，所述充电电路向所述受电电路通知充电结束。
2.根据权利要求1所述的充电控制系统，其中所述第一开关是使用氧化物半导体的晶体管。
3.根据权利要求1或2所述的充电控制系统，其中所述第二开关是使用氧化物半导体的晶体管。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的充电控制系统，其中在与所述第一开关不同的衬底上设置所述第二开关。
5.一种半导体装置，包括：
二次电池；
与所述二次电池的第一端子连接且在放电时传送从所述二次电池输出的电力的第一传送通道；
与所述第一传送通道连接且以与所述二次电池的侧面接触的方式设置在柔性衬底上的充电控制电路；
连接所述充电控制电路与所述二次电池的第二端子的第二传送通道；
遮断所述第二传送通道的遮断用开关；以及
与所述充电控制电路电连接的充电电路，
其中，所述充电控制电路控制所述遮断用开关和所述充电电路的输出晶体管的双方。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其中所述遮断用开关及所述输出晶体管是使用氧化物半导体的晶体管。
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