KR20210080425A - 축전 장치 및 축전 장치의 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
신규 구성의 전지 제어 회로, 신규 구성의 전지 보호 회로, 및 상기 전지 회로를 갖는 축전 장치를 제공한다. 제 1 회로부와, 제 2 회로부와, 제 3 회로부와, 이차 전지를 갖는 축전 장치이고, 제 1 회로부는 이차 전지의 충전을 제어하는 기능을 갖고, 제 1 회로부는 이차 전지의 충전의 시작 시각과 종료 시각을 제 3 회로부에 알리는 기능을 갖고, 제 2 회로부는 제 1 전압 및 제 1 전류를 생성하고 제 3 회로부에 공급하는 기능을 갖고, 제 3 회로부는 제 1 전류를 용량 소자에 충전함으로써 제 2 전압을 생성하는 기능을 갖고, 제 3 회로부는 제 1 전압과 제 2 전압을 비교하는 기능을 갖는 축전 장치.
Description
본 발명의 일 형태는 반도체 장치 및 반도체 장치의 동작 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 및 전자 기기에 관한 것이다.
또한 본 발명의 일 형태는 상기 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에서 개시(開示)하는 발명의 기술분야는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 그러므로 더 구체적으로 본 명세서에서 개시하는 본 발명의 일 형태의 기술분야로서는 표시 장치, 발광 장치, 축전 장치, 촬상 장치, 기억 장치, 이들의 구동 방법, 또는 이들의 제조 방법을 일례로서 들 수 있다.
축전 장치(배터리, 이차 전지라고도 함)는 소형의 전기 기기부터 자동차까지 폭넓은 분야에서 이용되고 있다. 전지의 응용 범위가 넓어지면서, 복수의 전지 셀을 직렬로 접속시킨 멀티 셀 구성의 배터리 스택(stack)을 사용한 애플리케이션이 늘고 있다.
축전 장치는 과방전, 과충전, 과전류, 또는 단락과 같은 충방전 시의 이상을 파악하기 위한 회로를 갖춘다. 이와 같이 전지의 보호 및 제어를 하는 회로에서, 충방전 시의 이상을 검출하기 위하여 전압이나 전류 등의 데이터를 취득한다. 또한 이와 같은 회로에서는, 관측되는 데이터에 기초하여 충방전의 정지나 셀 밸런싱 등의 제어를 한다.
특허문헌 1에는 전지 보호 회로로서 기능하는 보호 IC에 대하여 개시되어 있다. 특허문헌 1에는 내부에 복수의 콤퍼레이터(비교기)가 제공되고, 참조 전압과 전지가 접속된 단자의 전압을 비교하여 충방전 시의 이상을 검출하는 구성을 갖는 보호 IC에 대하여 개시되어 있다.
또한 특허문헌 2에는 이차 전지의 마이크로 단락을 검출하는 전지 상태 검출 장치 및 이를 내장하는 전지 팩에 대하여 개시되어 있다.
또한 특허문헌 3에는 이차 전지의 셀이 직렬로 접속된 조전지(assembled battery)를 보호하는 보호용 반도체 장치에 대하여 개시되어 있다.
본 발명의 일 형태의 축전 장치는 마이크로 단락을 검출하거나 또는 마이크로 단락의 예조를 감지하여 이차 전지의 안전성을 높이는 것이 바람직하다.
마이크로 단락이란 이차 전지 내부에서의 미소한 단락을 의미하고, 이차 전지의 양극과 음극의 단락으로 인하여 충방전을 할 수 없게 될 정도는 아니지만, 미소한 단락 부분에서 단락 전류가 단기간 흐르는 현상을 말한다. 마이크로 단락의 원인은, 충방전이 복수 회 수행됨으로써 열화되고, 리튬이나 코발트 등의 금속 원소가 전지 내부에서 석출되고, 석출물이 성장됨으로써 양극의 일부와 음극의 일부에서 국소적인 전류의 집중이 발생하여, 세퍼레이터에서 기능을 정지하는 부분이 발생하는 것 또는 부반응물이 발생하는 것에 있다고 추정되어 있다.
이차 전지를 소형화하기 위하여 세퍼레이터를 얇게 하는 것이 요구되어 있고, 또한 고전압으로 빨리 급전하여 충전하는 것이 요구되어 있으며, 이들은 모두 이차 전지에서 마이크로 단락을 발생시키기 쉬운 구성이다.
종래는, 디바이스의 설계자가 사용되는 이차 전지의 상한 전압과 하한 전압을 설정하여, 외부 출력 전류의 상한을 제한한다. 이차 전지의 하한 전압 이상 상한 전압 이하의 범위는 추천되어 있는 전압 범위이므로, 그 범위 내에서 발생하는 마이크로 단락 등의 이상 검출은 보호 회로 등에서는 실시하지 않는다. 그러므로 마이크로 단락으로 인하여 대전류가 순간적으로 흐르고 이것이 반복되면, 이차 전지의 이상 발열 및 발화 등의 중대 사고를 일으킬 가능성이 있다. 따라서 마이크로 단락을 초기 발견하는 것이 바람직하다. 또한 이 위험 요인을 저감하기 위한 전지의 충방전 제어도 요구되고 있다.
본 발명의 일 형태는 신규 전지 제어 회로, 신규 전지 보호 회로, 축전 장치, 및 전기 기기 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 본 발명의 일 형태는 소비 전력을 저감할 수 있다. 또는 본 발명의 일 형태는 신규 구성의 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 및 전기 기기 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는 본 발명의 일 형태는 이차 전지의 마이크로 단락을 검출하거나 또는 마이크로 단락의 예조를 감지하여 안전성이 높은 축전 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 본 발명의 일 형태의 과제는 위에서 열거한 과제에 한정되지 않는다. 위에서 열거한 과제는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 다른 과제는 이하에 기재되고 본 항목에서는 언급되지 않은 과제이다. 본 항목에서 언급되지 않은 과제는 통상의 기술자라면 명세서 또는 도면 등의 기재에서 도출할 수 있는 것이고, 이들 기재에서 적절히 추출할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태는 위에서 열거한 기재 및/또는 다른 과제 중 적어도 하나의 과제를 해결하는 것이다.
(1) 본 발명의 일 형태는 제 1 회로부와, 제 2 회로부와, 콤퍼레이터 및 용량 소자를 갖는 제 3 회로부와, 이차 전지를 갖고, 제 1 회로부는 이차 전지의 충전을 제어하는 기능을 갖고, 제 1 회로부는 이차 전지의 충전의 시작을 제 3 회로부에 알리는 기능을 갖고, 제 2 회로부는 제 1 전압 및 제 1 전류를 생성하고 제 3 회로부에 공급하는 기능을 갖고, 제 3 회로부는 제 1 전류를 용량 소자에 충전함으로써 제 2 전압을 생성하는 기능을 갖고, 콤퍼레이터는 제 1 전압과 제 2 전압을 비교하는 기능을 갖는 축전 장치이다.
(2) 또한 상기 (1)의 구성에서, 제 2 회로부는 제 1 회로부로부터 공급되는 디지털 신호를 변환하여 제 1 전압을 생성하고, 제 1 전압은 아날로그 신호인 축전 장치가 바람직하다.
(3) 또한 상기 (1) 또는 (2)의 구성에서, 제 3 회로부는 트랜지스터를 갖고, 트랜지스터의 채널 형성 영역은 인듐, 아연, 및 원소 M을 포함하고, 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽은 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고, 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 다른 쪽은 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터를 오프 상태로 함으로써 제 1 전압을 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 유지하는 기능을 갖는 축전 장치가 바람직하다.
(4) 또한 상기 (1), (2), 또는 (3)의 구성에서, 제 3 회로부는 제 2 트랜지스터를 갖고, 제 2 트랜지스터의 채널 형성 영역은 인듐, 아연, 및 원소 M을 포함하고, 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되는 축전 장치가 바람직하다.
(5) 또는 본 발명의 일 형태는 제 1 회로부와, 제 2 회로부와, 제 3 회로부와, 이차 전지를 갖고, 제 1 회로부는 이차 전지의 충전을 제어하는 기능을 갖고, 제 2 회로부가 제 1 전압 및 제 1 전류를 생성하는 제 1 단계와, 제 1 전압 및 제 1 전류가 제 3 회로부에 공급되는 제 2 단계와, 이차 전지에 전류가 공급되어 충전이 시작되는 제 3 단계와, 충전의 시작을 알리는 제 1 신호가 제 1 회로부로부터 제 3 회로부에 공급되는 제 4 단계와, 제 3 회로부가 충전의 시작 시각부터의 경과 시간에 대응하는 제 2 전압을 생성하는 제 5 단계와, 제 1 전압과 제 2 전압을 비교하는 제 6 단계를 갖는 축전 장치의 동작 방법이다.
(6) 또한 상기 (5)에서, 제 3 회로부는 용량 소자를 갖고, 제 5 단계에서 제 3 회로부는 제 1 전류와 경과 시간의 곱에 상당하는 전하량을 용량 소자에 충전하고, 상기 제 2 전압으로서 상기 용량 소자의 양단(兩端)의 전극의 전위차가 산출되는 축전 장치가 바람직하다.
(7) 또한 상기 (5) 또는 (6)의 동작 방법의 제 1 단계에서, 제 2 회로부는 제 1 회로부로부터 공급되는 디지털 신호를 변환하여 제 1 전압을 생성하고, 제 1 전압은 아날로그 신호인 것이 바람직하다.
(8) 또한 상기 (5), (6), 또는 (7)의 동작 방법에서, 제 3 회로부는 콤퍼레이터 및 트랜지스터를 갖고, 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽이 전기적으로 접속되고, 제 2 단계에서 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에는 제 1 전압이 공급되고, 제 3 단계 내지 제 6 단계에서 트랜지스터를 오프 상태로 함으로써 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에 공급된 제 1 전압이 유지되고, 제 5 단계에서 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 다른 쪽에는 제 2 전압이 공급되는 것이 바람직하다.
(9) 또한 상기 (5), (6), (7), 또는 (8)의 동작 방법에서, 제 3 회로부는 용량 소자를 갖고, 제 1 신호에 따라 용량 소자에 대한 제 1 전류의 충전이 시작되고, 제 2 전압은 용량 소자의 양단의 전위차에 대응하는 것이 바람직하다.
(10) 또는 본 발명의 일 형태는 제 1 회로부와, 제 2 회로부와, 제 3 회로부와, 온도 센서와, 이차 전지를 갖고, 제 1 회로부는 연산 회로 및 메모리를 갖고, 제 1 회로부는 이차 전지의 충전을 제어하는 기능을 갖고, 이차 전지에 전류가 공급되어 제 1 충전이 제 1 시각에 시작되는 제 1 단계와, 제 1 충전이 제 2 시각에 종료되는 제 2 단계와, 온도 센서에 의하여 측정된 온도와, 제 1 시각과, 제 2 시각이 메모리에 공급되는 제 3 단계와, 메모리에 저장된 온도, 제 1 시각, 및 제 2 시각을 사용하여 제 1 회로부의 연산 회로가 연산을 하여 제 1 전압의 크기가 결정되는 제 4 단계와, 제 2 회로부가 연산에 의하여 크기가 결정된 제 1 전압과, 제 1 전류를 생성하는 제 5 단계와, 제 1 전압 및 제 1 전류가 제 3 회로부에 공급되는 제 6 단계와, 이차 전지에 전류가 공급되어 제 2 충전이 시작되는 제 7 단계와, 제 2 충전의 시작을 알리는 제 1 신호가 제 1 회로부로부터 제 3 회로부에 공급되는 제 8 단계와, 제 3 회로부가 충전의 시작 시각부터의 경과 시간에 대응하는 제 2 전압을 생성하는 제 9 단계와, 제 1 전압과 제 2 전압을 비교하는 제 10 단계를 갖고, 제 1 충전은 CC 충전이고, 제 2 충전은 CV 충전인 축전 장치의 동작 방법이다.
또한 상기 (10)의 동작 방법에서, 제 3 회로부는 용량 소자를 갖고, 제 8 단계에서 제 3 회로부는 제 1 전류와 경과 시간의 곱에 상당하는 전하량을 용량 소자에 충전하고, 제 2 전압으로서 용량 소자의 양단의 전극의 전위차가 산출되는 것이 바람직하다.
(12) 또한 상기 (10) 또는 (11)의 동작 방법에서, 제 2 회로부는 제 5 단계에서 제 1 회로부로부터 공급되는 디지털 신호를 변환하여 제 1 전압을 생성하고, 제 1 전압은 아날로그 신호인 것이 바람직하다.
또한 (10), (11), 또는 (12)의 동작 방법에서, 제 3 회로부는 콤퍼레이터 및 트랜지스터를 갖고, 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽이 전기적으로 접속되고, 제 6 단계에서 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에는 제 1 전압이 공급되고, 제 6 단계 내지 제 10 단계에서 트랜지스터를 오프 상태로 함으로써 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에 공급된 제 1 전압이 유지되고, 제 9 단계에서 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 다른 쪽에는 제 2 전압이 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 의하여 신규 전지 제어 회로, 신규 전지 보호 회로, 축전 장치, 및 전기 기기 등을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태에 의하여 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태에 의하여 신규 구성의 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 및 전기 기기 등을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 일 형태에 의하여 이차 전지의 마이크로 단락을 검출하거나 또는 마이크로 단락의 예조를 감지하여 안전성이 높은 축전 장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 일 형태의 효과는 위에서 열거한 효과에 한정되지 않는다. 위에서 열거한 효과는 다른 효과의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 다른 효과는 이하에 기재되고 본 항목에서는 언급되지 않은 효과이다. 본 항목에서 언급되지 않은 효과는 통상의 기술자라면 명세서 또는 도면 등의 기재에서 도출할 수 있는 것이고, 이들 기재에서 적절히 추출할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태는 위에서 열거한 효과 및/또는 다른 효과 중 적어도 하나의 효과를 갖는 것이다. 따라서 본 발명의 일 형태는 경우에 따라서는 위에서 열거한 효과를 갖지 않는 경우도 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태를 설명하는 블록도이다.
도 2의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 2의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 형태의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도 4의 (A)는 본 발명의 일 형태의 동작예를 나타낸 타이밍 차트이다. 도 4의 (B)는 본 발명의 일 형태의 동작예를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 5의 (B)는 본 발명의 일 형태의 동작예를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 6의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 6의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 8의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 8의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 형태를 설명하는 블록도이다.
도 11의 (A)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다. 도 11의 (B)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다. 도 11의 (C)는 이차 전지 전압과 충전 전류의 예를 나타낸 도면이다.
도 12의 (A)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다. 도 12의 (B)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다. 도 12의 (C)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다.
도 13의 (A)는 이차 전지 전압과 충전 전류의 예를 나타낸 도면이다. 도 13의 (B)는 이차 전지 전압과 방전 전류의 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 단면도이다.
도 15는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 단면도이다.
도 16의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다. 도 16의 (B)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다. 도 16의 (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 17의 (A)는 메모리의 구성예를 나타낸 블록도이다. 도 17의 (B)는 메모리 셀의 일례를 나타낸 도면이다.
도 18의 (A)는 메모리 셀 어레이의 구성예를 나타낸 도면이다. 도 18의 (B)는 메모리 셀의 일례를 나타낸 도면이다. 도 18의 (C)는 메모리 셀의 일례를 나타낸 도면이다.
도 19의 (A)는 메모리 셀의 일례를 나타낸 도면이다. 도 19의 (B)는 메모리의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 20의 (A)는 전자 부품의 제작 공정을 나타낸 흐름도이다. 도 20의 (B)는 전자 부품의 사시 모식도이다.
도 21의 (A)는 이차 전지의 일례를 나타낸 도면이다. 도 21의 (B)는 이차 전지의 일례를 나타낸 단면도이다. 도 21의 (C)는 축전 시스템의 일례를 나타낸 도면이다. 도 21의 (D)는 축전 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
도 22의 (A)는 이차 전지 팩의 외관의 일례를 나타낸 도면이다. 도 22의 (B)는 이차 전지 팩의 구성의 일례를 설명하는 도면이다. 도 22의 (C)는 이차 전지 팩의 구성의 일례를 설명하는 도면이다.
도 23의 (A)는 본 발명의 일 형태의 차량을 설명하는 도면이다. 도 23의 (B)는 본 발명의 일 형태의 차량을 설명하는 도면이다. 도 23의 (C)는 본 발명의 일 형태의 차량을 설명하는 도면이다.
도 24의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 24의 (B)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
도 25의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 25의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 25의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 26은 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 27의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 27의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 27의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 27의 (D)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 27의 (E)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 28은 시장 이미지를 설명하는 도면이다.
도 29의 (A)는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다. 도 29의 (B)는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다.
도 30의 (A)는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다. 도 30의 (B)는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다.
도 31의 (A)는 이차 전지의 충전 커브를 나타낸 것이다. 도 31의 (B)는 이차 전지의 충전 커브를 나타낸 것이다. 도 31의 (C)는 이차 전지의 충전 커브를 나타낸 것이다.
도 32는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다.
도 2의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 2의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 형태의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도 4의 (A)는 본 발명의 일 형태의 동작예를 나타낸 타이밍 차트이다. 도 4의 (B)는 본 발명의 일 형태의 동작예를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 5의 (B)는 본 발명의 일 형태의 동작예를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 6의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 6의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 8의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 8의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 형태를 설명하는 블록도이다.
도 11의 (A)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다. 도 11의 (B)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다. 도 11의 (C)는 이차 전지 전압과 충전 전류의 예를 나타낸 도면이다.
도 12의 (A)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다. 도 12의 (B)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다. 도 12의 (C)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다.
도 13의 (A)는 이차 전지 전압과 충전 전류의 예를 나타낸 도면이다. 도 13의 (B)는 이차 전지 전압과 방전 전류의 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 단면도이다.
도 15는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 단면도이다.
도 16의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다. 도 16의 (B)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다. 도 16의 (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 17의 (A)는 메모리의 구성예를 나타낸 블록도이다. 도 17의 (B)는 메모리 셀의 일례를 나타낸 도면이다.
도 18의 (A)는 메모리 셀 어레이의 구성예를 나타낸 도면이다. 도 18의 (B)는 메모리 셀의 일례를 나타낸 도면이다. 도 18의 (C)는 메모리 셀의 일례를 나타낸 도면이다.
도 19의 (A)는 메모리 셀의 일례를 나타낸 도면이다. 도 19의 (B)는 메모리의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 20의 (A)는 전자 부품의 제작 공정을 나타낸 흐름도이다. 도 20의 (B)는 전자 부품의 사시 모식도이다.
도 21의 (A)는 이차 전지의 일례를 나타낸 도면이다. 도 21의 (B)는 이차 전지의 일례를 나타낸 단면도이다. 도 21의 (C)는 축전 시스템의 일례를 나타낸 도면이다. 도 21의 (D)는 축전 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
도 22의 (A)는 이차 전지 팩의 외관의 일례를 나타낸 도면이다. 도 22의 (B)는 이차 전지 팩의 구성의 일례를 설명하는 도면이다. 도 22의 (C)는 이차 전지 팩의 구성의 일례를 설명하는 도면이다.
도 23의 (A)는 본 발명의 일 형태의 차량을 설명하는 도면이다. 도 23의 (B)는 본 발명의 일 형태의 차량을 설명하는 도면이다. 도 23의 (C)는 본 발명의 일 형태의 차량을 설명하는 도면이다.
도 24의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 24의 (B)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
도 25의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 25의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 25의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 26은 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 27의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 27의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 27의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 27의 (D)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 27의 (E)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 28은 시장 이미지를 설명하는 도면이다.
도 29의 (A)는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다. 도 29의 (B)는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다.
도 30의 (A)는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다. 도 30의 (B)는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다.
도 31의 (A)는 이차 전지의 충전 커브를 나타낸 것이다. 도 31의 (B)는 이차 전지의 충전 커브를 나타낸 것이다. 도 31의 (C)는 이차 전지의 충전 커브를 나타낸 것이다.
도 32는 이차 전지의 충전 시간을 나타낸 도면이다.
이하에서 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 다만 실시형태는 많은 상이한 형태로 실시할 수 있고, 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
또한 본 명세서 등에서 "제 1", "제 2", "제 3"이라는 서수사는 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여 붙인 것이다. 따라서 구성 요소의 개수를 한정하는 것이 아니다. 또한 구성 요소의 순서를 한정하는 것이 아니다. 또한 예를 들어 본 명세서 등의 실시형태 중 하나에서 "제 1"로 언급된 구성 요소가 다른 실시형태 또는 청구범위에서 "제 2"로 언급된 구성 요소가 될 수도 있다. 또한 예를 들어 본 명세서 등의 실시형태 중 하나에서 "제 1"로 언급된 구성 요소가 다른 실시형태 또는 청구범위에서 생략될 수도 있다.
또한 도면에서 동일한 요소 또는 같은 기능을 갖는 요소, 동일한 재질의 요소, 혹은 동시에 형성되는 요소 등에는 동일한 부호를 붙이는 경우가 있고, 이의 반복적인 설명은 생략하는 경우가 있다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태의 축전 장치의 일례에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 축전 장치(100)는 제어 회로(101)와, 기준 생성 회로(102)와, 타이머 회로(103)와, 레귤레이터(104)와, 전원(105)과, 저항 소자(131)와, 이차 전지(121)를 갖는다.
제어 회로(101)는 기준 생성 회로(102) 및 타이머 회로(103)에 신호를 공급한다. 또한 제어 회로(101)는 이차 전지(121)를 충전하는 기능을 갖는다.
저항 소자(131)는 이차 전지(121)에 전기적으로 직렬로 접속된다. 제어 회로(101)는 저항 소자(131)의 양단에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 제어 회로(101)는 저항 소자(131)를 흐르는 전류를 계측하는 기능을 갖는다. 저항 소자(131)를 흐르는 전류는 예를 들어 이차 전지(121)를 흐르는 전류와 실질적으로 일치한다.
기준 생성 회로(102)는 제어 회로(101)로부터 공급된 신호에 기초하여 타이머 회로(103)에 기준 전압 및 기준 전류(Vref, Iref(Digital))를 공급한다. 또한 기준 생성 회로(102)는 공급되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 기능을 갖는다. 기준 전압 및 기준 전류 등의 신호가 디지털 신호로서 제어 회로(101)로부터 공급되는 경우에는, 아날로그 신호로 변환하여 타이머 회로(103)에 공급할 수 있다.
타이머 회로(103)는 공급된 기준 전압 및 기준 전류(Vref, Iref(Analog))에 기초하여 이차 전지(121)의 정전류 충전 시간 및 정전압 충전 시간을 계측하거나 또는 감시하는 기능을 갖는다. 기준 생성 회로(102)로부터 공급되는 전류(Iref)를 사용하여, 타이머 회로(103)는 후술하는 전류(Iss1), 전류(Iss2), 및 전류(Iss3) 등을 생성할 수도 있다.
타이머 회로(103)는 공급된 아날로그 신호를 유지하는 기능을 갖는다. 또한 공급된 2개 이상의 아날로그 신호를 비교하는 기능을 갖는다. 또한 공급된 아날로그 신호에 대응하는 시간을 산출하는 기능을 갖는다.
도 2의 (A) 및 (B)에는 타이머 회로(103)의 구성의 일례를 나타내었다. 도 2의 (A)에 나타낸 타이머 회로(103)는 전류 공급부(191)와, 용량 소자(161)와, 콤퍼레이터(164)를 갖는다. 전류 공급부(191)는 스위치(162)와 정전류원(163)을 갖는다. 스위치(162)의 한쪽 전극은 접지 전위에 전기적으로 접속되고, 정전류원(163)의 한쪽 전극은 고전위 신호(Vdd)에 전기적으로 접속된다. 콤퍼레이터(164)의 비반전 입력 단자를 단자(IN1)라고 하고, 출력 단자를 단자(OUT)라고 한다. 도 2의 (A)에서, 단자(IN1)에는 용량 소자(161)의 한쪽 전극과, 스위치(162)의 다른 쪽 전극과, 정전류원(163)의 다른 쪽 전극이 전기적으로 접속된다. 또한 용량 소자(161)의 다른 쪽 전극은 접지 전위에 전기적으로 접속된다. 또한 본 실시형태에서는 접지 전위 대신에 저전위 신호를 사용하여도 좋다.
도 2의 (A)에 나타낸 전류원을 소스형 전류원이라고 부르는 경우가 있다.
도 1, 도 2의 (A), 및 (B)에 나타낸 타이머 회로(103)는 OS 트랜지스터를 갖는 것이 바람직하다. OS 트랜지스터에 대해서는 후술한다. 타이머 회로(103)가 OS 트랜지스터를 가짐으로써, 공급된 아날로그 신호를 유지할 수 있다. 타이머 회로(103)가 신호를 유지하는 기능을 가짐으로써, 파워 게이팅이 가능하다. 파워 게이팅을 위한 신호(PG)는 제어 회로(101)로부터 기준 생성 회로(102)에 공급된다.
도 2의 (B)에는 파워 게이팅이 가능한 타이머 회로(103)의 구성의 일례를 나타내었다. 도 2의 (B)에 나타낸 타이머 회로(103)는 기억 소자(159)를 갖는다는 점에서 도 2의 (A)와 다르다. 콤퍼레이터(164)의 반전 입력 단자에는 트랜지스터(165)의 소스 및 드레인 중 한쪽이 접속된다. 기억 소자(159)는 트랜지스터(165) 및 용량 소자(160)를 갖는다. 여기서 도 2의 (B)에서 트랜지스터(165)의 소스 및 드레인 중 한쪽을 노드(ND)라고 부른다. 트랜지스터(165)를 OS 트랜지스터로 하고, 트랜지스터(165)를 오프 상태로 함으로써, 반전 입력 단자에 공급된 전위를 장기간에 걸쳐 노드(ND)에 유지할 수 있다. 노드(ND)에는 용량 소자(160)의 한쪽 전극이 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 용량 소자(160)의 다른 쪽 전극은 예를 들어 접지 전위에 접속된다. 트랜지스터(165)를 오프 상태로 하는 기간에는 기준 생성 회로(102)로부터 타이머 회로(103)에 신호를 공급하지 않아도 된다. 따라서 상기 기간에는 기준 생성 회로(102)에 신호(PG)가 공급되고, 공급된 신호에 기초한 동작이 수행되는 것이 바람직하다. 기준 생성 회로(102)에 신호(PG)가 공급됨으로써, 예를 들어 기준 생성 회로(102)의 전원이 차단된다. 또는 기준 생성 회로(102)의 일부의 전원이 차단된다. 또는 기준 생성 회로(102)에 공급되는 전압의 적어도 일부가 저전위 신호, 예를 들어 접지 신호가 된다. 파워 게이팅에 의하여, 기준 생성 회로(102)의 소비 전류를 매우 낮게 할 수 있다.
도 2의 (B)에 나타낸 전류원을 소스형 전류원이라고 부르는 경우가 있다.
도 1에 나타낸 레귤레이터(104)에 대해서는 후술한다.
또한 본 명세서 등에서는 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로 또는 상기 전지 제어 회로를 갖는 축전 장치를 BTOS(Battery operating system 또는 Battery oxide semiconductor)라고 부르는 경우가 있다. BTOS는 낮은 소비 전력으로 시스템을 구축할 수 있는 경우가 있다. BTOS는 간편한 회로로 시스템을 구축할 수 있는 경우가 있다.
<충전 시간>
본 발명의 일 형태의 축전 장치는 마이크로 단락을 검출하거나 또는 마이크로 단락의 예조를 감지하여 이차 전지의 안전성을 높이는 것이 바람직하다.
발명자들은, 이차 전지의 충전 등에 있어서, 마이크로 단락을 시사하는 현상이 관측되기 전에 충전 시간이 길어진다는 것을 발견하였다. 마이크로 단락을 시사하는 현상의 일례로서는, 충전 전압의 급격한 저하를 들 수 있다. 마이크로 단락을 시사하는 현상이 관측되기 전이란, 예를 들어 마이크로 단락을 시사하는 충전의 1사이클 전의 충전 또는 1사이클 전 내지 3사이클 전의 충전 중 적어도 어느 하나를 가리킨다. 충전 시간이 길다란, 예를 들어 이차 전지 또는 축전 장치의 출하 후의 충전에서의 충전 시간에 비하여 길거나, 또는 10사이클 이상 전의 충전에서의 충전 시간에 비하여 길다는 것 등을 가리킨다.
또한 충전 시간은 이차 전지의 온도(예를 들어 이차 전지가 갖는 온도 센서의 온도), 이차 전지의 사용에 따른 열화 등에 의존하기 때문에, 예를 들어 이러한 변화 요인을 예상하여 충전 시간을 고려하였음에도 불구하고 예상보다 충전 시간이 더 긴 경우에는, 마이크로 단락이 발생되어 있다고 판단할 수 있다.
따라서 이차 전지에서 충전 시간을 감시한 결과 소정의 시간보다 긴 경우에는, 예를 들어 이차 전지의 동작을 정지시키거나 또는 이차 전지의 동작을 제한함으로써, 더 구체적으로는 예를 들어 이차 전지의 전압 범위를 좁힘으로써, 마이크로 단락을 억제하여 이차 전지의 안전성을 높일 수 있다.
마이크로 단락과 충전 시간의 관계는 예를 들어 다음과 같이 고찰할 수 있다. 마이크로 단락이 발생되면, 충전에서 전압이 상승되기 어려워지고, 정전류(Constant current: 이하 CC) 충전의 시간이 길어지는 것으로 생각된다. 또한 정전압(Constant current: 이하 CV) 충전에서는, 단락 전류가 흐름으로써 충전 전류가 하한까지 도달되는 시간이 길어지는 것으로 생각된다.
CC 충전에 비하여 CV 충전에서는 더 현저하게 마이크로 단락의 영향이 나타나기 쉬운 경우가 있다.
본 발명의 일 형태의 축전 장치는, 마이크로 단락의 검출에 더하여, 이차 전지의 SOH(State of Health: 건전도라고도 함)의 평가를 할 수 있다. SOH는 이차 전지의 새것의 상태를 100으로 나타내며, 그 이차 전지가 열화되면서 100보다 작은 값으로 나타내어진다. 이차 전지가 열화되면서 CV 충전의 시간이 길어지는 경우가 있다. 예를 들어 충전의 시간을 관측하고, 테이블 등에 저장된 데이터와의 비교 등을 함으로써, SOH를 산출할 수 있다.
이하에서는, CC 충전 및 CV 충전에 대하여 설명한다.
[충방전 방법]
이차 전지의 충방전은 예를 들어 다음과 같이 수행할 수 있다.
우선, 충전 방법의 하나로서 CC 충전에 대하여 설명한다. CC 충전은, 충전 기간 전체에서 일정한 전류를 이차 전지에 흘리고, 소정의 전압이 되었을 때에 충전을 정지하는 충전 방법이다. 도 11의 (A)에 나타낸 바와 같이, 이차 전지를 내부 저항 R와 이차 전지 용량 C의 등가 회로로 가정한다. 이 경우, 이차 전지 전압 VB는 내부 저항 R에 인가되는 전압 VR와 이차 전지 용량 C에 인가되는 전압 VC의 합이다.
CC 충전을 수행하는 기간에는, 도 11의 (A)에 나타낸 바와 같이 스위치가 온이 되므로, 일정한 전류 I가 이차 전지에 흐른다. 이 기간, 전류 I는 일정하기 때문에, VR=R×I의 옴의 법칙에 따라 내부 저항 R에 인가되는 전압 VR도 일정하다. 한편, 이차 전지 용량 C에 인가되는 전압 VC는 시간의 경과에 따라 상승한다. 그러므로 이차 전지 전압 VB는 시간의 경과에 따라 상승한다.
그리고 이차 전지 전압 VB가 소정의 전압, 예를 들어 4.3V가 되었을 때에 충전을 정지한다. CC 충전을 정지하면, 도 11의 (B)에 나타낸 바와 같이 스위치가 오프가 되고, 전류 I=0이 된다. 그러므로 내부 저항 R에 인가되는 전압 VR가 0V가 된다. 따라서 이차 전지 전압 VB가 하강한다.
CC 충전을 수행하는 기간과 CC 충전을 정지한 후의 이차 전지 전압 VB와 충전 전류의 예를 도 11의 (C)에 나타내었다. CC 충전을 수행하는 기간에는 상승하고 있던 이차 전지 전압 VB는, CC 충전을 정지한 후에 약간 저하되었다.
다음으로, 상기와 다른 충전 방법인 CCCV 충전에 대하여 설명한다. CCCV 충전은, 먼저 CC 충전으로 소정의 전압이 될 때까지 충전을 수행하고, 그 후에 CV 충전으로 흐르는 전류가 적어질 때까지, 구체적으로는 종지 전류값이 될 때까지 충전을 수행하는 충전 방법이다.
CC 충전을 수행하는 기간에는, 도 12의 (A)에 나타낸 바와 같이 정전류 전원의 스위치가 온이 되고, 정전압 전원의 스위치가 오프가 되므로, 일정한 전류 I가 이차 전지에 흐른다. 이 기간, 전류 I는 일정하기 때문에, VR=R×I의 옴의 법칙에 따라 내부 저항 R에 인가되는 전압 VR도 일정하다. 한편, 이차 전지 용량 C에 인가되는 전압 VC는 시간의 경과에 따라 상승한다. 그러므로 이차 전지 전압 VB는 시간의 경과에 따라 상승한다.
그리고 이차 전지 전압 VB가 소정의 전압, 예를 들어 4.3V가 되었을 때에 CC 충전을 CV 충전으로 전환한다. CV 충전을 수행하는 기간에는, 도 12의 (B)에 나타낸 바와 같이 정전압 전원의 스위치가 온이 되고, 정전류 전원의 스위치가 오프가 되므로, 이차 전지 전압 VB가 일정하게 된다. 한편, 이차 전지 용량 C에 인가되는 전압 VC는 시간의 경과에 따라 상승한다. VB=VR+VC이기 때문에, 내부 저항 R에 인가되는 전압 VR는 시간의 경과에 따라 작아진다. 내부 저항 R에 인가되는 전압 VR가 작아짐에 따라, VR=R×I의 옴의 법칙에 따라 이차 전지를 흐르는 전류 I도 작아진다.
그리고 이차 전지를 흐르는 전류 I가 소정의 전류, 예를 들어 0.01C 상당의 전류가 되었을 때에 충전을 정지한다. CCCV 충전을 정지하면, 도 12의 (C)에 나타낸 바와 같이 모든 스위치가 오프가 되고, 전류 I=0이 된다. 그러므로 내부 저항 R에 인가되는 전압 VR가 0V가 된다. 그러나 CV 충전에 의하여 내부 저항 R에 인가되는 전압 VR가 충분히 작아지기 때문에, 내부 저항 R에서의 전압 강하가 일어나지 않아도 이차 전지 전압 VB는 거의 강하하지 않는다.
CCCV 충전을 수행하는 기간과 CCCV 충전을 정지한 후의 이차 전지 전압 VB와 충전 전류의 예를 도 13의 (A)에 나타내었다. CCCV 충전을 정지하여도 이차 전지 전압 VB는 거의 강하하지 않았다.
다음으로, 방전 방법의 하나인 CC 방전에 대하여 설명한다. CC 방전은, 방전 기간 전체에서 일정한 전류를 이차 전지로부터 흘리고, 이차 전지 전압 VB가 소정의 전압, 예를 들어 2.5V가 되었을 때에 방전을 정지하는 방전 방법이다.
CC 방전을 수행하는 기간의 이차 전지 전압 VB와 방전 전류의 예를 도 13의 (B)에 나타내었다. 방전이 진행됨에 따라, 이차 전지 전압 VB는 강하하였다.
다음으로, 방전 레이트 및 충전 레이트에 대하여 설명한다. 방전 레이트란, 전지 용량에 대한 방전 시의 전류의 상대적인 비율이고, 단위 C로 나타내어진다. 정격 용량 X(Ah)의 전지에서 1C 상당의 전류는 X(A)이다. 2X(A)의 전류로 방전시킨 경우에는 2C로 방전시켰다고 하고, X/5(A)의 전류로 방전시킨 경우에는 0.2C로 방전시켰다고 한다. 또한 충전 레이트도 마찬가지이고, 2X(A)의 전류로 충전시킨 경우에는 2C로 충전시켰다고 하고, X/5(A)의 전류로 충전시킨 경우에는 0.2C로 충전시켰다고 한다.
<축전 장치의 동작예>
도 3은 본 발명의 일 형태의 축전 장치의 동작의 일례를 나타낸 흐름도이다. 또한 도 4의 (A) 및 (B)는 신호(RESET), 단자(IN1), 및 단자(OUT)의 상태를 나타낸 타이밍 차트의 일례이다. 도 4의 (A) 및 (B)에서는 고전위 신호를 Hi로 나타내고, 저전위 신호를 Lo로 나타낸다.
먼저, 단계 S000에서 처리가 시작된다.
다음으로, 단계 S001에서 충전 모드가 선택된다. 예를 들어 CC 충전 및 CV 충전 중 어느 쪽이 선택된다.
다음으로, 단계 S002에서 충전의 기준 시간이 설정된다. 충전 모드가 CC 충전이면 정전류 충전의 기준 시간(tc)이 설정되고, CV 충전이면 정전압 충전의 기준 시간(tv)이 설정된다. 더 구체적으로는 예를 들어 설정된 기준 시간에 대응하는 전압(Vref1) 및 전류(Iss1)가 기준 생성 회로(102)로부터 타이머 회로(103)에 공급된다. 전압(Vref1)은 콤퍼레이터(164)의 반전 입력 단자에 공급되고, 전류(Iss1)는 정전류원(163)에 공급된다.
충전 시간에 대응하는 전압 및 전류는 다음과 같이 산출된다. 용량 소자(161)의 용량값을 용량값(Ca1)이라고 한다. 전류(Iss1)와 시간(tr)의 곱은 용량값(Ca1)과 전압(Vref1)의 곱과 같다. 이 관계를 이용하여, 충전 시간(tr)이 원하는 값이 되도록 전류(Iss1) 및 전압(Vref1)을 결정한다.
기준 시간은 예를 들어 상정되는 충전 시간에 어떤 일정한 마진을 추가한 값이다. 기준 시간(tc) 및 기준 시간(tv)에는 예를 들어 미리 정해진 값을 사용하여도 좋고, 이전의 충전 시에 계측된 충전 시간에 어떤 소정의 시간을 추가한 값을 사용하여도 좋다. 기준 시간(tc) 및 기준 시간(tv)은 예를 들어 테이블에 저장될 수 있다. 테이블은 예를 들어 휘발성 메모리 및 비휘발성 메모리 중 어느 하나 또는 양쪽을 갖는다. 메모리로서 후술하는 DOSRAM, NOSRAM 등을 사용하여도 좋다.
기준 시간(tc)은 예를 들어 충전 시작 시의 이차 전지의 전압에 따라 그 값이 정해지면 좋다. 이차 전지의 잔존 용량 SOC(State of charge)에 의존하여 충전 시작 시의 전압이 변화된다. 테이블에는 충전 시작 시의 전압에 따른 기준 시간(tc)이 저장되는 것이 바람직하다. 충전 시작 시의 전압은, 예를 들어 충전이 시작된 후에 어떤 일정한 시간, 예를 들어 몇 초가 경과한 후의 전압으로 할 수 있다.
또한 충전 시간은 이차 전지의 온도(Tb)에 의존하기 때문에, 예를 들어 테이블에는 온도에 대응한 기준 시간이 저장되는 것이 바람직하다. 테이블에는 예를 들어 여러 조건, 여기서는 예로서 3개의 온도에 대응한 기준 시간을 저장하고, 테이블에 저장된 온도 이외의 기준 시간은, 테이블에 저장된 값을 사용하여, 제어 회로(101) 등이 갖는 연산 회로에 의하여 산출되어도 좋다.
온도(Tb)의 의존성과 잔존 용량 SOC의 의존성을 어떤 계수로 정하고, 이전의 충전 시에 계측된 충전 시간에 이들 계수를 곱셈한 값을 기준 시간으로서 사용하여도 좋다.
또한 기준 시간(tv)은 온도(Tb)와 실측된 CC 충전의 시간을 사용하여 산출되어도 좋다.
또한 내부 저항으로 인하여 이차 전지의 전압이 상승(또는 강하)되는 경우가 있다. 전압의 상승량(또는 강하량)은 내부 저항 및 전류 밀도에 의존한다. 이차 전지의 전압으로서 개회로 전압(Open circuit voltage: OCV)을 사용함으로써, 내부 저항의 영향을 억제할 수 있는 경우가 있다. 따라서 이차 전지의 충전 시작 시의 전압으로서 OCV를 사용할 수 있다. 또는 어떤 소정의 전류 밀도에서의 전압을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 기준 시간을 산출할 때, 전류 밀도에 기인한 전압의 상승량을 고려하는 것이 바람직하다.
다음으로, 단계 S003에서 리셋 동작이 수행된다(도 4의 (A) 및 (B)의 시각 t1). 구체적으로는, 제어 회로(101)로부터 타이머 회로(103)에 신호(RESET)가 공급된다. 예를 들어 도 4의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이 고전위 신호가 공급된다. 타이머 회로(103)에 신호(RESET)가 공급됨으로써 스위치(162)가 온 상태가 된다. 스위치(162)가 온 상태가 됨으로써 단자(IN)에 접지 전위가 공급된다.
단계 S004에서, 충전이 시작되고, 스위치(162)가 오프 상태가 되고, 충전 시간(tb)의 계측이 시작된다(도 4의 (A) 및 (B)의 시각 t2). 충전이 시작되면, 예를 들어 신호(RESET)가 저전위가 되고 스위치(162)가 오프 상태가 된다. 또한 여기서 충전 시간은 타이머 회로(103)에서 단자(IN1)의 전압을 계측함으로써 얻을 수 있다. 즉 단계 S004에서는, 단자(IN1)의 전압(이하 전압(Vin))을 계측하면 좋다.
다음으로, 단계 S005에서, 전압(Vin)이 전압(Vref1)을 초과하는 경우(도 4의 (B)의 시각 t4)에는 단계 S006으로 넘어가고, 초과하지 않는 경우에는 단계 S008로 넘어간다. 여기서 전압(Vin)이 전압(Vref1)을 초과한다는 것은 즉, 설정된 충전의 기준 시간보다 충전 시간이 길다는 것을 의미한다. 전압(Vin)이 전압(Vref1)을 초과하는 경우에는 콤퍼레이터(164)의 출력 단자(OUT)로부터 예를 들어 고전위 신호가 출력되고, 초과하지 않는 경우에는 반대 극성의 신호, 여기서는 예를 들어 저전위 신호(Lo)가 출력된다.
다음으로, 단계 S006에서, 축전 장치(100)는 사용자에게 경고를 한다. 경고는 예를 들어 축전 장치(100)가 갖는 표시부에 표시되어도 좋고, 축전 장치(100)가 갖는 스피커로부터 경고음이 울려도 좋다. 또한 단계 S006에서 스위치(162)는 예를 들어 오프 상태를 유지하지만, 온 상태가 되어도 좋다.
또는 단계 S006에서, 축전 장치(100)는 이차 전지(121)의 충전을 정지하여도 좋다.
단계 S008에서, 현재의 충전 모드를 종료할지 여부가 판단된다. 상기 판단은, 예를 들어 제어 회로(101)에 의하여 수행된다. 현재의 충전 모드가 종료되는 경우에는 단계 S009로 넘어가고, 종료되지 않는 경우에는 단계 S004로 돌아간다.
단계 S009에서, 신호(RESET)가 제어 회로(101)로부터 타이머 회로(103)에 공급되고 스위치(162)가 온 상태가 되어, 리셋 동작이 수행된다(도 4의 (A)의 시각 t3).
다음으로, 단계 S010에서, 다른 충전 모드에서의 충전이 계속하여 수행되는 경우에는 단계 S002로 돌아가고, 충전이 수행되지 않는 경우에는 단계 S099로 넘어간다.
단계 S099에서 처리가 종료된다.
<레귤레이터>
도 1에 나타낸 바와 같이, 축전 장치(100)는 레귤레이터(104)를 갖는 것이 바람직하다. 레귤레이터(104)는 예를 들어 공급된 신호를 바탕으로 원하는 전압을 출력하는 기능을 갖는다. 또한 레귤레이터(104)는 공급된 전압을 상승 또는 강하시키는 기능을 갖는 것이 바람직하다.
도 1에 나타낸 레귤레이터(104)에 대하여 설명한다. 레귤레이터(104)는 강압형 파워 스테이지이다. 레귤레이터(104)는 트랜지스터(152), 트랜지스터(153), 및 코일(156)을 갖는다. 트랜지스터(152)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 이차 전지(121)의 음극 및 전원의 음극에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(153)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 전원의 양극에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(152)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(153)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 전기적으로 접속된다. 코일(156)의 한쪽 전극은 저항 소자(131)를 통하여 이차 전지(121)의 양극에 전기적으로 접속된다. 코일(156)의 다른 쪽 전극은 트랜지스터(152)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 전극에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(152) 및 트랜지스터(153)의 게이트 전극에는 각각 제어 회로(101)로부터의 신호가 공급된다.
<타이머 회로의 변형예>
타이머 회로(103)의 변형예에 대하여 도 5 내지 도 9를 사용하여 설명한다.
도 5의 (A)에 나타낸 타이머 회로(103)는, 도 2의 (A)에 나타낸 전류 공급부(191) 대신에 전류 공급부(192)를 갖는다. 전류 공급부(192)는 스위치(162)와 정전류원(163)을 갖는다. 스위치(162)의 한쪽 전극은 고전위 신호(Vref2)에 전기적으로 접속되고, 정전류원(163)의 한쪽 전극은 접지 전위에 전기적으로 접속된다. 스위치(162)의 다른 쪽 전극과 정전류원(163)의 다른 쪽 전극은 용량 소자(161)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속된다. 또한 도 5의 (A)에서, 용량 소자(161)의 한쪽 전극은 콤퍼레이터(164)의 반전 입력 단자인 단자(IN2)에 전기적으로 접속된다. 콤퍼레이터(164)의 비반전 입력 단자에는 기억 소자(159)를 통하여 전압(Vref11)이 공급된다.
도 5의 (B)는, 도 5의 (A)에 나타낸 타이머 회로(103)에서의 신호(RESET), 단자(IN2), 및 단자(OUT)의 상태를 나타낸 타이밍 차트의 일례이다. 시각 t1에 신호(RESET)가 스위치(162)에 공급되고, 고전위 신호(Vref2)가 단자(IN2)에 공급된다. 시각 t2에 충전이 시작된다. 도 5의 (A)에 나타낸 타이머 회로(103)에서는, 전류가 정전류원(163)을 흐름에 따라 단자(IN2)의 전압이 서서히 강하된다.
시각 t4에는, 단자(IN2)의 전압이 전압(Vref11)보다 낮아지면, 즉 충전의 기준 시간보다 충전이 길어지면, 단자(OUT)로부터 고전위 신호가 출력된다. 도 5의 (B)에서는 고전위 신호를 Hi라고 나타내고, 저전위 신호를 Lo라고 나타낸다.
도 6의 (A)에 나타낸 타이머 회로(103)는, 도 2의 (A)에 나타낸 타이머 회로(103)에 더하여 카운터(106)를 갖는다. 카운터(106)에는 신호(RESET)가 공급되고, 신호(RESET)에 따라 예를 들어 카운트 수가 리셋된다. 콤퍼레이터(164)의 단자(OUT)는 카운터(106)에 입력된다. 카운터(106)에 단자(OUT)로부터 신호(예를 들어 고전위 신호)가 공급되면, 카운터(106)의 카운트 수가 1 늘어난다(카운트 업). 또한 단자(OUT)로부터의 고전위 신호에 따라 스위치(166)가 온 상태가 되어, 용량 소자(161)의 전압이 접지 전위가 된다. 타이머 회로(103)가 카운터(106)를 가짐으로써, 이차 전지의 충전 시간에 대응하는 카운트 수를, 타이머 회로(103)의 출력 단자인 단자(OUT2)로부터 출력할 수 있다.
도 6의 (B)에 나타낸 타이머 회로(103)는, 도 6의 (A)에 나타낸 타이머 회로(103)의 전류 공급부(191)를 전류 공급부(192)로 바꾼 구성을 갖는다.
도 7에 나타낸 타이머 회로(103)는 전류 공급부(193)와, 용량 소자(161)와, 콤퍼레이터(171)와, 콤퍼레이터(172)와, 카운터(106)와, NAND 회로(178)와, NAND 회로(179)를 갖는다.
전류 공급부(193)는 스위치(162), 정전류원(167), 스위치(168), 스위치(169), 및 정전류원(170)을 갖는다. 정전류원(167), 스위치(168), 스위치(169), 및 정전류원(170)은 정전류원(167), 스위치(168), 스위치(169), 정전류원(170)의 순서로 전기적으로 직렬로 접속되고, 정전류원(167)에서 스위치(168)에 전기적으로 접속되지 않는 쪽의 전극은 접지 전위에 전기적으로 접속되고, 정전류원(170)에서 스위치(169)에 전기적으로 접속되지 않는 쪽의 전극은 고전위 신호(Vdd)에 전기적으로 접속된다. 스위치(162)의 한쪽 전극은 고전위 신호(Vdd)에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극은 스위치(169), 스위치(168), 및 용량 소자(161)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속된다.
용량 소자(161)의 한쪽 전극은 콤퍼레이터(171)의 비반전 입력 단자 및 콤퍼레이터(172)의 반전 입력 단자에 전기적으로 접속된다. 콤퍼레이터(171)의 반전 입력 단자에는 전압(Vref1)이 공급되고, 콤퍼레이터(172)의 비반전 입력 단자에는 고전위 신호(Vref2)가 공급된다. 또한 도 7에 나타낸 바와 같이, 전압(Vref1) 및 고전위 신호(Vref2)는 각각 기억 소자(159)를 통하여 콤퍼레이터의 단자에 공급되어도 좋다. NAND 회로(178)의 제 1 입력에는 콤퍼레이터(171)의 출력 신호가 공급되고, 제 2 입력에는 NAND 회로(179)의 출력이 공급된다. NAND 회로(179)의 제 1 입력에는 콤퍼레이터(172)의 출력 신호가 공급되고, 제 2 입력에는 NAND 회로(178)의 출력이 공급된다. NAND 회로(179)의 출력은 카운터(106)에 입력된다. 카운터(106)의 단자(OUT2)로부터 카운트 수가 출력된다.
도 7에 나타낸 타이머 회로(103)의 동작의 일례에 대하여 설명한다. 신호(QB)는 신호(Q)의 역위상의 신호이다.
신호(RESET)로서 고전위 신호가 공급되는 경우에는, 스위치(162)가 온 상태가 되고, 용량 소자(161)에 고전위 신호(Vdd)가 공급된다. 또한 신호(RESET)에 따라 카운터(106)를 리셋한다.
다음으로, 신호(RESET)로서 저전위 신호가 공급되어, 스위치(162)가 오프 상태가 된다.
신호(Q)가 고전위가 되면, 스위치(168)가 온 상태가 되고, 스위치(169)가 오프 상태가 되고, 용량 소자(161)는 정전류원(167)에 전기적으로 접속되고, 정전류원(167)은 접지 전위에 전기적으로 접속되기 때문에, 용량 소자(161)의 전압은 서서히 강하된다. 용량 소자(161)의 전압이 Vref1보다 낮아지면, 콤퍼레이터(171)로부터 저전위 신호가 출력되므로, 신호(Q)와 신호(QB)가 반전되어 신호(QB)가 고전위가 된다.
신호(QB)가 고전위가 되면, 스위치(169)가 온 상태가 되고, 스위치(168)가 오프 상태가 되고, 용량 소자(161)는 정전류원(170)에 전기적으로 접속되고, 정전류원(170)은 고전위 신호(Vdd)에 전기적으로 접속되기 때문에, 용량 소자(161)의 전압이 서서히 상승된다. 용량 소자(161)의 전압이 고전위 신호(Vref2)보다 높아지면, 콤퍼레이터(172)로부터 저전위 신호가 출력되고, 신호(Q)와 신호(QB)가 반전되어 신호(Q)가 고전위가 된다. 카운터(106)에 공급되는 신호(Q)가 다시 고전위가 되기 때문에, 카운터(106)의 카운트 수가 1 늘어난다.
이와 같이, 전류원으로서 소스형 전류원과 싱크형 전류원을 조합함으로써, 용량 소자(161)의 전압은 전압(Vref1)에서 고전위 신호(Vref2)까지의 범위에서 상승과 하강을 교대로 반복하기 때문에, 카운터(106)에 공급되는 신호는 고전위와 저전위를 교대로 반복하여 발진된다.
도 8의 (A)에는 전류 공급부(192)에 적용할 수 있는 구체적인 예를 나타내었다. 전류 공급부(192)는 정전류원(173), 용량 소자(174), 및 트랜지스터(181) 내지 트랜지스터(184)를 갖는다. 정전류원(173)의 한쪽 전극은 고전위 신호(Vdd)에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극은 트랜지스터(181)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 게이트에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(181)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 접지 전위에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(182)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 트랜지스터(181)의 게이트에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽은 트랜지스터(183)의 게이트 및 용량 소자(174)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고, 용량 소자(174)의 다른 쪽 전극은 접지 전위에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(182)의 게이트 및 트랜지스터(184)의 게이트에는 각각 신호(RESET)가 공급되고, 트랜지스터(183)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 접지 전위에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽은 트랜지스터(184)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 용량 소자(161)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(184)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 고전위 신호(Vdd)가 공급된다.
도 8의 (A)에 나타낸 회로의 동작의 일례에 대하여 설명한다. 도 8의 (A)에서, 신호(RESET)로서 고전위 신호가 공급되는 경우에는, 트랜지스터(181), 트랜지스터(182), 트랜지스터(183), 및 트랜지스터(184)가 온 상태가 되어, 정전류원(173)을 흐르는 전류(Iref)에 따른 전류(Iss1)가 트랜지스터(183) 및 트랜지스터(184)를 흐른다. 전류(Iref)와 전류(Iss1)의 비는, 트랜지스터(181)와 트랜지스터(183)의 크기의 비(채널 길이의 역수, 채널 폭 등)에 따라 변화된다. 트랜지스터(182)를 흐르는 전류에 기인하여 용량 소자(174)에 전하가 축적된다. 전류(Iss1)에 기인하여 용량 소자(161)에 전하가 축적된다.
다음으로, 신호(RESET)로서 저전위 신호가 공급되는 경우에는, 트랜지스터(181), 트랜지스터(182), 및 트랜지스터(184)는 오프 상태가 되고, 트랜지스터(183)의 게이트에는 용량 소자(174)에 축적된 전하에 따른 전압이 공급되어, 트랜지스터(183)가 온 상태가 된다. 용량 소자(161)에 축적된 전하가 트랜지스터(183)를 흐르고, 용량 소자(161)의 전압은 서서히 강하된다.
도 8의 (B)에는 전류 공급부(191)에 적용할 수 있는 구체적인 예를 나타내었다. 전류 공급부(191)는 정전류원(173), 용량 소자(175), 트랜지스터(181), 및 트랜지스터(185) 내지 트랜지스터(190)를 갖는다. 정전류원(173)의 한쪽 전극에는 고전위 신호(Vdd)가 공급되고, 다른 쪽 전극은 트랜지스터(181)의 소스 및 드레인 중 한쪽과, 게이트와, 트랜지스터(185)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(185)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 접지 전위에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(186)의 소스 및 드레인 중 한쪽에는 고전위 신호(Vref3)가 공급되고, 다른 쪽은 용량 소자(175)의 한쪽 전극과 트랜지스터(188)의 게이트에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(188)의 소스 및 드레인 중 한쪽에는 고전위 신호(Vdd)가 공급되고, 다른 쪽에는 트랜지스터(187)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 트랜지스터(190)의 소스 및 드레인 중 한쪽이 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(187)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 접지 전위에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(188)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자(175)의 다른 쪽 전극에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(190)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자(161)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속된다. 신호(RESET)는 트랜지스터(186)의 게이트에 공급되고, 신호(RESETB)는 트랜지스터(185)의 게이트 및 트랜지스터(190)의 게이트에 공급된다.
신호(RESETB)는 신호(RESET)의 역위상의 신호이다. 역위상의 신호란, 예를 들어 한쪽 신호로부터 고전위 신호가 출력되는 경우에는 다른 쪽 신호로부터 저전위 신호가 출력되는 것을 의미한다.
도 8의 (B)에 나타낸 회로의 동작의 일례에 대하여 설명한다. 도 8의 (B)에서, 신호(RESET)로서 고전위 신호가 공급되는 경우에는, 트랜지스터(188)의 게이트에 전압(Vref3)이 공급되고, 트랜지스터(181), 트랜지스터(187), 및 트랜지스터(188)가 온 상태가 되고, 정전류원(173)을 흐르는 전류(Iref)에 따른 전류(Iss1)가 트랜지스터(188) 및 트랜지스터(187)를 흐른다. 전류(Iref)와 전류(Iss1)의 비는, 트랜지스터(181)와 트랜지스터(187)의 비에 따라 변화된다.
다음으로, 신호(RESET)로서 저전위 신호가 공급되는 경우에는, 트랜지스터(186)가 오프 상태가 되고, 트랜지스터(188)의 게이트에는 용량 소자(175)에 축적되는 전하에 따른 전압이 유지되어, 트랜지스터(188)가 온 상태가 된다. 또한 트랜지스터(190)가 온 상태가 되고, 트랜지스터(187)가 오프 상태가 된다. 따라서 용량 소자(161)에는 트랜지스터(188)를 흐르는 전류(Iss1)가 공급되고, 용량 소자(161)의 전압은 서서히 상승된다.
도 8의 (A) 및 (B)에서 신호(RESET)로서 저전위 신호가 공급되는 기간에는, 정전류원(173)으로부터 전류를 공급할 필요가 없기 때문에, 정전류원(173)을 정지시킬 수 있다. 따라서 신호(RESET)로서 저전위 신호가 공급되는 기간에는, 기준 생성 회로(102)의 파워 게이팅이 가능하다.
OS 트랜지스터는 오프 전류가 낮기 때문에, 온 전류도 높은 값에서 낮은 값까지 넓은 범위를 사용할 수 있다. 온 전류는 낮은 값까지 제어될 수 있기 때문에, 예를 들어 10-10A/μm 이하의 전류를 온 전류로서 사용할 수 있는 경우가 있다. 따라서 도 8의 (A)의 트랜지스터(183) 및 트랜지스터(184), 그리고 도 8의 (B)의 트랜지스터(187) 및 트랜지스터(188)로서 OS 트랜지스터를 사용함으로써, 용량 소자(161)의 용량값을 작게 할 수 있고, 예를 들어 용량 소자(161)의 면적을 축소할 수 있다. 따라서 회로를 축소할 수 있다.
트랜지스터(181) 내지 트랜지스터(188) 및 트랜지스터(190)로서 OS 트랜지스터를 적용하여도 좋다.
OS 트랜지스터는 온도 변화에 따른 문턱값의 변동이 작기 때문에, 예를 들어 이차 전지와 같이 넓은 온도 범위에서 사용되는 장치에 적합한 경우가 있다.
도 9에는 전류 공급부(193)에 적용할 수 있는 구체적인 예를 나타내었다. 전류 공급부(193)는 도 8의 (A)에 나타낸 전류 공급원과, 도 8의 (B)에 나타낸 전류 공급원을 조합한 구성을 갖는다.
전류 공급부(193)에서의 정전류원(173), 트랜지스터(181), 트랜지스터(182), 용량 소자(174), 트랜지스터(183)의 각각의 전기적인 접속에 대해서는 도 8의 (A)를 참조할 수 있다. 트랜지스터(186), 용량 소자(175), 트랜지스터(188)의 각각의 전기적인 접속에 대해서는 도 8의 (B)를 참조할 수 있다. 트랜지스터(194)의 게이트에는 신호(RESET)가 공급되고, 트랜지스터(194)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 트랜지스터(183)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽과 트랜지스터(195)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(194)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(196)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 트랜지스터(188)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 전극에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(195)의 게이트에는 신호(Q)가 공급되고, 트랜지스터(196)의 게이트에는 신호(QB)가 공급된다. 트랜지스터(190)의 게이트에는 신호(RESETB)가 공급되고, 트랜지스터(190)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 트랜지스터(195)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽과 트랜지스터(196)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(190)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(197)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 용량 소자(161)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(197)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 전압(Vref1)이 공급된다. 트랜지스터(197)의 게이트에는 신호(RESET)가 공급된다.
<축전 장치의 변형예>
도 10에 나타낸 축전 장치(100)는, 도 1에 나타낸 구성에 더하여 보호 회로(137), 트랜지스터(140), 및 트랜지스터(150)를 갖는다.
보호 회로(137)는 제어 회로(101)에 전기적으로 접속되고, 제어 회로(101)와 신호를 주고받는 것이 바람직하다.
보호 회로(137)는 이차 전지(121)가 어떤 정해진 조건을 만족하는 경우에 이차 전지의 동작을 정지하는 기능을 갖는다. 예를 들어 이차 전지(121)의 전류가 소정의 값을 초과하는 경우에 그 동작을 정지한다. 또한 예를 들어 이차 전지(121)의 전압이 소정의 값 이상 또는 소정의 값 이하가 되는 경우에 그 동작을 정지한다.
보호 회로(137)는 이차 전지(121)의 동작을 정지하는 경우에 이차 전지(121)의 이극(二極)을 단락시키는 경로를 가져도 좋다. 상기 경로에 저항 소자 또는 용량 소자를 제공하여도 좋다. 도 10에 나타낸 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)는 전류를 차단하는 스위치로서 기능하고, 보호 회로(137)가 이차 전지(121)를 정지하는 것으로 판단한 경우에 스위치를 작동시킨다. 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)로서, 기생 다이오드를 갖는 MOSFET를 사용할 수 있다. 또한 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)로서, OS 트랜지스터를 사용하여도 좋다. 또한 축전 장치(100)는 트랜지스터(140) 또는 트랜지스터(150)를 갖지 않는 구성이어도 좋다.
보호 회로(137)와 타이머 회로(103)는 예를 들어 동일한 칩 내에 제공될 수 있다. 동일한 칩 내란, 예를 들어 같은 실리콘 기판 또는 같은 유리 기판에 양쪽 회로가 제공되는 구성을 말한다.
또는 보호 회로(137)와 타이머 회로(103)는 예를 들어 동일한 패키지 내에 제공될 수 있다. 동일한 패키지 내란, 예를 들어 각각의 회로를 갖는 2개의 칩이 동일한 인쇄 기판에 제공되는 구성을 말한다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 2)
앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로에 적용할 수 있는 반도체 장치의 구성예에 대하여 설명한다.
도 14에 나타낸 반도체 장치는 트랜지스터(300)와, 트랜지스터(500)와, 용량 소자(600)를 갖는다. 도 16의 (A)는 트랜지스터(500)의 채널 길이 방향의 단면도이고, 도 16의 (B)는 트랜지스터(500)의 채널 폭 방향의 단면도이고, 도 16의 (C)는 트랜지스터(300)의 채널 폭 방향의 단면도이다.
트랜지스터(500)는 OS 트랜지스터이다. 트랜지스터(500)는 오프 전류가 낮기 때문에, 반도체 장치가 갖는 OS 트랜지스터로서 이를 사용함으로써, 기록된 데이터가 장기간에 걸쳐 유지될 수 있다.
트랜지스터(500)는 예를 들어 n채널형 트랜지스터이다.
본 발명의 일 형태의 축전 장치가 갖는 트랜지스터로서 OS 트랜지스터를 적용할 수 있다. 또한 OS 트랜지스터 및 Si 트랜지스터를 임의로 조합하여 적용하여도 좋다. 또한 모든 트랜지스터를 OS 트랜지스터 또는 Si 트랜지스터로 하여도 좋다. Si 트랜지스터로서는 비정질 실리콘을 포함하는 트랜지스터, 결정성 실리콘(대표적으로는 저온 폴리실리콘, 단결정 실리콘 등)을 포함하는 트랜지스터 등을 들 수 있다.
OS 트랜지스터는 오프 전류가 매우 낮고, 고온 환경하에서도 스위칭 특성이 양호하다는 특성을 갖는다. 그러므로 고온 환경하에서도 조전지(120)의 충전 또는 방전을 오동작 없이 제어할 수 있다.
또한 OS 트랜지스터를 사용한 기억 소자는 Si 트랜지스터를 사용한 회로 위 등에 적층함으로써 자유롭게 배치될 수 있기 때문에, 집적화를 용이하게 할 수 있다. 또한 OS 트랜지스터는 Si 트랜지스터와 같은 제조 장치를 사용하여 제작될 수 있기 때문에, 저비용으로 제작될 수 있다.
또한 OS 트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극, 및 드레인 전극에 더하여, 백 게이트 전극을 포함하는, 4단자의 반도체 소자로 할 수 있다. 게이트 전극 또는 백 게이트 전극에 인가하는 전압에 따라, 소스와 드레인 사이를 흐르는 신호의 입출력을 독립적으로 제어할 수 있는 전기 회로망으로 구성할 수 있다. 그러므로 LSI와 동일한 사상으로 회로 설계를 할 수 있다. 그리고 OS 트랜지스터는 고온 환경하에서 Si 트랜지스터보다 뛰어난 전기 특성을 갖는다. 구체적으로는 100℃ 이상 200℃ 이하, 바람직하게는 125℃ 이상 150℃ 이하로 높은 온도에서도 온 전류와 오프 전류의 비가 크기 때문에 양호한 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
본 실시형태에서 설명하는 반도체 장치는, 도 14에 나타낸 바와 같이 트랜지스터(300), 트랜지스터(500), 용량 소자(600)를 갖는다. 트랜지스터(500)는 트랜지스터(300) 위쪽에 제공되고, 용량 소자(600)는 트랜지스터(300) 및 트랜지스터(500) 위쪽에 제공되어 있다.
트랜지스터(300)는 기판(311) 위에 제공되고, 도전체(316), 절연체(315), 기판(311)의 일부로 이루어지는 반도체 영역(313), 소스 영역 또는 드레인 영역으로서 기능하는 저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)을 갖는다. 또한 트랜지스터(300)는 예를 들어 앞의 실시형태에서의 콤퍼레이터가 갖는 트랜지스터 등에 적용할 수 있다.
트랜지스터(300)에서는, 도 16의 (C)에 나타낸 바와 같이 반도체 영역(313)의 상면 및 채널 폭 방향의 측면이 절연체(315)를 개재(介在)하여 도전체(316)로 덮여 있다. 이와 같이 트랜지스터(300)를 Fin형으로 하면, 실효적인 채널 폭이 증대되기 때문에, 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 쪽이어도 좋다.
반도체 영역(313)에서 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 포함하는 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)에는 비소, 인 등의 n형 도전성을 부여하는 원소, 또는 붕소 등의 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함하는 실리콘 등의 반도체 재료, 금속 재료, 합금 재료, 또는 금속 산화물 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 하여 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 내열성의 관점에서 바람직하다.
또한 도 14에 나타낸 트랜지스터(300)는 일례이고, 그 구조에 한정되지 않고, 회로 구성이나 구동 방법에 따라 적절한 트랜지스터를 사용하면 좋다. 예를 들어 반도체 장치를 OS 트랜지스터만으로 구성하는 경우, 도 15에 나타낸 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)에는, 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 평탄화되어도 좋다.
또한 절연체(324)에는, 기판(311) 또는 트랜지스터(300) 등으로부터 트랜지스터(500)가 제공되는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 갖는 막을 사용하는 것이 바람직하다.
수소에 대한 배리어성을 갖는 막에는, 예를 들어 CVD법에 의하여 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(500) 등 산화물 반도체를 갖는 반도체 소자로 수소가 확산되면, 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 분석에서 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 미만인 것이 바람직하고, 3 미만인 것이 더 바람직하다. 또한 예를 들어 절연체(326)의 비유전율은 절연체(324)의 비유전율의 0.7배 이하인 것이 바람직하고, 0.6배 이하인 것이 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)에 접속되는 도전체(328) 및 도전체(330) 등이 매립되어 있다. 또한 도전체(328) 및 도전체(330)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 또한 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는 도전체에는, 복수의 구조를 합쳐서 동일한 부호를 부여하는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 배선과, 배선에 접속되는 플러그가 일체물이어도 좋다. 즉, 도전체의 일부가 배선으로서 기능하는 경우, 그리고 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 저감할 수 있다.
절연체(326) 및 도전체(330) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어 도 14에서는 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)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 또한 도전체(356)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(350)로서는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(356)는 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(350)의 개구부에 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체가 형성된다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체에는, 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 갖는 질화 탄탈럼층이, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(350)와 접하는 구조가 바람직하다.
절연체(354) 및 도전체(356) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어 도 14에서는 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 갖는다. 또한 도전체(366)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(360)로서는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(366)는 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(360)의 개구부에 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(364) 및 도전체(366) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어 도 14에서는 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 갖는다. 또한 도전체(376)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(370)로서는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(376)는 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(370)의 개구부에 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(374) 및 도전체(376) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어 도 14에서는 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 갖는다. 또한 도전체(386)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(380)로서는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(386)는 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(380)의 개구부에 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
도전체(356)를 포함하는 배선층, 도전체(366)를 포함하는 배선층, 도전체(376)를 포함하는 배선층, 및 도전체(386)를 포함하는 배선층에 대하여 앞에서 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 것에는, 산소나 수소에 대한 배리어성을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어 절연체(510) 및 절연체(514)에는, 기판(311) 또는 트랜지스터(300)를 제공하는 영역 등으로부터 트랜지스터(500)가 제공되는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 갖는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 절연체(324)와 같은 재료를 사용할 수 있다.
수소에 대한 배리어성을 갖는 막에는, 예를 들어 CVD법에 의하여 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(500) 등 산화물 반도체를 갖는 반도체 소자로 수소가 확산되면, 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 갖는 막으로서, 예를 들어 절연체(510) 및 절연체(514)에는 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
특히 산화 알루미늄은 산소, 및 트랜지스터의 전기 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물의 양쪽에 대하여 막을 투과시키지 않도록 하는 차단 효과가 크다. 따라서 산화 알루미늄은 트랜지스터의 제작 공정 중 및 제작 후에 수소, 수분 등의 불순물이 트랜지스터(500)에 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 또한 트랜지스터(500)를 구성하는 산화물로부터 산소가 방출되는 것을 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)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 도전체(518)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
특히 절연체(510) 및 절연체(514)와 접하는 영역의 도전체(518)는 산소, 수소, 및 물에 대한 배리어성을 갖는 도전체인 것이 바람직하다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 산소, 수소, 및 물에 대한 배리어성을 갖는 층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(516) 위쪽에는 트랜지스터(500)가 제공되어 있다.
도 16의 (A) 및 (B)에 나타낸 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, 개구의 밑면 및 측면에 배치된 산화물(530c)과, 산화물(530c)의 형성면에 배치된 절연체(550)와, 절연체(550)의 형성면에 배치된 도전체(560)를 갖는다.
또한 도 16의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 산화물(530a), 산화물(530b), 도전체(542a), 및 도전체(542b)와 절연체(580) 사이에 절연체(544)가 배치되는 것이 바람직하다. 또한 도 16의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 도전체(560)는 절연체(550)의 내측에 제공된 도전체(560a)와, 도전체(560a)의 내측에 매립되도록 제공된 도전체(560b)를 갖는 것이 바람직하다. 또한 도 16의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 절연체(580), 도전체(560), 및 절연체(550) 위에 절연체(574)가 배치되는 것이 바람직하다.
또한 이하에서, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)을 통틀어 산화물(530)이라고 하는 경우가 있다.
또한 채널이 형성되는 영역과 그 근방에서 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 3층이 적층된 트랜지스터(500)의 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)는 단층 구조이어도 좋고, 3층 이상의 적층 구조이어도 좋다. 또한 도 14, 도 16의 (A)에 나타낸 트랜지스터(500)는 일례이고, 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 배치할 수 있다. 따라서 위치를 맞추기 위한 마진을 제공하지 않고 도전체(560)를 형성할 수 있기 때문에, 트랜지스터(500)의 점유 면적을 축소할 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 갖지 않는다. 이로써, 도전체(560)와 도전체(542a) 및 도전체(542b) 사이에 형성되는 기생 용량을 저감할 수 있다. 따라서 트랜지스터(500)는 스위칭 속도가 향상되고, 높은 주파수 특성을 가질 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 저감할 수 있다.
도전체(503)는 산화물(530) 및 도전체(560)와 중첩되도록 배치된다. 이로써, 도전체(560) 및 도전체(503)에 전위를 인가한 경우, 도전체(560)로부터 발생하는 전계와 도전체(503)로부터 발생하는 전계가 연결되므로, 산화물(530)에 형성되는 채널 형성 영역을 덮을 수 있다. 본 명세서 등에서는, 제 1 게이트 전극 및 제 2 게이트 전극의 전계로 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)와 접하는 산화물(530)의 측면 및 주변이, 채널 형성 영역과 마찬가지로 I형이라는 특징을 갖는다. 또한 도전체(542a) 및 도전체(542b)와 접하는 산화물(530)의 측면 및 주변은 절연체(544)와 접하기 때문에, 채널 형성 영역과 마찬가지로 I형이 될 수 있다. 또한 본 명세서 등에서 I형이란, 후술하는 고순도 진성과 같은 것으로 취급할 수 있다. 또한 본 명세서 등에서 개시하는 S-channel 구조는 Fin형 구조 및 플레이너형 구조와는 다르다. S-channel 구조를 채용하면, 단채널 효과에 대한 내성이 높은, 즉 단채널 효과가 발생하기 어려운 트랜지스터로 할 수 있다.
또한 도전체(503)는 도전체(518)와 같은 구성을 갖고, 절연체(514) 및 절연체(516)의 개구의 내벽과 접하여 도전체(503a)가 형성되고, 그 내측에 도전체(503b)가 형성되어 있다. 또한 도전체(503a) 및 도전체(503b)가 적층된 트랜지스터(500)의 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 도전체(503)를 단층 또는 3층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다.
여기서 도전체(503a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 갖는(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 갖는(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 기능이다.
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. 이 경우, 도전체(503a)를 반드시 제공할 필요는 없다. 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 갖는다.
여기서, 산화물(530)과 접하는 절연체(524)로서는, 화학량론적 조성을 만족하는 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)과 접하여 제공함으로써, 산화물(530) 내의 산소 결손을 저감하여, 트랜지스터(500)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
과잉 산소 영역을 갖는 절연체로서, 구체적으로는 가열에 의하여 일부의 산소가 이탈되는 산화물 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 이탈되는 산화물이란, 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 분석 시의 막의 표면 온도는 100℃ 이상 700℃ 이하, 또는 100℃ 이상 400℃ 이하의 범위가 바람직하다.
또한 상기 과잉 산소 영역을 갖는 절연체와, 산화물(530)이 접한 상태로 가열 처리, 마이크로파 처리, 및 RF 처리 중 어느 하나 또는 복수가 수행되어도 좋다. 상기 처리를 수행함으로써, 산화물(530) 내의 물 또는 수소를 제거할 수 있다. 예를 들어 산화물(530)에서, VoH의 결합이 절단되는 반응, 즉 "VOH→VO+H"라는 반응이 일어나, 탈수소화될 수 있다. 이때 발생한 수소의 일부는, 산소와 결합하여 H2O가 되고, 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 처리에는, 예를 들어 고밀도 플라스마를 발생시키는 전원을 갖는 장치 또는 기판 측에 RF를 인가하는 전원을 갖는 장치를 사용하는 것이 적합하다. 예를 들어 산소를 포함하는 가스와 고밀도 플라스마를 사용함으로써, 고밀도의 산소 라디칼을 생성할 수 있고, 기판 측에 RF를 인가함으로써, 고밀도 플라스마에 의하여 생성된 산소 라디칼을 산화물(530) 또는 산화물(530) 근방의 절연체 내에 효율적으로 도입할 수 있다. 또한 상기 마이크로파 처리에서는, 압력을 133Pa 이상, 바람직하게는 200Pa 이상, 더 바람직하게는 400Pa 이상으로 하면 좋다. 또한 마이크로파 처리를 수행하는 장치 내에 도입되는 가스로서는, 예를 들어 산소와 아르곤을 사용하고, 산소 유량비(O2/(O2+Ar))가 50% 이하, 바람직하게는 10% 이상 30% 이하에서 수행하는 것이 좋다.
또한 트랜지스터(500)의 제작 공정에서는, 산화물(530)의 표면이 노출된 상태로 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 가스의 분위기, 혹은 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행한다. 예를 들어 가열 처리는 산소 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 산화물(530)에 산소를 공급함으로써, 산소 결손(VO)을 저감할 수 있다. 또한 가열 처리는 감압 상태에서 수행하여도 좋다. 또는 질소 가스 또는 불활성 가스의 분위기에서 가열 처리를 수행한 후에, 이탈된 산소를 보전하기 위하여 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 가열 처리를 수행하여도 좋다. 또는 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 가열 처리를 수행한 후에, 연속하여 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)하는, 바꿔 말하면 "VO+O→null"이라는 반응을 촉진시킬 수 있다. 또한 공급된 산소와 산화물(530) 내에 잔존한 수소가 반응함으로써, 상기 수소를 H2O로서 제거(탈수화)할 수 있다. 이에 의하여, 산화물(530) 내에 잔존한 수소가 산소 결손과 재결합하여 VOH가 형성되는 것을 억제할 수 있다.
또한 절연체(524)가 과잉 산소 영역을 갖는 경우, 절연체(522)는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등)의 확산을 억제하는 기능을 갖는(상기 산소가 투과하기 어려운) 것이 바람직하다.
절연체(522)가 산소나 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가지면, 산화물(530)에 포함되는 산소가 절연체(520) 측으로 확산되지 않기 때문에 바람직하다. 또한 도전체(503)가 절연체(524)나 산화물(530)에 포함되는 산소와 반응하는 것을 억제할 수 있다.
절연체(522)에는, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함하는 산화물(하프늄 알루미네이트), 산화 탄탈럼, 산화 지르코늄, 타이타늄산 지르콘산 연(PZT), 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3), 또는 (Ba,Sr)TiO3(BST) 등의 소위 high-k 재료를 포함하는 절연체를 단층으로 또는 적층하여 사용하는 것이 바람직하다. 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체에 high-k 재료를 사용함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위를 저감할 수 있다.
특히 불순물 및 산소 등의 확산을 억제하는 기능을 갖는(상기 산소가 투과하기 어려운) 절연성 재료인 알루미늄, 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체를 사용하는 것이 좋다. 알루미늄, 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체로서는, 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 적층시켜 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 16의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터(500)는 제 2 게이트 절연막으로서 절연체(520), 절연체(522), 및 절연체(524)의 3층의 적층 구조를 갖지만, 제 2 게이트 절연막으로서 단층, 2층, 또는 4층 이상의 적층 구조를 가져도 좋다. 이 경우, 같은 재료로 이루어지는 적층 구조에 한정되지 않고, 상이한 재료로 이루어지는 적층 구조이어도 좋다.
트랜지스터(500)에서는, 채널 형성 영역을 포함하는 산화물(530)로서, 산화물 반도체로서 기능하는 금속 산화물을 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, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 복수 종류) 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 좋다. 산화물(530)로서 적용할 수 있는 In-M-Zn 산화물로서는, c축 배향성을 갖고, 또한 a-b면 방향에서 복수의 나노 결정들이 연결되고, 변형을 갖는 결정 구조를 갖는 CAAC(c-axis-aligned crystalline)-OS(oxide semiconductor)나 CAC(cloud-aligned composite)-OS를 사용할 수 있다. 또한 산화물(530)로서 In-Ga 산화물, In-Zn 산화물을 사용하여도 좋다.
또한 산화물(530)로서는, 예를 들어 캐리어 농도가 낮은 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 금속 산화물의 캐리어 농도를 낮추는 경우에는, 금속 산화물 내의 불순물 농도를 낮추고, 결함 준위 밀도를 낮추면 좋다. 본 명세서 등에서, 불순물 농도가 낮고, 결함 준위 밀도가 낮은 것을 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성이라고 한다. 또한 금속 산화물 내의 불순물로서는, 예를 들어 수소, 질소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 철, 니켈, 실리콘 등이 있다.
특히 금속 산화물에 포함되는 수소는 금속 원자와 결합하는 산소와 반응하여 물이 되기 때문에, 금속 산화물 내에 산소 결손(VO: oxygen vacancy라고도 함)을 형성하는 경우가 있다. 금속 산화물 내의 채널 형성 영역에 산소 결손이 포함되면 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 갖는 경우가 있다. 또한 산소 결손에 수소가 들어간 결함은 도너로서 기능하고, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 또한 수소의 일부가 금속 원자와 결합하는 산소와 결합하여, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 따라서 수소가 많이 포함되는 금속 산화물을 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 갖기 쉽다. 또한 금속 산화물 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 포함되는 금속 산화물을 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 갖기 쉽다. 또한 금속 산화물 내의 수소는 열, 전계 등의 스트레스에 의하여 이동하기 쉽기 때문에, 금속 산화물에 수소가 많이 포함되면, 트랜지스터의 신뢰성이 저하될 우려도 있다. 본 발명의 일 형태에서는, 산화물(530) 내의 VOH를 가능한 한 저감하고, 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, VOH가 충분히 저감된 금속 산화물을 얻기 위해서는, 금속 산화물 내의 수분, 수소 등의 불순물을 제거하는 것(탈수, 탈수소화 처리라고 기재하는 경우가 있음)과, 금속 산화물에 산소를 공급하여 산소 결손을 보전하는 것(가산소화 처리라고 기재하는 경우가 있음)이 중요하다. VOH 등의 불순물이 충분히 저감된 금속 산화물을 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
산소 결손에 수소가 들어간 결함은 금속 산화물의 도너로서 기능할 수 있다. 그러나 상기 결함을 정량적으로 평가하는 것은 어렵다. 그러므로 금속 산화물은 도너 농도가 아니라 캐리어 농도로 평가되는 경우가 있다. 따라서 본 명세서 등에서는 금속 산화물의 파라미터로서, 도너 농도 대신에 전계가 인가되지 않는 상태를 상정한 캐리어 농도를 사용하는 경우가 있다. 즉, 본 명세서 등에 기재되는 "캐리어 농도"는 "도너 농도"라고 바꿔 말할 수 있는 경우가 있다.
그러므로 산화물(530) 내의 수소는 가능한 한 저감되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의하여 얻어지는 금속 산화물의 수소 농도를 1×1020atoms/cm3 미만, 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 미만, 더욱 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 미만으로 한다. 수소 등의 불순물이 충분히 저감된 금속 산화물을 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
또한 채널 형성 영역에서의 금속 산화물의 캐리어 농도는 1×1018cm-3 이하인 것이 바람직하고, 1×1017cm-3 미만인 것이 더 바람직하고, 1×1016cm-3 미만인 것이 더 바람직하고, 1×1013cm-3 미만인 것이 더 바람직하고, 1×1012cm-3 미만인 것이 더 바람직하다. 또한 채널 형성 영역에서의 금속 산화물의 캐리어 농도의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 1×10-9cm-3으로 할 수 있다.
산화물(530)에서 채널 형성 영역으로서 기능하는 금속 산화물로서는, 밴드 갭이 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 밴드 갭이 넓은 금속 산화물을 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 산화물의 적층 구조를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물(530a)로서 사용하는 금속 산화물에서, 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)로서 사용하는 금속 산화물에서의 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530a)로서 사용하는 금속 산화물에서, In에 대한 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)로서 사용하는 금속 산화물에서의 In에 대한 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530b)로서 사용하는 금속 산화물에서, 원소 M에 대한 In의 원자수비가 산화물(530a)로서 사용하는 금속 산화물에서의 원소 M에 대한 In의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530c)로서는 산화물(530a) 또는 산화물(530b)로서 사용할 수 있는 금속 산화물을 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 변화된다. 바꿔 말하면, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서의 전도대 하단의 에너지 준위는 연속적으로 변화 또는 연속 접합한다고도 할 수 있다. 이와 같이 하기 위해서는, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에 형성되는 혼합층의 결함 준위 밀도를 낮추는 것이 좋다.
구체적으로는, 산화물(530a)과 산화물(530b), 산화물(530b)과 산화물(530c)이 산소 이외에 공통의 원소를 포함함으로써(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. 따라서 계면 산란으로 인한 캐리어 전도에 대한 영향이 작아지므로, 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)에는 알루미늄, 크로뮴, 구리, 은, 금, 백금, 탄탈럼, 니켈, 타이타늄, 몰리브데넘, 텅스텐, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 망가니즈, 마그네슘, 지르코늄, 베릴륨, 인듐, 루테늄, 이리듐, 스트론튬, 란타넘 중에서 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 포함한 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함한 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함한 산화물, 란타넘과 니켈을 포함한 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 타이타늄과 알루미늄을 포함한 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함한 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함한 산화물, 란타넘과 니켈을 포함한 산화물은 산화되기 어려운 도전성 재료, 또는 산소를 흡수하여도 도전성을 유지하는 재료이기 때문에 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼 등의 금속 질화물막은 수소 또는 산소에 대한 배리어성을 갖기 때문에 바람직하다.
또한 도 16의 (A)에서는 도전체(542a) 및 도전체(542b)를 단층 구조로 나타내었지만, 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 16의 (A)에 나타낸 바와 같이, 산화물(530)과 도전체(542a)(도전체(542b))의 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 접하도록 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 밀도가 증가하여 영역(543a)(영역(543b))은 저저항 영역이 된다.
또한 상기 도전체(542a)(도전체(542b))와 산화물(530)이 접함으로써, 산화물(530) 내의 산소가 전극으로 확산되어, 도전체가 산화되는 경우가 있다. 도전체가 산화된 경우, 도전체의 도전율이 저하할 가능성이 높다. 또한 산화물(530) 내의 산소가 도전체로 확산되는 것을 도전체가 산화물(530) 내의 산소를 흡수한다고 바꿔 말할 수 있다.
또한 산화물(530) 내의 산소가 상기 도전체(542a)(도전체(542b))로 확산됨으로써, 산화물 도전체와의 사이에 이층(異層)이 형성되는 경우가 있다. 상기 이층은 상기 도전체(542a)(도전체(542b))보다 산소를 많이 포함하기 때문에, 상기 이층은 절연성을 갖는 것으로 추정된다. 이때, 상기 도전체(542a)(도전체(542b))와, 상기 이층과, 산화물(530)의 3층 구조는 금속-절연체-반도체로 이루어지는 3층 구조로 간주할 수 있고, MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조라고 부르거나, 또는 MIS 구조를 주로 갖는 다이오드 접합 구조라고 부르는 경우가 있다.
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 접하도록 제공되어도 좋다.
절연체(544)로서는 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 네오디뮴, 란타넘, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다. 또한 절연체(544)로서 질화산화 실리콘 또는 질화 실리콘 등을 사용할 수도 있다.
특히, 절연체(544)로서 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함한 절연체인, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함한 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 하프늄 알루미네이트는 산화 하프늄막보다 내열성이 높다. 그러므로 추후의 공정에서의 가열 처리에서 결정화되기 어렵기 때문에 바람직하다. 또한 도전체(542a) 및 도전체(542b)가 내산화성을 갖는 재료이거나, 또는 산소를 흡수하여도 도전성이 현저하게 저하하지 않는 경우에는, 절연체(544)는 필수적인 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)에 포함되는 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)과 접하여 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, 공공(空孔)을 갖는 산화 실리콘을 사용할 수 있다. 특히, 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열에 대하여 안정적이므로 바람직하다.
가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체를 절연체(550)로서 산화물(530c)의 상면과 접하여 제공함으로써, 절연체(550)로부터 산화물(530c)을 통하여 산화물(530b)의 채널 형성 영역에 산소를 효과적으로 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)에 포함되는 과잉 산소를 산화물(530)에 효율적으로 공급하기 위하여, 절연체(550)와 도전체(560) 사이에 금속 산화물을 제공하여도 좋다. 상기 금속 산화물은 절연체(550)로부터 도전체(560)로의 산소의 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 산화물에는, 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 발생하는 경우가 있기 때문에, 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체를 high-k 재료와 열적으로 안정적인 재료의 적층 구조로 함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위를 저감할 수 있다. 또한 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구조로 할 수 있다.
제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)는 도 16의 (A) 및 (B)에서는 2층 구조로 나타내었지만, 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 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 도전체(560a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 절연체(550)에 포함되는 산소에 의하여 도전체(560b)가 산화되어 도전율이 저하하는 것을 억제할 수 있다. 산소의 확산을 억제하는 기능을 갖는 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 스퍼터링법에 의하여 성막함으로써, 도전체(560a)의 전기 저항값을 저하시켜 도전체로 할 수 있다. 이를 OC(Oxide Conductor) 전극이라고 부를 수 있다.
또한 도전체(560b)에는 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)를 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 갖는 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 갖는 산화 실리콘, 또는 수지 등을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이므로 바람직하다. 특히, 산화 실리콘, 공공을 갖는 산화 실리콘은 추후의 공정에서 과잉 산소 영역을 용이하게 형성할 수 있기 때문에 바람직하다.
절연체(580)는 과잉 산소 영역을 갖는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체(580)를 산화물(530c)과 접하여 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 저하하지 않도록 할 필요가 있다. 이를 위하여 도전체(560)의 막 두께를 두껍게 하면, 도전체(560)는 종횡비가 높은 형상을 가질 수 있다. 본 실시형태에서는 절연체(580)의 개구에 매립되도록 도전체(560)를 제공하기 때문에, 도전체(560)를 종횡비가 높은 형상으로 하여도, 공정 중에 무너지는 일 없이 도전체(560)를 형성할 수 있다.
절연체(574)는 절연체(580)의 상면, 도전체(560)의 상면, 및 절연체(550)의 상면과 접하여 제공되는 것이 바람직하다. 절연체(574)를 스퍼터링법에 의하여 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, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다.
특히 산화 알루미늄은 배리어성이 높아 0.5nm 이상 3.0nm 이하의 박막이어도 수소 및 질소의 확산을 억제할 수 있다. 따라서 스퍼터링법에 의하여 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 감쌈으로써, 외부로부터 수분 및 수소가 들어가는 것을 방지할 수 있다. 또는 복수의 트랜지스터(500)를, 수소 또는 물에 대한 배리어성이 높은 절연체로 통틀어 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)와 접하도록 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 사이에 두고 대향하여 제공된다. 도전체(540a) 및 도전체(540b)는 후술하는 도전체(546) 및 도전체(548)와 같은 구성을 갖는다.
절연체(581) 위에는 절연체(582)가 제공되어 있다. 절연체(582)에는 산소나 수소에 대한 배리어성을 갖는 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 산소, 및 트랜지스터의 전기 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물의 양쪽에 대하여 막을 투과시키지 않도록 하는 차단 효과가 크다. 따라서 산화 알루미늄은 트랜지스터의 제작 공정 중 및 제작 후에 수소, 수분 등의 불순물이 트랜지스터(500)에 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 또한 트랜지스터(500)를 구성하는 산화물로부터 산소가 방출되는 것을 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)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 도전체(546) 및 도전체(548)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
다음으로, 트랜지스터(500) 위쪽에는 용량 소자(600)가 제공되어 있다. 용량 소자(600)는 도전체(610)와, 도전체(620)와, 절연체(630)를 갖는다.
또한 도전체(546) 및 도전체(548) 위에 도전체(612)를 제공하여도 좋다. 도전체(612)는 트랜지스터(500)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 도전체(610)는 용량 소자(600)의 전극으로서의 기능을 갖는다. 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, 스칸듐 중에서 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 14에서는 도전체(612) 및 도전체(610)를 단층 구조로 나타내었지만, 상기 구성에 한정되지 않고, 2층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다. 예를 들어 배리어성을 갖는 도전체와 도전성이 높은 도전체 사이에, 배리어성을 갖는 도전체 및 도전성이 높은 도전체에 대하여 밀착성이 높은 도전체를 형성하여도 좋다.
절연체(630)를 개재하여 도전체(610)와 중첩되도록 도전체(620)를 제공한다. 또한 도전체(620)에는 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 갖는 트랜지스터를 사용한 반도체 장치에서 전기 특성의 변동을 억제하면서, 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또는 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터를 사용한 전지 제어 회로에서 미세화 또는 고집적화를 도모할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 일 형태의 OS 트랜지스터를 사용한 메모리에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 형태의 축전 장치는 메모리를 갖는 것이 바람직하다. 메모리로서는 OS 트랜지스터를 사용한 메모리 장치를 적용할 수 있다. 예를 들어 이하에서 설명하는 NOSRAM(등록 상표), DOSRAM(등록 상표) 등을 적용할 수 있다.
NOSRAM이란, 메모리 셀의 기록 트랜지스터가 OS 트랜지스터로 구성된 게인셀형 DRAM을 말한다. NOSRAM은 Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM의 약칭이다. 이하에서 NOSRAM의 구성예에 대하여 설명한다.
<NOSRAM>
도 17의 (A)는 NOSRAM의 구성예를 나타낸 블록도이다. NOSRAM(240)에는 파워 도메인(242, 243), 파워 스위치(245 내지 247)가 제공되어 있다. 파워 도메인(242)에는 메모리 셀 어레이(250)가 제공되고, 파워 도메인(243)에는 NOSRAM(240)의 주변 회로가 제공되어 있다. 주변 회로는 제어 회로(251), 행 회로(252), 열 회로(253)를 갖는다.
외부로부터 NOSRAM(240)에 전압(VDDD, VSSS, VDHW, VDHR, VBG2), 클록 신호(GCLK2), 어드레스 신호, 신호(CE, WE, PSE5)가 입력된다. 신호(CE)는 칩 인에이블 신호이고, 신호(WE)는 기록 인에이블 신호이다. 신호(PSE5)는 파워 스위치(245 내지 247)의 온/오프를 제어한다. 파워 스위치(245 내지 247)는 각각, 파워 도메인(243)에 대한 전압(VDDD, VDHW, VDHR)의 입력을 제어한다.
또한 NOSRAM(240)에 입력되는 전압, 신호 등은 NOSRAM(240)의 회로 구성, 동작 방법에 따라 적절히 선택된다. 예를 들어 파워 게이팅이 수행되지 않는 파워 도메인을 NOSRAM(240)에 제공하고, 신호(PSE5)를 생성하는 파워 게이팅 제어 회로를 제공하여도 좋다.
메모리 셀 어레이(250)는 메모리 셀(10), 기록 워드선(WWL), 판독 워드선(RWL), 기록 비트선(WBL), 판독 비트선(RBL), 소스선(SL)을 갖는다.
도 17의 (B)에 나타낸 바와 같이, 메모리 셀(10)은 2T1C(2트랜지스터 1용량 소자)형 게인 셀이고, 노드(SN1), 트랜지스터(M1, M2), 용량 소자(C1)를 갖는다. 트랜지스터(M1)는 기록 트랜지스터이며, 백 게이트를 갖는 OS 트랜지스터이다. 트랜지스터(M1)의 백 게이트는 전압(VBG2)을 공급하는 배선(BGL2)에 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(M2)는 판독 트랜지스터이며, p채널형 Si 트랜지스터이다. 용량 소자(C1)는 노드(SN1)의 전압을 유지하는 유지 용량 소자이다.
전압(VDDD)은 데이터 "1"을, 전압(VSSS)은 데이터 "0"을 나타내는 전압이다. 또한 기록 워드선(WWL)의 고레벨 전압은 VDHW이고, 기록 워드선(RWL)의 고레벨 전압은 VHDR이다.
도 18의 (A)에 메모리 셀 어레이(250)의 구성예를 나타내었다. 도 18의 (A)에 나타낸 메모리 셀 어레이(250)에서는, 인접한 2행에 하나의 소스선이 공급되어 있다.
메모리 셀(10)은 원리적으로 재기록 횟수에 제한이 없고, 데이터의 재기록을 낮은 에너지로 수행할 수 있고, 데이터를 유지하는 데 전력을 소비하지 않는다. 트랜지스터(M1)는 오프 전류가 매우 낮은 OS 트랜지스터이기 때문에, 메모리 셀(10)은 데이터를 장시간 유지할 수 있다. 따라서 NOSRAM(240)으로 캐시 메모리 장치(202, 202)를 구성함으로써, 캐시 메모리 장치(202, 203)를 비휘발성이며 소비 전력이 낮은 메모리 장치로 할 수 있다.
메모리 셀(10)의 회로 구성은 도 17의 (B)의 회로 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어 판독 트랜지스터(M2)는 백 게이트를 갖는 OS 트랜지스터 또는 n채널형 Si 트랜지스터이어도 좋다. 또는 메모리 셀(10)은 3T형 게인 셀이어도 좋다. 예를 들어 도 18의 (B), (C)에 3T형 게인 셀의 예를 나타내었다. 도 18의 (B)에 나타낸 메모리 셀(15)은 트랜지스터(M3 내지 M5), 용량 소자(C3), 노드(SN3)를 갖는다. 트랜지스터(M3 내지 M5)는 각각, 기록 트랜지스터, 판독 트랜지스터, 선택 트랜지스터이다. 트랜지스터(M3)는 백 게이트를 갖는 OS 트랜지스터이고, 트랜지스터(M4, M5)는 p채널형 Si 트랜지스터이다. 트랜지스터(M4, M5)를 n채널형 Si 트랜지스터 또는 백 게이트를 갖는 OS 트랜지스터로 구성하여도 좋다. 도 18의 (C)에 나타낸 메모리 셀(16)에서는, 3개의 트랜지스터는 백 게이트를 갖는 OS 트랜지스터로 구성되어 있다.
노드(SN3)는 유지 노드이다. 용량 소자(C3)는 노드(SN3)의 전압을 유지하기 위한 유지 용량 소자이다. 용량 소자(C3)를 의도적으로 제공하지 않고, 트랜지스터(M4)의 게이트 용량 등으로 유지 용량 소자를 구성하여도 좋다. 배선(PDL)에는 고정 전압(예를 들어 VDDD)이 입력된다. 배선(PDL)은 소스선(SL)을 대신하는 배선이고, 예를 들어 전압(VDDD)이 입력된다.
제어 회로(251)는 NOSRAM(240)의 동작 전반을 제어하는 기능을 갖는다. 예를 들어 제어 회로(251)는 신호(CE, WE)를 논리 연산하여, 외부로부터의 액세스가 기록 액세스인지 판독 액세스인지를 판단한다.
행 회로(252)는 어드레스 신호에 의하여 지정되고 선택된 행의 기록 워드선(WWL), 판독 워드선을 선택하는 기능을 갖는다. 열 회로(253)는 어드레스 신호에 의하여 지정되는 열의 기록 비트선에 데이터를 기록하는 기능, 및 상기 열의 판독 비트선(WBL)으로부터 데이터를 판독하는 기능을 갖는다.
<DOSRAM>
DOSRAM이란, 1T1C형 메모리 셀을 갖는 RAM을 말하고, Dynamic Oxide Semiconductor RAM의 약칭이다. 이하에서는, 도 19의 (A) 및 (B)를 참조하여 DOSRAM에 대하여 설명한다.
도 19의 (A)에 나타낸 바와 같이, DOSRAM(351)의 메모리 셀(16)은 비트선(BL)(또는 BLB), 워드선(WL), 배선(BGL6, PL)에 전기적으로 접속된다. 비트선(BLB)은 반전 비트선이다. 예를 들어 배선(BGL6)에는 전압(VBG6)이, 배선(PL)에는 전압(VSSS)이 입력된다. 메모리 셀(16)은 트랜지스터(M6) 및 용량 소자(C6)를 갖는다. 트랜지스터(M6)는 백 게이트를 갖는 OS 트랜지스터이다.
용량 소자(C6)의 충방전에 의하여 데이터가 재기록되기 때문에, DOSRAM(351)은 원리적으로는 재기록 횟수에 제약이 없으며, 낮은 에너지로 데이터가 기록 및 판독될 수 있다. 또한 메모리 셀(16)의 회로 구성이 단순하기 때문에, 용량을 크게 하는 것이 용이하다. 메모리 셀(16)의 기록 트랜지스터는 OS 트랜지스터이기 때문에, DOSRAM(351)의 유지 시간은 DRAM에 비하여 매우 길다. 따라서 리프레시의 빈도를 저감하거나 또는 리프레시 동작을 불필요하게 할 수 있기 때문에, 리프레시 동작에 필요한 전력을 삭감할 수 있다.
도 19의 (B)에 나타낸 바와 같이, DOSRAM(351)에서 메모리 셀 어레이(361)는 주변 회로(365) 위에 적층될 수 있다. 이것은 메모리 셀(16)의 트랜지스터(M6)가 OS 트랜지스터이기 때문이다.
메모리 셀 어레이(361)에서는 복수의 메모리 셀(16)이 매트릭스로 배치되고, 메모리 셀(16)의 배열에 따라 비트선(BL, BLB), 워드선(WL), 배선(BGL6, PL)이 제공되어 있다. 주변 회로(365)에는 제어 회로, 행 회로, 열 회로가 제공된다. 행 회로는 액세스될 워드선(WL)의 선택 등을 수행한다. 열 회로는 BL과 BLB로 이루어지는 비트선쌍에 대한 데이터의 기록 및 이 비트선쌍으로부터의 데이터의 판독 등을 수행한다.
주변 회로(365)를 파워 게이팅하기 위하여 파워 스위치(371, 373)가 제공되어 있다. 파워 스위치(371, 373)는 각각, 주변 회로(365)에 대한 전압(VDDD, VDHW6)의 입력을 제어한다. 또한 전압(VDHW6)은 워드선(WL)의 고레벨 전압이다. 파워 스위치(371, 373)의 온/오프는 신호(PSE6)로 제어된다. 예를 들어 신호(PSE6)는 PMU(113)에 의하여 생성된다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 전자 부품으로서 사용하는 예에 대하여 도 20의 (A) 및 (B)를 사용하여 설명한다.
도 20의 (A)를 참조하여 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 전자 부품으로서 사용하는 예에 대하여 설명한다. 또한 전자 부품은 반도체 패키지 또는 IC용 패키지라고도 한다. 이 전자 부품은 단자 추출 방향이나 단자의 형상에 따라 복수의 규격이나 명칭이 존재한다. 따라서 본 실시형태에서는 그 일례에 대하여 설명한다.
OS 트랜지스터나 Si 트랜지스터로 구성되는 회로부는, 조립 공정(후공정)을 거쳐, 탈착될 수 있는 복수의 부품이 인쇄 회로 기판과 조합됨으로써 완성된다.
후공정은 도 20의 (A)에 나타낸 각 공정을 거쳐 완성될 수 있다. 구체적으로는, 전공정에서 얻어지는 소자 기판이 완성(단계 S1)된 후, 기판의 뒷면을 연삭한다(단계 S2). 이 단계에서 기판을 박막화함으로써, 전공정에서의 기판의 휨 등이 저감되고, 부품이 소형화된다.
기판의 뒷면을 연삭하고 나서, 기판을 복수의 칩으로 분리하는 다이싱 공정을 수행한다. 그리고 분리한 칩을 각각 픽업하여 리드 프레임 위에 탑재하고 접합하는 다이 본딩 공정을 수행한다(단계 S3). 이 다이 본딩 공정에서의 칩과 리드 프레임의 접착에는, 수지를 사용한 접착이나 테이프를 사용한 접착 등, 적절히 제품에 따라 적합한 방법을 선택한다. 또한 다이 본딩 공정에서는 인터포저 위에 탑재하고 접합하여도 좋다.
이어서, 리드 프레임의 리드와 칩 위의 전극을 금속의 세선(와이어)으로 전기적으로 접속하는 와이어 본딩을 수행한다(단계 S4). 금속의 세선으로서는 은선이나 금선을 사용할 수 있다. 또한 와이어 본딩으로서는 볼 본딩이나 웨지 본딩을 사용할 수 있다.
와이어 본딩된 칩에는 에폭시 수지 등으로 밀봉되는 몰딩 공정이 실시된다(단계 S5). 몰딩 공정을 수행하면, 전자 부품의 내부가 수지로 충전되므로, 기계적인 외력으로 인한 내장된 회로부나 와이어에 대한 대미지를 저감할 수 있고, 또한 수분이나 먼지로 인한 특성의 열화를 저감할 수 있다.
이어서, 리드 프레임의 리드를 도금 처리한다. 그리고 리드를 절단 및 성형 가공한다(단계 S6). 이 도금 처리에 의하여 리드의 녹을 방지하고, 나중에 인쇄 회로 기판에 실장할 때의 납땜을 더 확실하게 수행할 수 있다.
그리고 패키지의 표면에 인자 처리(마킹)를 실시한다(단계 S7). 그리고 최종적인 검사 공정(단계 S8)을 거쳐, PLD를 포함하는 회로부를 갖는 전자 부품이 완성된다(단계 S9).
또한 도 20의 (B)는 완성된 전자 부품의 사시 모식도이다. 도 20의 (B)는 전자 부품의 일례로서 나타낸 QFP(Quad Flat Package)의 사시 모식도이다. 도 20의 (B)에는 전자 부품(700)의 리드(701) 및 회로부(703)를 나타내었다. 도 20의 (B)에 나타낸 전자 부품(700)은 예를 들어 인쇄 회로 기판(702)에 실장된다. 이와 같은 전자 부품(700)이 복수로 조합되고, 각각이 인쇄 회로 기판(702) 위에서 전기적으로 접속됨으로써 전기 기기의 내부에 탑재할 수 있다. 완성된 회로 기판(704)은 전기 기기 등의 내부에 제공된다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 갖는 전자 부품을 적용할 수 있는 축전 장치 및 축전 시스템의 구성에 대하여 설명한다.
[원통형 이차 전지]
원통형 이차 전지의 예에 대하여 도 21의 (A)를 참조하여 설명한다. 원통형 이차 전지(400)는 도 21의 (A)에 나타낸 바와 같이, 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(401)을 갖고, 측면 및 밑면에 전지 캔(외장 캔)(402)을 갖는다. 이들 양극 캡(401)과 전지 캔(외장 캔)(402)은 개스킷(절연 패킹)(410)에 의하여 절연된다.
도 21의 (B)는 원통형 이차 전지의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 21의 (B)에 나타낸 원통형 이차 전지는 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(601)을 갖고, 측면 및 밑면에 전지 캔(외장 캔)(602)을 갖는다. 이들 양극 캡과 전지 캔(외장 캔)(602)은 개스킷(절연 패킹)(610)에 의하여 절연된다.
중공 원통형 전지 캔(602)의 안쪽에는, 세퍼레이터(605)를 사이에 두고 띠 형상의 양극(604)과 음극(606)이 권회된 전지 소자가 제공되어 있다. 도시하지 않았지만, 전지 소자는 센터 핀을 중심으로 하여 권회되어 있다. 전지 캔(602)은 한끝이 닫혀 있고, 다른 한끝이 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 전지 캔(602)을 피복하는 것이 바람직하다. 전지 캔(602)의 안쪽에서 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 권회된 전지 소자는 대향하는 한 쌍의 절연판(608, 609) 사이에 끼워진다. 또한 전지 소자가 제공된 전지 캔(602)의 내부에는 비수전해액(도시하지 않았음)이 주입되어 있다. 비수전해액으로서는, 코인형 이차 전지와 같은 것을 사용할 수 있다.
원통형 축전지에 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 각각 알루미늄 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. 양극 단자(603)는 안전 밸브 기구(613)에, 음극 단자(607)는 전지 캔(602)의 바닥에 각각 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(613)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(611)를 통하여 양극 캡(601)에 전기적으로 접속되어 있다. 안전 밸브 기구(613)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.
도 21의 (C)는 축전 시스템(415)의 일례를 나타낸 것이다. 축전 시스템(415)은 복수의 이차 전지(400)를 갖는다. 각 이차 전지의 양극들은 절연체(425)로 분리된 도전체(424)와 접하고, 전기적으로 접속되어 있다. 도전체(424)는 배선(423)을 통하여 제어 회로(420)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 각 이차 전지의 음극들은 배선(426)을 통하여 제어 회로(420)에 전기적으로 접속되어 있다. 제어 회로(420)로서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용할 수 있다.
도 21의 (D)는 축전 시스템(415)의 일례를 나타낸 것이다. 축전 시스템(415)은 복수의 이차 전지(400)를 갖고, 복수의 이차 전지(400)는 도전판(413)과 도전판(414) 사이에 끼워져 있다. 복수의 이차 전지(400)는 배선(416)에 의하여 도전판(413) 및 도전판(414)에 전기적으로 접속된다. 복수의 이차 전지(400)는 병렬로 접속되어도 좋고, 직렬로 접속되어도 좋고, 병렬로 접속된 후에, 이것이 직렬로 접속되어도 좋다. 복수의 이차 전지(400)를 갖는 축전 시스템(415)을 구성함으로써, 큰 전력을 추출할 수 있다.
복수의 이차 전지(400) 사이에 온도 제어 장치를 가져도 좋다. 이차 전지(400)가 지나치게 뜨거워졌을 때에는 온도 제어 장치에 의하여 냉각하고, 이차 전지(400)가 지나치게 차가워졌을 때에는 온도 제어 장치에 의하여 가열할 수 있다. 그러므로 축전 시스템(415)의 성능이 외기 온도의 영향을 받기 어려워진다.
또한 도 21의 (D)에서 축전 시스템(415)은 배선(421) 및 배선(422)을 통하여 제어 회로(420)에 전기적으로 접속되어 있다. 제어 회로(420)로서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용할 수 있다. 배선(421)은 도전판(413)을 통하여 복수의 이차 전지(400)의 양극에 전기적으로 접속되고, 배선(422)은 도전판(414)을 통하여 복수의 이차 전지(400)의 음극에 전기적으로 접속된다.
[이차 전지 팩]
다음으로, 본 발명의 일 형태의 축전 시스템의 예에 대하여 도 22의 (A), (B), 및 (C)를 사용하여 설명한다.
도 22의 (A)는 이차 전지 팩(531)의 외관을 나타낸 도면이다. 도 22의 (B)는 이차 전지 팩(531)의 구성을 설명하는 도면이다. 이차 전지 팩(531)은 회로 기판(501)과 이차 전지(513)를 갖는다. 이차 전지(513)에는 라벨(509)이 붙어 있다. 회로 기판(501)은 실(515)에 의하여 고정되어 있다. 또한 이차 전지 팩(531)은 안테나(517)를 갖는다.
회로 기판(501)은 제어 회로(590)를 갖는다. 제어 회로(590)로서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용할 수 있다. 예를 들어 도 22의 (B)에 나타낸 바와 같이, 회로 기판(501) 위에 제어 회로(590)를 갖는다. 또한 회로 기판(501)은 단자(511)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 회로 기판(501)은 안테나(517), 이차 전지(513)의 양극 리드 및 음극 리드 중 한쪽(551), 양극 리드 및 음극 리드 중 다른 쪽(552)에 전기적으로 접속된다.
또는 도 22의 (C)에 나타낸 바와 같이, 이차 전지 팩 시스템은 회로 기판(501) 위에 제공되는 회로 시스템(590a)과, 단자(511)를 통하여 회로 기판(501)에 전기적으로 접속되는 회로 시스템(590b)을 가져도 좋다. 예를 들어 본 발명의 일 형태의 제어 회로의 일부가 회로 시스템(590a)에 제공되고, 다른 일부가 회로 시스템(590b)에 제공된다.
또한 안테나(517)는 코일형에 한정되지 않고, 예를 들어 선형, 판형이어도 좋다. 또한 평면 안테나, 개구면 안테나, 진행파 안테나, EH 안테나, 자기장 안테나, 유전체 안테나 등의 안테나를 사용하여도 좋다. 또는 안테나(517)는 평판 형상의 도체이어도 좋다. 이 평판 형상의 도체는 전계 결합용 도체의 하나로서 기능할 수 있다. 즉, 콘덴서가 갖는 2개의 도체 중 하나의 도체로서 안테나(517)를 기능시켜도 좋다. 이로써, 전자기장, 자기장뿐만 아니라 전계에 의한 전력의 송수신도 가능하다.
이차 전지 팩(531)은 안테나(517)와 이차 전지(513) 사이에 층(519)을 갖는다. 층(519)은 예를 들어 이차 전지(513)로 인한 전자기장을 차폐할 수 있는 기능을 갖는다. 층(519)으로서는, 예를 들어 자성체를 사용할 수 있다.
이차 전지(513)는 권회된 전지 소자를 가져도 좋다. 상기 전지 소자는 음극과, 양극과, 세퍼레이터를 갖는다. 상기 전지 소자는 예를 들어 세퍼레이터를 사이에 두고 음극과 양극이 중첩하여 적층되며, 이 적층의 시트가 권회된 것이다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태인 축전 시스템을 차량에 탑재하는 예에 대하여 설명한다. 차량으로서는 예를 들어 자동차, 이륜차, 자전거 등이 있다.
축전 시스템을 차량에 탑재하면, 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차를 실현할 수 있다.
도 23의 (A), (B), 및 (C)에서 본 발명의 일 형태인 축전 시스템을 사용한 차량을 예시하였다. 도 23의 (A)에 나타낸 자동차(8400)는 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터를 사용하는 전기 자동차이다. 또는 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터와 엔진을 적절히 선택하여 사용할 수 있는 하이브리드 자동차이다. 본 발명의 일 형태를 사용함으로써, 항속 거리가 긴 차량을 실현할 수 있다. 자동차(8400)는 축전 시스템을 갖는다. 축전 시스템은 전기 모터(8406)를 구동시킬 뿐만 아니라, 전조등(8401)이나 실내등(도시하지 않았음) 등의 발광 장치에 전력을 공급할 수 있다.
또한 축전 시스템은 자동차(8400)가 갖는 속도계, 회전 속도계 등의 표시 장치에 전력을 공급할 수 있다. 또한 축전 시스템은 자동차(8400)가 갖는 내비게이션 시스템 등에 전력을 공급할 수 있다.
도 23의 (B)에 나타낸 자동차(8500)는, 자동차(8500)가 갖는 축전 시스템(8024)에 플러그인 방식이나 비접촉 급전 방식 등으로 외부의 충전 설비로부터 전력을 공급받음으로써 충전될 수 있다. 도 23의 (B)에는 지상 설치형 충전 장치(8021)로부터 자동차(8500)에 탑재된 축전 시스템(8024)에 케이블(8022)을 통하여 충전을 하는 상태를 나타내었다. 충전에서는, 충전 방법이나 커넥터의 규격 등으로서 CHAdeMO(등록 상표)나 콤보 등의 소정의 방식을 적절히 사용하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 제공된 충전 스테이션이어도 좋고, 가정용 전원이어도 좋다. 예를 들어 플러그인 기술에 의하여, 외부로부터의 전력 공급에 의하여 자동차(8500)에 탑재된 축전 시스템(8024)을 충전할 수 있다. 충전은 ACDC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환함으로써 수행될 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 충전을 할 수 있다. 또한 이 비접촉 급전 방식을 이용하여 차량들 사이에서 전력을 송수신하여도 좋다. 또한 차량의 외장부에 태양 전지를 제공하여, 정차 시나 주행 시에 축전 시스템을 충전하여도 좋다. 이와 같은 비접촉 전력 공급에는 전자기 유도 방식이나 자기장 공명 방식을 이용할 수 있다.
또한 도 23의 (C)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 사용한 이륜차의 일례를 나타낸 것이다. 도 23의 (C)에 나타낸 스쿠터(8600)는 축전 시스템(8602), 사이드 미러(8601), 방향 지시등(8603)을 갖는다. 축전 시스템(8602)은 방향 지시등(8603)에 전기를 공급할 수 있다.
또한 도 23의 (C)에 나타낸 스쿠터(8600)는, 좌석 아래의 수납 공간(8604)에 축전 시스템(8602)을 수납할 수 있다. 축전 시스템(8602)은 좌석 아래의 수납 공간(8604)이 소형이어도, 좌석 아래의 수납 공간(8604)에 수납될 수 있다.
또한 도 24의 (A)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 사용한 전동 자전거의 일례를 나타낸 것이다. 도 24의 (A)에 나타낸 전동 자전거(8700)에 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 적용할 수 있다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템은 예를 들어 복수의 축전지와, 보호 회로와, 신경망을 갖는다.
전동 자전거(8700)는 축전 시스템(8702)을 갖는다. 축전 시스템(8702)은 운전자를 어시스트하는 모터에 전기를 공급할 수 있다. 또한 축전 시스템(8702)은 들고 다닐 수 있으며, 자전거에서 떼어 낸 상태를 도 24의 (B)에 나타내었다. 또한 축전 시스템(8702)에는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템이 갖는 축전지(8701)가 복수로 내장되어 있고, 그 배터리 잔량 등은 표시부(8703)에 표시될 수 있다. 또한 축전 시스템(8702)은 본 발명의 일 형태의 제어 회로(8704)를 갖는다. 제어 회로(8704)는 축전지(8701)의 양극 및 음극에 전기적으로 접속되어 있다. 제어 회로(8704)로서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 6)
본 실시형태에서는, 앞의 실시형태에서 설명한 축전 시스템을 전자 기기에 실장하는 예에 대하여 설명한다.
다음으로, 도 25의 (A) 및 (B)에 반으로 접을 수 있는 태블릿형 단말기(클램셸형 단말기도 포함함)의 일례를 나타내었다. 도 25의 (A) 및 (B)에 나타낸 태블릿형 단말기(9600)는 하우징(9630a), 하우징(9630b), 하우징(9630a)과 하우징(9630b)을 접속하는 가동부(9640), 표시부(9631), 표시 모드 전환 스위치(9626), 전원 스위치(9627), 절전 모드 전환 스위치(9625), 잠금부(9629), 조작 스위치(9628)를 갖는다. 표시부(9631)에 가요성을 갖는 패널을 사용함으로써, 더 넓은 표시부를 갖는 태블릿 단말기로 할 수 있다. 도 25의 (A)는 태블릿형 단말기(9600)를 펼친 상태를 나타낸 것이고, 도 25의 (B)는 태블릿형 단말기(9600)를 닫은 상태를 나타낸 것이다.
또한 태블릿형 단말기(9600)는 하우징(9630a) 및 하우징(9630b)의 내부에 축전체(9635)를 갖는다. 축전체(9635)는 하우징(9630a)에서 가동부(9640)를 거쳐 하우징(9630b)에 걸쳐 제공되어 있다.
표시부(9631)는 일부를 터치 패널 영역으로 할 수 있고, 표시된 조작 키를 터치함으로써 데이터가 입력될 수 있다. 또한 터치 패널에서 키보드 표시 전환 버튼이 표시된 위치를 손가락이나 스타일러스 등으로 터치함으로써, 표시부(9631)에 키보드 버튼 표시할 수 있다.
또한 표시 모드 전환 스위치(9626)는, 세로 표시 또는 가로 표시 등의 표시 방향의 전환, 흑백 표시나 컬러 표시의 전환 등을 선택할 수 있다. 절전 모드 전환 스위치(9625)는 태블릿형 단말기(9600)에 내장된 광 센서로 검출되는, 사용 시의 외광의 광량에 따라 표시의 휘도를 최적화할 수 있다. 태블릿형 단말기에는 광 센서뿐만 아니라 자이로스코프, 가속도 센서 등 기울기를 검출하는 센서 등의 다른 검출 장치가 내장되어도 좋다.
도 25의 (B)는 태블릿형 단말기(9600)를 닫은 상태를 나타낸 것이고, 태블릿형 단말기(9600)는 하우징(9630), 태양 전지(9633), 및 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 갖는다. 축전 시스템은 제어 회로(9634)와 축전체(9635)를 갖는다. 제어 회로(9634)로서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용할 수 있다.
또한 태블릿형 단말기(9600)는 반으로 접을 수 있기 때문에, 사용하지 않을 때는 하우징(9630a) 및 하우징(9630b)이 서로 중첩되도록 접을 수 있다. 접으면 표시부(9631)를 보호할 수 있기 때문에, 태블릿형 단말기(9600)의 내구성을 높일 수 있다.
또한 이 외에도 도 25의 (A) 및 (B)에 나타낸 태블릿형 단말기는 다양한 정보(정지 화상, 동영상, 텍스트 화상 등)를 표시하는 기능, 달력, 날짜, 또는 시각 등을 표시부에 표시하는 기능, 표시부에 표시된 정보를 터치 입력으로 조작하거나 또는 편집하는 터치 입력 기능, 다양한 소프트웨어(프로그램)에 의하여 처리를 제어하는 기능 등을 가질 수 있다.
태블릿형 단말기의 표면에 장착된 태양 전지(9633)에 의하여, 전력을 터치 패널, 표시부, 또는 영상 신호 처리부 등에 공급할 수 있다. 또한 태양 전지(9633)는 하우징(9630)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 제공할 수 있고, 축전체(9635)의 충전을 효율적으로 수행하는 구성으로 할 수 있다.
또한 도 25의 (A) 및 (B)를 참조하여, 반으로 접을 수 있는 태블릿형 단말기에 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용한 제어 회로를 적용하는 구성에 대하여 설명하였지만, 다른 구성이어도 좋다. 예를 들어 도 25의 (C)에 도시된 바와 같이, 클램셸형 단말기인 노트북형 퍼스널 컴퓨터에 적용할 수도 있다. 도 25의 (C)에서는 하우징(9630a)에 표시부(9631)를 갖고, 하우징(9630b)에 키보드부(9636)를 갖는 노트북형 퍼스널 컴퓨터(9601)를 도시하였다. 노트북형 퍼스널 컴퓨터(9601)는 도 25의 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한 제어 회로(9634)와 축전체(9635)를 갖는다. 제어 회로(9634)로서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용할 수 있다.
도 26에는 다른 전자 기기의 예를 나타내었다. 도 26에서 표시 장치(8000)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템이 실장되는 전자 기기의 일례이다. 구체적으로는, 표시 장치(8000)는 TV 방송 수신용 표시 장치에 상당하며, 하우징(8001), 표시부(8002), 스피커부(8003), 이차 전지(8004) 등을 갖는다. 본 발명의 일 형태에 따른 검출 시스템은 하우징(8001) 내부에 제공되어 있다. 표시 장치(8000)는 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 이차 전지(8004)에 저장된 전력을 이용할 수도 있다.
표시부(8002)에는 액정 표시 장치, 유기 EL 소자 등의 발광 소자를 각 화소에 갖춘 발광 장치, 전기 영동 표시 장치, DMD(Digital Micromirror Device), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display) 등의 반도체 표시 장치를 사용할 수 있다.
또한 음성 입력 디바이스(8005)도 이차 전지를 사용한다. 음성 입력 디바이스(8005)는 앞의 실시형태에서 설명한 축전 시스템을 갖는다. 음성 입력 디바이스(8005)는 무선 통신 소자 외에 마이크로폰을 포함하는 센서(광학 센서, 온도 센서, 습도 센서, 기압 센서, 조도 센서, 동작 센서 등)를 복수로 갖고, 사용자가 명령하는 말로 다른 디바이스를 조작할 수 있고, 예를 들어 표시 장치(8000)의 전원 조작, 조명 장치(8100)의 광량 조절 등을 수행할 수 있다. 음성 입력 디바이스(8005)는 음성으로 주변 기기를 조작할 수 있고, 수동 리모트 컨트롤러를 대신할 수 있다.
또한 음성 입력 디바이스(8005)는 차륜이나 기계식 이동 수단을 갖고, 사용자가 말하는 소리가 들리는 방향으로 이동하고, 내장된 마이크로폰으로 명령을 정확하게 알아듣고 그 내용을 표시부(8008)에 표시하거나, 또는 표시부(8008)에서 터치 입력 조작이 수행될 수 있는 구성을 갖는다.
또한 음성 입력 디바이스(8005)는 스마트폰 등의 휴대 정보 단말기(8009)의 충전 독으로서도 기능할 수 있다. 유선 또는 무선으로 휴대 정보 단말기(8009)와 음성 입력 디바이스(8005) 사이에서 전력을 송수신할 수 있다. 휴대 정보 단말기(8009)는 실내에서는 특별히 들고 다닐 필요가 없으며, 필요한 용량을 확보하면서 이차 전지에 부하가 가해져 열화되는 것을 회피하기 위하여, 음성 입력 디바이스(8005)에 의하여 이차 전지의 관리, 보전 등을 할 수 있는 것이 바람직하다. 또한 음성 입력 디바이스(8005)는 스피커(8007) 및 마이크로폰을 갖기 때문에, 휴대 정보 단말기(8009)가 충전 중이어도 핸즈프리로 대화를 할 수도 있다. 또한 음성 입력 디바이스(8005)는, 이차 전지의 용량이 저하되면 화살표로 나타낸 방향으로 이동하고, 외부 전원에 접속된 충전 모듈(8010)로부터 무선 충전에 의하여 충전되면 좋다.
또한 음성 입력 디바이스(8005)를 스탠드에 올려 놓아도 좋다. 또한 차륜이나 기계식 이동 수단을 제공하여 음성 입력 디바이스(8005)를 원하는 위치로 이동시키거나, 또는 스탠드나 차륜을 제공하지 않고 음성 입력 디바이스(8005)를 원하는 위치, 예를 들어 바닥 위 등에 고정시켜도 좋다.
또한 표시 장치에는 TV 방송 수신용 외에 퍼스널 컴퓨터용, 광고 표시용 등, 모든 정보 표시용 표시 장치가 포함된다.
도 26에서 설치형 조명 장치(8100)는, 충전을 제어하는 마이크로프로세서(APS를 포함함)로 제어되는 이차 전지(8103)를 사용한 전자 기기의 일례이다. 구체적으로는, 조명 장치(8100)는 하우징(8101), 광원(8102), 이차 전지(8103) 등을 갖는다. 도 26에서는 하우징(8101) 및 광원(8102)이 설치된 천장(8104)의 내부에 이차 전지(8103)가 제공된 경우를 예시하였지만, 이차 전지(8103)는 하우징(8101)의 내부에 제공되어도 좋다. 조명 장치(8100)는 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 이차 전지(8103)에 저장된 전력을 이용할 수도 있다.
또한 도 26에서는 천장(8104)에 제공된 설치형 조명 장치(8100)를 예시하였지만, 이차 전지(8103)는 천장(8104) 외에, 예를 들어 측벽(8105), 바닥(8106), 창문(8107) 등에 제공된 설치형 조명 장치에 사용될 수도 있고, 탁상형 조명 장치 등에 사용될 수도 있다.
또한 광원(8102)으로서는, 전력을 이용하여 인공적으로 광을 얻는 인공 광원을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 백열 전구, 형광등 등의 방전 램프, LED나 유기 EL 소자 등의 발광 소자를 상기 인공 광원의 일례로서 들 수 있다.
도 26에서 실내기(8200) 및 실외기(8204)를 갖는 에어컨디셔너는, 이차 전지(8203)를 사용한 전자 기기의 일례이다. 구체적으로는, 실내기(8200)는 하우징(8201), 송풍구(8202), 이차 전지(8203) 등을 갖는다. 도 26에서는 이차 전지(8203)가 실내기(8200)에 제공된 경우를 예시하였지만, 이차 전지(8203)는 실외기(8204)에 제공되어도 좋다. 또는 실내기(8200)와 실외기(8204)의 양쪽 모두에 이차 전지(8203)가 제공되어도 좋다. 에어컨디셔너는 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 이차 전지(8203)에 저장된 전력을 이용할 수도 있다.
도 26에서 전기 냉동 냉장고(8300)는, 이차 전지(8304)를 사용한 전자 기기의 일례이다. 구체적으로는, 전기 냉동 냉장고(8300)는 하우징(8301), 냉장실용 문(8302), 냉동실용 문(8303), 이차 전지(8304) 등을 갖는다. 도 26에서는 이차 전지(8304)가 하우징(8301) 내부에 제공되어 있다. 전기 냉동 냉장고(8300)는 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 이차 전지(8304)에 저장된 전력을 이용할 수도 있다.
또한 전자 기기가 사용되지 않는 시간대, 특히 상용 전원의 공급원이 공급할 수 있는 총전력량 중 실제로 사용되는 전력량의 비율(전력 사용률이라고 함)이 낮은 시간대에 이차 전지에 전력을 저장해 둠으로써, 상기 시간대 외에 전력 사용률이 높아지는 것을 억제할 수 있다. 예를 들어 전기 냉동 냉장고(8300)의 경우, 기온이 낮고 냉장실용 문(8302), 냉동실용 문(8303)이 개폐되지 않는 야간에 이차 전지(8304)에 전력을 저장한다. 그리고 기온이 높아지고 냉장실용 문(8302), 냉동실용 문(8303)이 개폐되는 낮에 이차 전지(8304)를 보조 전원으로서 사용함으로써, 낮의 전력 사용률을 낮게 할 수 있다.
상술한 전자 기기 외에도, 다양한 전자 기기에 이차 전지를 탑재할 수 있다. 본 발명의 일 형태에 의하여 이차 전지의 사이클 특성이 양호해진다. 그러므로 본 발명의 일 형태인 충전을 제어하는 마이크로프로세서(APS를 포함함)를 본 실시형태에서 설명한 전자 기기에 탑재함으로써, 더 수명이 긴 전자 기기로 할 수 있다. 본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 전자 기기에 실장한 예를 도 27의 (A) 내지 (E)에 나타내었다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 적용한 전자 기기로서는, 예를 들어 텔레비전 장치(텔레비전 또는 텔레비전 수신기라고도 함), 컴퓨터용 등의 모니터, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 디지털 포토 프레임, 휴대 전화기(휴대 전화, 휴대 전화 장치라고도 함), 휴대용 게임기, 휴대 정보 단말기, 음향 재생 장치, 파친코기 등의 대형 게임기 등이 있다.
도 27의 (A)는 휴대 전화기의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(7400)는 하우징(7401)에 제공된 표시부(7402) 외에도, 조작 버튼(7403), 외부 접속 포트(7404), 스피커(7405), 마이크로폰(7406) 등을 갖는다. 또한 휴대 전화기(7400)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 갖는다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템은 예를 들어 축전지(7407)와, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 갖는다.
도 27의 (B)는 휴대 전화기(7400)를 만곡시킨 상태를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(7400)를 외부의 힘으로 변형시켜 전체를 만곡시키면, 그 내부에 제공된 축전지(7407)도 만곡되는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 축전지(7407)로서 가요성을 갖는 축전지를 사용하는 것이 바람직하다. 가요성을 갖는 축전지를 만곡시킨 상태를 도 27의 (C)에 나타내었다. 축전지에는 제어 회로(7408)가 전기적으로 접속되어 있다. 제어 회로(7408)로서는, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용할 수 있다.
또한 플렉시블한 형상을 갖는 축전지를, 가옥이나 빌딩의 내벽 또는 외벽이나, 자동차의 내장 또는 외장의 곡면을 따라 제공할 수도 있다.
도 27의 (D)는 뱅글형 표시 장치의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 표시 장치(7100)는 하우징(7101), 표시부(7102), 조작 버튼(7103), 및 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 갖는다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템은 예를 들어 축전지(7104)와, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 갖는다.
도 27의 (E)는 손목시계형 휴대 정보 단말기의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 정보 단말기(7200)는 하우징(7201), 표시부(7202), 밴드(7203), 버클(7204), 조작 버튼(7205), 입출력 단자(7206) 등을 갖는다.
휴대 정보 단말기(7200)는 이동 전화, 전자 메일, 문장 열람 및 작성, 음악 재생, 인터넷 통신, 컴퓨터 게임 등의 다양한 애플리케이션을 실행할 수 있다.
표시부(7202)는 그 표시면이 만곡되어 제공되고, 만곡된 표시면을 따라 표시를 할 수 있다. 또한 표시부(7202)는 터치 센서를 갖고, 손가락이나 스타일러스 등으로 화면을 터치함으로써 조작할 수 있다. 예를 들어 표시부(7202)에 표시된 아이콘(7207)을 터치함으로써 애플리케이션을 기동할 수 있다.
조작 버튼(7205)은 시각 설정 외에, 전원의 온/오프 동작, 무선 통신의 온/오프 동작, 매너 모드의 실행 및 해제, 전력 절약 모드의 실행 및 해제 등, 다양한 기능을 가질 수 있다. 예를 들어 휴대 정보 단말기(7200)에 제공된 운영 체계에 의하여, 조작 버튼(7205)의 기능을 자유로이 설정할 수도 있다.
또한 휴대 정보 단말기(7200)는 통신 규격에 따른 근거리 무선 통신을 실행할 수 있다. 예를 들어 무선 통신이 가능한 헤드세트와 상호 통신함으로써 핸즈프리로 통화할 수도 있다.
또한 휴대 정보 단말기(7200)는 입출력 단자(7206)를 갖고, 커넥터를 통하여 다른 정보 단말기와 직접 데이터를 송수신할 수 있다. 또한 입출력 단자(7206)를 통하여 충전을 할 수도 있다. 또한 충전 동작은 입출력 단자(7206)를 통하지 않고 무선 급전에 의하여 수행하여도 좋다.
휴대 정보 단말기(7200)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 갖는다. 상기 축전 시스템은 축전지와, 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 갖는다.
휴대 정보 단말기(7200)는 센서를 갖는 것이 바람직하다. 센서로서는, 예를 들어 지문 센서, 맥박 센서, 체온 센서 등의 인체 센서나, 터치 센서, 가압 센서, 가속도 센서 등이 탑재되는 것이 바람직하다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 7)
본 실시형태에서는, OS 트랜지스터를 사용할 수 있는 시장 이미지에 대하여 설명한다.
<시장 이미지>
먼저, OS 트랜지스터를 사용할 수 있는 시장 이미지를 도 28에 나타내었다. 도 28에서, 영역(801)은 OS 트랜지스터를 사용한 디스플레이(Display)에 응용할 수 있는 제품 영역(OS Display)을 나타내고, 영역(802)은 OS 트랜지스터를 사용한 LSI(Large Scale Integration)를 아날로그(analog) 처리에 응용할 수 있는 제품 영역(OS LSI analog)을 나타내고, 영역(803)은 OS 트랜지스터를 사용한 LSI를 디지털(digital) 처리에 응용할 수 있는 제품 영역(OS LSI digital)을 나타낸다. OS 트랜지스터는, 도 28에 나타낸 영역(801), 영역(802), 및 영역(803)의 3개의 영역, 바꿔 말하면 3개의 큰 시장에 적합하게 사용할 수 있다.
또한 도 28에서, 영역(804)은 영역(801)과 영역(802)이 중첩된 영역을 나타내고, 영역(805)은 영역(802)과 영역(803)이 중첩된 영역을 나타내고, 영역(806)은 영역(801)과 영역(803)이 중첩된 영역을 나타내고, 영역(807)은 영역(801)과, 영역(802)과, 영역(803)이 각각 중첩된 영역을 나타낸다.
OS Display에서는, 예를 들어 Bottom Gate형 OS FET(BG OSFET), Top Gate형 OS FET(TG OS FET) 등의 FET 구조를 적합하게 사용할 수 있다. 또한 Bottom Gate형 OS FET에는 채널 에치형 FET 및 채널 보호형 FET도 포함된다. 또한 Top Gate형 OS FET에는 TGSA(Top Gate Self-Aligned)형 FET도 포함된다.
또한 OS LSI analog 및 OS LSI digital에서는, 예를 들어 Gate Last형 OS FET(GL OS FET)를 적합하게 사용할 수 있다.
또한 상술한 트랜지스터는 각각 게이트 전극이 하나인 Single Gate 구조의 트랜지스터, 게이트 전극이 2개인 Dual Gate 구조의 트랜지스터, 또는 게이트 전극이 3개 이상인 트랜지스터를 포함한다. 또한 Dual Gate 구조의 트랜지스터 중에서도 특히 S-channel(surrounded channel) 구조의 트랜지스터를 사용하는 것이 적합하다.
또한 OS Display(영역(801))에 포함되는 제품으로서는, LCD(liquid crystal display), EL(Electro Luminescence), 및 LED(Light Emitting Diode)를 표시 디바이스에 갖는 제품을 들 수 있다. 또는 상기 표시 디바이스와 Q-Dot(Quantum Dot)를 조합하는 것도 적합하다.
또한 본 실시형태에서 EL에는 유기 EL 및 무기 EL이 포함된다. 또한 본 실시형태에서 LED에는 마이크로 LED, 미니 LED, 및 매크로 LED가 포함된다. 또한 본 명세서 등에서는, 칩의 면적이 10000μm2 이하인 발광 다이오드를 마이크로 LED라고 기재하고, 칩의 면적이 10000μm2보다 크고 1mm2 이하인 발광 다이오드를 미니 LED라고 기재하고, 칩의 면적이 1mm2보다 큰 발광 다이오드를 매크로 LED라고 기재하는 경우가 있다.
또한 OS LSI analog(영역(802))에 포함되는 제품으로서는, 다양한 주파수의 음역(예를 들어 주파수가 20Hz 내지 20kHz의 가청음 또는 20kHz 이상의 초음파 등)에 대응하는 음원 정위 장치 또는 배터리 제어용 장치(배터리 제어용 IC, 배터리 보호용 IC, 또는 배터리 매니지먼트 시스템) 등을 들 수 있다.
또한 OS LSI digital(영역(803))에 포함되는 제품으로서는, 메모리 디바이스, CPU(Central Processing Unit) 디바이스, GPU(Graphics Processing Unit) 디바이스, FPGA(field-programmable gate array) 디바이스, 파워 디바이스, OS LSI와 Si LSI를 적층 또는 혼재시킨 하이브리드 디바이스, 발광 디바이스 등을 들 수 있다.
또한 영역(804)에 포함되는 제품으로서는, 표시 영역에 적외선 센서 또는 근적외선 센서를 갖는 표시 디바이스, OS FET를 갖는 센서 구비 신호 처리 디바이스, 또는 매립형 바이오 센서 디바이스 등을 들 수 있다. 또한 영역(805)에 포함되는 제품으로서는, A/D(Analog to Digital) 변환 회로 등을 갖는 처리 회로, 또는 상기 처리 회로를 갖는 AI(Artificial Intelligence) 디바이스 등을 들 수 있다. 또한 영역(806)에 포함되는 제품으로서는, Pixel AI 기술이 적용된 표시 디바이스 등을 들 수 있다. 또한 본 명세서 등에서 Pixel AI 기술이란, 디스플레이의 화소 회로에 탑재된 OS FET 등으로 구성되는 메모리를 활용하는 기술을 말한다.
또한 영역(807)에 포함되는 제품으로서는, 상기 영역(801) 내지 영역(806)에 포함되는, 다양한 제품을 조합시킨 복합적인 제품을 들 수 있다.
본 발명의 일 형태의 반도체 장치는 도 28에 나타낸 바와 같이 다양한 제품 영역에 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 형태의 반도체 장치는 많은 시장에 적용할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(본 명세서 등의 기재에 관한 부기)
상기 실시형태 및 실시형태에서의 각 구성의 설명에 대하여 이하에서 부기한다.
각 실시형태에 기재된 구성은, 다른 실시형태에 기재된 구성과 적절히 조합하여 본 발명의 일 형태로 할 수 있다. 또한 하나의 실시형태에 복수의 구성예가 기재되는 경우에는, 구성예를 적절히 조합할 수 있다.
또한 어떤 하나의 실시형태에서 설명하는 내용(일부 내용이어도 좋음)은, 그 실시형태에서 설명하는 다른 내용(일부 내용이어도 좋음) 및/또는 하나 또는 복수의 다른 실시형태에서 설명하는 내용(일부 내용이어도 좋음)에 대하여 적용, 조합, 또는 치환 등을 할 수 있다.
또한 실시형태에서 설명하는 내용이란, 각 실시형태에서 다양한 도면을 사용하여 설명하는 내용, 또는 명세서에 기재되는 문장을 사용하여 설명하는 내용을 말한다.
또한 어떤 하나의 실시형태에서 제시하는 도면(일부이어도 좋음)은, 그 도면의 다른 부분, 그 실시형태에서 제시하는 다른 도면(일부이어도 좋음), 및/또는 하나 또는 복수의 다른 실시형태에서 제시하는 도면(일부이어도 좋음)과 조합함으로써, 더 많은 도면을 구성할 수 있다.
또한 본 명세서 등에 있어서, 블록도에서는 구성 요소를 기능마다 분류하고 서로 독립된 블록으로서 나타내었다. 그러나 실제의 회로 등에서는 구성 요소를 기능마다 분류하기가 어렵고, 하나의 회로에 복수의 기능이 관련되는 경우나, 복수의 회로에 하나의 기능이 관련되는 경우가 있을 수 있다. 그러므로 블록도의 블록은 명세서에서 설명한 구성 요소에 한정되지 않고, 상황에 따라 적절히 바꿔 말할 수 있다.
또한 도면에서, 크기, 층의 두께, 또는 영역은 설명의 편의상 임의의 크기로 나타낸 것이다. 따라서 그 스케일에 반드시 한정되는 것은 아니다. 또한 도면은 명확성을 기하기 위하여 모식적으로 나타낸 것이며, 도면에 나타난 형상 또는 값 등에 한정되지 않는다. 예를 들어 노이즈로 인한 신호, 전압, 또는 전류의 편차, 혹은 타이밍의 어긋남으로 인한 신호, 전압, 또는 전류의 편차 등을 포함할 수 있다.
본 명세서 등에서 트랜지스터의 접속 관계를 설명하는 경우, "소스 및 드레인 중 한쪽"(또는 제 1 전극 또는 제 1 단자), 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 "소스 및 드레인 중 다른 쪽"(또는 제 2 전극 또는 제 2 단자)이라는 표기를 사용한다. 이는, 트랜지스터의 소스와 드레인은 트랜지스터의 구조 또는 동작 조건 등에 따라 바뀌기 때문이다. 또한 트랜지스터의 소스와 드레인이라는 호칭은, 소스(드레인) 단자나 소스(드레인) 전극 등, 상황에 따라 적절히 바꿔 말할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서 "전극"이나 "배선"이라는 용어는, 이들 구성 요소를 기능적으로 한정하는 것이 아니다. 예를 들어 "전극"은 "배선"의 일부로서 사용되는 경우가 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 또한 "전극"이나 "배선"이라는 용어는, 복수의 "전극"이나 "배선"이 일체가 되어 형성되어 있는 경우 등도 포함한다.
또한 본 명세서 등에서 전압과 전위는 적절히 바꿔 말할 수 있다. 전압은 기준이 되는 전위로부터의 전위차를 말하고, 예를 들어 기준이 되는 전위가 그라운드 전압(접지 전압)인 경우, 전압을 전위라고 바꿔 말할 수 있다. 그라운드 전위는 반드시 0V를 의미하는 것은 아니다. 또한 전위는 상대적인 것이고, 기준이 되는 전위에 따라서는 배선 등에 인가되는 전위를 변화시키는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 "막", "층" 등의 어구는, 경우에 따라 또는 상황에 따라 서로 바꿀 수 있다. 예를 들어 "도전층"이라는 용어를 "도전막"이라는 용어로 변경할 수 있는 경우가 있다. 또는 예를 들어 "절연막"이라는 용어를 "절연층"이라는 용어로 변경할 수 있는 경우가 있다.
본 명세서 등에서 스위치란, 도통 상태(온 상태) 또는 비도통 상태(오프 상태)가 되어 전류를 흘릴지 여부를 제어하는 기능을 갖는 것을 말한다. 또는 스위치란, 전류를 흘리는 경로를 선택하고 전환하는 기능을 갖는 것을 말한다.
본 명세서 등에서 채널 길이란, 예를 들어 트랜지스터의 상면도에서 반도체(또는 트랜지스터가 온 상태일 때 반도체 내에서 전류가 흐르는 부분)와 게이트가 중첩되는 영역, 또는 채널이 형성되는 영역에서의 소스와 드레인 사이의 거리를 말한다.
본 명세서 등에서 채널 폭이란, 예를 들어 반도체(또는 트랜지스터가 온 상태일 때 반도체 내에서 전류가 흐르는 부분)와 게이트 전극이 중첩되는 영역, 또는 채널이 형성되는 영역에서의 소스와 드레인이 대향하는 부분의 길이를 말한다.
본 명세서 등에서 "A와 B가 접속되어 있다"에는, A와 B가 직접 접속되어 있는 경우 외에, 전기적으로 접속되어 있는 경우도 포함되는 것으로 한다. 여기서, "A와 B가 전기적으로 접속되어 있다"란, A와 B 사이에 어떠한 전기적 작용을 갖는 대상물이 존재할 때, A와 B 사이에서 전기 신호의 수수가 가능한 경우를 말한다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 충전을 시작할 때의 전압 및 온도를 변경한 경우의, 이차 전지에서 CC 충전에 걸리는 시간 및 CV 충전에 걸리는 시간의 변화를 측정하였다.
도 29의 (A), (B), 도 30의 (A), 및 (B)에는 CC 충전에 걸린 시간(이하 시간(Tccr)) 및 CV 충전에 걸린 시간(이하 시간(Tcvr))과, 충전을 시작할 때의 전압(이하 전압(Vst))의 관계를 나타내었다. CC 충전의 상한 전압은 4.2V로 하였다.
도 29의 (A)에는 이차 전지의 온도가 45℃일 때의 이차 전지의 시간(Tccr) 및 시간(Tcvr)과 전압(Vst)의 관계를 나타내었다. 잔존 용량 SOC가 커지면 전압(Vst)도 높아진다. 따라서 전압(Vst)이 높은 경우에는, 시간(Tccr)이 짧은 경향을 보였다.
또한 충전의 상한 전압에 비하여 전압(Vst)이 충분히 낮은 전압 범위에서는, 시간(Tcvr)의 변화는 작고 안정적이며, 전압(Vst)에 대한 의존성이 낮은 경향을 보였다. 한편, 전압(Vst)이 상한 전압에 도달하지 않는 경우에도, 전압(Vst)이 높은 범위에서는 전압(Vst)의 상승에 따라 Tcvr가 감소한다는 현저한 의존성을 보였다.
도 29의 (B)에는 이차 전지의 온도가 30℃일 때의, 도 30의 (A)에는 25℃일 때의, 도 30의 (B)에는 10℃일 때의 이차 전지의 시간(Tccr) 및 시간(Tcvr)과 전압(Vst)의 관계를 나타내었다. 온도가 낮아짐에 따라, 시간(Tccr)이 안정되는 전압(Vst)의 범위가 좁아지는 경향을 보였다.
도 29의 (A), (B), 도 30의 (A), 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 시간(Tcvr)은 이차 전지의 온도 및 시간(Tccr)에 크게 영향을 받는다는 것을 알았다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 이차 전지의 충전에 걸린 시간(Tccr) 및 시간(Tcvr)의 사이클에 따른 변화 및 이차 전지의 충전의 거동에 대하여 평가하였다.
이차 전지의 충방전 사이클을 수행하였다. 도 31의 (A), (B), 및 (C)에는 각각, 61번째, 62번째, 및 63번째의 사이클의 충전 커브를 나타내었다. 도 31의 (A), (B), 및 (C)에서 가로축은 충전 용량을 나타내고, 세로축은 충전 전압을 나타낸다.
63번째에는 파선의 동그라미로 표시된 영역 등에서 마이크로 단락을 시사하는 파형이 관측되었다.
마이크로 단락을 시사하는 파형이 얻어진 사이클의 1사이클 전의 사이클인 62번째 사이클에서는, 61번째의 사이클에 비하여 시간(Tcvr), 즉 정전압 충전에 걸리는 시간이 현저하게 길어졌다. 또한 시간(Tccr), 즉 정전류 충전 시간도 길어졌다.
도 32에는 60번째 내지 64번째 충방전 사이클에서의 시간(Tcvr) 및 시간(Tccr)을 나타내었다. 가로축은 충방전 사이클 수를 나타내고, 세로축은 시간(Tcvr) 및 시간(Tccr)을 나타낸다. 마이크로 단락을 시사하는 사이클의 직전의 사이클에서, 시간(Tcvr) 및 시간(Tccr)이 길어진다는 것을 알았다.
Hi: 신호, I: 전류, IN: 단자, IN1: 단자, IN2: 단자, Iref: 전류, Iss1: 전류, Iss2: 전류, Iss3: 전류, Lo: 신호, OUT: 단자, OUT2: 단자, Q: 신호, QB: 신호, RESET: 신호, RESETB: 신호, VB: 전압, VC: 전압, VR: 전압, Vdd: 고전위 신호, Vin: 전압, Vref1: 전압, Vref2: 고전위 신호, Vref3: 고전위 신호, t1: 시각, t2: 시각, t3: 시각, t4: 시각, 100: 축전 장치, 101: 제어 회로, 102: 기준 생성 회로, 103: 타이머 회로, 104: 레귤레이터, 105: 전원, 106: 카운터, 121: 이차 전지, 131: 저항 소자, 137: 보호 회로, 140: 트랜지스터, 150: 트랜지스터, 152: 트랜지스터, 153: 트랜지스터, 156: 코일, 160: 용량 소자, 161: 용량 소자, 162: 스위치, 163: 정전류원, 164: 콤퍼레이터, 165: 트랜지스터, 166: 스위치, 167: 정전류원, 168: 스위치, 169: 스위치, 170: 정전류원, 171: 콤퍼레이터, 172: 콤퍼레이터, 173: 정전류원, 174: 용량 소자, 175: 용량 소자, 178: NAND 회로, 179: NAND 회로, 181: 트랜지스터, 182: 트랜지스터, 183: 트랜지스터, 184: 트랜지스터, 185: 트랜지스터, 186: 트랜지스터, 187: 트랜지스터, 188: 트랜지스터, 190: 트랜지스터, 191: 전류 공급부, 192: 전류 공급부, 193: 전류 공급부, 194: 트랜지스터, 195: 트랜지스터, 196: 트랜지스터, 197: 트랜지스터
Claims (13)
- 축전 장치로서,
제 1 회로부와, 제 2 회로부와, 제 3 회로부와, 이차 전지를 갖고,
상기 제 3 회로부는 콤퍼레이터 및 용량 소자를 갖고,
상기 제 1 회로부는 상기 이차 전지의 충전을 제어하는 기능을 갖고,
상기 제 1 회로부는 상기 이차 전지의 충전의 시작을 상기 제 3 회로부에 알리는 기능을 갖고,
상기 제 2 회로부는 제 1 전압 및 제 1 전류를 생성하고 상기 제 3 회로부에 공급하는 기능을 갖고,
상기 제 3 회로부는 상기 제 1 전류를 상기 용량 소자에 충전함으로써 제 2 전압을 생성하는 기능을 갖고,
상기 콤퍼레이터는 상기 제 1 전압과 상기 제 2 전압을 비교하는 기능을 갖는, 축전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 회로부는 상기 제 1 회로부로부터 공급되는 디지털 신호를 변환하여 상기 제 1 전압을 생성하고,
상기 제 1 전압은 아날로그 신호인, 축전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 회로부는 제 1 트랜지스터를 갖고,
상기 제 1 트랜지스터의 채널 형성 영역은 인듐, 아연, 및 원소 M을 포함하고,
원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고,
상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고,
상기 콤퍼레이터의 상기 비반전 입력 단자 및 상기 반전 입력 단자 중 다른 쪽은 상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 트랜지스터를 오프 상태로 함으로써 상기 제 1 전압을 상기 제 1 트랜지스터의 상기 소스 및 상기 드레인 중 한쪽에 유지하는 기능을 갖는, 축전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 회로부는 제 2 트랜지스터를 갖고,
상기 제 2 트랜지스터의 채널 형성 영역은 인듐, 아연, 및 원소 M을 포함하고,
원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고,
상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되는, 축전 장치. - 축전 장치의 동작 방법으로서,
제 1 회로부와, 제 2 회로부와, 제 3 회로부와, 이차 전지를 갖고,
상기 제 1 회로부는 상기 이차 전지의 충전을 제어하는 기능을 갖고,
상기 제 2 회로부가 제 1 전압 및 제 1 전류를 생성하는 제 1 단계와,
상기 제 1 전압 및 상기 제 1 전류가 상기 제 3 회로부에 공급되는 제 2 단계와,
상기 이차 전지에 전류가 공급되어 충전이 시작되는 제 3 단계와,
상기 제 3 단계에서의 충전의 시작을 알리는 제 1 신호가 상기 제 1 회로부로부터 상기 제 3 회로부에 공급되는 제 4 단계와,
상기 제 3 회로부가 상기 충전의 시작 시각부터의 경과 시간에 대응하는 제 2 전압을 생성하는 제 5 단계와,
상기 제 1 전압과 상기 제 2 전압을 비교하는 제 6 단계를 갖는, 축전 장치의 동작 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 3 회로부는 용량 소자를 갖고,
상기 제 5 단계에서 상기 제 3 회로부는 상기 제 1 전류와 상기 경과 시간의 곱에 상당하는 전하량을 상기 용량 소자에 충전하고, 상기 제 2 전압으로서 상기 용량 소자의 양단(兩端)의 전극의 전위차가 산출되는, 축전 장치의 동작 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 단계에서, 상기 제 2 회로부는 상기 제 1 회로부로부터 공급되는 디지털 신호를 변환하여 상기 제 1 전압을 생성하고,
상기 제 1 전압은 아날로그 신호인, 축전 장치의 동작 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 3 회로부는 콤퍼레이터 및 트랜지스터를 갖고,
상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에는 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽이 전기적으로 접속되고,
상기 제 2 단계에서 상기 콤퍼레이터의 상기 비반전 입력 단자 및 상기 반전 입력 단자 중 한쪽에는 상기 제 1 전압이 공급되고,
상기 제 3 단계 내지 상기 제 6 단계에서 상기 트랜지스터를 오프 상태로 함으로써 상기 콤퍼레이터의 상기 비반전 입력 단자 및 상기 반전 입력 단자 중 한쪽에 공급된 상기 제 1 전압이 유지되고,
상기 제 5 단계에서 상기 콤퍼레이터의 상기 비반전 입력 단자 및 상기 반전 입력 단자 중 다른 쪽에는 상기 제 2 전압이 공급되는, 축전 장치의 동작 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 3 회로부는 용량 소자를 갖고,
상기 제 1 신호에 따라 상기 용량 소자에 대한 상기 제 1 전류의 충전이 시작되고,
상기 제 2 전압은 상기 용량 소자의 양단의 전위차에 대응하는, 축전 장치의 동작 방법. - 축전 장치의 동작 방법으로서,
제 1 회로부와, 제 2 회로부와, 제 3 회로부와, 온도 센서와, 이차 전지를 갖고,
상기 제 1 회로부는 연산 회로 및 메모리를 갖고,
상기 제 1 회로부는 상기 이차 전지의 충전을 제어하는 기능을 갖고,
상기 이차 전지에 전류가 공급되어 제 1 충전이 제 1 시각에 시작되는 제 1 단계와,
상기 제 1 충전이 제 2 시각에 종료되는 제 2 단계와,
상기 온도 센서에 의하여 측정된 온도와, 상기 제 1 시각과, 상기 제 2 시각이 상기 메모리에 공급되는 제 3 단계와,
상기 메모리에 저장된 상기 온도, 상기 제 1 시각, 및 상기 제 2 시각을 사용하여 상기 제 1 회로부의 상기 연산 회로가 연산을 하여 제 1 전압의 크기가 결정되는 제 4 단계와,
상기 제 2 회로부가 상기 연산에 의하여 크기가 결정된 제 1 전압과, 제 1 전류를 생성하는 제 5 단계와,
상기 제 1 전압 및 상기 제 1 전류가 상기 제 3 회로부에 공급되는 제 6 단계와,
상기 이차 전지에 전류가 공급되어 제 2 충전이 시작되는 제 7 단계와,
상기 제 7 단계에서의 제 2 충전의 시작을 알리는 제 1 신호가 상기 제 1 회로부로부터 상기 제 3 회로부에 공급되는 제 8 단계와,
상기 제 3 회로부가 상기 충전의 시작 시각부터의 경과 시간에 대응하는 제 2 전압을 생성하는 제 9 단계와,
상기 제 1 전압과 상기 제 2 전압을 비교하는 제 10 단계를 갖고,
상기 제 1 충전은 CC 충전이고, 상기 제 2 충전은 CV 충전인, 축전 장치의 동작 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 3 회로부는 용량 소자를 갖고,
상기 제 8 단계에서 상기 제 3 회로부는 상기 제 1 전류와 상기 경과 시간의 곱에 상당하는 전하량을 상기 용량 소자에 충전하고, 상기 제 2 전압으로서 상기 용량 소자의 양단의 전극의 전위차가 산출되는, 축전 장치의 동작 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 회로부는 상기 제 5 단계에서 상기 제 1 회로부로부터 공급되는 디지털 신호를 변환하여 상기 제 1 전압을 생성하고,
상기 제 1 전압은 아날로그 신호인, 축전 장치의 동작 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 3 회로부는 콤퍼레이터 및 트랜지스터를 갖고,
상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에는 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽이 전기적으로 접속되고,
상기 제 6 단계에서 상기 콤퍼레이터의 상기 비반전 입력 단자 및 상기 반전 입력 단자 중 한쪽에는 상기 제 1 전압이 공급되고,
상기 제 6 단계 내지 상기 제 10 단계에서 상기 트랜지스터를 오프 상태로 함으로써 상기 콤퍼레이터의 상기 비반전 입력 단자 및 상기 반전 입력 단자 중 한쪽에 공급된 상기 제 1 전압이 유지되고,
상기 제 9 단계에서 상기 콤퍼레이터의 상기 비반전 입력 단자 및 상기 반전 입력 단자 중 다른 쪽에는 상기 제 2 전압이 공급되는, 축전 장치의 동작 방법.
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