JP6608638B2

JP6608638B2 - 蓄電装置及び電子機器

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Publication number: JP6608638B2
Application number: JP2015140463A
Authority: JP
Inventors: 厚宮口
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2035-07-14
Also published as: JP2017022928A

Description

本発明の一態様は、電池管理回路、蓄電装置、及び電子機器に関する。

なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。

なお、本明細書等において、蓄電装置は、蓄電機能を有する素子、回路、又は装置等を指す。一例としては、リチウムイオン二次電池などの二次電池、リチウムイオンキャパシタ、および電気二重層キャパシタなどは、蓄電装置である。

蓄電装置（バッテリ、二次電池ともいう）は、小型の電子機器から自動車に至るまで幅広い分野で利用されるようになっている。電池の応用範囲が広がるにつれて、複数の電池セルを直列に接続したマルチセル構成のバッテリスタックを使ったアプリケーションが増えている。

蓄電装置は、充電状態（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）を把握するため、電池管理回路（ＢａｔｔｅｌｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＵｎｉｔ：ＢＭＵともいう）を有する。ＢＭＵは、マルチセル構成のバッテリスタックの場合、各電池セルのＳＯＣを揃えるために容量の均等化（セル・バランシング）を行う必要がある。

特許文献１は、セル・バランシングを行うためのセルバランス回路として、キャパシタ方式のセルバランス回路の一例が開示されている。

特開平１１−３５５９６６号公報

キャパシタ方式のセルバランス回路では、放電側の電池セルから移動させる電荷をキャパシタに一時的に蓄積する必要がある。そのため、電荷の移動効率が悪い。

また、電池セル毎の電荷の充放電を制御するためのスイッチとして、チャネル形成領域にシリコンを用いるトランジスタ（Ｓｉトランジスタ）を利用する場合、温度上昇時の特性の変動が顕著になるといった問題や、直接に接続した電池セルによる高電圧への絶縁破壊の問題がある。

本発明の一態様は、新規な電池管理回路、蓄電装置、及び電子機器等を提供することを課題の一とする。

または、本発明の一態様は、電荷の移動効率に優れた、新規な構成の電池管理回路、蓄電装置、及び電子機器等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、温度上昇時の特性変動の抑制が図られた、新規な構成の電池管理回路、蓄電装置、及び電子機器等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、電池セルを直列に接続したことによる高電圧の印加した際の絶縁破壊の頻度が低減できる、新規な構成の電池管理回路、蓄電装置、及び電子機器等を提供することを課題の一とする。

なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、及び／又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。

本発明の一態様は、制御回路と、トランスと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、トランスは、第１のコイル及び第２のコイルを有し、第１のコイルは、第１のトランジスタに電気的に接続され、第２のコイルは、第２のトランジスタに電気的に接続され、トランスは、直列に接続された第１の電池セルおよび第２の電池セルに電気的に接続され、制御回路は、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタの導通状態を制御して、第１の電池セルと第２の電池セルとを充放電し、第１の電池セルと第２の電池セルの容量の均等化を行う機能を有し、トランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する、電池管理回路である。

本発明の一態様は、制御回路と、電池部と、トランスと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、トランスは、第１のコイル及び第２のコイルを有し、第１のコイルは、第１のトランジスタに電気的に接続され、第２のコイルは、第２のトランジスタに電気的に接続され、電池部は、直列に接続された第１の電池セルおよび第２の電池セルを有し、トランスは、第１の電池セルおよび第２の電池セルに電気的に接続され、制御回路は、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタの導通状態を制御して、第１の電池セルと第２の電池セルとを充放電し、第１の電池セルと第２の電池セルの容量の均等化を行う機能を有し、トランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する、蓄電装置である。

本発明の一態様において、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは、ダイオードが並列に接続される、電池管理回路または蓄電装置が好ましい。

本発明の一態様において、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは、バックゲートを有する、電池管理回路または蓄電装置が好ましい。

本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規な電子機器等を提供することができる。

または、本発明の一態様は、電荷の移動効率に優れた、新規な構成の電池管理回路、蓄電装置、及び電子機器等を提供することができる。または、本発明の一態様は、温度上昇時の特性変動の抑制が図られた、新規な構成の電池管理回路、蓄電装置、及び電子機器等を提供することができる。または、本発明の一態様は、電池セルを直列に接続したことによる高電圧の印加した際の絶縁破壊の頻度が低減できる、新規な構成の電池管理回路、蓄電装置、及び電子機器等を提供することができる。

なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び／又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。

本発明の一態様を説明する回路図。トランジスタの温度特性を示すグラフ。本発明の一態様を説明するためのＶＤ−ＩＤ特性図。本発明の一態様を説明するためのＶＤ−ＩＤ特性図。本発明の一態様を説明する回路図。本発明の一態様を説明する回路図。本発明の一態様を説明する回路図。本発明の一態様を説明する回路図。本発明の一態様を説明する回路図。本発明の一態様を説明する回路図。本発明の一態様を説明する回路図。本発明の一態様を説明する回路図。本発明の一態様に係るトランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの構成例を示す断面図及びエネルギーバンド図。酸素が拡散する経路を示す断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。本発明の一態様に係るトランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像およびその画像解析像。ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、およびｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。ａ−ｌｉｋｅＯＳの断面ＴＥＭ像。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。電子部品の作製工程を示すフローチャート図及び斜視模式図。本発明の一態様の電気機器を説明する図。本発明の一態様の電気機器を説明する図。本発明の一態様の電気機器を説明する図。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、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、以下の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。

なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略して言及することもありうる。

なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

（実施の形態１）
本発明の一態様の、電池管理回路及び電池セルを備えた蓄電装置の構成例について、図１乃至図７を参照して説明する。

図１には、制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂ及び電池セルｃｅｌｌ＿Ａ、ｃｅｌｌ＿Ｂを含む蓄電装置１００Ａのブロック図の一例を示す。

制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂは、電池セルの充電と放電を制御して、直列に接続された電池セルｃｅｌｌ＿Ａ乃至ｃｅｌｌ＿Ｂの容量の均等化を図る機能を有する。なお図１の例では、電池セルを２つ直列に接続し、一方の電池セルを放電して他方の電池セルを充電できる構成の例を説明する。これに限らず、２以上の電池セルを接続し、いずれか一の電池セルを放電して、いずれか一の電池セルを充電できる構成としてもよい。

制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂは、制御部１２１と、トランス１２２と、トランジスタ１２３と、トランジスタ１２４と、抵抗１２５と、抵抗１２６と、容量１２７と、を有する。トランス１２２は、第１のコイル（一次コイル）及び第１のコイル（二次コイル）を有する。

なお本実施の形態では、説明を簡単にするために、蓄電装置は、電池セルの他、電池管理回路として、容量の均等化を図る制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂを図示しているが、他の構成を有していてもよい。例えば蓄電装置は、充電回路やマイクロプロセッサやメモリ、あるいは電池管理回路間の信号の送受信を制御するバス等を有していてもよい。この場合電池管理回路は、電池セル以外の回路、すなわち充電回路、制御回路、マイクロプロセッサ、メモリ、およびバス等を含む回路である。なお電池管理回路、充電回路、制御回路、マイクロプロセッサ、メモリ等の回路は、単に回路という場合がある。

トランス１２２の第１のコイルには、トランジスタ１２３及び抵抗１２５が直列に接続される。直列に接続された、トランス１２２の第１のコイル、トランジスタ１２３及び抵抗１２５、並びに容量１２７は、電池セルｃｅｌｌ＿Ａに並列に接続される。トランス１２２の第２のコイルには、トランジスタ１２４及び抵抗１２６が直列に接続される。直列に接続されたトランス１２２の第２のコイル、トランジスタ１２４及び抵抗１２６は、高電位側にある制御回路１２０＿Ｂ内のトランス１２２の第２のコイルに接続される。

制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂでは、双方向同期整流式フライバックで充電と放電を行う。制御部１２１は、トランジスタ１２３及びトランジスタ１２４の導通状態を制御して、電池セルの放電と充電とを制御する。例えば、トランス１２２の一次コイル側にあるトランジスタ１２３を導通状態とすることで、トランス１２２に並列に接続された電池セルを放電させ、トランス１２２の二次コイル側にあるトランジスタ１２４を導通状態とすることで、トランス１２２の二次コイル側にある他の電池セルを充電する。あるいは、トランス１２２の二次コイル側にあるトランジスタ１２４を導通状態とすることで、トランス１２２の二次コイル側にある他の電池セルを放電させ、トランス１２２の一次コイル側にあるトランジスタ１２３を導通状態とすることで、トランス１２２の一次コイル側にある電池セルを充電する。

制御部１２１は、トランジスタ１２３の導通状態を制御する信号を出力する端子Ｇｐを有する。制御部１２１は、トランジスタ１２４の導通状態を制御する信号を出力する端子ＧＳを有する。

なお制御部１２１は、トランジスタ１２３と抵抗１２５の間の電圧を測定する端子Ｉｐを有していてもよい。また制御部１２１は、トランジスタ１２４と抵抗１２６の間の電圧を測定する端子ＩＳを有していてもよい。制御部１２１は、電池セルｃｅｌｌ＿Ａ、ｃｅｌｌ＿Ｂの正極と負極に接続する端子Ｃ＋、Ｃ−を有していてもよい。端子Ｉｐ、端子ＩＳあるいは端子Ｃ＋、Ｃ−で行う機能は、制御部１２１とは別に設けられる監視回路等が有していてもよい。制御部１２１が。端子Ｉｐ、端子ＩＳあるいは端子Ｃ＋、Ｃ−を有することで、電池セルの電圧および電流のデータを直接得ることができるため、電池セルの状態に応じたトランジスタ１２３、１２４の制御を行いやすくすることができる。

本発明の一態様におけるトランジスタ１２３及びトランジスタ１２４は、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）とする。

ＯＳトランジスタは、酸化物半導体中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体を真性または実質的に真性にすることでオフ電流を低くすることができる。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体中のキャリア密度が、８×１０^１１／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１０／ｃｍ^３未満であり、１×１０^−９／ｃｍ^３以上であることを指す。酸化物半導体において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。

真性または実質的に真性にしたＯＳトランジスタは、キャリア密度が低いため、閾値電圧がマイナスとなる電気特性になることが少ない。また、当該ＯＳトランジスタは、酸化物半導体のキャリアトラップが少ないため、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。また、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流（トランジスタがオフ状態にあるときのドレイン電流）を非常に低くすることが可能となる。

なおオフ電流を低くしたＯＳトランジスタでは、室温（２５℃程度）にてチャネル幅１μｍあたりの規格化されたオフ電流が１×１０^−１８Ａ以下、好ましくは１×１０^−２１Ａ以下、更に好ましくは１×１０^−２４Ａ以下、又は８５℃にて１×１０^−１５Ａ以下、好ましくは１×１０^−１８Ａ以下、更に好ましくは１×１０^−２１Ａ以下とすることができる。

またＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタよりも高い温度で使用することができる。具体例を挙げて説明するため、図２（Ａ）にＯＳトランジスタのゲート電圧Ｖ_Ｇ−ドレイン電流Ｉ_Ｄ特性、及びゲート電圧Ｖ_Ｇ−電界効果移動度μ_ＦＥ特性の温度依存性を、図２（Ｂ）にＳｉトランジスタのゲート電圧Ｖ_Ｇ−ドレイン電流Ｉ_Ｄ特性、及びゲート電圧Ｖ_Ｇ−電界効果移動度μ_ＦＥ特性の温度依存性を、示す。なお図２（Ａ）、（Ｂ）においては、−２５℃、５０℃、１５０℃の温度での各電気的特性の測定結果を示している。なおドレイン電圧Ｖ_Ｄは１Ｖとしている。

なお図２（Ａ）に示すＯＳトランジスタの電気的特性は、チャネル長Ｌ＝０．４５μｍ、チャネル幅Ｗ＝１０μｍ、ゲート絶縁層の酸化膜の膜厚Ｔｏｘ＝２０ｎｍでのグラフである。また図２（Ｂ）に示すＳｉトランジスタの電気的特性は、Ｌ＝０．３５μｍ、Ｗ＝１０μｍ、Ｔｏｘ＝２０ｎｍでのグラフである。

なおＯＳトランジスタの酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物で作製し、Ｓｉトランジスタは、シリコンウエハから作製したものである。

図２（Ａ）及び（Ｂ）からは、ＯＳトランジスタの立ち上がりゲート電圧の温度依存性は小さいことがわかる。また、ＯＳトランジスタのオフ電流が温度によらず測定下限（Ｉ_０）以下であるが、Ｓｉトランジスタのオフ電流は、温度依存性が大きい。図２（Ｂ）の測定結果は、１５０℃では、Ｓｉトランジスタはオフ電流が上昇し、電流オン／オフ比が十分に大きくならないことを示している。

図２（Ａ）及び（Ｂ）のグラフから、ＯＳトランジスタをスイッチとして用いる場合、１５０℃以上の温度下においても、動作させることができる。そのため、蓄電装置の耐熱性を優れたものとすることができる。

またＯＳトランジスタの電圧に対する耐圧について、Ｓｉトランジスタの耐圧の比較し、説明する。

図３では、ＯＳトランジスタのドレイン耐圧について説明するため、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタとのＶＤ−ＩＤ特性図について示す。図３では、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を０．９μｍとし、チャネル幅を１０μｍとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を２０ｎｍとしている。なおゲート電圧は、２Ｖとしている。

図３に示すようにＳｉトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して４Ｖ程度でアバランシェブレークダウンが起こるのに対して、ＯＳトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して２６Ｖ程度までアバランシェブレークダウンが起きずに定電流を流すことができるのがわかる。

また図４（Ａ）では、ゲート電圧を変化させた際の、ＯＳトランジスタのＶＤ−ＩＤ特性図について示す。また図４（Ｂ）では、ゲート電圧を変化させた際の、ＳｉトランジスタのＶＤ−ＩＤ特性図について示す。図４（Ａ）、（Ｂ）では、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタとについて同じ条件での耐圧を比較するために、共にチャネル長を０．９μｍとし、チャネル幅を１０μｍとし、酸化シリコンを用いたゲート絶縁膜の膜厚を２０ｎｍとしている。なおゲート電圧は、図４（Ａ）のＯＳトランジスタでは０．１Ｖ、２．０６Ｖ、４．０２Ｖ、５．９８Ｖ．７．９４Ｖと変化させ、図４（Ｂ）のＳｉトランジスタでは０．１Ｖ、１．２８Ｖ、２．４６Ｖ、３．６４Ｖ、４．８２Ｖと変化させている。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示すようにＳｉトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して４乃至５Ｖ程度でアバランシェブレークダウンが起こるのに対して、ＯＳトランジスタでは、ドレイン電圧の増加に対して９Ｖ程度ではアバランシェブレークダウンが起きずに定電流を流すことができるのがわかる。

図３、図４（Ａ）、（Ｂ）からもわかるようにＯＳトランジスタはＳｉトランジスタと比べて耐圧が高い。そのため高い電圧が印加される箇所にＯＳトランジスタを適用しても、絶縁破壊を引き起こすことなく安定して使用することができる。

上述したように、電池セル間の充電および放電を制御するトランジスタに用いられるＯＳトランジスタは、オフ電流が小さく、且つ高温環境下であっても電気特性の変動が小さく、且つチャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（Ｓｉトランジスタ）と比較してバンドギャップが１乃至２ｅＶ程度高く、アバランシェブレークダウンが起こりにくい、トランジスタである。

そのため、蓄電装置または電池管理回路は、時間の経過による容量の低下が小さく、長時間経過後でも電池セルの容量を保持することができる。加えて、電池セルを充電することに伴う温度上昇によってトランジスタの特性の変動が小さく、動作できる温度範囲の広げることができる。加えて、制御回路辺りの直列に接続される電池セルの数を増やすことができ、電池セル数が増加しても制御回路の部品数を削減できる。

なお本発明の一態様は、図１の構成に限らない。図１の変形例を図５乃至図７に示し、説明する。

図５には、制御回路１２０＿Ｃ、１２０＿Ｄ及び電池セルｃｅｌｌ＿Ｃ、ｃｅｌｌ＿Ｄを含む蓄電装置１００Ｂのブロック図の一例を示す。

制御回路１２０＿Ｃ、１２０＿Ｄの機能は、図１で説明した制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂの機能と同様である。制御回路１２０＿Ｃ、１２０＿Ｄが制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂと異なる点は、図５に図示するように、トランジスタ１２３及び１２４に並列にダイオード１２８を追加する点にある。このような構成とすることで、トランジスタをオフ状態とした際の抵抗１２５および抵抗１２６側の電圧の下降を速やかに行うことができる。

図６には、制御回路１２０＿Ｅ、１２０＿Ｆ及び電池セルｃｅｌｌ＿Ｅ、ｃｅｌｌ＿Ｆを含む蓄電装置１００Ｃのブロック図の一例を示す。

制御回路１２０＿Ｅ、１２０＿Ｆの機能は、図１で説明した制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂの機能と同様である。制御回路１２０＿Ｅ、１２０＿Ｆが制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂと異なる点は、図６に図示するように、トランジスタ１２３及び１２４に並列にダイオード接続したトランジスタ１２９を追加する点にある。トランジスタ１２９は、トランジスタ１２３及び１２４と同様にＯＳトランジスタとすることで、オフ電流が小さいことによる電池セルの容量の低下を抑制でき、且つ温度上昇によるトランジスタの特性の変動を抑制でき、且つ高電圧の印加した際の耐圧能力を向上できる。また図５の構成と同様に、トランジスタをオフ状態とした際の抵抗１２５および抵抗１２６側の電圧の下降を速やかに行うことができる。

図７には、制御回路１２０＿Ｇ、１２０＿Ｈ及び電池セルｃｅｌｌ＿Ｇ、ｃｅｌｌ＿Ｈを含む蓄電装置１００Ｄのブロック図の一例を示す。

制御回路１２０＿Ｇ、１２０＿Ｈの機能は、図１で説明した制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂの機能と同様である。制御回路１２０＿Ｇ、１２０＿Ｈが制御回路１２０＿Ａ、１２０＿Ｂと異なる点は、図７に図示するように、トランジスタ１２３およびトランジスタ１２４をトランジスタ１２３ＢＧ及び１２４ＢＧに置き換える点にある。トランジスタ１２３ＢＧ及び１２４ＢＧは、半導体層の上下に設けたゲートで電気的に取り囲む形状を有する。そのため半導体層にはチャネル形成領域がより広範囲に形成されることになる。そのため、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、トランジスタのオン電流を高くすることができる。

以上の構成とすることで制御回路を有する電池管理回路は、充電不足や、過充電の原因となる、電池セル間の容量のばらつきを抑制することができる。

以上説明した制御回路を有する電池管理回路は、キャパシタ方式のように電荷を一時的に蓄積する必要がなく、連続的に移動させることができるため、単位時間当たりの電荷の移動効率に優れた電池管理回路とすることができる。

また、以上説明した制御回路を有する電池管理回路は、ＯＳトランジスタを有することで、電池セルの容量の低下を抑制できる電池管理回路とすることができる。そのため、時間の経過による容量の低下が小さく、長時間経過後でも電池セルの容量を保持することができる、電池管理回路とすることができる。

加えて制御回路を有する電池管理回路は、ＯＳトランジスタを有することで、充電時の温度上昇の起因する、トランジスタ特性の低下の抑制が図られた電池管理回路とすることができる。そのため、電池セルを充電することに伴う温度上昇によってトランジスタの特性の変動が小さく、動作できる温度範囲の広げられた、電池管理回路とすることができる。

加えて制御回路を有する電池管理回路は、電池セルを直列に接続したことによる高電圧の印加した際の耐圧能力を向上できる電池管理回路とすることができる。そのため、制御回路辺りの直列に接続される電池セルの数を増やすことができ、電池セル数が増加しても制御回路の部品数を削減できる、電池管理回路とすることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１で説明した、制御回路及び電池セルを備えた蓄電装置の構成をより具体的にした構成について、図８乃至図１２を参照して説明する。

図８（Ａ）には、制御回路及び電池セルを含む蓄電装置のブロック図の一例を示す。

図８（Ａ）に示す蓄電装置１００は、制御回路１２０＿１（図中、Ｂａｌａｎｃｅｒ）と、制御回路１２０＿２と、充電回路１３０（図中、Ｃｈａｇｅｒ）と、マイクロプロセッサ１４０（又はマイクロコントローラ）（図中、μｐ／μｃ）と、バス１５０（図中、Ｂｕｓ）と、電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿２Ｎ（Ｎは２以上の自然数）と、を有する。

図８（Ａ）の蓄電装置１００において、制御回路１２０＿１と、制御回路１２０＿２と、充電回路１３０と、マイクロプロセッサ１４０と、バス１５０と、により構成される部分を、電池管理回路と呼ぶことができる。

図８（Ａ）の蓄電装置１００において、複数の電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿２Ｎは、図８（Ａ）に示すように、直列に接続されている。

制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）は、電池セルの放電と充電を制御する機能を有する。制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）は、接続された各電池部の電池セルの充電と放電を制御して、直接に接続された電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿２Ｎの容量の均等化を図る。

なお一つの制御回路に接続される電池部の電池セルの数は、制御回路の電圧に対する耐圧能力等を考慮して決めればよい。制御回路の耐圧能力が小さい場合は、制御回路の数を増やし、制御回路に接続される電池部の電池セルの数を少なくすればよい。図８（Ａ）の例では、制御回路１２０＿１と制御回路１２０＿２との２つが設けられている。別の例としては、図８（Ｂ）に図示するように、制御回路１２０を設ける構成とすることができる。

制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）は、マイクロプロセッサ１４０によって、制御される。制御するための信号等は、バス１５０を介してマイクロプロセッサ１４０に入出力される。なお電池セルの数が増加し、制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）を複数設ける場合には、制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）に入出力される信号は、他の制御回路とバスを介して、マイクロプロセッサ１４０との間で入出力される。

充電回路１３０は、容量の均等化が図られた電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿２Ｎに充電を行うための電流Ｉ_{Ｃｈａｒｇｅ}を与える機能を有する回路である。

なお直列に接続された電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿２Ｎの間で容量が異なると、放電時の容量が小さくなる虞がある。そのため、充電回路１３０によって充電を行う前には、制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）によって、電池セル間の容量の均等化を図ることが好ましい。充電回路１３０は、マイクロプロセッサ１４０によって、制御される。

なお電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿２Ｎは、蓄電機能を有する二次電池が好ましい。例えば二次電池としては、リチウムイオン二次電池、リチウム空気電池、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池などがある。中でも容量の大きい、リチウムイオン二次電池が好ましい。中でも、正極材料としてリン酸鉄リチウムを有するリチウムイオン二次電池が好ましい。リン酸鉄リチウムは、オリビン型結晶構造を有するため、熱的及び化学的に安定性に優れている。従って大型の蓄電装置への適用に特に優れている。

なお直列に接続する電池セルの個数は、電流を流す負荷の耐圧能力等に応じて決めればよい。例えば、ハイブリッド電気自動車のような用途において１００Ｖ以上を必要とする。従って、直列に接続する電池セルの総数は多くなる。そのため、図８（Ａ）の構成のように、制御回路に対応する電池部に区切って、充電又は放電を制御する構成とすることが好ましい。

マイクロプロセッサ１４０は、電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿２Ｎの容量、温度等の諸情報に応じて、制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）及び充電回路を制御する機能を有する。なおマイクロプロセッサ１４０に与える電圧Ｖｃｃは、電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿２Ｎを一斉に充電のための電流Ｉ_{Ｃｈａｒｇｅ}を流すための電圧である。

例えばマイクロプロセッサ１４０は、制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）において取得した各電池セルの電圧の高低のデータを基に、放電する電池セル又は充電する電池セルを判定する。そしてマイクロプロセッサ１４０は、放電する電池セル又は充電する電池セルに関するアドレス情報を制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）に出力する。そして制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）は、放電する電池セル又は充電する電池セルに関するアドレスを基に、電池セル間の放電又は充電を制御する信号を出力する。そしてマイクロプロセッサ１４０は、再び制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）によって各電池セルの電圧の高低のデータを取得し、電池セルの容量の均等化が図られるまで、電池セル間の充電又は放電を制御する信号を出力する。そしてマイクロプロセッサ１４０は、電池セル間の容量の均等化が図られた後に、充電回路１３０によって電池セルの充電を行うよう信号を出力する。

マイクロプロセッサ１４０と、制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）及び充電回路１３０とは、例えばシリアル周辺インターフェース（ＳｅｒｉａｌＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅ：ＳＰＩ）を備え、バス１５０を介した、同期シリアルデータ転送によって通信を行うことができる。ＳＰＩは、マスタ−スレーブモデルを使用する。この場合、マスターデバイスは複数のスレーブデバイスと相互作用する。例えば、マイクロプロセッサ１４０は、ＳＰＩマスターデバイスとして作用し、制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）及び充電回路１３０は、ＳＰＩスレーブデバイスとして作用する。

以上の構成とすることで電池管理回路は、充電不足や、過充電の原因となる、電池セル間の容量のばらつきを抑制することができる。

制御回路１２０＿１（制御回路１２０＿２）の構成について図９を参照して説明する。なお図９では、一つの制御回路で制御する電池セルを６つ、つまりＮ＝６として説明する。すなわち。制御回路１２０＿１は電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿６の充電と放電を制御する。なお図９では図示していないが、制御回路１２０＿２は電池セルｃｅｌｌ＿７乃至ｃｅｌｌ＿１２の充電と放電を制御する。

図９に示す制御回路１２０＿１は、制御部１２１＿１と、トランス１２２と、トランジスタ１２３と、トランジスタ１２４と、抵抗１２５と、抵抗１２６と、容量１２７と、を有する。トランス１２２は、第１のコイル（一次コイル）及び第１のコイル（二次コイル）を有する。制御回路１２０＿１の構成は、実施の形態１の図１で説明した制御回路１２０＿Ａと構成と同じであり、説明を省略する。

制御部１２１＿１は、トランジスタ１２３の導通状態を制御する信号を出力する端子Ｇ１ｐ乃至Ｇ６ｐを有する。制御部１２１＿１は、トランジスタ１２４の導通状態を制御する信号を出力する端子Ｇ１Ｓ乃至Ｇ６Ｓを有する。制御部１２１＿１は、トランジスタ１２３と抵抗１２５の間の電圧を測定する端子Ｉ１ｐ乃至Ｉ６ｐを有する。制御部１２１＿１は、トランジスタ１２４と抵抗１２６の間の電圧を測定する端子Ｉ１Ｓ乃至Ｉ６Ｓを有する。制御部１２１＿１は、電池セルｃｅｌｌ＿１乃至ｃｅｌｌ＿６の正極と負極に接続する端子Ｃ１乃至Ｃ６、Ｖ−を有する。

トランジスタ１２３及びトランジスタ１２４は、上記実施の形態１で説明したように、ＯＳトランジスタを用いることが好ましい。ＯＳトランジスタはオフ電流が小さい。加えて、ＯＳトランジスタは、高温環境下であっても電気特性の変動が小さい。さらに加えて、ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタと比較し、バンドギャップが１乃至２ｅＶ程度高いため、アバランシェブレークダウンが起こりにくい。

そのため、時間の経過による容量の低下が小さく、長時間経過後でも電池セルの容量を保持することができる。加えて、電池セルを充電することに伴う温度上昇によってトランジスタの特性の変動が小さく、動作できる温度範囲の広げることができる。加えて、制御回路辺りの直列に接続される電池セルの数を増やすことができ、電池セル数が増加しても制御回路の部品数を削減できる。

なお本発明の一態様は、図９の構成に限らない。例えば、図１０に図示するように、トランジスタ１２３及び１２４に並列にダイオード１２８を追加した構成としてもよい。あるいは、図１１に図示するように、トランジスタ１２３及び１２４に並列にダイオード接続したトランジスタ１２９を追加した構成としてもよい。あるいは、図１２に図示するように、トランジスタ１２３及び１２４にバックゲートを追加したトランジスタ１２３ＢＧ、１２４ＢＧとした構成としてもよい。

以上説明した電池管理回路は、キャパシタ方式のように電荷を一時的に蓄積する必要がなく、連続的に移動させることができるため、単位時間当たりの電荷の移動効率に優れた電池管理回路とすることができる。

また、以上説明した電池管理回路は、ＯＳトランジスタを有することで、電池セルの容量の低下を抑制できる電池管理回路とすることができる。そのため、時間の経過による容量の低下が小さく、長時間経過後でも電池セルの容量を保持することができる、電池管理回路とすることができる。

加えて電池管理回路は、ＯＳトランジスタを有することで、充電時の温度上昇の起因する、トランジスタ特性の低下の抑制が図られた電池管理回路とすることができる。そのため、電池セルを充電することに伴う温度上昇によってトランジスタの特性の変動が小さく、動作できる温度範囲の広げられた、電池管理回路とすることができる。

加えて電池管理回路は、電池セルを直列に接続したことによる高電圧の印加した際の耐圧能力を向上できる電池管理回路とすることができる。そのため、制御回路辺りの直列に接続される電池セルの数を増やすことができ、電池セル数が増加しても制御回路の部品数を削減できる、電池管理回路とすることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係るＯＳトランジスタについて説明する。なおＯＳトランジスタは、実施の形態４で説明するｎｃ−ＯＳまたはＣＡＡＳ−ＯＳを有することが好ましい。

＜トランジスタの構成例１＞
図１３（Ａ）乃至図１３（Ｃ）は、トランジスタ１４００ａの上面図および断面図である。図１３（Ａ）は上面図である。図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１３（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ａのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ａのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。

トランジスタ１４００ａは、基板１４５０と、基板１４５０上の絶縁膜１４０１と、絶縁膜１４０１上の導電膜１４１４と、導電膜１４１４を覆うように形成された絶縁膜１４０２と、絶縁膜１４０２上の絶縁膜１４０３と、絶縁膜１４０３上の絶縁膜１４０４と、絶縁膜１４０４上に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の順で形成された積層と、金属酸化物１４３２の上面及び側面と接する導電膜１４２１と、同じく金属酸化物１４３２の上面及び側面と接する導電膜１４２３と、導電膜１４２１上の導電膜１４２２と、導電膜１４２３上の導電膜１４２４と、導電膜１４２２、導電膜１４２４上の絶縁膜１４０５と、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、導電膜１４２１乃至導電膜１４２４及び絶縁膜１４０５と接する金属酸化物１４３３と、金属酸化物１４３３上の絶縁膜１４０６と、絶縁膜１４０６上の導電膜１４１１と、導電膜１４１１上の導電膜１４１２と、導電膜１４１２上の導電膜１４１３と、導電膜１４１３を覆うように形成された絶縁膜１４０７と、絶縁膜１４０７上の絶縁膜１４０８を有する。なお、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２および金属酸化物１４３３をまとめて、金属酸化物１４３０と呼称する。

金属酸化物１４３２は半導体であり、トランジスタ１４００ａのチャネルとしての機能を有する。

また、金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３２は、領域１４４１及び領域１４４２を有する。領域１４４１は、導電膜１４２１と、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２が接する領域の近傍に形成され、領域１４４２は、導電膜１４２３と、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２が接する領域の近傍に形成される。

領域１４４１、領域１４４２は低抵抗領域としての機能を有する。金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２は、領域１４４１を有することで、導電膜１４２１との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能になる。同様に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２は、領域１４４２を有することで、導電膜１４２３との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能になる。

導電膜１４２１、導電膜１４２２は、トランジスタ１４００ａのソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有する。導電膜１４２３、導電膜１４２４は、トランジスタ１４００ａのソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する。

導電膜１４２２は導電膜１４２１よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４２１の導電率の低下を防ぐことが可能になる。

同様に、導電膜１４２４は導電膜１４２３よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４２３の導電率の低下を防ぐことが可能になる。

導電膜１４１１乃至導電膜１４１３は、トランジスタ１４００ａの第１のゲート電極としての機能を有する。

導電膜１４１１、導電膜１４１３は、導電膜１４１２よりも酸素を透過しにくい機能を有する。これにより、酸化による導電膜１４１２の導電率の低下を防ぐことが可能になる。

絶縁膜１４０６は、トランジスタ１４００ａの第１のゲート絶縁膜としての機能を有する。

導電膜１４１４は、トランジスタ１４００ａの第２のゲート電極としての機能を有する。

導電膜１４１１乃至導電膜１４１３と導電膜１４１４は同じ電位が与えられてもよいし、異なる電位が与えられてもよい。また導電膜１４１４は、場合によっては省略してもよい。

絶縁膜１４０１乃至絶縁膜１４０４は、トランジスタ１４００ａの下地絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁膜１４０２乃至絶縁膜１４０４は、トランジスタ１４００ａの第２のゲート絶縁膜としての機能も有する。

絶縁膜１４０５乃至１４０８は、トランジスタ１４００ａの保護絶縁膜又は層間絶縁膜としての機能を有する。

図１３（Ｃ）に示すように、金属酸化物１４３２の側面は、導電膜１４１１に囲まれている。上記構成をとることで、導電膜１４１１の電界によって、金属酸化物１４３２を電気的に取り囲むことができる。ゲート電極の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。そのため、金属酸化物１４３２の全体（バルク）にチャネルが形成される。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、トランジスタのオン電流を高くすることができる。

ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）など微細化されたトランジスタが要求される半導体装置に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。

トランジスタ１４００ａにおいて、ゲート電極として機能する領域は、絶縁膜１４０５などに形成された開口部を埋めるように自己整合（ｓｅｌｆａｌｉｇｎ）的に形成される。

図１３（Ｂ）に示すように、導電膜１４１１と導電膜１４２２は、絶縁膜を間に介して、互いに重なる領域を有する。同様に、導電膜１４１１と導電膜１４２３は、絶縁膜を間に介して、互いに重なる領域を有する。これらの領域は、ゲート電極と、ソース電極又はドレイン電極との間に生じた寄生容量として機能し、トランジスタ１４００ａの動作速度を低下させる原因になり得る。トランジスタ１４００ａは、絶縁膜１４０５を設けることで、上述の寄生容量を低下させることが可能になる。絶縁膜１４０５は、比誘電率の低い材料からなることが好ましい。

図１４（Ａ）は、トランジスタ１４００ａの中央部を拡大したものである。図１４（Ａ）において、導電膜１４１１の底面が、絶縁膜１４０６及び金属酸化物１４３３を介して、金属酸化物１４３２の上面と平行に面する領域の長さを、幅Ｌ_Ｇとして示す。幅Ｌ_Ｇは、ゲート電極の線幅を表す。また、図１４（Ａ）において、導電膜１４２１と導電膜１４２３の間の長さを、幅Ｌ_ＳＤとして示す。幅Ｌ_ＳＤは、ソース電極とドレイン電極との間の長さを表す。

幅Ｌ_ＳＤは最小加工寸法で決定されることが多い。図１４（Ａ）に示すように、幅Ｌ_Ｇは、幅Ｌ_ＳＤよりも小さい。すなわち、トランジスタ１４００ａは、ゲート電極の線幅を、最小加工寸法より小さくすることが可能になる。具体的には、幅Ｌ_Ｇは、５ｎｍ以上かつ６０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上かつ３０ｎｍ以下とすることが可能になる。

図１４（Ａ）において、導電膜１４２１及び導電膜１４２２の厚さの合計、又は、導電膜１４２３及び導電膜１４２４の厚さの合計を高さＨ_ＳＤと表す。

絶縁膜１４０６の厚さを、高さＨ_ＳＤ以下とすることで、ゲート電極からの電界がチャネル形成領域全体に印加することが可能になり好ましい。絶縁膜１４０６の厚さは、３０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下とする。

また、導電膜１４２２と導電膜１４１１の間に形成される寄生容量、及び、導電膜１４２４と導電膜１４１１の間に形成される寄生容量の値は、絶縁膜１４０５の厚さに反比例する。例えば、絶縁膜１４０５の厚さを、絶縁膜１４０６の厚さの３倍以上、好ましくは５倍以上とすることで、寄生容量は無視できるほど小さくなり、好ましい。その結果、トランジスタ１４００ａを高周波数で動作させることが可能になる。

以下、トランジスタ１４００ａの各構成要素について説明を行う。

＜＜金属酸化物層＞＞
まず、金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３に適用可能な金属酸化物について説明を行う。

トランジスタ１４００ａは、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いことが好適である。オフ電流が低いトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタが挙げられる。

金属酸化物１４３２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体である。金属酸化物１４３２は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、金属酸化物１４３２は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、またはスズ（Ｓｎ）などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、金属酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、金属酸化物１４３２は、亜鉛（Ｚｎ）を含むと好ましい。金属酸化物は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。

ただし、金属酸化物１４３２は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。金属酸化物１４３２は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。

金属酸化物１４３２は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物半導体を用いる。金属酸化物１４３２のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上かつ４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上かつ３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上かつ３．５ｅＶ以下とする。

金属酸化物１４３２は、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜であることが好ましい。

例えば、金属酸化物１４３１および金属酸化物１４３３は、金属酸化物１４３２を構成する酸素以外の元素一種以上から構成される金属酸化物である。金属酸化物１４３２を構成する酸素以外の元素一種以上から金属酸化物１４３１および金属酸化物１４３３が構成されるため、金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との界面、および金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との界面において、界面準位が形成されにくい。

なお、金属酸化物１４３１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。金属酸化物１４３１をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４などが好ましい。

また、金属酸化物１４３２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。金属酸化物１４３２をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。特に、スパッタリングターゲットとして、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される金属酸化物１４３２の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。

また、金属酸化物１４３３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４などが好ましい。また、金属酸化物１４３３は、金属酸化物１４３１と同種の金属酸化物を用いても構わない。

また、金属酸化物１４３１または金属酸化物１４３３がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、金属酸化物１４３１または金属酸化物１４３３が酸化ガリウムであっても構わない。

次に、金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３の積層により構成される金属酸化物１４３０の機能およびその効果について、図１４（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）にＹ１−Ｙ２の鎖線で示した部位のエネルギーバンド構造を示している。また、図１４（Ｂ）は、トランジスタ１４００ａのチャネル形成領域とその近傍のエネルギーバンド構造を示している。

図１４（Ｂ）中、Ｅｃ１４０４、Ｅｃ１４３１、Ｅｃ１４３２、Ｅｃ１４３３、Ｅｃ１４０６は、それぞれ、絶縁膜１４０４、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、金属酸化物１４３３、絶縁膜１４０６の伝導帯下端のエネルギーを示している。

ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（「電子親和力」ともいう。）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう。）からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：ＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定できる。

絶縁膜１４０４と絶縁膜１４０６は絶縁体であるため、Ｅｃ１４０６とＥｃ１４０４は、Ｅｃ１４３１、Ｅｃ１４３２、およびＥｃ１４３３よりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。

金属酸化物１４３２は、金属酸化物１４３１および金属酸化物１４３３よりも電子親和力の大きい金属酸化物を用いる。例えば、金属酸化物１４３２として、金属酸化物１４３１および金属酸化物１４３３よりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上かつ１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上かつ０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上かつ０．４ｅＶ以下大きい金属酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。

なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、金属酸化物１４３３がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。

このとき、ゲート電圧を印加すると、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２、金属酸化物１４３３のうち、電子親和力の大きい金属酸化物１４３２にチャネルが形成される。

そのため、電子は、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３３の中ではなく、金属酸化物１４３２の中を主として移動する。そのため、金属酸化物１４３１と絶縁膜１４０４との界面、あるいは、金属酸化物１４３３と絶縁膜１４０６との界面に、電子の流れを阻害する界面準位が多く存在したとしても、トランジスタのオン電流にはほとんど影響を与えない。金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３３は、絶縁膜のように機能する。

金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との間には、金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２との混合領域を有する場合がある。また、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との間には、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２および金属酸化物１４３３の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造となる。

金属酸化物１４３１と金属酸化物１４３２の界面、あるいは、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との界面は、上述したように界面準位密度が小さいため、金属酸化物１４３２中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることが可能になる。

例えば、トランジスタ中の電子の移動は、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合に阻害される。トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、金属酸化物１４３２の上面または下面（被形成面、ここでは金属酸化物１４３１）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。

チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。例えば、金属酸化物１４３２が酸素欠損（Ｖ_Ｏとも表記。）を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をＶ_ＯＨと表記する場合がある。Ｖ_ＯＨは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、金属酸化物１４３２中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。

例えば、金属酸化物１４３２のある深さにおいて、または、金属酸化物１４３２のある領域において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定される水素濃度は、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

金属酸化物１４３２の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜１４０４に含まれる過剰酸素を、金属酸化物１４３１を介して金属酸化物１４３２まで移動させる方法などがある。この場合、金属酸化物１４３１は、酸素透過性を有する層（酸素を通過または透過させる層）であることが好ましい。

なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、金属酸化物１４３２の全体にチャネルが形成される。したがって、金属酸化物１４３２が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、金属酸化物１４３２が厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。

また、トランジスタのオン電流を高くするためには、金属酸化物１４３３は薄いほど好ましい。金属酸化物１４３３は、例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有していればよい。一方、金属酸化物１４３３は、チャネルの形成される金属酸化物１４３２へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、金属酸化物１４３３は、ある程度の厚さを有することが好ましい。金属酸化物１４３３は、例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有していればよい。また、金属酸化物１４３３は、絶縁膜１４０４などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。

また、信頼性を高くするためには、金属酸化物１４３１は厚く、金属酸化物１４３３は薄いことが好ましい。金属酸化物１４３１は、例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有していればよい。金属酸化物１４３１の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と金属酸化物１４３１との界面からチャネルの形成される金属酸化物１４３２までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、金属酸化物１４３１は、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有していればよい。

例えば、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３１との間に、例えば、ＳＩＭＳ分析において、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、金属酸化物１４３２と金属酸化物１４３３との間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満のシリコン濃度となる領域を有する。

また、金属酸化物１４３２の水素濃度を低減するために、金属酸化物１４３１および金属酸化物１４３３の水素濃度を低減すると好ましい。金属酸化物１４３１および金属酸化物１４３３は、ＳＩＭＳにおいて、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の水素濃度となる領域を有する。また、金属酸化物１４３２の窒素濃度を低減するために、金属酸化物１４３１および金属酸化物１４３３の窒素濃度を低減すると好ましい。金属酸化物１４３１および金属酸化物１４３３は、ＳＩＭＳにおいて、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の窒素濃度となる領域を有する。

金属酸化物１４３１乃至金属酸化物１４３３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法またはＰＬＤ（ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行えばよい。

金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２を形成した後に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上かつ６５０℃以下、好ましくは１４５０℃以上かつ６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以上かつ５７０℃以下で行えばよい。第１の加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。第１の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、第１の加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することが可能になる。

上述の３層構造は一例である。例えば、金属酸化物１４３１または金属酸化物１４３３のない２層構造としても構わない。または、金属酸化物１４３１の上もしくは下、または金属酸化物１４３３上もしくは下に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２および金属酸化物１４３３として例示した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、金属酸化物１４３１の上、金属酸化物１４３１の下、金属酸化物１４３３の上、金属酸化物１４３３の下のいずれか二箇所以上に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２および金属酸化物１４３３として例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。

＜＜基板＞＞
基板１４５０としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。

また、基板１４５０として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板１４５０に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板１４５０として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板１４５０が伸縮性を有してもよい。また、基板１４５０は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板１４５０の厚さは、例えば、５μｍ以上かつ７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上かつ５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上かつ３００μｍ以下とする。基板１４５０を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板１４５０を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板１４５０上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。

可とう性基板である基板１４５０としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板１４５０は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板１４５０としては、例えば、線膨張率が１×１０^−３／Ｋ以下、５×１０^−５／Ｋ以下、または１×１０^−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板１４５０として好適である。

＜＜下地絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０１は、基板１４５０と導電膜１４１４を電気的に分離させる機能を有する。

絶縁膜１４０１又は絶縁膜１４０２は、単層構造または積層構造の絶縁膜で形成される。絶縁膜を構成する材料には、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどがある。

また、絶縁膜１４０２として、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いてもよい。

また、絶縁膜１４０２を成膜した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。

絶縁膜１４０４は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜１４０４から脱離した酸素は金属酸化物１４３０に供給され、金属酸化物１４３０の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。

化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、例えば、ＴＤＳ（ＴｈｅｒｍａｌＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上かつ７００℃以下、または１００℃以上かつ５００℃以下の範囲が好ましい。

絶縁膜１４０４は、金属酸化物１４３０に酸素を供給することができる酸化物を含むことが好ましい。例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。

または、絶縁膜１４０４として、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化物を用いてもよい。

絶縁膜１４０４に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁膜１４０４の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜１４０４に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。

例えば、成膜後の絶縁膜１４０４に、酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。

酸素導入方法には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。

また、絶縁膜１４０４を成膜した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。

絶縁膜１４０３は、絶縁膜１４０４に含まれる酸素が、導電膜１４１４に含まれる金属と結びつき、絶縁膜１４０４に含まれる酸素が減少することを防ぐパッシベーション機能を有する。

絶縁膜１４０３は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１４０３を設けることで、金属酸化物１４３０からの酸素の外部への拡散と、外部から金属酸化物１４３０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。

絶縁膜１４０３としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。

トランジスタ１４００ａは、電荷捕獲層に電子を注入することで、しきい値電圧を制御することが可能になる。電荷捕獲層は、絶縁膜１４０２又は絶縁膜１４０３に設けることが好ましい。例えば、絶縁膜１４０３を酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケート等で形成することで、電荷捕獲層として機能させることができる。

＜＜ゲート電極＞＞
導電膜１４１１乃至導電膜１４１４して、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の低抵抗材料からなる単体、合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。

＜＜ソース電極、ドレイン電極＞＞
導電膜１４２１乃至導電膜１４２４として、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の低抵抗材料からなる単体、合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。

また、導電膜１４２１乃至導電膜１４２４には、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、ストロンチウムルテナイトなど、貴金属を含む導電性酸化物を用いることが好ましい。これらの導電性酸化物は、酸化物半導体と接しても酸化物半導体から酸素を奪うことが少なく、酸化物半導体の酸素欠損を作りにくい。

＜＜低抵抗領域＞＞
領域１４４１、領域１４４２は、例えば、導電膜１４２１、導電膜１４２３が、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２の酸素を引き抜くことで形成される。酸素の引き抜きは、高い温度で加熱するほど起こりやすい。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、領域１４４１、領域１４４２には酸素欠損が形成される。また、加熱により該酸素欠損のサイトに水素が入りこみ、領域１４４１、領域１４４２に含まれるキャリア濃度が増加する。その結果、領域１４４１、領域１４４２が低抵抗化する。

＜＜ゲート絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０６は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁膜１４０６は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物などを有することが好ましい。

また、絶縁膜１４０６は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを金属酸化物１４３３側に有することで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、金属酸化物１４３２に混入することを抑制することができる。

また、例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを金属酸化物１４３３側に有することで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。

＜＜層間絶縁膜、保護絶縁膜＞＞
絶縁膜１４０５は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁膜１４０５は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁膜１４０５は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。

絶縁膜１４０７は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜１４０７を設けることで、金属酸化物１４３０からの酸素の外部への拡散と、外部から金属酸化物１４３０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。

絶縁膜１４０７としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。

酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高いので絶縁膜１４０７に適用するのに好ましい。

絶縁膜１４０７は、スパッタリング法、ＣＶＤ法など酸素を含むプラズマを用いて成膜することで、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６の側面及び表面に、酸素を添加することが可能になる。また、絶縁膜１４０７を成膜した後、何れかのタイミングにおいて、第２の加熱処理を行うことが好ましい。第２の加熱処理によって、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が、絶縁膜中を拡散し、金属酸化物１４３０に到達し、金属酸化物１４３０の酸素欠損を低減することが可能になる。

図１５（Ａ）（Ｂ）は、絶縁膜１４０７を成膜する際に絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が、第２の加熱処理によって絶縁膜中を拡散し、金属酸化物１４３０に到達する様子を描いた模式図である。図１５（Ａ）は、図１３（Ｂ）の断面図において、酸素が拡散する様子を矢印で示している。同様に、図１５（Ｂ）は、図１３（Ｃ）の断面図において、酸素が拡散する様子を矢印で示している。

図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）に示すように、絶縁膜１４０６の側面に添加された酸素が、絶縁膜１４０６の内部を拡散し、金属酸化物１４３０に到達する。また、絶縁膜１４０７と絶縁膜１４０５の界面近傍に、酸素を過剰に含む領域１４６１、領域１４６２及び領域１４６３が形成される場合がある。領域１４６１乃至１４６３に含まれる酸素は、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０４を経由し、金属酸化物１４３０に到達する。絶縁膜１４０５が酸化シリコンを含み、絶縁膜１４０７が酸化アルミニウムを含む場合、領域１４６１乃至１４６３は、シリコンとアルミニウムと酸素の混合層が形成される場合がある。

絶縁膜１４０７は、酸素をブロックする機能を有し、酸素が絶縁膜１４０７より上方に拡散することを防ぐ。同様に、絶縁膜１４０３は、酸素をブロックする機能を有し、酸素が絶縁膜１４０３より下方に拡散することを防ぐ。

なお、第２の加熱処理は、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に添加された酸素が金属酸化物１４３０まで拡散する温度で行えばよい。例えば、第１の加熱処理についての記載を参照しても構わない。または、第２の加熱処理は、第１の加熱処理よりも低い温度が好ましい。第１の加熱処理と第２の加熱処理の温度差は、２０℃以上かつ１５０℃以下、好ましくは４０℃以上かつ１００℃以下とする。これにより、絶縁膜１４０４から余分に酸素が放出することを抑えることができる。なお、第２の加熱処理は、同等の加熱処理を各層の成膜時の加熱によって兼ねることができる場合、行わなくてもよい場合がある。

このように、金属酸化物１４３０は、絶縁膜１４０７の成膜及び第２の加熱処理によって、上下方向から酸素が供給されることが可能になる。

また、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物など、酸化インジウムを含む膜を絶縁膜１４０７として成膜することで、絶縁膜１４０５、絶縁膜１４０６に酸素を添加してもよい。

絶縁膜１４０８には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、絶縁膜１４０８には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜１４０８は上記材料の積層であってもよい。

＜トランジスタの構成例２＞
図１３に示すトランジスタ１４００ａは、導電膜１４１４及び絶縁膜１４０２、絶縁膜１４０３を省略してもよい。その場合の例を図１６に示す。

図１６（Ａ）乃至図１６（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｂの上面図および断面図である。図１６（Ａ）は上面図である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｂのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｂのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。

図１３に示すトランジスタ１４００ａにおいて、導電膜１４２１、導電膜１４２３は、ゲート電極（導電膜１４１１乃至導電膜１４１３）と重なる部分の膜厚を薄くしてもよい。その場合の例を図１７に示す。

図１７（Ａ）乃至図１７（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｃの上面図および断面図である。図１７（Ａ）は上面図である。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図１７（Ｃ）は、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１７（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｃのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｃのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。

図１７（Ｂ）のトランジスタ１４００ｃにおいて、ゲート電極と重なる部分の導電膜１４２１が薄膜化され、その上を導電膜１４２２が覆っている。同様に、ゲート電極と重なる部分の導電膜１４２３が薄膜化され、その上を導電膜１４２４が覆っている。

トランジスタ１４００ｃは、図１７（Ｂ）に示すような構成にすることで、ゲート電極とソース電極との間の距離、又は、ゲート電極とドレイン電極との間の距離を長くすることが可能になり、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極との間に形成される寄生容量を低減することが可能になる。その結果、高速動作が可能なトランジスタを得ることが可能になる。

＜トランジスタの構成例３＞
図１７に示すトランジスタ１４００ｃにおいて、Ａ３−Ａ４方向に、金属酸化物１４３１、１４３２の幅を広げてもよい。その場合の例を図１８に示す。

図１８（Ａ）乃至図１８（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｄの上面図および断面図である。図１８（Ａ）は上面図である。図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｄのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｄのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。

トランジスタ１４００ｄは、図１８に示す構成にすることで、オン電流を増大させることが可能になる。

＜トランジスタの構成例４＞
図１７に示すトランジスタ１４００ｃにおいて、Ａ３−Ａ４方向に、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２から成る領域（以下、フィンと呼ぶ）を複数設けてもよい。その場合の例を図１９に示す。

図１９（Ａ）乃至図１９（Ｃ）は、トランジスタ１４００ｅの上面図および断面図である。図１９（Ａ）は上面図である。図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図１９（Ｃ）は、図１９（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１９（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をトランジスタ１４００ｅのチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をトランジスタ１４００ｅのチャネル幅方向と呼ぶ場合がある。

トランジスタ１４００ｅは、金属酸化物１４３１ａ、金属酸化物１４３２ａから成る第１のフィンと、金属酸化物１４３１ｂ、金属酸化物１４３２ｂから成る第２のフィンと、金属酸化物１４３１ｃ、金属酸化物１４３２ｃから成る第３のフィンと、を有している。

トランジスタ１４００ｅは、チャネルが形成される金属酸化物１４３２ａ乃至金属酸化物１４３２ｃを、ゲート電極が取り囲むことで、チャネル全体にゲート電界を印加することが可能になり、オン電流が高いトランジスタを得ることが可能になる。

＜トランジスタの構成例５＞
図２０（Ａ）乃至図２０（Ｄ）は、トランジスタ１４００ｆの上面図および断面図である。図２０（Ａ）は、トランジスタ１４００ｆの上面図であり、図２０（Ｂ）は図２０（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、図２０（Ｃ）は一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２をチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４をチャネル幅方向という場合がある。トランジスタ１４００ｆもトランジスタ１４００ａ等と同様に、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタである。トランジスタ１４００ｆでは、ゲート電極を構成する導電膜１４１２の側面に接して、絶縁膜１４０９が設けられている。絶縁膜１４０９および導電膜１４１２が絶縁膜１４０８に覆われている。絶縁膜１４０９はトランジスタ１４００ｆのサイドウォール絶縁膜として機能する。トランジスタ１４００ａと同様に、ゲート電極を導電膜１４１１乃至導電膜１４１３の積層としてもよい。

絶縁膜１４０６及び導電膜１４１２は、少なくとも一部が導電膜１４１４及び金属酸化物１４３２と重なる。導電膜１４１２のチャネル長方向の側面端部と絶縁膜１４０６のチャネル長方向の側面端部は概略一致していることが好ましい。ここで、絶縁膜１４０６はトランジスタ１４００ｆのゲート絶縁膜として機能し、導電膜１４１２はトランジスタ１４００ｆのゲート電極として機能し、絶縁膜１４０９はトランジスタ１４００ｆのサイドウォール絶縁膜として機能する。

金属酸化物１４３２は、金属酸化物１４３３および絶縁膜１４０６を介して導電膜１４１２と重なる領域を有する。金属酸化物１４３１の外周が金属酸化物１４３２の外周と概略一致し、金属酸化物１４３３の外周が金属酸化物１４３１及び金属酸化物１４３２の外周よりも外側に位置することが好ましい。ここでは、金属酸化物１４３３の外周が金属酸化物１４３１の外周よりも外側に位置する形状となっているが、本実施の形態に示すトランジスタはこれに限られるものではない。例えば、金属酸化物１４３１の外周が金属酸化物１４３３の外周より外側に位置してもよいし、金属酸化物１４３１の側面端部と、金属酸化物１４３３の側面端部とが概略一致する形状としてもよい。

図２０（Ｄ）に図２０（Ｂ）の部分拡大図を示す。図２０（Ｄ）に示すように、金属酸化物１４３０には、領域１４６１ａ、１４６１ｂ、１４６１ｃ、１４６１ｄ及び１４６１ｅが形成されている。領域１４６１ｂ乃至領域１４６１ｅは、領域１４６１ａと比較してドーパントの濃度が高く、低抵抗化されている。さらに、領域１４６１ｂ及び領域１４６１ｃは、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅと比較して水素の濃度が高く、より低抵抗化されている。例えば、領域１４６１ａは、領域１４６１ｂまたは領域１４６１ｃのドーパントの最大濃度に対して、５％以下の濃度の領域、２％以下の濃度の領域、または１％以下の濃度の領域とすればよい。なお、ドーパントを、ドナー、アクセプター、不純物または元素と言い換えてもよい。

図２０（Ｄ）に示すように、金属酸化物１４３０において、領域１４６１ａは導電膜１４１２と概ね重なる領域であり、領域１４６１ｂ、領域１４６１ｃ、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅは、領域１４６１ａを除いた領域である。領域１４６１ｂ及び領域１４６１ｃにおいては、金属酸化物１４３３の上面が絶縁膜１４０７と接する。領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅにおいては、金属酸化物１４３３の上面が絶縁膜１４０９又は絶縁膜１４０６と接する。つまり、図２０（Ｄ）に示すように、領域１４６１ｂと領域１４６１ｄの境界は、絶縁膜１４０７と絶縁膜１４０９の側面端部の境界と重なる部分である。領域１４６１ｃと領域１４６１ｅの境界についても同様である。ここで、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅの一部が、金属酸化物１４３２の導電膜１４１２と重なる領域（チャネル形成領域）の一部と重なることが好ましい。例えば、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅのチャネル長方向の側面端部は、導電膜１４１２の側面端部より距離ｄだけ導電膜１４１２の内側に位置することが好ましい。このとき、絶縁膜１４０６の膜厚ｔ_４０６および距離ｄは、０．２５ｔ_４０６＜ｄ＜ｔ_４０６を満たすことが好ましい。

このように、金属酸化物１４３０の導電膜１４１２と重なる領域の一部に領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅが形成される。これにより、トランジスタ１４００ｆのチャネル形成領域と抵抗化された領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅが接し、領域１４６１ｄおよび領域１４６１ｅと、領域１４６１ａとの間に、高抵抗のオフセット領域が形成されないため、トランジスタ１４００ｆのオン電流を増大させることができる。さらに、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅのチャネル長方向の側面端部が上記の範囲を満たして形成されることで、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅがチャネル形成領域に対して深く形成されすぎて常に導通状態になってしまうことも防ぐことができる。

領域１４６１ｂ、領域１４６１ｃ、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅは、イオン注入法などのイオンドーピング処理により形成される。このため、図２０（Ｄ）に示すように、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅのチャネル長方向の側面端部の位置が、金属酸化物１４３３上面から深くなるにしたがって、金属酸化物１４３０のチャネル長方向の側面端部側にシフトする場合がある。このとき、距離ｄは、最も導電膜１４１２の内側の近くに位置する、領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅのチャネル長方向の側面端部と導電膜１４１２のチャネル長方向の側面端部との距離とする。

この場合、例えば、金属酸化物１４３１中に形成される領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅが導電膜１４１２と重なる領域に形成されない場合がある。この場合、金属酸化物１４３１又は金属酸化物１４３２に形成される領域１４６１ｄ及び領域１４６１ｅの少なくとも一部が導電膜１４１２と重なる領域に形成されることが好ましい。

また、金属酸化物１４３１、金属酸化物１４３２及び金属酸化物１４３３の絶縁膜１４０７との界面近傍に低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２が形成されることが好ましい。低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２は、絶縁膜１４０７に含まれる元素の少なくとも一が含まれる。低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２の一部が、金属酸化物１４３２の導電膜１４１２と重なる領域（チャネル形成領域）と概略接するか、当該領域の一部と重なることが好ましい。

また、金属酸化物１４３３は絶縁膜１４０７と接する領域が大きいため、低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２は金属酸化物１４３３に形成されやすい。金属酸化物１４３３における低抵抗領域１４５１と低抵抗領域１４５２は、金属酸化物１４３３の低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２ではない領域（例えば、金属酸化物１４３３の導電膜１４１２と重なる領域）より、絶縁膜１４０７に含まれる元素の濃度が高い。

領域１４６１ｂ中に低抵抗領域１４５１が形成され、領域１４６１ｃ中に低抵抗領域１４５２が形成される。金属酸化物１４３０の理想的な構造は、例えば、添加元素の濃度が最も高い領域が低抵抗領域１４５１、１４５２であり、次に濃度が高い領域が、領域１４６１ｂ、領域１４６１ｃ乃至１４６１ｅの低抵抗領域１４５１、１４５２を含まない領域であり、濃度が最も低い領域が領域１４６１ａであることである。添加元素とは、領域１４６１ｂ、１４６１ｃを形成するためのドーパント、および低抵抗領域１４５１、１４５２に絶縁膜１４０７から添加される元素が該当する。

なおトランジスタ１４００ｆでは低抵抗領域１４５１、１４５２が形成される構成としているが、本実施の形態に示す半導体装置は、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、領域１４６１ｂ及び領域１４６１ｃの抵抗が十分低い場合、低抵抗領域１４５１及び低抵抗領域１４５２を形成する必要はない。

＜トランジスタの構成例６＞
図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）は、トランジスタ１６８０の上面図および断面図である。図２１（Ａ）は上面図であり、図２１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂ方向の断面が図２１（Ｂ）に相当する。なお、図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。

図２１（Ｂ）に示すトランジスタ１６８０は、第１のゲートとして機能する導電膜１６８９と、第２のゲートとして機能する導電膜１６８８と、半導体１６８２と、ソース及びドレインとして機能する導電膜１６８３及び導電膜１６８４と、絶縁膜１６８１と、絶縁膜１６８５と、絶縁膜１６８６と、絶縁膜１６８７と、を有する。

導電膜１６８９は、絶縁表面上に設けられる。導電膜１６８９と、半導体１６８２とは、絶縁膜１６８１を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜１６８８と、半導体１６８２とは、絶縁膜１６８５、絶縁膜１６８６及び絶縁膜１６８７を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜１６８３及び導電膜１６８４は、半導体１６８２に、接続されている。

導電膜１６８９及び導電膜１６８８の詳細は、図１３に示す導電膜１４１１乃至導電膜１４１４の記載を参照すればよい。

導電膜１６８９と導電膜１６８８は、異なる電位が与えられてもよいし、同時に同じ電位が与えられてもよい。トランジスタ１６８０は、第２のゲート電極として機能する導電膜１６８８を設けることで、しきい値を安定化させることが可能になる。なお、導電膜１６８８は、場合によっては省略してもよい。

半導体１６８２の詳細は、図１３に示す金属酸化物１４３２の記載を参照すればよい。また、半導体１６８２は、一層でも良いし、複数の半導体層の積層でも良い。

導電膜１６８３及び導電膜１６８４の詳細は、図１３に示す導電膜１４２１乃至１４２４の記載を参照すればよい。

絶縁膜１６８１の詳細は、図１３に示す絶縁膜１４０６の記載を参照すればよい。

なお、図２１（Ｂ）では、半導体１６８２、導電膜１６８３及び導電膜１６８４上に、順に積層された絶縁膜１６８５乃至絶縁膜１６８７が設けられている場合を例示しているが、半導体１６８２、導電膜１６８３及び導電膜１６８４上に設けられる絶縁膜は、一層でも良いし、複数の絶縁膜の積層でも良い。

半導体１６８２に酸化物半導体を用いた場合、絶縁膜１６８６は、化学量論的組成以上の酸素が含まれており、加熱により上記酸素の一部を半導体１６８２に供給する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、絶縁膜１６８６を半導体１６８２上に直接設けると、絶縁膜１６８６の形成時に半導体１６８２にダメージが与えられる場合、図２１（Ｂ）に示すように、絶縁膜１６８５を半導体１６８２と絶縁膜１６８６の間に設けると良い。絶縁膜１６８５は、その形成時に半導体１６８２に与えるダメージが絶縁膜１６８６の場合よりも小さく、なおかつ、酸素を透過する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、半導体１６８２に与えられるダメージを小さく抑えつつ、半導体１６８２上に絶縁膜１６８６を直接形成することができるのであれば、絶縁膜１６８５は必ずしも設けなくとも良い。

例えば、絶縁膜１６８５及び絶縁膜１６８６として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化物を用いることもできる。

絶縁膜１６８７は、酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが、望ましい。或いは、絶縁膜１６８７は、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが、望ましい。

絶縁膜は、密度が高くて緻密である程、また未結合手が少なく化学的に安定である程、より高いブロッキング効果を示す。酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いて、形成することができる。水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。

絶縁膜１６８７が水、水素などの拡散を防ぐブロッキング効果を有する場合、パネル内の樹脂や、パネルの外部に存在する水、水素などの不純物が、半導体１６８２に侵入するのを防ぐことができる。半導体１６８２に酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体に侵入した水または水素の一部は電子供与体（ドナー）となるため、上記ブロッキング効果を有する絶縁膜１６８７を用いることで、トランジスタ１６８０の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。

また、半導体１６８２に酸化物半導体を用いる場合、絶縁膜１６８７が酸素の拡散を防ぐブロッキング効果を有することで、酸化物半導体からの酸素が外部に拡散するのを防ぐことができる。よって、酸化物半導体中において、ドナーとなる酸素欠損が低減されるので、トランジスタ１６８０の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタに適用可能な酸化物半導体膜の構造について説明する。

＜酸化物半導体の構造＞
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄａｎｄａ−ｂ−ｐｌａｎｅａｎｃｈｏｒｅｄｃｒｙｓｔａｌｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。

また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体およびｎｃ−ＯＳなどがある。

非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。

即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。

＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。

ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一種である。

ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ＲａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類されるＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図２２（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳでは、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。そして、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図２２（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ_４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２２（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。

次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２２（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図２２（Ｅ）に示す。図２２（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図２２（Ｅ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図２２（Ｅ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。

また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない場合がある。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

図２３（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（ＳｐｈｅｒｉｃａｌＡｂｅｒｒａｔｉｏｎＣｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって観察することができる。

図２３（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−ＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を被形成面または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。

また、図２３（Ｂ）および図２３（Ｃ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図２３（Ｄ）および図２３（Ｅ）は、それぞれ図２３（Ｂ）および図２３（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図２３（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ^−１から５．０ｎｍ^−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：ＩｎｖｅｒｓｅＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。

図２３（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。

図２３（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形が形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。

以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄｃｒｙｓｔａｌ）と称することもできる。

ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。

なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。

酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。

不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、８×１０^１１個／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１０個／ｃｍ^３未満であり、１×１０^−９個／ｃｍ^３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。

＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。

ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。

また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図２４（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図２４（Ｂ）に示す。図２４（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。

また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図２４（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。

図２４（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであり、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体（ｆｉｎｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。

このように、ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。

なお、ペレット（ナノ結晶）間で結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（ＲａｎｄｏｍＡｌｉｇｎｅｄｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。

ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。

＜ａ−ｌｉｋｅＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。

図２５に、ａ−ｌｉｋｅＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図２５（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２５（Ｂ）は４．３×１０^８ｅ⁻／ｎｍ^２の電子（ｅ⁻）照射後におけるａ−ｌｉｋｅＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２５（Ａ）および図２５（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。

鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。

試料として、ａ−ｌｉｋｅＯＳ、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。

まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶のａ−ｂ面に対応する。

図２６は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図２６より、ａ−ｌｉｋｅＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図２６より、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、電子（ｅ⁻）の累積照射量が４．２×１０^８ｅ⁻／ｎｍ^２においては１．９ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０^８ｅ⁻／ｎｍ^２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図２６より、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．３ｎｍ程度および１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射およびＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０^５ｅ⁻／（ｎｍ^２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。

このように、ａ−ｌｉｋｅＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、ａ−ｌｉｋｅＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。

また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満である。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ_４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ^３である。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ^３以上５．９ｇ／ｃｍ^３未満である。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ^３以上６．３ｇ／ｃｍ^３未満である。

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。

以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明し電池管理回路を電子部品に適用する例について、図２７を用いて説明する。

図２７（Ａ）では上述の実施の形態で説明し電池管理回路を電子部品に適用する例について説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、又はＩＣ用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。

ＯＳトランジスタやＳｉトランジスタで構成される回路部は、組み立て工程（後工程）を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。

後工程については、図２７（Ａ）に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成（ステップＳ１）した後、基板の裏面を研削する（ステップＳ２）。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図るためである。

基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う（ステップＳ３）。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。

次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う（ステップＳ４）。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。

ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される（ステップＳ５）。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力により、内蔵される回路部やワイヤーを保護することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。

次いでリードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する（ステップＳ６）。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。

次いでパッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す（ステップＳ７）。そして最終的な検査工程（ステップＳ８）を経てＰＬＤを含む回路部を有する電子部品が完成する（ステップＳ９）。

また、完成した電子部品の斜視模式図を図２７（Ｂ）に示す。図２７（Ｂ）では、電子部品の一例として、ＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図２７（Ｂ）に示す電子部品７００は、リード７０１及び回路部７０３を示している。図２７（Ｂ）に示す電子部品７００は、例えばプリント基板７０２に実装される。このような電子部品７００が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７０２上で電気的に接続されることで電子機器の内部に搭載することができる。完成した回路基板７０４は、電子機器等の内部に設けられる。

（実施の形態６）
本発明の一態様である蓄電装置は、電力により駆動する様々な電気機器の電源として用いることができる。

本発明の一態様である蓄電装置を用いた電気機器の具体例として、表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ブルーレイディスク（Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃ）（登録商標）などの記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する画像再生装置、携帯電話、スマートフォン、携帯情報端末、携帯型ゲーム機、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、エアコンディショナーなどの空調設備、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、透析装置などが挙げられる。また、蓄電装置からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車、内燃機関と電動機を併せ持った複合型自動車（ハイブリッドカー）、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車などが挙げられる。

なお、上記電気機器は、消費電力の殆ど全てを賄うための蓄電装置（主電源と呼ぶ）として、本発明の一態様である蓄電装置を用いることができる。また、上記電気機器は、上記主電源や商用電源からの電力の供給が停止した場合に、電気機器への電力の供給を行うことができる蓄電装置（無停電電源と呼ぶ）として、本発明の一態様である蓄電装置を用いることができる。また、上記電気機器は、上記主電源や商用電源からの電気機器への電力の供給と並行して、電気機器への電力の供給を行うための蓄電装置（補助電源と呼ぶ）として、本発明の一態様である蓄電装置を用いることができる。

図２８に上記電気機器の具体的な構成を示す。図２８において、表示装置５０００は、蓄電装置５００４を用いた電気機器の一例である。具体的に、表示装置５０００は、ＴＶ放送受信用の表示装置に相当し、筐体５００１、表示部５００２、スピーカー部５００３、蓄電装置５００４等を有する。蓄電装置５００４は、筐体５００１の内部に設けられている。表示装置５０００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置５００４に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、蓄電装置５００４を無停電電源として用いることで、表示装置５０００の利用が可能となる。

表示部５００２には、液晶表示装置、有機ＥＬ素子などの発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装置、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）、ＦＥＤ（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ）などの、半導体表示装置を用いることができる。

なお、表示装置には、ＴＶ放送受信用の他、パーソナルコンピュータ用、広告表示用など、全ての情報表示用表示装置が含まれる。

図２８において、据え付け型の照明装置５１００は、蓄電装置５１０３を用いた電気機器の一例である。具体的に、照明装置５１００は、筐体５１０１、光源５１０２、蓄電装置５１０３等を有する。図２８では、蓄電装置５１０３が、筐体５１０１および光源５１０２が据え付けられた天井５１０４の内部に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置５１０３は、筐体５１０１の内部に設けられていても良い。照明装置５１００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置５１０３に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、蓄電装置５１０３を無停電電源として用いることで、照明装置５１００の利用が可能となる。

なお、図２８では天井５１０４に設けられた据え付け型の照明装置５１００を例示しているが、本発明の一態様である蓄電装置は、天井５１０４以外、例えば側壁５１０５、床５１０６、窓５１０７等に設けられた据え付け型の照明装置に用いることもできるし、卓上型の照明装置などに用いることもできる。

また、光源５１０２には、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を用いることができる。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、ＬＥＤや有機ＥＬ素子などの発光素子が、上記人工光源の一例として挙げられる。

図２８において、室内機５２００および室外機５２０４を有するエアコンディショナーは、蓄電装置５２０３を用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機５２００は、筐体５２０１、送風口５２０２、蓄電装置５２０３等を有する。図２８では、蓄電装置５２０３が、室内機５２００に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置５２０３は室外機５２０４に設けられていてもよい。或いは、室内機５２００と室外機５２０４の両方に、蓄電装置５２０３が設けられていてもよい。エアコンディショナーは、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置５２０３に蓄積された電力を用いることもできる。特に、室内機５２００と室外機５２０４の両方に蓄電装置５２０３が設けられている場合、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様である蓄電装置５２０３を無停電電源として用いることでエアコンディショナーの利用が可能となる。

なお、図２８では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナーを例示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを１つの筐体に有する一体型のエアコンディショナーに、本発明の一態様である蓄電装置を用いることもできる。

図２８において、電気冷凍冷蔵庫５３００は、蓄電装置５３０４を用いた電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫５３００は、筐体５３０１、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３、蓄電装置５３０４等を有する。図２８では、蓄電装置５３０４が、筐体５３０１の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫５３００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置５３０４に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、蓄電装置５３０４を無停電電源として用いることで電気冷凍冷蔵庫５３００の利用が可能となる。

なお、上述した電気機器のうち、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器などの電気機器は、短時間で高い電力を必要とする。よって、商用電源では賄いきれない電力を補助するための補助電源として、本発明の一態様である蓄電装置を用いることで電気機器の使用時に商用電源の規定電力量を超えることを抑制することができる。

また、電気機器が使用されない時間帯、特に商用電源の供給元が供給可能な総電力量のうち、実際に使用される電力量の割合（電力使用率と呼ぶ）が低い時間帯において、蓄電装置に電力を蓄えておくことで、上記時間帯以外において電力使用率が高まるのを抑えることができる。例えば、電気冷凍冷蔵庫５３００の場合、気温が低く、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３の開閉が行われない夜間において、蓄電装置５３０４に電力を蓄える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３の開閉が行われる昼間において、蓄電装置５３０４を補助電源として用いることで昼間の電力使用率を低く抑えることができる。

（実施の形態７）
次に、本発明の一態様である蓄電装置を備えた電気機器の一例として、携帯情報端末について説明する。

図２９（Ａ）に携帯情報端末６５０の表側の模式図を示す。図２９（Ｂ）に携帯情報端末６５０の裏側の模式図を示す。携帯情報端末６５０は、筐体６５１、表示部６５２（表示部６５２ａおよび表示部６５２ｂを含む。）、電源スイッチ６５３、光センサ６５４、カメラ用レンズ６５５、スピーカー６５６、マイクロフォン６５７および電源６５８を有する。

表示部６５２ａおよび表示部６５２ｂはタッチパネルであり、文字入力を行うためのキーボードボタンは必要に応じて表示させることでき、当該キーボードボタンに指やスタイラスなどでふれることにより文字入力を行うことができる。また、当該キーボードボタンを表示させず、指やスタイラスなどを用いて表示部６５２ａに直接文字や図をかくことで表示部６５２ａにその文字や図を表示させることができる。

また、表示部６５２ｂには携帯情報端末６５０で行うことができる機能が表示されており、所望の機能を示すマーカーを指やスタイラスでふれることにより、携帯情報端末６５０は当該機能を実行する。例えば、マーカー６５９にふれることで電話としての機能を行うことができるようになり、スピーカー６５６およびマイクロフォン６５７用いて通話することができる。

携帯情報端末６５０はジャイロ、加速度センサなど傾きを検出する検出装置（図示せず）を内蔵している。そのため、筐体６５１を縦または横にすることで、表示部６５２ａおよび表示部６５２ｂにおいて縦表示または横表示などの表示方向を切り替えることができる。

また、携帯情報端末６５０には光センサ６５４が設けられており、携帯情報端末６５０は、光センサ６５４で検出される外光の光量に応じて表示部６５２ａおよび表示部６５２ｂの輝度を最適に制御することができる。

携帯情報端末６５０には電源６５８が設けられており、電源６５８は太陽電池６６０、および充放電制御回路６７０を有する。なお、図２９（Ｃ）では充放電制御回路６７０の一例としてバッテリー６７１、ＤＣＤＣコンバータ６７２、コンバータ６７３を有する構成について示しており、バッテリー６７１は、上記実施の形態で説明した蓄電装置を有している。

また、携帯情報端末６５０はこの他に、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付または時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作または編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。

携帯情報端末６５０に装着された太陽電池６６０によって、電力を表示部または映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池６６０は、筐体６５１の片面又は両面に設けることができ、バッテリー６７１の充電を効率的に行う構成とすることができる。なおバッテリー６７１としては、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いると、小型化を図ることができるなどの利点がある。

また、図２９（Ｂ）に示す充放電制御回路６７０の構成、および動作について図２９（Ｃ）に示したブロック図を用いて説明する。図２９（Ｃ）には、太陽電池６６０、バッテリー６７１、ＤＣＤＣコンバータ６７２、コンバータ６７３、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部６５２について示しており、バッテリー６７１、ＤＣＤＣコンバータ６７２、コンバータ６７３、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図２９（Ｂ）に示す充放電制御回路６７０に対応する箇所となる。

まず、外光により太陽電池６６０により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池６６０で発電した電力は、バッテリー６７１を充電するための電圧となるようＤＣＤＣコンバータ６７２で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部６５２の動作に太陽電池６６０からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ６７３で表示部６５２に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部６５２での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー６７１の充電を行う構成とすればよい。

なお、太陽電池６６０については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバッテリー６７１の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。

また、本発明の一態様は、上記実施の形態で説明した蓄電装置を具備していれば、図２９に示した携帯情報端末に限定されないことは言うまでもない。

（実施の形態８）
さらに、電気機器の一例である移動体の例について、図３０を用いて説明する。

先の実施の形態で説明した蓄電装置を制御用のバッテリーに用いることができる。制御用のバッテリーは、プラグイン技術や非接触給電による外部からの電力供給により充電をすることができる。なお、移動体が鉄道用電気車両の場合、架線や導電軌条からの電力供給により充電をすることができる。

図３０は、電気自動車の一例を示している。電気自動車６８０には、バッテリー６８１が搭載されている。バッテリー６８１の電力は、制御回路６８２により出力が調整されて、駆動装置６８３に供給される。制御回路６８２は、図示しないＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等を有する処理装置６８４によって制御される。

駆動装置６８３は、直流電動機若しくは交流電動機単体、または電動機と内燃機関と、を組み合わせて構成される。処理装置６８４は、電気自動車６８０の運転者の操作情報（加速、減速、停止など）や走行時の情報（上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報など）の入力情報に基づき、制御回路６８２に制御信号を出力する。制御回路６８２は、処理装置６８４の制御信号により、バッテリー６８１から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置６８３の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。

バッテリー６８１は、プラグイン技術による外部からの電力供給により充電することができる。例えば、商用電源から電源プラグを通じてバッテリー６８１に充電する。充電は、ＡＣ／ＤＣコンバータ等の変換装置を介して、一定の電圧値を有する直流定電圧に変換して行うことができる。バッテリー６８１として、本発明の一態様に係る蓄電装置を搭載することで、電池の高容量化などに寄与することができ、利便性を向上させることができる。また、バッテリー６８１の特性の向上により、バッテリー６８１自体を小型軽量化することができれば、車両の軽量化に寄与するため、燃費を向上させることができる。

なお、本発明の一態様は、上記実施の形態で説明した蓄電装置を具備していれば、図３０で示した電気自動車に限定されないことは言うまでもない。なお、本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（本明細書等の記載に関する付記）
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。

＜実施の形態で述べた本発明の一態様に関する付記＞
各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互い構成例を適宜組み合わせることが可能である。

なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。

なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。

なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。

＜図面を説明する記載に関する付記＞

本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。

また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。

また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。

また、図面において、上面図（平面図、レイアウト図ともいう）や斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。

＜言い換え可能な記載に関する付記＞

本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。

また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位（接地電位）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。

なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。

＜語句の定義に関する付記＞
以下では、上記実施の形態中で言及したかった語句の定義について説明する。

＜＜スイッチについて＞＞
本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。

一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。

電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタなど）、ダイオード（例えば、ＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、ショットキーダイオード、ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＭｅｔａｌ）ダイオード、ＭＩＳ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど）、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。

なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性（導電型）は特に限定されない。

機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。

＜＜チャネル長について＞＞
本明細書等において、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲートとが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとの間の距離をいう。

なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。

＜オフ電流＞
本明細書において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。例えば、ｎチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。

トランジスタのオフ電流は、Ｖｇｓに依存する場合がある。従ってトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓが存在するときに、トランジスタのオフ電流がＩ以下である、と言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、Ｖｇｓが所定の値であるときのオフ電流、Ｖｇｓが所定の範囲内の値であるときのオフ電流、または、Ｖｇｓが十分に低減されたオフ電流が得られる値であるときのオフ電流を指す場合がある。

一例として、しきい値電圧Ｖｔｈが０．５Ｖであり、Ｖｇｓが０．５Ｖであるときのドレイン電流が１×１０^−９Ａであり、Ｖｇｓが０．１Ｖにおけるドレイン電流が１×１０^−１３Ａであり、Ｖｇｓがー０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０^−１９Ａであり、Ｖｇｓがー０．８Ｖにおけるドレイン電流が１×１０^−２２Ａであるようなｎチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Ｖｇｓが−０．５Ｖにおいて、または、Ｖｇｓが−０．５Ｖ乃至−０．８Ｖの範囲において、１×１０^−１９Ａ以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は１×１０^−１９Ａ以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が１×１０^−２２Ａ以下となるＶｇｓが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は１×１０^−２２Ａ以下である、と言う場合がある。

本明細書では、チャネル幅Ｗを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Ｗあたりの値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅（例えば１μｍ）あたりの電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流／長さ（例えば、Ａ／μｍ）で表される場合がある。

トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、６０℃、８５℃、９５℃、または１２５℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）におけるオフ電流、を表す場合がある。室温、６０℃、８５℃、９５℃、１２５℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓが存在するときに、トランジスタのオフ電流がＩ以下である、と言う場合がある。

トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Ｖｄｓに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Ｖｄｓの絶対値が０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ，２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓにおけるオフ電流、を表す場合がある。Ｖｄｓが所定の値であるときに、トランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓが存在する場合、トランジスタのオフ電流がＩ以下である、と言うことがある。ここで、所定の値とは、例えば、０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ，２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖ、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるＶｄｓの値、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓの値である。

上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。

本明細書では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。

本明細書において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。

＜＜チャネル幅について＞＞
本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。

なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。

ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。

そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：ＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄＣｈａｎｎｅｌＷｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。

＜＜接続について＞＞
本明細書等において、ＡとＢとが接続されている、とは、ＡとＢとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、ＡとＢとが電気的に接続されているとは、ＡとＢとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、ＡとＢとの電気信号の授受を可能とするものをいう。

なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。

例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。

または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは、第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。

なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。

Ａ１−Ａ２一点鎖線
Ａ３−Ａ４一点鎖線
Ｃ１端子
Ｃ６端子
ｃｅｌ＿１電池セル
ｃｅｌ＿１２電池セル
ｃｅｌｌ＿Ｎ電池セル
ｃｅｌｌ＿１電池セル
ｃｅｌｌ＿２Ｎ電池セル
ｃｅｌｌ＿６電池セル
ｃｅｌｌ＿７電池セル
ｃｅｌｌ＿１２電池セル
ＳＷ１スイッチ
ＳＷ３スイッチ
１００蓄電装置
１００Ａ蓄電装置
１００Ｂ蓄電装置
１００Ｃ蓄電装置
１００Ｄ蓄電装置
１００Ｅ蓄電装置
１２０＿Ａ制御回路
１２０＿Ｂ制御回路
１２０＿ｋ制御回路
１２０＿１制御回路
１２０＿２制御回路
１２０Ａ制御回路
１２０Ｂ制御回路
１２０Ｃ制御回路
１２０Ｄ制御回路
１２０Ｅ制御回路
１２０Ｆ制御回路
１２０Ｇ制御回路
１２０Ｈ制御回路
１２１制御部
１２１＿１制御部
１２２トランス
１２３トランジスタ
１２３ＢＧトランジスタ
１２４トランジスタ
１２４ＢＧトランジスタ
１２５抵抗
１２６抵抗
１２７容量
１２８ダイオード
１２９トランジスタ
１３０充電回路
１４０マイクロプロセッサ
１５０バス
６５０携帯情報端末
６５１筐体
６５２表示部
６５２ａ表示部
６５２ｂ表示部
６５３電源スイッチ
６５４光センサ
６５５カメラ用レンズ
６５６スピーカー
６５７マイクロフォン
６５８電源
６５９マーカー
６６０太陽電池
６７０充放電制御回路
６７１バッテリー
６７２ＤＣＤＣコンバータ
６７３コンバータ
６８０電気自動車
６８１バッテリー
６８２制御回路
６８３駆動装置
６８４処理装置
７００電子部品
７０１リード
７０２プリント基板
７０３回路部
７０４回路基板
１４００ａトランジスタ
１４００ｂトランジスタ
１４００ｃトランジスタ
１４００ｄトランジスタ
１４００ｅトランジスタ
１４００ｆトランジスタ
１４０１絶縁膜
１４０２絶縁膜
１４０３絶縁膜
１４０４絶縁膜
１４０５絶縁膜
１４０６絶縁膜
１４０７絶縁膜
１４０８絶縁膜
１４０９絶縁膜
１４１１導電膜
１４１２導電膜
１４１３導電膜
１４１４導電膜
１４２１導電膜
１４２２導電膜
１４２３導電膜
１４２４導電膜
１４３０金属酸化物
１４３１金属酸化物
１４３１ａ金属酸化物
１４３１ｂ金属酸化物
１４３１ｃ金属酸化物
１４３２金属酸化物
１４３２ａ金属酸化物
１４３２ｂ金属酸化物
１４３２ｃ金属酸化物
１４３３金属酸化物
１４４１領域
１４４２領域
１４５０基板
１４５１低抵抗領域
１４５２低抵抗領域
１４６１領域
１４６１ａ領域
１４６１ｂ領域
１４６１ｃ領域
１４６１ｄ領域
１４６１ｅ領域
１４６２領域
１４６３領域
１６８０トランジスタ
１６８１絶縁膜
１６８２半導体
１６８３導電膜
１６８４導電膜
１６８５絶縁膜
１６８６絶縁膜
１６８７絶縁膜
１６８８導電膜
１６８９導電膜
５０００表示装置
５００１筐体
５００２表示部
５００３スピーカー部
５００４蓄電装置
５１００照明装置
５１０１筐体
５１０２光源
５１０３蓄電装置
５１０４天井
５１０５側壁
５１０６床
５１０７窓
５２００室内機
５２０１筐体
５２０２送風口
５２０３蓄電装置
５２０４室外機
５３００電気冷凍冷蔵庫
５３０１筐体
５３０２冷蔵室用扉
５３０３冷凍室用扉
５３０４蓄電装置

Claims

第１の電池管理回路と、前記第１の電池管理回路よりも高電位側にある第２の電池管理回路と、
直列に接続された第１の電池セル及び第２の電池セルを有する電池部と、を有し、
前記第１の電池管理回路及び前記第２の電池管理回路の各々は、
直列に接続された、トランスの第１のコイル、第１のトランジスタ、第１の抵抗、及び容量と、
直列に接続された、前記トランスの第２のコイル、第２のトランジスタ、及び第２の抵抗と、を有し、
前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタの各々は、チャネル形成領域に酸化物半導体を有し、
前記第１の電池管理回路が有する、直列に接続された前記第１のコイル、前記第１のトランジスタ、前記第１の抵抗、及び前記容量は、前記第１の電池セルに並列に接続され、
前記第１の電池管理回路が有する、直列に接続された前記第２のコイル、前記第２のトランジスタ、及び前記第２の抵抗は、前記第２の電池管理回路が有する第２のコイルに接続され、
前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタの導通状態を制御し、前記第１の電池セル及び前記第２の電池セルの充電及び放電を制御して、前記第１の電池セル及び前記第２の電池セルの容量の均等化を行う機能を有する、蓄電装置。
請求項１において、
前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタの各々には、ダイオードが並列に接続されている、蓄電装置。
請求項１において、
前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタの各々は、バックゲートを有する、蓄電装置。
請求項１乃至３のいずれか一において、
前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタの各々は、
第１の導電膜と、
前記第１の導電膜上の第１の絶縁膜と、
第１の絶縁膜上の第１の金属酸化物膜と、
前記第１の金属酸化物膜上の第２の金属酸化物膜と、
前記第２の金属酸化物膜の上面と接する領域を有する、第２の導電膜及び第３の導電膜と、
前記第２の金属酸化物膜の上面と接する領域と、前記第２の導電膜の側面と接する領域と、前記第３の導電膜の側面と接する領域とを有する第３の金属酸化物膜と、
前記第３の金属酸化物膜上の第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上の第４の導電膜と、を有し、
前記第４の導電膜は、前記第１の絶縁膜、前記第１乃至前記第３の金属酸化物膜、及び前記第２の絶縁膜を介して、前記第１の導電膜と重なる領域を有する、蓄電装置。
請求項１乃至４のいずれか一に記載の蓄電装置と、表示部と、を有する電子機器。