JP7854079B2 - 蓄電装置の動作方法 - Google Patents

蓄電装置の動作方法

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Description

本発明の一態様は、蓄電装置に関する。または本発明の一態様は蓄電装置が有する半導体装置に関する。
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。
なお、本明細書等において蓄電装置は例えば、電池を有する。また、本明細書等において蓄電装置は例えば、蓄電を行うデバイスを有する。また、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうるもの全般を指す。よって、トランジスタやダイオードなどの半導体素子や、半導体素子を含む回路は半導体装置である。また、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、通信装置および電子機器などは、半導体素子や半導体回路を含む場合がある。よって、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、撮像装置、通信装置および電子機器なども、半導体装置と呼ばれる場合がある。
昨今、様々な電子機器の普及により、電力の消費は増大する傾向にある。特許文献１には、無停電電源装置に関して、電池の持続時間を予測し、システムを安全に停止させるための制御方式が述べられている。
酸化物半導体では、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出されている（非特許文献１および非特許文献２参照）。
非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている。
また、半導体装置の消費電力削減の技術として、例えば、パワーゲーティング（ＰＧ：Ｐｏｗｅｒ Ｇａｔｉｎｇ）、クロックゲーティング（ＣＧ：Ｃｌｏｃｋ Ｇａｔｉｎｇ）、ボルテージスケーリング等が知られている。例えば、特許文献２には、ＤＶＦＳ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｃａｌｉｎｇ）手法とＰＧ手法のうち電力削減に有利となる手法を実施することが記載されている。
特開平９－４４２７４号公報 国際公開第２００９／０７８０８１号
Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"， ２０１２， ｖｏｌｕｍｅ ４３， ｉｓｓｕｅ １， ｐ．１８３－１８６ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ５３， Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ， ｐ．０４ＥＤ１８－１－０４ＥＤ１８－１０
本発明の一態様は、新規な半導体装置、または新規な半導体装置の動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、蓄電装置の消費電力を低減することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、安全性の高い蓄電装置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、半導体装置により監視される電池の安全性を高めることを課題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力を削減すること、例えば休止状態の電力を削減することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、休止状態から通常状態へ復帰する処理に要する時間を短縮すること、あるいは、それに要するエネルギーを削減することを課題の一つとする。
なお、複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全て解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、これらの課題も、本発明の一態様の課題となり得る。
本発明の一態様は、電池と、制御回路と、変換回路と、を有し、変換回路は、電圧を電池に与える機能を有し、制御回路は、電池の電圧のデータを測定する機能と、電池の電圧のデータを保持する機能と、を有する蓄電装置である。または、本発明の一態様は、電池と、制御回路と、変換回路と、を有し、変換回路は、第１電圧または第２電圧のいずれかを選択して変換し、電池に与える機能を有し、第１電圧は交流電圧であり、第２電圧は直流電圧であり、制御回路は、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を有し、制御回路は、電池の電圧のデータを測定する機能と、電池の電圧のデータを保持する機能と、を有する蓄電装置である。
また、上記構成において、前記制御回路は、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を有し、制御回路は、プロセッサコアを有し、プロセッサコアは、トランジスタのゲートに信号を与える機能を有し、プロセッサコアは、第１電圧のデータを保持する期間において電源が遮断されることが好ましい。
また、上記構成において、変換回路は、電圧の大きさおよび周波数の一以上を変換する機能を有することが好ましい。
また、上記構成において、第２電圧は、太陽電池により生成される電圧であることが好ましい。
または本発明の一態様は、電池と、制御回路と、変換回路と、を有し、変換回路は、第１電圧または第２電圧のいずれかを選択して変換し、電池に与える機能を有し、第１電圧は交流電圧であり、第２電圧は直流電圧であり、制御回路は、第１サンプルホールド回路と、第２サンプルホールド回路と、を有し、第１サンプルホールド回路は、電池の電圧のデータを測定し、保持する機能を有し、第２サンプルホールド回路は、電池の電流のデータを電圧に変換して測定し、保持する機能を有し、第１サンプルホールド回路は、第１トランジスタを有し、第２サンプルホールド回路は、第２トランジスタを有し、第１サンプルホールド回路は、第１トランジスタがオン状態において電池の電圧のデータを測定する機能と、第１トランジスタがオフ状態において電池の電圧のデータを保持する機能と、を有し、第２サンプルホールド回路は、第２トランジスタがオン状態において電池の電流のデータを測定する機能と、第２トランジスタがオフ状態において電池の電流のデータを保持する機能と、を有する蓄電装置である。
また、上記構成において、第１トランジスタおよび第２トランジスタはそれぞれ、チャネル形成領域に酸化物半導体を有することが好ましい。
また、上記構成において、第１サンプルホールド回路に保持される電池の電圧のデータと、第２サンプルホールド回路に保持される電池の電流のデータと、を用いて電池の残量を演算する機能を有することが好ましい。
また、上記構成において、変換回路は電圧の大きさおよび周波数の一以上を変換する機能を有することが好ましい。
また、上記構成において、第２電圧は、太陽電池により生成される電圧であることが好ましい。
または本発明の一態様は、電池と、制御回路と、変換回路と、を有し、制御回路は、プロセッサコアを含む処理装置と、第１サンプルホールド回路と、第２サンプルホールド回路と、を有し、第１サンプルホールド回路は、第１トランジスタを有し、第２サンプルホールド回路は、第２トランジスタを有し、処理装置は、第１トランジスタのゲートおよび第２トランジスタのゲートに電気的に接続され、処理装置から第１トランジスタのゲートおよび第２トランジスタのゲートに信号を与え、第１トランジスタおよび第２トランジスタをオン状態とし、変換回路から電池に電圧を与え、第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に電池の電圧のデータを与え、第２トランジスタのソースおよびドレインの一方に電池の電流のデータを電圧に変換して与え、処理装置から第１トランジスタのゲートおよび第２トランジスタのゲートに信号を与え、第１トランジスタおよび第２トランジスタをオフ状態とする蓄電装置の動作方法である。
また、上記構成において、第２の処理装置を有し、電池の電圧のデータおよび電池の電流のデータを電圧に変換したデータをアナログ値からデジタル値に変換して第２の処理装置に与え、プロセッサコアへの電源供給を遮断し、第２の処理装置が電池の残量を演算することが好ましい。
また、上記構成において、変換回路は第１電圧および第２電圧の大きさおよび周波数の一以上を変換する機能を有し、第１電圧は交流電圧であり、第２電圧は直流電圧であり、変換回路は第１電圧と第２電圧のいずれかを選択して変換して電池に与えることが好ましい。
また、上記構成において、第２電圧は、太陽電池により生成される電圧であることが好ましい。
本発明の一態様により、新規な半導体装置、または新規な半導体装置の動作方法を提供することができる。また、本発明の一態様により、蓄電装置の消費電力を低減することができる。また、本発明の一態様により、安全性の高い蓄電装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、半導体装置により監視される電池の安全性を高めることができる。また、本発明の一態様により、消費電力を削減すること、例えば休止状態の電力を削減することができる。また、本発明の一態様により、休止状態から通常状態へ復帰する処理に要する時間を短縮すること、あるいは、それに要するエネルギーを削減することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、本発明の一形態は、必ずしも、例示した効果の全てを有する必要はない。また、本発明の一形態について、上記以外の課題、効果、および新規な特徴については、本明細書の記載および図面から自ずと明らかになるものである。
図１は蓄電装置の一例を説明するブロック図である。 図２は蓄電装置の構成の一部を説明する回路図である。 図３は制御回路の一例を説明する回路図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、二次電池の例を説明する図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、蓄電装置の例を説明する図である。 図６Ａおよび図６Ｂは、二次電池の例を説明する図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、半導体装置の構成例を示すブロック図である。 図８Ａ乃至図８Ｄは、半導体装置の電源管理の動作例を示すタイミングチャートである。 図９は、半導体装置の構成例を示すフローチャートである。 図１０Ａ、図１０Ｂは、半導体装置の構成例を示すブロック図である。 図１１は、プロセッサコアの構成例を示すブロック図である。 図１２は、記憶回路の構成例を示す回路図である。 図１３は、記憶回路の動作例を説明するタイミングチャートである。 図１４は、キャッシュのメモリセルの構成例を示す回路図である。 図１５は、メモリセルの動作例を説明するタイミングチャートである。 図１６Ａは、ＮＯＳＲＡＭの構成例を示す機能ブロック図である。図１６Ｂは、メモリセルの構成例を示す回路図である。 図１７Ａは、メモリセルアレイの構成例を示す回路図である。図１７Ｂ、図１７Ｃは、メモリセルの構成例を示す回路図である。 図１８Ａは、ＤＯＳＲＡＭのメモリセルの構成例を示す回路図である。図１８Ｂは、ＤＯＳＲＡＭの積層構造例を示す図である。 図１９は、半導体装置の構成例を示す図である。 図２０は、半導体装置の構成例を示す図である。 図２１Ａ乃至図２１Ｃは、トランジスタの構成例を示す図である。 図２２Ａ乃至図２２Ｃは、トランジスタの構成例を示す図である。 図２３Ａ乃至図２３Ｃは、トランジスタの構成例を示す図である。 図２４ＡはＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図２４ＢはＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルを説明する図である。図２４ＣはＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の極微電子線回折パターンを説明する図である。 図２５は、無停電電源装置の一例を説明する図である。 図２６は、電子機器の一例を説明する図である。 図２７Ａ、図２７Ｂおよび図２７Ｃは、車両の一例を説明する図である。 図２８Ａは、車両の一例を説明する図である。図２８Ｂは、蓄電装置の一例を説明する図である。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく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。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その説明の繰り返しは省略する。
また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。
また、上面図（「平面図」ともいう）や斜視図などにおいて、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。
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、電気回路における「端子」とは、電流の入力または出力、電圧の入力または出力、もしくは、信号の受信または送信が行なわれる部位を言う。よって、配線または電極の一部が端子として機能する場合がある。
なお、本明細書等において「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、ソースおよびドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合など、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、直接接続している場合と、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。
また、本明細書などにおいて、「平行」とは、例えば、二つの直線が－１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、－５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」および「直交」とは、例えば、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス２０％の誤差を含むものとする。
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位は互いに言い換えることが可能な場合が多い。本明細書などでは、特段の明示が無いかぎり、電圧と電位を言い換えることができるものとする。
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「絶縁体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「絶縁体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「絶縁体」は、互いに読み換えることができる場合がある。
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「導電体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「導電体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「導電体」は、互いに読み換えることができる場合がある。
なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。
なお、本明細書等において、トランジスタの「オン状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡しているとみなせる状態（「導通状態」ともいう。）をいう。また、トランジスタの「オフ状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断しているとみなせる状態（「非導通状態」ともいう。）をいう。
また、本明細書等において、「オン電流」とは、トランジスタがオン状態の時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。また、「オフ電流」とは、トランジスタがオフ状態である時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。
また、本明細書等において、高電源電位ＶＤＤ（以下、単に「ＶＤＤ」、「Ｈ電位」、または「Ｈ」ともいう）とは、低電源電位ＶＳＳ（以下、単に「ＶＳＳ」、「Ｌ電位」、または「Ｌ」ともいう）よりも高い電位の電源電位を示す。また、ＶＳＳとは、ＶＤＤよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位（以下、単に「ＧＮＤ」、または「ＧＮＤ電位」ともいう）をＶＤＤまたはＶＳＳとして用いることもできる。例えばＶＤＤが接地電位の場合には、ＶＳＳは接地電位より低い電位であり、ＶＳＳが接地電位の場合には、ＶＤＤは接地電位より高い電位である。
また、本明細書等において、ゲートとは、ゲート電極およびゲート配線の一部または全部のことをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
また、本明細書等において、ソースとは、ソース領域、ソース電極、およびソース配線の一部または全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをいう。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
また、本明細書等において、ドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、及びドレイン配線の一部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
また、図面などにおいて、配線および電極などの電位をわかりやすくするため、配線および電極などに隣接してＨ電位を示す“Ｈ”、またはＬ電位を示す“Ｌ”を付記する場合がある。また、電位変化が生じた配線および電極などには、“Ｈ”または“Ｌ”を囲み文字で付記する場合がある。また、トランジスタがオフ状態である場合、当該トランジスタに重ねて“×”記号を付記する場合がある。
なお端子は、複数の端子の集合体を指す場合がある。複数の端子の集合体が有するそれぞれの端子には例えば独立した信号が与えられ、それぞれの端子に一以上の配線が電気的に接続される。
トランジスタは、ゲート、ソース、およびドレインと呼ばれる３つの端子（ノード）を有する。ゲートは、トランジスタの導通状態を制御する制御端子として機能する端子である。ソースまたはドレインとして機能する一対の入出力端子（ノード）は、トランジスタの型及び各端子（ノード）に与えられる電位の高低によって、一方がソースとなり他方がドレインとなる。一般的に、ｎ型トランジスタでは、低い電位が与えられるノードがソースと呼ばれ、高い電位が与えられるノードがドレインと呼ばれる。逆に、ｐ型トランジスタでは、低い電位が与えられるノードがドレインと呼ばれ、高い電位が与えられるノードがソースと呼ばれる。本明細書では、ゲート以外の２つの端子（ノード）を第１端子（ノード）、第２端子（ノード）と呼ぶ場合がある。
本明細書では、回路構成やその動作の理解を容易にするため、トランジスタの２つの入出力端子（ノード）の一方をソースに、他方をドレインに限定して説明する場合がある。もちろん、駆動方法によっては、トランジスタの３つの端子に印加される電位の大小関係が変化し、ソースとドレインが入れ替わる場合がある。したがって、本発明の一態様において、トランジスタのソースとドレインの区別は、明細書および図面での記載に限定されるものではない。
本明細書等において、能動素子（例えば、トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（例えば、容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であると言える。そして、接続先が特定されている態様が、本明細書等に記載されている場合、接続先が特定されていない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数のケース考えられる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
本明細書等において、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能が特定できれば、発明の態様が明確であると言える。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても接続先を特定すれば、発明の一態様が開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定することで、発明の一態様が開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の蓄電装置について説明する。
図１は本発明の一態様の蓄電装置を示す。
図１に示す蓄電装置１００は、半導体装置１０１、組電池１２０および温度センサＴＳ１を有する。組電池１２０は一、または複数の電池セルを有する。
半導体装置１０１は、処理装置５１、変換回路５２、回路５３、制御回路５５、リレー回路ＲＬ１、リレー回路ＲＬ２、インバータ回路ＩＶ１、電流計ＣＲ１、端子ＰＳ１、端子ＳＣ１および端子ＯＵ２を有する。
端子ＰＳ１および端子ＳＣ１にはそれぞれ電圧、電流等の信号が与えられる。一例として端子ＰＳ１には交流信号が、端子ＳＣ１には直流信号が、それぞれ与えられる。
端子ＰＳ１に与えられる交流信号は例えば、商用の交流電源である。
端子ＳＣ１に与えられる直流信号は例えば、太陽電池からの直流電源である。
変換回路５２は変換回路ＡＤ１、保護回路ＰＲ１、制御回路ＰＲ２、制御回路ＳＷ１および端子ＯＵ１を有する。
端子ＰＳ１からの信号は、変換回路ＡＤ１および保護回路ＰＲ１を介して制御回路ＳＷ１に与えられる。端子ＳＣ１からの信号は制御回路ＰＲ２を介して制御回路ＳＷ１に与えられる。制御回路ＳＷ１は保護回路ＰＲ１からの信号と、制御回路ＰＲ２からの信号のいずれかを選択し、端子ＯＵ１に出力する機能を有する。あるいは制御回路ＳＷ１は２つの信号を混合して出力してもよい。端子ＯＵ１から出力された信号は組電池１２０に与えられる。端子ＯＵ１から出力される信号を用いて組電池１２０を充電することができる。
変換回路ＡＤ１は交流信号を直流信号に変換する機能を有する。
保護回路ＰＲ１は、変換回路ＡＤ１と制御回路ＳＷ１の間を流れる電流（以下、電流ｉ（１）と表す）を制御する機能を有する。また保護回路ＰＲ１は端子ＰＳ１から変換回路ＡＤ１を介して制御回路ＳＷ１に与えられる電圧を制御する機能を有してもよい。
また保護回路ＰＲ１は制御回路ＳＷ１から変換回路ＡＤ１への逆流電流を抑制する機能を有する。例えば保護回路ＰＲ１において制御回路ＳＷ１と変換回路ＡＤ１の間にダイオードを設け、制御回路ＳＷ１から変換回路ＡＤ１への逆流電流を抑制する。
制御回路ＰＲ２は、端子ＳＣ１と制御回路ＳＷ１の間を流れる電流（以下、電流ｉ（２）と表す）を制御する機能を有する。また制御回路ＰＲ２は、端子ＳＣ１から制御回路ＳＷ１に与えられる電圧を制御する機能を有してもよい。また制御回路ＰＲ２は、制御回路ＳＷ１から端子ＳＣ１への逆流電流を抑制する機能を有する。例えば制御回路ＰＲ２において制御回路ＳＷ１と端子ＳＣ１の間にダイオードを設け、制御回路ＳＷ１から端子ＳＣ１への逆流電流を抑制する。
保護回路ＰＲ１および制御回路ＰＲ２には、処理装置２０ｂが電気的に接続される。処理装置２０ｂは例えば、電流ｉ（１）および電流ｉ（２）を監視および記憶する機能を有する。また処理装置２０ｂは電流ｉ（１）を制御するための信号を保護回路ＰＲ１に、電流ｉ（２）を制御するための信号を制御回路ＰＲ２に、それぞれ与えてもよい。
また、保護回路ＰＲ１がダイオードを有する場合には、処理装置２０ｂは、温度Ｔ（１）を測定する機能を有することが好ましい。温度Ｔ（１）は、ダイオードの温度、あるいはダイオードが配置される領域の周辺の温度である。処理装置２０ｂは温度Ｔ（１）に基づき判断を行い、判断結果に基づき、電流ｉ（１）を制御し、温度Ｔ（１）を所定の温度以下に管理する機能を有することが好ましい。温度Ｔ（１）を所定の温度以下に管理することにより、ダイオードの破壊および劣化を抑制することができる。
処理装置２０ｂは、端子ＰＳ１および端子ＳＣ１への信号の入力がない期間においては、待機状態とすることができる。処理装置２０ｂは、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（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＯＳ）を含むトランジスタ（「ＯＳトランジスタ」または「ＯＳ－ＦＥＴ」ともいう。）を有する。処理装置２０ｂは、ＯＳトランジスタを有する構成とすることにより、待機時の消費電力が極めて低い特徴を有する。処理装置２０ｂとして後述する処理装置２０または処理装置２１の構成を用いることができる。処理装置２０ｂが待機状態の際、処理装置２０ｂが有する回路ブロック、例えばプロセッサコア等を休止状態に移行し、消費電力を低減することができる。
制御回路５５は、組電池１２０および温度センサＴＳ１と電気的に接続される。
電流計ＣＲ１は、組電池１２０へ与えられる充電電流（以下、電流ｉ（３））および組電池１２０からリレー回路ＲＬ１、インバータ回路ＩＶ１およびリレー回路ＲＬ２を介して端子ＯＵ２に与えられる電流（以下、電流ｉ（４））を測定する機能を有する。電流計ＣＲ１により測定されるデータは処理装置５１に与えられる。また、電流計ＣＲ１により測定されるデータは制御回路５５に与えられてもよい。
リレー回路ＲＬ１は、処理装置５１から所望の信号が与えられたら、組電池１２０からの信号をインバータ回路ＩＶ１に与える機能を有する。またリレー回路ＲＬ２は、処理装置５１から所望の信号が与えられたら、インバータ回路ＩＶ１からの信号を端子ＯＵ２に与える機能を有する。インバータ回路ＩＶ１は、組電池１２０から与えられる直流信号を交流信号に変換する機能を有する。
図２には、制御回路５５、組電池１２０、電流計ＣＲ１および温度センサＴＳ１の電気的な接続の一例を示す。組電池１２０は端子ＶＣ１および端子ＶＳＳＳを有する。
温度センサＴＳ１は、センサ素子を有し、該センサ素子は温度を測定する機能を有する。該センサ素子は組電池１２０の近傍に配置される。温度センサＴＳ１はセンサ素子により測定される温度データを、制御回路５５に与える機能を有する。
制御回路５５は処理装置２０ａを有する。
電流計ＣＲ１は組電池１２０の端子ＶＣ１に電気的に接続される。または、電流計ＣＲ１は組電池１２０の端子ＶＳＳＳ側に接続してもよい。
図２には、直列にｍ個の電池セル１２１が接続された組電池１２２（ｋ）（ｋ＝１以上ｎ以下の整数）が、並列にｎ個接続される例を示す。組電池１２２（ｋ）は端子ＶＣ１と端子ＶＳＳＳの間に配置される。組電池１２２（ｋ）において、第１の電池セルから第ｍの電池セルまで順番に直列に接続される。
端子ＶＣ１は電池セル１２１の正極とスイッチＳＥ７（ｋ）を介して電気的に接続される機能を有し、電池セル１２１の正極と端子ＶＣ１との間の電気的接続はスイッチＳＷ７（ｋ）の開閉により制御される。スイッチＳＷ７（ｋ）の開閉は、制御回路５５、より具体的には例えば制御回路５５が有する処理装置２０ａにより制御される。
端子ＶＳＳＳには組電池１２２（ｋ）の第ｍの電池セルの負極が電気的に接続される。
制御回路５５は組電池１２０の両端の電圧を測定する機能を有する。
また、制御回路５５は、組電池１２０が有する各々の電池セル１２１の両端の電圧（正極－負極間の電圧）を測定する機能を有することが好ましい。制御回路５５は測定される該電圧を用いて組電池１２０への充電条件を決定することができる。制御回路５５は例えば、決定された充電条件に基づき、スイッチＳＷ７（ｋ）の開閉により組電池１２２（ｋ）への充電を制御する。
制御回路５５における充電条件の決定に際し、組電池１２０の両端の電圧や組電池１２０が有する各々の電池セル１２１の両端の電圧等に加えて、温度センサＴＳ１から与えられる温度データを用いて組電池１２０の充電条件を制御してもよい。
また、制御回路５５により測定される組電池１２０の両端の電圧、および組電池１２０が有する各々の電池セル１２１の両端の電圧、温度センサＴＳ１において測定される温度データ、等を処理装置５１に与え、処理装置５１において組電池１２０への充電条件を決定してもよい。
また、組電池１２０の電圧、組電池１２０が有する各々の電池セル１２１の両端の電圧、等の電圧の値に加えて、組電池１２０の残量の計測を行うことが好ましい。組電池１２０の残量の計測については後述する。
処理装置５１は、組電池１２０の充電条件を制御する機能を有する。
処理装置５１には、電流計ＣＲ１により測定される電流、インバータ回路ＩＶ１とリレー回路ＲＬ２の間の電流、端子ＰＳ１と変換回路ＡＤ１の間の電流、および端子ＳＣ１と制御回路ＰＲ２の間の電流が与えられることが好ましい。
処理装置５１は、保護回路ＰＲ１、制御回路ＰＲ２、制御回路ＳＷ１等に信号を与えて制御することにより、電流ｉ（３）や組電池１２０に与えられる電圧等の信号を制御する機能を有する。
処理装置５１から処理装置２０ｂへ信号を与え、処理装置２０ｂから保護回路ＰＲ１に信号を与えることにより保護回路ＰＲ１を制御してもよい。保護回路ＰＲ１において記憶される電流等のデータは処理装置５１に与えられることが好ましい。該データは例えば、処理装置５１において、組電池１２０の充電条件の判断、および充電条件の制御に用いることができる。
また、処理装置５１はリレー回路ＲＬ１、インバータ回路ＩＶ１およびリレー回路ＲＬ２に信号を与え、電流ｉ（４）や端子ＯＵ２に与えられる電圧等を制御する機能を有する。
処理装置２０ｂにより測定されるデータ、例えば電流ｉ（１）、電流ｉ（２）および温度Ｔ（１）等のデータを、処理装置５１に与えてもよい。また処理装置５１は、測定された温度Ｔ（１）に基づく判断結果を処理装置２０ｂに与えることができる。
処理装置５１は例えば、後述するメモリＭＥ１、メモリＭＥ２等に格納される電圧値や電流値にデータと、組電池１２０に関する電圧および電流とを比較し、判定を行う。例えば、組電池１２０に関する電圧が所定の値を超える場合には過充電と判定する。また例えば組電池１２０に関する電圧が所定の値より低くなる場合には過放電と判定する。また例えば組電池１２０に関する電流が所定の値を超える場合には過充電と判定する。処理装置５１は判定結果に基づき、充電条件を制御、あるいは充電を停止、あるいは放電条件を制御、あるいは放電を停止することにより、組電池１２０の保護を行う機能を有する。
処理装置５１に、組電池１２０からの電力、あるいは変換回路５２の端子ＯＵ１からの電力を供給することができる。処理装置５１は供給される電力を他の回路、例えば変換回路５２、回路５３、制御回路５５、リレー回路ＲＬ１、インバータ回路ＩＶ１、リレー回路ＲＬ２等に分配することができる。
蓄電装置１００は電流ｉ（３）と、電流ｉ（４）とを用いて組電池１２０の残量を計測する機能を有する。また残量の計測に際に組電池１２０の電圧を合わせて測定することにより、計測の精度を高めることができる。組電池１２０の残量の計測においては、電流および電圧を用いて組電池１２０に与えられる電荷量、および組電池１２０から放出される電荷量を演算する。
組電池１２０の容量の変化は、組電池１２０の充電電流あるいは放電電流と、電流が流れる時間と、を用い、充電あるいは放電により消費した電荷量を算出することにより、求めることができる。しかしながら、計測の繰り返しに伴い、誤差が蓄積される場合がある。
組電池１２０の電圧と、容量との関係をあらかじめ評価し、後述するメモリＭＥ１、メモリＭＥ２等に格納しておくことにより、組電池１２０の電圧を用いて、組電池１２０の残量を求めることができる。但し、組電池１２０の容量－電圧曲線において電圧の変化が小さい領域では、計測の誤差が生じてしまう場合がある。
電流による電荷量の算出と、電圧による容量の算出を併用して組電池１２０の残量を求めることにより、残量の計測の精度を高めることができる。例えば、容量－電圧曲線において、電圧の変化が大きい領域では、電圧を用いて残量の計測を行い、変化が小さい領域では電流値および電流が流れる時間とを用いて残量を計測すればよい。
蓄電装置１００において、組電池１２０の残量の計測のための演算は処理装置５１において行うことができる。例えば処理装置５１は、電流計ＣＲ１により測定される電流ｉ（３）および電流ｉ（４）と、制御回路５５により測定される電圧値と、を用いて、組電池１２０の残量の計測のための演算を行うことができる。
あるいは、制御回路５５にＯＳトランジスタを用いたサンプルホールド回路を設けることにより、残量の計測の精度を向上させることができる。
図３に示す制御回路５５は、処理装置２０ａ、サンプルホールド回路ＳＨ１、サンプルホールド回路ＳＨ２およびアナログデジタル変換回路ＡＤ２を有する。
サンプルホールド回路ＳＨ１は増幅回路１２１ａ、トランジスタ１２２ａおよび容量素子１２３ａを有する。サンプルホールド回路ＳＨ１には電圧Ｖｃが与えられる。電圧Ｖｃは例えば、組電池１２０の電圧である。あるいは電圧Ｖｃは例えば、組電池１２０が有する各電池セル１２１の電圧である。電圧Ｖｃがサンプルホールド回路ＳＨ１の増幅回路１２１ａに与えられる。増幅回路１２１ａは、サンプルホールド回路ＳＨ１に入力される電圧Ｖｃ等のアナログデータを増幅して出力する機能を有する。なお、増幅回路１２１ａはトランジスタ１２２ａのゲート側に設ける構成としてもよい。
トランジスタ１２２ａとして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極めて低く、容量素子１２３ａは、トランジスタ１２２ａをオフにすることで、電圧Ｖｃに応じた電荷を保持する機能を有する。
サンプルホールド回路ＳＨ２は抵抗素子１２６、増幅回路１２１ｂ、トランジスタ１２２ｂおよび容量素子１２３ｂを有する。サンプルホールド回路ＳＨ２には電流ｉ（３）または電流ｉ（４）が与えられる。電流ｉ（３）または電流ｉ（４）は抵抗素子１２６を流れる。抵抗素子１２６の両端の電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２の増幅回路１２１ｂに与えられる。増幅回路１２１ｂは、抵抗素子１２６の両端の電圧の差分を増幅して出力する機能を有する。
トランジスタ１２２ｂとして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極めて低く、容量素子１２３ｂは、トランジスタ１２２ｂをオフにすることで、抵抗素子１２６の両端の電圧の差分に応じた電荷を保持する機能を有する。
サンプルホールド回路ＳＨ１とサンプルホールド回路ＳＨ２において保持された値はそれぞれ、アナログデジタル変換回路ＡＤ２により変換された後、処理装置５１に与えられる。あるいは制御回路５５にメモリを設け、保持されたそれぞれの値は該メモリに格納されてもよい。
トランジスタ１２２ａおよびトランジスタ１２２ｂのオンとオフのタイミングはそれぞれのトランジスタのゲートに電気的に接続される端子に与えられる電位により制御される。それぞれのトランジスタのゲートへ、処理装置２０ａから信号が与えられる。トランジスタ１２２ａとトランジスタ１２２ｂのオンとオフの時刻を同期させることにより、概略同時刻の組電池１２０に関する電圧と電流の値を取得することができる。
組電池１２０のインピーダンス特性により、組電池１２０を流れる電流の大きさに依存してその電圧は変化する。よって、組電池１２０の電圧を用いてその残量を求める場合には、組電池１２０を流れる電流の大きさを合わせて計測し、インピーダンスによる電圧変化の影響を補正することが好ましい。電圧と電流を概略同時刻において取得することにより、インピーダンスによる電圧変化の影響をより正確に、補正し、残量の計算精度を向上させることができる。
残量の算出のための電圧および電流の測定は、常時行う必要はなく、ある間隔ごとに行えばよい。また、電圧または電流の変化率が高い場合には間隔を狭く、変化率が低い場合は間隔を広くすればよい。
制御回路５５において、電圧、電流および温度の測定を行わない期間は例えば、制御回路５５が有する処理装置２０ａを待機状態とすることができ、消費電力を低減することができる。
組電池１２０の残量の算出のためのデータを直接、処理装置５１に与えて演算を行うよりも、組電池１２０の残量の算出のためのデータを制御回路５５において測定し、保持することにより、処理装置５１のタスクを少なくすることができる。また制御回路５５はデータを保持することができるため、データの送信を所望のタイミングで行うことができる。よって、処理装置５１における演算を効率よく行うことができる。
図１に示す蓄電装置１００は回路５３を有する。回路５３は回路ＷＲ１、メモリＭＥ１、メモリＭＥ２および表示装置ＤＰ１を有する。
回路ＷＲ１は無線通信のための回路群を有し、例えば、変調回路、復調回路、整流回路、アンテナ等を有する。蓄電装置１００は無線通信によりデータの授受を行うことができる。
メモリＭＥ１およびメモリＭＥ２はデータ格納のためのメモリである。メモリＭＥ１として例えば、ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）、ＳＲＡＭ（スタティックランダムアクセスメモリ）等の揮発性メモリを用いることができる。あるいはメモリＭＥ１として後述するＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等を用いることができる。メモリＭＥ１には例えば処理装置５１の演算に用いるデータが格納される。メモリＭＥ２として例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリを用いることができる。あるいはメモリＭＥ２として後述するＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等を用いることができる。メモリＭＥ２には例えば、組電池１２０の残量を求める際に用いる電圧－容量特性のデータ、組電池１２０の電圧、電流の上限、下限等のデータ、組電池１２０の使用履歴の記録として、時系列の電圧、電流のデータ等が格納される。メモリＭＥ２に格納されるデータを演算に用いる場合は例えば、該データをメモリＭＥ１に読み出した後、演算を行う。
また、メモリＭＥ１およびメモリＭＥ２には無線通信により回路ＷＲ１が受信したデータが格納されてもよい。
メモリＭＥ１およびメモリＭＥ２には例えば、蓄電装置１００の充電条件の判断に用いるデータが格納される。これらのデータは、無線通信により受信されるデータに随時、書き換えることができる。
表示装置ＤＰ１は表示部と、駆動回路と、を有する。表示部には例えば、組電池１２０の残量や、蓄電装置１００のステータス（充電中、放電中、待機中、充電モード、等）を表示することができる。ステータスとして充電時においては、端子ＰＳ１および端子ＳＣ１のいずれから充電されているのか、あるいは両方から充電されているのか、が示されることが好ましい。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の蓄電装置が有する電池セルの一例を示す。
電池セルとして例えば、二次電池を用いることが好ましい。二次電池として例えば、リチウムイオン電池等の電気化学反応を用いる二次電池、電気二重層キャパシタ、レドックスキャパシタ等の電気化学キャパシタ、空気電池、燃料電池等が挙げられる。
［正極活物質］
二次電池の正極材料として例えば、元素Ａ、元素Ｘ、及び酸素を有する材料を用いることができる。元素Ａは第１族の元素および第２族の元素から選ばれる一以上であることが好ましい。第１族の元素として例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を用いることができる。また、第２族の元素として例えば、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム等を用いることができる。元素Ｘとして例えば金属元素、シリコン及びリンから選ばれる一以上を用いることができる。また、元素Ｘはコバルト、ニッケル、マンガン、鉄、及びバナジウムから選ばれる一以上であることが好ましい。
正極活物質として例えば、オリビン型の結晶構造、層状岩塩型の結晶構造、又はスピネル型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物等が挙げられる。
オリビン型構造のリチウム含有複合酸化物としては、例えば、一般式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）、Ｃｏ（ＩＩ）、Ｎｉ（ＩＩ）の一以上）で表される複合酸化物が挙げられる。一般式ＬｉＭＰＯ４の代表例としては、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＦｅａＮｉｂＰＯ４、ＬｉＦｅａＣｏｂＰＯ４、ＬｉＦｅａＭｎｂＰＯ４、ＬｉＮｉａＣｏｂＰＯ４、ＬｉＮｉａＭｎｂＰＯ４（ａ＋ｂは１以下、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１）、ＬｉＦｅｃＮｉｄＣｏｅＰＯ４、ＬｉＦｅｃＮｉｄＭｎｅＰＯ４、ＬｉＮｉｃＣｏｄＭｎｅＰＯ４（ｃ＋ｄ＋ｅは１以下、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１、０＜ｅ＜１）、ＬｉＦｅｆＮｉｇＣｏｈＭｎｉＰＯ４（ｆ＋ｇ＋ｈ＋ｉは１以下、０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、０＜ｈ＜１、０＜ｉ＜１）等が挙げられる。
層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２等のＮｉＣｏ系（一般式は、ＬｉＮｉｘＣｏ１－ｘＯ２（０＜ｘ＜１））、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２等のＮｉＭｎ系（一般式は、ＬｉＮｉｘＭｎ１－ｘＯ２（０＜ｘ＜１））、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２等のＮｉＭｎＣｏ系（ＮＭＣともいう。一般式は、ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏ１－ｘ－ｙＯ２（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１））が挙げられる。さらに、Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３－ＬｉＭＯ２（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ）等も挙げられる。
スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物としては、例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ１＋ｘＭｎ２－ｘＯ４、ＬｉＭｎ２－ｘＡｌｘＯ４、ＬｉＭｎ１．５Ｎｉ０．５Ｏ４等が挙げられる。
［電解液］
電解液は、溶媒と電解質を有する。電解液の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましく、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ－ブチロラクトン、γ－バレロラクトン、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、酪酸メチル、１，３－ジオキサン、１，４－ジオキサン、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、ジメチルスルホキシド、ジエチルエーテル、メチルジグライム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、テトラヒドロフラン、スルホラン、スルトン等の１種、又はこれらのうちの２種以上を任意の組み合わせおよび比率で用いることができる。
また、電解液の溶媒として、難燃性および難揮発性であるイオン液体（常温溶融塩）を一つ又は複数用いることで、二次電池の内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇しても、二次電池の破裂や発火などを防ぐことができる。イオン液体は、カチオンとアニオンからなり、有機カチオンとアニオンとを含む。電解液に用いる有機カチオンとして、四級アンモニウムカチオン、三級スルホニウムカチオン、および四級ホスホニウムカチオン等の脂肪族オニウムカチオンや、イミダゾリウムカチオンおよびピリジニウムカチオン等の芳香族カチオンが挙げられる。また、電解液に用いるアニオンとして、１価のアミド系アニオン、１価のメチド系アニオン、フルオロスルホン酸アニオン、パーフルオロアルキルスルホン酸アニオン、テトラフルオロボレートアニオン、パーフルオロアルキルボレートアニオン、ヘキサフルオロホスフェートアニオン、またはパーフルオロアルキルホスフェートアニオン等が挙げられる。
また、上記の溶媒に溶解させる電解質としては例えば元素Ａを有する塩を用いることができる。
また、ポリマーを電解液で膨潤させたポリマーゲル電解質を用いてもよい。ポリマーゲル電解質を用いることで、漏液性等に対する安全性が高まる。また、二次電池の薄型化および軽量化が可能である。
また、電解液の代わりに、硫化物系や酸化物系等の無機物材料を有する固体電解質や、ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）系等の高分子材料を有する固体電解質を用いることができる。固体電解質を用いる場合には、セパレータやスペーサの設置が不要となる。また、電池全体を固体化できるため、漏液のおそれがなくなり安全性が飛躍的に向上する。
硫化物系固体電解質の一例として、チオシリコン系（Ｌｉ１０ＧｅＰ２Ｓ１２、Ｌｉ３．２５Ｇｅ０．２５Ｐ０．７５Ｓ４等）、硫化物ガラス（７０Ｌｉ２Ｓ・３０Ｐ２Ｓ５、３０Ｌｉ２Ｓ・２６Ｂ２Ｓ３・４４ＬｉＩ、６３Ｌｉ２Ｓ・３８ＳｉＳ２・１Ｌｉ３ＰＯ４、５７Ｌｉ２Ｓ・３８ＳｉＳ２・５Ｌｉ４ＳｉＯ４、５０Ｌｉ２Ｓ・５０ＧｅＳ２等）、硫化物結晶化ガラス（Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１、Ｌｉ３．２５Ｐ０．９５Ｓ４等）が挙げられる。酸化物系固体電解質の一例として、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料（Ｌａ２／３－ｘＬｉ３ｘＴｉＯ３等）、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶構造を有する材料（Ｌｉ１－ＸＡｌＸＴｉ２－Ｘ（ＰＯ４）３等）、ガーネット型結晶構造を有する材料（Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２等）、ＬＩＳＩＣＯＮ型結晶構造を有する材料（Ｌｉ１４ＺｎＧｅ４Ｏ１６等）、ＬＬＺＯ（Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２）、酸化物ガラス（Ｌｉ３ＰＯ４－Ｌｉ４ＳｉＯ４、５０Ｌｉ４ＳｉＯ４・５０Ｌｉ３ＢＯ３等）、酸化物結晶化ガラス（Ｌｉ１．０７Ａｌ０．６９Ｔｉ１．４６（ＰＯ４）３、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３等）が挙げられる。ハロゲン化物系固体電解質の一例として、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ３ＩｎＢｒ６、ＬｉＦ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ等が挙げられる。また、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶構造を有するＬｉ１＋ｘＡｌｘＴｉ２－ｘ（ＰＯ４）３（０＜ｘ＜１）（以下、ＬＡＴＰ）は、アルミニウムとチタンという、本発明の一態様の二次電池に用いる正極活物質が有してもよい元素を含むため、サイクル特性の向上について相乗効果が期待でき好ましい。また、工程の削減による生産性の向上も期待できる。なお本明細書等において、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶構造とは、Ｍ２（ＸＯ４）３（Ｍ：遷移金属、Ｘ：Ｓ、Ｐ、Ａｓ、Ｍｏ、Ｗ等）で表される化合物であり、ＭＯ６八面体とＸＯ４四面体が頂点を共有して３次元的に配列した構造を有するものをいう。
［セパレータ］
また二次電池は、セパレータを有することが好ましい。セパレータとしては、例えば、紙、不織布、ガラス繊維、セラミックス、或いはナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維）、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いることができる。
［負極活物質］
正極活物質として元素Ａ、元素Ｘ及び酸素を有する材料を用いる場合には、二次電池の負極活物質として、元素Ａのイオンの挿入脱離により充放電反応を行うことが可能な材料、および元素Ａとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な材料、等を用いることができる。
負極活物質として、黒鉛、易黒鉛化性炭素（ソフトカーボン）、難黒鉛化性炭素（ハードカーボン）、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック等の炭素系材料を用いることができる。
負極活物質として例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｇａ等のうち少なくとも一つを含む材料が挙げられる。このような元素は炭素に対して容量が大きく、特にシリコンは理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇと飛躍的に高い。このため、負極活物質にシリコンを用いることが好ましい。このような元素を用いた合金系材料としては、例えば、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｇｅ、Ｍｇ２Ｓｎ、ＳｎＳ２、Ｖ２Ｓｎ３、ＦｅＳｎ２、ＣｏＳｎ２、Ｎｉ３Ｓｎ２、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ａｇ３Ｓｎ、Ａｇ３Ｓｂ、Ｎｉ２ＭｎＳｂ、ＣｅＳｂ３、ＬａＳｎ３、Ｌａ３Ｃｏ２Ｓｎ７、ＣｏＳｂ３、ＩｎＳｂ、ＳｂＳｎ等の合金系材料を用いることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態には、本発明の一態様の蓄電装置、および蓄電装置が有する電池セルおよび組電池の一例を示す。
本発明の一態様の電池セルとして角型、円筒型、コイン型、可撓性を有するラミネート型、等の様々な形態の電池セルを用いることができる。
［円筒型二次電池］
以下に、本発明の一態様の電池セルとして円筒型の二次電池を用いる例について、図４Ａを参照して説明する。円筒型の二次電池４００は、図４Ａに示すように、上面に正極キャップ（電池蓋）４０１を有し、側面及び底面に電池缶（外装缶）４０２を有している。これら正極キャップ４０１と電池缶（外装缶）４０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）４１０によって絶縁されている。
図４Ｂは、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。図４Ｂに示す円筒型の二次電池は、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。
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。正極６０４は例えば、集電体の両面、あるいは一方の面に、正極活物質を有する層（以降、正極活物質層と呼ぶ）が形成される。負極６０６は例えば、集電体の両面、あるいは一方の面に、負極活物質を有する層（以降、負極活物質層と呼ぶ）が形成される。
活物質層は活物質に加えて、導電体を有することが好ましい。導電体として、シート状の化合物、繊維状の化合物、等を用いてもよい。シート状の化合物および繊維状の化合物は例えば、三次元の導電パスを形成することができる。シート状の化合物は、複数の活物質に接するように配置されることにより、複数の活物質にわたって導電性を付与することができる。またシート状の化合物は、活物質の表面を包み込むように配置されることにより、活物質と面接触を可能とし、活物質層の導電性を高めることができる。複数の繊維状の化合物が例えば活物質層の厚さ方向に互いに接触して導電パスを形成することができる。よって、活物質層の導電性を高めることができる。シート状の導電体として例えば、グラフェンを用いることができる。グラフェンが丸まってカーボンナノファイバーのようになっていてもよい。また、導電体は凝集体を形成してもよい。導電体が凝集体を形成することにより、活物質層の導電性が高まる場合がある。
導電体としてシート状の炭素含有化合物または繊維状の炭素含有化合物を用いることにより、活物質層の導電性を高めることができ、急速充電、急速放電、等に適する二次電池を提供することができる。
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電池缶６０２に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。
円筒型の蓄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構造を有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６１３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６１３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６１３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。
図５Ａは蓄電装置４１５の一例を示す。蓄電装置４１５は組電池４０８と、温度センサ４２７と、半導体装置４２０と、を有する。
組電池４０８には、先の実施の形態に示した組電池１２０の記述を適用することができる。温度センサ４２７には、先の実施の形態に示した温度センサＴＳ１の記述を適用することができる。半導体装置４２０には、先の実施の形態に示した半導体装置１０１の記述を適用することができる。
組電池４０８は複数の二次電池４００を有する。それぞれの二次電池の正極は、絶縁体４２５で分離された導電体４２４に接触し、電気的に接続されている。導電体４２４は配線４２３を介して、半導体装置４２０に電気的に接続されている。また、それぞれの二次電池の負極は、配線４２６を介して半導体装置４２０に電気的に接続されている。
図５Ｂは、蓄電装置４１５の一例を示す。蓄電装置４１５は組電池４０８と、温度センサ４２７と、半導体装置４２０と、を有する。
組電池４０８には、先の実施の形態に示した組電池１２０の記述を適用することができる。温度センサ４２７には、先の実施の形態に示した温度センサＴＳ１の記述を適用することができる。半導体装置４２０には、先の実施の形態に示した半導体装置１０１の記述を適用することができる。
組電池４０８は複数の二次電池４００を有し、複数の二次電池４００は、導電板４１３及び導電板４１４の間に挟まれている。複数の二次電池４００は、配線４１６により導電板４１３及び導電板４１４と電気的に接続される。複数の二次電池４００は、並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよいし、並列に接続された後、並列に接続された二次電池同士がさらに直列に接続されていてもよい。複数の二次電池４００を有する蓄電装置４１５を構成することで、大きな電力を取り出すことができる。
複数の二次電池４００が、並列に接続された後さらに直列に接続されてもよい。
複数の二次電池４００の間に温度制御装置を有していてもよい。二次電池４００が過熱されたときは、温度制御装置により冷却し、二次電池４００が冷えすぎているときは温度制御装置により加熱することができる。そのため蓄電装置４１５の性能が外気温に影響されにくくなる。
また、図５Ｂにおいて、蓄電装置４１５は半導体装置４２０に配線４２１及び配線４２２を介して電気的に接続されている。配線４２１は導電板４１３を介して複数の二次電池４００の正極に、配線４２２は導電板４１４を介して複数の二次電池４００の負極に、それぞれ電気的に接続される。
［角型二次電池］
図６を用いて、本発明の一態様の蓄電装置が有する電池セルに適用可能な二次電池の一例を示す。
図６Ａ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、正極９３２およびセパレータ９３３からなる積層の積層数は、必要な容量と素子体積に応じて適宜設計すればよい。端子９５１および端子９５２は正極リード電極および負極リード電極である。
図６Ｂに示すように、筐体９３０として角柱型のケースを用いることができる。筐体９３０の内部は電解液に含浸される。図６Ｂ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。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることができる処理装置等の一例を示す。
＜処理装置の構成例１＞
以下に、パワーゲーティングが可能な処理装置、およびその電源管理機構等について説明する。
図７を参照して、半導体装置、およびその電源管理を説明する。図７Ａに示す半導体装置は、電源回路１０、および処理装置（ＰＵ：Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２０を有する。ＰＵ２０は命令を実行する機能を有する回路である。ＰＵ２０は、１つのチップに集積された複数の機能回路を有する。ＰＵ２０は、プロセッサコア３０、電源管理装置（ＰＭＵ）６０、クロック制御回路６５、パワースイッチ（ＰＳＷ）７０、並びに、端子８０乃至端子８３を有する。図７Ａには、電源回路１０が、ＰＵ２０と異なるチップに設けられている例を示している。端子８０は、電源回路１０から電源電位ＭＶＤＤが入力される端子である。端子８１は、外部から基準クロック信号ＣＬＫＭが入力される端子である。端子８２は、外部から信号ＩＮＴが入力される端子である。信号ＩＮＴは割り込み処理を要求する割り込み信号である。信号ＩＮＴは、ＰＵ２０およびＰＭＵ６０に入力される。端子８３は、ＰＭＵ６０で生成された制御信号が出力される端子であり、電源回路１０と電気的に接続されている。
本発明の一態様の半導体装置において、処理装置が演算回路等で扱えるビット数は例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
＜プロセッサコア３０、記憶回路３１＞
プロセッサコア３０は、命令を処理することができる機能を有する回路であり、演算処理回路と呼ぶことが可能である。記憶回路３１、および複数の組み合わせ回路３２等を有しており、これらにより、各種の機能回路が構成されている。例えば、記憶回路３１は、レジスタに含まれる。
図７Ｂに示すように、記憶回路３１は、回路ＭｅｍＣ１および回路ＢＫＣ１を有する。回路ＭｅｍＣ１は、プロセッサコア３０が生成したデータを保持する機能を有し、例えば、フリップフロップ回路（ＦＦ）、ラッチ回路等で構成することができる。回路ＢＫＣ１は、回路ＭｅｍＣ１のバックアップ回路として機能することができ、電源が遮断されていても、またはクロック信号が遮断されていても長期間データを保持することが可能な回路である。このような記憶回路３１を有することで、プロセッサコア３０のパワーゲーティングを行うことが可能となる。電源を遮断する前に、記憶回路３１において、回路ＭｅｍＣ１のデータを回路ＢＫＣ１に退避しておくことで、電源遮断時のプロセッサコア３０の状態を保持することができるからである。電源供給が再開されると、回路ＢＫＣ１で保持されているデータが回路ＭｅｍＣ１に書き込まれるので、プロセッサコア３０を電源遮断時の状態に復帰することができる。よって、電源供給の再開後、ＰＵ２０は直ちに通常処理動作を行うことができる。
回路ＢＫＣ１は、１のトランジスタ（ＭＷ１）および１の容量素子（ＣＢ１）を有する保持回路を少なくとも有する。図７Ｂに示す保持回路は、標準的なＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）の１Ｔ１Ｃ（１トランジスタ１容量素子）型メモリセルと同様な回路構成を有しており、書き込み、読み出し動作も同様に行うことができる。トランジスタＭＷ１の導通状態を制御することで、容量素子ＣＢ１の充電、放電が制御される。トランジスタＭＷ１をオフ状態とすることで、ノードＦＮ１は電気的に浮遊状態となる。トランジスタＭＷ１のオフ状態におけるドレイン電流（オフ電流）を極めて小さくすることで、ノードＦＮ１の電位の変動を抑えることができるため、回路ＢＫＣ１のデータ保持時間を長くすることができる。回路ＢＫＣ１のデータ保持時間は、トランジスタＭＷ１のリーク電流や、容量素子ＣＢ１の静電容量等で決まる。トランジスタＭＷ１をオフ電流が極めて小さなトランジスタとすることで、ＰＵ２０が稼働している期間は、回路ＢＫＣ１をリフレッシュする必要がない。よって、回路ＢＫＣ１を不揮発性記憶回路として用いることが可能となる。
トランジスタＭＷ１としてＯＳトランジスタを用いることが好ましい。酸化物半導体はバンドギャップが２ｅＶ以上であるため、オフ電流が著しく少ない。ＯＳトランジスタでは、ソースードレイン間電圧が１０Ｖの状態で、チャネル幅１μｍあたりの規格化されたオフ電流を１０×１０－２１Ａ（１０ゼプトＡ）以下とすることが可能である。トランジスタＭＷ１をＯＳトランジスタとすることで、ＰＵ２０が動作している期間は、回路ＢＫＣ１は実質的に不揮発性記憶回路として機能させることができる。実施の形態２でＯＳトランジスタについて説明する。
チャネルが形成される半導体層に用いる酸化物半導体膜は単層の酸化物半導体膜で形成してもよいし、積層の酸化物半導体膜で形成してもよい。チャネルが形成される半導体層を構成する酸化物半導体は、少なくともＩｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＺｎのうちの１種以上の元素を含有する酸化物であることが好ましい。このような酸化物としては、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物や、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ａｌ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｓｎ－Ｚｎ酸化物、Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｚｎ－Ｍｇ酸化物、Ｓｎ－Ｍｇ酸化物、Ｉｎ－Ｍｇ酸化物や、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物等を用いることができる。
回路ＢＫＣ１は、電圧によってデータの書き込みを行うため、電流により書き込みを行うＭＲＡＭ（磁気抵抗ＲＡＭ）よりも書き込み電力を抑えることができる。また、ノードＦＮ１の負荷容量でデータを保持しているため、フラッシュメモリのようなデータの書き換え回数の制限がない。
回路ＢＫＣ１において、データの書き込みに要するエネルギーは、容量素子ＣＢ１への電荷の充放電に伴うエネルギーに相当する。一方、ＭＲＡＭなどの２端子の記憶素子を用いた記憶回路では、データの書き込みに要するエネルギーは、当該記憶素子に電流が流れる際に消費されるエネルギーに相当する。ＭＲＡＭではデータの書き込み期間中に電流が流れ続けるため、データの書き込みに要するエネルギーが高くなる。このようなＭＲＡＭと比較して、回路ＢＫＣ１は、データの書き込みで消費されるエネルギーを小さくすることができる。したがって、バックアップ回路をＭＲＡＭで構成した記憶回路と比較して、記憶回路３１は、消費されるエネルギーを低減できるボルテージスケーリングおよびパワーゲーティングを行うことが可能な機会が多くなるため、ＰＵ２０の消費電力を低減することができる。
＜電源管理＞
ＰＭＵ６０は、パワーゲーティング動作、クロックゲーティング動作、およびボルテージスケーリング動作等を制御する機能を有する。より具体的には、ＰＭＵ６０は、電源回路１０を制御することができる機能、記憶回路３１を制御することができる機能、クロック制御回路６５を制御することができる機能、およびＰＳＷ７０を制御することができる機能を有する。そのため、ＰＭＵ６０は、これら回路（電源回路１０、記憶回路３１、クロック制御回路６５、ＰＳＷ７０）を制御する制御信号を生成する機能を有する。ＰＭＵ６０は回路６１を有する。回路６１は、時間を計測することができる機能を有する。ＰＭＵ６０は、回路６１で得られる時間に関するデータをもとに、電源管理を行うことができる機能を有する。
ＰＳＷ７０は、ＰＭＵ６０の制御信号に従い、ＰＵ２０への電源電位ＭＶＤＤの供給を制御することができる機能を有する。ここでは、ＰＳＷ７０を介してＰＵ２０に供給される電源電位を電源電位ＶＤＤと呼ぶこととする。プロセッサコア３０は複数の電源ドメインを有していてもよい。この場合、ＰＳＷ７０により、複数の電源ドメインへの電源供給を独立に制御できるようにすればよい。また、プロセッサコア３０は、パワーゲーティングを行う必要のない電源ドメインを有していてもよい。この場合、この電源ドメインにＰＳＷ７０を介さずに電源電位を供給してもよい。
クロック制御回路６５は、基準クロック信号ＣＬＫＭが入力され、ゲーテッドクロック信号を生成し、出力する機能を有する。クロック制御回路６５は、ＰＭＵ６０の制御信号に従い、プロセッサコア３０へのクロック信号を遮断することができる機能を有している。電源回路１０は、ＰＭＵ６０の制御信号に従い、電源電位ＶＤＤの電位の大きさを変更できる機能を有する。
プロセッサコア３０からＰＭＵ６０に出力される信号ＳＬＰは、プロセッサコア３０を休止状態に移行するトリガとなる信号である。ＰＭＵ６０は、信号ＳＬＰが入力されると、休止状態に移行するための制御信号を生成し、制御対象の機能回路に出力する。電源回路１０は、ＰＭＵ６０の制御信号に基づいて、電源電位ＭＶＤＤを通常動作時よりも低くする。休止状態が一定時間経過すると、ＰＭＵ６０は、ＰＳＷ７０を制御して、プロセッサコア３０への電源供給を遮断する。プロセッサコア３０が通常状態から休止状態に移行すると、ＰＭＵ６０は、プロセッサコア３０の電源電位ＶＤＤを下げるボルテージスケーリング動作を行う。休止状態の期間が設定された時間を超えると、プロセッサコア３０の消費電力をさらに低減するため、プロセッサコア３０への電源電位ＶＤＤの供給を停止するパワーゲーティング動作を行う。以下、図８、図９を参照して、図７に示す半導体装置の電源管理について説明する。
図８は、電源線３５の電位の変化を模式的に表している。電源線３５は、ＰＳＷ７０を介して電源電位ＶＤＤが供給される配線である。図の横軸は通常状態から休止状態になった経過時間（ｔｉｍｅ）であり、ｔ０、ｔ１等は時間を表している。図８Ａは、休止状態でパワーゲーティングのみを実行した例であり、図８Ｂは、休止状態でボルテージスケーリングのみを実行した例である。図８Ｃ、図８Ｄは、ボルテージスケーリングとパワーゲーティングとを実行する例である。通常状態では、電源回路１０から供給される電源電位ＭＶＤＤの大きさはＶＨ１であるとする。
また、以下では、ＰＵ２０の電源モードを、電源オンモード、電源オフモード、低電源モードの３つのモードに区別する。電源（ｐｏｗｅｒ ｏｎ）オンモードとは、通常処理が可能な電源電位ＶＤＤをＰＵ２０に供給するモードである。電源オフ（ｐｏｗｅｒ ｏｆｆ）モードとは、ＰＳＷ７０により電源電位ＶＤＤの供給を停止するモードである。低電源（ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ）モードは、電源オンモードよりも低い電源電位ＶＤＤを供給するモードである。
図８Ａの例を説明する。時間ｔ０で、プロセッサコア３０において休止状態に移行する処理が開始される。例えば、記憶回路３１のバックアップが行われる。ＰＭＵ６０はＰＳＷ７０を制御し、時間ｔ１でプロセッサコア３０への電源供給を遮断する。電源線３５は自然放電して、その電位は０Ｖまで低下する。これにより、休止状態でのプロセッサコア３０のリーク電流を大幅に低下することができるので、休止状態での消費電力（以下、待機電力と呼ぶ場合がある。）を削減することができる。外部からの割り込み要求等により通常状態に復帰する場合は、ＰＭＵ６０はＰＳＷ７０を制御し、ＶＤＤの供給を再開させる。ここでは、時間ｔ４で、ＶＤＤの供給が再開されている。電源線３５の電位は上昇し、時間ｔ６でＶＨ１になる。
図８Ｂの例の場合は、ボルテージスケーリングを行うため、時間ｔ１で、ＰＭＵ６０が電源回路１０を制御し、電源電位ＭＶＤＤの電位をＶＨ２に低下している。電源線３５の電位はやがてＶＨ２になる。時間ｔ４で、電源電位ＭＶＤＤがＶＨ２からＶＨ１に戻ると、電源線３５の電位は上昇し、時間ｔ５でＶＨ１になる。
図８Ａの例の場合、休止状態から通常状態に復帰するのにかかる時間（オーバーヘッド時間）は、電源線３５の電位が０ＶからＶＨ１に上昇するのにかかる時間であり、また、復帰に要するエネルギーオーバヘッドは、電源線３５の負荷容量を０ＶからＶＨ１に充電するのに必要なエネルギーである。電源オフモードの期間（ｔ１－ｔ４）が十分に長ければ、ＰＵ２０の待機電力の削減には、パワーゲーティングが有効である。他方、期間（ｔ１－ｔ４）が短いと、電源が遮断されることで削減できる電力よりも、通常状態に復帰するのに要する電力の方が大きくなり、パワーゲーティングの効果を得ることができない。
図８Ｂに示すボルテージスケーリングの例では、休止状態では電源線３５の電位はＶＨ２であるため、図８Ａのパワーゲーティングの例よりも待機電力の削減量は少ない。他方、図８Ｂの例では、電源線３５の電位の変動が小さいため、図８Ａの例よりも通常状態に復帰するのにかかる時間は短く、かつ復帰に要するエネルギーが少ない。そこで、図７に示す半導体装置では、ＰＵ２０の待機電力の削減をより効率よく行うため、パワーゲーティングとボルテージスケーリングとを組み合わせた電源管理を可能とする。図８Ｃ、および図８Ｄに電源管理の例を示す。
図８Ｃに示すように、まず、休止状態ではボルテージスケーリング動作が行われ、電源オンモードから低電源モードに移行する。図８Ｂと同様に、時間ｔ１で、ＰＭＵ６０が電源回路１０を制御し、電源電位ＭＶＤＤの電位をＶＨ２に低下するため、電源線３５の電位はやがてＶＨ２になる。低電源モードに移行してから一定期間（ｔ１－ｔ３）経過後、ＰＭＵ６０はＰＳＷ７０を制御し、電源オフモードとする。期間（ｔ３－ｔ４）は、ＰＵ２０にＶＨ２を供給しているよりも、通常状態に復帰するのに消費される電力を含んでもパワーゲーティングによってＰＵ２０の電源を遮断した方が電力を削減することが可能な期間である。
例えば、電位ＶＨ２は、記憶回路３１の回路ＭｅｍＣ１でデータを保持することができる大きさの電源電位であり、電位ＶＨ３は、回路ＭｅｍＣ１のデータが失われてしまう電位であるとする。図７ＡのＰＵ２０では、回路ＢＫＣ１は、電源の供給が停止されている期間でもデータを保持することが可能な回路である。期間（ｔ０－ｔ１）で、記憶回路３１のデータを回路ＢＫＣ１に退避しておくことで、低電源モードにおいて、回路ＭｅｍＣ１のデータが失われてしまう電位ＶＨ３までＶＤＤを低下させることが可能である。これにより、ＰＵ２０の待機電力をさらに削減することができる。
ＰＭＵ６０は、割り込み要求等に基づいて、ＰＵ２０を通常状態に復帰することができる機能を有する。ＰＭＵ６０は、電源回路１０を制御しＭＶＤＤの大きさをＶＨ１に昇圧し、また、ＰＳＷ７０を制御しＰＵ２０のＶＤＤの供給を再開する。時間ｔ４以降は電源オンモードである。時間ｔ６で電源線３５の電位が安定することで、時間ｔ６以降に、ＰＵ２０は通常動作が可能となる。
図８Ｄには、時間ｔ３よりも前に通常動作に復帰させる割り込み要求がある例を示す。時間ｔ２以降は、電源オンモードである。時間ｔ２で、ＰＭＵ６０は、電源回路１０を制御しＭＶＤＤの大きさを電源オンモードの電位ＶＨ１に変更する。時間ｔ３で、電源線３５の電位はＶＨ１まで上昇する。
図８Ｃおよび図８Ｄに示すように、休止状態において、電源線３５の電位をＶＨ１に戻すのに要する時間は、電源オフモードから電源オンモードに復帰させる方が、低電源モードから電源オンモードに復帰させるより長い。そのため、ＰＭＵ６０は、電源モードに応じて、プロセッサコア３０を休止状態から通常状態に復帰させる動作のタイミングを調節できる機能を有している。これにより、プロセッサコア３０を最短時間で休止状態から通常状態に復帰させることが可能になる。
また、休止状態において、低電源モードから電源オフモードへの移行は、ＰＭＵ６０に設けられている回路６１で時間を計測することで可能となる。ＰＭＵ６０は、ＰＵ２０から信号ＳＬＰが入力されると、回路６１で時間の計測を開始する。低電源モードにしてから所定の時間が経過すると、ＰＭＵ６０は、電源オフモードに移行する。ＰＭＵ６０の制御信号によりＰＳＷ７０はオフとなり、ＶＤＤの供給を遮断する。このように、回路６１の計測データに基づく割り込み要求により、低電源モードから電源オフモードへ移行することが可能である。以下、図９を参照して、ＰＭＵ６０の電源管理動作例を説明する。
ＰＵ２０が通常動作を行っている。電源モードは電源オンモードであり、また、ＰＭＵ６０はアイドル状態（ステップＳ１０）である。ＰＭＵ６０は信号ＳＬＰが入力されるまでアイドル状態であり、信号ＳＬＰの入力をトリガに退避シークエンスを実行する（ステップＳ１１）。図９の退避シークエンスの例では、まず、ＰＭＵ６０は、クロック制御回路６５に制御信号を出力し、クロック信号の出力を停止させる（ステップＳ１２）。次に、データの退避を行わせるための制御信号を記憶回路３１に出力する（ステップＳ１３）。記憶回路３１では、ＰＭＵ６０の制御信号に従い、回路ＭｅｍＣ１で保持しているデータを回路ＢＫＣ１に退避する。最後に、ＰＭＵ６０は、電源回路１０を制御し、ＭＶＤＤを低下させる。これらの動作により、電源モードは低電源モードに移行する（ステップＳ１４）。信号ＳＬＰが入力されると、ＰＭＵ６０は内蔵している回路６１を制御し、低電源モードの時間Ｔａを計測する（ステップＳ１５）。回路６１を動作させるタイミングは、退避シークエンスを実行している間であれば任意であり、例えば、信号ＳＬＰが入力された時、クロック制御回路６５に制御信号を出力する時、データ退避を開始する時、データ退避を終了した時、電源回路１０に制御信号を出力する時などが挙げられる。
退避シークエンスの実行後、ＰＭＵ６０はアイドル状態となり（ステップＳ１６）、信号ＩＮＴの入力の監視、クロック制御回路６５の測定時間Ｔａを監視する。信号ＩＮＴが入力されると復帰シークエンスに移行する（ステップＳ１７）。時間Ｔａが設定した時間Ｔｖｓを超えているか否を判定している（ステップＳ１８）。ＰＭＵ６０は、時間Ｔａが時間Ｔｖｓを超えていると、電源モードを電源オフモードに移行させる制御を行い（ステップＳ１９）、超えていなければアイドル状態が維持される（ステップＳ１６）。時間Ｔｖｓは、低電源モードであるよりも電源オフモードにした方が、プロセッサコア３０の待機電力を削減できるような時間にすればよい。
ステップＳ１９では、ＰＭＵ６０はＰＳＷ７０にプロセッサコア３０への電源供給を遮断させる制御信号を出力する。電源オフモードにした後は、再びＰＭＵ６０は、アイドル状態となり（ステップＳ２０）、信号ＩＮＴの入力を監視する（ステップＳ２１）。信号ＩＮＴが入力されると、ＰＭＵ６０は復帰シークエンスを実行する。
復帰シークエンスでは、まず、ＰＭＵ６０は電源オフモードから電源オンモードに移行させる（ステップＳ２２）。ＰＭＵ６０は電源回路１０を制御し、通常動作の電源電位を出力させる。かつ、ＰＭＵ６０はＰＳＷ７０を制御し、プロセッサコア３０へのＶＤＤの供給を再開させる。次に、記憶回路３１に制御信号を出力し、記憶回路３１のデータを復帰させる（ステップＳ２３）。記憶回路３１は、ＰＭＵ６０の制御信号に従い、回路ＢＫＣ１で保持されているデータを回路ＭｅｍＣ１に書き戻す。ＰＭＵ６０は、クロック信号を出力させる制御信号をクロック制御回路６５に出力する（ステップＳ２４）。クロック制御回路６５はＰＭＵ６０の制御信号に従い、クロック信号の出力を再開する。
ステップＳ１７の判定処理から復帰シークエンスを実行する場合は、低電源モードから電源オンモードに復帰することとなり、ステップＳ２１の判定処理から復帰シークエンスを実行する場合よりも、電源線３５の電位を速く安定させることができる。そのため、ＰＭＵ６０では、ステップＳ１７から復帰シークエンスに移行する場合は、ステップＳ２１から復帰シークエンスに移行する場合よりも、ステップＳ２３を実行するタイミングを早くしている。これにより、プロセッサコア３０を休止状態から通常状態へ復帰させる時間を短くすることができる。
以上述べたように、図７に示す半導体装置の電源管理では、ＰＵ２０が休止状態になると、まず、ボルテージスケーリング動作により、プロセッサコア３０へ供給する電源電位を低くすることでリーク電流を削減しつつ、休止状態から通常状態へ復帰する処理の時間およびエネルギーのオーバーヘッドを抑えている。休止状態が一定期間続くと、パワーゲーティング動作を行い、プロセッサコア３０のリーク電流を可能な限り抑えるようにしている。これにより、ＰＵ２０の処理能力を低下させずに、ＰＵ２０の休止状態での消費電力を削減することが可能になる。
＜＜処理装置の構成例２＞＞
図１０Ａに、図７Ａの処理装置の変形例を示す。図１０Ａに示す処理装置（ＰＵ）２１は、ＰＵ２０にキャッシュ４０、およびパワースイッチ（ＰＳＷ）７１を追加したものである。キャッシュ４０は、ＰＵ２０と同様にパワーゲーティングおよびボルテージスケーリングが可能とされており、ＰＵ２１の電源モードと連動してキャッシュ４０の電源モードも変化する。ＰＳＷ７１は、キャッシュ４０への電源電位ＭＶＤＤの供給を制御する回路であり、ＰＭＵ６０により制御される。ここでは、ＰＳＷ７１を介してキャッシュ４０に入力される電源電位をＶＤＤ＿ＭＥＭとしている。キャッシュ４０には、プロセッサコア３０と同様にＰＭＵ６０からの制御信号、およびクロック制御回路６５からゲーテッドクロック信号が入力される。
＜キャッシュ４０＞
キャッシュ４０は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する記憶装置である。キャッシュ４０は、メモリアレイ４１、周辺回路４２、および制御回路４３を有する。メモリアレイ４１は、複数のメモリセル４５を有する。制御回路４３は、プロセッサコア３０の要求に従って、キャッシュ４０の動作を制御する。例えば、メモリアレイ４１の書き込み動作、読み出し動作を制御する。周辺回路４２は、制御回路４３からの制御信号に従い、メモリアレイ４１を駆動する信号を生成する機能を有する。メモリアレイ４１は、データを保持するメモリセル４５を有する。
図１０Ｂに示すように、メモリセル４５は、回路ＭｅｍＣ２および回路ＢＫＣ２を有する。回路ＭｅｍＣ２は、通常動作においてアクセス対象となるメモリセルである。例えば、ＳＲＡＭ（スタティックランダムアクセスメモリ）のメモリセルを適用すればよい。回路ＢＫＣ２は、回路ＭｅｍＣ２のバックアップ回路として機能することができ、電源が遮断されていても、またはクロック信号が遮断されていても長期間データを保持することが可能な回路である。このようなメモリセル４５を設けることで、キャッシュ４０のパワーゲーティングを行うことが可能となる。電源を遮断する前に、メモリセル４５において、回路ＭｅｍＣ２のデータをＢＫＣ２に退避する。電源供給を再開した後、回路ＢＫＣ２で保持されているデータを回路ＭｅｍＣ２に書き戻すことで、ＰＵ２１を電源遮断前の状態に高速に復帰させることが可能である。
メモリセル４５の回路ＢＫＣ２も図７Ｂの回路ＢＫＣ１と同様に、１のトランジスタ（ＭＷ２）および１の容量素子（ＣＢ２）を有する保持回路を少なくとも有する。つまり、回路ＢＫＣ２も標準的なＤＲＡＭの１Ｔ１Ｃ型メモリセルと同様な構成の保持回路を有する。トランジスタＭＷ２はオフ電流が極めて低いものである。トランジスタＭＷ２には、トランジスタＭＷ１と同様に、ＯＳトランジスタを適用すればよい。このような構成により、回路ＢＫＣ２も、電気的に浮遊状態であるノードＦＮ２の電位の変動を抑えることができるため、回路ＢＫＣ２は長期間データを保持することが可能である。回路ＢＫＣ２のデータ保持時間は、トランジスタＭＷ２のリーク電流や、容量素子ＣＢ２の静電容量等で決まる。トランジスタＭＷ２をオフ電流が極めて小さなトランジスタとすることで、回路ＢＫＣ２を、リフレッシュ動作が不要な不揮発性記憶回路として用いることが可能となる。
図１０Ａに示すＰＵ２１においても、ＰＵ２０と同様に、ＰＭＵ６０が電源管理を行う。（図９参照）。図９に示すステップＳ１３では、記憶回路３１およびキャッシュ４０のデータの退避動作が行われる。ステップＳ１９では、ＰＳＷ７０およびＰＳＷ７１を制御し、プロセッサコア３０およびキャッシュ４０への電源供給を停止する。ステップＳ２２では、ＰＳＷ７０およびＰＳＷ７１を制御し、プロセッサコア３０およびキャッシュ４０への電源供給を再開する。ステップＳ２３では、記憶回路３１およびキャッシュ４０のデータの復帰動作が行われる。
そのため、図１０に示す半導体装置も、図７に示す半導体装置と同様に、ボルテージスケーリングとパワーゲーティングとを組み合わせた電源管理が行われることで、ＰＵ２１の処理能力を低下させずに、ＰＵ２１の休止状態での電力を削減することが可能である。
＜＜プロセッサコアの構成例＞＞
図１１にプロセッサコアの構成例を示す。図１１に示すプロセッサコア１３０は、制御装置１３１、プログラムカウンタ１３２、パイプラインレジスタ１３３、パイプラインレジスタ１３４、レジスタファイル１３５、算術論理演算装置（ＡＬＵ）１３６、およびデータバス１３７を有する。プロセッサコア１３０とＰＭＵやキャッシュ等の周辺回路とのデータのやり取りは、データバス１３７を介して行われる。
制御装置１３１は、プログラムカウンタ１３２、パイプラインレジスタ１３３、パイプラインレジスタ１３４、レジスタファイル１３５、ＡＬＵ１３６、データバス１３７の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。ＡＬＵ１３６は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。プログラムカウンタ１３２は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。
パイプラインレジスタ１３３は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。レジスタファイル１３５は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはＡＬＵ１３６の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。パイプラインレジスタ１３４は、ＡＬＵ１３６の演算処理に利用するデータ、またはＡＬＵ１３６の演算処理により得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
図７Ｂの記憶回路３１は、プロセッサコア１３０に含まれているレジスタに用いられている。
＜記憶回路の構成例＞
図７Ｂに示す記憶回路３１のより具体的な構成例を説明する。図１２は、記憶回路の構成の一例を示す回路図である。図１２に示す記憶回路２００はフリップフロップ回路として機能する。
回路ＭｅｍＣ１に標準的なフリップフロップ回路（ＦＦ）を適用することが可能であり、例えば、マスタースレーブ型のＦＦを適用することができる。そのような構成例を図１２に示す。ＦＦ１１０は、トランスミッションゲート（ＴＧ１、ＴＧ２、ＴＧ３、ＴＧ４、ＴＧ５）、インバータ回路（ＩＮＶ１、ＩＮＶ２）、およびＮＡＮＤ回路（ＮＡＮＤ１、ＮＡＮＤ２）を有する。信号ＲＥＳＥＴおよび信号ＯＳＲは、ＰＭＵ６０から出力される制御信号である。ＴＧ５には、信号ＯＳＲとその反転信号が入力される。ＴＧ１－ＴＧ４は、クロック信号ＣＬＫとその反転信号が入力される。ＴＧ１とＩＮＶ１の代わりに１つのクロックドインバータ回路を設けてもよい。ＴＧ２とＮＡＮＤ２との代わりに、１つのクロックドＮＡＮＤ回路を設けてもよい。ＴＧ３とＩＮＶ３との代わりに、クロックドインバータ回路を設けてもよい。ＴＧ５は、ＮＡＮＤ１の出力ノードとノードＮＲ１との間の導通状態を制御するスイッチとして機能する。ノードＮＢ１は、回路ＢＫＣ１０の入力ノードと電気的に接続され、ノードＮＲ１は回路ＢＫＣ１０の出力ノードと電気的に接続されている。
図１２に示す回路ＢＫＣ１０は、ＦＦ１１０のバックアップ回路として機能する。回路ＢＫＣ１０は、回路ＲＴＣ１０、および回路ＰＣＣ１０を有する。回路ＢＫＣ１０に入力される信号（ＯＳＧ、ＯＳＣ、ＯＳＲ）は、ＰＭＵ６０から出力される制御信号である。電源電位ＶＳＳは、低電源電位であり、例えば接地電位（ＧＮＤ）や０Ｖとすればよい。ＦＦ１１０にも、ＢＫＣ１と同様に電源電位ＶＳＳ、電源電位ＶＤＤが入力されている。記憶回路２００において、ＶＤＤの供給はＰＭＵ６０により管理されている。
回路ＲＴＣ１０は、トランジスタＭＷ１、トランジスタＭＡ１、およびトランジスタＭＲ１、ノードＦＮ１、ノードＮＫ１を有する。回路ＲＴＣ１０はデータを保持する機能を有し、ここでは、３Ｔ型のゲインセル構造の記憶回路で構成している。トランジスタＭＷ１は書き込みトランジスタであり、ＯＳトランジスタである。トランジスタＭＲ１は読み出しトランジスタであり、トランジスタＭＡ１は、増幅トランジスタでありかつ読み出しトランジスタである。ノードＦＮ１でデータが保持される。ノードＮＫ１はデータの入力ノードである。ノードＮＲ１は、回路ＲＴＣ１０のデータの出力ノードである。
図１２には、回路ＢＫＣ１０が、退避動作でＦＦ１１０のスレーブ側ラッチ回路のデータを読み出し、かつ、復帰動作で保持しているデータをマスタ側のラッチ回路に書き戻す構成例を示す。退避するデータはマスタ側のラッチ回路のデータでもよい。また、スレーブ側のラッチ回路にデータを復帰してもよい。この場合、スレーブ側のラッチ回路にＴＧ５を設ければよい。
また、回路ＲＴＣ１０のトランジスタＭＲ１およびトランジスタＭＡ１は、ｎ型でもｐ型でもよく、トランジスタＭＲ１およびトランジスタＭＡ１の導電型によって、信号ＯＳＲの電位および、トランジスタＭＡ１に供給する電源電位のレベルを変更すればよい。また、ＦＦ１１０の論理回路を適宜設定すればよい。例えば、トランジスタＭＲ１およびトランジスタＭＡ１がｐ型トランジスタである場合は、マスタ側ラッチ回路で、ＮＡＮＤ１とＩＮＶ３とを入れ替え、スレーブ側ラッチ回路でＩＮＶ２とＮＡＮＤ２とを入れ替えればよい。また、トランジスタＭＡ１にＶＳＳに変えてＶＤＤを入力するようにすればよい。
回路ＢＫＣ１０は、電圧によってデータの書き込みを行うため、電流により書き込みを行うＭＲＡＭよりも書き込み電力を抑えることができる。また、ノードＦＮ１の負荷容量でデータを保持しているため、フラッシュメモリのようなデータの書き換え回数の制限がない。
回路ＲＴＣ１０において、データの書き込みに要するエネルギーは、容量素子ＣＢ１への電荷の充放電に伴うエネルギーに相当する。一方、ＭＲＡＭなどの２端子の記憶素子を用いた記憶回路では、データの書き込みに要するエネルギーは、当該記憶素子に電流が流れる際に消費されるエネルギーに相当する。よって、データの書き込み期間中に電流が流れ続けるＭＲＡＭなどを用いた場合に比べて、回路ＢＫＣ１０は、データの退避により消費されるエネルギーを小さくすることができる。そのため、バックアップ回路に回路ＢＫＣ１０を設けることで、ＭＲＡＭを設ける場合と比較して、ＢＥＴ（損益分岐点到達時間，Ｂｒｅａｋ Ｅｖｅｎ Ｔｉｍｅ）を短くすることができる。その結果、消費されるエネルギーを低減できるパワーゲーティングを行う機会が増加し、半導体装置の消費電力を低減することができる。
回路ＰＣＣ１０は、トランジスタＭＣ１およびトランジスタＭＣ２を有する。回路ＰＣＣ１０は、ノードＦＮ１をプリチャージする機能を有する。回路ＰＣＣ１０は、設けなくてもよい。後述するように、回路ＰＣＣ１０を設けることで、回路ＢＫＣ１０のデータ退避時間を短くすることができる。
＜記憶回路の動作例＞
図１３は、記憶回路２００の動作の一例を示すタイミングチャートであり、制御信号（信号ＳＬＰ、信号ＲＥＳＥＴ、クロック信号ＣＬＫ、信号ＯＳＧ、信号ＯＳＲ）の波形、並びに、電源電位ＶＤＤ、ノードＦＮ１およびノードＮＲ１の電位の変化を示す。
［通常動作］
「通常動作（Ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）」の期間について説明する。記憶回路２００には、電源電位ＶＤＤ、およびクロック信号ＣＬＫが供給されている。ＦＦ１１０が順序回路として機能している。信号ＲＥＳＥＴは高レベルが維持されるため、ＮＡＮＤ１およびＮＡＮＤ２はインバータ回路として機能する。回路ＢＫＣ１では、トランジスタＭＣ１がオフ状態であり、トランジスタＭＣ２およびトランジスタＭＷ１がオン状態であるため、ノードＦＮ１の電位は高レベルにプリチャージされている。
［データ退避］
次に、「バックアップ（Ｂａｃｋ ｕｐ）」の期間について説明する。まず、クロック信号ＣＬＫが停止される。これにより、ノードＮＢ１のデータの書き換えが停止される。図１３の例では、ノードＮＢ１の電位レベルは、ノードＮＲ１の電位が高レベル（”１”）であれば、低レベル（”０”）であり、低レベル（”０”）であれば高レベル（”１”）である。信号ＯＳＣが高レベルの期間に、ノードＮＢ１のデータがノードＦＮ１に退避される。具体的には、トランジスタＭＣ１およびトランジスタＭＷ１がオン状態であるため、ノードＦＮ１とノードＮＢ１が電気的に接続されている。信号ＯＳＧを低レベルにして、トランジスタＭＷ１がオフ状態にすることで、ノードＦＮ１が電気的に浮遊状態となり、回路ＢＫＣ１０はデータの保持状態となる。ノードＦＮ１の電位は、ノードＮＲ１が低レベル（“０”）であれば高レベルであり、高レベル（”１”）であれば低レベルである。
信号ＯＳＧを低レベルにすることでデータの退避が終了するので、信号ＯＳＧを低レベルにした後、直ちに、ＰＵ２０のボルテージスケーリング動作を行うことができる。また、トランジスタＭＣ２により、通常動作時にノードＦＮ１を高レベルにプリチャージしているので、ノードＦＮ１を高レベルにするデータ退避動作では、ノードＦＮ１の電荷の移動が伴わない。このため、回路ＢＫＣ１０は、短時間で退避動作を完了させることができる。
データ退避動作では、クロック信号ＣＬＫが非アクティブであればよく、図１３の例では、クロック信号ＣＬＫの電位を低レベルとしているが、高レベルとしてもよい。
［ボルテージスケーリング、低電源モード］
次に、「低電源（Ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ）」の期間について説明する。信号ＯＳＣの立下りに連動して、ＰＭＵ６０は、ボルテージスケーリング動作を行う。これにより記憶回路２００は低電源モードに移行する。
［パワーゲーティング、電源オフモード］
次に、「電源オフ（Ｐｏｗｅｒ ｏｆｆ）」の期間について説明する。低電源モードに移行してから一定期間経過したら、ＰＭＵ６０は、パワーゲーティング動作を行い、記憶回路２００を電源オフモードにする。
［電源オンモード］
次に、「電源オン（Ｐｏｗｅｒ ｏｎ）」の期間について説明する。割り込み要求に従い、ＰＭＵ６０は、記憶回路２００を電源オンモードに復帰する。図１３の例では、ＶＤＤを供給する電源線の電位が安定すると、クロック信号ＣＬＫは高レベルになるようにしている。なお、図１３において、バックアップ、低電源、電源オフ、および電源オンの４つの期間を合わせて「スリープ（Ｓｌｅｅｐ）」の期間と表す。
［データ復帰］
信号ＯＳＲが高レベルの期間にデータ復帰動作が行われる。信号ＲＥＳＥＴを高レベルとすることで、ノードＮＲ１の電位は高レベル（”１”）にプリチャージされる。信号ＯＳＲを高レベルとすることで、ＴＧ５がハイインピーダンス状態となり、かつトランジスタＭＲ１が導通状態となる。トランジスタＭＡ１の導通状態はノードＦＮ１の電位で決まる。ノードＦＮ１が高レベルであれば、トランジスタＭＡ１が導通状態であるため、ノードＮＲ１の電位は低下し、低レベル（”０”）となる。ノードＦＮ１が低レベルであれば、ノードＮＲ１の電位は高レベルが維持される。つまり、休止状態に移行する前の状態に、ＦＦ１１０の状態が復帰される。
以上述べたように、信号ＲＥＳＥＴ、および信号ＯＳＲの立ち上がりにより、ノードＮＲ１に高レベルのデータの書き戻し（Ｒｅｓｔｏｒｅ）ができる。そのため、記憶回路２００は、復帰動作期間を短くすることができる。
図１３では、電源オフモードから電源オンモードに復帰している例を示している。低電源モードから電源オンモードに復帰する場合は、ＶＤＤを供給する電源線の電位が安定するまでの期間Ｔｏｎが短くなる。この場合は、電源オフモードから復帰する場合よりも信号ＯＳＲの立ち上がりを早くするとよい。
［通常動作］
次に、「通常動作（Ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）」の期間について説明する。クロック信号ＣＬＫの供給を再開することで、通常動作が可能な状態に復帰する。信号ＯＳＧを高レベルにすることで、ノードＦＮ１は、回路ＰＣＣ１０によりプリチャージされ、高レベルとなる。
＜＜キャッシュ＞＞
以下に、キャッシュ４０をＳＲＡＭで構成する例を説明する。
＜メモリセルの構成例＞
図１４にキャッシュのメモリセルの構成の一例を示す。図１４に示すメモリセル２２０は、回路ＳＭＣ２０および回路ＢＫＣ２０を有する。回路ＳＭＣ２０は、標準的なＳＲＡＭのメモリセルと同様な回路構成とすればよい。図１４に示す回路ＳＭＣ２０は、インバータ回路ＩＮＶ１１、インバータ回路ＩＮＶ１２、トランジスタＭ１１、およびトランジスタＭ１２を有する。
回路ＢＫＣ２０は、回路ＳＭＣ２０のバックアップ回路として機能する。回路ＢＫＣ２０は、トランジスタＭＷ１１、トランジスタＭＷ１２、容量素子ＣＢ１１、容量素子ＣＢ１２を有する。トランジスタＭＷ１１、ＭＷ１２はＯＳトランジスタである。回路ＳＭＣ２０は２つの１Ｔ１Ｃ型の保持回路を有しており、ノードＳＮ１とノードＳＮ２にそれぞれデータが保持される。トランジスタＭＷ１１および容量素子ＣＢ１１とでなる保持回路は、ノードＮＥＴ１のデータをバックアップできる機能を有する。トランジスタＭＷ１２および容量素子ＣＢ１２とでなる保持回路は、ノードＮＥＴ２のデータをバックアップできる機能を有する。
メモリセル２２０は電源電位ＶＤＤＭＣ、ＶＳＳが供給されている。メモリセル２２０は、配線（ＷＬ、ＢＬ、ＢＬＢ、ＢＲＬ）と電気的に接続されている。配線ＷＬには、信号ＳＬＣが入力される。データ書き込み時には、配線ＢＬ、配線ＢＬＢには、データ信号Ｄ、データ信号ＤＢが入力される。データの読み出しは、配線ＢＬと配線ＢＬＢの電位を検出することで行われる。配線ＢＲＬには信号ＯＳＳが入力される。信号ＯＳＳはＰＭＵ６０から入力される信号である。
＜メモリセルの動作例＞
メモリセル２２０の動作の一例を説明する。図１５は、メモリセル２２０のタイミングチャートの一例である。
［通常動作］
回路ＳＭＣ２０にアクセス要求が行われ、データの書き込み読み出しが行われる。回路ＢＫＣ２０では、信号ＯＳＳは低レベルであるため、ノードＳＮ１およびノードＳＮ２が電気的に浮遊状態となっており、データ保持状態である。図１５の例では、ノードＳＮ１の電位は低レベル（”０”）であり、他方のノードであるノードＳＮ２の電位は、高レベル（”１”）である。
［データ退避］
信号ＯＳＳが高レベルにすることで、トランジスタＭＷ１１、ＭＷ１２が導通状態となり、ノードＳＮ１、ＳＮ２は、それぞれ、ノードＮＥＴ１、ＮＥＴ２と同じ電位レベルとなる。図１５の例では、ノードＳＮ１、ＳＮ２の電位は、それぞれ、高レベル、低レベルとなる。信号ＯＳＳが低レベルとなり、回路ＢＫＣ２０がデータ保持状態となり、データ退避動作が終了する。
［ボルテージスケーリング、低電源モード］
信号ＯＳＳの立下りに連動して、ＰＭＵ６０は、ボルテージスケーリング動作を行う。これによりキャッシュ４０は低電源モードに移行する。
［パワーゲーティング、電源オフモード］
低電源モードに移行してから一定期間経過したら、ＰＭＵ６０は、パワーゲーティング動作を行い、キャッシュ４０を電源オフモードにする。
［データ復帰、電源オンモード］
割り込み要求に従い、ＰＭＵ６０はキャッシュ４０を通常状態に復帰させる。信号ＯＳＳを高レベルにして、回路ＢＫＣ２０で保持されているデータを、回路ＳＭＣ２０に書き戻す。信号ＯＳＳが高レベルである期間中に、ＰＭＵ６０は、ボルテージスケーリング動作およびパワーゲーティング動作を行い、記憶回路２００を電源オンモードに復帰する。図１３の例では、ＶＤＤを供給する電源線の電位が安定すると、クロック信号ＣＬＫは高レベルになるようにしている。ＶＤＤＭＣを供給する電源線の電位が安定したら、信号ＯＳＳを低レベルに戻し、データ復帰動作を終了させる。ノードＳＮ１、ＳＮ２の状態は、休止状態になる直前の状態に復帰している。
［通常動作］
ＶＤＤＭＣの供給が再開されることで、回路ＳＭＣ２０は通常動作が可能な通常モードに復帰する。
以上述べたように、ＯＳトランジスタを用いることで、電源が遮断されていても長期間データを保持することが可能なバックアップ回路を構成することができる。このバックアップ回路を備えることで、プロセッサコアおよびキャッシュのパワーゲーティングが可能となる。また、休止状態において、ボルテージスケーリングとパワーゲーティングを組み合わせた電源管理を行うことで、休止状態から通常状態へ復帰する処理に要するエネルギーおよび時間のオーバーヘッドを削減することができる。よって、処理装置の処理能力を低下させずに、電力の削減を効率よく行うことが可能となる。
＜メモリの一例＞
以下に、本発明の一態様のＯＳトランジスタを用いたメモリについて説明する。
本発明の一態様が有する蓄電装置は、メモリを有することが好ましい。メモリとして、ＯＳトランジスタを用いたメモリ装置を適用することができる。例えば、以下に説明するＮＯＳＲＡＭ（登録商標）、ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）等を適用することができる。
ＮＯＳＲＡＭとは、メモリセルの書き込みトランジスタがＯＳトランジスタで構成されているゲインセル型ＤＲＡＭのことである。ＮＯＳＲＡＭはＮｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭの略称である。以下にＮＯＳＲＡＭの構成例を示す。
図１６ＡはＮＯＳＲＡＭの構成例を示すブロック図である。ＮＯＳＲＡＭ２４０には、パワードメイン２４２、２４３、パワースイッチ２４５乃至２４７が設けられている。パワードメイン２４２には、メモリセルアレイ２５０が設けられ、パワードメイン２４３にはＮＯＳＲＡＭ２４０の周辺回路が設けられている。周辺回路は、制御回路２５１、行回路２５２、列回路２５３を有する。
外部からＮＯＳＲＡＭ２４０に電圧ＶＤＤＤ、電圧ＶＳＳＳ、電圧ＶＤＨＷ、電圧ＶＤＨＲ、電圧ＶＢＧ２、クロック信号ＧＣＬＫ２、アドレス信号、信号ＣＥ、信号ＷＥ、信号ＰＳＥ５が入力される。信号ＣＥ、信号ＷＥはチップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号である。信号ＰＳＥ５は、パワースイッチ２４５乃至２４７のオンオフを制御する。パワースイッチ２４５乃至２４７は、パワードメイン２４３への電圧ＶＤＤＤ、電圧ＶＤＨＷ、電圧ＶＤＨＲの入力をそれぞれ制御する。
なお、ＮＯＳＲＡＭ２４０に入力される電圧、信号等は、ＮＯＳＲＡＭ２４０の回路構成、動作方法に応じて適宜取捨される。例えば、ＮＯＳＲＡＭ２４０にパワーゲーティングされないパワードメインを設け、信号ＰＳＥ５を生成するパワーゲーティング制御回路を設けてもよい。
メモリセルアレイ２５０は、メモリセル１１、書込みワード線ＷＷＬ、読み出しワード線ＲＷＬ、書込みビット線ＷＢＬ、読出しビット線ＲＢＬ、ソース線ＳＬを有する。
図１６Ｂに示すように、メモリセル１１は２Ｔ１Ｃ（２トランジスタ１容量）型のゲインセルであり、ノードＳＮ１、トランジスタＭ１、Ｍ２、容量素子Ｃ１を有する。トランジスタＭ１は書き込みトランジスタであり、バックゲートを有するＯＳトランジスタである。トランジスタＭ１のバックゲートは、電圧ＶＢＧ２を供給する配線ＢＧＬ２に電気的に接続されている。トランジスタＭ２は読出しトランジスタであり、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタである。容量素子Ｃ１はノードＳＮ１の電圧を保持する保持容量である。
電圧ＶＤＤＤ、ＶＳＳＳはデータ“１”、“０”を表す電圧である。なお、書込みワード線ＷＷＬ、読み出しワード線ＲＷＬの高レベル電圧はそれぞれ、電圧ＶＤＨＷ、電圧ＶＨＤＲである。
図１７Ａにメモリセルアレイ２５０の構成例を示す。図１７に示すメモリセルアレイ２５０では、隣接する２行で１本のソース線が供給されている。
メモリセル１１は原理的に書き換え回数に制限はなく、データの書き換えを低エネルギーで行え、データの保持に電力を消費しない。トランジスタＭ１が極小オフ電流のＯＳトランジスタであるため、メモリセル１１は長時間データを保持することが可能である。よって、ＮＯＳＲＡＭ２４０でキャッシュを構成することで、不揮発性の低消費電力なキャッシュとすることができる。
メモリセル１１の回路構成は、図１６Ｂの回路構成に限定されない。例えば、読出しトランジスタＭ２を、バックゲートを有するＯＳトランジスタ、またはｎチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、メモリセル１１は３Ｔ型ゲインセルでもよい。例えば、図１７Ｂ、図１７Ｃに３Ｔ型ゲインセルの例を示す。図１７Ｂに示すメモリセル１５は、トランジスタＭ３乃至Ｍ５、容量素子Ｃ３、ノードＳＮ３を有する。トランジスタＭ３乃至Ｍ５は、書込みトランジスタ、読出しトランジスタ、選択トランジスタである。トランジスタＭ３はバックゲートを有するＯＳトランジスタであり、トランジスタＭ４、Ｍ５はｐチャネル型Ｓｉトランジスタである。トランジスタＭ４、Ｍ５を、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはバックゲートを有するＯＳトランジスタで構成してもよい。図１７Ｃに示すメモリセル１６では、３個のトランジスタはバックゲートを有するＯＳトランジスタで構成されている。
ノードＳＮ３は保持ノードである。容量素子Ｃ３はノードＳＮ３の電圧を保持するための保持容量である。容量素子Ｃ３を意図的に設けず、トランジスタＭ４のゲート容量などで保持容量を構成してもよい。配線ＰＤＬには固定電圧（例えば、ＶＤＤＤ）が入力される。配線ＰＤＬはソース線ＳＬに代わる配線であり、例えば、電圧ＶＤＤＤが入力される。
制御回路２５１は、ＮＯＳＲＡＭ２４０の動作全般を制御する機能を有する。例えば、制御回路２５１は、信号ＣＥ、ＷＥを論理演算して、外部からのアクセスが書き込みアクセスであるか読み出しアクセスであるかを判断する。
行回路２５２は、アドレス信号が指定する選択された行の書込みワード線ＷＷＬ、読出しワード線を選択する機能をもつ。列回路２５３は、アドレス信号が指定する列の書込みビット線にデータを書き込む機能、および当該列の書込みビット線ＷＢＬからデータを読み出す機能をもつ。
ＤＯＳＲＡＭとは、１Ｔ１Ｃ型のメモリセルを有するＲＡＭのことであり、Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭの略称である。以下、図１９を参照して、ＤＯＳＲＡＭについて説明する。
図１８Ａに示すように、ＤＯＳＲＡＭ３５１のメモリセル１６は、ビット線ＢＬ１（またはＢＬＢ１）、ワード線ＷＬ１、配線ＢＧＬ６、配線ＰＬに電気的に接続される。ビット線ＢＬＢ１は、反転ビット線である。例えば、配線ＢＧＬ６、配線ＰＬには、電圧ＶＢＧ６、電圧ＶＳＳＳがそれぞれ入力される。メモリセル１６は、トランジスタＭ６および容量素子Ｃ６を有する。トランジスタＭ６はバックゲートを有するＯＳトランジスタである。
容量素子Ｃ６の充放電によってデータを書き換えるため、ＤＯＳＲＡＭ３５１には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル１６の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。メモリセル１６の書込みトランジスタがＯＳトランジスタであるので、ＤＯＳＲＡＭ３５１の保持時間はＤＲＡＭに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できる、あるいは、リフレッシュ動作を不要にすることができるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。
図１８Ｂに示すように、ＤＯＳＲＡＭ３５１において、メモリセルアレイ３６１は、周辺回路３６５上に積層することができる。これは、メモリセル１６のトランジスタＭ６がＯＳトランジスタであるからである。
メモリセルアレイ３６１には、複数のメモリセル１６が行列状に配置され、メモリセル１６の配列に応じて、ビット線ＢＬ１、ＢＬＢ１、ワード線ＷＬ１、配線ＢＧＬ６、ＰＬが設けられている。周辺回路３６５には、制御回路、行回路、列回路が設けられる。行回路は、アクセス対象のワード線ＷＬ１の選択等を行う。列回路は、ＢＬ１とＢＬＢ１とでなるビット線対に対して、データの書き込みおよび読出し等を行う。
周辺回路３６５をパワーゲーティングするために、パワースイッチ３７１、パワースイッチ３７３が設けられている。パワースイッチ３７１、パワースイッチ３７３は、周辺回路３６５への電圧ＶＤＤＤ、電圧ＶＤＨＷ６の入力をそれぞれ制御する。なお、電圧ＶＤＨＷ６はワード線ＷＬ１の高レベル電圧である。パワースイッチ３７１、パワースイッチ３７３のオンオフは、信号ＰＳＥ６で制御される。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成の一例を示す。
半導体装置の断面構造の一部を図１９に示す。図１９に示す半導体装置は、トランジスタ５５０と、トランジスタ５００と、容量６００と、を有している。図２１Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図２１Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図２１Ｃはトランジスタ５５０のチャネル幅方向の断面図である。
トランジスタ５００は、ＯＳトランジスタである。トランジスタ５００は、オフ電流が極めて少ない。よって、トランジスタ５００を介して記憶ノードに書き込んだデータ電圧あるいは電荷を長期間保持することが可能である。つまり、記憶ノードのリフレッシュ動作頻度を低減、あるいは、リフレッシュ動作を必要としないため、半導体装置の消費電力を低減することができる。
図１９では、トランジスタ５００はトランジスタ５５０の上方に設けられ、容量６００はトランジスタ５５０、およびトランジスタ５００の上方に設けられている。
トランジスタ５５０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、ソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。
図２１Ｃに示すように、トランジスタ５５０は、半導体領域３１３の上面およ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５５０をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ５５０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５５０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５５０は、ｐチャネル型のトランジスタ、あるいはｎチャネル型のトランジスタのいずれでもよい。
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、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域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。または、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。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ５５０をＨＥＭＴとしてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域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、またはホウ素などの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、また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。
トランジスタ５５０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いて形成してもよい。
また、ＳＯＩ基板としては、鏡面研磨ウエハに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて形成されたＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）基板や、水素イオン注入により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して半導体基板を劈開するスマートカット法、ＥＬＴＲＡＮ法（登録商標：Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｙｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）などを用いて形成されたＳＯＩ基板を用いてもよい。単結晶基板を用いて形成されたトランジスタは、チャネル形成領域に単結晶半導体を有する。
なお、図１９に示すトランジスタ５５０は一例であり、その構成に限定されず、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トランジスタのみの単極性回路（ｎチャネル型トランジスタのみ、などと同極性のトランジスタを意味する）とする場合、図２０に示すように、トランジスタ５５０の構成を、トランジスタ５００と同様の構成にすればよい。なお、トランジスタ５００の詳細については後述する。
トランジスタ５５０を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体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、および絶縁体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５５０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、またはトランジスタ５５０などから、トランジスタ５００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５００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５００と、トランジスタ５５０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。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量６００、またはトランジスタ５００と接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０は、プラグまたは配線としての機能を有する。また、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構成をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、および配線（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、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層また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。または、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、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１９では、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体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、および絶縁体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５５０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体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。また、導電体３５６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３５０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５５０とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
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。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ５５０からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構成であることが好ましい。
絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１９では、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体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、および絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体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５５０とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１９では、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体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、および絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体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５５０とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１９では、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体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、および絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体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５５０とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。
絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６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５１０、および絶縁体５１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ５５０を設ける領域などから、トランジスタ５００を設ける領域に、水素や不純物に対する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。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、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５００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５００と、トランジスタ５５０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。
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５１０、および絶縁体５１４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。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。
また、例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６には、導電体５１８、およびトランジスタ５００を構成する導電体（例えば、導電体５０３）等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量６００、またはトランジスタ５５０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体５１０、および絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、およ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５５０とトランジスタ５００とは、酸素、水素、およ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５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。
図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４および絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６および導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に互いに離れて配置された導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂと、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の底面および側面に配置された絶縁体５４５と、絶縁体５４５の形成面に配置された導電体５６０と、を有する。
また、図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、絶縁体５８０の間に絶縁体５４４が配置されることが好ましい。また、図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、導電体５６０は、絶縁体５４５の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、および絶縁体５４５の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。
なお、本明細書などにおいて、酸化物５３０ａ、および酸化物５３０ｂをまとめて酸化物５３０という場合がある。
なお、トランジスタ５００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５３０ａ、および酸化物５３０ｂの２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５３０ｂの単層、または３層以上の積層構成を設ける構成にしてもよい。
また、トランジスタ５００では、導電体５６０を２層の積層構成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５６０が、単層構成であってもよいし、３層以上の積層構成であってもよい。また、図１９、図２０、および図２１Ａに示すトランジスタ５００は一例であり、その構成に限定されず、回路構成や駆動方法など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５６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂ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５６０、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂの配置は、絶縁体５８０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５００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５６０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５００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５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体５６０は、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ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５００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。
導電体５６０は、第１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５０３は、第２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５０３に印加する電位を、導電体５６０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５００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００のしきい値電圧をより大きくし、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５０３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５６０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５０３は、酸化物５３０、および導電体５６０と、重なるように配置する。これにより、導電体５６０、および導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０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、一対のゲート電極（第１のゲート電極、および第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成を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構成とよぶ。また、本明細書等で開示するＳ－ｃｈａｎｎｅｌ構成は、Ｆｉｎ型構成およびプレーナ型構成とは異なる。Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構成を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４および絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。なお、トランジスタ５００では、導電体５０３ａおよび導電体５０３ｂ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５０３は、単層、または３層以上の積層構成として設ける構成にしてもよい。
ここで、導電体５０３ａ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。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（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、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。
例えば、導電体５０３ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５０３ｂ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５０３が配線の機能を兼ねる場合、導電体５０３ｂは、タングステン、銅、また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。なお、本実施の形態では導電体５０３を導電体５０３ａと導電体５０３ｂの積層で図示したが、導電体５０３は単層構成であってもよい。
絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４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５３０と接する絶縁体５２４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。当該酸素は、加熱により膜中から放出されやすい。本明細書などでは、加熱により放出される酸素を「過剰酸素」と呼ぶ場合がある。つまり、絶縁体５２４には、過剰酸素を含む領域（「過剰酸素領域」ともいう。）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５３０に接して設けることにより、酸化物５３０中の酸素欠損（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）を低減し、トランジスタ５００の信頼性を向上させることができる。なお、酸化物５３０中の酸素欠損に水素が入った場合、当該欠陥（以下、ＶＯＨと呼ぶ場合がある。）はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。また、酸化物半導体中の水素は、熱、電界などのストレスによって動きやすいため、酸化物半導体に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。本発明の一態様においては、酸化物５３０中のＶＯＨをできる限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、ＶＯＨが十分低減された酸化物半導体を得るには、酸化物半導体中の水分、水素などの不純物を除去すること（「脱水」または「脱水素化処理」ともいう。）と、酸化物半導体に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（「加酸素化処理」ともいう。）が重要である。ＶＯＨなどの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
また、上記過剰酸素領域を有する絶縁体と、酸化物５３０と、を接して加熱処理、マイクロ波処理、またはＲＦ処理のいずれか一または複数の処理を行っても良い。当該処理を行うことで、酸化物５３０中の水、または水素を除去することができる。例えば、酸化物５３０において、ＶｏＨの結合が切断される反応が起きる、別言すると「ＶＯＨ→Ｖｏ＋Ｈ」という反応が起きて、脱水素化することができる。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ２Ｏとして、酸化物５３０、または酸化物５３０近傍の絶縁体から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体５４２にゲッタリングされる場合がある。
また、上記マイクロ波処理は、例えば、高密度プラズマを発生させる電源を有する装置、または、基板側にＲＦを印加する電源を有する装置を用いると好適である。例えば、酸素を含むガスを用い、且つ高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを、効率よく酸化物５３０、または酸化物５３０近傍の絶縁体中に導入することができる。また、上記マイクロ波処理は、圧力を１３３Ｐａ以上、好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。また、マイクロ波処理を行う装置内に導入するガスとしては、例えば、酸素と、アルゴンとを用い、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））が５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下で行うとよい。
また、トランジスタ５００の作製工程中において、酸化物５３０の表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物５３０に酸素を供給して、酸素欠損（ＶＯ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの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％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、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した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行っても良い。
なお、酸化物５３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物５３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「Ｖｏ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物５３０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物５３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶＯＨが形成されるのを抑制することができる。
また、絶縁体５２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２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５２２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５３０が有する酸素は、絶縁体５２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や、酸化物５３０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５２２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）、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）、または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
特に、不純物、およ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、ハフニウムの一方また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、ハフニウムの一方また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。このような材料を用いて絶縁体５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０からの酸素の放出や、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０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。
または、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。また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、酸化窒化シリコンまた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、酸化シリコンおよ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成の絶縁体５２０を得ることができる。
なお、図２１Ａおよび図２１Ｂのトランジスタ５００では、３層の積層構成からなる第２のゲート絶縁膜として、絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４が図示されているが、第２のゲート絶縁膜は、単層、２層、または４層以上の積層構成を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構成に限定されず、異なる材料からなる積層構成でもよい。
トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いる。例えば、酸化物５３０として、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るとよい。
酸化物半導体として機能する金属酸化物の形成は、スパッタリング法で行なってもよいし、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で行なってもよい。なお、酸化物半導体として機能する金属酸化物については、他の実施の形態で詳細に説明する。
また、酸化物５３０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５３０は、酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構成物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物５３０は、各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物層の積層構成を有することが好ましい。具体的には、酸化物５３０ａ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５３０ｂ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５３０ａ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５３０ｂ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５３０ｂ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５３０ａ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５３０ａの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａ電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ５００は高いオン電流を得られる。
酸化物５３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂが設けられる。導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。更に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があるため好ましい。
また、図２１Ａでは、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂを単層構成として示したが、２層以上の積層構成としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構成、銅－マグネシウム－アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構成、チタン膜上に銅膜を積層する二層構成、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構成としてもよい。
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構成、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構成等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
また、図２１Ａに示すように、酸化物５３０の、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域５４３ａ、および領域５４３ｂが形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。
酸化物５３０と接するように上記導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）を設けることで、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）に導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）に含まれる金属と、酸化物５３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）のキャリア密度が増加し、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）は、低抵抗領域となる。
絶縁体５４４は、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂを覆うように設けられ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂの酸化を抑制する。このとき、絶縁体５４４は、酸化物５３０の側面を覆い、絶縁体５２４と接するように設けられてもよい。
絶縁体５４４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。また、絶縁体５４４として、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなども用いることができる。
特に、絶縁体５４４として、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、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、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂが耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体５４４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。
絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０に含まれる水、および水素などの不純物が絶縁体５４５を介して、酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。
絶縁体５４５は、第１のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５４５は、上述した絶縁体５２４と同様に、過剰に酸素を含み、かつ加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。
具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、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を用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
過剰酸素を含む絶縁体を絶縁体５４５として設けることにより、絶縁体５４５から、酸化物５３０ｂ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５２４と同様に、絶縁体５４５中の水また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５４５の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
また、絶縁体５４５が有する過剰酸素を、効率的に酸化物５３０へ供給するために、絶縁体５４５と導電体５６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体５４５から導電体５６０への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体５４５から導電体５６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体５４４に用いることができる材料を用いればよい。
なお、絶縁体５４５は、第２のゲート絶縁膜と同様に、積層構成としてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合があるため、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、ｈｉｇｈ－ｋ材料と、熱的に安定している材料との積層構成とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構成とすることができる。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図２１Ａおよび図２１Ｂでは２層構成として示しているが、単層構成でもよいし、３層以上の積層構成であってもよい。
導電体５６０ａ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。導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体５４５に含まれる酸素により、導電体５６０ｂ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。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０に適用できる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａの電気抵抗値を低下させて導電体にすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
また、導電体５６０ｂは、タングステン、銅、また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。また、導電体５６０ｂは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、また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できる。また、導電体５６０ｂは積層構成としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層構成としてもよい。
絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０として、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、または樹脂などを有することが好ましい。特に、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。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体５８０を設けることで、絶縁体５８０中の酸素を酸化物５３０へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水また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５８０の開口は、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。
半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体５６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体５６０の膜厚を大きくすると、導電体５６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体５６０を絶縁体５８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体５６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体５６０を倒壊させることなく、形成することができる。
絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、および絶縁体５４５の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５４５、および絶縁体５８０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５３０中に酸素を供給することができる。
例えば、絶縁体５７４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、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、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。
また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４などと同様に、膜中の水また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５８１、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５４４に形成された開口に、導電体５４０ａ、および導電体５４０ｂを配置する。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、後述する導電体５４６、および導電体５４８と同様の構成である。
絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられている。絶縁体５８２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。したがって、絶縁体５８２には、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体５８２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。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。
また、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。絶縁体５８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、および絶縁体５８６には、導電体５４６、および導電体５４８等が埋め込まれている。
導電体５４６、および導電体５４８は、容量６００、トランジスタ５００、またはトランジスタ５５０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５４６、および導電体５４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
また、トランジスタ５００の形成後、トランジスタ５００を囲むように開口を形成し、当該開口を覆うように、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体を形成してもよい。上述のバリア性の高い絶縁体でトランジスタ５００を包み込むことで、外部から水分、および水素が侵入するのを防止することができる。または、複数のトランジスタ５００をまとめて、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体で包み込んでもよい。なお、トランジスタ５００を囲むように開口を形成する場合、例えば、絶縁体５２２または絶縁体５１４に達する開口を形成し、絶縁体５２２または絶縁体５１４に接するように上述のバリア性の高い絶縁体を形成すると、トランジスタ５００の作製工程の一部を兼ねられるため、好適である。なお、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体としては、例えば、絶縁体５２２または絶縁体５１４と同様の材料を用いればよい。
続いて、トランジスタ５００の上方には、容量６００が設けられている。容量６００は、導電体６１０と、導電体６２０と、絶縁体６３０とを有する。
また、導電体５４６、および導電体５４８上に、導電体６１２を設けてもよい。導電体６１２は、トランジスタ５００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体６１０は、容量６００の電極としての機能を有する。なお、導電体６１２、および導電体６１０は、同時に形成することができる。
導電体６１２、および導電体６１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。または、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
本実施の形態では、導電体６１２、および導電体６１０を単層構成で示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構成でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
絶縁体６３０を介して、導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、また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。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、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構成と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
導電体６２０、および絶縁体６３０上には、絶縁体６４０が設けられている。絶縁体６４０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６４０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。
本構成を用いることで、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、微細化または高集積化を図ることができる。
本発明の一態様の半導体装置に用いることができる基板としては、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、セラミック基板、金属基板（例えば、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板など）、半導体基板（例えば、単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、または化合物半導体基板など）ＳＯＩ（ＳＯＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、などを用いることができる。また、本実施の形態の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板を用いてもよい。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。
または、基板として、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどを用いることができる。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、またはポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリアミド、ポリイミド、アラミド樹脂、エポキシ樹脂、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。
また、基板として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ、抵抗、および／または容量などを形成してもよい。または、基板と、トランジスタ、抵抗、および／または容量などの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板より分離し、他の基板に転載するために用いることができる。その際、トランジスタ、抵抗、および／または容量などは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜の積層構成の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成、水素を含むシリコン膜等を用いることができる。
つまり、ある基板上に半導体装置を形成し、その後、別の基板に半導体装置を転置してもよい。半導体装置が転置される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）、皮革基板、またはゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、可撓性を有する半導体装置の製造、壊れにくい半導体装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる。
可撓性を有する基板上に半導体装置を設けることで、重量の増加を抑え、且つ破損しにくい半導体装置を提供することができる。
＜トランジスタの変形例１＞
図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２２Ｃに示すトランジスタ５００Ａは、図２１Ａ、図２１Ｂに示す構成のトランジスタ５００の変形例である。図２２Ａはトランジスタ５００Ａの上面図であり、図２２Ｂはトランジスタ５００Ａのチャネル長方向の断面図であり、図２２Ｃはトランジスタ５００Ａのチャネル幅方向の断面図である。なお、図２２Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素の記載を省略している。図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２２Ｃに示す構成は、トランジスタ５５０等、本発明の一態様の半導体装置が有する他のトランジスタにも適用することができる。
図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２２Ｃに示す構成のトランジスタ５００Ａは、絶縁体５５２、絶縁体５１３および絶縁体４０４を有する点が、図２１Ａ、図２１Ｂに示す構成のトランジスタ５００と異なる。また、導電体５４０ａの側面に接して絶縁体５５２が設けられ、導電体５４０ｂの側面に接して絶縁体５５２が設けられる点が、図２１Ａ、図２１Ｂに示す構成のトランジスタ５００と異なる。さらに、絶縁体５２０を有さない点が、図２１Ａ、図２１Ｂに示す構成のトランジスタ５００と異なる。
図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２２Ｃに示す構成のトランジスタ５００Ａは、絶縁体５１２上に絶縁体５１３が設けられる。また、絶縁体５７４上、および絶縁体５１３上に絶縁体４０４が設けられる。
図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２２Ｃに示す構成のトランジスタ５００Ａでは、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、および絶縁体５７４がパターニングされており、絶縁体４０４がこれらを覆う構成になっている。つまり、絶縁体４０４は、絶縁体５７４の上面、絶縁体５７４の側面、絶縁体５８０の側面、絶縁体５４４の側面、絶縁体５２４の側面、絶縁体５２２の側面、絶縁体５１６の側面、絶縁体５１４の側面、絶縁体５１３の上面とそれぞれ接する。これにより、酸化物５３０等は、絶縁体４０４と絶縁体５１３によって外部から隔離される。
絶縁体５１３および絶縁体４０４は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）または水分子の拡散を抑制する機能が高いことが好ましい。例えば、絶縁体５１３および絶縁体４０４として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを用いることが好ましい。これにより、酸化物５３０に水素等が拡散することを抑制することができるので、トランジスタ５００Ａの特性低下を抑制できる。よって、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。
絶縁体５５２は、絶縁体５８１、絶縁体４０４、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５４４に接して設けられる。絶縁体５５２は、水素または水分子の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。たとえば、絶縁体５５２として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等の絶縁体を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンは水素バリア性が高い材料であるので、絶縁体５５２として用いると好適である。絶縁体５５２として水素バリア性が高い材料を用いることにより、水または水素等の不純物が、絶縁体５８０等から導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂを通じて酸化物５３０に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０に含まれる酸素が導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂに吸収されることを抑制することができる。以上により、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。
＜トランジスタの変形例２＞
図２３Ａ、図２３Ｂおよび図２３Ｃを用いて、トランジスタ５００Ｂの構成例を説明する。図２３Ａはトランジスタ５００Ｂの上面図である。図２３Ｂは、図２３Ａに一点鎖線で示すＬ１－Ｌ２部位の断面図である。図２３Ｃは、図２３Ａに一点鎖線で示すＷ１－Ｗ２部位の断面図である。なお、図２３Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素の記載を省略している。
トランジスタ５００Ｂはトランジスタ５００の変形例であり、トランジスタ５００に置き換え可能なトランジスタである。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５００Ｂのトランジスタ５００と異なる点について説明する。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａ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。
導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体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、導電体５６０の上面および側面と絶縁体５４５の側面を覆うように、絶縁体５４４を設けることが好ましい。なお、絶縁体５４４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。
絶縁体５４４を設けることで、導電体５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ５００Ｂへ拡散することを抑制することができる。
トランジスタ５００Ｂは、導電体５４２ａの一部と導電体５４２ｂの一部に導電体５６０が重なるため、トランジスタ５００よりも寄生容量が大きくなりやすい。よって、トランジスタ５００に比べて動作周波数が低くなる傾向がある。しかしながら、絶縁体５８０などに開口を設けて導電体５６０や絶縁体５４５などを埋めこむ工程が不要であるため、トランジスタ５００と比較して生産性が高い。
本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例などに示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、金属酸化物の一種である酸化物半導体について説明する。
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、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、マグネシウム、コバルトなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
＜結晶構造の分類＞
まず、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図２４Ａを用いて説明を行う。図２４Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。
図２４Ａに示すように、酸化物半導体は、大きく分けて「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ（結晶性）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」と、に分類される。また、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ」の中には、ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓが含まれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の中には、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ－ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、ｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、及びＣＡＣ（ｃｌｏｕｄ－ａｌｉｇｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）が含まれる。なお、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の分類には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓは除かれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌ」の中には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌが含まれる。
なお、図２４Ａに示す太枠内の構造は、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」との間の中間状態であり、新しい境界領域（Ｎｅｗ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈａｓｅ）に属する構造である。すなわち、当該構造は、エネルギー的に不安定な「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」や、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」とは全く異なる構造と言い換えることができる。
なお、膜または基板の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）スペクトルを用いて評価することができる。ここで、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」に分類されるＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＧＩＸＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ－Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ＸＲＤ）測定で得られるＸＲＤスペクトルを図２４Ｂに示す。なお、ＧＩＸＤ法は、薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ－Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。以降、図２４Ｂに示すＧＩＸＤ測定で得られるＸＲＤスペクトルを、単にＸＲＤスペクトルと記す。なお、図２４Ｂに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、図２４Ｂに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の厚さは、５００ｎｍである。
図２４Ｂに示すように、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、明確な結晶性を示すピークが検出される。具体的には、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、２θ＝３１°近傍に、ｃ軸配向を示すピークが検出される。なお、図２４Ｂに示すように、２θ＝３１°近傍のピークは、ピーク強度が検出された角度を軸に左右非対称である。
また、膜または基板の結晶構造は、極微電子線回折法（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって観察される回折パターン（極微電子線回折パターンともいう。）にて評価することができる。ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の回折パターンを、図２４Ｃに示す。図２４Ｃは、電子線を基板に対して平行に入射するＮＢＥＤによって観察される回折パターンである。なお、図２４Ｃに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、極微電子線回折法では、プローブ径を１ｎｍとして電子線回折が行われる。
図２４Ｃに示すように、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の回折パターンでは、ｃ軸配向を示す複数のスポットが観察される。
＜＜酸化物半導体の構造＞＞
なお、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、図２４Ａとは異なる分類となる場合がある。例えば、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、例えば、上述のＣＡＡＣ－ＯＳ、及びｎｃ－ＯＳがある。また、非単結晶酸化物半導体には、多結晶酸化物半導体、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体、などが含まれる。
ここで、上述のＣＡＡＣ－ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、及びａ－ｌｉｋｅ ＯＳの詳細について、説明を行う。
［ＣＡＡＣ－ＯＳ］
ＣＡＡＣ－ＯＳは、複数の結晶領域を有し、当該複数の結晶領域はｃ軸が特定の方向に配向している酸化物半導体である。なお、特定の方向とは、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の厚さ方向、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の被形成面の法線方向、またはＣＡＡＣ－ＯＳ膜の表面の法線方向である。また、結晶領域とは、原子配列に周期性を有する領域である。なお、原子配列を格子配列とみなすと、結晶領域とは、格子配列の揃った領域でもある。さらに、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ａ－ｂ面方向において複数の結晶領域が連結する領域を有し、当該領域は歪みを有する場合がある。なお、歪みとは、複数の結晶領域が連結する領域において、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指す。つまり、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向し、ａ－ｂ面方向には明らかな配向をしていない酸化物半導体である。
なお、上記複数の結晶領域のそれぞれは、１つまたは複数の微小な結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶）で構成される。結晶領域が１つの微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の最大径は１０ｎｍ未満となる。また、結晶領域が多数の微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の大きさは、数十ｎｍ程度となる場合がある。
また、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、スズ、チタンなどから選ばれた一種、または複数種）において、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム（Ｉｎ）、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。よって、（Ｍ，Ｚｎ）層にはインジウムが含まれる場合がある。また、Ｉｎ層には元素Ｍが含まれる場合がある。なお、Ｉｎ層にはＺｎが含まれる場合もある。当該層状構造は、例えば、高分解能ＴＥＭ像において、格子像として観察される。
ＣＡＡＣ－ＯＳ膜に対し、例えば、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定では、ｃ軸配向を示すピークが２θ＝３１°またはその近傍に検出される。なお、ｃ軸配向を示すピークの位置（２θの値）は、ＣＡＡＣ－ＯＳを構成する金属元素の種類、組成などにより変動する場合がある。
また、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の電子線回折パターンにおいて、複数の輝点（スポット）が観測される。なお、あるスポットと別のスポットとは、試料を透過した入射電子線のスポット（ダイレクトスポットともいう。）を対称中心として、点対称の位置に観測される。
上記特定の方向から結晶領域を観察した場合、当該結晶領域内の格子配列は、六方格子を基本とするが、単位格子は正六角形とは限らず、非正六角形である場合がある。また、上記歪みにおいて、五角形、七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリー）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属原子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。
なお、明確な結晶粒界が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトランジスタのオン電流の低下、電界効果移動度の低下などを引き起こす可能性が高い。よって、明確な結晶粒界が確認されないＣＡＡＣ－ＯＳは、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳを構成するには、Ｚｎを有する構成が好ましい。例えば、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、及びＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、結晶性が高く、明確な結晶粒界が確認されない酸化物半導体である。よって、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。また、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。従って、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、ＯＳトランジスタにＣＡＡＣ－ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。
［ｎｃ－ＯＳ］
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。別言すると、ｎｃ－ＯＳは、微小な結晶を有する。なお、当該微小な結晶の大きさは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることから、当該微小な結晶をナノ結晶ともいう。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶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－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定では、結晶性を示すピークが検出されない。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ナノ結晶よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ナノ結晶の大きさと近いかナノ結晶より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、ダイレクトスポットを中心とするリング状の領域内に複数のスポットが観測される電子線回折パターンが取得される場合がある。
［ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ］
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ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。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。また、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、膜中の水素濃度が高い。
＜＜酸化物半導体の構成＞＞
次に、上述のＣＡＣ－ＯＳの詳細について、説明を行う。なお、ＣＡＣ－ＯＳは材料構成に関する。
［ＣＡＣ－ＯＳ］
ＣＡＣ－ＯＳとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つまたは複数の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。
さらに、ＣＡＣ－ＯＳとは、第１の領域と、第２の領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、当該第１の領域が、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。つまり、ＣＡＣ－ＯＳは、当該第１の領域と、当該第２の領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。
ここで、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳを構成する金属元素に対するＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの原子数比のそれぞれを、［Ｉｎ］、［Ｇａ］、および［Ｚｎ］と表記する。例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳにおいて、第１の領域は、［Ｉｎ］が、ＣＡＣ－ＯＳ膜の組成における［Ｉｎ］よりも大きい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、ＣＡＣ－ＯＳ膜の組成における［Ｇａ］よりも大きい領域である。または、例えば、第１の領域は、［Ｉｎ］が、第２の領域における［Ｉｎ］よりも大きく、且つ、［Ｇａ］が、第２の領域における［Ｇａ］よりも小さい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、第１の領域における［Ｇａ］よりも大きく、且つ、［Ｉｎ］が、第１の領域における［Ｉｎ］よりも小さい領域である。
具体的には、上記第１の領域は、インジウム酸化物、インジウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。また、上記第２の領域は、ガリウム酸化物、ガリウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。つまり、上記第１の領域を、Ｉｎを主成分とする領域と言い換えることができる。また、上記第２の領域を、Ｇａを主成分とする領域と言い換えることができる。
なお、上記第１の領域と、上記第２の領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳでは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、Ｉｎを主成分とする領域（第１の領域）と、Ｇａを主成分とする領域（第２の領域）とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。
ＣＡＣ－ＯＳをトランジスタに用いる場合、第１の領域に起因する導電性と、第２の領域に起因する絶縁性とが、相補的に作用することにより、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳに付与することができる。つまり、ＣＡＣ－ＯＳとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。導電性の機能と絶縁性の機能とを分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。よって、ＣＡＣ－ＯＳをトランジスタに用いることで、高いオン電流（Ｉｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および良好なスイッチング動作を実現することができる。
酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ＣＡＣ－ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ－３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ－３以下、さらに好ましくは１×１０１３ｃｍ－３以下、より好ましくは１×１０１１ｃｍ－３以下、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ－３未満であり、１×１０－９ｃｍ－３以上である。なお、酸化物半導体膜のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。なお、キャリア濃度の低い酸化物半導体を、高純度真性又は実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ場合がある。
また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
＜不純物＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア濃度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。または、酸化物半導体において、窒素が含まれると、トラップ準位が形成される場合がある。この結果、トランジスタの電気特性が不安定となる場合がある。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中の窒素濃度を、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満にする。
不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例などに示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、無停電電源装置の一例を示す。図２５に示す無停電電源装置８７００は、内部に半導体装置８７０６と、組電池８７０７と、温度センサ８７１０と、表示装置８７０２と、を有する。温度センサ８７１０は組電池８７０７の近傍、あるいは接して設けられることが好ましい。また温度センサ８７１０は複数のセンサ素子を有してもよい。半導体装置８７０６として先の実施の形態で示した蓄電装置が有する半導体装置１０１を用いることができる。組電池８７０７として先の実施の形態で示した蓄電装置が有する組電池１２０を用いることができる。表示装置８７０２として先の実施の形態で示した蓄電装置が有する表示装置ＤＰ１を用いることができる。温度センサ８７１０として先の実施の形態で示した蓄電装置が有する温度センサＴＳ１を用いることができる。
無停電電源装置８７００の電源コード８７０１は、系統電源８７０３と電気的に接続する。系統電源８７０３には例えば商用電源からの電力が与えられる。また、無停電電源装置８７００の電源コード８７０８は、電源８７０９と電気的に接続する。電源８７０９には例えば太陽電池からの電力が与えられる。太陽電池は例えば、家屋の屋根等の屋外に設置される。無停電電源装置８７００は、精密機器８７０４と電気的に接続する。精密機器８７０４は、例えば、停電させたくないサーバー機器などを指している。無停電電源装置８７００が有する組電池８７０７は、複数の二次電池を直列または並列に接続し、所望の電圧（例えば８０Ｖ以上、１００Ｖまたは２００Ｖなど）としている。
本発明の一態様の蓄電装置を無停電電源装置に適用することにより、組電池の残量の計測を高めることができ、無停電電源装置の持続時間を長くすることができる。また、無停電電源装置の信頼性を高めることができる。また、無停電電源装置の寿命を長くすることができる。また、無停電電源装置が有する半導体装置の消費電力を低くすることができるため、無停電電源装置の持続時間を長くすることができる。また、半導体装置８７０６は組電池の過充電、過放電、過電流などの現象を検出し、充電の制御を行うため、安全性の高い無停電電源装置を提供することができる。
無停電電源装置８７００は例えば、住宅の床下に設置することができる。このような場合には、表示装置８７０２のみを床の上、例えば部屋の壁面に設置すればよい。無停電電源装置８７００は安全性が高いため、床下に設置するのに適している。
本発明の一態様の無停電電源装置は、図２６に示す様々な機器へ電源を供給することができる。
図２６に例示する据え付け型の照明装置８１００は、筐体８１０１および光源８１０２を有する。照明装置８１００は、商用電源から電力の供給を停止した場合には、無停電電源装置に蓄積された電力を用いることができる。あるいは、少量電源からの電力の供給と併用して、無停電電源装置を補助電源として用いてもよい。
また、光源８１０２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２６に例示するエアコンディショナーは、室内機８２００および室外機８２０４を有する。室内機８２００は、筐体８２０１および送風口８２０２を有する。エアコンディショナーは、商用電源から電力の供給を停止した場合には、無停電電源装置に蓄積された電力を用いることができる。あるいは、少量電源からの電力の供給と併用して、無停電電源装置を補助電源として用いてもよい。
図２６に例示する電気冷凍冷蔵庫８３００は、筐体８３０１、冷蔵室用扉８３０２および冷凍室用扉８３０３を有する。電気冷凍冷蔵庫８３００は、商用電源から電力の供給を停止した場合には、無停電電源装置に蓄積された電力を用いることができる。あるいは、少量電源からの電力の供給と併用して、無停電電源装置を補助電源として用いてもよい。
また、電子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、無停電電源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８３００の場合、気温が低く、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３の開閉が行われない夜間において、無停電電源に電力を蓄える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３の開閉が行われる昼間において、無停電電源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。
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態８）
本実施の形態では、車両に本発明の一態様の蓄電装置が搭載される例を示す。車両として例えば自動車、二輪車、自転車、等が挙げられる。
本発明の一態様の蓄電装置は、寿命が長く信頼性に優れる。また本発明の一態様の蓄電装置を用いることにより、電子機器、車両等の安全性を高めることができる。
以下には、本発明の一態様の蓄電装置を、車両に搭載する例について説明する。
蓄電装置を車両に搭載すると、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、又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を実現できる。
図２７Ａ、図２７Ｂ、図２７Ｃにおいて、本発明の一態様である蓄電装置を用いた車両を例示する。図２７Ａに示す自動車８４００は、走行のための動力源として電気モーターを用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モーターとエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。本発明の一態様を用いることで、航続距離の長い車両を実現することができる。自動車８４００は蓄蓄電装置を有する。蓄電装置は電気モーター８４０６を駆動するだけでなく、ヘッドライト８４０１やルームライト（図示せず）などの発光装置に電力を供給することができる。
また、蓄電装置は、自動車８４００が有するスピードメーター、タコメーターなどの表示装置に電力を供給することができる。また、蓄電装置は、自動車８４００が有するナビゲーションシステムなどに電力を供給することができる。
図２７Ｂに示す自動車８５００は、自動車８５００が有する蓄電装置８０２４にプラグイン方式や非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図２７Ｂに、地上設置型の充電装置８０２１から自動車８５００に搭載された蓄電装置８０２４に、ケーブル８０２２を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法やコネクターの規格等はＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）やコンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。充電装置８０２１は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源であってもよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により自動車８５００に搭載された蓄電装置８０２４を充電することができる。充電は、ＡＣＤＣコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。
また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時や走行時に蓄電装置の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。
また、図２７Ｃは、本発明の一態様の蓄電装置を用いた二輪車の一例である。図２７Ｃに示すスクータ８６００は、蓄電装置８６０２、サイドミラー８６０１、方向指示灯８６０３を備える。蓄電装置８６０２は、方向指示灯８６０３に電気を供給することができる。
また、図２７Ｃに示すスクータ８６００は、座席下収納８６０４に、蓄電装置８６０２を収納することができる。蓄電装置８６０２は、座席下収納８６０４が小型であっても、座席下収納８６０４に収納することができる。
また、図２８Ａは、本発明の一態様の蓄電装置を用いた電動自転車の一例である。図２８Ａに示す電動自転車８９００に、本発明の一態様の蓄電装置を適用することができる。
電動自転車８９００は、蓄電装置８９０２を備える。蓄電装置８９０２は、運転者をアシストするモーターに電気を供給することができる。また、蓄電装置８９０２は、持ち運びができ、図２８Ｂに自転車から取り外した状態を示している。また、蓄電装置８９０２は、本発明の一態様の蓄電装置が有する組電池８９０１が複数内蔵されており、そのバッテリー残量などを表示部８９０３で表示できるようにしている。また蓄電装置８９０２は、本発明の一態様の半導体装置８９０４を有する。半導体装置８９０４は、組電池８９０１の正極及び負極と電気的に接続されている。半導体装置８９０４として、先の実施の形態に示す半導体装置１０１を用いることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
（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。
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、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。
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。
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、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）、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）という表記を用いる。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圧とすると、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。
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。
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。
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。
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。
ＡＤ１：変換回路、ＡＤ２：アナログデジタル変換回路、ＢＧＬ２：配線、ＢＧＬ６：配線、ＢＫＣ１：回路、ＢＫＣ２：回路、ＢＫＣ１０：回路、ＢＫＣ２０：回路、Ｃ１：容量素子、Ｃ３：容量素子、Ｃ６：容量素子、ＣＢ１：容量素子、ＣＢ２：容量素子、ＣＢ１１：容量素子、ＣＢ１２：容量素子、ＣＲ１：電流計、ＤＰ１：表示装置、ＦＮ１：ノード、ＦＮ２：ノード、ＧＣＬＫ２：クロック信号、ＩＮＶ１１：インバータ回路、ＩＮＶ１２：インバータ回路、ＩＶ１：インバータ回路、Ｍ１：トランジスタ、Ｍ２：トランジスタ、Ｍ３：トランジスタ、Ｍ４：トランジスタ、Ｍ５：トランジスタ、Ｍ６：トランジスタ、Ｍ１１：トランジスタ、Ｍ１２：トランジスタ、ＭＡ１：トランジスタ、ＭＣ１：トランジスタ、ＭＣ２：トランジスタ、ＭＥ１：メモリ、ＭＥ２：メモリ、ＭｅｍＣ１：回路、ＭｅｍＣ２：回路、ＭＲ１：トランジスタ、ＭＷ１：トランジスタ、ＭＷ２：トランジスタ、ＭＷ１１：トランジスタ、ＭＷ１２：トランジスタ、ＮＢ１：ノード、ＮＥＴ１：ノード、ＮＥＴ２：ノード、ＮＫ１：ノード、ＮＲ１：ノード、ＯＵ１：端子、ＯＵ２：端子、ＰＣＣ１０：回路、ＰＲ１：保護回路、ＰＲ２：制御回路、ＰＳ１：端子、ＰＳＥ５：信号、ＰＳＥ６：信号、ＲＬ１：リレー回路、ＲＬ２：リレー回路、ＲＴＣ１０：回路、Ｓ１：端子、ＳＣ１：端子、ＳＥ７：スイッチ、ＳＨ１：サンプルホールド回路、ＳＨ２：サンプルホールド回路、ＳＭＣ２０：回路、ＳＮ１：ノード、ＳＮ２：ノード、ＳＮ３：ノード、ＳＷ１：制御回路、ＳＷ７：スイッチ、ＴＳ１：温度センサ、ＶＣ１：端子、ＶＨ１：電位、ＶＨ２：電位、ＶＨ３：電位、ＷＲ１：回路、１０：電源回路、１１：メモリセル、１２：ＭＷ、１５：メモリセル、１６：メモリセル、２０：処理装置、２０ａ：処理装置、２０ｂ：処理装置、２１：処理装置、３０：プロセッサコア、３１：記憶回路、３２：回路、３５：電源線、４０：キャッシュ、４１：メモリアレイ、４２：周辺回路、４３：制御回路、４５：メモリセル、５１：処理装置、５２：変換回路、５３：回路、５５：制御回路、６０：ＰＭＵ、６１：回路、６５：クロック制御回路、７０：ＰＳＷ、７１：ＰＳＷ、８０：端子、８１：端子、８２：端子、８３：端子、１００：蓄電装置、１０１：半導体装置、１１０：ＦＦ、１２０：組電池、１２１：電池セル、１２１ａ：増幅回路、１２１ｂ：増幅回路、１２２：組電池、１２２ａ：トランジスタ、１２２ｂ：トランジスタ、１２３ａ：容量素子、１２３ｂ：容量素子、１２６：抵抗素子、１３０：プロセッサコア、１３１：制御装置、１３２：プログラムカウンタ、１３３：パイプラインレジスタ、１３４：パイプラインレジスタ、１３５：レジスタファイル、１３６：ＡＬＵ、１３７：データバス、２００：記憶回路、２０２：キャッシュメモリ装置、２０３：キャッシュメモリ装置、２２０：メモリセル、２４０：ＮＯＳＲＡＭ、２４２：パワードメイン、２４３：パワードメイン、２４５：パワースイッチ、２４７：パワースイッチ、２５０：メモリセルアレイ、２５１：制御回路、２５２：行回路、２５３：列回路、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５１：ＤＯＳＲＡＭ、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６１：メモリセルアレイ、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６５：周辺回路、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７１：パワースイッチ、３７２：絶縁体、３７３：パワースイッチ、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４００：二次電池、４０１：正極キャップ、４０２：電池缶、４０４：絶縁体、４０８：組電池、４１３：導電板、４１４：導電板、４１５：蓄電装置、４１６：配線、４２０：半導体装置、４２１：配線、４２２：配線、４２３：配線、４２４：導電体、４２５：絶縁体、４２６：配線、４２７：温度センサ、５００：トランジスタ、５００Ａ：トランジスタ、５００Ｂ：トランジスタ、５０３：導電体、５０３ａ：導電体、５０３ｂ：導電体、５１０：絶縁体、５１２：絶縁体、５１３：絶縁体、５１４：絶縁体、５１６：絶縁体、５１８：導電体、５２０：絶縁体、５２２：絶縁体、５２４：絶縁体、５３０：酸化物、５３０ａ：酸化物、５３０ｂ：酸化物、５４０ａ：導電体、５４０ｂ：導電体、５４２：導電体、５４２ａ：導電体、５４２ｂ：導電体、５４３ａ：領域、５４３ｂ：領域、５４４：絶縁体、５４５：絶縁体、５４６：導電体、５４８：導電体、５５０：トランジスタ、５５２：絶縁体、５６０：導電体、５６０ａ：導電体、５６０ｂ：導電体、５７４：絶縁体、５８０：絶縁体、５８１：絶縁体、５８２：絶縁体、５８６：絶縁体、６００：容量、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、６１０：導電体、６１１：ＰＴＣ素子、６１２：導電体、６１３：安全弁機構、６２０：導電体、６３０：絶縁体、６４０：絶縁体、９３０：筐体、９３１：負極、９３２：正極、９３３：セパレータ、９５０：捲回体、９５１：端子、９５２：端子、８０２１：充電装置、８０２２：ケーブル、８０２４：蓄電装置、８１００：照明装置、８１０１：筐体、８１０２：光源、８２００：室内機、８２０１：筐体、８２０２：送風口、８２０４：室外機、８３００：電気冷凍冷蔵庫、８３０１：筐体、８３０２：冷蔵室用扉、８３０３：冷凍室用扉、８４００：自動車、８４０１：ヘッドライト、８４０６：電気モーター、８５００：自動車、８６００：スクータ、８６０１：サイドミラー、８６０２：蓄電装置、８６０３：方向指示灯、８６０４：座席下収納、８７００：無停電電源装置、８７０１：電源コード、８７０２：表示装置、８７０３：系統電源、８７０４：精密機器、８７０６：半導体装置、８７０７：組電池、８７０８：電源コード、８７０９：電源、８７１０：温度センサ、８９００：電動自転車、８９０１：組電池、８９０２：蓄電装置、８９０３：表示部、８９０４：半導体装置

Claims (1)

  1. 電池と、制御回路と、変換回路と、を有し、
    前記制御回路は、プロセッサコアを含む処理装置と、第１サンプルホールド回路と、第２サンプルホールド回路と、を有し、
    前記第１サンプルホールド回路は、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する第１トランジスタを有し、
    前記第２サンプルホールド回路は、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する第２トランジスタを有し、
    前記処理装置は、前記第１トランジスタのゲートおよび前記第２トランジスタのゲートに電気的に接続され、
    前記処理装置から前記第１トランジスタのゲートおよび前記第２トランジスタのゲートに信号を与え、前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタをオン状態とし、
    前記変換回路から前記電池に電圧を与え、
    前記第１トランジスタのソースおよびドレインの一方に前記電池の電圧のデータを与え、前記第２トランジスタのソースおよびドレインの一方に前記電池の電流のデータを電圧に変換して与え、
    前記処理装置から前記第１トランジスタのゲートおよび前記第２トランジスタのゲートに信号を与え、前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタをオフ状態とする蓄電装置の動作方法。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN218632195U (zh) * 2021-10-29 2023-03-14 比亚迪股份有限公司 采样装置、电池管理系统、电池包及车辆
US12525934B2 (en) * 2022-03-17 2026-01-13 Skyworks Solutions, Inc. Power amplifiers with broadband matching networks
JP7739636B2 (ja) * 2023-02-17 2025-09-16 長江存儲科技有限責任公司 チップの温度を制御するための方法および関連するチップ

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010122162A (ja) 2008-11-21 2010-06-03 Panasonic Corp 電源装置
JP2013201816A (ja) 2012-03-23 2013-10-03 Elenagic Inc 蓄電装置
JP2018142544A (ja) 2012-12-28 2018-09-13 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電システム
WO2019048985A1 (ja) 2017-09-06 2019-03-14 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電システム、車両、電子機器及び半導体装置
WO2020031016A1 (ja) 2018-08-10 2020-02-13 株式会社半導体エネルギー研究所 アンプ回路、ラッチ回路、及び検知装置
WO2020089725A1 (ja) 2018-11-02 2020-05-07 株式会社半導体エネルギー研究所 電源回路、および当該電源回路を備えた半導体装置
JP6922533B2 (ja) 2017-08-04 2021-08-18 株式会社デンソー 電圧検出装置
CN110082583B (zh) 2018-01-25 2024-05-24 瑞萨电子株式会社 半导体器件、负载驱动系统和检测电感器电流的方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5362942A (en) * 1993-08-24 1994-11-08 Interdigital Technology Corporation Battery heating system using internal battery resistance
JP2014143185A (ja) * 2012-12-28 2014-08-07 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 蓄電装置及びその充電方法
KR20170023813A (ko) * 2014-06-20 2017-03-06 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 반도체 장치
CN107005047B (zh) * 2015-02-04 2019-11-26 三菱电机株式会社 电源装置
JP2019047621A (ja) * 2017-09-01 2019-03-22 ミツミ電機株式会社 電源制御用半導体装置および電源装置並びにｘコンデンサの放電方法
JP7072424B2 (ja) * 2018-03-30 2022-05-20 本田技研工業株式会社 車両の電源システム
KR102930487B1 (ko) * 2018-12-20 2026-02-26 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 반도체 장치 및 전지 팩

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010122162A (ja) 2008-11-21 2010-06-03 Panasonic Corp 電源装置
JP2013201816A (ja) 2012-03-23 2013-10-03 Elenagic Inc 蓄電装置
JP2018142544A (ja) 2012-12-28 2018-09-13 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電システム
JP6922533B2 (ja) 2017-08-04 2021-08-18 株式会社デンソー 電圧検出装置
WO2019048985A1 (ja) 2017-09-06 2019-03-14 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電システム、車両、電子機器及び半導体装置
CN110082583B (zh) 2018-01-25 2024-05-24 瑞萨电子株式会社 半导体器件、负载驱动系统和检测电感器电流的方法
WO2020031016A1 (ja) 2018-08-10 2020-02-13 株式会社半導体エネルギー研究所 アンプ回路、ラッチ回路、及び検知装置
WO2020089725A1 (ja) 2018-11-02 2020-05-07 株式会社半導体エネルギー研究所 電源回路、および当該電源回路を備えた半導体装置

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