JP7399857B2 - 二次電池の保護回路 - Google Patents

二次電池の保護回路 Download PDF

Info

Publication number
JP7399857B2
JP7399857B2 JP2020529841A JP2020529841A JP7399857B2 JP 7399857 B2 JP7399857 B2 JP 7399857B2 JP 2020529841 A JP2020529841 A JP 2020529841A JP 2020529841 A JP2020529841 A JP 2020529841A JP 7399857 B2 JP7399857 B2 JP 7399857B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide
secondary battery
insulator
transistor
conductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020529841A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2020012284A1 (ja
JPWO2020012284A5 (ja
Inventor
隆之 池田
宗広 上妻
隆徳 松嵜
亮太 田島
舜平 山崎
佑樹 岡本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Publication of JPWO2020012284A1 publication Critical patent/JPWO2020012284A1/ja
Publication of JPWO2020012284A5 publication Critical patent/JPWO2020012284A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7399857B2 publication Critical patent/JP7399857B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00302—Overcharge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0036—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using connection detecting circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H02J7/0049—Detection of fully charged condition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4278—Systems for data transfer from batteries, e.g. transfer of battery parameters to a controller, data transferred between battery controller and main controller
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Description

本発明の一様態は、物、方法、又は、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、照明装置または電子機器の製造方法に関する。本発明の一態様は、車両、または車両に設けられる車両用電子機器に関する。特に、二次電池の保護回路、二次電池の充電制御方法、二次電池の異常検知システム、及び二次電池を有する電子機器に関する。
なお、本明細書中において、蓄電装置とは、蓄電機能を有する素子及び装置全般を指すものである。例えば、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、全固体電池、及び電気二重層キャパシタなどを含む。
近年、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池等、種々の蓄電装置の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池は、携帯電話、スマートフォン、タブレット、もしくはノート型コンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ、医療機器、又は、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、もしくはプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）等の次世代クリーンエネルギー自動車など、半導体産業の発展と併せて急速にその需要が拡大し、充電可能なエネルギーの供給源として現代の情報化社会に不可欠なものとなっている。
携帯情報端末や電気自動車などにおいては、複数の二次電池を直列接続または並列接続して保護回路を設け、電池パック（組電池ともよぶ）として使用される。電池パックとは、二次電池の取り扱いを容易にするため、複数の二次電池を、所定の回路と共に容器（金属缶、フィルム外装体）内部に収納したものを指す。電池パックは、動作状態を管理するために、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が設けられる。
電池パック（組電池）を構成する複数の二次電池はそれぞれ特性にバラツキがあると、アンバランスが生じてしまう。アンバランスが生じると充電時に過充電になる二次電池や、満充電まで充電されない二次電池が生じ、全体として、使用できる容量が減少する。
一つの電池パック、即ち複数の二次電池をまとめて充電、または放電を行っているため、一つの電池パック内部ではアンバランスが増大し、充放電を繰り返し行えば、電池パックとしての寿命がどんどん短くなるという悪循環になっている。
また、電気自動車やハイブリッド自動車に用いる二次電池は、充電回数、放電深度、充電電流、充電する環境（温度変化）などによって劣化が生じる。使用者の使い方にも依存し、充電時の温度や、急速充電する頻度や、回生ブレーキによる充電量や、回生ブレーキによる充電タイミングなども劣化に関係する可能性がある。
特許文献１では、二次電池の微小短絡を検出する電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パックが示されている。
特開２０１０－６６１６１号
保護回路によって、二次電池の異常を検知し、例えば二次電池の安全性を低下させる現象を早期に検知し、使用者に警告、または二次電池の使用を停止することにより、安全性を確保することを課題の一つとしている。また、製造コストが安価な保護回路を提供することも課題の一つとしている。
また、リアルタイムで二次電池の異常を検知する保護回路を提供することも課題の一つとしている。
二次電池の異常のうち、マイクロショートの発生を検知する保護回路を実現することを課題の一つとしている。
マイクロショートとは、二次電池の内部の微小な短絡のことを指しており、二次電池の正極と負極が短絡して充放電不可能の状態になるというほどではなく、微小な短絡部で短絡電流が短期間流れてしまう現象を指している。マイクロショートの原因は、充放電が複数回行われることによって、劣化が生じ、リチウムやコバルトなどの金属元素が電池内部で析出し、析出物が成長することにより、正極の一部と負極の一部で局所的な電流の集中が生じ、セパレータの一部が機能しなくなる箇所が発生すること、または副反応物が発生することにあると推定されている。
二次電池の小型化のため、セパレータの薄化が望まれており、さらに、高い電圧での急速給電による充電が望まれており、どちらも二次電池にマイクロショートが生じやすい構成となっている。
従来、デバイスの設計者は使用する二次電池の上限電圧と下限電圧とを設定し、外部出力電流の上限を制限している。二次電池の下限電圧以上上限電圧以下の範囲内は、使用が推奨されている電圧範囲内であり、その範囲内で生じるマイクロショートなどの異常検出を保護回路などでは実施していない。そのため、マイクロショートにより瞬間的に大電流が流れることを繰り返すと二次電池の異常発熱、及び発火などの重大事故に繋がる可能性がある。従って異常等を早期に発見することが好ましい。また、このリスクを低減するための電池の充放電制御も求められている。
また、電池内部のマイクロショートに類する現象として、複数の電池を内包する電池パックにおいて、内部の各電池の電圧検知線が、多ピンコネクターにまとめられている場合、エレクトロケミカルマイグレーションによる微小短絡現象が存在する。このような微小短絡現象を検出することも課題の一つとする。
高い精度でマイクロショートを検出するため、マイクロショートなどの異常検出回路の一部を酸化物半導体を用いたトランジスタを含む記憶回路（メモリとも呼ぶ）で構成する。
本発明の一態様は、二次電池に電気的に接続する第１の記憶回路と、第１の記憶回路と電気的に接続する比較回路と、比較回路と電気的に接続する第２の記憶回路と、第２の記憶回路と電気的に接続する電源遮断スイッチと、を有し、電源遮断スイッチは、二次電池と電気的に接続し、第１の記憶回路は、酸化物半導体を有する第１のトランジスタを有し、二次電池の電圧値をアナログ方式で保持する二次電池の保護回路である。
上記構成において、第２の記憶回路は、酸化物半導体を有する第２のトランジスタを有し、電源遮断スイッチのデータ保持を行う。
上記構成において、比較回路は、二次電池と電気的に接続し、二次電池の電圧降下が生じた場合に比較回路の出力信号が反転し、異常を検知し、電源遮断スイッチをオフ状態とする。
上記構成において、第１の記憶回路は、オフセットされた二次電池の電圧値を保持する。
上記構成において、第１の記憶回路は、期間Δｔごとに書き込みを行い、前記比較回路で前記二次電池の電圧値と前記第１の記憶回路に保持された値を比較する。
また、保護回路は、マイクロショートなどの異常検出回路だけでなく、さらに、過充電を防止する機能を有する回路や、過放電を防止する機能を有する回路を有してもよい。
また、表示画面にマイクロショートに関する情報、例えば、マイクロショートの強度や、発生回数を表示する機能を有する回路を有し、使用者に二次電池の交換を促してもよい。
また、保護回路を含む異常検知システムも本発明の一態様であり、二次電池の電圧値のデータ取得手段と、オフセットされた二次電池の電圧値を保持する記憶手段と、を有し、オフセットされた二次電池の電圧値と比較して前記二次電池の電圧値と大きく変動した時点で充電を停止する二次電池の異常検知システムである。
また、保護回路を含む異常検知システムも本発明の一態様であり、その構成は、二次電池の電圧値のデータ取得手段と、オフセットされた二次電池の電圧値を保持する記憶手段と、オフセットされた二次電池の電圧値と比較して二次電池の電圧値と大きく変動した時点で使用者に異常を警告する二次電池の異常検知システムである。
上記異常検知システムにおいて、比較するタイミングは期間Δｔごとに行えばよく、第１の記憶回路が保持できる期間内であれば、特に限定されない。第１の記憶回路は、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いているため、シリコンを用いたメモリに比べて保持期間となる期間Δｔを長くすることができる。期間Δｔは短縮することもでき、リアルタイムでマイクロショートの検出が可能である。
また、実質的に期間Δｔをなくすため、マイクロショートを検知するタイミングが異なる２以上の系統の異常検出回路を用いる構成としてもよい。２以上の系統の異常検出回路を用いて交互にサンプリングすることで検知する間隔を短くすることができる。従って、リアルタイムでマイクロショートの検出が可能である。
ここでいうリアルタイムとは、その時点で直近（最新）を意味することに限定されず、瞬時から最大３分間までの範囲内にあることを意味する。例えば、あるサンプリングタイミングと次のサンプリングタイミングの間隔が１分間である場合、リアルタイムでマイクロショートの検出を行っていると言える。
第１の異常検出回路の検出時にマイクロショートの発生とサンプリングが重なっても第２の異常検出回路で検出することができる。
本明細書で開示する構成の一つは、二次電池に電気的に接続する第１の記憶回路と、第１の記憶回路と電気的に接続される第１の比較回路と、二次電池に電気的に接続する第２の記憶回路と、第２の記憶回路と電気的に接続される第２の比較回路と、第１の比較回路の出力と、第２の比較回路の出力がそれぞれ入力されるＯＲ回路と、第１の記憶回路は、酸化物半導体を有する第１のトランジスタを少なくとも有し、二次電池の電圧値をアナログ方式で保持し、第２の記憶回路は、酸化物半導体を有する第２のトランジスタを少なくとも有し、前記第１の記憶回路と異なるタイミングで前記二次電池の電圧値をアナログ方式で保持する二次電池の保護回路である。
なお、ＯＲ回路は、論理和を表す信号を信号検知出力として供給する。
また、マイクロショートを検知するタイミング期間を可変にすることができる。マイクロショートは充電中に生じる現象である。
例えば、充電条件が定電圧充電条件の場合には１０分間隔で１系統の異常検出回路の検出のみを行い、定電流充電条件の場合には１秒間隔で２系統の異常検出回路の検出を交互に行って、マイクロショートが発生しそうな充電条件の時に精密な検出を行ってもよい。
異常検出回路は、酸化物半導体を用いたトランジスタを含む記憶回路で構成するため、使用していない異常検出回路は、電力をほとんど消費せず、有用である。
充電していない時は、２系統とも異常検出回路の動作を停止すると、消費電力が少なく有用である。
また、上記構成のＯＲ回路に電気的に接続する第３の記憶回路と、第３の記憶回路と電気的に接続する電源遮断スイッチを設けてもよく、本明細書で開示する他の構成は、二次電池に電気的に接続する第１の記憶回路と、第１の記憶回路と電気的に接続する第１の比較回路と、二次電池に電気的に接続する第２の記憶回路と、第２の記憶回路と電気的に接続する第２の比較回路と、第１の比較回路及び第２の比較回路と電気的に接続する第３の記憶回路と、第３の記憶回路と電気的に接続する電源遮断スイッチと、を有する二次電池の保護回路である。
また、保護回路を含む異常検知システムも本発明の一態様であり、二次電池の電圧値のデータ取得手段と、オフセットされた二次電池の電圧値を保持する記憶手段と、を有し、オフセットされた二次電池の電圧値と比較して二次電池の電圧値と大きく変動する異常点の回数または強度に合わせて充電条件を変更する二次電池の異常検知システムである。
保護回路により、異常、特にマイクロショートなどの微小短絡現象を検出することができ、異常検出時には、二次電池の出力を遮断することで二次電池の発火などの事故を未然に防ぐことができる。
また、アナログ方式の記憶回路（アナログメモリとも呼ぶ）に酸化物半導体を用いたトランジスタを用いているため、待機時の消費電力を抑えることができる。二次電池の電圧値のアナログデータを増幅することなく、そのまま比較回路に入力することで高精度にマイクロショートの検出を行うことができる。
２系統の異常検出回路を交互に用いるため、リアルタイムでマイクロショートの検出が可能である。
（Ａ）は本発明の一態様を示すブロック図の一例であり、（Ｂ）はメモリセルの回路構成例であり、（Ｃ）はトランジスタの電気特性を示す図である。 本発明の一態様を示す正常時におけるタイミングチャートである。 本発明の一態様を示す正常時におけるタイミングチャートである。 本発明の一態様を示すフローチャートの一例である。 本発明の一態様を示すフローチャートの一例である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一態様を示すブロック図の一例である。 マイクロショートを説明するグラフである。 半導体装置の構造例を示す断面図。 半導体装置の構造例を示す断面図。 （Ａ）はトランジスタの上面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はトランジスタの構造例を説明する断面図である。 （Ａ）はトランジスタの上面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はトランジスタの構造例を説明する断面図である。 （Ａ）はトランジスタの上面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はトランジスタの構造例を説明する断面図である。 （Ａ）はトランジスタの上面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はトランジスタの構造例を説明する断面図である。 （Ａ）円筒型二次電池を説明する斜視図であり、（Ｂ）は分解斜視図であり、（Ｃ）は保護回路基板を示す図である。 （Ａ）は二次電池を説明する斜視図であり、（Ｂ）は分解斜視図である。 （Ａ１）、（Ａ２）、（Ｂ１）、（Ｂ２）は二次電池を説明する斜視図であり、（Ｃ）は保護回路基板を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は二次電池を説明する斜視図である。 二次電池を説明する斜視図である。 電子機器の一例を示す斜視図である。 本発明の一態様を示すブロック図の一例である。 本発明の一態様を示すタイミングチャートの一例である。 本発明の一態様を示すタイミングチャートの一例である。 本発明の一態様を示すフロー図の一例である。 本発明の一態様を示すために用いるトランジスタ４００の断面図の一例である。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
（実施の形態１）
図１（Ａ）に二次電池１０１の異常検出を行う保護回路１００のブロック図の一例を示す。
図１（Ａ）に示すように二次電池１０１の保護回路１００は、比較回路１０２と、第１のメモリ１０３と、第２のメモリ１０４と、電源遮断スイッチ１０５と、制御回路とを少なくとも備える。
図１（Ａ）では二次電池１０１と保護回路１００を分けて示しているが、二次電池モジュールとして二次電池１０１の端子と回路基板に実装された保護回路１００の端子とをそれぞれ半田接続で固定する場合もある。
二次電池１０１はリチウムイオン二次電池を用いる。リチウムイオン二次電池は、充電或いは放電しすぎると劣化が促進される。従ってリチウムイオン二次電池は、過充電および過放電を防ぐため、充電率が一定範囲内（例えば、理論容量を最大値とした充電率の２０％以上８０％以下）に収まるように充放電時の条件が制御回路などによって管理される。
比較回路１０２は、２つの入力電圧の大小関係を比較し、出力する。比較回路１０２は、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタを用いて単極性回路を用いることもできる。
第１のメモリ１０３は、アナログメモリであり、オフセットされた二次電池のアナログ電位を保存する。オフセットされた二次電池の電圧値のデータ作成は、第１のメモリ１０３のトランジスタのゲートに書き込み信号を印加することでゲート電極とドレイン電極間の寄生容量により作成することができる。第１のメモリ１０３は酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ１つと容量とで構成される。第１のメモリ１０３は、高精度な充電電圧モニター回路とも呼べる。また、第１のメモリ１０３は、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタの低リーク電流であることのメリットを生かすことができる。
第２のメモリ１０４は、第１のメモリ１０３と同じ素子構成であり、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ１つと容量とで構成される。第２のメモリ１０４は、電源遮断スイッチ１０５のデータ保持を行う。第２のメモリは一時保存に使う。短時間の出力であってもノイズではなく、酸化物半導体を用いたメモリで保持することで電源スイッチを確実に切り替える。
電源遮断スイッチ１０５は、異常が発生した二次電池の電源への電力供給を遮断するためのスイッチである。電源遮断スイッチ１０５は、図１（Ａ）に示す回路構成とすることで、異常が発生した二次電池１０１を継続して充電してしまい、発火することを防ぐことができる。
図２には正常時のタイミングチャートの一例を示す。なお、図２は二次電池の充電途中の一期間を示している。図２中に示すΔｔはサンプリング期間を示しており、図２において３回のサンプリングを行い、全て正常である様子を示している。図２には、二次電池の充電電圧、第１のメモリの保持電圧、メモリの書き込み信号、比較回路の出力信号、電源遮断スイッチの制御信号がそれぞれ示されている。
正常時においては、書き込み信号をＨｉｇｈとしてオフセットされた二次電池の充電電圧を第１のメモリに保存する。第１のメモリの保持電圧と二次電池の充電電圧を比較した結果が、正常時において常にＨｉｇｈとなり、電源遮断スイッチ制御信号もＨｉｇｈとなる。
図３には異常発生時のタイミングチャートの一例を示す。
マイクロショートなどの異常発生時においては、二次電池の充電電圧の降下が急に発生する。一方、異常電流は電池内部で保護回路とは異なる経路（電池内部）で流れる。図７に縦軸を電圧、横軸を時間として充電を行い２０分付近でマイクロショートを生じさせているグラフを一例として示す。また、図３中の充電電圧が急に下がっている時点が異常発生時点である。図３において３回のサンプリングを行い、２回目までが正常であり、３回目が異常である様子を示している。３回目のサンプリング時（メモリの書き込み時）に、比較回路の出力信号が反転し、異常挙動を検出し、その結果、電源遮断スイッチの制御信号がＬｏｗとなり、電源遮断スイッチをオフ状態とすることで二次電池への電力供給をストップすることができる。
図１（Ａ）では、電源遮断スイッチ１０５を用いて異常検出後に二次電池への電力供給をストップする例を示しているが、異常検出の回数に合わせて充電条件の変更や充電の一時停止や警告表示などを行ってもよい。
図４に二次電池を搭載したモバイル機器に対して１回の充電中に複数回の異常検出を行う場合の、フローの一例を示す。
まず、電圧モニターなどの電圧値取得手段により、二次電池の電圧値データを取得する。（Ｓ１）次いで、サンプリング期間であるΔｔごとに第１の記憶回路にオフセットされた二次電池の電圧データを書き込む。（Ｓ２）
次いで、現時点と、異なる時点とで測定した電圧値を比較する。（比較ステップ：Ｓ３）比較した結果、２つの入力電圧の差が小さい場合には、上述したデータの取得と比較を繰り返す。異常検知されずに充電しつづけ、満充電に到達（Ｓ７）した場合は、充電停止（Ｓ８）となる。
比較ステップＳ３において、２つの入力電圧の差が大きい場合には、異常と判断し、二次電池への充電停止（Ｓ８）とする。
また、ここでは、マイクロショートのような異常を検出する構成を主に説明したが、特に限定されず、過放電の防止、過充電の防止、組電池でのセルバランス、温度、劣化度に応じた充電電流量の制御なども同じ充電中に行ってもよい。
また、図１（Ａ）に示す第１のメモリ１０３、および第２のメモリ１０４に用いることのできるメモリセルを図１（Ｂ）に示す。図１（Ｂ）はトランジスタにバックゲートを有する場合のメモリセルの回路構成例である。
メモリセル１０は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、フロントゲート（単に「ゲート」ともいう。）、およびバックゲートを有する。バックゲートは、ゲートとバックゲートで半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。なお、ゲートおよびバックゲートの呼称は便宜的なものであり、一方を「ゲート」という場合に他方を「バックゲート」という。よって、ゲートおよびバックゲートの呼称は、互いに入れ換えて用いることができる。ゲートまたはバックゲートの一方を「第１のゲート」と呼び、他方を「第２のゲート」と呼ぶ場合もある。
トランジスタＭ１のソースまたはドレインの一方は、容量素子ＣＡの一方の電極と電気的に接続され、トランジスタＭ１のソースまたはドレインの他方は、ビット線ＢＬまたはビット線ＢＬＢの一方と電気的に接続され、トランジスタＭ１のゲートは、ワード線ＷＬと電気的に接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと電気的に接続されている。容量素子ＣＡの他方の電極は、配線ＣＡＬと接続されている。
配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの他方の電極に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、および読み出し時において、配線ＣＡＬには、ＶＳＳなどの固定電位を供給するのが好ましい。
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。
図１（Ｃ）に、トランジスタの電気特性の１つであるＩｄ－Ｖｇ特性の一例を示す。Ｉｄ－Ｖｇ特性は、ゲート電圧（Ｖｇ）の変化に対するドレイン電流（Ｉｄ）の変化を示す。図１（Ｃ）の横軸は、Ｖｇをリニアスケールで示している。また、図１（Ｃ）の縦軸は、Ｉｄをログスケールで示している。図１（Ｃ）に示すように、配線ＢＧＬにバックゲート電圧（Ｖｂｇ）として、正バイアスである電圧＋Ｖｂｇを供給すると、Ｉｄ－Ｖｇ特性がＶｇのマイナス方向にシフトする。配線ＢＧＬに負バイアスである電圧－Ｖｂｇを供給すると、Ｉｄ－Ｖｇ特性がＶｇのプラス方向にシフトする。Ｉｄ－Ｖｇ特性のシフト量は、配線ＢＧＬに供給される電圧の大きさで決まる。配線ＢＧＬに任意の電圧を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
データの書き込みおよび読み出しは、ワード線ＷＬにトランジスタＭ１を導通状態（オン状態）とする電位を供給し、トランジスタＭ１を導通状態にして、ビット線ＢＬまたはビット線ＢＬＢと容量素子ＣＡの一方の電極を電気的に接続することによって行われる。
なお、トランジスタＭ１として、チャネルが形成される半導体層に金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いたトランジスタ（「ＯＳトランジスタ」ともいう。）を用いることが好ましい。例えば、チャネルが形成される半導体層として、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることが好ましい。特に、ＯＳトランジスタの半導体層として、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体を用いることが好ましい。
インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有している。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセルに対してアナログデータを保持することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１とは異なるフローの一例を示す。図５に二次電池を搭載したモバイル機器に対して１回の充電中に複数回の異常検出を行う場合の、フローの一例を示す。
まず、電圧モニターなどの電圧値取得手段により、二次電池の電圧値データを取得する。（Ｓ１）次いで、サンプリング期間であるΔｔごとに第１の記憶回路にオフセットされた二次電池の電圧データを書き込む。（Ｓ２）
現時点と、異なる時点とで測定した電圧値を比較する。（比較ステップ：Ｓ３）比較した結果、２つの入力電圧の差が小さい場合には、上述したデータの取得と比較を繰り返す。異常検知されずに充電しつづけ、満充電に到達（Ｓ７）した場合は、充電停止（Ｓ８）となる。
２つの入力電圧の差が大きい場合には、異常判定（Ｓ４）とする。異常判定（Ｓ４）時には強度を判定することが望ましく、強、中、小などで異常の程度を類別してもよい。異常判定（Ｓ４）時に即座に充電停止の必要のある、異常の強度が大きい場合には、使用者にモバイル機器の表示画面またはスピーカを使用して警告を通知し、使用者の停止指示があれば二次電池への充電停止（Ｓ８）とする。
異常判定（Ｓ４）時に軽度の異常であれば、マイクロショートの回数や強度に合わせて充電条件の変更や充電の一時休止（Ｓ５）を適宜選択してもよい。軽度のマイクロショートの場合、引き続き二次電池の使用が可能である。充電条件の変更は、例えば、急速充電と通常充電の切り替え（充電電流の低減）、充電最大電圧の低減、定電圧充電と定電流充電の切り替えなどである。充電電流の低減や充電最大電圧の低減は、異常回数に応じて段階的に実施してもよい。
また、軽度のマイクロショートの異常判定が繰り返し発生する場合には、使用者に再警告（Ｓ６）を行い、軽度のマイクロショートであっても頻度によって安全性を確保するため、充電を停止（Ｓ８）する。再警告は、二次電池の充電履歴に基づいて使用者に通知する。
また、ここでは、マイクロショートのような異常を検出する構成を主に説明したが、特に限定されず、過放電の防止、過充電の防止、組電池でのセルバランス、温度、劣化度に応じた充電電流量の制御なども同じ充電中に行ってもよい。例えば、室温温度（約２５℃）よりも温度が低い場合には、通常よりも充電時の電流量を小さくする。また、劣化度が大きい場合には、通常よりも充電時の電流量を小さくする。また、４０℃以上の高温の場合に充電最大電圧、電流量を制限する。また、組電池での充電時に使用電圧を上回らないようにセルバランスを調節する。これらの制御も行うことで、さらに二次電池の安全性を高めることができる。
本実施の形態は他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、第１のメモリ１０３に複数のトランジスタを用いる例を示す。
本実施の形態では、図６（Ａ）に示すように、第１のメモリ１０３はトランジスタを２つ使用することで、オフセットされた二次電池の電圧値のデータ作成を行う。トランジスタを２つ使用することでオフセット値を調節することができる。オフセットとは、入力信号が０Ｖであるにも関わらずわずかに出力されてしまう電圧のことである。
なお、図６（Ａ）において、図１（Ａ）と同じ部分には同じ符号を用いて説明する。
また、容量素子を１つ追加し、図６（Ｂ）に示す第１のメモリ１０３の構成としてもよい。オフセットされた二次電池の電圧値のデータ作成は、容量素子を介した容量結合により作成することができる。
なお、図６（Ｂ）において、図１（Ａ）と同じ部分には同じ符号を用いて説明する。
図６（Ａ）や図６（Ｂ）に示す第１のメモリ１０３の構成を用いることで、オフセット量を調節し、異常と判定する二次電池の電圧差を調節することができる。
本実施の形態は他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態に示した保護回路のメモリセルに用いることができるトランジスタの構造例について説明する。
＜トランジスタの構造例１＞
容量及び複数のトランジスタを１つの半導体基板上に形成した半導体装置の構成例を以下に示す。
図８に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ４００と、容量素子８００と、を有している。
トランジスタ４００は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）である。トランジスタ４００は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置が有するＯＳトランジスタに用いることにより、長期にわたり書き込んだデータを保持することが可能である。
本実施の形態で説明する半導体装置は、図８に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ４００、容量素子８００を有する。トランジスタ４００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子８００はトランジスタ３００、及びトランジスタ４００の上方に設けられている。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂを有する。
トランジスタ３００は、半導体領域３１３の上面及びチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大し、トランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。
なお、トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、又はドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。又は、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。又はＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、又はホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料によって仕事関数が決まるため、当該導電体の材料を選択することで、トランジスタのしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
なお、図８に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、半導体装置をＯＳトランジスタのみで構成する場合、図９に示すとおり、トランジスタ３００の構成を、酸化物半導体を用いているトランジスタ４００と同様の構成にすればよい。
トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。また、本明細書中において、酸化窒化アルミニウムとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化アルミニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、又はトランジスタ３００などから、トランジスタ４００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ４００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ４００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６には容量素子８００、又はトランジスタ４００と接続する導電体３２８、及び導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、及び導電体３３０は、プラグ又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。
各プラグ、及び配線（導電体３２８、導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を、単層又は積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。又は、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体３２６、及び導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図８において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。
絶縁体３５４、及び導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図８において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ４００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ４００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３６４、及び導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図８において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ４００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ４００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３７４、及び導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図８において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ４００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ４００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３８４上には絶縁体４１０、絶縁体４１２、絶縁体４１４、及び絶縁体４１６が、順に積層して設けられている。絶縁体４１０、絶縁体４１２、絶縁体４１４、及び絶縁体４１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体４１０、及び絶縁体４１４には、例えば、基板３１１、又はトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ４００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体４１０、及び絶縁体４１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。図２４にトランジスタ４００を示す。
また、例えば、絶縁体４１２、及び絶縁体４１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。
また、絶縁体４１０、絶縁体４１２、絶縁体４１４、及び絶縁体４１６には、導電体４１８、及びトランジスタ４００を構成する導電体４０３等が埋め込まれている。なお、導電体４１８は、容量素子８００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する
特に、絶縁体４１０、及び絶縁体４１４と接する領域の導電体４０３ａは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ４００とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ４００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体４１６の上方には、トランジスタ４００が設けられている。
トランジスタ４００は、図２４に示すように、絶縁体４１４及び絶縁体４１６に埋め込まれるように配置された導電体４０３と、絶縁体４１６及び導電体４０３の上に配置された絶縁体４２０と、絶縁体４２０の上に配置された絶縁体４２２と、絶縁体４２２の上に配置された絶縁体４２４と、絶縁体４２４の上に配置された酸化物４３０ａと、酸化物４３０ａの上に配置された酸化物４３０ｂと、酸化物４３０ｂ上に互いに離れて配置された導電体４４２ａ及び導電体４４２ｂと、導電体４４２ａ及び導電体４４２ｂ上に配置され、導電体４４２ａと導電体４４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体４８０と、開口の底面及び側面に配置された酸化物４３０ｃと、酸化物４３０ｃの形成面に配置された絶縁体４５０と、絶縁体４５０の形成面に配置された導電体４６０と、を有する。
また、酸化物４３０ａ、酸化物４３０ｂ、導電体４４２ａ、及び導電体４４２ｂと、絶縁体４８０との間に絶縁体４４４が配置されることが好ましい。
また、導電体４６０は、絶縁体４５０の内側に設けられた導電体４６０ａと、導電体４６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体４６０ｂと、を有することが好ましい。また、絶縁体４８０、導電体４６０、及び絶縁体４５０の上に絶縁体４７４が配置されることが好ましい。
なお、以下において、酸化物４３０ａ、酸化物４３０ｂ、及び酸化物４３０ｃをまとめて酸化物４３０という場合がある。
なお、トランジスタ４００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物４３０ａ、酸化物４３０ｂ、及び酸化物４３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物４３０ｂの単層、酸化物４３０ｂと酸化物４３０ａの２層構造、酸化物４３０ｂと酸化物４３０ｃの２層構造、又は４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ４００では、導電体４６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体４６０が、単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、図８及び図２４に示すトランジスタ４００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
ここで、導電体４６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体４４２ａ及び導電体４４２ｂは、それぞれソース電極又はドレイン電極として機能する。上記のように、導電体４６０は、絶縁体４８０の開口、及び導電体４４２ａと導電体４４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体４６０、導電体４４２ａ及び導電体４４２ｂの配置は、絶縁体４８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ４００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体４６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ４００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
さらに、導電体４６０が、導電体４４２ａと導電体４４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体４６０は、導電体４４２ａ又は導電体４４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体４６０と導電体４４２ａ及び導電体４４２ｂとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ４００のスイッチング速度を向上させ、周波数特性を高めることができる。
導電体４６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体４０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体４０３に印加する電位を、導電体４６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ４００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体４０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体４０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体４６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
導電体４０３は、酸化物４３０、及び導電体４６０と、重なるように配置する。これにより、導電体４６０、及び導電体４０３に電位を印加した場合、導電体４６０から生じる電界と、導電体４０３から生じる電界と、がつながり、酸化物４３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第１のゲート電極、及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
また、導電体４０３は、導電体４１８と同様の構成であり、絶縁体４１４及び絶縁体４１６の開口の内壁に接して導電体４０３ａが形成され、さらに内側に導電体４０３ｂが形成されている。なお、トランジスタ４００では、導電体４０３ａ及び導電体４０３ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体４０３は、単層、又は３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
ここで、導電体４０３ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、又は酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、又は上記酸素のいずれか一又は、すべての拡散を抑制する機能とする。
例えば、導電体４０３ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体４０３ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。
また、導電体４０３が配線の機能を兼ねる場合、導電体４０３ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体４０５は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体４０３ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体４２０、絶縁体４２２、絶縁体４２４、及び絶縁体４５０は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。
ここで、酸化物４３０と接する絶縁体４２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体４２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物４３０に接して設けることにより、酸化物４３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ４００の信頼性を向上させることができる。
また、絶縁体４２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体４２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。
絶縁体４２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物４３０が有する酸素は、絶縁体４２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体４０３が、絶縁体４２４や、酸化物４３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体４２２には、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層又は積層で用いることが好ましい。
特に、不純物及び酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料であるアルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体４２２を形成した場合、絶縁体４２２は、酸化物４３０からの酸素の放出や、トランジスタ４００の周辺部から酸化物４３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
又は、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。又はこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体５２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、ｈｉｇｈ－ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体４２０や絶縁体４２６を得ることができる。
なお、トランジスタ４００では、３層の積層構造からなる第２のゲート絶縁膜として、絶縁体５２０、絶縁体４２２、及び絶縁体４２４が図示されているが、第２のゲート絶縁膜は、単層、２層、又は４層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
酸化物４３０においてチャネル形成領域として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
酸化物４３０は、酸化物４３０ｂ下に酸化物４３０ａを有することで、酸化物４３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物４３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物４３０ｂ上に酸化物４３０ｃを有することで、酸化物４３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物４３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物４３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物からなる積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物４３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物４３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物４３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物４３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物４３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物４３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物４３０ｃには、酸化物４３０ａ又は酸化物４３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
酸化物４３０ｂ上には、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電体４４２ａ及び導電体４４２ｂが設けられる。
また、酸化物４３０の、導電体４４２ａ（導電体４４２ｂ）との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域４４３ａ、及び領域４４３ｂが形成される場合がある。このとき、領域４４３ａはソース領域又はドレイン領域の一方として機能し、領域４４３ｂはソース領域又はドレイン領域の他方として機能する。また、領域４４３ａと領域４４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。
絶縁体４４４は、導電体４４２ａ、及び導電体４４２ｂを覆うように設けられ、導電体４４２ａ、及び導電体４４２ｂの酸化を抑制する。このとき、絶縁体４４４は、酸化物４３０の側面を覆い、絶縁体４２４と接するように設けられてもよい。
絶縁体４４４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、ネオジム、ランタン又は、マグネシウムなどから選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体４４４として、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなども用いることができる。
特に、絶縁体４４４として、アルミニウム、又はハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム、及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
絶縁体４４４を有することで、絶縁体４８０に含まれる水、及び水素などの不純物が酸化物４３０ｃ、絶縁体４５０を介して、酸化物４３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体４８０が有する過剰酸素により、導電体４６０が酸化するのを抑制することができる。
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体４５０として、酸化物４３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体４５０から、酸化物４３０ｃを通じて、酸化物４３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体４２４と同様に、絶縁体４５０中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体４５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
第１のゲート電極として機能する導電体４６０は、単層構造でもよいし、２層以上の積層構造であってもよい。
導電体４６０ａには、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
また、導電体４６０ｂには、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。
絶縁体４８０は、絶縁体４４４を介して、導電体４４２ａ、及び導電体４４２ｂ上に設けられる。絶縁体４８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。
絶縁体４８０の開口は、導電体４４２ａと導電体４４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体４６０は、絶縁体４８０の開口、及び導電体４４２ａと導電体４４２ｂに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。
絶縁体４７４は、絶縁体４８０の上面、導電体４６０の上面、及び絶縁体４５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体４７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体４５０、及び絶縁体４８０へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物４３０中に酸素を供給することができる。
また、絶縁体４７４の上に、層間膜として機能する絶縁体４８１を設けることが好ましい。絶縁体４８１は、絶縁体４２４などと同様に、膜中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
また、絶縁体４８１、絶縁体４７４、絶縁体４８０、及び絶縁体４４４に形成された開口に、導電体４４０ａ、及び導電体４４０ｂを配置する。導電体４４０ａ及び導電体４４０ｂは、導電体４６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａ及び導電体４４０ｂは、後述する導電体４４６、及び導電体４４８と同様の構成である。
絶縁体４８１上には、絶縁体４８２が設けられている。絶縁体４８２には、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
また、絶縁体４８２上には、絶縁体４８６が設けられている。絶縁体４８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。
また、絶縁体４２０、絶縁体４２２、絶縁体４２４、絶縁体４４４、絶縁体４８０、絶縁体４７４、絶縁体４８１、絶縁体４８２、及び絶縁体４８６には、導電体４４６、及び導電体４４８等が埋め込まれている。
導電体４４６、及び導電体４４８は、容量素子８００、トランジスタ４００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体４４６、及び導電体４４８は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
続いて、トランジスタ４００の上方には、容量素子８００が設けられている。容量素子８００は、導電体８１０と、導電体８２０、絶縁体８３０とを有する。
また、導電体４４６、及び導電体４４８上に、導電体８１２を設けてもよい。導電体８１２は、トランジスタ４００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体８１０は、容量素子８００の電極としての機能を有する。なお、導電体８１２、及び導電体８１０は、同時に形成することができる。
絶縁体８３０を介して、導電体８１０と重畳するように、導電体８２０を設ける。なお、導電体８２０は、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
導電体８２０、及び絶縁体８３０上には、絶縁体８４０が設けられている。絶縁体８４０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体８４０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。又は、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた電池保護回路において、微細化又は高集積化を図ることができる。
＜トランジスタの構造例２＞
図１０（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｂの構造例を説明する。図１０（Ａ）はトランジスタ５１０Ｂの上面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１０（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。
トランジスタ５１０Ｂは上記構造例１で示したトランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
図１０（Ａ）乃至（Ｃ）では、導電層５４２（導電層５４２ａ、および導電層５４２ｂ）を設けずに、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物５３０ｂと、絶縁層５７４の間に、絶縁層５７３を有する。
図１０に示す、領域５３１（領域５３１ａ、および領域５３１ｂ）は、酸化物５３０ｂに上記の元素が添加された領域である。領域５３１は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。
具体的には、酸化物５３０ｂ上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物５３０ｂを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物５３０が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域５３１が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
なお、酸化物５３０を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。
特に、ホウ素、及びリンには、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。
続いて、酸化物５３０ｂ、およびダミーゲート上に、絶縁層５７３となる絶縁膜、および絶縁層５７４となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁層５７３となる絶縁膜、および絶縁層５７４を積層して設けることで、領域５３１と、酸化物５３０ｃおよび絶縁層５５０とが重畳する領域を設けることができる。
具体的には、絶縁層５７４となる絶縁膜上に絶縁層５８０となる絶縁膜を設けた後、絶縁層５８０となる絶縁膜にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁層５８０となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁層５７３の一部も除去するとよい。従って、絶縁層５８０に設けられた開口部の側面には、絶縁層５７４、および絶縁層５７３が露出し、当該開口部の底面には、酸化物５３０ｂに設けられた領域５３１の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁層５５０となる絶縁膜、および導電層５６０となる導電膜を順に成膜した後、絶縁層５８０が露出するまでＣＭＰ処理などにより、酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁層５５０となる絶縁膜、および導電層５６０となる導電膜の一部を除去することで、図１０に示すトランジスタを形成することができる。
なお、絶縁層５７３、および絶縁層５７４は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
図１０に示すトランジスタには、既存の装置を転用することができ、コストの低減を図ることができる。
＜トランジスタの構造例３＞
図１１（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｃの構造例を説明する。図１１（Ａ）はトランジスタ５１０Ｃの上面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１１（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。
トランジスタ５１０Ｃは上記トランジスタ４００の変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ４００と異なる点について説明する。
トランジスタ５１０Ｃは、導電層５４２（導電層５４２ａ、および導電層５４２ｂ）と、酸化物５３０ｃ、絶縁層５５０、酸化物５５１および導電層５６０と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。
第１のゲート電極として機能する導電層５６０は、導電層５６０ａ、および導電層５６０ａ上の導電層５６０ｂを有する。導電層５６０ａには、導電層５０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
導電層５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電層５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電層５６０ａを有することで、導電層５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
また、トランジスタのＶｔｈを調整するために、導電層５６０ａに用いる材料は、仕事関数を考慮して決定してもよい。例えば、導電層５６０ａを窒化チタン、導電層５６０ｂをタングステンで形成してもよい。導電層５６０ａおよび導電層５６０ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、またはＡＦＭ法などの既知の成膜方法で形成すればよい。なお、窒化チタンをＣＶＤ法で成膜する場合の成膜温度は３８０℃以上５００℃以下が好ましく、４００℃以上４５０℃以下がより好ましい。
酸化物５５１は、他の絶縁層と同様の材料を用いて形成してもよい。また、酸化物５５１として、過剰酸素を含むＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いてもよい。例えば、酸化物５５１として、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物をスパッタリング法で成膜する。具体的には、例えば原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４のターゲットを用いて、酸素を含むスパッタリングガスを用いて成膜する。酸化物５５１をスパッタリング法で成膜する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の流量比は７０％以上が好ましく、８０％以上がさらに好ましく、１００％がより好ましい。
スパッタリングガスに酸素を含むガスを用いることで、酸化物５５１だけでなく、酸化物５５１の被形成面である絶縁層５５０に酸素を供給することができる。また、スパッタリングガスに含まれる酸素の流量比を大きくすることで、絶縁層５５０への酸素供給量を増やすことができる。
また、絶縁層５５０上に酸化物５５１を設けることで、絶縁層５５０に含まれる過剰酸素が導電層５６０へ拡散しにくくなる。よって、トランジスタの信頼性を高めることができる。なお、酸化物５５１は、目的などによっては省略される場合がある。
また、導電層５６０の上面および側面、絶縁層５５０の側面、および酸化物５３０ｃの側面を覆うように、絶縁層５７４を設けることが好ましい。なお、絶縁層５７４は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
絶縁層５７４を設けることで、導電層５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁層５７４を有することで、絶縁層５８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ５１０Ｃへ拡散することを抑制することができる。
また、導電層５４６と、絶縁層５８０との間に、バリア性を有する絶縁層５７６（絶縁層５７６ａ、および絶縁層５７６ｂ）を配置してもよい。絶縁層５７６を設けることで、絶縁層５８０の酸素が導電層５４６と反応し、導電層５４６が酸化することを抑制することができる。
また、バリア性を有する絶縁層５７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電層５４６に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることができる。
＜トランジスタの構造例４＞
図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｄの構造例を説明する。図１２（Ａ）はトランジスタ５１０Ｄの上面図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１２（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。
トランジスタ５１０Ｄは上記トランジスタ４００の変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ４００と異なる点について説明する。
図１２に示すトランジスタ５１０Ｄは、導電層５４２ａと酸化物５３０ｂの間に導電層５４７ａが配置され、導電層５４２ｂと酸化物５３０ｂの間に導電層５４７ｂが配置されている。ここで、導電層５４２ａ（導電層５４２ｂ）は、導電層５４７ａ（導電層５４７ｂ）の上面および導電層５６０側の側面を越えて延在し、酸化物５３０ｂの上面に接する領域を有する。ここで、導電層５４７には、導電層５４２に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電層５４７の膜厚は、少なくとも導電層５４２より厚いことが好ましい。
図１２に示すトランジスタ５１０Ｄは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ４００よりも、導電層５４２を導電層５６０に近づけることができる。または、導電層５４２ａの端部および導電層５４２ｂの端部と、導電層５６０を重ねることができる。これにより、トランジスタ５１０Ｄの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。
また、導電層５４７ａ（導電層５４７ｂ）は、導電層５４２ａ（導電層５４２ｂ）と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電層５４６ａ（導電層５４６ｂ）を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電層５４７ａ（導電層５４７ｂ）がストッパとして機能し、酸化物５３０ｂがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。
また、図１２に示すトランジスタ５１０Ｄは、絶縁層５４４の上に接して絶縁層５６５を配置する構成にしてもよい。絶縁層５４４としては、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁層５８０側からトランジスタ５１０Ｄに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁層５６５としては、絶縁層５４４に用いることができる絶縁層を用いることができる。また、絶縁層５４４を、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁材料を用いて形成してもよい。
また、図１２に示すトランジスタ５１０Ｄは、図２４に示すトランジスタ４００と異なり、導電層５０５を単層構造で設けてもよい。この場合、パターン形成された導電層５０５の上に絶縁層５１６となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電層５０５の上面が露出するまでＣＭＰ法などを用いて除去すればよい。ここで、導電層５０５の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電層５０５上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電層５０５の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物５３０ｂおよび酸化物５３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。
＜トランジスタの構造例５＞
図１３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｅの構造例を説明する。図１３（Ａ）はトランジスタ５１０Ｅの上面図である。図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。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。
トランジスタ５１０Ｅは上記トランジスタ４００の変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタ４００と異なる点について説明する。
図１３（Ａ）乃至（Ｃ）では、導電層５０３を設けずに、第２のゲートとしての機能を有する導電層５０５を配線としても機能させている。また、酸化物５３０ｃ上に絶縁層５５０を有し、絶縁層５５０上に金属酸化物５５２を有する。また、金属酸化物５５２上に導電層５６０を有し、導電層５６０上に絶縁層５７０を有する。また、絶縁層５７０上に絶縁層５７１を有する。
金属酸化物５５２は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁層５５０と、導電層５６０との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物５５２を設けることで、導電層５６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電層５６０の酸化を抑制することができる。
なお、金属酸化物５５２は、第１のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物５５２として用いることができる。その場合、導電層５６０をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物５５２の電気抵抗値を低下させて導電層とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
また、金属酸化物５５２は、ゲート絶縁層の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁層５５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物５５２は、比誘電率が高いｈｉｇｈ－ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁層として機能する絶縁層の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
トランジスタ５１０Ｅにおいて、金属酸化物５５２を単層で示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁層の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。
金属酸化物５５２を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電層５６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ５１０Ｅのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁層として機能する場合は、絶縁層５５０と、金属酸化物５５２との物理的な厚みにより、導電層５６０と、酸化物５３０との間の距離を保つことで、導電層５６０と酸化物５３０との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁層５５０、および金属酸化物５５２との積層構造を設けることで、導電層５６０と酸化物５３０との間の物理的な距離、および導電層５６０から酸化物５３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
具体的には、酸化物５３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物５５２として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物５５２は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
絶縁層５７０は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁層５７０よりも上方からの酸素で導電層５６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁層５７０よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電層５６０および絶縁層５５０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
絶縁層５７１はハードマスクとして機能する。絶縁層５７１を設けることで、導電層５６０の加工の際、導電層５６０の側面が概略垂直、具体的には、導電層５６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。
なお、絶縁層５７１に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁層５７０は設けなくともよい。
絶縁層５７１をハードマスクとして用いて、絶縁層５７０、導電層５６０、金属酸化物５５２、絶縁層５５０、および酸化物５３０ｃの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させることができる。
また、トランジスタ５１０Ｅは、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。
領域５３１ａおよび領域５３１ｂの形成は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物５３０ｂ表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。
また、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物５３０ｂに拡散させて領域５３１ａおよび領域５３１ｂを形成することもできる。
酸化物５３０ｂの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。
絶縁層５７１および／または導電層５６０をマスクとして用いることで、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することができる。よって、領域５３１ａおよび／または領域５３１ｂと、導電層５６０が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域（領域５３１ａまたは領域５３１ｂ）の間にオフセット領域が形成されない。領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。
なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁層５７５の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁層５７５も絶縁層５７１などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物５３０ｂの絶縁層５７５と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。
また、トランジスタ５１０Ｅは、絶縁層５７０、導電層５６０、金属酸化物５５２、絶縁層５５０、および酸化物５３０ｃの側面に絶縁層５７５を有する。絶縁層５７５は、比誘電率の低い絶縁層であることが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁層５７５に用いると、後の工程で絶縁層５７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。また、絶縁層５７５は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。
また、トランジスタ５１０Ｅは、絶縁層５７５、酸化物５３０上に絶縁層５７４を有する。絶縁層５７４は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁層を成膜することができる。例えば、絶縁層５７４として、酸化アルミニウムを用いるとよい。
なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁層５７４が酸化物５３０および絶縁層５７５から水素および水を吸収することで、酸化物５３０および絶縁層５７５の水素濃度を低減することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態５）
本実施の形態では、円筒型の二次電池の例について図１４を参照して説明する。円筒型の二次電池６００は、上面に正極キャップ（電池蓋）６０１を有し、側面および底面に電池缶（外装缶）６０２を有している。これら正極キャップと電池缶（外装缶）６０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）６１０によって絶縁されている。また、二次電池６００の電池缶の底面付近には、樹脂カバーで覆われた保護回路基板６１８が電気的に接続されている。
図１４（Ｃ）に示す電子部品７００はＩＣ半導体装置であり、リードおよび回路部を有する。回路部は、例えば、実施の形態１に示した保護回路１００を含む。電子部品７００は、例えばプリント基板に実装される。保護回路基板６１８は、一つまたは複数の電子部品７００が実装されたプリント基板である。
図１４（Ｂ）は、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶６０２の内側には、帯状の正極６０４と負極６０６とがセパレータ６０５を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶６０２は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶６０２には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金（例えば、ステンレス鋼等）を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。電池缶６０２の内側において、正極、負極およびセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板６０８、６０９により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶６０２の内部は、非水電解液（図示せず）が注入されている。非水電解液は、コイン型の二次電池と同様のものを用いることができる。
円筒型の二次電池に用いる正極および負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成することが好ましい。正極６０４には正極端子（正極集電リード）６０３が接続され、負極６０６には負極端子（負極集電リード）６０７が接続される。正極端子６０３および負極端子６０７は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子６０３は安全弁機構６１２に、負極端子６０７は電池缶６０２の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構６１２は、ＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）６１１を介して正極キャップ６０１と電気的に接続されている。安全弁機構６１２は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ６０１と正極６０４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子６１１は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。ＰＴＣ素子には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）系半導体セラミックス等を用いることができる。
［二次電池の構造例］
二次電池の別の構造例について、図１５乃至図１８を用いて説明する。
図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、電池パックの外観図を示す図である。電池パックは、回路基板９００と、二次電池９１３と、を有する。二次電池９１３は、端子９５１と、端子９５２とを有し、ラベル９１０で覆われている。また電池パックはアンテナ９１４を有してもよい。アンテナ９１４を用いて二次電池９１３に非接触で充電を行うこともできる。
回路基板９００はシール９１５で固定されている。回路基板９００は、電子部品７００が実装されており、例えば、実施の形態１に示した保護回路１００を含む。端子９１１は、回路基板９００を介して、二次電池９１３が有する端子９５１および端子９５２と電気的に接続される。また端子９１１は、回路基板９００を介して、アンテナ９１４、及び電子部品７００と電気的に接続される。なお、端子９１１を複数設けて、複数の端子９１１のそれぞれを、制御信号入力端子、電源端子などとしてもよい。
電子部品７００は、マイクロショートなどの異常を検出する。さらに、過充電、過放電および過電流から二次電池９１３を保護する、保護回路としての機能を有してもよい。電子部品７００は、回路基板９００の裏面に設けられていてもよい。なお、アンテナ９１４は、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、ＥＨアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。アンテナ９１４は、たとえば外部機器とのデータ通信を行うことができる機能を有する。アンテナ９１４を介した電池パックと他の機器との通信方式としては、ＮＦＣなど、電池パックと他の機器との間で用いることができる応答方式などを適用することができる。
電池パックは、アンテナ９１４と、二次電池９１３との間に層９１６を有する。層９１６は、例えば二次電池９１３による電磁界を遮蔽することができる機能を有する。層９１６としては、例えば磁性体を用いることができる。
なお、電池パックの構造は、図１５に限定されない。
例えば、図１６（Ａ１）及び図１６（Ａ２）に示すように、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す二次電池９１３のうち、対向するもう一対の面にアンテナ９１８を設けてもよい。図１６（Ａ１）は、上記一対の面の一方側方向から見た外観図であり、図１６（Ａ２）は、上記一対の面の他方側方向から見た外観図である。なお、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す電池パックと同じ部分については、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す電池パックの説明を適宜援用できる。
図１６（Ａ１）に示すように、二次電池９１３の一対の面の一方に層９１６を挟んでアンテナ９１４が設けられ、図１６（Ａ２）に示すように、二次電池９１３の一対の面の他方に層９１７を挟んでアンテナ９１８が設けられる。層９１７は、例えば二次電池９１３による電磁界を遮蔽することができる機能を有する。層９１７としては、例えば磁性体を用いることができる。
上記構造にすることにより、電池パックにアンテナを二つ設け、かつアンテナ９１４及びアンテナ９１８の両方のサイズを大きくすることができる。
アンテナ９１８は、アンテナ９１４に適用可能な形状のアンテナを適用することができる。さらにアンテナ９１８は平板状の導体でもよい。この平板状の導体は、電界結合用の導体の一つとして機能することができる。つまり、コンデンサの有する２つの導体のうちの一つの導体として、アンテナ９１４を機能させてもよい。これにより、電磁界、磁界だけでなく、電界で電力のやり取りを行うこともできる。非接触での充電を行う際にもマイクロショートが発生する恐れがあるため、上述した実施の形態の保護回路を設けることが好ましい。これらのアンテナと二次電池の間には充電制御回路が設けられ、二次電池と電気的に接続する保護回路を設けてもよい。
又は、図１６（Ｂ１）に示すように、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す電池パックに表示装置９２０を設けてもよい。表示装置９２０は、端子９１１に電気的に接続される。なお、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す電池パックと同じ部分については、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す電池パックの説明を適宜援用できる。
表示装置９２０には、例えば充電中であるか否かを示す画像、二次電池の残量を示す画像、異常発生を警告する情報などを表示してもよい。表示装置９２０としては、例えば電子ペーパー、液晶表示装置、エレクトロルミネセンス（ＥＬともいう）表示装置などを用いることができる。例えば、電子ペーパーを用いることにより表示装置９２０の消費電力を低減することができる。
又は、図１６（Ｂ２）に示すように、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す二次電池９１３にセンサ９２１を設けてもよい。センサ９２１は、端子９２２および回路基板９００を介して端子９１１に電気的に接続される。なお、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す二次電池と同じ部分については、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す二次電池の説明を適宜援用できる。
センサ９２１としては、例えば、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい、又は赤外線を測定することができる機能を有すればよい。センサ９２１を設けることにより、例えば、二次電池が置かれている環境を示すデータ（温度など）を検出し、電子部品７００内のメモリに記憶しておくこともできる。図１６（Ｃ）は、回路基板９００の上面図の一例である。回路基板の端子９６１は端子９５１と接続し、端子９６２は、端子９５２と電気的に接続する。センサ９２１の端子９２２は、回路基板９００の端子９６３と電気的に接続する。これらの端子からの入力が電子部品７００に入力され、それらの情報を基にマイクロショートなどの異常を検知することができる。
さらに、二次電池９１３の構造例について図１７及び図１８を用いて説明する。
図１７（Ａ）に示す二次電池９１３は、筐体９３０の内部に端子９５１と端子９５２が設けられた捲回体９５０を有する。捲回体９５０は、筐体９３０の内部で電解液に含浸される。端子９５２は、筐体９３０に接し、端子９５１は、絶縁材などを用いることにより筐体９３０に接していない。なお、図１７（Ａ）では、便宜のため、筐体９３０を分離して図示しているが、実際は、捲回体９５０が筐体９３０に覆われ、端子９５１及び端子９５２が筐体９３０の外に延在している。筐体９３０としては、金属材料（例えばアルミニウムなど）又は樹脂材料を用いることができる。
なお、図１７（Ｂ）に示すように、図１７（Ａ）に示す筐体９３０を複数の材料によって形成してもよい。例えば、図１７（Ｂ）に示す二次電池９１３は、筐体９３０ａと筐体９３０ｂが貼り合わされており、筐体９３０ａ及び筐体９３０ｂで囲まれた領域に捲回体９５０が設けられている。
筐体９３０ａとしては、有機樹脂など、絶縁材料を用いることができる。特に、アンテナが形成される面に有機樹脂などの材料を用いることにより、二次電池９１３による電界の遮蔽を抑制できる。なお、筐体９３０ａによる電界の遮蔽が小さければ、筐体９３０ａの内部にアンテナ９１４などのアンテナを設けてもよい。筐体９３０ｂとしては、例えば金属材料を用いることができる。
さらに、捲回体９５０の構造について図１８に示す。捲回体９５０は、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、を有する。捲回体９５０は、セパレータ９３３を挟んで負極９３１と、正極９３２が重なり合って積層され、該積層シートを捲回させた捲回体である。なお、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、の積層を、さらに複数重ねてもよい。
負極９３１は、端子９５１及び端子９５２の一方を介して図１５に示す端子９１１に接続される。正極９３２は、端子９５１及び端子９５２の他方を介して図１５に示す端子９１１に接続される。
図１５に示す端子９５２及び端子９１１とそれぞれ電気的に接続される回路基板９００は、電子部品７００が実装されており、例えば、実施の形態１に示した保護回路１００を含むため、安全性の高い二次電池９１３とすることができる。
（実施の形態６）
上述した実施の形態では、回路基板に一つの電子部品７００を設ける例を示したが、特に限定されず、パッケージ基板（プリント基板）上にインターポーザが設けられ、インターポーザ上にＩＣ半導体装置が複数組み合わされている電子部品７３０を用いてもよい。電子部品７００または電子部品７３０には、上述した実施の形態の保護回路を有し、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。
本実施の形態では、保護回路を備えた電子機器の例について図１９を用いて説明を行う。
ロボット７１００は、二次電池、照度センサ、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、ディスプレイ、各種センサ（赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなど）、および移動機構などを備える。ロボット７１００の二次電池に本発明の一態様の保護回路を適用して、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。
マイクロフォンは、使用者の音声および環境音などの音響信号を検知する機能を有する。また、スピーカは、音声および警告音などのオーディオ信号を発する機能を有する。ロボット７１００は、マイクロフォンを介して入力されたオーディオ信号を解析し、必要なオーディオ信号をスピーカから発することができる。ロボット７１００において、は、マイクロフォン、およびスピーカを用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。
カメラは、ロボット７１００の周囲を撮像する機能を有する。また、ロボット７１００は、移動機構を用いて移動する機能を有する。ロボット７１００は、カメラを用いて周囲の画像を撮像し、画像を解析して移動する際の障害物の有無などを察知することができる。
飛行体７１２０は、プロペラ、カメラ、および二次電池などを有し、自律して飛行する機能を有する。
また、飛行体７１２０の二次電池に本発明の一態様の保護回路を適用して、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。
掃除ロボット７１４０は、二次電池、上面に配置されたディスプレイ、側面に配置された複数のカメラ、ブラシ、操作ボタン、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット７１４０には、タイヤ、吸い込み口などが備えられている。掃除ロボット７１４０は自走し、ゴミを検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。掃除ロボット７１４０の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の保護回路を適用して、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。
移動体の一例として電気自動車７１６０を示す。電気自動車７１６０は、二次電池、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、カメラなどを有する。電気自動車７１６０の二次電池に接続する本発明の一態様の保護回路を適用して、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。
なお、上述では、移動体の一例として電気自動車について説明しているが、移動体は電気自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の保護回路を適用して、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。
電子部品７００および／または電子部品７３０は、スマートフォン７２１０、ＰＣ７２２０（パーソナルコンピュータ）、ゲーム機７２４０等に組み込むことができる。
スマートフォン７２１０は、携帯情報端末の一例である。スマートフォン７２１０は、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、各種センサ、および表示部を有する。電子部品７３０によってこれら周辺機器が制御される。スマートフォン７２１０の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の保護回路を適用して、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができ、安全性を高めることができる。
ＰＣ７２２０はノート型ＰＣの例である。ノート型ＰＣの二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の保護回路を適用して、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができ、安全性を高めることができる。
ゲーム機７２４０は携帯型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０は家庭用の据え置き型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０には、無線または有線でコントローラ７２６２が接続されている。コントローラ７２６２に、電子部品７００および／または電子部品７３０を組み込むことで二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態７）
図２０に二次電池の異常検出を行う保護回路のブロック図の一例を示す。
図２０に示すように二次電池の保護回路は、第１の比較回路と、第１のメモリ１１３と、第２の比較回路と、第２のメモリ１１４と、オフセット回路１１０、ＯＲ回路１１１とを少なくとも備える。
二次電池はリチウムイオン二次電池を用いる。リチウムイオン二次電池は、充電或いは放電しすぎると劣化が促進される。従ってリチウムイオン二次電池は、過充電および過放電を防ぐため、充電率が一定範囲内（例えば、理論容量を最大値とした充電率の２０％以上８０％以下）に収まるように充放電時の条件が制御回路などによって管理される。
第１及び第２の比較回路は、２つの入力電圧の大小関係を比較し、出力する。第１及び第２の比較回路は、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタを用いて単極性回路を用いることもできる。
第１の比較回路に電気的に接続される第１のメモリは、アナログメモリであり、オフセット回路１１０により、オフセットされた二次電池のアナログ電位を保存する。オフセットされた二次電池の電圧値のデータ作成は、第１のメモリのトランジスタのゲートに書き込み信号を印加することでゲート電極とドレイン電極間の寄生容量により作成することができる。第１のメモリは酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ１つと容量とで構成される。第１のメモリは、高精度な充電電圧モニター回路とも呼べる。また、第１のメモリは、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタの低リーク電流であることのメリットを生かすことができる。
また、図２１には、第１及び第２の比較回路を用いる場合の正常時のタイミングチャートの一例を示す。
第２の比較回路に電気的に接続される第２のメモリは、第１のメモリと同じ素子構成であり、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ１つと容量とで構成される。
図２１中に示す期間Δｔ１は第１のメモリのサンプリング期間を示しており、図２１において３回のサンプリングを行い、全て正常である様子を示している。また、図２１中に示す期間Δｔ２は第２のメモリのサンプリング期間を示しており、図２１において３回のサンプリングを行い、全て正常である様子を示している。また、第１のメモリの書き込み信号と、第２のメモリの書き込み信号とは期間Δｔ３のずれがあり、二次電池は交互にサンプリングが行われ、結果的には合計６回のサンプリングが行われる例を示している。
図２２には異常発生時のタイミングチャートの一例を示す。
マイクロショートなどの異常発生時においては、二次電池の充電電圧の降下が急に発生する。一方、異常電流は電池内部で保護回路とは異なる経路（電池内部）で流れる。また、図２２中の充電電圧が急に下がっている時点が異常発生時点である。図２２において６回のサンプリングを行い、５回目までが正常であり、６回目が異常である様子を示している。６回目のサンプリング時（メモリの書き込み時）に、第１の比較回路の出力信号が反転し、異常挙動を検出することができる。
反転した第１の比較回路の出力信号は、ＯＲ回路１１１に入力され、ＯＲ回路１１１の出力により異常判定できる。
図２３に二次電池を搭載したモバイル機器に対して１回の充電中に複数回の異常検出を行う場合の、フローの一例を示す。
まず、電圧モニターなどの電圧値取得手段により、二次電池の電圧値データを取得する。次いで、サンプリング期間ごとに第１の記憶回路或いは第２の記憶回路にオフセットされた二次電池の電圧データ（アナログデータ）を書き込む。（Ｓ１）書き込みは、間隔を開けて交互に行われる。
次いで、現時点と、異なる時点とで測定した電圧値を比較する。（比較ステップ：Ｓ２）比較した結果、２つの入力電圧の差が小さい場合には、上述したデータの取得と比較を繰り返す。異常検知されずに充電しつづけ、満充電に到達（Ｓ７）した場合は、充電停止（Ｓ８）となる。
比較ステップＳ２において、２つの入力電圧の差が大きい場合には、異常発生（Ｓ３）と判断し、ＯＲ回路から出力される信号（例えばモバイル機器のＣＰＵなど）を異常検知信号として外部に伝達する（Ｓ６）。そして、外部からの指示により充電停止（Ｓ８）とする。
図２０に示す回路構成とし、図２３に示すフローに従うことで、異常が発生した二次電池を継続して充電してしまい、発火することを防ぐことができる。
図２０に示す回路構成とし、２系統の異常検出回路を交互に用いるため、リアルタイムでマイクロショートの検出が可能である。例えば期間Δｔを１秒とすると、２系統の異常検出回路を交互に用いる場合、０．５秒ごとに異常検出のための駆動を図２０に示す回路構成が行っている。
また、マイクロショートの発生とサンプリングが重なった場合であっても検出が可能である。また、マイクロショートは発生した後、正常に戻る場合があるが、正常に戻るまでの間に検出できればよく、図２０に示す回路構成は２系統としているため、検出する確率が上がるため、高精度といえる。さらに３系統以上としてもよく、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いているため、系統数を増やしても消費電力、及びリーク電流を低減できる。
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
１０：メモリセル、１００：保護回路、１０１：二次電池、１０２：比較回路、１０３：メモリ、１０４：メモリ、１０５：電源遮断スイッチ、１１０：オフセット回路、１１１：ＯＲ回路、１１３：第１のメモリ、１１４：第２のメモリ、２３０：酸化物、５０３：導電層、５０５：導電層、５０５ａ：導電層、５０５ｂ：導電層、５１０Ｂ：トランジスタ、５１０Ｃ：トランジスタ、５１０Ｄ：トランジスタ、５１０Ｅ：トランジスタ、５１１：絶縁層、５１２：絶縁層、５１４：絶縁層、５１６：絶縁層、５２１：絶縁層、５２２：絶縁層、５２４：絶縁層、５３０：酸化物、５３０ａ：酸化物、５３０ｂ：酸化物、５３０ｃ：酸化物、５３１：領域、５３１ａ：領域、５３１ｂ：領域、５４２：導電層、５４２ａ：導電層、５４２ｂ：導電層、５４４：絶縁層、５４６：導電層、５４６ａ：導電層、５４６ｂ：導電層、５４７：導電層、５４７ａ：導電層、５４７ｂ：導電層、５５０：絶縁層、５５１：酸化物、５５２：金属酸化物、５６０：導電層、５６０ａ：導電層、５６０ｂ：導電層、５６５：絶縁層、５７０：絶縁層、５７１：絶縁層、５７３：絶縁層、５７４：絶縁層、５７５：絶縁層、５７６：絶縁層、５７６ａ：絶縁層、５７６ｂ：絶縁層、５８０：絶縁層、５８２：絶縁層、５８４：絶縁層、６００：二次電池、６０１：正極キャップ、６０２：電池缶、６０３：正極端子、６０４：正極、６０５：セパレータ、６０６：負極、６０７：負極端子、６０８：絶縁板、６０９：絶縁板、６１１：ＰＴＣ素子、６１２：安全弁機構、６１８：保護回路基板、７００：電子部品、７３０：電子部品、９００：回路基板、９１０：ラベル、９１１：端子、９１３：二次電池、９１４：アンテナ、９１５：シール、９１６：層、９１７：層、９１８：アンテナ、９２０：表示装置、９２１：センサ、９２２：端子、９３０：筐体、９３０ａ：筐体、９３０ｂ：筐体、９３１：負極、９３２：正極、９３３：セパレータ、９５０：捲回体、９５１：端子、９５２：端子、９６１：端子、９６２：端子、９６３：端子、７１００：ロボット、７１２０：飛行体、７１４０：掃除ロボット、７１６０：電気自動車、７２１０：スマートフォン、７２２０：ＰＣ、７２４０：ゲーム機、７２６０：ゲーム機、７２６２：コントローラ、７３００：掃除ロボット

Claims (3)

  1. 二次電池と電気的に接続される第１の記憶回路と、
    前記第１の記憶回路と電気的に接続される比較回路と、
    前記比較回路と電気的に接続される第２の記憶回路と、
    前記第２の記憶回路と電気的に接続される電源遮断スイッチと、を有し、
    前記比較回路は、前記二次電池と電気的に接続され、
    前記電源遮断スイッチは、前記二次電池と電気的に接続され、
    前記第１の記憶回路は、期間Δｔごとにオフセットされた二次電池の電圧値をアナログ方式で保持する機能を有し、
    前記比較回路は、前記二次電池の電圧値と、前記第１の記憶回路に保持された前記オフセットされた二次電池の電圧値と、を比較する機能を有し、
    前記二次電池の電圧値と前記第１の記憶回路に保持された前記オフセットされた二次電池の電圧値との差が大きい場合、前記電源遮断スイッチは、オフ状態となる機能を有し、
    前記第１の記憶回路は、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有する第１のトランジスタを少なくとも有する二次電池の保護回路。
  2. 請求項１において、
    前記第２の記憶回路は、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有する第２のトランジスタを少なくとも有し、
    前記第２の記憶回路は、前記電源遮断スイッチのデータ保持する機能を有する二次電池の保護回路。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記酸化物半導体膜は、インジウム、ガリウム、亜鉛のいずれか一を含む二次電池の保護回路。
JP2020529841A 2018-07-10 2019-06-27 二次電池の保護回路 Active JP7399857B2 (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018131018 2018-07-10
JP2018131018 2018-07-10
JP2018141302 2018-07-27
JP2018141302 2018-07-27
PCT/IB2019/055428 WO2020012284A1 (ja) 2018-07-10 2019-06-27 二次電池の保護回路及び二次電池の異常検知システム

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JPWO2020012284A1 JPWO2020012284A1 (ja) 2021-07-15
JPWO2020012284A5 JPWO2020012284A5 (ja) 2022-06-21
JP7399857B2 true JP7399857B2 (ja) 2023-12-18

Family

ID=69143271

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020529841A Active JP7399857B2 (ja) 2018-07-10 2019-06-27 二次電池の保護回路

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20210126473A1 (ja)
JP (1) JP7399857B2 (ja)
WO (1) WO2020012284A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111108403A (zh) * 2017-09-21 2020-05-05 古河电气工业株式会社 可充电电池短路预测装置和可充电电池短路预测方法
US11961979B2 (en) 2018-07-10 2024-04-16 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device
US11867503B2 (en) * 2018-08-03 2024-01-09 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Anomaly detection system for secondary battery
US11791640B2 (en) 2018-12-19 2023-10-17 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Overdischarge prevention circuit of secondary battery and secondary battery module

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007527597A (ja) 2003-06-30 2007-09-27 シンボル テクノロジーズ インコーポレイテッド 通信ポートを備えたバッテリーパック
JP2013230078A (ja) 2012-03-28 2013-11-07 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 保護回路、充電装置、蓄電装置
JP2014143190A (ja) 2012-12-28 2014-08-07 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 蓄電装置、および蓄電システム
JP2014039459A5 (ja) 2013-07-11 2016-08-12
JP2017011802A (ja) 2015-06-17 2017-01-12 ミツミ電機株式会社 電池保護集積回路及び回路特性設定方法
US20170123008A1 (en) 2015-11-04 2017-05-04 Boston-Power, Inc. Device and method for detecting transient electrical short circuits in a battery cell or pack

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3596097B2 (ja) * 1995-06-30 2004-12-02 松下電器産業株式会社 充電式リチウム電池の微小短絡検出法、充電方法および充電器
US9160195B2 (en) 2012-07-17 2015-10-13 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Charging device
KR20150072895A (ko) * 2013-12-20 2015-06-30 삼성에스디아이 주식회사 배터리 과전압 보호 장치 및 방법
KR102519118B1 (ko) * 2016-02-24 2023-04-05 삼성에스디아이 주식회사 배터리 보호 회로

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007527597A (ja) 2003-06-30 2007-09-27 シンボル テクノロジーズ インコーポレイテッド 通信ポートを備えたバッテリーパック
JP2013230078A (ja) 2012-03-28 2013-11-07 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 保護回路、充電装置、蓄電装置
JP2014143190A (ja) 2012-12-28 2014-08-07 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 蓄電装置、および蓄電システム
JP2014039459A5 (ja) 2013-07-11 2016-08-12
JP2017011802A (ja) 2015-06-17 2017-01-12 ミツミ電機株式会社 電池保護集積回路及び回路特性設定方法
US20170123008A1 (en) 2015-11-04 2017-05-04 Boston-Power, Inc. Device and method for detecting transient electrical short circuits in a battery cell or pack

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2020012284A1 (ja) 2021-07-15
WO2020012284A1 (ja) 2020-01-16
US20210126473A1 (en) 2021-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7399857B2 (ja) 二次電池の保護回路
JP7322023B2 (ja) 半導体装置
JP7405763B2 (ja) 蓄電装置及び蓄電装置の動作方法
JP7463290B2 (ja) 半導体装置
JP2024008933A (ja) 電池パック
US20220085427A1 (en) Semiconductor device
JP7419258B2 (ja) 二次電池システム
JP7352568B2 (ja) 半導体装置
JP2023133301A (ja) 異常検知システム
US20220052387A1 (en) Semiconductor device and battery pack
JP7470642B2 (ja) 二次電池の充電制御回路
WO2021038349A1 (ja) 半導体装置及び半導体装置の動作方法
JP7327927B2 (ja) 半導体装置
JP7222657B2 (ja) 二次電池の残量計測回路
US20230336006A1 (en) Control Circuit And Electronic Device
JP7436387B2 (ja) 二次電池の過放電防止回路、電子機器、二次電池モジュール

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220613

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220613

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230704

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230818

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231114

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231206

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7399857

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150