WO2022049455A1 - 二次電池の制御回路および電子機器 - Google Patents

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WO2022049455A1
WO2022049455A1 PCT/IB2021/057775 IB2021057775W WO2022049455A1 WO 2022049455 A1 WO2022049455 A1 WO 2022049455A1 IB 2021057775 W IB2021057775 W IB 2021057775W WO 2022049455 A1 WO2022049455 A1 WO 2022049455A1
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insulator
transistor
oxide
conductor
voltage
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PCT/IB2021/057775
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黒川義元
津田一樹
郷戸宏充
大下智
金村卓郎
力丸英史
池田隆之
八窪裕人
山崎舜平
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株式会社半導体エネルギー研究所
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Publication date
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
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    • H01M10/4264—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing with capacitors
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    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
    • H02J7/06—Regulation of charging current or voltage using discharge tubes or semiconductor devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • one aspect of the present invention is not limited to the above technical fields.
  • the technical fields of one aspect of the present invention disclosed in the present specification and the like include semiconductor devices, image pickup devices, display devices, light emitting devices, power storage devices, storage devices, display systems, electronic devices, lighting devices, input devices, and input / output devices.
  • Devices, their driving methods, or their manufacturing methods can be mentioned as an example.
  • the semiconductor device refers to all devices that utilize semiconductor characteristics, and the control circuit of the secondary battery is a semiconductor device.
  • Secondary batteries also called batteries and power storage devices
  • Secondary batteries are being used in a wide range of fields, from small electronic devices to automobiles.
  • the secondary battery is equipped with a control circuit for charge / discharge management in order to prevent abnormalities during charge / discharge such as over-discharge, over-charge, over-current, or short circuit.
  • the control circuit acquires data such as voltage and current in order to manage the charging and discharging of the secondary battery.
  • the control circuit controls charging and discharging based on the observed data.
  • Patent Document 1 discloses a protection monitoring circuit that functions as a control circuit for a secondary battery.
  • a protection monitoring circuit described in Patent Document 1 a plurality of comparators are provided inside, and the reference voltage is compared with the voltage of the terminal to which the secondary battery is connected to detect an abnormality during charging / discharging.
  • the configuration to be used is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a control device that performs trickle charging to compensate for the decrease in the secondary battery due to the natural discharge of the secondary battery.
  • the control device of Patent Document 2 discloses a configuration in which an upper limit voltage and a lower limit voltage are set, and control is performed in which a charge state and a cutoff normal state are repeated within a set voltage range.
  • the amount of natural discharge of the secondary battery varies depending on the temperature during use, deterioration over time, etc. For example, in a high temperature environment, the amount of natural discharge increases. Therefore, it is necessary to switch between the upper limit voltage and the lower limit voltage set by the control circuit according to the environment of the secondary battery.
  • a plurality of voltages for setting the upper limit voltage and the lower limit voltage are required.
  • the plurality of voltages are generated by a constant voltage generation circuit that generates a desired voltage by resistance division.
  • the generated voltage is set as the upper and lower voltage and compared with the voltage of the secondary battery.
  • a plurality of comparators are required for comparison between a plurality of voltages and the voltage of a secondary battery. In the case of a control circuit configuration having a constant voltage generation circuit that generates a plurality of voltages and a plurality of comparators, there is a risk of increasing power consumption.
  • One aspect of the present invention is to provide a new control circuit for a secondary battery or the like.
  • one aspect of the present invention is to provide a control circuit or the like of a secondary battery having a new configuration capable of reducing power consumption.
  • the problem of one aspect of the present invention is not limited to the problems listed above.
  • the issues listed above do not preclude the existence of other issues.
  • Other issues are issues not mentioned in this item, which are described below. Issues not mentioned in this item can be derived from the description of the description, drawings, etc. by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions.
  • one aspect of the present invention solves at least one of the above-listed problems and / or other problems.
  • One aspect of the present invention includes a first transistor, a first voltage generation circuit that generates a first voltage, and a second voltage generation circuit that generates a second voltage, and the first voltage generation circuit is the first. It has two transistors and a first capacitance, the second voltage generation circuit has a third transistor and a second capacitance, and the difference between the first voltage and the second voltage is the threshold voltage of the first transistor. It is a control circuit of the secondary battery which is set according to.
  • One aspect of the present invention includes a first transistor, a first voltage generation circuit that generates a first voltage, a second voltage generation circuit that generates a second voltage, and a voltage holding circuit, and has a first voltage.
  • the generation circuit has a second transistor and a first capacitance
  • the second voltage generation circuit has a third transistor and a second capacitance
  • the first transistor has a back gate
  • the voltage holding circuit has a back. It has a function of holding the voltage of the gate, and the difference between the first voltage and the second voltage is a control circuit of the secondary battery set according to the threshold voltage of the first transistor.
  • the voltage holding circuit has a fourth transistor and a third capacitance
  • the third capacitance has a dielectric layer between a pair of electrodes
  • the third capacitance is a strong dielectric.
  • a control circuit of a secondary battery that holds the voltage applied to the back gate by applying a voltage that reverses the polarization of the layer is preferable.
  • the ferroelectric layer preferably has a control circuit of a secondary battery having hafnium oxide and / or zirconium oxide.
  • the first transistor to the third transistor are control circuits of a secondary battery, which are transistors having an oxide semiconductor in the channel.
  • One aspect of the present invention is an electric device having the above-described secondary battery control circuit, a secondary battery, and a housing.
  • One aspect of the present invention can provide a novel control circuit for a secondary battery or the like.
  • one aspect of the present invention can provide a control circuit or the like of a secondary battery having a novel configuration capable of reducing power consumption.
  • the effect of one aspect of the present invention is not limited to the effects listed above.
  • the effects listed above do not preclude the existence of other effects.
  • the other effects are the effects not mentioned in this item, which are described below. Effects not mentioned in this item can be derived from the description in the specification, drawings, etc. by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions.
  • one aspect of the present invention has at least one of the above-listed effects and / or other effects. Therefore, one aspect of the present invention may not have the effects listed above in some cases.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams showing a configuration example of a semiconductor device.
  • 2A and 2B are diagrams showing a configuration example of a semiconductor device.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor device.
  • 4A, 4B, and 4C are diagrams showing a configuration example of a semiconductor device.
  • FIG. 5 is a diagram showing the hysteresis characteristics of the ferroelectric substance.
  • 6A and 6B are diagrams showing a configuration example of a semiconductor device.
  • 7A and 7B are diagrams showing a configuration example of a semiconductor device.
  • 8A and 8B are diagrams illustrating a configuration example of a control circuit of a secondary battery.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a control circuit of a secondary battery.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a control circuit of a secondary battery.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a control circuit of a secondary battery.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating a configuration example of a control circuit of a secondary battery.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device.
  • 13A to 13C are schematic cross-sectional views showing a configuration example of a transistor.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device.
  • 15A and 15B are schematic cross-sectional views showing a configuration example of a transistor.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a transistor.
  • 17A to 17C are schematic cross-sectional views showing a configuration example of a transistor.
  • the ordinal numbers "1st”, “2nd”, and “3rd” are added to avoid confusion of the components. Therefore, the number of components is not limited. Moreover, the order of the components is not limited. Further, for example, the component referred to in “first” in one of the embodiments of the present specification and the like is regarded as another embodiment or the component referred to in “second” in the scope of claims. It is possible. Further, for example, the component referred to in “first” in one of the embodiments of the present specification and the like may be omitted in another embodiment or in the scope of claims.
  • An input voltage VIN is applied to one of the gate, source and drain of the transistor M1 and one of the source and drain of the transistor M2.
  • a selection signal S is given to the gate of the transistor M2 and the gate of the transistor M3.
  • the other of the source and drain of the transistor M1 is connected to one of the source and drain of the transistor M3.
  • the other of the source and drain of the transistor M2 is connected to the capacitance C1 to provide an output voltage V OUT1 .
  • the other of the source and drain of the transistor M3 is connected to the capacitance C2 to provide an output voltage V OUT2 .
  • the output voltage V OUT1 is V1 when the input voltage V IN is V1. Further, the output voltage V OUT 2 is V 1 ⁇ V TH , which is lowered by the threshold voltage V TH of the transistor M1. That is, the semiconductor device 100 has a function of generating an input voltage V1 and V1 ⁇ VTH lowered by the threshold voltage VTH of the transistor M1.
  • the transistors M1 to M3 are turned off to hold the generated voltage.
  • a transistor having silicon in the channel forming region hereinafter referred to as Si transistor
  • OS transistor a transistor having an oxide semiconductor in the channel forming region
  • the transistors M1 to M3 are preferably composed of OS transistors.
  • the silicon used for the channel formation region of the Si transistor can be, for example, amorphous silicon (sometimes called hydride amorphous silicon), microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, single crystal silicon, or the like.
  • the transistors M1 to M3 include transistors containing Ge and the like in the channel forming region, and compound semiconductors such as ZnSe, CdS, GaAs, InP, GaN, and SiGe in the channel forming region.
  • a transistor containing carbon nanotubes in the channel forming region, a transistor containing an organic semiconductor in the channel forming region, and the like can be used.
  • FIG. 1B shows a diagram illustrating the operation of the semiconductor device 100 included in the control circuit of the secondary battery.
  • the transistors M1 to M3 are n-channel transistors, that is, the signals are on at the H level and off at the L level.
  • FIG. 1B illustrates the state of the input voltage V IN , the selection signal S, the output voltage V OUT 1, and the output voltage V OUT 2.
  • the semiconductor device 100 can be configured to output a voltage of the input voltage VIN and a voltage lowered by the threshold voltage ( VTH ) of the transistor M1. That is, the transistors M2 and the capacitance C1 in the semiconductor device 100, and the transistors M1, M3 and the capacitance C2 can each function as a constant voltage generation circuit that generates different voltages. Since the difference in voltage between the two paired constant voltage generation circuits (constant voltage generation circuit pair) becomes the threshold voltage of the transistor M1, the constant voltage generation circuit can be adjusted by adjusting the threshold voltage of the transistor M1. The voltage output by the pair can be adjusted.
  • the back gate potential BG2 and the back gate potential BG3 are shown as a configuration in which they are given from separate terminals, but other configurations may be used.
  • the back gate of the transistor M2 and the back gate of the transistor M3 may be provided with the back gate potential BG2 as a common potential. With this configuration, the wiring for giving the backgate potential can be shortened.
  • the output voltage V OUT1 and the output voltage V OUT2 described with reference to FIGS. 1A and 1B can be used in a control circuit for preventing overcharging, overdischarging, and the like of a secondary battery such as a lithium ion battery.
  • a secondary battery such as a lithium ion battery.
  • the secondary battery and the load for example, an electronic device such as a mobile terminal
  • the output voltage V OUT1 and the output voltage V OUT2 can be used as an upper limit voltage and a lower limit voltage for determining overcharge, overdischarge, etc. of the secondary battery.
  • a plurality of combinations of upper limit voltage and lower limit voltage can be generated.
  • charging is stopped when the voltage of the secondary battery exceeds the upper limit voltage of overcharging, and when the voltage falls below the lower limit voltage of overcharging, the next charging is permitted. Since the voltage can be switched between the input voltage and the threshold voltage of the transistor, it is possible to optimize the on or off of charging and reduce the load on the secondary battery. Similarly, the on or off of the discharge can be optimized and the load on the secondary battery can be reduced.
  • the semiconductor device 100 is shown as a configuration having one transistor functioning as the transistor M1, another configuration may be used.
  • the transistor M1A and the transistor M1B that function as the transistor M1 may be configured.
  • the semiconductor device 100B can be configured to output the voltage of the input voltage VIN and the voltage lowered by the two threshold voltages (2V TH ) of the transistors M1A and M1B. .. That is, the output voltage of the semiconductor device 100B that functions as the constant voltage generation circuit can be V 1 for the output voltage V OUT 1 and V 1-2 V TH for the output voltage V OUT 2.
  • the voltage holding circuit VC that holds and controls the back gate potential BG1 of the transistor M1
  • the voltage generation circuit that generates the back gate potential BG1 can be intermittently operated. Therefore, it is possible to reduce the power consumption in the control circuit of the secondary battery including the semiconductor device.
  • the threshold voltage VTH of the transistor M1 can be adjusted by adjusting the back gate potential BG1 of the transistor M1. Therefore, V 1 ⁇ V TH generated as the output voltage V OUT 2 can be adjusted.
  • FIG. 3 A configuration example of the voltage holding circuit VC shown in FIG. 3 will be described with reference to FIGS. 4A to 4C and FIG.
  • the voltage holding circuit VC illustrated in FIG. 4A has a voltage generation circuit VGEN, a transistor M4, and a capacitance C3.
  • the gate of the transistor M4 is given a signal SC that controls the on or off of the transistor M4 that functions as a switch.
  • One of the source and drain of the transistor M4 is connected to the voltage generation circuit VGEN.
  • the other of the source and drain of the transistor M4 is connected to the back gate of the transistor M1.
  • the capacitance C3 is provided to hold the back gate potential BG1 given to the back gate of the transistor M1.
  • the transistor M4 is preferably an OS transistor.
  • the OS transistor As the transistor M4, the electric charge corresponding to the back gate potential BG1 can be held in the capacitance C3 by utilizing the fact that the off-current is extremely low. Further, by holding the electric charge corresponding to the back gate potential BG1 in the capacitance C3, the power can be intermittently supplied to the voltage generation circuit VGEN, so that the power consumption can be reduced.
  • the capacitance C3 shown in FIG. 4A preferably has a structure having a ferroelectric layer between a pair of electrodes.
  • the capacitance having the ferroelectric layer can hold the voltage applied to the back gate by applying the voltage that reverses the polarization. Further, since the capacitance having the ferroelectric layer can increase the capacitance value, the amount of charge that can be accumulated can be increased. Therefore, it is possible to reduce the fluctuation of the potential due to the leakage of the electric charge from the capacitance C3.
  • the backgate potential BG1 given by the voltage generation circuit VGEN can be held for a long period of time. Therefore, it is possible to extend the period in which the supply of power to the voltage generation circuit VGEN is intermittently stopped, and to reduce the power consumption.
  • the ferroelectric layer of the capacitance FC3 is sandwiched between a pair of electrodes and has a region in contact with the matching electrode.
  • Materials that can have strong dielectric properties include hafnium oxide, zirconium oxide, HfZrOX ( X is a real number larger than 0), hafnium oxide and element J1 (here, element J1 is zirconium (Zr), silicon. (Si), aluminum (Al), gadrinium (Gd), yttrium (Y), lanthanum (La), strontium (Sr), etc.) added to zirconium oxide with element J2 (element J2 here is hafnium) (Hf), silicon (Si), aluminum (Al), gadrinium (Gd), yttrium (Y), lanthanum (La), strontium (Sr), etc.) are added to the material.
  • hafnium oxide, or hafnium oxide and zirconium oxide which are materials used for the ferroelectric layer, are preferable because they can have ferroelectricity even when processed into a thin film of several nm.
  • the film thickness of the ferroelectric layer can be 100 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 20 nm or less, still more preferably 10 nm or less (typically 2 nm or more and 9 nm or less).
  • FIG. 5 is a graph showing the hysteresis characteristics of the ferroelectric layer.
  • the horizontal axis indicates the voltage applied to the ferroelectric layer.
  • the vertical axis shows the amount of polarization of the ferroelectric layer.
  • the hysteresis characteristic of the ferroelectric layer can be represented by the curve R1 and the curve R2.
  • the voltage at the intersection of the curve R1 and the curve R2 is defined as the voltage VPI1 and the voltage VPI2.
  • the value of the voltage VPI1 is negative and the value of the voltage VPI2 is positive.
  • FIG. 5 shows that when the amount of polarization is positive, the positive charge is biased toward one electrode side of the capacitance, and the negative charge is biased toward the other electrode side of the capacitance. Further, when the amount of polarization is negative, it indicates that the negative charge is biased to one electrode side and the positive charge is biased to the other electrode side.
  • the capacitance using the ferroelectric layer, the potential corresponding to the amount of positive or negative polarization can be held as the back gate potential BG1. Therefore, the operation frequency of the voltage generation circuit VGEN can be reduced, and the power consumption of the voltage generation circuit VGEN can be reduced.
  • the constant voltage generation unit 122 includes a semiconductor device 100 capable of outputting two voltages (voltage pairs) as a plurality of voltages, and 100A to 100E.
  • the voltage generated by providing a plurality of semiconductor devices that output a voltage pair can be used as a reference voltage for preventing overcharging, overdischarging, and the like of a secondary battery such as a lithium ion battery.
  • the voltage obtained as a voltage pair can be used as the upper limit voltage and the lower limit voltage for determining overcharging, overdischarging, etc. of the secondary battery.
  • the control circuit 120 controls the power transistor 150 by comparing the obtained upper limit voltage and lower limit voltage with the voltage of the secondary battery.
  • the insulator 350 it is preferable to use an insulator having a barrier property against impurities such as hydrogen and water, similarly to the insulator 324.
  • the insulator 352 and the insulator 354 it is preferable to use an insulator having a relatively low relative permittivity in order to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings, similarly to the insulator 326.
  • the conductor 356 preferably contains a conductor having a barrier property against impurities such as hydrogen and water.
  • a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.
  • an opening is formed in a region of each of the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364 that overlaps with a part of the conductor 356, and the conductor 366 is provided so as to fill the opening.
  • the conductor 366 is also formed on the insulator 362.
  • the conductor 366 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 300.
  • the conductor 366 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • Silicon nitride formed by the CVD method can be used as an example of a film having a barrier property against hydrogen.
  • hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 500, which may deteriorate the characteristics of the semiconductor element. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300.
  • the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane in which the amount of hydrogen desorbed is small.
  • the conductor 510 and the conductor 518 in the region in contact with the insulator 514 are preferably conductors having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water.
  • the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a layer having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.
  • a transistor 500 is provided above the insulator 516.
  • the transistor 500 has an insulator 516 on the insulator 514 and a conductor 503 (conductor 503a, and conductivity) arranged to be embedded in the insulator 514 or the insulator 516.
  • Body 503b insulator 522 on insulator 516, and insulator 503, insulator 524 on insulator 522, oxide 530a on insulator 524, and oxide 530b on oxide 530a.
  • the insulator 580 and the insulator 544 are provided with an opening reaching the oxide 530b.
  • Insulator 552, insulator 550, insulator 554, and conductor 560 are arranged in the opening. Further, in the channel length direction of the transistor 500, the conductor 560, the insulator 552, the insulator 550, and the insulator 554 are placed between the insulator 571a and the conductor 542a and the insulator 571b and the conductor 542b. It is provided.
  • the insulator 554 has a region in contact with the side surface of the conductor 560 and a region in contact with the bottom surface of the conductor 560.
  • the transistor 500 shows a configuration in which the oxide 530 is laminated with two layers of the oxide 530a and the oxide 530b
  • the present invention is not limited to this.
  • the transistor 500 can be configured to have a single layer of oxide 530b or a laminated structure of three or more layers.
  • each of the oxide 530a and the oxide 530b may have a laminated structure.
  • the region 530bc is provided in the region between the conductor 542a and the conductor 542b.
  • the region 530ba is provided so as to be superimposed on the conductor 542a
  • the region 530bb is provided so as to be superimposed on the conductor 542b.
  • the region 530ba and the region 530bab that function as a source region or a drain region have a large amount of oxygen deficiency (VO) or a high concentration of impurities such as hydrogen, nitrogen, and metal elements, so that the carrier concentration increases and the resistance is low. It is an area that has become. That is, the region 530ba and the region 530bb are n-type regions having a high carrier concentration and low resistance as compared with the region 530bc.
  • VO oxygen deficiency
  • impurities such as hydrogen, nitrogen, and metal elements
  • the carrier concentration of the region 530 bc that functions as a channel forming region is preferably 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less, more preferably less than 1 ⁇ 10 17 cm -3 , and 1 ⁇ 10 16 cm. It is more preferably less than -3 , still more preferably less than 1 ⁇ 10 13 cm -3 , and even more preferably less than 1 ⁇ 10 12 cm -3 .
  • the lower limit of the carrier concentration of the region 530 bc that functions as the channel forming region is not particularly limited, but may be, for example, 1 ⁇ 10 -9 cm -3 .
  • FIG. 15A shows an example in which the region 530ba, the region 530bb, and the region 530bc are formed on the oxide 530b, but the present invention is not limited thereto.
  • each of the above regions may be formed not only with the oxide 530b but also with the oxide 530a.
  • the concentrations of the metal elements detected in each region and the impurity elements such as hydrogen and nitrogen are not limited to the stepwise changes in each region, but may be continuously changed in each region. That is, the closer the region is to the channel formation region, the lower the concentration of the metal element and the impurity elements such as hydrogen and nitrogen is sufficient.
  • the metal oxide that functions as a semiconductor it is preferable to use a metal oxide having a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. As described above, by using a metal oxide having a large bandgap, the off-current of the transistor can be reduced.
  • the oxide 530a under the oxide 530b By arranging the oxide 530a under the oxide 530b in this way, it is possible to suppress the diffusion of impurities and oxygen from the structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b. ..
  • the oxide 530a and the oxide 530b have a common element (main component) other than oxygen, the defect level density at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b can be lowered. Since the defect level density at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b can be lowered, the influence of the interfacial scattering on the carrier conduction is small, and a high on-current can be obtained.
  • CAAC-OS is a metal oxide having a highly crystalline and dense structure and having few impurities and defects (for example, oxygen deficiency (VO, etc.). Especially after the formation of the metal oxide. By heat-treating at a temperature such that the metal oxide does not polycrystallize (for example, 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower), CAAC-OS can be made into a more crystalline and dense structure. Therefore, by increasing the density of CAAC-OS, the diffusion of impurities or oxygen in the CAAC-OS can be further reduced.
  • VO oxygen deficiency
  • the conductor 503 is arranged so as to overlap the oxide 530 and the conductor 560.
  • the conductor 503 is embedded in the opening formed in the insulator 516.
  • a part of the conductor 503 may be embedded in the insulator 514.
  • the conductor 503 has a conductor 503a and a conductor 503b.
  • the conductor 503a is provided in contact with the bottom surface and the side wall of the opening.
  • the conductor 503b is provided so as to be embedded in the recess formed in the conductor 503a.
  • the height of the upper part of the conductor 503b roughly coincides with the height of the upper part of the conductor 503a and the height of the upper part of the insulator 516.
  • the transistor having an S-channel structure represents the structure of a transistor that electrically surrounds the channel formation region by the electric fields of one and the other of the pair of gate electrodes.
  • the S-channel structure disclosed in the present specification and the like is different from the Fin type structure and the planar type structure.
  • the oxygen deficiency in the oxide 530 can be repaired by the supplied oxygen, in other words, the reaction "VO + O ⁇ null" can be promoted. .. Further, the oxygen supplied to the hydrogen remaining in the oxide 530 reacts with the hydrogen, so that the hydrogen can be removed (dehydrated) as H2O . As a result, it is possible to suppress the hydrogen remaining in the oxide 530 from recombination with the oxygen deficiency to form VOH.
  • the ALD method utilizes the characteristics of atoms, which are self-regulating properties, and can deposit atoms layer by layer, so ultra-thin film formation is possible, film formation into structures with a high aspect ratio is possible, pinholes, etc. It has the effects of being able to form a film with few defects, being able to form a film with excellent coverage, and being able to form a film at a low temperature. Therefore, the insulator 552 can be formed on the side surface of the opening formed in the insulator 580 or the like with good coverage and with a thin film thickness as described above.
  • the insulator 554 may further have a barrier property against oxygen. As a result, oxygen contained in the insulator 550 can be suppressed from diffusing into the conductor 560.
  • the film thickness of the insulator 554 is preferably thinner than the film thickness of the insulator 550.
  • the insulator 554 may have a region having a film thickness thinner than that of the insulator 550, at least in part.
  • the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 560b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 550 and the conductivity from being lowered.
  • the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.
  • the first insulator in contact with the inner wall of the opening such as the insulator 580 and the second insulator inside the insulator are against oxygen. It is preferable to use a barrier insulating film in combination with a barrier insulating film against hydrogen.
  • the same material as the insulator 320 can be used. Further, by applying a material having a relatively low dielectric constant to these insulators, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used as the insulator 586.
  • the capacity 600 has, for example, a conductor 610, a conductor 620, and an insulator 630.
  • the conductor 612 and the conductor 610 may be formed at the same time.
  • the conductor 612 and the conductor 610 have a single-layer structure, but the structure is not limited to this, and a laminated structure of two or more layers may be used.
  • a conductor having a barrier property and a conductor having a high adhesion to the conductor having a high conductivity may be formed between the conductor having the barrier property and the conductor having a high conductivity.
  • An insulator 650 is provided on the insulator 640.
  • the insulator 650 can be provided by using the same material as the insulator 320. Further, the insulator 650 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 650. Therefore, the insulator 650 can be, for example, a material applicable to the insulator 324.
  • the insulator 411 and the insulator 414 for example, it is preferable to use an insulator having a barrier property against impurities such as water and hydrogen, similarly to the insulator 324 and the like. Therefore, as the insulator 411 and the insulator 414, for example, a material applicable to the insulator 324 and the like can be used.
  • insulator 520a for example, a dielectric material capable of having ferroelectricity can be used. Further, as the insulator 520b and the insulator 520c, for example, silicon oxide or the like can be used.
  • Each configuration of the transistor and the ferroelectric capacitor shown in FIGS. 17A to 17C can be applied to, for example, the transistors FM1 to FM3 described in the first embodiment.
  • a conductor 562 is provided in contact with the upper part of the insulator 561.
  • the conductor 562 can be provided, for example, by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the transistor shown in FIG. 19A has insulation in the openings provided in the insulator 544, the insulator 571b, the insulator 580, the insulator 574, the insulator 576, and the insulator 581 in the region superimposed on the conductor 542b.
  • a body 602 is provided. Specifically, in the opening, an insulator 541b is provided on the side surface of the opening, and a conductor 540b is provided on the insulator 541b and on the conductor 542b which is the bottom of the opening.
  • An insulator 602 is provided in a part of the region of the insulator 581 and on the conductor 540b, and a conductor 613 is provided on the insulator 602 so as to fill the remaining opening.
  • a ferroelectric capacitor can be provided between the conductor 560 functioning as the first gate electrode and the oxide 530.
  • the transistor of FIG. 19B can be a FeFET in which a dielectric material capable of having ferroelectricity is provided in a part of the first gate insulator.
  • An insulator 601 is provided in contact with the conductor 540c and the upper part of the conductor 540d.
  • a dielectric material having a ferroelectricity which can be applied to the insulator 520 of FIG. 17A, can be used.
  • a ferroelectric capacitor can be provided between the conductors 540c and 540d that function as plugs and the conductor 611.
  • the number of plugs in contact with the insulator 601 is two (conductor 540c and conductor 540d), but the number of the plugs may be one or three or more. good.
  • FIG. 20A an example in which two openings having a conductor as a plug are provided in the region superimposed on the insulator 601 is shown, but the opening provided in the region superimposed on the insulator 601 is 1. It may be one, or three or more.
  • the insulator 631 may have a laminated structure of two or more layers, similar to the insulator 520 shown in FIGS. 17B and 17C.
  • CAAC-OS is an oxide semiconductor having a plurality of crystal regions, the plurality of crystal regions having the c-axis oriented in a specific direction.
  • the specific direction is the thickness direction of the CAAC-OS film, the normal direction of the surface to be formed of the CAAC-OS film, or the normal direction of the surface of the CAAC-OS film.
  • the crystal region is a region having periodicity in the atomic arrangement. When the atomic arrangement is regarded as a lattice arrangement, the crystal region is also a region in which the lattice arrangement is aligned. Further, the CAAC-OS has a region in which a plurality of crystal regions are connected in the ab plane direction, and the region may have distortion.
  • the position of the peak indicating the c-axis orientation may vary depending on the type and composition of the metal elements constituting CAAC-OS.
  • electron diffraction also referred to as nanobeam electron diffraction
  • an electron beam having a probe diameter for example, 1 nm or more and 30 nm or less
  • An electron diffraction pattern in which a plurality of spots are observed in a ring-shaped region centered on a direct spot may be acquired.
  • the CAC-OS has a structure in which the material is separated into a first region and a second region to form a mosaic, and the first region is distributed in the film (hereinafter, also referred to as a cloud shape). It is said.). That is, the CAC-OS is a composite metal oxide having a structure in which the first region and the second region are mixed.
  • the concentrations of silicon and carbon in the oxide semiconductor and the concentrations of silicon and carbon near the interface with the oxide semiconductor are 2 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • the nitrogen concentration in the oxide semiconductor obtained by SIMS is less than 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, and more preferably 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less. , More preferably 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • the chip can be integrated, so that the control circuit is occupied in the mobile terminal and various other electronic devices. Since the volume can be reduced, the size of the electronic device can be reduced. Further, by downsizing the control circuit, the volume occupied by the secondary battery can be increased. As a result, the duration of the storage battery can be extended. In addition, power consumption may be reduced by downsizing the control circuit.
  • the integrated circuit 1223 may have one or both of an A / D (analog / digital) conversion circuit and a D / A (digital / analog) conversion circuit.
  • the battery element in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are wound is sandwiched between a pair of insulating plates 808 and 809 facing each other. Further, a non-aqueous electrolytic solution (not shown) is injected into the inside of the battery can 802 provided with the battery element.
  • the non-aqueous electrolyte solution the same one as that of a coin-type secondary battery can be used.
  • the winding body 950a and the electrolytic solution are covered with the housing 930 to form the secondary battery 913.
  • the housing 930 is provided with a safety valve, an overcurrent protection element, or the like.
  • FIG. 25A is a diagram showing the appearance of the secondary battery pack 531.
  • FIG. 25B is a diagram illustrating the configuration of the secondary battery pack 531.
  • the secondary battery pack 531 includes a circuit board 501 and a secondary battery 513. A label 509 is affixed to the secondary battery 513.
  • the circuit board 501 is fixed by the seal 515. Further, the secondary battery pack 531 has an antenna 517.
  • a part of the display unit 9631 can be used as a touch panel area, and data can be input by touching the displayed operation keys. Further, the keyboard button can be displayed on the display unit 9631 by touching the position where the keyboard display switching button on the touch panel is displayed with a finger, a stylus, or the like.
  • the voice input device 8005 has wheels, mechanical transportation means, etc., moves in a direction in which the user's utterance can be heard, accurately listens to commands with a built-in microphone, and displays the contents thereof. It is configured so that it can be displayed on 8008 or the touch input operation of the display unit 8008 can be performed.
  • the voice input device 8005 may be placed on the table. Further, the voice input device 8005 may be moved to a desired position by providing wheels, mechanical moving means, or the like, or the voice input device 8005 may be moved to a desired position, for example, on the floor without providing a table, wheels, or the like. It may be fixed to.
  • secondary batteries can be installed in any electronic device. According to one aspect of the present invention, the cycle characteristics of the secondary battery are improved. Therefore, by mounting a microprocessor (including APS) that controls charging, which is one aspect of the present invention, in the electronic device described in the present embodiment, it is possible to obtain an electronic device having a longer life.
  • a microprocessor including APS
  • This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.
  • FIG. 31A shows an example of a mobile phone.
  • the mobile phone 2100 includes an operation button 2103, an external connection port 2104, a speaker 2105, a microphone 2106, and the like, in addition to the display unit 2102 incorporated in the housing 2101.
  • the mobile phone 2100 has a power storage device 2107.
  • the mobile phone 2100 is provided with an external connection port 2104, and data can be directly exchanged with another information terminal via a connector. It can also be charged via the external connection port 2104. The charging operation may be performed by wireless power supply without going through the external connection port 2104.
  • Electrode and “wiring” do not functionally limit these components.
  • an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa.
  • the terms such as “electrode” and “wiring” include the case where a plurality of “electrodes”, “wiring” and the like are integrally formed.

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Abstract

新規な構成の二次電池の制御回路を提供すること。 第１トランジスタと、第１電圧を生成する第１電圧生成回路と、第２電圧を生成する第２電圧生成回路と、を有する。第１電圧生成回路は、第２トランジスタおよび第１容量を有する。第２電圧生成回路は、第３トランジスタおよび第２容量を有する。第１電圧と、第２電圧と、の差は、第１トランジスタのしきい値電圧に応じて設定される。第１トランジスタがバックゲートを有する場合、バックゲートの電圧を保持する機能を有する電圧保持回路を有する。電圧保持回路は、第４トランジスタおよび第３容量を有する。第３容量は、一対の電極の間に強誘電体層を有する。第３容量は、強誘電体層を分極反転させる電圧が印加されることで、バックゲートに印加する電圧を保持する。

Description

二次電池の制御回路および電子機器
　本発明の一態様は、二次電池の制御回路等に関する。
　なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、撮像装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、表示システム、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。なお半導体装置とは、半導体特性を利用する装置全般を指すものであり、二次電池の制御回路は半導体装置である。
　二次電池（バッテリ、蓄電装置ともいう）は、小型の電子機器から自動車に至るまで幅広い分野で利用されるようになっている。
　二次電池は、過放電、過充電、過電流、または短絡といった充放電時の異常を防止するため、充放電管理のための制御回路を備えている。制御回路は、二次電池の充放電を管理するため、電圧や電流等のデータを取得する。制御回路は、観測されるデータに基づいて、充放電の制御を行う。
　特許文献１は、二次電池の制御回路として機能する保護監視回路について開示している。特許文献１に記載の保護監視回路では、内部に複数のコンパレータ（比較器）を設け、参照電圧と、二次電池が接続された端子の電圧と、を比較して充放電時の異常を検出する構成について開示している。
　また特許文献２では、二次電池の自然放電による二次電池の減少を補うためのトリクル充電を行う制御装置について開示している。特許文献２の制御装置では、上限電圧と下限電圧を設定し、設定した電圧範囲で充電状態と遮断常態とを繰り返す制御を行う構成について開示している。
米国特許出願公開第２０１１／２６７７２６号明細書 特開２０１７−１７５６８８号公報
　二次電池の自然放電量は、使用時の温度、経年劣化などによって異なる。例えば、高温環境下では、自然放電量が多くなる。そのため、制御回路で設定する上限電圧と下限電圧は、二次電池の環境に応じて切り替える必要がある。この場合、上限電圧と下限電圧を設定する複数の電圧が必要になる。複数の電圧は、抵抗分割で所望の電圧を生成する定電圧生成回路で生成される。生成された電圧は上限電圧および下限電圧として設定され、二次電池の電圧と比較される。複数の電圧と、二次電池の電圧と、の比較には、複数のコンパレータ（比較回路）が必要になる。複数の電圧を生成する定電圧生成回路と、複数のコンパレータと、を有する制御回路の構成の場合、消費電力の増大を招く虞がある。
　本発明の一態様は、新規な二次電池の制御回路等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力の低減を図ることができる、新規な構成の二次電池の制御回路等を提供することを課題の一とする。
　なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した課題、及び／又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。
　本発明の一態様は、第１トランジスタと、第１電圧を生成する第１電圧生成回路と、第２電圧を生成する第２電圧生成回路と、を有し、第１電圧生成回路は、第２トランジスタおよび第１容量を有し、第２電圧生成回路は、第３トランジスタおよび第２容量を有し、第１電圧と、第２電圧と、の差は、第１トランジスタのしきい値電圧に応じて設定される、二次電池の制御回路である。
　本発明の一態様は、第１トランジスタと、第１電圧を生成する第１電圧生成回路と、第２電圧を生成する第２電圧生成回路と、電圧保持回路と、を有し、第１電圧生成回路は、第２トランジスタおよび第１容量を有し、第２電圧生成回路は、第３トランジスタおよび第２容量を有し、第１トランジスタは、バックゲートを有し、電圧保持回路は、バックゲートの電圧を保持する機能を有し、第１電圧と、第２電圧と、の差は、第１トランジスタのしきい値電圧に応じて設定される、二次電池の制御回路である。
　本発明の一態様において、電圧保持回路は、第４トランジスタおよび第３容量を有し、第３容量は、一対の電極の間に強誘電体層を有し、第３容量は、強誘電体層を分極反転させる電圧が印加されることで、バックゲートに印加する電圧を保持する、二次電池の制御回路が好ましい。
　本発明の一態様において、強誘電体層は、酸化ハフニウムおよび／または酸化ジルコニウムを有する、二次電池の制御回路が好ましい。
　本発明の一態様において、第１トランジスタ乃至第３トランジスタは、チャネルに酸化物半導体を有するトランジスタである、二次電池の制御回路である。
　本発明の一態様において、第１トランジスタ乃至第３トランジスタは、チャネルにシリコンを有するトランジスタである、二次電池の制御回路である。
　本発明の一態様は、上記記載の二次電池の制御回路と、二次電池と、筐体と、を有する電気機器である。
　なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、及び図面に記載されている。
　本発明の一態様は、新規な二次電池の制御回路等を提供することができる。または、本発明の一態様は、消費電力の低減を図ることができる、新規な構成の二次電池の制御回路等を提供することができる。
　なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び／又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
図１Ａ、図１Ｂは、半導体装置の構成例を示す図である。
図２Ａ、図２Ｂは、半導体装置の構成例を示す図である。
図３は、半導体装置の構成例を示す図である。
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、半導体装置の構成例を示す図である。
図５は、強誘電体のヒステリシス特性を示す図である。
図６Ａ、図６Ｂは、半導体装置の構成例を示す図である。
図７Ａ、図７Ｂは、半導体装置の構成例を示す図である。
図８Ａ、図８Ｂは、二次電池の制御回路の構成例を説明する図である。
図９は、二次電池の制御回路の構成例を説明する図である。
図１０は、二次電池の制御回路の構成例を説明する図である。
図１１Ａ、図１１Ｂは、二次電池の制御回路の構成例を説明する図である。
図１２は、半導体装置の構成例を示す断面模式図である。
図１３Ａ乃至図１３Ｃは、トランジスタの構成例を示す断面模式図である。
図１４は、半導体装置の構成例を示す断面模式図である。
図１５Ａ、及び図１５Ｂは、トランジスタの構成例を示す断面模式図である。
図１６は、トランジスタの構成例を示す断面模式図である。
図１７Ａ乃至図１７Ｃは、トランジスタの構成例を示す断面模式図である。
図１８は、トランジスタの構成例を示す断面模式図である。
図１９Ａ、及び図１９Ｂは、トランジスタの構成例を示す断面模式図である。
図２０Ａ、及び図２０Ｂは、トランジスタの構成例を示す断面模式図である。
図２１ＡはＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図であり、図２１Ｂは結晶性ＩＧＺＯのＸＲＤスペクトルを説明する図であり、図２１Ｃは結晶性ＩＧＺＯの極微電子線回折パターンを説明する図である。
図２２は電子部品の一例を示す図である。
図２３Ａ、図２３Ｂ、図２３Ｃ、図２３Ｄは二次電池の例を説明する図である。
図２４Ａ、図２４Ｂ、図２４Ｃは二次電池の例を説明する図である。
図２５Ａ、図２５Ｂ、図２５Ｃは二次電池の例を説明する図である。
図２６Ａ、図２６Ｂ、図２６Ｃは本発明の一態様の電気機器を説明する図である。
図２７Ａ、図２７Ｂは本発明の一態様の電気機器を説明する図である。
図２８Ａ、図２８Ｂ、図２８Ｃは本発明の一態様の電気機器を説明する図である。
図２９は本発明の一態様の電気機器を説明する図である。
図３０Ａ、図３０Ｂ、図３０Ｃ、図３０Ｄ、図３０Ｅは、電子機器を示す図である。
図３１Ａ、図３１Ｂ、図３１Ｃ、図３１Ｄは電子機器を説明する図である。
図３２Ａ、図３２Ｂはシステムを説明する図である。
　以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
　なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
　なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
　本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ又は単にＯＳともいう）等に分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体という場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも１つを有するトランジスタのチャネル形成領域を構成し得る場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ということができる。また、ＯＳ　ＦＥＴ、又はＯＳトランジスタと記載する場合においては、金属酸化物又は酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
（実施の形態１）
　二次電池の制御回路の構成について、図１乃至図９を参照して説明する。
　図１Ａには、二次電池の制御回路が有する半導体装置１００の構成を示す。半導体装置１００は、二次電池の制御回路に用いることができる回路である。半導体装置１００は、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、トランジスタＭ３、容量Ｃ１、および容量Ｃ２を有する。半導体装置１００は、入力電圧ＶＩＮが与えられ、出力電圧ＶＯＵＴ１および出力電圧ＶＯＵＴ２を出力する機能を有する。
　トランジスタＭ１のゲートおよびソースおよびドレインの一方、並びにトランジスタＭ２のソース及びドレインの一方には、入力電圧ＶＩＮが与えられる。トランジスタＭ２のゲートおよびトランジスタＭ３のゲートには、選択信号Ｓが与えられる。トランジスタＭ１のソースおよびドレインの他方は、トランジスタＭ３のソースおよびドレインの一方に接続される。トランジスタＭ２のソースおよびドレインの他方は、容量Ｃ１に接続され、出力電圧ＶＯＵＴ１を与える。トランジスタＭ３のソースおよびドレインの他方は、容量Ｃ２に接続され、出力電圧ＶＯＵＴ２を与える。
　トランジスタＭ１のバックゲートには、バックゲート電位ＢＧ１が与えられる。トランジスタＭ２のバックゲートには、バックゲート電位ＢＧ２が与えられる。トランジスタＭ３のバックゲートには、バックゲート電位ＢＧ３が与えられる。バックゲート電位ＢＧ１は、トランジスタＭ１のしきい値電圧（ＶＴＨ）を制御するための電位である。バックゲート電位ＢＧ２、ＢＧ３は、容量Ｃ１および容量Ｃ２に保持される電荷が保持されるよう、トランジスタＭ２、Ｍ３をオフにした際に流れるリーク電流（オフ電流）を制御するための電位である。選択信号Ｓは、トランジスタＭ２、Ｍ３をスイッチとして動作させる際の、オンまたはオフを切り替えるための信号である。
　出力電圧ＶＯＵＴ１は、入力電圧ＶＩＮをＶ１とすると、Ｖ１である。また出力電圧ＶＯＵＴ２は、トランジスタＭ１のしきい値電圧ＶＴＨ分低下した、Ｖ１−ＶＴＨである。つまり半導体装置１００は、入力される電圧Ｖ１と、トランジスタＭ１のしきい値電圧ＶＴＨ分低下したＶ１−ＶＴＨと、を生成する機能を有する。
　本発明の一態様において、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３は、オフにすることで、生成された電圧を保持する構成となる。トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３は、チャネル形成領域がシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタという）、および／またはチャネル形成領域が酸化物半導体を有するトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタという）を用いることができる。特にトランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３は、ＯＳトランジスタで構成されることが好ましい。
　なおＳｉトランジスタのチャネル形成領域に用いるシリコンとしては、例えば、非晶質シリコン（水素化アモルファスシリコンと呼ぶ場合がある）、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどとすることができる。また、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３としては、ＯＳトランジスタ及びＳｉトランジスタ以外では、Ｇｅなどがチャネル形成領域に含まれているトランジスタ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＳｉＧｅなどの化合物半導体がチャネル形成領域に含まれているトランジスタ、カーボンナノチューブがチャネル形成領域に含まれているトランジスタ、有機半導体がチャネル形成領域に含まれているトランジスタ等を用いることができる。
　本発明の一態様の構成では、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３としてＯＳトランジスタを用いる構成とすることで、オフ電流が極めて低いことを利用して、出力電圧ＶＯＵＴ１、出力電圧ＶＯＵＴ２に応じた電荷を容量Ｃ１、およびＣ２に保持させることができる。
　またＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタを用いた回路上などに積層することで自由に配置可能であるため、集積化を容易に行うことができる。シリコンとしては、例えば、非晶質シリコン（水素化アモルファスシリコンという場合がある）、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコン等を用いることができる。またＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタと同様の製造装置を用いて作製することが可能であるため、低コストで作製可能である。
　またＯＳトランジスタは、高温環境下において、Ｓｉトランジスタよりも優れた電気特性を有する。具体的には、１００℃以上２００℃以下、好ましくは１２５℃以上１５０℃以下といった高温下においてもオン電流とオフ電流の比が大きいため、良好なスイッチング動作を行うことができる。
　図１Ｂでは、二次電池の制御回路が有する半導体装置１００の動作を説明する図を示す。なお図１Ｂの説明では、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３がｎチャネル型トランジスタ、つまり信号がＨレベルでオン、Ｌレベルでオフ、であるとして説明する。図１Ｂでは、入力電圧ＶＩＮ、選択信号Ｓ、出力電圧ＶＯＵＴ１、および出力電圧ＶＯＵＴ２の様子を図示している。
　時刻Ｐ０で入力電圧ＶＩＮを電圧Ｖ１とすると、トランジスタＭ１に電流が流れる。トランジスタＭ１とトランジスタＭ３との間のノード（図１ＡのノードＮ１）は、電圧Ｖ１からトランジスタＭ１のしきい値電圧（ＶＴＨ）分低下した電位であるＶ１−ＶＴＨとなる。
　時刻Ｐ１で選択信号をＨレベルとすると、トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３に電流が流れる、つまりオン状態となる。容量Ｃ１および容量Ｃ２が充電されることで、出力電圧ＶＯＵＴ１がＶ１、出力電圧ＶＯＵＴ２がＶ１−ＶＴＨとなる。半導体装置１００は、入力電圧ＶＩＮの電圧と、トランジスタＭ１のしきい値電圧分（ＶＴＨ）低下した電圧と、を出力する構成とすることができる。つまり半導体装置１００におけるトランジスタＭ２および容量Ｃ１、並びにトランジスタＭ１、Ｍ３および容量Ｃ２はそれぞれ、別々の電圧を生成する定電圧生成回路として機能させることができる。なお対となる２つの定電圧生成回路（定電圧生成回路対）における電圧の差が、トランジスタＭ１のしきい値電圧となるため、トランジスタＭ１のしきい値電圧を調整することで定電圧生成回路対が出力する電圧を調整することができる。
　また半導体装置１００では、バックゲート電位ＢＧ２とバックゲート電位ＢＧ３とを別々の端子から与える構成として図示しているが他の構成としてもよい。例えば図２Ａに半導体装置１００Ａとして図示するように、トランジスタＭ２のバックゲートおよびトランジスタＭ３のバックゲートに、共通の電位としてバックゲート電位ＢＧ２を与える構成としてもよい。当該構成とすることでバックゲート電位を与えるための配線を短くすることができる。
　図１Ａおよび図１Ｂで説明した出力電圧ＶＯＵＴ１および出力電圧ＶＯＵＴ２は、リチウムイオン電池等の二次電池の過充電、過放電などを防止するための制御回路に用いることができる。二次電池の制御回路では、二次電池の電圧が所望の電圧を超えた場合、あるいは、所望の電圧を下回った場合に、二次電池と負荷（例えば携帯端末等の電子機器）、または二次電池と充電器、の間を電気的に遮断する信号を生成する機能を有する。出力電圧ＶＯＵＴ１および出力電圧ＶＯＵＴ２は、二次電池の過充電、過放電などを判定するための上限電圧および下限電圧として用いることができる。
　当該構成とすることで、上限電圧、下限電圧などの参照電圧として所望の電圧を生成する定電圧生成回路の構成を小型化することができる。定電圧生成回路として、レギュレータ、デジタルアナログ変換回路（ＤＡＣ）などで生成した電圧を抵抗分割することにより所望の電圧を生成する構成の場合、消費電力の増大を招く場合がある。特に、温度変化などに応じて複数の上限電圧、下限電圧などの参照電圧が必要な場合、複数の所望の電圧を生成する定電圧生成回路が必要となるが、本発明の一態様の構成では、トランジスタのしきい値電圧を上限電圧と下限電圧の差に対応させ、生成した出力電圧ＶＯＵＴ１および出力電圧ＶＯＵＴ２を容量に保持することができるため、ＤＡＣなどの電圧を生成する回路を間欠的に動作させる構成とすることができる。
　また本発明の一態様により、上限電圧と下限電圧の組合せを複数生成することができる。過充電を防止するため、二次電池の電圧が過充電の上限電圧を超えた場合に充電を停止し、過充電の下限電圧を下回った場合に、次の充電を許可する、といった動作のための電圧を入力電圧とトランジスタのしきい値電圧とによって切り替えることができるため、充電のオンまたはオフを最適化することができ、二次電池の負担を軽減できる。同様に、放電のオンまたはオフを最適化することができ、二次電池の負担を軽減できる。
　また半導体装置１００では、トランジスタＭ１として機能するトランジスタを１つ有する構成として図示しているが他の構成としてもよい。例えば図２Ｂに半導体装置１００Ｂとして図示するように、トランジスタＭ１として機能するトランジスタＭ１ＡおよびトランジスタＭ１Ｂとする構成でもよい。当該構成とすることで、半導体装置１００Ｂは、入力電圧ＶＩＮの電圧と、トランジスタＭ１ＡおよびＭ１Ｂの２つのしきい値電圧分（２ＶＴＨ）低下した電圧と、を出力する構成とすることができる。つまり定電圧生成回路として機能する半導体装置１００Ｂの出力電圧として、出力電圧ＶＯＵＴ１がＶ１、出力電圧ＶＯＵＴ２がＶ１−２ＶＴＨとすることができる。
　半導体装置１００を所望の電圧を生成する定電圧生成回路として機能させる場合、出力電圧ＶＯＵＴ１と出力電圧ＶＯＵＴ２との差に相当するトランジスタＭ１のしきい値電圧ＶＴＨを制御する構成が好ましい。一例として、図３に図示する半導体装置１００Ｃにおいて、電圧保持回路ＶＣは、トランジスタＭ１のバックゲート電位ＢＧ１の保持および制御を行う機能を有する。
　トランジスタＭ１のバックゲート電位ＢＧ１の保持および制御を行う電圧保持回路ＶＣを設ける構成とすることで、バックゲート電位ＢＧ１を生成する電圧生成回路を間欠的に動作させる構成とすることができる。そのため、半導体装置を備える二次電池の制御回路における消費電力を低減することができる。またトランジスタＭ１のバックゲート電位ＢＧ１を調整する構成とすることで、トランジスタＭ１のしきい値電圧ＶＴＨを調整することができる。そのため、出力電圧ＶＯＵＴ２として生成されるＶ１−ＶＴＨを調整することができる。
　図３に示す電圧保持回路ＶＣの構成例について図４Ａ乃至図４Ｃおよび図５を用いて説明する。
　図４Ａに図示する電圧保持回路ＶＣは、電圧生成回路ＶＧＥＮ、トランジスタＭ４、および容量Ｃ３を有する。トランジスタＭ４のゲートには、スイッチとして機能するトランジスタＭ４のオンまたはオフを制御する信号ＳＣが与えられる。トランジスタＭ４のソースおよびドレインの一方は、電圧生成回路ＶＧＥＮに接続される。トランジスタＭ４のソースおよびドレインの他方は、トランジスタＭ１のバックゲートに接続される。容量Ｃ３は、トランジスタＭ１のバックゲートに与えるバックゲート電位ＢＧ１を保持するために設けられる。
　トランジスタＭ４は、ＯＳトランジスタであることが好ましい。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いる構成とすることで、オフ電流が極めて低いことを利用して、バックゲート電位ＢＧ１に応じた電荷を容量Ｃ３に保持させることができる。またバックゲート電位ＢＧ１に応じた電荷を容量Ｃ３に保持することで、電圧生成回路ＶＧＥＮへの電源の供給を間欠的に行う構成とすることができるため、低消費電力化を図ることができる。
　またＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタで構成される回路上に設けることができる。Ｓｉトランジスタで電圧生成回路ＶＧＥＮを構成し、その上にトランジスタＭ４および容量Ｃ３を設ける構成とすることができる。それにより、電圧保持回路ＶＣを小型化することができる。
　また図４Ａに図示する容量Ｃ３は、一対の電極の間に強誘電体層を有する構成とすることが好ましい。強誘電体層を有する容量は、分極反転させる電圧が印加されることでバックゲートに印加する電圧を保持することができる。また強誘電体層を有する容量は、容量値を大きくすることができるため、蓄積できる電荷量が大きくすることができる。よって、容量Ｃ３からの電荷のリークに伴う電位の変動を小さくすることができる。電圧生成回路ＶＧＥＮから与えられたバックゲート電位ＢＧ１は、長期間保持することができる。そのため、電圧生成回路ＶＧＥＮへの電源の供給を間欠的に停止する期間を延ばし、低消費電力化を図ることができる。
　図４Ａに図示する容量Ｃ３を、強誘電体層を有する容量ＦＣ３とした構成について、図４Ｂに図示する。図４Ｂに図示する容量ＦＣ３は、強誘電体層を有するシンボルとして図示している。
　また図４Ａに図示するトランジスタＭ４は、ゲートとチャネル形成領域、あるいはバックゲートとチャネル形成領域との間に強誘電体層を有する構成とすることが好ましい。図４Ａに図示するトランジスタＭ４を、強誘電体層を有するトランジスタＦＭ４とした構成について、図４Ｃに図示する。図４Ｃに図示するトランジスタＦＭ４は、強誘電体層を有するシンボルとして図示している。
　容量ＦＣ３が有する強誘電体層は、一対の電極間に挟まれ、当該一致の電極と接する領域を有する。
　強誘電性を有しうる材料としては、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ＨｆＺｒＯＸ（Ｘは０よりも大きい実数とする）、酸化ハフニウムに元素Ｊ１（ここでの元素Ｊ１は、ジルコニウム（Ｚｒ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）など。）を添加した材料、酸化ジルコニウムに元素Ｊ２（ここでの元素Ｊ２は、ハフニウム（Ｈｆ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）など。）を添加した材料、などが挙げられる。また、強誘電性を有しうる材料として、ＰｂＴｉＯＸ、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、チタン酸バリウム、などのペロブスカイト構造を有する圧電性セラミックを用いてもよい。また、強誘電性を有しうる材料としては、例えば、上記に列挙した材料から選ばれた複数の材料、又は、上記に列挙した材料から選ばれた複数の材料からなる積層構造とすることができる。ところで、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ＨｆＺｒＯＸ、および酸化ハフニウムに元素Ｊ１を添加した材料などは、成膜条件だけでなく、各種プロセスなどによっても結晶構造（特性）が変わり得る可能性があるため、本明細書等では強誘電性を発現する材料を強誘電体と呼ぶだけでなく、強誘電性を有しうる材料または強誘電性を有せしめる材料とも呼んでいる。
　中でも強誘電体層に用いる材料として、酸化ハフニウム、あるいは酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムは、数ｎｍといった薄膜に加工しても強誘電性を有することができるため、好ましい。ここで、強誘電体層の膜厚は、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以下（代表的には２ｎｍ以上９ｎｍ以下）にすることができる。薄膜化することができる強誘電体層とすることで、微細化されたトランジスタと組み合わされた半導体装置とすることができる。
　強誘電体層は、絶縁体であって、外部から電場を与えることによって内部に分極が生じ、かつ当該電場をゼロにしても分極が残る性質（ヒステリシス特性）を有する。
　図５は、強誘電体層のヒステリシス特性を示すグラフである。図５において、横軸は強誘電体層に印加する電圧を示している。また、縦軸は強誘電体層の分極量を示している。図５に示すように、強誘電体層のヒステリシス特性は、曲線Ｒ１と、曲線Ｒ２と、により表すことができる。曲線Ｒ１と曲線Ｒ２の交点における電圧を、電圧ＶＰＩ１、及び電圧ＶＰＩ２とする。図５では、電圧ＶＰＩ１の値が負であり、電圧ＶＰＩ２の値が正である。
　強誘電体層に電圧ＶＰＩ１を印加した後に、強誘電体層に印加する電圧を高くしていくと、強誘電体層の分極量は、曲線Ｒ１に従って増加する。一方、強誘電体層に電圧ＶＰＩ２を印加した後に、強誘電体層に印加する電圧を低くしていくと、強誘電体層の分極量は、曲線Ｒ２に従って減少する。つまり、強誘電体層に電圧ＶＰＩ１、又は電圧ＶＰＩ２を印加すると、分極反転が発生する。電圧ＶＰＩ１及び電圧ＶＰＩ２は、分極反転電圧ということができる。
　図５では、分極量が正の場合は、正電荷が容量の一方の電極側に偏り、負電荷が容量の他方の電極側に偏っていることを示している。また、分極量が負の場合は、負電荷が一方の電極側に偏り、正電荷が他方の電極側に偏っていることを示している。強誘電体層を用いた容量とすることで、正又は負の分極量に応じた電位をバックゲート電位ＢＧ１として保持することができる。そのため、電圧生成回路ＶＧＥＮの動作頻度を低減し、電圧生成回路ＶＧＥＮにおける消費電力を低減することができる。
　図１Ａで説明した容量Ｃ１および容量Ｃ２は、図４Ｂで説明した強誘電体層を有する容量とする構成としてもよい。例えば図６Ａに半導体装置１００Ｄとして図示するように、強誘電体層を有する容量として容量ＦＣ１および容量ＦＣ２を有する構成とすることができる。当該構成とすることで、容量の容量値を大きくすることができるため、出力電圧ＶＯＵＴ１および出力電圧ＶＯＵＴ２に応じた電荷を保持しやすくすることができる。
　図１Ａで説明したトランジスタＭ２およびトランジスタＭ３は、図４Ｃで説明した強誘電体層を有するトランジスタとする構成としてもよい。例えば図６Ｂに半導体装置１００Ｅとして図示するように、強誘電体層を有するトランジスタとしてトランジスタＦＭ２およびトランジスタＦＭ３を有する構成とすることができる。当該構成とすることで、しきい値電圧などのトランジスタ特性を制御することができるため、出力電圧ＶＯＵＴ１および出力電圧ＶＯＵＴ２に応じた電荷を保持しやすくすることができる。
　図６Ａの半導体装置１００Ｄにおける、半導体装置１００と異なる動作について図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。図７Ａに図示するように半導体装置１００Ｄでは、入力電圧ＶＩＮの電圧（Ｖ１）と、トランジスタＭ１のしきい値電圧分だけ低下した電圧（Ｖ１−ＶＴＨ）と、が選択信号Ｓによって容量ＦＣ１および容量ＦＣ２に与えられる。つまり、容量ＦＣ１および容量ＦＣ２には、異なる電圧が与えられる。
　強誘電体層を有する容量ＦＣ１および容量ＦＣ２は、電圧に応じてヒステリシス特性が異なる。具体的には高い電圧を与えると電圧が０になった際の分極が大きくなり、低い電圧を与えると高い電圧を与えた場合と比べて電圧が０になった際の分極が小さくなる。そのため、図７Ｂに図示するように電圧Ｖ１と、電圧Ｖ１−ＶＴＨと、の差に応じて、電圧が０になった際の分極の差（Δ）を保持することができる。この分極の差に応じて、容量ＦＣ１および容量ＦＣ２に保持する電荷量を異ならせることができるため、出力電圧ＶＯＵＴ１および出力電圧ＶＯＵＴ２として異なる値の電圧ＶＦＥ１および電圧ＶＦＥ２を出力することができる。
　図８Ａ、図８Ｂでは、上述した半導体装置１００、１００Ａ乃至１００Ｅを適用可能な二次電池の制御回路を説明する。図８Ａに示すブロック図では、二次電池１１０、制御回路１２０、負荷１３０、充電器１４０、およびパワートランジスタ１５０を図示している。また図８Ａでは、二次電池１１０の放電で負荷１３０に電流を流すためのスイッチ１３１、充電器１４０から二次電池１１０の充電のために電流を流すためのスイッチ１４１を図示している。また図８Ａでは、負荷１３０、充電器１４０の正極側にある端子をＶＤＤＤ、負極側にある端子をＶＳＳＳとして図示している。
　制御回路１２０は、過充電または過放電を防ぐため、パワートランジスタ１５０のオンまたはオフを制御する機能を有する。制御回路１２０は、電池制御回路、または電池保護回路という場合がある。制御回路１２０は、制御部１２１および定電圧生成部１２２を有する。上述した半導体装置１００、および１００Ａ乃至１００Ｅは、定電圧生成部１２２に用いることができる。
　定電圧生成部１２２は、複数の電圧として２つの電圧（電圧対）を出力することができる半導体装置１００、および１００Ａ乃至１００Ｅを有する。電圧対を出力する半導体装置を複数備えることで生成される電圧は、リチウムイオン電池等の二次電池の過充電、過放電などを防止するための参照電圧として用いることができる。特に電圧対として得られる電圧は、二次電池の過充電、過放電などを判定するための上限電圧および下限電圧として用いることができる。制御回路１２０は、得られた上限電圧および下限電圧と、二次電池の電圧と、を比較し、パワートランジスタ１５０を制御する。
　なお二次電池が複数の二次電池を用いた組電池である構成を図８Ｂに図示する。図８Ｂでは、二次電池１１０を有する組電池１１１の他、二次電池１１０を充電するための電流を検出する抵抗素子１５１、充電または放電を制御するパワートランジスタ１５０Ａ、１５０Ｂを図示している。図８Ｂに図示するように制御回路１２０は、二次電池１１０の電圧、電流などを検出する端子に接続される。制御回路１２０は、二次電池１１０の電圧、電流などを内部の比較回路、定電圧生成回路等のアナログ回路で処理することで二次電池１１０の状態を推定し、充放電を制御する素子に接続される端子を制御する。
　制御回路１２０が有する制御部１２１および定電圧生成部１２２の構成例について、図９および図１０を参照して説明する。
　図９は、制御回路１２０の構成例を説明するブロック図である。制御部１２１は、データ生成部１２３およびデジタルアナログ変換回路１２４を有する。データ生成部１２３は、参照電圧を生成するためのデータＤＩＮを生成する。データＤＩＮは、デジタルデータである。デジタルアナログ変換回路１２４は、データＤＩＮをアナログ値の電圧である入力電圧ＶＩＮに変換する機能を有する。
　定電圧生成部１２２は、一例として４つの半導体装置１００＿１乃至１００＿４を有する。半導体装置１００＿１乃至１００＿４としては、上述した半導体装置１００、および１００Ａ乃至１００Ｅが適用可能である。半導体装置１００＿１乃至１００＿４は、それぞれ選択信号Ｓ１乃至Ｓ４が与えられ、所望のタイミングで入力電圧ＶＩＮが与えられる。
　図１０に示すタイミングチャートの一例を参照して、図９の制御回路１２０の動作について説明する。
　時刻Ｔ１１において、データ生成部１２３からデジタルアナログ変換回路１２４にデータＤＩＮ＿１が入力され、入力電圧Ｖ１が生成される。期間Ｔ１２において、選択信号Ｓ１をＨレベルとすることで、半導体装置１００＿１は入力電圧Ｖ１を基にした出力電圧ＶＯＵＴ１と出力電圧ＶＯＵＴ２を生成する。出力電圧ＶＯＵＴ１は電圧Ｖ１となり、出力電圧ＶＯＵＴ１は半導体装置１００＿１が有するトランジスタＭ１のしきい値電圧ＶＴＨ分の差を有する電圧Ｖ１−ＶＴＨとなる。
　次いで時刻Ｔ２１において、データ生成部１２３からデジタルアナログ変換回路１２４にデータＤＩＮ＿２が入力され、入力電圧Ｖ２が生成される。期間Ｔ２２において、選択信号Ｓ２をＨレベルとすることで、半導体装置１００＿２は入力電圧Ｖ２を基にした出力電圧ＶＯＵＴ３と出力電圧ＶＯＵＴ４を生成する。出力電圧ＶＯＵＴ３は電圧Ｖ２となり、出力電圧ＶＯＵＴ４は半導体装置１００＿２が有するトランジスタＭ１のしきい値電圧ＶＴＨ分の差を有する電圧Ｖ２−ＶＴＨとなる。
　次いで時刻Ｔ３１において、データ生成部１２３からデジタルアナログ変換回路１２４にデータＤＩＮ＿３が入力され、入力電圧Ｖ３が生成される。期間Ｔ３２において、選択信号Ｓ３をＨレベルとすることで、半導体装置１００＿３は入力電圧Ｖ３を基にした出力電圧ＶＯＵＴ５と出力電圧ＶＯＵＴ６を生成する。出力電圧ＶＯＵＴ５は電圧Ｖ３となり、出力電圧ＶＯＵＴ６は半導体装置１００＿３が有するトランジスタＭ１のしきい値電圧ＶＴＨ分の差を有する電圧Ｖ３−ＶＴＨとなる。
　次いで時刻Ｔ４１において、データ生成部１２３からデジタルアナログ変換回路１２４にデータＤＩＮ＿４が入力され、入力電圧Ｖ４が生成される。期間Ｔ４２において、選択信号Ｓ４をＨレベルとすることで、半導体装置１００＿４は入力電圧Ｖ４を基にした出力電圧ＶＯＵＴ７と出力電圧ＶＯＵＴ８を生成する。出力電圧ＶＯＵＴ７は電圧Ｖ４となり、出力電圧ＶＯＵＴ８は半導体装置１００＿４が有するトランジスタＭ１のしきい値電圧ＶＴＨ分の差を有する電圧Ｖ４−ＶＴＨとなる。
　ここで半導体装置１００＿１乃至１００＿４に入力電圧Ｖ１乃至Ｖ４を供給した後、デジタルアナログ変換回路１２４は電源をオフにしても、半導体装置１００＿１乃至１００＿４は、出力電圧ＶＯＵＴ１と出力電圧ＶＯＵＴ２、出力電圧ＶＯＵＴ３と出力電圧ＶＯＵＴ４、出力電圧ＶＯＵＴ５と出力電圧ＶＯＵＴ６、出力電圧ＶＯＵＴ７と出力電圧ＶＯＵＴ８の参照電圧を生成することができる。つまり、消費電力を低減することができる。また一対の参照電圧は、入力電圧Ｖ１乃至Ｖ４を供給することで同時に設定することができる。つまり、参照電圧の設定を効率良く設定することができる。
　以上のような構成とすることで、制御回路における消費電力を低減し、比較用の電圧を容易に設定することができる二次電池の制御回路を提供することができる。
　各電圧対は、上述したように、例えばトリクル充電を行う場合の上限電圧および下限電圧として用いることができる。各電圧対は、異なる電圧となるよう半導体装置１００＿１乃至１００＿４に与える入力電圧ＶＩＮを異ならせておくことが好ましい。このようにすることで、出力電圧ＶＯＵＴ１と出力電圧ＶＯＵＴ２、出力電圧ＶＯＵＴ３と出力電圧ＶＯＵＴ４、出力電圧ＶＯＵＴ５と出力電圧ＶＯＵＴ６、出力電圧ＶＯＵＴ７と出力電圧ＶＯＵＴ８、を異なる電圧となるよう保持し、環境温度の変化に応じて、電圧対を切り替える構成とすることができる。
　図９および図１０の構成とすることで、過充電を防止するため、二次電池の電圧が過充電の上限電圧を超えた場合に充電を停止し、過充電の下限電圧を下回った場合に、次の充電を許可する、といった動作のための電圧を入力電圧とトランジスタのしきい値電圧とによって切り替えることができるため、充電のオンまたはオフを最適化することができ、二次電池の負担を軽減できる。同様に、放電のオンまたはオフを最適化することができ、二次電池の負担を軽減できる。
　二次電池の制御回路において、電圧の比較のための参照電圧を生成する構成は、図１乃至図１０の構成に限らない。参照電圧を生成するための回路の構成例について、図１１Ａ、図１１Ｂを参照して説明する。
　図１１Ａは、参照電圧と比較される電圧ＶＣＯＭＰと、参照電圧生成回路ＧＥＮで生成された参照電圧ＶＲＥＦと、が与えられ、比較結果に応じた電圧ＶＯＵＴを出力するコンパレータＣＯＭＰの回路図を示している。
　図１１Ａに示す回路図に示す参照電圧ＶＲＥＦは、比較時においてコンパレータＣＯＭＰに供給されればよい。そのため、参照電圧ＶＲＥＦを生成する参照電圧生成回路ＧＥＮは、電圧ＶＣＯＭＰの比較動作を行うタイミングで参照電圧ＶＲＥＦを生成し、その他の期間で動作を停止させることができる。そのため、参照電圧生成回路ＧＥＮの動作を定常的に行う必要がないため、低消費電力化を図る構成とすることができる。
　参照電圧生成回路ＧＥＮの構成例について、図１１Ｂに図示する。参照電圧生成回路ＧＥＮは、アナログ増幅回路ＡＢＵＦ、トランジスタＭ１１、容量ＣＦ１１、容量Ｃ１１、容量Ｃ１２、駆動回路ＤＲ、およびセンスアンプＳＥＮＣＥを有する。
　アナログ増幅回路ＡＢＵＦは、省略することができる。トランジスタＭ１１は、Ｓｉトランジスタである。トランジスタＭ１１は、ＯＳトランジスタでもよい。トランジスタＭ１１は、配線ＷＬによってオンまたはオフが制御される。
　容量ＣＦ１１は、一対の電極の間に強誘電体層を有する。強誘電体層を有する容量は、外部から電場を与えることによって内部に分極が生じ、かつ当該電場をゼロにしても分極が残る性質（ヒステリシス特性）を有する。したがって、容量ＣＦ１１は、電極を所定の電位にすることで、容量値を設定することができる。容量ＣＦ１１の容量値の設定は、トランジスタＭ１１をオンにし、電圧ＶＰＬと、駆動回路ＤＲが与える電圧と、によって行う。容量ＣＦ１１の容量値はＣＦＥと表す。
　容量ＣＦ１１は、設定される容量値をアナログ値として保持することができる。そのため、トランジスタＭ１１および容量ＣＦ１１で構成される素子は、アナログメモリとして用いることができる。なお、容量ＣＦ１１は、アナログ値を保持するアナログメモリとして説明するが、デジタル値を保持するデジタルメモリとする構成としてもよい。この場合、容量ＣＦ１１を複数設け、複数の容量ＣＦ１１の重みづけによるデジタルメモリとして用いる構成とすることができる。各デジタルメモリは、１または０のデータに応じた分極状態を保持することができる。またはデジタルメモリに保持したデータを基に、デジタルアナログ変換回路でアナログ値に変換する構成としてもよい。
　容量Ｃ１１およびＣ１２は、センスアンプＳＥＮＣＥの入力配線の容量に相当する。容量Ｃ１１およびＣ１２は、同じ容量となるよう設計することが好ましい。容量Ｃ１１およびＣ１２の容量値はＣＬと表す。センスアンプＳＥＮＣＥは、入力配線の電位差を増幅し、駆動回路ＤＲに与える。
　電圧ＶＣＯＭＰの比較動作を行うタイミングで生成される参照電圧ＶＲＥＦは、アナログ増幅回路ＡＢＵＦに接続された配線の電圧ＶＬに相当する。電圧ＶＬは、容量ＣＦ１１の容量値ＣＦＥ、容量Ｃ１１およびＣ１２の容量値ＣＬ、電圧ＶＰＬによって決まり、式（１）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 （１）
　式（１）から参照電圧生成回路ＧＥＮで生成される電圧は、容量ＣＦ１１に設定される容量値で決まる。そのため、電圧ＶＣＯＭＰの比較動作を行うタイミングで、電圧ＶＰＬを設定し、トランジスタＭ１１をオンにすることで、参照電圧ＶＲＥＦを生成することができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
　本実施の形態では、上記実施の形態で説明した二次電池の制御回路として機能する半導体装置に適用可能なトランジスタの構成例について説明する。一例として、異なる電気特性を有するトランジスタを積層して設ける構成を説明する。当該構成とすることで、半導体装置の設計自由度を高めることができる。また、異なる電気特性を有するトランジスタを積層して設けることで、半導体装置の集積度を高めることができる。
＜半導体装置の構成例＞
　図１２は、一例として、上記実施の形態で説明した半導体装置であって、当該半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ５００と、容量６００と、を有する。また、図１３Ａにはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図、図１３Ｂにはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図を示しており、図１３Ｃにはトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図を示している。
　トランジスタ５００は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）である。トランジスタ５００は、オフ電流が小さく、また、高温でも電界効果移動度が変化しにくい特性を有する。トランジスタ５００を、半導体装置、例えば、上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタに適用することにより、高温でも動作能力が低下しにくい半導体装置を実現できる。
　トランジスタ５００は、例えば、トランジスタ３００の上方に設けられ、容量６００は、例えば、トランジスタ３００、及びトランジスタ５００の上方に設けられている。なお、容量６００は、上記実施の形態で説明した容量とすることができる。
　トランジスタ３００は、基板３１０上に設けられ、素子分離層３１２、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１０の一部からなる半導体領域３１３、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂを有する。なお、トランジスタ３００は、例えば、上記実施の形態で説明したＳｉトランジスタなどに適用することができる。なお、図１２では、一例として、トランジスタ３００のゲートが、容量６００の一対の電極を介して、トランジスタ５００のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている構成を示している。
　また、基板３１０としては、半導体基板（例えば単結晶基板又はシリコン基板）を用いることが好ましい。
　トランジスタ３００は、図１３Ｃに示すように、半導体領域３１３の上面及びチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。
　なお、トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
　半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、又はドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。又は、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。又はＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
　低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、又はホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
　ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
　なお、導電体の材料によって仕事関数が決まるため、当該導電体の材料を選択することで、トランジスタのしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタン、窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステン、アルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
　素子分離層３１２は、基板３１０上に形成されている複数のトランジスタ同士を分離するために設けられている。素子分離層は、例えば、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）法、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法、メサ分離法などを用いて形成することができる。
　なお、図１２に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成、駆動方法などに応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、トランジスタ３００は、図１３Ｃに示すＦＩＮ型ではなく、プレーナ型の構造としてもよい。また、例えば、半導体装置をＯＳトランジスタのみの単極性回路とする場合、図１４に示すとおり、トランジスタ３００の構成を、酸化物半導体を用いているトランジスタ５００と同様の構成にすればよい。なお、トランジスタ５００の詳細については後述する。なお、本明細書等において、単極性回路とは、ｎチャネル型トランジスタ又はｐチャネル型トランジスタの一方のみの極性のトランジスタを含む回路のことをいう。
　なお、図１４において、トランジスタ３００は、基板３１０Ａ上に設けられているが、この場合、基板３１０Ａとしては、図１２の半導体装置の基板３１０と同様に半導体基板を用いてもよい。また、基板３１０Ａとしては、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、サファイアガラス基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルムなどを用いることができる。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ樹脂、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。
　図１２に示すトランジスタ３００には、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、絶縁体３２６が、基板３１０側から順に積層して設けられている。
　絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
　なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。また、本明細書中において、酸化窒化アルミニウムとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化アルミニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
　絶縁体３２２は、絶縁体３２０及び絶縁体３２２に覆われているトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
　また、絶縁体３２４には、基板３１０、又はトランジスタ３００などから、トランジスタ５００が設けられる領域に、水素、不純物などが拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
　水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
　水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
　なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
　また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６には容量６００、又はトランジスタ５００と接続する導電体３２８、及び導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、及び導電体３３０は、プラグ又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、及び導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
　各プラグ、及び配線（導電体３２８、導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を、単層又は積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステン、モリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。又は、アルミニウム、銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
　絶縁体３２６、及び導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１２において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が、絶縁体３２６、及び導電体３３０の上方に、順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素、水などの不純物に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４としては、絶縁体３２６と同様に、配線間に生じる寄生容量を低減するために、比誘電率が比較的低い絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素、水などの不純物に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
　なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
　また、絶縁体３５４、及び導電体３５６上には、絶縁体３６０と、絶縁体３６２と、絶縁体３６４が順に積層されている。
　絶縁体３６０は、絶縁体３２４などと同様に、水、水素などの不純物に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。そのため、絶縁体３６０としては、例えば、絶縁体３２４などに適用できる材料を用いることができる。
　絶縁体３６２、及び絶縁体３６４は、層間絶縁膜、及び平坦化膜としての機能を有する。また、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４は、絶縁体３２４と同様に、水、水素などの不純物に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。このため、絶縁体３６２、及び／又は絶縁体３６４としては、絶縁体３２４に適用できる材料を用いることができる。
　また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４のそれぞれの、一部の導電体３５６と重畳する領域に開口部が形成されて、当該開口部を埋めるように導電体３６６が設けられている。また、導電体３６６は、絶縁体３６２上にも形成されている。導電体３６６は、一例として、トランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。なお、導電体３６６は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　絶縁体３６４、及び導電体３６６上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６のいずれかは、酸素、水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
　例えば、絶縁体５１０、及び絶縁体５１４には、例えば、基板３１０、又はトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ５００が設けられている領域に、水素、不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
　水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
　また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体５１０、及び絶縁体５１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
　特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。
　また、例えば、絶縁体５１２、及び絶縁体５１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５１２、及び絶縁体５１６として、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
　また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６には、導電体５１８、及びトランジスタ５００を構成する導電体（例えば、図１３Ａ、及び図１３Ｂに示す導電体５０３）等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量６００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　特に、絶縁体５１０、及び絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
　絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。
　図１３Ａ、及び図１３Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４上の絶縁体５１６と、絶縁体５１４または絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３（導電体５０３ａ、および導電体５０３ｂ）と、絶縁体５１６上、および導電体５０３上の絶縁体５２２と、絶縁体５２２上の絶縁体５２４と、絶縁体５２４上の酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａ上の酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上の導電体５４２ａと、導電体５４２ａ上の絶縁体５７１ａと、酸化物５３０ｂ上の導電体５４２ｂと、導電体５４２ｂ上の絶縁体５７１ｂと、酸化物５３０ｂ上の絶縁体５５２と、絶縁体５５２上の絶縁体５５０と、絶縁体５５０上の絶縁体５５４と、絶縁体５５４上に位置し、酸化物５３０ｂの一部と重なる導電体５６０（導電体５６０ａ、および導電体５６０ｂ）と、絶縁体５２２、絶縁体５２４、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、絶縁体５７１ａ、および絶縁体５７１ｂ上に配置される絶縁体５４４と、を有する。ここで、図１３Ａ、及び図１３Ｂに示すように、絶縁体５５２は、絶縁体５２２の上面、絶縁体５２４の側面、酸化物５３０ａの側面、酸化物５３０ｂの側面および上面、導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）の側面、絶縁体５７１（絶縁体５７１ａ、および絶縁体５７１ｂ）の側面、絶縁体５４４の側面、絶縁体５８０の側面、および絶縁体５５０の下面と接する。また、導電体５６０の上面は、絶縁体５５４の上部、絶縁体５５０の上部、絶縁体５５２の上部、および絶縁体５８０の上面と高さが概略一致するように配置される。また、絶縁体５７４は、導電体５６０の上面、絶縁体５５２の上部、絶縁体５５０の上部、絶縁体５５４の上部、および絶縁体５８０の上面の少なくともいずれかの一部と接する。
　絶縁体５８０、および絶縁体５４４には、酸化物５３０ｂに達する開口が設けられる。当該開口内に、絶縁体５５２、絶縁体５５０、絶縁体５５４、および導電体５６０が配置されている。また、トランジスタ５００のチャネル長方向において、絶縁体５７１ａ、および導電体５４２ａと、絶縁体５７１ｂ、および導電体５４２ｂと、の間に導電体５６０、絶縁体５５２、絶縁体５５０、および絶縁体５５４が設けられている。絶縁体５５４は、導電体５６０の側面と接する領域と、導電体５６０の底面と接する領域と、を有する。
　酸化物５３０は、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、を有することが好ましい。酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
　なお、トランジスタ５００では、酸化物５３０が、酸化物５３０ａ、および酸化物５３０ｂの２層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、トランジスタ５００は、酸化物５３０ｂの単層、または３層以上の積層構造を有する構成とすることができる。又は、酸化物５３０ａ、および酸化物５３０ｂのそれぞれが積層構造を有する構成とすることができる。
　導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能し、導電体５０３は、第２のゲート（バックゲートともいう。）電極として機能する。また、絶縁体５５２、絶縁体５５０、及び絶縁体５５４は、第１のゲート絶縁体として機能し、絶縁体５２２、および絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁体として機能する。なお、ゲート絶縁体は、ゲート絶縁層、またはゲート絶縁膜と呼ぶ場合もある。また、導電体５４２ａは、ソースまたはドレインの一方として機能し、導電体５４２ｂは、ソースまたはドレインの他方として機能する。また、酸化物５３０の導電体５６０と重畳する領域の少なくとも一部はチャネル形成領域として機能する。
　ここで、図１３Ａにおけるチャネル形成領域近傍の拡大図を図１５Ａに示す。酸化物５３０ｂに酸素が供給されることで、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域にチャネル形成領域が形成される。よって、図１５Ａに示すように、酸化物５３０ｂは、トランジスタ５００のチャネル形成領域として機能する領域５３０ｂｃと、領域５３０ｂｃを挟むように設けられ、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂと、を有する。領域５３０ｂｃは、少なくとも一部が導電体５６０と重畳している。言い換えると、領域５３０ｂｃは、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に設けられている。領域５３０ｂａは、導電体５４２ａに重畳して設けられており、領域５３０ｂｂは、導電体５４２ｂに重畳して設けられている。
　チャネル形成領域として機能する領域５３０ｂｃは、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂよりも、酸素欠損（本明細書等では、金属酸化物中の酸素欠損をＶＯ（ｏｘｙｇｅｎ　ｖａｃａｎｃｙ）と呼称する場合がある。）が少なく、または不純物濃度が低いため、キャリア濃度が低い高抵抗領域である。よって領域５３０ｂｃは、ｉ型（真性）または実質的にｉ型であるということができる。
　金属酸化物を用いたトランジスタは、金属酸化物中のチャネルが形成される領域に不純物または酸素欠損（ＶＯ）が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸素欠損（ＶＯ）近傍の水素が、酸素欠損（ＶＯ）に水素が入った欠陥（以下、ＶＯＨと呼称する場合がある。）を形成し、キャリアとなる電子を生成する場合がある。このため、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性（ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れる特性）となりやすい。したがって、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域では、不純物、酸素欠損、およびＶＯＨはできる限り低減されていることが好ましい。
　また、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂは、酸素欠損（ＶＯ）が多く、または水素、窒素、金属元素などの不純物濃度が高い、ことでキャリア濃度が増加し、低抵抗化した領域である。すなわち、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂは、領域５３０ｂｃと比較して、キャリア濃度が高く、低抵抗なｎ型の領域である。
　ここで、チャネル形成領域として機能する領域５３０ｂｃのキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ−３未満であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ−３未満であることがさらに好ましく、１×１０１３ｃｍ−３未満であることがさらに好ましく、１×１０１２ｃｍ−３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域として機能する領域５３０ｂｃのキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０−９ｃｍ−３とすることができる。
　また、領域５３０ｂｃと領域５３０ｂａまたは領域５３０ｂｂとの間に、キャリア濃度が、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂのキャリア濃度と同等、またはそれよりも低く、領域５３０ｂｃのキャリア濃度と同等、またはそれよりも高い、領域が形成されていてもよい。つまり、当該領域は、領域５３０ｂｃと領域５３０ｂａまたは領域５３０ｂｂとの接合領域として機能する。当該接合領域は、水素濃度が、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂの水素濃度と同等、またはそれよりも低く、領域５３０ｂｃの水素濃度と同等、またはそれよりも高くなる場合がある。また、当該接合領域は、酸素欠損が、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂの酸素欠損と同等、またはそれよりも少なく、領域５３０ｂｃの酸素欠損と同等、またはそれよりも多くなる場合がある。
　なお、図１５Ａでは、領域５３０ｂａ、領域５３０ｂｂ、および領域５３０ｂｃが酸化物５３０ｂに形成される例について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、上記の各領域が酸化物５３０ｂだけでなく、酸化物５３０ａまで形成されてもよい。
　また、酸化物５３０において、各領域の境界を明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
　トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０（酸化物５３０ａ、および酸化物５３０ｂ）に、半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
　また、半導体として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
　酸化物５３０として、例えば、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物５３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物を用いてもよい。
　ここで、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。
　このように、酸化物５３０ｂの下に酸化物５３０ａを配置することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物からの、酸化物５３０ｂに対する、不純物および酸素の拡散を抑制することができる。
　また、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
　酸化物５３０ｂは、結晶性を有することが好ましい。特に、酸化物５３０ｂとして、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶性の高い、緻密な構造を有しており、不純物、及び欠陥（例えば、酸素欠損（ＶＯなど）が少ない金属酸化物である。特に、金属酸化物の形成後に、金属酸化物が多結晶化しない程度の温度（例えば、４００℃以上６００℃以下）で加熱処理することで、ＣＡＡＣ−ＯＳをより結晶性の高い、緻密な構造にすることができる。このようにして、ＣＡＡＣ−ＯＳの密度をより高めることで、当該ＣＡＡＣ−ＯＳ中の不純物または酸素の拡散をより低減することができる。
　一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
　酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸素欠損近傍の水素が、酸素欠損に水素が入った欠陥（以下、ＶＯＨと呼ぶ場合がある。）を形成し、キャリアとなる電子を生成する場合がある。このため、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性（ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れる特性）となりやすい。したがって、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域では、不純物、酸素欠損、およびＶＯＨはできる限り低減されていることが好ましい。言い換えると、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域は、キャリア濃度が低減され、ｉ型（真性化）または実質的にｉ型であることが好ましい。
　これに対して、酸化物半導体の近傍に、加熱により脱離する酸素（以下、過剰酸素と呼ぶ場合がある。）を含む絶縁体を設け、熱処理を行うことで、当該絶縁体から酸化物半導体に酸素を供給し、酸素欠損、およびＶＯＨを低減することができる。ただし、ソース領域またはドレイン領域に過剰な量の酸素が供給されると、トランジスタ５００のオン電流の低下、または電界効果移動度の低下を引き起こすおそれがある。さらに、ソース領域またはドレイン領域に供給される酸素が基板面内でばらつくことで、トランジスタを有する半導体装置の特性にばらつきが出ることになる。
　よって、酸化物半導体中において、チャネル形成領域として機能する領域５３０ｂｃは、キャリア濃度が低減され、ｉ型または実質的にｉ型であることが好ましいが、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂは、キャリア濃度が高く、ｎ型であることが好ましい。つまり、酸化物半導体の領域５３０ｂｃの酸素欠損、およびＶＯＨを低減し、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂには過剰な量の酸素が供給されないようにすることが好ましい。
　そこで、本実施の形態では、酸化物５３０ｂ上に導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂを設けた状態で、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行い、領域５３０ｂｃの酸素欠損、およびＶＯＨの低減を図る。ここで、マイクロ波処理とは、例えばマイクロ波を用いて高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いた処理のことを指す。
　酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を用いて酸素ガスをプラズマ化し、当該酸素プラズマを作用させることができる。このとき、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を領域５３０ｂｃに照射することもできる。プラズマ、マイクロ波などの作用により、領域５３０ｂｃのＶＯＨを分断し、水素Ｈを領域５３０ｂｃから除去し、酸素欠損ＶＯを酸素で補填することができる。つまり、領域５３０ｂｃにおいて、「ＶＯＨ→Ｈ＋ＶＯ」という反応が起きて、領域５３０ｂｃの水素濃度を低減することができる。よって、領域５３０ｂｃ中の酸素欠損、およびＶＯＨを低減し、キャリア濃度を低下させることができる。
　また、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行う際、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波、酸素プラズマなどの作用は、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに遮蔽され、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂには及ばない。さらに、酸素プラズマの作用は、酸化物５３０ｂ、および導電体５４２を覆って設けられている、絶縁体５７１、および絶縁体５８０によって、低減することができる。これにより、マイクロ波処理の際に、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂで、ＶＯＨの低減、および過剰な量の酸素供給が発生しないので、キャリア濃度の低下を防ぐことができる。
　また、絶縁体５５２となる絶縁膜の成膜後、または絶縁体５５０となる絶縁膜の成膜後に、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うとことが好ましい。このように絶縁体５５２、または絶縁体５５０を介して、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、効率良く領域５３０ｂｃ中へ酸素を注入することができる。また、絶縁体５５２を導電体５４２の側面、および領域５３０ｂｃの表面と接するように配置することで、領域５３０ｂｃへ必要量以上の酸素の注入を抑制し、導電体５４２の側面の酸化を抑制することができる。また、絶縁体５５０となる絶縁膜の成膜時に導電体５４２の側面の酸化を抑制することができる。
　また、領域５３０ｂｃ中に注入される酸素は、酸素原子、酸素分子、酸素ラジカル（Ｏラジカルともいう、不対電子をもつ原子または分子、あるいはイオン）など様々な形態がある。なお、領域５３０ｂｃ中に注入される酸素は、上述の形態のいずれか一または複数であれば好ましく、特に酸素ラジカルであると好適である。また、絶縁体５５２、および絶縁体５５０の膜質を向上させることができるので、トランジスタ５００の信頼性が向上する。
　このようにして、酸化物半導体の領域５３０ｂｃで選択的に酸素欠損、およびＶＯＨを除去して、領域５３０ｂｃをｉ型または実質的にｉ型とすることができる。さらに、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂに過剰な酸素が供給されるのを抑制し、ｎ型を維持することができる。これにより、トランジスタ５００の電気特性の変動を抑制し、基板面内でトランジスタ５００の電気特性のばらつきを少なくすることができる。
　以上のような構成にすることで、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することができる。また、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。また、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
　また、図１３Ｂに示すように、トランジスタ５００のチャネル幅方向の断面視において、酸化物５３０ｂの側面と酸化物５３０ｂの上面との間に、湾曲面を有してもよい。つまり、当該側面の端部と当該上面の端部は、湾曲してもよい（以下、ラウンド状ともいう。）。
　上記湾曲面での曲率半径は、０ｎｍより大きく、導電体５４２と重なる領域の酸化物５３０ｂの膜厚より小さい、または、上記湾曲面を有さない領域の長さの半分より小さいことが好ましい。上記湾曲面での曲率半径は、具体的には、０ｎｍより大きく２０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。このような形状にすることで、絶縁体５５２、絶縁体５５０、絶縁体５５４、および導電体５６０の、酸化物５３０ｂへの被覆性を高めることができる。
　酸化物５３０は、化学組成が異なる複数の酸化物層の積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。
　また、酸化物５３０ｂは、ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物であることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物は、不純物、及び欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物５３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物５３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ５００は、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。
　ここで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂの接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面に形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
　具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂが、酸素以外に共通の元素を主成分として有することで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物、Ｍ−Ｚｎ酸化物、元素Ｍの酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物などを用いてもよい。
　具体的には、酸化物５３０ａとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｂとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。なお、近傍の組成とは、所望の原子数比の±３０％の範囲を含む。また、元素Ｍとして、ガリウムを用いることが好ましい。
　なお、金属酸化物をスパッタリング法により成膜する場合、上記の原子数比は、成膜された金属酸化物の原子数比に限られず、金属酸化物の成膜に用いるスパッタリングターゲットの原子数比であってもよい。
　また、図１３Ａなどに示すように、酸化物５３０の上面および側面に接して、酸化アルミニウムなどにより形成される絶縁体５５２を設けることにより、酸化物５３０と絶縁体５５２の界面およびその近傍に、酸化物５３０に含まれるインジウムが偏在する場合がある。これにより、酸化物５３０の表面近傍が、インジウム酸化物に近い原子数比、またはＩｎ−Ｚｎ酸化物に近い原子数比になる。このように酸化物５３０、特に酸化物５３０ｂの表面近傍のインジウムの原子数比が大きくなることで、トランジスタ５００の電界効果移動度を向上させることができる。
　酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ５００は大きいオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
　絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５４４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、絶縁体５７６、及び絶縁体５８１の少なくとも一は、水、水素などの不純物が、基板側から、または、トランジスタ５００の上方からトランジスタ５００に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５４４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５８１の少なくとも一は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
　なお、本明細書において、バリア絶縁膜とは、バリア性を有する絶縁膜のことを指す。本明細書において、バリア性とは、対応する物質の拡散を抑制する機能（透過性が低いともいう）とする。または、対応する物質を、捕獲、および固着する（ゲッタリングともいう）機能とする。
　絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５４４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５８１としては、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどを用いることができる。例えば、絶縁体５１２、絶縁体５４４、および絶縁体５７６として、より水素バリア性が高い、窒化シリコンなどを用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体５１４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、および絶縁体５８１として、水素を捕獲および水素を固着する機能が高い、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムなどを用いることが好ましい。これにより、水、水素などの不純物が絶縁体５１２、および絶縁体５１４を介して、基板側からトランジスタ５００側に拡散するのを抑制することができる。または、水、水素などの不純物が絶縁体５８１よりも外側に配置されている層間絶縁膜などから、トランジスタ５００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体５２４などに含まれる酸素が、絶縁体５１２、および絶縁体５１４を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体５８０などに含まれる酸素が、絶縁体５７４などを介してトランジスタ５００より上方に、拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ５００を、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５７１、絶縁体５４４、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５８１で取り囲む構造とすることが好ましい。
　ここで、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５４４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５８１として、アモルファス構造を有する酸化物を用いることが好ましい。例えば、ＡｌＯｘ（ｘは０より大きい任意数）、またはＭｇＯｙ（ｙは０より大きい任意数）などの金属酸化物を用いることが好ましい。このようなアモルファス構造を有する金属酸化物では、酸素原子がダングリングボンドを有しており、当該ダングリングボンドで水素を捕獲または固着する性質を有する場合がある。このようなアモルファス構造を有する金属酸化物をトランジスタ５００の構成要素として用いる、またはトランジスタ５００の周囲に設けることで、トランジスタ５００に含まれる水素、またはトランジスタ５００の周囲に存在する水素を捕獲または固着することができる。特にトランジスタ５００のチャネル形成領域に含まれる水素を捕獲または固着することが好ましい。アモルファス構造を有する金属酸化物をトランジスタ５００の構成要素として用いる、またはトランジスタ５００の周囲に設けることで、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ５００、および半導体装置を作製することができる。
　また、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５４４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５８１は、アモルファス構造であることが好ましいが、一部に多結晶構造の領域が形成されていてもよい。また、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５４４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５８１は、アモルファス構造の層と、多結晶構造の層と、が積層された多層構造であってもよい。例えば、アモルファス構造の層の上に多結晶構造の層が形成された積層構造でもよい。
　絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５４４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５８１の成膜は、例えば、スパッタリング法を用いて行えばよい。スパッタリング法は、成膜ガスに水素を含む分子を用いなくてよいので、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５４４、絶縁体５７１、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５８１の水素濃度を低減することができる。なお、成膜方法は、スパッタリング法に限られるものではなく、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを適宜用いてもよい。
　また、絶縁体５１２、絶縁体５４４、および絶縁体５７６の抵抗率を低くすることが好ましい場合がある。例えば、絶縁体５１２、絶縁体５４４、および絶縁体５７６の抵抗率を概略１×１０１３Ωｃｍとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体５１２、絶縁体５４４、および絶縁体５７６が、導電体５０３、導電体５４２、導電体５６０などのチャージアップを緩和することができる場合がある。絶縁体５１２、絶縁体５４４、および絶縁体５７６の抵抗率は、好ましくは、１×１０１０Ωｃｍ以上１×１０１５Ωｃｍ以下とする。
　また、絶縁体５１６、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５８１は、絶縁体５１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５１６、絶縁体５８０、および絶縁体５８１として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。
　また、絶縁体５８１は、一例として、層間膜、平坦化膜などとして機能する絶縁体とすることが好ましい。
　導電体５０３は、酸化物５３０、および導電体５６０と、重なるように配置する。ここで、導電体５０３は、絶縁体５１６に形成された開口に埋め込まれて設けることが好ましい。また、導電体５０３の一部が絶縁体５１４に埋め込まれる場合がある。
　導電体５０３は、導電体５０３ａ、および導電体５０３ｂを有する。導電体５０３ａは、当該開口の底面および側壁に接して設けられる。導電体５０３ｂは、導電体５０３ａに形成された凹部に埋め込まれるように設けられる。ここで、導電体５０３ｂの上部の高さは、導電体５０３ａの上部の高さおよび絶縁体５１６の上部の高さと概略一致する。
　ここで、導電体５０３ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
　導電体５０３ａに、水素の拡散を低減する機能を有する導電性材料を用いることにより、導電体５０３ｂに含まれる水素などの不純物が、絶縁体５２４等を介して、酸化物５３０に拡散するのを防ぐことができる。また、導電体５０３ａに、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることにより、導電体５０３ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体５０３ａとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。例えば、導電体５０３ａは、窒化チタンを用いればよい。
　また、導電体５０３ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。例えば、導電体５０３ｂは、タングステンを用いればよい。
　導電体５０３は、第２のゲート電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０３に印加する電位を、導電体５６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ５００のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００のＶｔｈをより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
　また、導電体５０３の電気抵抗率は、上記の導電体５０３に印加する電位を考慮して設計され、導電体５０３の膜厚は当該電気抵抗率に合わせて設定される。また、絶縁体５１６の膜厚は、導電体５０３とほぼ同じになる。ここで、導電体５０３の設計が許す範囲で導電体５０３および絶縁体５１６の膜厚を薄くすることが好ましい。絶縁体５１６の膜厚を薄くすることで、絶縁体５１６中に含まれる水素などの不純物の絶対量を低減することができるので、当該不純物が酸化物５３０に拡散するのを低減することができる。
　なお、導電体５０３は、上面から見て、酸化物５３０の導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図１３Ｂに示すように、導電体５０３は、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂのチャネル幅方向の端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物５３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体５０３と、導電体５６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。当該構成を有することで、第１のゲート電極として機能する導電体５６０の電界と、第２のゲート電極として機能する導電体５０３の電界によって、酸化物５３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート、および第２のゲートの電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
　なお、本明細書等において、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタとは、一対のゲート電極の一方および他方の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を表す。また、本明細書等で開示するＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造およびプレーナ型構造とは異なる。Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
　また、図１３Ｂに示すように、導電体５０３は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体５０３の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。また、導電体５０３は、必ずしも各トランジスタに一個ずつ設ける必要はない。例えば、導電体５０３を複数のトランジスタで共有する構成にしてもよい。
　なお、トランジスタ５００では、導電体５０３は、導電体５０３ａ、および導電体５０３ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５０３は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
　絶縁体５２２、および絶縁体５２４は、ゲート絶縁体として機能する。
　絶縁体５２２は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体５２２は、絶縁体５２４よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。
　絶縁体５２２は、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０から基板側への酸素の放出と、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０への水素等の不純物の拡散と、を抑制する層として機能する。よって、絶縁体５２２を設けることで、水素等の不純物が、トランジスタ５００の内側へ拡散することを抑制し、酸化物５３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。また、導電体５０３が、絶縁体５２４、又は酸化物５３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
　または、上記絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。または、これらの絶縁体を窒化処理してもよい。また、絶縁体５２２は、これらの絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
　また、絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウムなどの、いわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、絶縁体５２２として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの誘電率が高い物質を用いることができる場合もある。
　酸化物５３０と接する絶縁体５２４は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。
　また、トランジスタ５００の作製工程中において、酸化物５３０の表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上６００℃以下、より好ましくは３５０℃以上５５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物５３０に酸素を供給して、酸素欠損（ＶＯ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
　なお、酸化物５３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物５３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「ＶＯ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物５３０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物５３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶＯＨが形成されるのを抑制することができる。
　なお、絶縁体５２２、および絶縁体５２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。また、絶縁体５２４は、酸化物５３０ａと重畳して島状に形成してもよい。この場合、絶縁体５４４が、絶縁体５２４の側面および絶縁体５２２の上面に接する構成になる。
　導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂは酸化物５３０ｂの上面に接して設けられる。導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂは、それぞれトランジスタ５００のソース電極またはドレイン電極として機能する。
　導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）としては、例えば、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、タンタルおよびアルミニウムを含む窒化物、チタンおよびアルミニウムを含む窒化物などを用いることが好ましい。本発明の一態様においては、タンタルを含む窒化物が特に好ましい。また、例えば、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いてもよい。これらの材料は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
　なお、酸化物５３０ｂなどに含まれる水素が、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂに拡散する場合がある。特に、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに、タンタルを含む窒化物を用いることで、酸化物５３０ｂなどに含まれる水素は、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂに拡散しやすく、拡散した水素は、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂが有する窒素と結合することがある。つまり、酸化物５３０ｂなどに含まれる水素は、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂに吸い取られる場合がある。
　また、導電体５４２の側面と導電体５４２の上面との間に、湾曲面が形成されないことが好ましい。当該湾曲面が形成されない導電体５４２とすることで、チャネル幅方向の断面における、導電体５４２の断面積を大きくすることができる。これにより、導電体５４２の導電率を大きくし、トランジスタ５００のオン電流を大きくすることができる。
　絶縁体５７１ａは、導電体５４２ａの上面に接して設けられており、絶縁体５７１ｂは、導電体５４２ｂの上面に接して設けられている。絶縁体５７１は、少なくとも酸素に対するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体５７１は、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体５７１は、絶縁体５８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体５７１としては、例えば、窒化シリコンなどのシリコンを含む窒化物を用いればよい。また、絶縁体５７１は、水素などの不純物を捕獲する機能を有することが好ましい。その場合、絶縁体５７１としては、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムなどの絶縁体を用いればよい。特に、絶縁体５７１として、アモルファス構造を有する酸化アルミニウム、またはアモルファス構造の酸化アルミニウムを用いることで、より効果的に水素を捕獲または固着できる場合があるため好ましい。これにより、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ５００、および半導体装置を作製することができる。
　絶縁体５４４は、絶縁体５２４、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２、および絶縁体５７１を覆うように設けられる。絶縁体５４４として、水素を捕獲および水素を固着する機能を有することが好ましい。その場合、絶縁体５４４としては、窒化シリコンまたは、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムなどの絶縁体を含むことが好ましい。また、例えば、絶縁体５４４として、酸化アルミニウムと、当該酸化アルミニウム上の窒化シリコンの積層膜を用いてもよい。
　上記のような絶縁体５７１および絶縁体５４４を設けることで、酸素に対するバリア性を有する絶縁体で導電体５４２を包み込むことができる。つまり、絶縁体５２４、および絶縁体５８０に含まれる酸素が、導電体５４２に拡散するのを防ぐことができる。これにより、絶縁体５２４、および絶縁体５８０に含まれる酸素によって、導電体５４２が直接酸化されて抵抗率が増大し、オン電流が低減するのを抑制することができる。
　絶縁体５５２は、ゲート絶縁体の一部として機能する。絶縁体５５２としては、酸素に対するバリア絶縁膜を用いることが好ましい。絶縁体５５２としては、上述の絶縁体５７４に用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体５５２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、ハフニウムおよびシリコンを含む酸化物（ハフニウムシリケート）などを用いることができる。本実施の形態では、絶縁体５５２として、酸化アルミニウムを用いる。この場合、絶縁体５５２は、少なくとも酸素と、アルミニウムと、を有する絶縁体となる。
　図１３Ｂに示すように、絶縁体５５２は、酸化物５３０ｂの上面および側面、酸化物５３０ａの側面、絶縁体５２４の側面、および絶縁体５２２の上面に接して設けられる。つまり、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および絶縁体５２４の導電体５６０と重なる領域は、チャネル幅方向の断面において、絶縁体５５２に覆われている。これにより、熱処理などを行った際に、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂで酸素が脱離するのを、酸素に対するバリア性を有する絶縁体５５２でブロックすることができる。よって、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂに酸素欠損（Ｖｏ）が形成されるのを低減することができる。これにより、領域５３０ｂｃに形成される、酸素欠損（Ｖｏ）、およびＶＯＨを低減することができる。よって、トランジスタ５００の電気特性を良好にし、信頼性を向上させることができる。
　また、逆に、絶縁体５８０および絶縁体５５０などに過剰な量の酸素が含まれていても、当該酸素が酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂに過剰に供給されるのを抑制することができる。よって、領域５３０ｂｃを介して、領域５３０ｂａおよび領域５３０ｂｂが過剰に酸化され、トランジスタ５００のオン電流の低下、または電界効果移動度の低下を起こすのを抑制することができる。
　また、図１３Ａに示すように、絶縁体５５２は、導電体５４２、絶縁体５４４、絶縁体５７１、および絶縁体５８０、それぞれの側面に接して設けられる。よって、導電体５４２の側面が酸化され、当該側面に酸化膜が形成されるのを低減することができる。これにより、トランジスタ５００のオン電流の低下、または電界効果移動度の低下を起こすのを抑制することができる。
　また、絶縁体５５２は、絶縁体５５４、絶縁体５５０、および導電体５６０と、ともに、絶縁体５８０などに形成された開口に設ける必要がある。トランジスタ５００の微細化を図るにあたって、絶縁体５５２の膜厚は薄いことが好ましい。絶縁体５５２の膜厚は、０．１ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、又は１．０ｎｍ以上とすることが好ましく、かつ１．０ｎｍ以下、３．０ｎｍ以下、又は５．０ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、上述した下限値、及び上限値はそれぞれ組み合わせることができるものとする。この場合、絶縁体５５２は、少なくとも一部において、上記のような膜厚の領域を有していればよい。また、絶縁体５５２の膜厚は絶縁体５５０の膜厚より薄いことが好ましい。この場合、絶縁体５５２は、少なくとも一部において、絶縁体５５０より膜厚が薄い領域を有していればよい。
　絶縁体５５２を上記のように膜厚を薄く成膜するには、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。ＡＬＤ法は、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ＡＬＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ　ＡＬＤ）法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＡＬＤ）法などがある。ＰＥＡＬＤ法では、プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。
　ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、低温での成膜が可能、などの効果がある。よって、絶縁体５５２を絶縁体５８０などに形成された開口の側面などに被覆性良く、上記のような薄い膜厚で成膜することができる。
　なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などを含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、またはＸ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
　絶縁体５５０は、ゲート絶縁体の一部として機能する。絶縁体５５０は、絶縁体５５２の上面に接して配置することが好ましい。絶縁体５５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。この場合、絶縁体５５０は、少なくとも酸素とシリコンと、を有する絶縁体となる。
　絶縁体５５０は、絶縁体５２４と同様に、絶縁体５５０中の水、水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体５５０の膜厚は、１ｎｍ以上、又は０．５ｎｍ以上とすることが好ましく、かつ１５ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、上述した下限値、及び上限値はそれぞれ組み合わせることができるものとする。この場合、絶縁体５５０は、少なくとも一部において、上記のような膜厚の領域を有していればよい。
　図１３Ａ、及び図１３Ｂなどでは、絶縁体５５０を単層とする構成について示したが、本発明はこれに限られず、２層以上の積層構造としてもよい。例えば図１５Ｂに示すように、絶縁体５５０を、絶縁体５５０ａと、絶縁体５５０ａ上の絶縁体５５０ｂの２層の積層構造にしてもよい。
　図１５Ｂに示すように、絶縁体５５０を２層の積層構造とする場合、下層の絶縁体５５０ａは、酸素を透過しやすい絶縁体を用いて形成し、上層の絶縁体５５０ｂは、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体５５０ａに含まれる酸素が、導電体５６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物５３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体５５０ａに含まれる酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。例えば、絶縁体５５０ａは、上述した絶縁体５５０に用いることができる材料を用いて設け、絶縁体５５０ｂは、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、ハフニウムおよびシリコンを含む酸化物（ハフニウムシリケート）などを用いることができる。本実施の形態では、絶縁体５５０ｂとして、酸化ハフニウムを用いる。この場合、絶縁体５５０ｂは、少なくとも酸素と、ハフニウムと、を有する絶縁体となる。また、絶縁体５５０ｂの膜厚は、０．５ｎｍ以上、又は１．０ｎｍ以上とすることが好ましく、かつ３．０ｎｍ以下、又は５．０ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、上述した下限値、及び上限値はそれぞれ組み合わせることができるものとする。この場合、絶縁体５５０ｂは、少なくとも一部において、上記のような膜厚の領域を有していればよい。
　なお、絶縁体５５０ａに酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体５５０ｂは、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である絶縁性材料を用いてもよい。ゲート絶縁体を、絶縁体５５０ａと絶縁体５５０ｂとの積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。よって、絶縁体５５０の絶縁耐圧を高くすることができる。
　絶縁体５５４は、ゲート絶縁体の一部として機能する。絶縁体５５４としては、水素に対するバリア絶縁膜を用いることが好ましい。これにより、導電体５６０に含まれる水素などの不純物が、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｂに拡散するのを防ぐことができる。絶縁体５５４としては、上述の絶縁体５７６に用いることができる絶縁体を用いればよい。例えば、絶縁体５５４としてＰＥＡＬＤ法で成膜した窒化シリコンを用いればよい。この場合、絶縁体５５４は、少なくとも窒素と、シリコンと、を有する絶縁体となる。
　また、絶縁体５５４が、さらに酸素に対するバリア性を有してもよい。これにより、絶縁体５５０に含まれる酸素が、導電体５６０へ拡散するのを抑制することができる。
　また、絶縁体５５４は、絶縁体５５２、絶縁体５５０、および導電体５６０と、ともに、絶縁体５８０などに形成された開口に設ける必要がある。トランジスタ５００の微細化を図るにあたって、絶縁体５５４の膜厚は薄いことが好ましい。絶縁体５５４の膜厚は、０．１ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、又は１．０ｎｍ以上とすることが好ましく、かつ３．０ｎｍ以下、又は５．０ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、上述した下限値、及び上限値はそれぞれ組み合わせることができるものとする。この場合、絶縁体５５４は、少なくとも一部において、上記のような膜厚の領域を有していればよい。また、絶縁体５５４の膜厚は絶縁体５５０の膜厚より薄いことが好ましい。この場合、絶縁体５５４は、少なくとも一部において、絶縁体５５０より膜厚が薄い領域を有していればよい。
　導電体５６０は、トランジスタ５００の第１のゲート電極として機能する。導電体５６０は、導電体５６０ａと、導電体５６０ａの上に配置された導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。例えば、導電体５６０ａは、導電体５６０ｂの底面および側面を包むように配置されることが好ましい。また、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、導電体５６０の上部の高さの位置は、絶縁体５５０の上部の高さの位置と概略一致している。なお、図１３Ａおよび図１３Ｂでは、導電体５６０は、導電体５６０ａと導電体５６０ｂの２層構造として示しているが、導電体５６０は、当該２層構造以外としては、単層構造、又は３層以上の積層構造とすることができる。
　導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
　また、導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体５５０に含まれる酸素により、導電体５６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
　また、導電体５６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体５６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体５６０ｂは、積層構造とすることができる。具体的には、例えば、導電体５６０ｂは、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層構造とすることができる。
　また、トランジスタ５００では、導電体５６０は、絶縁体５８０などに形成されている開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体５６０をこのように形成することにより、導電体５４２ａと導電体５４２ｂとの間の領域に、導電体５６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。
　また、図１３Ｂに示すように、トランジスタ５００のチャネル幅方向において、絶縁体５２２の底面を基準としたときの、導電体５６０の、導電体５６０と酸化物５３０ｂとが重ならない領域の底面の高さは、酸化物５３０ｂの底面の高さより低いことが好ましい。ゲート電極として機能する導電体５６０が、絶縁体５５０などを介して、酸化物５３０ｂのチャネル形成領域の側面および上面を覆う構成とすることで、導電体５６０の電界を酸化物５３０ｂのチャネル形成領域全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ５００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。絶縁体５２２の底面を基準としたときの、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂと、導電体５６０とが、重ならない領域における導電体５６０の底面の高さと、酸化物５３０ｂの底面の高さと、の差は、０ｎｍ以上、３ｎｍ以上、又は５ｎｍ以上とすることが好ましく、かつ２０ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、又は１００ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、上述した下限値、及び上限値はそれぞれ組み合わせることができるものとする。
　絶縁体５８０は、絶縁体５４４上に設けられ、絶縁体５５０、および導電体５６０が設けられる領域に開口が形成されている。また、絶縁体５８０の上面は、平坦化されていてもよい。
　層間膜として機能する絶縁体５８０は、誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体５８０は、例えば、絶縁体５１６と同様の材料を用いて設けることが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。
　絶縁体５８０は、絶縁体５８０中の水、水素などの不純物濃度は低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体５８０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどのシリコンを含む酸化物を適宜用いればよい。
　絶縁体５７４は、水、水素などの不純物が、上方から絶縁体５８０に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましく、水素などの不純物を捕獲する機能を有することが好ましい。また、絶縁体５７４は、酸素の透過を抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体５７４としては、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば、酸化アルミニウムなどの絶縁体を用いればよい。この場合、絶縁体５７４は、少なくとも酸素と、アルミニウムと、を有する絶縁体となる。絶縁体５１２と絶縁体５８１に挟まれた領域内で、絶縁体５８０に接して、水素などの不純物を捕獲する機能を有する、絶縁体５７４を設けることで、絶縁体５８０などに含まれる水素などの不純物を捕獲し、当該領域内における、水素の量を一定値にすることができる。特に、絶縁体５７４として、アモルファス構造を有する酸化アルミニウムを用いることで、より効果的に水素を捕獲または固着できる場合があるため好ましい。これにより、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ５００、および半導体装置を作製することができる。
　絶縁体５７６は、水、水素などの不純物が、上方から絶縁体５８０に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能する。絶縁体５７６は、絶縁体５７４の上に配置される。絶縁体５７６としては、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、シリコンを含む窒化物を用いることが好ましい。例えば、絶縁体５７６としてスパッタリング法で成膜された窒化シリコンを用いればよい。絶縁体５７６をスパッタリング法で成膜することで、密度が高い窒化シリコン膜を形成することができる。また、絶縁体５７６として、スパッタリング法で成膜された窒化シリコンの上に、さらに、ＰＥＡＬＤ法または、ＣＶＤ法で成膜された窒化シリコンを積層してもよい。
　また、トランジスタ５００の第１端子、又は第２端子の一方は、プラグとして機能する導電体５４０ａに電気的に接続され、トランジスタ５００の第１端子、又は第２端子の他方は、導電体５４０ｂに電気的に接続されている。なお、本明細書等では、導電体５４０ａ、及び導電体５４０ｂをまとめて導電体５４０と呼ぶこととする。
　導電体５４０ａは、一例として、導電体５４２ａと重畳する領域に設けられている。具体的には、導電体５４２ａと重畳する領域において、図１３Ａに示す絶縁体５７１、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５７６、及び絶縁体５８１、更に図１２に示す絶縁体５８２、及び絶縁体５８６には開口部が形成されており、導電体５４０ａは、当該開口部の内側に設けられている。また、導電体５４０ｂは、一例として、導電体５４２ｂと重畳する領域に設けられている。具体的には、導電体５４２ｂと重畳する領域において、図１３Ａに示す絶縁体５７１、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５７６、及び絶縁体５８１、更に図１２に示す絶縁体５８２、及び絶縁体５８６には開口部が形成されており、導電体５４０ｂは、当該開口部の内側に設けられている。なお、絶縁体５８２、及び絶縁体５８６については後述する。
　さらに、図１３Ａに示すとおり、導電体５４２ａと重畳する領域の開口部の側面と導電体５４０ａとの間には、不純物に対してバリア性を有する絶縁体として、絶縁体５４１ａを設けてもよい。同様に、導電体５４２ｂと重畳する領域の開口部の側面と導電体５４０ｂとの間には、不純物に対してバリア性を有する絶縁体として、絶縁体５４１ｂを設けてもよい。なお、本明細書等では、絶縁体５４１ａ、及び絶縁体５４１ｂをまとめて絶縁体５４１と呼ぶこととする。
　導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは積層構造としてもよい。
　また、導電体５４０を積層構造とする場合、絶縁体５７４、絶縁体５７６、絶縁体５８１、絶縁体５８０、絶縁体５４４、および絶縁体５７１の近傍に配置される第１の導電体には、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。また、絶縁体５７６より上層に含まれる水、水素などの不純物が、導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂを通じて酸化物５３０に混入することを抑制することができる。
　絶縁体５４１ａおよび絶縁体５４１ｂとしては、絶縁体５４４などに用いることができるバリア絶縁膜を用いればよい。例えば、絶縁体５４１ａおよび絶縁体５４１ｂとして、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体５４１ａおよび絶縁体５４１ｂは、絶縁体５７４、絶縁体５７６、および絶縁体５７１に接して設けられるので、絶縁体５８０などに含まれる水、水素などの不純物が、導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂを通じて酸化物５３０に混入するのを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体５８０に含まれる酸素が導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
　絶縁体５４１ａおよび絶縁体５４１ｂを、図１３Ａに示すように積層構造にする場合、絶縁体５８０などの開口の内壁に接する第１の絶縁体と、その内側の第２の絶縁体は、酸素に対するバリア絶縁膜と、水素に対するバリア絶縁膜を組み合わせて用いることが好ましい。
　例えば、第１の絶縁体として、ＡＬＤ法で成膜された酸化アルミニウムを用い、第２の絶縁体として、ＰＥＡＬＤ法で成膜された窒化シリコンを用いればよい。このような構成にすることで、導電体５４０の酸化を抑制し、さらに、導電体５４０に水素が混入するのを低減することができる。
　なお、トランジスタ５００では、絶縁体５４１の第１の絶縁体および絶縁体５４１の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体５４１を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ５００では、導電体５４０の第１の導電体および導電体５４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
　また、図１２に示すとおり、導電体５４０ａの上部、および導電体５４０ｂの上部に接して配線として機能する導電体６１０、導電体６１２などを配置してもよい。導電体６１０、導電体６１２は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもすることができる。具体的には、例えば、当該導電体は、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
　なお、本発明の一隊の半導体装置に含まれるトランジスタの構造は、図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１４に示したトランジスタ５００に限定されない。本発明の一隊の半導体装置に含まれるトランジスタの構造は、状況に応じて、変更してもよい。
　例えば、図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１４に示すトランジスタ５００は、図１６に示す構成としてもよい。図１６のトランジスタは、酸化物５４３ａ、及び酸化物５４３ｂを有する点で、図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１４に示すトランジスタ５００と異なっている。なお、本明細書等では、酸化物５４３ａ、及び酸化物５４３ｂをまとめて酸化物５４３と呼ぶこととする。また、図１６のトランジスタのチャネル幅方向の断面の構成については、図１３Ｂ示すトランジスタ５００の断面と同様の構成とすることができる。
　酸化物５４３ａは、酸化物５３０ｂと導電体５４２ａの間に設けられ、酸化物５４３ｂは、酸化物５３０ｂと導電体５４２ｂの間に設けられる。ここで、酸化物５４３ａは、酸化物５３０ｂの上面、および導電体５４２ａの下面に接することが好ましい。また、酸化物５４３ｂは、酸化物５３０ｂの上面、および導電体５４２ｂの下面に接することが好ましい。
　酸化物５４３は、酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。ソース電極、又はドレイン電極として機能する導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間に酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物５４３を配置することで、導電体５４２と、酸化物５３０ｂとの間の電気抵抗が低減されるので好ましい。このような構成とすることで、トランジスタ５００の電気特性、電界効果移動度、および信頼性を向上させることができる場合がある。
　また、酸化物５４３として、元素Ｍを有する金属酸化物を用いてもよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物５４３は、酸化物５３０ｂよりも元素Ｍの濃度が高いことが好ましい。また、酸化物５４３として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、酸化物５４３として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物等の金属酸化物を用いてもよい。具体的には、酸化物に用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５４３の膜厚は、０．５ｎｍ以上、又は１ｎｍ以上であることが好ましく、かつ２ｎｍ以下、３ｎｍ以下、又は５ｎｍ以下であることが好ましい。なお、上述した下限値、及び上限値はそれぞれ組み合わせることができるものとする。また、酸化物５４３は、結晶性を有すると好ましい。酸化物５４３が結晶性を有する場合、酸化物５３０中の酸素の放出を好適に抑制することが出来る。例えば、酸化物５４３としては、六方晶などの結晶構造であれば、酸化物５３０中の酸素の放出を抑制できる場合がある。
　絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられ、絶縁体５８２上には絶縁体５８６が設けられている。
　絶縁体５８２は、酸素、及び水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体５８２には、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体５８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
　また、絶縁体５８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５８６として、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
　続いて、図１２、及び図１４に示す半導体装置に含まれている。容量６００、及びその周辺の配線、又はプラグについて説明する。なお、図１２、及び図１４に示すトランジスタ５００の上方には、容量６００と、配線、及び／又はプラグが設けられている。
　容量６００は、一例として、導電体６１０と、導電体６２０、絶縁体６３０とを有する。
　導電体５４０ａ又は導電体５４０ｂの一方、導電体５４６、及び絶縁体５８６上には、導電体６１０が設けられている。導電体６１０は、容量６００の一対の電極の一方としての機能を有する。
　また、導電体５４０ａ、又は導電体５４０ｂの他方、及び絶縁体５８６上には、導電体６１２が設けられる。導電体６１２は、トランジスタ５００と、上方に配置される回路素子、配線等と、を電気的に接続するプラグ、配線、端子などとしての機能を有する。
　なお、導電体６１２、及び導電体６１０は、同時に形成してもよい。
　導電体６１２、及び導電体６１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、又は上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
　図１２では、導電体６１２、及び導電体６１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、及び導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
　絶縁体５８６、導電体６１０上には、絶縁体６３０が設けられている。絶縁体６３０は、容量６００の一対の電極に挟まれる誘電体として機能する。
　絶縁体６３０としては、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウム、酸化ジルコニウムなどを用いることができる。また、絶縁体６３０は、上述した材料を用いて、積層または単層として設けることができる。
　また、例えば、絶縁体６３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料との積層構造を用いてもよい。当該構成により、容量６００は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量６００の静電破壊を抑制することができる。
　なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
　または、絶縁体６３０は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。また、絶縁体６３０としては、ハフニウムと、ジルコニウムとが含まれる化合物などを用いても良い。半導体装置の微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体、および容量に用いる誘電体の薄膜化により、トランジスタ、容量などのリーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体、および容量に用いる誘電体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減、および容量の容量値の確保が可能となる。
　絶縁体６３０を介して、導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。導電体６１０は、容量６００の一対の電極の一方としての機能を有する。
　なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステン、モリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）等を用いればよい。また、例えば、導電体６２０は、導電体６１０に適用できる材料を用いることができる。また、導電体６２０は、単層構造ではなく、２層以上の積層構造としてもよい。
　導電体６２０、及び絶縁体６３０上には、絶縁体６４０が設けられている。絶縁体６４０としては、例えば、トランジスタ５００が設けられている領域に、水素、不純物などが拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
　絶縁体６４０上には、絶縁体６５０が設けられている。絶縁体６５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体６５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。そのため、絶縁体６５０としては、例えば、絶縁体３２４に適用できる材料とすることができる。
　ところで、図１２、及び図１４に示す容量６００は、プレーナ型としているが、容量の形状はこれに限定されない。容量６００は、プレーナ型ではなく、例えば、シリンダ型としてもよい。
　また、容量６００の上方には、配線層を設けてもよい。例えば、図１２において、絶縁体４１１、絶縁体４１２、絶縁体４１３、及び絶縁体４１４が、絶縁体６５０の上方に、順に設けられている。また、絶縁体４１１、絶縁体４１２、及び絶縁体４１３には、プラグ、又は配線として機能する導電体４１６が設けられている構成を示している。また、導電体４１６は、一例として、後述する導電体６６０に重畳する領域に設けることができる。
　また、絶縁体６３０、絶縁体６４０、及び絶縁体６５０には、導電体６１２と重畳する領域に開口部が設けられ、当該開口部を埋めるように導電体６６０が設けられている。導電体６６０は、上述した配線層に含まれている導電体４１６に電気的に接続するプラグ、配線として機能する。
　絶縁体４１１、及び絶縁体４１４は、例えば、絶縁体３２４などと同様に、水、水素などの不純物に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。そのため、絶縁体４１１、及び絶縁体４１４としては、例えば、絶縁体３２４などに適用できる材料を用いることができる。
　絶縁体４１２、及び絶縁体４１３は、例えば、絶縁体３２６と同様に、配線間に生じる寄生容量を低減するために、比誘電率が比較的低い絶縁体を用いることが好ましい。
　また、導電体６１２、及び導電体４１６は、例えば、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
＜トランジスタと強誘電キャパシタの構成例＞
　次に、金属酸化物がチャネル形成領域に含まれているトランジスタ５００内に、またその周辺に強誘電性を有しうる誘電体が設けられている構成について説明する。
　図１７Ａは、図１２、図１３Ａなどのトランジスタ５００の構成に強誘電性を有しうる誘電体が設けられた、トランジスタの構成の一例を示している。
　図１７Ａに示すトランジスタは、第２のゲート絶縁体として機能する絶縁体５２２を絶縁体５２０に置き換えた構成となっている。絶縁体５２０は、一例として、強誘電性を有しうる誘電体を用いることができる。
　このため、図１７Ａのトランジスタは、第２のゲート電極として機能する導電体５０３と、酸化物５３０と、の間に強誘電キャパシタを設けることができる。換言すると、図１７Ａのトランジスタは、第２のゲート絶縁体の一部に強誘電性を有しうる誘電体が設けられた、ＦｅＦＥＴ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＦＥＴ）とすることができる。
　強誘電性を有しうる材料としては、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ＨｆＺｒＯＸ（Ｘは０よりも大きい実数とする）、酸化ハフニウムに元素Ｊ１（ここでの元素Ｊ１は、ジルコニウム（Ｚｒ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）など。）を添加した材料、酸化ジルコニウムに元素Ｊ２（ここでの元素Ｊ２は、ハフニウム（Ｈｆ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）など。）を添加した材料、などが挙げられる。また、強誘電性を有しうる材料として、ＰｂＴｉＯＸ、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、チタン酸バリウム、などのペロブスカイト構造を有する圧電性セラミックを用いてもよい。また、強誘電性を有しうる材料としては、例えば、上記に列挙した材料から選ばれた複数の材料、又は、上記に列挙した材料から選ばれた複数の材料からなる積層構造とすることができる。ところで、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ＨｆＺｒＯＸ、および酸化ハフニウムに元素Ｊ１を添加した材料などは、成膜条件だけでなく、各種プロセスなどによっても結晶構造（特性）が変わり得る可能性があるため、本明細書等では強誘電性を発現する材料を強誘電体と呼ぶだけでなく、強誘電性を有しうる材料または強誘電性を有せしめる材料とも呼んでいる。
　また、図１７Ａにおいて、絶縁体５２０は１層として図示したが、絶縁体５２０は、強誘電性を有しうる誘電体を含む２層以上の絶縁膜としてもよい。その具体的な一例のトランジスタを図１７Ｂに示す。図１７Ｂにおいて、例えば、絶縁体５２０は、絶縁体５２０ａと絶縁体５２０ｂとを有する。絶縁体５２０ａは、絶縁体５１６と、導電体５０３と、のそれぞれの上面に設けられ、絶縁体５２０ｂは、絶縁体５２０ａの上面に設けられている。
　絶縁体５２０ａとしては、例えば、強誘電性を有しうる誘電体を用いることができる。また、絶縁体５２０ｂとしては、例えば、酸化シリコンなどを用いることができる。また、例えば、逆に絶縁体５２０ａに酸化シリコンを用いて、絶縁体５２０ｂに強誘電性を有しうる誘電体を用いてもよい。
　図１７Ｂに示すとおり、絶縁体５２０を２層として、一方の層に強誘電性を有しうる誘電体を設けて、他方の層に酸化シリコンを設けることで、ゲート電極として機能する導電体５０３と酸化物５３０との間に流れるリーク電流を抑えることができる。
　また、図１７Ｃには、絶縁体５２０を３層とする、トランジスタの構成例を示している。図１７Ｃにおいて、絶縁体５２０は、例えば、絶縁体５２０ａと、絶縁体５２０ｂと、絶縁体５２０ｃと、を有する。絶縁体５２０ｃは、絶縁体５１６と、導電体５０３と、のそれぞれの上面に設けられ、絶縁体５２０ａは、絶縁体５２０ｃの上面に設けられ、絶縁体５２０ｂは、絶縁体５２０ａの上面に設けられている。
　絶縁体５２０ａとしては、例えば、強誘電性を有しうる誘電体を用いることができる。また、絶縁体５２０ｂ、及び絶縁体５２０ｃとしては、例えば、酸化シリコンなどを用いることができる。
　図１７Ａ乃至図１７Ｃに示す、トランジスタと強誘電キャパシタのそれぞれの構成は、例えば、実施の形態１で説明した、トランジスタＦＭ１乃至ＦＭ３などに適用することができる。
　図１８は、図１７Ａ乃至図１７Ｃのそれぞれのトランジスタとは異なる、図１２、図１３Ａなどのトランジスタ５００の構成に強誘電性を有しうる誘電体が設けられた、トランジスタの構成の一例を示している。
　図１８に示すトランジスタは、第１のゲート絶縁体として機能する絶縁体５５２、絶縁体５５０、及び絶縁体５５４と、第１のゲート電極として機能する導電体５６０と、絶縁体５８０の一部の領域と、の上方に、強誘電性を有しうる誘電体が設けられた、トランジスタの構成の一例を示している。
　具体的には、絶縁体５５２と、絶縁体５５０と、絶縁体５５４と、導電体５６０と、絶縁体５８０の一部の領域と接するように、絶縁体５６１が設けられている。絶縁体５６１は、一例として、図１７Ａの絶縁体５２０に適用できる、強誘電性を有しうる誘電体を用いることができる。
　また、絶縁体５６１の上部には、導電体５６２が接するように設けられている。導電体５６２としては、例えば、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　このため、図１８のトランジスタの構成によって、第１のゲート電極として機能する導電体５０３と、導電体５６２と、の間に強誘電キャパシタを設けることができる。
　なお、絶縁体５６１は、図１７Ｂ、及び図１７Ｃに示す絶縁体５２０と同様に、２層以上の積層構造としてもよい。
　また、図１８に示す、トランジスタと強誘電キャパシタのそれぞれの構成は、例えば、実施の形態１で説明した、トランジスタＭ１と容量ＦＣ１に適用することができる。
　図１９Ａは、図１７Ａ乃至図１７Ｃ、及び図１８のそれぞれのトランジスタとは異なる、図１２、図１３Ａなどのトランジスタ５００の構成に強誘電性を有しうる誘電体が設けられた、トランジスタの構成の一例を示している。
　図１９Ａに示すトランジスタには、導電体５４２ｂに重畳する領域における、絶縁体５４４、絶縁体５７１ｂ、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５７６、絶縁体５８１に設けられている開口部内に、絶縁体６０２が設けられている。具体的には、当該開口部内において、当該開口部の側面に絶縁体５４１ｂが設けられ、絶縁体５４１ｂ上と、当該開口部の底部である導電体５４２ｂ上と、に導電体５４０ｂが設けられ、絶縁体５８１の一部の領域と、導電体５４０ｂ上と、に絶縁体６０２が設けられ、残りの開口部を埋めるように、絶縁体６０２上に導電体６１３が設けられている。
　なお、別の具体的な構成例としては、当該開口部内において、当該開口部の側面に絶縁体５４１ｂが設けられ、絶縁体５４１ｂ上に導電体５４０ｂが設けられ、絶縁体５８１の一部の領域と、導電体５４０ｂ上と、当該開口部の底部である導電体５４２ｂ上と、に絶縁体６０２が設けられ、残りの開口部を埋めるように、絶縁体６０２上に導電体６１３が設けられていてもよい。
　絶縁体６０２は、一例として、図１７Ａの絶縁体５２０に適用できる、強誘電性を有しうる誘電体を用いることができる。
　中でも強誘電性を有しうる誘電体として、酸化ハフニウム、あるいは酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムを有する材料は、数ｎｍといった薄膜に加工しても強誘電性を有しうることができるため、好ましい。ここで、絶縁体６０２の膜厚は、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは、１０ｎｍ以下にすることができる。絶縁体６０２を薄膜化することで、微細化されたトランジスタに組み合わせて半導体装置を形成することができる。
　絶縁体６０２として、酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムを有する材料（ＨｆＺｒＯｘ）を用いる場合、熱ＡＬＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ　ＡＬＤ）法を用いて成膜することが好ましい。
　また、熱ＡＬＤ法を用いて、絶縁体６０２を成膜する場合、プリカーサとして炭化水素（Ｈｙｄｒｏ　Ｃａｒｂｏｎ、ＨＣともいう）を含まない材料を用いると好適である。絶縁体６０２中に、水素、及び炭素のいずれか一方または双方が含まれる場合、絶縁体６０２の結晶化を阻害する場合がある。このため、上記のように、炭化水素を含まないプリカーサを用いることで、絶縁体６０２中の、水素、及び炭素のいずれか一方または双方の濃度を低減することが好ましい。例えば、炭化水素を含まないプリカーサとしては、塩素系材料があげられる。なお、絶縁体６０２として、酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムを有する材料（ＨｆＺｒＯｘ）を用いる場合、プリカーサとしては、ＨｆＣｌ４、及び／またはＺｒＣｌ４を用いればよい。
　また、熱ＡＬＤ法を用いて、絶縁体６０２を成膜する場合、酸化剤はＨ２ＯまたはＯ３を用いることができる。なお、熱ＡＬＤ法の酸化剤としては、Ｈ２Ｏいるよりも、Ｏ３を用いる方が、膜中の水素濃度を低減できるため好適である。ただし、熱ＡＬＤ法の酸化剤としては、これに限定されない。例えば、熱ＡＬＤ法の酸化剤としては、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＨ２Ｏ２の中から選ばれるいずれか一または複数を含んでもよい。
　導電体６１３は、例えば、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　導電体６１３は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することができる。例えば、熱ＡＬＤ法を用いて窒化チタンを成膜することができる。ここで、導電体６１３の成膜は、熱ＡＬＤ法のように、基板を加熱しながら成膜する方法が好ましい。例えば、基板温度を、室温以上、好ましくは３００℃以上、より好ましくは３２５℃以上、さらに好ましくは３５０℃以上にして成膜すればよい。また、例えば、基板温度を、５００℃以下、好ましくは４５０℃以下にして成膜すればよい。例えば、基板温度を４００℃程度にすればよい。
　上記のような温度範囲で導電体６１３を成膜することで、導電体６１３の形成後に高温のベーク処理（例えば、熱処理温度４００℃以上または５００℃以上のベーク処理）を行わなくても、絶縁体６０２に強誘電性を付与させることができる。また、上記のように下地に与えるダメージが比較的少ないＡＬＤ法を用いて導電体６１３を成膜することで、絶縁体６０２の結晶構造が過剰に破壊されるのを抑制することができるので、絶縁体６０２の強誘電性を高めることができる。
　例えば、導電体６１３をスパッタリング法により形成する場合、下地膜、ここでは絶縁体６０２にダメージが入り込む可能性がある。例えば、絶縁体６０２として酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムを有する材料（ＨｆＺｒＯｘ）を用い、導電体６１３をスパッタリング法により形成する場合、スパッタリング法により下地膜であるＨｆＺｒＯｘにダメージが入り、ＨｆＺｒＯｘの結晶構造（代表的には直方晶系などの結晶構造）が崩れる可能性がある。その後、熱処理を行うことにより、ＨｆＺｒＯｘの結晶構造の損傷を回復させるといった方法もあるが、スパッタリング法により形成されたＨｆＺｒＯｘ中のダメージ、例えばＨｆＺｒＯｘ中のダングリングボンド（例えば、Ｏ＊）と、ＨｆＺｒＯｘ中に含まれる水素とが結合し、ＨｆＺｒＯｘの結晶構造中の損傷を回復できない場合がある。
　よって、絶縁体６０２として用いられるＨｆＺｒＯｘは、水素を含まない、または水素の含有量が極めて少ない材料を用いることが好適である。絶縁体６０２として、水素を含まない、または水素の含有量が極めて少ない材料を用いることで、絶縁体６０２の結晶性を向上させることが可能となり、高い強誘電性を有する構造とすることができる。
　以上のように、本発明の一態様においては、例えば、絶縁体６０２として、熱ＡＬＤ法を用いて、炭化水素を用いないプリカーサ（代表的には塩素系プリカーサ）と、酸化剤（代表的にはＯ３）と、を用いて強誘電性材料を形成する。その後、熱ＡＬＤ法による成膜（代表的には４００℃以上の成膜）により、導電体６１３を形成することによって、成膜後のアニールなし、別言すると導電体６１３成膜時の温度を利用することで、絶縁体６０２の結晶性、または強誘電性を向上させることができる。なお、導電体６１３の成膜後のアニールを行わず、導電体６１３の成膜時の温度を利用して絶縁体６０２の結晶性または強誘電性を向上させることを、セルフアニールと呼称する場合がある。
　図１９Ａのトランジスタの構成によって、導電体５４２ｂに重畳する領域に含まれる開口部内の、導電体５４０ｂと、導電体６１３と、の間に強誘電キャパシタを設けることができる。
　なお、絶縁体６０２は、図１７Ｂ、及び図１７Ｃに示す絶縁体５２０と同様に、２層以上の積層構造としてもよい。
　図１９Ｂは、図１７Ａ乃至図１７Ｃ、図１８、及び図１９Ａのそれぞれのトランジスタとは異なる、図１２、図１３Ａなどのトランジスタ５００の構成に強誘電性を有しうる誘電体が設けられた、トランジスタの構成の一例を示している。
　図１９Ｂに示すトランジスタは、第１のゲート絶縁体として機能する絶縁体５５２、絶縁体５５０、及び絶縁体５５４を絶縁体５５３に置き換えた構成となっている。絶縁体５５３は、一例として、図１７Ａの絶縁体５２０に適用できる、強誘電性を有しうる誘電体を用いることができる。
　このため、図１９Ｂのトランジスタは、第１のゲート電極として機能する導電体５６０と、酸化物５３０と、の間に強誘電キャパシタを設けることができる。換言すると、図１９Ｂのトランジスタは、第１のゲート絶縁体の一部に強誘電性を有しうる誘電体が設けられた、ＦｅＦＥＴとすることができる。
　なお、絶縁体５５３は、図１７Ｂ、及び図１７Ｃに示す絶縁体５２０と同様に、２層以上の積層構造としてもよい。
　また、図１９Ｂでは、絶縁体５５２、絶縁体５５０、及び絶縁体５５４を絶縁体５５３に置き換えた構成としたが、別の構成例としては、絶縁体５５２、絶縁体５５０、及び絶縁体５５４の少なくとも一を絶縁体５５３に置き換えて、残りの絶縁体と絶縁体５５３との積層構造とした構成としてもよい。
　また、図１９Ａおよび図１９Ｂに示す、トランジスタと強誘電キャパシタのそれぞれの構成は、例えば、実施の形態１で説明したトランジスタＭ１と容量ＦＣ１などに適用することができる。
　図２０Ａは、トランジスタ５００の周辺に、強誘電性を有しうる誘電体を含む容量が設けられた、トランジスタ５００と当該容量の構成の一例を示している。
　図２０Ａに示すトランジスタは、一例として、導電体５４２ｂと重畳する領域において、絶縁体５４４、絶縁体５７１ｂ、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５７６、絶縁体５８１に複数の開口部が形成されている。また、１つの開口部の内側には、プラグとして機能する導電体５４０ｃが設けられ、また、当該開口部の側面と導電体５４０ｃとの間には、不純物に対してバリア性を有する絶縁体として、絶縁体５４１ｃが設けられている。また、別の１つの開口部の内側には、プラグとして機能する導電体５４０ｄが設けられ、また、当該開口部の側面と導電体５４０ｄとの間には、不純物に対してバリア性を有する絶縁体として、絶縁体５４１ｄが設けられている。なお、導電体５４０ｃ、及び導電体５４０ｄとしては、例えば、導電体５４０ａ、及び導電体５４０ｂに適用できる材料を用いることができ、また、絶縁体５４１ｃ、及び絶縁体５４１ｄとしては、例えば、絶縁体５４１ａ、及び絶縁体５４１ｂに適用できる材料を用いることができる。
　導電体５４０ｃ、及び導電体５４０ｄの上部には、絶縁体６０１が接するように設けられている。絶縁体６０１は、一例として、図１７Ａの絶縁体５２０に適用できる、強誘電性を有しうる誘電体を用いることができる。
　また、絶縁体６０１の上部には、導電体６１１が接するように設けられている。導電体６１１としては、例えば、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　このため、図２０Ａに示す構成によって、プラグとして機能する導電体５４０ｃ及び導電体５４０ｄと、導電体６１１と、の間に強誘電キャパシタを設けることができる。
　なお、絶縁体６０１は、図１７Ｂ、及び図１７Ｃに示す絶縁体５２０と同様に、２層以上の積層構造としてもよい。
　また、図２０Ａでは、絶縁体６０１に接しているプラグの数は２つ（導電体５４０ｃ及び導電体５４０ｄ）となっているが、当該プラグの数は１つでもよいし、３つ以上としてもよい。換言すると、図２０Ａでは、絶縁体６０１に重畳する領域において、プラグとして導電体を有する２つの開口部が設けられた例を図示したが、絶縁体６０１に重畳する領域に設けられる開口部は１つでもよいし、３つ以上としてもよい。
　図２０Ｂは、図２０Ａとは異なる、トランジスタ５００の周辺に、強誘電性を有しうる誘電体を含む容量が設けられた、トランジスタ５００と当該容量の構成の一例を示している。
　図２０Ｂに示すトランジスタにおいて、プラグとして機能する導電体５４０ｂ上に位置する導電体６１０、及び絶縁体５８１の一部の領域の上面には、絶縁体６３１が設けられている。絶縁体６３１は、一例として、図１７Ａの絶縁体５２０に適用できる、強誘電性を有しうる誘電体を用いることができる。
　また、絶縁体６３１の上面には、導電体６２０が設けられ、また、絶縁体５８１と、導電体６１２と、導電体６２０と、絶縁体６３１の一部の領域と、の上面には、絶縁体６４０、及び絶縁体６５０が順に設けられている。
　このため、図２０Ｂに示す構成によって、導電体６１０と、導電体６２０と、の間に強誘電キャパシタを設けることができる。
　なお、絶縁体６３１は、図１７Ｂ、及び図１７Ｃに示す絶縁体５２０と同様に、２層以上の積層構造としてもよい。
　また、図２０Ａおよび図２０Ｂに示す、トランジスタと強誘電キャパシタのそれぞれの構成は、例えば、実施の形態１で説明したトランジスタＭ１と容量ＦＣ１などに適用することができる。
　酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置として、本実施の形態で説明した本構造を適用することにより、当該トランジスタの電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。又は、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化又は高集積化を図ることができる。
　なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
　本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）について説明する。
　金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウム、コバルトなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
＜結晶構造の分類＞
　まず、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図２１Ａを用いて説明を行う。図２１Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。
　図２１Ａに示すように、酸化物半導体は、大きく分けて「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ（結晶性）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」と、に分類される。また、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ」の中には、ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓが含まれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の中には、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、ｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）が含まれる。なお、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の分類には、ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ、ｐｏｌｙ　ｃｒｙｓｔａｌ、及びｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓは除かれる（図中、ｅｘｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ａｎｄ　ｐｏｌｙ　ｃｒｙｓｔａｌと付記）。また、「Ｃｒｙｓｔａｌ」の中には、ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ、及びｐｏｌｙ　ｃｒｙｓｔａｌが含まれる。
　なお、図２１Ａに示す太枠内の構造は、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」との間の中間状態であり、新しい境界領域（Ｎｅｗ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｐｈａｓｅ）に属する構造である。すなわち、当該構造は、エネルギー的に不安定な「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」、及び「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」とは全く異なる構造と言い換えることができる。
　なお、膜または基板の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）スペクトルを用いて評価することができる。ここで、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」に分類されるＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＧＩＸＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ−Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ＸＲＤ）測定で得られるＸＲＤスペクトルを図２１Ｂに示す。なお、ＧＩＸＤ法は、薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ−Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。以降、図２１Ｂに示すＧＩＸＤ測定で得られるＸＲＤスペクトルを、単にＸＲＤスペクトルと記す。なお、図２１Ｂに示すＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、図２１Ｂに示すＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の厚さは、５００ｎｍである。
　図２１Ｂに示すように、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、明確な結晶性を示すピークが検出される。具体的には、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、２θ＝３１°近傍に、ｃ軸配向を示すピークが検出される。なお、図２１Ｂに示すように、２θ＝３１°近傍のピークは、ピーク強度が検出された角度を軸に左右非対称である。
　また、膜または基板の結晶構造は、極微電子線回折法（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ　Ｂｅａｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって観察される回折パターン（極微電子線回折パターンともいう。）にて評価することができる。ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の回折パターンを、図２１Ｃに示す。図２１Ｃは、電子線を基板に対して平行に入射するＮＢＥＤによって観察される回折パターンである。なお、図２１Ｃに示すＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、極微電子線回折法では、プローブ径を１ｎｍとして電子線回折が行われる。
　図２１Ｃに示すように、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の回折パターンでは、ｃ軸配向を示す複数のスポットが観察される。
＜＜酸化物半導体の構造＞＞
　なお、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、図２１Ａとは異なる分類となる場合がある。例えば、酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、上述のＣＡＡＣ−ＯＳ、及びｎｃ−ＯＳがある。また、非単結晶酸化物半導体には、多結晶酸化物半導体、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体、などが含まれる。
　ここで、上述のＣＡＡＣ−ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、及びａ−ｌｉｋｅ　ＯＳの詳細について、説明を行う。
［ＣＡＡＣ−ＯＳ］
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、複数の結晶領域を有し、当該複数の結晶領域はｃ軸が特定の方向に配向している酸化物半導体である。なお、特定の方向とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の厚さ方向、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線方向、またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜の表面の法線方向である。また、結晶領域とは、原子配列に周期性を有する領域である。なお、原子配列を格子配列とみなすと、結晶領域とは、格子配列の揃った領域でもある。さらに、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ−ｂ面方向において複数の結晶領域が連結する領域を有し、当該領域は歪みを有する場合がある。なお、歪みとは、複数の結晶領域が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。つまり、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向し、ａ−ｂ面方向には明らかな配向をしていない酸化物半導体である。
　なお、上記複数の結晶領域のそれぞれは、１つまたは複数の微小な結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶）で構成される。結晶領域が１つの微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の最大径は１０ｎｍ未満となる。また、結晶領域が多数の微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の大きさは、数十ｎｍ程度となる場合がある。
　また、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、チタンなどから選ばれた一種、または複数種）において、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム（Ｉｎ）、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。よって、（Ｍ，Ｚｎ）層にはインジウムが含まれる場合がある。また、Ｉｎ層には元素Ｍが含まれる場合がある。なお、Ｉｎ層にはＺｎが含まれる場合もある。当該層状構造は、例えば、高分解能ＴＥＭ像において、格子像として観察される。
　ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、例えば、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ　ＸＲＤ測定では、ｃ軸配向を示すピークが２θ＝３１°またはその近傍に検出される。なお、ｃ軸配向を示すピークの位置（２θの値）は、ＣＡＡＣ−ＯＳを構成する金属元素の種類、組成などにより変動する場合がある。
　また、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の電子線回折パターンにおいて、複数の輝点（スポット）が観測される。なお、あるスポットと別のスポットとは、試料を透過した入射電子線のスポット（ダイレクトスポットともいう。）を対称中心として、点対称の位置に観測される。
　上記特定の方向から結晶領域を観察した場合、当該結晶領域内の格子配列は、六方格子を基本とするが、単位格子は正六角形とは限らず、非正六角形である場合がある。また、上記歪みにおいて、五角形、七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリー）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないこと、金属原子が置換することで原子間の結合距離が変化すること、などによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
　なお、明確な結晶粒界が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトランジスタのオン電流の低下、電界効果移動度の低下などを引き起こす可能性が高い。よって、明確な結晶粒界が確認されないＣＡＡＣ−ＯＳは、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳを構成するには、Ｚｎを有する構成が好ましい。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、及びＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶性が高く、明確な結晶粒界が確認されない酸化物半導体である。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入、及び欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物、欠陥（酸素欠損など）などの少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、ＯＳトランジスタにＣＡＡＣ−ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。
［ｎｃ−ＯＳ］
　ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。別言すると、ｎｃ−ＯＳは、微小な結晶を有する。なお、当該微小な結晶の大きさは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることから、当該微小な結晶をナノ結晶ともいう。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ、及び非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ　ＸＲＤ測定では、結晶性を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、ナノ結晶よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、ナノ結晶の大きさと近いかナノ結晶より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、ダイレクトスポットを中心とするリング状の領域内に複数のスポットが観測される電子線回折パターンが取得される場合がある。
［ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ］
　ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。また、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、膜中の水素濃度が高い。
＜＜酸化物半導体の構成＞＞
　次に、上述のＣＡＣ−ＯＳの詳細について、説明を行う。なお、ＣＡＣ−ＯＳは材料構成に関する。
［ＣＡＣ−ＯＳ］
　ＣＡＣ−ＯＳとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つまたは複数の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。
　さらに、ＣＡＣ−ＯＳとは、第１の領域と、第２の領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、当該第１の領域が、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、当該第１の領域と、当該第２の領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。
　ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳを構成する金属元素に対するＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの原子数比のそれぞれを、［Ｉｎ］、［Ｇａ］、および［Ｚｎ］と表記する。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳにおいて、第１の領域は、［Ｉｎ］が、ＣＡＣ−ＯＳ膜の組成における［Ｉｎ］よりも大きい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、ＣＡＣ−ＯＳ膜の組成における［Ｇａ］よりも大きい領域である。または、例えば、第１の領域は、［Ｉｎ］が、第２の領域における［Ｉｎ］よりも大きく、且つ、［Ｇａ］が、第２の領域における［Ｇａ］よりも小さい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、第１の領域における［Ｇａ］よりも大きく、且つ、［Ｉｎ］が、第１の領域における［Ｉｎ］よりも小さい領域である。
　具体的には、上記第１の領域は、インジウム酸化物、インジウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。また、上記第２の領域は、ガリウム酸化物、ガリウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。つまり、上記第１の領域を、Ｉｎを主成分とする領域と言い換えることができる。また、上記第２の領域を、Ｇａを主成分とする領域と言い換えることができる。
　なお、上記第１の領域と、上記第２の領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
　例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳでは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、Ｉｎを主成分とする領域（第１の領域）と、Ｇａを主成分とする領域（第２の領域）とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。
　ＣＡＣ−ＯＳをトランジスタに用いる場合、第１の領域に起因する導電性と、第２の領域に起因する絶縁性とが、相補的に作用することにより、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳに付与することができる。つまり、ＣＡＣ−ＯＳとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。導電性の機能と絶縁性の機能とを分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。よって、ＣＡＣ−ＯＳをトランジスタに用いることで、高いオン電流（Ｉｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および良好なスイッチング動作を実現することができる。
　酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ、ＣＡＣ−ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞
　続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
　上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
　トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１３ｃｍ−３以下、より好ましくは１×１０１１ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上である。なお、酸化物半導体膜のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。なお、キャリア濃度の低い酸化物半導体を、高純度真性又は実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼称する場合がある。
　また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
　また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
　従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
＜不純物＞
　ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
　酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコン、炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコン、炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコン、炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
　また、酸化物半導体にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
　また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア濃度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。または、酸化物半導体において、窒素が含まれると、トラップ準位が形成される場合がある。この結果、トランジスタの電気特性が不安定となる場合がある。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中の窒素濃度を、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
　また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満にする。
　不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
　なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
　本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した二次電池の制御回路として機能する半導体装置を電子部品とする例について、図２２を用いて説明する。
　本実施の形態では、図２２を用いて、半導体装置が実装されたシステムオンチップ１２０４の一例を示す。システムオンチップ１２０４には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
　図２２には、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０３上に複数のチップが設けられる例を示す。図２２において、プリント基板１２０３上には、チップ１２０１が設けられている。チップ１２０１には、二次電池の制御回路として機能する半導体装置が設けられている。チップ１２０１の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、プリント基板１２０３と接続する。
　本発明の一態様の二次電池の制御回路として機能する半導体装置を設けることにより、電子部品において、チップを小型化することができる。
　また、本発明の一態様の二次電池の制御回路として機能する半導体装置を設けることにより、チップの集積化が可能となるため、携帯端末、およびその他の様々な電子機器において、制御回路の占有体積を小さくすることができるため、電子機器の小型化が可能となる。また、制御回路の小型化により、二次電池の占める体積を大きくすることもできる。これにより、蓄電池の持続時間を長くすることができる。また、制御回路の小型化により、消費電力を低減できる場合がある。
　プリント基板１２０３には、第２のチップとして集積回路１２２３が設けられることが好ましい。集積回路１２２３はチップ１２０１へ制御信号、電源、等を与える機能を有する。
　プリント基板１２０３に設けられる様々なチップとして、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。また、プリント基板１２０３には、無線通信を行う機能を有するチップとして、チップ１２２５が設けられてもよい。
　また、集積回路１２２３は、画像処理、または積和演算などを行う機能を有してもよい。
　また、集積回路１２２３は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有してもよい。
　本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
　本実施の形態では、上記実施の形態で説明した二次電池の制御回路を備えた電子部品を適用可能な蓄電装置の構成について説明する。
［円筒型二次電池］
　円筒型の二次電池の例について図２３Ａを参照して説明する。円筒型の二次電池４００は、図２３Ａに示すように、上面に正極キャップ（電池蓋）４０１を有し、側面及び底面に電池缶（外装缶）４０２を有している。これら正極キャップ４０１と電池缶（外装缶）４０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）４１０によって絶縁されている。
　図２３Ｂは、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。図２３Ｂに示す円筒型の二次電池は、上面に正極キャップ（電池蓋）８０１を有し、側面および底面に電池缶（外装缶）８０２を有している。これら正極キャップと電池缶（外装缶）８０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）８１０によって絶縁されている。
　中空円柱状の電池缶８０２の内側には、帯状の正極８０４と負極８０６とがセパレータ８０５を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶８０２は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶８０２には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金、これらと他の金属との合金（例えば、ステンレス鋼等）を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケル、アルミニウム等を電池缶８０２に被覆することが好ましい。電池缶８０２の内側において、正極、負極およびセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板８０８、８０９により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶８０２の内部は、非水電解液（図示せず）が注入されている。非水電解液は、コイン型の二次電池と同様のものを用いることができる。
　円筒型の蓄電池に用いる正極および負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成することが好ましい。正極８０４には正極端子（正極集電リード）８０３が接続され、負極８０６には負極端子（負極集電リード）８０７が接続される。正極端子８０３および負極端子８０７は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子８０３は安全弁機構８１３に、負極端子８０７は電池缶８０２の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構８１３は、ＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）８１１を介して正極キャップ８０１と電気的に接続されている。安全弁機構８１３は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ８０１と正極８０４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子８１１は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。ＰＴＣ素子には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）系半導体セラミックス等を用いることができる。
　図２３Ｃは蓄電装置４１５の一例を示す。蓄電装置４１５は複数の二次電池４００を有する。それぞれの二次電池の正極は、絶縁体４２５で分離された導電体４２４に接触し、電気的に接続されている。導電体４２４は配線４２３を介して、制御回路４２０に電気的に接続されている。また、それぞれの二次電池の負極は、配線４２６を介して制御回路４２０に電気的に接続されている。制御回路４２０として、先の実施の形態にて述べた制御回路を用いることができる。
　図２３Ｄは、蓄電装置４１５の一例を示す。蓄電装置４１５は複数の二次電池４００を有し、複数の二次電池４００は、導電板４３３及び導電板４３４の間に挟まれている。複数の二次電池４００は、配線４３６により導電板４３３及び導電板４３４と電気的に接続される。複数の二次電池４００は、並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよいし、並列に接続された後さらに直列に接続されていてもよい。複数の二次電池４００を有する蓄電装置４１５を構成することで、大きな電力を取り出すことができる。
　複数の二次電池４００の間に温度制御装置を有していてもよい。二次電池４００が過熱されたときは、温度制御装置により冷却し、二次電池４００が冷えすぎているときは温度制御装置により加熱することができる。そのため蓄電装置４１５の性能が外気温に影響されにくくなる。
　また、図２３Ｄにおいて、蓄電装置４１５は制御回路４２０に配線４２１及び配線４２２を介して電気的に接続されている。制御回路４２０として、先の実施の形態にて述べた二次電池の制御回路を用いることができる。配線４２１は導電板４３３を介して複数の二次電池４００の正極に、配線４２２は導電板４３４を介して複数の二次電池４００の負極に、それぞれ電気的に接続される。
　また図２４Ａ乃至図２４Ｃに示すような捲回体９５０ａを有する二次電池９１３としてもよい。図２４Ａに示す捲回体９５０ａは、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、を有する。負極９３１は負極活物質層９３１ａを有する。正極９３２は正極活物質層９３２ａを有する。セパレータ９３３は、負極活物質層９３１ａおよび正極活物質層９３２ａよりも広い幅を有し、負極活物質層９３１ａおよび正極活物質層９３２ａと重畳するように捲回されている、また正極活物質層９３２ａよりも負極活物質層９３１ａの幅が広いことが安全性の点で好ましい。またこのような形状の捲回体９５０ａは安全性および生産性がよく好ましい。
　図２４Ｂに示すように、負極９３１は端子９５１と電気的に接続される。端子９５１は端子９１１ａと電気的に接続される。また正極９３２は端子９５２と電気的に接続される。端子９５２は端子９１１ｂと電気的に接続される。
　図２４Ｃに示すように、筐体９３０により捲回体９５０ａおよび電解液が覆われ、二次電池９１３となる。筐体９３０には安全弁、過電流保護素子等を設けることが好ましい。
　図２４Ｂに示すように二次電池９１３は複数の捲回体９５０ａを有していてもよい。複数の捲回体９５０ａを用いることで、より充放電容量の大きい二次電池９１３とすることができる。
［二次電池パック］
　次に本発明の一態様の蓄電装置の例について、図２５を用いて説明する。
　図２５Ａは、二次電池パック５３１の外観を示す図である。図２５Ｂは二次電池パック５３１の構成を説明する図である。二次電池パック５３１は、回路基板５０１と、二次電池５１３と、を有する。二次電池５１３には、ラベル５０９が貼られている。回路基板５０１は、シール５１５により固定されている。また、二次電池パック５３１は、アンテナ５１７を有する。
　回路基板５０１は制御回路５９０を有する。制御回路５９０は、先の実施の形態に示す制御回路を用いることができる。例えば、図２５Ｂに示すように、回路基板５０１上に、制御回路５９０を有する。また、回路基板５０１は、端子５１１と電気的に接続されている。また回路基板５０１は、アンテナ５１７、二次電池５１３の正極リード及び負極リードの一方５５１、正極リード及び負極リードの他方５５５と電気的に接続される。
　あるいは、図２５Ｃに示すように、回路基板５０１上に設けられる回路システム５９０ａと、端子５１１を介して回路基板５０１に電気的に接続される回路システム５９０ｂと、を有してもよい。例えば、本発明の一態様の制御回路の一部分が回路システム５９０ａに、他の一部分が回路システム５９０ｂに、それぞれ設けられる。
　なお、アンテナ５１７はコイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、ＥＨアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。又は、アンテナ５１７は、平板状の導体でもよい。この平板状の導体は、電界結合用の導体の一つとして機能することができる。つまり、コンデンサの有する２つの導体のうちの一つの導体として、アンテナ５１７を機能させてもよい。これにより、電磁界、磁界だけでなく、電界で電力のやり取りを行うこともできる。
　二次電池パック５３１は、アンテナ５１７と、二次電池５１３との間に層５１９を有する。層５１９は、例えば二次電池５１３による電磁界を遮蔽することができる機能を有する。層５１９としては、例えば磁性体を用いることができる。
　二次電池５１３は、例えば、セパレータを挟んで負極と、正極とが重なり合って積層され、該積層シートを捲回したものである。
　本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
　本実施の形態では、車両に本発明の一態様である蓄電装置を搭載する例を示す。車両として例えば自動車、二輪車、自転車、等が挙げられる。
　蓄電装置を車両に搭載すると、ハイブリッド車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、又はプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）等の次世代クリーンエネルギー自動車を実現できる。
　図２６において、本発明の一態様である蓄電装置を用いた車両を例示する。図２６Ａに示す自動車８４００は、走行のための動力源として電気モータを用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モータとエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。本発明の一態様を用いることで、航続距離の長い車両を実現することができる。自動車８４００は蓄電装置を有する。蓄電装置は電気モータ８４０６を駆動するだけでなく、ヘッドライト８４０１、ルームライト（図示せず）などの発光装置に電力を供給することができる。
　また、蓄電装置は、自動車８４００が有するスピードメーター、タコメーターなどの表示装置に電力を供給することができる。また、蓄電装置は、自動車８４００が有するナビゲーションシステムなどに電力を供給することができる。
　図２６Ｂに示す自動車８５００は、自動車８５００が有する蓄電装置８０２４にプラグイン方式、非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図２６Ｂに、地上設置型の充電装置８０２１から自動車８５００に搭載された蓄電装置８０２４に、ケーブル８０２２を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法、コネクターの規格等はＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）、コンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。充電装置８０２１は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源であってもよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により自動車８５００に搭載された蓄電装置８０２４を充電することができる。充電は、ＡＣＤＣコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。
　また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路、外壁等に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時、走行時等に蓄電装置の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式、磁界共鳴方式等を用いることができる。
　また、図２６Ｃは、本発明の一態様の蓄電装置を用いた二輪車の一例である。図２６Ｃに示すスクータ８６００は、蓄電装置８６０２、サイドミラー８６０１、方向指示灯８６０３を備える。蓄電装置８６０２は、方向指示灯８６０３に電気を供給することができる。
　また、図２６Ｃに示すスクータ８６００は、座席下収納８６０４に、蓄電装置８６０２を収納することができる。蓄電装置８６０２は、座席下収納８６０４が小型であっても、座席下収納８６０４に収納することができる。
　また、図２７Ａは、本発明の一態様の蓄電装置を用いた電動自転車の一例である。図２７Ａに示す電動自転車８７００に、本発明の一態様の蓄電装置を適用することができる。本発明の一態様の蓄電装置は例えば、複数の蓄電池と、保護回路と、ニューラルネットワークと、を有する。
　電動自転車８７００は、蓄電装置８７０２を備える。蓄電装置８７０２は、運転者をアシストするモータに電気を供給することができる。また、蓄電装置８７０２は、持ち運びができ、図２７Ｂに自転車から取り外した状態を示している。また、蓄電装置８７０２は、本発明の一態様の蓄電装置が有する蓄電池８７０１が複数内蔵されており、そのバッテリー残量などを表示部８７０３で表示できるようにしている。また蓄電装置８７０２は、本発明の一態様の制御回路８７０４を有する。制御回路８７０４は、蓄電池８７０１の正極及び負極と電気的に接続されている。制御回路８７０４として、先の実施の形態に示す電池制御回路を用いることができる。
　本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態７）
　本実施の形態では、先の実施の形態で示した蓄電装置を電子機器に実装する例を説明する。
　次に、図２８Ａ及び図２８Ｂに、２つ折り可能なタブレット型端末（クラムシェル型端末も含む）の一例を示す。図２８Ａ及び図２８Ｂに示すタブレット型端末９６００は、筐体９６３０ａ、筐体９６３０ｂ、筐体９６３０ａと筐体９６３０ｂを接続する可動部９６４０、表示部９６３１、表示モード切り替えスイッチ９６２６、電源スイッチ９６２７、省電力モード切り替えスイッチ９６２５、留め具９６２９、操作スイッチ９６２８、を有する。表示部９６３１には、可撓性を有するパネルを用いることで、より広い表示部を有するタブレット型端末とすることができる。図２８Ａは、タブレット型端末９６００を開いた状態を示し、図２８Ｂは、タブレット型端末９６００を閉じた状態を示している。
　また、タブレット型端末９６００は、筐体９６３０ａ及び筐体９６３０ｂの内部に蓄電体９６３５を有する。蓄電体９６３５は、可動部９６４０を通り、筐体９６３０ａと筐体９６３０ｂに渡って設けられている。
　表示部９６３１は、一部をタッチパネルの領域とすることができ、表示された操作キーにふれることでデータ入力をすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタンが表示されている位置に指、スタイラスなどでふれることで表示部９６３１にキーボードボタン表示することができる。
　また、表示モード切り替えスイッチ９６２６は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示、カラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ９６２５は、タブレット型端末９６００に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。
　図２８Ｂは、タブレット型端末が閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、及び本発明の一態様の蓄電装置を有する。蓄電装置は、制御回路９６３４と、蓄電体９６３５と、を有する。制御回路９６３４については、先の実施の形態に示す電池制御回路を用いることができる。
　なお、タブレット型端末９６００は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０ａ及び筐体９６３０ｂを重ね合せるように折りたたむことができる。折りたたむことにより、表示部９６３１を保護できるため、タブレット型端末９６００の耐久性を高めることができる。
　また、この他にも図２８Ａ及び図２８Ｂに示したタブレット型端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。
　タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐体９６３０の片面又は両面に設けることができ、蓄電体９６３５の充電を効率的に行う構成とすることができる。
　なお図２８Ａ、図２８Ｂでは、２つ折り可能なタブレット型端末に先の実施の形態に示す電池制御回路を用いた制御回路を適用する構成について説明したが、他の構成でもよい。例えば、図２８Ｃに図示するように、クラムシェル型端末であるノート型パーソナルコンピュータへの適用も可能である。図２８Ｃでは、筐体９６３０ａに表示部９６３１、筐体９６３０ｂにキーボード部９６５０を備えたノート型パーソナルコンピュータ９６０１を図示している。ノート型パーソナルコンピュータ９６０１内には、図２８Ａ、図２８Ｂで説明した制御回路９６３４と、蓄電体９６３５と、を有する。制御回路９６３４については、先の実施の形態に示す電池制御回路を用いることができる。
　図２９に、他の電子機器の例を示す。図２９において、表示装置８０００は、本発明の一態様の蓄電装置を実装する電子機器の一例である。具体的に、表示装置８０００は、ＴＶ放送受信用の表示装置に相当し、筐体８００１、表示部８００２、スピーカ部８００３、二次電池８００４等を有する。本発明の一態様に係る検出システムは、筐体８００１の内部に設けられている。表示装置８０００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、二次電池８００４に蓄積された電力を用いることもできる。
　表示部８００２には、液晶表示装置、有機ＥＬ素子などの発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ）などの、半導体表示装置を用いることができる。
　また、音声入力デバイス８００５も二次電池を用いる。音声入力デバイス８００５は、先の実施の形態に示す蓄電装置を有する。音声入力デバイス８００５は、無線通信素子の他、マイクを含むセンサ（光学センサ、温度センサ、湿度センサ、気圧センサ、照度センサ、モーションセンサなど）を複数有し、使用者の命令する言葉によって他のデバイス、例えば表示装置８０００の電源操作、照明装置８１００の光量調節などを行うことができる。音声入力デバイス８００５は音声で周辺機器の操作が行え、手動リモコンの代わりとなる。
　また、音声入力デバイス８００５は、車輪、機械式移動手段等を有しており、使用者の発声が聞こえる方向に移動し、内蔵されているマイクで正確に命令を聞き取るとともに、その内容を表示部８００８に表示する、または表示部８００８のタッチ入力操作が行える構成としている。
　また、音声入力デバイス８００５は、スマートフォンなどの携帯情報端末８００９の充電ドックとしても機能させることができる。携帯情報端末８００９と音声入力デバイス８００５は、有線または無線で電力の授受を可能としている。携帯情報端末８００９は、室内においては、特に持ち運ぶ必要がなく、必要な容量を確保しつつ、二次電池に負荷がかかり劣化することを回避したいため、音声入力デバイス８００５によって二次電池の管理、メンテナンスなどを行えることが望ましい。また、音声入力デバイス８００５はスピーカ８００７及びマイクを有しているため、携帯情報端末８００９が充電中であってもハンズフリーで会話することもできる。また、音声入力デバイス８００５の二次電池の容量が低下すれば、矢印の方向に移動し、外部電源と接続された充電モジュール８０１０から無線充電によって充電を行えばよい。
　また、音声入力デバイス８００５を台に載せてもよい。また、音声入力デバイス８００５を車輪、機械式移動手段等を設けて所望の位置に移動させてもよく、或いは台、車輪等を設けず、音声入力デバイス８００５を所望の位置、例えば床の上などに固定してもよい。
　なお、表示装置には、ＴＶ放送受信用の他、パーソナルコンピュータ用、広告表示用など、全ての情報表示用表示装置が含まれる。
　図２９において、据え付け型の照明装置８１００は、充電を制御するマイクロプロセッサ（ＡＰＳを含む）で制御される二次電池８１０３を用いた電子機器の一例である。具体的に、照明装置８１００は、筐体８１０１、光源８１０２、二次電池８１０３等を有する。図２９では、二次電池８１０３が、筐体８１０１及び光源８１０２が据え付けられた天井８１０４の内部に設けられている場合を例示しているが、二次電池８１０３は、筐体８１０１の内部に設けられていても良い。照明装置８１００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、二次電池８１０３に蓄積された電力を用いることもできる。
　なお、図２９では天井８１０４に設けられた据え付け型の照明装置８１００を例示しているが、二次電池８１０３は、天井８１０４以外、例えば側壁８１０５、床８１０６、窓８１０７等に設けられた据え付け型の照明装置に用いることもできるし、卓上型の照明装置などに用いることもできる。
　また、光源８１０２には、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を用いることができる。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、ＬＥＤ、有機ＥＬ素子などの発光素子が、上記人工光源の一例として挙げられる。
　図２９において、室内機８２００及び室外機８２０４を有するエアコンディショナーは、二次電池８２０３を用いた電子機器の一例である。具体的に、室内機８２００は、筐体８２０１、送風口８２０２、二次電池８２０３等を有する。図２９では、二次電池８２０３が、室内機８２００に設けられている場合を例示しているが、二次電池８２０３は室外機８２０４に設けられていても良い。或いは、室内機８２００と室外機８２０４の両方に、二次電池８２０３が設けられていても良い。エアコンディショナーは、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、二次電池８２０３に蓄積された電力を用いることもできる。
　図２９において、電気冷凍冷蔵庫８３００は、二次電池８３０４を用いた電子機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫８３００は、筐体８３０１、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３、二次電池８３０４等を有する。図２９では、二次電池８３０４が、筐体８３０１の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫８３００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、二次電池８３０４に蓄積された電力を用いることもできる。
　また、電子機器が使用されない時間帯、特に、商用電源の供給元が供給可能な総電力量のうち、実際に使用される電力量の割合（電力使用率と呼ぶ）が低い時間帯において、二次電池に電力を蓄えておくことで、上記時間帯以外において電力使用率が高まるのを抑えることができる。例えば、電気冷凍冷蔵庫８３００の場合、気温が低く、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３の開閉が行われない夜間において、二次電池８３０４に電力を蓄える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３の開閉が行われる昼間において、二次電池８３０４を補助電源として用いることで、昼間の電力使用率を低く抑えることができる。
　上述の電子機器の他、二次電池はあらゆる電子機器に搭載することができる。本発明の一態様により、二次電池のサイクル特性が良好となる。そのため、本発明の一態様である充電を制御するマイクロプロセッサ（ＡＰＳを含む）を本実施の形態で説明した電子機器に搭載することで、より長寿命の電子機器とすることができる。本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
　本発明の一態様の蓄電装置を電子機器に実装する例を図３０Ａ乃至図３０Ｅに示す。本発明の一態様の蓄電装置を適用した電子機器として、例えば、テレビジョン装置（テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
　図３０Ａは、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機７４００は、筐体７４０１に組み込まれた表示部７４０２の他、操作ボタン７４０３、外部接続ポート７４０４、スピーカ７４０５、マイク７４０６などを備えている。なお、携帯電話機７４００は、本発明の一態様の蓄電装置を有する。本発明の一態様の蓄電装置は例えば、蓄電池７４０７と、先の実施の形態に示す電池制御回路と、を有する。
　図３０Ｂは、携帯電話機７４００を湾曲させた状態を示している。携帯電話機７４００を外部の力により変形させて全体を湾曲させると、その内部に設けられている蓄電池７４０７も湾曲される場合がある。このような場合には、蓄電池７４０７として、可撓性を有する蓄電池を用いることが好ましい。可撓性を有する蓄電池の曲げられた状態を図３０Ｃに示す。蓄電池には制御回路７４０８が電気的に接続されている。制御回路７４０８として、先の実施の形態に示す電池制御回路を用いることができる。
　また、フレキシブルな形状を備える蓄電池を、家屋、ビルの内壁または外壁、自動車の内装または外装の曲面等に沿って組み込むことも可能である。
　図３０Ｄは、バングル型の表示装置の一例を示している。携帯表示装置７１００は、筐体７１０１、表示部７１０２、操作ボタン７１０３、及び本発明の一態様の蓄電装置を有する。本発明の一態様の蓄電装置は例えば、蓄電池７１０４と、先の実施の形態に示す電池制御回路と、を有する。
　図３０Ｅは、腕時計型の携帯情報端末の一例を示している。携帯情報端末７２００は、筐体７２０１、表示部７２０２、バンド７２０３、バックル７２０４、操作ボタン７２０５、入出力端子７２０６などを備える。
　携帯情報端末７２００は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。
　表示部７２０２はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部７２０２はタッチセンサを備え、指、スタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部７２０２に表示されたアイコン７２０７に触れることで、アプリケーションを起動することができる。
　操作ボタン７２０５は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、携帯情報端末７２００に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作ボタン７２０５の機能を自由に設定することもできる。
　また、携帯情報端末７２００は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。
　また、携帯情報端末７２００は入出力端子７２０６を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子７２０６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子７２０６を介さずに無線給電により行ってもよい。
　携帯情報端末７２００は、本発明の一態様の蓄電装置を有する。該蓄電装置は、蓄電池と、先の実施の形態に示す電池制御回路と、を有する。
　携帯情報端末７２００はセンサを有することが好ましい。センサとして例えば、指紋センサ、脈拍センサ、体温センサ等の人体センサ、タッチセンサ、加圧センサ、加速度センサ、等が搭載されることが好ましい。
　本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態８）
　本実施の形態では、本発明の一態様である蓄電装置を電子機器または移動体に実装する例について説明する。
　まず先の実施の形態で説明した、蓄電装置を電子機器に実装する例を図３１Ａ乃至図３１Ｄに示す。曲げることのできる次電池を適用した電子機器として、例えば、テレビジョン装置（テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
　また、移動体、代表的には自動車に蓄電装置を適用することができる。自動車としては、ハイブリッド車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、又はプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）等の次世代クリーンエネルギー自動車を挙げることができ、自動車に搭載する電源の一つとして蓄電装置を適用することができる。移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）、電動自転車、電動バイクなども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様の蓄電装置を適用することができる。
　また、住宅に設けられる地上設置型の充電装置、商用施設に設けられた充電ステーション等に本実施の形態の蓄電装置を適用してもよい。
　図３１Ａは、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機２１００は、筐体２１０１に組み込まれた表示部２１０２の他、操作ボタン２１０３、外部接続ポート２１０４、スピーカ２１０５、マイク２１０６などを備えている。なお、携帯電話機２１００は、蓄電装置２１０７を有している。
　携帯電話機２１００は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。
　操作ボタン２１０３は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、携帯電話機２１００に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作ボタン２１０３の機能を自由に設定することもできる。
　また、携帯電話機２１００は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。
　また、携帯電話機２１００は外部接続ポート２１０４を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また外部接続ポート２１０４を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は外部接続ポート２１０４を介さずに無線給電により行ってもよい。
　携帯電話機２１００はセンサを有することが好ましい。センサとして例えば、指紋センサ、脈拍センサ、体温センサ等の人体センサ、タッチセンサ、加圧センサ、加速度センサ、等が搭載されることが好ましい。
　図３１Ｂは複数のローター２３０２を有する無人航空機２３００である。無人航空機２３００はドローンと呼ばれることもある。無人航空機２３００は、本発明の一態様である蓄電装置２３０１と、カメラ２３０３と、アンテナ（図示しない）を有する。無人航空機２３００はアンテナを介して遠隔操作することができる。
　また図３１Ｃに示すように、本発明の一態様の蓄電装置２６０１を複数有する蓄電装置２６０２を、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、又はプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、その他電子機器に搭載してもよい。
　図３１Ｄに、蓄電装置２６０２が搭載された車両の一例を示す。車両２６０３は、走行のための動力源として電気モータを用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モータとエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。電動モータを用いる車両２６０３は、複数のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）を有し、ＥＣＵによってエンジン制御などを行う。ＥＣＵは、マイクロコンピュータを含む。ＥＣＵは、電動車両に設けられたＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）に接続される。ＣＡＮは、車内ＬＡＮとして用いられるシリアル通信規格の一つである。
　蓄電装置は電気モータ（図示せず）を駆動するだけでなく、ヘッドライト、ルームライトなどの発光装置に電力を供給することができる。また、蓄電装置は、車両２６０３が有するスピードメーター、タコメーター、ナビゲーションシステムなどの表示装置および半導体装置に電力を供給することができる。
　車両２６０３は、蓄電装置２６０２が有する蓄電装置にプラグイン方式、非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。
　図３２Ａは地上設置型の充電装置２６０４から、ケーブルを介して車両２６０３に充電している状態を示している。充電に際しては、充電方法やコネクターの規格等はＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）やコンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により車両２６０３に搭載された蓄電装置２６０２を充電することができる。充電は、ＡＣＤＣコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。充電装置２６０４は、図３２Ａのように住宅に備えられたものであってもよいし、商用施設に設けられた充電ステーションでもよい。
　また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路、外壁等に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時、走行時等に蓄電装置の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式、磁界共鳴方式等を用いることができる。
　次に、本発明の一態様の蓄電装置の一例について、図３２Ａおよび図３２Ｂを用いて説明する。
　また図３２Ａに示す住宅は、本発明の一態様である蓄電装置を有する蓄電装置２６１２と、ソーラーパネル２６１０を有する。蓄電装置２６１２は、ソーラーパネル２６１０と配線２６１１等を介して電気的に接続されている。また蓄電装置２６１２と地上設置型の充電装置２６０４が電気的に接続されていてもよい。ソーラーパネル２６１０で得た電力は、蓄電装置２６１２に充電することができる。また蓄電装置２６１２に蓄えられた電力は、充電装置２６０４を介して車両２６０３が有する蓄電装置２６０２に充電することができる。蓄電装置２６１２は、床下空間部に設置されることが好ましい。床下空間部に設置することにより、床上の空間を有効的に利用することができる。あるいは、蓄電装置２６１２は床上に設置されてもよい。
　蓄電装置２６１２に蓄えられた電力は、住宅内の他の電子機器にも電力を供給することができる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置２６１２を無停電電源として用いることで、電子機器の利用が可能となる。
　図３２Ｂに、本発明の一態様に係る蓄電装置７００の一例を示す。図３２Ｂに示すように、建物７９９の床下空間部７９６には、本発明の一態様に係る蓄電装置７９１が設置されている。
　蓄電装置７９１には、制御装置７９０が設置されており、制御装置７９０は、配線によって、分電盤７０３と、蓄電コントローラ７０５（制御装置ともいう）と、表示器７０６と、ルータ７０９と、に電気的に接続されている。
　商業用電源７０１から、引込線取付部７１０を介して、電力が分電盤７０３に送られる。また、分電盤７０３には、蓄電装置７９１と、商業用電源７０１と、から電力が送られ、分電盤７０３は、送られた電力を、コンセント（図示せず）を介して、一般負荷７０７及び蓄電系負荷７０８に供給する。
　一般負荷７０７は、例えば、テレビやパーソナルコンピュータなどの電気機器であり、蓄電系負荷７０８は、例えば、電子レンジ、冷蔵庫、空調機などの電気機器である。
　蓄電コントローラ７０５は、計測部７１１と、予測部７１２と、計画部７１３と、を有する。計測部７１１は、一日（例えば、０時から２４時）の間に、一般負荷７０７、蓄電系負荷７０８で消費された電力量を計測する機能を有する。また、計測部７１１は、蓄電装置７９１の電力量と、商業用電源７０１から供給された電力量と、を計測する機能を有していてもよい。また、予測部７１２は、一日の間に一般負荷７０７及び蓄電系負荷７０８で消費された電力量に基づいて、次の一日の間に一般負荷７０７及び蓄電系負荷７０８で消費される需要電力量を予測する機能を有する。また、計画部７１３は、予測部７１２が予測した需要電力量に基づいて、蓄電装置７９１の充放電の計画を立てる機能を有する。
　計測部７１１によって計測された一般負荷７０７及び蓄電系負荷７０８で消費された電力量は、表示器７０６によって確認することができる。また、ルータ７０９を介して、テレビ、パーソナルコンピュータなどの電気機器において、確認することもできる。さらに、ルータ７０９を介して、スマートフォン、タブレットなどの携帯電子端末によっても確認することができる。また、表示器７０６、電気機器、携帯電子端末によって、予測部７１２が予測した時間帯ごと（または一時間ごと）の需要電力量なども確認することができる。
　本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
（本明細書等の記載に関する付記）
　以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
　各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。
　なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。
　なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
　なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。
　また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
　また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
　本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）という表記を用いる。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。
　また、本明細書等において「電極」、「配線」等の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」、「配線」等の用語は、複数の「電極」、「配線」等が一体となって形成されている場合なども含む。
　また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電圧（接地電圧）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
　なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
　本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
　本明細書等において、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲートとが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとの間の距離をいう。
　本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。
　本明細書等において、ＡとＢとが接続されている、とは、ＡとＢとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、ＡとＢとが電気的に接続されているとは、ＡとＢとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、ＡとＢとの電気信号の授受を可能とするものをいう。
ＢＧ１乃至ＢＧ３：バックゲート電位、Ｃ１乃至Ｃ３：容量、ＦＣ１乃至ＦＣ３：容量、ＦＭ１乃至ＦＭ４：トランジスタ、Ｍ１：トランジスタ、Ｍ２：トランジスタ、Ｍ３：トランジスタ、Ｍ４：トランジスタ、Ｓ：選択信号、１００：半導体装置、１１０：二次電池、１２０：制御回路、１３０：負荷、１４０：充電器、１５０：パワートランジスタ

Claims (7)

  1. 　第１トランジスタと、
    　第１電圧を生成する第１電圧生成回路と、
    　第２電圧を生成する第２電圧生成回路と、を有し、
    　前記第１電圧生成回路は、第２トランジスタおよび第１容量を有し、
    　前記第２電圧生成回路は、第３トランジスタおよび第２容量を有し、
    　前記第１電圧と、前記第２電圧と、の差は、前記第１トランジスタのしきい値電圧に応じて設定される、二次電池の制御回路。
  2. 　第１トランジスタと、
    　第１電圧を生成する第１電圧生成回路と、
    　第２電圧を生成する第２電圧生成回路と、
    　電圧保持回路と、を有し、
    　前記第１電圧生成回路は、第２トランジスタおよび第１容量を有し、
    　前記第２電圧生成回路は、第３トランジスタおよび第２容量を有し、
    　前記第１トランジスタは、バックゲートを有し、
    　前記電圧保持回路は、前記バックゲートの電圧を保持する機能を有し、
    　前記第１電圧と、前記第２電圧と、の差は、前記第１トランジスタのしきい値電圧に応じて設定される、二次電池の制御回路。
  3. 　請求項２において、
    　前記電圧保持回路は、第４トランジスタおよび第３容量を有し、
    　前記第３容量は、一対の電極の間に強誘電体層を有し、
    　前記第３容量は、前記強誘電体層を分極反転させる電圧が印加されることで、前記バックゲートに印加する電圧を保持する、二次電池の制御回路。
  4. 　請求項３において、
    　前記強誘電体層は、酸化ハフニウムおよび／または酸化ジルコニウムを有する、二次電池の制御回路。
  5. 　請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記第１トランジスタ乃至第３トランジスタは、チャネルに酸化物半導体を有するトランジスタである、二次電池の制御回路。
  6. 　請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記第１トランジスタ乃至第３トランジスタは、チャネルにシリコンを有するトランジスタである、二次電池の制御回路。
  7. 　請求項１乃至６のいずれか一に記載の二次電池の制御回路と、
    　二次電池と、
    　筐体と、を有する電気機器。
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