(57)【要約】蓄電装置の劣化が生じにくい充電を実現する半導体装置を提供する。環境温度に応じて充電電流の大きさを調整する。低温環境下での充電は、充電電流を小さくして行う。環境温度が低すぎるか、高すぎる場合は充電を停止する。環境温度の測定は、酸化物半導体を用いた記憶素子で行う。酸化物半導体を用いた記憶素子を用いることで、環境温度の測定と、当該温度情報の保持を同時に行う。
2020012296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１記憶素子と、第２記憶素子と、比較回路と、電流調整回路と、を有し、
前記第１記憶素子は、基準温度情報を保持する機能を有し、
前記第２記憶素子は、第１の半導体層に酸化物半導体を含む第１のトランジスタを有し、
前記第２記憶素子は、環境温度を測定する機能と、
前記環境温度を環境温度情報として保持する機能と、を有し、
前記比較回路は、前記基準温度情報と前記環境温度情報を比較して、
前記電流調整回路の動作を決定する機能を有し、
前記電流調整回路は、二次電池に電流を供給する機能を有する半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１記憶素子を複数有し、
それぞれの前記第１記憶素子は、
互いに異なる基準温度情報を保持する機能を有する半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記第１の半導体層は、インジウムおよび亜鉛の一方または双方を含む半導体装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、
前記第１記憶素子は、第２の半導体層に酸化物半導体を含む第２のトランジスタを有する半導体装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記第２の半導体層は、インジウムおよび亜鉛の一方または双方を含む半導体装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２において、
前記二次電池はリチウムイオン二次電池である半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明の一様態は、物、方法、又は、製造方法に関する。または、本発明の一様態は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、照明装置または電子機器に関する。また、本発明の一様態は、蓄電装置の充電制御方法に関する。また、本発明の一様態は、充電装置に関する。【０００２】なお、本明細書中において、蓄電装置（「バッテリ」または「二次電池」ともいう。）とは、蓄電機能を有する素子及び装置全般を指すものである。例えば、リチウムイオン二次電池などの蓄電池（二次電池ともいう）、リチウムイオンキャパシタ、ニッケル水素電池、全固体電池、及び電気二重層キャパシタなどを含む。
【背景技術】
【０００３】トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体（ＯＳ：Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が注目されている。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとも呼ぶ。）に関する研究が盛んに行われている。【０００４】ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照。）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に示されている。【０００５】さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非特許文献６参照。）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非特許文献７および非特許文献８参照。）。【０００６】また、チャネル形成領域に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」とも呼ぶ。）を利用した様々な半導体装置が提案されている。【０００７】また、近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池等、種々の蓄電体の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池は、携帯電話やスマートフォン、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ等の電気機器、あるいは医療機器、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）等の次世代クリーンエネルギー自動車など、半導体産業の発展に伴い急速にその需要が拡大し、充電可能なエネルギーの供給源として現代の情報化社会に不可欠なものとなっている。【０００８】リチウムイオン電池に求められる特性として、高エネルギー密度化、サイクル特性の向上及び様々な動作環境での安全性、長期信頼性の向上などがある。【０００９】また、リチウムイオン電池の一例としては、少なくとも、正極、負極、及び電解液を有している（特許文献１）。【００１０】また、特許文献２では、二次電池の微小短絡を検出する電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パックが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１２−９４１８号公報
【特許文献２】特開２０１０−６６１６１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“ＳＩＤ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ  ４３，ｉｓｓｕｅ  １，ｐ．１８３−１８６
【非特許文献２】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ５３，Ｎｕｍｂｅｒ  ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０
【非特許文献３】Ｓ．Ｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｈｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＡＭ−ＦＰＤ’１３  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１３，ｐ．１５１−１５４
【非特許文献４】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“ＥＣＳ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ３，ｉｓｓｕｅ  ９，ｐ．Ｑ３０１２−Ｑ３０２２
【非特許文献５】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ，“ＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ６４，ｉｓｓｕｅ  １０，ｐ．１５５−１６４
【非特許文献６】Ｋ．Ｋａｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ  ５１，．ｐ．０２１２０１−１−０２１２０１−７
【非特許文献７】Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ  ｅｔ  ａｌ．，“２０１５  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１５，ｐ．Ｔ２１６−Ｔ２１７
【非特許文献８】Ｓ．Ａｍａｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，“ＳＩＤ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１０，ｖｏｌｕｍｅ  ４１，ｉｓｓｕｅ  １，ｐ．６２６−６２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】蓄電装置の充電は、蓄電装置の正極負極間の電圧が一定値になるまで両電極間に一定電流を流す方法が多く用いられる。蓄電装置の充電に最適な電流値は、正極、負極、および電解液の構成材料によって異なる。また、蓄電装置の劣化（蓄電容量の低下など）を低減するため、充電時の環境温度（蓄電装置の発熱を含む）によって、電流値を適切に設定する必要がある。【００１４】本発明の一態様は、蓄電装置の劣化が生じにくい充電を実現する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、蓄電装置の劣化が生じにくい充電方法を提供することを課題の一とする。または、蓄電装置を損壊しにくい充電方法を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な充電装置を提供することを課題の一とする。または、新規な充電方法を提供することを課題の一とする。【００１５】なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】環境温度に応じて充電電流の大きさを調整する。低温環境下での充電は、充電電流を小さくして行う。環境温度が低すぎるか、高すぎる場合は充電を停止する。環境温度の測定は、酸化物半導体を用いた記憶素子で行う。酸化物半導体を用いた記憶素子を用いることで、環境温度の測定と、当該温度情報の保持を同時に行う。【００１７】本発明の一態様は、第１記憶素子と、第２記憶素子と、比較回路と、電流調整回路と、を有し、第１記憶素子は、基準温度情報を保持する機能を有し、第２記憶素子は、半導体層に酸化物半導体を含むトランジスタを有し、第２記憶素子は、環境温度を測定する機能と、環境温度を環境温度情報として保持する機能と、を有し、比較回路は、基準温度情報と環境温度情報を比較して、電流調整回路の動作を決定する機能を有し、電流調整回路は、二次電池に電流を供給する機能を有する半導体装置である。【００１８】第１記憶素子を複数有してもよい。それぞれの第１記憶素子は、互いに異なる基準温度情報を保持することが好ましい。【００１９】半導体層は、インジウムおよび亜鉛のうち、少なくとも一方を含むことが好ましい。インジウムおよび亜鉛の双方を含むことがより好ましい。【００２０】二次電池として、例えばリチウムイオン二次電池を用いることができる。
【発明の効果】
【００２１】本発明の一態様によれば、蓄電装置の劣化が生じにくい充電を実現する半導体装置を提供できる。または、蓄電装置の劣化が生じにくい充電方法を提供できる。または、蓄電装置を損壊しにくい充電方法を提供できる。または、新規な半導体装置を提供できる。または、新規な充電装置を提供できる。または、新規な充電方法を提供できる。【００２２】なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】半導体装置を説明する図。
【図２】記憶素子の回路構成例を説明する図。
【図３】トランジスタの電気特性を説明する図。
【図４】二次電池の充電方法を説明する図。
【図５】二次電池の充電方法を説明する図。
【図６】半導体装置の充電動作を説明するフローチャート。
【図７】環境温度と充電電流の関係を説明する図。
【図８】半導体装置１００の斜視図。
【図９】半導体装置１００の断面図。
【図１０】半導体装置１００Ａの断面図。
【図１１】半導体装置１００Ｂの断面図。
【図１２】トランジスタの一例を説明する図。
【図１３】トランジスタの一例を説明する図。
【図１４】二次電池の一例を示す斜視図。
【図１５】電子機器の一例を示す図。
【図１６】電子機器の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態およ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。また、本発明は以下に示す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。
【００２５】なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域などは、発明を明瞭化するために誇張または省略されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【００２６】なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲などにおいて序数詞が付される場合がある。
【００２７】（実施の形態１）
本発明の一態様の半導体装置１００の構成例および動作例について、図面を用いて説明する。図１は半導体装置１００を説明するためのブロック図である。
【００２８】＜構成例＞
半導体装置１００は、記憶素子１０１、記憶素子１０２、比較回路１０３、電流調整回路１０４、制御回路１０５、および入出力回路１０６を有する。半導体装置１００は、二次電池２００と電気的に接続され、二次電池２００を充電する機能を有する。
【００２９】〔記憶素子１０１〕
記憶素子１０１は、１以上の記憶素子を有する。本実施の形態では、記憶素子１０１が、３つの記憶素子（記憶素子１０１＿１、記憶素子１０１＿２、および記憶素子１０１＿３）を有する場合を示している。
【００３０】記憶素子１０１には、充電時の環境温度によって充電電流を変化させるための情報（電位または電荷）が保持される。本実施の形態では、記憶素子１０１＿１、記憶素子１０１＿２、および記憶素子１０１＿３のそれぞれに、判断基準となる温度に相当する情報（「基準温度情報」ともいう。）が保持される。
【００３１】記憶素子１０１に用いることができる回路構成例を図２（Ａ）乃至（Ｇ）に示す。図２（Ａ）乃至（Ｇ）は、それぞれが記憶素子として機能する。図２（Ａ）に示す記憶素子４１０は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。記憶素子４１０は、１つのトランジスタと１つの容量素子を有する記憶素子である。
【００３２】トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ１の第１端子と容量素子ＣＡの第１端子が電気的に接続される節点をノードＮＤという。
【００３３】実際のトランジスタにおいて、ゲートとバックゲートは、半導体層のチャネル形成領域を介して互いに重なるように設けられる。ゲートとバックゲートは、どちらもゲートとして機能できる。よって、一方を「バックゲート」という場合、他方を「ゲート」または「フロントゲート」という場合がある。また、一方を「第１ゲート」、他方を「第２ゲート」という場合がある。
【００３４】バックゲートは、ゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
【００３５】バックゲートを設けることで、更には、ゲートとバックゲートを同電位とすることで、半導体層においてキャリアの流れる領域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタのオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高くなる。
【００３６】したがって、トランジスタを占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタにすることができる。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【００３７】配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
【００３８】データの書き込みおよび読み出しは、配線ＷＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ１を導通状態にし、配線ＢＬとノードＮＤを電気的に接続することによって行われる。
【００３９】配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。配線ＣＡＬには、固定電位を印加するのが好ましい。
【００４０】図２（Ｂ）に示す記憶素子４２０は、記憶素子４１０の変形例である。記憶素子４２０では、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＷＬと電気的に接続される。このような構成にすることによって、トランジスタＭ１のバックゲートに、トランジスタＭ１のゲートと同じ電位を印加することができる。よって、トランジスタＭ１が導通状態のときにおいて、トランジスタＭ１に流れる電流を増加することができる。
【００４１】また、図２（Ｃ）に示す記憶素子４３０のように、トランジスタＭ１をシングルゲート構造のトランジスタ（バックゲートを有さないトランジスタ）としてもよい。記憶素子４３０は、記憶素子４１０および記憶素子４２０のトランジスタＭ１からバックゲートを除いた構成となっている。よって、記憶素子４３０は、記憶素子４１０、および記憶素子４２０よりも作製工程を短縮することができる。
【００４２】記憶素子４１０、記憶素子４２０、および記憶素子４３０は、ＤＲＡＭ型の記憶素子である。
【００４３】トランジスタＭ１のチャネルが形成される半導体層には、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることが好ましい。本明細書などでは、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を含むトランジスタを「ＯＳトランジスタ」ともいう。
【００４４】例えば、酸化物半導体として、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、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）、亜鉛のいずれか一つを有する金属酸化物を用いることができる。特に、酸化物半導体は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む金属酸化物であることが好ましい。
【００４５】ＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて少ないという特性を有している。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができる。よって、記憶素子のリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、記憶素子のリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、記憶素子４１０、記憶素子４２０、記憶素子４３０において多値データ、またはアナログデータを保持することができる。
【００４６】本明細書などでは、ＯＳトランジスタを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）という。
【００４７】図２（Ｄ）に、２つのトランジスタと１つの容量素子で構成するゲインセル型の記憶素子の回路構成例を示す。記憶素子４４０は、トランジスタＭ１と、トランジスタＭ２と、容量素子ＣＡと、を有する。
【００４８】トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＷＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ２の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＲＷＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、容量素子ＣＡの第１端子と接続されている。トランジスタＭ１の第１端子と、容量素子ＣＡの第１端子と、トランジスタＭ２のゲートと、が電気的に接続される節点をノードＮＤという。
【００４９】ビット線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、ビット線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、ワード線ＷＷＬは、書き込みワード線として機能し、ワード線ＲＷＬは、読み出しワード線として機能する。トランジスタＭ１は、ノードＮＤとビット線ＷＢＬとを、導通または非導通とするスイッチとしての機能を有する。
【００５０】トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いることが好ましい。前述したとおり、ＯＳトランジスタはオフ電流が非常に少ないため、トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いることで、ノードＮＤに書き込んだ電位を長時間保持することができる。つまり、記憶素子に書き込んだデータを長時間保持することができる。
【００５１】トランジスタＭ２に用いるトランジスタに特段の限定は無い。トランジスタＭ２として、ＯＳトランジスタ、Ｓｉトランジスタ（半導体層にシリコンを用いたトランジスタ。）、またはその他のトランジスタを用いてもよい。
【００５２】なお、トランジスタＭ２にＳｉトランジスタを用いる場合、半導体層に用いるシリコンは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ：Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）、または単結晶シリコンとすればよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合があるため、読み出しトランジスタとして、Ｓｉトランジスタを用いると、読み出し時の動作速度を高めることができる。
【００５３】トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用い、トランジスタＭ２にＳｉトランジスタを用いる場合、両者を異なる層に積層して設けてもよい。ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタと同様の製造装置および同様のプロセスで作製することが可能である。よって、ＯＳトランジスタとＳｉトランジスタの混載（ハイブリッド化）が容易であり、高集積化も容易である。
【００５４】また、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いると、非選択時のリーク電流を極めて少なくすることができるため、読み出し精度を高めることができる。トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２の両方にＯＳトランジスタを用いることで、半導体装置の作製工程が低減され、生産性を高めることができる。例えば、４００℃以下のプロセス温度で半導体装置を作製することもできる。
【００５５】トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２にバックゲートを有するトランジスタ（４端子型のトランジスタ。「４端子素子」ともいう。）を用いる場合の回路構成例を図２（Ｅ）乃至（Ｇ）に示す。図２（Ｅ）に示す記憶素子４５０、図２（Ｆ）に示す記憶素子４６０、および図２（Ｇ）に示す記憶素子４７０は、記憶素子４４０の変形例である。
【００５６】図２（Ｅ）に示す記憶素子４５０では、トランジスタＭ１のゲートとバックゲートが電気的に接続されている。また、トランジスタＭ２のゲートとバックゲートが電気的に接続されている。
【００５７】図２（Ｆ）に示す記憶素子４６０では、トランジスタＭ１のバックゲート、およびトランジスタＭ２のバックゲートを配線ＢＧＬと電気的に接続している。配線ＢＧＬを介して、トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２のバックゲートに所定の電位を印加することができる。
【００５８】図２（Ｇ）に示す記憶素子４７０では、トランジスタＭ１のバックゲートが配線ＷＢＧＬと電気的に接続され、トランジスタＭ２のバックゲートが配線ＲＢＧＬと電気的に接続されている。トランジスタＭ１のバックゲートとトランジスタＭ２のバックゲートをそれぞれ異なる配線に接続することで、それぞれ独立してしきい値電圧を変化させることができる。
【００５９】記憶素子４４０乃至記憶素子４７０は、２Ｔｒ１Ｃ型のメモリセルである。本明細書などにおいて、トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いて、２Ｔｒ１Ｃ型のメモリセルを構成した記憶装置をＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎ−ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）という。また、記憶素子４４０乃至記憶素子４７０は、ノードＮＤの電位をトランジスタＭ１２で増幅して読みだすことができる。また、ＯＳトランジスタはオフ電流が非常に少ないため、ノードＮＤの電位を長期間保持することができる。また、読み出し動作を行ってもノードＮＤの電位が保持される非破壊読み出しを行うことができる。
【００６０】記憶素子１０１に保持されている情報は、書き換え頻度が少ない情報である。よって、記憶素子１０１としては、情報の非破壊読み出しが可能かつ長期保持が可能であるＮＯＳＲＡＭを用いることが好ましい。
【００６１】また、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｅ）乃至（Ｇ）に示したトランジスタは、４端子素子であるため、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）特性を利用したＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、相変化メモリ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｏｒｙ）などに代表される２端子素子と比較して、入出力の独立制御が簡便に行うことができるといった特徴を有する。
【００６２】また、ＭＲＡＭ、ＲｅＲＡＭ、相変化メモリは、情報の書き換えの際に、原子レベルで構造変化が生じる場合がある。一方で、本発明の一態様の記憶装置は、情報の書き換えの際にトランジスタを介した電荷のチャージ、またはディスチャージにより動作するため、繰り返し書き換え耐性に優れ、構造変化も少ないといった特徴を有する。
【００６３】〔記憶素子１０２〕
記憶素子１０２も記憶素子１０１と同様の記憶素子を用いることができる。記憶素子１０２はＤＯＳＲＡＭまたはＮＯＡＲＡＭを用いることが好ましい。
【００６４】ここで、トランジスタの電気特性の１つであるＩｄ−Ｖｇ特性の温度依存性について説明しておく。図３（Ａ）および図３（Ｂ）に、トランジスタの電気特性の１つであるＩｄ−Ｖｇ特性の一例を示す。Ｉｄ−Ｖｇ特性は、ゲート電圧（Ｖｇ）の変化に対するドレイン電流（Ｉｄ）の変化を示す。図３（Ａ）および図３（Ｂ）の横軸は、Ｖｇをリニアスケールで示している。また、図３（Ａ）および図３（Ｂ）の縦軸は、Ｉｄをログスケールで示している。
【００６５】図３（Ａ）は、ＯＳトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を示している。図３（Ｂ）は、チャネルが形成される半導体層にシリコンを用いたトランジスタ（Ｓｉトランジスタ）のＩｄ−Ｖｇ特性を示している。なお、図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、どちらもｎチャネル型トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性である。
【００６６】図３（Ａ）に示すように、ＯＳトランジスタは高温環境下の動作においてもオフ電流が増加しにくい。ＯＳトランジスタは動作温度が１２５℃以上１５０℃以下であっても１０桁以上のオン／オフ比が実現できる。一方で、図３（Ｂ）に示すように、Ｓｉトランジスタは、温度の上昇と共に、オフ電流が増加する。また、Ｓｉトランジスタは、温度の上昇と共にＶｔｈがプラス方向にシフトし、オン電流が低下する。
【００６７】トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いることで、高温下の動作においても長期間の情報保持が実現できる。
【００６８】また、酸化物半導体は、温度が上昇すると抵抗値が小さくなる性質を有する。この性質を利用して、環境温度を電位に変換することができる。例えば、図２（Ｃ）に示す記憶素子４３０を用いる場合、始めにトランジスタＭ１をオン状態にして配線ＢＬに０Ｖを供給し、ノードＮＤに０Ｖを書き込む。次に、配線ＢＬにＶＤＤを供給し、一定時間後にトランジスタＭ１をオフ状態にする。酸化物半導体は、温度によって抵抗値が変化する。よって、測定時の環境温度に対応した電位（「環境温度情報」ともいう。）がノードＮＤに保持される。また、環境温度が高いほど、ノードＮＤに保持される電位が高くなる。
【００６９】このように、記憶素子１０２は温度センサとして機能できる。酸化物半導体を用いることで、記憶素子１０１と記憶素子１０２を同一工程で同時に作製することができる。また、別途サーミスタなどの温度センサを設ける必要がないため、半導体装置１００の生産性を高めることができる。
【００７０】〔比較回路１０３〕
比較回路１０３は、記憶素子１０１に保持されている温度情報と、記憶素子１０２に保持されている環境温度を比較して、電流調整回路の動作を決定する機能を有する。具体的には、記憶素子１０１のノードＮＤの電位と、記憶素子１０２のノードＮＤの電位を比較する。比較回路１０３は、コンパレータなどにより構成することができる。
【００７１】〔電流調整回路１０４〕
電流調整回路１０４は、比較回路１０３から供給される信号によって、二次電池２００に供給する電流値を制御する機能を有する。電流調整回路１０４は、パワートランジスタなどにより構成することができる。
【００７２】〔制御回路１０５、入出力回路１０６〕
制御回路１０５は、記憶素子１０１、記憶素子１０２、比較回路１０３、電流調整回路１０４、および入出力回路１０６の動作を統括的に制御する機能を有する。また、制御回路１０５には、入出力回路１０６を介して、外部より制御信号や記憶素子１０１の設定情報などが供給される。また、制御回路１０５は、二次電池２００の充電電圧、電流調整回路１０４から出力される電流値、および記憶素子１０２で取得した環境温度情報などを、入出力回路１０６を介して外部に出力する機能を有する。
【００７３】＜動作例＞
次に、半導体装置１００を用いた二次電池２００の充電動作の一例について説明する。
【００７４】〔充電方法〕
二次電池の充電は、例えば下記のように行うことができる。
【００７５】［ＣＣ充電］
まず、充電方法の１つとしてＣＣ充電について説明する。ＣＣ充電は、充電期間のすべてで一定の電流を二次電池に流し、所定の電圧になったときに充電を停止する充電方法である。二次電池を、図４（Ａ）に示すように内部抵抗Ｒと二次電池容量Ｃの等価回路と仮定する。この場合、二次電池電圧ＶＢは、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲと二次電池容量Ｃにかかる電圧ＶＣの和である。
【００７６】ＣＣ充電を行っている間は、図４（Ａ）に示すように、スイッチがオンになり、一定の電流Ｉが二次電池に流れる。この間、電流Ｉが一定であるため、ＶＲ＝Ｒ×Ｉのオームの法則により、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲも一定である。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧ＶＣは、時間の経過とともに上昇する。そのため、二次電池電圧ＶＢは、時間の経過とともに上昇する。
【００７７】そして二次電池電圧ＶＢが所定の電圧、例えば４．３Ｖになったときに、充電を停止する。ＣＣ充電を停止すると、図４（Ｂ）に示すように、スイッチがオフになり、電流Ｉ＝０となる。そのため、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲが０Ｖとなる。そのため、二次電池電圧ＶＢが下降する。
【００７８】ＣＣ充電を行っている間と、ＣＣ充電を停止してからの、二次電池電圧ＶＢと充電電流の例を図４（Ｃ）に示す。ＣＣ充電を行っている間は上昇していた二次電池電圧ＶＢが、ＣＣ充電を停止してから若干低下する様子が示されている。
【００７９】［ＣＣＣＶ充電］
次に、上記と異なる充電方法であるＣＣＣＶ充電について説明する。ＣＣＣＶ充電は、まずＣＣ充電にて所定の電圧まで充電を行い、その後ＣＶ（定電圧）充電にて流れる電流が少なくなるまで、具体的には終止電流値になるまで充電を行う充電方法である。
【００８０】ＣＣ充電を行っている間は、図５（Ａ）に示すように、定電流電源のスイッチがオン、定電圧電源のスイッチがオフになり、一定の電流Ｉが二次電池に流れる。この間、電流Ｉが一定であるため、ＶＲ＝Ｒ×Ｉのオームの法則により、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲも一定である。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧ＶＣは、時間の経過とともに上昇する。そのため、二次電池電圧ＶＢは、時間の経過とともに上昇する。
【００８１】そして二次電池電圧ＶＢが所定の電圧、例えば４．３Ｖになったときに、ＣＣ充電からＣＶ充電に切り替える。ＣＶ充電を行っている間は、図５（Ｂ）に示すように、定電圧電源のスイッチがオン、定電流電源のスイッチがオフになり、二次電池電圧ＶＢが一定となる。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧ＶＣは、時間の経過とともに上昇する。ＶＢ＝ＶＲ＋ＶＣであるため、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲは、時間の経過とともに小さくなる。内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲが小さくなるに従い、ＶＲ＝Ｒ×Ｉのオームの法則により、二次電池に流れる電流Ｉも小さくなる。
【００８２】そして二次電池に流れる電流Ｉが所定の電流、例えば０．０１Ｃ相当の電流となったとき、充電を停止する。ＣＣＣＶ充電を停止すると、図５（Ｃ）に示すように、全てのスイッチがオフになり、電流Ｉ＝０となる。そのため、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲが０Ｖとなる。しかし、ＣＶ充電により内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲが十分に小さくなっているため、内部抵抗Ｒでの電圧降下がなくなっても、二次電池電圧ＶＢはほとんど降下しない。
【００８３】ＣＣＣＶ充電を行っている間と、ＣＣＣＶ充電を停止してからの、二次電池電圧ＶＢと充電電流の例を図５（Ｄ）に示す。ＣＣＣＶ充電を停止しても、二次電池電圧ＶＢがほとんど降下しない様子が示されている。
【００８４】［充電レートについて］
ここで、充電レートについて説明しておく。充電レートとは、電池容量に対する充電電流の相対的な比率であり、単位Ｃで表される。定格容量Ｘ［Ａｈ］の電池において、１Ｃ相当の電流は、Ｘ［Ａ］である。２Ｘ［Ａ］の電流で充電した場合は、２Ｃで充電したといい、Ｘ／５［Ａ］の電流で充電した場合は、０．２Ｃで充電したという。
【００８５】〔充電動作例〕
一般に、二次電池の充電条件は、二次電池に含まれる正極、負極、および電解液の構成材料によって異なる。本実施の形態では、半導体装置１００が表１に示す充電条件で、二次電池２００に対してＣＣ充電を行なう例を説明する。
【００８６】
【表１】
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【００８７】図６は、半導体装置１００の充電動作を説明するフローチャートである。図７（Ａ）は、環境温度と充電電流の関係を説明する図である。また、図７（Ａ）では、０℃未満の温度域Ｐ０、０℃以上１０℃未満の温度域Ｐ１、１０℃以上４５℃未満の温度域Ｐ２、４５℃以上の温度域Ｐ３を示している。
【００８８】まず、環境温度Ｔｐを取得する（ステップＳ５０１）。
【００８９】次に、記憶素子１０１＿１に保持されている温度条件Ｔ１と環境温度Ｔｐを比較する（ステップＳ５０２）。環境温度Ｔｐが温度条件Ｔ１よりも低い場合は、二次電池２００が温度域Ｐ０にあると判断し、二次電池２００の充電を停止（電流の供給を停止）する（ステップＳ５０５）。
【００９０】環境温度Ｔｐが温度条件Ｔ１よりも高い場合は、記憶素子１０１＿２に保持されている温度条件Ｔ２と環境温度Ｔｐを比較する（ステップＳ５０３）。環境温度Ｔｐが温度条件Ｔ２よりも低い場合は、二次電池２００が温度域Ｐ１にあると判断し、電流ＩＬを二次電池２００に供給する（ステップＳ５１１）。本実施の形態では、電流ＩＬは充電レート０．２５Ｃに相当する電流である。よって、電流ＩＬは７５０ｍＡである。
【００９１】環境温度Ｔｐが温度条件Ｔ２よりも高い場合は、記憶素子１０１＿３に保持されている温度条件Ｔ３と環境温度Ｔｐを比較する（ステップＳ５０４）。環境温度Ｔｐが温度条件Ｔ３よりも低い場合は、二次電池２００が温度域Ｐ２にあると判断し、電流ＩＳＤを二次電池２００に供給する（ステップＳ５１２）。本実施の形態では、電流ＩＳＤは充電レート０．５Ｃに相当する電流である。よって、電流ＩＳＤは１５００ｍＡである。
【００９２】環境温度Ｔｐが温度条件Ｔ３よりも高い場合は、二次電池２００が温度域Ｐ３にあると判断し、二次電池２００の充電を停止（電流の供給を停止）する（ステップＳ５０５）。
【００９３】続いて、ステップＳ５０５、ステップＳ５１１、またはステップＳ５１２の状態を一定時間維持する（ステップＳ５０６）。
【００９４】一定時間経過後、二次電池２００の電圧が充電最大電圧未満か否かを判断する。本実施の形態では、二次電池２００の電圧が４．３Ｖ未満か否かを判断する。二次電池２００の電圧が充電最大電圧未満の場合は、ステップＳ５０１に戻る（ステップＳ５０７）。二次電池２００の電圧が充電最大電圧以上の場合は、充電動作を終了する。
【００９５】なお、ＣＣＣＶ充電を行なう場合は、この後ＣＶ充電を行なえばよい。
【００９６】環境温度が低い（本実施の形態では１０℃未満）状態では、負極材料とＬｉの反応速度が低下し、Ｌｉ析出が生じやすくなる。Ｌｉ析出は、電池容量の低下や、内部ショートによる発火事故の一因となる場合がある。よって、充電電流を小さくすることが好ましい。さらに、環境温度が低過ぎる（本実施の形態では０℃未満）場合は、充電電流の供給を停止する。
【００９７】また、環境温度が高過ぎる（本実施の形態では４５℃以上）状態で充電すると、電解液の酸化分解や、正極材料からの金属成分の溶出が促進され、電池容量低下の一因となる場合がある。
【００９８】充電電流を環境温度に応じて調節することにより、二次電池の劣化を防ぎ、より安全に充電することができる。
【００９９】また、図７（Ｂ）では、０℃未満の温度域Ｐ０、０℃以上１０℃未満の温度域Ｐ１、１０℃以上２５℃未満の温度域Ｐ２、２５℃以上４５℃未満の温度域Ｐ３、４５℃以上の温度域Ｐ４を示している。
【０１００】図７（Ｂ）に示すように、特定の温度域で、環境温度と充電電流を連続的に変化させてもよい。図７（Ｂ）では、温度域Ｐ２において、環境温度に合わせて充電電流を連続的に変化させる例を示している。このように制御することで、二次電池２００の充電時間を短縮することができる。
【０１０１】本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１０２】（実施の形態２）
比較回路１０３、電流調整回路１０４、制御回路１０５、および入出力回路１０６には、高い電流駆動能力および／または高速動作が求められる場合がある。この場合、比較回路１０３、電流調整回路１０４、制御回路１０５、および入出力回路１０６にＳｉトランジスタを用いることが好ましい。
【０１０３】また、上記実施の形態で説明したように、記憶素子１０１および記憶素子１０２には、ＯＳトランジスタを用いることが好ましい。
【０１０４】ＯＳトランジスタとＳｉトランジスタは積層して設けることができる。例えば、半導体装置１００として、比較回路１０３、電流調整回路１０４、制御回路１０５、および入出力回路１０６を含む集積回路１５０上に、記憶素子１０１および記憶素子１０２を含む集積回路１６０を設けてもよい。各種回路を積層して設けることで、半導体装置１００の小型化を実現できる。言い換えると、半導体装置１００の占有面積を小さくすることができる。
【０１０５】＜断面構成例＞
図８（Ａ）は、集積回路１５０と集積回路１６０を含む半導体装置１００の斜視図である。また、図８（Ｂ）は、集積回路１５０と集積回路１６０の位置関係をわかりやすく示すための図である。図９は、半導体装置１００の一部の断面図である。
【０１０６】〔集積回路１５０〕
図９において、集積回路１５０は、基板２３１上にトランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃを有する。図９では、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃのチャネル長方向の断面を示している。
【０１０７】トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃのチャネルは、基板２３１の一部に形成される。集積回路に高速動作が求められる場合は、基板２３１として単結晶半導体基板を用いることが好ましい。
【０１０８】トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃは、素子分離層２３２によって他のトランジスタと電気的に分離される。素子分離層の形成は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法や、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法などを用いることができる。
【０１０９】また、トランジスタ２３３ａ、トランジスタ２３３ｂ、およびトランジスタ２３３ｃ上に絶縁層２３４、絶縁層２３５、絶縁層２３７が設けられ、絶縁層２３７中に電極２３８が埋設されている。電極２３８はコンタクトプラグ２３６を介してトランジスタ２３３ａのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。
【０１１０】また、電極２３８および絶縁層２３７の上に、絶縁層２３９、絶縁層２４０、および絶縁層２４１が設けられ、絶縁層２３９、絶縁層２４０、および絶縁層２４１の中に電極２４２が埋設されている。電極２４２は、電極２３８と電気的に接続される。
【０１１１】また、電極２４２および絶縁層２４１の上に、絶縁層２４３、および絶縁層２４４が設けられ、絶縁層２４３、および絶縁層２４４の中に電極２４５が埋設されている。電極２４５は、電極２４２と電気的に接続される。
【０１１２】また、電極２４５および絶縁層２４４の上に、絶縁層２４６および絶縁層２４７が設けられ、絶縁層２４６および絶縁層２４７の中に電極２４９が埋設されている。電極２４９は、電極２４５と電気的に接続される。
【０１１３】また、電極２４９および絶縁層２４７の上に、絶縁層２４８および絶縁層２５０が設けられ、絶縁層２４８および絶縁層２５０の中に電極２５１が埋設されている。電極２５１は、電極２４９と電気的に接続される。
【０１１４】〔集積回路１６０〕
集積回路１６０は、集積回路１５０上に設けられる。図９において、集積回路１６０は、トランジスタ２１０、および容量素子２２０を有する。図９では、トランジスタ２１０のチャネル長方向の断面を示している。また、トランジスタ２１０は、バックゲートを有するトランジスタである。
【０１１５】トランジスタ２１０の半導体層に、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることが好ましい。すなわち、トランジスタ２１０にＯＳトランジスタを用いることが好ましい。
【０１１６】トランジスタ２１０は、絶縁層３６１上に設けられている。また、絶縁層３６１上に絶縁層３６２が設けられている。トランジスタ２１０のバックゲートは、絶縁層３６２中に埋設されている。絶縁層３６２上に、絶縁層３７１および絶縁層３８０が設けられている。トランジスタ２１０のゲートは、絶縁層３８０中に埋設されている。
【０１１７】また、絶縁層３８０上に絶縁層３７４および絶縁層３８１が設けられている。また、絶縁層３６１、絶縁層３６２、絶縁層３６５、絶縁層３６６、絶縁層３７１、絶縁層３８０、絶縁層３７４、および絶縁層３８１中に電極３５５が埋設されている。電極３５５は、電極２５１と電気的に接続される。電極３５５は、コンタクトプラグとして機能できる。
【０１１８】また、絶縁層３８１上に電極１５２が設けられている。電極１５２は電極３５５と電気的に接続される。また、絶縁層３８１および電極１５２上に、絶縁層１１４、絶縁層１１５、絶縁層１３０が設けられている。
【０１１９】容量素子２２０は、絶縁層１１４および絶縁層１１５に形成された開口中に配置された電極１１０と、電極１１０および絶縁層１１５上の絶縁層１３０と、絶縁層１３０上の電極１２０と、を有する。絶縁層１１４および絶縁層１１５に形成された開口の中に、電極１１０の少なくとも一部、絶縁層１３０の少なくとも一部、および電極１２０の少なくとも一部が配置される。
【０１２０】電極１１０は容量素子２２０の下部電極として機能し、電極１２０は容量素子２２０の上部電極として機能し、絶縁層１３０は、容量素子２２０の誘電体として機能する。容量素子２２０は、絶縁層１１４および絶縁層１１５の開口において、底面だけでなく、側面においても上部電極と下部電極とが誘電体を挟んで対向する構成となっており、単位面積当たりの静電容量を大きくすることができる。よって、当該開口を深くするほど、容量素子２２０の静電容量を大きくすることができる。このように容量素子２２０の単位面積当たりの静電容量を大きくすることにより、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。
【０１２１】絶縁層１１４および絶縁層１１５に形成された開口を上面から見た形状は、四角形としてもよいし、四角形以外の多角形状としてもよいし、多角形状において角部を湾曲させた形状としてもよいし、楕円を含む円形状としてもよい。
【０１２２】また、絶縁層１３０および電極１２０上に、絶縁層１１６および絶縁層１５４を有する。また、絶縁層１１４、絶縁層１１５、絶縁層１３０、絶縁層１１６、および絶縁層１５４中に電極１１２が埋設されている。電極１１２は、電極１５２と電気的に接続される。電極１１２は、コンタクトプラグとして機能できる。また、絶縁層１５４上に電極１５３が設けられている。電極１５３は電極１１２と電気的に接続される。
【０１２３】また、絶縁層１５４および電極１５３上に、絶縁層１５６が設けられている。
【０１２４】［変形例１］
図１０に半導体装置１００の変形例である半導体装置１００Ａを示す。半導体装置１００Ａは、集積回路１５０Ａと集積回路１６０を重ねて設けている。集積回路１５０Ａは、集積回路１５０に含まれるトランジスタ２３３ａおよびトランジスタ２３３ｂなどのトランジスタにＯＳトランジスタを用いている。半導体装置１００Ａに含まれるトランジスタを全てＯＳトランジスタとすることで、半導体装置１００Ａを単極性の集積回路にすることができる。
【０１２５】［変形例２］
図１１に半導体装置１００Ａの変形例である半導体装置１００Ｂを示す。半導体装置１００Ｂに含まれるトランジスタを全てＯＳトランジスタとする場合は、集積回路１５０Ａと集積回路１６０を基板２３１上に同一工程で作製することができる。よって、半導体装置の生産性を高めることができる。また、半導体装置の生産コストを低減することができる。
【０１２６】また、基板２３１にシリコン基板などの熱伝導率の高い基板を用いると、絶縁性基板などを用いた場合よりも半導体装置の冷却効率を高めることができる。よって、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【０１２７】＜構成材料について＞
〔基板〕
基板として用いる材料に大きな制限はない。例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。
【０１２８】絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。
【０１２９】また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムを材料とした半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いてもよい。
【０１３０】前述したように、集積回路に高速動作が求められる場合は、基板として単結晶半導体基板を用いることが好ましい。
【０１３１】導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。半導体基板上に歪トランジスタやＦＩＮ型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。すなわち、基板は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。
【０１３２】〔絶縁層〕
絶縁層に用いる材料としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
【０１３３】例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁層の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁層として機能する絶縁層に、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低電圧化が可能となる。一方、層間絶縁層として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁層の機能に応じて、材料を選択するとよい。
【０１３４】また、比誘電率の高い絶縁物としては、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。
【０１３５】また、比誘電率が低い絶縁物としては、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、または樹脂などがある。
【０１３６】また、トランジスタとしてＯＳトランジスタを用いる場合は、当該トランジスタを水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁層（絶縁層３６５、および絶縁層３７１など）で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
【０１３７】また、ゲート絶縁層として機能する絶縁層は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを半導体層２６０と接する構造とすることで、半導体層２６０が有する酸素欠損を補償することができる。
【０１３８】なお、本明細書等において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定することができる。
【０１３９】また、半導体層として金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる場合は、半導体層中の水素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の水素濃度を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。特に、半導体層と接する絶縁層の水素濃度を低減することが好ましい。
【０１４０】また、半導体層として金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる場合は、半導体層中の窒素濃度の増加を防ぐために、絶縁層中の窒素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層中の窒素濃度を、ＳＩＭＳにおいて５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、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以下とする。
【０１４１】また、絶縁層の少なくとも半導体層と接する領域は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、ｇ値が２．００１に観察されるＥ’センターが挙げられる。なお、Ｅ’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。例えば、絶縁層として、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いる場合、Ｅ’センター起因のスピン密度が、３×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以下である酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を用いればよい。
【０１４２】また、上述のシグナル以外に二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Ｎの核スピンにより３つのシグナルに分裂しており、それぞれのｇ値が２．０３７以上２．０３９以下（第１のシグナルとする）、ｇ値が２．００１以上２．００３以下（第２のシグナルとする）、およびｇ値が１．９６４以上１．９６６以下（第３のシグナルとする）に観察される。
【０１４３】例えば、絶縁層として、二酸化窒素（ＮＯ２）に起因するシグナルのスピン密度が、１×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満である絶縁層を用いると好適である。
【０１４４】なお、二酸化窒素（ＮＯ２）を含む窒素酸化物（ＮＯｘ）は、絶縁層中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体層のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物（ＮＯｘ）が、絶縁層と酸化物半導体層の界面に拡散すると、当該準位が絶縁層側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁層と酸化物半導体層の界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁層および絶縁層として窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することができる。
【０１４５】窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量が少ない絶縁層としては、例えば、酸化窒化シリコン層を用いることができる。当該酸化窒化シリコン層は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量より、アンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０１８個／ｃｍ３以上５×１０１９個／ｃｍ３以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、ＴＤＳにおける加熱処理の温度が５０℃以上６５０℃以下、または５０℃以上５５０℃以下の範囲での総量である。
【０１４６】窒素酸化物（ＮＯｘ）は、加熱処理においてアンモニアおよび酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁層を用いることで窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減される。
【０１４７】また、酸化物半導体層に接する絶縁層のうち少なくとも１つは、加熱により酸素が放出される絶縁層を用いて形成することが好ましい。具体的には、絶縁層の表面温度が１００℃以上７００℃以下、好ましくは１００℃以上５００℃以下の加熱処理で行われるＴＤＳにて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層を用いることが好ましい。なお、本明細書などにおいて、加熱により放出される酸素を「過剰酸素」ともいう。
【０１４８】また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸化性雰囲気下における熱処理やプラズマ処理などで行なうことができる。または、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加する処理に用いるガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガス、またはオゾンガスなどの、酸素を含むガスが挙げられる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。酸素ドープ処理は、基板を加熱して行なってもよい。
【０１４９】また、絶縁層として、ポリイミド、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
【０１５０】なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。
【０１５１】絶縁層の形成方法は、特に限定されない。なお、絶縁層に用いる材料によっては焼成工程が必要な場合がある。この場合、絶縁層の焼成工程と他の熱処理工程を兼ねることで、効率よくトランジスタを作製することが可能となる。
【０１５２】絶縁層の形成方法は、特に限定されない。なお、絶縁層に用いる材料によっては焼成工程が必要な場合がある。この場合、絶縁層の焼成工程と他の熱処理工程を兼ねることで、効率よくトランジスタを作製することが可能となる。
【０１５３】〔導電層〕
導電層としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、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ることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、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。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
【０１５４】また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
【０１５５】なお、半導体層として金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いる場合は、ゲート電極として機能する導電層には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
【０１５６】特に、ゲート電極として機能する導電層として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、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、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
【０１５７】なお、コンタクトプラグなどに用いる導電性材料としては、例えば、タングステン、ポリシリコン等の埋め込み性の高い導電性材料を用いればよい。また、埋め込み性の高い導電性材料と、チタン層、窒化チタン層、窒化タンタル層などのバリア層（拡散防止層）を組み合わせて用いてもよい。
【０１５８】〔半導体層〕
半導体層として、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
【０１５９】また、半導体層として有機物半導体を用いる場合は、芳香環をもつ低分子有機材料やπ電子共役系導電性高分子などを用いることができる。例えば、ルブレン、テトラセン、ペンタセン、ペリレンジイミド、テトラシアノキノジメタン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレンビニレンなどを用いることができる。
【０１６０】なお、半導体層を積層してもよい。半導体層を積層する場合は、それぞれ異なる結晶状態を有する半導体を用いてもよいし、それぞれ異なる半導体材料を用いてもよい。
【０１６１】また、金属酸化物の一種である酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上あるため、半導体層に酸化物半導体を用いると、オフ電流が極めて少ないトランジスタを実現することができる。具体的には、ソースとドレイン間の電圧が３．５Ｖ、室温（代表的には２５℃）下において、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を１×１０−２０Ａ未満、１×１０−２２Ａ未満、あるいは１×１０−２４Ａ未満とすることができる。すなわち、オンオフ比を２０桁以上とすることもできる。また、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ（ＯＳトランジスタ）は、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。よって、信頼性の良好なトランジスタを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧なトランジスタを提供できる。また、信頼性の良好な記憶装置などを提供できる。また、出力電圧が大きく高耐圧な記憶装置を提供することができる。
【０１６２】結晶性Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも比較的高い移動度を得やすい。一方で、結晶性Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタのように極めて少ないオフ電流の実現が困難である。よって、半導体層に用いる半導体材料は、目的や用途に応じて適宜使い分けることが肝要である。例えば、目的や用途に応じて、ＯＳトランジスタと結晶性Ｓｉトランジスタなどを組み合わせて用いてもよい。
【０１６３】半導体層として酸化物半導体層を用いる場合は、酸化物半導体層をスパッタリング法で形成することが好ましい。酸化物半導体層は、スパッタリング法で形成すると酸化物半導体層の密度を高められるため、好適である。スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または、希ガスおよび酸素の混合ガスを用いればよい。また、スパッタリングガスの高純度化も必要である。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物半導体層に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０１６４】また、スパッタリング法で酸化物半導体層を形成する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０−４Ｐａ以下とすることが好ましく、５×１０−５Ｐａ以下とすることがより好ましい。
【０１６５】〔金属酸化物〕
金属酸化物に含まれる元素の組成を変化させることにより、導電体、半導体、絶縁体を作り分けることができる。導電体物性を有する金属酸化物を「導電性酸化物」という場合がある。半導体物性を有する金属酸化物を「酸化物半導体」という場合がある。絶縁体物性を有する金属酸化物を「絶縁性酸化物」という場合がある。
【０１６６】金属酸化物の一種である酸化物半導体は、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、イットリウムまたは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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【０１６７】ここで、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素として、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、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【０１６８】なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
【０１６９】［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）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、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸化物半導体などがある。
【０１７０】ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶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。
【０１７１】ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および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ともいう。）を確認することは難しい。すなわち、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や、金属元素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である。
【０１７２】また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（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り、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
【０１７３】ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。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。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない金属酸化物ともいえる。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。
【０１７４】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。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や非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
【０１７５】なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。
【０１７６】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金属酸化物である。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
【０１７７】酸化物半導体（金属酸化物）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、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
【０１７８】［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
【０１７９】なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、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。
【０１８０】また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物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または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上とすればよい。
【０１８１】また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、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。
【０１８２】また、金属酸化物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金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０１８３】したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物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。
【０１８４】［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
【０１８５】また、金属酸化物にアルカリ金属また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。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域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。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属また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。
【０１８６】また、金属酸化物に含まれる水素は、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。金属酸化物中のチャネル形成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となりやすい。さらに、当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金属酸化物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。
【０１８７】このため、金属酸化物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、金属酸化物において、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未満とする。不純物が十分に低減された金属酸化物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。
【０１８８】トランジスタの半導体に用いる金属酸化物として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
【０１８９】２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
【０１９０】また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ｎｃ−ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見された（非特許文献３参照。）。ここでは、ｎｃ−ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
【０１９１】非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ、ｎｃ−ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。
【０１９２】金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０−２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照。）。
【０１９３】また、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照。）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
【０１９４】ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する金属酸化物を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
【０１９５】〔成膜方法について〕
絶縁層を形成するための絶縁性材料、導電層を形成するための導電性材料、または半導体層を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、スピンコート法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法、高密度プラズマＣＶＤ（Ｈｉｇｈ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｐｌａｓｍａ  ＣＶＤ）法、ＬＰＣＶＤ（ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＣＶＤ）法、ＡＰＣＶＤ（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＣＶＤ）法等を含む）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、または、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ディップ法、スプレー塗布法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）を用いて形成することができる。
【０１９６】プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法、または熱ＣＶＤ法などの、成膜時にプラズマを用いない成膜方法を用いると、被形成面にダメージが生じにくい。例えば、記憶装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、記憶装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない成膜方法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、記憶装置の歩留まりを高くすることができる。また、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
【０１９７】また、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。また、ＡＬＤ法には、プラズマを利用するＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ、Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＡＬＤ）法も含まれる。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。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。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、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。
【０１９８】ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
【０１９９】ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、記憶装置の生産性を高めることができる場合がある。
【０２００】本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２０１】（実施の形態３）
本実施の形態では、トランジスタ２１０に用いることができる、トランジスタ２１０Ａおよびトランジスタ２１０Ｂの構成例について、図面を用いて説明する。
【０２０２】＜トランジスタの構造例１＞
図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ２１０Ａの構造例を説明する。図１２（Ａ）はトランジスタ２１０Ａの上面図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に一点鎖線で示すＬ１−Ｌ２部位の断面図である。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）に一点鎖線で示すＷ１−Ｗ２部位の断面図である。なお、図１２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０２０３】図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）では、トランジスタ２１０Ａと、層間絶縁層として機能する絶縁層３６１、絶縁層３６２、絶縁層３６５、絶縁層３６６、絶縁層３７１、絶縁層３８０、絶縁層３７４、および絶縁層３８１を示している。また、トランジスタ２１０Ａと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電層３４０（導電層３４０ａ、および導電層３４０ｂ）を示している。なお、コンタクトプラグとして機能する導電層３４０の側面に接して絶縁層３４１（絶縁層３４１ａ、および絶縁層３４１ｂ）が設けられる。
【０２０４】層間絶縁層としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、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。上記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。
【０２０５】トランジスタ２１０Ａは、第１のゲート電極として機能する導電層３６０（導電層３６０ａ、および導電層３６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電層３０５（導電層３０５ａ、および導電層３０５ｂ）と、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁層３４９と、第２のゲート絶縁層として機能する絶縁層３６５および絶縁層３６６と、チャネルが形成される領域を有する半導体層２６０（半導体層２６０ａ、半導体層２６０ｂ、および半導体層２６０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電層３４２ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電層３４２ｂと、絶縁層３７１とを有する。
【０２０６】導電層３０５は、絶縁層３６２に埋め込まれるように配置され、絶縁層３６５は、絶縁層３６２および導電層３０５の上に配置されている。絶縁層３６６は絶縁層３６５の上に配置されている。また、半導体層２６０（半導体層２６０ａ、半導体層２６０ｂ、および半導体層２６０ｃ）は絶縁層３６６の上に配置されている。絶縁層３４９は半導体層２６０の上に配置され、導電層３６０（導電層３６０ａ、および導電層３６０ｂ）は絶縁層３４９上に配置されている。
【０２０７】導電層３４２ａおよび導電層３４２ｂは、半導体層２６０ｂの上面の一部と接して配置され、絶縁層３７１は、絶縁層３６６の上面の一部、半導体層２６０ａの側面、半導体層２６０ｂの側面、導電層３４２ａの側面、導電層３４２ａの上面、導電層３４２ｂの側面、および導電層３４２ｂの上面に接して配置されている。
【０２０８】絶縁層３４１は、絶縁層３８０、絶縁層３７４、絶縁層３８１に形成された開口の側壁に接して設けられ、その側面に接して導電層３４０の第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電層３４０の第２の導電体が設けられている。ここで、導電層３４０の上面の高さと、絶縁層３８１の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２１０Ａでは、導電層３４０の第１の導電体および導電層３４０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、導電層３４０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。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
【０２０９】半導体層２６０は、絶縁層３６６の上に配置された半導体層２６０ａと、半導体層２６０ａの上に配置された半導体層２６０ｂと、半導体層２６０ｂの上に配置され、少なくとも一部が半導体層２６０ｂの上面に接する半導体層２６０ｃと、を有することが好ましい。半導体層２６０ｂの下に半導体層２６０ａを有することで、半導体層２６０ａよりも下方に形成された構造物から、半導体層２６０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、半導体層２６０ｂ上に半導体層２６０ｃを有することで、半導体層２６０ｃよりも上方に形成された構造物から、半導体層２６０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
【０２１０】トランジスタ２１０Ａは、半導体層２６０に、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることが好ましい。
【０２１１】チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が少ない。よって、消費電力が低減された半導体装置を実現できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて形成できるため、高集積型の半導体装置の実現が容易となる。
【０２１２】例えば、半導体層２６０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、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、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。特に、元素Ｍは、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、半導体層２６０として、Ｉｎ−Ｍ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、またはＭ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
【０２１３】トランジスタ２１０Ａでは、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する導電層３６０が、絶縁層３８０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。導電層３６０をこのように形成することにより、導電層３４２ａと導電層３４２ｂとの間の領域に、導電層３６０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。
【０２１４】導電層３６０は、導電層３６０ａと、導電層３６０ａの上に配置された導電層３６０ｂと、を有することが好ましい。例えば、導電層３６０ａは、導電層３６０ｂ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１２（Ｂ）に示すように、導電層３６０の上面は、絶縁層３４９の上面および酸化物２６０ｃの上面と略一致している。
【０２１５】導電層３０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電層３０５に印加する電位を、導電層３６０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２１０Ａのしきい値電圧（Ｖｔｈ）を制御することができる。特に、導電層３０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２１０ＡのＶｔｈを０Ｖ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、導電層３０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電層３６０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。
【０２１６】また、例えば、導電層３０５と導電層３６０を半導体層２６０のチャネル形成領域を介して重畳して設けることで、導電層３０５、および導電層３６０に電圧を印加した場合、導電層３６０から生じる電界と、導電層３０５から生じる電界と、がつながり、半導体層２６０のチャネル形成領域を覆うことができる。
【０２１７】つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電層３６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電層３０５の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書などにおいて、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、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。
【０２１８】絶縁層３６５、および絶縁層３７１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、絶縁層３６５、および絶縁層３７１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、絶縁層３６５、および絶縁層３７１は、それぞれ絶縁層３６６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。絶縁層３６５、および絶縁層３７１は、それぞれ絶縁層３４９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。絶縁層３６５、および絶縁層３７１は、それぞれ絶縁層３８０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。
【０２１９】なお、本明細書などにおいて、水素または酸素の拡散を抑制する機能を有する膜を、水素または酸素が透過しにくい膜、水素または酸素の透過性が低い膜、水素または酸素に対してバリア性を有する膜、水素または酸素に対するバリア膜などと呼ぶ場合がある。また、バリア膜に導電性を有する場合、当該バリア膜を導電性バリア膜と呼ぶことがある。
【０２２０】また、図１２（Ｂ）に示すように、絶縁層３７１は、導電層３４２ａおよび導電層３４２ｂの上面と、導電層３４２ａと導電層３４２ｂとが互いに向かい合う側面以外の、導電層３４２ａおよび導電層３４２ｂの側面と、半導体層２６０ａおよび半導体層２６０ｂの側面と、絶縁層３６６の上面の一部と、に接することが好ましい。これにより、絶縁層３８０は、絶縁層３７１によって、絶縁層３６６、半導体層２６０ａ、および半導体層２６０ｂと離隔される。したがって、絶縁層３８０などに含まれる水素などの不純物が、絶縁層３６６、半導体層２６０ａ、および半導体層２６０ｂへ混入するのを抑制することができる。
【０２２１】また、図１２（Ｂ）に示すように、トランジスタ２１０Ａは、絶縁層３７４が、導電層３６０、絶縁層３４９、および半導体層２６０ｃのそれぞれの上面と接する構造となっている。このような構造とすることで、絶縁層３８１などに含まれる水素などの不純物が、絶縁層３４９へ混入することを抑えることができる。したがって、トランジスタの電気特性およびトランジスタの信頼性への悪影響を抑制することができる。
【０２２２】上記構造を有することで、オン電流が大きいトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０２２３】＜トランジスタの構造例２＞
図１３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ２１０Ｂの構造例を説明する。図１３（Ａ）はトランジスタ２１０Ｂの上面図である。図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に一点鎖線で示すＬ１−Ｌ２部位の断面図である。図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）に一点鎖線で示すＷ１−Ｗ２部位の断面図である。なお、図１３（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０２２４】トランジスタ２１０Ｂはトランジスタ２１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ２１０Ａと異なる点について説明する。
【０２２５】第１のゲート電極として機能する導電層３６０は、導電層３６０ａ、および導電層３６０ａ上の導電層３６０ｂを有する。導電層３６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、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。
【０２２６】導電層３６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電層３６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電層３６０ａを有することで、導電層３６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
【０２２７】また、導電層３６０の上面および側面、絶縁層３４９の側面、および半導体層２６０ｃの側面を覆うように、絶縁層３７１を設けることが好ましい。なお、絶縁層３７１は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
【０２２８】絶縁層３７１を設けることで、導電層３６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁層３７１を有することで、絶縁層３８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ２１０Ｂへ拡散することを抑制することができる。
【０２２９】トランジスタ２１０Ｂは、導電層３４２ａの一部と導電層３４２ｂの一部に導電層３６０が重なるため、トランジスタ２１０Ａよりも寄生容量が大きくなりやすい。よって、トランジスタ２１０Ａに比べて動作周波数が低くなる傾向がある。しかしながら、絶縁層３８０などに開口を設けて導電層３６０や絶縁層３４９などを埋めこむ工程が不要であるため、トランジスタ２１０Ａと比較して生産性が高い。
【０２３０】本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２３１】（実施の形態４）
本実施の形態では、二次電池２００の一例として、円筒型の二次電池６００について図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）を参照して説明する。円筒型の二次電池６００は、図１４（Ａ）に示すように、上面に正極キャップ（電池蓋）６０１を有し、側面および底面に電池缶（外装缶）６０２を有している。これら正極キャップ（電池蓋）６０１と電池缶（外装缶）６０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）６１０によって絶縁されている。
【０２３２】図１４（Ｂ）は、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶６０２の内側には、帯状の正極６０４と負極６０６とがセパレータ６０５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６０２は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶６０２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、またはこれらの合金や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、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。電池缶６０２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６０８、６０９により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶６０２の内部は、非水電解液（図示せず）が注入されている。二次電池は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）やリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）などの活物質を含む正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な黒鉛等の炭素材料からなる負極と、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの有機溶媒に、ＬｉＢＦ４やＬｉＰＦ６等のリチウム塩からなる電解質を溶解させた非水電解液などにより構成される。
【０２３３】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６０４には正極端子（正極集電リード）６０３が接続され、負極６０６には負極端子（負極集電リード）６０７が接続される。正極端子６０３および負極端子６０７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６０３は安全弁機構６１２に、負極端子６０７は電池缶６０２の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構６１２は、ＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）６１１を介して正極キャップ６０１と電気的に接続されている。安全弁機構６１２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６０１と正極６０４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子６１１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。
【０２３４】電解液を用いるリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、セパレータと、電解液と、外装体とを有する。なお、リチウムイオン二次電池では、充電と放電でアノード（陽極）とカソード（陰極）が入れ替わり、酸化反応と還元反応とが入れ替わることになるため、反応電位が高い電極を正極と呼び、反応電位が低い電極を負極と呼ぶ。したがって、本明細書などにおいては、充電中であっても、放電中であっても、正極は「正極」または「＋極（プラス極）」と呼び、負極は「負極」または「−極（マイナス極）」と呼ぶこととする。酸化反応や還元反応に関連したアノード（陽極）やカソード（陰極）という用語を用いると、充電時と放電時とでは、逆になってしまい、混乱を招く可能性がある。したがって、アノード（陽極）やカソード（陰極）という用語は、本明細書においては用いないこととする。仮にアノード（陽極）やカソード（陰極）という用語を用いる場合には、充電時か放電時かを明記し、正極（プラス極）と負極（マイナス極）のどちらに対応するものかも併記することとする。
【０２３５】本実施の形態では、リチウムイオン二次電池の例を示すが、リチウムイオン二次電池に限定されず、二次電池の正極材料として例えば、元素Ａ、元素Ｘ、および酸素を有する材料を用いることができる。元素Ａは第１族の元素および第２族の元素から選ばれる一以上であることが好ましい。第１族の元素として例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を用いることができる。また、第２族の元素として例えば、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム等を用いることができる。元素Ｘとして例えば金属元素、シリコンおよびリンから選ばれる一以上を用いることができる。また、元素Ｘはコバルト、ニッケル、マンガン、鉄、およびバナジウムから選ばれる一以上であることが好ましい。代表的には、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）や、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）が挙げられる。
【０２３６】負極は、負極活物質層および負極集電体を有する。また、負極活物質層は、導電助剤およびバインダを有していてもよい。
【０２３７】負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な元素を用いることができる。例えば、シリコン、スズ、ガリウム、アルミニウム、ゲルマニウム、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特にシリコンは理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇと高い。
【０２３８】また、二次電池は、セパレータを有することが好ましい。セパレータとしては、例えば、紙をはじめとするセルロースを有する繊維、不織布、ガラス繊維、セラミックス、或いはナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維）、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いることができる。
【０２３９】本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２４０】（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を適用できる電子機器について説明する。
【０２４１】本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、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、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、自動車、二輪車、船舶、および航空機などの移動体も電子機器と言える。本発明の一態様に係る半導体装置は、これらの電子機器に内蔵されるバッテリの充電監視装置に用いることができる。
【０２４２】電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナおよび二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
【０２４３】電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
【０２４４】電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。
【０２４５】図１５において、本発明の一態様の半導体装置と二次電池を用いた移動体を例示する。図１５（Ａ）に示す自動車８４００の二次電池８０２４は、電気モータ８４０６を駆動するだけでなく、ヘッドライト８４０１やルームライト（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。自動車８４００の二次電池８０２４は、図１４（Ａ）および（Ｂ）に示した円筒形の二次電池６００を複数用いた電池モジュールとしたものを用いてもよい。充電監視装置８０２５は本発明の一態様の半導体装置を含み、環境温度に応じた二次電池８０２４の充電を行う。
【０２４６】図１５（Ｂ）に示す自動車８５００は、自動車８５００が有する二次電池にプラグイン方式や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１５（Ｂ）に、地上設置型の充電装置８０２１から自動車８５００に搭載された二次電池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、本発明の一態様の半導体装置を含む充電監視装置８０２５によって、環境温度に応じた充電を行うことができる。なお、本発明の一態様の半導体装置を含む充電監視装置を充電装置８０２１に設けてもよい。
【０２４７】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。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に搭載された二次電池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。
【０２４８】また、図示しないが、受電装置を移動体に搭載し、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、道路や外壁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、移動体どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、移動体の外装部に太陽電池を設け、停止時や移動時に二次電池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、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。
【０２４９】また、図１５（Ｃ）は、二次電池を用いた二輪車の一例である。図１５（Ｃ）に示すスクータ８６００は、二次電池８６０２、充電監視装置８６２５、サイドミラー８６０１、方向指示灯８６０３を備える。二次電池８６０２は、方向指示灯８６０３に電気を供給することができる。また、本発明の一態様の半導体装置を含む充電監視装置８０２５によって、環境温度に応じた二次電池８６０２の充電を行うことができる。
【０２５０】また、図１５（Ｃ）に示すスクータ８６００は、座席下収納８６０４に、二次電池８６０２を収納することができる。二次電池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。
【０２５１】本発明の一態様に係る半導体装置は、移動体に限らず、二次電池および無線モジュールを有するデバイスに適用することができる。
【０２５２】図１６（Ａ）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、蓄電装置７４０７および蓄電装置７４０７の充電監視装置を有している。
【０２５３】図１６（Ｂ）は、情報処理装置１２００の外観の一例を説明する投影図である。本実施の形態で説明する情報処理装置１２００は、演算装置と入出力装置と、筐体１２１０と、表示部１２３０、表示部１２４０と、蓄電装置１２５０および充電監視装置とを有する。
【０２５４】情報処理装置１２００は、通信部を有し、ネットワークに情報を供給する機能と、ネットワークから情報を取得する機能と、を備える。また、通信部を用いて特定の空間に配信された情報を受信して、受信した情報に基づいて、画像情報を生成してもよい。情報処理装置１２００は、表示部１２３０、表示部１２４０のいずれか一方をキーボード表示させた画面をタッチ入力パネルと設定することで、パーソナルコンピュータとして機能させることができる。
【０２５５】また、図１６（Ｃ）に示すようなウェアラブルデバイスに、本発明の一態様に係る二次電池の充電監視装置を設けてもよい。
【０２５６】例えば、図１６（Ｃ）に示すような眼鏡型デバイス４００に充電監視装置を設けてもよい。眼鏡型デバイス４００は、フレーム４００ａと、表示部４００ｂと、無線モジュールを有する。湾曲を有するフレーム４００ａのテンプル部に蓄電装置、充電監視装置、および無線モジュールを設けてもよい。充電監視装置を設けることで、蓄電装置の劣化が抑えられ、連続使用時間の低下を防ぐことができる。また、充電の異常が生じにくくなり、安全な眼鏡型デバイス４００とすることができる。
【０２５７】また、ヘッドセット型デバイス４０１に蓄電装置、充電監視装置、および無線モジュールを搭載することができる。ヘッドセット型デバイス４０１は、少なくともマイク部４０１ａと、フレキシブルパイプ４０１ｂと、イヤフォン部４０１ｃを有する。フレキシブルパイプ４０１ｂ内やイヤフォン部４０１ｃ内に蓄電装置、充電監視装置、および無線モジュールを設けることができる。
【０２５８】また、身体に直接取り付け可能なデバイス４０２に搭載することができる。デバイス４０２の薄型の筐体４０２ａの中に、蓄電装置４０２ｂおよび蓄電装置の充電監視装置設けることができる。
【０２５９】また、衣服に取り付け可能なデバイス４０３に搭載することができる。デバイス４０３の薄型の筐体４０３ａの中に、蓄電装置４０３ｂおよび蓄電装置の充電監視装置を設けることができる。
【０２６０】また、腕時計型デバイス４０５に搭載することができる。腕時計型デバイス４０５は表示部４０５ａおよびベルト部４０５ｂを有し、表示部４０５ａまたはベルト部４０５ｂに、蓄電装置および蓄電装置の充電監視装置を設けることができる。
【０２６１】表示部４０５ａには、時刻だけでなく、メールや電話の着信等、様々な情報を表示することができる。
【０２６２】また、腕時計型デバイス４０５は、腕に直接巻きつけるタイプのウェアラブルデバイスであるため、使用者の脈拍、血圧等を測定するセンサを搭載してもよい。使用者の運動量および健康に関するデータを蓄積し、健康維持に役立てることができる。
【０２６３】また、ベルト型デバイス４０６に蓄電装置および蓄電装置の充電監視装置を搭載することができる。ベルト型デバイス４０６は、ベルト部４０６ａおよびワイヤレス給電受電部４０６ｂを有し、ベルト部４０６ａの内部に、蓄電装置、充電監視装置、および無線モジュールを搭載することができる。
【０２６４】また、日用電子製品の蓄電装置として本発明の一態様の蓄電装置および蓄電装置の充電監視装置を用いることで、軽量で安全な製品を提供できる。例えば、日用電子製品として、電動歯ブラシ、電気シェーバー、電動美容機器などが挙げられ、それらの製品の蓄電装置としては、使用者の持ちやすさを考え、形状をスティック状とし、小型、軽量、且つ、大容量の蓄電装置が望まれている。図１６（Ｄ）はタバコ収容喫煙装置（電子タバコ）とも呼ばれる装置の斜視図である。図１６（Ｄ）において電子タバコ７４１０は、加熱素子を含むアトマイザ７４１１と、アトマイザに電力を供給する蓄電装置７４１４と、液体供給ボトルやセンサなどを含むカートリッジ７４１２で構成されている。安全性を高めるため、蓄電装置の充電監視装置を蓄電装置７４１４に電気的に接続してもよい。図１６（Ｄ）に示した蓄電装置７４１４は、充電機器と接続できるように外部端子を有している。蓄電装置７４１４は持った場合に先端部分となるため、トータルの長さが短く、且つ、重量が軽いことが望ましい。
【０２６５】なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【０２６６】１００：半導体装置、１０１：記憶素子、１０２：記憶素子、１０３：比較回路、１０４：電流調整回路、１０５：制御回路、１０６：入出力回路、１１０：電極、１１２：電極、１１４：絶縁層、１１５：絶縁層、１１６：絶縁層、１２０：電極、１３０：絶縁層、１５０：集積回路、１５２：電極、１５３：電極、１５４：絶縁層、１５６：絶縁層、１６０：集積回路、２００：二次電池、２１０：トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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