KR20210078485A - 이차 전지의 충전 제어 회로 및 이상 검지 시스템 - Google Patents

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KR20210078485A
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South Korea
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secondary battery
temperature
insulator
oxide
conductor
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Application number
KR1020217011166A
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무네히로 코즈마
타카유키 이케다
타카노리 마츠자키
케이 타카하시
마유미 미카미
순페이 야마자키
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

이차 전지의 이상 검지 시스템에 의하여 이차 전지의 이상을 검지하고, 예를 들어 이차 전지의 안전성을 저하시키는 현상을 조기에 검지하고 사용자에게 경고하거나 또는 이차 전지의 사용을 정지함으로써 안전성을 확보한다. 이차 전지의 온도가 정상 동작 가능한 온도 범위 내인지, 온도 센서로 취득한 온도 정보에 기초하여 이차 전지의 이상 검지 시스템으로 검지한다. 만약 이차 전지의 온도가 고온이 된 경우, 이차 전지의 이상 검지 시스템의 제어 신호에 의하여 냉각 장치를 구동한다. 이차 전지의 이상 검지 시스템은 적어도 기억 수단을 가지고, 기억 수단은 아날로그 신호를 유지하는 기능을 가지고, 산화물 반도체를 반도체층으로 하는 트랜지스터를 포함한다.

Description

이차 전지의 충전 제어 회로 및 이상 검지 시스템
본 발명의 일 형태는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명은 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 본 발명의 일 형태는 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 전력 저장 장치, 조명 장치, 전자 기기, 또는 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 형태는 차량, 또는 차량에 제공되는 차량용 전자 기기에 관한 것이다. 특히 이차 전지의 충전 제어 회로, 이차 전지의 충전 제어 방법, 이차 전지의 이상 검지 시스템, 및 이차 전지를 가지는 전자 기기에 관한 것이다.
또한 본 명세서 중에서, 전력 저장 장치란 축전 기능을 가지는 소자 및 장치 전반을 가리키는 것이다. 예를 들어 리튬 이온 이차 전지 등의 이차 전지, 리튬 이온 커패시터, 전고체 전지, 및 전기 이중층 커패시터 등을 포함한다.
근년, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 이온 커패시터, 공기 전지 등 다양한 전력 저장 장치의 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 고출력, 고에너지 밀도인 리튬 이온 이차 전지는 휴대 전화나 스마트폰, 태블릿, 또는 노트북형 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말기, 휴대 음악 플레이어, 디지털 카메라, 의료 기기, 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차 등, 반도체 산업의 발전에 따라 그 수요가 급속히 확대되면서, 충전 가능한 에너지의 공급원으로서 현대 정보화 사회에 필요 불가결한 것으로 되고 있다.
휴대 정보 단말기나 전기 자동차 등에 있어서는, 복수의 이차 전지를 직렬 접속 또는 병렬 접속하여 보호 회로를 제공하고, 전지 팩(조전지(assembled battery)라고도 함)으로서 사용된다. 전지 팩이란 이차 전지의 취급을 용이하게 하기 위하여 복수의 이차 전지를 소정의 회로와 함께 용기(금속 캔, 필름 외장체) 내부에 수납한 것을 가리킨다. 동작 상태를 관리하기 위하여 전지 팩에는 ECU(Electronic Control Unit)가 제공된다.
또한 전기 자동차는 전동 모터만을 구동부로 하는 차량이지만, 엔진 등의 내연 기관과 전동 모터를 모두 구비한 하이브리드 자동차도 있다. 자동차에 사용되는 이차 전지도, 복수 개를 하나의 전지 팩으로 하고, 이차 전지 복수가 한 세트가 되어 있는 전지 팩이 자동차의 하부에 배치된다.
또한, 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 사용하는 이차 전지는 충전 횟수, 방전 심도, 충전 전류, 충전하는 환경(환경 온도 변화) 등에 따라 열화가 발생된다. 사용자의 사용법에도 의존하여 충전 시의 환경 온도나, 급속 충전의 빈도나, 회생 브레이크에 의한 충전량이나, 회생 브레이크에 의한 충전 타이밍 등도 열화에 관련될 가능성이 있다.
특허문헌 1에는 센서에 의하여 이차 전지의 전지 잔량, 전압, 전류, 온도 등의 상태를 측정할 수 있다는 기재가 있다.
일본 공개특허공보 특개2014-143190호
전기 자동차는 동작 상태나 환경에 의존하여 온도 변화가 일어나기 쉽기 때문에, 온도에 대한 안전 대책이 필요하다. 전기 자동차에 탑재되는 부품 중에서도 이차 전지는 전기 자동차의 동력원으로서 가장 중요한 기능을 가진다. 한편, 리튬을 사용하는 이차 전지가 정상적으로 동작할 수 있는 온도 범위(-20℃ 이상 60℃ 이하)는 전기 자동차가 사용되는 환경 온도(-50℃ 이상 100℃ 이하)에 대하여 허용 범위가 좁다는 문제가 있다.
환경 온도가 정상 범위에서 벗어나면 이차 전지의 충방전 성능이나 수명에 큰 영향을 미칠 가능성이 있기 때문에, 가능한 한 일정한 환경 온도에서 사용되는 것이 요구된다. 주변 환경의 문제뿐만 아니라, 이차 전지는 충방전에 의하여 대량의 전류가 흐르는 것으로 인하여도 이차 전지 자체의 온도가 상승된다.
이차 전지는 환경 온도가 높은 상태에서 내부의 화학 반응이 발생하면 열화가 진행되기 쉽다는 문제가 있다. 또한, 환경 온도가 -50℃에 도달하는 극한지(極寒地)에서는 이차 전지 내의 액체 성분이 동결됨으로써 방전이 일어나지 않아, 이차 전지로서의 기능을 잃는다는 문제가 있다.
극한지가 아니어도 전기 자동차가 사용되는 환경 온도가 낮으면 리튬 이온 이차 전지는 용량이 저하되고, 온도가 낮을수록 내부 저항이 상승되어 출력 전압이 낮아진다. 또한, 환경 온도가 낮을 때에 충전을 수행하면 리튬 금속의 전기석출이 발생되고 급속한 열화를 초래할 우려가 있다.
그러므로, 이차 전지의 이상 검지 시스템에 의하여 이차 전지의 이상을 검지하고, 예를 들어 이차 전지의 안전성을 저하시키는 현상을 조기에 검지하고, 사용자에게 경고하거나, 또는 이차 전지의 사용을 정지함으로써 안전성을 확보하는 것을 과제 중 하나로 한다.
이차 전지를 탑재한 전기 자동차는 이차 전지의 잔량의 정보에 기초하여 운전자(또는 탑승자)가 주행할 수 있는 거리를 알 수 있고, 주행할 수 있는 거리의 추정을 정확하게 실시간으로 수행하는 것이 요구된다. 또한 흔하지 않지만, 이차 전지의 기능 정지로 이어지는 이차 전지의 이상이 갑자기 생길 수도 있고, 종래에서 그 이상을 예견하는 것은 어려운 것이었다. 본 발명의 일 형태는 전기 자동차의 이차 전지의 잔량이나 내부 저항을 산출하고, 이상 특성을 나타낸 이차 전지에 있어서, 경고 또는 사용 정지를 수행하거나, 또는 이차 전지의 교환, 또는 충전 조건의 변경을 수행하는 이차 전지의 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 형태는 신규 전지 관리 회로, 전력 저장 장치, 및 전자 기기 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
이차 전지의 온도가 정상적인 동작이 가능한 온도 범위 내에 있는지, 온도 센서로 취득한 온도 정보에 기초하여 이차 전지의 이상 검지 시스템이 검지하고, 사용자에게 보고한다. 만약 이차 전지의 온도가 고온이 된 경우, 이차 전지의 이상 검지 시스템의 제어 신호에 의하여 냉각 장치를 구동한다. 만약 이차 전지의 온도가 고온이 된 경우, 경고음을 발함으로써 전기 자동차의 시스템 이상이 발생할 위험이 닥치고 있다는 것을 사용자에게 알린다. 또한, 이차 전지의 온도가 저온이 되는 경우, 온도가 더 낮아져 동결되기 전에 가열 장치를 구동하고, 이차 전지의 온도를 상승시킨다.
상기 이차 전지의 이상 검지 시스템은 적어도 기억 수단을 가지고, 기억 수단은 아날로그 신호를 유지하는 기능을 가지고, 산화물 반도체를 반도체층으로 하는 트랜지스터를 포함한다. 산화물 반도체를 반도체층으로 하는 트랜지스터를 사용함으로써, 저소비 전력을 실현한 이상 검지 시스템으로 할 수 있다.
본 명세서에서 개시(開示)하는 이차 전지의 충전 제어 회로는 이차 전지의 온도를 검출하는 온도 센서와, 온도 센서로부터 아날로그 신호가 입력되고 펄스 신호를 생성하는 제 1 온도 비교 회로 및 제 2 온도 비교 회로와, 제 1 온도 비교 회로로 설정한 2개의 온도 범위 내에서 동작하는 이차 전지의 가열 장치와, 제 2 온도 비교 회로로 설정한 2개의 온도 범위 내에서 동작하는 이차 전지의 냉각 장치를 가진다.
상기 구성에 있어서, 제 1 온도 비교 회로 또는 제 2 온도 비교 회로는 2개의 문턱값을 가지는 콤퍼레이터를 포함한다.
상기 구성에 있어서, 이차 전지의 충전 제어 회로는 이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치의 온 오프를 제어한다.
상기 구성에 있어서, 이차 전지의 충전 제어 회로는 적어도 기억 수단을 가지고, 기억 수단은 아날로그 신호를 유지하는 기능을 가지고, 산화물 반도체를 반도체층으로 하는 트랜지스터를 포함한다.
또한, 다른 발명의 구성으로서 본 명세서에서 개시하는 이차 전지의 충전 제어 회로는 이차 전지의 온도를 검출하는 온도 센서와, 온도 센서로부터 아날로그 신호가 입력되고 펄스 신호를 생성하는 온도 비교 회로와, 온도 비교 회로로 설정한 온도 범위 내에서 동작하는 음향 장치와, 기억 수단을 가지고, 온도 비교 회로는 2개의 문턱값을 가지는 콤퍼레이터를 포함하고, 기억 수단은 아날로그 신호를 유지하는 기능을 가지고, 산화물 반도체를 반도체층으로 하는 트랜지스터를 포함한다.
상기 각 구성에 있어서 이차 전지의 충전 제어 회로는 인쇄 기판 위에 제공되는 이차 전지의 충전 제어 회로이다.
또한, 개시하는 이차 전지의 이상 검지 시스템의 구성은 이차 전지의 온도 조절 장치가 어떤 온도 범위 내에서만 구동되도록 충전 제어 회로로 설정하는 단계와, 이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치를 오프로 하여 이차 전지의 충전을 수행하는 단계와, 이차 전지의 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와, 이차 전지의 온도가 설정된 온도 범위의 상한에 도달하였을 때 이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치를 온으로 하여 충전을 정지하는 단계와, 이차 전지의 온도가 설정된 온도 범위 내, 즉 상한의 온도 미만이 되도록 온도 조절 장치를 구동시켜 이차 전지의 온도를 저하시키는 단계를 가진다.
또한, 개시하는 이차 전지의 이상 검지 시스템의 구성은 이차 전지의 온도 조절 장치가 어떤 온도 범위 내에서만 구동되도록 충전 제어 회로로 설정하는 단계와, 이차 전지의 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와, 이차 전지의 온도가 설정된 온도 범위 외(하한 온도 이하의 온도 또는 상한 온도 이상)가 되면 음향 장치가 기동하여 경보를 발하는 단계를 가진다.
상기 구성에 있어서, 경보를 발하는 온도 범위는 45℃ 이상 60℃ 이하, 또는 -50℃ 이상 10℃ 이하이다.
상기 온도 범위는 전기 자동차 등의 외기온이 아니라, 이차 전지의 외장체 주변의 온도를 가리킨다. 외장체(래미네이트 필름이나 밀봉캔을 포함함)는 방열성이 높은 재료로 구성되는 경우가 많고, 외장체의 두께가 1mm 이하로 얇은 경우에는 외장체 표면의 온도가 이차 전지 내부의 온도와 거의 같다고 간주할 수 있다. 또한, 이차 전지의 내부 구성, 리드선의 배치, 밀봉 방법에 따라서는 온도가 국소적으로 상승되기 쉬운 부분도 생길 우려가 있다. 이차 전지의 온도 센서는 온도 상승이 쉬운 부분에 제공하는 것이 바람직하다.
또한 개시하는 이차 전지의 이상 검지 시스템의 다른 구성은, 이차 전지의 온도 조절 장치가 어떤 온도 범위 내에서만 구동되도록 충전 제어 회로로 설정하는 단계와, 이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치를 오프로 하여 이차 전지의 충전을 수행하는 단계와, 이차 전지의 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와, 이차 전지의 온도가 설정된 온도 범위의 하한에 도달하였을 때 이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치를 온으로 하여 충전을 정지하는 단계와, 이차 전지의 온도가 설정된 온도 범위 내, 하한 온도보다 높은 온도가 되도록 온도 조절 장치를 구동시켜 이차 전지의 온도를 상승시키는 단계를 가진다.
본 명세서에서 개시하는 이차 전지의 이상 검지 시스템에 의하여 이차 전지의 이상을 검지하고, 예를 들어 이차 전지의 안전성을 저하시키는 현상을 예견하고, 사용자에게 경고하거나 또는 이차 전지의 동작 조건을 변경함으로써 안전성을 확보한다.
또한, 본 명세서에서 개시하는 이차 전지의 이상 검지 시스템에 의하여 이차 전지의 온도 이상을 검지하고, 사용자에게 주의를 촉구하기 위하여 경고함으로써, 심각한 사태를 회피할 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 이차 전지의 이상 검지 시스템에 의하여 전기 자동차가 사용되는 환경에 있어서 정상적으로 동작할 수 있는 온도 범위를 넓힐 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태를 나타내는 블록도이다.
도 2의 (A), (B)는 본 발명의 일 형태를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 형태를 나타내는 블록도이다.
도 4의 (A)는 본 발명의 일 형태를 나타내는 전기 자동차의 블록도이고, 도 4의 (B)는 이차 전지의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 형태를 나타내는 블록도이다.
도 6의 (A), (B), (C), (D), (E), (F), (G)는 메모리의 회로 구성예를 설명하는 도면이다.
도 7은 트랜지스터의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 8은 트랜지스터의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 9의 (A), (B), (C)는 트랜지스터의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 형태를 나타내는 블록도이다.
도 11의 (A), (B), (C)는 이동체의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12의 (A), (B)는 이차 전지의 일례를 나타내는 사시도이고, 도 12의 (C)는 이차 전지의 충전 시의 모델도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 사용하여 자세히 설명한다. 다만 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은, 통상의 기술자라면 용이하게 이해된다. 또한 본 발명은 이하에 기재된 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
온도를 제어하는 이차 전지(이하에서는 배터리라고도 부름)의 이상 검지 시스템 BTOS(Battery operating system 또는 Battery oxide semiconductor)(BMS: 배터리 매니지먼트 시스템)의 전체 블록도를 도 1에 도시하였다.
도 1에 있어서, 차량(140)은 전기 자동차의 이상 검지 시스템의 다른 부분을 나타낸 것이고, 충전 제어 회로 이외의 제어 회로나 공기 조절 설비 등을 포함한다.
이상 검지 시스템(110)은 적어도 충전 제어 회로나 기억 수단을 가진다.
제 1 배터리(121)는 온도 센서(122)로 온도가 측정되고, 이상 검지 시스템(110)으로 온도 관리된다. 충전 중에 있어서, 온도가 높아져 허용 범위를 넘을 것 같은 경우에는 이상 검지 시스템(110)으로부터 전류 차단 스위치(123)에 제어 신호가 입력되어 충전을 정지한다. 또한, 온도가 높아져 허용 범위를 넘을 것 같은 경우에는 이상 검지 시스템(110)으로부터 냉각 장치(131)에 지시 신호가 입력되고, 제 1 배터리(121)의 온도를 저하시킨다. 또한, 온도가 낮아져 허용 범위를 밑돌 것 같은 경우에는 이상 검지 시스템(110)으로부터 가열 장치(132)에 지시 신호가 입력되고, 제 1 배터리(121)의 온도를 상승시킨다. 이차 전지의 온도 제어 장치(130)는 냉각 장치(131) 및 가열 장치(132)를 포함한다.
또한 이상 검지 시스템(110)은 구체적으로는 인쇄 기판 등에 제공된 복수의 IC(CPU 등) 등의 집합체를 가리킨다.
이상 검지 시스템(110)은 제 1 배터리의 온도 관리를 아날로그 신호 처리 또는 디지털 신호 처리로 수행한다.
온도 검출을 아날로그 신호로 처리하는 경우, 도 2의 (A)에 도시된 바와 같이 온도 검출 회로(111)는 온도 센서의 출력 신호(온도 정보)를 아날로그 신호 그대로 배터리의 온도 상태를 검출할 수 있다. 배터리의 온도 데이터는 온도 센서로부터(From 온도 센서) 아날로그 데이터로서 이상 검지 시스템(110)에 입력되고, 디지털 신호의 온도 제어 신호로서 온도 제어 장치에(To 온도 제어 장치) 출력된다.
온도 센서(122)에서는 예를 들어 도 6의 (C)에 도시한 기억 소자(430)를 포함하는 회로에 의한 온도 검출을 이용할 수 있다. 산화물 반도체는 온도가 상승되면 저항값이 작아지는 성질을 가진다. 이 성질을 이용하여 환경 온도를 전위로 변환할 수 있다. 도 6의 (C)에 도시한 기억 소자(430)를 사용하는 경우, 우선 트랜지스터(M1)를 온 상태로 하여 배선(BL)에 0V를 공급하고 노드(ND)에 0V를 기록한다. 다음으로, 배선(BL)에 VDD를 공급하고, 일정 시간 후에 트랜지스터(M1)를 오프 상태로 한다. 산화물 반도체는 온도에 따라 저항값이 변화된다. 따라서, 측정 시의 환경 온도에 대응한 전위("환경 온도 정보"라고도 함)가 노드(ND)에 유지된다. 또한, 환경 온도가 높을수록 노드(ND)에 유지되는 전위가 높아진다.
이와 같이, 기억 소자(430)는 온도 센서로서 기능할 수 있다.
또한, 온도 센서(122)는 기억 소자(430)를 사용하지 않아도 온도에 의존한 특성을 나타내는 서미스터를 사용할 수 있다. 서미스터로서는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터, PTC(Positive Temperature Coefficient) 서미스터 등을 사용할 수 있다.
보호 회로(112)에 입력되는 배터리 전압은 아날로그 전위로 공급되고, 예를 들어 콤퍼레이터를 사용하여 과충전, 과방전, 과충전 전류, 과방전 전류 등의 이상 동작을 감시한다. 만약 이상을 검출한 경우에는, 스위치 제어 신호는 전원 차단 스위치를 오프(비도통)로 하기 위한 논리가 된다.
또한, 온도 검출을 디지털 신호로 처리하는 경우, 도 2의 (B)에 도시된 바와 같이 ADC(113)는 배터리 온도(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 온도 검출 연산 회로(114)는 온도 제어 장치(130)를 동작시키기 위한 제어 신호를 입력된 디지털 신호를 연산(판별, 검지)함으로써 생성, 출력한다. 예를 들어, 온도 제어 신호로서 온도 제어 장치의 ON/OFF 제어를 짧은 간격으로 실시하는 것을 목적으로 한 펄스 신호를 생성함으로써, 배터리 온도를 미조정하거나 간헐적으로 제어할 수 있다. 온도 검출 연산 회로(114)로서는 예를 들어 마이크로컨트롤러를 이용할 수 있다. 또한, 마이크로컨트롤러란, 연산 등의 알고리듬을 실행할 수 있는 프로그램을 마이크로 컴퓨터 또는 마이크로프로세서로 이식한 것을 가리킨다.
예를 들어, 온도 검출(111)은 도 3에 도시된 바와 같은 히스테리시스 콤퍼레이터를 사용함으로써 ON/OFF 제어를 위한 펄스 신호를 생성할 수 있다. 히스테리시스 콤퍼레이터는 전위의 비교에 2개의 문턱값을 가진다. 고온 설정(고), 고온 설정(저), 저온 설정(고), 저온 설정(저)의 각각의 전위는 온도에 대응하는 전위를 외부로부터 공급하여도 좋다. 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터와 용량 소자로 구성된 메모리 회로에 각각의 전위를 유지하고, 공급을 외부로부터 항상 수행하지 않아도 되는 구성으로 하여도 좋다. 이 메모리 회로의 구성예는 도 6에 도시하였다. 또한, 이 메모리 회로를 포함하는 회로, 또는 상기 이상 검지 시스템(110)을 BTOS(Battery operating system 또는 Battery oxide semiconductor) 또는 BMS(배터리 매니지먼트 시스템)로 부르는 경우가 있다.
온도 제어의 동작으로서는, 배터리 온도의 전위가 저온 설정(저)을 밑돌면 히스테리시스 콤퍼레이터로부터 출력되는 온도 제어 신호(가열)가 ON 신호로서 출력된다. 그 후, 가열됨으로써 배터리 온도의 전위가 저온 설정(고)을 웃돌면 히스테리시스 콤퍼레이터로부터 출력되는 온도 제어 신호(가열)가 OFF 신호로서 출력된다.
구체적으로는, 예를 들어 저온 설정(저)을 온도 0℃로 설정하고, 가열을 ON으로 하고, 저온 설정(고)을 온도 5℃로 설정하고, 가열을 OFF로 하도록 문턱값을 설정함으로써, 항상 계속 동작하는 것이 아니라, 필요할 때에만 온도 제어 동작을 하는 것으로 억제할 수 있기 때문에, 낮은 소비 전력으로 구동할 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 배터리의 이상 검지 시스템에 의하여, 전기 자동차가 사용되는 환경에 있어서 정상적으로 동작할 수 있는 온도 범위를 넓힐 수 있다. 환경 온도가 변화되어도 배터리의 이상 검지 시스템에 의하여 배터리의 온도를 조절함으로써 정상적으로 전기 자동차를 구동할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 도 4의 (A)를 사용하고, 전기 자동차(EV)에 적용하는 예를 나타낸다.
전기 자동차에는, 주된 구동용 이차 전지로서 제 1 배터리(121)와, 모터(204)를 시동시키는 인버터(212)에 전력을 공급하는 제 2 배터리(211)가 설치되어 있다. 본 실시형태에서는 배터리 컨트롤러(202)가 온도 센서(122), 전류 차단 스위치(123), 및 제 1 배터리(121)를 적어도 포함하는 배터리 모듈(120)을 감시한다. 배터리 모듈(120)을 전지 팩이라고도 부를 경우가 있다.
제 1 배터리(121)는 주로 42V계(고전압계)의 차재(車載) 기기에 전력을 공급하고, 제 2 배터리(211)는 14V계(저전압계)의 차재 기기에 전력을 공급한다. 제 2 배터리(211)에는 납축전지가 비용 면에서 유리하기 때문에 자주 채용된다. 납축전지는 리튬 이온 이차 전지에 비하여 자기 방전이 커, 설페이션이라고 불리는 현상으로 인하여 열화되기 쉽다는 결점이 있다. 제 2 배터리(211)를 리튬 이온 이차 전지로 함으로써 메인터넌스가 불필요하게 된다는 장점이 있지만, 장기간의 사용, 예를 들어 3년 이상이 되면 제조 시에는 판별할 수 없는 이상이 발생할 우려가 있다. 특히 인버터를 기동하는 제 2 배터리(211)가 동작 불능이 되었을 때 제 1 배터리(121)에 잔용량이 있어도 모터를 기동시킬 수 없게 되는 것을 방지하기 위하여, 제 2 배터리(211)가 납축전지인 경우는 제 1 배터리로부터 제 2 배터리에 전력을 공급하고 항상 만충전 상태가 유지되도록 충전되어 있다.
본 실시형태에서는 제 1 배터리(121)에 리튬 이온 이차 전지를 사용하는 일례를 나타낸다. 제 2 배터리(211)로서는 납축전지나 전고체 전지를 사용한다.
원통형 이차 전지의 예에 대하여 도 12의 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한다. 원통형 이차 전지(616)는 도 12의 (B)에 도시된 바와 같이, 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(601)을 가지고, 측면 및 밑면에 전지 캔(외장 캔)(602)을 가진다. 이들 양극 캡과 전지 캔(외장 캔)(602)은 개스킷(절연 패킹)(610)에 의하여 절연된다.
도 12의 (B)는 원통형 이차 전지의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다. 중공 원통형 전지 캔(602)의 안쪽에는, 띠 모양의 양극(604)과 음극(606)이 세퍼레이터(605)를 사이에 개재(介在)하여 권회된 전지 소자가 제공된다. 도시하지 않았지만, 전지 소자는 센터 핀을 중심으로 권회되어 있다. 전지 캔(602)은 한쪽 단부가 닫혀 있고, 다른 쪽 단부가 열려 있다. 전지 캔(602)에는 전해액에 대하여 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 타이타늄 등의 금속, 또는 이들의 합금이나, 이들과 다른 금속의 합금(예를 들어, 스테인리스강 등)을 사용할 수 있다. 또한, 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여 니켈이나 알루미늄 등으로 피복하는 것이 바람직하다. 전지 캔(602)의 내측에서, 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 권회된 전지 소자는 대향하는 한 쌍의 절연판(608, 609) 사이에 끼워진다. 또한, 전지 소자가 제공된 전지 캔(602)의 내부는 비수전해액(미도시)이 주입된다. 이차 전지는 코발트산 리튬(LiCoO2)이나 인산 철 리튬(LiFePO4) 등의 활물질을 포함한 양극과, 리튬 이온의 흡장·방출이 가능한 흑연 등의 탄소 재료로 이루어지는 음극과, 에틸렌 카보네이트나 다이에틸 카보네이트 등의 유기 용매에 LiBF4나 LiPF6 등의 리튬염으로 이루어지는 전해질을 용해시킨 비수 전해액 등으로 구성된다.
원통형 이차 전지에 사용하는 양극 및 음극은 권회되기 때문에, 집전체의 양면에 활물질을 형성하는 것이 바람직하다. 양극(604)에는 양극 단자(양극 집전 리드)(603)가 접속되고, 음극(606)에는 음극 단자(음극 집전 리드)(607)가 접속된다. 양극 단자(603) 및 음극 단자(607)에는 둘 다 알루미늄 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. 양극 단자(603)는 안전 밸브 기구(617)에, 음극 단자(607)는 전지 캔(602)의 바닥에 각각 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(617)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(611)를 통하여 양극 캡(601)과 전기적으로 접속된다. 안전 밸브 기구(617)는 전지의 내압 상승이 소정의 문턱값을 초과한 경우에, 양극 캡(601)과 양극(604) 사이의 전기적인 접속을 절단하는 것이다. 또한, PTC 소자(611)는 온도가 상승한 경우에 저항이 증대되는 열감 저항 소자이며, 저항의 증대에 따라 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것이다. PTC 소자에는 타이타늄산 바륨(BaTiO3)계 반도체 세라믹 등을 사용할 수 있다.
전해액을 사용하는 리튬 이온 이차 전지는, 양극과, 음극과, 세퍼레이터와, 전해액과, 외장체를 가진다. 또한 리튬 이온 이차 전지에서는, 충전과 방전에 있어서 애노드(양극)와 캐소드(음극)가 바뀌고 산화 반응과 환원 반응이 바뀌게 되기 때문에, 반응 전위가 높은 전극을 양극이라고 부르고, 반응 전위가 낮은 전극을 음극이라고 부른다. 따라서 본 명세서에서는 충전 중이어도, 방전 중이어도, 역 펄스 전류를 흘리는 경우에도, 충전 전류를 흘리는 경우에도, 양극은 '양극' 또는 '+극(플러스극)'이라고 부르고, 음극은 '음극' 또는 '-극(마이너스극)'이라고 부르기로 한다. 산화 반응이나 환원 반응에 관련된 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어를 사용하면, 충전 시와 방전 시에서 반대가 되어 혼란을 일으킬 가능성이 있다. 따라서 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어는 본 명세서에서는 사용하지 않는 것으로 한다. 만약에 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어를 사용하는 경우에는, 충전 시인지 방전 시인지를 명기하고, 양극(플러스극)과 음극(마이너스극) 중 어느 쪽에 대응하는 것인지에 대해서도 병기하는 것으로 한다.
도 12의 (C)에 도시된 2개의 단자에는 충전기가 접속되고, 축전지(1400)가 충전된다. 축전지(1400)의 충전이 진행되면, 전극 간의 전위차는 커진다. 도 12의 (C)에서는 축전지(1400) 외부의 단자로부터 양극(1402) 쪽으로 흐르고, 축전지(1400) 내에서 양극(1402)으로부터 음극(1404) 쪽으로 흐르고, 음극으로부터 축전지(1400) 외부의 단자 쪽으로 흐르는 전류의 방향을 양의 방향으로 한다. 즉 충전 전류가 흐르는 방향을 전류의 방향으로 한다. 축전지(1400)는 양극(1402)과 음극(1404) 사이에 전해액(1406)을 가지고, 세퍼레이터(1408)를 가진다.
본 실시형태에서는 리튬 이온 이차 전지의 예를 나타내지만 리튬 이온 이차 전지에 한정되지 않고, 이차 전지의 양극 재료로서 예를 들어 원소 A, 원소 X, 및 산소를 가지는 재료를 사용할 수 있다. 원소 A는 1족 원소 및 2족 원소에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 1족 원소로서 예를 들어 리튬, 소듐, 포타슘 등의 알칼리 금속을 사용할 수 있다. 또한 2족 원소로서 예를 들어 칼슘, 베릴륨, 마그네슘 등을 사용할 수 있다. 원소 X로서 예를 들어 금속 원소, 실리콘, 및 인에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한 원소 X는 코발트, 니켈, 망가니즈, 철, 및 바나듐에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 대표적으로는 망가니즈산 리튬이나 리튬 코발트 복합 산화물(LiCoO2)이나, 인산 철 리튬(LiFePO4)을 들 수 있다.
음극은 음극 활물질층 및 음극 집전체를 가진다. 또한 음극 활물질층은 도전 조제 및 바인더를 가져도 좋다.
음극 활물질로서, 리튬과의 합금화·탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응을 수행할 수 있는 원소를 사용할 수 있다. 예를 들어 실리콘, 주석, 갈륨, 알루미늄, 저마늄, 납, 안티모니, 비스무트, 은, 아연, 카드뮴, 인듐 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 이러한 원소는, 탄소에 비하여 용량이 크고, 특히 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g로 높다.
또한 이차 전지는 세퍼레이터를 가지는 것이 바람직하다. 세퍼레이터로서는 예를 들어, 종이를 비롯한 셀룰로스를 가지는 섬유, 부직포, 유리 섬유, 세라믹, 또는 나일론(폴리아마이드), 바이닐론(폴리바이닐 알코올계 섬유), 폴리에스터, 아크릴, 폴리올레핀, 폴리우레탄을 사용한 합성 섬유 등으로 형성된 재료를 사용할 수 있다.
또한, 타이어(216)의 회전에 의한 회생 에너지는 기어(205)를 통하여 모터(204)에 보내지고, 모터 컨트롤러(203)나 배터리 컨트롤러(202)로부터 제 2 배터리(211)에 충전되거나 또는 제 1 배터리(121)에 충전된다.
또한, 제 1 배터리(121)는 주로 모터(204)를 회전시키기 위하여 사용되지만, DCDC 회로(206)를 통하여 42V계의 차재 부품(제 1 배터리(121)의 냉각 장치(131), 제 1 배터리(121)의 가열 장치(132), 전동 파워 스티어링, 디포거 등)에 전력을 공급한다. 뒷바퀴에 리어 모터를 가지는 경우에도, 제 1 배터리(121)가 리어 모터를 회전시키기 위하여 사용된다.
또한, 제 2 배터리(211)는 DCDC 회로(210)를 통하여 14V계의 차재 부품(음향 제어 장치(151), 오디오 스피커, 자동 개폐창, 램프류 등)에 전력을 공급한다.
또한, 제 1 배터리(121)는 복수의 이차 전지로 구성된다. 예를 들어, 도 12의 (A)에 도시된 원통형 이차 전지(616)를 사용한다. 도 4의 (B)에 도시된 바와 같이, 원통형 이차 전지(616)를 도전판(613) 및 도전판(614) 사이에 끼워 전지 팩을 구성하여도 좋다. 도 4의 (B)에서는 이차 전지 사이에 스위치를 도시하지 않았다. 복수의 이차 전지(616)는 병렬 접속되어도 좋고, 직렬 접속되어도 좋고, 병렬로 접속된 후, 직렬로 접속되어도 좋다. 복수의 이차 전지(616)를 가지는 전지 팩을 구성함으로써, 큰 전력을 추출할 수 있다.
차재의 이차 전지에서는, 복수의 이차 전지로부터의 전력을 차단하기 위하여 공구를 사용하지 않고 고전압을 차단할 수 있는 서비스 플러그 또는 서킷 브레이커가 포함되고, 제 1 배터리(121)에 제공된다. 예를 들어 2개 내지 10개의 셀을 가지는 전지 팩을 48개 직렬로 접속하는 경우에는 24개째와 25개째 사이에 서비스 플러그 또는 서킷 브레이커가 포함된다.
도 11에 본 발명의 일 형태인 이차 전지의 이상 검지 시스템을 사용한 차량을 예시하였다. 도 11의 (A)에 도시된 자동차(8400)의 이차 전지(8024)는 전기 모터(8406)를 구동할 뿐만 아니라, 헤드라이트(8401)나 실내등(미도시) 등의 발광 장치에 전력을 공급할 수 있다. 자동차(8400)의 이차 전지(8024)는 도 12의 (B)에 도시된 원통형 이차 전지(616)를 도전판(613)과 도전판(614) 사이에 끼우고 전지 펙으로 한 것을 사용하여도 좋다.
도 11의 (B)에 도시된 자동차(8500)는 자동차(8500)가 가지는 이차 전지에 외부의 충전 설비로부터 플러그인 방식이나 비접촉 급전 방식 등에 의하여 전력을 공급받아 충전할 수 있다. 도 11의 (B)에 지상 설치형 충전 장치(8021)로부터 자동차(8500)에 탑재된 이차 전지(8024)에 케이블(8022)을 통하여 충전을 수행하는 상태를 도시하였다. 충전 시, 충전 방법이나 커넥터의 규격 등은 CHAdeMO(등록 상표)나 콤보 등의 소정의 방식으로 적절히 수행하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 제공된 충전 스테이션이어도 좋고, 또한 일반 주택의 전원이어도 좋다. 예를 들어, 플러그인 기술로 외부로부터의 전력 공급에 의하여 자동차(8500)에 탑재된 이차 전지(8024)를 충전할 수 있다. 충전은 ACDC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 수행할 수 있다.
또한, 도시하지 않았지만, 수전 장치를 차량에 탑재하고, 지상의 송전 장치로부터 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수도 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우에는 도로나 외벽에 송전 장치를 조합함으로써 정차 시뿐만 아니라 주행 시에도 충전할 수 있다. 또한, 이 비접촉 급전의 방식을 이용하여 차량끼리 전력의 송수신을 수행하여도 좋다. 또한, 차량의 외장부에 태양 전지를 제공하고, 정차 시나 주행 시에 이차 전지의 충전을 수행하여도 좋다. 이와 같은 비접촉 전력 공급에는 전자기 유도 방식이나 자기장 공명 방식을 이용할 수 있다.
또한 도 11의 (C)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지를 사용한 이륜차의 일례이다. 도 11의 (C)에 도시된 스쿠터(8600)는 이차 전지(8602), 사이드미러(8601), 방향 지시등(8603)을 가진다. 이차 전지(8602)는 방향 지시등(8603)에 전기를 공급할 수 있다.
또한 도 11의 (C)에 도시된 스쿠터(8600)는, 좌석 아래 수납 공간(8604)에 이차 전지(8602)를 수납할 수 있다. 이차 전지(8602)는 좌석 아래 수납 공간(8604)이 소형이어도 좌석 아래 수납 공간(8604)에 수납할 수 있다. 또한 스쿠터 대신에 스노모빌이나 수상 오토바이의 동력원으로서도 본 실시형태를 적용할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는 기억 수단의 회로 구성예를 도 6의 (A) 내지 (G)에 도시하였다. 도 6의 (A) 내지 (G)는 각각이 기억 소자로서 기능한다. 도 6의 (A)에 도시된 기억 소자(410)는 트랜지스터(M1)와 용량 소자(CA)를 가진다. 기억 소자(410)는 하나의 트랜지스터와 하나의 용량 소자를 가지는 기억 소자이다.
트랜지스터(M1)의 제 1 단자는 용량 소자(CA)의 제 1 단자와 접속되고, 트랜지스터(M1)의 제 2 단자는 배선(BL)과 접속되고, 트랜지스터(M1)의 게이트는 배선(WL)과 접속되고, 트랜지스터(M1)의 백 게이트는 배선(BGL)과 접속되어 있다. 용량 소자(CA)의 제 2 단자는 배선(CAL)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M1)의 제 1 단자와 용량 소자(CA)의 제 1 단자가 전기적으로 접속되는 접속점을 노드(ND)라고 부른다.
실제의 트랜지스터에 있어서, 게이트와 백 게이트는 반도체층의 채널 형성 영역을 개재하여 서로 중첩되도록 제공된다. 게이트와 백 게이트는 모두 게이트로서 기능할 수 있다. 따라서, 한쪽을 "백 게이트"라고 부르는 경우, 다른 쪽을 "게이트" 또는 "프런트 게이트"라고 부르는 경우가 있다. 또한, 한쪽을 "제 1 게이트", 다른 쪽을 "제 2 게이트"라고 부르는 경우가 있다.
백 게이트는 게이트와 같은 전위로 하여도 좋고, 접지 전위나 임의의 전위로 하여도 좋다. 또한, 백 게이트의 전위를 게이트와 연동시키지 않고 독립적으로 변화시킴으로써, 트랜지스터의 문턱 전압을 변화시킬 수 있다.
백 게이트를 제공함으로써, 또한 게이트와 백 게이트를 같은 전위로 함으로써, 반도체층에 있어서 캐리어가 흐르는 영역이 막 두께 방향에서 더 커지기 때문에, 캐리어의 이동량이 증가된다. 이 결과, 트랜지스터의 온 전류가 커짐에 따라, 전계 효과 이동도가 높게 된다.
따라서, 트랜지스터를 점유 면적에 대하여 큰 온 전류를 가지는 트랜지스터로 할 수 있다. 즉, 요구되는 온 전류에 대하여 트랜지스터의 점유 면적을 작게 할 수 있다. 따라서, 집적도가 높은 반도체 장치를 실현할 수 있다.
배선(BGL)은 트랜지스터(M1)의 백 게이트에 전위를 인가하기 위한 배선으로서 기능한다. 배선(BGL)에 임의의 전위를 인가함으로써, 트랜지스터(M1)의 문턱 전압을 증감시킬 수 있다.
데이터의 기록 및 판독은, 배선(WL)에 고레벨 전위를 인가하고, 트랜지스터(M1)를 도통 상태로 하고, 배선(BL)과 노드(ND)를 전기적으로 접속함으로써 수행된다.
배선(CAL)은 용량 소자(CA)의 제 2 단자에 소정의 전위를 인가하기 위한 배선으로서 기능한다. 배선(CAL)에는 고정 전위를 인가하는 것이 바람직하다.
도 6의 (B)에 도시된 기억 소자(420)는 기억 소자(410)의 변형예이다. 기억 소자(420)에서는 트랜지스터(M1)의 백 게이트가 배선(WL)과 전기적으로 접속된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 트랜지스터(M1)의 백 게이트에 트랜지스터(M1)의 게이트와 같은 전위를 인가할 수 있다. 따라서, 트랜지스터(M1)가 도통 상태일 때, 트랜지스터(M1)를 흐르는 전류를 증가시킬 수 있다.
또한, 도 6의 (C)에 도시된 기억 소자(430)와 같이, 트랜지스터(M1)를 싱글 게이트 구조의 트랜지스터(백 게이트를 가지지 않는 트랜지스터)로 하여도 좋다. 기억 소자(430)는 기억 소자(410) 및 기억 소자(420)의 트랜지스터(M1)로부터 백 게이트를 제외한 구성이다. 따라서, 기억 소자(430)는 기억 소자(410) 및 기억 소자(420)보다 제작 공정을 단축할 수 있다.
기억 소자(410), 기억 소자(420), 및 기억 소자(430)는 DRAM형 기억 소자이다.
트랜지스터(M1)의 채널이 형성되는 반도체층에는, 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 본 명세서 등에서는 채널이 형성되는 반도체층에 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터를 "OS 트랜지스터"라고도 한다.
예를 들어, 산화물 반도체로서 인듐, 원소 M(원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 또는 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 복수 종류), 아연 중 어느 하나를 가지는 산화물 반도체를 사용할 수 있다. 특히, 산화물 반도체는 인듐, 갈륨, 아연을 포함하는 것이 바람직하다.
OS 트랜지스터는 오프 전류가 매우 작다는 특성을 가진다. 트랜지스터(M1)로서 OS 트랜지스터를 사용함으로써, 트랜지스터(M1)의 누설 전류를 매우 낮게 할 수 있다. 즉, 기록한 데이터를 트랜지스터(M1)에 의하여 장시간 유지할 수 있다. 따라서, 기억 소자의 리프레시의 빈도를 줄일 수 있다. 또한, 기억 소자의 리프레시 동작을 불필요하게 할 수 있다. 또한, 누설 전류가 매우 낮기 때문에, 기억 소자(410), 기억 소자(420), 기억 소자(430)에 있어서 멀티레벨 데이터 또는 아날로그 데이터를 유지할 수 있다.
본 명세서 등에서는 OS 트랜지스터를 사용한 DRAM을 DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)이라고 부른다.
도 6의 (D)에 2개의 트랜지스터와 하나의 용량 소자로 구성되는 게인 셀형 기억 소자의 회로 구성예를 도시하였다. 기억 소자(440)는 트랜지스터(M1)와 트랜지스터(M2)와 용량 소자(CA)를 가진다.
트랜지스터(M1)의 제 1 단자는 용량 소자(CA)의 제 1 단자와 접속되고, 트랜지스터(M1)의 제 2 단자는 배선(WBL)과 접속되고, 트랜지스터(M1)의 게이트는 워드선(WWL)과 접속된다. 용량 소자(CA)의 제 2 단자는 배선(CAL)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M2)의 제 1 단자는 비트선(RBL)과 접속되고, 트랜지스터(M2)의 제 2 단자는 워드선(RWL)과 접속되고, 트랜지스터(M2)의 게이트는 용량 소자(CA)의 제 1 단자와 접속된다. 트랜지스터(M1)의 제 1 단자와 용량 소자(CA)의 제 1 단자와 트랜지스터(M2)의 게이트가 전기적으로 접속되는 접속점을 노드(ND)라고 부른다.
비트선(WBL)은 기록 비트선으로서 기능하고, 비트선(RBL)은 판독 비트선으로서 기능하고, 워드선(WWL)은 기록 워드선으로서 기능하고, 워드선(RWL)은 판독 워드선으로서 기능한다. 트랜지스터(M1)는 노드(ND)와 비트선(WBL)을 도통 또는 비도통으로 하는 스위치로서의 기능을 가진다.
트랜지스터(M1)에 OS 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, OS 트랜지스터는 오프 전류가 매우 적기 때문에, 트랜지스터(M1)에 OS 트랜지스터를 사용함으로써, 노드(ND)에 기록한 전위를 장시간 유지할 수 있다. 즉, 기억 소자에 기록한 데이터를 장시간 유지할 수 있다.
트랜지스터(M2)에 사용하는 트랜지스터에 특별한 한정은 없다. 트랜지스터(M2)로서 OS 트랜지스터, Si 트랜지스터(반도체층에 실리콘을 사용한 트랜지스터), 또는 그 외의 트랜지스터를 사용하여도 좋다.
또한, 트랜지스터(M2)에 Si 트랜지스터를 사용하는 경우, 반도체층에 사용하는 실리콘은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 저온 폴리실리콘(LTPS: Low Temperature Poly-Silicon), 또는 단결정 실리콘으로 하면 좋다. Si 트랜지스터는 OS 트랜지스터보다 전계 효과 이동도가 높은 경우가 있기 때문에, 판독 트랜지스터로서 Si 트랜지스터를 사용하면 판독 시의 동작 속도를 높일 수 있다.
트랜지스터(M1)에 OS 트랜지스터를 사용하고, 트랜지스터(M2)에 Si 트랜지스터를 사용하는 경우, 이들을 상이한 층에 적층하여 제공하여도 좋다. OS 트랜지스터는 Si 트랜지스터와 같은 제조 장치 및 같은 공정으로 제작할 수 있다. 따라서, OS 트랜지스터와 Si 트랜지스터의 혼재(하이브리드화)가 용이하고, 고집적화도 용이하다.
또한, 트랜지스터(M2)에 OS 트랜지스터를 사용하면, 비선택 시의 누설 전류를 매우 적게 할 수 있기 때문에, 판독 정밀도를 높일 수 있다. 트랜지스터(M1) 및 트랜지스터(M2) 양쪽에 OS 트랜지스터를 사용함으로써, 반도체 장치의 제작 공정이 저감되고, 생산성을 높일 수 있다. 예를 들어, 400℃ 이하의 공정 온도에서 반도체 장치를 제작할 수도 있다.
트랜지스터(M1) 및 트랜지스터(M2)에 백 게이트를 가지는 트랜지스터(4단자형 트랜지스터. "4단자 소자"라고도 함)를 사용하는 경우의 회로 구성예를 도 6의 (E) 내지 (G)에 도시하였다. 도 6의 (E)에 도시된 기억 소자(450), 도 6의 (F)에 도시된 기억 소자(460), 및 도 6의 (G)에 도시된 기억 소자(470)는 기억 소자(440)의 변형예이다.
도 6의 (E)에 도시된 기억 소자(450)에서는, 트랜지스터(M1)의 게이트와 백 게이트가 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 트랜지스터(M2)의 게이트와 백 게이트가 전기적으로 접속되어 있다.
도 6의 (F)에 도시된 기억 소자(460)에서는, 트랜지스터(M1)의 백 게이트 및 트랜지스터(M2)의 백 게이트가 배선(BGL)과 전기적으로 접속되어 있다. 배선(BGL)을 통하여 트랜지스터(M1) 및 트랜지스터(M2)의 백 게이트에 소정의 전위를 인가할 수 있다.
도 6의 (G)에 도시된 기억 소자(470)에서는, 트랜지스터(M1)의 백 게이트가 배선(WBGL)과 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(M2)의 백 게이트가 배선(RBGL)과 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(M1)의 백 게이트와 트랜지스터(M2)의 백 게이트를 각각 상이한 배선에 접속함으로써, 각각 독립적으로 문턱 전압을 변화시킬 수 있다.
기억 소자(440) 내지 기억 소자(470)는 2Tr1C형 메모리 셀이다. 본 명세서 등에 있어서, 트랜지스터(M1)에 OS 트랜지스터를 사용하여 2Tr1C형 메모리 셀을 구성한 기억 장치를 NOSRAM(Non-volatile Oxide Semiconductor Random Access Memory)이라고 부른다. 또한, 기억 소자(440) 내지 기억 소자(470)는 노드(ND)의 전위를 트랜지스터(M2)로 증폭하여 판독할 수 있다. 또한, OS 트랜지스터는 오프 전류가 매우 적기 때문에, 노드(ND)의 전위를 장기간 유지할 수 있다. 또한, 판독 동작을 수행하여도 노드(ND)의 전위가 유지되는 비파괴 판독을 수행할 수 있다.
기억 소자에 유지되어 있는 정보는 재기록 빈도가 적은 정보이다. 따라서, 기억 소자로서는 정보의 비파괴 판독이 가능하고 장기 유지가 가능한 NOSRAM을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 6의 (A), (B), (E) 내지 (G)에 도시된 트랜지스터는 4단자 소자이기 때문에, MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 특성을 이용한 MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory), ReRAM(Resistive Random Access Memory), 상변화 메모리(Phase-change memory) 등으로 대표되는 2단자 소자와 비교하여 입출력의 독립적인 제어를 간편하게 수행할 수 있다는 특징을 가진다.
또한 MRAM, ReRAM, 상변화 메모리에서는 정보의 재기록 시에 원자 레벨로 구조 변화가 생기는 경우가 있다. 한편, 본 발명의 일 형태의 기억 장치는 정보의 재기록 시에 트랜지스터를 통한 전하의 충전, 또는 방전에 의하여 동작하기 때문에, 반복 재기록 내성이 우수하고, 구조 변화도 적다는 특징을 가진다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는 상기 실시형태에서 설명한 기억 소자의 구성에 적용할 수 있는 트랜지스터의 구성, 구체적으로는 상이한 전기 특성을 가지는 트랜지스터를 적층하여 제공하는 구성에 대하여 설명한다. 특히 본 실시형태에서는 반도체 장치를 구성하는 메모리 회로가 가지는 각 트랜지스터의 구성에 대하여 설명한다. 상기 구성으로 함으로써 반도체 장치의 설계 자유도를 높일 수 있다. 또한 상이한 전기 특성을 가지는 트랜지스터를 적층하여 제공함으로써 반도체 장치의 집적도를 높일 수 있다.
도 7에 도시된 반도체 장치는 트랜지스터(300)와, 트랜지스터(500)와, 용량 소자(600)를 가진다. 도 9의 (A)는 트랜지스터(500)의 채널 길이 방향의 단면도이고, 도 9의 (B)는 트랜지스터(500)의 채널 폭 방향의 단면도이고, 도 9의 (C)는 트랜지스터(300)의 채널 폭 방향의 단면도이다.
트랜지스터(500)는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 가지는 트랜지스터(OS 트랜지스터)이다. 트랜지스터(500)는 오프 전류가 작기 때문에, 이를 반도체 장치가 가지는 OS 트랜지스터에 사용함으로써, 기록된 데이터 전압 또는 전하를 장기간에 걸쳐 유지할 수 있다. 즉 리프레시 동작의 빈도가 적거나, 또는 리프레시 동작을 필요로 하지 않기 때문에, 반도체 장치의 소비 전력을 저감할 수 있다.
본 실시형태에서 설명하는 반도체 장치는 도 7에 도시된 바와 같이 트랜지스터(300), 트랜지스터(500), 용량 소자(600)를 가진다. 트랜지스터(500)는 트랜지스터(300) 위쪽에 제공되고, 용량 소자(600)는 트랜지스터(300) 및 트랜지스터(500) 위쪽에 제공되어 있다. 또한 용량 소자(600)는 메모리 회로에 있어서의 용량 소자 등으로 할 수 있다.
트랜지스터(300)는 기판(311) 위에 제공되고, 도전체(316), 절연체(315), 기판(311)의 일부로 이루어지는 반도체 영역(313), 및 소스 영역 또는 드레인 영역으로서 기능하는 저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)을 가진다. 또한 트랜지스터(300)는 예를 들어 상기 실시형태에서의 메모리 회로가 가지는 트랜지스터 등에 적용할 수 있다.
트랜지스터(300)는 도 9의 (C)에 도시된 바와 같이 반도체 영역(313)의 상면 및 채널 폭 방향의 측면이 절연체(315)를 개재하여 도전체(316)로 덮여 있다. 이와 같이, 트랜지스터(300)를 Fin형으로 함으로써, 실효적인 채널 폭이 증대되어, 트랜지스터(300)의 온 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 게이트 전극의 전계의 기여를 높일 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)의 오프 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 트랜지스터(300)는 p채널형 및 n채널형 중 어느 것이어도 좋다.
반도체 영역(313)의 채널이 형성되는 영역, 그 근방의 영역, 소스 영역 또는 드레인 영역이 되는 저저항 영역(314a), 및 저저항 영역(314b) 등에서 실리콘계 반도체 등의 반도체를 포함하는 것이 바람직하고, 단결정 실리콘을 포함하는 것이 바람직하다. 또는 Ge(저마늄), SiGe(실리콘 저마늄), GaAs(갈륨 비소), GaAlAs(갈륨 알루미늄 비소) 등을 가지는 재료로 형성하여도 좋다. 결정 격자에 응력을 가하여, 격자 간격을 변화시킴으로써 유효 질량을 제어한 실리콘을 사용한 구성으로 하여도 좋다. 또는 GaAs와 GaAlAs 등을 사용함으로써, 트랜지스터(300)를 HEMT(High Electron Mobility Transistor)로 하여도 좋다.
저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)은 반도체 영역(313)에 적용되는 반도체 재료에 더하여 비소, 인 등의 n형 도전성을 부여하는 원소 또는 붕소 등의 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함한다.
게이트 전극으로서 기능하는 도전체(316)는 비소, 인 등의 n형 도전성을 부여하는 원소, 또는 붕소 등의 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함하는 실리콘 등의 반도체 재료, 금속 재료, 합금 재료, 또는 산화물 반도체 재료 등의 도전성 재료를 사용할 수 있다.
또한 도전체의 재료에 따라 일함수가 결정되기 때문에, 상기 도전체의 재료를 선택함으로써 트랜지스터의 문턱 전압을 조정할 수 있다. 구체적으로는 도전체에 질화 타이타늄이나 질화 탄탈럼 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전성과 매립성을 양립하기 위하여 도전체에 텅스텐이나 알루미늄 등의 금속 재료를 적층으로 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 내열성의 관점에서 바람직하다.
또한, 도 7에 도시된 트랜지스터(300)는 일례이며, 그 구조에 한정되지 않고 회로 구성이나 구동 방법에 따라 적절한 트랜지스터를 사용하면 좋다. 예를 들어 반도체 장치를 OS 트랜지스터만으로 이루어지는 단극성 회로(n채널형 트랜지스터만 등, 동극성의 트랜지스터로 이루어지는 것을 의미함)로 하는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(300)의 구성을 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터(500)와 같은 구성으로 하면 좋다. 또한 트랜지스터(500)의 자세한 사항에 대해서는 후술한다.
트랜지스터(300)를 덮어 절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다.
절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)로서, 예를 들어 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화질화 알루미늄, 질화산화 알루미늄, 질화 알루미늄 등을 사용하면 좋다.
또한 본 명세서에서 산화질화 실리콘이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 재료를 가리키고, 질화산화 실리콘이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 재료를 가리킨다. 또한 본 명세서에서 산화질화 알루미늄이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 재료를 가리키고, 질화산화 알루미늄이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 재료를 가리킨다.
절연체(322)는 그 아래쪽에 제공되는 트랜지스터(300) 등으로 인하여 생기는 단차를 평탄화하는 평탄화막으로서의 기능을 가져도 좋다. 예를 들어, 절연체(322)의 상면은 평탄성을 높이기 위하여 화학 기계 연마(CMP)법 등을 사용한 평탄화 처리에 의하여 평탄화되어 있어도 좋다.
또한 절연체(324)에는 기판(311) 또는 트랜지스터(300) 등으로부터 트랜지스터(500)가 제공되는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 가지는 막을 사용하는 것이 바람직하다.
수소에 대한 배리어성을 가지는 막의 일례로서, 예를 들어 CVD법으로 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서 트랜지스터(500) 등의 산화물 반도체를 가지는 반도체 소자로 수소가 확산됨으로써 상기 반도체 소자의 특성이 저하하는 경우가 있다. 따라서 트랜지스터(500)와 트랜지스터(300) 사이에 수소의 확산을 억제하는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 수소의 확산을 억제하는 막이란, 구체적으로는 수소의 이탈량이 적은 막이다.
수소의 이탈량은 예를 들어 승온 이탈 가스 분석법(TDS) 등을 사용하여 분석할 수 있다. 예를 들어 절연체(324)의 수소의 이탈량은, TDS 분석 시의 막의 표면 온도가 50℃ 내지 500℃의 범위에서, 수소 원자로 환산한 이탈량이 절연체(324)의 면적당으로 환산하여 10×1015atoms/cm2 이하, 바람직하게는 5×1015atoms/cm2 이하이면 좋다.
또한 절연체(326)는 절연체(324)보다 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어 절연체(326)의 비유전율은 4 미만이 바람직하고, 3 미만이 더 바람직하다. 또한 예를 들어 절연체(326)의 비유전율은 절연체(324)의 비유전율의 0.7배 이하가 바람직하고, 0.6배 이하가 더 바람직하다. 유전율이 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다.
또한 절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)에는 용량 소자(600) 또는 트랜지스터(500)와 접속되는 도전체(328) 및 도전체(330) 등이 매립되어 있다. 또한 도전체(328) 및 도전체(330)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가지는 도전체에는 복수의 구조를 통틀어 동일한 부호가 부여되는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 배선과, 배선과 접속되는 플러그가 일체물이어도 좋다. 즉 도전체의 일부가 배선으로서 기능하는 경우 및 도전체의 일부가 플러그로서 기능하는 경우도 있다.
각 플러그 및 배선(도전체(328), 도전체(330) 등)의 재료로서는 금속 재료, 합금 재료, 금속 질화물 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 단층으로 또는 적층하여 사용할 수 있다. 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐이나 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 알루미늄이나 구리 등의 저저항 도전성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 저저항 도전성 재료를 사용함으로써 배선 저항을 낮출 수 있다.
절연체(326) 및 도전체(330) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 7에서는 절연체(350), 절연체(352), 및 절연체(354)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한, 절연체(350), 절연체(352), 및 절연체(354)에는 도전체(356)가 형성되어 있다. 도전체(356)는 트랜지스터(300)와 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한 도전체(356)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(350)에는 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(356)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(350)가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성된다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로의 수소의 확산을 억제할 수 있다.
또한 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체로서는 예를 들어 질화 탄탈럼 등을 사용하는 것이 좋다. 또한 질화 탄탈럼과 도전성이 높은 텅스텐을 적층함으로써, 배선으로서의 도전성을 유지한 채, 트랜지스터(300)로부터의 수소의 확산을 억제할 수 있다. 이 경우 수소에 대한 배리어성을 가지는 질화 탄탈럼층이, 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(350)와 접촉하는 구조인 것이 바람직하다.
절연체(354) 및 도전체(356) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 7에서는 절연체(360), 절연체(362), 및 절연체(364)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한, 절연체(360), 절연체(362), 및 절연체(364)에는 도전체(366)가 형성되어 있다. 도전체(366)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한 도전체(366)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(360)에는 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(366)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(360)가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성된다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로의 수소의 확산을 억제할 수 있다.
절연체(364) 및 도전체(366) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 7에서는 절연체(370), 절연체(372), 및 절연체(374)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한 절연체(370), 절연체(372), 및 절연체(374)에는 도전체(376)가 형성되어 있다. 도전체(376)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한 도전체(376)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(370)에는 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(376)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(370)가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성된다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로의 수소의 확산을 억제할 수 있다.
절연체(374) 및 도전체(376) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 7에서 절연체(380), 절연체(382), 및 절연체(384)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한 절연체(380), 절연체(382), 및 절연체(384)에는 도전체(386)가 형성되어 있다. 도전체(386)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한 도전체(386)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(380)에는 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(386)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(380)가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성된다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로의 수소의 확산을 억제할 수 있다.
상기에서, 도전체(356)를 포함하는 배선층, 도전체(366)를 포함하는 배선층, 도전체(376)를 포함하는 배선층, 및 도전체(386)를 포함하는 배선층에 대하여 설명하였지만, 본 실시형태에 따른 반도체 장치는 이에 한정되는 것이 아니다. 도전체(356)를 포함하는 배선층과 같은 배선층을 3층 이하로 하여도 좋고, 도전체(356)를 포함하는 배선층과 같은 배선층을 5층 이상으로 하여도 좋다.
절연체(384) 위에는 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516) 중 어느 것은 산소나 수소에 대하여 배리어성이 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
절연체(510) 및 절연체(514)에는, 예를 들어 기판(311) 또는 트랜지스터(300)가 제공되는 영역 등으로부터 트랜지스터(500)가 제공되는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 가지는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 절연체(324)와 같은 재료를 사용할 수 있다.
수소에 대한 배리어성을 가지는 막의 일례로서, CVD법으로 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서 트랜지스터(500) 등의 산화물 반도체를 가지는 반도체 소자로 수소가 확산됨으로써 상기 반도체 소자의 특성이 저하하는 경우가 있다. 따라서 트랜지스터(500)와 트랜지스터(300) 사이에 수소의 확산을 억제하는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 수소의 확산을 억제하는 막이란, 구체적으로는 수소의 이탈량이 적은 막이다.
또한 수소에 대한 배리어성을 가지는 막으로서, 예를 들어 절연체(510) 및 절연체(514)에는 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
특히 산화 알루미늄은 산소와, 트랜지스터의 전기 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물의 양쪽에 대하여 막을 투과시키지 않도록 하는 차단 효과가 높다. 따라서 산화 알루미늄은 트랜지스터의 제작 공정 중 및 제작 후에서 수소, 수분 등의 불순물의 트랜지스터(500)로의 혼입을 방지할 수 있다. 또한 트랜지스터(500)를 구성하는 산화물로부터의 산소의 방출을 억제할 수 있다. 그러므로 트랜지스터(500)에 대한 보호막으로서 사용하는 것에 적합하다.
또한 예를 들어 절연체(512) 및 절연체(516)에는 절연체(320)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한 이들 절연체에 유전율이 비교적 낮은 재료를 적용함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다. 예를 들어 절연체(512) 및 절연체(516)로서 산화 실리콘막이나 산화질화 실리콘막 등을 사용할 수 있다.
또한 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516)에는 도전체(518), 및 트랜지스터(500)를 구성하는 도전체(예를 들어 도전체(503)) 등이 매립되어 있다. 또한 도전체(518)는 용량 소자(600) 또는 트랜지스터(300)와 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 도전체(518)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
특히 절연체(510) 및 절연체(514)와 접촉하는 영역의 도전체(518)는 산소, 수소, 및 물에 대한 배리어성을 가지는 도전체인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 산소, 수소, 및 물에 대한 배리어성을 가지는 층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로의 수소의 확산을 억제할 수 있다.
절연체(516) 위쪽에는 트랜지스터(500)가 제공되어 있다.
도 9의 (A), (B)에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(500)는 절연체(514) 및 절연체(516)에 매립되도록 배치된 도전체(503)와, 절연체(516) 및 도전체(503) 위에 배치된 절연체(520)와, 절연체(520) 위에 배치된 절연체(522)와, 절연체(522) 위에 배치된 절연체(524)와, 절연체(524) 위에 배치된 산화물(530a)과, 산화물(530a) 위에 배치된 산화물(530b)과, 산화물(530b) 위에 서로 떨어져 배치된 도전체(542a) 및 도전체(542b)와, 도전체(542a) 및 도전체(542b) 위에 배치되고 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이에 중첩하여 개구가 형성된 절연체(580)와, 개구 바닥면 및 측면에 배치된 산화물(530c)과, 산화물(530c) 형성면에 배치된 절연체(550)와, 절연체(550) 형성면에 배치된 도전체(560)를 가진다.
또한 도 9의 (A), (B)에 도시된 바와 같이, 산화물(530a), 산화물(530b), 도전체(542a), 및 도전체(542b)와 절연체(580) 사이에 절연체(544)가 배치되는 것이 바람직하다. 또한 도 9의 (A), (B)에 도시된 바와 같이, 도전체(560)는 절연체(550)의 내측에 제공된 도전체(560a)와 도전체(560a)의 내측에 매립되도록 제공된 도전체(560b)를 가지는 것이 바람직하다. 또한 도 9의 (A), (B)에 도시된 바와 같이, 절연체(580), 도전체(560), 및 절연체(550) 위에 절연체(574)가 배치되는 것이 바람직하다.
또한 아래에서, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)을 통틀어 산화물(530)이라고 부르는 경우가 있다.
또한 트랜지스터(500)에서 채널이 형성되는 영역과 그 근방에서, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 3층을 적층하는 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 산화물(530b)의 단층, 산화물(530b)과 산화물(530a)의 2층 구조, 산화물(530b)과 산화물(530c)의 2층 구조, 또는 4층 이상의 적층 구조를 제공하는 구성으로 하여도 좋다. 또한 트랜지스터(500)에서는 도전체(560)를 2층의 적층 구조로서 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 도전체(560)가 단층 구조이어도 좋고, 3층 이상의 적층 구조이어도 좋다. 또한 도 7, 도 9의 (A)에 도시된 트랜지스터(500)는 일례이며, 그 구조에 한정되지 않고 회로 구성이나 구동 방법에 따라 적절한 트랜지스터를 사용하면 좋다.
여기서 도전체(560)는 트랜지스터의 게이트 전극으로서 기능하고, 도전체(542a) 및 도전체(542b)는 각각 소스 전극 또는 드레인 전극으로서 기능한다. 상술한 바와 같이, 도전체(560)는 절연체(580)의 개구, 및 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역에 매립되도록 형성된다. 도전체(560), 도전체(542a), 및 도전체(542b)의 배치는 절연체(580)의 개구에 대하여 자기 정합(self-aligned)적으로 선택된다. 즉 트랜지스터(500)에서, 게이트 전극을 소스 전극과 드레인 전극 사이에 자기 정합적으로 배치시킬 수 있다. 따라서 도전체(560)를 위치를 맞추기 위한 마진의 제공없이 형성할 수 있기 때문에, 트랜지스터(500)의 점유 면적의 축소를 도모할 수 있다. 이로써 반도체 장치의 미세화, 고집적화를 도모할 수 있다.
또한 도전체(560)가 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역에 자기 정합적으로 형성되기 때문에, 도전체(560)는 도전체(542a) 또는 도전체(542b)와 중첩되는 영역을 가지지 않는다. 이로써 도전체(560)와 도전체(542a) 및 도전체(542b) 사이에 형성되는 기생 용량을 저감할 수 있다. 따라서 트랜지스터(500)의 스위칭 속도를 향상시키고, 높은 주파수 특성을 가지게 할 수 있다.
도전체(560)는 제 1 게이트(톱 게이트라고도 함) 전극으로서 기능하는 경우가 있다. 또한 도전체(503)는 제 2 게이트(보텀 게이트라고도 함) 전극으로서 기능하는 경우가 있다. 이 경우 도전체(503)에 인가하는 전위를 도전체(560)에 인가하는 전위와 연동시키지 않고 독립적으로 변화시킴으로써, 트랜지스터(500)의 문턱 전압을 제어할 수 있다. 특히 도전체(503)에 음의 전위를 인가함으로써, 트랜지스터(500)의 문턱 전압을 0V보다 크게 하고, 오프 전류를 저감할 수 있다. 따라서 도전체(503)에 음의 전위를 인가하는 경우에는 인가하지 않는 경우보다 도전체(560)에 인가하는 전위가 0V일 때의 드레인 전류를 작게 할 수 있다.
도전체(503)는 산화물(530) 및 도전체(560)와 중첩되도록 배치된다. 이에 의하여, 도전체(560) 및 도전체(503)에 전위를 인가한 경우, 도전체(560)로부터 발생하는 전계와 도전체(503)로부터 발생하는 전계가 연결되고, 산화물(530)에 형성되는 채널 형성 영역을 덮을 수 있다. 본 명세서 등에서 제 1 게이트 전극 및 제 2 게이트 전극의 전계에 의하여 채널 형성 영역을 전기적으로 둘러싸는 트랜지스터의 구조를 surrounded channel(S-channel) 구조라고 부른다.
또한, 본 명세서 등에서 surrounded channel(S-channel) 구조는 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(542a) 및 도전체(542b)에 접촉하는 산화물(530)의 측면 및 주변이 채널 형성 영역과 같은 I형인 등의 특징을 가진다. 또한, 도전체(542a) 및 도전체(542b)에 접촉하는 산화물(530)의 측면 및 주변은 절연체(544)와 접촉하기 때문에, 채널 형성 영역과 같이 I형이 될 수 있다. 또한, 본 명세서 등에서 I형은, 후술하는 고순도 진성과 같은 것으로 취급할 수 있다. 또한, 본 명세서 등에서 개시하는 S-channel 구조는 Fin형 구조 및 플레이너형 구조와 다르다. S-channel 구조를 채용함으로써, 단채널 효과에 대한 내성을 높일 수 있고, 바꿔 말하면 단채널 효과가 발생하기 어려운 트랜지스터로 할 수 있다.
또한 도전체(503)는 도전체(518)와 같은 구성이고, 절연체(514) 및 절연체(516)의 개구의 내벽에 접촉하여 도전체(503a)가 형성되고, 그 내측에 도전체(503b)가 형성된다. 또한 트랜지스터(500)에서는 도전체(503a) 및 도전체(503b)를 적층하는 구성에 대하여 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 도전체(503)는 단층 또는 3층 이상의 적층 구조로 제공하는 구성을 가져도 좋다.
여기서 도전체(503a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가지는(상기 불순물이 투과하기 어려운) 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 가지는(상기 산소가 투과하기 어려운) 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 명세서에서, 불순물 또는 산소의 확산을 억제하는 기능이란 상기 불순물 및 상기 산소 중 어느 하나 또는 모두의 확산을 억제하는 기능으로 한다.
예를 들어 도전체(503a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 도전체(503b)가 산화되어 도전율이 저하하는 것을 억제할 수 있다.
또한 도전체(503)가 배선의 기능을 겸하는 경우, 도전체(503b)에는 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는, 도전성이 높은 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 그 경우, 도전체(505)는 반드시 제공하지 않아도 된다. 또한 도전체(503b)를 단층으로 도시하였지만, 적층 구조로 하여도 좋고, 예를 들어 타이타늄 또는 질화 타이타늄과 상기 도전성 재료의 적층으로 하여도 좋다.
절연체(520), 절연체(522), 및 절연체(524)는 제 2 게이트 절연막으로서의 기능을 가진다.
여기서 산화물(530)과 접촉하는 절연체(524)에는 화학량론적 조성을 만족시키는 산소보다 많은 산소를 포함하는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 즉 절연체(524)에는 과잉 산소 영역이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 과잉 산소를 포함하는 절연체를 산화물(530)에 접촉하여 제공함으로써, 산화물(530) 내의 산소 결손을 저감하여, 트랜지스터(500)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
과잉 산소 영역을 가지는 절연체로서, 구체적으로는 가열에 의하여 일부의 산소가 이탈되는 산화물 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 이탈되는 산화물막이란, TDS(Thermal Desorption Spectroscopy) 분석에서 산소 원자로 환산한 산소의 이탈량이 1.0×1018atoms/cm3 이상, 바람직하게는 1.0×1019atoms/cm3 이상, 더 바람직하게는 2.0×1019atoms/cm3 이상, 또는 3.0×1020atoms/cm3 이상인 산화물막이다. 또한, 상기 TDS 분석에서의 막의 표면 온도로서는 100℃ 이상 700℃ 이하, 또는 100℃ 이상 500℃ 이하의 범위가 바람직하다.
또한, 상기 과잉 산소 영역을 가지는 절연체와, 산화물(530)을 접촉시켜 가열 처리, 마이크로파 처리, 또는 RF 처리 중 어느 하나 또는 복수의 처리를 수행하여도 좋다. 상기 처리를 수행함으로써, 산화물(530) 내의 물 또는 수소를 제거할 수 있다. 예를 들어 산화물(530)에 있어서 VoH의 결합이 절단되는 반응이 일어나고, 바꿔 말하면 'VOH→VO+H'라는 반응이 일어나고 탈수소화할 수 있다. 이때 발생한 수소의 일부는 산소와 결합하여 H2O로서 산화물(530), 또는 산화물(530) 근방의 절연체로부터 제거되는 경우가 있다. 또한, 수소의 일부는 도전체(542)로 확산되거나, 또는 도전체(542)에 포획(게터링이라고도 함)되는 경우가 있다.
또한, 상기 마이크로파 처리는 예를 들어 고밀도 플라스마를 발생시키는 전원을 가지는 장치, 또는 기판 측에 RF를 인가하는 전원을 가지는 장치를 사용하는 것이 적합하다. 예를 들어, 산소를 포함하는 가스를 사용하고, 또한 고밀도 플라스마를 사용함으로써, 밀도가 높은 산소 라디칼을 생성할 수 있고, 기판 측에 RF를 인가함으로써 고밀도 플라스마에 의하여 생성된 산소 라디칼을 효율적으로 산화물(530), 또는 산화물(530) 근방의 절연체 내에 도입할 수 있다. 또한, 상기 마이크로파 처리는 압력을 133Pa 이상, 바람직하게는 200Pa 이상, 더 바람직하게는 400Pa 이상으로 하면 좋다. 또한, 마이크로파 처리를 수행하는 장치 내에 도입하는 가스로서는 예를 들어 산소와 아르곤을 사용하고, 산소 유량비(O2/(O2+Ar))가 50% 이하, 바람직하게는 10% 이상 30% 이하로 하는 것이 좋다.
또한, 트랜지스터(500)의 제작 공정 중에서 산화물(530)의 표면이 노출된 상태에서 가열 처리를 수행하는 것이 적합하다. 상기 가열 처리는 예를 들어 100℃ 이상 450℃ 이하, 더 바람직하게는 350℃ 이상 400℃ 이하에서 수행하면 좋다. 또한 가열 처리는 질소 가스 또는 불활성 가스 분위기, 또는 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행한다. 예를 들어 가열 처리는 산소 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 이로써, 산화물(530)에 산소를 공급하여 산소 결손(VO)의 저감을 도모할 수 있다. 또한, 가열 처리는 감압 상태에서 수행하여도 좋다. 또는 가열 처리는 질소 가스 또는 불활성 가스 분위기에서 가열 처리를 수행한 후에, 이탈된 산소를 보충하기 위하여 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행하여도 좋다. 또는, 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 가열 처리를 수행한 후에 이어서 질소 가스 또는 불활성 가스의 분위기에서 가열 처리를 수행하여도 좋다.
또한, 산화물(530)에 가산소화 처리를 수행함으로써, 공급된 산소에 의하여 산화물(530) 내의 산소 결손을 수복(修復)시키는 반응, 바꿔 말하면 'VO+O→null'이라는 반응을 촉진할 수 있다. 또한, 산화물(530) 내에 잔존한 수소에 공급된 산소가 반응함으로써, 상기 수소를 H2O로서 제거(탈수화)할 수 있다. 이로써, 산화물(530) 내에 잔존한 수소가 산소 결손에 재결합하여 VOH가 형성되는 것을 억제할 수 있다.
또한 절연체(524)가 과잉 산소 영역을 가지는 경우, 절연체(522)는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등)의 확산을 억제하는 기능을 가지는(상기 산소가 투과하기 어려운) 것이 바람직하다.
절연체(522)가 산소나 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 산화물(530)이 가지는 산소는 절연체(520) 측으로 확산되지 않아 바람직하다. 또한 절연체(524)나 산화물(530)이 가지는 산소와 도전체(503)가 반응하는 것을 억제할 수 있다.
절연체(522)에는 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함한 산화물(하프늄 알루미네이트), 산화 탄탈럼, 산화 지르코늄, 타이타늄산 지르콘산 연(PZT), 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3), 또는 (Ba,Sr)TiO3(BST) 등의 소위 high-k 재료를 포함한 절연체를 단층 또는 적층으로 사용하는 것이 바람직하다. 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 생기는 경우가 있다. 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체에 high-k 재료를 사용함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서, 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위의 저감이 가능해진다.
특히 불순물 및 산소 등의 확산을 억제하는 기능을 가지는(상기 산소가 투과하기 어려운) 절연성 재료인 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체를 사용하는 것이 좋다. 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체로서, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함하는 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료를 사용하여 절연체(522)를 형성한 경우, 절연체(522)는 산화물(530)로부터의 산소의 방출이나, 트랜지스터(500)의 주변부로부터 산화물(530)로의 수소 등의 불순물의 혼입을 억제하는 층으로서 기능한다.
또는 이들 절연체에, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 비스무트, 산화 저마늄, 산화 나이오븀, 산화 실리콘, 산화 타이타늄, 산화 텅스텐, 산화 이트륨, 산화 지르코늄을 첨가하여도 좋다. 또는 이들 절연체를 질화 처리하여도 좋다. 상기 절연체에 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 또는 질화 실리콘을 적층하여 사용하여도 좋다.
또한 절연체(520)는 열적으로 안정적인 것이 바람직하다. 예를 들어 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에 적합하다. 또한 high-k 재료의 절연체를 산화 실리콘 또는 산화질화 실리콘과 조합함으로써, 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구조의 절연체(520)나 절연체(526)를 얻을 수 있다.
또한 도 9의 (A), (B)의 트랜지스터(500)에서는 3층의 적층 구조로 이루어진 제 2 게이트 절연막으로서 절연체(520), 절연체(522), 및 절연체(524)가 도시되어 있지만, 제 2 게이트 절연막은 단층, 2층, 또는 4층 이상의 적층 구조를 가져도 좋다. 그 경우, 같은 재료로 이루어지는 적층 구조에 한정되지 않고, 상이한 재료로 이루어지는 적층 구조이어도 좋다.
트랜지스터(500)는 채널 형성 영역을 포함하는 산화물(530)에, 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화물(530)로서 In-M-Zn 산화물(원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 또는 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 복수 종류) 등의 산화물 반도체를 사용하는 것이 좋다. 특히 산화물(530)로서 적용할 수 있는 In-M-Zn 산화물은 CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor), CAC-OS(Cloud-Aligned Composite oxide semiconductor)인 것이 바람직하다. CAAC-OS란 CAAC 구조를 가지는 산화물을 가리키고, CAAC 구조란 복수의 IGZO의 나노 결정이 c축 배향을 가지고, 또한 a-b면에서는 배향하지 않고 연결된 결정 구조이다. 또한, CAC-OS란 예를 들어, 산화물 반도체를 구성하는 원소가 0.5nm 이상 10nm 이하, 바람직하게는 1nm 이상 2nm 이하, 또는 그 근방의 사이즈로 편재(偏在)한 재료의 한 구성이다. 또한 이하에서는 산화물 반도체에서 하나 또는 그 이상의 금속 원소가 편재하고, 상기 금속 원소를 가지는 영역이 0.5nm 이상 10nm 이하, 바람직하게는 1nm 이상 2nm 이하, 또는 그 근방의 사이즈로 혼합된 상태를 모자이크 패턴 또는 패치 패턴이라고도 한다. 또한 산화물(530)로서 In-Ga 산화물, In-Zn 산화물을 사용하여도 좋다.
또한, 트랜지스터(500)에는 캐리어 농도가 낮은 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 산화물 반도체의 캐리어 농도를 낮추는 경우에는, 산화물 반도체 내의 불순물 농도를 낮춰 결함 준위 밀도를 낮추면 좋다. 본 명세서 등에서 불순물 농도가 낮고 결함 준위 밀도가 낮은 것을 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성이라고 부른다. 또한, 산화물 반도체 내의 불순물로서는 예를 들어 수소, 질소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 철, 니켈, 실리콘 등이 있다.
특히 산화물 반도체에 포함되는 수소는 금속 원자와 결합되는 산소와 반응하여 물이 되기 때문에, 산화물 반도체 내에 산소 결손(VO: oxygen vacancy라고도 함)을 형성하는 경우가 있다. 또한, 산화물 반도체 내의 산소 결손에 수소가 들어간 경우, 산소 결손과 수소가 결합하여 VOH를 형성하는 경우가 있다. VOH는 도너로서 기능하고, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 또한 수소의 일부가 금속 원자와 결합하는 산소와 결합하여, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 따라서 수소가 많이 포함되어 있는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성이 되기 쉽다. 또한, 산화물 반도체 내의 수소는 열, 전계 등의 스트레스에 의하여 움직이기 쉽기 때문에, 산화물 반도체에 많은 수소가 포함되면 트랜지스터의 신뢰성이 악화할 우려가 있다. 본 발명의 일 형태에 있어서는 산화물(530) 내의 VOH를 가능한 한 저감하고, 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, VOH가 충분히 저감된 산화물 반도체를 얻기 위해서는 산화물 반도체 내의 수분, 수소 등의 불순물을 제거하는 것(탈수, 탈수소화 처리라고 기재하는 경우가 있음)과, 산화물 반도체에 산소를 공급하여 산소 결손을 보충하는 것(가산소화 처리라고 기재하는 경우가 있음)이 중요하다. VOH 등의 불순물이 충분히 저감된 산화물 반도체를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
산소 결손에 수소가 들어간 결함은 산화물 반도체의 도너로서 기능할 수 있다. 그러나 상기 결함을 정량적으로 평가하는 것은 어렵다. 그러므로 산화물 반도체에서는 도너 농도가 아니라 캐리어 농도로 평가되는 경우가 있다. 따라서 본 명세서 등에서는 산화물 반도체의 파라미터로서 도너 농도가 아니라 전계가 인가되지 않는 상태를 상정한 캐리어 농도를 사용하는 경우가 있다. 즉 본 명세서 등에 기재된 "캐리어 농도"는 "도너 농도"라고 바꿔 말할 수 있는 경우가 있다.
따라서, 산화물 반도체를 산화물(530)에 사용하는 경우, 산화물 반도체 내의 수소는 가능한 한 저감되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물 반도체에서 이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)으로 얻어지는 수소 농도를 1×1020atoms/cm3 미만, 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 미만으로 한다. 수소 등의 불순물이 충분히 저감된 산화물 반도체를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
또한, 산화물(530)에 산화물 반도체를 사용하는 경우, 채널 형성 영역의 산화물 반도체의 캐리어 농도는 1×1018cm-3 이하인 것이 바람직하고, 1×1017cm-3 미만인 것이 더 바람직하고, 1×1016cm-3 미만인 것이 더욱 바람직하고, 1×1013cm-3 미만인 것이 더더욱 바람직하고, 1×1012cm-3 미만인 것이 나아가 더더욱 바람직하다. 또한, 채널 형성 영역의 산화물 반도체의 캐리어 농도의 하한값에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 1×10-9cm-3으로 할 수 있다.
또한, 산화물(530)에 산화물 반도체를 사용하는 경우, 도전체(542)(도전체(542a) 및 도전체(542b))와 산화물(530)이 접촉함으로써, 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)로 확산되고, 도전체(542)가 산화되는 경우가 있다. 도전체(542)가 산화됨으로써, 도전체(542)의 도전율이 저하될 가능성이 높다. 또한, 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)로 확산되는 것을 도전체(542)가 산화물(530) 내의 산소를 흡수한다고 바꿔 발할 수 있다.
또한, 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)(도전체(542a) 및 도전체(542b))로 확산됨으로써, 도전체(542a)와 산화물(530b) 사이, 및 도전체(542b)와 산화물(530b) 사이에 이층이 형성되는 경우가 있다. 상기 이층은 도전체(542)보다 산소를 많이 포함하기 때문에, 상기 이층은 절연성을 가지는 것으로 추정된다. 이때, 도전체(542)와, 상기 이층과, 산화물(530b)의 3층 구조는 금속-절연체-반도체로 이루어지는 3층 구조로 간주할 수 있고, MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조라고 부르거나, 또는 MIS 구조를 주로 한 다이오드 접합 구조라고 부르는 경우가 있다.
또한 상기 이층은 도전체(542)와 산화물(530b) 사이에 형성되는 것에 한정되지 않고, 예를 들어 이층이 도전체(542)와 산화물(530c) 사이에 형성되는 경우나, 도전체(542)와 산화물(530b) 사이, 및 도전체(542)와 산화물(530c) 사이에 형성되는 경우가 있다.
또한, 산화물(530)에서, 채널 형성 영역으로서 기능하는 금속 산화물 반도체로서는 밴드 갭이 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 밴드 갭이 큰 산화물 반도체를 사용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 저감할 수 있다.
산화물(530)은 산화물(530b) 아래에 산화물(530a)을 가짐으로써, 산화물(530a)보다 아래쪽에 형성된 구조물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다. 또한 산화물(530b) 위에 산화물(530c)을 가짐으로써, 산화물(530c)보다 위쪽에 형성된 구조물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다.
또한 산화물(530)은 각 금속 원자의 원자수비가 상이한 산화물로 이루어지는 적층 구조를 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로는 산화물(530a)에 사용하는 산화물 반도체에 있어서, 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 산화물 반도체에 있어서의 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서 In에 대한 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 산화물 반도체에 있어서의 In에 대한 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530b)에 사용하는 산화물 반도체에 있어서 원소 M에 대한 In의 원자수비가 산화물(530a)에 사용하는 산화물 반도체에 있어서의 원소 M에 대한 In의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530c)은 산화물(530a) 또는 산화물(530b)에 사용할 수 있는 산화물 반도체를 사용할 수 있다.
또한 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전도대 하단의 에너지가 산화물(530b)의 전도대 하단의 에너지보다 높은 것이 바람직하다. 또한 바꿔 말하면 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전자 친화력이 산화물(530b)의 전자 친화력보다 작은 것이 바람직하다.
여기서 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서 전도대 하단의 에너지 준위는 완만하게 변화한다. 바꿔 말하면 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서의 전도대 하단의 에너지 준위는 연속적으로 변화 또는 연속 접합한다고 할 수도 있다. 이와 같이 하기 위해서는 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서 형성되는 혼합층의 결함 준위 밀도를 낮추는 것이 좋다.
구체적으로는 산화물(530a)과 산화물(530b), 산화물(530b)과 산화물(530c)이, 산소 이외에 공통의 원소를 가짐으로써(주성분으로 함으로써), 결함 준위 밀도가 낮은 혼합층을 형성할 수 있다. 예를 들어 산화물(530b)이 In-Ga-Zn 산화물인 경우, 산화물(530a) 및 산화물(530c)로서 In-Ga-Zn 산화물, Ga-Zn 산화물, 산화 갈륨 등을 사용하는 것이 좋다.
이때 캐리어의 주된 경로는 산화물(530b)이다. 산화물(530a), 산화물(530c)을 상술한 구성으로 함으로써, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면, 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서의 결함 준위 밀도를 낮출 수 있다. 그러므로 계면 산란으로 인한 캐리어 전도에 대한 영향이 작아져, 트랜지스터(500)는 높은 온 전류를 얻을 수 있다.
산화물(530b) 위에는 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(542a) 및 도전체(542b)가 제공된다. 도전체(542a) 및 도전체(542b)로서는 알루미늄, 크로뮴, 구리, 은, 금, 백금, 탄탈럼, 니켈, 타이타늄, 몰리브데넘, 텅스텐, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 망가니즈, 마그네슘, 지르코늄, 베릴륨, 인듐, 루테늄, 이리듐, 스트론튬, 란타넘에서 선택된 금속 원소, 또는 상술한 금속 원소를 성분으로 하는 합금이나, 상술한 금속 원소를 조합한 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 텅스텐, 타이타늄과 알루미늄을 포함하는 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함하는 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함하는 산화물, 란타넘과 니켈을 포함하는 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 타이타늄과 알루미늄을 포함하는 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함하는 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함하는 산화물, 란타넘과 니켈을 포함하는 산화물은 산화되기 어려운 도전성 재료 또는 산소를 흡수하여도 도전성을 유지하는 재료이기 때문에 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼 등의 금속 질화물막은 수소 또는 산소에 대한 배리어성을 가지기 때문에 바람직하다.
또한 도 9에서는 도전체(542a) 및 도전체(542b)를 단층 구조로서 도시하였지만, 2층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다. 예를 들어 질화 탄탈럼막과 텅스텐막을 적층하는 것이 좋다. 또한 타이타늄막과 알루미늄막을 적층하여도 좋다. 또한 텅스텐막 위에 알루미늄막을 적층하는 2층 구조, 구리-마그네슘-알루미늄 합금막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조, 타이타늄막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조, 텅스텐막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조로 하여도 좋다.
또한 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막과, 그 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막 위에 중첩시켜 알루미늄막 또는 구리막을 적층하고, 그 위에 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막을 더 형성하는 3층 구조, 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막과, 그 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막 위에 중첩시켜 알루미늄막 또는 구리막을 적층하고, 그 위에 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막을 더 형성하는 3층 구조 등이 있다. 또한 산화 인듐, 산화 주석, 또는 산화 아연을 포함하는 투명 도전 재료를 사용하여도 좋다.
또한 도 9의 (A)에 도시된 바와 같이, 산화물(530)과 도전체(542a)(도전체(542b)) 사이의 계면과 그 근방에는 저저항 영역으로서 영역(543a) 및 영역(543b)이 형성되는 경우가 있다. 이때 영역(543a)은 소스 영역 및 드레인 영역 중 한쪽으로서 기능하고, 영역(543b)은 소스 영역 및 드레인 영역 중 다른 쪽으로서 기능한다. 또한 영역(543a)과 영역(543b) 사이의 영역에 채널 형성 영역이 형성된다.
상기 도전체(542a)(도전체(542b))를 산화물(530)과 접촉하도록 제공함으로써, 영역(543a)(영역(543b))의 산소 농도가 저감되는 경우가 있다. 또한 영역(543a)(영역(543b))에, 도전체(542a)(도전체(542b))에 포함되는 금속과, 산화물(530)의 성분을 포함하는 금속 화합물층이 형성되는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 영역(543a)(영역(543b))의 캐리어 농도가 증가하여 영역(543a)(영역(543b))은 저저항 영역이 된다.
절연체(544)는 도전체(542a) 및 도전체(542b)를 덮도록 제공되어, 도전체(542a) 및 도전체(542b)의 산화를 억제한다. 이때 절연체(544)는 산화물(530)의 측면을 덮어 절연체(524)와 접촉하도록 제공되어도 좋다.
절연체(544)로서 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 네오디뮴, 란타넘, 또는 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 산화물 반도체를 사용할 수 있다. 또한 절연체(544)로서 질화산화 실리콘 또는 질화 실리콘 등도 사용할 수 있다.
특히 절연체(544)로서 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체인, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함하는 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 하프늄 알루미네이트는 산화 하프늄보다 내열성이 높다. 그러므로 나중의 공정에서의 열처리에서, 결정화하기 어렵기 때문에 바람직하다. 또한 도전체(542a) 및 도전체(542b)가 내산화성을 가지는 재료인 경우, 또는 산소를 흡수하여도 도전성이 현저히 저하하지 않는 경우에는 절연체(544)는 필수 구성이 아니다. 요구되는 트랜지스터 특성에 따라 적절히 설계하면 좋다.
절연체(544)를 가짐으로써, 절연체(580)에 포함되는 물 및 수소 등의 불순물이 산화물(530c), 절연체(550)를 통하여 산화물(530b)로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한 절연체(580)가 가지는 과잉 산소에 의하여 도전체(560)가 산화되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(550)는 제 1 게이트 절연막으로서 기능한다. 절연체(550)는 산화물(530c)의 내측(상면 및 측면)에 접촉하여 배치되는 것이 바람직하다. 절연체(550)는 상술한 절연체(524)와 마찬가지로, 산소를 과잉으로 포함하고 또한 가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로는 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘을 사용할 수 있다. 특히 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열에 대하여 안정적이기 때문에 바람직하다.
가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체를 절연체(550)로서 산화물(530c)의 상면에 접촉하여 제공함으로써, 절연체(550)로부터 산화물(530c)을 통하여 산화물(530b)의 채널 형성 영역에 효과적으로 산소를 공급할 수 있다. 또한 절연체(524)와 마찬가지로, 절연체(550) 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다. 절연체(550)의 막 두께는 1nm 이상 20nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한 절연체(550)가 가지는 과잉 산소를 효율적으로 산화물(530)에 공급하기 위하여 절연체(550)와 도전체(560) 사이에 금속 산화물을 제공하여도 좋다. 상기 금속 산화물은 절연체(550)로부터 도전체(560)로의 산소 확산을 억제하는 것이 바람직하다. 산소의 확산을 억제하는 금속 산화물을 제공함으로써, 절연체(550)로부터 도전체(560)로의 과잉 산소의 확산이 억제된다. 즉 산화물(530)에 공급하는 과잉 산소량의 감소를 억제할 수 있다. 또한 과잉 산소로 인한 도전체(560)의 산화를 억제할 수 있다. 상기 금속 산화물로서는 절연체(544)에 사용할 수 있는 재료를 사용하면 좋다.
또한 절연체(550)는 제 2 게이트 절연막과 마찬가지로 적층 구조를 가져도 좋다. 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 생기는 경우가 있으므로, 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체를 high-k 재료와 열적으로 안정적인 재료의 적층 구조로 함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서, 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위의 저감이 가능해진다. 또한 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구조로 할 수 있다.
제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)는 도 9의 (A), (B)에서는 2층 구조로서 도시하였지만, 단층 구조이어도 좋고, 3층 이상의 적층 구조이어도 좋다.
도전체(560a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 질소 원자, 질소 분자, 산화 질소 분자(N2O, NO, NO2 등), 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 도전체(560a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 절연체(550)에 포함되는 산소로 인하여 도전체(560b)가 산화되어 도전율이 저하하는 것을 억제할 수 있다. 산소의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료로서는 예를 들어 탄탈럼, 질화 탄탈럼, 루테늄, 또는 산화 루테늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(560a)로서, 산화물(530)에 적용할 수 있는 산화물 반도체를 사용할 수 있다. 그 경우, 도전체(560b)를 스퍼터링법으로 성막함으로써, 도전체(560a)의 전기 저항값을 저하시켜 도전체로 할 수 있다. 이를 OC(Oxide Conductor) 전극이라고 부를 수 있다.
또한 도전체(560b)는 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(560b)는 배선으로서도 기능하기 때문에, 도전성이 높은 도전체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 또한 도전체(560b)는 적층 구조로 하여도 좋고, 예를 들어 타이타늄 또는 질화 타이타늄과 상기 도전성 재료의 적층 구조로 하여도 좋다.
절연체(580)는 절연체(544)를 개재하여 도전체(542a) 및 도전체(542b) 위에 제공된다. 절연체(580)는 과잉 산소 영역을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 절연체(580)로서 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘, 또는 수지 등을 가지는 것이 바람직하다. 특히 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에 바람직하다. 특히 산화 실리콘 및 공공을 가지는 산화 실리콘은 나중의 공정에서 용이하게 과잉 산소 영역을 형성할 수 있으므로 바람직하다.
절연체(580)는 과잉 산소 영역을 가지는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체(580)를 산화물(530c)과 접촉하여 제공함으로써, 절연체(580) 내의 산소를 산화물(530c)을 통하여 산화물(530)에 효율적으로 공급할 수 있다. 또한 절연체(580) 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다.
절연체(580)의 개구는 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역과 중첩하여 형성된다. 이에 의하여, 도전체(560)는 절연체(580)의 개구, 및 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역에 매립되도록 형성된다.
반도체 장치를 미세화하기 위하여 게이트 길이를 짧게 하는 것이 요구되지만, 도전체(560)의 도전성이 낮아지지 않도록 할 필요가 있다. 이를 위하여 도전체(560)의 막 두께를 두껍게 하면, 도전체(560)는 종횡비가 높은 형상이 될 수 있다. 본 실시형태에서는 도전체(560)를 절연체(580)의 개구에 매립되도록 제공하기 때문에, 도전체(560)를 종횡비가 높은 형상으로 하여도 공정 중에 도전체(560)가 무너지는 일 없이 형성할 수 있다.
절연체(574)는 절연체(580)의 상면, 도전체(560)의 상면, 및 절연체(550)의 상면에 접촉하여 제공되는 것이 바람직하다. 절연체(574)를 스퍼터링법으로 성막함으로써, 절연체(550) 및 절연체(580)에 과잉 산소 영역을 제공할 수 있다. 이로써 이 과잉 산소 영역으로부터 산화물(530) 내에 산소를 공급할 수 있다.
예를 들어 절연체(574)로서 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 또는 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 산화물 반도체를 사용할 수 있다.
특히 산화 알루미늄은 배리어성이 높아 0.5nm 이상 3.0nm 이하의 박막이어도 수소 및 질소의 확산을 억제할 수 있다. 따라서 스퍼터링법으로 성막한 산화 알루미늄은 산소 공급원이면서 수소 등의 불순물의 배리어막으로서의 기능도 가질 수 있다.
또한, 트랜지스터(500)를 형성한 후, 트랜지스터(500)를 둘러싸도록 개구를 형성하고, 상기 개구를 덮도록 수소 또는 물에 대한 배리어성이 높은 절연체를 형성하여도 좋다. 상술한 배리어성이 높은 절연체로 트랜지스터(500)를 둘러쌈으로써 외부로부터 수분 및 수소가 침입하는 것을 방지할 수 있다. 또는, 복수의 트랜지스터(500)를 통틀어 수소 또는 물에 대한 배리어성이 높은 절연체로 감싸도 좋다. 또한, 트랜지스터(500)를 둘러싸도록 개구를 형성하는 경우, 예를 들어 절연체(514) 또는 절연체(522)에 도달하는 개구를 형성하고, 절연체(514) 또는 절연체(522)에 접촉하도록 상술한 배리어성이 높은 절연체를 형성하면, 트랜지스터(500)의 제작 공정의 일부를 겸할 수 있기 때문에 적합하다. 또한, 수소 또는 물에 대한 배리어성이 높은 절연체로서는 예를 들어 절연체(522)와 같은 재료를 사용하면 좋다.
또한 절연체(574) 위에 층간막으로서 기능하는 절연체(581)를 제공하는 것이 바람직하다. 절연체(581)는 절연체(524) 등과 마찬가지로 막 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다.
또한 절연체(581), 절연체(574), 절연체(580), 및 절연체(544)에 형성된 개구에 도전체(540a) 및 도전체(540b)를 배치한다. 도전체(540a) 및 도전체(540b)는 도전체(560)를 끼워 대향하여 제공된다. 도전체(540a) 및 도전체(540b)는 후술하는 도전체(546) 및 도전체(548)와 같은 구성이다.
절연체(581) 위에는 절연체(582)가 제공되어 있다. 절연체(582)는 산소나 수소에 대하여 배리어성이 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 절연체(582)에는 절연체(514)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어 절연체(582)에는 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
특히 산화 알루미늄은 산소와, 트랜지스터의 전기 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물의 양쪽에 대하여 막을 투과시키지 않도록 하는 차단 효과가 높다. 따라서 산화 알루미늄은 트랜지스터의 제작 공정 중 및 제작 후에서 수소, 수분 등의 불순물의 트랜지스터(500)로의 혼입을 방지할 수 있다. 또한 트랜지스터(500)를 구성하는 산화물로부터의 산소의 방출을 억제할 수 있다. 그러므로 트랜지스터(500)에 대한 보호막으로서 사용하는 것에 적합하다.
또한 절연체(582) 위에는 절연체(586)가 제공되어 있다. 절연체(586)에는 절연체(320)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한 이들 절연체에 유전율이 비교적 낮은 재료를 적용함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다. 예를 들어 절연체(586)로서 산화 실리콘막이나 산화질화 실리콘막 등을 사용할 수 있다.
또한 절연체(520), 절연체(522), 절연체(524), 절연체(544), 절연체(580), 절연체(574), 절연체(581), 절연체(582), 및 절연체(586)에는 도전체(546) 및 도전체(548) 등이 매립되어 있다.
도전체(546) 및 도전체(548)는 용량 소자(600), 트랜지스터(500), 또는 트랜지스터(300)와 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 도전체(546) 및 도전체(548)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
이어서, 트랜지스터(500) 위쪽에는 용량 소자(600)가 제공되어 있다. 용량 소자(600)는 도전체(610)와, 도전체(620)와, 절연체(630)를 가진다.
또한 도전체(546) 및 도전체(548) 위에 도전체(612)를 제공하여도 좋다. 도전체(612)는 트랜지스터(500)와 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 도전체(610)는 용량 소자(600)의 전극으로서의 기능을 가진다. 또한 도전체(612) 및 도전체(610)는 동시에 형성할 수 있다.
도전체(612) 및 도전체(610)에는 몰리브데넘, 타이타늄, 탄탈럼, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 크로뮴, 네오디뮴, 스칸듐에서 선택된 원소를 포함하는 금속막, 또는 상술한 원소를 성분으로 하는 금속 질화물막(질화 탄탈럼막, 질화 타이타늄막, 질화 몰리브데넘막, 질화 텅스텐막) 등을 사용할 수 있다. 또는 인듐 주석 산화물, 산화 텅스텐을 포함하는 인듐 산화물, 산화 텅스텐을 포함하는 인듐 아연 산화물, 산화 타이타늄을 포함하는 인듐 산화물, 산화 타이타늄을 포함하는 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 산화 실리콘을 첨가한 인듐 주석 산화물 등의 도전성 재료를 적용할 수도 있다.
도 7에서는 도전체(612) 및 도전체(610)를 단층 구조로서 도시하였지만, 상기 구성에 한정되지 않고, 2층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다. 예를 들어 배리어성을 가지는 도전체와 도전성이 높은 도전체 사이에, 배리어성을 가지는 도전체, 및 도전성이 높은 도전체에 대한 밀착성이 높은 도전체를 형성하여도 좋다.
절연체(630)를 개재하여 도전체(610)와 중첩되도록 도전체(620)를 제공한다. 또한 도전체(620)는 금속 재료, 합금 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 사용할 수 있다. 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐이나 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체 등의 다른 구조와 동시에 형성하는 경우에는 저저항 금속 재료인 Cu(구리)나 Al(알루미늄) 등을 사용하면 좋다.
도전체(620) 및 절연체(630) 위에는 절연체(640)가 제공되어 있다. 절연체(640)는 절연체(320)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다. 또한 절연체(640)는 그 아래쪽의 요철 형상을 피복하는 평탄화막으로서 기능하여도 좋다.
본 구조를 사용함으로써, 산화물 반도체를 가지는 트랜지스터가 사용된 반도체 장치에서 미세화 또는 고집적화를 도모할 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서는 가열 장치(132) 및 냉각 장치(131)에 더하여 알람 등을 발하여 사용자에게 경고를 나타내는 예를 도 10에 도시하였다. 도 10은 블록도이고, 도 1과 일부 상이할 뿐이기 때문에, 같은 부분에 대한 설명은 여기에서는 생략한다.
전기 자동차 등에 있어서, 이차 전지의 온도가 상승 또는 하강하여 정상 동작 가능한 온도 범위를 넘을 것 같은 경우, 경고음을 발하여 EV의 시스템 이상이 발생하는 위험이 닥치고 있는 것을 사용자에게 알린다. 이상 검지 시스템(110)으로부터의 신호에 의하여, 음향 장치(150)의 음향 제어 장치(151)로부터 스피커 장치(152)를 통하여 경고음을 발할 수 있다.
또한, 이차 전지의 온도가 상승 또는 하강하여 정상 동작 가능한 온도 범위를 넘은 경우에도, 경고음을 발하여 EV의 시스템 이상이 발생하는 위험이 닥치고 있는 것을 사용자에게 알릴 수 있다.
또한, 음향 장치(150)는 음향에 의한 경고에 한정되지 않고, 진동에 의한 경고, 발광에 의한 경고 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 하여도 좋다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 자유로이 조합할 수 있다.
(실시형태 6)
온도 제어하는 이차 전지(이하 배터리라고도 부름)의 이상 검지 시스템의 전체 블록도를 도 5에 도시하였다.
도 5에 있어서, 차량(140)은 전기 자동차의 다른 부분을 나타낸 것이고, 충전 제어 회로 이외의 제어 회로나 공기 조절 설비 등을 포함한다.
이상 검지 시스템(110)은 적어도 충전 제어 회로나 기억 수단을 가진다.
제 1 배터리(121)는 온도 센서(122)로 온도가 측정되고, 이상 검지 시스템(110)으로 온도 관리된다. 충전 중에 있어서, 온도가 높아져 허용 범위를 넘을 것 같은 경우에는 음향 장치(150)를 기동시켜 사용자에게 경고를 발하면서 이상 검지 시스템(110)으로부터 전류 차단 스위치(123)에 제어 신호가 입력되어 충전을 정지한다.
도 4의 (A)에 도시된 바와 같이, 제 1 배터리(121)에는 냉각 장치(131)와 가열 장치(132)가 근접하여 제공되어 있다. 냉각 장치(131)와 가열 장치(132)는 제 1 배터리(121)의 온도 제어 장치(130)라고 부를 수 있다. 또한, 온도가 높아져 허용 범위를 넘을 것 같은 경우에는 이상 검지 시스템(110)으로부터 냉각 장치(131)에 지시 신호가 입력되고, 제 1 배터리(121)의 온도를 저하시킨다. 또한, 온도가 낮아져 허용 범위를 밑돌 것 같은 경우에는 이상 검지 시스템(110)으로부터 가열 장치(132)에 지시 신호가 입력되고, 제 1 배터리(121)의 온도를 상승시킨다. 이차 전지의 온도 제어 장치(130)는 냉각 장치(131) 및 가열 장치(132)를 포함한다.
또한 이상 검지 시스템(110)은 구체적으로는 인쇄 기판 등에 제공된 복수의 IC(CPU 등) 등의 집합체를 가리킨다.
이상 검지 시스템(110)은 배터리의 온도 관리를 아날로그 신호 처리 또는 디지털 신호 처리로 수행한다.
온도 검출을 아날로그 신호로 처리하는 경우, 도 2의 (A)에 도시된 바와 같이 온도 검출(111)은 온도 센서의 출력 신호(온도 정보)를 아날로그 신호 그대로 배터리의 온도 상태를 검출할 수 있다.
온도 검출을 디지털 신호로 처리하는 경우, 도 2의 (B)에 도시된 바와 같이 ADC(113)는 배터리 온도(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
온도 검출(111)은 도 3에 도시된 바와 같은 히스테리시스 콤퍼레이터를 사용함으로써 ON/OFF 제어를 위한 펄스 신호를 생성할 수 있다.
또한, 자동차에 사용한 경우, 실시형태 1에서 도시한 블록도인 도 4를 사용하여 설명한다. 도 4의 (A)에는 온도 제어 장치(130)를 도시하였지만, 제 1 배터리(121)의 온도 조절 기구를 제공하지 않고, 온도 범위를 넘은 경우에 경보만을 스피커 장치(152)로부터 출력하는 구성으로 하여도 좋다.
경고음을 발하기 위한 음향 장치(150)의 동작으로서는, 배터리 온도에 대응하는 전위가 저온 설정(저)을 밑돌면 히스테리시스 콤퍼레이터로부터 출력되는 경고 제어 신호(저온)가 ON이 된다. 예를 들어, 일정 간격으로 ON이 되는 펄스 신호가 입력되는 경우, 그 주기에 의하여 경고음의 음량을 조정한다. 주기가 짧으면 커지고, 길면 작아진다. 만약 배터리 온도에 대응하는 전위가 저온 설정(고)을 웃돌면 히스테리시스 콤퍼레이터로부터 출력되는 경고 제어 신호(저온)가 OFF가 되고, 음향 장치(150)는 경고음의 발생을 정지한다.
음향 장치(150)는 전기 자동차의 경적을 이용한 시스템 구성이어도 좋다. 또한, 인간의 감각에 호소하기 위하여 음의 출력(청각 자극)뿐만 아니라 전기 자동차의 발광 소자(헤드라이트 등)를 이용한 광의 출력(시각 자극)을 시스템에 제공하여도 좋다.
본 명세서에서 개시하는 배터리의 이상 검지 시스템에 의하여 이차 전지의 온도 이상을 검지하고, 사용자에게 주의를 촉구하기 위하여 경고함으로써, 심각한 사태를 회피할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
110: 이상 검지 시스템, 111: 온도 검출, 112: 보호 회로, 113: ADC, 114: 온도 검출 연산 회로, 120: 배터리 모듈, 121: 배터리, 122: 온도 센서, 123: 전류 차단 스위치, 130: 온도 제어 장치, 131: 냉각 장치, 132: 가열 장치, 140: 차량, 150: 음향 장치, 151: 음향 제어 장치, 152: 스피커 장치, 202: 배터리 컨트롤러, 203: 모터 컨트롤러, 204: 모터, 205: 기어, 206: DCDC 회로, 210: DCDC 회로, 211: 배터리, 212: 인버터, 216: 타이어, 300: 트랜지스터, 311: 기판, 313: 반도체 영역, 314a: 저저항 영역, 314b: 저저항 영역, 315: 절연체, 316: 도전체, 320: 절연체, 322: 절연체, 324: 절연체, 326: 절연체, 328: 도전체, 330: 도전체, 350: 절연체, 352: 절연체, 354: 절연체, 356: 도전체, 360: 절연체, 362: 절연체, 364: 절연체, 366: 도전체, 370: 절연체, 372: 절연체, 374: 절연체, 376: 도전체, 380: 절연체, 382: 절연체, 384: 절연체, 386: 도전체, 410: 기억 소자, 420: 기억 소자, 430: 기억 소자, 440: 기억 소자, 450: 기억 소자, 460: 기억 소자, 470: 기억 소자, 500: 트랜지스터, 503: 도전체, 503a: 도전체, 503b: 도전체, 505: 도전체, 510: 절연체, 512: 절연체, 514: 절연체, 516: 절연체, 518: 도전체, 520: 절연체, 522: 절연체, 524: 절연체, 526: 절연체, 530: 산화물, 530a: 산화물, 530b: 산화물, 530c: 산화물, 540a: 도전체, 540b: 도전체, 542: 도전체, 542a: 도전체, 542b: 도전체, 543a: 영역, 543b: 영역, 544: 절연체, 546: 도전체, 548: 도전체, 550: 절연체, 560: 도전체, 560a: 도전체, 560b: 도전체, 574: 절연체, 580: 절연체, 581: 절연체, 582: 절연체, 586: 절연체, 600: 용량 소자, 601: 양극 캡, 602: 전지 캔, 603: 양극 단자, 604: 양극, 605: 세퍼레이터, 606: 음극, 607: 음극 단자, 608: 절연판, 609: 절연판, 610: 도전체, 611: PTC 소자, 612: 도전체, 613: 도전판, 614: 도전판, 616: 이차 전지, 617: 안전 밸브 기구, 620: 도전체, 630: 절연체, 640: 절연체, 1400: 축전지, 1402: 양극, 1404: 음극, 1406: 전해액, 1408: 세퍼레이터, 8021: 충전 장치, 8022: 케이블, 8024: 이차 전지, 8400: 자동차, 8401: 헤드라이트, 8406: 전기 모터, 8500: 자동차, 8600: 스쿠터, 8601: 사이드 미러, 8602: 이차 전지, 8603: 방향 지시등, 8604: 좌석 아래 수납 공간

Claims (11)

  1. 이차 전지의 충전 제어 회로로서,
    이차 전지의 온도를 검출하는 온도 센서와,
    상기 온도 센서로부터 아날로그 신호가 입력되고 펄스 신호를 생성하는 제 1 온도 비교 회로 및 제 2 온도 비교 회로와,
    상기 제 1 온도 비교 회로로 설정한 2개의 온도 범위 내에서 동작하는 상기 이차 전지의 가열 장치와,
    상기 제 2 온도 비교 회로로 설정한 2개의 온도 범위 내에서 동작하는 상기 이차 전지의 냉각 장치를 가지는, 이차 전지의 충전 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 온도 비교 회로는 2개의 문턱값을 가지는 콤퍼레이터를 포함하는, 이차 전지의 충전 제어 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 충전 제어 회로는 이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치의 온 오프를 제어하는, 이차 전지의 충전 제어 회로.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 충전 제어 회로는 적어도 기억 수단을 가지고, 기억 수단은 아날로그 신호를 유지하는 기능을 가지고, 산화물 반도체를 반도체층으로 하는 트랜지스터를 포함하는, 이차 전지의 충전 제어 회로.
  5. 이차 전지의 충전 제어 회로로서,
    이차 전지의 온도를 검출하는 온도 센서와,
    상기 온도 센서로부터 아날로그 신호가 입력되고 펄스 신호를 생성하는 온도 비교 회로와,
    온도 비교 회로로 설정한 온도 범위 내에서 동작하는 음향 장치와,
    기억 수단을 가지고,
    상기 온도 비교 회로는 2개의 문턱값을 가지는 콤퍼레이터를 포함하고,
    상기 기억 수단은 아날로그 신호를 유지하는 기능을 가지고, 산화물 반도체를 반도체층으로 하는 트랜지스터를 포함하는, 이차 전지의 충전 제어 회로.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 충전 제어 회로는 인쇄 기판 위에 제공되는, 이차 전지의 충전 제어 회로.
  7. 이차 전지의 이상 검지 시스템으로써,
    이차 전지의 온도 조절 장치가 어떤 온도 범위 내에서만 구동되도록 충전 제어 회로로 설정하는 단계와,
    이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치를 오프로 하여 이차 전지의 충전을 수행하는 단계와,
    이차 전지의 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와,
    이차 전지의 온도가 설정된 상기 온도 범위의 상한에 도달하였을 때 이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치를 온으로 하여 충전을 정지하는 단계와,
    이차 전지의 온도가 설정된 상기 온도 범위의 상한보다 낮은 온도가 되도록 온도 조절 장치를 구동시켜 이차 전지의 온도를 저하시키는 단계를 가지는, 이차 전지의 이상 검지 시스템.
  8. 이차 전지의 이상 검지 시스템으로써,
    이차 전지의 온도 조절 장치가 어떤 온도 범위 내에서만 구동되도록 충전 제어 회로로 설정하는 단계와,
    이차 전지의 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와,
    이차 전지의 온도가 설정된 상기 온도 범위보다 높은 온도 또는 상기 온도 범위보다 낮은 온도가 되면 음향 장치가 기동하여 경보를 발하는 단계를 가지는, 이차 전지의 이상 검지 시스템.
  9. 제 7 항 또는 재 8 항에 있어서,
    상기 온도 범위는 45℃ 이상 60℃ 이하인, 이차 전지의 이상 검지 시스템.
  10. 이차 전지의 이상 검지 시스템으로써,
    이차 전지의 온도 조절 장치가 어떤 온도 범위 내에서만 구동되도록 충전 제어 회로로 설정하는 단계와,
    이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치를 오프로 하여 이차 전지의 충전을 수행하는 단계와,
    이차 전지의 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와,
    이차 전지의 온도가 설정된 상기 온도 범위의 하한에 도달하였을 때 이차 전지의 충전의 전류를 차단하는 스위치를 온으로 하여 충전을 정지하는 단계와,
    이차 전지의 온도가 설정된 상기 온도 범위의 하한보다 높은 온도가 되도록 온도 조절 장치를 구동시켜 이차 전지의 온도를 상승시키는 단계를 가지는, 이차 전지의 이상 검지 시스템.
  11. 제 8 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 온도 범위는 -50℃ 이상 10℃ 이하인, 이차 전지의 이상 검지 시스템.
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