CN113196546A - 半导体装置及电池组 - Google Patents
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Abstract
提供一种检测二次电池的劣化的半导体装置。该半导体装置包括容量计及异常电流检测电路及控制电路。容量计包括分流电路及积分电路。异常电流检测电路包括第一存储器、第二存储器及第一比较器。积分电路具有通过对分流电路所检测的检测电流进行积分来将该检测电流转换成检测电压的功能。异常电流检测电路被供应检测电压、在第一时刻被供应的第一信号以及在第二时刻被供应的第二信号。第一信号可以将第一时刻的检测电压储存在第一存储器中，第二信号可以将第二时刻的检测电压储存在第二存储器中。第一比较器将第一时刻的检测电压及第二时刻的检测电压的变化作为第一输出信号输出到控制电路。
Description
技术领域
本发明的一个方式涉及一种半导体装置及半导体装置的工作方法。另外，本发明的一个方式涉及一种充电控制电路、异常检测电路或者二次电池控制系统及电子设备。
另外，本发明的一个方式不限定于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。另外，本发明的一个方式涉及一种工序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或者组合物(composition of matter)。因此，更具体而言，作为本说明书所公开的本发明的一个方式的技术领域的例子，可以举出显示装置、发光装置、蓄电装置、摄像装置、存储装置、这些装置的驱动方法或这些装置的制造方法。
注意，在本说明书等中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置。因此，晶体管或二极管等半导体元件和半导体电路是半导体装置。另外，显示装置、发光装置、照明装置、电光装置及电子设备等有时包括半导体元件或半导体电路。因此，显示装置、发光装置、照明装置、电光装置、摄像装置及电子设备等也有时被称为半导体装置。
背景技术
近年来，对锂离子二次电池、锂离子电容器及空气电池等各种蓄电装置的研究开发日益火热。尤其是，伴随手机、智能手机、平板电脑或笔记本型个人计算机等便携式信息终端、游戏装置、便携式音乐播放机、数码相机、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、或者电动摩托车等的半导体产业的发展，对高输出、高能量密度的锂离子二次电池的需求量急剧增长，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。
专利文献1公开了一种充电控制电路，该充电控制电路能够减少在CCCV(ConstantCurrent Constant Voltage)充电中进行恒流充电时的二次电池的劣化。
[先行技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开第2011-4509号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在专利文献1所公开的结构中，示出用来减少在CCCV充电中进行充电时的二次电池的劣化的充电控制电路。但是，已知二次电池由于反复进行充放电而导致劣化。另外，还已知二次电池由于反复进行充放电而导致发生微短路等不良。
本发明的一个方式的目的之一是通过监视二次电池的充电特性而检测二次电池的不良的半导体装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供降低功耗的半导体装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供充电特性的检测精度良好的半导体装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供工作稳定的半导体装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供可靠性良好的半导体装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供新颖的半导体装置等。
注意，这些目的的记载不妨碍其他目的的存在。注意，本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。另外，说明书、附图以及权利要求书等的记载中显然存在上述目的以外的目的，可以从说明书、附图以及权利要求书等的记载中获得上述目的以外的目的。
解决技术问题的手段
首先，简单地说明二次电池的充放电方法。二次电池的充放电例如可以如下述那样进行。
＜CC充电＞
首先，作为充电方法的一个说明恒流(CC：Constant Current)充电。CC充电是指在充电期间的整个期间中使恒定电流流过二次电池，并且在二次电池的电压成为规定电压时停止充电的充电方法。如图1A所示那样，将二次电池假设为内部电阻器R与二次电池容量C的等效电路。在此情况下，二次电池电压VB是施加到内部电阻器R的电压VR和施加到二次电池容量C的电压VC的总和。
在进行CC充电期间，如图1A所示那样，开关开启，恒定电流I流过二次电池。在此期间，因为电流I恒定，所以施加到内部电阻器R的电压VR根据VR＝R×I的欧姆定律而恒定。另一方面，施加到二次电池容量C的电压VC随着时间经过而上升。因此，二次电池电压VB随着时间经过而上升。
并且，当二次电池电压VB成为规定电压，例如4.3V时，停止充电。当停止CC充电时，如图1B所示那样，开关关闭，成为电流I＝0。因此，施加到内部电阻器R的电压VR成为0V。因此，二次电池电压VB下降。由此，二次电池电压VB与施加到二次电池容量C的电压VC相等。
图1C示出进行CC充电期间及停止CC充电之后的二次电池电压VB与充电电流的例子。在进行CC充电期间上升的二次电池电压VB在停止CC充电之后稍微降低。
＜CCCV充电＞
接着，说明与上述不同的充电方法的恒流恒压电压(CCCV)充电。CCCV充电是指首先进行CC充电而充电到规定电压，然后进行CV(恒压)充电而充电到流过的电流变少，具体而言，充电到成为终止电流值的充电方法。
在进行CC充电期间，如图2A所示那样，恒流电源的开关开启且恒压电源的开关关闭，恒定电流I流过二次电池。在此期间，因为电流I恒定，所以施加到内部电阻器R的电压VR根据VR＝R×I的欧姆定律而恒定。另一方面，施加到二次电池容量C的电压VC随着时间经过而上升。因此，二次电池电压VB随着时间经过而上升。
并且，当二次电池电压VB成为规定电压，例如4.3V时，从CC充电切换为CV充电。在进行CV充电期间，如图2B所示那样，恒流电源的开关开启且恒压电源的开关关闭，二次电池电压VB成为恒定。另一方面，施加到二次电池容量C的电压VC随着时间经过而上升。因为满足VB＝VR+VC，所以施加到内部电阻器R的电压VR随着时间经过而变小。随着施加到内部电阻器R的电压VR变小，流过二次电池的电流I根据VR＝R×I的欧姆定律而变小。
并且，当流过二次电池的电流I成为规定电流，例如相当于0.01C的电流时，停止充电。当停止CCCV充电时，如图2C所示那样，所有开关都关闭，成为电流I＝0。因此，施加到内部电阻器R的电压VR成为0V。但是，因为通过CV充电充分地降低了施加到内部电阻器R的电压VR，所以即使内部电阻器R的电压不再下降，二次电池电压VB也几乎不下降。因此，二次电池电压VB与施加到二次电池容量C的电压VC相等。
图2D示出进行CCCV充电期间及停止CCCV充电之后的二次电池电压VB与充电电流的例子。二次电池电压VB即使在停止CCCV充电之后也几乎不下降。
＜CC放电＞
接着，说明放电方法之一的CC放电。CC放电是指在放电期间的整个期间中从二次电池放出恒定电流，并且在二次电池电压VB成为规定电压，例如2.5V时，停止放电的放电方法。
接着，对放电率及充电率进行说明。放电率是指放电时的电流相对于电池容量的比率，并且由单位C表示。
在额定容量X的电池中，相当于1C的电流是X。在以2X的电流放电的情况下，可以说以2C放电，并且在以0.2X的电流放电的情况下，可以说以0.2C放电。另外，充电率也是同样的，在以2X的电流充电的情况下，可以说以2C充电，并且在以0.2X的电流充电的情况下，可以说以0.2C充电。
在发生微短路等的异常时，突然发生二次电池的充电电压的下降。另一方面，异常电流流过电池内部的与保护电路不同的路径(电池内部)。在图32中，纵轴表示电压且横轴表示时间，并且作为一个例子示出进行充电直到20分钟左右才发生微短路的图表。本发明的一个方式通过检测异常举动而将其结果通知控制电路或处理器来使电源遮断开关处于关闭状态，由此可以停止向二次电池供应电力。
在通过上述充电方法进行充电时，本发明的一个方式可以根据二次电池的充电特性检测二次电池的劣化。另外，二次电池的劣化包括微短路等异常。
本发明的一个方式是一种包括第一电路及第二电路的半导体装置，第一电路包括容量计及异常电流检测电路。容量计包括分流电路及积分电路。异常电流检测电路包括第一存储器、第二存储器及第一比较器。积分电路可以通过对分流电路所检测的检测电流进行积分来将该检测电流转换成检测电压。异常电流检测电路被供应检测电压、在第一时刻被供应的第一信号以及在第二时刻被供应的第二信号。异常电流检测电路可以使用第一信号将第一时刻的检测电压储存在第一存储器中。异常电流检测电路可以使用第二信号将第二时刻的检测电压储存在第二存储器中。第一比较器将第一时刻的检测电压及第二时刻的检测电压的变化作为第一输出信号输出到第二电路。
在上述结构中，在储存在第一存储器中的检测电压大于储存在第二存储器中的检测电压时，第一比较器将第一输出信号输出到第二电路。另外，在储存在第二存储器中的检测电压大于储存在第一存储器中的检测电压时，第一比较器使第一输出信号反转而将其输出到第二电路。
在上述各结构中，容量计包括具有滞后特性的第二比较器，第二比较器可以使用第一判定电压及第二判定电压判定检测电压。在检测电压小于第一判定电压时，第二比较器的输出信号可以使分流电路的输出极性反转。在检测电压大于第二判定电压时，第二比较器的输出信号可以使分流电路的输出极性反转。第二比较器的输出信号被输出到第二电路。
在上述各结构中，第二电路可以由第二比较器的输出信号生成第一信号及第二信号。
在上述各结构中，第二电路可以规定设定时间。第二电路可以在从第二比较器的输出信号的变化点经过设定时间后输出第一信号或第二信号。
在上述各结构中，第二电路优选为控制电路或处理器。
在上述各结构中，优选的是，半导体装置包括晶体管，并且晶体管在半导体层中包括氧化物半导体。
另外，本发明的其他一个方式是一种电池组，包括：设置在柔性衬底上的半导体装置；绝缘片；以及二次电池。
发明效果
根据本发明的一个方式根据本发明的一个方式，可以提供通过监视二次电池的充电特性而检测二次电池的不良的半导体装置等。另外，根据本发明的一个方式，可以提供降低功耗的半导体装置等。另外，根据本发明的一个方式，可以提供充电特性的检测精度良好的半导体装置等。另外，根据本发明的一个方式，可以提供工作稳定的半导体装置等。另外，根据本发明的一个方式，可以提供可靠性良好的半导体装置等。另外，根据本发明的一个方式，可以提供新颖的半导体装置等。
注意，这些效果的记载不妨碍其他效果的存在。注意，本发明的一个方式并不需要具有所有上述效果。另外，说明书、附图以及权利要求书等的记载中显然存在上述效果以外的效果，可以从说明书、附图以及权利要求书等的记载中获得上述效果以外的效果。
附图简要说明
图1A至图1C是说明二次电池的充电方法的图。
图2A至图2D是说明二次电池的充电方法的图。
图3是说明半导体装置的结构例子的图。
图4是说明半导体装置的结构例子的图。
图5是说明半导体装置的电路例子的图。
图6是说明半导体装置的工作例子的图。
图7是说明半导体装置的工作例子的图。
图8A至图8C是说明硬币型二次电池的图。
图9A至图9D是说明圆筒型二次电池的图。
图10A、图10B是说明二次电池的例子的图。
图11A至图11D是说明二次电池的例子的图。
图12A、图12B是说明二次电池的例子的图。
图13是说明二次电池的例子的图。
图14A至图14C是说明贴合型的二次电池的图。
图15A、图15B是说明贴合型的二次电池的图。
图16是示出二次电池的外观的图。
图17是示出二次电池的外观的图。
图18A至图18C是说明二次电池的制造方法的图。
图19A至图19E是说明可弯曲的二次电池的图。
图20A、图20B是说明可弯曲的二次电池的图。
图21A至图21H是说明电子设备的一个例子的图。
图22A、图22B是说明电子设备的一个例子的图。图22C是说明电子设备的充放电控制电路的方框图。
图23是说明电子设备的一个例子的图。
图24A至图24C是说明车辆的一个例子的图。
图25是说明半导体装置的结构例子的图。
图26是说明半导体装置的结构例子的图。
图27A至图27C是说明晶体管的结构例子的图。
图28A、图28B是说明晶体管的结构例子的图。
图29是说明半导体装置的结构例子的图。
图30A、图30B是说明晶体管的结构例子的图。
图31是说明半导体装置的结构例子的图。
图32是说明微短路的图。
图33A是说明放大器电路的电路图。图33B是说明时序图的图。
图34A是芯片照片。图34B是说明半导体装置的电特性的图。
实施发明的方式
参照附图对实施方式进行详细说明。但是，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本发明的方式及详细内容在不脱离其宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。注意，在下面说明的发明结构中，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略反复说明。
另外，为了便于理解，有时在附图等中示出的各构成要素的位置、大小及范围等并不表示其实际的位置、大小及范围等。因此，所公开的发明不一定局限于附图等所公开的位置、大小及范围等。例如，在实际的制造工序中，有时由于蚀刻等处理而抗蚀剂掩模等被非意图性地蚀刻，但是为了便于理解有时省略图示。
另外，在俯视图(也称为“平面图”)或立体图等中，为了便于理解附图，有时省略构成要素的一部分。
另外，在本说明书等中，“电极”或“布线”不在功能上限定其构成要素。例如，有时将“电极”用作“布线”的一部分，反之亦然。再者，“电极”或“布线”还包括多个“电极”或“布线”被形成为一体的情况等。并且，在说明电路时，“布线”包括与电阻一体地形成的情况等。
另外，在本说明书等中，电子电路中的“端子”是指进行电流的输入或输出、电压的输入或输出以及/或者信号的接收或发送的部分。因此，布线或电极的一部分有时被用作端子。
另外，在本说明书等中，“上”或“下”这样的术语不限定于构成要素的位置关系为“正上”或“正下”且直接接触的情况。例如，如果是“绝缘层A上的电极B”的表述，则不一定必须在绝缘层A上直接接触地形成有电极B，也可以包括在绝缘层A与电极B之间包括其他构成要素的情况。
另外，由于“源极”及“漏极”的功能例如在采用不同极性的晶体管时或在电路工作中电流的方向变化时等，根据工作条件等而相互调换，因此很难限定哪个是“源极”哪个是“漏极”。因此，在本说明书中，可以将“源极”和“漏极”互相调换地使用。
在本说明书等中，“电连接”包括直接连接的情况或通过“具有某种电作用的元件”连接的情况。在此，“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接对象间的电信号的授受，就对其没有特别的限制。因此，即便记载为“电连接”，在实际电路中有时存在没有物理连接的部分而只是布线延伸的情况。此外，即便记载为“直接连接”，有时存在不同导电层通过接触体连接的情况。此外，作为布线，不同导电层有时包含一个以上的同一元素或者有时包含不同元素。
另外，在本说明书中，“平行”例如是指在-10°以上且10°以下的角度的范围中配置两条直线的状态。因此，也包括该角度为-5°以上且5°以下的状态。另外，“垂直”或“正交”例如是指在80°以上且100°以下的角度的范围中配置两条直线的状态。因此，也包括该角度为85°以上且95°以下的状态。
另外，在本说明书等中，除非特别叙述，关于计数值或计量值提到“同一”、“相同”、“相等”或“均匀”等的情况下，包括±20％的变动作为误差。
另外，在本说明书中，当在形成抗蚀剂掩模之后进行蚀刻处理时，在没有特别说明的情况下，在蚀刻处理结束之后去除该抗蚀剂掩模。
另外，电压多指某个电位与基准电位(例如，接地电位或源电位)之间的电位差。因此，有时也可以互换“电压”与“电位”的称谓。在本说明书等中，除非特别叙述，电压和电位是可以互换的。
注意，例如在导电性充分低时，有时即便在表示为“半导体”时也具有“绝缘体”的特性。因此，也可以使用“绝缘体”代替“半导体”。此时，“半导体”和“绝缘体”的境界模糊，因此难以精确地区别。由此，有时可以将本说明书所记载的“半导体”换称为“绝缘体”。
另外，例如在导电性充分高时，有时即便在表示为“半导体”时也具有“导电体”的特性。因此，也可以使用“导电体”代替“半导体”。此时，“半导体”和“导电体”的境界模糊，因此难以精确地区别。由此，有时可以将本说明书所记载的“半导体”换称为“导电体”。
注意，本说明书等中的“第一”、“第二”等序数词是为了避免构成要素的混淆而附加的，其并不表示工序顺序或者层叠顺序等某种顺序或次序。注意，关于本说明书等中不附加有序数词的术语，为了避免构成要素的混淆，在权利要求书中有时对该术语附加序数词。注意，关于本说明书等中附加有序数词的术语，在权利要求书中有时对该术语附加不同的序数词。注意，关于本说明书等中附加有序数词的术语，在权利要求书中有时省略其序数词。
注意，在本说明书等中，晶体管的“开启状态”是指晶体管的源极和漏极电短路的状态(还称为“导通状态”)。另外，晶体管的“关闭状态”是指晶体管的源极和漏极电断开的状态(还称为“非导通状态”)。
此外，在本说明书等中，“通态电流”有时是指当晶体管处于开启状态时流过源极和漏极之间的电流。此外，“关态电流(off-state current)”有时是指在晶体管处于关闭状态时流过源极和漏极之间的电流。
注意，在本说明书等中，高电源电位VDD(以下，也简单地称为“VDD”或“H电位”)是指比低电源电位VSS高的电位的电源电位。另外，低电源电位VSS(以下，也简单地称为“VSS”或“L电位”)是指比高电源电位VDD低的电位的电源电位。此外，也可以将接地电位用作VDD或VSS。例如，在VDD是接地电位时，VSS是低于接地电位的电位，在VSS是接地电位时，VDD是高于接地电位的电位。
另外，在本说明书等中，栅极是指栅电极及栅极布线的一部分或全部。栅极布线是指用来电连接至少一个晶体管的栅电极与其他电极或其他布线的布线。
另外，在本说明书等中，源极是指源区域、源电极及源极布线的一部分或全部。源区域是指半导体层中的电阻率为一定值以下的区域。源电极是指导电层中的连接到源区域的部分。源极布线是指用来电连接至少一个晶体管的源电极与其他电极或其他布线的布线。
另外，在本说明书等中，漏极是指漏区域、漏电极及漏极布线的一部分或全部。漏区域是指半导体层中的电阻率为一定值以下的区域。漏电极是指导电层中的连接到漏区域的部分。漏极布线是指用来电连接至少一个晶体管的漏电极与其他电极或其他布线的布线。
(实施方式1)
使用图3至图7说明本发明的一个方式的半导体装置。
本发明的一个方式是一种检测二次电池的劣化的半导体装置。图3示出说明半导体装置的结构例子。半导体装置包括电路10及电路40。电路10包括容量计20、异常电流检测电路30、输出电路11、输出电路12以及端子10a至端子10h。容量计20包括端子20a至端子20f。异常电流检测电路30包括端子30a至端子30d。电路40包括端子40a至端子40d。
二次电池42通过用来检测二次电池42的二次电池电流的监视用电阻器41与布线52电连接。电阻器41的一方电极通过端子10a与端子20a电连接。电阻器41的另一方电极通过端子10d与端子20d电连接。另外，端子10b通过电容器15与端子10c电连接。另外，端子10b与端子20b电连接。另外，端子10c与端子20c电连接。端子20e通过输出电路11与端子10e电连接。端子20f与端子30a电连接。端子30b通过输出电路12与端子10g电连接。
端子10e与端子40a及电阻器43的一方电极电连接。端子10g与端子40c及电阻器44的一方电极电连接。另外，电阻器43的另一方电极及电阻器44的另一方电极与布线53电连接。
端子40b通过端子10f与端子30c电连接。端子40d通过端子10h与端子30d电连接。
容量计20包括使二次电池42的电流分离的分流电路、对所检测的电流进行积分而转换为电压的积分电路以及比较所转换的电压的第一比较电路。该分流电路可以从二次电池42的电压检测电流变化且生成基准电位。该积分电路可以对二次电池42的电流进行积分而生成检测电压。并且，积分电路可以将检测电压施加到异常电流检测电路30。该第一比较电路可以输出比较检测电压与基准电压的结果。注意，第一比较电路在比较检测电压时利用滞后特性。滞后特性具有滞后宽度。滞后宽度根据第一判定电压及第二判定电压设定。另外，第一判定电压及第二判定电压优选由电路40设定。在检测电压在滞后宽度之外时，容量计20使用第一输出信号通知电路40。再者，在检测电压在滞后宽度之外时，异常电流检测电路可以使用第一输出信号反转二次电池42的输出极性。
输出电路11或输出电路12可以使用开漏输出方式。作为一个例子，详细地说明输出电路11。输出电路11使用Nch晶体管。该晶体管的栅极通过容量计20的端子20e被供应第一输出信号。该晶体管的源极与布线54电连接。连接到该晶体管的漏极的电阻器43被用作上拉电阻器。施加到布线53的电压优选为电路40的输入输出接口的电源电压。开漏输出方式是在对使用与施加到电路10的电源电压不同的电源电压工作的电路40输出信号时很合适。
另外，作为用于开漏输出方式的晶体管，可以使用将金属氧化物之一的氧化物半导体用于形成沟道的半导体层的晶体管(也被称为“OS晶体管”)。
OS晶体管的关态电流可以极小。具体而言，可以将室温下的每沟道宽度为1μm的关态电流设定为低于1×10-20A，优选为低于1×10-22A，更优选为低于1×10-24A。
另外，即使在高温环境下，OS晶体管的关态电流也几乎不增加。具体而言，即使在室温以上且200℃以下的环境温度下，关态电流也几乎不增加。通过将OS晶体管用作构成半导体装置的晶体管，可以实现即使在高温环境下也稳定地工作并具有高可靠性的半导体装置。
尤其是，通过将OS晶体管用于输出电路11或输出电路12，可以抑制经由上拉电阻器的电流流过布线54而降低功耗。另外，OS晶体管的源极与漏极间的绝缘耐压性很高。通过使用OS晶体管，可以提供一种可靠性良好的半导体装置等。
在检测出第一输出信号从“H”变化为“L”的情况下，电路40可以在过了所设定的时间后输出第一信号或第二信号。注意，设定时间可以由电路40设定。可以将第一输出信号从“H”变化为“L”直到输出第一信号为止的时间记为第一期间。另外，将从第一输出信号从“H”变化为“L”直到输出第二信号为止的时间记为第二期间。
异常电流检测电路30包括第一存储器、第二存储器及第二比较电路。异常电流检测电路30被供应检测电压、在第一期间后被供应的第一信号以及在第二期间后被供应的第二信号。第一信号可以将第一期间后的检测电压储存在第一存储器中。第二信号可以将第二期间后的检测电压储存在第二存储器中。另外，可以将使检测电压储存在第一存储器中的时刻称为第一时刻且可以将使检测电压储存在第二存储器中的时刻称为第二时刻。第二比较电路可以将第一时刻的检测电压与第二时刻的检测电压的大小关系作为第二输出信号通过输出电路12输出到电路40。
异常电流检测电路30在储存在第一存储器中的检测电压大于储存在第二存储器中的检测电压时可以将第二输出信号输出到电路40。另外，异常电流检测电路30在储存在第二存储器中的检测电压大于储存在第一存储器中的检测电压时可以反转第二输出信号而将其输出到电路40。
另外，电路40可以使用处理器。或者，电路40可以使用由FPGA(Field ProgramableGate Array：现场可编程门阵列)、PLD(Programable Logic Device：可编程逻辑装置)等构成的控制电路。另外，电路10可以包括电路40。在电路10包括电路40时，不需要输出电路11、输出电路12或上拉电阻器。因此，可以减少构件数量。
图4是详细地说明图3中说明的半导体装置的结构例子的图。在图4中说明与图3不同之处，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来表示在发明的结构(或实施例的结构)中相同的部分或具有相同功能的部分，而省略反复说明。
容量计20包括分流电路21、积分电路22及比较器23。分流电路21可以检测二次电池42的电流。积分电路22可以对所检测的电流进行积分而转换成电压。比较器23可以比较所积分的电压。注意，比较器23相当于第一比较电路。
分流电路21包括端子21a至端子21g。积分电路22包括端子22a及端子22b。比较器23包括端子23a至23c。
端子20a与端子21a电连接。端子20b与端子21b电连接。端子20c与端子21c电连接。端子20d与端子21d电连接。端子21g与端子22a电连接。端子22b与端子23a及端子20f电连接。端子23b与端子21e电连接。端子23c与端子21f电连接。
分流电路21可以检测二次电池42的电流变化。积分电路22可以对二次电池42的电流进行积分而生成检测电压。积分电路22可以将检测电压通过积分电路22的端子22b及容量计20的端子20f施加到异常电流检测电路30。
比较器23被施加判定电压Bias1及判定电压Bias2。比较器23具有滞后特性，该滞后宽度根据判定电压Bias1及判定电压Bias2设定。另外，判定电压Bias1及判定电压Bias2优选由电路40设定。比较器23的输出信号通过端子23b供应到端子20e且供应到端子21e。另外，供应到端子20e的比较器23的输出信号通过输出电路11供应到电路40。在检测电压在滞后宽度之外时，比较器23使用比较器23的输出信号通知电路40。再者，在检测电压在滞后宽度之外时，供应到分流电路21的端子21e的比较器23的输出信号可以反转分流电路21的输出极性。
图5是说明本发明的一个方式的半导体装置所包括的电路10的电路例子的图。在图5中，详细地说明图4中说明的电路10，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来表示在发明的结构(或实施例的结构)中相同的部分或具有相同功能的部分，而省略反复说明。
分流电路21包括电阻器R1至电阻器R4、开关S1及开关S2。另外，电阻可以根据布线的长度决定电阻值。或者，电阻可以通过接触体连接到其导电率与布线所使用的导电层不同的导电层来形成。
电阻器R1的一方电极与端子21a电连接。电阻器R1的另一方电极与电阻器R2的一方电极、开关S1的一方电极及端子21b电连接。电阻器R2的另一方电极与电阻器R3的一方电极及端子21h电连接。电阻器R3的另一方电极与电阻器R4的一方电极、开关S2的一方电极及端子21c电连接。电阻器R4的另一方电极与端子21d电连接。开关S1的另一方电极与开关S2的另一方电极及端子21g电连接。
电阻器R1的电阻值优选与电阻器R4相等。另外，电阻器R2的电阻值优选与电阻器R3相等。注意，电阻值包括偏差。例如，电阻值具有-5％以上且+5％以下的偏差范围，优选具有-3％以上且+3％以下的偏差范围，更优选具有-1％以上且+1％以下的偏差范围。
施加到端子21h的输出电压作为积分电路22的基准电压被施加到端子22f。施加到端子21g的检测电流作为积分电路22的输入信号被施加到端子22a。另外，开关S1被施加到端子21e的比较器23的输出信号控制。另外，开关S2被施加到端子21f的比较器23的输出信号的反转信号控制。因此，在充电中开关S1处于开启状态且开关S2处于关闭状态的情况下，作为施加到端子21g的检测电流，施加相对于基准电压的正电流。在开关S2处于开启状态且开关S1处于关闭状态情况下，作为施加到端子21g的检测电流，施加相对于基准电压的负电流。
接着，说明积分电路22。积分电路包括放大器电路22c、电阻器22d及电容器22e。放大器电路22c包括非反相输入端子、反相输入端子及输出端子。端子22a与电阻器22d的一方电极电连接。电阻器22d的另一方电极与放大器电路22c的非反相输入端子及电容器22e的一方电极电连接。端子22f与放大器电路22c的反相输入端子电连接。放大器电路22c的输出端子与电容器22e的另一方电极及端子22b电连接。
施加到端子22a的电流被积分电路22积分而生成检测电压。另外，在开关S1处于开启状态且开关S2处于关闭状态的情况下，作为施加到端子22b的检测电压，施加相对于施加到端子22f的基准电压的正电压。或者，在开关S2处于开启状态且开关S1处于关闭状态的情况下，作为施加到端子22b的检测电压，施加相对于施加到端子22f的基准电压的负电压。
一般而言，电容器具有两个电极隔着介电质对置的结构。电容值与对置的电极的重叠面积及介电质的相对介电常数成比例且与两个电极间的距离成反比。在设置电容器22e的情况下，在电容值过高时半导体装置的占有面积容易变大，所以不是优选的。并且，在电容器22e的电容值较高时积分电路的响应性下降。
因此，在设置电容器22e时，电容器22e的电容值优选为0.01fF以上且100pF以下，更优选为0.05fF以上且10pF以下，进一步优选为0.1fF以上且1pF以下即可。
积分电路22所生成的检测电压通过比较器23的端子23a及端子20f施加到异常电流检测电路30的端子30a。
比较器23包括放大器电路23e、放大器电路23f、电路23g及电路23h。另外，电路23g及电路23h为包括第一输入端子、第二输入端子及输出端子且用作NAND的逻辑门。
端子23a与放大器电路23e的非反相输入端子及放大器电路23f的反相输入端子电连接。放大器电路23e的反相输入端子被施加判定电压Bias1。放大器电路23f的非反相输入端子被施加判定电压Bias2。放大器电路23e的输出端子与电路23g的第一输入端子电连接。放大器电路23f的输出端子与电路23h的第二输入端子电连接。电路23g的输出端子通过电路23h的第一输入端子及端子23c与分流电路的端子21f电连接。电路23h的输出端子通过电路23g的第二输入端子及端子23b与分流电路的端子21e电连接。另外，端子23b通过容量计20的端子20e与输出电路11电连接。
异常电流检测电路30包括存储器32a、存储器32b及放大器电路31a。另外，放大器电路31a被用作第二比较电路。存储器32a包括开关31b及电容器31d。存储器32b包括开关31c及电容器31e。
端子30a与存储器32a的输入端子及存储器32b的输入端子电连接。存储器32a的输出端子与放大器电路31a的反相输入端子电连接。存储器32b的输出端子与放大器电路31a的非反相输入端子电连接。放大器电路31a的输出端子通过端子30b与输出电路12电连接。另外，积分电路22所生成的检测信号作为信号iout被供应到端子30a。
更详细地说明异常电流检测电路30。端子30a与开关31b的一方电极电连接。开关31b的另一方电极与电容器31d的一方电极及放大器电路31a的反相输入端子电连接。电容器31d的另一方电极与布线54电连接。另外，异常电流检测电路30的端子30a与开关31c的一方电极电连接。开关31c的另一方电极与电容器31e的一方电极及放大器电路31a的非反相输入端子电连接。电容器31e的另一方电极与布线54电连接。
开关31b被从电路40通过端子10h接收的信号SHN控制。开关31c被从电路40通过端子10f接收的信号SHP控制。
注意，开关31b及开关31b优选使用OS晶体管。OS晶体管可以使关态电流极小，所以适合用于保持施加到存储器的电压。
另外，OS晶体管的关态电流在高温环境下(例如，50℃以上且150℃以下的环境下)也不容易增加。因此，在高温环境下也可以长期间地保持供应到存储元件(存储器32a或存储器32b)的电压(电荷)。
如此，由OS晶体管及电容器构成存储元件。有时将作为构成存储元件的晶体管使用OS晶体管的存储元件称为“OS存储器”。
电路40在被供应比较器23的输出信号时使用电路40所具有的时间管理功能生成信号SHP及信号SHN。
说明使用信号SHP使存储器32b储存检测电压的方法。电路40从比较器23的输出信号的变化点(输出电路11从关闭状态变化为开启状态)进行时间管理而在从该变化点经过所设定的第一期间后使信号SHP处于“H”状态。存储器32b储存在信号SHP处于“H”的期间被供应到端子30a的检测电压。
接着，说明使用信号SHN使存储器32a储存检测电压的方法。电路40从比较器23的输出信号的变化点(输出电路11从关闭状态变化为开启状态)进行时间管理而在从该变化点经过所设定的第二期间后使信号SHN处于“H”状态。存储器32a储存在信号SHN处于“H”的期间被供应到端子30a的检测电压。
电路40优选在与信号SHN不同的时序输出信号SHP。因此，信号SHP及信号SHN可以检测对应于被供应信号SHP及信号SHN的时刻的检测电压的变化。因此，信号SHP与信号SHN的时间间隔越大越好。该时间间隔可以包括多个信号CCNT的变化点。另外，该时间间隔既可以根据充电循环次数变化，又可以根据二次电池42的充电开始时的检测电压变化。
在储存在存储器32b中的检测电压大于储存在存储器32a中的检测电压时，放大器电路31a输出“H”的信号，该信号在输出电路12被转换成“L”的信号而输出到电路40。作为不同例子，在储存在存储器32a中的检测电压大于储存在存储器32b中的检测电压时，放大器电路31a输出“L”的信号，该信号在输出电路12被转换成“H”的信号而输出到电路40。放大器电路31a的输出信号(信号ABNC)可以通过端子10g被供应到电路40。电路40使用信号ABNC判定二次电池42的输出的变化。
电路40所判定的信号ABNC表示二次电池42的充电特性的倾斜度。在信号ABNC的输出为“H”时，二次电池42的充电特性表示电压上升的变化。在信号ABNC的输出为“L”时，二次电池42的充电特性表示电压下降的变化。
接着，说明输出电路11。输出电路11的输出信号(信号CCNT)可以通过端子10e被供应到电路40。因此，比较器23的输出信号可以通过输出电路11通知电路40，指出检测电压在滞后宽度之外。信号CCNT处于“H”的期间或“L”的期间的时间根据二次电池42的充电特性的倾斜度变化。例如，在二次电池42的充电特性表示电压上升的变化时，周期的时间根据所上升的变化程度缩短。另外，在二次电池42的充电特性表示电压下降的变化时，根据所下降的变化程度周期的时间缩短。
在图6中，说明对二次电池42正常地充电时的工作例子。在图6中，作为一个例子示出对二次电池42正常地充电时的充电特性。图6示出以CCCV充电对二次电池42进行充电时的充电特性。在CCCV充电中，管理CC充电期间和CV充电期间是重要的。在CC充电期间，通过从恒流源对二次电池42施加恒定的充电电流来进行充电。因为充电电流恒定，所以根据欧姆定律施加到二次电池42的内部电阻的电压也恒定。另一方面，施加到二次电池的容量的电压随着时间经过上升。因此，二次电池42的充电电压随着时间经过上升。
在二次电池42的充电电压到达任意电压时，从CC充电期间转移到CV充电期间。在CV充电期间中，通过从恒压源对二次电池42供应恒定的充电电压来进行充电。施加到二次电池的容量C的电压随着时间经过上升，所以施加到二次电池42的内部电阻的电压随着时间经过降低。随着施加到该内部电阻的电压降低，根据欧姆定律流过二次电池42的充电电流也减少。
在图6中，还使用时序图说明半导体装置的工作。在时序图中，使用CV充电时的任意期间进行说明。
信号iout是积分电路22所生成的检测电压。在信号iout的电压在比较器23的滞后宽度的内侧之外时分流电路21的输出反转，其结果信号iout的变化的方向反转。信号iout由积分电路22生成，所以在分流电路21所检测的二次电池42的充电电压的变化量增大时，信号iout的倾斜度变大。另外，在分流电路21所检测的二次电池42的充电电压降低时，信号iout的倾斜度变小。就是说，比较器23的输出信号的周期T1至T7的时间根据信号iout的倾斜度变化。另外，比较器23的输出信号的变化点与信号iout的变化点一致。因此，比较器23的输出信号与信号CCNT同步。
电路40(以下，作为控制部进行说明)在检测信号CCNT的变化点时生成信号SHP及信号SHN。将从信号CCNT的变化点直到输出信号SHP的期间记为期间D1。将从信号CCNT的变化点直到输出信号SHN的期间记为期间D2。作为一个例子，信号SHP1在从信号CCNT的变化点经过所设定的期间D1后使开关31c处于开启状态。因此，信号SHP1变化为“H”的信号。另外，信号SHN1在从信号CCNT的变化点经过所设定的期间D2后使开关31b处于开启状态。因此，信号SHN1变化为“H”的信号。注意，期间D1优选为与期间D2相同的设定时间。
存储器32b在第一时刻(信号SHP从“H”变化为“L”)存储检测电压。存储器32a在第二时刻(信号SHN从“H”变化为“L”)存储检测电压。异常电流检测电路30所包括的放大器电路31a比较储存在存储器32a中的检测电压和储存在存储器32b中的检测电压的大小。在期间D1为与期间D2相同的设定时间时，储存在存储器32a及存储器32b中的检测电压可以表示检测电压的变化量的倾斜度。
在二次电池42处于正常状态时，CV充电时呈现充电电流减少的特性。因此，信号CCNT及信号ABNC的周期T1至T7的时间依次延长。另外，信号SHP1或信号SHP2示出在存储器32b储存检测电压的时序，信号SHN1或信号SHN2示出在存储器32a储存检测电压的时序。控制部利用信号ABNC从“H”变化为“L”或者从“L”变化为“H”的时刻检测周期TD1至周期TD3等的期间的长度。
图6示出在进行CV充电时呈现充电电流减少的倾向的例子。因此，时序图示出储存在存储器中的信号iout的电压按照信号SHP1、信号SHN1、信号SHP2、信号SHN2的顺序依次降低。因此，输出信号ABNC的周期TD1至周期TD3等变长，所以控制部可以判定呈现二次电池42的充电曲线下降的倾向。
图7说明二次电池42劣化而呈现与图6所示的正常状态不同的充电特性的情况的例子。图7示出在进行CV充电时充电电流上升的特性。因此，信号CCNT及信号ABNC的周期T1至T7的时间依次缩减。
图7示出在进行CV充电时按信号SHP1、信号SHN1、信号SHP2、信号SHN2的顺序充电电流增加的倾向的例子。时序中示出储存在存储器中的信号iout的电压按照信号SHP1、信号SHN1、信号SHP2、信号SHN2的顺序依次提高。因此，输出信号ABNC的周期TD1至周期TD3等缩短，所以控制部可以判定呈现二次电池42的充电曲线上升的倾向。
因此，本发明的一个方式的半导体装置可以监视在对二次电池42进行充电时的充电特性并控制充电。例如，通过在进行CV充电时管理充电电流的倾斜度，可以检测二次电池42的劣化状态。因此，该半导体装置被用作二次电池42的异常检测电路。
如实施方式3或实施方式4所示，在本发明的一个方式的半导体装置中，电路40可以高效地使用二次电池42以使各种电子设备工作。另外，在利用电子设备所具有的处理器的功能时，可以将半导体装置换称为二次电池控制系统。
本发明的一个方式的半导体装置不管二次电池42的充电特性发生急剧的变化还是发生缓慢的变化都可以适应。“二次电池42的充电特性发生急剧的变化”包括图32所示那样的微短路等的急剧的变化。因此，通过监视二次电池42的充电特性，可以使该电子设备稳定地工作。另外，通过使用OS晶体管可以降低功耗。
有时将使用OS晶体管的充电控制电路、异常检测电路或二次电池控制系统等称为BTOS(Battery operating system：电池操作系统，或者Battery oxide semiconductor：电池氧化物半导体)。
注意，根据本发明的一个方式的半导体装置不应该被解释为仅限定在本实施方式所示的电路图。根据本发明的一个方式的半导体装置也包括具有与本实施方式所示的电路结构相同的电路结构的半导体装置。
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。
(实施方式2)
在本实施方式中，对在上述实施方式中使用二次电池的形状的例子进行说明。
[硬币型二次电池]
首先，说明硬币型二次电池的一个例子。图8A是硬币型(单层扁平型)二次电池的外观图，图8B是其截面图。
在硬币型二次电池300中，兼用作正极端子的正极罐301和兼用作负极端子的负极罐302由使用聚丙烯等形成的垫片303绝缘并密封。正极304由正极集流体305和以与此接触的方式设置的正极活性物质层306形成。负极307由负极集流体308和以与此接触的方式设置的负极活性物质层309形成。
在用于硬币型二次电池300的正极304及负极307各自包括的活性物质层可以只形成在一个表面。
作为正极罐301及负极罐302，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，为了防止因电解液所引起的腐蚀，正极罐301及负极罐302优选被镍或铝等覆盖。正极罐301与正极304电连接，并且负极罐302与负极307电连接。
通过将这些负极307、正极304及隔离体310浸渗在电解质中，如图8B所示，将正极罐301设置下方按顺序层叠正极304、隔离体310、负极307及负极罐302，并且夹着垫片303压合正极罐301和负极罐302来制造硬币型二次电池300。
在此，参照图8C说明在对二次电池进行充电时电流如何流过。当将使用锂的二次电池看作一个闭路时，锂离子迁移的方向和电流流动的方向相同。注意，在使用锂的二次电池中，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，所以将反应电压高的电极称为正极，而将反应电压低的电极称为负极。由此，在本说明书中，即使在充电时、放电时、供应反向脉冲电流时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8C所示的两个端子与充电器连接，对二次电池300进行充电。随着二次电池300的充电的进展，电极之间的电压差增大。
[圆筒型二次电池]
接着，参照图9对圆筒型二次电池的例子进行说明。图9A示出圆筒型二次电池800的外观图。图9B是示意性地示出圆筒型二次电池800的截面的图。如图9B所示，圆筒型二次电池800在顶面具有正极盖(电池盖)801，并在侧面及底面具有电池罐(外装罐)802。上述正极盖与电池罐(外装罐)802通过垫片(绝缘垫片)810绝缘。
在中空圆柱状电池罐802的内侧设置有电池元件，在该电池元件中，带状的正极804和负极806夹着隔离体805被卷绕。虽然未图示，但是电池元件以中心销为中心被卷绕。电池罐802的一端关闭且另一端开着。作为电池罐802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802优选被镍或铝等覆盖。在电池罐802的内侧，正极、负极及隔离体被卷绕而成的电池元件由对置的一对绝缘板808和绝缘板809夹着。另外，在设置有电池元件的电池罐802的内部中注入有非水电解液(未图示)。作为非水电解液，可以使用与硬币型二次电池相同的电解液。
因为用于圆筒型蓄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804与正极端子(正极集电导线)803连接，而负极806与负极端子(负极集电导线)807连接。正极端子803及负极端子807都可以使用铝等金属材料。将正极端子803电阻焊接到安全阀机构812，而将负极端子807电阻焊接到电池罐802底。安全阀机构812与正极盖801通过PTC元件(Positive Temperature Coefficient：正温度系数)811电连接。当电池的内压上升到超过规定的阈值时，安全阀机构812切断正极盖801与正极804的电连接。另外，PTC元件811是在温度上升时其电阻增大的热敏感电阻元件，并通过电阻的增大来限制电流量以防止异常发热。作为PTC元件，可以使用钛酸钡(BaTiO3)类半导体陶瓷等。
另外，如图9C所示那样，也可以将多个二次电池800夹在导电板813和导电板814之间而构成模块815。多个二次电池800可以被并联连接、被串联连接或者被并联连接后再被串联连接。通过构成包括多个二次电池800的模块815，可以提取较大电力。
图9D是模块815的俯视图。为了明确起见，以虚线表示导电板813。如图9D示出，模块815可以包括使多个二次电池800电连接的导线816。可以以与导线816重叠的方式在导线816上设置导电板。另外，也可以在多个二次电池800之间包括温度控制装置817。在二次电池800过热时可以通过温度控制装置817冷却，在二次电池800过冷时可以通过温度控制装置817加热。由此模块815的性能不容易受到外部气温的影响。温度控制装置817所包括的热媒体优选具有绝缘性及不燃性。
[二次电池的结构例子]
参照图10至图13对二次电池的其他结构例子进行说明。
图10A及图10B是二次电池的外观图。二次电池913通过电路板900与天线914及天线915连接。另外，在二次电池913上贴合有签条910。再者，如图10B所示，二次电池913与端子951和端子952连接。
电路板900包括端子911和电路912。端子911与端子951、端子952、天线914、天线915及电路912连接。另外，也可以设置多个端子911，将多个端子911分别用作控制信号输入端子、电源端子等。
电路912也可以设置在电路板900的背面。另外，天线914及天线915的形状不局限于线圈状，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。或者，天线914或天线915也可以为平板状的导体。该平板状的导体也可以用作电场耦合用导体之一。换言之，也可以将天线914或天线915用作电容器所具有的两个导体中之一。由此，不但利用电磁、磁场，而且还可以利用电场交换电力。
天线914的线宽度优选大于天线915的线宽度。由此，可以增大天线914所受的电力量。
二次电池在天线914及天线915与二次电池913之间包括层916。层916例如具有可遮蔽来自二次电池913的电磁场的功能。作为层916，例如可以使用磁性体。
注意，二次电池的结构不局限于图10所示的结构。
例如，如图11A及图11B所示，也可以在图10A及图10B所示的二次电池913的对置的一对表面分别设置天线。图11A是示出上述一对表面中的一个表面一侧的外观图，图11B是示出上述一对表面中的另一个表面一侧的外观图。另外，与图10A和图10B所示的二次电池相同的部分可以适当地援用图10A和图10B所示的二次电池的说明。
如图11A所示，在二次电池913的一对表面中的一个表面上夹着层916设置有天线914，如图11B所示，在二次电池913的一对表面中的另一个表面上夹着层917设置有天线918。层917例如具有可遮蔽来自二次电池913的电磁场的功能。作为层917，例如可以使用磁性体。
通过采用上述结构，可以增大天线914和天线918双方的尺寸。天线918例如具有与外部设备进行数据通信的功能。作为天线918，例如可以使用具有能应用于天线914的形状的天线。作为利用天线918的二次电池与其他设备之间的通信方法，可以使用NFC(近距离无线通信)等能够在二次电池与其他设备之间使用的响应方式等。
或者，如图11C所示，也可以在图10A及图10B所示的二次电池913上设置显示装置920。显示装置920与端子911电连接。另外，也可以在设置有显示装置920的部分不贴合有签条910。此外，与图10A及图10B所示的二次电池相同的部分可以适当地援用图10A及图10B所示的二次电池的说明。
在显示装置920上，例如可以显示示出是否正在进行充电的图像、示出蓄电量的图像等。作为显示装置920，例如可以使用电子纸、液晶显示装置、电致发光(也称为EL)显示装置等。例如，通过使用电子纸可以降低显示装置920的功耗。
或者，如图11D所示，也可以在图10A和图10B所示的二次电池913中设置传感器921。传感器921通过端子922与端子911电连接。此外，与图10A和图10B所示的二次电池相同的部分可以适当地援用图10A和图10B所示的二次电池的说明。
传感器921例如可以具有测量如下因素的功能：位移、位置、速度、加速度、角速度、转动数、距离、光、液、磁、温度、化学物质、声音、时间、硬度、电场、电流、电压、电力、辐射线、流量、湿度、斜率、振动、气味或红外线。通过设置传感器921，例如可以检测出示出设置有二次电池的环境的数据(温度等)，而将其储存在电路912中的存储器。
再者，参照图12及图13对二次电池913的结构例子进行说明。
图12A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12A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。
另外，如图12B所示，也可以使用多个材料形成图12A所示的框体930。例如，在图12B所示的二次电池913中，框体930a和框体930b是贴合在一起的，在由框体930a及框体930b围绕的区域中设置有卷绕体950。
作为框体930a，可以使用有机树脂等绝缘材料。尤其是，通过将有机树脂等的材料用于形成天线的面，可以抑制由于二次电池913造成的电场屏蔽。另外，如果由于框体930a造成的电场屏蔽小，则也可以在框体930a的内部设置天线914或天线915等天线。作为框体930b，例如可以使用金属材料。
再者，图13示出卷绕体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。另外，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和端子952中的一方与图10所示的端子911连接。正极932通过端子951及端子952中的另一方与图10所示的端子911连接。
[贴合型二次电池]
接着，参照图14至图20对贴合型二次电池的例子进行说明。在将具有柔性的贴合型二次电池安装在至少一部分具有柔性的电子设备时，可以沿着电子设备的变形使二次电池弯曲。
参照图14说明贴合型二次电池980。贴合型二次电池980包括图14A所示的卷绕体993。卷绕体993包括负极994、正极995以及隔离体996。与图13所说明的卷绕体950同样，卷绕体993是夹着隔离体996使负极994和正极995互相重叠来形成叠层片，并且将该叠层片卷绕而形成的。
另外，由负极994、正极995以及隔离体996构成的叠层的叠层个数可以根据所需的容量和元件体积适当地设计。负极994通过导线电极997和导线电极998中的一个与负极集流体(未图示)连接，正极995通过导线电极997和导线电极998中的另一个与正极集流体(未图示)连接。
如图14B所示，在通过热压合等贴合将成为外包装体的薄膜981和具有凹部的薄膜982而形成的空间中容纳上述卷绕体993，由此可以制造图14C所示的二次电池980。卷绕体993包括导线电极997和导线电极998，并使薄膜981和具有凹部的薄膜982所形成的空间浸渗在电解液中。
薄膜981和具有凹部的薄膜982例如由铝等金属材料或树脂材料构成。当作为薄膜981及具有凹部的薄膜982的材料使用树脂材料时，可以在从外部被施加力量时使薄膜981及具有凹部的薄膜982变形，而可以制造具有柔性的蓄电池。
此外，在图14B和图14C中示出使用两个薄膜的例子，但是也可以将一个薄膜弯折形成空间，并且在该空间中容纳上述卷绕体993。
虽然在图14中示出在成为外包装体的薄膜所形成的空间中包括卷绕体的二次电池980的例子，但是也可以采用如图15所示那样在成为外包装体的薄膜所形成的空间中包括长方形的多个正极、隔离体及负极的二次电池。
图15A所示的贴合型二次电池700包括：包含正极集流体701及正极活性物质层702的正极703；包含负极集流体704及负极活性物质层705的负极706；隔离体707；电解液708；以及外包装体709。在设置于外包装体709内的正极703与负极706之间设置有隔离体707。此外，在外包装体709内充满了电解液708。作为电解液708，可以使用实施方式2所示的电解液。
在图15A所示的贴合型二次电池700中，正极集流体701及负极集流体704还用作与外部电接触的端子。因此，也可以配置为正极集流体701及负极集流体704的一部分露出到外包装体709的外侧。此外，使用导线电极对该导线电极与正极集流体701或负极集流体704进行超声波焊接来使导线电极露出到外包装体709的外侧，而不使正极集流体701及负极集流体704露出到外包装体709的外侧。
在贴合型二次电池700中，作为外包装体709，例如可以使用如下三层结构的贴合薄膜：在由聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、离聚物、聚酰胺等的材料构成的膜上设置铝、不锈钢、铜、镍等的高柔性的金属薄膜，并且在该金属薄膜上作为外包装体的外表面设置聚酰胺类树脂、聚酯类树脂等的绝缘性合成树脂薄膜。
另外，图15B示出贴合型二次电池700的截面结构的一个例子。为了简化起见，图15A示出包括两个集流体的例子，但是实际上如图15B所示那样电池包括多个电极层。
在图15B中，例如包括16个电极层。另外，即使包括16个电极层，二次电池700也具有柔性。图15B示出具有8层的负极集流体704和8层的正极集流体701的总和16层的结构。另外，图15B示出负极的提取部的截面，对8层的负极集流体704进行超声波焊接。当然，电极层的个数不局限于16，可以更多或更少。在电极层的个数多的情况下，可以制造具有更多容量的二次电池。此外，在电极层的个数少的情况下，可以制造实现薄型化且具有优良的柔性的二次电池。
在此，图16及图17示出贴合型二次电池700的外观图的一个例子。在图16及图17中包括正极703、负极706、隔离体707、外包装体709、正极导线电极710、以及负极导线电极711。
图18A示出正极703及负极706的外观图。正极703包括正极集流体701，正极活性物质层702形成在正极集流体701的表面上。另外，正极703具有正极集流体701的一部分露出的区域(以下，称为极耳区域(tab region))。负极706具有负极集流体704，负极活性物质层705形成在负极集流体704的表面。此外，负极706具有负极集流体704的一部分露出的区域，即极耳区域。正极及负极所具有的极耳区域的面积或形状不局限于图18A所示的例子。
[贴合型二次电池的制造方法]
在此，参照图18B及图18C对在图16中示出其外观的层压型二次电池的制造方法的一个例子进行说明。
首先，层叠负极706、隔离体707和正极703。图18B示出层叠的负极706、隔离体707和正极703。在此，示出使用5组负极和4组正极的例子。接着，使正极703的极耳区域彼此接合，并且使正极导线电极710与最表面的正极的极耳区域接合。作为接合，例如可以利用超声波焊接等。与此同样，使负极706的极耳区域彼此接合，并且使负极导线电极711与最表面的负极的极耳区域接合。
接着，在外包装体709上配置负极706、隔离体707及正极703。
下面，如图18C所示，使外包装体709沿着以虚线表示的部分折叠。然后，使外包装体709的外周部接合。作为接合，例如可以使用热压合等。此时，为了后面注入电解液708，设置不与外包装体709的一部分(或一个边)接合的区域(以下，称为导入口)。
接着，将电解液708(未图示)从设置在外包装体709中的导入口导入到外包装体709的内侧。优选在减压气氛下或惰性气氛下导入电解液708。最后，使导入口接合。如此，可以制造贴合型二次电池700。
[可弯曲的二次电池]
接着，参照图19以及图20对可弯曲的二次电池的例子进行说明。
图19A示出可弯曲的二次电池250的俯视示意图。图19B、图19C、图19D分别是沿着图19A中的截断线C1-C2、截断线C3-C4、截断线A1-A2的截面示意图。二次电池250包括外包装体251、容纳于外包装体251内部的正极211a及负极211b。与正极211a电连接的导线212a以及与负极211b电连接的导线212b延伸在外包装体251的外侧。此外，在由外包装体251围绕的区域中除了正极211a及负极211b以外还密封有电解液(未图示)。
参照图20说明二次电池250所包括的正极211a及负极211b。图20A是说明正极211a、负极211b及隔离体214的叠层顺序的立体图。图20B是除了正极211a及负极211b以外还示出导线212a及导线212b的立体图。
如图20A所示，二次电池250包括多个长方形正极211a、多个长方形负极211b以及多个隔离体214。正极211a及负极211b分别包括突出的极耳部分以及极耳以外的部分。在正极211a的一个面的极耳以外的部分形成有正极活性物质层，在负极211b的一个面的极耳以外的部分形成有负极活性物质层。
以正极211a的没有形成正极活性物质层的面互相接触且负极211b的没有形成负极活性物质层的面互相接触的方式层叠正极211a及负极211b。
另外，正极211a的形成有正极活性物质层的面与负极211b的形成有负极活性物质层的面之间设置有隔离体214。为方便起见，在图20A中以虚线表示隔离体214。
如图20B所示，多个正极211a与导线212a在接合部215a中电连接。此外，多个负极211b与导线212b在接合部215b中电连接。
接着，参照图19B、图19C、图19D、图19E说明外包装体251。
外包装体251具有薄膜形状，以夹着正极211a及负极211b的方式被对折。外包装体251包括折叠部分261、一对密封部262及密封部263。一对密封部262以夹着正极211a及负极211b的方式设置并也可以称为侧部密封。此外，密封部263包括与导线212a及导线212b重叠的部分并也可以称为顶部密封。
外包装体251优选具有在与正极211a及负极211b重叠的部分交替配置棱线271及谷底线272的波形形状。此外，外包装体251的密封部262及密封部263优选为平坦。
图19B是在与棱线271重叠的部分截断的截面，图19C是在与谷底线272重叠的部分截断的截面。图19B、图19C都对应于二次电池250以及正极211a和负极211b的宽度方向的截面。
这里，正极211a及负极211b的宽度方向的端部，即正极211a及负极211b的端部与密封部262之间的距离为距离La。当使二次电池250弯曲等变形时，如后面所述，正极211a及负极211b在长度方向上互相错开地变形。此时，在距离La过短时，则有可能外包装体251与正极211a及负极211b强烈地摩擦，而造成外包装体251损坏。尤其是，在外包装体251的金属薄膜露出时，该金属薄膜有可能因电解液发生腐蚀。因此，优选距离La尽可能地设为长。另一方面，在距离La过长时，会导致二次电池250的体积增大。
此外，优选的是，层叠的正极211a及负极211b的总厚度越大，正极211a及负极211b与密封部262之间的距离La越长。
更具体而言，在层叠的正极211a、负极211b和未图示的隔离体214的总厚度为t时，距离La为厚度t的0.8倍以上且3.0倍以下，优选为0.9倍以上且2.5倍以下，更优选为1.0倍以上且2.0倍以下。通过使距离La在上述范围内，可以实现小巧且对弯曲具有高可靠性的电池。
此外，当一对密封部262之间的距离为距离Lb时，优选的是距离Lb比正极211a及负极211b的宽度(在此，负极211b的宽度Wb)充分大。由此，在使二次电池250反复弯曲等变形时，由于即使正极211a及负极211b与外包装体251接触，正极211a及负极211b的一部分也可以在宽度方向上错开，所以可以有效地防止正极211a及负极211b与外包装体251摩擦。
例如，一对密封部262之间的距离Lb与负极211b的宽度Wb之差为正极211a及负极211b的厚度t的1.6倍以上且6.0倍以下，优选为1.8倍以上且5.0倍以下，更优选为2.0倍以上且4.0倍以下。
换言之，距离Lb、宽度Wb及厚度t优选满足如下算式1的关系。
[算式1]
这里，a为0.8以上且3.0以下，优选为0.9以上且2.5以下，更优选为1.0以上且2.0以下。
另外，图19D是包括导线212a的截面，对应于二次电池250、正极211a及负极211b的长度方向的截面。如图19D所示，优选在折叠部分261中在正极211a及负极211b的长度方向的端部与外包装体251之间包括空间273。
图19E示出使二次电池250弯曲时的截面示意图。图19E相当于沿着图19A中的截断线B1-B2的截面。
当二次电池250弯曲时，位于弯曲部外侧的外包装体251的一部分变形为延伸，位于弯曲部内侧的外包装体251的其它一部分变形为收缩。更具体而言，外包装体251的位于弯曲的外侧的部分以波的振幅小且波的周期大的方式变形。另一方面，位于外包装体251的内侧的部分以波的振幅大且波的周期小的方式变形。通过上述方式使外包装体251变形，可以缓和因弯曲施加到外包装体251的应力，由此构成外包装体251的材料本身不一定需要具有可伸缩性。其结果是，可以以较小的力量使二次电池250弯曲而不损伤外包装体251。
另外，如图19E所示，当使二次电池250弯曲时，正极211a及负极211b分别相对错开。此时，由于多个层叠的正极211a及负极211b在密封部263一侧的端部由固定构件217固定，因此，它们以离折叠部分261越近其错开量越大的方式错开。由此，可以缓和施加到正极211a及负极211b的应力，并且，正极211a及负极211b本身不一定需要具有可伸缩性。其结果是，可以使二次电池250弯曲而不损伤正极211a及负极211b。
另外，由于在正极211a及负极211b与外包装体251之间包括空间273，所以在弯曲时位于内侧的正极211a及负极211b可以以不与外包装体251接触的方式相对错开。
图19A至图19E以及图20A、图20B所例示的二次电池250是即使反复弯曲伸展也不容易发生外包装体的破损以及正极211a和负极211b的破损等并且电池特性也不容易劣化的电池。
(实施方式3)
在本实施方式中，说明将本发明的一个方式的二次电池安装于电子设备的例子。
首先，图21A至图21H示出将实施方式2所说明的可弯曲的二次电池安装于电子设备的例子。作为使用可弯曲的二次电池的电子设备的例子，可以举出电视装置(也称为电视或电视接收机)、计算机等的显示器、数码相机、数码摄像机、数码相框、移动电话机(也称为移动电话、移动电话装置)、便携式游戏机、便携式信息终端、声音再现装置、弹珠机等大型游戏机。
此外，也可以将柔性二次电池沿着在房屋或高楼的内壁或外壁、汽车的内部装修或外部装修的曲面组装。
图21A示出移动电话机的例子。除了组装在框体7401中的显示部7402以外，移动电话机7400还设置有操作按钮7403、外部连接端口7404、扬声器7405、麦克风7406等。另外，移动电话机7400具有二次电池7407。当将本发明的一个方式的二次电池用作上述二次电池7407时，可以提供轻量且使用寿命长的移动电话机。
图21B示出被弯曲的移动电话机7400。在因外部的力量使移动电话机7400整体弯曲时，包括在移动电话机7400内部的二次电池7407也被弯曲。另外，图21C示出被弯曲的二次电池7407。二次电池7407是薄型蓄电池。二次电池7407在弯曲状态下被固定。此外，二次电池7407具有与集流体电连接的导线电极。例如，集电体是铜箔，使其一部分与镓合金化，提高集流体与接触于集流体的活性物质层的密接性，使得二次电池7407在被弯曲的状态下的可靠性得到提高。
图21D示出手镯型显示装置的例子。便携式显示装置7100具备框体7101、显示部7102、操作按钮7103及二次电池7104。图21E示出被弯曲的二次电池7104。当将弯曲的二次电池7104戴上使用者的胳膊时，二次电池7104的框体变形，使得二次电池7104的一部分或全部的曲率发生变化。在此，以等价圆半径的值表示曲线的任一点的弯曲程度的值是曲率半径，并且将曲率半径的倒数称为曲率。具体而言，框体或二次电池7104的主表面的一部分或全部在曲率半径为40mm以上且150mm以下的范围变形。当二次电池7104的主表面中的曲率半径在40mm以上且150mm以下的范围内时，可以保持高可靠性。当将本发明的一个方式的二次电池用作上述二次电池7104时，可以提供轻量且使用寿命长的便携式显示装置。
图21F示出手表型便携式信息终端的例子。便携式信息终端7200包括框体7201、显示部7202、带子7203、带扣7204、操作按钮7205、输入输出端子7206等。
便携式信息终端7200可以执行移动电话、电子邮件、文章的阅读及编写、音乐播放、网络通信、电脑游戏等各种应用程序。
显示部7202的显示面是弯曲的，能够在弯曲的显示面上显示图像。另外，显示部7202具备触摸传感器，可以用手指或触屏笔等触摸屏幕来进行操作。例如，通过触摸显示于显示部7202的图标7207，可以启动应用程序。
通过利用操作按钮7205，可以进行时刻设定、电源的开启及关闭工作、无线通信的开启及关闭工作、静音模式的设置及取消、省电模式的设置及取消等各种功能。例如，通过利用组装在便携式信息终端7200中的操作系统，可以自由地设定操作按钮7205的功能。
便携式信息终端7200可以执行基于通信标准的近距离无线通信。此时，例如可以进行便携式信息终端7200与可无线通信的耳麦之间的相互通信，因此可以进行免提通话。
另外，便携式信息终端7200具备输入输出端子7206，可以通过连接器直接向其他信息终端发送数据或从其他信息终端接收数据。另外，也可以通过输入输出端子7206进行充电。另外，充电工作也可以利用无线供电进行，而不利用输入输出端子7206。
便携式信息终端7200的显示部7202包括本发明的一个方式的二次电池。当使用本发明的一个方式的二次电池时，可以提供轻量且使用寿命长的便携式信息终端。例如，可以将弯曲状态的图21E所示的二次电池7104设置在框体7201的内部或者可以将二次电池7104以能够弯曲的状态设置在带子7203的内部。
便携式信息终端7200优选包括传感器。作为传感器，例如优选安装指纹传感器、脉搏传感器、体温传感器等人体传感器、触摸传感器、压力传感器、加速度传感器等。
图21G示出袖章型显示装置的例子。显示装置7300具备显示部7304以及本发明的一个方式的二次电池。显示装置7300也可以在显示部7304中具备触摸传感器，并被用作便携式信息终端。
显示部7304的显示面是弯曲的，能够在弯曲的显示面上显示图像。另外，显示装置7300可以利用基于通信标准的近距离无线通信等改变显示状态。
此外，显示装置7300具备输入输出端子，可以通过连接器直接向其他信息终端发送数据或从其他信息终端接收数据。另外，也可以通过输入输出端子进行充电。另外，充电工作也可以利用无线供电进行，而不利用输入输出端子。
当将本发明的一个方式的二次电池用作显示装置7300所包括的二次电池时，可以提供轻量且使用寿命长的显示装置。
另外，参照图21H、图22及图23说明将二次电池安装于电子设备的例子。
当将本发明的一个方式的二次电池用作日用电子设备的二次电池时，可以提供轻量且使用寿命长的产品。作为日用电子设备的例子，可以举出电动牙刷、电动剃须刀、电动美容器。作为这些产品的二次电池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。
图21H是被称为烟液容纳式吸烟装置(电子烟)的装置的立体图。在图21H中，电子烟7500包括：包括加热元件的雾化器(atomizer)7501；对雾化器供电的二次电池7504；包括液体供应容器及传感器等的烟弹(cartridge)7502。为了提高安全性，也可以将防止二次电池7504的过充电及过放电的保护电路电连接到二次电池7504。图21H的二次电池7504包括用来与充电器连接的外部端子。在使用者取拿电子烟7500时，二次电池7504位于顶端部，因此优选其总长度较短且重量较轻。通过利用大容量且循环特性优异的本发明的一个方式的二次电池，可以提供在长期间能够长时间使用的小型轻量的电子烟7500。
接着，图22A和图22B示出能够进行对折的平板终端的例子。图22A和图22B所示的平板终端9600包括框体9630a、框体9630b、连接框体9630a和框体9630b的可动部9640、包括显示部9631a和显示部9631b的显示部9631、开关9625至开关9627、扣件9629以及操作开关9628。通过将柔性面板用于显示部9631，可以实现显示部更大的平板终端。图22A示出被打开的平板终端9600，图22B示出被合上的平板终端9600。
另外，平板终端9600在框体9630a及框体9630b的内部具备蓄电体9635。蓄电体9635穿过可动部9640设置在框体9630a及框体9630b。
显示部9631的整体或一部分可以为触摸面板区域，并且可以通过触摸在上述区域上所显示的包含图标的图像、文字、输入框等来输入数据。例如，可以使框体9630a一侧的显示部9631a的整个面显示键盘并使框体9630b一侧的显示部9631b显示文字、图像等的信息。
另外，可以使框体9630b一侧的显示部9631a显示键盘并使框体9630a一侧的显示部9631b显示文字、图像等的信息。此外，也可以通过使显示部9631显示触摸面板上的键盘显示切换按钮而使用手指或触屏笔等接触，在显示部9631上显示键盘。
另外，可以同时对框体9630a一侧的显示部9631a的触摸面板区域和框体9630b一侧的显示部9631b的触摸面板区域进行触摸输入。
另外，开关9625至9627除了被用于操作平板终端9600的接口以外，还可以被用作可进行各种功能的切换的接口。例如，开关9625至开关9627中的至少一个可以具有切换平板终端9600的开启/关闭的功能。另外，例如，开关9625至开关9627中的至少一个可以具有：切换竖屏显示和横屏显示等显示的方向的功能；以及切换黑白显示和彩色显示的功能。另外，例如，开关9625至开关9627中的至少一个可以具有调节显示部9631的亮度的功能。另外，根据通过平板终端9600所内置的光传感器所检测的使用平板终端9600时的外光量，可以控制显示部9631的亮度。注意，在平板终端中除了光传感器以外还可以内置有陀螺仪传感器或加速度传感器等检测倾斜度的传感器等的其他检测装置。
在图22A中，框体9630a一侧的显示部9631a与框体9630b一侧的显示部9631b的显示面积基本相同，但是对显示部9631a及显示部9631b的显示面积没有特别的限定，其中一方的尺寸与另一方的尺寸可以不同，显示品质也可以不同。例如，显示部9631a和9631b中的一个可以显示比另一个更高清晰地进行显示。
在图22B中，平板终端9600被对折，平板终端9600包括框体9630、太阳能电池9633、具备DCDC转换器9636的充放电控制电路9634。作为蓄电体9635使用根据本发明的一个方式的蓄电体。
如上所述，平板终端9600能够对折，不使用时可以以彼此重叠的方式折叠框体9630a及框体9630b。通过折叠框体9630a及框体9630b，可以保护显示部9631，而可以提高平板终端9600的耐久性。由于使用本发明的一个方式的二次电池的蓄电体9635为大容量且循环特性优异，所以可以提供在长期间能够长时间使用的平板终端9600。
图22A和图22B所示的平板终端9600还可以具有如下功能：显示各种各样的信息(例如，静态图像、动态图像、文字图像)；将日历、日期或时刻等显示在显示部上；对显示在显示部上的信息进行触摸输入操作或编辑的触摸输入；通过各种各样的软件(程序)控制处理；等。
安装在平板终端9600的表面上的太阳能电池9633将电力供应到触摸面板、显示部或图像信号处理部等。注意，太阳能电池9633可以设置在框体9630的一个表面或两个表面，可以高效地对蓄电体9635进行充电。通过作为蓄电体9635使用锂离子电池，有可以实现小型化等的优点。
参照图22C的方框图对图22B所示的充放电控制电路9634的结构和工作进行说明。图22C示出太阳能电池9633、蓄电体9635、DCDC转换器9636、转换器9637、开关SW1至SW3以及显示部9631，蓄电体9635、DCDC转换器9636、转换器9637、开关SW1至SW3对应于图22B所示的充放电控制电路9634。
首先，说明在利用外光使太阳能电池9633发电时的工作的例子。使用DCDC转换器9636对太阳能电池所产生的电力进行升压或降压以使它成为用来对蓄电体9635进行充电的电压。当利用来自太阳能电池9633的电力使显示部9631工作时，使开关SW1开启，并且，利用转换器9637将该电力升压或降压到显示部9631所需要的电压。在不进行显示部9631中的显示时，使开关SW1关闭且使开关SW2开启，由此可以对蓄电体9635进行充电。
注意，作为发电单元的例子示出太阳能电池9633，但是不局限于此，也可以使用压电元件(piezoelectric element)或热电转换元件(珀耳帖元件(Peltier element))等其他发电单元进行蓄电体9635的充电。例如，也可以使用以无线(非接触)的方式收发电力的非接触电力传输模块或组合其他充电方法进行蓄电体9635的充电。
图23示出电子设备的其他例子。在图23中，显示装置8000是使用根据本发明的一个方式的二次电池8004的电子设备的例子。具体地说，显示装置8000相当于电视广播接收用显示装置，包括框体8001、显示部8002、扬声器部8003及二次电池8004等。根据本发明的一个方式的二次电池8004设置在框体8001的内部。显示装置8000可以接收来自商业电源的电力供应，也可以使用蓄积在二次电池8004中的电力。因此，即使由于停电等不能接收来自商业电源的电力供应，通过将根据本发明的一个方式的二次电池8004用作不间断电源，也可以使显示装置8000工作。
作为显示部8002，可以使用半导体显示装置诸如液晶显示装置、在每个像素中具备有机EL元件等发光元件的发光装置、电泳显示装置、DMD(digital micromirror device：数字微镜装置)、PDP(plasma display panel：等离子体显示面板)或FED(field emissiondisplay：场致发射显示器)等。
另外，除了电视广播接收用的显示装置之外，显示装置还包括所有显示信息用显示装置，例如个人计算机用显示装置及广告显示用显示装置等。
在图23中，安镶型照明装置8100是使用根据本发明的一个方式的二次电池8103的电子设备的例子。具体地说，照明装置8100包括框体8101、光源8102及二次电池8103等。虽然图23示出二次电池8103设置在安镶有框体8101及光源8102的天花板8104的内部的情况，但是二次电池8103也可以设置在框体8101的内部。照明装置8100可以接收来自商业电源的电力供应，也可以使用蓄积在二次电池8103中的电力。因此，即使由于停电等不能接收来自商业电源的电力供应，通过将根据本发明的一个方式的二次电池8103用作不间断电源，也可以利用照明装置8100。
另外，虽然在图23中例示出设置在天花板8104的安镶型照明装置8100，但是根据本发明的一个方式的二次电池可以用于设置在天花板8104以外的例如侧壁8105、地板8106或窗户8107等的安镶型照明装置。此外，该二次电池也可以用于台式照明装置等。
另外，作为光源8102，可以使用利用电力人工性地得到光的人工光源。具体地说，作为上述人工光源的例子，可以举出白炽灯泡、荧光灯等放电灯以及LED或有机EL元件等发光元件。
在图23中，具有室内机8200及室外机8204的空调器是使用根据本发明的一个方式的二次电池8203的电子设备的例子。具体地说，室内机8200包括框体8201、送风口8202及二次电池8203等。虽然图23示出二次电池8203设置在室内机8200中的情况，但是二次电池8203也可以设置在室外机8204中。或者，也可以在室内机8200和室外机8204的双方中设置二次电池8203。空调器可以接收来自商业电源的电力供应，也可以使用蓄积在二次电池8203中的电力。尤其是，当在室内机8200和室外机8204的双方中设置有二次电池8203时，即使由于停电等不能接收来自商业电源的电力供应，通过将根据本发明的一个方式的二次电池8203用作不间断电源，也可以利用空调器。
另外，虽然在图23中例示包括由室内机和室外机构成的分体式空调器，但是也可以将根据本发明的一个方式的二次电池用于在一个框体中具有室内机的功能和室外机的功能的一体式空调器。
在图23中，电冷藏冷冻箱8300是使用根据本发明的一个方式的二次电池8304的电子设备的例子。具体地说，电冷藏冷冻箱8300包括框体8301、冷藏室门8302、冷冻室门8303及二次电池8304等。在图23中，二次电池8304设置在框体8301的内部。电冷藏冷冻箱8300可以接收来自商业电源的电力供应，也可以使用蓄积在二次电池8304中的电力。因此，即使由于停电等不能接收来自商业电源的电力供应，通过将根据本发明的一个方式的二次电池8304用作不间断电源，也可以使电冷藏冷冻箱8300工作。
除了上述电子设备以外，微波炉等高频加热装置、电饭煲等的电子设备在短时间内需要高电力。通过将根据本发明的一个方式的二次电池用作用来辅助商业电源不能充分供应的电力的辅助电源，在使用电子设备时可以防止商业电源的总开关跳闸。
另外，在不使用电子设备的时间段，尤其是在商业电源的供应源能够供应的电力总量中的实际使用的电力量的比率(将这种比率称为电力使用率)低的时间段中，可以将电力蓄积在二次电池中，由此可以在上述时间段中降低电力使用率。例如，在为电冷藏冷冻箱8300时，在气温低且不进行冷藏室门8302及冷冻室门8303的开关的夜间，可以将电力蓄积在二次电池8304中。另一方面，在气温高且进行冷藏室门8302及冷冻室门8303的开关的白天，将二次电池8304用作辅助电源，由此可以抑制白天的电力使用率。
根据本发明的一个方式，二次电池可以具有优异的循环特性及高可靠性。此外，根据本发明的一个方式，可以实现大容量的二次电池而可以提高二次电池的特性，而可以使二次电池本身小型化及轻量化。因此，通过将本发明的一个方式的二次电池用于本实施方式所说明的电子设备，可以提供使用寿命更长且更轻量的电子设备。本实施方式可以与其他实施方式适当地组合而实施。
(实施方式4)
在本实施方式中，示出将本发明的一个方式的二次电池安装在车辆的例子。
当将二次电池安装在车辆时，可以实现混合动力汽车(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。
在图24中，例示出使用本发明的一个方式的二次电池的车辆。图24A所示的汽车8400是作为用来行驶的动力源使用电发动机的电动汽车。或者，汽车8400是作为用来行驶的动力源能够适当地使用电发动机或引擎的混合动力汽车。通过使用本发明的一个方式，可以实现行驶距离长的车辆。另外，汽车8400具备二次电池。作为二次电池，可以将图9C及图9D所示的二次电池模块排列在车内的地板部分而使用。另外，可以将组合多个图12所示的二次电池而成的电池组设置在车内的地板部分。二次电池不但驱动电发动机8406，而且还可以将电力供应到车头灯8401或室内灯(未图示)等发光装置。
另外，二次电池可以将电力供应到汽车8400所具有的速度表、转速计等显示装置。此外，二次电池可以将电力供应到汽车8400所具有的导航系统等半导体装置。
在图24B所示的汽车8500中，可以通过利用插电方式或非接触供电方式等从外部的充电设备接收电力，来对汽车8500所具有的二次电池进行充电。图24B示出从地上设置型的充电装置8021通过电缆8022对安装在汽车8500中的二次电池8024进行充电的情况。当进行充电时，作为充电方法或连接器的规格等，可以根据CHAdeMO(注册商标)或联合充电系统“Combined Charging System”等的规定的方式而适当地进行。作为充电装置8021，也可以使用设置在商业设施的充电站或家庭的电源。例如，通过利用插电技术从外部供应电力，可以对安装在汽车8500中的二次电池8024进行充电。可以通过ACDC转换器等转换装置将交流电力转换成直流电力来进行充电。
另外，虽然未图示，但是也可以将受电装置安装在车辆中并从地上的送电装置非接触地供应电力来进行充电。当利用非接触供电方式时，通过在公路或外壁中组装送电装置，不但停车中而且行驶中也可以进行充电。此外，也可以利用该非接触供电方式，在车辆之间进行电力的发送及接收。再者，还可以在车辆的外部设置太阳能电池，在停车时或行驶时进行二次电池的充电。可以利用电磁感应方式或磁场共振方式实现这样的非接触供电。
图24C是使用本发明的一个方式的二次电池的两轮车的例子。图24C所示的小型摩托车8600包括二次电池8602、侧后视镜8601及方向灯8603。二次电池8602可以对方向灯8603供电。
此外，在图24C所示的小型摩托车8600中，可以将二次电池8602收纳在座位下收纳箱8604中。即使座位下收纳箱8604为小型，也可以将二次电池8602收纳在座位下收纳箱8604中。二次电池8602是可拆卸的，因此在充电时将二次电池8602搬到室内，对其进行充电，行驶之前将二次电池8602收纳即可。
通过采用本发明的一个方式，可以提高二次电池的循环特性且可以增大二次电池的容量。由此，可以使二次电池本身小型轻量化。另外，如果可以使二次电池本身小型轻量化，就有助于实现车辆的轻量化，从而可以延长行驶距离。另外，可以将安装在车辆中的二次电池用作车辆之外的电力供应源。此时，例如可以避免在电力需求高峰时使用商业电源。如果可以避免在电力需求高峰时使用商业电源，就有助于节省能量以及二氧化碳排放量的减少。此外，如果循环特性优异，就可以长期间使用二次电池，从而可以降低钴等稀有金属的使用量。
本实施方式可以与其他实施方式适当地组合而实施。
(实施方式5)
在本实施方式中，对在上述实施方式中说明的能够应用于半导体装置的晶体管的结构进行说明。具体而言，说明层叠设置具有不同电特性的晶体管的结构。通过采用该结构，可以提高半导体装置的设计自由度。另外，通过层叠设置具有不同电特性的晶体管，可以提高半导体装置的集成度。
图25所示的半导体装置包括晶体管390、晶体管500及电容器600。图27A是晶体管500的沟道长度方向上的截面图，图27B是晶体管500的沟道宽度方向上的截面图，图27C是晶体管390的沟道宽度方向上的截面图。
晶体管500是OS晶体管。晶体管500的关态电流小。因此，例如通过作为在上述实施方式中说明的OS晶体管的结构采用与晶体管500相同的结构，可以长期间保持电压。
在本实施方式中说明的半导体装置如图25所示包括晶体管390、晶体管500及电容器600。晶体管500设置在晶体管390的上方，电容器600设置在晶体管390及晶体管500的上方。例如，作为上述实施方式中说明的晶体管的结构采用与晶体管390相同的结构，并且作为电容器的结构采用与电容器600相同的结构。
晶体管390设置在衬底311上，并包括：由导电体316、绝缘体315、衬底311的一部分构成的半导体区域313；以及被用作源区域或漏区域的低电阻区域314a及低电阻区域314b。
如图27C所示，在晶体管390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390具有Fin型结构，实效上的沟道宽度增加。因此，可以改善晶体管390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390的关闭特性。
另外，晶体管390可以为p沟道型晶体管或n沟道型晶体管。
半导体区域313的沟道形成区域、其附近的区域、被用作源区域或漏区域的低电阻区域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。可以使用对晶格施加应力，改变晶面间距而控制有效质量的硅。此外，晶体管390也可以是使用GaAs和GaAlAs等的HEMT(High Electron Mobility 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，由于导电体的材料决定功函数，所以通过选择该导电体的材料，可以调整晶体管的阈值电压。具体而言，作为导电体优选使用氮化钛或氮化钽等材料。为了兼具导电性和埋入性，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25所示的晶体管390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。例如，当在半导体装置中使用只有OS晶体管的单极性电路时，如图26所示，作为晶体管390的结构采用与只使用OS晶体管的晶体管500相同的结构即可。在后面说明晶体管500的结构。图26所示的晶体管390例如可以采用图26所示那样的n沟道型晶体管。
在本说明书等中，单极性电路例如是指所有晶体管都具有相同极性的电路。例如，可以说所有晶体管都为n沟道型晶体管的电路是单极性电路。
以覆盖晶体管390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。
注意，在本说明书中，“氧氮化硅”是指在其组成中氧含量多于氮含量的材料，而“氮氧化硅”是指在其组成中氮含量多于氧含量的材料。注意，在本说明书中，“氧氮化铝”是指氧含量多于氮含量的材料，“氮氧化铝”是指氮含量多于氧含量的材料。
绝缘体322也可以被用作使因设置在其下方的晶体管390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390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390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中埋入与电容器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，有时使用同一附图标记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，尤其优选使用钨。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25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390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，在设置在对氢具有阻挡性的绝缘体350中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390与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管390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390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25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，在设置在对氢具有阻挡性的绝缘体360中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390与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管390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25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或导电体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390与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管390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25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或导电体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，在设置在对氢具有阻挡性的绝缘体380中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390与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管390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等或设置有晶体管390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优选使用与绝缘体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390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。
另外，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的金属氧化物释放。因此，氧化铝适合用于晶体管500的保护膜。
另外，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，通过作为上述绝缘体使用介电常数较低的材料，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中例如埋入有导电体518、构成晶体管500的导电体(例如，导电体503)等。此外，导电体518被用作与电容器600或晶体管390连接的插头或布线。导电体518可以使用与导电体328或导电体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390与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管390扩散到晶体管500中。
在绝缘体514的上方设置有晶体管500。
如图27A和图27B所示，晶体管500包括：嵌入在绝缘体514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；配置在开口的底面及侧面上的氧化物530c；配置在氧化物530c的形成面的绝缘体550；以及配置在绝缘体550的形成面上的导电体560。
另外，如图27A和图27B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之间配置绝缘体544。此外，如图27A和图27B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27A和图27B所示，优选在氧化物530c、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总称为氧化物530。
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。另外，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25、图26、图27A及图27B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500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填埋于绝缘体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或导电体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)电极。在此情况下，通过独立地改变施加到导电体503的电压而不使其与施加到导电体560的电压联动，可以控制晶体管500的阈值电压。尤其是，通过对导电体503施加负电压，可以使晶体管500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503施加负电压时相比，在对导电体503施加负电压的情况下，可以减小对导电体560施加的电压为0V时的漏极电流。
导电体503以具有与氧化物530及导电体560重叠的区域的方式配置。由此，在对导电体560及导电体503施加电压的情况下，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。
另外，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。另外，在晶体管500中，层叠有导电体503a与导电体503b，但是本发明不局限于此。例如，导电体503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503a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。另外，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。在本说明书等中，“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503a具有抑制氧的扩散的功能，可以抑制因导电体503b氧化而导致导电率的下降。
另外，在导电体503还具有布线的功能的情况下，作为导电体503b，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503a。在附图中，导电体503b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520、绝缘体522及绝缘体524被用作第二栅极绝缘膜。
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。另外，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。
另外，也可以将具有上述过剩氧区域的绝缘体与氧化物530接触而进行加热处理、微波处理和RF处理中的一个或多个处理。通过进行该处理，可以去除氧化物530中的水或氢。例如，在氧化物530中，发生VoH的键合切断的反应，换言之，发生“VoH→Vo+H”的反应而可以实现脱氢化。在此产生的氢的一部分有时与氧键合而作为H2O从氧化物530或氧化物530附近的绝缘体被去除。另外，氢的一部分有时向导电体542(导电体542a及导电体542b)扩散或者被导电体542(导电体542a及导电体542b)俘获(也称为被吸杂)。
另外，上述微波处理例如优选使用具有产生高密度等离子体的功率的装置或对衬底一侧施加RF的功率的装置。例如，通过使用包含氧的气体且使用高密度等离子体，可以产生高密度的氧自由基，并且通过对衬底一侧施加RF，可以将由高密度等离子体产生的氧自由基有效地导入到氧化物530或氧化物530附近的绝缘体中。另外，在上述微波处理中，压力为133Pa以上，优选为200Pa以上，更优选为400Pa以上即可。另外，作为向进行微波处理的装置内导入的气体例如使用氧及氩，并且氧流量比(O2/(O2+Ar))为50％以下，优选为10％以上且30％以下。
另外，在晶体管500的制造工序中，优选以氧化物530的表面露出的状态进行加热处理。该加热处理例如优选以100℃以上且450℃以下，更优选以350℃以上且400℃以下进行。加热处理在氮气体或惰性气体气氛或者包含10ppm以上、1％以上或10％以上的氧化性气体的气氛下进行。因此，可以对氧化物530供应氧而可以减少氧空位(VO)。另外，加热处理也可以在减压状态下进行。或者，加热处理也可以在氮气体或惰性气体气氛下进行加热处理，然后为了填补脱离了的氧在包含10ppm以上、1％以上或10％以上的氧化性气体的气氛下进行加热处理。或者，也可以在包含10ppm以上、1％以上或10％以上的氧化性气体的气氛下进行加热处理之后，在氮气体或惰性气体气氛下连续进行加热处理。
另外，通过对氧化物530进行加氧化处理，可以将氧化物530中的氧空位由所供应的氧填补，换言之，可以促进“VO+O→null”的反应。再者，在残留在氧化物530中的氢与供应到氧化物530的氧起反应，可以将该氢作为H2O去除(进行脱水化)。由此，可以抑制残留在氧化物530中的氢再键合于氧空位而形成VOH。
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。另外，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、含有铝及铪的氧化物(铝酸铪)、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压。
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、氧化铪或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。
另外，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。另外，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。
在图27A及图27B的晶体管500中，作为由三层叠层结构构成的第二栅极绝缘膜使用绝缘体520、绝缘体522及绝缘体524，但是第二栅极绝缘膜也可以具有单层、两层或四层以上的叠层结构。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。尤其是，能够应用于氧化物530的In-M-Zn氧化物优选为CAAC-OS(C-Axls AlignedCrystal Oxide Semiconductor)或CAC-OS(Cloud-Aligned Composite OxideSemiconductor)。此外，作为氧化物530，也可以使用In-Ga氧化物、In-Zn氧化物。关于CAAC-OS及CAC-OS，在后面进行说明。
另外，作为晶体管500优选使用载流子浓度低的金属氧化物。在降低金属氧化物的载流子浓度的情况下，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。另外，在氢进入氧化物530的氧空位时，有时氧空位与氢键合而形成VOH。VOH有时被用作供体且生成作为载流子的电子。另外，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，使用包含较多的氢的金属氧化物的晶体管容易具有常开启特性。另外，金属氧化物中的氢受热、电场等的作用容易移动，所以在金属氧化物包含较多的氢时，晶体管的可靠性有可能降低。在本发明的一个方式中，优选尽量降低氧化物530中的VOH而成为高纯度本征或实质上高纯度本征。为了获得如此那样的VOH十分降低的金属氧化物，重要的是：去除金属氧化物中的水分、氢等杂质(有时记为脱水、脱氢化处理。)；以及对金属氧化物供应氧而填补氧空位(有时记为加氧化处理。)。通过将VOH等杂质十分降低的金属氧化物用于晶体管的沟道形成区域，可以赋予稳定电特性。
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浓度进行评价。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浓度。换言之，本说明书等所记载的“载流子浓度”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，当在氧化物530中使用金属氧化物时，沟道形成区域的金属氧化物的载流子浓度优选为1×1018cm-3以下，更优选低于1×1017cm-3，进一步低于1×1016cm-3，还优选低于1×1013cm-3，最优选低于1×1012cm-3。注意，对沟道形成区域的金属氧化物的载流子浓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，当在氧化物530中使用金属氧化物时，因导电体542(导电体542a及导电体542b)与氧化物530接触而氧化物530中的氧扩散到导电体542中，由此导电体542有时被氧化。导电体542的导电率因导电体542的氧化而下降的可能性变高。注意，也可以将氧化物530中的氧向导电体542扩散的情况称为导电体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，在导电体542a与氧化物530b之间及导电体542b与氧化物530b之间有可能形成另一层。因为该另一层包含比导电体542多的氧，所以推测该另一层具有绝缘性。此时，可以认为导电体542、该另一层和氧化物530b的三层结构是由金属-绝缘体-半导体构成的三层结构，有时也将其称为MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)结构或以MIS结构为主的二极管连接结构。
注意，上述另一层不局限于形成在导电体542与氧化物530b之间。例如，另一层会形成在导电体542与氧化物530c之间。或者，有时形成在导电体542与氧化物530c间以及导电体542与氧化物530b间。
另外，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。
另外，氧化物530优选具有各金属原子的原子个数比互不相同的氧化物的叠层结构。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。另外，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。另外，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。另外，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。
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。另外，作为氧化物530b使用In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]或1：1：1[原子个数比]的金属氧化物即可。另外，作为氧化物530c使用In：Ga：Zn＝1：3：4[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。另外，作为氧化物530c具有叠层结构的例子，具体地可以举出：In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]与In：Ga：Zn＝1：3：4[原子个数比]的叠层结构；Ga：Zn＝2：1[原子个数比]与In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]的叠层结构；Ga：Zn＝2：5[原子个数比]与In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]的叠层结构；氧化镓与In：Ga：Zn＝4：2：3[原子个数比]的叠层结构等。
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。
注意，能够用于氧化物530的半导体材料不局限于上述金属氧化物。作为氧化物530，也可以使用具有带隙的半导体材料(不是零带隙半导体的半导体材料)。例如，优选将硅等单个元素的半导体、砷化镓等化合物半导体、被用作半导体的层状物质(也称为原子层物质、二维材料等)等用于半导体材料。特别是，优选将被用作半导体的层状物质用于半导体材料。
在此，在本说明书等中，层状物质是具有层状结晶结构的材料群的总称。层状结晶结构是由共价键或离子键形成的层通过如范德华力那样的比共价键或离子键弱的键合层叠的结构。层状物质在每单位层中具有高导电性，即，具有高二维导电性。通过将被用作半导体并具有高二维导电性的材料用于沟道形成区域，可以提供通态电流大的晶体管。
作为层状物质，有石墨烯、硅烯、硫族化物等。硫族化物是包含硫族元素的化合物。此外，硫族元素是属于第十六族的元素的总称，其中包括氧、硫、硒、碲、钋、鉝。另外，作为硫族化物，可以举出过渡金属硫族化物、第十三族硫族化物等。
作为氧化物530，例如优选使用被用作半导体的过渡金属硫族化物。作为能够被用作氧化物530的过渡金属硫族化物，可以具体地举出硫化钼(典型的是MoS2)、硒化钼(典型的是MoSe2)、碲化钼(典型的是MoTe2)、硫化钨(典型的是WS2)、硒化钨(典型的是WSe2)、碲化钨(典型的是WTe2)、硫化铪(典型的是HfS2)、硒化铪(典型的是HfSe2)、硫化锆(典型的是ZrS2)、硒化锆(典型的是ZrSe2)等。
氧化物530b上设置有被用作源电极及漏电极的导电体542a及导电体542b。作为导电体542a及导电体542b，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。另外，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。再者，氮化钽等金属氮化物膜对氢或氧具有阻挡性，所以是优选的。
此外，虽然在图27中示出单层结构的导电体542a及导电体542b，但是也可以采用两层以上的叠层结构。例如，优选层叠氮化钽膜及钨膜。另外，也可以层叠钛膜及铝膜。另外，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。
另外，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。另外，也可以使用包含氧化铟、氧化锡或氧化锌的透明导电材料。
另外，如图27A所示，有时在氧化物530与导电体542a(导电体542b)的界面及其附近作为低电阻区域形成有区域543a及区域543b。此时，区域543a被用作源区域和漏区域的一个，区域543b被用作源区域和漏区域的另一个。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542a(导电体542b)，区域543a(区域543b)的氧浓度有时降低。另外，在区域543a(区域543b)中有时形成包括包含在导电体542a(导电体542b)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543a(区域543b)的载流子浓度增加，区域543a(区域543b)成为低电阻区域。
绝缘体544以覆盖导电体542a及导电体542b的方式设置，抑制导电体542a及导电体542b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、钕、镧和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。另外，作为绝缘体544也可以使用氮氧化硅或氮化硅等。
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、氧化铪或者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。另外，在导电体542a及导电体542b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。
通过包括绝缘体544，可以抑制绝缘体580所包含的水及氢等杂质经过氧化物530c及绝缘体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。
另外，绝缘体550被用作第一栅极绝缘膜。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。与上述绝缘体524同样，绝缘体550优选使用包含过量氧且通过加热释放氧的绝缘体形成。
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。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，可以有效地从绝缘体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。
另外，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。该金属氧化物优选具有抑制从绝缘体550到导电体560的氧扩散的功能。通过设置具有抑制氧的扩散的功能的金属氧化物，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。另外，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。
另外，与第二栅极绝缘膜同样，绝缘体550也可以具有叠层结构。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。所以，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压。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。
在图27A及图27B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。另外，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。另外，作为导电体560a可以使用能够应用于氧化物530的氧化物半导体。此时，通过使用溅射法形成导电体560b，可以降低导电体560a的电阻值而使其成为导电体。可以将该导电体称为OC(Oxide Conductor)电极。
作为导电体560b，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。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。另外，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542a及导电体542b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。通过以具有与氧化物530c接触的区域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530a及氧化物530b。另外，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填埋于绝缘体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填埋于绝缘体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。
另外，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。
另外，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、水分等杂质透过膜的阻挡效果高。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，通过将介电常数较低的材料用于上述绝缘体，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中埋入导电体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390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。
另外，也可以在形成晶体管500之后以围绕晶体管500的方式形成开口，并且以围绕该开口的方式形成对氢或水具有高阻挡性的绝缘体。通过由上述阻挡性高的绝缘体围绕晶体管500，可以防止水及氢从外方侵入。或者，也可以将多个晶体管500组合为一个而被对氢或水具有高阻挡性的绝缘体围绕。在以围绕晶体管500的方式形成开口时，因为可以兼作晶体管500的制造工序的一部分，所以例如优选形成到达绝缘体514或绝缘体522的开口而以与绝缘体514或绝缘体522接触的方式形成上述阻挡性高的绝缘体。作为对氢或水具有高阻挡性的绝缘体，例如可以使用与绝缘体522同样的材料。
接着，在晶体管500的上方设置电容器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25中，导电体612及导电体610具有单层结构，但是不局限于该结构，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640。绝缘体640可以使用与绝缘体320同样的材料形成。此外，绝缘体640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，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中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。
图28A、图28B是图27A、图27B所示的晶体管500的变形例子。图27A是晶体管500的沟道长度方向的截面图，图27B是晶体管500的沟道宽度方向的截面图。注意，图28A及图28B所示的结构也可以用于晶体管390等的本发明的一个方式的半导体装置所包括的其他晶体管。
图28A是晶体管500的沟道长度方向的截面图，图28B是晶体管500的沟道宽度方向的截面图。图28A及图28B所示的晶体管500与图27A及图27B所示的晶体管500的不同之处在于包括绝缘体402及绝缘体404。此外，与图27A及图27B所示的晶体管500的不同之处在于与导电体540a的侧面接触地设置绝缘体552，且与导电体540b的侧面接触地设置绝缘体552。再者，与图27A及图27B所示的晶体管500的不同之处在于不包括绝缘体520。
在图28A及图28B所示的晶体管500中，绝缘体512上设置有绝缘体402。此外，绝缘体574上及绝缘体402上设置有绝缘体404。
图28A及图28B所示的晶体管500中绝缘体514、绝缘体516、绝缘体522、绝缘体524、绝缘体544、绝缘体580及绝缘体574被图案化，绝缘体404覆盖它们。也就是说，绝缘体404分别与绝缘体574的顶面、绝缘体574的侧面、绝缘体580的侧面、绝缘体544的侧面、绝缘体524的侧面、绝缘体522的侧面、绝缘体516的侧面、绝缘体514的侧面、绝缘体402的顶面接触。由此，氧化物530等被绝缘体404及绝缘体402与外部隔开。
绝缘体402及绝缘体404优选高效地抑制氢(例如，氢原子、氢分子等中的至少一个)或水分子的扩散。例如，作为绝缘体402及绝缘体404，优选使用氢阻挡性较高的材料的氮化硅或氮氧化硅。由此，由于可以抑制氢等扩散到氧化物530中，因此可以抑制晶体管500的特性下降。因此，可以提高本发明的一个方式的半导体装置的可靠性。
绝缘体552以与绝缘体581、绝缘体404、绝缘体574、绝缘体580及绝缘体544接触的方式设置。绝缘体552优选具有抑制氢或水分子的扩散的功能。例如，作为绝缘体552优选使用氢阻挡性较高的材料的氮化硅、氧化铝或氮氧化硅等的绝缘体。尤其是，氮化硅为氢阻挡性较高的材料，因此优选用于绝缘体552。通过作为绝缘体552使用氢阻挡性较高的材料，可以抑制水或氢等的杂质从绝缘体580等通过导电体540a及导电体540b扩散到氧化物530。另外，可以抑制包含在绝缘体580中的氧被导电体540a及导电体540b吸收。如此，可以提高本发明的一个方式的半导体装置的可靠性。
图29是示出晶体管500及晶体管390为图28A及图28B所示的结构的情况的半导体装置的结构例子的截面图。导电体546的侧面设置有绝缘体552。
图30A及图30B是图28A及图28B所示的晶体管的变形例子。图30A是晶体管的沟道长度方向的截面图，图30B是晶体管的沟道宽度方向的截面图。图30A及图30B所示的晶体管与图28A及图28B所示的晶体管的不同之处在于氧化物530c具有氧化物530c1及氧化物530c2的两层结构。
氧化物530c1与绝缘体524的顶面、氧化物530a的侧面、氧化物530b的顶面及侧面、导电体542a及导电体542b的侧面、绝缘体544的侧面及绝缘体580的侧面接触。氧化物530c2与绝缘体550接触。
作为氧化物530c1，例如可以使用In-Zn氧化物。此外，作为氧化物530c2，可以使用与氧化物530c具有单层结构时能够用于氧化物530c的材料相同的材料。例如，作为氧化物530c2，可以使用In：Ga：Zn＝1：3：4[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。
通过氧化物530c具有氧化物530c1及氧化物530c2的两层结构，与氧化物530c具有单层结构的情况相比，可以提高晶体管的通态电流。因此，晶体管例如可以作为功率MOS晶体管使用。注意，图27A及图27B所示的结构的晶体管所包括的氧化物530c也可以具有氧化物530c1及氧化物530c2的两层结构。
图30A及图30B所示的晶体管例如可以应用于晶体管390。如上所述，晶体管390可以采用上述实施方式的图26所示的OS晶体管。因此，在被用作输出晶体管的情况下，可以提高OS晶体管的通态电流，由此可以提高从本发明的一个方式的半导体装置输出的电压的精度。另外，图30A、图30B所示的结构也可以应用于晶体管500等本发明的一个方式的半导体装置所包括的晶体管390以外的晶体管。
图31是示出晶体管500具有图27A、图27B所示的晶体管的结构且晶体管390具有图30A、图30B所示的晶体管的结构的情况的半导体装置的结构例子的截面图。注意，与图29同样地，在导电体546的侧面设置绝缘体552。如图31所示，在本发明的一个方式的半导体装置中，晶体管390及晶体管500可以都是OS晶体管，且晶体管390及晶体管500可以具有彼此不同的结构。
另外，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。
[实施例]
在本实施例中，以层叠在Si-Wafer上的360nm Top-gate-self-aligned CAAC-IGZO FET工艺形成晶体管。通过采用Top-gate-self-aligned结构，减少Top-gate与源极或漏极间的重叠区域而降低起因于重叠区域的寄生电容。在寄生电容较小时，可以减少电荷注入效应及馈通，并且可以提高采样保持电路的采样精度。控制CAAC-IGZO的晶体管的栅极的方法为如下：采用Dual-gate型或Back-gate型而将上述型一起设置在同一衬底上。在Dual-gate型中，顶部Front-gate与底部Back-gate连接。Dual-gate型具有比Single-gate型良好的栅极控制性，即具有高通态电流及低关态电流。另一方面，Back-gate型可以分别独立的控制Front-gate和Back-gate的电压。通过对Back-gate型的Back-gate施加负电压，可以使阈值电压向正方向偏移，就是说可以具有较低关态电流。于是，将Dual-gate型晶体管应用于比较电路等的采样保持电路以外的电路而实现高通态电流的高增益。另外，将Back-gate型的晶体管应用于采样保持电路而实现较长采样时间。
图33A是详细地说明相当于所制造的积分电路22的放大器电路22c的电路图。放大器电路22c包括跨导放大器81、跨导放大器82、晶体管61至晶体管77、电容器78及电容器79。斩波电路83包括晶体管61、晶体管62、晶体管64及晶体管65，斩波电路84包括晶体管71至晶体管74。
放大器电路22c具有偏置取消的功能。通过在对第一级跨导放大器81的输入供应VREF1的期间对电容器78及电容器79供应偏置校正电压，可以取消跨导放大器81所包括的偏移成分。另外，为了追加取消放大器电路22c所包括的偏移成分的功能，在跨导放大器81的输入部及跨导放大器82的输出部设置斩波电路。
在此，说明放大器电路22c的电连接。放大器电路22c包括输入端子INP(图5中的输入端子22a)及输入端子INM(图5中的输入端子22f)，并且包括输出端子OUTP(图5中的输入端子22b)及输出端子OUTM。输入端子INP与晶体管61的源极和漏极中的一方及晶体管65的源极和漏极中的一方电连接。输入端子INM与晶体管64的源极和漏极中的一方及晶体管62的源极和漏极中的一方电连接。晶体管61的源极和漏极中的另一方与晶体管63的源极和漏极中的一方及晶体管62的源极和漏极中的另一方电连接。晶体管64的源极和漏极中的另一方与晶体管66的源极和漏极中的一方及晶体管65的源极和漏极中的另一方电连接。布线FC1与晶体管61的栅极及晶体管64的栅极电连接。布线FC2与晶体管62的栅极及晶体管65的栅极电连接。布线SETB与晶体管63的栅极及晶体管66的栅极电连接。
晶体管63的源极和漏极中的另一方与跨导放大器81的非反相输入端子及晶体管67的源极和漏极中的一方电连接。晶体管66的源极和漏极中的另一方与跨导放大器81的反相输入端子及晶体管69的源极和漏极中的一方电连接。跨导放大器81的反相输出端子通过电容器78与跨导放大器82的非反相输入端子及晶体管68的源极和漏极中的一方电连接。跨导放大器81的非反相输出端子通过电容器79与跨导放大器82的反相输入端子及晶体管70的源极和漏极中的一方电连接。布线SET2与晶体管67至晶体管70的栅极电连接。布线VREF1与晶体管67的源极和漏极中的另一方及晶体管69的源极和漏极中的另一方电连接。布线VREF2与晶体管68的源极和漏极中的另一方及晶体管70的源极和漏极中的另一方电连接。
跨导放大器82的反相输出端子与晶体管71的源极和漏极中的一方及晶体管74的源极和漏极中的一方电连接。跨导放大器82的非反相输出端子与晶体管72的源极和漏极中的另一方及晶体管73的源极和漏极中的一方电连接。晶体管71的源极和漏极中的另一方与晶体管72的源极和漏极中的另一方及晶体管75的源极和漏极中的一方电连接。晶体管73的源极和漏极中的另一方与晶体管74的源极和漏极中的另一方及输出端子OUTM电连接。布线FC1与晶体管71的栅极及晶体管73的栅极电连接。布线FC2与晶体管72的栅极及晶体管74的栅极电连接。布线SETB与晶体管75的栅极电连接。
晶体管75的源极和漏极中的另一方与输出端子OUTP、晶体管77的源极和漏极中的一方及电容器22e的一方电极电连接。晶体管77的源极和漏极中的另一方与布线VREF3电连接。电容器22e的另一方电极与晶体管76的源极和漏极中的另一方及输入端子INM电连接。晶体管76的源极和漏极中的一方与公共GND电连接。布线SET1与晶体管76的栅极及晶体管77的栅极电连接。
图33B是说明图33A的放大器电路22c的工作的时序图。供应到布线SET1的信号使电容器22a初始化。另外，供应到布线SET1的信号对跨导放大器81及跨导放大器82所包括的采样保持电路供应任意电压。因此，向采样保持电路编程跨导放大器81及跨导放大器82输出High的期间的电流值。作为供应到端子INP(图3中的端子10a)的信号SENSEP，通过端子10a供应在图3所示的电阻器41的一方电极生成的电压。另外，作为供应到端子INM(图3中的端子10d)的信号SENSEM，通过端子10d供应在图3所示的电阻器41的另一方电极生成的电压。
对布线SET2供应比供应到布线SET1的信号晚信号。通过供应到布线SET2的信号，向电容器78或电容器79编程跨导放大器81所包括的偏移成分。因此，在向电容器78或电容器79编程跨导放大器81所包括的偏移成分的期间供应到布线SETB的信号优选为LOW。
布线FC1被供应供应到布线FC2(没有图示在图33B的时序图中)的信号的反相信号。在供应到布线FC1的信号为LOW的期间，放大器电路22c被用作保持在电容器22e中的电压依次降低的积分电路。在供应到布线FC1的信号为HIGH的期间，放大器电路22c被用作保持在电容器22e中的电压依次提高的积分电路。另外，积分电路22被供应到布线SET1、布线SET2及布线SETB的信号初始化。
图34A是芯片照片。该照片示出检测实际上制造的二次电池的劣化的半导体装置。图34B示出相对于输入电压(Input voltage)的输出频率(Frequency of FC1)。确认到相对于输入电压的输出频率单调地增加。在输入电压提高时有时消失线性，但是通过预先取得校正数据可以在数字电路进行校正。通过制造只使用OS晶体管的电流监视电路，实现包括泄漏电流较少的采样保持电路的放大率高的放大器，并且实现GND电平的信号的检测。
[符号说明]
Bias1：判定电压、Bias2：判定电压、R1：电阻器、R2：电阻器、R3：电阻器、R4：电阻器、S1：开关、S2：开关、SW1：开关、SW3：开关、10：电路、11：输出电路、12：输出电路、15：电容器、20：容量计、21：分流电路、22：积分电路、22c：放大器电路、22d：电阻器、22e：电容器、23：比较器、23e：放大器电路、23f：放大器电路、23g：电路、23h：电路、30：异常电流检测电路、31a：放大器电路、31b：开关、31c：开关、31d：电容器、31e：电容器、32a：存储器、32b：存储器、40：电路、41：电阻器、42：二次电池、43：电阻器、44：电阻器、52：布线、53：布线、54：布线、100：正极活性物质、211a：正极、211b：负极、212a：导线、212b：导线、214：隔离体、215a：接合部、215b：接合部、217：固定构件、250：二次电池、251：外包装体、262：密封部、263：密封部、300：二次电池、301：正极罐、302：负极罐、303：垫片、304：正极、305：正极集流体、306：正极活性物质层、307：负极、308：负极集流体、309：负极活性物质层、310：隔离体、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、390：晶体管、402：绝缘体、404：绝缘体、500：晶体管、503：导电体、503a：导电体、503b：导电体、510：绝缘体、512：绝缘体、514：绝缘体、516：绝缘体、518：导电体、520：绝缘体、522：绝缘体、524：绝缘体、526：绝缘体、530：氧化物、530a：氧化物、530b：氧化物、530c：氧化物、530c1：氧化物、530c2：氧化物、540a：导电体、540b：导电体、542：导电体、542a：导电体、542b：导电体、543a：区域、543b：区域、544：绝缘体、546：导电体、548：导电体、550：绝缘体、552：绝缘体、560：导电体、560a：导电体、560b：导电体、574：绝缘体、580：绝缘体、581：绝缘体、582：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、640：绝缘体、700：二次电池、701：正极集流体、702：正极活性物质层、703：正极、704：负极集流体、705：负极活性物质层、706：负极、707：隔离体、708：电解液、709：外包装体、710：正极导线电极、711：负极导线电极、800：二次电池、801：正极盖、802：电池罐、803：正极端子、804：正极、805：隔离体、806：负极、807：负极端子、808：绝缘板、809：绝缘板、811：PTC元件、812：安全阀机构、813：导电板、814：导电板、815：模块、816：导线、817：温度控制装置、900：电路板、910：签条、911：端子、912：电路、913：二次电池、914：天线、915：天线、918：天线、920：显示装置、921：传感器、922：端子、930：框体、930a：框体、930b：框体、931：负极、932：正极、933：隔离体、950：卷绕体、951：端子、952：端子、980：二次电池、981：薄膜、982：薄膜、993：卷绕体、994：负极、995：正极、996：隔离体、997：导线电极、998：导线电极、7100：便携式显示装置、7101：框体、7102：显示部、7103：操作按钮、7104：二次电池、7200：便携式信息终端、7201：框体、7202：显示部、7203：带子、7204：带扣、7205：操作按钮、7206：输入输出端子、7207：图标、7300：显示装置、7304：显示部、7400：移动电话机、7401：框体、7402：显示部、7403：操作按钮、7404：外部连接端口、7405：扬声器、7406：麦克风、7407：二次电池、7500：电子烟、7501：雾化器、7502：烟弹、7504：二次电池、8000：显示装置、8001：框体、8002：显示部、8003：扬声器部、8004：二次电池、8021：充电装置、8022：电缆、8024：二次电池、8100：照明装置、8101：框体、8102：光源、8103：二次电池、8200：室内机、8201：框体、8202：送风口、8203：二次电池、8204：室外机、8300：电冷藏冷冻箱、8301：框体、8302：冷藏室门、8303：冷冻室门、8304：二次电池、8400：汽车、8401：车头灯、8406：电发动机、8500：汽车、8600：小型摩托车、8601：后视镜、8602：二次电池、8603：方向灯、8604：座位下收纳箱、9600：平板终端、9625：开关、9627：开关、9628：操作开关、9630：框体、9630a：框体、9630b：框体、9631：显示部、9631a：显示部、9631b：显示部、9633：太阳能电池、9634：充放电控制电路、9635：蓄电体、9636：DCDC转换器、9637：转换器、9640：可动部
Claims (8)
1.一种包括第一电路及第二电路的半导体装置，
其中，第一电路包括容量计及异常电流检测电路，
所述容量计包括分流电路及积分电路，
所述异常电流检测电路包括第一存储器、第二存储器及第一比较器，
所述积分电路具有通过对所述分流电路所检测的检测电流进行积分来将该检测电流转换成检测电压的功能，
所述异常电流检测电路被供应所述检测电压、在第一时刻被供应的第一信号以及在第二时刻被供应的第二信号，
所述异常电流检测电路具有使用所述第一信号将所述第一时刻的检测电压储存在所述第一存储器中的功能，
所述异常电流检测电路具有使用所述第二信号将所述第二时刻的检测电压储存在所述第二存储器中的功能，
并且，所述第一比较器将所述第一时刻的检测电压及所述第二时刻的检测电压的变化作为第一输出信号输出到所述第二电路。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中在储存在所述第一存储器中的检测电压大于储存在所述第二存储器中的检测电压时，所述第一比较器将第一输出信号输出到所述第二电路，
并且在储存在所述第二存储器中的检测电压大于储存在所述第一存储器中的检测电压时，所述第一比较器使所述第一输出信号反转而将其输出到所述第二电路。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，
其中所述容量计包括具有滞后特性的第二比较器，
所述第二比较器具有使用第一判定电压及第二判定电压判定检测电压的功能，
在所述检测电压小于所述第一判定电压时，所述第二比较器的输出信号使所述分流电路的输出极性反转，
在所述检测电压大于所述第二判定电压时，所述第二比较器的输出信号使所述分流电路的输出极性反转，
并且所述第二比较器的输出信号被输出到所述第二电路。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，
其中所述第二电路由所述第二比较器的输出信号生成所述第一信号及所述第二信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，
其中所述第二电路具有能够规定设定时间的功能，
并且所述第二电路具有在从所述第二比较器的输出信号的变化点经过所述设定时间后输出所述第一信号或所述第二信号的功能。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置，
其中所述第二电路为控制电路或处理器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置，
其中所述半导体装置包括晶体管，
并且所述晶体管在半导体层中包括氧化物半导体。
8.一种电池组，包括：
柔性衬底上的权利要求1至7中任一项所述的半导体装置；以及
二次电池。
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