WO2020128743A1

WO2020128743A1 - 半導体装置および電池パック

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Publication number: WO2020128743A1
Application number: PCT/IB2019/060740
Authority: WO
Inventors: 高橋圭; 池田隆之; 田島亮太; 三上真弓; 門馬洋平; 上妻宗広; 松嵜隆徳
Original assignee: 株式会社半導体エネルギー研究所
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-06-25
Also published as: CN113196546A; KR20210119963A; US11988720B2; US20220052387A1; JPWO2020128743A1

Abstract

二次電池の劣化を検知する半導体装置を提供する。残量計と、異常電流検知回路と、制御回路と、を有する。残量計は、分流回路と、積分回路とを有する。異常電流検知回路は、第１のメモリ、第２のメモリ、および第１のコンパレータを有する。積分回路は、分流回路で検出する検知電流を積分することで検出電圧に変換することができる。異常電流検知回路には、検出電圧、第１の時刻に与えられる第１の信号、および第２の時刻に与えられる第２の信号が与えられる。第１の信号は、第１の時刻の検出電圧を第１のメモリに記憶させ、第２の信号は、第２の時刻の検出電圧を第２のメモリに記憶させることができる。第１のコンパレータは、第１の時刻の検出電圧と、第２の時刻の検出電圧の変化を第１の出力信号として制御回路に出力する。

Description

半導体装置および電池パック

　本発明の一態様は、半導体装置、および半導体装置の動作方法に関する。また、本発明の一態様は、充電制御回路、異常検知回路、または二次電池制御システム、および電子機器に関する。

　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発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、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、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうるもの全般を指す。よって、トランジスタやダイオードなどの半導体素子や半導体回路は半導体装置である。また、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、および電子機器などは、半導体素子や半導体回路を含む場合がある。よって、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、撮像装置、および電子機器なども、半導体装置と呼ばれる場合がある。

　近年、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池等、種々の蓄電装置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、スマートフォン、タブレット、もしくはノート型コンピュータ等の携帯情報端末、ゲーム装置、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ、医療機器、または、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、もしく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、電動バイクなど、半導体産業の発展と併せて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。

　特許文献１には、ＣＣＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ）充電における定電流充電時の二次電池の劣化を低減することができる充電制御回路が示されている。

特開２０１１−４５０９号公報

　特許文献１に示されている構成では、ＣＣＣＶ充電における充電時の二次電池の劣化を低減するための充電制御回路が示されている。しかし、二次電池は、充放電を繰り返すことで劣化することが知られている。また、二次電池は、充放電を繰り返すことで、マイクロショートなどの不良が発生することが知られている。

　本発明の一態様は、二次電池の充電特性を監視することで二次電池の不良を検出する半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、消費電力を低減する半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、充電特性の検出精度の良好な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、動作の安定した半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、信頼性の良好な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。

　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。

　最初に、二次電池の充放電方法について簡単に説明する。二次電池の充放電は、例えば下記のように行うことができる。

＜ＣＣ充電＞
　まず、充電方法の１つとして定電流（ＣＣ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）充電について説明する。ＣＣ充電は、充電期間の全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１Ａ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Ｖ_Ｂは、内部抵抗Ｒにかかる電圧Ｖ_Ｒと二次電池容量Ｃにかかる電圧Ｖ_Ｃの和である。

　ＣＣ充電を行っている間は、図１Ａ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、Ｖ_Ｒ＝Ｒ×Ｉのオームの法則により、内部抵抗Ｒにかかる電圧Ｖ_Ｒも一定である。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧Ｖ_Ｃは、時間の経過とともに上昇する。そのため、二次電池電圧Ｖ_Ｂは、時間の経過とともに上昇する。

　そして二次電池電圧Ｖ_Ｂ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１Ｂ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Ｖ_Ｒが０Ｖとなる。そのため、二次電池電圧Ｖ_Ｂが下降する。よって、二次電池電圧Ｖ_Ｂは、二次電池容量Ｃにかかる電圧Ｖ_Ｃと等しくなる。

　ＣＣ充電を行っている間と、ＣＣ充電を停止した後の、二次電池電圧Ｖ_Ｂと充電電流の例を図１Ｃ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Ｖ_Ｂが、ＣＣ充電を停止した後、若干低下する様子が示されている。

＜ＣＣＣＶ充電＞
　次に、上記と異なる充電方法である定電流定電圧（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。

　ＣＣ充電を行っている間は、図２Ａ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、Ｖ_Ｒ＝Ｒ×Ｉのオームの法則により、内部抵抗Ｒにかかる電圧Ｖ_Ｒも一定である。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧Ｖ_Ｃは、時間の経過とともに上昇する。そのため、二次電池電圧Ｖ_Ｂは、時間の経過とともに上昇する。

　そして二次電池電圧Ｖ_Ｂ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２Ｂ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Ｖ_Ｂが一定となる。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧Ｖ_Ｃは、時間の経過とともに上昇する。Ｖ_Ｂ＝Ｖ_Ｒ＋Ｖ_Ｃであるため、内部抵抗Ｒにかかる電圧Ｖ_Ｒ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Ｖ_Ｒが小さくなるに従い、Ｖ_Ｒ＝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。

　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２Ｃ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Ｖ_Ｒ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Ｖ_Ｒ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Ｖ_Ｂはほとんど降下しない。よって、二次電池電圧Ｖ_Ｂは、二次電池容量Ｃにかかる電圧Ｖ_Ｃと等しくなる。

　ＣＣＣＶ充電を行っている間と、ＣＣＣＶ充電を停止した後の、二次電池電圧Ｖ_Ｂと充電電流の例を図２Ｄに示す。ＣＣＣＶ充電を停止した後、二次電池電圧Ｖ_Ｂがほとんど降下しない様子が示されている。

＜ＣＣ放電＞
　次に、放電方法の１つであるＣＣ放電について説明する。ＣＣ放電は、放電期間の全てで一定の電流を二次電池から流し、二次電池電圧Ｖ_Ｂが所定の電圧、例えば２．５Ｖになったときに放電を停止する放電方法である。

　次に、放電レートおよび充電レートについて説明する。放電レートとは、電池容量に対する放電時の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の電池において、１Ｃ相当の電流はＸである。２Ｘの電流で放電させた場合は２Ｃで放電させたといい、０．２Ｘの電流で放電させた場合は０．２Ｃで放電させたという。また、充電レートも同様であり、２Ｘの電流で充電させた場合は２Ｃで充電させたといい、０．２Ｘの電流で充電させた場合は０．２Ｃで充電させたという。

　マイクロショートなどの異常発生時においては、二次電池の充電電圧の降下が急に発生する。一方、異常電流は電池内部で保護回路とは異なる経路（電池内部）で流れる。図３２に縦軸を電圧、横軸を時間として充電を行い２０分付近でマイクロショートを生じさせているグラフを一例として示す。本発明の一態様は、異常挙動を検出し、その結果を制御回路またはプロセッサに通知することで、電源遮断スイッチをオフ状態とすることで二次電池への電力供給をストップすることができる。

　上記の充電方法で充電する場合、本発明の一態様は、二次電池の充電特性から二次電池の劣化を検出することができる。なお、二次電池の劣化には、マイクロショートなどの異常も含まれる。

　本発明の一態様は、第１の回路と、第２の回路とを有する半導体装置である。第１の回路は、残量計と、異常電流検知回路と、を有する。残量計は、分流回路と、積分回路と、を有する。異常電流検知回路は、第１のメモリと、第２のメモリと、第１のコンパレータと、を有する。積分回路は、分流回路で検出する検知電流を積分することで検出電圧に変換することができる。異常電流検知回路には、検出電圧と、第１の時刻に与えられる第１の信号と、第２の時刻に与えられる第２の信号と、が与えられる。異常電流検知回路は、第１の信号によって第１の時刻の検出電圧を第１のメモリに記憶させることができる。異常電流検知回路は、第２の信号によって第２の時刻の検出電圧を第２のメモリに記憶させることができる。第１のコンパレータは、第１の時刻の検出電圧と、第２の時刻の検出電圧の変化を第１の出力信号として第２の回路に出力する。

　上記構成において、第１のメモリに記憶された検出電圧が、第２のメモリに記憶された検出電圧より大きい場合、第１のコンパレータは、第１の出力信号を第２の回路に出力する。また、第２のメモリに記憶された検出電圧が、第１のメモリに記憶された検出電圧より大きい場合、第１のコンパレータは、第１の出力信号を反転して第２の回路に出力する。

　上記各構成において、残量計は、ヒステリシス特性を備える第２のコンパレータを有し、第２のコンパレータは、第１の判定電圧と、第２の判定電圧と、を用いて検出電圧を判定することができる。検出電圧が第１の判定電圧よりも小さい場合、第２のコンパレータの出力信号が分流回路の出力極性を反転させることができる。検出電圧が第２の判定電圧よりも大きい場合、第２のコンパレータの出力信号が分流回路の出力極性を反転させることができる。第２のコンパレータの出力信号は、第２の回路に出力される。

　上記各構成において、第２の回路は、第２のコンパレータの出力信号から第１の信号と、第２の信号と、を生成することができる。

　上記各構成において、第２の回路は、設定時間を設定することができる。第２の回路は、第２のコンパレータの出力信号の変化点から設定時間後に第１の信号または第２の信号を出力することができる。

　上記各構成において、第２の回路は、制御回路またはプロセッサであることが好ましい。

　上記各構成において、半導体装置は、トランジスタを有し、トランジスタは、半導体層に酸化物半導体を含むことが好ましい。

　また、本発明の別の一態様は、可撓性基板に設けられた半導体装置と、絶縁シートと、二次電池と、を含む電池パックである。

　本発明の一態様は、二次電池の充電特性を監視することで二次電池の不良を検出する半導体装置などを提供することができる。または、消費電力を低減する半導体装置などを提供することができる。または、充電特性の検出精度の良好な半導体装置などを提供することができる。または、動作の安定した半導体装置などを提供することができる。または、信頼性の良好な半導体装置などを提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。

　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、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１Ａ乃至図１Ｃは、二次電池の充電方法を説明する図である。
図２Ａ乃至図２Ｄは、二次電池の充電方法を説明する図である。
図３は、半導体装置の構成例を説明する図である。
図４は、半導体装置の構成例を説明する図である。
図５は、半導体装置の回路例を説明する図である。
図６は、半導体装置の動作例を説明する図である。
図７は、半導体装置の動作例を説明する図である。
図８Ａ乃至図８Ｃは、コイン型二次電池を説明する図である。
図９Ａ乃至図９Ｄは、円筒型二次電池を説明する図である。
図１０Ａ、図１０Ｂは、二次電池の例を説明する図である。
図１１Ａ乃至図１１Ｄは、二次電池の例を説明する図である。
図１２Ａ、図１２Ｂは、二次電池の例を説明する図である。
図１３は、二次電池の例を説明する図である。
図１４Ａ乃至図１４Ｃは、貼り合わせ型の二次電池を説明する図である。
図１５Ａ、図１５Ｂは、貼り合わせ型の二次電池を説明する図である。
図１６は、二次電池の外観を示す図である。
図１７は、二次電池の外観を示す図である。
図１８Ａ乃至図１８Ｃは、二次電池の作製方法を説明するための図である。
図１９Ａ乃至図１９Ｅは、曲げることのできる二次電池を説明する図である。
図２０Ａ、図２０Ｂは、曲げることのできる二次電池を説明する図である。
図２１Ａ乃至図２１Ｈは、電子機器の一例を説明する図である。
図２２Ａ、図２２Ｂは、電子機器の一例を説明する図である。図２２Ｃは、電子機器の充放電制御回路を説明するブロック図である。
図２３は、電子機器の一例を説明する図である。
図２４Ａ乃至図２４Ｃは、車両の一例を説明する図である。
図２５は、半導体装置の構成例を説明する図である。
図２６は、半導体装置の構成例を説明する図である。
図２７Ａ乃至図２７Ｃは、トランジスタの構造例を説明する図である。
図２８Ａ、図２８Ｂは、トランジスタの構造例を説明する図である。
図２９は、半導体装置の構成例を説明する図である。
図３０Ａ、図３０Ｂは、トランジスタの構造例を説明する図である。
図３１は、半導体装置の構成例を説明する図である。
図３２は、マイクロショートを説明する図である。
図３３Ａは、アンプ回路を説明する回路図である。図３３Ｂは、タイミングチャートを説明する図である。
図３４Ａは、チップ写真である。図３４Ｂは、半導体装置の電気特性を説明する図である。

　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、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく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。したがって、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。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。

　また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。

　また、上面図（「平面図」ともいう）や斜視図などにおいて、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。

　また、本明細書等において「電極」や「配線」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」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。さらに、回路を説明する場合、「配線」には、抵抗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、電気回路における「端子」とは、電流の入力または出力、電圧の入力または出力、および／または、信号の受信または送信が行われる部位をいう。よって、配線または電極の一部が端子として機能する場合がある。

　なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。

　また、ソースおよびドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合など、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

　また、本明細書等において、「電気的に接続」には、直接接続している場合と、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。よって、「電気的に接続される」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。また、「直接接続」と表現される場合、異なる導電層にコンタクトを介して接続される場合が含まれる。なお、配線には、異なる導電層が一つ以上の同じ元素を含む場合と、異なる元素を含む場合と、がある。

　また、本明細書などにおいて、「平行」とは、例えば、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」および「直交」とは、例えば、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

　なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス２０％の誤差を含むものとする。

　また、本明細書において、レジストマスクを形成した後にエッチング処理を行う場合は、特段の説明がないかぎり、レジストマスクは、エッチング処理終了後に除去するものとする。

　また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位は互いに言い換えることが可能な場合が多い。本明細書などでは、特段の明示がないかぎり、電圧と電位を言い換えることができるものとする。

　なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「絶縁体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「絶縁体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「絶縁体」は、互いに読み換えることができる場合がある。

　また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「導電体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「導電体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「導電体」は、互いに読み換えることができる場合がある。

　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、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。

　なお、本明細書等において、トランジスタの「オン状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡しているとみなせる状態（「導通状態」ともいう。）をいう。また、トランジスタの「オフ状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断しているとみなせる状態（「非導通状態」ともいう。）をいう。

　また、本明細書等において、「オン電流」とは、トランジスタがオン状態の時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。また、「オフ電流」とは、トランジスタがオフ状態である時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。

　また、本明細書等において、高電源電位ＶＤＤ（以下、単に「ＶＤＤ」または「Ｈ電位」ともいう）とは、低電源電位ＶＳＳよりも高い電位の電源電位を示す。また、低電源電位ＶＳＳ（以下、単に「ＶＳＳ」または「Ｌ電位」ともいう）とは、高電源電位ＶＤＤよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位をＶＤＤまたはＶＳＳとして用いることもできる。例えばＶＤＤが接地電位の場合には、ＶＳＳは接地電位より低い電位であり、ＶＳＳが接地電位の場合には、ＶＤＤは接地電位より高い電位である。

　また、本明細書等において、ゲートとは、ゲート電極およびゲート配線の一部または全部のことをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

　また、本明細書等において、ソースとは、ソース領域、ソース電極、およびソース配線の一部または全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをいう。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

　また、本明細書等において、ドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、およびドレイン配線の一部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

（実施の形態１）
　本発明の一態様の半導体装置について、図３乃至図７を用いて説明する。

　本発明の一態様は、二次電池の劣化を検知する半導体装置である。図３は、半導体装置を説明する構成例である。半導体装置は、回路１０、および回路４０を有する。回路１０は、残量計２０と、異常電流検知回路３０と、出力回路１１、出力回路１２、および端子１０ａ乃至端子１０ｈを有する。残量計２０は、端子２０ａ乃至端子２０ｆを有する。異常電流検知回路３０は、端子３０ａ乃至端子３０ｄを有する。回路４０は、端子４０ａ乃至端子４０ｄを有する。

　二次電池４２は、二次電池４２の二次電池電流を検出するためのモニタ用の抵抗４１を介して配線５２と電気的に接続される。抵抗４１の電極の一方は、端子１０ａを介して端子２０ａに電気的に接続される。抵抗４１の電極の他方は、端子１０ｄを介して端子２０ｄに電気的に接続される。なお、端子１０ｂは、容量素子１５を介して端子１０ｃと電気的に接続される。また端子１０ｂは、端子２０ｂと電気的に接続される。また端子１０ｃは、端子２０ｃと電気的に接続される。端子２０ｅは、出力回路１１を介して端子１０ｅと電気的に接続される。端子２０ｆは、端子３０ａと電気的に接続される。端子３０ｂは、出力回路１２を介して端子１０ｇと電気的に接続される。

　端子１０ｅは、端子４０ａと、抵抗４３の電極の一方とに電気的に接続される。端子１０ｇは、端子４０ｃと、抵抗４４の電極の一方と電気的に接続される。なお、抵抗４３の電極の他方と、抵抗４４の電極の他方は、配線５３と電気的に接続される。

　端子４０ｂは、端子１０ｆを介して端子３０ｃと電気的に接続される。端子４０ｄは、端子１０ｈを介して端子３０ｄと電気的に接続される。

　残量計２０は、二次電池４２の電流を分流する分流回路、検知した電流を積分し電圧に変換する積分回路、および変換された電圧を比較する第１の比較回路を有する。当該分流回路は、二次電池４２の電圧から電流変化を検出し、且つ基準電位を生成することができる。当該積分回路は、二次電池４２の電流を積分し検出電圧を生成することができる。さらに、積分回路は、検出電圧を異常電流検知回路３０に与えることができる。当該第１の比較回路は、検出電圧を基準電圧と比較した結果を出力することができる。なお、第１の比較回路は、検出電圧を比較する場合にヒステリシス特性を利用する。ヒステリシス特性は、ヒステリシス幅を有する。ヒステリシス幅は、第１の判定電圧および第２の判定電圧によって設定される。なお、第１の判定電圧および第２の判定電圧は、回路４０によって設定されることが好ましい。検出電圧が、ヒステリシス幅から外れた場合、残量計２０は、回路４０に対し第１の出力信号を用いて通知する。さらに、検出電圧が、ヒステリシス幅から外れた場合、異常電流検知回路は、第１の出力信号によって二次電池４２の出力極性を反転させることができる。

　出力回路１１または出力回路１２は、オープンドレインの出力方式を用いることができる。一例として出力回路１１の詳細を説明する。出力回路１１には、Ｎｃｈのトランジスタを用いる。当該トランジスタのゲートには、第１の出力信号が、残量計２０の端子２０ｅを介して与えられる。当該トランジスタのソースは、配線５４に電気的に接続される。当該トランジスタのドレインに接続される抵抗４３は、プルアップ抵抗として機能する。配線５３に与えられる電圧は、回路４０の入出力インターフェースの電源電圧であることが好ましい。オープンドレインの出力形式は、回路１０に与えられる電源電圧と異なる電源電圧で動作する回路４０に対し信号を出力するのに好適である。

　なお、オープンドレインの出力方式に用いるトランジスタは、チャネルが形成される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たトランジスタ（「ＯＳトランジスタ」ともいう。）を用いることができる。

　ＯＳトランジスタはオフ電流を極めて少なくすることができる。具体的には、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を室温下において１×１０^−２０Ａ未満、好ましくは１×１０^−２２Ａ未満、さらに好ましくは１×１０^−２４Ａ未満とすることができる。

　また、ＯＳトランジスタは、高温環境下でもオフ電流がほとんど増加しない。具体的には室温以上２００℃以下の環境温度下でもオフ電流がほとんど増加しない。半導体装置を構成するトランジスタにＯＳトランジスタを用いることで、高温環境下においても動作が安定し、信頼性の良好な半導体装置を実現できる。

　特に、出力回路１１または出力回路１２にＯＳトランジスタを用いることで、プルアップ抵抗を介した電流が配線５４に流れることを抑制し消費電力を低減することができる。また、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。ＯＳトランジスタを用いることによって、信頼性の良好な半導体装置などを提供できる。

　第１の出力信号の“Ｈ”から“Ｌ”への変化を検出した場合、回路４０は、設定された時間を経過した後に第１の信号または第２の信号を出力することができる。なお、設定時間は、回路４０によって設定することができる。第１の出力信号が“Ｈ”から“Ｌ”に変化し第１の信号を出力するまでの時間を第１の期間とすることができる。また、第１の出力信号が“Ｈ”から“Ｌ”に変化し第２の信号を出力するまでの時間を第２の期間とすることができる。

　異常電流検知回路３０は、第１のメモリと、第２のメモリと、第２の比較回路と、を有する。異常電流検知回路３０には、検出電圧と、第１の期間後に与えられる第１の信号と、第２の期間後に与えられる第２の信号と、が与えられる。第１の信号は、第１の期間後の検出電圧を第１のメモリに記憶させることができる。第２の信号は、第２の期間後の検出電圧を第２のメモリに記憶させることができる。なお、検出電圧を第１のメモリに記憶させる時刻を、第１の時刻と呼び、検出電圧を第２のメモリに記憶させる時刻を、第２の時刻と呼ぶことができる。第２の比較回路は、第１の時刻の検出電圧と、第２の時刻の検出電圧の大小関係を第２の出力信号として出力回路１２を介して回路４０に出力することができる。

　異常電流検知回路３０は、第１のメモリに記憶された検出電圧が、第２のメモリに記憶された検出電圧より大きい場合、第２の出力信号を回路４０に出力することができる。また、異常電流検知回路３０は、第２のメモリに記憶された検出電圧が、第１のメモリに記憶された検出電圧より大きい場合、第２の出力信号を反転して回路４０に出力することができる。

　なお、回路４０は、プロセッサを用いることができる。もしくは、回路４０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）やＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅ）等によって構成される制御回路を用いることができる。もしくは、回路１０は、回路４０を含んでもよい。回路１０が回路４０を含む場合、出力回路１１、出力回路１２、またはプルアップ抵抗を必要としない。したがって部品点数を削減することができる。

　図４は、図３で説明した半導体装置の構成例を詳細に説明する図である。図４では、図３と異なる点について説明し、発明の構成（または実施例の構成）において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。

　残量計２０は、分流回路２１、積分回路２２、およびコンパレータ２３を有する。分流回路２１は、二次電池４２の電流を検知することができる。積分回路２２は、検知した電流を積分し電圧に変換することができる。コンパレータ２３は、積分された電圧を比較することができる。なお、コンパレータ２３は、第１の比較回路に相当する。

　分流回路２１は、端子２１ａ乃至端子２１ｇを有する。積分回路２２は、端子２２ａ、および端子２２ｂを有する。コンパレータ２３は、端子２３ａ乃至２３ｃを有する。

　端子２０ａは、端子２１ａと電気的に接続される。端子２０ｂは、端子２１ｂと電気的に接続される。端子２０ｃは、端子２１ｃと電気的に接続される。端子２０ｄは、端子２１ｄと電気的に接続される。端子２１ｇは、端子２２ａと電気的に接続される。端子２２ｂは、端子２３ａ、および端子２０ｆと電気的に接続される。端子２３ｂは、端子２１ｅと電気的に接続される。端子２３ｃは、端子２１ｆと電気的に接続される。

　分流回路２１は、二次電池４２の電流変化を検知することができる。積分回路２２は、二次電池４２の電流を積分することで検出電圧を生成することができる。積分回路２２は、検出電圧を積分回路２２の端子２２ｂ、残量計２０の端子２０ｆを介して異常電流検知回路３０に与えることができる。

　コンパレータ２３には、判定電圧Ｂｉａｓ１および判定電圧Ｂｉａｓ２が与えられる。コンパレータ２３は、ヒステリシス特性を有し、当該ヒステリシス幅は、判定電圧Ｂｉａｓ１および判定電圧Ｂｉａｓ２によって設定される。なお、判定電圧Ｂｉａｓ１および判定電圧Ｂｉａｓ２は、回路４０によって設定されることが好ましい。コンパレータ２３の出力信号は、端子２３ｂを介して端子２０ｅに与えられ、かつ、端子２１ｅに与えられる。なお、端子２０ｅに与えられるコンパレータ２３の出力信号は、出力回路１１を介して回路４０に与えられる。検出電圧が、ヒステリシス幅から外れた場合、コンパレータ２３は、回路４０に対しコンパレータ２３の出力信号を用いて通知する。さらに、検出電圧が、ヒステリシス幅から外れた場合、分流回路２１の端子２１ｅに与えられるコンパレータ２３の出力信号は、分流回路２１の出力極性を反転させることができる。

　図５は、本発明の一態様である半導体装置が有する回路１０の回路例を説明する図である。図５では、図４で説明した回路１０を詳細に説明し、発明の構成（または実施例の構成）において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。

　分流回路２１は、抵抗Ｒ１乃至抵抗Ｒ４、スイッチＳ１、およびスイッチＳ２を有する。なお、抵抗は、配線の長さによって抵抗値を決めることができる。または、抵抗は、配線で用いる導電層とは異なる導電率を有する導電層とコンタクトを介して接続して形成することができる。

　抵抗Ｒ１の一方の電極は、端子２１ａと電気的に接続される。抵抗Ｒ１の他方の電極は、抵抗Ｒ２の一方の電極、スイッチＳ１の一方の電極、および端子２１ｂと電気的に接続される。抵抗Ｒ２の他方の電極は、抵抗Ｒ３の一方の電極、および端子２１ｈと電気的に接続される。抵抗Ｒ３の他方の電極は、抵抗Ｒ４の一方の電極、スイッチＳ２の一方の電極、および端子２１ｃと電気的に接続される。抵抗Ｒ４の他方の電極は、端子２１ｄと電気的に接続される。スイッチＳ１の他方の電極は、スイッチＳ２の他方の電極、および端子２１ｇと電気的に接続される。

　抵抗Ｒ１は、抵抗Ｒ４と同じ抵抗値であることが好ましい。また、抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ３と同じ抵抗値であることが好ましい。なお、抵抗値には、ばらつきが含まれる。例えば、抵抗値は−５％以上＋５％以下のばらつきの範囲、好ましくは抵抗値が−３％以上＋３％以下のばらつきの範囲、より好ましくは抵抗値が−１％以上＋１％以下のばらつきの範囲である。

　端子２１ｈに与えられる出力電圧は、積分回路２２の基準電圧として端子２２ｆに与えられる。端子２１ｇに与えられる検知電流は、積分回路２２の入力信号として端子２２ａに与えられる。なお、スイッチＳ１は、端子２１ｅに与えられるコンパレータ２３の出力信号によって制御される。また、スイッチＳ２は、端子２１ｆに与えられるコンパレータ２３の出力信号の反転信号によって制御される。したがって、充電時においてスイッチＳ１がオン状態かつスイッチＳ２がオフ状態の場合、端子２１ｇに与えられる検知電流は、基準電圧に対して正の電流が与えられる。スイッチＳ２がオン状態かつスイッチＳ１がオフ状態の場合、端子２１ｇに与えられる検知電流は、基準電圧に対して負の電流が与えられる。

　次に、積分回路２２について説明する。積分回路は、アンプ回路２２ｃ、抵抗２２ｄ、および容量２２ｅを有する。アンプ回路２２ｃは、非反転入力端子、反転入力端子、および出力端子を有する。端子２２ａは、抵抗２２ｄの一方の電極と電気的に接続される。抵抗２２ｄの他方の電極は、アンプ回路２２ｃの非反転入力端子と、容量２２ｅの一方の電極と電気的に接続される。端子２２ｆは、アンプ回路２２ｃの反転入力端子と電気的に接続される。アンプ回路２２ｃの出力端子は、容量２２ｅの他方の電極と、端子２２ｂと電気的に接続される。

　端子２２ａに与えられる電流は、積分回路２２によって積分され、検出電圧を生成する。なお、スイッチＳ１がオン状態かつスイッチＳ２がオフ状態の場合、端子２２ｂに与える検出電圧は、端子２２ｆに与えられる基準電圧に対して正の電圧が与えられる。または、スイッチＳ２がオン状態かつスイッチＳ１がオフ状態の場合、端子２２ｂに与える検出電圧は、端子２２ｆに与えられる基準電圧に対して負の電圧が与えられる。

　一般に、容量は二つの電極が誘電体を介して向かい合う構成を有する。容量値は、向かい合う電極の重畳面積と誘電体の比誘電率に比例し、二つの電極間の距離に反比例する。容量２２ｅを設ける場合、容量値が大きすぎると半導体装置の占有面積が大きくなりやすく好ましくない。また、容量２２ｅの容量値が大きいと、積分回路の応答性が低下する。

　したがって、容量２２ｅを設ける場合、容量２２ｅの容量値は、好ましくは０．０１ｆＦ以上１００ｐＦ以下、より好ましくは０．０５ｆＦ以上１０ｐＦ以下、さらに好ましくは０．１ｆＦ以上１ｐＦ以下にすればよい。

　積分回路２２が生成する検出電圧は、コンパレータ２３の端子２３ａ、および端子２０ｆを介して異常電流検知回路３０の端子３０ａに与えられる。

　コンパレータ２３は、アンプ回路２３ｅ、アンプ回路２３ｆ、回路２３ｇ、および回路２３ｈを有する。なお、回路２３ｇおよび回路２３ｈは、第１の入力端子、第２の入力端子、および出力端子を有し、否定論理積として動作する論理ゲートである。

　端子２３ａは、アンプ回路２３ｅの非反転入力端子、およびアンプ回路２３ｆの反転入力端子と電気的に接続される。アンプ回路２３ｅの反転入力端子には、判定電圧Ｂｉａｓ１が与えられる。アンプ回路２３ｆの非反転入力端子には、判定電圧Ｂｉａｓ２が与えられる。アンプ回路２３ｅの出力端子は、回路２３ｇの第１の入力端子と電気的に接続される。アンプ回路２３ｆの出力端子は、回路２３ｈの第２の入力端子と電気的に接続される。回路２３ｇの出力端子は、回路２３ｈの第１の入力端子、端子２３ｃを介して分流回路の端子２１ｆと電気的に接続される。回路２３ｈの出力端子は、回路２３ｇの第２の入力端子、端子２３ｂを介して分流回路の端子２１ｅと電気的に接続される。なお、端子２３ｂは、残量計２０の端子２０ｅを介して出力回路１１と電気的に接続される。

　異常電流検知回路３０は、メモリ３２ａと、メモリ３２ｂと、アンプ回路３１ａと、を有する。なお、アンプ回路３１ａは、第２の比較回路として機能する。メモリ３２ａは、スイッチ３１ｂと、容量３１ｄと、を有する。メモリ３２ｂは、スイッチ３１ｃと、容量３１ｅと、を有する。

　端子３０ａは、メモリ３２ａの入力端子と、メモリ３２ｂの入力端子と電気的に接続される。メモリ３２ａの出力端子は、アンプ回路３１ａの反転入力端子と電気的に接続される。メモリ３２ｂの出力端子は、アンプ回路３１ａの非反転入力端子と電気的に接続される。アンプ回路３１ａの出力端子は、端子３０ｂを介して出力回路１２と電気的に接続される。なお、端子３０ａには、積分回路２２が生成する検出信号が信号ｉｏｕｔとして与えられる。

　さらに詳しく、異常電流検知回路３０について説明する。端子３０ａは、スイッチ３１ｂの一方の電極と電気的に接続される。スイッチ３１ｂの他方の電極は、容量３１ｄの一方の電極、およびアンプ回路３１ａの反転入力端子と電気的に接続される。容量３１ｄの他方の電極は、配線５４と電気的に接続される。また、異常電流検知回路３０の端子３０ａは、スイッチ３１ｃの一方の電極と電気的に接続される。スイッチ３１ｃの他方の電極は、容量３１ｅの一方の電極、およびアンプ回路３１ａの非反転入力端子と電気的に接続される。容量３１ｅの他方の電極は、配線５４と電気的に接続される。

　スイッチ３１ｂは、回路４０から端子１０ｈを介して与えられる信号ＳＨＮによって制御される。スイッチ３１ｃは、回路４０から端子１０ｆを介して与えられる信号ＳＨＰによって制御される。

　なお、スイッチ３１ｂ、およびスイッチ３１ｂは、ＯＳトランジスタであることが好ましい。ＯＳトランジスタはオフ電流を極めて少なくすることができるため、メモリに与えられた電圧を保持するのに好適である。

　また、ＯＳトランジスタは、高温環境下（例えば、５０℃以上１５０℃以下の環境下。）においても、オフ電流か増加しにくい。よって、高温環境下においても、記憶素子（メモリ３２ａ、またはメモリ３２ｂ）に供給された電圧（電荷）を長期間保持することができる。

　このように、ＯＳトランジスタと容量によって記憶素子が構成される。記憶素子を構成するトランジスタにＯＳトランジスタを用いた記憶素子を「ＯＳメモリ」と呼ぶ場合がある。

　回路４０は、コンパレータ２３の出力信号が与えられると、回路４０が備える時間管理機能を用いて信号ＳＨＰ、および信号ＳＨＮを生成する。

　信号ＳＨＰを用いて、メモリ３２ｂに検出電圧を記憶させる方法について説明する。回路４０は、コンパレータ２３の出力信号の変化点（出力回路１１が、オフ状態からオン状態に変化）から時間管理を行い、当該変化点から設定された第１の期間後に信号ＳＨＰを“Ｈ”状態にする。メモリ３２ｂは、信号ＳＨＰが“Ｈ”の期間に端子３０ａに与えられる検出電圧を記憶する。

　次に、信号ＳＨＮを用いて、メモリ３２ａに検出電圧を記憶させる方法について説明する。回路４０は、コンパレータ２３の出力信号の変化点（出力回路１１が、オフ状態からオン状態に変化）から時間管理を行い、当該変化点から設定された第２の期間後に信号ＳＨＮを“Ｈ”にする。メモリ３２ａは、信号ＳＨＮが“Ｈ”の期間に端子３０ａに与えられる検出電圧を記憶する。

　回路４０は、信号ＳＨＰを、信号ＳＨＮと異なるタイミングで出力することが好ましい。よって、信号ＳＨＰおよび信号ＳＨＮは、信号ＳＨＰおよび信号ＳＨＮが与えられた時刻に対する検出電圧の変化を検出することができる。したがって、信号ＳＨＰと、信号ＳＨＮとの時間間隔は大きいことが好ましい。当該時間間隔には、信号ＣＣＮＴの変化点を複数含むことができる。また、当該時間間隔は、充電サイクル数に応じて変化させてもよいし、二次電池４２の充電開始時の検出電圧に応じて変化させてもよい。

　メモリ３２ｂに記憶される検出電圧が、メモリ３２ａに記憶される検出電圧より大きい場合、アンプ回路３１ａは、“Ｈ”の信号を出力し、出力回路１２では“Ｌ”の信号に変換され回路４０に出力する。異なる例として、メモリ３２ａに記憶される検出電圧が、メモリ３２ｂに記憶される検出電圧より大きい場合、アンプ回路３１ａは、“Ｌ”の信号を出力し、出力回路１２で“Ｈ”の信号に変換され回路４０に出力する。アンプ回路３１ａの出力信号（信号ＡＢＮＣ）は、端子１０ｇを介して回路４０に与えることができる。回路４０は、信号ＡＢＮＣを用いて二次電池４２の出力の変化を判定する。

　回路４０が判定した信号ＡＢＮＣは、二次電池４２の充電特性の傾きを表している。信号ＡＢＮＣの出力が“Ｈ”の場合、二次電池４２の充電特性は電圧が上昇する変化を示している。信号ＡＢＮＣの出力が“Ｌ”の場合、二次電池４２の充電特性は電圧が下降する変化を示している。

　次に、出力回路１１について説明する。出力回路１１の出力信号（信号ＣＣＮＴ）は、端子１０ｅを介して回路４０に与えることができる。よってコンパレータ２３の出力信号は、出力回路１１を介して回路４０に検出電圧がヒステリシス幅から外れたことを通知することができる。信号ＣＣＮＴは、二次電池４２の充電特性の傾きに応じて信号ＣＣＮＴの“Ｈ”の期間または“Ｌ”の期間の時間が変化する。例えば、二次電池４２の充電特性の電圧が上昇する変化を示す場合、上昇する変化の大きさにより周期の時間は短くなる。また、二次電池４２の充電特性の電圧が下降する変化を示す場合、下降する変化の大きさにより周期の時間は短くなる。

　図６は、二次電池４２に対し正常に充電している場合の動作例を説明する。図６は、一例として二次電池４２に対し正常に充電している場合の充電特性を示している。図６は、二次電池４２をＣＣＣＶ充電で充電した場合の充電特性である。ＣＣＣＶ充電は、ＣＣ充電期間と、ＣＶ充電期間とを管理することが重要である。ＣＣ充電期間では、二次電池４２に対し定電流源から一定の充電電流を与えることで充電する。充電電流が一定であるため、オームの法則により、二次電池４２の内部抵抗にかかる電圧も一定である。一方、二次電池容量にかかる電圧は、時間の経過とともに上昇する。そのため、二次電池４２の充電電圧は、時間の経過とともに上昇する。

　二次電池４２の充電電圧が、任意の電圧に達した場合、ＣＣ充電期間からＣＶ充電期間に移行する。ＣＶ充電期間は、二次電池４２に対し定電圧源から一定の充電電圧を与えることで充電する。二次電池容量Ｃにかかる電圧は、時間の経過とともに上昇するため、二次電池４２の内部抵抗にかかる電圧は、時間の経過とともに小さくなる。当該内部抵抗にかかる電圧が小さくなるに従い、オームの法則により、二次電池４２に流れる充電電流も小さくなる。

　図６では、さらに半導体装置の動作を、タイミングチャートを用いて説明する。タイミングチャートでは、ＣＶ充電時の任意の期間を用いて説明する。

　信号ｉｏｕｔは、積分回路２２が生成する検出電圧である。信号ｉｏｕｔの電圧は、コンパレータ２３のヒステリシス幅の内側から外れると分流回路２１の出力が反転し、その結果、信号ｉｏｕｔの変化の向きが反転する。信号ｉｏｕｔは、積分回路２２によって生成されるため、分流回路２１で検出する二次電池４２の充電電圧の変化量が大きくなることで信号ｉｏｕｔの傾きが大きくなる。また分流回路２１で検出する二次電池４２の充電電圧が小さくなることで信号ｉｏｕｔの傾きが小さくなる。つまりコンパレータ２３の出力信号は、信号ｉｏｕｔの傾きにより周期Ｔ１乃至Ｔ７の時間が変化する。なお、コンパレータ２３の出力信号の変化点は、信号ｉｏｕｔの変化点と一致する。したがって、コンパレータ２３の出力信号は、信号ＣＣＮＴに同期する。

　回路４０（以下、制御部として説明する。）は、信号ＣＣＮＴの変化点を検出すると、信号ＳＨＰ、および信号ＳＨＮを生成する。信号ＣＣＮＴの変化点から信号ＳＨＰを出力する期間を期間Ｄ１とする。信号ＣＣＮＴの変化点から信号ＳＨＮを出力する期間を期間Ｄ２とする。一例として、信号ＳＨＰ１は、信号ＣＣＮＴの変化点から設定された期間Ｄ１後にスイッチ３１ｃをオン状態にする。よって、信号ＳＨＰ１は、“Ｈ”信号に変化する。また、信号ＳＨＮ１は、信号ＣＣＮＴの変化点から設定された期間Ｄ２後にスイッチ３１ｂをオン状態にする。よって、信号ＳＨＮ１は、“Ｈ”の信号に変化する。なお、期間Ｄ１は、期間Ｄ２と同じ設定時間であることが好ましい。

　メモリ３２ｂは、第１の時刻（信号ＳＨＰが“Ｈ”から“Ｌ”に変化）に検出電圧を記憶する。メモリ３２ａは、第２の時刻（信号ＳＨＮが“Ｈ”から“Ｌ”に変化）に検出電圧を記憶する。異常電流検知回路３０が有するアンプ回路３１ａは、メモリ３２ａに記憶した検出電圧と、メモリ３２ｂに記憶した検出電圧と、の大きさを比較する。期間Ｄ１が期間Ｄ２と同じ設定時間である場合、メモリ３２ａ、メモリ３２ｂに記憶される検出電圧は、検出電圧の変化量の傾きを表すことができる。

　二次電池４２が正常な状態の場合、ＣＶ充電時は、充電電流が減少する特性を示す。したがって、信号ＣＣＮＴ、および信号ＡＢＮＣの周期Ｔ１乃至Ｔ７の時間が順に大きくなる。なお、信号ＳＨＰ１または信号ＳＨＰ２は、メモリ３２ｂに検知電圧を記憶するタイミングを示し、信号ＳＨＮ１または信号ＳＨＮ２は、メモリ３２ａに検知電圧を記憶するタイミングを示している。制御部は、信号ＡＢＮＣが、“Ｈ”から“Ｌ”または“Ｌ”から“Ｈ”に変化する時刻を用いて周期ＴＤ１乃至周期ＴＤ３などの期間の長さを検出する。

　図６では、ＣＶ充電時に、充電電流が減少する傾向を示す例である。したがって、タイミングチャートでは、順に信号ＳＨＰ１、信号ＳＨＮ１、信号ＳＨＰ２、信号ＳＨＮ２によってメモリに記憶する信号ｉｏｕｔの電圧が小さくなることを示している。よって、制御部は、信号ＡＢＮＣの出力する周期ＴＤ１乃至周期ＴＤ３などが長くなるため二次電池４２の充電曲線が下降する傾向を示していることを判定することができる。

　図７は、一例として、二次電池４２が劣化し図６で示した正常な状態と異なる充電特性を示す場合について説明する図である。図７は、ＣＶ充電時に充電電流が上昇する特性を示している。したがって、信号ＣＣＮＴ、および信号ＡＢＮＣの周期Ｔ１乃至Ｔ７の時間が順に小さくなる。

　図７では、ＣＶ充電時に、順に信号ＳＨＰ１、信号ＳＨＮ１、信号ＳＨＰ２、信号ＳＨＮ２の充電電流が増加する傾向を示す例である。タイミングチャートでは、順に信号ＳＨＰ１、信号ＳＨＮ１、信号ＳＨＰ２、信号ＳＨＮ２によってメモリに記憶する信号ｉｏｕｔの電圧が大きくなることを示している。よって、制御部は、信号ＡＢＮＣの出力する周期ＴＤ１乃至周期ＴＤ３などが短くなるため二次電池４２の充電曲線が上昇する傾向を示していることを判定することができる。

　よって、本発明の一態様である半導体装置は、二次電池４２に対し充電する場合の充電特性を監視および充電制御をすることができる。例えば、ＣＶ充電時に、充電電流の傾きを管理することで二次電池４２の劣化状態を検出することができる。したがって当該半導体装置は、二次電池４２の異常検知回路として機能する。

　本発明の一態様である半導体装置において、回路４０は、実施の形態３、または実施の形態４で示すように様々な電子機器を動作させるために二次電池４２を効率的に用いることができる。なお、電子機器が備えるプロセッサの機能を利用する場合は、半導体装置を二次電池制御システムと言い換えることができる。

　本発明の一態様である半導体装置は、二次電池４２の充電特性が急峻な変化をする場合、または緩やかな場合においても対応することができる。二次電池４２の充電特性が急峻な変化をする場合とは、図３２に示すようなマイクロショートなどの急峻な変化が含まれる。よって二次電池４２の充電特性を監視することで、当該電子機器を安定して動作させることができる。またＯＳトランジスタを用いることで消費電力を低減することができる。

　ＯＳトランジスタを用いた充電制御回路、異常検知回路、または二次電池制御システムなどを、ＢＴＯＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ、またはＢａｔｔｅｒｙ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称する場合がある。

　なお、本発明の一態様にかかる半導体装置は、本実施の形態に示した回路図に限定して解釈されるものではない。本発明の一態様にかかる半導体装置には、本実施の形態に示した回路構成と同等の回路構成を有する場合も含まれる。

　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。

（実施の形態２）
　本実施の形態では、先の実施の形態で用いる二次電池の形状の例について説明する。

［コイン型二次電池］
　まずコイン型の二次電池の一例について説明する。図８Ａはコイン型（単層偏平型）の二次電池の外観図であり、図８Ｂは、その断面図である。

　コイン型の二次電池３００は、正極端子を兼ねた正極缶３０１と負極端子を兼ねた負極缶３０２とが、ポリプロピレン等で形成されたガスケット３０３で絶縁シールされている。正極３０４は、正極集電体３０５と、これと接するように設けられた正極活物質層３０６により形成される。また、負極３０７は、負極集電体３０８と、これに接するように設けられた負極活物質層３０９により形成される。

　なお、コイン型の二次電池３００に用いる正極３０４および負極３０７は、それぞれ活物質層は片面のみに形成すればよい。

　正極缶３０１、負極缶３０２には、電解液に対して耐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。正極缶３０１は正極３０４と、負極缶３０２は負極３０７とそれぞれ電気的に接続する。

　これら負極３０７、正極３０４およびセパレータ３１０を電解質に含浸させ、図８Ｂに示すように、正極缶３０１を下にして正極３０４、セパレータ３１０、負極３０７、負極缶３０２をこの順で積層し、正極缶３０１と負極缶３０２とをガスケット３０３を介して圧着してコイン形の二次電池３００を製造する。

　ここで図８Ｃを用いて二次電池の充電時の電流の流れを説明する。リチウムを用いた二次電池を一つの閉回路とみなした時、リチウムイオンの動きと電流の流れは同じ向きになる。なお、リチウムを用いた二次電池では、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、反応電圧が高い電極を正極と呼び、反応電圧が低い電極を負極と呼ぶ。したがって、本明細書においては、充電中であっても、放電中であっても、逆パルス電流を流す場合であっても、充電電流を流す場合であっても、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。

　図８Ｃに示す２つの端子には充電器が接続され、二次電池３００が充電される。二次電池３００の充電が進めば、電極間の電圧差は大きくなる。

［円筒型二次電池］
　次に円筒型の二次電池の例について図９を参照して説明する。円筒型の二次電池８００の外観図を図９Ａに示す。図９Ｂは、円筒型の二次電池８００の断面を模式的に示した図である。図９Ｂに示すように、円筒型の二次電池８００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、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８１２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８１２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８１２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（ＢａＴｉＯ_３）系半導体セラミックス等を用いることができる。

　また、図９Ｃのように複数の二次電池８００を、導電板８１３および導電板８１４の間に挟んでモジュール８１５を構成してもよい。複数の二次電池８００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８００を有するモジュール８１５を構成することで、大きな電力を取り出すことができる。

　図９Ｄはモジュール８１５の上面図である。図を明瞭にするために導電板８１３を点線で示した。図９Ｄに示すようにモジュール８１５は、複数の二次電池８００を電気的に接続する導線８１６を有していてもよい。導線８１６上に導電板を重畳して設けることができる。また複数の二次電池８００の間に温度制御装置８１７を有していてもよい。二次電池８００が過熱されたときは、温度制御装置８１７により冷却し、二次電池８００が冷えすぎているときは温度制御装置８１７により加熱することができる。そのためモジュール８１５の性能が外気温に影響されにくくなる。温度制御装置８１７が有する熱媒体は絶縁性と不燃性を有することが好ましい。

［二次電池の構造例］
　二次電池の別の構造例について、図１０乃至図１３を用いて説明する。

　図１０Ａおよび図１０Ｂは、二次電池の外観図を示す図である。二次電池９１３は、回路基板９００を介して、アンテナ９１４、およびアンテナ９１５に接続されている。また、二次電池９１３には、ラベル９１０が貼られている。さらに、図１０Ｂに示すように、二次電池９１３は、端子９５１と、端子９５２と、に接続されている。

　回路基板９００は、端子９１１と、回路９１２と、を有する。端子９１１は、端子９５１、端子９５２、アンテナ９１４、アンテナ９１５、および回路９１２に接続される。なお、端子９１１を複数設けて、複数の端子９１１のそれぞれを、制御信号入力端子、電源端子などとしてもよい。

　回路９１２は、回路基板９００の裏面に設けられていてもよい。なお、アンテナ９１４およびアンテナ９１５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。または、アンテナ９１４若しくはアンテナ９１５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９１４若しくはアンテナ９１５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。

　アンテナ９１４の線幅は、アンテナ９１５の線幅よりも大きいことが好ましい。これにより、アンテナ９１４により受電する電力量を大きくできる。

　二次電池は、アンテナ９１４およびアンテナ９１５と、二次電池９１３との間に層９１６を有する。層９１６は、例えば二次電池９１３による電磁界を遮蔽することができる機能を有する。層９１６としては、例えば磁性体を用いることができる。

　なお、二次電池の構造は、図１０に限定されない。

　例えば、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池９１３のうち、対向する一対の面のそれぞれにアンテナを設けてもよい。図１１Ａは、上記一対の面の一方を示した外観図であり、図１１Ｂは、上記一対の面の他方を示した外観図である。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池と同じ部分については、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池の説明を適宜援用できる。

　図１１Ａに示すように、二次電池９１３の一対の面の一方に層９１６を挟んでアンテナ９１４が設けられ、図１１Ｂに示すように、二次電池９１３の一対の面の他方に層９１７を挟んでアンテナ９１８が設けられる。層９１７は、例えば二次電池９１３による電磁界を遮蔽することができる機能を有する。層９１７としては、例えば磁性体を用いることができる。

　上記構造にすることにより、アンテナ９１４およびアンテナ９１８の両方のサイズを大きくすることができる。アンテナ９１８は、例えば、外部機器とのデータ通信を行うことができる機能を有する。アンテナ９１８には、例えばアンテナ９１４に適用可能な形状のアンテナを適用することができる。アンテナ９１８を介した二次電池と他の機器との通信方式としては、ＮＦＣ（近距離無線通信）など、二次電池と他の機器との間で用いることができる応答方式などを適用することができる。

　または、図１１Ｃに示すように、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池９１３に表示装置９２０を設けてもよい。表示装置９２０は、端子９１１に電気的に接続される。なお、表示装置９２０が設けられる部分にラベル９１０を設けなくてもよい。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池と同じ部分については、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池の説明を適宜援用できる。

　表示装置９２０には、例えば充電中であるか否かを示す画像、蓄電量を示す画像などを表示してもよい。表示装置９２０としては、例えば電子ペーパー、液晶表示装置、エレクトロルミネセンス（ＥＬともいう）表示装置などを用いることができる。例えば、電子ペーパーを用いることにより表示装置９２０の消費電力を低減することができる。

　または、図１１Ｄに示すように、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池９１３にセンサ９２１を設けてもよい。センサ９２１は、端子９２２を介して端子９１１に電気的に接続される。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池と同じ部分については、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す二次電池の説明を適宜援用できる。

　センサ９２１としては、例えば、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ことができる機能を有すればよい。センサ９２１を設けることにより、例えば、二次電池が置かれている環境を示すデータ（温度など）を検出し、回路９１２内のメモリに記憶しておくこともできる。

　さらに、二次電池９１３の構造例について図１２および図１３を用いて説明する。

　図１２Ａに示す二次電池９１３は、筐体９３０の内部に端子９５１と端子９５２が設けられた捲回体９５０を有する。捲回体９５０は、筐体９３０の内部で電解液に含浸される。端子９５２は、筐体９３０に接し、端子９５１は、絶縁材などを用いることにより筐体９３０に接していない。なお、図１２Ａでは、便宜のため、筐体９３０を分離して図示しているが、実際は、捲回体９５０が筐体９３０に覆われ、端子９５１および端子９５２が筐体９３０の外に延在している。筐体９３０としては、金属材料（例えばアルミニウムなど）または樹脂材料を用いることができる。

　なお、図１２Ｂに示すように、図１２Ａに示す筐体９３０を複数の材料によって形成してもよい。例えば、図１２Ｂに示す二次電池９１３は、筐体９３０ａと筐体９３０ｂが貼り合わされており、筐体９３０ａおよび筐体９３０ｂで囲まれた領域に捲回体９５０が設けられている。

　筐体９３０ａとしては、有機樹脂など、絶縁材料を用いることができる。特に、アンテナが形成される面に有機樹脂などの材料を用いることにより、二次電池９１３による電界の遮蔽を抑制できる。なお、筐体９３０ａによる電界の遮蔽が小さければ、筐体９３０ａの内部にアンテナ９１４やアンテナ９１５などのアンテナを設けてもよい。筐体９３０ｂとしては、例えば金属材料を用いることができる。

　さらに、捲回体９５０の構造について図１３に示す。捲回体９５０は、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、を有する。捲回体９５０は、セパレータ９３３を挟んで負極９３１と、正極９３２が重なり合って積層され、該積層シートを捲回させた捲回体である。なお、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、の積層を、さらに複数重ねてもよい。

　負極９３１は、端子９５１および端子９５２の一方を介して図１０に示す端子９１１に接続される。正極９３２は、端子９５１および端子９５２の他方を介して図１０に示す端子９１１に接続される。

［貼り合わせ型二次電池］
　次に、貼り合わせ型の二次電池の例について、図１４乃至図２０を参照して説明する。貼り合わせ型の二次電池は、可撓性を有する構成とすれば、可撓性を有する部位を少なくとも一部有する電子機器に実装すれば、電子機器の変形に合わせて二次電池も曲げることもできる。

　図１４を用いて、貼り合わせ型の二次電池９８０について説明する。貼り合わせ型の二次電池９８０は、図１４Ａに示す捲回体９９３を有する。捲回体９９３は、負極９９４と、正極９９５と、セパレータ９９６と、を有する。捲回体９９３は、図１３で説明した捲回体９５０と同様に、セパレータ９９６を挟んで負極９９４と、正極９９５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。

　なお、負極９９４、正極９９５およびセパレータ９９６からなる積層の積層数は、必要な容量と素子体積に応じて適宜設計すればよい。負極９９４はリード電極９９７およびリード電極９９８の一方を介して負極集電体（図示せず）に接続され、正極９９５はリード電極９９７およびリード電極９９８の他方を介して正極集電体（図示せず）に接続される。

　図１４Ｂに示すように、外装体となるフィルム９８１と、凹部を有するフィルム９８２とを熱圧着などにより貼り合わせて形成される空間に上述した捲回体９９３を収納することで、図１４Ｃに示すように二次電池９８０を作製することができる。捲回体９９３は、リード電極９９７およびリード電極９９８を有し、フィルム９８１と、凹部を有するフィルム９８２との内部で電解液に含浸される。

　フィルム９８１と、凹部を有するフィルム９８２は、例えばアルミニウムなどの金属材料や樹脂材料を用いることができる。フィルム９８１および凹部を有するフィルム９８２の材料として樹脂材料を用いれば、外部から力が加わったときにフィルム９８１と、凹部を有するフィルム９８２を変形させることができ、可撓性を有する蓄電池を作製することができる。

　また、図１４Ｂおよび図１４Ｃでは２枚のフィルムを用いる例を示しているが、１枚のフィルムを折り曲げることによって空間を形成し、その空間に上述した捲回体９９３を収納してもよい。

　また図１４では外装体となるフィルムにより形成された空間に捲回体を有する二次電池９８０の例について説明したが、例えば図１５のように、外装体となるフィルムにより形成された空間に、短冊状の複数の正極、セパレータおよび負極を有する二次電池としてもよい。

　図１５Ａに示す、貼り合わせ型の二次電池７００は、正極集電体７０１および正極活物質層７０２を有する正極７０３と、負極集電体７０４および負極活物質層７０５を有する負極７０６と、セパレータ７０７と、電解液７０８と、外装体７０９と、を有する。外装体７０９内に設けられた正極７０３と負極７０６との間にセパレータ７０７が設置されている。また、外装体７０９内は、電解液７０８で満たされている。電解液７０８には、実施の形態２で示した電解液を用いることができる。

　図１５Ａに示す、貼り合わせ型の二次電池７００において、正極集電体７０１および負極集電体７０４は、外部との電気的接触を得る端子の役割も兼ねている。そのため、正極集電体７０１および負極集電体７０４の一部は、外装体７０９から外側に露出するように配置してもよい。また、正極集電体７０１および負極集電体７０４を、外装体７０９から外側に露出させず、リード電極を用いてそのリード電極と正極集電体７０１、或いは負極集電体７０４とを超音波接合させてリード電極を外側に露出するようにしてもよい。

　貼り合わせ型の二次電池７００において、外装体７０９には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜上に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設けた三層構造を有する貼り合わせフィルムを用いることができる。

　また、貼り合わせ型の二次電池７００の断面構造の一例を図１５Ｂに示す。図１５Ａでは簡略のため、２つの集電体で構成する例を示しているが、実際は、図１５Ｂに示すように、複数の電極層で構成する。

　図１５Ｂでは、一例として、電極層数を１６としている。なお、電極層数を１６としても二次電池７００は、可撓性を有する。図１５Ｂでは負極集電体７０４が８層と、正極集電体７０１が８層の合計１６層の構造を示している。なお、図１５Ｂは負極の取り出し部の断面を示しており、８層の負極集電体７０４を超音波接合させている。勿論、電極層数は１６に限定されず、多くてもよいし、少なくてもよい。電極層数が多い場合には、より多くの容量を有する二次電池とすることができる。また、電極層数が少ない場合には、薄型化でき、可撓性に優れた二次電池とすることができる。

　ここで、貼り合わせ型の二次電池７００の外観図の一例を図１６および図１７に示す。図１６および図１７は、正極７０３、負極７０６、セパレータ７０７、外装体７０９、正極リード電極７１０および負極リード電極７１１を有する。

　図１８Ａは正極７０３および負極７０６の外観図を示す。正極７０３は正極集電体７０１を有し、正極活物質層７０２は正極集電体７０１の表面に形成されている。また、正極７０３は正極集電体７０１が一部露出する領域（以下、タブ領域という）を有する。負極７０６は負極集電体７０４を有し、負極活物質層７０５は負極集電体７０４の表面に形成されている。また、負極７０６は負極集電体７０４が一部露出する領域、すなわちタブ領域を有する。正極および負極が有するタブ領域の面積や形状は、図１８Ａに示す例に限られない。

［貼り合わせ型二次電池の作製方法］
　ここで、図１６に外観図を示す、貼り合わせ型二次電池の作製方法の一例について、図１８Ｂおよび図１８Ｃを用いて説明する。

　まず、負極７０６、セパレータ７０７および正極７０３を積層する。図１８Ｂに積層された負極７０６、セパレータ７０７および正極７０３を示す。ここでは負極を５組、正極を４組使用する例を示す。次に、正極７０３のタブ領域同士の接合と、最表面の正極のタブ領域への正極リード電極７１０の接合を行う。接合には、例えば超音波溶接等を用いればよい。同様に、負極７０６のタブ領域同士の接合と、最表面の負極のタブ領域への負極リード電極７１１の接合を行う。

　次に外装体７０９上に、負極７０６、セパレータ７０７および正極７０３を配置する。

　次に、図１８Ｃに示すように、外装体７０９を破線で示した部分で折り曲げる。その後、外装体７０９の外周部を接合する。接合には例えば熱圧着等を用いればよい。この時、後に電解液７０８を入れることができるように、外装体７０９の一部（または一辺）に接合されない領域（以下、導入口という）を設ける。

　次に、外装体７０９に設けられた導入口から、電解液７０８（図示しない。）を外装体７０９の内側へ導入する。電解液７０８の導入は、減圧雰囲気下、或いは不活性雰囲気下で行うことが好ましい。そして最後に、導入口を接合する。このようにして、貼り合わせ型の二次電池７００を作製することができる。

［曲げることのできる二次電池］
　次に、曲げることのできる二次電池の例について図１９および図２０を参照して説明する。

　図１９Ａに、曲げることのできる二次電池２５０の上面概略図を示す。図１９Ｂ、図１９Ｃおよび図１９Ｄはそれぞれ、図１９Ａ中の切断線Ｃ１−Ｃ２、切断線Ｃ３−Ｃ４、切断線Ａ１−Ａ２における断面概略図である。二次電池２５０は、外装体２５１と、外装体２５１の内部に収容された正極２１１ａおよび負極２１１ｂを有する。正極２１１ａと電気的に接続されたリード２１２ａ、および負極２１１ｂと電気的に接続されたリード２１２ｂは、外装体２５１の外側に延在している。また外装体２５１で囲まれた領域には、正極２１１ａおよび負極２１１ｂに加えて電解液（図示しない）が封入されている。

　二次電池２５０が有する正極２１１ａおよび負極２１１ｂについて、図２０を用いて説明する。図２０Ａは、正極２１１ａ、負極２１１ｂおよびセパレータ２１４の積層順を説明する斜視図である。図２０Ｂは正極２１１ａおよび負極２１１ｂに加えて、リード２１２ａおよびリード２１２ｂを示す斜視図である。

　図２０Ａに示すように、二次電池２５０は、複数の短冊状の正極２１１ａ、複数の短冊状の負極２１１ｂおよび複数のセパレータ２１４を有する。正極２１１ａおよび負極２１１ｂはそれぞれ突出したタブ部分と、タブ以外の部分を有する。正極２１１ａの一方の面のタブ以外の部分に正極活物質層が形成され、負極２１１ｂの一方の面のタブ以外の部分に負極活物質層が形成される。

　正極２１１ａの正極活物質層の形成されていない面同士、および負極２１１ｂの負極活物質層の形成されていない面同士が接するように、正極２１１ａおよび負極２１１ｂは積層される。

　また、正極２１１ａの正極活物質層が形成された面と、負極２１１ｂの負極活物質層が形成された面の間にはセパレータ２１４が設けられる。図２０Ａでは見やすくするためセパレータ２１４を点線で示す。

　また図２０Ｂに示すように、複数の正極２１１ａとリード２１２ａは、接合部２１５ａにおいて電気的に接続される。また複数の負極２１１ｂとリード２１２ｂは、接合部２１５ｂにおいて電気的に接続される。

　次に、外装体２５１について図１９Ｂ、図１９Ｃ、図１９Ｄおよび図１９Ｅを用いて説明する。

　外装体２５１は、フィルム状の形状を有し、正極２１１ａおよび負極２１１ｂを挟むように２つに折り曲げられている。外装体２５１は、折り曲げ部２６１と、一対のシール部２６２と、シール部２６３と、を有する。一対のシール部２６２は、正極２１１ａおよび負極２１１ｂを挟んで設けられ、サイドシールとも呼ぶことができる。また、シール部２６３は、リード２１２ａおよびリード２１２ｂと重なる部分を有し、トップシールとも呼ぶことができる。

　外装体２５１は、正極２１１ａおよび負極２１１ｂと重なる部分に、稜線２７１と谷線２７２が交互に並んだ波形状を有することが好ましい。また、外装体２５１のシール部２６２およびシール部２６３は、平坦であることが好ましい。

　図１９Ｂは、稜線２７１と重なる部分で切断した断面であり、図１９Ｃは、谷線２７２と重なる部分で切断した断面である。図１９Ｂおよび図１９Ｃは共に、二次電池２５０および正極２１１ａおよび負極２１１ｂの幅方向の断面に対応する。

　ここで、正極２１１ａおよび負極２１１ｂの幅方向の端部、すなわち正極２１１ａおよび負極２１１ｂの端部と、シール部２６２との間の距離を距離Ｌａとする。二次電池２５０に曲げるなどの変形を加えたとき、後述するように正極２１１ａおよび負極２１１ｂが長さ方向に互いにずれるように変形する。その際、距離Ｌａが短すぎると、外装体２５１と正極２１１ａおよび負極２１１ｂとが強く擦れ、外装体２５１が破損してしまう場合がある。特に外装体２５１の金属フィルムが露出すると、当該金属フィルムが電解液により腐食されてしまう恐れがある。したがって、距離Ｌａを出来るだけ長く設定することが好ましい。一方で、距離Ｌａを大きくしすぎると、二次電池２５０の体積が増大してしまう。

　また、積層された正極２１１ａおよび負極２１１ｂの合計の厚さが厚いほど、正極２１１ａおよび負極２１１ｂと、シール部２６２との間の距離Ｌａを大きくすることが好ましい。

　より具体的には、積層された正極２１１ａおよび負極２１１ｂおよび図示しないがセパレータ２１４の合計の厚さをｔとしたとき、距離Ｌａは、厚さｔの０．８倍以上３．０倍以下、好ましくは０．９倍以上２．５倍以下、より好ましくは１．０倍以上２．０倍以下であることが好ましい。距離Ｌａをこの範囲とすることで、コンパクトで、且つ曲げに対する信頼性の高い電池を実現できる。

　また、一対のシール部２６２の間の距離を距離Ｌｂとしたとき、距離Ｌｂを正極２１１ａおよび負極２１１ｂの幅（ここでは、負極２１１ｂの幅Ｗｂ）よりも十分大きくすることが好ましい。これにより、二次電池２５０に繰り返し曲げるなどの変形を加えたときに、正極２１１ａおよび負極２１１ｂと外装体２５１とが接触しても、正極２１１ａおよび負極２１１ｂの一部が幅方向にずれることができるため、正極２１１ａおよび負極２１１ｂと外装体２５１とが擦れてしまうことを効果的に防ぐことができる。

　例えば、一対のシール部２６２の間の距離Ｌｂと、負極２１１ｂの幅Ｗｂとの差が、正極２１１ａおよび負極２１１ｂの厚さｔの１．６倍以上６．０倍以下、好ましくは１．８倍以上５．０倍以下、より好ましくは、２．０倍以上４．０倍以下を満たすことが好ましい。

　言い換えると、距離Ｌｂ、幅Ｗｂ、および厚さｔが、下記数式１の関係を満たすことが好ましい。

　ここで、ａは、０．８以上３．０以下、好ましくは０．９以上２．５以下、より好ましくは１．０以上２．０以下を満たす。

　また、図１９Ｄはリード２１２ａを含む断面であり、二次電池２５０、正極２１１ａおよび負極２１１ｂの長さ方向の断面に対応する。図１９Ｄに示すように、折り曲げ部２６１において、正極２１１ａおよび負極２１１ｂの長さ方向の端部と、外装体２５１との間に空間２７３を有することが好ましい。

　図１９Ｅに、二次電池２５０を曲げたときの断面概略図を示している。図１９Ｅは、図１９Ａ中の切断線Ｂ１−Ｂ２における断面に相当する。

　二次電池２５０を曲げると、曲げの外側に位置する外装体２５１の一部は伸び、内側に位置する他の一部は縮むように変形する。より具体的には、外装体２５１の外側に位置する部分は、波の振幅が小さく、且つ波の周期が大きくなるように変形する。一方、外装体２５１の内側に位置する部分は、波の振幅が大きく、且つ波の周期が小さくなるように変形する。このように、外装体２５１が変形することにより、曲げに伴って外装体２５１にかかる応力が緩和されるため、外装体２５１を構成する材料自体が伸縮する必要がない。その結果、外装体２５１は破損することなく、小さな力で二次電池２５０を曲げることができる。

　また、図１９Ｅに示すように、二次電池２５０を曲げると、正極２１１ａおよび負極２１１ｂとがそれぞれ相対的にずれる。このとき、複数の積層された正極２１１ａおよび負極２１１ｂは、シール部２６３側の一端が固定部材２１７で固定されているため、折り曲げ部２６１に近いほどずれ量が大きくなるように、それぞれずれる。これにより、正極２１１ａおよび負極２１１ｂにかかる応力が緩和され、正極２１１ａおよび負極２１１ｂ自体が伸縮する必要がない。その結果、正極２１１ａおよび負極２１１ｂが破損することなく二次電池２５０を曲げることができる。

　また、正極２１１ａおよび負極２１１ｂと外装体２５１との間に空間２７３を有していることにより、曲げた時内側に位置する正極２１１ａおよび負極２１１ｂが、外装体２５１に接触することなく、相対的にずれることができる。

　図１９Ａ乃至図１９Ｅおよび図２０Ａ、図２０Ｂで例示した二次電池２５０は、繰り返し曲げ伸ばしを行っても、外装体の破損、正極２１１ａおよび負極２１１ｂの破損などが生じにくく、電池特性も劣化しにくい電池である。

（実施の形態３）
　本実施の形態では、本発明の一態様である二次電池を電子機器に実装する例について説明する。

　まず実施の形態２の一部で説明した、曲げることのできる二次電池を電子機器に実装する例を図２１Ａ乃至図２１Ｈに示す。曲げることのできる二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、フレキシブルな形状を備える二次電池を、家屋やビルの内壁または外壁や、自動車の内装または外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。

　図２１Ａ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、二次電池７４０７を有している。上記の二次電池７４０７に本発明の一態様の二次電池を用いることで、軽量で長寿命な携帯電話機を提供できる。

　図２１Ｂ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二次電池７４０７も湾曲される。また、その時、曲げられた二次電池７４０７の状態を図２１Ｃに示す。二次電池７４０７は薄型の蓄電池である。二次電池７４０７は曲げられた状態で固定されている。なお、二次電池７４０７は集電体と電気的に接続されたリード電極を有している。例えば、集電体は銅箔であり、一部ガリウムと合金化させて、集電体と接する活物質層との密着性を向上し、二次電池７４０７が曲げられた状態での信頼性が高い構成となっている。

　図２１Ｄ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、および二次電池７１０４を備える。また、図２１Ｅに曲げられた二次電池７１０４の状態を示す。二次電池７１０４は曲げられた状態で使用者の腕への装着時に、筐体が変形して二次電池７１０４の一部または全部の曲率が変化する。なお、曲線の任意の点における曲がり具合を相当する円の半径の値で表したものを曲率半径と呼び、曲率半径の逆数を曲率と呼ぶ。具体的には、曲率半径が４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲内で筐体または二次電池７１０４の主表面の一部または全部が変化する。二次電池７１０４の主表面における曲率半径が４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲であれば、高い信頼性を維持できる。上記の二次電池７１０４に本発明の一態様の二次電池を用いることで、軽量で長寿命な携帯表示装置を提供できる。

　図２１Ｆ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、文章閲覧および作成、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、指や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および解除、省電力モードの実行および解除など、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の表示部７２０２には、本発明の一態様の二次電池を有している。本発明の一態様の二次電池を用いることで、軽量で長寿命な携帯情報端末を提供できる。例えば、図２１Ｅに示した二次電池７１０４を、筐体７２０１の内部に湾曲した状態で、またはバンド７２０３の内部に湾曲可能な状態で組み込むことができる。

　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や、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２１Ｇは、腕章型の表示装置の一例を示している。表示装置７３００は、表示部７３０４を有し、本発明の一態様の二次電池を有している。また、表示装置７３００は、表示部７３０４にタッチセンサを備えることもでき、また、携帯情報端末として機能させることもできる。

　表示部７３０４はその表示面が湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示装置７３００は、通信規格された近距離無線通信などにより、表示状況を変更することができる。

　また、表示装置７３００は入出力端子を備え、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を介さずに無線給電により行ってもよい。

　表示装置７３００が有する二次電池として本発明の一態様の二次電池を用いることで、軽量で長寿命な表示装置を提供できる。

　また、二次電池を電子機器に実装する例を図２１Ｈ、図２２および図２３を用いて説明する。

　日用電子機器に二次電池として本発明の一態様の二次電池を用いることで、軽量で長寿命な製品を提供できる。例えば、日用電子機器として、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、それらの製品の二次電池としては、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、大容量の二次電池が望まれている。

　図２１Ｈ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２１Ｈにおいて電子タバコ７５００は、加熱素子を含むアトマイザ７５０１と、アトマイザに電力を供給する二次電池７５０４と、液体供給ボトルやセンサなどを含むカートリッジ７５０２で構成されている。安全性を高めるため、二次電池７５０４の過充電や過放電を防ぐ保護回路を二次電池７５０４に電気的に接続してもよい。図２１Ｈに示した二次電池７５０４は、充電機器と接続できるように外部端子を有している。二次電池７５０４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。本発明の一態様の二次電池は高容量、良好なサイクル特性を有するため、長期間に渡って長時間の使用ができる小型であり、且つ、軽量の電子タバコ７５００を提供できる。

　次に、図２２Ａおよび図２２Ｂに、２つ折り可能なタブレット型端末の一例を示す。図２２Ａおよび図２２Ｂ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９６３１ａと表示部９６３１ｂを有する表示部９６３１、スイッチ９６２５乃至スイッチ９６２７、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端末とすることができる。図２２Ａは、タブレット型端末９６００を開いた状態を示し、図２２Ｂ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および筐体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、全てまたは一部の領域をタッチパネルの領域とすることができ、また当該領域に表示されたアイコンを含む画像、文字、入力フォームなどに触れることでデータ入力をすることができる。例えば、筐体９６３０ａ側の表示部９６３１ａの全面にキーボードボタンを表示させて、筐体９６３０ｂ側の表示部９６３１ｂに文字、画像などの情報を表示させて用いてもよい。

　また、筐体９６３０ｂ側の表示部９６３１ｂにキーボードを表示させて、筐体９６３０ａ側の表示部９６３１ａに文字、画像などの情報を表示させて用いてもよい。また、表示部９６３１にタッチパネルのキーボード表示切り替えボタンを表示するようにして、当該ボタンに指やスタイラスなどで触れることで表示部９６３１にキーボードを表示するようにしてもよい。

　また、筐体９６３０ａ側の表示部９６３１ａのタッチパネルの領域と筐体９６３０ｂ側の表示部９６３１ｂのタッチパネルの領域に対して同時にタッチ入力することもできる。

　また、スイッチ９６２５乃至スイッチ９６２７は、タブレット型端末９６００を操作するためのインターフェースだけでなく、様々な機能の切り替えを行うことができるインターフェースとしてもよい。例えば、スイッチ９６２５乃至スイッチ９６２７の少なくとも一は、タブレット型端末９６００の電源のオン・オフを切り替えるスイッチとして機能してもよい。また、例えば、スイッチ９６２５乃至スイッチ９６２７の少なくとも一は、縦表示または横表示などの表示の向きを切り替える機能、または白黒表示やカラー表示の切り替える機能を有してもよい。また、例えば、スイッチ９６２５乃至スイッチ９６２７の少なくとも一は、表示部９６３１の輝度を調整する機能を有してもよい。また、表示部９６３１の輝度は、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最適なものとすることができる。なお、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。

　また、図２２Ａでは筐体９６３０ａ側の表示部９６３１ａと筐体９６３０ｂ側の表示部９６３１ｂの表示面積とがほぼ同じ例を示しているが、表示部９６３１ａおよび表示部９６３１ｂのそれぞれの表示面積は特に限定されず、一方のサイズと他方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。

　図２２Ｂは、タブレット型端末９６００を２つ折りに閉じた状態であり、タブレット型端末９６００は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を含む充放電制御回路９６３４を有する。また、蓄電体９６３５として、本発明の一態様に係る蓄電体を用いる。

　なお、上述の通り、タブレット型端末９６００は２つ折りが可能であるため、未使用時に筐体９６３０ａおよび筐体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、本発明の一態様の二次電池を用いた蓄電体９６３５は高容量、良好なサイクル特性を有するため、長期間に渡って長時間の使用ができるタブレット型端末９６００を提供できる。

　また、この他にも図２２Ａおよび図２２Ｂに示したタブレット型端末９６００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、日付また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また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９６００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、また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の片面また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。なお蓄電体９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。

　また、図２２Ｂに示す充放電制御回路９６３４の構成、および動作について図２２Ｃにブロック図を示し説明する。図２２Ｃには、太陽電池９６３３、蓄電体９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、蓄電体９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図２２Ｂに示す充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。

　まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、蓄電体９６３５を充電するための電圧となるようＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにして蓄電体９６３５の充電を行う構成とすればよい。

　なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段による蓄電体９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。

　図２３に、他の電子機器の例を示す。図２３において、表示装置８０００は、本発明の一態様に係る二次電池８００４を用いた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二次電池８００４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。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二次電池８００４を無停電電源として用いることで、表示装置８０００の利用が可能となる。

　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。

　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２３において、据え付け型の照明装置８１００は、本発明の一態様に係る二次電池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２３では、二次電池８１０３が、筐体８１０１および光源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。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二次電池８１０３を無停電電源として用いることで、照明装置８１００の利用が可能となる。

　なお、図２３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、本発明の一態様に係る二次電池は、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や有機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２３において、室内機８２００および室外機８２０４を有するエアコンディショナーは、本発明の一態様に係る二次電池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２３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。特に、室内機８２００と室外機８２０４の両方に二次電池８２０３が設けられている場合、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二次電池８２０３を無停電電源として用いることで、エアコンディショナーの利用が可能となる。

　なお、図２３では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナーを例示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを１つの筐体に有する一体型のエアコンディショナーに、本発明の一態様に係る二次電池を用いることもできる。

　図２３において、電気冷凍冷蔵庫８３００は、本発明の一態様に係る二次電池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２３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。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二次電池８３０４を無停電電源として用いることで、電気冷凍冷蔵庫８３００の利用が可能となる。

　なお、上述した電子機器以外に、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器などの電子機器は、短時間で高い電力を必要とする。よって、商用電源では賄いきれない電力を補助するための補助電源として、本発明の一態様に係る二次電池を用いることで、電子機器の使用時に商用電源のブレーカーが落ちるのを防ぐことができる。

　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。

　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り、信頼性を向上させることができる。また、本発明の一態様によれば、高容量の二次電池とすることができ、よって、二次電池の特性を向上することができ、よって、二次電池自体を小型軽量化することができる。そのため本発明の一態様である二次電池を、本実施の形態で説明した電子機器に搭載することで、より長寿命で、より軽量な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。

（実施の形態４）
　本実施の形態では、車両に本発明の一態様である二次電池を搭載する例を示す。

　二次電池を車両に搭載すると、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、また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を実現できる。

　図２４において、本発明の一態様である二次電池を用いた車両を例示する。図２４Ａ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ー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ー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。また、自動車８４００は二次電池を有する。二次電池は、車内の床部分に対して、図９Ｃおよび図９Ｄに示した二次電池のモジュールを並べて使用すればよい。また、図１２に示す二次電池を複数組み合わせた電池パックを車内の床部分に対して設置してもよい。二次電池は電気モーター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。

　また、二次電池は、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、二次電池は、自動車８４００が有するナビゲーションシステムなどの半導体装置に電力を供給することができる。

　図２４Ｂ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２４Ｂ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、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。

　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、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、停車時や走行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。

　また、図２４Ｃは、本発明の一態様の二次電池を用いた二輪車の一例である。図２４Ｃに示すスクータ８６００は、二次電池８６０２、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、図２４Ｃ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。二次電池８６０２は、取り外し可能となっており、充電時には二次電池８６０２を屋内に持って運び、充電し、走行する前に収納すればよい。

　本発明の一態様によれば、二次電池のサイクル特性が良好となり、二次電池の容量を大きくすることができる。よって、二次電池自体を小型軽量化することができる。二次電池自体を小型軽量化できれば、車両の軽量化に寄与するため、航続距離を向上させることができる。また、車両に搭載した二次電池を車両以外の電力供給源として用いることもできる。この場合、例えば電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避することができる。電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避できれば、省エネルギー、および二酸化炭素の排出の削減に寄与することができる。また、サイクル特性が良好であれば二次電池を長期に渡って使用できるため、コバルトをはじめとする希少金属の使用量を減らすことができる。

　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。

（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半導体装置に適用可能なトランジスタの構成について説明する。具体的には、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について説明する。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。

　図２５に示す半導体装置は、トランジスタ３９０と、トランジスタ５００と、容量素子６００と、を有している。図２７Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図２７Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図２７Ｃはトランジスタ３９０のチャネル幅方向の断面図である。

　トランジスタ５００は、ＯＳトランジスタである。トランジスタ５００は、オフ電流が小さい。このため、例えば上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタの構成をトランジスタ５００と同様の構成とすることで長期間電圧を保持することができる。

　本実施の形態で説明する半導体装置は、図２５に示すようにトランジスタ３９０、トランジスタ５００、および容量素子６００を有する。トランジスタ５００はトランジスタ３９０の上方に設けられ、容量素子６００はトランジスタ３９０、およびトランジスタ５００の上方に設けられている。例えば上記実施の形態で説明したトランジスタの構成をトランジスタ３９０と同様の構成とすることができ、容量素子の構成を容量素子６００と同様の構成とすることができる。

　トランジスタ３９０は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、ソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。

　トランジスタ３９０は、図２７Ｃに示すように、半導体領域３１３の上面、およ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３９０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。これにより、トランジスタ３９０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３９０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３９０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およびその近傍の領域、並びにソース領域またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａおよび低抵抗領域３１４ｂ等において、シリコン系半導体等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。または、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）等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。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３９０をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。

　低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リン等のｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素等の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、リン等のｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素等のｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコン等の半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料等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や窒化タンタル等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やアルミニウム等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。

　なお、図２５に示すトランジスタ３９０は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。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２６に示すとおり、トランジスタ３９０の構成を、ＯＳトランジスタであるトランジスタ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。図２６に示すトランジスタ３９０は、例えば図２６に示すようなｎチャネル型のトランジスタを適用することができる。

　本明細書等において、単極性回路とは、例えば全てのトランジスタが同極性のトランジスタである回路を示す。例えば、全てのトランジスタがｎチャネル型トランジスタである回路は、単極性回路であるということができる。

　トランジスタ３９０を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が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、および絶縁体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、窒化アルミニウム等を用いればよい。

　なお、本明細書等において、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、本明細書等において、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、その下方に設けられるトランジスタ３９０等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）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３１１、またはトランジスタ３９０等から、トランジスタ５００が設けられる領域に、水素や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。

　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３９０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）等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、１０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であればよい。

　なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも比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。比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、および絶縁体３２６には容量素子６００、またはトランジスタ５００と接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０は、プラグまたは配線としての機能を有する。また、プラグまた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、およ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、および配線（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、または金属酸化物材料等の導電性材料を、単層また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やモリブデン等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。または、アルミニウムや銅等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、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２５において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体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３９０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、または導電体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、導電体３５６は、水素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に設けられる開口部に、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３９０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３９０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３９０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。

　絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２５において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、または導電体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３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素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、導電体３６６は、水素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３６０に設けられる開口部に、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３９０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３９０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３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２５において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、または導電体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３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素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、導電体３７６は、水素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３７０に設けられる開口部に、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３９０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３９０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３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２５において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、または導電体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３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素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、導電体３８６は、水素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３８０に設けられる開口部に、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３９０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３９０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。

　上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。

　絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体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、および絶縁体５１６のいずれかは、酸素や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および絶縁体５１４には、基板３１１等から、またはトランジスタ３９０を設ける領域等からトランジスタ５００を設ける領域に、水素や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、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３９０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である。

　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、および絶縁体５１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル等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、酸素と、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分等の不純物と、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および作製後において、水素、水分等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を構成する金属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、および絶縁体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、および絶縁体５１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。

　また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６には、導電体５１８、およびトランジスタ５００を構成する導電体（例えば、導電体５０３）等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量素子６００、またはトランジスタ３９０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、または導電体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、および絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、およ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３９０とトランジスタ５００とは、酸素、水素、およ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３９０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５１４の上方には、トランジスタ５００が設けられている。

　図２７Ａ、図２７Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４および絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６および導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、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、酸化物５３０ｂ上に互いに離れて配置された導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂと、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の底面および側面に配置された酸化物５３０ｃと、酸化物５３０ｃの形成面に配置された絶縁体５５０と、絶縁体５５０の形成面に配置された導電体５６０と、を有する。

　また、図２７Ａ、図２７Ｂに示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、絶縁体５８０との間に絶縁体５４４を配置することが好ましい。また、図２７Ａ、図２７Ｂに示すように、導電体５６０は、絶縁体５５０の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図２７Ａ、図２７Ｂに示すように、酸化物５３０ｃ、絶縁体５８０、導電体５６０、および絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。

　なお、以下において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。

　なお、トランジスタ５００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの３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、酸化物５３０ｂの単層、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ａの２層構造、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を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５６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５６０が単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、図２５、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂに示すトランジスタ５００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

　ここで、導電体５６０は、トランジスタ５００のゲート電極として機能し、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体５６０、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂの配置は、絶縁体５８０の開口に対して自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ５００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に自己整合的に配置させることができる。よって、導電体５６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ５００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。

　さらに、導電体５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体５６０は、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂと、の間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ５００のスイッチング速度が向上し、高い周波数特性を有することができる。

　導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体５０３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、導電体５０３に印加する電圧を、導電体５６０に印加する電圧と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ５００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０３に負の電圧を印加することにより、トランジスタ５００のしきい値電圧を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、導電体５０３に負の電圧を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電圧が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。

　導電体５０３は、酸化物５３０、および導電体５６０と重なる領域を有するように配置する。これにより、導電体５６０、および導電体５０３に電圧を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、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）構造という。

　また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４および絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。なお、トランジスタ５００では、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。

　ここで、導電体５０３ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子等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。）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、酸素分子等の少なくとも一）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。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書等において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一、または全ての拡散を抑制する機能とする。

　例えば、導電体５０３ａが酸素の拡散を抑制する機能を有することにより、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。

　また、導電体５０３が配線の機能を兼ねる場合、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、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体５０３ａは、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体５０３ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

　絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

　ここで、酸化物５３０と接する絶縁体５２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体５２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物５３０に接して設けることにより、酸化物５３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ５００の信頼性を向上させることができる。

　過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、または３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。

　また、上記過剰酸素領域を有する絶縁体と、酸化物５３０と、を接して加熱処理、マイクロ波処理、またはＲＦ処理のいずれか一又は複数の処理を行ってもよい。当該処理を行うことで、酸化物５３０中の水、または水素を除去することができる。例えば、酸化物５３０において、ＶｏＨの結合が切断される反応が起きる、別言すると「ＶｏＨ→Ｖｏ＋Ｈ」という反応が起きることにより、脱水素化することができる。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ_２Ｏとして、酸化物５３０、または酸化物５３０近傍の絶縁体から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体５４２（導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ）に拡散または捕獲（ゲッタリングともいう）される場合がある。

　また、上記マイクロ波処理は、例えば、高密度プラズマを発生させる電源を有する装置、または、基板側にＲＦを印加する電源を有する装置を用いると好適である。例えば、酸素を含むガスを用い、且つ高密度プラズマを用いることにより、高密度の酸素ラジカルを生成することができる。また、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを、効率よく酸化物５３０、または酸化物５３０近傍の絶縁体中に導入することができる。また、上記マイクロ波処理は、圧力を１３３Ｐａ以上、好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。また、マイクロ波処理を行う装置内に導入するガスとしては、例えば酸素およびアルゴンを用い、酸素流量比（Ｏ_２／（Ｏ_２＋Ａｒ））は５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下とするとよい。

　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４５０℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃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（Ｖ_Ｏ）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「Ｖ_Ｏ＋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中に残存した水素と、酸化物５３０に供給された酸素と、が反応することで、当該水素をＨ_２Ｏ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Ｖ_ＯＨが形成されるのを抑制することができる。

　また、絶縁体５２４が過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子等）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）ことが好ましい。

　絶縁体５２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物５３０が有する酸素が絶縁体５２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や酸化物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。

　絶縁体５２２は、例えば、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）、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（ＳｒＴｉＯ_３）、または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）等のいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜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圧の低減が可能となる。

　特に、不純物、および酸素等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）絶縁性材料であるアルミニウム、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。アルミニウム、ハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または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）等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からの酸素の放出や、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混入を抑制する層として機能する。

　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。

　また、絶縁体５２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、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適である。また、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体５２０を得ることができる。

　なお、図２７Ａ、図２７Ｂのトランジスタ５００では、３層の積層構造からなる第２のゲート絶縁膜として、絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４が図示されているが、第２のゲート絶縁膜は、単層、２層、または４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。

　トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０として、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、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等から選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、酸化物５３０として適用できるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ−Ａｘｌｓ　Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ＣＡＣ−ＯＳ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であることが好ましい。また、酸化物５３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳおよびＣＡＣ−ＯＳについては後述する。

　また、トランジスタ５００には、キャリア濃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濃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。なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、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。

　特に、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、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。また、酸化物５３０中の酸素欠損に水素が入った場合、酸素欠損と水素とが結合しＶ_ＯＨを形成する場合がある。Ｖ_ＯＨはドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。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場合がある。したがって、水素が多く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。また、金属酸化物中の水素は、熱、電界等のストレスによって動きやすいため、金属酸化物に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。本発明の一態様においては、酸化物５３０中のＶ_ＯＨをできる限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、Ｖ_ＯＨが十分低減された金属酸化物を得るには、金属酸化物中の水分、水素等の不純物を除去すること（脱水、脱水素化処理と記載する場合がある。）と、金属酸化物に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（加酸素化処理と記載する場合がある。）が重要である。Ｖ_ＯＨ等の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。

　酸素欠損に水素が入った欠陥は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。

　よって、金属酸化物を酸化物５３０に用いる場合、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、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。水素等の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。

　また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましく、１×１０^１７ｃｍ^−３未満であることがより好ましく、１×１０^１６ｃｍ^−３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１３ｃｍ^−３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１２ｃｍ^−３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物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、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、導電体５４２（導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ）と酸化物５３０とが接することで、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散し、導電体５４２が酸化する場合がある。導電体５４２が酸化することで、導電体５４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散することを、導電体５４２が酸化物５３０中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。

　また、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２（導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ）へ拡散することで、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂとの間、および導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体５４２よりも酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体５４２と、当該異層と、酸化物５３０ｂとの３層構造は、金属−絶縁体−半導体からなる３層構造とみなすことができ、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造という、またはＭＩＳ構造を主としたダイオード接合構造という場合がある。

　なお、上記異層は、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間に形成されることに限られない。例えば、異層が、導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。または、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間、および導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。

　また、酸化物５３０においてチャネル形成領域に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は、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へ不純物が拡散することを抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへ不純物が拡散することを抑制することができる。

　なお、酸化物５３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、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、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素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５３０ｃは、酸化物５３０ａまたは酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を用いることができる。

　具体的には、酸化物５３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または１：１：１［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造、酸化ガリウムと、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造などが挙げられる。

　また、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。

　ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、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、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において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、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）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−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウム等を用いるとよい。

　このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａ、および酸化物５３０ｃ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、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃ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は高いオン電流を得られる。

　なお、酸化物５３０に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物５３０として、バンドギャップを有する半導体材料（ゼロギャップ半導体ではない半導体材料）を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料などともいう。）などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。

　ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合やイオン結合によって形成される層が、ファンデルワールス力のような、共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、２次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、２次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。

　層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第１６族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、１３族カルコゲナイドなどが挙げられる。

　酸化物５３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物５３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ_２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ_２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ_２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ_２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ_２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ_２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ_２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ_２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ_２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ_２）などが挙げられる。

　酸化物５３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂが設けられる。導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ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、タングステンと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等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。更に、窒化タンタル等の金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があるため好ましい。

　また、図２７では、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂを単層構造として示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。

　また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

　また、図２７Ａに示すように、酸化物５３０の、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）との界面とその近傍には、低抵抗領域として領域５４３ａ、および領域５４３ｂが形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。

　酸化物５３０と接するように上記導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）を設けることで、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）に導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）に含まれる金属と、酸化物５３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）のキャリア濃度が増加し、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）は、低抵抗領域となる。

　絶縁体５４４は、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂを覆うように設けられ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂの酸化を抑制する。このとき、絶縁体５４４は、酸化物５３０の側面を覆い、絶縁体５２４と接するように設けられてもよい。

　絶縁体５４４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、ネオジム、ランタン、マグネシウム等から選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体５４４として、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコン等も用いることができる。

　特に、絶縁体５４４として、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または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）等を用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂが耐酸化性を有する材料、または酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体５４４は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により適宜設計すればよい。

　絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０に含まれる水、および水素等の不純物が、酸化物５３０ｃおよび絶縁体５５０を介して酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化することを抑制することができる。

　絶縁体５５０は、第１のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、酸化物５３０ｃの内側（上面、及び側面）と接するように配置することが好ましい。絶縁体５５０は、上述した絶縁体５２４と同様に、過剰に酸素を含み、かつ加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。

　具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、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。

　加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体５５０として酸化物５３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物５３０ｃを通じて、絶縁体５５０から酸化物５３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体５２４と同様に、絶縁体５５０中の水または水素等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２０ｎｍ以下とすることが好ましい。

　また、絶縁体５５０が有する過剰酸素を効率的に酸化物５３０へ供給するために、絶縁体５５０と導電体５６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体５５０から導電体５６０への酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。酸素の拡散を抑制する機能を有する金属酸化物を設けることで、絶縁体５５０から導電体５６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体５４４に用いることができる材料を用いればよい。

　なお、絶縁体５５０は、第２のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。このため、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電圧を低減することが可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。

　第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図２７Ａ、図２７Ｂでは２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。

　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（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２等）、銅原子等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、酸素分子等の少なくとも一）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５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を有することで、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、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウム等を用いることが好ましい。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０に適用できる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａの電気抵抗値を低下させて導電体にすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極ということができる。

　また、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好ましい。また、導電体５６０ｂ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、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は積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。

　絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０として、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、または樹脂等を有することが好ましい。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、および空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。

　絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体５８０を、酸化物５３０ｃと接する領域を有するように設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｂへと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水または水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。

　絶縁体５８０の開口は、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。

　半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体５６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体５６０の膜厚を大きくすると、導電体５６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体５６０を絶縁体５８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体５６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体５６０を倒壊させることなく導電体５６０を形成することができる。

　絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、および絶縁体５５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５５０、および絶縁体５８０へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物５３０中に酸素を供給することができる。

　例えば、絶縁体５７４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウム等から選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。

　特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素等の不純物のバリア膜としての機能も有することができる。

　また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４等と同様に、膜中の水または水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。

　また、絶縁体５８１、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５４４に形成された開口に、導電体５４０ａ、および導電体５４０ｂを配置する。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、後述する導電体５４６、および導電体５４８と同様の構成である。

　絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられている。絶縁体５８２は、酸素や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、酸化タンタル等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、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分等の不純物、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および作製後において、水素、水分等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、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。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、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。

　また、絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、および絶縁体５８６には、導電体５４６、および導電体５４８等が埋め込まれている。

　導電体５４６、および導電体５４８は、容量素子６００、トランジスタ５００、またはトランジスタ３９０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５４６、および導電体５４８は、導電体３２８、または導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

　なお、トランジスタ５００の形成後、トランジスタ５００を囲むように開口を形成し、当該開口を覆うように、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体を形成してもよい。上述のバリア性の高い絶縁体でトランジスタ５００を包み込むことで、外部から水分、および水素が侵入することを防止することができる。または、複数のトランジスタ５００をまとめて、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体で包み込んでもよい。なお、トランジスタ５００を囲むように開口を形成する場合、例えば、絶縁体５１４または絶縁体５２２に達する開口を形成し、絶縁体５１４または絶縁体５２２に接するように上述のバリア性の高い絶縁体を形成すると、トランジスタ５００の作製工程の一部を兼ねられるため好適である。なお、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体としては、例えば、絶縁体５２２と同様の材料を用いればよい。

　続いて、トランジスタ５００の上方には、容量素子６００が設けられている。容量素子６００は、導電体６１０、導電体６２０、および絶縁体６３０を有する。

　また、導電体５４６、および導電体５４８上に、導電体６１２を設けてもよい。導電体６１２は、トランジスタ５００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体６１０は、容量素子６００の電極としての機能を有する。なお、導電体６１２、および導電体６１０は、同時に形成することができる。

　導電体６１２、および導電体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、また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。または、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等の導電性材料を適用することもできる。

　図２５では、導電体６１２、および導電体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、およ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。なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料等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やモリブデン等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、導電体等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）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。

　導電体６２０、および絶縁体６３０上には、絶縁体６４０が設けられている。絶縁体６４０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６４０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。

　本構造を用いることで、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、微細化または高集積化を図ることができる。

　図２８Ａ、図２８Ｂは、図２７Ａ、図２７Ｂに示すトランジスタ５００の変形例である。図２７Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図２７Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図である。なお、図２８Ａ、図２８Ｂに示す構成は、トランジスタ３９０等、本発明の一態様の半導体装置が有する他のトランジスタにも適用することができる。

　図２８Ａは、トランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図２８Ｂは、トランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図である。図２８Ａ、図２８Ｂに示すトランジスタ５００は、絶縁体４０２および絶縁体４０４を有する点が、図２７Ａ、図２７Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。また、導電体５４０ａの側面に接して絶縁体５５２が設けられ、導電体５４０ｂの側面に接して絶縁体５５２が設けられる点が、図２７Ａ、図２７Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。さらに、絶縁体５２０を有さない点が、図２７Ａ、図２７Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。

　図２８Ａ、図２８Ｂに示すトランジスタ５００は、絶縁体５１２上に絶縁体４０２が設けられる。また、絶縁体５７４上、および絶縁体４０２上に絶縁体４０４が設けられる。

　図２８Ａ、図２８Ｂに示すトランジスタ５００では、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、および絶縁体５７４がパターニングされており、絶縁体４０４がこれらを覆う構造になっている。つまり、絶縁体４０４は、絶縁体５７４の上面、絶縁体５７４の側面、絶縁体５８０の側面、絶縁体５４４の側面、絶縁体５２４の側面、絶縁体５２２の側面、絶縁体５１６の側面、絶縁体５１４の側面、絶縁体４０２の上面とそれぞれ接する。これにより、酸化物５３０等は、絶縁体４０４と絶縁体４０２によって外部から隔離される。

　絶縁体４０２および絶縁体４０４は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）または水分子の拡散を抑制する機能が高いことが好ましい。例えば、絶縁体４０２および絶縁体４０４として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを用いることが好ましい。これにより、酸化物５３０に水素等が拡散することを抑制することができるので、トランジスタ５００の特性が低下することを抑制することができる。よって、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。

　絶縁体５５２は、絶縁体５８１、絶縁体４０４、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５４４に接して設けられる。絶縁体５５２は、水素または水分子の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。たとえば、絶縁体５５２として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等の絶縁体を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンは水素バリア性が高い材料であるので、絶縁体５５２として用いると好適である。絶縁体５５２として水素バリア性が高い材料を用いることにより、水または水素等の不純物が、絶縁体５８０等から導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂを通じて酸化物５３０に拡散することを抑制することができる。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に吸収されることを抑制することができる。以上により、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。

　図２９は、トランジスタ５００およびトランジスタ３９０を図２８Ａ、図２８Ｂに示す構成とした場合における、半導体装置の構成例を示す断面図である。導電体５４６の側面に、絶縁体５５２が設けられている。

　図３０Ａ、図３０Ｂは、図２８Ａ、図２８Ｂに示すトランジスタの変形例である。図３０Ａはトランジスタのチャネル長方向の断面図であり、図３０Ｂはトランジスタのチャネル幅方向の断面図である。図３０Ａ、図３０Ｂに示すトランジスタは、酸化物５３０ｃが酸化物５３０ｃ１および酸化物５３０ｃ２の２層構造である点が、図２８Ａ、図２８Ｂに示すトランジスタと異なる。

　酸化物５３０ｃ１は、絶縁体５２４の上面、酸化物５３０ａの側面、酸化物５３０ｂの上面および側面、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂの側面、絶縁体５４４の側面、および絶縁体５８０の側面と接する。酸化物５３０ｃ２は、絶縁体５５０と接する。

　酸化物５３０ｃ１として、例えばＩｎ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化物５３０ｃ２として、酸化物５３０ｃが１層構造である場合に酸化物５３０ｃに用いることができる材料と同様の材料を用いることができる。例えば、酸化物５３０ｃ２として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いることができる。

　酸化物５３０ｃを酸化物５３０ｃ１および酸化物５３０ｃ２の２層構造とすることにより、酸化物５３０ｃを１層構造とする場合より、トランジスタのオン電流を高めることができる。よって、トランジスタを、例えばパワーＭＯＳトランジスタとすることができる。なお、図２７Ａ、図２７Ｂに示すトランジスタが有する酸化物５３０ｃも、酸化物５３０ｃ１と酸化物５３０ｃ２の２層構造とすることができる。

　図３０Ａ、図３０Ｂに示すトランジスタは、例えばトランジスタ３９０に適用することができる。前述のように、トランジスタ３９０は、上記実施の形態の図２６に示すＯＳトランジスタを適用することができる。よって、出力トランジスタとしての機能を有する場合、ＯＳトランジスタのオン電流を高めることができ、本発明の一態様の半導体装置から出力される電圧の精度を高めることができる。なお、図３０Ａ、図３０Ｂに示す構成は、トランジスタ５００等、本発明の一態様の半導体装置が有する、トランジスタ３９０以外のトランジスタにも適用することができる。

　図３１は、トランジスタ５００を図２７Ａ、図２７Ｂに示す構成とし、トランジスタ３９０を図３０Ａ、図３０Ｂに示す構成とした場合における、半導体装置の構成例を示す断面図である。なお、図２９と同様に、導電体５４６の側面に絶縁体５５２を設ける構成としている。図３１に示すように、本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ３９０とトランジスタ５００を両方ともＯＳトランジスタとしつつ、トランジスタ３９０とトランジスタ５００のそれぞれを異なる構成にすることができる。

　本実施の形態は、他の実施の形態等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。

　本実施例は、Ｓｉ−Ｗａｆｅｒ上に積層した３６０ｎｍ、Ｔｏｐ−ｇａｔｅ−ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ　ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ　ＦＥＴテクノロジーでトランジスタを形成した。Ｔｏｐ−ｇａｔｅ−ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ構造よりＴｏｐ−ｇａｔｅとソース又はドレイン間のオーバーラップを少なくし、オーバーラップによる寄生容量を小さくした。この寄生容量が小さいことは、チャージインジェクションおよびフィードスルーを低減でき、サンプルホールド回路のサンプリング精度を向上できる。ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯのトランジスタのゲート制御方法は、Ｄｕａｌ−ｇａｔｅ型又はＢａｃｋ−ｇａｔｅ型とし、これらの型を同一基板内に混載した。Ｄｕａｌ−ｇａｔｅ型は、トップのＦｒｏｎｔ−ｇａｔｅとボトムのＢａｃｋ−ｇａｔｅを接続されている。Ｓｉｎｇｌｅ−ｇａｔｅ型よりも優れたゲート制御性を有し、すなわち、高いオン電流および低いオフ電流を示す。一方、Ｂａｃｋ−ｇａｔｅ型はＦｒｏｎｔ−ｇａｔｅとＢａｃｋ−ｇａｔｅをそれぞれ独立に電圧制御できる。Ｂａｃｋ−ｇａｔｅ型のＢａｃｋ−ｇａｔｅに負電圧を印加することで、しきい値電圧をプラスシフトさせることができ、すなわち、低いオフ電流を示すことができる。そこで、Ｄｕａｌ−ｇａｔｅ型トランジスタは比較回路などのサンプルホールド回路以外の回路に適用し、高いオン電流による高いゲインを実現した。Ｂａｃｋ−ｇａｔｅ型のトランジスタはサンプルホールド回路に適用し、長いホールド時間を実現した。

　図３３Ａは、作製した積分回路２２に相当するアンプ回路２２ｃを詳細に説明する回路図である。アンプ回路２２ｃは、トランスコンダクタンスアンプ８１、トランスコンダクタンスアンプ８２、トランジスタ６１乃至トランジスタ７７、容量７８、容量７９を有する。チョッパ回路８３は、トランジスタ６１、トランジスタ６２、トランジスタ６４、およびトランジスタ６５を有し、チョッパ回路８４は、トランジスタ７１乃至トランジスタ７４を有する。

　アンプ回路２２ｃはオフセットキャンセル機能を有する。初段のトランスコンダクタンスアンプ８１の入力にＶＲＥＦ１が与えられている期間にオフセット補正電圧が容量７８、容量７９に与えられることでトランスコンダクタンスアンプ８１の有するオフセット成分をキャンセルすることができる。さらにアンプ回路２２ｃが有するオフセット成分をキャンセルする機能を付加するため、トランスコンダクタンスアンプ８１の入力と、トランスコンダクタンスアンプ８２の出力にチョッパ回路を設ける。

　ここで、アンプ回路２２ｃの電気的接続について説明する。アンプ回路２２ｃは、入力端子ＩＮＰ（図５では入力端子２２ａ）と、入力端子ＩＮＭ（図５では入力端子２２ｆ）を有し、出力端子ＯＵＴＰ（図５では入力端子２２ｂ）と、出力端子ＯＵＴＭとを有する。入力端子ＩＮＰは、トランジスタ６１のソース又はドレインの一方、およびトランジスタ６５のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。入力端子ＩＮＭは、トランジスタ６４のソース又はドレインの一方、およびトランジスタ６２のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ６１のソース又はドレインの他方は、トランジスタ６３のソース又はドレインの一方、およびトランジスタ６２のソース又はドレインの他方と電気的に接続される。トランジスタ６４のソース又はドレインの他方は、トランジスタ６６のソース又はドレインの一方、およびトランジスタ６５のソース又はドレインの他方と電気的に接続される。配線ＦＣ１は、トランジスタ６１のゲート、およびトランジスタ６４のゲートと電気的に接続される。配線ＦＣ２は、トランジスタ６２のゲート、およびトランジスタ６５のゲートと電気的に接続される。配線ＳＥＴＢは、トランジスタ６３のゲート、およびトランジスタ６６のゲートと電気的に接続される。

　トランジスタ６３のソース又はドレインの他方は、トランスコンダクタンスアンプ８１の非反転入力端子、およびトランジスタ６７のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ６６のソース又はドレインの他方は、トランスコンダクタンスアンプ８１の反転入力端子、およびトランジスタ６９のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。トランスコンダクタンスアンプ８１の反転出力端子は、容量７８を介してトランスコンダクタンスアンプ８２の非反転入力端子、およびトランジスタ６８のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。トランスコンダクタンスアンプ８１の非反転出力端子は、容量７９を介してトランスコンダクタンスアンプ８２の反転入力端子、およびトランジスタ７０のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。配線ＳＥＴ２は、トランジスタ６７乃至トランジスタ７０のゲートと電気的に接続される。配線ＶＲＥＦ１は、トランジスタ６７のソース又はドレインの他方、トランジスタ６９のソース又はドレインの他方と電気的に接続される。配線ＶＲＥＦ２は、トランジスタ６８のソース又はドレインの他方、トランジスタ７０のソース又はドレインの他方と電気的に接続される。

　トランスコンダクタンスアンプ８２の反転出力端子は、トランジスタ７１のソース又はドレインの一方、トランジスタ７４のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。トランスコンダクタンスアンプ８２の非反転出力端子は、トランジスタ７２のソース又はドレインの一方、トランジスタ７３のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ７１のソース又はドレインの他方は、トランジスタ７２のソース又はドレインの他方、トランジスタ７５のソース又はドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ７３のソース又はドレインの他方は、トランジスタ７４のソース又はドレインの他方、出力端子ＯＵＴＭと電気的に接続される。配線ＦＣ１は、トランジスタ７１のゲート、およびトランジスタ７３のゲートと電気的に接続される。配線ＦＣ２は、トランジスタ７２のゲート、およびトランジスタ７４のゲートと電気的に接続される。配線ＳＥＴＢは、トランジスタ７５のゲートと電気的に接続される。

　トランジスタ７５のソース又はドレインの他方は、出力端子ＯＵＴＰ、トランジスタ７７のソース又はドレインの一方、および容量２２ｅの電極の一方と電気的に接続される。トランジスタ７７のソース又はドレインの他方は、配線ＶＲＥＦ３と電気的に接続される。容量２２ｅの電極の他方は、トランジスタ７６のソース又はドレインの一方、および入力端子ＩＮＭと電気的に接続される。トランジスタ７６のソース又はドレインの他方は、共通ＧＮＤと電気的に接続される。配線ＳＥＴ１は、トランジスタ７６のゲート、およびトランジスタ７７のゲートと電気的に接続される。

　図３３Ｂは、図３３Ａのアンプ回路２２ｃの動作を説明するタイミングチャートである。配線ＳＥＴ１に与えられる信号は、容量２２ａを初期化する。さらに、配線ＳＥＴ１に与えられる信号は、トランスコンダクタンスアンプ８１およびトランスコンダクタンスアンプ８２が備えるサンプルホールド回路に任意の電圧を与える。したがって、トランスコンダクタンスアンプ８１およびトランスコンダクタンスアンプ８２がＨｉｇｈを出力する期間の電流値をサンプルホールド回路にプログラムする。端子ＩＮＰ（図３では端子１０ａ）に与えられる信号ＳＥＮＳＥＰとして、図３で示した抵抗４１の電極の一方に生成される電圧が端子１０ａを介して与えられる。また、端子ＩＮＭ（図３では端子１０ｄ）に与えられる信号ＳＥＮＳＥＭとして、図３で示した抵抗４１の電極の他方に生成される電圧が端子１０ｄを介して与えられる。

　配線ＳＥＴ２には、配線ＳＥＴ１に与えられる信号から遅れた信号が与えられる。配線ＳＥＴ２に与えられる信号によって、容量７８または容量７９には、トランスコンダクタンスアンプ８１が有するオフセット成分がプログラムされる。したがって、容量７８または容量７９にトランスコンダクタンスアンプ８１が有するオフセット成分をプログラムする期間、配線ＳＥＴＢに与えられる信号は、ＬＯＷであることが好ましい。

　配線ＦＣ１には、配線ＦＣ２（図３３Ｂのタイミングチャートでは非表示）に与えられる信号の反転信号が与えられる。配線ＦＣ１に与えられる信号がＬＯＷの期間、アンプ回路２２ｃは、容量２２ｅに保持される電圧が順次小さくなる積分回路として動作する。配線ＦＣ１に与えられる信号がＨＩＧＨの期間、アンプ回路２２ｃは、容量２２ｅに保持される電圧が順次大きくなる積分回路として動作する。なお、積分回路２２は、配線ＳＥＴ１、配線ＳＥＴ２、および配線ＳＥＴＢに与えられる信号によって初期化される。

　図３４Ａは、チップ写真である。実際に作製した二次電池の劣化を検知する半導体装置である。図３４Ｂは、入力電圧（Ｉｎｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ）に対する出力周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ＦＣ１）を示す。入力電圧に対して出力周波数は単調増加することが確認できた。入力電圧が高くなると線形性が失われる場合があるが、予め補正データを取得することで、デジタル回路にて補正することができる。ＯＳトランジスタのみを使った電流モニタ回路を作製した結果、リーク電流の少ないサンプルホールド回路を備えた増幅率の高いアンプを実現し、ＧＮＤレベルの信号の検知を実現した。

　Ｂｉａｓ１：判定電圧、Ｂｉａｓ２：判定電圧、Ｒ１：抵抗、Ｒ２：抵抗、Ｒ３：抵抗、Ｒ４：抵抗、Ｓ１：スイッチ、Ｓ２：スイッチ、ＳＷ１：スイッチ、ＳＷ３：スイッチ、１０：回路、１１：出力回路、１２：出力回路、１５：容量素子、２０：残量計、２１：分流回路、２２：積分回路、２２ｃ：アンプ回路、２２ｄ：抵抗、２２ｅ：容量、２３：コンパレータ、２３ｅ：アンプ回路、２３ｆ：アンプ回路、２３ｇ：回路、２３ｈ：回路、３０：異常電流検知回路、３１ａ：アンプ回路、３１ｂ：スイッチ、３１ｃ：スイッチ、３１ｄ：容量、３１ｅ：容量、３２ａ：メモリ、３２ｂ：メモリ、４０：回路、４１：抵抗、４２：二次電池、４３：抵抗、４４：抵抗、５２：配線、５３：配線、５４：配線、１００：正極活物質、２１１ａ：正極、２１１ｂ：負極、２１２ａ：リード、２１２ｂ：リード、２１４：セパレータ、２１５ａ：接合部、２１５ｂ：接合部、２１７：固定部材、２５０：二次電池、２５１：外装体、２６２：シール部、２６３：シール部、３００：二次電池、３０１：正極缶、３０２：負極缶、３０３：ガスケット、３０４：正極、３０５：正極集電体、３０６：正極活物質層、３０７：負極、３０８：負極集電体、３０９：負極活物質層、３１０：セパレータ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、３９０：トランジスタ、４０２：絶縁体、４０４：絶縁体、５００：トランジスタ、５０３：導電体、５０３ａ：導電体、５０３ｂ：導電体、５１０：絶縁体、５１２：絶縁体、５１４：絶縁体、５１６：絶縁体、５１８：導電体、５２０：絶縁体、５２２：絶縁体、５２４：絶縁体、５２６：絶縁体、５３０：酸化物、５３０ａ：酸化物、５３０ｂ：酸化物、５３０ｃ：酸化物、５３０ｃ１：酸化物、５３０ｃ２：酸化物、５４０ａ：導電体、５４０ｂ：導電体、５４２：導電体、５４２ａ：導電体、５４２ｂ：導電体、５４３ａ：領域、５４３ｂ：領域、５４４：絶縁体、５４６：導電体、５４８：導電体、５５０：絶縁体、５５２：絶縁体、５６０：導電体、５６０ａ：導電体、５６０ｂ：導電体、５７４：絶縁体、５８０：絶縁体、５８１：絶縁体、５８２：絶縁体、５８６：絶縁体、６００：容量素子、６１０：導電体、６１２：導電体、６２０：導電体、６３０：絶縁体、６４０：絶縁体、７００：二次電池、７０１：正極集電体、７０２：正極活物質層、７０３：正極、７０４：負極集電体、７０５：負極活物質層、７０６：負極、７０７：セパレータ、７０８：電解液、７０９：外装体、７１０：正極リード電極、７１１：負極リード電極、８００：二次電池、８０１：正極キャップ、８０２：電池缶、８０３：正極端子、８０４：正極、８０５：セパレータ、８０６：負極、８０７：負極端子、８０８：絶縁板、８０９：絶縁板、８１１：ＰＴＣ素子、８１２：安全弁機構、８１３：導電板、８１４：導電板、８１５：モジュール、８１６：導線、８１７：温度制御装置、９００：回路基板、９１０：ラベル、９１１：端子、９１２：回路、９１３：二次電池、９１４：アンテナ、９１５：アンテナ、９１８：アンテナ、９２０：表示装置、９２１：センサ、９２２：端子、９３０：筐体、９３０ａ：筐体、９３０ｂ：筐体、９３１：負極、９３２：正極、９３３：セパレータ、９５０：捲回体、９５１：端子、９５２：端子、９８０：二次電池、９８１：フィルム、９８２：フィルム、９９３：捲回体、９９４：負極、９９５：正極、９９６：セパレータ、９９７：リード電極、９９８：リード電極、７１００：携帯表示装置、７１０１：筐体、７１０２：表示部、７１０３：操作ボタン、７１０４：二次電池、７２００：携帯情報端末、７２０１：筐体、７２０２：表示部、７２０３：バンド、７２０４：バックル、７２０５：操作ボタン、７２０６：入出力端子、７２０７：アイコン、７３００：表示装置、７３０４：表示部、７４００：携帯電話機、７４０１：筐体、７４０２：表示部、７４０３：操作ボタン、７４０４：外部接続ポート、７４０５：スピーカ、７４０６：マイク、７４０７：二次電池、７５００：電子タバコ、７５０１：アトマイザ、７５０２：カートリッジ、７５０４：二次電池、８０００：表示装置、８００１：筐体、８００２：表示部、８００３：スピーカ部、８００４：二次電池、８０２１：充電装置、８０２２：ケーブル、８０２４：二次電池、８１００：照明装置、８１０１：筐体、８１０２：光源、８１０３：二次電池、８２００：室内機、８２０１：筐体、８２０２：送風口、８２０３：二次電池、８２０４：室外機、８３００：電気冷凍冷蔵庫、８３０１：筐体、８３０２：冷蔵室用扉、８３０３：冷凍室用扉、８３０４：二次電池、８４００：自動車、８４０１：ヘッドライト、８４０６：電気モーター、８５００：自動車、８６００：スクータ、８６０１：サイドミラー、８６０２：二次電池、８６０３：方向指示灯、８６０４：座席下収納、９６００：タブレット型端末、９６２５：スイッチ、９６２７：スイッチ、９６２８：操作スイッチ、９６３０：筐体、９６３０ａ：筐体、９６３０ｂ：筐体、９６３１：表示部、９６３１ａ：表示部、９６３１ｂ：表示部、９６３３：太陽電池、９６３４：充放電制御回路、９６３５：蓄電体、９６３６：ＤＣＤＣコンバータ、９６３７：コンバータ、９６４０：可動部

Claims

　第１の回路と、第２の回路とを有する半導体装置であって、第１の回路は、残量計と、異常電流検知回路とを有し
　前記残量計は、分流回路と、積分回路と、を有し、
　前記異常電流検知回路は、第１のメモリと、第２のメモリと、第１のコンパレータと、を有し、
　前記積分回路は、前記分流回路で検出する検知電流を積分することで検出電圧に変換する機能を有し、
　前記異常電流検知回路には、前記検出電圧と、第１の時刻に与えられる第１の信号と、第２の時刻に与えられる第２の信号と、が与えられ、
　前記異常電流検知回路は、前記第１の信号によって前記第１の時刻の検出電圧を前記第１のメモリに記憶させる機能を有し、
　前記異常電流検知回路は、前記第２の信号によって前記第２の時刻の検出電圧を前記第２のメモリに記憶させる機能を有し、
　前記第１のコンパレータは、前記第１の時刻の検出電圧と、前記第２の時刻の検出電圧の変化を第１の出力信号として前記第２の回路に出力する半導体装置。
　請求項１において、
　前記第１のメモリに記憶された検出電圧が、前記第２のメモリに記憶された検出電圧より大きい場合、前記第１のコンパレータは、第１の出力信号を前記第２の回路に出力し、
　前記第２のメモリに記憶された検出電圧が、前記第１のメモリに記憶された検出電圧より大きい場合、前記第１のコンパレータは、前記第１の出力信号を反転して前記第２の回路に出力する半導体装置。
　請求項１または請求項２において、
　前記残量計は、ヒステリシス特性を備える第２のコンパレータを有し、
　前記第２のコンパレータは、第１の判定電圧と、第２の判定電圧と、を用いて検出電圧を判定する機能を有し、
　前記検出電圧が前記第１の判定電圧よりも小さい場合、前記第２のコンパレータの出力信号が前記分流回路の出力極性を反転させ、
　前記検出電圧が前記第２の判定電圧よりも大きい場合、前記第２のコンパレータの出力信号が前記分流回路の出力極性を反転させ、
　前記第２のコンパレータの出力信号は、前記第２の回路に出力される半導体装置。
　請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
　前記第２の回路は、前記第２のコンパレータの出力信号から前記第１の信号と、前記第２の信号と、を生成する半導体装置。
　請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
　前記第２の回路は、設定時間を設定することができる機能を有し、
　前記第２の回路は、前記第２のコンパレータの出力信号の変化点から前記設定時間後に前記第１の信号または前記第２の信号を出力する機能を有する半導体装置。
　請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
　前記第２の回路が、制御回路またはプロセッサである半導体装置。
　請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
　前記半導体装置は、トランジスタを有し、
　前記トランジスタは、半導体層に酸化物半導体を含む半導体装置。
　可撓性基板に設けられた請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の半導体装置と、
　二次電池と、を含む電池パック。