半导体装置制造方法

半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种用于测量二次电池的充电电容等的库仑计。在二次电池的充电或者放电中所产生的电流通过电阻器转换为电压，并由放大电路进行放大。由放大电路放大后的电压被电压电流转换电路转换为电流，并输入到累积加法电路。累积加法电路利用从电压电流转换电路输入的电流对电容元件充电，并生成对应于电容元件中所产生的电压的信号。该电容元件的一个端子通过开关连接到电压电流电路的输出端，另一个端子被施加恒电位。通过开关的导通和截止对电容元件的电荷的供应和该电荷的保持进行控制。
【专利说明】半导体装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种物体(product,包括机器(machine)、产品(manufacture)及组合物(composition of matter))以及方法(process,包括单纯方法及生产方法)。例如,本发明的一个实施方式涉及一种半导体装置、蓄电装置、及其驱动方法或制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，锂离子二次电池等蓄电装置被广泛地应用于以手机、智能手机为代表的便携式终端的电源，用来驱动电动汽车等的电动机的电源，或者不间断电源装置的电源。
[0003]例如，作为用来管理便携式计算机的电池组的充电状态的装置，提出了一种具备库仑计的电力管理装置(专利文献I)。
现有技术文献 专利文献
[0004][专利文献I]日本专利特开平6-217463号公报

【发明内容】

发明所要解决的技术问题
[0005]例如，如专利文献I所示，在库仑计中，对在一定期间内流过电阻器的电流进行采样，测量在采样期间内流过电阻器的电荷的总量。
[0006]本发明的一个实施方式的目的之一是提供一种能够测量电荷量的新颖的半导体装置等。另外，本发明的一个实施方式的目的之一是提供一种能够降低电荷量的测量误差的半导体装置等。另外，本发明的一个实施方式的目的之一是提供一种误差得到降低的半导体装置等。另外，本发明的一个实施方式的目的之一是提供一种新颖的半导体装置等。
[0007]另外，这些目的的记载不妨碍其他目的的存在。此外，本发明的一个实施方式并不需要实现上述所有目的。另外，从说明书、附图、权利要求书等的记载可以自行了解上述以外的目的，并且从说明书、附图、权利要求书等的记载可以提取出上述以外的目的。
[0008]本申请所公开的发明的一个实施方式是一种半导体装置，包括:第一电阻器，该第一电阻器中流过第一电流；第一电路，该第一电路在第一电流流过时，对产生在第一电阻器的两端的第一电压进行放大，并输出第二电压；第二电路，该第二电路输出对应于第二电压的第二电流；以及第三电路，该第三电路输入来自第二电路的第二电流，并根据第二电流生成第一信号。
[0009]在本实施方式中，第三电路可以包括:第一电容元件，该第一电容元件具有输入第二电流的第一端子；第四电路，该第四电路生成对应于第一端子的电压的信号，并将该信号作为第一信号输出；第一开关，该第一开关控制第一端子与第二电路之间的连接；以及第二开关，该第二开关控制第一端子与提供第四电压的节点之间的连接。
[0010]或者，在本实施方式中，第一开关及第二开关可以为在氧化物半导体膜上形成有沟道的晶体管。[0011]根据本发明的一个实施方式，能够提供一种可以高精度地测量电荷量的半导体装置。另外，根据本发明的一个实施方式，能够提供一种误差得到降低的半导体装置。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1是表示库仑计的结构的一个示例的电路图。
图2是表示库仑计的驱动方法的一个示例的时序图。
图3A和图3B是表示累积加法电路的结构的一个示例的电路图。
图4是表示库仑计的结构的一个示例的电路图。
图5是表示库仑计的驱动方法的一个示例的时序图。
图6是表示库仑计的结构的一个示例的电路图。
图7是表示库仑计的结构的一个示例的电路图。
图8是表示库仑计的结构的一个示例的电路图。
图9是表示放大电路的结构的一个示例的电路图。
图10是表示电压电流转换电路的结构的一个示例的电路图。
图11是表示累积加法电路的结构的一个示例的电路图。
图12是表示库仑计的驱动方法的一个示例的时序图。
图13是表示库仑计的驱动方法的一个示例的时序图。
图14是表示库仑计的输出信号的波形的图。
图15是表示库仑计的结构的一个示例的电路图。
图16是表示累积加法电路的结构的一个示例的电路图。
图17是表示库仑计的驱动方法的一个示例的时序图。
图18是表示蓄电装置的结构的一个示例的电路图。
图19是表不微处理器单兀(MPU)的结构的一个不例的方框图。
图20A和图20B是表不寄存器的结构的一个不例的电路图。
图21是表示存储器(SRAM)的结构的一个示例的电路图。
图22是表示存储器(DOSRAM)的结构的一个示例的电路图，A:存储单元阵列，B:存储单元。
图23是表示存储器(DOSRAM)的结构的一个示例的分解立体图。
图24A是表示存储单元(NOSRAM)的结构的一个示例的电路图，图24B是说明存储单元的电特性的电压-电流特性曲线。
图25是表示底栅型晶体管的结构的一个示例的图，A:俯视图，B:图25A中的切断线A1-A2之间的截面图，C:图25A中的切断线B1-B2之间的截面图。
图26是表示晶体管的结构的一个示例的截面图，A:顶栅结构，B:双栅结构。
图27A和图27B是表示晶体管的氧化物叠层膜的结构的一个示例的截面图。
图28A和图28B是表示氧化物叠层膜的能带结构的一个示例的示意图。
图29A至图29C是表示晶体管的氧化物叠层膜的结构的一个示例的截面图。
图30是表示半导体装置的层叠结构的一个示例的截面图。
图31是表示具备蓄电装置的电子设备的结构例的图，A:电网系统图，B、C:电动汽车。 图32A至图32C是表示便携式信息终端的结构例的图。图33A和图33B是表示蓄电系统的结构例的图。
【具体实施方式】
[0013]下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，本发明不局限于以下说明，所述【技术领域】的普通技术人员可以很容易地理解，在不脱离本发明的宗旨及其范围的情况下本发明的实施方式及详细内容可以进行各种变更。因此，本发明不应该被解释为仅限定于以下所示的实施方式的记载内容。
[0014]另外，在用于说明发明的实施方式的附图中，相同部分或具有相同功能的部分用相同的符号表不，并省略重复说明。
[0015]实施方式I
参照图1至图6对本实施方式的半导体装置进行说明。在本实施方式中，作为半导体装置的一个示例，对能够测量电荷量的库仑计进行说明。
[0016]《库仑计的结构例I》
图1是表示库仑计的结构的一个示例的电路图。库仑计100包括电阻器110、放大电路130、电压电流转换电路(V-1转换电路)150以及累积加法电路(cumulative additioncircuit) 170。库仑计100具有下述功能，即:根据流过电阻器110的电流Is,测量从测量对象输出的电荷量Qs。这里,库仑计100的测量对象为二次电池10 (以下，称为电池10)。电池10与高电位用端子111及低电位用端子112相连接。
[0017]放大电路130 (AMP)具有下述功能，即:对两个输入端子之间的电压进行放大，并输出放大后的电压。当电流Is流过时，电压Vs (= IsXRs)产生在电阻器110的两端。电压Vs被输入到放大电路130的非反相输入端子与反相输入端子之间。放大电路130具有放大电压Vs并生成电压Va的功能。电压Va为与电压Vs成正比的电压。
[0018]V-1转换电路150 (V/I)是具有下述功能的电路，即:将所输入的电压转换为电流并进行输出。在此，V-1转换电路150将由放大电路130放大的电压Va转换为电流Ic。如下文所述，电流Ic为与电压Va成正比的电流。
[0019]<累积加法电路；ADD的结构例1>
图1所示的累积加法电路170 (ADD)是具有下述功能的电路，即:生成与所输入的电流Ic相应的信号。累积加法电路170包括晶体管181、晶体管182、电容元件183以及比较器191。
[0020]电容元件183的一个端子(节点Nil)与晶体管181相连接，其另一个端子的电位与电阻器Iio的一个端子的电位相同。晶体管181具有控制节点Nll与V-1转换电路150的输出之间的连接的开关的功能。晶体管181的导通、截止由输入其栅极的信号CON来控制。
[0021]晶体管182具有控制节点Nll与电压VREF3所输入的节点N12之间的连接的开关的功能。因此，晶体管182可以用作为对节点Nll的电压Vc进行复位的复位电路。晶体管182的导通、截止由输入其栅极的信号SET来控制。当晶体管182处于导通状态时，由于节点Nll与节点N12相连接，因此电压Vc为恒电位，在不考虑由晶体管182等引起的电压下降的情况下，电压Vc等于电压VREF3。
[0022]注意，用来使节点Nll的电位复位的电路(晶体管182)根据需要形成即可。[0023]晶体管181及电容元件183具有采样保持电路的功能。当晶体管181处于导通状态时，电流Ic从V-1转换电路150输入到节点NI I，对电容元件183充电(采样工作)。当晶体管181处于截止状态时，节点Nll处于电浮动状态，在电容元件183中处于保持电荷的状态(保持工作)。另外，保持工作也可以认为是保持节点Nll的电压的状态。
[0024]节点NI I的电压Vc与保持在电容元件183中的电荷Qc成正比，电荷Qc与电流Ic成正比，因此根据节点NI I的电压Vc或对应于电压Vc的信号能够获得表示流过电阻器110的电荷量的数据。由此，根据上述信号能够获得电池10的充电电容(或者有时称为剩余电容)。
[0025]电压Vc经由比较器191作为输出信号OUT从库仑计100输出。比较器191将电压Vc与参考电压进行比较，输出逻辑值“O”或“ I”。
[0026]在图1的例子中，将比较器191的非反相输入端子连接到节点Nll (电容元件183的端子)，并向反相输入端子输入电位VREFl。比较器191在电压Vc超过参考电压时输出高电平(逻辑值“I”)的信号0UT，而在电压Vc低于参考电压时输出低电平(逻辑值“O”)的信号OUT。注意，在累积加法电路170中，VREF3 < VREFl。
[0027]作为比较器191，优选使用具有高抗噪声性能的滞环比较器。通过使用滞环比较器，能够抑制因噪声的影响而导致的输出信号OUT的电位的频繁切换。
[0028]另外，在累积加法电路170中，使用比较器191来作为生成对应于电压Vc的信号的模拟电路，但是本实施方式不局限于此。例如，也可以使用模拟-数字转换电路、放大电路等作为这种模拟电路。
[0029]另外，库仑计100的输出信号不局限于从比较器191输出的信号OUT。例如,可以输出节点Nll的电压Vc作为信号。在此情况下，采用下述结构即可，即:将放大电路连接至节点NI I，从而可以从库仑计100输出放大电路的输出。
[0030]<累积加法电路；ADD的驱动方法例>
接着，参照图2所示的库仑计100的时序图对累积加法电路170的驱动方法进行说明。图2示出信号SET、信号C0N、节点Nll的电压Vc以及输出信号OUT的波形。
[0031]图2还示出部分放大的信号CON的波形。期间Tcon相当于信号CON的一个周期。期间Tcon_on相当于信号CON为高电平的期间。在期间Tcon中，期间Tcon_on是晶体管181处于导通状态并进行采样工作的采样期间。除此以外的期间是将晶体管181设为截止并进行保持工作的保持期间。
[0032]当测量流过电阻器110的电荷量时，首先进行使节点Nll (电容元件183的端子)的电压复位的复位工作。将信号SET设定为高电平，使晶体管182处于导通状态。通过进行该工作，将电压Vc复位成电压VREF3。
[0033]在信号SET为低电平的期间中，根据信号CON反复进行上述采样工作及保持工作。在期间Tcon_on中，晶体管181处于导通状态，电流Ic被输入到节点N11，从而对电容元件183充电。然后，将信号CON设定为低电平而使晶体管181处于截止状态，从而使得节点Nll处于电浮动状态，在电容元件183中保持电荷Qc。
[0034]当通过反复进行上述采样工作及保持工作,将与电流Ic相应的电荷提供给节点Nll时，如图2所示，电压Vc上升。另外，当电压Vc超过电压VREFl时，输出信号OUT从低电平切换到高电平。另外，当电压Vc低于电压VREFl时，输出信号OUT从高电平切换到低电平。
[0035][电压Ne的计算例]
累积加法电路170具有对电容元件183中所充电荷Qc进行累积加法计算的运算功能，以及具有将运算结果作为对应于电压Vc的信号OUT输出的功能。由此，根据信号OUT能够测量流过电阻器110的电荷量Qs。下面，对累积加法电路170的运算处理功能进行说明。
[0036]由于电荷Qc是通过用时间对电流Ic进行积分而得到的，因此在使节点Nll的电压Vc复位之后，经过N次采样保持在电容元件183中的电荷Qc可以由算式(al)表示。根据电荷Qc与电容元件183的电容值Ce之间的关系，电压Vc由算式(a2)表示。在此，假设在测量期间中电流Ic为恒定，电压Vc由算式(a3)表示。
[0037][算式I]
N:采样次数
【权利要求】
1.一种半导体装置，其特征在于，包括: 电阻器； 第一电路，该第一电路在第一电流流过所述电阻器时，对产生在所述电阻器的两端的第一电压进行放大并输出第二电压； 第二电路，该第二电路生成并输出对应于所述第二电压的第二电流；以及 第三电路，该第三电路根据所述第二电流生成第一信号， 其中，所述第三电路包括: 电容兀件，该电容兀件包含第一端子； 第一开关，该第一开关控制所述第一端子与所述第二电路之间的连接； 第二开关，该第二开关控制向所述第一端子供应恒电压；以及 第四电路，该第四电路输出对应于所述第一端子的电压的所述第一信号。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述第四电路将所述第一端子的电压与参考电压进行比较，并输出所述第一信号。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述第三电路还根据所述第二电流输出第二信号， 所述第三电路还包括第五电路， 所述第四电路通过比较所述第一端子的电压与第一参考电压来生成所述第一信号， 所述第五电路通过比较所述第一端子的电压与第二参考电压来生成所述第二信号。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述电阻器与电池电连接。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述第一开关和所述第二开关都是每沟道宽度Iym的关态电流为IXlO-19A以下的晶体管。
6.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述第一开关和所述第二开关都是包含氧化物半导体膜的晶体管。
7.一种半导体装置，其特征在于，包括: 电阻器； 第一电路，该第一电路在第一电流流过所述电阻器时，对产生在所述电阻器的两端的第一电压进行放大并输出第二电压； 第二电路，该第二电路生成并输出对应于所述第二电压的第二电流；以及 第三电路，该第三电路根据所述第二电流生成第一信号， 其中，所述第三电路包括: 电容兀件，该电容兀件包含第一端子； 第一开关，该第一开关控制所述第一端子与所述第二电路之间的连接； 第二开关，该第二开关控制向所述第一端子供应恒电压； 第四电路，该第四电路将所述第一端子的电压与第一参考电压进行比较，并生成第二信号; 第五电路，该第五电路将所述第一端子的电压与第二参考电压进行比较，并生成第三信号；第六电路，该第六电路通过计算所述第二信号和所述第三信号的电平的变化次数来生成所述第一信号；以及 第七电路，该第七电路根据所述第二信号和所述第三信号生成所述第二开关的控制信号。
8.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于， 所述电阻器与电池电连接。
9.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于， 所述第一开关和所述第二开关都是每沟道宽度I μ m的关态电流为I X IO-19A以下的晶体管。
10.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于， 所述第一开关和所述第二开关都是包含氧化物半导体膜的晶体管。
11.一种蓄电装置，其特征在于，包括: 蓄电体； 电源控制电路，该电源控制电路与所述蓄电体电连接； 微处理器单元，该微处理器单元与所述电源控制电路电连接；以及 库仑计，该库仑计向所述微处理器单元提供第一信号， 其中，所述库仑计包括: 电阻器，该电阻器与所述蓄电体电连接； 第一电路，该第一电路在第一电流流过所述电阻器时，对产生在所述电阻器的两端的第一电压进行放大并输出第二电压； 第二电路，该第二电路生成并输出对应于所述第二电压的第二电流；以及 第三电路，该第三电路根据所述第二电流生成所述第一信号， 其中，所述第三电路包括: 电容兀件，该电容兀件包含第一端子； 第一开关，该第一开关控制所述第一端子与所述第二电路之间的连接； 第二开关，该第二开关控制向所述第一端子供应恒电压； 第四电路，该第四电路输出对应于所述第一端子的电压的所述第一信号。
12.如权利要求11所述的蓄电装置，其特征在于， 所述第四电路将所述第一端子的电压与参考电压进行比较，并输出所述第一信号。
13.如权利要求11所述的蓄电装置，其特征在于， 所述微处理器单元根据所述第一 信号控制所述电源控制电路。
14.如权利要求11所述的蓄电装置，其特征在于， 所述第一开关和所述第二开关都是每沟道宽度I μ m的关态电流为I X IO-19A以下的晶体管。
15.如权利要求11所述的蓄电装置，其特征在于， 所述第一开关和所述第二开关都是包含氧化物半导体膜的晶体管。
16.如权利要求11所述的蓄电装置，其特征在于， 所述微处理器单元包括晶体管，该晶体管的沟道形成区处于氧化物半导体膜中。
17.如权利要求11所述的蓄电装置，其特征在于，所述蓄电体是锂离子二次电池、铅蓄电池、锂离子聚合物二次电池、镍氢蓄电池、镍镉蓄电池、镍铁蓄电池、镍锌蓄电池、氧化银锌蓄电池、氧化还原液流电池、锌氯电池、锌溴电池、铝空气电池、锌空气电池、铁空气电池、钠硫电池、锂硫化铁电池和锂离子电容器中的任意一个。
【文档编号】H02J7/00GK103913707SQ201310739246
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】高桥圭, 小山润 申请人:株式会社半导体能源研究所