(57)【要約】【課題】所望の出力電圧を発生させることができ、充電と放電とを同時に実施できるバッテリを含む半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、バッテリセルアレイ２と、電源制御回路３とを具備している。バッテリセルアレイ２は、充放電可能である複数の二次電池素子Ｂｃと、それら複数の二次電池素子Ｂｃに対応して設けられた複数の充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３とを備えている。電源制御回路３は、複数の充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３のオン／オフを制御する。【選択図】図１
2014158379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池素子とそれらに対応した複数の充放電スイッチとを備えるバッテリセルアレイと、
前記複数の充放電スイッチのオン／オフを制御する電源制御回路と
を具備する
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記複数の充放電スイッチの各々は、前記複数の二次電池素子のうちの少なくとも一つに繋がる経路上に設けられ、前記経路を接続するまたは切断する
半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記電源制御回路は、前記複数の二次電池素子の直列接続および並列接続の状態を、前記複数の充放電スイッチの各々を接続するまたは切断することにより変更する
半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記バッテリセルアレイと前記電源制御回路とは、同一の半導体基板上に設けられている
半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記複数の二次電池素子の各々は、固体二次電池を含む
半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置において、
前記複数の二次電池素子の各々は、半導体基板上方の配線層の一つに設けられている
半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記複数の充放電スイッチの各々は、ＭＯＳトランジスタを含む
半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置において、
前記複数の充放電スイッチの少なくとも一つは、酸化物半導体を用いた高耐圧ＭＯＳトランジスタを含む
半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記高耐圧ＭＯＳトランジスタは、半導体基板上方の配線層の一つに設けられている
半導体装置。
【請求項１０】
請求項４に記載の半導体装置において、
前記半導体基板上に形成されたロジック回路をさらに備える
半導体装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記バッテリセルアレイは、
行列状に配置された複数のマイクロバッテリセルを備えるセルアレイ部と、
前記セルアレイ部の行の選択を行う行セレクタ部と、
前記セルアレイ部の列の選択を行う列セレクタ部と
を備え、
前記複数のマイクロバッテリセルの各々は、
前記複数の二次電池素子の少なくとも一つとしての二次電池素子と、
前記二次電池素子に接続され、前記複数の充放電スイッチの少なくとも一つとしての充放電スイッチと
を備え、
前記電源制御回路は、前記行セレクタ部および前記列セレクタ部を介して、前記充放電スイッチのオン／オフを制御する
半導体装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の半導体装置において、
環境からエネルギーを回収し、前記複数の二次電池素子の少なくとも一つに電力として供給する電力回収素子をさらに含む
半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体装置において、
前記複数の二次電池素子または前記電力回収素子から電力を供給され、計測対象の状態を示す量を計測するセンサをさらに含む
半導体装置。
【請求項１４】
半導体装置を準備するステップと、
ここで、前記半導体装置は、
複数の二次電池素子とそれらに対応した複数の充放電スイッチとを備えるバッテリセルアレイと、
前記複数の充放電スイッチのオン／オフを制御する電源制御回路と
を備え、
前記複数の二次電池素子の直列接続および並列接続の状態を、前記電源制御回路により前記複数の充放電スイッチ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）の各々を接続するまたは切断することにより変更するステップと、
前記接続状態を変更された二次電池素子を充電または放電するステップと
を具備する
半導体装置の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、例えば二次電池素子を内蔵した半導体装置に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
エナジーハーベスト技術とセンサ技術とを活用したバッテリレス動作を実現する超低消費電力システムが知られている。ここでいうバッテリとは、いわゆる使い切りの１次電池のことを指す。超低消費電力システムとしては、無線センサノードが例示される。そのような超低消費電力システムでは、振動、熱、電波などの様々な環境エネルギーから電力を回収する技術が利用されている。例えば、特開２００８−１０９８４７号公報（特許文献１：対応米国出願ＵＳ２００８／０７９５６５（Ａ１））に無線センシング装置が開示されている。この無線センシング装置は、アンテナ回路と、バッテリと、センサ回路とを有する。アンテナ回路は、電波の授受を行う。バッテリは、電波から得られた電気エネルギーを蓄える。したがって特許文献１でいうバッテリは充放電可能な２次電池のことを指す。センサ回路は、電気エネルギーを用いて情報の取得を行う。
【０００３】
この特許文献１の記載によれば、この無線センシング装置は、バッテリの交換を行うことなく、恒常的に動作をすることが可能である。具体的には、アンテナ回路は、交流信号を受信する。ダイオードは、その交流信号を半波整流する。平滑容量は、その半波整流信号を平滑化する。充電回路は、この平滑化された電圧を用いて動作し、バッテリに充電を行う。バッテリとしては、二次電池や大容量のコンデンサを用いることができる。安定化電源回路は、バッテリの出力電圧を安定化し、安定化後の出力電圧を発振回路、変調回路、復調回路、論理回路、ＡＤ（アナログ・デジタル）変換回路、センサ回路、メモリ回路に供給する。また、無線センシング装置の一例として、薄膜二次電池を半導体基板上に形成した例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０９８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように特許文献１には、充放電可能な二次電池の搭載により電池交換不要な装置が記載されている。しかし、環境エネルギーから電力を回収して二次電池に充電する場合、その電力を回収する素子（特許文献１ではアンテナ回路）の出力電力と二次電池の充電電圧とが異なるときは、昇降圧回路によって出力電圧を充電電圧まで昇圧または降圧を行う必要がある。一般に、二次電池はその種類毎に充電電圧が決まっており、変更することができない。したがって、昇降圧回路は必須であるといえる。その一方で、この昇降圧回路による昇圧または降圧を行うことで、充電の効率は低下してしまう。このような昇降圧回路の利用に伴う充電効率の低下は、環境から電力を回収する素子のような出力電圧が極めて低い場合には特に致命的である。さらに、二次電池を放電する場合にも、出力段の動作回路の動作電圧と二次電池の放電電圧とが異なるときは、昇降圧回路を用いて出力電圧を動作電圧まで昇圧または降圧して放電を行う必要がある。一般に、二次電池の出力電圧も通常変更することができない。したがって、この場合にも、昇降圧回路は必須であるといえる。そして、電力回収素子の出力電圧を充電電圧に変換する昇降圧回路と、放電電圧を出力段の動作電圧に変換する昇降圧回路とは、電圧がそれぞれ異なるため、それぞれに対応した昇降圧回路が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施の形態によれば、半導体装置は、複数の二次電池素子とそれらに対応した複数の充放電スイッチとを備える充電機能部と、複数の充放電スイッチをオン／オフ制御して、二次電池素子同士の接続状態を制御する制御機能部とを備えている。
【発明の効果】
【０００７】
前記一実施の形態によれば、半導体装置における充電および放電に対してそれぞれ昇降圧回路を不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１の実施の形態に係るバッテリセルアレイの構成の一例を模式的に示す平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第１の実施の形態に係る二次電池素子の構成の一例を示す回路図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、第１の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの構成の一例を示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１の実施の形態に係るバッテリセルアレイの制御方法の例を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第１の実施の形態に係るバッテリセルアレイの制御方法の例を示す模式図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、第１の実施の形態に係るバッテリセルアレイの制御方法の例を示す模式図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、第１の実施の形態に係るバッテリセルアレイの制御方法の例を示す模式図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係るバッテリセルアレイの制御方法の例を示すブロック図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態に係るバッテリセルアレイの制御方法の他の例を示すブロック図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの構成の一例を示す断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第１の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの製造方法の一例を示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第１の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの製造方法の一例を示す断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、第１の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの製造方法の一例を示す断面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、第１の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの製造方法の一例を示す断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、第１の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの製造方法の一例を示す断面図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態に係るマイクロバッテリセルを含む半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
【図９】図９は、第２の実施の形態に係る半導体装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図１０】図１０は、第２の実施の形態に係るバッテリセルアレイの制御方法の例を示す模式図である。
【図１１】図１１は、第２の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの構造の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態に係る半導体装置について説明する。
【００１０】
実施の形態に係る半導体装置（１）は、バッテリセルアレイ（２）と、電源制御回路（３）とを具備している。バッテリセルアレイ（２）は、複数の二次電池素子（Ｂｃ）とそれらに対応した複数の充放電スイッチ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）とを備えている（充電機能部）。電源制御回路（３）は、複数の充放電スイッチ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）のオン／オフを制御する（制御機能部）。このような半導体装置１では、電源制御回路（３）による複数の充放電スイッチ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）の各々のオン／オフにより、複数の二次電池素子（Ｂｃ）同士の接続形態（例示：直列接続、並列接続、直／並列接続、など）を変更することが可能である。そのため、バッテリセルアレイ（２）の充電時において、その二次電池素子（Ｂｃ）同士の接続形態により、その充電電圧を変化させることができる。その結果、充電に用いる昇降圧回路を不要にすることが出来る。同様に、バッテリセルアレイ２の放電時において、その二次電池素子（Ｂｃ）同士の接続形態により、その放電電圧を変化させることができる。その結果、放電に用いる昇降圧回路を不要にすることが出来る。つまり、充電時と放電時にそれぞれ最適な直並列接続状態を構築可能となり、昇降圧回路を不要にできる。
【００１１】
また、特許文献１に記載の電力回収技術のような、いわゆるエナジーハーベスト技術を用いて電力を回収し、その電力で容量の大きい二次電池を充電する場合、ハーベスタの出力電圧は非常に小さい（例示：数百ｍＶレベル程度、発電量にして数十μＷレベル程度）。そのため、必然的に充電電流が小さくなってしまう。そうなると、充電時間が長くなり過ぎて、容量の大きい二次電池を効率良く充電することができなくなる。すなわち、充電効率が低下してしまう。前述のように、ハーベスタは発電量が小さいため、ロスは致命的な効率低下につながる。しかし、本実施の形態では、ハーベスタからの不安定な電力供給に対して、複数の二次電池素子（Ｂｃ）への接続を動的に切り換えることができる。それにより、複数の二次電池素子（Ｂｃ）の各々へ効率的に電力を供給して充電することができる。それにより、安定的な充電動作を実行することができる。
【００１２】
また、一般に、環境エネルギーは不安定なものが多い。そのため、環境エネルギーから電力を回収する場合、必要な時に十分なだけの電力が得られるとは必ずしもいえない。したがって、デバイスのバッテリレス動作を実現するための電源の安定動作が困難である。さらに充電電圧と動作電圧とが異なる状態に対しても、充電と放電とを同時に実施できることも必要である。しかし、本実施の形態では、電源制御回路３により、バッテリセルアレイ（２）内の充放電スイッチ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）のオン／オフを制御することが可能である。それにより、バッテリセルアレイ（２）の充電、バッテリセルアレイ（２）からの放電、およびそれら充電と放電との同時実施が、それぞれ異電圧でありながら設定可能となる。その結果、充電のために供給される電圧（例示：ハーベスタの電圧）が不安定であっても、安定な電源動作を実現することができる。
【００１３】
以下、各実施の形態に係る半導体装置に関して、添付図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る半導体装置の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【００１５】
半導体装置１は、バッテリセルアレイ２と、電源制御回路３とを具備している。バッテリセルアレイ２は、複数の二次電池素子Ｂｃと複数の充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３とを備えている。電源制御回路３は、外部信号や内部の記憶部に格納されたプログラムに基づく制御信号やロジック回路（後述）などからの制御信号に応答して、複数の充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３のオン／オフを制御する。ここで、バッテリセルアレイ２において、二次電池素子Ｂｃと充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３との組は、マイクロバッテリセルＢと見ることができる。すなわち、バッテリセルアレイ２は、複数のマイクロバッテリセルＢを備えている。この図では、一例として、バッテリセルアレイ２は、５個のマイクロバッテリセルＢを備えている。
【００１６】
マイクロバッテリセルＢは、二次電池素子Ｂｃと、二次電池素子Ｂｃ（例示：−極側）に接続された充放電スイッチＭ１と、他のマイクロバッテリセルＢとの接続／非接続を行う充放電スイッチＭ２、Ｍ３とを備えている。充放電スイッチＭ２は、充放電スイッチＭ１に接続されている。充放電スイッチＭ３は、二次電池素子Ｂｃ（例示：＋極側）に接続されている。複数のマイクロバッテリセルＢの充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、電源制御回路３に制御される。二次電池素子Ｂｃはリチウム系やナトリウム系のような（全）固体二次電池やキャパシタに例示される。この固体二次電池は、薄膜プロセスで製造可能であり、制御用の電子素子に連続して製造でき好ましい。充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタに例示される。このＭＯＳトランジスタは、制御用の電子素子と共に製造でき好ましい。
【００１７】
各マイクロバッテリセルＢ同士は、それぞれの充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３を介して互いに接続されている。言い換えると、複数の充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３の各々は、複数の二次電池素子Ｂｃのうちの少なくとも一つに繋がる経路上に設けられ、その経路を接続するまたは切断する。ただし、その経路は、例えば、二次電池素子Ｂｃ同士を繋ぐ経路や、二次電池素子Ｂｃとバッテリセルアレイの出力のスイッチ（Ｍ４１、Ｍ４２）とを繋ぐ経路などである。図１の例では、複数のマイクロバッテリセルＢは、充放電スイッチＭ３（例示：＋極側）および充放電スイッチＭ２（例示：−極側）を介して、互いに並列に接続されている。さらに／あるいは、複数のマイクロバッテリセルＢ同士が、それぞれの充放電スイッチを介して互いに直列に接続されていてもよい（図示されず：第２の実施の形態参照）。なお、充放電スイッチの配置の関係によっては、マイクロバッテリセルＢは、充放電スイッチＭ２、Ｍ３を有さなくても良い。バッテリセルアレイ２は、複数の二次電池素子Ｂｃの直列接続や並列接続の状態を複数の充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３を接続するまたは切断することにより変更する。すなわち、このようなバッテリセルアレイ２では、電源制御回路３により、各マイクロバッテリセルＢにおける充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３のオン／オフを制御することができる。それにより、所望の数の二次電池素子Ｂｃについて、所望の並列接続状態や直列接続状態や直／並列接続状態が設定可能となる。
【００１８】
複数のマイクロバッテリセルＢは、その−極側を、配線を介して接地されている。複数のマイクロバッテリセルＢは、その＋極側を、充電制御用スイッチＭ４１および放電制御用スイッチＭ４２を介して、配線９と接続されている。配線９は他の素子（例示：充電用の電力をバッテリセルアレイ２へ供給する素子、充電された電力をバッテリセルアレイ２から受け取る素子）と接続されている。充電制御用スイッチＭ４１と放電制御用スイッチＭ４２との間の配線９上には充放電制御用スイッチＭ４３が設けられている。充電制御用スイッチＭ４１、放電制御用スイッチＭ４２および充放電制御用スイッチＭ４３は、電源制御回路３に制御される。充電制御用スイッチＭ４１、放電制御用スイッチＭ４２および充放電制御用スイッチＭ４３は、ＭＯＳトランジスタに例示される。
【００１９】
半導体装置１は、さらに電力回収素子４とロジック回路５とを具備している。
電力回収素子４は、環境から電力回収を行う。電力回収素子４は、エナジーハーベスト技術におけるハーベスタ（エナジーハーベスト源）であり、一般的に、太陽電池、振動発電素子（圧電素子）、電波回収素子、熱電発電素子、風力発電装置、地熱発電装置、波浪発電装置などに例示される。電力回収素子４から出力される電力は配線９（および充電制御用スイッチＭ４１）を介してバッテリセルアレイ２へ供給される。または、配線９（および充放電制御用スイッチＭ４３）を介してロジック回路５へ供給される。このような電力回収素子４は、環境負荷低減の点から好ましい発電デバイスと考えられる。特に、太陽電池、振動発電素子（圧電素子）、電波回収素子、熱電発電素子などは取り扱いの容易な点からも好ましい。
【００２０】
ロジック回路５は、デカップリングキャパシタ（ＤＣＣ）を介して、電力回収素子４またはバッテリセルアレイ２から電力を供給され、その電源電圧で動作する論理回路である。電源制御回路3を制御しても良い。ロジック回路５は、例えばクロック信号ＣＬＫに同期して動作し、入力信号Ｓ１に応答して、内部で論理演算を行い、出力信号Ｓ２を送出する。その論理演算は、内部の記憶部に格納されたプログラムに基づく演算であっても良い。ロジック回路５は、ＭＣＵ（ｍｉｃｒｏ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  ｕｎｉｔ）やＭＰＵ（ｍｉｃｒｏ−ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｎｉｔ）やＣＰＵ（ｃｅｎｔｏｒａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｎｉｔ）に例示される。このロジック回路５は回収される電力が不安定かつ低発電量であることから、低電力で動作することが好ましい。
【００２１】
半導体装置１は、センサ７をさらに具備していてもよい。
センサ７は、電力回収素子４やバッテリセルアレイ２から配線９を介して電力を供給され、計測対象の状態を示す量（圧力、速度、加速度、流速、回転数、光、時間、温度、熱、歪み（応力）、磁気など）を計測する機器である。センサ７は、ロジック回路５に制御されて計測した値をロジック回路５へ出力しても良いし、外部機器に制御され、外部機器に計測した値を出力しても良い。このようなセンサ７は、外部から電力を供給する必要が無く、かつ、電力回収素子４が環境からエネルギーを受領できない状況でも、バッテリセルアレイ２から電力の供給を受けられるので、常時安定的に動作でき好ましい。
【００２２】
なお、半導体装置１において、バッテリセルアレイ２と電源制御回路３とは、一つのデバイス８として、同一の半導体チップ内または同一の半導体基板上に設けられていても良い。さらに、バッテリセルアレイ２と電源制御回路３とロジック回路５（およびＤＣＣ）とは、一つのデバイス８ａとして、同一の半導体チップ内または同一の半導体基板上に設けられていても良い。さらに、半導体装置１がセンサ７を含んでいる場合、バッテリセルアレイ２と電源制御回路３とロジック回路５（およびＤＣＣ）とセンサ７とは、一つのデバイス８ｂとして、同一の半導体チップ内または同一の半導体基板上に設けられていても良い。
【００２３】
このような半導体装置１は、例えば以下のように動作する。
充電動作では、電力回収素子４が発電し、その電力を供給する。電源制御回路３は、充電制御用スイッチＭ４１をオンにし、充放電制御用スイッチＭ４３をオフにする。それにより、電力回収素子４で発電された電力が配線９を介してバッテリセルアレイ２へ供給される（矢印Ａ１）。その時、各マイクロバッテリセルＢの充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３のオン／オフを制御することで、所望のマイクロバッテリセルＢを充電することができる。また、放電動作では、電源制御回路３は、充放電制御用スイッチＭ４３をオフにし、放電制御用スイッチＭ４２をオンにする。それにより、バッテリセルアレイ２に蓄積された電力が配線９を介してロジック回路５へ供給される（矢印Ａ１）。その時、各マイクロバッテリセルＢの充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３のオン／オフを制御することで、所望のマイクロバッテリセルＢを放電することができる。
【００２４】
このような半導体装置１では、電源制御回路３により、充電制御用スイッチＭ４１、放電制御用スイッチＭ４２および充放電制御用スイッチＭ４３のオン／オフ、および、バッテリセルアレイ２内の充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３のオン／オフを制御することができる。それにより、バッテリセルアレイ２の充電、バッテリセルアレイ２からの放電、およびそれら充電と放電との同時実施が、それぞれ異電圧でありながら設定可能となる。
【００２５】
このような半導体装置１では、電力回収素子４からの不安定な電力供給に対して、複数のマイクロバッテリセルＢへの接続を動的に切り換えることで、複数のマイクロバッテリセルＢの各々へ効率的に電力を供給して充電することができる。それにより、安定的な充電動作を実行することができる。加えて、複数のマイクロバッテリセルＢへの接続を動的に切り換えて放電を行うことで、電力回収素子４からの不安定な電力供給に関わらず、安定的な放電動作を実現することができる。
【００２６】
次に、バッテリセルアレイ２の具体的な一例について説明する。図２Ａは、本実施の形態に係るバッテリセルアレイ２の構成の一例を模式的に示す平面図である。
【００２７】
バッテリセルアレイ２は、セルアレイ部２３と、行セレクタ部２２と、列セレクタ部２１と、制御部２０とを備えている。セルアレイ部２３は、行列状に配置された複数のマイクロバッテリセルＢを備えている。具体的には、セルアレイ部２３は、ｍ行ｎ列に配置された複数のマイクロバッテリセルＢ１１〜Ｂｍｎ（Ｂｉｊ；ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ；ｉ、ｊは整数）を備えている。セルアレイ部２３は、さらに、第１方向（列方向）に延びる複数の配線の組（ＬＡ１、ＬＢ１）〜（ＬＡｎ、ＬＢｎ）と、第２方向（行方向）に延びる複数の配線ｗ１〜ｗｍとを備えている。複数のマイクロバッテリセルＢ１１〜Ｂｍｎの各々は、複数の配線の組（ＬＡ１、ＬＢ１）〜（ＬＡｎ、ＬＢｎ）と複数の配線ｗ１〜ｗｍとが交差する複数の箇所の各々に対応して設けられている。配線の組（ＬＡ１、ＬＢ１）〜（ＬＡｎ、ＬＢｎ）および配線ｗ１〜ｗｍは、充放電スイッチ（後述）のオン／オフの制御信号の供給や、充電電力／放電電力の供給に用いる。
【００２８】
行セレクタ部２２は、制御部２０の制御に基づいて、セルアレイ部２３の行を選択する。具体的には、行セレクタ部２２は、複数の配線ｗ１〜ｗｍの一端に接続され、制御部２０の制御に基づいて、少なくとも一つの所望の配線ｗを選択する。また、列セレクタ部２１は、制御部２０の制御に基づいて、セルアレイ部２３の列を選択し、充電制御用スイッチＭ４１または放電制御用スイッチＭ４２に接続する。具体的には、列セレクタ部２１は、複数の配線の組（ＬＡ１、ＬＢ１）〜（ＬＡｎ、ＬＢｎ）の一端に接続され、充電制御用スイッチＭ４１および放電制御用スイッチＭ４２の一端に接続されている。そして、制御部２０の制御に基づいて、少なくとも一つの所望の配線の組（ＬＡ、ＬＢ）を選択し、充電制御用スイッチＭ４１または放電制御用スイッチＭ４２に接続する。それにより、行セレクタ部２２で選択された配線ｗｉと列セレクタ部２１で選択された配線の組（ＬＡｊ、ＬＢｊ）とで決定される選択マイクロバッテリセルＢｉｊが、充電制御用スイッチＭ４１を介して充電され、または、放電制御用スイッチＭ４２を介して放電される。
【００２９】
制御部２０は、電源制御回路３の制御信号に基づいて、行セレクタ部２２および列セレクタ部２１の動作を制御する。言い換えると、電源制御回路３は、制御部２０を介して行セレクタ部２２および列セレクタ部２１の動作を制御することにより、セルアレイ部２３での充放電（充放電スイッチのオン／オフ）を制御する。
【００３０】
図２Ｂは、本実施の形態に係るマイクロバッテリセルＢｉｊの構成の一例を示す回路図である。マイクロバッテリセルＢｉｊは、二次電池素子１１と、二次電池素子１１に接続された充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂとを備えている。二次電池素子１１は、固体二次電池に例示される。二次電池素子１１は、図１における二次電池素子Ｂｃに対応している。充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂは、それぞれ図１における充放電スイッチＭ１、Ｍ３、Ｍ２に対応している。充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂは、（高速）ＭＯＳトランジスタに例示される。
【００３１】
マイクロバッテリセルＢｉｊは、配線ｗｉと配線の組（ＬＡｊ、ＬＢｊ）とが交差する箇所に対応して設けられている。配線ｗｉは、複数の配線ｗｉ−１〜ｗｉ−ｎを含んでいる。配線ｗｉ−１〜ｗｉ−ｎは、マイクロバッテリセルＢｉ１〜Ｂｉｎの充放電スイッチ１２であるＭＯＳトランジスタのゲートにそれぞれ接続されている。配線ＬＡｊは、配線ＬＡｊ−０と、複数の配線ＬＡｊ−１〜ＬＡｊ−ｍとを含んでいる。配線ＬＡｊ−０は、各マイクロバッテリセルＢ１ｊ〜Ｂｍｊの充放電スイッチ１３ａであるＭＯＳトランジスタを直列に接続している。配線ＬＡｊ−１〜ＬＡｊ−ｍは、各マイクロバッテリセルＢ１ｊ〜Ｂｍｊの充放電スイッチ１３ａであるＭＯＳトランジスタのゲートにそれぞれ接続されている。配線ＬＢｊは、配線ＬＢｊ−０と、複数の配線ＬＢｊ−１〜ＬＢｊ−ｍとを含んでいる。配線ＬＢｊ−０は、各マイクロバッテリセルＢ１ｊ〜Ｂｍｊの充放電スイッチ１３ｂを直列に接続している。配線ＬＢｊ−１〜ＬＡｊ−ｍは、各マイクロバッテリセルＢ１ｊ〜Ｂｍｊの充放電スイッチ１３ｂであるＭＯＳトランジスタのゲートにそれぞれ接続されている。
【００３２】
マイクロバッテリセルＢｉｊにおいて、充放電スイッチ１３ａは、配線ＬＡｊ−０上に配置され、ゲートを配線ＬＡｊ−ｉに接続され、一端を二次電池素子１１の＋極側に接続されている。充放電スイッチ１３ｂは、配線ＬＢｊ−０上に配置され、ゲートを配線ＬＢｊ−ｉに接続され、一端を、充放電スイッチ１２を介して、二次電池素子１１の−極側に接続されている。充放電スイッチ１２は、ゲートを配線ｗｉ−ｊに接続されている。
【００３３】
マイクロバッテリセルＢｉｊでは、配線ｗｉをＨｉｇｈレベルにして充放電スイッチ１２をオンにすると、二次電池素子１１の電荷を配線ＬＡｊ−０、ＬＢｊ−０に放電可能となる、または、配線ＬＡｊ−０、ＬＢｊ−０からの電荷を二次電池素子１１に充電可能となる。この状態において、配線ＬＡｊ−０、ＬＢｊ−０上の充放電スイッチ１３ａ、１３ｂをオンにすることで、二次電池素子１１は、列セレクタ部２１経由で、バッテリセルアレイ２の外側と、電荷の充放電を可能とすることができる。このとき、電源制御回路３は、制御部２０を介して行セレクタ部２２および列セレクタ部２１の動作を制御することにより、セルアレイ部２３での各充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂをオンまたはオフして、二次電池素子１１の充放電を制御している。
【００３４】
図２Ｃは、本実施の形態に係るマイクロバッテリセルＢｉｊの構成の一例を示す断面図である。マイクロバッテリセルＢｉｊの充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂは、ＭＯＳトランジスタとして、半導体基板上に設けられている。二次電池素子１１は、充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂが設けられた半導体基板の上方の層間絶縁層１６内（複数の配線層の一つの層間絶縁層内）に設けられている。このような二次電池素子１１は、配線層の製造プロセスに連続して製造でき好ましい。
【００３５】
充放電スイッチ１２のゲートは、配線ｗｉ−ｊに接続されている。充放電スイッチ１２のソース／ドレインの一方は、層間絶縁層１６を通るコンタクトと４層分の配線層中のビアおよび配線とで構成される配線１４を介して、層間絶縁層１６上方の二次電池素子１１の下側（−極側）に接続されている。充放電スイッチ１２のソース／ドレインの他方は、コンタクト、１層目の配線層中の配線ＬＢｊ−０および他のコンタクトを介して、充放電スイッチ１３ｂのソース／ドレインの一方に接続されている。
【００３６】
充放電スイッチ１３ａのゲートは、配線ＬＡｊ−ｉに接続されている。充放電スイッチ１３ａのソース／ドレインの一方は、層間絶縁層１６を通るコンタクトと５層分の配線層中のビアおよび配線とで構成される配線１５を介して、二次電池素子１１の上側（＋極側）に接続されている。充放電スイッチ１３ａのソース／ドレインの他方は、コンタクトを介して、１層目の配線層中の配線ＬＡｊ−０に接続されている。
【００３７】
充放電スイッチ１３ｂのゲートは、配線ＬＢｊ−ｉに接続されている。充放電スイッチ１３ｂのソース／ドレインの一方は充放電スイッチ１２のソース／ドレインの他方に、充放電スイッチ１３ｂのソース／ドレインの他方は、コンタクトを介して、１層目の配線層中の配線ＬＢｊ−０に接続されている。
【００３８】
本実施の形態における電源制御機能は、セルアレイ部２３と、制御機能部とから構成されている。セルアレイ部２３は、微小な固体二次電池素子（二次電池素子１１）と高速のＭＯＳスイッチ素子（充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂ）からなる複数のマイクロバッテリセルＢで構成されている。制御機能部は、このセルアレイ部２３の電源動作、すなわち高速のＭＯＳスイッチ素子の動作を制御する、行セレクタ部２２、列セレクタ部２１、制御部２０および電源制御回路３から構成されている。
【００３９】
そのような高速ＭＯＳトランジスタのスイッチ素子を制御することで、電源であるバッテリセルアレイの遷移特性（充電容量や内部抵抗）に対して適切な容量を適切なる速度で接続・分離を実現できる。また、マイクロバッテリセルの単位セルの電池容量は小さいため、充電時間は短時間で済む。また、電池容量が小さいため、充電電流が小さくても効率良い充電が可能となる。また、充放電スイッチ付きセルアレイ部とすることで、セル単位で充放電を制御することが可能となり、必要な電荷量のみをセルアレイ部から取り出すことが可能となる。
【００４０】
次に、バッテリセルアレイ２の制御方法について説明する。図３Ａ〜図３Ｄは、本実施の形態に係るバッテリセルアレイ２の制御方法の例を示す模式図である。ただし、図３Ａ〜図３Ｄは図２Ａのバッテリセルアレイ２を示している。ここでは、バッテリセルアレイ２は、図１の半導体装置に備えられているとして説明する。そのバッテリセルアレイ２では、電源制御回路３が充放電スイッチを制御することにより、各マイクロバッテリセルＢの動作状態が制御される。
【００４１】
例えば、図３Ａでは、バッテリセルアレイ２のうち、領域Ｒ１１のマイクロバッテリセルＢが放電状態であり、領域Ｒ１２のマイクロバッテリセルＢは非稼働状態であることを示している。外部（例示：電力回収素子４）からの電力回収がない（電力が供給されていない）状態においてロジック回路５（例示：ＭＣＵ）を動作させる場合、その動作状態に対応させて、必要な電力に相当する領域Ｒ１１のマイクロバッテリセルＢのみを稼働させることができる。
【００４２】
これとは反対の制御方法として、図３Ｂでは、バッテリセルアレイ２のうち、領域Ｒ２１のマイクロバッテリセルＢが充電状態であり、領域Ｒ２２のマイクロバッテリセルＢは非稼働状態であることを示している。外部（例示：電力回収素子４）からの電力回収がある（電力が供給されている）状態においてロジック回路５が動作していない場合、満充電状態になっていない領域Ｒ２１のマイクロバッテリセルＢに対して充電動作をさせることができる。
【００４３】
さらに、上述の２つの制御方法を同時に実現している制御方法として、図３Ｃでは、バッテリセルアレイ２のうち、領域Ｒ３１のマイクロバッテリセルＢが充電状態であり、領域Ｒ３２のマイクロバッテリセルＢは放電状態であることを示している。外部（例示：電力回収素子４）からの電力回収がある（電力が供給されている）状態においてロジック回路５が動作している場合、ロジック回路５の動作状況に合わせて、次の二つの動作を行うことができる。すなわち、必要な電力に相当する領域Ｒ３２のマイクロバッテリセルＢを放電モードで動作させてロジック回路５へ電源供給を行うことと、その動作に不要で充電が不十分な領域Ｒ３１のマイクロバッテリセルＢを充電動作させることである。
【００４４】
さらに、他の制御方法として、図３Ｄでは、バッテリセルアレイ２のうち、領域Ｒ４１のマイクロバッテリセルＢが放電状態であり、領域Ｒ４２のマイクロバッテリセルＢは非稼働状態であることを示している。ここで、領域Ｒ４１では、さらに、動作するマイクロバッテリセルＢを時系列で選択し、放電動作後のマイクロバッテリセルＢを切り離すことで、稼働するマイクロバッテリセルＢの領域Ｒ４１を時間的に変化させている。それにより、電池として電流の供給能力を向上（供給能力の低下を抑制）させることができる。また、放電動作だけでなく、充電動作も同様に時間的に領域を変化させて行うことができる。それにより、バッテリセルアレイ２の見かけ上の内部抵抗を低減（内部抵抗の上昇を抑制）することができる。これらにより、充放電効率の向上を図ることが可能である。
【００４５】
このように、電源供給すなわち放電動作と充電動作とが必要なマイクロバッテリセルＢを充放電スイッチ（ＭＯＳトランジスタ）で選択し、かつ、それぞれの動作電圧が異なった状態でありながら、同時に行うことが可能となる。
【００４６】
本実施の形態の半導体装置は、ＭＯＳトランジスタをスイッチ素子として用いたスイッチマトリックス型の固体二次電池（マイクロバッテリセル）アレイを備えている。そのため、充放電制御をマイクロバッテリセル単位で行うことができる。それにより、マイクロバッテリセルの充電と他のマイクロバッテリセルの放電とを同時に行うことなど、デバイスの充放電動作に柔軟に対応可能となる。また、充放電制御を、時系列に対応して行うことができる。それにより、例えば、電力回収素子からデバイスへ必要な電圧が供給されないとき、必要量に応じた数のマイクロバッテリセルを選択してデバイスへ電圧を供給することができる。
【００４７】
次に、バッテリセルアレイ２の制御方法についてさらに説明する。図４は、本実施の形態に係るバッテリセルアレイ２の制御方法の例を示すブロック図である。この図は、図３Ｃに相当する制御方法について具体的に示したものである。この図では、分かり易さのために、一例として、図１の半導体装置において、マイクロバッテリセルＢが５個であるバッテリセルアレイ２を示している。しかし、マイクロバッテリセルＢの数には制限はなく、環境からの電力回収率（電力回収素子４の効率）やロジック回路５を含めた装置の消費電力から必要なバッテリ容量より、マイクロバッテリセルＢの数の設計を行う。
【００４８】
ロジック回路５等への電源供給すなわちバッテリセルアレイ２の放電の動作（矢印Ａ４２）としては、領域３２で示す２個のマイクロバッテリセルＢが動作を行っている。一方、電力回収素子４からの電力受領すなわちバッテリセルアレイ２の充電の動作（矢印４１）としては、領域３１で示す３個のマイクロバッテリセルＢが動作を行っている。これらの動作に必要なマイクロバッテリセルＢは、電源制御回路３からの制御信号によって充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３により選択される。
【００４９】
図５は、本実施の形態に係るバッテリセルアレイ２の制御方法の他の例を示すブロック図である。この図は、例えば、図４の状態から、バッテリセルアレイ２の充放電の動作を変化させた状態を示している。バッテリセルアレイ２での充電領域および放電領域の範囲は、電源制御回路３の制御に基づく充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３の設定によって変更可能である。そのことから、動的に各マイクロバッテリセルＢの動作状態を変更することが可能である。
【００５０】
具体的には、図４の状態から各マイクロバッテリセルＢの放電状態をモニタすることで、図５に示すように、放電動作を行っていたマイクロバッテリセルＢＸ１を、充放電スイッチＭ１を動作させてバッテリセルアレイ２から切り離すことができる。それにより、例えば過放電を防止することができる。あるいは、図示しないが、未稼働だったマイクロバッテリセルＢを、充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３を動作させてバッテリセルアレイ２に新たに接続することができる。それにより、例えば電流供給能力の低減を抑制する、すなわち見かけ上バッテリ能力の向上をさせることができる。
【００５１】
一方、図４の状態から各マイクロバッテリセルＢの充放電状態をモニタすることで、図５に示すように、充電動作を行っていたマイクロバッテリセルＢＸ２を、充電の完了として、充放電スイッチＭ１を動作させてバッテリセルアレイ２から切り離すことができる。これにより、見かけ上のバッテリ容量を低減し、充電時間の低減を図ることができる。
【００５２】
以上のように、時系列によって動的に各マイクロバッテリセルＢの動作状態を変更させることにより、充放電効率の向上を図ることが可能である。なお、モニタは、例えばマイクロバッテリセルにＡＤコンバータを含む動作状態モニタ回路を、常時あるいは逐次並列接続させることにより電圧状態を測定することで監視することができる。
【００５３】
本実施の形態の半導体装置は、放電動作後のマイクロバッテリセルを一時的に切り離したり、充電完了後のマイクロバッテリセルを切り離したりすることができる。このように動的に動作状態を変更させることで、バッテリセルアレイの見かけ上の内部抵抗を低減（内部抵抗の上昇を抑制）したり、電池として電流（チャージ）供給能力を高めたりするなど、充放電効率の向上を図ることが可能である。さらに、直列／並列に接続可能な構成を取ることにより、動的に供給電圧を変化させることもできる。それにより、オーバードライブ（ｏｖｅｒ  ｄｒｉｖｅ）などの瞬間的な電圧供給能力向上が可能である。
【００５４】
次に、マイクロバッテリセルＢ（単位セル）の断面構造の具体的な一例について説明する。図６は、本実施の形態に係るマイクロバッテリセルの構成の一例を示す断面図である。ここでは、マイクロバッテリセルＢが図２Ｂに対応しているものとして説明する。
【００５５】
マイクロバッテリセルＢは、電源制御回路３等の制御機能部を構成するトランジスタや多層配線が形成された半導体基板上に設けられている。マイクロバッテリセルＢの二次電池素子１１は最上層の一つ下の配線層５６に埋め込まれた構造を有する。その二次電池素子１１としては、薄膜固体二次電池が形成されている。その薄膜固体二次電池（二次電池素子１１）は、上部の集電体薄膜となる導電膜（図示せず）と正極層１１ａと固体電解質層１１ｂと負極層１１ｃと下部の集電体薄膜となる導電膜（図示せず）とが積層された構成を有する。例えば、正極層１１ａとしてはコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、固体電解質層１１ｂとしてはリン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）、負極層１１ｃとしてはチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）である。ただし、以下に示す材料を用いることもできる。正極層１１ａには、例えばマンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リン酸コバルトリチウム、リン酸鉄リチウムである。固体電解質層１１ｂには、例えばリン酸鉄オキシナイトライド、チオリシコンと称されるリチウム硫化物である。負極層１１ｃには、例えば酸化錫、酸化チタンである。なお、二次電池素子１１として、ここではリチウムイオン電池の例を記載したが、全固体薄膜二次電池であれば二次電池素子１１はリチウムイオン系に限定されない。
【００５６】
充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂはＭＯＳトランジスタとして、半導体基板の表面領域に設けられている。放電スイッチ１２のゲートは、配線ｗに接続されている。放電スイッチ１２のソース／ドレインの一方は、コンタクト層５１および配線層５２〜５５を貫通するコンタクト７１、配線（一部ビアを含む）７２〜７５を介して、二次電池素子１１の負極層１１ｃの導電膜（図示せず）に接続されている。放電スイッチ１２のソース／ドレインの他方は、コンタクト層５１および配線層５２のコンタクト７６および配線７７を介して、配線層５２の配線ＬＢ０に接続されている。放電スイッチ１３ａのゲートは、配線ＬＡに接続されている。放電スイッチ１３ａのソース／ドレインの一方は、コンタクト層５１および配線層５２〜５６を貫通するコンタクト６１、配線（一部ビアを含む）６２〜６６を介して、二次電池素子１１の正極層１１ａに接続されている。放電スイッチ１３ａのソース／ドレインの他方は、コンタクト層５１および配線層５２のコンタクトおよび配線（図示されず）を介して、配線層５２の配線ＬＡ０に接続されている。放電スイッチ１３ｂのゲートは、配線ＬＢに接続されている。放電スイッチ１３ｂのソース／ドレインの一方は、コンタクト層５１および配線層５２を貫通するコンタクト８１および配線８２を介して、配線層５２の配線ＬＢ０に接続されている。放電スイッチ１３ｂのソース／ドレインの他方は、コンタクト層５１および配線層５２のコンタクト８３および配線８４を介して、配線層５２の配線ＬＢ０に接続されている。
【００５７】
この図６の場合において、配線層５２〜配線層５５の層間絶縁層は２層構造、配線層５６の層間絶縁層は３層構造を有している。各配線層における最下層の層間絶縁層は、ハードマスク（エッチングストッパ）として用いられる。ただし、配線層５２の層間絶縁層は、ハードマスク（エッチングストッパ）が必要なければ、１層構造であっても良い。その場合、上側の層間絶縁層を用いる。これらのことは、図２Ｃの場合も同様である。
【００５８】
次に、本実施の形態に係るマイクロバッテリセルを含む半導体装置の製造方法の一例について説明する。図７Ａ〜図７Ｅは、本実施の形態に係るマイクロバッテリセルの製造方法の一例を示す断面図である。ここでは、マイクロバッテリセルＢが図６の構成を有しているものとして説明する。
【００５９】
まず、図７Ａを参照して、シリコンのような半導体基板の表面領域に、電源制御回路３等の制御機能部を構成するトランジスタなどの電子素子や、マイクロバッテリセルＢの充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂとしてのＭＯＳトランジスタを形成する。充放電スイッチ１２のＭＯＳトランジスタのゲートは、配線ｗと共用される。半導体基板上の各電子素子の製造方法については従来知られた技術を用いることができる。
【００６０】
次に、図７Ｂを参照して、各電子素子を形成された半導体基板上に、コンタクト層５１および配線層５２〜５６’を形成する。
まず、半導体基板の表面領域を覆うようにコンタクト層５１を形成する。具体的には、まず、層間絶縁層を形成する。その後、その層間絶縁層を貫通するようにコンタクト７１、７６、６１、６６（図示されず）、８１、８３を例えばダマシン法などで形成する。そのとき、コンタクト７１、７６、６１、６６（図示されず）、８１、８３は、一端を、充放電スイッチ１２、１３ａ、１３ｂとしてのＭＯＳトランジスタのソース／ドレインにそれぞれ接続される。次に、コンタクト層５１を覆うように配線層５２を形成する。具体的には、まず、層間絶縁層を形成する。その後、その層間絶縁層内を通るように配線７２、７７、６２、６７（図示されず）、８２、８４、ＬＡ０、ＬＢ０を例えばダマシン法などで形成する。そのとき、コンタクト７１、７６、６１、６６（図示されず）、８１、８３は、他端を、配線７２、７７、６２、６７（図示されず）、８２、８４にそれぞれ接続される。続いて、配線層５２を覆うように配線層５３を形成する。具体的には、まず、層間絶縁層を形成する。その後、その層間絶縁層を貫通するように配線（一部ビアを含む）７３、６３を例えばデュアルダマシン法などで形成する。そのとき、配線７３、６３は、一端を、配線７２、６２にそれぞれ接続される。次に、配線層５３を覆うように配線層５４を形成する。具体的には、まず、層間絶縁層を形成する。その後、その層間絶縁層を貫通するように配線（一部ビアを含む）７４、６４を例えばデュアルダマシン法などで形成する。そのとき、配線７４、６４は、一端を、配線７３、６３にそれぞれ接続される。続いて、配線層５４を覆うように配線層５５を形成する。具体的には、まず、層間絶縁層を形成する。その後、その層間絶縁層を貫通するように配線（一部ビアを含む）７５、６５を例えばデュアルダマシン法などで形成する。そのとき、配線７５、６５は、一端を配線７４、６４にそれぞれ接続される。次に、配線層５５を覆うように配線層５６’を形成する。半導体基板上の各コンタクト層および配線層（コンタクトおよび配線を含む）の製造方法については従来知られた技術を用いることができる。
【００６１】
次に、図７Ｃを参照して、フォトリソグラフィおよびドライエッチングの技術を用いて、配線層５６’の所定の領域をエッチングして凹部を形成する。その所定の領域は、二次電池素子１１を形成予定の領域である。それにより、その凹部の底部には配線層５５の一部上部表面および配線７５が露出する。続いて、負極側の集電用の膜（図示されず）、負極層用の膜、固体電解質用の膜、正極層用の膜および正極側の集電用の膜（図示されず）をこの順に配線層５６’および露出している配線層５５（配線７５を含む）を覆うようにスパッタ法により成膜する。それにより、積層膜構造９６が形成される。
【００６２】
次に、図７Ｄを参照して、フォトリソグラフィおよびドライエッチングの技術を用いて、積層膜構造９６を所定の形状にエッチングして、二次電池素子１１を形成する。そのとき、二次電池素子１１の下方の負極層は集電用の膜を介して配線７５と接続されている。
【００６３】
次に、図７Ｅを参照して、二次電池素子１１および配線層５６’を覆うように層間絶縁層を形成して、配線層５６とする。その後、その層間絶縁層を貫通するように配線（一部ビアを含む）６６を形成する。そのとき、配線６６は、一端を配線６５の上部に接続され、途中で層間絶縁層の表面を通り、他端を二次電池素子１１の正極層に接続される。そして、その後、表面を絶縁膜で覆われる。これらの配線層（配線を含む）の製造方法については従来知られた方法を用いることができる。
【００６４】
以上のようにして、本実施の形態に係るマイクロバッテリセルを含む半導体装置が製造方法される。
【００６５】
本実施の形態に係るマイクロバッテリセルを含む半導体装置は、上述のように、従来の半導体装置の製造方法に、二次電池素子１１の製造方法を追加したものである。そのため、従来の半導体装置のプロセスを適用することができるので、製造における信頼性が高いということができる。
【００６６】
次に、本実施の形態に係るマイクロバッテリセルを含む半導体装置の構成の一例について説明する。図８は、本実施の形態に係るマイクロバッテリセルを含む半導体装置の構成の一例を示す断面図である。ここでは、図６の構成にデカップリングキャパシタ（ＤＣＣ）が追加されている。
【００６７】
半導体装置１は、電源（電力回収素子４やバッテリセルアレイ２）の出力段に接続するデカップリングキャパシタ（ＤＣＣ）として、シリンダＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）容量セルアレイ６を用いている。シリンダＭＩＭ容量セルアレイ６は、混載ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）において用いられるシリンダＭＩＭ容量技術を応用して形成される。シリンダＭＩＭ容量セルアレイ６は、複数のシリンダＭＩＭ容量セル１２１を、例えば行列状に配置した構造を有している。
【００６８】
この図の例では、シリンダＭＩＭ容量セル１２１は、そのシリンダ部分が配線層５２〜５４を貫通して設けられている。その下部電極は、コンタクト層５１のコンタクト１３１により、半導体基板（の素子や配線）に接続されている。その上部電極は、配線１１６に接続されている。配線１１６は、配線層５５〜５２およびコンタクト層５１の配線１１５〜１１２およびコンタクト１１１により、半導体基板（の素子や配線）に接続されている。
【００６９】
この図８の場合において、配線層５２は２層構造であることが好ましい。シリンダＭＩＭ容量セル１２１を形成するときにエッチングストッパとして機能させる膜が配線層５２には必要であり、配線層５２がそのような膜を含む２層構造である方が加工性（形状制御）を向上させ易いからである。他の配線層については、図６の場合と同様である。
【００７０】
なお、このシリンダＭＩＭ容量セルアレイ６は、上記ＤＣＣの用途だけでなく、例えば、電力回収素子４に接続するチャージポンプ回路に用いられる容量として適用しても良い。
【００７１】
以上説明されたように、本実施の形態の半導体装置は、複数の二次電池素子Ｂｃと複数の充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３とを備えるバッテリセルアレイ２と、充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３のオン／オフを制御する電源制御回路３とを少なくとも含む構成としている。それにより、充放電制御をセル単位（二次電池素子単位）で行うことができるので、充電と放電を同時に行うことが可能となる。また、動的に各セルの充放電状態を制御可能であることにより、電力回収素子４からの電力供給状態や、ロジック回路５の動作状況に応じて、バッテリセルアレイ２での充放電動作を柔軟に変更することが可能となる。その結果として効率的に充放電動作を行うことが可能となる。
【００７２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る半導体装置について説明する。本実施の形態では、充放電スイッチによりマイクロバッテリセル同士の接続形態を他の形態に変更している点で、第１の実施の形態と相違している。以下では、第１の実施の形態との相違点について主に説明する。
【００７３】
図９は、第２の実施の形態に係る半導体装置の構成を模式的に示すブロック図である。この図では、一例として、マイクロバッテリセルＢが５個であるバッテリセルアレイ２を示している。なお、ロジック回路５や充電制御用スイッチＭ４１の記載は省略されている。
【００７４】
このバッテリセルアレイ２は、隣接するマイクロバッテリセルＢ間に、充放電スイッチＭ５を備える配線１７が設けられている点で、図１の場合と相違している。電源制御回路３の制御により、充放電スイッチＭ５をオンにし、他の充放電スイッチＭ２、Ｍ３を適切にオン／オフすることで、この配線１７は、隣接するマイクロバッテリセルＢの二次電池素子Ｂｃの一方の正極と他方の負極とを接続することができる。すなわち、並列接続されたマイクロバッテリセルＢを直列に接続することができる。
【００７５】
この図の例では、マイクロバッテリセルアレイ２において、５個の二次電池素子Ｂｃのうち、領域Ｒ５１の４個の二次電池素子Ｂｃが直列に接続されて、放電動作を行っている。一方、領域Ｒ５２の１個の二次電池素子Ｂｃは接続されず、放電も充電も行っていない。すなわち、領域Ｒ５１の二次電池素子Ｂｃ１の負極は充放電スイッチＭ１を介して接地に接続され、その正極は充放電スイッチＭ３、Ｍ５、Ｍ２、Ｍ１を介して二次電池素子Ｂｃ２の負極に接続されている。二次電池素子Ｂｃ２の正極は充放電スイッチＭ３、Ｍ５、Ｍ２、Ｍ１を介して二次電池素子Ｂｃ３の負極に接続されている。二次電池素子Ｂｃ３の正極は充放電スイッチＭ３、Ｍ５、Ｍ２、Ｍ１を介して二次電池素子Ｂｃ４の負極に接続されている。二次電池素子Ｂｃ４の正極は放電制御用スイッチＭ４２を介して配線９に接続されている。それにより、配線９へ、二次電池素子Ｂｃ１〜Ｂｃ４を直列接続した電圧を供給することができる（矢印Ａ２’）。
【００７６】
これらの動作に必要な二次電池素子Ｂｃ１〜Ｂｃ４は、電源制御回路３からの制御信号に基づく適切な充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ５のオン／オフにより選択されている。これにより各二次電池素子Ｂｃの出力電圧以上の電圧をバッテリセルアレイ２から出力することができる。なお、第１の実施の形態と同様に、図９には５個のマイクロバッテリセルＢのみ記載されているが、もちろん、マイクロバッテリセルＢの数には制限はない。ロジック回路５を含めた装置の動作状態から、必要な出力電圧により、直列接続を行うマイクロバッテリセルＢの数が選択される。また、本実施の形態においても、接続状態は動的に変更することが可能である。すなわち、各マイクロバッテリセルＢの放電状況やロジック回路５の動作状況、さらには電力回収素子４からの電力回収状況に応じて、接続するマイクロバッテリセルＢの数や接続状態を変更させることが可能である。
【００７７】
図１０は、本実施の形態に係るバッテリセルアレイ２の制御方法の例を示す模式図である。ただし、図１０は図２Ａのバッテリセルアレイ２を示している。ここでは、バッテリセルアレイ２は、図９の半導体装置に備えられているとして説明する。
【００７８】
そのバッテリセルアレイ２では、電源制御回路３が充放電スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ５を制御することにより、各マイクロバッテリセルＢの動作状態が制御される。このようなバッテリセルアレイ２は、例えば、図２Ｂにおいて、以下のようにして実現できる。すなわち、マイクロバッテリセルＢｉｊとマイクロバッテリセルＢ（ｉ＋１）ｊとの境界に配線ＬＡｊ−０と配線ＬＢｊ−０とを接続する配線１７を設ける。そして、配線１７の途中に充放電スイッチＭ５としてのＭＯＳトランジスタを設け、そのゲートを行セレクタ部２２に接続する。その充放電スイッチＭ５のオン／オフは、行セレクタ部２２を介して電源制御回路３に制御させる。
【００７９】
図１０では、一例として、バッテリセルアレイ２のうち、領域Ｒ５１のマイクロバッテリセルＢが放電状態であり、領域Ｒ５２のマイクロバッテリセルＢは非稼働状態であることを示している。領域Ｒ５１のマイクロバッテリセルＢは直列接続にされて高電圧を出力する。このような高電圧は、例えば、ロジック回路５のオーバードライブ動作などにおいて使用される。ロジック回路５のスタンバイモードなど高電圧が不要なときは、第１の実施の形態（図３Ａ）のように、必要な電力に相当するマイクロバッテリセルＢのみ（領域Ｒ１１）を直接接続させずに稼働させる。このように、接続状態（直列、並列、マイクロバッテリセルＢの接続数など）が変更可能な構成なので、必要に応じて出力電圧を変動供給可能となる。
【００８０】
ここで、直列接続を行う場合、直列化によって高電圧がトランジスタに印加されることとなる。直列段数を増やすことで取り出せる電圧も高電圧化できるが、それに合わせてトランジスタを高耐圧化しておくことが望ましい。特に、以下に示すように、ＩｎＧａＺｎＯトランジスタなどの耐圧に優れ、配線層上部に形成可能なトランジスタを用いることが望ましい。
【００８１】
図１１は、第２の実施の形態に係るマイクロバッテリセルの構造を示す断面図である。基本的には、第１の実施の形態（図６）と同じである。ただし、本実施の形態（図１１）は、二次電池素子１１（固体薄膜二次電池）と同層に、放電制御用スイッチＭ４２としての高耐圧の能動素子９０を形成した点で、第１の実施の形態（図６）と相違している。能動素子９０はＭＯＳトランジスタである。チャネル層９１と層間絶縁層であるゲート絶縁層９２とゲート電極としての配線１４５とで構成されている。能動素子９０のゲートは、コンタクト層５１および配線層５２〜５４のコンタクト１４１および配線１４２〜１４４を介してスイッチ１４０に接続されている。能動素子９０のソース／ドレインの一方は、二次電池素子１１の正極に接続されている。能動素子９０のソース／ドレインの一方は、配線層５６の配線９３に接続されている。配線９３は配線９に接続される。なお、二次電池素子１１（固体薄膜二次電池）と高耐圧の能動素子９０とは、同層に設ける必要はない。このような能動素子９０は、配線層の製造プロセスに連続して製造でき好ましい。
【００８２】
高耐圧の能動素子９０において、チャネル層９１として好ましい材料は、以下のものに例示される。すなわち、ＩｎＧａＺｎＯ（ＩＧＺＯ）、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＣｕＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ｔａ２Ｏ５、およびＴｉＯ２やこれら同士の積層構造やこれらと他の材料との積層構造である。そのゲート絶縁層９２として好ましい材料は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、またはＨｆ、Ｚｒ、Ａｌ、若しくはＴａ等の金属の酸化物に例示される。ゲート電極（配線１４５）として好ましい材料は、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｗ、またはＷＮに例示される。
【００８３】
以上説明されたように、本実施の形態の半導体装置は、ＭＯＳトランジスタ（充放電スイッチ）からなるスイッチマトリックス型固体二次電池（マイクロバッテリセル）アレイを備えている。それにより、固体二次電池（マイクロバッテリセル）を直列／並列接続可能とすることができる。それにより、動的に供給電圧を変化させることも可能となり、例えばロジック回路におけるオーバードライブ動作などの瞬間的な電圧供給能力の向上が可能である。
【００８４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８５】
１  ：半導体装置
２  ：バッテリセルアレイ
３  ：電源制御回路
４  ：電力回収素子
５  ：ロジック回路
６  ：容量セルアレイ
９  ：配線
１１：二次電池素子
１１ａ：正極層
１１ｂ：固体電解質層
１１ｃ：負極層
１２、１３ａ、１３ｂ：放電スイッチ
１４、１５：配線
１６：層間絶縁層
１７：配線
２０：制御部
２１：列セレクタ部
２２：行セレクタ部
２３：セルアレイ部
５１：コンタクト層
５２〜５６、５６’：配線層
６１：コンタクト
６２〜６６：配線
７１、７６：コンタクト
７２〜７５、７７：配線
８１、８３：コンタクト
８２、８４：配線
９０：能動素子
９１：チャネル層
９２：ゲート絶縁層
９６：積層膜構造
１１１、１３１：コンタクト
１１６〜１１２：配線
１２１：シリンダＭＩＭ容量セル
１４０：スイッチ
１４１：コンタクト
１４２〜１４５：配線
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３１、Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ５１、Ｒ５２：領域
Ｂｃ：二次電池素子
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ５：充放電スイッチ
Ｍ４１：充電制御用スイッチ
Ｍ４２：放電制御用スイッチ
Ｍ４３：充放電制御用スイッチ
Ｂ：マイクロバッテリセル
ＬＡ、ＬＢ、ｗ：配線
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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