TW201351833A - 保護電路模塊及電池組 - Google Patents

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Abstract

本發明的目的之一是提供一種降低了電池組的保護電路中的電流截斷用開關所使用的電晶體的洩漏電流的安全且長使用壽命的保護電路模塊及電池組。本發明的一個方式是一種保護電路模塊，其包括保護電路、充電控制用開關以及放電控制用開關。充電控制用開關及放電控制用開關與保護電路電連接。保護電路檢測二次電池的電壓並將其與預定電壓進行比較，並根據上述比較結果對充電控制用開關或放電控制用開關輸出控制信號，以便使充電控制用開關或放電控制用開關變為開啟或關閉。充電控制用開關及放電控制用開關具有：包括氧化物半導體的電晶體；以及與包括氧化物半導體的電晶體並聯的二極管。

Description

保護電路模塊及電池組
本發明涉及保護電路模塊及電池組。另外，保護電路模塊由保護電路與其它的半導體元件(電晶體等)形成。電池組包括保護電路模塊及二次電池。
當內置於電池組中的鋰二次電池等的二次電池為過充電或過放電狀態時，由於副反應的產生而引起劣化，導致二次電池的壽命減短。並且，由於內部短路有可能引起起火等。為此，使用當電池的電壓為過充電電壓以上或過放電電壓以下時截斷電源的保護電路模塊。
保護電路模塊由監視二次電池的電壓及充放電電流的保護電路及用來截斷電流的開關等構成。保護電路具有如下功能：當檢測出二次電池的異常時，藉由控制電流截斷用開關來截斷電池組中的電力的輸出和輸入。
當二次電池不斷進行放電而使電池電壓變為低於放電下限電壓時，保護電路開始工作，其利用電流截斷用開關截斷流入外部負載的放電電流，由此防止二次電池的過放 電。
另外，當不斷進行充電而使電池電壓超過充電上限電壓時，保護電路開始工作，其利用電流截斷用開關截斷流入二次電池的充電電流，由此防止二次電池的過充電(例如參照專利文獻1)。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2010-187532號公報
如上所述，保護電路監視二次電池的電壓及充放電電流，並藉由控制電流截斷用開關來截斷二次電池與外部的電路徑，由此防止過放電及過充電。
但是，二次電池與外部的路徑只是藉由控制開關被電截斷(electrically interrupted)而不是被物理地截斷(physically interrupted)，因此會流過例如用作開關的電晶體的截止態電流(off-state current)。
為此，例如即使為了防止過放電而使構成開關的電晶體處於截止狀態，但是在二次電池與外部負載連接的狀態下，還是會漸漸地不斷地進行放電。由此，過放電不斷慢慢地進行，而有可能引起二次電池的劣化或破損等。
同樣地，即使在因過充電而關閉開關的情況下，起因於構成該開關的電晶體的截止態電流，漸漸地不斷地進行過充電，而有可能引起二次電池的破損等。
鑒於上述問題，本發明的一個方式的目的是提供一種降低電池組的保護電路中的電流截斷用開關所使用的電晶 體的洩漏電流的安全且使用壽命長的保護電路模塊及電池組。
本發明的一個方式是一種保護電路模塊，其包括保護電路、充電控制用開關以及放電控制用開關。充電控制用開關及放電控制用開關與保護電路電連接。保護電路檢測二次電池的電壓並將其與預定電壓進行比較，並根據上述比較結果對充電控制用開關或放電控制用開關輸出控制信號，以便使充電控制用開關或放電控制用開關變為開啟或關閉。充電控制用開關及放電控制用開關具有：包括氧化物半導體的電晶體；以及與包括氧化物半導體的電晶體並聯的二極管。
本發明的一個方式是一種上述電晶體的閘極與保護電路電連接的保護電路模塊。
在本發明的一個方式中，較佳的是上述二極管為具有氧化物半導體的二極管。
本發明的一個方式是一種保護電路模塊，該保護電路模塊中的氧化物半導體含有選自In、Ga、Sn及Zn中的一種以上的元素。
本發明的一個方式是一種保護電路模塊，該保護電路模塊中充電控制用開關及放電控制用開關層疊於保護電路上。
本發明的一個方式是一種電池組，其包括保護電路模塊及二次電池，其中二次電池、充電控制用開關及放電控制用開關串聯連接。
在本發明的一個方式中，上述二次電池可以使用鋰二次電池。另外，鋰二次電池是指作為載流子離子使用鋰離子的二次電池。另外，作為能夠代替鋰離子的載流子離子，可以舉出：鈉、鉀等鹼金屬離子；鈣、鍶、鋇等鹼土金屬離子；鈹離子；鎂離子；等等。
根據本發明的一個方式，可以提供降低了電池組的保護電路中的電流截斷用開關所使用的電晶體的洩漏電流的安全且長使用壽命的保護電路模塊及電池組。
100‧‧‧保護電路模塊
101‧‧‧保護電路模塊
102‧‧‧保護電路
110‧‧‧二次電池
150‧‧‧外部負載
160‧‧‧充電用電源
165‧‧‧保護電阻
170‧‧‧保險絲
180‧‧‧熱敏電阻器
200‧‧‧放電控制用開關
202‧‧‧電晶體
204‧‧‧二極管
206‧‧‧電晶體
300‧‧‧充電控制用開關
302‧‧‧電晶體
304‧‧‧二極管
306‧‧‧電晶體
500‧‧‧電池組
600‧‧‧電池組
700‧‧‧電池組
800‧‧‧電池組
900‧‧‧電晶體
901‧‧‧半導體基板
902‧‧‧元件分離絕緣膜
903‧‧‧源極區及汲極區
904‧‧‧閘極絕緣膜
905‧‧‧閘極電極
906‧‧‧層間絕緣膜
907‧‧‧佈線
908‧‧‧基底絕緣膜
909‧‧‧氧化物半導體膜
910‧‧‧源極電極及汲極電極
911‧‧‧閘極絕緣膜
912‧‧‧閘極電極
913‧‧‧層間絕緣膜
920‧‧‧背閘極電極
5001‧‧‧筐體
5002‧‧‧筐體
5003‧‧‧顯示部
5004‧‧‧顯示部
5005‧‧‧麥克風
5006‧‧‧揚聲器
5007‧‧‧操作鍵
5008‧‧‧觸控筆
5101‧‧‧車體
5102‧‧‧車輪
5103‧‧‧儀錶盤
5104‧‧‧燈
5301‧‧‧殼體
5302‧‧‧冷藏室門
5303‧‧‧冷凍室門
5401‧‧‧殼體
5402‧‧‧顯示部
5403‧‧‧鍵盤
5404‧‧‧指向裝置
5601‧‧‧殼體
5602‧‧‧殼體
5603‧‧‧顯示部
5604‧‧‧顯示部
5605‧‧‧連接部
5606‧‧‧操作鍵
5801‧‧‧殼體
5802‧‧‧殼體
5803‧‧‧顯示部
5804‧‧‧操作鍵
5805‧‧‧透鏡
5806‧‧‧連接部
在圖式中：圖1A和1B是示出根據本發明的一個方式的電池組及二極管的電路圖；圖2A和2B是示出根據本發明的一個方式的電池組的電路圖；圖3是示出根據本發明的一個方式的電池組的電路圖；圖4是示出根據本發明的一個方式的電晶體的剖面圖；圖5A至5F是說明電子裝置的圖。
下面，將參照圖式詳細地說明本發明的實施方式。但是，本發明不限於以下的說明，所屬技術領域的普通技術 人員可以很容易地理解的一個事實就是，其方式和詳細內容在不脫離本發明的宗旨及其範圍的情況下可以進行各種變更。因此，本發明不應該被解釋為僅侷限在以下所示的實施方式所記載的內容中。注意，在以下說明的本發明的結構中，在不同的圖式之間共同使用同一元件符號來表示同一部分或具有同一功能的部分，而省略其重複說明。
注意，有時為了明確起見，誇大表示用於說明本發明的圖式中的各結構的尺寸、層的厚度或區域。因此，它們不一定侷限於圖式中所示的尺度。
注意，本說明書中使用的“第一”、“第二”、“第三”等序數詞是為了避免構成要素的混同而附記的，而不是為了在數目方面上限定。因此，也可以將“第一”適當地調換為“第二”或“第三”等來進行說明。
注意，在本說明書中，當將電晶體的源極電極和汲極電極中的一方稱為汲極電極時，以另一方為源極電極。也就是說，不是根據電位的高低區分源極電極和汲極電極。因此，在本說明書中也可以將稱作源極電極的部分換稱為汲極電極。
另外，在本說明書中，將電晶體的閘也稱為閘極或閘極電極，不對其進行區分。並且，也將電晶體的源和汲稱為源極及汲極、源極區及汲極區或源極電極及汲極電極，而不對其進行區分。
實施方式1
圖1A和1B示出根據本發明的一個方式的電池組500的結構的一個例子的電路圖。
如圖1A所示，電池組500由保護電路模塊100、二次電池110構成。另外，圖1B示出能夠代替圖1A所示的保護電路模塊100中二極管204及二極管304的其他方式的電路圖。
另外，保護電路模塊100由保護電路102、放電控制用開關200及充電控制用開關300構成。保護電路102與二次電池110並聯連接，其藉由VDD端子及VSS端子檢測出二次電池的電位，並根據其結果控制放電控制用開關200及充電控制用開關300。並且，保護電路102還可以具有檢測二次電池110充電時供應到二次電池110中的電流(充電電流)的功能。另外，保護電路102還可以具有檢測二次電池110放電時從二次電池110流出的電流(放電電流)的功能。
作為二次電池110，例如可以使用鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、燃料電池、空氣電池、鋰二次電池等。另外，代替二次電池，還可以使用電容器(例如鋰離子電容器等)。
另外，可以設置多個二次電池110。可以根據所需的電動勢將二次電池110串聯連接地使用，也可以以能夠分別檢測出二次電池110的電位的方式將其與保護電路102連接。
放電控制用開關200是藉由將電晶體202及二極管 204並聯連接而形成的。另外，充電控制用開關300是藉由將電晶體302及二極管304並聯連接而形成的。
另外，放電控制用開關200及充電控制用開關300與二次電池110串聯連接。放電控制用開關200及充電控制用開關300設置在與外部的充放電路徑上，由此具有藉由使放電控制用開關200與充電控制用開關300電截斷來防止過放電或過充電的功能。
當二次電池110的電壓因放電而變為放電禁止電壓以下時，藉由控制放電控制用開關200截斷外部與二次電池110之間的路徑。
當二次電池110的電壓因充電而變為充滿電電壓以上時，藉由控制充電控制用開關300截斷外部與二次電池110之間的路徑。
藉由上述動作可以防止二次電池的過充電或過放電。但是，放電控制用開關200及充電控制用開關300各由電晶體與二極管構成，根據來自保護電路102的控制信號而電晶體202或電晶體302變為截止狀態，即使截斷放電控制用開關200及充電控制用開關300，也會流過電晶體202或電晶體302在截止狀態時的洩漏電流(也稱為截止態洩漏電流(off-state leakage current))，因此過放電或過充電還是漸漸地不斷地進行著。
因此，藉由如本發明的一個方式所示地將包含氧化物半導體的電晶體用作構成電控制用開關200及充電控制用開關300的電晶體，可以降低截止態洩漏電流，因此可以 抑制因二次電池的過充電及過放電引起的劣化。
並且，作為構成放電控制用開關200及充電控制用開關300的二極管，也較佳為使用包含氧化物半導體的二極管。例如，可以使用p型的矽晶片及n型的氧化物半導體形成二極管。
作為本發明中的氧化物半導體，例如可以使用In-Ga-Zn類氧化物等，這種氧化物半導體的能隙為2eV以上，較佳為2.5eV以上，更佳為3eV以上。如此，藉由使用能隙寬的氧化物半導體，可以降低電晶體及二極管的截止態洩漏電流。
另外，由於氧化物半導體的能隙寬，因此可以形成耐高壓的電晶體及二極管。
如此，藉由將包含氧化物半導體的電晶體及二極管用於放電控制用開關200及充電控制用開關300，可以降低放電控制用開關200及充電控制用開關300中的截止態洩漏電流，由此可以抑制因二次電池的過充電及過放電引起的劣化。
另外，二極管不侷限於圖1A所示的二極管204及二極管304，只要是呈現二極管特性的元件即可。例如，也可以如圖1B所示那樣使用二極管接法電晶體206代替二極管204，使用二極管接法電晶體306代替二極管304。
如此，藉由使用電晶體形成呈現二極管特性的元件，可以簡化放電控制用開關200及充電控制用開關300的製程，因此是較佳的。另外，藉由將氧化物半導體用於二極 管接法電晶體206及二極管接法電晶體306，可以降低截止態洩漏電流，由此可以抑制因二次電池的過充電及過放電引起的劣化。
作為本發明的一個方式中的氧化物半導體，例如可以利用濺射法等形成，尤其是由於不需要高溫處理，因此可以容易地設置由層疊具有薄氧化物半導體膜的電晶體形成的多層結構。
另外，雖然在本實施方式中示出電晶體202、電晶體302、二極管接法電晶體206及二極管接法電晶體306為n型的電晶體，但是不侷限於此，也可以使用p型的電晶體。
另外，本發明的一個方式中的氧化物半導體膜可以處於單晶、多晶(也稱為polycrystal)或非晶等狀態。
較佳的是氧化物半導體膜為CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor：c軸配向結晶氧化物半導體)膜。
氧化物半導體膜例如可以具有非單晶。非單晶例如具有CAAC(C Axis Aligned Crystal：c軸配向晶體)、多晶、微晶、非晶部。非晶部的缺陷態密度高於微晶和CAAC的缺陷態密度。另外，微晶的缺陷態密度高於CAAC的缺陷態密度。注意，將包括CAAC的氧化物半導體稱為CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor：c軸配向結晶氧化物半導體)。
例如，氧化物半導體膜可以包括CAAC-OS。在 CAAC-OS中，例如c軸配向且a軸及/或b軸不宏觀地一致。
例如，氧化物半導體膜可以包括微晶。注意，將包括微晶的氧化物半導體稱為微晶氧化物半導體。微晶氧化物半導體膜例如包括1nm以上且小於10nm的尺寸的微晶(也稱為奈米晶)。
例如，氧化物半導體膜可以包括非晶部。注意，將包括非晶部的氧化物半導體稱為非晶氧化物半導體。非晶氧化物半導體膜例如具有無秩序的原子排列且不具有結晶成分。或者，非晶氧化物半導體膜例如是完全的非晶而不具有結晶部。
另外，氧化物半導體膜也可以是CAAC-OS、微晶氧化物半導體、非晶氧化物半導體的混合膜。混合膜例如包括非晶氧化物半導體的區域、微晶氧化物半導體的區域、CAAC-OS的區域。並且，混合膜例如可以具有非晶氧化物半導體的區域、微晶氧化物半導體的區域、CAAC-OS的區域的疊層結構。
另外，氧化物半導體膜例如可以具有單晶。
較佳的是氧化物半導體膜包括多個結晶部並且該結晶部的c軸在平行於形成有氧化物半導體膜的表面的法線向量或氧化物半導體膜的表面的法線向量的方向上一致。注意，不同的結晶部的a軸和b軸的方向可以不同。這種氧化物半導體膜的一個例子是CAAC-OS膜。
CAAC-OS膜不是完全的非晶。另外，在大多情況 下，結晶部可以容納於一邊小於100nm的立方體內。在利用透射電子顯微鏡(TEM：Transmission Electron Microscope)所得到的觀察影像中，CAAC-OS膜中的非晶部與結晶部的邊界以及結晶部與結晶部的邊界不明確。另外，利用TEM，在CAAC-OS膜中確認不到明確的晶界(grain boundary)。因此，在CAAC-OS膜中，因晶界導致的電子遷移率的降低得到抑制。
在包括於CAAC-OS膜中的結晶部中，例如，c軸在平行於形成有CAAC-OS膜的表面的法線向量或CAAC-OS膜的表面的法線向量的方向上一致，並且當從垂直於ab面的方向看時金屬原子排列為三角形或六角形的結構，當從垂直於c軸的方向看時，金屬原子排列為層狀或者金屬原子和氧原子排列為層狀。注意，不同的結晶部的a軸和b軸的方向可以不同。在本說明書中，當僅記載為“垂直”時，也包括80°以上100°以下，較佳為85°以上95°以下的範圍。並且，當僅記載為“平行”時，也包括-10°以上10°以下，較佳為-5°以上5°以下的範圍。
另外，在CAAC-OS膜中，結晶部的分佈不一定是均勻的。例如，在CAAC-OS膜的形成過程中，當從氧化物半導體膜的表面一側進行結晶成長時，有時氧化物半導體膜的表面附近的結晶部的比例高於形成有氧化物半導體膜的表面附近的結晶部的比例。另外，當將雜質添加到CAAC-OS膜時，有時在該雜質添加區中結晶部變成非晶。
因為包括在CAAC-OS膜中的結晶部的c軸在平行於形成有CAAC-OS膜的表面的法線向量或CAAC-OS膜的表面的法線向量的方向上一致，所以有時根據CAAC-OS膜的形狀(形成有CAAC-OS膜的表面的剖面形狀或CAAC-OS膜的表面的剖面形狀)c軸的方向可以彼此不同。另外，結晶部是在成膜時或者是在成膜後進行加熱處理等的晶化處理時形成的。因此，結晶部的c軸在平行於形成有CAAC-OS膜的表面的法線向量或CAAC-OS膜的表面的法線向量的方向上一致。
在使用CAAC-OS膜的電晶體中，因可見光或紫外光的照射導致的電特性變動小。因此，該電晶體具有高可靠性。
另外，構成氧化物半導體膜的氧的一部分也可以用氮取代。
藉由將上述CAAC-OS膜用於電晶體，可以形成洩漏電流更小的電晶體。
(過放電時的控制動作)接著，使用圖2A對當二次電池110變為過放電時的動作進行說明。圖2A是對圖1A所示的電池組連接了外部負載150的電池組600。另外，雖然在圖2A中作為外部負載150示出電阻元件，但是不侷限於此，只要是能夠消耗來自二次電池110的電力的元件即可。
在電池組600中，藉由使二次電池110放電來對外部負載150供應電力，當二次電池110的電壓變為放電禁止 電壓以下時，保護電路102向放電控制用開關200中的電晶體202輸出控制信號，以便使電晶體202變為截止狀態。由此，二次電池110的放電路徑被截斷，由此可以防止過放電。然後，當二次電池110被充電而其電位上升時，保護電路102檢測出該電位並對電晶體202輸出控制信號而使電晶體202變為導通狀態。
(過充電時的控制動作)接著，使用圖2B對二次電池110變為過充電時的動作進行說明。圖2B是對圖1A所示的電池組連接了充電用電源160的電池組700。另外，除了圖2B所示的充電用電源160之外，還可以連接向二次電池110供應電力的電源。
在電池組700中，藉由由充電用電源160向二次電池110供應電力來對二次電池110進行充電，當二次電池110的電壓變為充滿電電壓以上時，保護電路102向充電控制用開關300中的電晶體302輸出控制信號，以便使電晶體302變為截止狀態。由此，充電用電源160的充電路徑被截斷，由此可以防止過充電。然後，當二次電池110放電而其電位下降時，保護電路102檢測出該電位並對電晶體302輸出控制信號而使電晶體302變為導通狀態。
藉由上述動作可以防止過放電及過充電。
如本發明的一個方式所示，藉由作為電池組的保護電路中的電流截斷用開關的電晶體使用氧化物半導體，較佳為CAAC-OS膜，可以降低電晶體的截止態洩漏電流，由此可以提供安全且長壽命的保護電路模塊及電池組。
實施方式2
接著，使用圖3對與實施方式1所示的電池組500不同的電池組的電路結構進行說明。
圖3所示的電池組800包括對實施方式1所示的保護電路模塊100進一步安裝了保護電阻165、保險絲170及熱敏電阻器180的保護電路模塊101。另外，雖然在圖3中示出安裝有保護電阻165、保險絲170及熱敏電阻器180的保護電路模塊101，但是也可以採用安裝有保護電阻165、保險絲170及熱敏電阻器180中的任一個以上的結構。
保護電阻165與保護電路102連接，由此在保護電路102中檢測流過充放電路徑的電流。保護電阻165是當大電流流過與二次電池110連接的充放電路徑中時防止電池組800發生破損的電阻。例如，當電池組的正極與負極短路而大電流流過電路內時，防止二次電池劣化及保護電路破損。當檢測出異常電流時，同時截斷放電控制用開關200及充電控制用開關300。
保險絲170是與上述保護電阻165以同樣的目的而設置的元件，當與二次電池110連接的充放電路徑中流過大電流時防止電池組800破損。與利用保護電阻165檢測異常電流來電截斷放電控制用開關200及充電控制用開關300不同，保險絲170設置在充放電路徑內，當異常電流流過保險絲170時發生的焦耳熱使保險絲溶化，由此截斷 充放電路徑。
熱敏電阻器180根據溫度變化而電阻的變化較大，而被用作藉由檢測該電阻值來測定溫度的傳感器。藉由設置熱敏電阻器180，可以在進行充放電時，以使二次電池110的溫度不超過允許溫度的方式進行監視。另外，也可以採用如下結構：將熱敏電阻器180連接到保護電路102，在保護電路中設置由熱敏電阻器180的電阻值檢測溫度的電路。由此，當由熱敏電阻器180檢測出的溫度為異常的溫度時，可以從保護電路102向放電控制用開關200及充電控制用開關300輸出控制信號，來截斷充放電路徑。
如上所述，在本實施方式中的電池組中，藉由作為電池組的保護電路中的電流截斷用開關的電晶體使用氧化物半導體，較佳為CAAC-OS膜，可以降低電晶體的截止態洩漏電流，由此可以提供安全且長壽命的保護電路模塊及電池組。
實施方式3
在本實施方式中，使用圖4示出為構成實施方式1所示的保護電路102的元件的電晶體900以及放電控制用開關200中的電晶體202(與充電控制用開關300中的電晶體302同樣)的結構的一個例子的剖面圖。
在本實施方式中，電晶體900是包括半導體基板901的一部分的電晶體，電晶體202表示包含氧化物半導體的 電晶體，但是不侷限於此。另外，示出電晶體202層疊在電晶體900上的結構，但是層疊順序也可以相反或者也可以將電晶體形成在同一平面上。
電晶體900包括：半導體基板901；設置在半導體基板901上的元件分離絕緣膜902；半導體基板901上的閘極絕緣膜904；閘極絕緣膜904上的閘極電極905；形成於半導體基板901中的不與閘極電極905重疊的區域中的源極區及汲極區903；層間絕緣膜906；以及在藉由加工層間絕緣膜而形成的接觸孔中與閘極電極905及源極區及汲極區903連接的佈線907。
電晶體202包括：基底絕緣膜908；基底絕緣膜908上的氧化物半導體膜909；與氧化物半導體膜909接觸的源極電極及汲極電極910；源極電極及汲極電極910上的閘極絕緣膜911；閘極絕緣膜911上的與氧化物半導體膜909重疊的閘極電極912；閘極電極912及閘極絕緣膜911上的層間絕緣膜913。
另外，如圖4所示，也可以在電晶體202的背通道側隔著基底絕緣膜908形成背閘極電極920。背閘極電極920可以如圖4所示地與佈線907使用同一層形成，也可以另外設置。藉由設置背閘極電極920，可以容易地控制電晶體202的臨界電壓。
另外，雖然示出電晶體202為頂閘極結構，但是也可以採用底閘極結構。
作為半導體基板901，可以使用單晶矽基板(矽晶 片)、化合物半導體基板(SiC基板、GaN基板等)，在本實施方式中對使用p型的矽基板時的情況進行說明。
另外，可以使用SOI(Silicon on Insulator：絕緣體上矽)基板代替半導體基板901，作為SOI基板，可以使用：藉由在對鏡面拋光薄片注入氧離子之後進行高溫加熱，在距離表面特定深度中形成氧化層，去除表面層中生成的缺陷而形成的所謂的SIMOX(Separation by IMplanted OXygen：注入氧隔離)基板：或者利用藉由注入氫離子形成的微小空隙因熱處理的擴大來使半導體基板裂開的智能剝離法(smart-cut method)或ELTRAN法(Epitaxial Layer Transfer：磊晶層轉移，日本佳能公司的註冊商標)等形成的SOI基板。
元件分離絕緣膜902可以利用LOCOS(Local Oxidation of Silicon：矽局部氧化)法或STI(Shallow Trench Isolation：淺溝槽隔離)法等形成。
閘極絕緣膜904可以藉由在氧氛圍下進行熱處理(也稱為熱氧化法)來使半導體基板901的表面氧化來形成氧化矽膜。或者，藉由在利用熱氧化法形成氧化矽膜之後，進行氮化處理使氧化矽膜的表面氮化，而形成氧化矽膜與包含氧和氮的矽膜(氧氮化矽膜)的疊層結構。另外，也可以利用電漿CVD法等的沉積法進行成膜。
另外，也可以利用CVD法、濺射法等形成為高介電常數物質(也稱為high-k材料)的氧化鉭、氧化鉿、氧化矽酸鉿、氧化鋯、氧化鋁等的金屬氧化物或者氧化鑭等的稀 土氧化物等。
閘極電極905可以使用選自鉭、鎢、鈦、鉬、鉻、鈮等的金屬或以這些金屬為主要成分的合金材料或化合物材料形成。另外，還可以使用添加有磷等雜質元素的多晶矽。另外，還可以以金屬氮化物膜與上述金屬膜的疊層結構形成閘極電極905。作為金屬氮化物，可以使用氮化鎢、氮化鉬、氮化鈦。藉由設置金屬氮化物膜，可以提高金屬膜的緊密性，從而能夠防止剝離。
另外，閘極電極905也可以採用側面具有側壁絕緣膜的結構。藉由設置側壁絕緣膜，可以緩解電晶體的源極與汲極之間的電場，由此可以提高元件的可靠性。
源極區及汲極區903是藉由以閘極電極905為遮罩對半導體基板901添加賦予導電性的雜質元素而形成的。藉由像上述那樣地以閘極電極905為遮罩能夠自對準地形成源極區及汲極區903。在本實施方式中，可以藉由對p型的矽基板添加賦予n型導電性的磷(P)，來形成由n型的矽構成的源極區及汲極區903。
層間絕緣膜906可以使用氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧氮化鋁、氮氧化鋁、氮化鋁等的疊層或單層而形成。另外，藉由作為層間絕緣膜906以CVD法形成氮化矽，可以形成含有大量氫的層間絕緣膜906。藉由使用該層間絕緣膜906進行加熱處理，氫擴散到半導體基板中，由於該氫半導體基板中的懸空鍵被終結，由此可以降低半導體基板中的缺陷。
另外，藉由使用如BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass：硼磷矽玻璃)等無機材料或如聚醯亞胺、丙烯酸樹脂等有機材料形成層間絕緣膜906，可以提高層間絕緣膜906的平坦性。
佈線907可以使用由鋁、鈦、鉻、鎳、銅、釔、鋯、鉬、銀、鉭或鎢構成的單體金屬或以這些元素為主要成分的合金的單層結構或疊層結構。例如，可以採用如下結構：包含矽的鋁膜的單層結構；在鋁膜上層疊鈦膜的兩層結構；在鎢膜上層疊鈦膜的兩層結構；在銅-鎂-鋁合金膜上層疊銅膜的兩層結構；鈦膜、在該鈦膜上層疊鋁膜、在其上形成鈦膜的三層結構等。另外，還可以使用包含氧化銦、氧化錫或氧化鋅的透明導電材料。
另外，佈線907可以用作電晶體202的背閘極電極。
基底絕緣膜908可以使用選自氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氮化鋁、氧化鉿、氧化鋯、氧化釔、氧化鎵、氧化鑭、氧化銫、氧化鉭和氧化鎂中的一種以上的單層或疊層。
另外，較佳的是基底絕緣膜908具有充分的平坦性。明確而言，以平均粗糙度(Ra)成為1nm以下，較佳為0.3nm以下，更佳為0.1nm以下的方式設置基底絕緣膜。藉由採用上述數值以下的Ra，易於在氧化物半導體膜中形成結晶區域。注意，Ra是將JIS B 0601：2001(ISO4287：1997)中定義的算術平均粗糙度擴大為三維以使其能夠應用於曲面，可以以“將從基準面到指定面的偏差 的絕對值平均而得的值”表示，以算式1定義。
在此，指定面是粗糙度測量的對象表面，其是以坐標((x1，y1，f(x1，y1))、(x1，y2，f(x1，y2))、(x2，y1，f(x2，y1))、(x2，y2，f(x2，y2))四個點表示的四角的區域，指定面投影於xy平面的長方形的面積為S0，指定面的平均高度為Z0。可以利用原子力顯微鏡(AFM：Atomic Force Microscope)對Ra進行測量。
氧氮化矽是指在其組成上氧含量多於氮含量的物質，例如，包含50原子%以上且70原子%以下的氧、0.5原子%以上且15原子%以下的氮、25原子%以上且35原子%以下的矽以及0原子%以上且10原子%以下的氫的物質。另外，氮氧化矽是指在其組成上氮含量多於氧含量的物質，例如，包含5原子%以上且30原子%以下的氧、20原子%以上且55原子%以下的氮、25原子%以上且35原子%以下的矽以及10原子%以上且25原子%以下的氫的物質。但是，上述範圍是使用盧瑟福背散射分析(RBS：Rutherford Backscattering Spectrometry)或氫前方散射分析(HFS：Hydrogen Forward scattering Spectrometry)進行測量時的範圍。此外，構成元素的組成的總計不超過100原子%。
另外，基底絕緣膜908較佳的是使用藉由加熱處理釋放氧的絕緣膜。
“藉由加熱處理放出氧”是指當利用TDS(Thermal Desorption Spectroscopy：熱脫附譜)分析時，換算為氧原子時的氧的放出量為1.0×1018原子/cm3以上，較佳為3.0×1020原子/cm3以上。
在此，以下對利用TDS分析測量換算為氧原子的氧的放出量的方法進行說明。
藉由TDS分析測量的氣體的放出量與光譜的積分值成比例。因此，可以根據測量的光譜的積分值與標準樣本的基準值的比算出氣體的放出量。標準樣本的基準值是指包含預定原子的樣本與光譜的積分值的原子密度比。
例如，根據作為標準樣本的包含預定密度的氫的矽晶片的TDS分析結果及絕緣膜的TDS分析結果，可以藉由算式2算出絕緣膜的氧分子的放出量(NO2)。這裏，假定藉由TDS分析得到的檢測出為質量數32的光譜都來源於氧分子。作為質量數32的物質，還有CH3OH，但是CH3OH存在的可能性較低，所以這裏不作考慮。此外，包含作為氧原子的同位素的質量數17的氧原子及質量數18的氧原子的氧分子在自然界的存在比率極微量，所以也不考慮到該氧分子。
NH2是將從標準樣本脫離的氫分子換算為密度的值。SH2是對標準樣本進行TDS分析時的光譜的積分值。這裏，將標準樣本的基準值設定為NH2/SH2。SO2是對絕緣膜進行TDS分析時的光譜的積分值。α是在TDS分析中影響到光譜強度的係數。關於算式2的詳細說明，參照日本專利申請公開平6-275697號公報。另外，上述絕緣膜的氧的放出量藉由使用電子科學株式會社製造的熱脫附分析裝置EMD-WA1000S/W，作為標準樣本使用包含1×1016原子/cm2的氫原子的矽晶片進行測量。
此外，在TDS分析中，氧的一部分作為氧原子被檢測出。氧分子和氧原子的比率可以從氧分子的離子化率算出。另外，因為上述α包括氧分子的離子化率，所以藉由對氧分子的放出量進行評價，能夠估算出氧原子的放出量。
另外，NO2是氧分子的放出量。換算為氧原子時的氧的放出量是氧分子的放出量的兩倍。
在使用氧化物半導體膜的電晶體中，藉由從基底絕緣膜向氧化物半導體膜供應氧，可以降低氧化物半導體膜與基底絕緣膜之間的界面能階密度。由此可以抑制因電晶體的動作等，載流子在氧化物半導體膜與基底絕緣膜之間的界面被俘獲，從而可以獲得可靠性高的電晶體。
再者，有時由於氧化物半導體膜的氧缺陷而產生電荷。一般來說，氧化物半導體膜中的氧缺損的一部分成為 施體，而釋放出作為載流子的電子。其結果，電晶體的臨界電壓漂移到負方向。因此，藉由從基底絕緣膜向氧化物半導體膜供應充分的氧，較佳的是使氧化物半導體膜含有過剩的氧，可以降低氧化物半導體膜的氧缺陷密度，其是導致臨界電壓向負方向漂移的原因。
較佳的是用於氧化物半導體膜909的材料至少包含銦(In)或鋅(Zn)。尤其是較佳為包含In及Zn。另外，作為用來減少使用該氧化物半導體膜909的電晶體的電特性偏差的穩定劑(stabilizer)，較佳的是除了上述元素以外還包括鎵(Ga)。另外，作為穩定劑，較佳的是具有錫(Sn)、鉿(Hf)、鋁(Al)、鈦(Ti)或鋯(Zr)。
此外，作為其他的穩定劑，也可以包含鑭系元素的鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)中的一種或多種。
例如，作為氧化物半導體，可以使用氧化銦、氧化鎵、氧化錫、氧化鋅、In-Zn類氧化物、Sn-Zn類氧化物、Al-Zn類氧化物、Zn-Mg類氧化物、Sn-Mg類氧化物、In-Mg類氧化物、In-Ga類氧化物、In-Ga-Zn類氧化物(也稱為IGZO)、In-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Zn類氧化物、Sn-Ga-Zn類氧化物、Al-Ga-Zn類氧化物、Sn-Al-Zn類氧化物、In-Hf-Zn類氧化物、In-La-Zn類氧化物、In-Ce-Zn類氧化物、In-Pr-Zn類氧化物、In-Nd-Zn類氧化物、In-Sm-Zn類氧化物、In-Eu-Zn類氧化物、In-Gd-Zn 類氧化物、In-Tb-Zn類氧化物、In-Dy-Zn類氧化物、In-Ho-Zn類氧化物、In-Er-Zn類氧化物、In-Tm-Zn類氧化物、In-Yb-Zn類氧化物、In-Lu-Zn類氧化物、In-Sn-Ga-Zn類氧化物、In-Hf-Ga-Zn類氧化物、In-Al-Ga-Zn類氧化物、In-Sn-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Hf-Zn類氧化物、In-Hf-Al-Zn類氧化物。
較佳的是，氧化物半導體膜909為CAAC-OS膜。
另外，如CAAC-OS那樣的具有結晶部的氧化物半導體可以進一步減少塊體內缺陷。並且，藉由提高表面的平坦性，可以獲得非晶狀態的氧化物半導體以上的遷移率。為了提高表面的平坦性，較佳的是在平坦的表面上形成氧化物半導體，具體地，較佳的是在平均面粗糙度(Ra)為1nm以下，較佳為0.3nm以下，更佳為0.1nm以下的表面上形成氧化物半導體。
氧化物半導體膜909可以適當地利用濺射法、MBE(Molecular Beam Epitaxy：分子束磊晶)法、CVD法、脈衝激光沉積法、ALD(Atomic Layer Deposition：原子層沉積)法等形成。此外，氧化物半導體膜909可以使用在以大致垂直於濺射靶材表面的方式設置有多個基板表面的狀態下進行成膜的濺射裝置形成。
另外，較佳的是氧化物半導體膜909為幾乎不含有銅、鋁、氯等雜質的高度純化氧化物半導體膜。作為電晶體的製程，較佳的是適當地選擇不會使上述雜質混入或附著到氧化物半導體膜909表面的製程，當氧化物半導體膜 909表面附著有上述雜質時，較佳為將其暴露於草酸或稀氫氟酸等中或者藉由對其進行電漿處理(N2O電漿處理等)去除氧化物半導體膜909表面的雜質。具體地，使氧化物半導體膜909的銅濃度為1×1018原子/cm3以下，較佳為1×1017原子/cm3以下。另外，使氧化物半導體膜909的鋁濃度為1×1018原子/cm3以下。另外，使氧化物半導體膜909的氯濃度為2×1018原子/cm3以下。
作為源極電極及汲極電極910，可以使用含有選自鋁(Al)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、鎢(W)中的元素的金屬膜或以上述元素為成分的金屬氮化物膜(氮化鈦膜、氮化鉬膜、氮化鎢膜等)。另外，還可以在Al、Cu等的金屬膜的下側或上側的一者或兩者層疊Ti、Mo、W等高熔點金屬膜或它們的金屬氮化物膜(氮化鈦膜、氮化鉬膜、氮化鎢膜等)。或者，也可以由導電金屬氧化物形成。作為導電金屬氧化物，可以使用氧化銦(In2O3)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦氧化錫(In2O3-SnO2)、氧化銦氧化鋅(In2O3-ZnO)或者上述金屬氧化物材料中含有氧化矽的材料。
閘極絕緣膜911可以利用電漿CVD法或濺射法等形成，並可以使用選自如下材料中的一種以上的單層或疊層：氧化矽、氧氮化矽、氧化鋁、氧氮化鋁、氧化鉿、氧化鎵、氧化鎂、氧化鉭、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹。
此外，藉由作為閘極絕緣膜911的材料使用氧化鉿、 氧化釔、矽酸鉿(HfSixOy(x>0，y>0))、添加有氮的矽酸鉿(HfSiOxNy(x>0、y>0))、鋁酸鉿(HfAlxOy(x>0、y>0))以及氧化鑭等high-k材料，可以降低閘極漏電流。另外，當將閘極絕緣膜911用於電容器時可以增加電容量，因此是較佳的。另外，閘極絕緣膜911既可以採用單層結構也可以採用疊層結構。
作為閘極電極912，可以使用鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、鉻、釹、鈧等金屬材料或以這些金屬材料為主要成分的合金材料。此外，作為閘極電極912，也可以使用如摻雜有磷等雜質元素的多晶矽膜的半導體膜、如鎳矽化物等矽化物膜。閘極電極912既可以採用單層結構也可以採用疊層結構。
另外，作為閘極電極912，可以使用氧化銦氧化錫、包含氧化鎢的銦氧化物、包含氧化鎢的銦鋅氧化物、包含氧化鈦的銦氧化物、包含氧化鈦的銦錫氧化物、氧化銦氧化鋅以及添加有氧化矽的銦錫氧化物等導電材料。
此外，作為與閘極絕緣膜911接觸的閘極電極912的一層可以使用包含氮的金屬氧化物，明確地說，可以使用包含氮的In-Ga-Zn-O膜、包含氮的In-Sn-O膜、包含氮的In-Ga-O膜、包含氮的In-Zn-O膜、包含氮的Sn-O膜、包含氮的In-O膜以及金屬氮化膜(InN、SnN等)。這些膜具有5eV(電子伏特)以上，較佳的是具有5.5eV(電子伏特)以上的功函數，並且當將它們用作閘極電極層時，可以使電晶體的電特性的臨界電壓成為正值。
層間絕緣膜913可以使用與基底絕緣膜908相同的材料形成。
較佳的是層間絕緣膜913的相對介電常數小且具有足夠的厚度。例如，可以採用相對介電常數為3.8左右的氧化矽膜，其厚度為300nm以上1000nm以下。層間絕緣膜913的表面會受到大氣成分等的影響而具有極少的固定電荷，由此有時電晶體的臨界電壓發生變動。因此，較佳為將層間絕緣膜913的相對介電常數及厚度設定為使生成於表面的電荷影響極小的範圍內。
藉由上述結構，可以形成電晶體900及電晶體202。另外，由於可將電晶體900與電晶體202層疊地形成，由此可以縮小需要的佔有面積。
實施方式4
根據本發明的一個方式的保護電路模塊或電池組可以用於顯示設備、個人計算機、具備儲存介質的影像再現裝置(典型地是，能夠再現如DVD(Digital Versatile Disc：數字通用磁盤)等儲存介質並具有能夠顯示其影像的顯示器的裝置)等電子裝置。此外，作為可以使用根據本發明的一個方式的保護電路模塊或電池組的電子裝置，可以舉出行動電話、包括便攜式在內的遊戲機、便攜式信息終端、電子書閱讀器、例如攝影機和數位相機等影像拍攝裝置、護目鏡型顯示器(頭戴式顯示器)、導航系統、音頻再現裝置(例如，汽車音頻系統和數字音頻播放器等)、複印 機、傳真機、打印機、多功能打印機、自動櫃員機(ATM)、自動售貨機等等。圖5A至5F示出這些電子裝置的具體例子。
圖5A是便攜式遊戲機，其包括殼體5001、殼體5002、顯示部5003、顯示部5004、麥克風5005、揚聲器5006、操作鍵5007、觸控筆5008等。注意，雖然圖5A所示的便攜式遊戲機包括兩個顯示部5003和顯示部5004，但便攜式遊戲機所包含的顯示部不限於兩個。
圖5B是便攜式信息終端，其包括第一殼體5601、第二殼體5602、第一顯示部5603、第二顯示部5604、連接部5605、操作鍵5606等。第一顯示部5603設置在第一殼體5601中，第二顯示部5604設置在第二殼體5602中。並且，第一殼體5601與第二殼體5602藉由連接部5605連接，第一殼體5601與第二殼體5602之間的角度可以藉由連接部5605改變。第一顯示部5603中的影像可以根據由連接部5605形成的第一殼體5601與第二殼體5602之間的角度進行切換。另外，也可以對第一顯示部5603和第二顯示部5604中的至少一個使用附加有位置輸入裝置的功能的顯示裝置。另外，可以藉由在顯示裝置設置觸摸屏來附加位置輸入裝置的功能。或者，也可以藉由在顯示裝置的像素部設置也稱為光電傳感器的光電轉換元件來附加位置輸入裝置的功能。
圖5C是筆記本式個人計算機，其包括殼體5401、顯示部5402、鍵盤5403及指向裝置5404等。
圖5D是電冷藏冷凍箱，其包括殼體5301、冷藏室門5302、冷凍室門5303等。
圖5E是攝影機，其包括第一殼體5801、第二殼體5802、顯示部5803、操作鍵5804、透鏡5805、連接部5806等。操作鍵5804及透鏡5805設置在第一殼體5801中，顯示部5803設置在第二殼體5802中。並且，第一殼體5801與第二殼體5802藉由連接部5806連接，第一殼體5801與第二殼體5802之間的角度可以藉由連接部5806改變。顯示部5803中的影像可以根據由連接部5806形成的第一殼體5801與第二殼體5802之間的角度進行切換。
圖5F為一般的汽車，其包括車體5101、車輪5102、儀錶盤5103及燈5104等。
本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
100‧‧‧保護電路模塊
102‧‧‧保護電路
110‧‧‧二次電池
200‧‧‧放電控制用開關
202‧‧‧電晶體
204‧‧‧二極管
300‧‧‧充電控制用開關
302‧‧‧電晶體
304‧‧‧二極管
500‧‧‧電池組

Claims (10)

  1. 一種電池組，包括：保護電路；充電控制用開關；以及放電控制用開關，其中，該充電控制用開關及該放電控制用開關與該保護電路電連接，並且，該充電控制用開關及該放電控制用開關各具有包括氧化物半導體的電晶體。
  2. 一種電池組，包括：二次電池；保護電路；充電控制用開關；以及放電控制用開關，其中，該充電控制用開關及該放電控制用開關與該保護電路電連接，該充電控制用開關及該放電控制用開關各具有包括氧化物半導體的電晶體，並且，該保護電路配置為檢測該二次電池的電壓並將該電壓與預定電壓進行比較，並根據比較結果輸出控制信號，以便使該充電控制用開關或該放電控制用開關開啟或關閉。
  3. 一種電池組，包括：保護電路； 充電控制用開關；以及放電控制用開關，其中，該充電控制用開關及該放電控制用開關各具有包括氧化物半導體的電晶體，並且，該充電控制用開關及該放電控制用開關層疊於該保護電路上。
  4. 根據申請專利範圍第2項之電池組，其中該二次電池、該充電控制用開關與該放電控制用開關串聯連接。
  5. 根據申請專利範圍第2項之電池組，其中該二次電池與該保護電路並聯連接。
  6. 根據申請專利範圍第2項之電池組，其中該二次電池是鋰二次電池。
  7. 根據申請專利範圍第1至3中任一項之電池組，其中該氧化物半導體包含選自In、Ga、Sn和Zn中的至少一種元素。
  8. 根據申請專利範圍第1至3中任一項之電池組，其中該充電控制用開關及該放電控制用開關還各包括與該電晶體電連接的二極管。
  9. 根據申請專利範圍第8項之電池組，其中該二極管包括氧化物半導體。
  10. 一種電子裝置，其包括根據申請專利範圍第1至3中任一項之電池組。
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