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図面 (20)

課題

電気機器及びセンサ機器集中管理可能な構成を提供する。電気機器及びセンサ機器の消費電力を低減可能な構成を提供する。

解決手段

少なくとも、集中管理装置と、電気機器またはセンサ機器と、出力手段を有する集中管理システムであって、集中管理装置は、電気機器またはセンサ機器から送信された情報を演算処理し、その結果に応じた情報を出力手段から出力する。電気機器またはセンサ機器から離れた場所にいても、電気機器またはセンサ機器の状況を知ることができる。電気機器またはセンサ機器は、バンドギャップ単結晶シリコンより広い半導体活性層に用いるトランジスタを有する。

概要

背景

近年のエネルギーコストの上昇により、電気機器センサ機器省エネルギー化への要望
増している。また、近年の防災防犯に対する意識の高まりから、電気機器及びセンサ
機器集中管理による災害発生の防止や、災害発生時の早期対応への要望が増している。

特に災害発生時においては、災害を知らせる警告がどの場所に設置された電気機器やセン
サ機器から発せられたのかを、居住者が迅速に認識する必要がある。

また、携帯電話スマートホン等に代表される携帯情報端末を用いて、電気機器を遠隔
作する要望が増している。例えば、特許文献1では、制御装置により照明シャッター
どの設備機器稼動情報を取得する方法が示されている。

概要

電気機器及びセンサ機器を集中管理可能な構成を提供する。電気機器及びセンサ機器の消費電力を低減可能な構成を提供する。少なくとも、集中管理装置と、電気機器またはセンサ機器と、出力手段を有する集中管理システムであって、集中管理装置は、電気機器またはセンサ機器から送信された情報を演算処理し、その結果に応じた情報を出力手段から出力する。電気機器またはセンサ機器から離れた場所にいても、電気機器またはセンサ機器の状況を知ることができる。電気機器またはセンサ機器は、バンドギャップ単結晶シリコンより広い半導体活性層に用いるトランジスタを有する。

目的

したがって、良好な電気特性を示すとともに長期信頼性の高い半導体装置
提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

集中管理装置と、センサ機器と、出力手段と、を有し、前記集中管理装置は、記憶手段を有し、前記センサ機器は、制御回路と、電圧調整回路と、第1のパワースイッチと、MCUと、を有し、前記制御回路は、前記集中管理装置からの信号に従って前記第1のパワースイッチの導通を制御する機能を有し、前記第1のパワースイッチは、前記電圧調整回路への電力の供給を制御する機能を有し、前記電圧調整回路は、前記MCUに電圧を供給する機能を有し、前記MCUは、第2のパワースイッチと、レジスタと、を有し、前記第2のパワースイッチは、前記レジスタへの前記電圧の供給を制御する機能を有し、前記第1のパワースイッチ及び前記第2のパワースイッチは、酸化物半導体チャネル形成領域に含む第1のトランジスタをそれぞれ有し、前記記憶手段は、前記センサ機器の設置場所の情報と、前記センサ機器の動作が正常か異常かを判断するための機器情報と、を記憶する機能を有し、前記集中管理装置は、前記センサ機器から送信された情報と前記機器情報とを比較する演算処理を行う機能を有し、前記出力手段は、前記演算処理の結果に応じた情報を出力する機能を有する集中管理システム

請求項2

請求項1において、前記レジスタは、フリップフロップと、記憶部と、を有し、前記記憶部は、第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、前記レジスタは、前記レジスタへの前記電圧の供給が停止される前に、前記フリップフロップに記憶されているデータを前記記憶部に退避させる機能を有する集中管理システム。

技術分野

0001

本発明は、電気機器及びセンサ機器集中管理に関する。また、電気機器及びセンサ機器
低消費電力化に関する。

背景技術

0002

近年のエネルギーコストの上昇により、電気機器やセンサ機器の省エネルギー化への要望
増している。また、近年の防災防犯に対する意識の高まりから、電気機器及びセンサ
機器の集中管理による災害発生の防止や、災害発生時の早期対応への要望が増している。

0003

特に災害発生時においては、災害を知らせる警告がどの場所に設置された電気機器やセン
サ機器から発せられたのかを、居住者が迅速に認識する必要がある。

0004

また、携帯電話スマートホン等に代表される携帯情報端末を用いて、電気機器を遠隔
作する要望が増している。例えば、特許文献1では、制御装置により照明シャッター
どの設備機器稼動情報を取得する方法が示されている。

先行技術

0005

特開2002−300668号公報

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献1では制御装置により照明やシャッターなどの設備機器の稼動情報を取得する方
法が示されているが、消費電力を低減するための具体的な方法は開示されていない。

0007

本発明の一態様は、電気機器及びセンサ機器を集中管理し、また、電力消費を低減するこ
とが可能な構成を提案する。

0008

本発明の一態様は、災害発生時に、災害発生場所を迅速に把握し、被害最低限に抑える
ことが可能な構成を提案する。

課題を解決するための手段

0009

本発明の一態様は、集中管理装置と、センサ機器と、出力手段を有し、センサ機器と出力
手段は集中管理装置に接続し、集中管理装置は、センサ機器の設置場所の特定とセンサ機
器の動作が正常か異常かを判断するための機器情報を記憶した記憶手段を有し、集中管理
装置は、センサ機器から送信された情報と機器情報を比較する演算処理を行い、演算処理
の結果に応じた情報を出力手段から出力することを特徴とする。

0010

本発明の一態様は、集中管理装置と、電気機器と、出力手段を有し、電気機器と出力手段
は集中管理装置に接続し、集中管理装置は、電気機器の設置場所の特定と電気機器の動作
が正常か異常かを判断するための機器情報を記憶した記憶手段を有し、集中管理装置は、
電気機器から送信された情報と機器情報を比較する演算処理を行い、演算処理の結果に応
じた情報を出力手段から出力することを特徴とする。

0011

本発明の一態様は、集中管理装置と、複数のセンサ機器と、出力手段を有し、複数のセン
サ機器と出力手段は集中管理装置に接続し、複数のセンサ機器は、それぞれが識別子を有
し、集中管理装置は、複数のセンサ機器の設置場所の特定と複数のセンサ機器の動作が正
常か異常かを判断するための機器情報を記憶した記憶手段を有し、複数のセンサ機器から
識別子とともに送信された情報と機器情報を比較する演算処理を行い、演算処理の結果に
応じた情報を出力手段から出力することを特徴とする。

0012

本発明の一態様は、集中管理装置と、複数の電気機器と、出力手段を有し、複数の電気
器と出力手段は集中管理装置に接続し、複数の電気機器は、それぞれが識別子を有し、集
中管理装置は、複数の電気機器の設置場所の特定と複数の電気機器の動作が正常か異常か
を判断するための機器情報を記憶した記憶手段を有し、集中管理装置は、複数の電気機器
から識別子とともに送信された情報と機器情報を比較する演算処理を行い、演算処理の結
果に応じた情報を出力手段から出力することを特徴とする。

0013

集中管理装置は、識別子により電気機器やセンサ機器の種類や設置場所を特定することが
できる。

0014

集中管理装置と電気機器、集中管理装置とセンサ機器、または集中管理装置と出力手段は
有線通信または無線通信により接続する。

0015

電気機器としては、空調装置オーディオ洗濯機浴室制御装置、冷蔵庫食器洗浄機
電子レンジインターホン炊飯器電気ポットなどの、電子的な制御が可能な機器を
挙げることができる。

0016

センサ機器としては、例えば、火災報知機人感センサ近接スイッチ、振動センサ、放
線センサ監視カメラ電力メーター水道メーターガスメーターなどを挙げること
ができる。

0017

例えば、センサ機器として火災報知機を用い、火災報知機を家屋の各部屋に設置する。火
報知機はそれぞれが固有の識別子を有し、火災を検知した火災報知機は、識別子ととも
に火災を検知したという情報を集中管理装置に送信する。集中管理装置は、記憶手段に記
憶されている機器情報と識別子を比較する演算処理を行い、どの部屋に配置した火災報知
機が火災を検知したかを特定し、警告とともに火災の発生場所の情報を出力手段から出力
させる。

0018

出力手段としては、映像により情報を出力する表示装置音声警報音などの音響により
情報を出力する音響装置、光の点灯または点滅により情報を出力する発光装置振動によ
り情報を出力する振動装置香りにより情報を出力する芳香装置などを用いることができ
る。また、出力手段として一種類の出力装置だけでなく、複数種類の出力装置を併用して
もよい。たとえば、音響装置と発光装置を併用してもよい。

0019

このように、様々な出力手段により情報を出力するため、居住者は火災の発生及び発生場
所が認識しやすく、迅速な初期消火が可能であり、また、避難経路選定もしやすい。よ
って、本発明の一態様によれば、災害による被害を最低限に抑えることが可能となる。

0020

センサ機器として家屋の窓に近接スイッチを設置してもよい。例えば、居住者の就寝中
、近接スイッチが窓の開放を検知すると、近接スイッチは、固有の識別子とともに集中管
理装置に窓が開放されたという情報を送信する。集中管理装置は情報を受け取ると記憶手
段に記憶されている機器情報と識別子を比較する演算処理を行い、受信した識別子から窓
が開放された場所を特定し、警告とともに窓が開放された場所の情報を出力手段から出力
させる。また、人感センサを配置することで、侵入者の有無を判断することもできる。本
発明の一態様によれば、窓の開放や侵入者の存在位置を迅速に把握することが可能となる

0021

なお、電気機器やセンサ機器に直接出力手段を付加し、集中管理装置を介さずに警告を出
力することも可能である。しかしながら、電気機器やセンサ機器に出力手段を付加すると
、電気機器やセンサ機器の小型化が難しく、消費電力も大きくなってしまう。また、居住
者が電気機器やセンサ機器から離れた場所にいる場合は、電気機器やセンサ機器が発する
警告など気づかないことも多い。よって、電気機器やセンサ機器と、出力手段は、分離し
て設けることが好ましい。

0022

また、集中管理装置により、電気機器及びセンサ機器の電力供給の開始及び停止を制御す
ることができる。集中管理装置は、動作が不要な電気機器やセンサ機器への電力供給を停
止させることで、家屋全体の消費電力を低減することができる。

0023

また、集中管理装置、センサ機器、または出力手段の電力供給源として商用電源を用いず
に、例えば太陽電池を用いた光発電装置から電力供給を受けることで、エネルギーコスト
下げることができる。また、光発電装置から得られた電力蓄電装置蓄電しておき、
蓄電装置から電力供給を受けてもよい。また、光発電装置から、集中管理装置、センサ機
器、または出力手段に供給される電力の一部を蓄電装置に蓄電してもよい。

0024

また、集中管理装置、電気機器、及びセンサ機器などを構成するトランジスタに、チャ
ルが形成される半導体層活性層)にバンドギャップ単結晶シリコンより広い半導体
用いることが好ましい。特に、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
ンジスタは、トランジスタのオン抵抗に起因する電力損失を小さく抑えることができる。
また、酸化物半導体を活性層に用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さい。よって
、電気機器及びセンサ機器の消費電力を低減することが可能となる。

0025

本発明の一態様は、一般家庭への適用に限らず、店舗工場等に適用することができる。

発明の効果

0026

本発明の一態様によれば、電気機器及びセンサ機器を集中管理し、電力消費を低減するこ
とができる。

0027

本発明の一態様によれば、災害発生時に、災害発生場所を迅速に把握し、被害を最低限に
抑えることができる。

図面の簡単な説明

0028

集中管理システムの構成例を説明する図。
電力供給源の構成例を説明する図。
電源選択装置の構成例を説明する図。
電気機器の構成例を説明する図。
センサ機器の構成例を説明する図。
センサ機器の構成例を説明する図。
センサ機器の構成例を説明する図。
センサ機器の構成例を説明する図。
光センサの構成例を説明する回路図。
MCU(Micro Control Unit)の構成例を説明するブロック図。
シリコン基板を用いて作製したMCUの光学式顕微鏡写真
図11に示したMCUの動作を説明するタイミングチャート
図11に示したMCUの動作を説明するタイミングチャート。
不揮発性記憶部を有するレジスタの一例を説明する回路図。
半導体装置の構成例を説明する図。
半導体装置の構成例を説明する図。
半導体装置の構成例を説明する図。
半導体装置の構成例を説明する図。
半導体装置の構成例を説明する図。
集中管理システムの適用例を説明する図。
集中管理システムの動作例を説明する図。
集中管理システムの適用例を説明する図。
集中管理システムの動作例を説明する図。
集中管理システムの適用例を説明する図。
集中管理システムの動作例を説明する図。

実施例

0029

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定さ
れず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し
得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下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
、同一部分又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。

0030

また、本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの序数は、構成要素の混同
を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。

0031

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、理解しやすくするため
、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。

0032

また、トランジスタの「ソース」や「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には入れ替わることが
ある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替え
用いることができるものとする。

0033

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。

0034

なお、XとYとが接続されている、と明示的に記載する場合は、XとYとが電気的に接続
されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続され
ている場合とを含むものとする。ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路
、配線、電極、端子導電層絶縁層、など)であるとする。したがって、所定の接続関
係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接
続関係以外のものも含むものとする。

0035

なお、本明細書における回路記号において、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導
体を用いるトランジスタと明確に判明できるように、チャネルが形成される半導体層に酸
化物半導体を用いるトランジスタの回路記号には「OS」と記載している。

0036

また、本明細書において、「平行」とは、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。従って、−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、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。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。

0037

(実施の形態1)
本発明の一形態について、図1乃至図14を用いて説明する。図1に電気機器及びセンサ
機器の集中管理システムの構成例を示す。集中管理装置120は、通信手段121、MC
U122、インターフェイス123、記憶手段124を有する。集中管理装置120は、
通信手段121を介して携帯情報端末130と接続される。また、集中管理装置120は
、集中管理装置120内のインターフェイス123を介して、出力手段500と、n個(
nは自然数)の電気機器200と、m個(mは自然数)のセンサ機器610が接続される
。なお、電気機器200とセンサ機器610のうち、どちらか一方のみが集中管理装置1
20に接続する構成としてもよい。図1では、複数個の電気機器200と、複数個のセン
サ機器610が集中管理装置120に接続する構成を示している。

0038

携帯情報端末130、電気機器200、センサ機器610、及び出力手段500と集中管
理装置120は、100BASE−TXや1000BASE−TX、PLC(Power
Line Communication)などの通信規格を用いた有線通信により接続
してもよいし、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.1
1g、IEEE802.11n、IEEE802.15.1などの通信規格を用いた無線
通信により接続してもよい。また、可視光赤外光などを用いた光通信により接続しても
よい。

0039

また、通信時の不正アクセスや、混信による動作不良を防ぐため、通信内容は暗号化する
ことが好ましい。通信内容を暗号化するための規格として、AES(Advanced
Encryption Standard)方式、TKIP(Temporal Key
Integrity Protocol)方式、WEP(Wired Equival
ent Privacy)方式などを用いることができる。

0040

電気機器200、センサ機器610、及び出力手段500は、集中管理装置120のイン
ターフイス123を介して集中管理装置120と情報を送受信することができる。すな
わち、集中管理装置120はインターフェイス123を介して電気機器200、センサ機
器610、及び出力手段500の動作状況や異常の有無などの稼動情報を取得することが
できる。

0041

記憶手段124は、HDD(Hard Disk Drive)などの磁気記憶装置や、
光ディスクなどの光学記憶装置や、SSD(Solid State Drive)など
半導体記憶装置を用いて実現することができる。

0042

記憶手段124は、電気機器200、センサ機器610、及び出力手段500の種類や設
置場所を特定し、また、電気機器200、センサ機器610、及び出力手段500の動作
が正常か異常かを判断するための機器情報を記憶する機能を有する。また、集中管理装置
120が実行するプログラムや、携帯情報端末130から送信された命令を記憶する機能
を有する。

0043

また、MCU122は、記憶手段124に記憶されたプログラムに従って、電気機器20
0、センサ機器610、及び出力手段500に動作命令などの情報を供給する。

0044

また、携帯情報端末130は、集中管理装置120の通信手段121を介して集中管理装
置120と情報を送受信することができる。集中管理装置120は、携帯情報端末130
に電気機器200の稼動情報を送信し、携帯情報端末130からの動作命令を受信する。
携帯情報端末130と集中管理装置120は、電話回線インターネット回線を介して接
続することもできる。また、前述した有線通信、無線通信、光通信などにより接続するこ
ともできる。

0045

また、図1では集中管理装置120に電力を供給するための電力供給源900を示してい
る。

0046

また、図1では、出力手段500として、表示装置510、音響装置520、発光装置5
30、振動装置540、芳香装置550を例示している。

0047

表示装置510は、入力された情報を映像に変換して出力することができる。音響装置5
20は、入力された情報を音声や警報音などの音響に変換して出力することができる。発
光装置530は、入力された情報を光の点灯または点滅に変換して出力することができる
。振動装置540は、入力された情報を振動に変換して出力することができる。芳香装置
550は、入力された情報を香りに変換して出力することができる。

0048

集中管理装置120は、電気機器200やセンサ機器610から得られた稼動情報を、演
算処理により記憶手段124が有する機器情報と比較し、演算処理の結果に応じた情報を
出力手段500から出力させることができる。

0049

また、集中管理装置120は、表示装置510、音響装置520、発光装置530、振動
装置540、芳香装置550などの出力手段500のうち、少なくとも1つから情報を出
力させることができる。

0050

電気機器200、センサ機器610、及び出力手段500は、通信手段121を介して集
中管理装置120に接続してもよい。また、集中管理装置120を介さず、それぞれが直
接情報の送受信をしてもよい。

0051

次に、図2を用いて電力供給源900の構成例について説明しておく。図2に例示する電
供給源900は、商用電源901、光発電装置902、振動発電装置903、熱発電
置904、及び蓄電装置126の複数の電源と、電源選択装置125を有する。

0052

商用電源901とは、電力会社等から有償で供給された電力を出力する電源を示す。また
、光発電装置902とは、例えば太陽電池を用いて光を電力に変換する装置を示す。また
、振動発電装置903とは、例えば静電誘導現象を利用して振動を電力に変換する装置を
示す。また、熱発電装置904とは、例えばゼーベック効果を利用して熱を電力に変換す
る装置を示す。

0053

なお、上記以外の電源として、風のエネルギーを電力に変換する風力発電装置や、波のエ
ネルギーを電力に変換する波力発電装置なども用いることができる。

0054

電源選択装置125は、電源選択装置125に接続された複数の電源の一つまたは複数を
選択し、選択された電源から供給される電力を集中管理装置120に供給する機能を有す
る。また、電源選択装置125は、商用電源901、光発電装置902、振動発電装置9
03、及び熱発電装置904からの電力供給が受けられなくなった場合に、電源を蓄電装
置126に切り替えることができる。また、例えば、1つの電源では電力供給量が不十分
な場合に、複数の電源の電力を合わせて集中管理装置120に供給することができる。

0055

また、電源選択装置125は、電力の一部を蓄電装置126に充電することができる。蓄
電装置126は、二次電池容量素子(例えば、電気二重層コンデンサ)などで構成され
る。なお、蓄電装置126は集中管理装置120の内部に設けることもできる。

0056

また、本実施の形態では、電源として商用電源901、光発電装置902、振動発電装置
903、熱発電装置904、及び蓄電装置126を例示しているが、電力の供給源として
機能するものであれば、これら以外の電源を用いることも可能である。

0057

次に、図3を用いて電源選択装置125の構成例を説明する。図3(A)に示す電源選択
装置は、少なくとも電圧調整回路141と、電源スイッチ制御回路142と、電力モニタ
143と、パワースイッチ151乃至パワースイッチ158と、パワースイッチ161乃
至パワースイッチ164を有する。

0058

商用電源901から供給される電力は、パワースイッチ151及びパワースイッチ152
を介して電圧調整回路141に供給される。また、光発電装置902から供給される電力
は、パワースイッチ153及びパワースイッチ154を介して電圧調整回路141に供給
される。また、振動発電装置903から供給される電力は、パワースイッチ155及びパ
ワースイッチ156を介して電圧調整回路141に供給される。また、熱発電装置904
から供給される電力は、パワースイッチ157及びパワースイッチ158を介して電圧調
整回路141に供給される。また、蓄電装置126から供給される電力は、パワースイッ
チ161及びパワースイッチ162を介して電圧調整回路141に供給される。

0059

電源スイッチ制御回路142は、パワースイッチ151乃至パワースイッチ158、及び
パワースイッチ161乃至パワースイッチ164のオン状態オフ状態を制御する機能を
有する。電力モニタ143は、電圧調整回路141に入力される電力量を測定する機能を
有する。

0060

電源スイッチ制御回路142は電力モニタ143と接続され、電力モニタ143で測定さ
れた電力量を参考にして、どの電力供給源から電力供給を受けるかを決定することができ
る。例えば、商用電源901のみから電力供給を受ける場合、パワースイッチ151及び
パワースイッチ152をオン状態とし、パワースイッチ153乃至パワースイッチ158
、及びパワースイッチ161乃至パワースイッチ164をオフ状態とする。

0061

電圧調整回路141は、入力された電圧の調整を行う機能を有する。電圧調整回路141
における電圧の調整とは、交流電圧直流電圧に変換すること、直流電圧を交流電圧に変
換すること、電圧の大きさを変えること、電圧の大きさが一定となるように平滑化するこ
と、のいずれか一つまたは複数を含む。

0062

例えば、電圧調整回路141において、交流電圧を直流電圧へ変換する場合、電圧調整
路141に整流回路を設ければよい。電圧調整回路141において、直流電圧を交流電圧
へ変換する場合、電圧調整回路141にDCACインバーター回路を設ければよい。電圧
調整回路141において、電圧の大きさを変える場合、電圧調整回路141に昇圧型コン
バータまたは降圧型コンバータを設ければよい。電圧調整回路141において、電圧の大
きさを平滑化する場合、平滑回路を電圧調整回路141に設ければよい。

0063

例えば、電圧調整回路141に商用電源901より交流電圧が供給される場合、電圧調整
回路141は、整流回路により交流電圧を直流電圧に変換し、平滑回路により直流電圧の
大きさが一定となるように平滑化し、降圧型コンバータにより、必要とされる電圧に降圧
すれば良い。

0064

なお、電圧調整回路141は、電圧の調整を行う機能の他に、電圧調整回路141の入力
側と出力側絶縁分離する機能を有しても良い。例えば、トランスを用いることで、電圧
調整回路141の入力側と出力側を絶縁分離する機能を付与することができる。

0065

また、パワースイッチ161、及びパワースイッチ162をオフ状態とし、パワースイッ
チ163、及びパワースイッチ164をオン状態とすることで、蓄電装置126以外の電
源から得られた電力を、蓄電装置126に充電することができる。

0066

本実施の形態では、パワースイッチ151乃至パワースイッチ158、及びパワースイッ
チ161乃至パワースイッチ164として、耐電圧性が高いトランジスタを用いる。具体
的には、上記トランジスタは、バンドギャップが単結晶シリコンより広い半導体を活性層
に用いることが好ましい。例えば、バンドギャップが、1.1eVより大きく、好ましく
は2.5eV以上4eV以下、より好ましくは3eV以上3.8eV以下の半導体を活性
層に用いればよい。バンドギャップが単結晶シリコンより広い半導体の一例として、酸化
物半導体、窒化ガリウム炭化珪素などを挙げることができる。このような材料を活性層
に用いることで、ソースとドレイン間の電圧を100V以上、好ましくは200V以上、
より好ましくは500V以上としても絶縁破壊に至らない耐電圧性の高いトランジスタを
実現することが可能となる。

0067

特に、酸化物半導体を活性層に用いた電界効果トランジスタは、酸化物半導体は耐電圧性
が高いだけでなく、オン状態(導通状態)時の、ソースとドレイン間の抵抗(オン抵抗)
が小さい。よって、トランジスタのオン抵抗に起因する電力損失を小さく抑えることがで
きる。

0068

また、炭化珪素や窒化ガリウムなどを用いる場合、耐電圧性の高さとオン抵抗の低さを兼
ね備えた電界効果トランジスタを作製することが難しい。よって、例えば炭化珪素を用い
て4kV以上の耐電圧性を有するスイッチを形成する場合は、バイポーラトランジスタ
用いられる。しかし、バイポーラトランジスタは電界効果トランジスタよりも、オンとオ
フ(非導通状態)の切り換えであるスイッチングが遅いため、オンからオフ、或いはオフ
からオンへの過渡状態にある期間が長く、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑え
ることが難しい。しかし、酸化物半導体を用いる場合、耐電圧性の高さとオン抵抗の低さ
を兼ね備えた電界効果トランジスタを比較的容易に作製することができる。よって、酸化
物半導体を活性層に用いた電界効果トランジスタを、パワースイッチ151及びパワース
イッチ152に用いることで、パワースイッチ151及びパワースイッチ152のスイッ
チング高速にすることができ、それにより、スイッチングに起因する電力損失を小さく
抑えることができる。

0069

図3(B)は、図3(A)に示したパワースイッチ151、パワースイッチ152、パワ
ースイッチ153、パワースイッチ154、パワースイッチ155、パワースイッチ15
6、パワースイッチ157、パワースイッチ158、パワースイッチ161、パワースイ
ッチ162、パワースイッチ163、及びパワースイッチ164を、酸化物半導体を活性
層に用いる耐電圧性の高いトランジスタ151T、トランジスタ152T、トランジスタ
153T、トランジスタ154T、トランジスタ155T、トランジスタ156T、トラ
ンジスタ157T、トランジスタ158T、トランジスタ161T、トランジスタ162
T、トランジスタ163T、及びトランジスタ164Tで形成した構成例を示している。
また、トランジスタ151T乃至トランジスタ158T、及びトランジスタ161T乃至
トランジスタ164Tのゲートは、電源スイッチ制御回路142に接続される。

0070

なお、単結晶シリコンのバンドギャップは1.1eV程度であり、ドナーアクセプタ
よるキャリアが全く存在しない状態(真性半導体)であっても、熱励起キャリアの濃度は
1×1011cm−3程度である。それに対して、例えば、In−Ga−Zn系酸化物
導体のバンドギャップは、3.2eV程度であり、熱励起キャリア密度は1×10−7c
m−3程度となる。トランジスタのオフ抵抗(トランジスタがオフ状態の時における、ソ
ースとドレイン間の抵抗をいう。)は、チャネル形成領域における熱励起キャリアの濃度
反比例するので、In−Ga−Zn系酸化物半導体のオフ時の抵抗率は、単結晶シリコ
ンと比較して18桁も大きいことになる。

0071

このようなバンドギャップが広い半導体をトランジスタに用いることにより、例えば、室
温(25℃)でのオフ電流(ここでは、単位チャネル幅(1μm)あたりの値)は100
zA(zepto Ampere)以下、より好ましくは10zA以下となる。さらには
数yA(yocto Ampere)にまで低減することが可能となる。

0072

よって、活性層に酸化物半導体を適用したトランジスタ151T乃至トランジスタ158
T、及びトランジスタ161T乃至トランジスタ164Tは、オフ電流により電力が供給
されることを防ぐことが可能となる。

0073

なお、本実施の形態では、パワースイッチ151乃至パワースイッチ158、及びパワー
スイッチ161乃至パワースイッチ164が、それぞれ一つのトランジスタで構成されて
いる場合を例示しているが、本発明はこの構成に限定されない。パワースイッチ151乃
至パワースイッチ158、及びパワースイッチ161乃至パワースイッチ164のいずれ
かまたは全てを、複数のトランジスタにより構成しても良い。

0074

次に、図4を用いて電気機器200の構成例を説明する。電気機器200は、少なくとも
インターフェイス212、電力供給回路250を有する。また、電気機器200を構成す
る他の回路を負荷211として示す。図4では、負荷211の一例としてMCU231を
例示している。また、電力供給回路250は、パワースイッチ251、パワースイッチ2
52、電圧調整回路253、及び電源スイッチ制御回路254を有する。

0075

図4(A)において、配線261及び配線262は、電源選択装置125に接続され(図
4に図示せず。)、電源選択装置125を介して電力が供給される。例えば、配線261
に第1電位が供給され、配線262に第2電位が供給される。なお、配線261及び配線
262は、電源選択装置125を介さずに、商用電源901、光発電装置902、振動発
電装置903、熱発電装置904、または蓄電装置126などの電源と直接接続してもよ
い。

0076

商用電源以外の電源を用いることで、エネルギーコストを低減することができる。

0077

そして、配線261に供給された第1電位がパワースイッチ251を介して電圧調整回路
253に供給され、配線262に供給された第2電位がパワースイッチ252を介して電
圧調整回路253に供給される。パワースイッチ251は電圧調整回路253に第1電位
の入力を制御する機能を有し、パワースイッチ252は電圧調整回路253に第2電位の
入力を制御する機能を有する。また、パワースイッチ251及びパワースイッチ252の
オン状態とオフ状態は、電源スイッチ制御回路254により制御される。

0078

また、パワースイッチ251は、配線261と電圧調整回路253の間、もしくは電圧調
整回路253と負荷211の間の、一方または両方に設けることができる。また、パワー
スイッチ252は、配線262と電圧調整回路253の間、もしくは、電圧調整回路25
3と負荷211の間の一方または両方に設けることができる。

0079

また、パワースイッチ251又はパワースイッチ252の一方を省略してもよい。また、
第1電位又は第2電位の一方を接地電位としてもよい。

0080

電圧調整回路253は、電圧調整回路141と同様の機能を有する。電圧調整回路253
において調整された電圧は、負荷211に供給される。

0081

電源スイッチ制御回路254、負荷211はインターフェイス212に接続されている。
また、インターフェイス212は集中管理装置120が有するインターフェイス123と
接続する(図4に図示せず)。すなわち、電気機器200と集中管理装置120は、イン
ターフェイス212及びインターフェイス123を介して接続される。

0082

電気機器200は、電気機器200の稼動情報を集中管理装置120に送信することがで
きる。また、集中管理装置120は、電気機器200に制御信号を送信することで、電気
機器200を遠隔操作することができる。例えば、集中管理装置120の制御信号に基づ
きパワースイッチ251及びパワースイッチ252のオン状態オフ状態を制御することが
できる。

0083

本発明の一態様では、パワースイッチ251及びパワースイッチ252として、耐電圧性
が高いトランジスタを用いる。具体的には、上述したパワースイッチ151乃至パワース
イッチ158、及びパワースイッチ161乃至パワースイッチ164と同様に、バンド
ャップが単結晶シリコンより広い半導体を活性層に用いることが好ましい。このような材
料を活性層に用いることで、ソースとドレイン間の電圧を100V以上、好ましくは20
0V以上、より好ましくは500V以上としても絶縁破壊に至らない耐電圧性の高いトラ
ンジスタを実現することが可能となる。

0084

特に、酸化物半導体を活性層に用いた電界効果トランジスタは、酸化物半導体は耐電圧性
が高いだけでなく、オン(導通状態)の時の抵抗(オン抵抗)が小さい。よって、トラン
ジスタのオン抵抗に起因する電力損失を小さく抑えることができる。また、酸化物半導体
を活性層に用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さい。よって、電気機器の非動作
時の消費電力を低減することが可能となる。

0085

また、酸化物半導体を活性層に用いたトランジスタは、電力供給用のスイッチに限らず、
他のスイッチとして用いることも可能である。よって、電気機器の動作時においても消費
電力を低減することが可能となる。

0086

図4(B)は、図4(A)に示したパワースイッチ251及びパワースイッチ252を、
酸化物半導体を活性層に用いる耐電圧性の高いトランジスタ251T及びトランジスタ2
52Tで形成した構成例を示している。また、トランジスタ251T及びトランジスタ2
52Tのゲートは、電源スイッチ制御回路254に接続される。

0087

次に、図5及び図6を用いてセンサ機器610の構成例を説明する。センサ機器610は
、少なくともインターフェイス612、電力供給回路640、MCU631、検出部62
1を有する。また、電力供給回路640は、パワースイッチ651、パワースイッチ65
2、電圧調整回路641、及び電源スイッチ制御回路642を有する。また、検出部62
1は、センサ622、増幅回路623、ADコンバータ624を有する。

0088

インターフェイス612、電力供給回路640、配線661、配線662は、図4に例示
した電気機器200が有するインターフェイス212、電力供給回路250、配線261
、配線262と同様に機能する。

0089

また、パワースイッチ651、及びパワースイッチ652は、前述した耐電圧性が高いト
ランジスタを用いる。具体的には、上記トランジスタは、バンドギャップが単結晶シリコ
ンより広い半導体を活性層に用いることが好ましい。

0090

また、センサ機器610が有する負荷611は、検出部621とMCU631を有する。
検出部621は、センサ622、増幅回路623、ADコンバータ624を有する。セン
サ622は、検出した信号の強度に応じた電圧を出力する。センサ622が出力した電圧
は増幅回路623に入力され、増幅回路623は入力された電圧を増幅して出力する。増
幅回路623から出力された電圧は、ADコンバータ624に入力される。ADコンバ
タ624は、入力された電圧をデジタル信号へ変換し、MCU631に送信する。

0091

センサ622にはさまざまなセンサを用いることができる。例えば、センサ622として
温度センサ、光センサ、ガスセンサ炎センサ煙センサ湿度センサ圧力センサ
流量センサ、振動センサ、音声センサ磁気センサ放射線センサ匂いセンサ花粉
ンサ、加速度センサ傾斜角センサジャイロセンサ方位センサ電力センサなどを用
いることができる。

0092

例えば、センサ622として、温度センサを用いる場合は、サーミスタ(温度によって抵
抗値の変化する抵抗体)やIC化温度センサ(NPNトランジスタベースエミッタ
電圧の温度特性を利用)を用いることが可能である。また、温度特性の異なる2種類以
半導体素子を用いて温度センサを形成することもできる。

0093

また、センサ622として、光センサを用いる場合は、フォトダイオードフォトトラン
ジスタを用いることが可能である。

0094

また、センサ622として、ガスセンサを用いる場合は、酸化スズなどの金属酸化物半導
体にガス吸着することによる抵抗の変化を検出する半導体式ガスセンサ接触燃焼式
スセンサ、固体電解質式ガスセンサなどを用いることが可能である。

0095

また、センサ622として、炎センサを用いる場合は、炎に特有赤外線を検出する赤外
検出方式や、炎に特有の紫外線を検出する紫外線検出方式の炎センサを用いることが可
能である。

0096

また、センサ622として、近接センサを用いることもできる。近接センサを用いること
で、検出対象の有無を検出対象に接触することなく検出することができる。センサ622
として、近接センサを用いる場合は、高周波発振型近接センサ静電容量型近接センサ
磁気型近接センサなどを用いることができる。

0097

また、センサ622に用いるセンサによっては、図5(B)のように増幅回路623やA
コンバータ624を省略することもできる。特に、センサ622として、近接センサを
用いる場合は、増幅回路623やADコンバータ624を省略しやすい。増幅回路623
及びADコンバータ624の一方または両方を省略することで、センサ機器610の小型
化、低消費電力化、低コスト化が可能となる。

0098

図6に、センサ機器610にワイヤレス給電により電力供給を行う場合の構成例を示す。
図6に示すセンサ機器610は、少なくとも電力供給回路640、蓄電装置614、電圧
検出回路616、インターフェイス612を有する。また、センサ機器610を構成する
他の回路を負荷211として示す。

0099

電力供給回路640は、受電アンテナ653、容量素子654、電圧調整回路641、電
スイッチ制御回路642、パワースイッチ651、パワースイッチ652を有する。

0100

電力放射回路660から放射される交流電力周波数と、受電アンテナ653のインダク
タンスLと、容量素子654のコンダクタンスCの組み合わせにより決定される共振周波
数を一致させることで、ファラデー電磁誘導の法則により受電アンテナ653に誘導
電力を生じさせることができる。これにより、電力放射回路660から電力供給回路64
0へのワイヤレス給電を実現できる。

0101

電力放射回路660から放射される交流電力の周波数は、特定の周波数に限定されず、例
えばサブミリ波である300GHz〜3THz、ミリ波である30GHz〜300GHz
マイクロ波である3GHz〜30GHz、極超短波である300MHz〜3GHz、超
短波である30MHz〜300MHz、短波である3MHz〜30MHz、中波である3
00kHz〜3MHz、長波である30kHz〜300kHz、及び超長波である3kH
z〜30kHzのいずれかを用いることができる。

0102

電力放射回路660から放射された電力は、電圧調整回路641、パワースイッチ651
、パワースイッチ652を介して蓄電装置614に充電される。蓄電装置614の充電状
況は電圧検出回路616により検出される。電圧検出回路616と電源スイッチ制御回路
642は接続されている。電圧検出回路616は、蓄電装置614が過充電とならないよ
うに、電源スイッチ制御回路642を介してパワースイッチ651及びパワースイッチ6
52のオン状態とオフ状態を制御する。電圧検出回路616とインターフェイス612は
接続されている。蓄電装置614は、負荷611、電圧検出回路616、インターフェイ
ス612などの、センサ機器を構成する回路に電力を供給する。また、センサ機器610
は、インターフェイス612を介して集中管理装置120と情報を送受信することができ
る。

0103

また、図6を用いて説明した構成を、電気機器200や出力手段500に適用し、電気機
器200や出力手段500にワイヤレス給電により電力供給を行うことも可能である。

0104

また、ワイヤレス給電は、上述の電磁誘導現象を利用した電磁誘導方式だけでなく、電界
結合方式や、共鳴方式で行うことも可能である。特に共鳴方式による給電では、電力放射
回路660と、電気機器200またはセンサ機器610が近接していなくても電力を供給
することが可能となる。

0105

また、電気機器200、センサ機器610、または出力手段500に、上述した光発電
置902、振動発電装置903、熱発電装置904の少なくともいずれかを付加してもよ
い。

0106

図7に、センサ機器610に光発電装置902として太陽電池643を設ける構成例を示
す。太陽電池643から得られた電力は、逆流防止ダイオード644、パワースイッチ6
51、パワースイッチ652を介して蓄電装置614に充電される。逆流防止ダイオード
644は、太陽電池643の発電量が低下した時に、蓄電装置614から太陽電池643
へ電力が供給されることを防ぐ機能を有する。なお、センサ機器610を主に屋内で用い
る場合、屋内光でも十分発電が可能な光感度の高い太陽電池643を用いることが好まし
い。

0107

また、図8は、図7に示した太陽電池643を有するセンサ機器610に、電圧調整回路
641を付加する構成例を示している。具体的には、電圧調整回路641を太陽電池64
3と蓄電装置614の間に設ける。電圧調整回路641により、蓄電装置614に供給す
る電圧や電流の大きさを変化させることができる。

0108

電気機器200、センサ機器610、または出力手段500に電力供給源を付加すること
で、電源を供給するための電気工事をする必要がなくなり、設置場所の変更も容易となる

また、電気機器200、センサ機器610、または出力手段500のうち、蓄電池により
動作させている機器に電力供給源を付加することで、蓄電池の入れ替えを不要とすること
ができる。なお、特に火災報知機においては、家屋内のすべての部屋、廊下階段などに
設置することが好ましい。また、設置工事のための費用を削減することができる。

0109

また、検出部621に用いることができる回路構成の一例として、センサ622に光セン
サを用いた検出回路360を図9に例示する。図9に例示する検出回路360は、フォト
ダイオード361、リセットトランジスタ362、アンプトランジスタ363、バイアス
用トランジスタ364、抵抗素子365から構成される。

0110

フォトダイオード361のカソードは、高電源電位VDD(単に「VDD」とも呼ぶ。)
が供給されるVDD端子371に接続される。フォトダイオード361のアノードは、ノ
ードFDに接続される。リセットトランジスタ362のソースは、ノードFDに接続され
、ドレインは、低電源電位VSS(単に「VSS」とも呼ぶ。)が供給されるVSS端子
374へ接続され、ゲートは、リセット信号端子375と接続される。アンプトランジス
タ363のソースは、出力信号端子373に接続され、ドレインはVSS端子374へ接
続され、ゲートは、ノードFDに接続される。バイアス用トランジスタ364のソースは
、VDD端子371に接続され、ドレインは、出力信号端子373に接続され、ゲートは
、外部のバイアス電源端子372に接続される。抵抗素子365の一方の端子は、リセッ
信号端子375およびリセットトランジスタ362のゲートに接続され、もう他方の端
子はVSS端子374へ接続される。抵抗素子365は、リセットトランジスタ362が
オフ状態のときに、リセットトランジスタ362のゲートの電位を安定に保つ機能を有す
る(プルダウン抵抗)。また、回路構成によっては、リセットトランジスタ362にp型
のトランジスタを用いる場合がある。この場合、抵抗素子365の他方の端子はVDD端
子371に接続される(プルアップ抵抗)。

0111

なお、VDDは高電位側の電源電位であり、VSSは低電位側の電源電位である。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。

0112

検出回路360中のフォトダイオード361がセンサ622に相当し、アンプトランジス
タ363が増幅回路623に相当する。検出回路360では、ADコンバータ624に相
当する部分が省略されている。

0113

リセット信号端子375及び出力信号端子373は、MCU631に接続される。リセッ
ト信号端子375は、MCU631からリセット信号が入力される。出力信号端子373
は、検出回路360の検出結果をMCU631に出力する。出力信号端子373とMCU
631の間に、ADコンバータなどの回路を設けてもよい。

0114

上記接続により、MCU631が、検出回路360の動作を制御し、検出回路360の検
出結果を受け取ることができる。

0115

続いて、MCU122、MCU231、及びMCU631に適用可能なMCU700の構
成例について、図10乃至図13を用いて説明する。図10は、MCU700のブロック
図である。

0116

MCU700は、CPU710、バスブリッジ711、RAM(Random Acce
ss Memory)712、メモリインターフェイス713、コントローラ720、割
り込みコントローラ721、I/Oインターフェイス(入出力インターフェイス)722
、及びパワーゲートユニット730を有する。

0117

MCU700は、更に、水晶発振回路741、タイマー回路745、I/Oインターフェ
イス746、I/Oポート750、コンパレータ751、I/Oインターフェイス752
バスライン761、バスライン762、バスライン763、及びデータバスライン76
4を有する。更に、MCU700は、外部装置との接続部として少なくとも接続端子77
0乃至接続端子776を有する。なお、各接続端子770乃至接続端子776は、1つの
端子または複数の端子でなる端子群を表す。また、水晶振動子743を有する発振子74
2が、接続端子772、及び接続端子773を介してMCU700に接続されている。

0118

CPU710はレジスタ785を有し、バスブリッジ711を介してバスライン761乃
至バスライン763、及びデータバスライン764に接続されている。

0119

RAM712は、CPU710のメインメモリとして機能する記憶装置であり、不揮発性
ランダムアクセスメモリが用いられる。RAM712は、CPU710が実行する命令
、命令の実行に必要なデータ、及びCPU710の処理によるデータを記憶する装置であ
る。CPU710の命令により、RAM712へのデータの書き込み、読み出しが行われ
る。

0120

MCU700では、低消費電力モードでは、RAM712の電力供給が遮断される。その
ため、RAM712は電源が供給されていない状態でもデータを保持できる不揮発性のメ
モリで構成する。

0121

メモリインターフェイス713は、外部記憶装置との入出力インターフェイスである。C
PU710の命令により、メモリインターフェイス713を介して、接続端子776に接
続される外部記憶装置へのデータの書き込み及び読み出しが行われる。

0122

クロック生成回路715は、CPU710で使用されるクロック信号MCLK(以下、単
に「MCLK」とも呼ぶ。)を生成する回路であり、RC発振器等を有する。MCLKは
コントローラ720及び割り込みコントローラ721にも出力される。

0123

コントローラ720はMCU700全体の制御処理を行う回路であり、例えば、バス及び
メモリマップなどの制御、MCU700の電源制御、クロック生成回路715、水晶発振
回路741の制御等を行う。

0124

接続端子770は、外部の割り込み信号入力用の端子であり、接続端子770を介してマ
スク不可能な割り込み信号NMIがコントローラ720に入力される。コントローラ72
0にマスク不可能な割り込み信号NMIが入力されると、コントローラ720は直ちにC
PU710にマスク不可能な割り込み信号NMIを出力し、CPU710に割り込み処理
を実行させる。

0125

また、割り込み信号INTが、接続端子770を介して割り込みコントローラ721に入
力される。割り込みコントローラ721には、周辺回路(745、750、751)から
の割り込み信号(T0IRQ、P0IRQ、C0IRQ)も、バス(761乃至764)
を経由せずに入力される。

0126

割り込みコントローラ721は割り込み要求優先順位割り当てる機能を有する。割り
込みコントローラ721は割り込み信号を検出すると、その割り込み要求が有効であるか
否かを判定する。有効な割り込み要求であれば、コントローラ720に割り込み信号IN
Tを出力する。

0127

また、割り込みコントローラ721はI/Oインターフェイス722を介して、バスライ
ン761及びデータバスライン764に接続されている。

0128

コントローラ720は、割り込み信号INTが入力されると、CPU710に割り込み信
号INTを出力し、CPU710に割り込み処理を実行させる。

0129

また、割り込み信号T0IRQが割り込みコントローラ721を介さず直接コントローラ
720に入力される場合がある。コントローラ720は、割り込み信号T0IRQが入力
されると、CPU710にマスク不可能な割り込み信号NMIを出力し、CPU710に
割り込み処理を実行させる。

0130

コントローラ720のレジスタ780は、コントローラ720内に設けられ、割り込みコ
トローラ721のレジスタ786は、I/Oインターフェイス722に設けられている

0131

続いて、MCU700が有する周辺回路を説明する。MCU700は、周辺回路として、
タイマー回路745、I/Oポート750及びコンパレータ751を有する。これらの周
辺回路は一例であり、MCU700が使用される電子機器に応じて、必要な回路を設ける
ことができる。

0132

タイマー回路745は、クロック生成回路740から出力されるクロック信号TCLK(
以下、単に「TCLK」とも呼ぶ。)を用いて、時間を計測する機能を有する。また、ク
ロック生成回路715は、決められた時間間隔で、割り込み信号T0IRQを、コントロ
ーラ720及び割り込みコントローラ721に出力する。タイマー回路745は、I/O
インターフェイス746を介して、バスライン761及びデータバスライン764に接続
されている。

0133

TCLKはMCLKよりも低い周波数のクロック信号である。例えば、MCLKの周波数
を数MHz程度(例えば、8MHz)とし、TCLKは、数十kHz程度(例えば、32
kHz)とする。クロック生成回路740は、MCU700に内蔵された水晶発振回路7
41と、接続端子772及び接続端子773に接続された発振子742を有する。発振子
742の振動子として、水晶振動子743が用いられている。なお、CR発振器等でクロ
ック生成回路740を構成することで、クロック生成回路740の全てのモジュールをM
CU700に内蔵することが可能である。

0134

I/Oポート750は、接続端子774を介して接続された外部機器と情報の入出力を行
うためのインターフェイスであり、デジタル信号の入出力インターフェイスである。I/
Oポート750は、入力されたデジタル信号に応じて、割り込み信号P0IRQを割り込
みコントローラ721に出力する。

0135

接続端子775から入力されるアナログ信号を処理する周辺回路として、コンパレータ7
51が設けられている。コンパレータ751は、接続端子775から入力されるアナログ
信号の電位(または電流)と基準信号の電位(または電流)との大小を比較し、値が0又
は1のデジタル信号を発生する。さらに、コンパレータ751は、このデジタル信号の値
が1のとき、割り込み信号C0IRQを発生する。割り込み信号C0IRQは割り込みコ
ントローラ721に出力される。

0136

I/Oポート750及びコンパレータ751は共通のI/Oインターフェイス752を介
してバスライン761及びデータバスライン764に接続されている。ここでは、I/O
ポート750、コンパレータ751各々のI/Oインターフェイスに共有できる回路があ
るため、1つのI/Oインターフェイス752で構成しているが、もちろんI/Oポート
750、コンパレータ751のI/Oインターフェイスを別々に設けることもできる。

0137

また、周辺回路のレジスタは、対応する入出力インターフェイスに設けられている。タイ
マー回路745のレジスタ787はI/Oインターフェイス746に設けられ、I/Oポ
ート750のレジスタ783及びコンパレータ751のレジスタ784は、それぞれ、I
/Oインターフェイス752に設けられている。

0138

MCU700は内部回路への電力供給を遮断するためのパワーゲートユニット730を有
する。パワーゲートユニット730により、動作に必要な回路のみに電力供給を行うこと
で、MCU700全体の消費電力を下げることができる。

0139

図10に示すように、MCU700内の破線で囲んだユニット701、ユニット702、
ユニット703、ユニット704の回路は、パワーゲートユニット730を介して、接続
端子771に接続されている。接続端子771は、高電源電位VDD(以下、単に「VD
D」とも呼ぶ。)供給用の電源端子である。

0140

本実施の形態では、ユニット701は、タイマー回路745、及びI/Oインターフェイ
ス746を含み、ユニット702は、I/Oポート750、コンパレータ751、及びI
/Oインターフェイス752を含み、ユニット703は、割り込みコントローラ721、
及びI/Oインターフェイス722を含み、ユニット704は、CPU710、RAM7
12、バスブリッジ711、及びメモリインターフェイス713を含む。

0141

パワーゲートユニット730は、コントローラ720により制御される。パワーゲートユ
ニット730は、ユニット701乃至704へのVDDの供給を遮断するためのスイッチ
回路731及びスイッチ回路732を有する。

0142

スイッチ回路731、スイッチ回路732のオン/オフはコントローラ720により制御
される。具体的には、コントローラ720は、CPU710の要求によりパワーゲートユ
ニット730が有するスイッチ回路の一部または全部をオフ状態とする信号を出力する(
電力供給の停止)。また、コントローラ720は、マスク不可能な割り込み信号NMI、
またはタイマー回路745からの割り込み信号T0IRQをトリガーにして、パワーゲー
トユニット730が有するスイッチ回路をオン状態とする信号を出力する(電力供給の開
始)。

0143

なお、図10では、パワーゲートユニット730に、2つのスイッチ回路(スイッチ回路
731、スイッチ回路732)を設ける構成を示しているが、これに限定されず、電源遮
断に必要な数のスイッチ回路を設ければよい。

0144

また、本実施の形態では、ユニット701に対する電力供給を独立して制御できるように
スイッチ回路731を設け、ユニット702乃至704に対する電力供給を独立して制御
できるようにスイッチ回路732を設けているが、このような電力供給経路に限定される
ものではない。例えば、スイッチ回路732とは別のスイッチ回路を設けて、RAM71
2の電力供給を独立して制御できるようにしてもよい。また、1つの回路に対して、複数
のスイッチ回路を設けてもよい。

0145

また、コントローラ720には、パワーゲートユニット730を介さず、常時、接続端子
771からVDDが供給される。また、ノイズの影響を少なくするため、クロック生成
路715の発振回路、水晶発振回路741には、それぞれ、VDDの電源回路と異なる外
部の電源回路から電源電位が供給される。

0146

表1に、各ブロックの役割をまとめた表を示す。

0147

0148

コントローラ720及びパワーゲートユニット730等を備えることにより、MCU70
0を3種類の動作モードで動作させることが可能である。第1の動作モードは、通常動作
モードであり、MCU700の全ての回路がアクティブな状態である。ここでは、第1の
動作モードを「Activeモード」と呼ぶ。

0149

第2、及び第3の動作モードは低消費電力モードであり、一部の回路をアクティブにする
モードである。第2の動作モードでは、コントローラ720、並びにタイマー回路745
とその関連回路(水晶発振回路741、I/Oインターフェイス746)がアクティブで
ある。第3の動作モードでは、コントローラ720のみがアクティブである。ここでは、
第2の動作モードを「Noff1モード」と呼び、第3の動作モードを「Noff2モー
ド」と呼ぶことにする。

0150

以下、表2に、各動作モードとアクティブな回路との関係を示す。表2では、アクティブ
にする回路に「ON」と記載している。表1に示すように、Noff1モードでは、コン
トローラ720と周辺回路の一部(タイマー動作に必要な回路)が動作し、Noff2モ
ードでは、コントローラ720のみが動作している。

0151

0152

なお、クロック生成回路715の発振器、及び水晶発振回路741は、動作モードに関わ
らず、電源が常時供給される。クロック生成回路715及び水晶発振回路741を非アク
ティブにするには、コントローラ720からまたは外部からイネーブル信号を入力し、ク
ロック生成回路715及び水晶発振回路741の発振を停止させることにより行われる。

0153

また、Noff1、Noff2モードでは、パワーゲートユニット730により電力供給
が遮断されるため、I/Oポート750、I/Oインターフェイス752は非Activ
eになるが、接続端子774に接続されている外部機器を正常に動作させるために、I/
Oポート750、I/Oインターフェイス752の一部には電力が供給される。具体的に
は、I/Oポート750の出力バッファ、I/Oポート750用のレジスタ786である
。Noff1、Noff2モードでは、I/Oポート750での実質的な機能である、I
/Oインターフェイス752及び外部機器とのデータの伝送機能、割り込み信号生成機能
は停止している。また、I/Oインターフェイス752も同様に、通信機能は停止してい
る。

0154

なお、本明細書では、回路が非アクティブとは、電力の供給が遮断されて回路が停止して
いる状態の他、Activeモード(通常動作モード)での主要な機能が停止している状
態や、Activeモードよりも省電力で動作している状態を含む。

0155

また、MCU700では、Noff1、Noff2モードから、Activeモードへの
復帰を高速化するため、レジスタ784乃至レジスタ787は、電源遮断時にデータを退
避させるバックアップ保持部を更に有する。別言すると、レジスタ784乃至レジスタ7
87は、揮発性データ保持部(単に、「揮発性記憶部」とも言う)と、不揮発性のデー
タ保持部(単に、「不揮発性記憶部」とも言う)を有する。Activeモード中、レジ
スタ784乃至レジスタ787は、揮発性記憶部にアクセスして、データの書き込み、読
み出しが行われる。

0156

なお、コントローラ720には常に電力が供給されているため、コントローラ720のレ
ジスタ780には、不揮発性記憶部は設けられていない。また、上述したように、Nof
f1/Noff2モードでも、I/Oポート750には出力バッファを機能させるためレ
ジスタ783を動作させている。よって、レジスタ783には常に電力が供給されている
ため、不揮発性記憶部が設けられていない。

0157

また、揮発性記憶部は一つまたは複数の揮発性記憶素子を有し、不揮発性記憶部は一つま
たは複数の不揮発性記憶素子を有する。なお、揮発性記憶素子は、不揮発性記憶素子より
もアクセス速度が速いものとする。

0158

上記揮発性記憶素子を構成するトランジスタに用いる半導体材料は特に限定されないが、
後述する不揮発性記憶素子を構成するトランジスタに用いる半導体材料とは、異なる禁制
帯幅を持つ材料とすることが好ましい。このような半導体材料としては、例えば、シリコ
ン、ゲルマニウムシリコンゲルマニウム、またはガリウムヒ素等を用いることができ、
単結晶半導体を用いることが好ましい。データの処理速度を向上させるという観点からは
、例えば、単結晶シリコンを用いたトランジスタなど、スイッチング速度の高いトランジ
スタを適用するのが好適である。

0159

不揮発性記憶素子は、揮発性記憶素子のデータに対応する電荷が保持されたノードと電気
的に接続されており、電源が遮断されている間に揮発性記憶素子のデータを退避させるた
めに用いる。よって、不揮発性記憶素子は、少なくとも電力が供給されていないときの上
記揮発性記憶素子よりデータの保持時間が長いものとする。

0160

ActiveモードからNoff1、Noff2モードへ移行する際は、電源遮断に先立
って、レジスタ784乃至787の揮発性記憶部のデータは不揮発性記憶部に書き込まれ
、揮発性記憶部のデータを初期値リセットし、電源が遮断される。

0161

Noff1、またはNoff2モードからActiveモードへ復帰する場合、レジスタ
784乃至787に電力供給が再開されると、まず揮発性記憶部のデータが初期値にリセ
ットされる。そして、不揮発性記憶部のデータが揮発性記憶部に書き込まれる。

0162

従って、低消費電力モードでも、MCU700の処理に必要なデータがレジスタ784乃
至787で保持されているため、MCU700を低消費電力モードからActiveモー
ドへ直ちに復帰させることが可能になる。

0163

図11に、シリコン基板を用いて作製したMCU790の光学式顕微鏡写真を示す。MC
U790は、外形寸法が縦11.0mm、横12.0mmであり、図10を用いて説明し
たMCU700と同等の回路ブロックの構成及び機能を有する。なお、図11では、上記
回路ブロックに対応する符号の一部を付記している。

0164

ここで、図11に示したMCU790を動作させて、Activeモードから、電力供給
が遮断されるNoff2モードへ替わっても、レジスタ785内のデータが保持されるこ
とを確認した結果について、図12及び図13のタイミングチャートを用いて説明してお
く。

0165

データ保持の確認は、Activeモード時にレジスタ785の揮発性記憶部にあるHL
レジスタにデータを記憶し、電力供給が停止されるNoff2モードを経て再びActi
veモードに復帰した後に、HLレジスタのデータを読み出すことで行った。

0166

図12及び図13は、テクトロニクス社製パターンジェネレータTLA7PG2により生
成した信号をMCU790に入力し、MCU790の入出力端子に生じる信号を同社製
ジックアナライザーTLA7AA2により測定した結果を示している。

0167

図12及び図13に示す「ADDR」、「DATA」、「CPU_VDD」、「MREQ
_B」、「RD_B」、「WR_B」、及び「NMI_B」は、上記ロジックアナライザ
ーにより測定した入出力端子の名称である。

0168

「ADDR」端子からは、CPUが計数しているステップ数処理数に応じて順次変化す
る値)、またはCPUがアクセスするアドレスを検出することができる。また、「DAT
A」端子からは、MCU790内のCPU710が実行する命令コードや、MCU790
が入出力するデータを検出することができる。また、「CPU_VDD」端子からは、C
PUに供給されるVDDの電位を検出することができる。また、「MREQ_B」端子か
らは、外部メモリへのアクセス可否を決定する信号を検出することができ、「MREQ_
B」端子がLow電位の時に外部メモリへのアクセスが許可され、「MREQ_B」端子
がHigh電位の時に外部メモリへのアクセスが拒絶される。また、「MREQ_B」端
子がLow電位かつ「RD_B」端子がLow電位の時に外部メモリからのデータの読み
出しが許可され、また、「MREQ_B」端子がLow電位かつ「WR_B」端子がLo
w電位の時に外部メモリへデータの書き込みが許可される。また、「NMI_B」端子か
らは、マスク不可能な割り込み信号を検出することができる。「NMI_B」端子には通
常High電位が供給されているが、「NMI_B」端子にLow電位が供給されると割
り込み処理が実行される。

0169

なお、High電位とは基準電位よりも高い電位であり、Low電位とは基準電位よりも
低い電位である。基準電位が0Vの場合、High電位をプラス電位、Low電位をマイ
ナス電位と言うことができる。また、High電位またはLow電位のどちらか一方を、
基準電位と同電位とすることもできる。

0170

また、図12に示す期間681及び期間685は、MCU790がActiveモードで
動作している期間である。また、期間682は、MCU790がActiveモードから
Noff2モードに移行する前に、各レジスタ内の揮発性記憶部から不揮発性記憶部にデ
ータを移すための退避処理期間である。また、期間683は、MCU790がNoff2
モードで動作している期間である。また、期間684は、MCU790がNoff2モー
ドからActiveモードに復帰する前に、各レジスタ内の不揮発性記憶部から揮発性記
憶部にデータを戻すための復帰処理期間である。

0171

また、期間681の一部を拡大し、期間691として図13(A)に示す。また、期間6
85の一部を拡大し、期間692として図13(B)に示す。

0172

期間681(Activeモード期間)において、レジスタ785の一部であるHLレジ
スタに、データ”AA55”を記憶させる処理を行った(処理696)。処理696中、
「ADDR」端子が”0007”である時に「DATA」端子で検出された”21”が、
HLレジスタにデータを記憶するための命令コードである。また、それに続いて「DAT
A」端子で検出された”55”、”AA”が、HLレジスタに記憶するデータを示してい
る。なお、MCU790は1バイト単位でデータを処理するため、先に下位1バイト分の
”55”が検出され、次に上位1バイト分の”AA”が検出されている(図12及び図1
3(A)参照)。

0173

次に、MCU790をNoff2モードに切り替える信号をMCU790に入力した(図
示せず)。MCU790にNoff2モードに切り替える信号が入力されると、MCU7
90はレジスタ内の揮発性記憶部に記憶されているデータのうち、電力供給の停止後も保
持する必要があるデータを不揮発性記憶部に転送し、不揮発性記憶部に記憶する(期間6
82)。この時、揮発性記憶部であるHLレジスタに記憶したデータ”AA55”も不揮
発性記憶部に転送され、不揮発性記憶部に記憶される。

0174

MCU790は、不揮発性記憶部へのデータの転送及び記憶が終了すると、パワーゲート
ユニット730を動作させ、各回路ブロックへの電力供給を遮断し、Noff2モードと
なる(期間683)。図12中の期間683では、「CPU_VDD」端子への電力供給
が停止していることを示している。

0175

Noff2モードからActiveモードへの復帰は、「NMI_B」端子にLow電位
を供給することで開始される。「NMI_B」端子にLow電位が供給されると、パワー
ゲートユニット730が動作し、各回路ブロックへの電力供給を再開する。続いて、不揮
発性記憶部に記憶されていたデータを揮発性記憶部に転送し、揮発性記憶部に記憶する。
この時、不揮発性記憶部に記憶したデータ”AA55”もHLレジスタに転送され、HL
レジスタに再び記憶される(期間684)。

0176

不揮発性記憶部から揮発性記憶部へのデータ復帰が終了すると、MCU790は復帰した
データを基にActiveモードの動作を再開する(期間685)。

0177

続いて、期間685において、処理697及び処理698を行い、HLレジスタに復帰し
たデータの確認を行った。処理697中、「ADDR」端子が”0023”である時に「
DATA」端子で検出された”22”が、HLレジスタが記憶しているデータを外部メモ
リに転送するための命令コードである。また、それに続いて「DATA」端子で検出され
た”FD”、”7F”が、データの転送先である外部メモリのアドレス”7FFD”を示
している。(図12及び図13(B)参照)。

0178

MCU790は、処理697に続く処理698で、HLレジスタ内のデータを外部メモリ
へ転送する。なお、前述したが、MCU790は1バイト単位でデータを処理する。また
、外部メモリは1つのアドレスに1バイトのデータを記憶する。このため、処理697の
命令を受けたMCU790は、処理698において、まずHLレジスタ内の下位1バイト
分のデータを外部メモリのアドレス”7FFD”に転送し、次に上位1バイト分のデータ
を外部メモリのアドレス”7FFE”に転送する。

0179

図13(B)より、処理698において、MCU790は、まず「ADDR」端子に”7
FFD”を出力し、「DATA」端子にHLレジスタ内の下位1バイト分のデータとして
”55”を出力していることが分かる。この時、「MREQ_B」端子と「WR_B」端
子にLow電位を供給することで、外部メモリのアドレス”7FFD”に”55”が書き
込まれる。

0180

続いて、MCU790は、「ADDR」端子に”7FFE”を出力し、「DATA」端子
にHLレジスタ内の上位1バイト分のデータとして”AA”を出力していることが分かる
。この時、「MREQ_B」端子と「WR_B」端子にLow電位を供給することで、外
メモリのアドレス”7FFE”に”AA”が書き込まれる。

0181

処理697及び処理698における「ADDR」端子及び「DATA」端子の測定結果
ら、期間685においてHLレジスタにデータ”AA55”が記憶されていることがわか
った。よって、MCU790は、Activeモードから、電力供給が遮断されるNof
f2モードへ切り替わっても、レジスタ785内のデータを保持していることが確認でき
た。また、Noff2モードからActiveモードへ復帰した後も、MCU790が正
常に動作することが確認できた。

0182

図14に、レジスタ784乃至レジスタ787に用いることができる、1ビットのデータ
保持可能な、揮発性記憶部と不揮発性記憶部を有する回路構成の一例をレジスタ119
6として示す。

0183

図14に示すレジスタ1196は、揮発性記憶部であるフリップフロップ248と、不揮
発性記憶部233と、セレクタ245を有する。

0184

フリップフロップ248には、リセット信号RST、クロック信号CLK、及びデータ信
号Dが与えられる。フリップフロップ248は、クロック信号CLKに従って入力される
データ信号Dのデータを保持し、データ信号Qとして、データ信号Dに対応して高電位H
、または低電位Lを出力する機能を有する。

0185

不揮発性記憶部233には、書き込み制御信号WE、読み出し制御信号RD、及びデータ
信号Dが与えられる。

0186

不揮発性記憶部233は、書き込み制御信号WEに従って、入力されるデータ信号Dのデ
ータを記憶し、読み出し制御信号RDに従って、記憶されたデータをデータ信号Dとして
出力する機能を有する。

0187

セレクタ245は、読み出し制御信号RDに従って、データ信号Dまたは不揮発性記憶部
233から出力されるデータ信号を選択して、フリップフロップ248に入力する。

0188

また図14に示すように不揮発性記憶部233には、トランジスタ240及び容量素子2
41が設けられている。

0189

トランジスタ240は、nチャネル型トランジスタである。トランジスタ240のソース
またはドレインの一方は、フリップフロップ248の出力端子に接続されている。トラン
ジスタ240は、書き込み制御信号WEに従ってフリップフロップ248から出力される
データ信号の保持を制御する機能を有する。

0190

トランジスタ240としては、オフ電流が極めて小さいトランジスタを用いることが好ま
しい。例えば、トランジスタ240として、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用いることができる。

0191

容量素子241を構成する一対の電極の一方と、トランジスタ240のソースまたはドレ
インの他方は、ノードM1に接続されている。また、容量素子241を構成する一対の電
極の他方にはVSSが与えられる。容量素子241は、記憶するデータ信号Dのデータに
基づく電荷をノードM1に保持する機能を有する。トランジスタ240にオフ電流が極め
て小さいトランジスタを用いることにより、電源電圧の供給が停止してもノードM1の電
荷は保持され、データが保持される。また、トランジスタ240にオフ電流が極めて小さ
いトランジスタを用いることにより、容量素子241を小さく、または省略することがで
きる。

0192

トランジスタ244は、pチャネル型トランジスタである。トランジスタ244のソース
及びドレインの一方にはVDDが与えられる。また、トランジスタ244のゲートには読
み出し制御信号RDが入力される。

0193

トランジスタ243は、nチャネル型トランジスタである。トランジスタ243のソース
及びドレインの一方と、トランジスタ244のソース及びドレインの他方は、ノードM2
に接続されている。また、トランジスタ243のゲートは、トランジスタ244のゲート
に接続し、読み出し制御信号RDが入力される。

0194

トランジスタ242は、nチャネル型トランジスタである。トランジスタ242のソース
及びドレインの一方は、トランジスタ243のソース及びドレインの他方に接続されてお
り、ソース及びドレインの他方には、VSSが与えられる。なお、フリップフロップ24
8が出力する高電位Hはトランジスタ242をオン状態とする電位であり、フリップフロ
ップ248が出力する低電位Lはトランジスタ242をオフ状態とする電位である。

0195

インバーター246の入力端子は、ノードM2接続されている。また、インバーター24
6の出力端子は、セレクタ245の入力端子に接続される。

0196

容量素子247を構成する電極の一方はノードM2接続され、他方にはVSSが与えられ
る。容量素子247は、インバーター246に入力されるデータ信号のデータに基づく電
荷を保持する機能を有する。

0197

以上のような構成を有する図14に示すレジスタ1196は、フリップフロップ248か
ら不揮発性記憶部233へデータの退避を行う際は、書き込み制御信号WEとしてトラン
ジスタ240をオン状態とする信号を入力することにより、フリップフロップ248のデ
ータ信号Qに対応した電荷が、ノードM1に与えられる。その後、書き込み制御信号WE
としてトランジスタ240をオフ状態とする信号を入力することにより、ノードM1に与
えられた電荷が保持される。また、読み出し制御信号RDの電位としてVSSが与えられ
ている間は、トランジスタ243がオフ状態、トランジスタ244がオン状態となり、ノ
ードM2の電位はVDDになる。

0198

不揮発性記憶部233からフリップフロップ248へデータの復帰を行う際は、読み出し
制御信号RDとしてVDDを与える。すると、トランジスタ244がオフ状態、トランジ
スタ243がオン状態となり、ノードM1に保持された電荷に応じた電位がノードM2に
与えられる。ノードM1にデータ信号Qの高電位Hに対応する電荷が保持されている場合
、トランジスタ242はオン状態であり、ノードM2にVSSが与えられ、インバーター
246から出力されたVDDが、セレクタ245を介してフリップフロップ248に入力
される。また、ノードM1にデータ信号Qの低電位Lに対応する電荷が保持されている場
合、トランジスタ242はオフ状態であり、読み出し制御信号RDの電位としてVSSが
与えられていたときのノードM2の電位(VDD)が保持されており、インバーター24
6から出力されたVSSが、セレクタ245を介してフリップフロップ248に入力され
る。

0199

上述のように、レジスタ1196に揮発性記憶部232と不揮発性記憶部233を設ける
ことにより、CPU230への電力供給が遮断される前に、揮発性記憶部232から不揮
発性記憶部233にデータを退避させることができ、CPU230への電力供給が再開さ
れたときに、不揮発性記憶部233から揮発性記憶部232にデータを素早く復帰させる
ことができる。

0200

このようにデータの退避及び復帰を行うことによって、電源遮断が行われるたびに揮発性
記憶部232が初期化された状態からCPU230を起動し直す必要がなくなるので、電
力供給の再開後CPU230は速やかに測定に係る演算処理を開始することができる。

0201

トランジスタ242は、情報の読み出し速度を向上させるという観点から、上述の揮発性
記憶素子に用いたトランジスタと同様のトランジスタを用いることが好ましい。

0202

なお、レジスタ1196では、トランジスタ242のソース及びドレインの他方と容量素
子241の他方の電極ともにVSSが供給されているが、トランジスタ242のソース及
びドレインの他方と容量素子241の他方の電極は、同じ電位としても良いし、異なる電
位としても良い。また、容量素子241は必ずしも設ける必要はなく、例えば、トランジ
スタ242の寄生容量が大きい場合は、当該寄生容量で容量素子241の代替とすること
ができる。

0203

ノードM1は、不揮発性メモリ素子として用いられるフローティングゲート型トランジス
タのフローティングゲートと同等の作用を奏する。しかしながら、トランジスタ240の
オンオフ動作により直接的にデータの書き換えを行うことができるので、高電圧を用いて
フローティングゲート内への電荷の注入、及びフローティングゲートからの電荷の引き抜
きが不要である。つまり、不揮発性記憶部233では、従来のフローティングゲート型ト
ランジスタにおいて書き込みや消去の際に必要であった高電圧が不要である。よって、本
実施の形態に記載の不揮発性記憶部233を用いることにより、データの退避の際に必要
な消費電力の低減を図ることができる。

0204

また同様の理由により、データの書き込み動作消去動作に起因する動作速度の低下を抑
制することができるので、不揮発性記憶部233の動作の高速化が実現される。また同様
の理由により、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて指摘されているゲー
絶縁膜トンネル絶縁膜)の劣化という問題が存在しない。つまり、本実施の形態に記
載の不揮発性記憶部233は、従来のフローティングゲート型トランジスタと異なり、原
理的な書き込み回数の制限が存在しないことを意味する。以上により、不揮発性記憶部2
33は、レジスタなどの多くの書き換え回数高速動作を要求される記憶装置としても十
分に用いることができる。

0205

なお、上記において不揮発性記憶部233は、図14に示す構成に限られるものではない
。例えば、相変化メモリPCM:Phase Change Memory)、抵抗変
化型メモリ(ReRAM:Resistance Random Access Mem
ory)、磁気抵抗メモリ(MRAM:Magnetoresistive Rando
m Access Memory)、強誘電体メモリ(FeRAM:Ferroelec
tric Random Access Memory)、フラッシュメモリなどを用い
ることができる。

0206

また、揮発性記憶素子は、例えばバッファレジスタや、汎用レジスタなどのレジスタを構
成することができる。また、揮発性記憶部にSRAM(Static Random A
ccess Memory)などからなるキャッシュメモリを設けることもできる。これ
らのレジスタやキャッシュメモリは上記の不揮発性記憶部233にデータを退避させるこ
とができる。

0207

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。

0208

(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態に開示したパワースイッチや、MCUに適用可能なト
ランジスタの一例として、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300の構成及び作製方法の一例について説明する。

0209

また、本実施の形態では、トランジスタ300をパワースイッチ(パワーMOSFET
に用いる場合に好適な構成例について説明する。

0210

図15(A)は、トランジスタ300の上面図であり、図15(B)は、図15(A)中
にA1−A2の一点鎖線で示した部位の積層構成を示す断面図である。また、図15(C
)は、図15(A)中にB1−B2の一点鎖線で示した部位の積層構成を示す断面図であ
る。また、図15(D)は、図15(B)に示す部位345の拡大図である。なお、図を
わかりやすくするため、図15(A)では一部の構成要素の記載を省略している。

0211

図15に示すトランジスタ300は、放熱板301上に形成された半導体基板303をバ
ックゲート電極とし、半導体基板303上に絶縁層302が設けられ、絶縁層302上に
バッファ層305が設けられ、バッファ層305上に結晶構造を有する酸化物半導体層
07が設けられている。なお、バックゲート電極は、ゲート電極とバックゲート電極で半
導体層のチャネル形成領域を挟むように配置され、ゲート電極と同様に機能させることが
できる。また、バックゲート電極の電位を変化させることで、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。

0212

また、酸化物半導体層307上の一部に接して、導電性材料で形成された第1の端子30
9及び第2の端子311が設けられ、酸化物半導体層307、第1の端子309、及び第
2の端子311を覆って絶縁層313が設けられている。また、絶縁層313上に、酸化
物半導体層307、第1の端子309、及び第2の端子311それぞれの少なくとも一部
重畳して、導電性材料で形成されたゲート電極315が設けられている。

0213

半導体基板303は、少なくとも、後の加熱処理(例えば、900℃以上)に耐えうる程
度の耐熱性を有していることが必要となる。半導体基板303としては、単結晶シリコン
基板SiC基板GaN基板GaAs基板などを用いることができる。また、半導体
基板303としてシリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板SOI基板を用いても
よい。本実施の形態では、半導体基板303として単結晶シリコン基板を用いる。

0214

絶縁層302は、塩化水素などを用いた熱酸化などで得られる酸化シリコンプラズマ
VD(Chemical Vapor Deposition)法やスパッタリング法
どで得られる酸化シリコン、酸化窒化シリコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶
縁物、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁物などを単層または積層して形成することが
できる。また、絶縁層302を上記材料の積層として形成する場合、同じの材料の積層と
してもよいし、異なる材料の積層としてもよい。なお、「窒化酸化」とは、その組成とし
て、酸素よりも窒素含有量が多いものをいい、「酸化窒化」とは、その組成として、窒
素よりも酸素の含有量が多いものをいう。

0215

また、絶縁層302は、プラズマCVD法などで得られる窒化シリコンを用いて形成して
もよい。ただし、窒化シリコンを用いる場合には、形成後の熱処理によって水素又は水素
化合物がほとんど放出されない窒化シリコン、例えば、供給ガスシラン(SiH4)、
窒素(N2)及びアンモニア(NH3)の混合ガスとして形成された窒化シリコンを用い
ることが好ましい。本実施の形態では、絶縁層302として熱酸化により形成する酸化シ
リコンを用いる。

0216

また、酸化物半導体層307にシリコン塩素混入しない構造とするため、半導体基板
303と酸化物半導体層307との間にバッファ層305を設ける。また、半導体基板3
03表面に形成した絶縁層302と酸化物半導体層307との間にバッファ層305を設
ける。

0217

バッファ層305は、酸化ガリウム酸化インジウムガリウム酸化ハフニウム、酸化イ
トリウム酸化アルミニウムなどを単層または積層して形成することができる。また、
バッファ層305は、後にバッファ層305に接して形成される酸化物半導体層307と
同種の成分を含む材料を用いると好ましい。このような材料は酸化物半導体との相性が良
く、これを酸化物半導体と接する層に用いることで、半導体層と該層の界面状態を良好に
保つことができる。ここで、「酸化物半導体と同種の成分」とは、酸化物半導体の構成元
素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、酸化物半導体層3
07がIn−Ga−Zn系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分を含
絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウムや酸化ガリウム亜鉛、酸化インジウムガリ
ムなどがある。

0218

また、バッファ層305を積層構造とする場合には、バッファ層305と接して形成され
る酸化物半導体層307と同種の成分でなる絶縁材料で形成された層aと、層aと異なる
材料を含む層bとの積層構造としてもよい。また、バッファ層305の他の材料として、
In:Ga:Zn=1:3:2の原子数比ターゲットを用いて成膜されるIn−Ga−
Zn系酸化物膜を用いてもよい。

0219

酸化物半導体層307は、スパッタリング法、CVD法、MBE(Molecular
Beam Epitaxy)法、ALD(Atomic Layer Depositi
on)法またはPLD(Pulse Laser Deposition)法を用いて形
成することができる。また、酸化物半導体層307は、少なくともインジウム(In)も
しくは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。または、InとZnの双方を含むことが好ま
しい。例えばIn−Zn系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、In−G
a−Zn系酸化物(IGZOとも表記する。)、In−Sn−Zn系酸化物、In−Hf
−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−
Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Z
n系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn
系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系
酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、In−Sn−Ga−Z
n系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物などを
用いることができる。

0220

また、酸化物半導体層307は、単層に限定されず、多層としてもよく、組成の異なる層
の積層としてもよい。例えば、In:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のターゲットを
用いて形成されるIn−Ga−Zn系酸化物上にIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数
比のターゲットを用いて形成されるIn−Ga−Zn系酸化物を積層する2層構造として
もよい。この2層構造に加熱処理を行うと2層ともに結晶性の高い膜となり、同一の結晶
構造、即ちCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline
Oxide Semiconductor)の積層となる。また、In:Ga:Zn=1
:1:1の原子数比のターゲットを用いて形成されるIn−Ga−Zn系酸化物上にIn
:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のターゲットを用いて成膜されるIn−Ga−Zn
系酸化物を形成し、その上にIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用
いて成膜されるIn−Ga−Zn系酸化物を積層する3層構造としてもよい。

0221

以下では、酸化物半導体層307に用いることができる酸化物半導体膜の構造について説
明する。

0222

酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜非単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非
単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化
物半導体膜、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline
Oxide Semiconductor)膜などをいう。

0223

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列不規則であり、結晶成分を有さない酸
化物半導体膜である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造
酸化物半導体膜が典型である。

0224

微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満の大きさの微結晶(ナノ結晶
ともいう。)を含む。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも原
子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜より
欠陥準位密度が低いという特徴がある。

0225

CAAC−OS膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、ほとんどの結
晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−O
S膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内
に収まる大きさの場合も含まれる。CAAC−OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠
陥準位密度が低いという特徴がある。以下、CAAC−OS膜について詳細な説明を行う

0226

CAAC−OS膜を透過型電子顕微鏡TEM:Transmission Elect
ron Microscope)によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結
晶粒界グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CA
AC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

0227

CAAC−OS膜を、試料面と概略平行な方向からTEMによって観察(断面TEM観察
)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子
の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸
を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。

0228

一方、CAAC−OS膜を、試料面と概略垂直な方向からTEMによって観察(平面TE
M観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列しているこ
とを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られな
い。

0229

断面TEM観察および平面TEM観察より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有して
いることがわかる。

0230

CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装
置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜
のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピーク
現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属される
ことから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概
略垂直な方向を向いていることが確認できる。

0231

一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−pl
ane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは
、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸化
物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)と
して試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に
帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを5
6°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。

0232

以上のことから、CAAC−OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不
規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行
な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面TEM観察で確認された層状に配
列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。

0233

なお、結晶部は、CAAC−OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行
った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面また
は上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の形
状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成面
または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。

0234

また、CAAC−OS膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜
の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面
近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、CAA
C−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分
的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。

0235

なお、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法
による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れ
る場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性
を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍に
ピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。

0236

CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光照射による電気特性の変動
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

0237

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、CA
AC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

0238

また、酸化物半導体層307の厚さは、ゲート電極315及びバックゲート電極として機
能する半導体基板303に負の電圧が印加されたときに、空乏層チャネル領域広がり
、トランジスタ300をオフ状態とすることが可能な厚さとする。

0239

第1の端子309及び第2の端子311は、アルミニウムクロム、銅、タンタル、チタ
ン、モリブデンタングステンから選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合
金、または上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。ま
た、マンガンマグネシウムジルコニウムベリリウムのいずれか一または複数から選
択された金属元素を用いてもよい。また、第1の端子309及び第2の端子311は、単
層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム層
単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する二層構造窒化チタン層上にチタン
層を積層する二層構造、窒化チタン層上にタングステン層を積層する二層構造、窒化タン
タル層上にタングステン層を積層する二層構造、チタン層と、そのチタン層上にアルミ
ウム層を積層し、さらにその上にチタン層を形成する三層構造などがある。また、アルミ
ニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジムスカンジ
ウムから選ばれた元素の層、または複数組み合わせた合金層、もしくは窒化物層を用いて
もよい。

0240

また、第1の端子309及び第2の端子311は、インジウム錫酸化物、酸化タングステ
ンを含むインジウム酸化物酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物酸化チタン
を含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物
酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用する
こともできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とする
こともできる。

0241

絶縁層313は、プラズマCVD法やスパッタリング法などで得られる酸化シリコン、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
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
どの酸化絶縁物、酸化窒化シリコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶縁物、窒化
酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁物などを単層または積層して形成することができる。ま
た、絶縁層313を上記材料の積層として形成する場合、同じの材料の積層としてもよい
し、異なる材料の積層としてもよい。なお、絶縁層313と酸化物半導体層307の間に
第2のバッファ層を設けてもよい。第2のバッファ層は、バッファ層305に用いること
のできる材料を適宜用いることができる。

0242

絶縁層313は、熱CVD法により形成してもよい。熱CVD法の例としてMOCVD
Metal Organic Chemical Vapor Deposition)
法やALD(Atomic Layer Deposition)法を使っても良い。

0243

熱CVD法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成
されることが無いという利点を有する。

0244

熱CVD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャ
ンバー内に送り基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行
ってもよい。

0245

また、ALD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順
次にチャンバーに導入され、そのガス導入順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。
例えば、それぞれのスイッチングバルブ高速バルブとも呼ぶ)を切り替えて2種類以上
の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第1の原
料ガスと同時またはその後に不活性ガスアルゴン、或いは窒素など)などを導入し、第
2の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキ
リアガスとなり、また、第2の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよ
い。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1の原料ガスを排出した後
、第2の原料ガスを導入してもよい。第1の原料ガスが基板の表面に吸着して第1の単原
子層を成膜し、後から導入される第2の原料ガスと反応して、第2の単原子層が第1の単
原子層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さにな
るまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の
厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調
節が可能であり、微細FETを作製する場合に適している。

0246

MOCVD法やALD法などの熱CVD法で、本明細書に開示された無機絶縁層を形成す
ることができ、例えば、ALD法で、酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒ハフ
ニウム前駆体化合物を含む液体ハフニウムアルコキシド溶液、代表的にはテトラキス
メチルアミドハフニウムTDMAH))を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン
(O3)の2種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式
はHf[N(CH3)2]4である。また、他の材料液としては、テトラキス(エチル
ルアミド)ハフニウムなどがある。

0247

例えば、ALD法で、酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆
体化合物を含む液体(TMAなど)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてH2Oの2種
類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はAl(CH3)3である。
また、他の材料液としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチル
ルミニウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタン
オナート)などがある。

0248

例えば、ALD法で、酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサジクロロジシランを被
成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス(O2、一酸化二窒素
ラジカルを供給して吸着物と反応させる。

0249

ゲート電極315は、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、銅(Cu)、タンタル(
Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ネオジム(Nd)
スカンジウム(Sc)から選ばれた金属材料、上述した金属元素を成分とする合金材料
、上述した金属元素の窒化物材料などを用いて形成することができる。また、マンガン(
Mn)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、ベリリウム(Be)のいずれか
一または複数から選択された金属元素を含む材料用いてもよい。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。

0250

また、ゲート電極315は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、
シリコンを含むアルミニウムを用いた単層構造、アルミニウム上にチタンを積層する二層
構造、窒化チタン上にチタンを積層する二層構造、窒化チタン上にタングステンを積層す
る二層構造、窒化タンタル上にタングステンを積層する二層構造、Cu−Mg−Al合金
上に銅を積層する二層構造、窒化チタン上に銅を積層し、さらにその上にタングステンを
形成する三層構造、タングステン上に銅を積層し、さらにその上に窒化タンタルを形成す
る三層構造などがある。ゲート電極315に銅を用いることにより、ゲート電極315及
びゲート電極315と同じ層で形成される配線の配線抵抗を低減することができる。また
、銅を、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属や、該金属の窒化物と積
層することで、銅の他の層への拡散を防止できる。

0251

また、ゲート電極315は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加し
たインジウム錫酸化物などの酸素を含む導電性材料を適用することもできる。また、上記
酸素を含む導電性材料と、上記金属元素を含む材料の積層構造とすることもできる。

0252

図15に示すトランジスタ300は、チャネル領域に結晶構造を有する酸化物半導体層3
07を用いるため、耐電圧性が高く、オン抵抗を低減することが可能であり、大電流を流
すことが可能である。

0253

以下に、図15に示すトランジスタ300の作製方法の一例について説明する。

0254

バックゲート電極となる半導体基板303上に絶縁層302を形成する。本実施の形態で
は、塩化水素と酸素を用いた熱酸化により、半導体基板303表面を酸化させて形成する
。または、μ波(例えば、周波数2.45GHz)を用いた高密度プラズマCVDにより
、緻密で絶縁耐圧の高く、高品質な絶縁層302を形成してもよい。

0255

次いで、スパッタリング法、CVD法、塗布法パルスレーザー蒸着法等により、バッフ
ァ層305を形成する。バッファ層305は、半導体基板303または絶縁層302に含
まれる不純物の拡散をブロックできる材料、代表的にはガリウムを含む材料を用いる。

0256

上記構成において、半導体基板303は単結晶シリコン基板であり、絶縁層302は熱酸
化により形成された酸化シリコンである。本実施の形態では、絶縁層302と酸化物半導
体層307の間にバッファ層305を設けるため、熱酸化により絶縁層302を形成する
際に塩化水素を用いても、絶縁層302に含まれた塩素の拡散をバッファ層305によっ
て防ぐことができる。また、酸化シリコンで形成された絶縁層302上に直接酸化物半導
体をスパッタリング法によって形成すると、スパッタリング時に絶縁層302中のシリコ
ンが酸化物半導体中に混入する恐れがあるが、バッファ層305により、酸化物半導体層
中にシリコンが混入することを防止できる。酸化物半導体層中にシリコンなどの不純物が
混入すると、結晶化が阻害されるため、できるだけ混入することを回避することが好まし
い。

0257

次いで、バッファ層305上に結晶構造を有する酸化物半導体層307を形成する。

0258

酸化物半導体層307は、スパッタリング法を用い、基板を加熱しながら形成して、形成
直後に結晶構造を有する酸化物半導体層307とすることが好ましい。具体的には、基板
温度を100℃以上740℃以下、好ましくは200℃以上500℃以下として形成する
。また、スパッタリング法としては、RFスパッタリング法、DCスパッタリング法、A
Cスパッタリング法等を用いることができる。特に、成膜時に発生するゴミを低減でき、
かつ膜厚分布も均一とすることからDCスパッタリング法を用いることが好ましい。

0259

なお、基板温度を200℃以上とすると、スパッタリングターゲットから微小なスパッタ
リング粒子飛翔して基板上にそのスパッタリング粒子がはりつくようにして形成され、
且つ、基板が加熱されているため、再配列し高密度な酸化物半導体層となる。

0260

また、酸化物半導体層の形成後に、200℃以上の加熱処理を行い、さらに緻密な層とし
てもよい。ただし、酸化物半導体層中の不純物元素(水素や、水など)が低減される際に
酸素欠損が生じる恐れがあるため、加熱処理を行う前に、酸化物半導体層上または酸化物
半導体層下酸素過剰の絶縁層を設けておくことが好ましく、加熱処理によって酸化物半
導体層中の酸素欠損を低減することができる。

0261

また、基板温度を400℃以上として酸化物半導体を高密度化しておくと、後に900℃
以上の加熱を行った場合でもピーリングなどの発生を抑えることができる。なお、酸化物
半導体層は形成直後に非晶質構造であっても、後に加熱処理を行って、結晶構造を有する
酸化物半導体層としてもよい。

0262

また、CAAC−OSを形成するために、以下の条件を適用することが好ましい。

0263

形成される酸化物半導体層中の不純物濃度を低減することで、不純物によって結晶状態
崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物(水素、水、二酸化炭素
び窒素など)を低減すればよい。また、スパッタリングガス中の不純物を低減すればよい
。具体的には、露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下であるスパッタリングガ
スを用いる。

0264

また、スパッタリングガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することでスパッタリング
時の被形成面へのプラズマダメージを軽減することが好ましい。スパッタリングガス中の
酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体積%とする。

0265

ここで、スパッタリング用ターゲットの一例として、In−Ga−Zn系酸化物ターゲッ
トについて説明しておく。In−Ga−Zn系酸化物ターゲットは、InOX粉末、Ga
OY粉末及びZnOZ粉末を所定の比率で混合し、加圧処理後、1000℃以上1500
℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn−Ga−Zn系酸化物ターゲット
を作製することができる。なお、X、Y及びZは任意の正数である。ここで、所定の比率
は、例えば、InOX粉末、GaOY粉末及びZnOZ粉末が、2:2:1、8:4:3
、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2のmol数比である。なお、粉
末の種類、及びその混合する比率は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜
変更すればよい。

0266

バッファ層305上に結晶構造を有する酸化物半導体層307を形成した後、真空雰囲気
下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、または窒素と酸素の混合雰囲気下で900℃以上15
00℃以下の加熱処理を行ってもよい。900℃以上1500℃以下の加熱処理を行うこ
とで酸化物半導体の単結晶とほぼ同じレベルの密度と結晶性を得ることが可能となる。

0267

本実施の形態では、In:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用いて形成
されるIn−Ga−Zn系酸化物を用い、基板温度を400℃として、CAAC−OSを
形成した後、950℃の加熱処理を行う。熱処理後においても、酸化物半導体層307は
、c軸が酸化物半導体層の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方
向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、
c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列して
いる。

0268

なお、バッファ層305を形成した後、クリーンルーム大気に曝して、酸化物半導体層
を形成すると、クリーンルーム雰囲気に含まれるボロンがバッファ層305と酸化物半導
体層の界面に混入する恐れがある。従って、バッファ層305を形成した後、大気に触れ
ることなく酸化物半導体層を成膜することが好ましい。どちらもスパッタリング法で形成
することができ、ターゲットを変更するだけで連続的に成膜することができる。

0269

次いで、酸化物半導体層上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成し、レジ
ストマスクをマスクとして酸化物半導体層をエッチングして、島状の酸化物半導体層30
7を形成する。その後、レジストマスクを除去する。また、島状の酸化物半導体層307
端部の断面形状をテーパー形状とすることが好ましい。具体的には、端部のテーパー角θ
図15(D)参照)を、80°以下、好ましくは60°以下、さらに好ましくは45°
以下とする。なお、テーパー角θとは、層の端部をその断面(基板の表面と直交する面)
方向から観察した際に、当該層の側面と底面がなす当該層内の角度を示す。また、テーパ
ー角が90°未満である場合を順テーパーといい、テーパー角が90°以上である場合を
逆テーパーという。

0270

また、島状の酸化物半導体層307の端部の断面形状を複数段階段形状とすることで、
その上に被覆する層の被覆性を向上させることもできる。なお、島状の酸化物半導体層3
07に限らず、各層の端部の断面形状を順テーパー形状または階段形状とすることで、そ
の上に被覆する層が途切れてしまう現象(段切れ)を防ぎ、トランジスタの信頼性を向上
させることができる。

0271

なお、フォトリソグラフィ法を用いて導電層や絶縁層上に任意形状のレジストマスクを形
成する工程をフォトリソグラフィ工程というが、一般にレジストマスク形成後には、エッ
チング工程とレジストマスクの剥離工程が行われることが多い。このため、本明細書等に
おいては、特段の説明が無い限り、フォトリソグラフィ工程には、レジストマスクの形成
工程と、導電層または絶縁層のエッチング工程と、レジストマスクの剥離工程が含まれて
いるものとする。

0272

次いで、酸化物半導体層307上に、スパッタリング法、CVD法、蒸着法等により導電
層を形成し、フォトリソグラフィ工程を用いて、ソース電極として機能する第1の端子3
09、ドレイン電極として機能する第2の端子311、及びこれらと同じ層で形成される
配線または電極を形成する。また、第1の端子309、及び第2の端子311は、印刷法
インクジェット法等を用いて形成すれば、工程数を削減することができる。

0273

次いで、酸化物半導体層307、第1の端子309、及び第2の端子311上に絶縁層3
13を形成する。本実施の形態では、絶縁層313として酸化シリコンを用いる。

0274

次いで、絶縁層313上にゲート電極315を形成する。絶縁層313上に、スパッタリ
ング法、CVD法、蒸着法等により導電層を形成した後、フォトリソグラフィ工程により
、ゲート電極315、及びこれと同じ層で形成される配線または電極を形成することがで
きる。本実施の形態では、ゲート電極315を形成するための導電層として、窒化タンタ
ルとタングステンの積層を用いる。

0275

以上の工程により、結晶構造を有する島状の酸化物半導体層307をチャネル領域に有す
るトランジスタ300を作製することができる。そして最後に、トランジスタ300を放
熱板301に固定する。

0276

なお、放熱板301は、外部に延設しておくことで放熱機能をより高めることができる。
例えば図17に示す斜視図のように、複数のトランジスタ300が設けられた放熱板30
1を筐体330に固定し、放熱板301を筐体330から外部に延設しておけばよい。

0277

また、筐体330は、トランジスタ300を外部の素子に接続するための、端子S、端子
D、端子Gを有する構成にできる。例えば、端子Sはトランジスタ300の第1の端子3
09に接続され、端子Dは第2の端子311に接続され、端子Gはゲート電極315に接
続される。また、例えば、放熱板301と端子Sを接続し、放熱板301を端子Sとして
用いることもできる。

0278

次に、図16(A)に酸化物半導体層307上にn型領域321を設けたトランジスタ3
20の積層構成の一例を示す。

0279

図16(A)に示すトランジスタ320において、n型領域321は、リン、ボロン、ま
たは窒素を含み、結晶構造を有する酸化物半導体層である。第1の端子309と酸化物半
導体層307の間、及び第2の端子311と酸化物半導体層307の間にn型領域321
を形成することで、接触抵抗を低減している。

0280

なお、バッファ層305を形成するまでの工程は同一であるため、ここではバッファ層3
05を形成した後の工程を説明する。結晶構造を有する酸化物半導体層を形成した後、プ
ラズマ処理またはイオン注入法によりリン、ボロン、または窒素などの不純物元素を酸化
物半導体層の表面近傍に添加する。上記不純物元素を添加した領域は非晶質領域となりや
すい。なお、上記不純物元素を添加した領域の下方に結晶部を残存させておくことが好ま
しい。上記不純物元素を添加した後、真空雰囲気下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、また
は窒素と酸素の混合雰囲気下で900℃以上1500℃以下の加熱処理を行う。この加熱
処理によって上記不純物元素を添加した領域を結晶化させることができる。

0281

次いで、フォトリソグラフィ工程により上記不純物元素が添加された酸化物半導体層を選
択的にエッチングして、島状の酸化物半導体層を形成する。

0282

次いで、第1の端子309及び第2の端子311を形成するための導電層を形成し、フォ
トリソグラフィ工程により導電層を選択的にエッチングして第1の端子309及び第2の
端子311を形成する。そして、第1の端子309及び第2の端子311をマスクとして
上記不純物元素を添加した領域を選択的に除去する。こうして、第1の端子309及び第
2の端子311の下方にn型領域321を形成することができる。

0283

次いで、酸化物半導体層307、第1の端子309、及び第2の端子311上に絶縁層3
13を形成する。

0284

次いで、絶縁層313上にゲート電極315を形成する。以上の工程により、結晶構造を
有する酸化物半導体層307をチャネル領域に有するトランジスタ320を作製すること
ができる。

0285

続いて、端子309及び端子311の端部を階段形状としたトランジスタ340を、基板
341上に形成する例を図16(B)に示す。図16(B)は、トランジスタ340の積
層構成を示す断面図である。なお、トランジスタ300またはトランジスタ320と同じ
部分については、その説明を省略する。

0286

基板341として、ガラス基板セラミック基板、半導体基板の他、作製工程の処理温度
に耐えうる程度の耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。また、基板
に透光性を要しない場合には、ステンレス合金等の金属の基板の表面に絶縁層を設けたも
のを用いてもよい。ガラス基板としては、例えば、バリウムホウケイ酸ガラスアルミノ
ホウケイ酸ガラス若しくはアルミノケイ酸ガラス等の無アルカリガラス基板を用いるとよ
い。他に、石英基板サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化
シリコンなどの単結晶半導体基板多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合
物半導体基板、SOI基板などを適用することもできる。

0287

なお、基板341として、可撓性基板フレキシブル基板)を用いてもよい。可撓性基板
を用いる場合、可撓性基板上に、トランジスタや容量素子などを直接作製してもよいし、
他の作製基板上にトランジスタや容量素子などを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置
してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板とトラン
ジスタや容量素子などとの間に、剥離層を設けるとよい。

0288

また、基板341上に絶縁層342が形成され、絶縁層342上に島状の酸化物半導体層
307が形成される。絶縁層342は、絶縁層313と同様の材料及び方法で形成するこ
とができる。

0289

次に、第1の端子309及び第2の端子311となる導電層を形成し、レジストマスクを
用いて該導電層を選択的にエッチングする。次に、レジストマスクを酸素プラズマ処理
どにより後退縮小)させた後、短時間の追加のドライエッチング処理を行うことで、端
部に階段形状を有する第1の端子309及び第2の端子311を形成することができる。

0290

トランジスタ340を形成後、トランジスタ340を覆って絶縁層343を形成してもよ
い。絶縁層343は、プラズマCVD法やスパッタリング法などで得られる酸化シリコン
、酸化アルミニウムなどの酸化絶縁物、窒化シリコン、窒化アルミニウムなどの窒化絶縁
物、酸化窒化シリコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶縁物、窒化酸化シリコン
などの窒化酸化絶縁物などを単層または積層して形成することができる。また、絶縁層4
50を上記材料の積層として形成する場合、同じの材料の積層としてもよいし、異なる材
料の積層としてもよい。例えば、絶縁層343として、酸化窒化シリコン上に窒化シリコ
ンを積層した絶縁層を用いる。

0291

トランジスタ340を覆って窒化絶縁物を設けることで、外部からの不純物の侵入を防ぎ
、トランジスタ340内部からの酸素脱離を防止し、トランジスタ340の信頼性を向上
させることができる。

0292

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。

0293

(実施の形態3)
本実施の形態では、パワースイッチや、MCUに適用可能なトランジスタの一例として、
実施の形態2に開示したトランジスタ300と異なる構成を有するトランジスタ350の
構成例について図18を用いて説明する。

0294

また、本実施の形態では、トランジスタ350をMCUに用いる場合に好適な構成例につ
いて説明する。

0295

なお、実施の形態2に開示したトランジスタの構造や作製方法を、本実施の形態に開示す
るトランジスタに用いることも可能である。

0296

図18(A)は、トランジスタ350の上面図であり、図18(B)は、図18(A)中
にX1−X2の一点鎖線で示した部位の積層構成を示す断面図である。また、図18(C
)は、図18(A)中にY1−Y2の一点鎖線で示した部位の積層構成を示す断面図であ
る。なお、図をわかりやすくするため、図18(A)では一部の構成要素の記載を省略し
ている。

0297

図18に示すトランジスタ350は、基板351上に設けられた絶縁層352上に形成さ
れている。トランジスタ350は、絶縁層352上に形成された酸化物半導体層353と
、酸化物半導体層353の一部に接して形成された第1のソース電極354aおよび第1
のドレイン電極354bと、第1のソース電極354a上に形成された第2のソース電極
355aと、第1のドレイン電極354b上に形成された第2のドレイン電極355bと
、酸化物半導体層353、第1のソース電極354a、第1のドレイン電極354b、第
2のソース電極355a、及び第2のドレイン電極355bの上に形成されたゲート絶縁
層356と、ゲート絶縁層356上に形成されたゲート電極357と、ゲート電極357
及びゲート絶縁層356上に形成された保護絶縁層358を有する。なお、保護絶縁層3
58の上に他の絶縁層または配線等を形成してもよい。

0298

基板351には、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いる
ことができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体
板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI(Silicon On I
nsulator)基板などを用いることもできる。

0299

また、基板351は、単なる支持材料に限らず、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。この場合、トランジスタ350のゲート電極357、第1の
ソース電極354a、第1のドレイン電極354b、第2のソース電極355aおよび第
2のドレイン電極355bの少なくとも一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続され
ていてもよい。

0300

絶縁層352は、酸素を含む絶縁層を用いて形成することが好ましい。特に、絶縁層35
2は、酸素を過剰に含む絶縁層を用いて形成することが好ましい。過剰酸素を含む酸化物
絶縁層とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化物絶縁層をいう。好
ましくは、昇温脱離ガス分光法分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が1.0×
1019atoms/cm3以上である層とする。絶縁層352から放出される酸素は、
酸化物半導体層353のチャネル形成領域に拡散させることができることから、酸化物半
導体層353に不本意に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって
、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。

0301

絶縁層352は、プラズマCVD(Chemical Vapor Depositio
n)法またはスパッタリング法等により、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグ
シウム、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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、酸化ハフニウムおよび
酸化タンタルなどの酸化物材料、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる

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