JP2017228532A - 保護回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池パックの保護回路において電流遮断用のスイッチに用いるトランジスタのリーク電流を低減させ、安全かつ高寿命な保護回路モジュールおよび電池パックを提供する。【解決手段】保護回路と、充電制御用スイッチと、放電制御用スイッチと、を有し、充電制御用スイッチおよび放電制御用スイッチは保護回路に接続され、保護回路は、二次電池の電圧を検出し所定の電圧と比較して、その比較結果に応じた制御信号を充電制御用スイッチまたは放電制御用スイッチに出力して、充電制御用スイッチまたは放電制御用スイッチを導通または非導通とし、充電制御用スイッチおよび放電制御用スイッチは、酸化物半導体を有するトランジスタと、酸化物半導体を有するトランジスタと並列に接続するダイオードと、を有する保護回路モジュールである。【選択図】図１

Description

本発明は、保護回路モジュールおよび電池パックに関する。なお、保護回路モジュールは
、保護回路と、他の半導体素子（トランジスタなど）により形成される。電池パックは、
保護回路モジュール及び二次電池を有する。

電池パックに内蔵されているリチウム二次電池などの二次電池は、過充電または過放電状
態にあると、副反応が起こることによる劣化が生じ、寿命が短くなる。さらに、内部短絡
による発火などの恐れがある。そのため、過充電電圧以上または過放電電圧以下において
電源を遮断する保護回路モジュールが用いられる。

保護回路モジュールは、二次電池の電圧や充放電電流を監視する保護回路及び電流を遮断
するためのスイッチ等により構成される。保護回路は、二次電池の異常を検出したときに
、電流遮断用のスイッチを制御して電池パックにおける電力の入出力を遮断する機能を有
する。

二次電池の放電が進み、電池電圧が放電下限電圧未満になると保護回路が作動し、電流遮
断用のスイッチにより、外部の負荷に流れ込む放電電流を遮断することで、二次電池の過
放電を防止する。

また、充電が進んで電池電圧が充電上限電圧を超えると保護回路が作動し、電流遮断用の
スイッチにより、二次電池に流れ込む充電電流を遮断することで、二次電池の過充電を防
止する（例えば特許文献１参照。）。

特開２０１０−１８７５３２号公報

以上のように、保護回路は、二次電池の電圧や充放電電流を監視し、電流遮断用のスイッ
チを制御して二次電池と外部との電気的な経路を遮断することによって、過放電および過
充電を防止する。

しかし二次電池と外部との経路は、スイッチを制御して電気的に遮断されているが、物理
的に遮断されているわけではないため、例えばスイッチに用いられているトランジスタの
オフ電流が流れてしまう。

そのため、例えば過放電を防止するためにスイッチを構成するトランジスタをオフ状態と
した場合でも、二次電池と外部の負荷が接続されている状態では、徐々に放電が進んでし
まう。それによって、過放電が徐々に進行し、二次電池の劣化または破損などを引き起こ
すことが懸念される。

同様に、過充電によりスイッチをオフした場合においても、該スイッチを構成するトラン
ジスタのオフ電流により、徐々に過充電が進行し、二次電池の破損などを引き起こすこと
が懸念される。

そこで本発明の一態様は、上記問題に鑑み、電池パックの保護回路において電流遮断用の
スイッチに用いるトランジスタのリーク電流を低減させ、安全かつ高寿命な保護回路モジ
ュールおよび電池パックを提供することを課題とする。

本発明の一態様は、保護回路と、充電制御用スイッチと、放電制御用スイッチと、を有し
、充電制御用スイッチおよび放電制御用スイッチは保護回路に電気的に接続され、保護回
路は、二次電池の電圧を検出し所定の電圧と比較して、その比較結果に応じた制御信号を
充電制御用スイッチまたは放電制御用スイッチに出力して、充電制御用スイッチまたは放
電制御用スイッチを導通または非導通とし、充電制御用スイッチおよび放電制御用スイッ
チは、酸化物半導体を有するトランジスタと、酸化物半導体を有するトランジスタと並列
に接続するダイオードと、を有する保護回路モジュールである。

本発明の一態様は、上記トランジスタのゲートと、保護回路が電気的に接続されている保
護回路モジュールである。

本発明の一態様は、上記ダイオードは、酸化物半導体を有するダイオードであることが好
ましい。

本発明の一態様は、酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎ及びＺｎから選ばれた一種以上の
元素を含むことを特徴とする保護回路モジュールである。

本発明の一態様は、保護回路と積層して、充電制御用スイッチおよび放電制御用スイッチ
が形成される保護回路モジュールである。

本発明の一態様は、保護回路モジュールと、二次電池と、を有し、二次電池、充電制御用
スイッチおよび放電制御用スイッチは、直列に接続される電池パックである。

本発明の一態様は、上記二次電池は、リチウム二次電池を用いることができる。なおリチ
ウム二次電池とは、キャリアイオンとしてリチウムイオンを用いる二次電池をいう。また
、リチウムイオンの代わりに用いることが可能なキャリアイオンとしては、ナトリウム、
カリウム等のアルカリ金属イオン、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ
土類金属イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオン等がある。

本発明の一態様により、電池パックの保護回路において電流遮断用のスイッチに用いるト
ランジスタのリーク電流を低減させ、安全かつ高寿命な保護回路モジュールおよび電池パ
ックを提供することができる。

本発明の一形態に係る電池パックおよびダイオードを示す回路図。 本発明の一形態に係る電池パックを示す回路図。 本発明の一形態に係る電池パックを示す回路図。 本発明の一形態に係るトランジスタを示す断面図。 電子機器を説明する図。

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説
明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様
々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実
施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の
構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には、同一の符号を異なる図面間
で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、または領域は、明
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
。

また、本明細書にて用いる第１、第２、第３などの用語は、構成要素の混同を避けるため
に付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第１の」を「
第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。

また本明細書においては、トランジスタのソースとドレインは、一方をドレインと呼ぶと
き他方をソースとする。すなわち、電位の高低によって、それらを区別しない。従って、
本明細書において、ソースとされている部分をドレインと読み替えることもできる。

また本明細書においては、トランジスタのゲートを、ゲートまたはゲート電極と呼び、そ
れらを区別しない。さらにトランジスタのソースとドレインを、ソース及びドレイン、ソ
ース領域及びドレイン領域、またはソース電極及びドレイン電極と呼び、それらを区別し
ない。

（実施の形態１）
図１に、本発明の一態様に係る電池パック５００の構成について、一例として回路図を示
す。

図１（Ａ）に示すように、電池パック５００は保護回路モジュール１００と、二次電池１
１０によって構成されている。なお、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す保護回路モジュー
ル１００におけるダイオード２０４およびダイオード３０４について代用可能である別形
態の回路図を示す。

また、保護回路モジュール１００は、保護回路１０２、放電制御用スイッチ２００、充電
制御用スイッチ３００によって構成される。保護回路１０２は、二次電池１１０と並列に
接続されており、ＶＤＤ端子およびＶＳＳ端子により二次電池の電位を検出し、その結果
に応じて放電制御用スイッチ２００および充電制御用スイッチ３００を制御する。さらに
、保護回路１０２は、二次電池１１０の充電時において、二次電池１１０に供給される電
流（充電電流）を検出する機能を有していても良い。また、二次電池１１０の放電時にお
いて、二次電池１１０から流れる電流（放電電流）を検出する機能を有していても良い。

二次電池１１０として、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池
、燃料電池、空気電池、リチウム二次電池等を用いることができる。また、二次電池の代
わりに、キャパシタ（例えばリチウムイオンキャパシタなど。）を用いてもよい。

また、二次電池１１０は複数設けることができる。必要とする起電力に応じて、二次電池
１１０を直列に接続させて用いてもよく、それぞれの二次電池１１０の電位を検出するよ
うに、保護回路１０２と接続させればよい。

放電制御用スイッチ２００は、トランジスタ２０２およびダイオード２０４が並列に接続
して形成される。また、充電制御用スイッチ３００は、トランジスタ３０２およびダイオ
ード３０４が並列に接続して形成される。

また、放電制御用スイッチ２００および充電制御用スイッチ３００は、二次電池１１０と
直列に接続されている。放電制御用スイッチ２００および充電制御用スイッチ３００は外
部との充放電経路上に設けられており、放電制御用スイッチ２００または充電制御用スイ
ッチ３００を電気的に遮断することによって、過放電または過充電を防止する機能を有す
る。

二次電池１１０の電圧が、放電により放電禁止電圧以下となった場合、放電制御用スイッ
チ２００を制御することによって、外部と二次電池１１０との経路が遮断される。

二次電池１１０の電圧が、充電により満充電電圧以上となった場合、充電制御用スイッチ
３００を制御することによって、外部と二次電池１１０との経路が遮断される。

以上のような動作によって、二次電池の過充電または過放電を防止することができる。た
だし、放電制御用スイッチ２００および充電制御用スイッチ３００は、それぞれトランジ
スタとダイオードによって構成されており、保護回路１０２からの制御信号によってトラ
ンジスタ２０２またはトランジスタ３０２をオフ状態とすることによって、放電制御用ス
イッチ２００および充電制御用スイッチ３００を切断しても、トランジスタ２０２または
トランジスタ３０２のオフ状態におけるリーク電流（オフリーク電流ともいう。）が流れ
ることによって、徐々に過放電または過充電が進行してしまう。

そのため、本発明の一態様に示すように、放電制御用スイッチ２００および充電制御用ス
イッチ３００を構成するトランジスタに、酸化物半導体を有するトランジスタを用いるこ
とによって、オフリーク電流を低減させることができるため、二次電池の過充電および過
放電による劣化を抑制することができる。

さらに、放電制御用スイッチ２００および充電制御用スイッチ３００を構成するダイオー
ドにも、酸化物半導体を有するダイオードを用いることが好ましい。例えば、ｐ型のシリ
コンウェハと、ｎ型の酸化物半導体を用いることによって、ダイオードを形成することが
できる。

本発明における酸化物半導体は、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物などを用いることがで
き、このような酸化物半導体は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅ
Ｖ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広い酸化
物半導体を用いることで、トランジスタおよびダイオードのオフリーク電流を低減するこ
とができる。

また、酸化物半導体はエネルギーギャップが広いため、高耐圧のトランジスタおよびダイ
オードを形成することができる。

このように、酸化物半導体を有するトランジスタおよびダイオードを放電制御用スイッチ
２００および充電制御用スイッチ３００に用いることによって、放電制御用スイッチ２０
０および充電制御用スイッチ３００におけるオフリーク電流を低減させることができるた
め、二次電池の過充電および過放電による劣化を抑制することができる。

またダイオードは、図１（Ａ）に示したようなダイオード２０４およびダイオード３０４
に限らず、ダイオード特性を示す素子であればよい。例えば図１（Ｂ）に示すように、ダ
イオード２０４の代わりにダイオード接続したトランジスタ２０６を、ダイオード３０４
の代わりにダイオード接続したトランジスタ３０６を、それぞれ用いることができる。

このように、トランジスタを用いてダイオード特性を示す素子を形成することによって、
放電制御用スイッチ２００および充電制御用スイッチ３００の作製工程を簡略化すること
ができるため好ましい。また、酸化物半導体をダイオード接続したトランジスタ２０６お
よびダイオード接続したトランジスタ３０６に用いることによって、オフリーク電流を低
減させることができるため、二次電池の過充電および過放電による劣化を抑制することが
できる。

本発明の一態様における酸化物半導体は、例えばスパッタリング法などによって形成する
ことができ、特に高温プロセスを必要としないため、薄膜の酸化物半導体膜を用いたトラ
ンジスタを積層させることによる多層化を、容易に行うことができる。

また、本実施の形態において、トランジスタ２０２、トランジスタ３０２、ダイオード接
続したトランジスタ２０６およびダイオード接続したトランジスタ３０６は、ｎ型のトラ
ンジスタを示したが、これに限定されるものではなく、ｐ型のトランジスタを用いてもよ
い。

また、本発明の一態様における酸化物半導体膜は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルとも
いう。）または非晶質などの状態をとる。

好ましくは、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒ
ｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。

酸化物半導体膜は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（Ｃ
Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。
非晶質部は、微結晶、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、ＣＡＡＣよ
りも欠陥準位密度が高い。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ
Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。

酸化物半導体膜は、例えばＣＡＡＣ−ＯＳを有してもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、
ｃ軸配向し、ａ軸または／およびｂ軸はマクロに揃っていない。

酸化物半導体膜は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を
、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未
満のサイズの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を膜中に含む。

酸化物半導体膜は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導
体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序
であり、結晶成分を有さない。または、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質
であり、結晶部を有さない。

なお、酸化物半導体膜が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の
混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物
半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質
酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、の積層
構造を有してもよい。

なお、酸化物半導体膜は、例えば、単結晶を有してもよい。

酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が被形成面の法線ベクトルま
たは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部
間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜
の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜がある。

なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い
。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部
との境界、結晶部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ膜には明確な粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、Ｃ
ＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、例えば、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法
線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつａｂ面に垂直
な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、ｃ軸に垂直な方向から見て
金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部
間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂
直と記載する場合、８０°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も
含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好まし
くは−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡ
Ｃ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形
成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶
質化することもある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクト
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形
状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くこと
がある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行
ったときに形成される。従って、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの
被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。

以上に示したようなＣＡＡＣ−ＯＳ膜をトランジスタに用いることによって、よりリーク
電流の小さいトランジスタを形成することができる。

（過放電における制御動作）次に、図２（Ａ）を用いて、二次電池１１０が過放電となっ
た場合の動作について説明する。図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示した電池パックに、外部
負荷１５０が接続された電池パック６００である。なお、図２（Ａ）では外部負荷１５０
として抵抗素子を示したが、これに限らず、二次電池１１０からの電力を消費するもので
あればよい。

電池パック６００において、二次電池１１０を放電させることによって外部負荷１５０へ
電力を供給し、二次電池１１０の電圧が放電禁止電圧以下となった場合、放電制御用スイ
ッチ２００におけるトランジスタ２０２に対して保護回路１０２から制御信号を出力する
ことによって、トランジスタ２０２をオフ状態とする。それによって二次電池１１０から
の放電経路が遮断され、過放電を防止することができる。また、その後、二次電池１１０
が充電されて二次電池１１０の電位が上昇すると、該電位を保護回路１０２で検出して、
トランジスタ２０２へ制御信号を出力し、トランジスタ２０２をオン状態とする。

（過充電における制御動作）次に、図２（Ｂ）を用いて、二次電池１１０が過充電となっ
た場合の動作について説明する。図２（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した電池パックに、充電
用電源１６０が接続された電池パック７００である。なお、図２（Ｂ）に示す充電用電源
１６０以外に、二次電池１１０へ電力を供給するものを接続してもよい。

電池パック７００において、充電用電源１６０から二次電池１１０へ電力を供給すること
によって、二次電池１１０を充電させ、二次電池１１０の電圧が満充電電圧以上となった
場合、充電制御用スイッチ３００におけるトランジスタ３０２に対して保護回路１０２か
ら制御信号を出力することによって、トランジスタ３０２をオフ状態とする。それによっ
て充電用電源１６０からの充電経路が遮断され、過充電を防止することができる。また、
その後、二次電池１１０が放電されて二次電池１１０の電位が低下すると、該電位を保護
回路１０２で検出して、トランジスタ３０２へ制御信号を出力し、トランジスタ３０２を
オン状態とする。

以上に示した動作によって、過放電および過充電を防止することができる。

本発明の一態様に示すように、電池パックの保護回路において電流遮断用のスイッチに用
いるトランジスタに酸化物半導体、好ましくはＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いることによって、
トランジスタのオフリーク電流を低減させ、それによって安全かつ高寿命な保護回路モジ
ュールおよび電池パックを提供することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態１に示した電池パック５００と異なる電池パックの回路構成について、
図３を用いて説明する。

図３に示す電池パック８００は、実施の形態１に示した保護回路モジュール１００に、さ
らに保護抵抗１６５、ヒューズ１７０およびサーミスタ１８０を備えた保護回路モジュー
ル１０１を有する電池パック８００である。なお、図３では保護抵抗１６５、ヒューズ１
７０およびサーミスタ１８０を備えた保護回路モジュール１０１を示したが、保護抵抗１
６５、ヒューズ１７０およびサーミスタ１８０のいずれか一以上を備えた構成でも構わな
い。

保護抵抗１６５は、保護回路１０２と接続されており、それによって保護回路１０２にお
いて、充放電経路に流れる電流を検出する。保護抵抗１６５は、二次電池１１０と接続す
る充放電経路において、異常な大電流が流れることによる電池パック８００の破損を防止
するための抵抗である。例えば、電池パックの正極および負極が短絡した場合において、
大電流が回路内を流れることによって二次電池の劣化や、保護回路の破壊が発生するのを
防止する。異常な電流を検出した場合、放電制御用スイッチ２００および充電制御用スイ
ッチ３００をともに遮断する。

ヒューズ１７０は、上記示した保護抵抗１６５と同様の目的で設けられ、二次電池１１０
と接続する充放電経路において、異常な大電流が流れることによる電池パック８００の破
損を防ぐための素子である。保護抵抗１６５を用いて異常電流を検出し、それによって放
電制御用スイッチ２００および充電制御用スイッチ３００を電気的に遮断するのとは異な
り、ヒューズ１７０は、充放電経路内に設けられており、異常な電流がヒューズ１７０に
流れることによるジュール熱の発生でヒューズが溶けることによって、充放電経路を物理
的に遮断する。

サーミスタ１８０は、温度変化によって電気抵抗の変化が大きい抵抗であり、この抵抗値
を検出することによって温度を測定するセンサとして機能する。サーミスタ１８０を設け
ることによって、充放電時に二次電池１１０の温度が許容温度を超えないように監視する
ことができる。また、サーミスタ１８０を保護回路１０２に接続し、保護回路においてサ
ーミスタ１８０の抵抗値から温度を検出するための回路を設ける構成としても構わない。
それによって、サーミスタ１８０によって検出した温度が異常な温度となった場合、保護
回路１０２から放電制御用スイッチ２００および充電制御用スイッチ３００へ制御信号を
出力し、充放電経路を遮断させることができる。

以上のように、本実施の形態における電池パックにおいても、電池パックの保護回路にお
いて電流遮断用のスイッチに用いるトランジスタに酸化物半導体、好ましくはＣＡＡＣ−
ＯＳ膜を用いることによって、トランジスタのオフリーク電流を低減させ、それによって
安全かつ高寿命な保護回路モジュールおよび電池パックを提供することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、図４を用いて、実施の形態１に示す保護回路１０２を構成している素
子であるトランジスタ９００と、放電制御用スイッチ２００におけるトランジスタ２０２
（充電制御用スイッチ３００におけるトランジスタ３０２も同様。）の構成を、断面図で
一例として示す。

本実施の形態では、トランジスタ９００は半導体基板９０１の一部を有するトランジスタ
、トランジスタ２０２は酸化物半導体を有するトランジスタを示しているが、これに限定
されるものではない。また、トランジスタ９００上に積層させてトランジスタ２０２が形
成された構成を示すが、積層順は逆でもよく、また同一平面状にトランジスタが形成され
ていてもよい。

トランジスタ９００は、半導体基板９０１と、半導体基板９０１に設けられた素子分離絶
縁膜９０２と、半導体基板９０１上のゲート絶縁膜９０４と、ゲート絶縁膜９０４上のゲ
ート電極９０５と、半導体基板９０１においてゲート電極９０５と重畳しない領域に形成
されたソース領域およびドレイン領域９０３と、層間絶縁膜９０６と、層間絶縁膜を加工
して形成したコンタクトホールにおいてゲート電極９０５およびソース領域およびドレイ
ン領域９０３と接続する配線９０７と、を有する。

トランジスタ２０２は、下地絶縁膜９０８と、下地絶縁膜９０８上の酸化物半導体膜９０
９と、酸化物半導体膜９０９と接するソース電極およびドレイン電極９１０と、ソース電
極およびドレイン電極９１０上のゲート絶縁膜９１１と、ゲート絶縁膜９１１上において
、酸化物半導体膜９０９と重畳するゲート電極９１２と、ゲート電極９１２およびゲート
絶縁膜９１１上の層間絶縁膜９１３と、を有する。

なお、図４に示すように、トランジスタ２０２のバックチャネル側に、下地絶縁膜９０８
を介してバックゲート電極９２０が形成されていてもよい。バックゲート電極９２０は、
図４のように配線９０７と同一層によって形成してもよく、また別に設けても構わない。
バックゲート電極９２０を設けることによって、トランジスタ２０２の閾値電圧を容易に
制御することができる。

また、トランジスタ２０２はトップゲート構造について示したが、ボトムゲート構造でも
構わない。

半導体基板９０１としては、単結晶シリコン基板（シリコンウェハ）、化合物半導体基板
（ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等）を用いることができ、本実施の形態においては、ｐ型のシ
リコン基板を用いた場合について説明する。

また、半導体基板９０１の代わりに、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏ
ｒ）基板として、鏡面研磨ウェハに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、
表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて作
られた所謂ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅ
ｎ）基板や、水素イオン注入により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して
半導体基板を劈開するスマートカット法や、ＥＬＴＲＡＮ法（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａ
ｙｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ：キャノン社の登録商標）等を用いて形成したＳＯＩ基板を用
いてもよい。

素子分離絶縁膜９０２は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌ
ｉｃｏｎ）法またはＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法等
を用いて形成する。

ゲート絶縁膜９０４は、酸素雰囲気にて熱処理を行い（熱酸化法ともいう。）半導体基板
９０１の表面を酸化させて酸化シリコン膜を形成することができる。また、熱酸化法によ
り酸化シリコン膜を形成した後に、窒化処理を行うことによって酸化シリコン膜の表面を
窒化させることにより、酸化シリコン膜と酸素と窒素を有するシリコン膜（酸化窒化シリ
コン膜）との積層構造で形成してもよい。また、プラズマＣＶＤ法などの堆積法を用いて
成膜してもよい。

また、高誘電率物質（ｈｉｇｈ−ｋ材料ともいう）であるタンタル酸化物、酸化ハフニウ
ム、酸化ハフニウムシリケート、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、などの金属酸化
物、または酸化ランタンなどの希土類酸化物等を、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により
形成してもよい。

ゲート電極９０５は、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等
から選択された金属、またはこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を
用いることができる。また、リン等の不純物元素を添加した多結晶シリコンを用いること
ができる。また、金属窒化物膜と上記の金属膜の積層構造でゲート電極９０５を形成して
もよい。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用いる
ことができる。金属窒化物膜を設けることにより、金属膜の密着性を向上させることがで
き、剥離を防止することができる。

なお、ゲート電極９０５の側面にサイドウォール絶縁膜を有する構成としてもよい。サイ
ドウォール絶縁膜を設けることによって、トランジスタのソースおよびドレイン間におけ
る電界を緩和することができ、素子の信頼性を向上させることができる。

ソース領域およびドレイン領域９０３は、ゲート電極９０５をマスクにして、半導体基板
９０１に、導電性を付与する不純物元素を添加することによって形成することができる。
このようにゲート電極９０５をマスクにすることによって、セルフアラインでソース領域
およびドレイン領域９０３を形成することができる。本実施の形態では、ｐ型のシリコン
基板に対して、ｎ型の導電性を付与するリン（Ｐ）を添加することによって、ｎ型のシリ
コンからなるソース領域およびドレイン領域９０３を形成すればよい。

層間絶縁膜９０６は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコ
ン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウ
ムなどを用いればよく、積層または単層で設ければよい。なお、層間絶縁膜９０６に窒化
シリコンをＣＶＤ法により形成することで、層間絶縁膜９０６に水素を多く含んだ膜を形
成させることができる。このような層間絶縁膜９０６を用いて加熱処理を行うことによっ
て、半導体基板へ水素を拡散させ、この水素により半導体基板におけるダングリングボン
ドを終端させ、それによって半導体基板中の欠陥を低減させることができる。

また、層間絶縁膜９０６として、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌ
ｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）などの無機材料、または、ポリイミド、アクリルなどの有機材
料を用いて形成することで、層間絶縁膜９０６の平坦性を高めることができる。

配線９０７は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニ
ウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、またはこれを
主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコンを含むアル
ミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン
膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を
積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さら
にその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。なお、酸化インジウム、酸化錫また
は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

また、配線９０７はトランジスタ２０２のバックゲート電極として機能させることができ
る。

下地絶縁膜９０８は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコ
ン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イ
ットリウム、酸化ガリウム、酸化ランタン、酸化セシウム、酸化タンタル及び酸化マグネ
シウムの一種以上を選択して、単層または積層で用いればよい。

また、下地絶縁膜９０８は十分な平坦性を有することが好ましい。具体的には、平均面粗
さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下
となるように下地絶縁膜を設ける。上述の数値以下のＲａとすることで、酸化物半導体膜
に結晶領域が形成されやすくなる。なお、Ｒａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１（Ｉ
ＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう
三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で
表現でき、数式（１）にて定義される。

ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（（ｘ_１，ｙ_１，ｆ（ｘ_１，
ｙ_１）），（ｘ_１，ｙ_２，ｆ（ｘ_１，ｙ_２）），（ｘ_２，ｙ_１，ｆ（ｘ_２，ｙ_１）），（
ｘ_２，ｙ_２，ｆ（ｘ_２，ｙ_２））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面
に投影した長方形の面積をＳ_０、指定面の平均高さをＺ_０とする。Ｒａは原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。

酸化窒化シリコンとは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、
例えば、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下
、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０原子％以上１０原子％以下の範囲
で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成において、酸素よりも窒
素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０
原子％以上５５原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子
％以上２５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。但し、上記範囲は、ラザフォード後
方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ ｓ
ｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定した場合のものである。
また、構成元素の組成は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。

また、下地絶縁膜９０８は、加熱処理により酸素を放出する絶縁膜を用いると好ましい。

「加熱処理により酸素を放出する」とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏ
ｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）分析にて、酸素原子に換算しての
酸素の放出量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１０^２０
ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることをいう。

ここで、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量の測定方法について、以下
に説明する。

ＴＤＳ分析したときの気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、測定
したスペクトルの積分値と標準試料の基準値との比により、気体の放出量を計算すること
ができる。標準試料の基準値は、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値に対する
原子の密度の割合である。

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのＴＤＳ分析結果、及び
絶縁膜のＴＤＳ分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量（Ｎ_Ｏ２）は、数式２で求める
ことができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量数３２で検出されるスペクトルの全て
が酸素分子由来と仮定する。質量数３２のものとしてほかにＣＨ_３ＯＨがあるが、存在す
る可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１
７の酸素原子及び質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在
比率が極微量であるため考慮しない。

Ｎ_Ｈ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。Ｓ_Ｈ２は、標準試
料をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ
_Ｈ２／Ｓ_Ｈ２とする。Ｓ_Ｏ２は、絶縁膜をＴＤＳ分析したときのスペクトルの積分値であ
る。αは、ＴＤＳ分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。数式２の詳細に関
しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、
電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料と
して１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する
。

また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原
子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分
子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量につ
いても見積もることができる。

なお、Ｎ_Ｏ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子
の放出量の２倍となる。

酸化物半導体膜を用いたトランジスタの場合、下地絶縁膜から酸化物半導体膜に酸素が供
給されることで、酸化物半導体膜と下地絶縁膜との界面準位密度を低減できる。この結果
、トランジスタの動作などに起因して、酸化物半導体膜と下地絶縁膜との界面にキャリア
が捕獲されることを抑制することができ、信頼性の高いトランジスタを得ることができる
。

さらに、酸化物半導体膜の酸素欠損に起因して電荷が生じる場合がある。一般に酸化物半
導体膜の酸素欠損は、一部がドナーとなりキャリアである電子を放出する。この結果、ト
ランジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。そこで、下地絶縁膜から
酸化物半導体膜に酸素が十分に供給され、好ましくは酸化物半導体膜に酸素が過剰に含ま
れていることにより、しきい値電圧がマイナス方向へシフトする要因である、酸化物半導
体膜の酸素欠損密度を低減することができる。

酸化物半導体膜９０９に用いる材料としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜
鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化
物半導体膜９０９を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライ
ザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビラ
イザーとしてスズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ
）またはジルコニウム（Ｚｒ）を有することが好ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（
Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム
（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホル
ミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ル
テチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉ
ｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓ
ｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化
物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物
、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ
−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−
Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔ
ｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ
−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸
化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ
−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。

好ましくは、酸化物半導体膜９０９は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低
減することができる。さらに、表面の平坦性を高めることによって、アモルファス状態の
酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な
表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１
ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成す
るとよい。

酸化物半導体膜９０９は、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ
Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅ
ｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜９０
９は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた
状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。

また、酸化物半導体膜９０９において、銅、アルミニウム、塩素などの不純物がほとんど
含まれない高純度化されたものであることが望ましい。トランジスタの製造工程において
、これらの不純物が混入または酸化物半導体膜９０９表面に付着する恐れのない工程を適
宜選択することが好ましく、酸化物半導体膜９０９表面に付着した場合には、シュウ酸や
希フッ酸などに曝す、またはプラズマ処理（Ｎ_２Ｏプラズマ処理など）を行うことにより
、酸化物半導体膜９０９表面の不純物を除去することが好ましい。具体的には、酸化物半
導体膜９０９の銅濃度は１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。また酸化物半導体膜９０９のアルミニウム濃度は１×１
０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。また、酸化物半導体膜９０９の塩素濃度は２×１
０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

ソース電極およびドレイン電極９１０は、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（
Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）
から選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チ
タン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜等）を用いることができる。また、Ａｌ
、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属
膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜
等）を積層させた構成としても良い。また、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電
性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜
鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２）、酸化インジウム酸化
亜鉛（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたも
のを用いることができる。

ゲート絶縁膜９１１は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成することが
でき、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸
化ハフニウム、酸化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸
化ジルコニウム、酸化ランタン及び酸化ネオジムを含む材料から一種以上選択して、単層
または積層して用いればよい。

また、ゲート絶縁膜９１１の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウム
シリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケ
ート（ＨｆＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ
_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリ
ーク電流を低減できる。また、ゲート絶縁膜９１１をキャパシタに用いる場合、容量を増
加させることができるため好ましい。また、ゲート絶縁膜９１１は、単層構造としても良
いし、積層構造としても良い。

ゲート電極９１２は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅
、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を
用いて形成することができる。また、ゲート電極９１２としてリン等の不純物元素をドー
ピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイ
ド膜を用いてもよい。ゲート電極９１２は、単層構造としてもよいし、積層構造としても
よい。

また、ゲート電極９１２は、酸化インジウム酸化スズ、酸化タングステンを含むインジウ
ム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム
酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を
添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。

また、ゲート絶縁膜９１１と接するゲート電極９１２の一層として、窒素を含む金属酸化
物、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や
、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ
膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができ
る。これらの膜は５ｅＶ（電子ボルト）以上、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以上
の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値
電圧をプラスにすることができる。

層間絶縁膜９１３は、下地絶縁膜９０８と同様の材料により形成すればよい。

層間絶縁膜９１３は、比誘電率が小さく、かつ十分な厚さを有すると好ましい。例えば、
比誘電率が３．８程度である酸化シリコン膜を用い、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の
厚さとすればよい。層間絶縁膜９１３の表面は、大気成分などの影響でわずかに固定電荷
を有し、その影響により、トランジスタのしきい値電圧が変動することがある。そのため
、層間絶縁膜９１３は、表面に生じる電荷の影響が十分に小さくなるような範囲の比誘電
率及び厚さとすることが好ましい。

以上に示したような構成によって、トランジスタ９００と、トランジスタ２０２を形成す
ることができる。また、このようにトランジスタ９００とトランジスタ２０２を積層させ
て形成させることができるため、必要な占有面積を縮小することができる。

（実施の形態４）
本発明の一態様に係る保護回路モジュールまたは電池パックは、表示機器、パーソナルコ
ンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅ
ｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを
有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る保護回路モジュー
ルまたは電池パックを用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲー
ム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ゴーグル型ディ
スプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カ
ーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンター
、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる
。これら電子機器の具体例を図５に示す。

図５（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５００１、筐体５００２、表示部５００３、表
示部５００４、マイクロホン５００５、スピーカー５００６、操作キー５００７、スタイ
ラス５００８等を有する。なお、図５（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５
００３と表示部５００４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これ
に限定されない。

図５（Ｂ）は携帯情報端末であり、第１筐体５６０１、第２筐体５６０２、第１表示部５
６０３、第２表示部５６０４、接続部５６０５、操作キー５６０６等を有する。第１表示
部５６０３は第１筐体５６０１に設けられており、第２表示部５６０４は第２筐体５６０
２に設けられている。そして、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２とは、接続部５６０
５により接続されており、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２の間の角度は、接続部５
６０５により変更できる。第１表示部５６０３における映像の切り替えを、接続部５６０
５における第１筐体５６０１と第２筐体５６０２との間の角度に従って、切り替える構成
としても良い。また、第１表示部５６０３及び第２表示部５６０４の少なくとも一方に、
位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置
入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる
。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示
装置の画素部に設けることでも、付加することができる。

図５（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体５４０１、表示部５４０２、
キーボード５４０３、ポインティングデバイス５４０４等を有する。

図５（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体５３０１、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５
３０３等を有する。

図５（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体５８０１、第２筐体５８０２、表示部５８０
３、操作キー５８０４、レンズ５８０５、接続部５８０６等を有する。操作キー５８０４
及びレンズ５８０５は第１筐体５８０１に設けられており、表示部５８０３は第２筐体５
８０２に設けられている。そして、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２とは、接続部５
８０６により接続されており、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度は、接続
部５８０６により変更できる。表示部５８０３における映像の切り替えを、接続部５８０
６における第１筐体５８０１と第２筐体５８０２との間の角度に従って行う構成としても
良い。

図５（Ｆ）は普通自動車であり、車体５１０１、車輪５１０２、ダッシュボード５１０３
、ライト５１０４等を有する。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

１００ 保護回路モジュール
１０１ 保護回路モジュール
１０２ 保護回路
１１０ 二次電池
１５０ 外部負荷
１６０ 充電用電源
１６５ 保護抵抗
１７０ ヒューズ
１８０ サーミスタ
２００ 放電制御用スイッチ
２０２ トランジスタ
２０４ ダイオード
２０６ トランジスタ
３００ 充電制御用スイッチ
３０２ トランジスタ
３０４ ダイオード
３０６ トランジスタ
５００ 電池パック
６００ 電池パック
７００ 電池パック
８００ 電池パック
９００ トランジスタ
９０１ 半導体基板
９０２ 素子分離絶縁膜
９０３ ソース領域およびドレイン領域
９０４ ゲート絶縁膜
９０５ ゲート電極
９０６ 層間絶縁膜
９０７ 配線
９０８ 下地絶縁膜
９０９ 酸化物半導体膜
９１０ ソース電極およびドレイン電極
９１１ ゲート絶縁膜
９１２ ゲート電極
９１３ 層間絶縁膜
９２０ バックゲート電極
５００１ 筐体
５００２ 筐体
５００３ 表示部
５００４ 表示部
５００５ マイクロホン
５００６ スピーカー
５００７ 操作キー
５００８ スタイラス
５１０１ 車体
５１０２ 車輪
５１０３ ダッシュボード
５１０４ ライト
５３０１ 筐体
５３０２ 冷蔵室用扉
５３０３ 冷凍室用扉
５４０１ 筐体
５４０２ 表示部
５４０３ キーボード
５４０４ ポインティングデバイス
５６０１ 筐体
５６０２ 筐体
５６０３ 表示部
５６０４ 表示部
５６０５ 接続部
５６０６ 操作キー
５８０１ 筐体
５８０２ 筐体
５８０３ 表示部
５８０４ 操作キー
５８０５ レンズ
５８０６ 接続部

Claims (2)

1. 保護回路と、充電制御用スイッチと、放電制御用スイッチと、を有し、
   前記保護回路は、二次電池の電圧を検出する機能と、検出した前記電圧を所定の電圧と比較し、その比較の結果に応じて制御信号を生成する機能と、を有し、
   前記充電制御用スイッチは、前記制御信号に従って導通または非導通となり、
   前記放電制御用スイッチは、前記制御信号に従って導通または非導通となり、
   前記充電制御用スイッチ及び前記放電制御用スイッチは、前記保護回路上に積層されており、
   前記充電制御用スイッチ及び前記放電制御用スイッチは、酸化物半導体膜を有する第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタに電気的に接続されたダイオードと、をそれぞれ有し、
   前記酸化物半導体膜は、ｃ軸に配向した結晶部を有し、
   前記保護回路が有する第２のトランジスタは、シリコンを有し、
   前記第１のトランジスタは、バックゲート電極を有し、
   前記第２のトランジスタは、ソース領域またはドレイン領域が配線に電気的に接続されており、
   前記バックゲート電極と、前記配線とは、同一の層に位置することを特徴とする保護回路モジュール。
2. 請求項１において、
   前記酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎ及びＺｎから選ばれた一種以上の元素を含むことを特徴とする保護回路モジュール。
   

Images