JP2016105478A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
装置に関する。半導体装置を有する電子機器に関する。
ば、デジタルスチルカメラや携帯電話などの電子機器に用いられている固体撮像装置(イ
メージセンサともいう)がある。
クリーンなどと呼ばれている(以下、これを単に「タッチパネル」と呼ぶ)。フォトセン
サと表示素子とを有することにより、表示画面が情報入力領域を兼ねる。
ォトダイオード等の光電変換素子と、MOSトランジスタを用いた増幅回路とを有する。
光電変換素子は、光電変換素子に照射される光の強度により流れる光電流の電流値が定ま
る。増幅回路は、当該電流値に対応した電荷を蓄積し、当該電荷の量を情報として含む出
力信号を生成する。CMOSセンサは、増幅回路に蓄積された電荷を放電させる動作(以
下、リセット動作という)と、光電変換素子に流れる光電流の電流量に対応した電荷を蓄
積する動作(以下、蓄積動作という)と、当該電荷の量を情報として含む出力信号を読み
出す動作(以下、選択動作という)とを、MOSトランジスタを用いた増幅回路によって
行うことで、光電変換素子に入射した光の量を検出する。CMOSセンサは、汎用のCM
OSプロセスを用いて製造できる。そのため、フォトセンサとしてCMOSセンサ用いた
半導体装置では、半導体装置の製造コストを低くできる上に、フォトセンサと同一基板上
に表示素子を作り込むことができる。また、CMOSセンサはCCDセンサに比べて駆動
電圧が低いため、半導体装置の消費電力を低く抑えることができる。
が存在すると、この光は被検出物によって遮断され、一部が反射される。フォトセンサは
、半導体装置内にマトリクス状に設けられており、被検出物によって反射された光の量を
検出する。こうして、半導体装置は、被検出物の撮像画像の取得や、被検出物の存在する
領域の検出を行う。
物の撮像画像を精度良く取得するには、外光のノイズを軽減する必要がある。外光のノイ
ズが大きいと、被検出物で反射された光の量をフォトセンサで検出する際のS/N比が低
下することになり、被検出物の存在する領域の検出精度が低下し、また、撮像画像の品質
が劣化する。特に、タッチパネルにおいて、表示画面を情報入力領域として用いる場合に
は、入力の誤検出や非検出が生じることになる。
1には、マトリクス状に配置されたCMOSセンサを有する半導体装置が開示されている
。
奇数行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行い、その後、バックライトを非
点灯として偶数行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う。バックライトの
点滅の間隔は短く、バックライトの点灯時と非点灯時とで被検出物はほとんど移動しない
とみなすことができる。そして、隣接する2行のフォトセンサで同時に選択動作を行い、
当該動作を順次繰り返すことによって、全行のフォトセンサの選択動作を行う。こうして
、隣接する行のフォトセンサで得られた出力信号の差分をとる。この差分は、外光のノイ
ズが相殺され、S/N比の向上した信号成分である。この差分によって、被検出物の撮像
画像の生成を行うことを提案している。
までの期間の長さがフォトセンサ毎に異なる。例えば、1行目のフォトセンサと2行目の
フォトセンサでは、選択動作を行うタイミングは同じであるが、リセット動作及び蓄積動
作を行うタイミングは1行目のフォトセンサの方が先である。よって、1行目のフォトセ
ンサと2行目のフォトセンサでは、リセット動作及び蓄積動作を行ってから選択動作を行
うまでの期間の長さが異なる。ここで、リセット動作及び蓄積動作を行ってから選択動作
を行うまでの期間が長いフォトセンサ程、トランジスタのオフ電流によるリークの影響を
大きく受ける。つまり、リセット動作及び蓄積動作を行ってから選択動作を行うまでの期
間が長いフォトセンサ程、蓄積動作によって蓄積された電荷のリークが大きくなる。した
がって、非特許文献1に記載の半導体装置では、外光のノイズは軽減できるが、リセット
動作及び蓄積動作を行ってから選択動作を行うまでの期間の長さがフォトセンサ毎に異な
るため、トランジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズが新たに増えることに
なる。
ンジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズも低減することを課題とする。
開示する発明の一態様は、半導体装置であって、m(mは2以上の自然数)行n(nは
自然数)列のマトリクス状に配置された複数のフォトセンサを有し、複数のフォトセンサ
はそれぞれ、光電変換素子と、増幅回路と、を有する。増幅回路は、増幅回路に蓄積され
た電荷を放電させるリセット動作と、光電変換素子に流れる光電流の電流量に対応した電
荷を蓄積する蓄積動作と、当該電荷の量を情報として含む出力信号を読み出す選択動作と
を行う。バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第p(pはm以下の自然数)行
目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを非点灯として
第(p+1)行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う。その後、全行のフ
ォトセンサの選択動作を順次行う。隣接する行のフォトセンサで得られた出力信号の差分
を取得する。この差分を用いて被検出物の撮像画像の生成や被検出物の存在する領域の検
出を行う。ここで、増幅回路は、蓄積された当該電荷を保持するトランジスタを有し、当
該トランジスタはチャネルが酸化物半導体層に形成されることを特徴とする。
自然数)行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを非
点灯として第(p+1)行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う。しかし
ながら以下のように、バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第q(qはn以下
の自然数)列目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを
非点灯として第(q+1)列目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う構成2
であってもよい。
開示する発明の一態様は、半導体装置であって、m(mは自然数)行n(nは2以上の
自然数)列のマトリクス状に配置された複数のフォトセンサを有し、複数のフォトセンサ
はそれぞれ、光電変換素子と、増幅回路と、を有する。増幅回路は、増幅回路に蓄積され
た電荷を放電させるリセット動作と、光電変換素子に流れる光電流の電流量に対応した電
荷を蓄積する蓄積動作と、当該電荷の量を情報として含む出力信号を読み出す選択動作と
を行う。バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第q(qはn以下の自然数)列
目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを非点灯として
第(q+1)列目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う。その後、全行のフ
ォトセンサの選択動作を順次行う。隣接する列のフォトセンサで得られた出力信号の差分
を取得する。この差分を用いて被検出物の撮像画像の生成や被検出物の存在する領域の検
出を行う。ここで、増幅回路は、蓄積された当該電荷を保持するトランジスタを有し、当
該トランジスタはチャネルが酸化物半導体層に形成されることを特徴とする。
逆にしてもよい。
2以上の自然数)列のマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、第1の配線と、
第2の配線と、第3の配線と、第4の配線と、第5の配線とを有し、複数のフォトセンサ
はそれぞれ、光電変換素子と、増幅回路とを有する。増幅回路は、第1のトランジスタと
、第2のトランジスタと、第3のトランジスタとを有し、第2のトランジスタと第3のト
ランジスタは第1の配線と第2の配線の間に直列に電気的に接続され、第2のトランジス
タのゲートは第1のトランジスタのソースとドレインの一方と電気的に接続され、第1の
トランジスタのソースとドレインの他方は光電変換素子の一対の電極のうちの一方と電気
的に接続され、光電変換素子の一対の電極のうちの他方は第4の配線と電気的に接続され
、第1のトランジスタのゲートは第3の配線と電気的に接続され、第3のトランジスタの
ゲートは第5の配線と電気的に接続されている。
流れる光電流の電流量に対応した電荷を蓄積する蓄積動作と、当該電荷の量を情報として
含む出力信号を読み出す選択動作とを行う。
の配線の電位によって第1のトランジスタをオン状態とし、第4の配線の電位を変化させ
て光電変換素子に順バイアスの電圧を印加して第2のトランジスタのゲートに蓄積された
電荷を放電させる。
状態としたまま、且つ第3の配線の電位によって第1のトランジスタをオン状態としたま
ま、第4の配線の電位を変化させ光電変換素子に逆バイアスの電圧を印加することによっ
て開始し、第3の配線の電位によって第1のトランジスタをオフ状態とすることによって
終了する。
5の配線の電位によって第3のトランジスタをオン状態とすることによって行い、第2の
トランジスタ及び第3のトランジスタを流れる電流による第2の配線の電位の変化量がフ
ォトセンサの出力信号となる。
ャージ動作という)を行ってもよい。
用する。
バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第p(pはm以下の自然数)行目のフ
ォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを非点灯として第(p
+1)行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う。その後、全行のフォトセ
ンサの選択動作を順次行う。隣接する行のフォトセンサで得られた出力信号の差分を取得
する。この差分を用いて被検出物の撮像画像の生成や被検出物の存在する領域の検出を行
う。ここで、第1のトランジスタはチャネルが酸化物半導体層に形成されることを特徴と
する。
バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第q(qはn以下の自然数)列目のフ
ォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを非点灯として第(q
+1)列目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う。その後、全行のフォトセ
ンサの選択動作を順次行う。隣接する列のフォトセンサで得られた出力信号の差分を取得
する。この差分を用いて被検出物の撮像画像の生成や被検出物の存在する領域の検出を行
う。ここで、第1のトランジスタはチャネルが酸化物半導体層に形成されることを特徴と
する。
逆にしてもよい。
物はほとんど移動しないとみなすことができる。
−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Z
n系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物や、三
元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Sn
−Zn系酸化物、In−Al−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−
Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Z
n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−Zn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系酸化物や、二元系金属酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−
Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−
Mg系酸化物、In−Ga系酸化物や、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛などを用い
ることができる。なお、例えば、In−Sn−Ga−Zn系酸化物とは、インジウム(I
n)、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する金属酸化物、という意味で
あり、その組成比は特に問わない。また、上記酸化物半導体は、珪素を含んでいてもよい
。
て有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとG
aとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
数でない)で表記される酸化物半導体を用いることができる。ここで、Mは、Ga、Al
、Fe、MnおよびCoから選ばれた一または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導
体として、In3SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を
用いてもよい。
(ナトリウムやリチウム等)などの不純物が低減されて高純度化された酸化物半導体層を
用いる。高純度化された酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法(SIMS:Seco
ndary Ion Mass Spectroscopy)による水素濃度の測定値が
、5×1019/cm3以下、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5
×1017/cm3以下、さらに好ましくは1×1016/cm3以下とする。Naの濃
度の測定値は5×1016atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms
/cm3以下、さらに好ましくは1×1015atoms/cm3以下とし、Liの濃度
の測定値は5×1015atoms/cm3以下、好ましくは1×1015atoms/
cm3以下とし、Kの濃度の測定値は5×1015atoms/cm3以下、好ましくは
1×1015atoms/cm3以下とする。また、ホール効果測定により測定できる酸
化物半導体層のキャリア密度は、1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/
cm3未満、さらに好ましくは1×1011/cm3未満とする。また、酸化物半導体の
バンドギャップは、2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上
である。
料表面近傍や、材質が異なる層との積層界面近傍のデータを正確に得ることが困難である
ことが知られている。そこで、層中におけるアルカリ金属元素濃度や水素濃度の厚さ方向
の分布をSIMSで分析する場合、対象となる層が存在する範囲において、値に極端な変
動が無く、ほぼ一定の値が得られる領域における平均値を、アルカリ金属元素濃度や水素
濃度として採用する。また、測定の対象となる層の厚さが小さい場合、隣接する層内のア
ルカリ金属元素濃度や水素濃度の影響を受けて、ほぼ一定の値が得られる領域を見いだせ
ない場合がある。この場合、当該層が存在する領域における、アルカリ金属元素濃度や水
素濃度の最大値または最小値を、当該層中のアルカリ金属元素濃度や水素濃度として採用
する。さらに、当該層が存在する領域において、最大値を有する山型のピーク、最小値を
有する谷型のピークが存在しない場合、変曲点の値をアルカリ金属元素濃度や水素濃度と
して採用する。
μm以下、好ましくは10yA/μm以下、更に好ましくは1yA/μm以下にすること
ができる。
る。また、上記構成3の場合には、各行のフォトセンサにおいて第4の配線は共有するこ
とができる。
る。また、上記構成4の場合には、各列のフォトセンサにおいて第4の配線は共有するこ
とができる。
とができる。
とができる。または、上記構成3及び構成4において、各行のフォトセンサにおいて第1
の配線は共有することができる。
第4の配線に電気的に接続されている電極を陽極とし、第1のトランジスタに電気的に接
続されている電極を陰極とする場合には、リセット動作では、第4の配線の電位を第1の
電位よりも高い第2の電位とし、蓄積動作では、第4の配線の電位を第1の電位とする。
こうして、リセット動作においてフォトダイオードに順バイアスの電圧を印加し、蓄積動
作において逆バイアスの電圧を印加する。
第4の配線に電気的に接続されている電極を陰極とし、第1のトランジスタに電気的に接
続されている電極を陽極とする場合には、リセット動作では、第4の配線の電位を第1の
電位よりも低い第2の電位とし、蓄積動作では、第4の配線の電位を第1の電位とする。
こうして、リセット動作においてフォトダイオードに順バイアスの電圧を印加し、蓄積動
作において逆バイアスの電圧を印加する。
数のフォトセンサと複数の表示素子とは配置密度が同じであっても良いし、異なっていて
もよい。つまり、表示素子1つに対してフォトセンサ1つが配置されていても良いし、表
示素子2つ以上に対してフォトセンサ1つが配置されていても良いし、フォトセンサ2つ
以上に対して表示素子1つが配置されていても良い。
を有する構成とすることができる。
の液晶素子はバックライトからの光の透過率を制御することによって画像を表示する。
よって発光の輝度が制御される素子であり、発光ダイオード、OLED(Organic
Light Emitting Diode)等が挙げられる。表示素子として発光素
子を用いる場合、マトリクス状に配置された複数の発光素子を発光させることによってバ
ックライトとしても良い。
おかつ高耐圧である。このオフ電流はシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく小さ
い。特に、電子供与体(ドナー)となる水分または水素、アルカリ金属元素等の不純物が
低減されて高純度化され、また酸素欠損を低減した酸化物半導体層は、i型(真性半導体
)又はi型に限りなく近い。そのため、上記酸化物半導体層にチャネルが形成されるトラ
ンジスタは、オフ電流が著しく小さい。
ランジスタ)としてチャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタを用いる。こう
して、外光のノイズを相殺しS/N比の向上した信号成分を取り出すためにリセット動作
及び蓄積動作を行ってから選択動作を行うまでの期間の長さが異なるフォトセンサを有す
る半導体装置においても、トランジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズを低
減することができる。
たトランジスタは、特性の劣化(例えば、ノーマリオン化(しきい値の負へのシフト)、
移動度の低下等)、特性のばらつきが少ない。これは、アルカリ金属、及びアルカリ土類
金属は酸化物半導体層にとっては悪性の不純物であるためである。特にアルカリ金属のう
ち、Naは酸化物半導体層に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Na
+となる。また、酸化物半導体層内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合
中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化(例えば、ノーマリオン化(しきい値
の負へのシフト)、移動度の低下等)をもたらす。加えて、トランジスタの特性のばらつ
きの原因ともなる。このような問題は、特に酸化物半導体層中の水素の濃度が十分に低い
場合において顕著となる。したがって、酸化物半導体層中の水素の濃度が5×1019a
toms/cm3以下、特に5×1018atoms/cm3以下である場合には、アル
カリ金属元素の濃度を上記の値に低減することによって、当該酸化物半導体層にチャネル
が形成されるトランジスタの特性の劣化、特性のばらつきを少なくすることができる。こ
のような酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタを、フォトセンサにおいて
蓄積された電荷を保持するトランジスタ(第1のトランジスタ)として用いることによっ
て、フォトセンサの信頼性を高め、半導体装置の信頼性を高めることができる。
ジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズも低減し、信頼性を高めることができ
る。
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。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。
電極に与えられる電位の高低差によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、nチャネ
ル型トランジスタでは、低い電位が与えられる電極がソース電極と呼ばれ、高い電位が与
えられる電極がドレイン電極と呼ばれる。また、pチャネル型トランジスタでは、低い電
位が与えられる電極がドレイン電極と呼ばれ、高い電位が与えられる電極がソース電極と
呼ばれる。以下、ソース電極とドレイン電極のいずれか一方を第1端子、他方を第2端子
として説明を行う。
或いは伝送可能な状態に相当する。従って、電気的に接続している状態とは、直接接続し
ている状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝
送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介して間
接的に接続している状態も、その範疇に含む。
は、例えば配線の一部が電極として機能する場合など、一の導電膜が、複数の構成要素の
機能を併せ持っている場合もある。
あるトランジスタの第1端子と第2端子のいずれか一方のみが、別のトランジスタの第1
端子と第2端子のいずれか一方のみに電気的に接続されている状態を意味する。また、ト
ランジスタが並列に電気的に接続されている状態とは、あるトランジスタの第1端子が別
のトランジスタの第1端子に電気的に接続され、且つ、あるトランジスタの第2端子が別
のトランジスタの第2端子に電気的に接続されている状態を意味する。
いては、ドレイン電極をソース電極とゲート電極よりも高い電位とした状態において、ソ
ース電極の電位を基準としたときのゲート電極の電位が0以下であるときに、ソース電極
とドレイン電極の間に流れる電流のことを意味する。或いは、本明細書でオフ電流とは、
pチャネル型トランジスタにおいては、ドレイン電極をソース電極とゲート電極よりも低
い電位とした状態において、ソース電極の電位を基準としたときのゲート電極の電位が0
以上であるときに、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流のことを意味する。
符号を付す場合がある。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の具体的な構成について説明する
。
る。フォトセンサ301は、フォトダイオード302と、増幅回路303とを有している
。フォトダイオード302は、光があたると電流が発生する性質を有する光電変換素子で
あり、照射された光の強度により流れる光電流の電流値が定まる。増幅回路303は、当
該光電流に対応した電荷を蓄積し、当該電荷の量を情報として含む出力信号を生成する。
して機能するトランジスタ304と、トランジスタ304の第2端子に与えられる電位に
従って、その第1端子と第2端子間の電流値或いは抵抗値が定まるトランジスタ305と
、当該電流値或いは抵抗値によって定まる出力信号の電位を、配線OUTに供給するため
のスイッチング素子として機能するトランジスタ306とを有する。なお、トランジスタ
304は、フォトダイオード302の光電流に対応した電荷を保持するトランジスタに相
当する。
。また、フォトダイオード302の陰極が、トランジスタ304の第1端子に電気的に接
続されている。トランジスタ304の第2端子は、トランジスタ305のゲートに電気的
に接続されている。また、トランジスタ304のゲートは、配線TXに電気的に接続され
ている。配線TXには、トランジスタ304のスイッチングを制御するための信号の電位
が与えられている。トランジスタ305の第1端子は、配線VRに電気的に接続されてい
る。配線VRには所定の電位、例えば、ハイレベルの電源電位VDDが与えられている。
トランジスタ305の第2端子は、トランジスタ306の第1端子に電気的に接続されて
いる。トランジスタ306の第2端子は、配線OUTに電気的に接続されている。トラン
ジスタ306のゲートは、配線SEに電気的に接続されており、配線SEにはトランジス
タ306のスイッチングを制御する信号の電位が与えられる。そして、配線OUTには、
増幅回路303から出力される出力信号の電位が与えられる。
とすることが特徴である。つまり、トランジスタ304の活性層に酸化物半導体膜を用い
る。
−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Z
n系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物や、三
元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Sn
−Zn系酸化物、In−Al−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−
Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Z
n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−Zn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系酸化物や、二元系金属酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−
Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−
Mg系酸化物、In−Ga系酸化物や、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛などを用い
ることができる。なお、例えば、In−Sn−Ga−Zn系酸化物とは、インジウム(I
n)、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する金属酸化物、という意味で
あり、その組成比は特に問わない。また、上記酸化物半導体は、珪素を含んでいてもよい
。
して有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、Inと
GaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
数でない)で表記される酸化物半導体を用いることができる。ここで、Mは、Ga、Al
、Fe、MnおよびCoから選ばれた一または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導
体として、In3SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を
用いてもよい。
Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)の原子数比のIn−Ga−Zn系
酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=
1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:
1/6:1/2)あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)
の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、
キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密
度等を適切なものとすることが好ましい。
がら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を
上げることができる。
+c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+
C=1)の酸化物の組成の近傍であるとは、a、b、cが、
(a―A)2+(b―B)2+(c―C)2≦r2
を満たすことを言い、rは、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である
。
晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファ
スでもよい。
、これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的
高い移動度を得ることができる。
面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる
。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好まし
く、具体的には、平均面粗さ(Ra)が1nm以下、好ましくは0.3nm以下、より好
ましくは0.1nm以下の表面上に形成するとよい。
できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均
した値」と表現でき、以下の式(1)にて定義される。
1)(x2,y2)で表される4点によって囲まれる長方形の領域)の面積を指し、Z0
は測定面の平均高さを指す。Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force
Microscope)にて評価可能である。
(ナトリウムやリチウム等)などの不純物が低減されて高純度化された酸化物半導体層を
用いる。高純度化された酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法(SIMS:Seco
ndary Ion Mass Spectroscopy)による水素濃度の測定値が
、5×1019/cm3以下、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5
×1017/cm3以下、さらに好ましくは1×1016/cm3以下とする。Naの濃
度の測定値は5×1016atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms
/cm3以下、さらに好ましくは1×1015atoms/cm3以下とし、Liの濃度
の測定値は5×1015atoms/cm3以下、好ましくは1×1015atoms/
cm3以下とし、Kの濃度の測定値は5×1015atoms/cm3以下、好ましくは
1×1015atoms/cm3以下とする。また、ホール効果測定により測定できる酸
化物半導体層のキャリア密度は、1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/
cm3未満、さらに好ましくは1×1011/cm3未満とする。また、酸化物半導体の
バンドギャップは、2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上
である。
電流が低いことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が1×106
μmでチャネル長が10μmのトランジスタであっても、ソース電極とドレイン電極間の
電圧(ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流(ゲート電極とソース
電極間の電圧を0V以下としたときのドレイン電流)が、半導体パラメータアナライザの
測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。この場合
、オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値に相当するオフ電流密度は、100
zA/μm以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量
素子に流入または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて
、オフ電流密度の測定を行った。当該測定では、上記トランジスタに高純度化された酸化
物半導体層をチャネル形成領域に用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当
該トランジスタのオフ電流密度を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレ
イン電極間の電圧が3Vの場合に、数十yA/μmという、さらに低いオフ電流密度が得
られることが分かった。高純度化された酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジ
スタのオフ電流密度を、ソース電極とドレイン電極間の電圧によっては、100yA/μ
m以下、好ましくは10yA/μm以下、更に好ましくは1yA/μm以下にすることが
できる。従って、高純度化された酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタは
、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく低い。
スタ304は、フォトセンサ301において蓄積された電荷を保持するためのスイッチン
グ素子として機能するため、蓄積動作を行った後、選択動作が行われるまでの期間(以下
、電荷保持期間ともいう)における電荷のリークを小さく抑えることができる。また、ト
ランジスタ304をチャネルが非晶質半導体材料でなる層に形成されるトランジスタとし
た場合よりも、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタとすることによって
、トランジスタ304の移動度を高めることができる。
ンジスタ306は、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタであっても良い
し、チャネルが酸化物半導体以外の半導体材料でなる層または基板に形成されるトランジ
スタであってもよい。酸化物半導体以外の半導体材料としては、シリコンまたはゲルマニ
ウム等がある。なお、酸化物半導体以外の半導体材料でなる層または基板は、非晶質、微
結晶、多結晶、または単結晶のいずれであってもよい。
することによって、配線OUTに不必要な電位が出力されるのを防止することができる。
また、トランジスタ305をチャネルが非晶質半導体材料でなる層に形成されるトランジ
スタとした場合よりも、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタとすること
によって、トランジスタ305の移動度を高めることができる。
することによって、配線OUTに不必要な電位が出力されるのを防止することができる。
また、トランジスタ306をチャネルが非晶質半導体材料でなる層に形成されるトランジ
スタとした場合よりも、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタとすること
によって、トランジスタ306の移動度を高めることができる。
いることで、半導体装置のプロセスを簡略化することができる。例えば、フォトセンサ3
01内の全てのトランジスタの活性層に酸化物半導体膜を用いることによって、半導体装
置のプロセスを簡略化することができる。
単結晶のシリコンなどのように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導体材料を
用いることで、フォトセンサ301からの情報の読み出しを高速で行うことができる。
効である。
、フォトダイオード302の陰極がトランジスタ304の第1端子に電気的に接続されて
いる構成を示したがこれに限定されない。図1(B)に示すように、フォトダイオード3
02の陰極が配線PRに電気的に接続され、フォトダイオード302の陽極がトランジス
タ304の第1端子に電気的に接続されていても良い。
05とトランジスタ306がこの順に直列に電気的に接続されている構成を示した。しか
し、これに限定されず、トランジスタ305とトランジスタ306の接続順は逆であって
もよい。つまり、配線VRと配線OUTの間に、トランジスタ306とトランジスタ30
5がこの順に電気的に直列に接続されていてもよい。
のゲートが電気的に接続されているノードを、ノードFDとして示している。ノードFD
に蓄積される電荷の量によって、増幅回路303の出力信号の電位が定まる。ノードFD
において電荷をより確実に保持するために、ノードFDに容量素子を電気的に接続しても
良い。
UTとがフォトセンサ301に接続されている場合を例示しているが、本発明の一態様で
は、フォトセンサ301が有する配線の数はこれに限定されない。上記配線に加えて、増
幅回路303に保持されている電荷の量をリセットするための信号の電位が与えられる配
線などが、フォトセンサ301に接続されていても良い。
するトランジスタ304を一つだけ有するフォトセンサ301の構成を示しているが、本
発明はこの構成に限定されない。本発明の一態様では、一のトランジスタが一のスイッチ
ング素子として機能する構成を示しているが、複数のトランジスタが一のスイッチング素
子として機能していても良い。複数のトランジスタが一のスイッチング素子として機能す
る場合、上記複数のトランジスタは並列に電気的に接続されていても良いし、直列に電気
的に接続されていても良いし、直列と並列が組み合わされて電気的に接続されていても良
い。
側にのみ有している場合を示している。しかしながら、トランジスタ304が、活性層を
間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していてもよい。トランジスタ304が活性層
を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極にはトラン
ジスタ304のスイッチングを制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は所定
の電位が与えられた状態とすることができる。この場合、一対のゲート電極に同じ高さの
電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみグラウンドなどの固定電位が与
えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジ
スタ304の閾値電圧を制御することができる。なお、トランジスタ304のしきい値電
圧に影響を与えないならば、他方のゲート電極は電気的に絶縁されたフローティングの状
態であっても良い。
配線(配線TX、配線PR、配線SE、配線OUT)及びノードFDの電位の変化を示す
タイミングチャートの一例である。
説明するため、配線TX、配線SE、配線PRには、ハイレベルまたはローレベルの電位
が与えられるものと仮定する。具体的に、配線TXには、ハイレベルの電位HTXと、ロ
ーレベルの電位LTXが与えられるものとし、配線SEには、ハイレベルの電位HSEと
、ローレベルの電位LSEが与えられるものとし、配線PRには、ハイレベルの電位HP
Rと、ローレベルの電位LPRが与えられるものとする。
ネル型トランジスタであるとして説明を行う。しかしながら、本発明はこれに限定されず
、トランジスタ304、トランジスタ305及びトランジスタ306のいずれか、または
全てがpチャネル型トランジスタであってもよい。仮に、トランジスタ304、トランジ
スタ305及びトランジスタ306のいずれか、または全てがpチャネル型トランジスタ
である場合においても、各トランジスタのオン状態またはオフ状態が以下の説明と同様に
なるように各配線の電位を定めればよい。
。配線TXの電位が電位HTXになると、トランジスタ304はオン状態になる。なお、
時刻T1において、配線SEには電位LSEが与えられ、配線PRには電位LPRが与え
られている。
、時刻T2において、配線TXの電位は電位HTXのままであり、配線SEの電位は電位
LSEのままである。フォトダイオード302に順バイアスの電圧が印加される。こうし
て、ノードFDには配線PRの電位HPRが与えられるため、ノードFDに保持されてい
る電荷は放電される。
T3の直前まで、ノードFDの電位は電位HPRに保たれているため、配線PRの電位が
電位LPRになると、フォトダイオード302に逆方向バイアスの電圧が印加されること
になる。そして、フォトダイオード302に逆バイアスの電圧が印加された状態で、フォ
トダイオード302に光(被検出物において反射した光等)が入射すると、フォトダイオ
ード302の陰極から陽極に向かって電流(光電流)が流れる。光電流の電流値は入射し
た光の強度に従って変化する。すなわち、フォトダイオード302に入射する光の強度が
高いほど光電流の電流値は高くなり、ノードFDとフォトダイオード302の間を移動す
る電荷の量も大きくなる。逆に、フォトダイオード302に入射する光の強度が低いほど
光電流の電流値は低くなり、ノードFDとフォトダイオード302の間を移動する電荷の
量も小さくなる。よって、ノードFDの電位は、光の強度が高いほど変化が大きく、光の
強度が低いほど変化が小さい。
ンジスタ304はオフ状態になる。よって、ノードFDとフォトダイオード302の間で
の電荷の移動が止まるため、ノードFDの電位が定まる。
ンジスタ306はオン状態になる。すると、ノードFDの電位に応じて配線VRと配線O
UTの間で電荷の移動が生じる。
)を完了させておく。なお、図2では、配線OUTの電位は時刻T5以前にローレベルの
電位にプリチャージされ、時刻T5から時刻T6の間に光強度に応じて配線OUTの電位
が上昇する場合を示したがこれに限定されない。配線OUTの電位は時刻T5以前にハイ
レベルの電位にプリチャージされ、時刻T5から時刻T6の間に光強度に応じて配線OU
Tの電位が低下してもよい。
ジスタ等のスイッチング素子を介して電気的に接続し、当該トランジスタをオン状態とす
ることによって行うことができる。プリチャージ動作を完了した後は、当該トランジスタ
はオフ状態とする。
VRから配線OUTへの電荷の移動が停止し、配線OUTの電位が決定する。この配線O
UTの電位が、フォトセンサ301の出力信号の電位に相当する。そして、出力信号の電
位には、被検出物の情報が含まれている。
ることができる。すなわち、時刻T2から時刻T3までの動作がリセット動作、時刻T3
から時刻T4までの動作が蓄積動作、時刻T5から時刻T6までの動作が選択動作に相当
する。また、蓄積動作が終了してから選択動作が開始されるまでの期間、すなわち、時刻
T4から時刻T5までの期間が、ノードFDにおいて電荷が保持されている電荷保持期間
に相当する。
ノードFDとの間の寄生容量によって、ノードFDの電位が変化する。この電位の変化が
大きい場合、出力信号を正確に出力することができない。配線TXの電位を変化させると
きのノードFDの電位の変化を抑制するために、トランジスタ304のゲートとソースの
間、またはゲートとドレインの間の容量を低減することが有効である。また、トランジス
タ305のゲート容量を増大することが有効である。更に、ノードFDに容量素子を電気
的に接続することが有効である。なお、図2では、これらの対策を施す等して、配線TX
の電位を変化させるときのノードFDの電位の変化は無視できるものとしている。
置の構成の一例を図1(C)に示す。
以上の自然数)列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ301は、複数
の配線PR(配線PR1〜配線PRmと表記する)のいずれか1つと、複数の配線TX(
配線TX1〜配線TXmと表記する)のいずれか1つと、複数の配線SE(配線SE1〜
配線SEmと表記する)のいずれか1つと電気的に接続されている。各列のフォトセンサ
301は、複数の配線OUT(配線OUT1〜配線OUTnと表記する)のいずれか1つ
、複数の配線VR(配線VR1〜配線VRnと表記する)のいずれか1つと電気的に接続
されている。
において配線PRを共有し、各行のフォトセンサにおいて配線SEを共有し、各列のフォ
トセンサにおいて配線OUTを共有し、各列のフォトセンサにおいて配線VRを共有して
いる。しかしながら、本発明はこれに限定されない、各行に2本以上の配線TXを設けて
互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよい。各行に2本以上の配線PR
を設けて互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよい。各行に2本以上の
配線SEを設けて互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよい。各列に2
本以上の配線OUTを設けて互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよい
。各列に2本以上の配線VRを設けて互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続し
てもよい。
がこれに限定されない。配線VRは各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。
、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、配線TXを共有することもできる。m行
n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ301のうち、リセット動作、蓄積動作を
同時に行うフォトセンサにおいて、配線PRを共有することもできる。
配置されたフォトセンサ301を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
を有する半導体装置の動作の一例について図3を用いて説明する。
明した動作と同様である。図3では、各行のフォトセンサ301の、リセット動作、蓄積
動作、選択動作の関係について説明する。
ォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを非点灯として第(p
+1)行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う。図3では、第p行目のフ
ォトセンサ乃至第(p+3)行目のフォトセンサの配線PR(PRp〜PR(p+3))
、配線TX(TXp〜TX(p+3))、配線SE(SEp〜SE(p+3))の電位に
ついて代表して示す。
間をTRpで示す。第(p+1)行目のフォトセンサ及び第(p+3)行目のフォトセン
サでリセット動作を行う期間をTR(p+1)で示す。第p行目のフォトセンサ及び第(
p+2)行目のフォトセンサで蓄積動作を行う期間をTIpで示す。第(p+1)行目の
フォトセンサ及び第(p+3)行目のフォトセンサで蓄積動作を行う期間をTI(p+1
)で示す。第p行目のフォトセンサで選択動作を行う期間をTSpで示す。第(p+1)
行目のフォトセンサで選択動作を行う期間をTS(p+1)で示す。
状態で、第p行目のフォトセンサと第(p+2)行目のフォトセンサにおいてリセット動
作及び蓄積動作を同時に行い、バックライトを非点灯した状態で、第(p+1)行目のフ
ォトセンサ及び第(p+3)行目のフォトセンサにおいてリセット動作及び蓄積動作を同
時に行う例を示した。一般には例えば、バックライトを点灯して被検出物に光を照射した
状態で、奇数行のフォトセンサにおいてリセット動作及び蓄積動作を同時に行い、バック
ライトを非点灯した状態で、偶数行のフォトセンサにおいてリセット動作及び蓄積動作を
同時に行うことができる。
トセンサの選択動作を順次行う。
接する行の選択動作を同時に行うことによって、差分を取得してもよい。この差分は、外
光のノイズが相殺され、S/N比の向上した信号成分である。この差分を用いて被検出物
の撮像画像の生成や被検出物の存在する領域の検出を行う。
検出物はほとんど移動しないとみなすことができる。よって、第p行目のフォトセンサの
出力信号と第(p+1)行目のフォトセンサの出力信号との差分において、被検出物の移
動による影響は少ない。
信号とは1行分のずれがある。しかし、行間隔を狭くすることによって、第p行目のフォ
トセンサの出力信号と第(p+1)行目のフォトセンサの出力信号との差分において、こ
のずれは低減することができる。
目のフォトセンサで、バックライトを点灯して被検出物に光を照射した状態でリセット動
作及び蓄積動作を同時に行い、第(p+1)行目のフォトセンサ及び第(p+3)行目の
フォトセンサで、バックライトを非点灯した状態でリセット動作及び蓄積動作を同時に行
う例を示したがこれに限定されない。バックライトの点灯及び非点灯のタイミングを変え
てもよい。例えば、第p行目のフォトセンサと第(p+2)行目のフォトセンサで、バッ
クライトを非点灯した状態でリセット動作及び蓄積動作を同時に行い、第(p+1)行目
のフォトセンサ及び第(p+3)行目のフォトセンサで、バックライトを点灯して被検出
物に光を照射した状態でリセット動作及び蓄積動作を同時に行ってもよい。
目のフォトセンサで、リセット動作及び蓄積動作を同時に行い、第(p+1)行目のフォ
トセンサ及び第(p+3)行目のフォトセンサで、リセット動作及び蓄積動作を同時に行
う例を示したがこれに限定されない。m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ
において、リセット動作及び蓄積動作のタイミングが異なる行が存在し、リセット動作及
び蓄積動作のタイミングが異なる行においてバックライトの点灯と非点灯とを行えば良い
。例えば、第p行目のフォトセンサと第(p+3)行目のフォトセンサとでリセット動作
及び蓄積動作を同時に行い、第(p+1)行目のフォトセンサと第(p+2)行目のフォ
トセンサとでリセット動作及び蓄積動作を同時に行っても良い。このとき、第p行目のフ
ォトセンサと第(p+3)行目のフォトセンサとでリセット動作及び蓄積動作を行うとき
、バックライトを点灯して被検出物に光を照射し、第(p+1)行目のフォトセンサと第
(p+2)行目のフォトセンサとでリセット動作及び蓄積動作を行うとき、バックライト
を非点灯としても良く、逆に、第p行目のフォトセンサと第(p+3)行目のフォトセン
サとでリセット動作及び蓄積動作を行うとき、バックライトを非点灯とし、第(p+1)
行目のフォトセンサと第(p+2)行目のフォトセンサとでリセット動作及び蓄積動作を
行うとき、バックライトを点灯して被検出物に光を照射しても良い。
ライトの点灯または非点灯が選択されている例を示した。しかしながら、リセット動作を
行う期間ではバックライトの状態はどのような状態であってもかまわない。
てチャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタを用いる。こうして、外光のノイ
ズを相殺しS/N比の向上した信号成分を取り出すためにリセット動作及び蓄積動作を行
ってから選択動作を行うまでの期間(電荷保持期間)の長さが異なるフォトセンサを有す
る半導体装置においても、トランジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズを低
減することができる。
たトランジスタは、特性の劣化(例えば、ノーマリオン化(しきい値の負へのシフト)、
移動度の低下等)、特性のばらつきが少ない。これは、アルカリ金属、及びアルカリ土類
金属は酸化物半導体層にとっては悪性の不純物であるためである。特にアルカリ金属のう
ち、Naは酸化物半導体層に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Na
+となる。また、酸化物半導体層内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合
中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化(例えば、ノーマリオン化(しきい値
の負へのシフト)、移動度の低下等)をもたらす。加えて、トランジスタの特性のばらつ
きの原因ともなる。このような問題は、特に酸化物半導体層中の水素の濃度が十分に低い
場合において顕著となる。したがって、酸化物半導体層中の水素の濃度が5×1019a
toms/cm3以下、特に5×1018atoms/cm3以下である場合には、アル
カリ金属元素の濃度を上記の値に低減することによって、当該酸化物半導体層にチャネル
が形成されるトランジスタの特性の劣化、特性のばらつきを少なくすることができる。こ
のような酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタを、フォトセンサにおいて
蓄積された電荷を保持するトランジスタ(第1のトランジスタ)として用いることによっ
て、フォトセンサの信頼性を高め、半導体装置の信頼性を高めることができる。
ジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズも低減し、信頼性を高めることができ
る。
本発明の一態様に係る半導体装置の構成について説明する。本実施の形態では、マトリ
クス状に配置された複数のフォトセンサに加えて、マトリクス状に配置された複数の表示
素子も有する半導体装置の構成の一例について説明する。このような半導体装置は、タッ
チパネル等と呼ばれ、表示画面が情報入力領域を兼ねる。なお、フォトセンサの構成や、
フォトセンサ同士の接続構成は、図1(C)に示した構成を採用することができる。また
、マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの動作に関しては実施の形態1において
図3を用いて示した動作と同様に行うことができる。
示素子321と、1つのフォトセンサ301とを有している。画素320を基本構成とし
、画素320がm行n列のマトリクス状に複数配置され、情報入力領域を兼ねる表示画面
を構成する。図4では、図1(A)に示した構成を有するフォトセンサ301を画素32
0に用いる場合を例示している。なお、各画素の有する表示素子321とフォトセンサ3
01の数は、図4に示した形態に限定されない。複数のフォトセンサと複数の表示素子と
は配置密度が同じであっても良いし、異なっていてもよい。つまり、表示素子1つに対し
てフォトセンサ1つが配置されていても良いし、表示素子2つ以上に対してフォトセンサ
1つが配置されていても良いし、フォトセンサ2つ以上に対して表示素子1つが配置され
ていても良い。
素子321は、液晶素子322と、液晶素子322の動作を制御するトランジスタなどの
回路素子とを有する。具体的に、図4では、表示素子321が、液晶素子322と、スイ
ッチング素子として機能するトランジスタ323と、容量素子324とを有する場合を例
示している。液晶素子322は、画素電極、対向電極、及び前記画素電極と前記対向電極
とにより電圧が印加される液晶層を有する。
れている。トランジスタ323は、第1端子が信号線SL(SL1、SL2)に電気的に
接続されており、第2端子が液晶素子322の画素電極に電気的に接続されている。容量
素子324が有する一対の電極は、一方が液晶素子322の画素電極に電気的に接続され
、他方は固定の電位が与えられる配線COMに電気的に接続されている。信号線SLには
表示する画像に対応した電位が入力される。トランジスタ323は走査線GLの信号によ
ってオン状態となると、信号線SLの電位は、容量素子324が有する一対の電極のうち
の一方、及び液晶素子322の画素電極に与えられる。容量素子324は、液晶層に印加
する電圧に対応する電荷を保持する。電圧を印加することで液晶層の偏光方向が変化する
ことを利用して液晶層を透過する光の明暗(階調)を作り、画像表示を行う。液晶層を透
過する光にはバックライトから照射される光を用いる。
知の表示装置と同様とすることができる。
に形成されるトランジスタを用いることもできる。トランジスタとしてチャネルが酸化物
半導体層に形成されるトランジスタを用いる場合、そのオフ電流は非常に小さいので、容
量素子324を無くすことも可能である。
に形成されるトランジスタであってもよい。酸化物半導体以外の半導体材料としては、シ
リコンまたはゲルマニウム等がある。なお、酸化物半導体以外の半導体材料でなる層また
は基板は、非晶質、微結晶、多結晶、または単結晶のいずれであってもよい。
で、半導体装置のプロセスを簡略化することができる。例えば、表示素子321及びフォ
トセンサ301内の全てのトランジスタの活性層に酸化物半導体膜を用いることによって
、半導体装置のプロセスを簡略化することができる。
ように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導体材料を用いることで、表示素子
321への画像情報の入力をより高速に行うこともできる。
素子、インダクタンスなどのその他の回路素子を、さらに有していても良い。
どの他の素子を有していてもよい。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御され
る素子であり、具体的には発光ダイオード、OLED(Organic Light E
mitting Diode)等が挙げられる。表示素子321が発光素子を有する場合
、発光素子を発光させることによって、バックライトとしてもよい。
図1(C)に示した構成とは異なる、m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセン
サ301を有する半導体装置の構成について図5を用いて説明する。
行のフォトセンサ301は、複数の配線SE(配線SE1〜配線SEmと表記する)のい
ずれか1つと電気的に接続されている。各列のフォトセンサ301は、複数の配線PR(
配線PR1〜配線PRnと表記する)のいずれか1つと、複数の配線TX(配線TX1〜
配線TXnと表記する)のいずれか1つと、複数の配線OUT(配線OUT1〜配線OU
Tnと表記する)のいずれか1つ、複数の配線VR(配線VR1〜配線VRnと表記する
)のいずれか1つと電気的に接続されている。
て配線PRを共有し、各列のフォトセンサにおいて配線TXを共有し、各列のフォトセン
サにおいて配線OUTを共有し、各列のフォトセンサにおいて配線VRを共有している。
しかしながら、本発明はこれに限定されない、各行に2本以上の配線SEを設けて互いに
異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよい。各列に2本以上の配線PRを設け
て互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよい。各列に2本以上の配線T
Xを設けて互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよい。各列に2本以上
の配線OUTを設けて互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよい。各列
に2本以上の配線VRを設けて互いに異なるフォトセンサ301と電気的に接続してもよ
い。
に限定されない。配線VRは各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。
、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、配線TXを共有することもできる。m行
n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ301のうち、リセット動作、蓄積動作を
同時に行うフォトセンサにおいて、配線PRを共有することもできる。
配置されたフォトセンサ301を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
る半導体装置の動作の一例について図6を用いて説明する。
同様である。図6では、各行のフォトセンサ301の、リセット動作、蓄積動作、選択動
作の関係について説明する。
ォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを非点灯として第(q
+1)列目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行う。図6では、第q列目のフ
ォトセンサ乃至第(q+3)列目のフォトセンサの配線PR(PRq〜PR(q+3))
、配線TX(TXq〜TX(q+3))、第p(pはm以下の自然数)行目のフォトセン
サ乃至第(p+3)行目のフォトセンサの配線SE(SEp〜SE(p+3))の電位に
ついて代表して示す。
間をTRqで示す。第(q+1)列目のフォトセンサ及び第(q+3)列目のフォトセン
サでリセット動作を行う期間をTR(q+1)で示す。第q列目のフォトセンサ及び第(
q+2)列目のフォトセンサで蓄積動作を行う期間をTIqで示す。第(q+1)列目の
フォトセンサ及び第(q+3)列目のフォトセンサで蓄積動作を行う期間をTI(q+1
)で示す。第p行目のフォトセンサで選択動作を行う期間をTSpで示す。第(p+1)
行目のフォトセンサで選択動作を行う期間をTS(p+1)で示す。
状態で、第q列目のフォトセンサと第(q+2)列目のフォトセンサにおいてリセット動
作及び蓄積動作を同時に行い、バックライトを非点灯した状態で、第(q+1)列目のフ
ォトセンサ及び第(q+3)列目のフォトセンサにおいてリセット動作及び蓄積動作を同
時に行う例を示した。一般に例えば、バックライトを点灯して被検出物に光を照射した状
態で、奇数列のフォトセンサにおいてリセット動作及び蓄積動作を同時に行い、バックラ
イトを非点灯した状態で、偶数列のフォトセンサにおいてリセット動作及び蓄積動作を同
時に行うことができる。
トセンサの選択動作を順次行う。なお、選択動作は各行毎に順次行ってもよいし、複数行
同時に行ってもよい。
、外光のノイズが相殺され、S/N比の向上した信号成分である。この差分を用いて被検
出物の撮像画像の生成や被検出物の存在する領域の検出を行う。
検出物はほとんど移動しないとみなすことができる。よって、第q列目のフォトセンサの
出力信号と第(q+1)列目のフォトセンサの出力信号との差分において、被検出物の移
動による影響は少ない。
信号とは1列分のずれがある。しかし、列間隔を狭くすることによって、第q列目のフォ
トセンサの出力信号と第(q+1)列目のフォトセンサの出力信号との差分において、こ
のずれは低減することができる。
目のフォトセンサで、バックライトを点灯して被検出物に光を照射した状態でリセット動
作及び蓄積動作を同時に行い、第(q+1)列目のフォトセンサ及び第(q+3)列目の
フォトセンサで、バックライトを非点灯した状態でリセット動作及び蓄積動作を同時に行
う例を示したがこれに限定されない。バックライトの点灯及び非点灯のタイミングを変え
てもよい。例えば、第q列目のフォトセンサと第(q+2)列目のフォトセンサで、バッ
クライトを非点灯した状態でリセット動作及び蓄積動作を同時に行い、第(q+1)列目
のフォトセンサ及び第(q+3)列目のフォトセンサで、バックライトを点灯して被検出
物に光を照射した状態でリセット動作及び蓄積動作を同時に行ってもよい。
目のフォトセンサで、リセット動作及び蓄積動作を同時に行い、第(q+1)列目のフォ
トセンサ及び第(q+3)列目のフォトセンサで、リセット動作及び蓄積動作を同時に行
う例を示したがこれに限定されない。m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ
において、リセット動作及び蓄積動作のタイミングが異なる列が存在し、リセット動作及
び蓄積動作のタイミングが異なる列においてバックライトの点灯と非点灯とを行えば良い
。例えば、第q列目のフォトセンサと第(q+3)列目のフォトセンサとでリセット動作
及び蓄積動作を同時に行い、第(q+1)列目のフォトセンサと第(q+2)列目のフォ
トセンサとでリセット動作及び蓄積動作を同時に行っても良い。このとき、第q列目のフ
ォトセンサと第(q+3)列目のフォトセンサとでリセット動作及び蓄積動作を行うとき
、バックライトを点灯して被検出物に光を照射し、第(q+1)列目のフォトセンサと第
(q+2)列目のフォトセンサとでリセット動作及び蓄積動作を行うとき、バックライト
を非点灯としても良く、逆に、第q列目のフォトセンサと第(q+3)列目のフォトセン
サとでリセット動作及び蓄積動作を行うとき、バックライトを非点灯とし、第(q+1)
列目のフォトセンサと第(q+2)列目のフォトセンサとでリセット動作及び蓄積動作を
行うとき、バックライトを点灯して被検出物に光を照射しても良い。
ライトの点灯または非点灯が選択されている例を示した。しかしながら、リセット動作を
行う期間ではバックライトの状態はどのような状態であってもかまわない。
てチャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタを用いる。こうして、外光のノイ
ズを相殺しS/N比の向上した信号成分を取り出すためにリセット動作及び蓄積動作を行
ってから選択動作を行うまでの期間(電荷保持期間)の長さが異なるフォトセンサを有す
る半導体装置においても、トランジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズを低
減することができる。
たトランジスタは、特性の劣化(例えば、ノーマリオン化(しきい値の負へのシフト)、
移動度の低下等)、特性のばらつきが少ない。これは、アルカリ金属、及びアルカリ土類
金属は酸化物半導体層にとっては悪性の不純物であるためである。特にアルカリ金属のう
ち、Naは酸化物半導体層に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Na
+となる。また、酸化物半導体層内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合
中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化(例えば、ノーマリオン化(しきい値
の負へのシフト)、移動度の低下等)をもたらす。加えて、トランジスタの特性のばらつ
きの原因ともなる。このような問題は、特に酸化物半導体層中の水素の濃度が十分に低い
場合において顕著となる。したがって、酸化物半導体層中の水素の濃度が5×1019a
toms/cm3以下、特に5×1018atoms/cm3以下である場合には、アル
カリ金属元素の濃度を上記の値に低減することによって、当該酸化物半導体層にチャネル
が形成されるトランジスタの特性の劣化、特性のばらつきを少なくすることができる。こ
のような酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタを、フォトセンサにおいて
蓄積された電荷を保持するトランジスタ(第1のトランジスタ)として用いることによっ
て、フォトセンサの信頼性を高め、半導体装置の信頼性を高めることができる。
ジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズも低減し、信頼性を高めることができ
る。
本発明の一態様に係る半導体装置の構成について説明する。本実施の形態では、マトリ
クス状に配置された複数のフォトセンサに加えて、マトリクス状に配置された複数の表示
素子も有する半導体装置の構成の一例について説明する。本実施の形態では、実施の形態
2において図4と用いて説明した構成とは異なる半導体装置の一例について説明する。こ
のような半導体装置は、タッチパネル等と呼ばれ、表示画面が情報入力領域を兼ねる。な
お、フォトセンサの構成や、フォトセンサ同士の接続構成は、図5に示した構成を採用す
ることができる。また、マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの動作に関しては
実施の形態3において図6を用いて示した動作と同様に行うことができる。
示素子321と、1つのフォトセンサ301とを有している。画素320を基本構成とし
、画素320がm行n列のマトリクス状に複数配置され、情報入力領域を兼ねる表示画面
を構成する。図7では、図1(A)に示した構成を有するフォトセンサ301を画素32
0に用いる場合を例示している。なお、各画素の有する表示素子321とフォトセンサ3
01の数は、図7に示した形態に限定されない。複数のフォトセンサと複数の表示素子と
は配置密度が同じであっても良いし、異なっていてもよい。つまり、表示素子1つに対し
てフォトセンサ1つが配置されていても良いし、表示素子2つ以上に対してフォトセンサ
1つが配置されていても良いし、フォトセンサ2つ以上に対して表示素子1つが配置され
ていても良い。
素子321は、液晶素子322と、液晶素子322の動作を制御するトランジスタなどの
回路素子とを有する。具体的に、図7では、表示素子321が、液晶素子322と、スイ
ッチング素子として機能するトランジスタ323と、容量素子324とを有する場合を例
示している。液晶素子322は、画素電極、対向電極、及び前記画素電極と前記対向電極
とにより電圧が印加される液晶層を有する。
れている。トランジスタ323は、第1端子が信号線SL(SL1、SL2)に電気的に
接続されており、第2端子が液晶素子322の画素電極に電気的に接続されている。容量
素子324が有する一対の電極は、一方が液晶素子322の画素電極に電気的に接続され
、他方は固定の電位が与えられる配線COMに電気的に接続されている。信号線SLには
表示する画像に対応した電位が入力される。トランジスタ323は走査線GLの信号によ
ってオン状態となると、信号線SLの電位は、容量素子324が有する一対の電極のうち
の一方、及び液晶素子322の画素電極に与えられる。容量素子324は、液晶層に印加
する電圧に対応する電荷を保持する。電圧を印加することで液晶層の偏光方向が変化する
ことを利用して液晶層を透過する光の明暗(階調)を作り、画像表示を行う。液晶層を透
過する光にはバックライトから照射される光を用いる。
知の表示装置と同様とすることができる。
に形成されるトランジスタを用いることもできる。トランジスタとしてチャネルが酸化物
半導体層に形成されるトランジスタを用いる場合、そのオフ電流は非常に小さいので、容
量素子324を無くすことも可能である。
に形成されるトランジスタであってもよい。酸化物半導体以外の半導体材料としては、シ
リコンまたはゲルマニウム等がある。なお、酸化物半導体以外の半導体材料でなる層また
は基板は、非晶質、微結晶、多結晶、または単結晶のいずれであってもよい。
で、半導体装置のプロセスを簡略化することができる。例えば、表示素子321及びフォ
トセンサ301内の全てのトランジスタの活性層に酸化物半導体膜を用いることによって
、半導体装置のプロセスを簡略化することができる。
ように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導体材料を用いることで、表示素子
321への画像情報の入力をより高速に行うこともできる。
素子、インダクタンスなどのその他の回路素子を、さらに有していても良い。
どの他の素子を有していてもよい。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御され
る素子であり、具体的には発光ダイオード、OLED等が挙げられる。表示素子321が
発光素子を有する場合、発光素子を発光させることによって、バックライトとしてもよい
。
図7に示した画素320の上面図の一例を、図8に示す。図8に示す画素320は、図
7と同様に、一のフォトセンサ301と、4つの表示素子321とを有している。
査線GLとして機能する導電膜201と、信号線SLとして機能する導電膜202と、配
線COMとして機能する導電膜203とを有している。導電膜201は、トランジスタ3
23のゲート電極としても機能する。また、導電膜202は、トランジスタ323の第1
端子としても機能する。さらに、表示素子321は、画素電極204、導電膜205、導
電膜206を有している。導電膜206は、トランジスタ323の第2端子として機能す
る。そして、導電膜206と画素電極204は電気的に接続されている。
能する導電膜203と導電膜205とが、ゲート絶縁膜を間に挟んで重なり合っている部
分が容量素子324として機能する。
り明確にするために、ゲート絶縁膜を含む各種絶縁膜を図示していない。
工することで形成することができる。導電膜201、導電膜205上にはゲート絶縁膜が
形成されている。さらに、導電膜202、導電膜203、導電膜206は、ゲート絶縁膜
上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することができる。
物半導体を用いている場合、図9に示すように、ゲート電極として機能する導電膜201
に活性層253が完全に重なる構成を用いることが望ましい。上記構成を採用することで
、基板側から入射した光により活性層253中の酸化物半導体が劣化するのを防ぎ、よっ
て、トランジスタ323の閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされるのを
防ぐことができる。
10(B)には、図10(A)の破線A1―A2における断面図を示す。
する導電膜211と、配線SEとして機能する導電膜212と、配線VRとして機能する
導電膜213と、配線OUTとして機能する導電膜214とを有している。
膜215と、i型の半導体膜216と、n型の半導体膜217とを有している。導電膜2
10は、フォトダイオード302の陽極として機能するp型の半導体膜215に電気的に
接続されている。
機能しており、さらに、導電膜211に電気的に接続されている。フォトセンサ301の
有する導電膜219は、トランジスタ304の第1端子として機能する。フォトセンサ3
01の有する導電膜220は、トランジスタ304の第2端子として機能する。フォトセ
ンサ301の有する導電膜221は、n型の半導体膜217と、導電膜219とに電気的
に接続されている。フォトセンサ301の有する導電膜222は、トランジスタ305の
ゲート電極として機能しており、さらに、導電膜220に電気的に接続されている。
能する。フォトセンサ301の有する導電膜224は、トランジスタ305の第2端子、
及びトランジスタ306の第1端子として機能する。また、導電膜214は、トランジス
タ306の第2端子として機能する。導電膜212は、トランジスタ306のゲート電極
としても機能する。フォトセンサ301の有する導電膜225は、導電膜223及び導電
膜213に電気的に接続されている。
する導電膜210に電気的に接続されている。また、フォトセンサ301の有する導電膜
227は、配線TXとして機能する導電膜211に電気的に接続されている。
27は、絶縁表面上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成すること
ができる。導電膜212、導電膜218、導電膜222、導電膜225、導電膜226、
導電膜227上にはゲート絶縁膜228が形成されている。さらに、導電膜210、導電
膜211、導電膜213、導電膜214、導電膜219、導電膜220、導電膜223、
導電膜224は、ゲート絶縁膜228上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工する
ことで形成することができる。
電膜220、導電膜223、導電膜224の上には、絶縁膜281及び絶縁膜282が形
成されている。絶縁膜281及び絶縁膜282の上に、導電膜221が形成される。
た状態を示している。表示素子も有する半導体装置の場合は、フォトセンサ301に加え
て表示素子321が画素320に設けられているので、実際には、導電膜221を形成し
た後に、液晶素子の形成を行う。
04はボトムゲート型である場合、図10に示すように、ゲート電極として機能する導電
膜218に活性層250が完全に重なる構成を用いることが望ましい。上記構成を採用す
ることで、基板251側から入射した光により活性層250中の酸化物半導体が劣化する
のを防ぎ、よって、トランジスタ304の閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き
起こされるのを防ぐことができる。なお、トランジスタ305と、トランジスタ306に
ついても、上記構成を採用することで、同様の効果が得られる。
場合、同じく行方向に延びて配置され、配線TXと平行な配線SEが存在する。配線SE
はトランジスタ306のゲート電極と電気的に接続されるため、配線SEの一部をトラン
ジスタ306のゲート電極として用いると、配線SEと平行な配線TXもトランジスタ3
06のゲート電極と同じ層に当該ゲート電極と同じ材料によって形成するのが一般的であ
る。しかしながら、トランジスタのゲート電極に用いられる材料はソース電極やドレイン
電極に用いられる材料と比べて、一般的に抵抗が高い材料である。そのため、配線TXの
抵抗が高くなる。
配線TXが列方向に延びて配置される構成である。そのため、行方向に延びて配置される
配線SEとは別の層に形成された導電膜を用いて、配線TXを形成することができる。例
えば、図10に示したように、フォトセンサを構成するトランジスタ(トランジスタ30
4、トランジスタ305、トランジスタ306等)のゲート電極を構成する導電膜(導電
膜212、導電膜218、導電膜222)とは異なる層に形成された導電膜211によっ
て配線TXを形成することができる。導電膜211は、導電膜214、導電膜219、導
電膜220、導電膜224等、フォトセンサを構成するトランジスタ(トランジスタ30
4、トランジスタ305、トランジスタ306等)のソース電極やドレイン電極と同じ層
に当該ソース電極や当該ドレイン電極と同じ材料によって形成することができる。そのた
め、配線TXの抵抗値を小さくすることができる。
サ301のフォトダイオード302とが図示されている。トランジスタ323の第2端子
として機能する導電膜206は、画素電極204に電気的に接続されている。フォトダイ
オード302に電気的に接続されている導電膜221と、画素電極204とは、トランジ
スタ323とフォトダイオード302を覆っている絶縁膜282上に形成された一の導電
膜を、所望の形状に加工することで形成することができる。
置されている。基板236上には対向電極233が形成されており、画素電極204と対
向電極233の間には液晶を含む液晶層234が設けられている。画素電極204と、対
向電極233と、液晶層234とが重なる部分に液晶素子322が形成される。
に、配向膜を適宜設けても良い。配向膜は、ポリイミド、ポリビニルアルコールなどの有
機樹脂を用いて形成することができ、その表面には、ラビングなどの、液晶分子を一定方
向に配列させるための配向処理が施されている。ラビングは、配向膜に接するように、ナ
イロンなどの布を巻いたローラーを回転させて、上記配向膜の表面を一定方向に擦ること
で、行うことができる。なお、酸化珪素などの無機材料を用い、配向処理を施すことなく
、蒸着法で配向特性を有する配向膜を直接形成することも可能である。
)を用いても良いし、ディップ式(汲み上げ式)を用いていても良い。
ションが視認されるのを防ぐため、或いは、拡散した光が隣接する複数の画素に並行して
入射するのを防ぐために、光を遮蔽することができる遮蔽膜235が設けられている。遮
蔽膜235には、カーボンブラック、二酸化チタンよりも酸化数が小さい低次酸化チタン
などの黒色顔料を含む有機樹脂を用いることができる。または、クロムを用いた膜で、遮
蔽膜を形成することも可能である。
ましい。遮蔽膜235を形成することで、表示素子321及びフォトセンサ301を構成
しているトランジスタの活性層に酸化物半導体が用いられていても、遮蔽膜235により
活性層が遮光されるので、酸化物半導体の光劣化を防ぎ、トランジスタの閾値電圧がシフ
トするなどの特性の劣化が引き起こされるのを防ぐことができる。
れるトランジスタにおいても、ゲート電極或いは遮蔽膜による活性層の遮光を行うことで
、トランジスタの閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされるのを防ぐこと
ができる。
TSO)、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム亜鉛(
IZO)、ガリウムを添加した酸化亜鉛(GZO)などの透光性を有する導電材料を用い
ることができる。
リック液晶、スメクチック液晶、ディスコチック液晶、サーモトロピック液晶、リオトロ
ピック液晶、低分子液晶、高分子分散型液晶(PDLC)、強誘電液晶、反強誘電液晶、
主鎖型液晶、側鎖型高分子液晶、バナナ型液晶などを挙げることができる。
N(Super Twisted Nematic)モード、VA(Vertical
Alignment)モード、MVA(Multi−domain Vertical
Alignment)モード、IPS(In−Plane Switching)モード
、OCB(Optically Compensated Birefringence
)モード、ECB(Electrically Controlled Birefri
ngence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crys
tal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Cr
ystal)モード、PDLC(Polymer Dispersed Liquid
Crystal)モード、PNLC(Polymer Network Liquid
Crystal)モード、ゲストホストモードなどを適用することが可能である。
は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等
方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため
、カイラル剤や紫外線硬化樹脂を添加して温度範囲を改善する。ブルー相を示す液晶とカ
イラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が10μsec.以上100μsec.以下と
短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さいため好まし
い。
る構造を有する液晶素子を例に挙げて説明したが、本発明の一態様に係る半導体装置はこ
の構成に限定されない。IPS型の液晶素子やブルー相を用いた液晶素子のように、一対
の電極が共に一の基板に形成されていても良い。
が、液晶素子322を通った後、遮蔽膜235に形成された開口部241を通り、基板2
36を透過する。そして、基板236を透過した光は、被検出物240である指において
反射し、再び基板236に入射する。基板236に入射した光は、遮蔽膜235に形成さ
れた開口部242を通り、フォトダイオード302に入射する。
が、本発明の一態様に係る半導体装置は、半透過型の液晶素子を用いていても良いし、反
射型の液晶素子を用いていても良い。反射型の液晶素子を用いる場合、画素電極204に
は外光を反射する導電性の材料、例えば、アルミニウム、チタン、銀、ロジウム、ニッケ
ルなどの可視光の反射率が高い金属、或いは、これら金属の少なくとも1つを含む合金を
用いる。なお、半透過型、或いは反射型の液晶素子を用いる場合、図11の場合とは異な
り、異なる材料で形成された導電膜を所望の形状に加工することで、導電膜221と画素
電極204とをそれぞれ形成する。
遮蔽膜235が、表示素子321の画素電極204と重なる領域に開口部241を有し、
フォトセンサ301のフォトダイオード302と重なる領域に開口部242を有している
。
本実施の形態では、図1(A)及び図1(B)とは異なる回路構成を有するフォトセン
サ301について説明する。
フォトダイオード302と、増幅回路303とを有している。フォトダイオード302は
、光があたると電流が発生する性質を有する光電変換素子であり、照射された光の強度に
より流れる光電流の電流値が定まる。増幅回路303は、当該光電流に対応した電荷を蓄
積し、当該電荷の量を情報として含む出力信号を生成する。
して機能するトランジスタ304と、トランジスタ304の第2端子に与えられる電位に
従って、その第1端子と第2端子間の電流値或いは抵抗値が定まるトランジスタ305と
、当該電流値或いは抵抗値によって定まる出力信号の電位を、配線OUTに供給するため
のスイッチング素子として機能するトランジスタ306と、配線VRの電位をトランジス
タ305のゲート電極に供給するためのスイッチング素子として機能するトランジスタ3
07とを有する。なお、トランジスタ304は、フォトダイオード302の光電流に対応
した電荷を保持するトランジスタに相当する。
る。また、フォトダイオード302の陰極が、トランジスタ304の第1端子に電気的に
接続されている。トランジスタ304の第2端子は、トランジスタ305のゲートに電気
的に接続されている。また、トランジスタ304のゲートは、配線TXに電気的に接続さ
れている。配線TXには、トランジスタ304のスイッチングを制御するための信号の電
位が与えられている。トランジスタ305の第1端子は、配線VRに電気的に接続されて
いる。配線VRには所定の電位、例えば、ハイレベルの電源電位VDDが与えられている
。トランジスタ305の第2端子は、トランジスタ306の第1端子に電気的に接続され
ている。トランジスタ306の第2端子は、配線OUTに電気的に接続されている。トラ
ンジスタ306のゲートは、配線SEに電気的に接続されており、配線SEにはトランジ
スタ306のスイッチングを制御する信号の電位が与えられる。トランジスタ307の第
1端子は配線VRに電気的に接続されている。トランジスタ307の第2端子はトランジ
スタ305のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ307のゲートは、配線R
Sに電気的に接続されており、配線RSにはトランジスタ307のスイッチングを制御す
る信号の電位が与えられる。そして、配線OUTには、増幅回路303から出力される出
力信号の電位が与えられる。
とすることが特徴である。つまり、トランジスタ304の活性層に酸化物半導体膜を用い
る。
−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Z
n系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物や、三
元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Sn
−Zn系酸化物、In−Al−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−
Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Z
n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−Zn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系酸化物や、二元系金属酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−
Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−
Mg系酸化物、In−Ga系酸化物や、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛などを用い
ることができる。なお、例えば、In−Sn−Ga−Zn系酸化物とは、インジウム(I
n)、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する金属酸化物、という意味で
あり、その組成比は特に問わない。また、上記酸化物半導体は、珪素を含んでいてもよい
。
して有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、Inと
GaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
数でない)で表記される酸化物半導体を用いることができる。ここで、Mは、Ga、Al
、Fe、MnおよびCoから選ばれた一または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導
体として、In3SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を
用いてもよい。
(ナトリウムやリチウム等)などの不純物が低減されて高純度化された酸化物半導体層を
用いる。高純度化された酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法(SIMS:Seco
ndary Ion Mass Spectroscopy)による水素濃度の測定値が
、5×1019/cm3以下、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5
×1017/cm3以下、さらに好ましくは1×1016/cm3以下とする。Naの濃
度の測定値は5×1016atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms
/cm3以下、さらに好ましくは1×1015atoms/cm3以下とし、Liの濃度
の測定値は5×1015atoms/cm3以下、好ましくは1×1015atoms/
cm3以下とし、Kの濃度の測定値は5×1015atoms/cm3以下、好ましくは
1×1015atoms/cm3以下とする。また、ホール効果測定により測定できる酸
化物半導体層のキャリア密度は、1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/
cm3未満、さらに好ましくは1×1011/cm3未満とする。また、酸化物半導体の
バンドギャップは、2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上
である。
は、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が1×106μmでチャネル
長が10μmのトランジスタであっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧(ドレイン
電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流(ゲート電極とソース電極間の電圧を
0V以下としたときのドレイン電流)が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、
すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。この場合、オフ電流をト
ランジスタのチャネル幅で除した数値に相当するオフ電流密度は、100zA/μm以下
であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子に流入また
は容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電流密度
の測定を行った。当該測定では、上記トランジスタに酸化物半導体層をチャネル形成領域
に用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流密度
を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が3Vの場合
に、数十yA/μmという、さらに低いオフ電流密度が得られることが分かった。酸化物
半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流密度を、ソース電極とドレイン
電極間の電圧によっては、100yA/μm以下、好ましくは10yA/μm以下、更に
好ましくは1yA/μm以下にすることができる。従って、酸化物半導体層にチャネルが
形成されるトランジスタは、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタ
に比べて著しく低い。
スタ304は、フォトセンサ301において蓄積された電荷を保持するためのスイッチン
グ素子として機能するため、電荷保持期間における電荷のリークを小さく抑えることがで
きる。また、トランジスタ304をチャネルが非晶質半導体材料でなる層に形成されるト
ランジスタとした場合よりも、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタとす
ることによって、トランジスタ304の移動度を高めることができる。
ランジスタ306、トランジスタ307は、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトラ
ンジスタであっても良いし、チャネルが酸化物半導体以外の半導体材料でなる層または基
板に形成されるトランジスタであってもよい。酸化物半導体以外の半導体材料としては、
シリコンまたはゲルマニウム等がある。なお、酸化物半導体以外の半導体材料でなる層ま
たは基板は、非晶質、微結晶、多結晶、または単結晶のいずれであってもよい。
することによって、配線OUTに不必要な電位が出力されるのを防止することができる。
また、トランジスタ305をチャネルが非晶質半導体材料でなる層に形成されるトランジ
スタとした場合よりも、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタとすること
によって、トランジスタ305の移動度を高めることができる。
することによって、配線OUTに不必要な電位が出力されるのを防止することができる。
また、トランジスタ306をチャネルが非晶質半導体材料でなる層に形成されるトランジ
スタとした場合よりも、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタとすること
によって、トランジスタ306の移動度を高めることができる。
いることで、半導体装置のプロセスを簡略化することができる。例えば、フォトセンサ3
01内の全てのトランジスタの活性層に酸化物半導体膜を用いることによって、半導体装
置のプロセスを簡略化することができる。
単結晶のシリコンなどのように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導体材料を
用いることで、フォトセンサ301からの情報の読み出しを高速で行うことができる。
れ、フォトダイオード302の陰極がトランジスタ304の第1端子に電気的に接続され
ている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード302の陰極が配線PRに
電気的に接続され、フォトダイオード302の陽極がトランジスタ304の第1端子に電
気的に接続されていても良い。
ジスタ306がこの順に電気的に直列に接続されている構成を示した。しかし、これに限
定されず、トランジスタ305とトランジスタ306の接続順は逆であってもよい。つま
り、図13(B)に示すように、配線VRと配線OUTの間に、トランジスタ306とト
ランジスタ305がこの順に電気的に直列に接続されていてもよい。
307の第1端子と、トランジスタ305のゲート電極とが接続されているノードを、ノ
ードFDとして示している。ノードFDに蓄積される電荷の量によって、出力信号の電位
が定まる。ノードFDにおいて電荷をより確実に保持するために、ノードFDに容量素子
を電気的に接続しても良い。
機能するトランジスタ304を一つだけ有するフォトセンサ301の構成を示しているが
、本発明はこの構成に限定されない。本発明の一態様では、一のトランジスタが一のスイ
ッチング素子として機能する構成を示しているが、複数のトランジスタが一のスイッチン
グ素子として機能していても良い。複数のトランジスタが一のスイッチング素子として機
能する場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていても良いし、直列に接続され
ていても良いし、直列と並列が組み合わされて接続されていても良い。
の片側にのみ有している場合を示している。トランジスタ304が、活性層を間に挟んで
存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極にはトランジスタ304
のスイッチングを制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は所定の電位が与え
られた状態とすることができる。この場合、一対のゲート電極に同じ高さの電位が与えら
れていても良いし、他方のゲート電極にのみグラウンドなどの固定電位が与えられていて
も良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ304の
閾値電圧を制御することができる。なお、トランジスタ304のしきい値電圧に影響を与
えないならば、他方のゲート電極は電気的に絶縁されたフローティングの状態であっても
良い。
13(B)に示した各配線(配線TX、配線RS、配線SE、配線OUT)及びノードF
Dの電位の変化を示すタイミングチャートの一例である。
く説明するため、配線TX、配線RS、配線SEには、ハイレベルまたはローレベルの電
位が与えられるものと仮定する。具体的に、配線TXには、ハイレベルの電位HTXと、
ローレベルの電位LTXが与えられるものとし、配線SEには、ハイレベルの電位HSE
と、ローレベルの電位LSEが与えられるものとし、配線RSには、ハイレベルの電位H
RSと、ローレベルの電位LRSが与えられるものとする。なお、配線PRには、一定の
電位、例えば、ローレベルの電源電位VSSが与えられている。
タ307は全てnチャネル型トランジスタであるとして説明を行う。しかしながら、本発
明はこれに限定されず、トランジスタ304、トランジスタ305、トランジスタ306
及びトランジスタ307のいずれか、または全てがpチャネル型トランジスタであっても
よい。仮に、トランジスタ304、トランジスタ305、トランジスタ306及びトラン
ジスタ307のいずれか、または全てがpチャネル型トランジスタである場合においても
、各トランジスタのオン状態またはオフ状態が以下の説明と同様になるように各配線の電
位を定めればよい。
。配線TXの電位が電位HTXになると、トランジスタ304はオン状態になる。なお、
時刻T1において、配線SEには電位LSEが与えられ、配線RSには電位LRSが与え
られている。
る。配線RSの電位が電位HRSになると、トランジスタ307はオン状態になる。また
、時刻T2において、配線TXの電位は電位HTXのままであり、配線SEの電位は電位
LSEのままである。よって、ノードFDには電源電位VDDが与えられるため、ノード
FDに保持されている電荷はリセットされる。また、フォトダイオード302には、逆バ
イアスの電圧が印加される。
る。時刻T3の直前まで、ノードFDの電位は電源電位VDDに保たれているため、配線
RSの電位が電位LRSになった後も、フォトダイオード302に逆バイアスの電圧が印
加された状態が続く。そして、この状態で、フォトダイオード302に光が入射すると、
フォトダイオード302の陰極から陽極に向かって光電流が流れる。光電流の値は光の強
度に従って変化する。すなわち、フォトダイオード302に入射する光の強度が高いほど
光電流の電流値は高くなり、ノードFDとフォトダイオード302の間を移動する電荷の
量も大きくなる。逆に、フォトダイオード302に入射する光の強度が低いほど光電流の
電流値は低くなり、ノードFDとフォトダイオード302の間を移動する電荷の量は小さ
くなる。よって、ノードFDの電位は、光の強度が高いほど変化が大きく、光の強度が低
いほど変化が小さい。
と、トランジスタ304はオフ状態になる。よって、ノードFDとフォトダイオード30
2の間の電荷の移動が止まるため、ノードFDの電位が定まる。
と、トランジスタ306はオン状態になる。すると、ノードFDの電位に応じて配線VR
と配線OUTの間で電荷の移動が生じる。
)を完了させておく。なお、図13(A)では、配線OUTの電位は時刻T5以前にロー
レベルの電位にプリチャージされ、時刻T5から時刻T6の間に光強度に応じて配線OU
Tの電位が上昇する場合を示したがこれに限定されない。配線OUTの電位は時刻T5以
前にハイレベルの電位にプリチャージされ、時刻T5から時刻T6の間に光強度に応じて
配線OUTの電位が低下してもよい。
ジスタ等のスイッチング素子を介して電気的に接続し、当該トランジスタをオン状態とす
ることによって行うことができる。プリチャージ動作を完了した後は、当該トランジスタ
はオフ状態とする。
VRから配線OUTへの電荷の移動が停止し、配線OUTの電位が決定する。この配線O
UTの電位が、フォトセンサ301の出力信号の電位に相当する。そして、出力信号の電
位には、被検出物の情報が含まれている。
ることができる。すなわち、時刻T2から時刻T3までの動作がリセット動作、時刻T3
から時刻T4までの動作が蓄積動作、時刻T5から時刻T6までの動作が選択動作に相当
する。また、蓄積動作が終了してから選択動作が開始されるまでの期間、すなわち、時刻
T4から時刻T5までの期間が、ノードFDにおいて電荷が保持されている電荷保持期間
に相当する。
本実施の形態では、単結晶シリコン等の半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタ
と、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタとを有する半導体装置の作製方
法について説明する。
用いて、フォトダイオード704、nチャネル型トランジスタ705を形成する。本実施
の形態では、単結晶の半導体基板から分離された単結晶半導体膜を用いて、フォトダイオ
ード704、nチャネル型トランジスタ705を形成する場合を例に挙げている。単結晶
の半導体基板としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。
半導体基板に、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを注入し、半導体基板の表面
から一定の深さの領域に、結晶構造が乱されることで局所的に脆弱化された脆化層を形成
する。脆化層が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビーム
の入射角によって調節することができる。そして、半導体基板と、絶縁膜701が形成さ
れた基板700とを、間に当該絶縁膜701が挟まるように貼り合わせる。貼り合わせで
は、半導体基板と基板700とを重ね合わせた後、半導体基板と基板700の一部に、1
N/cm2以上500N/cm2以下、好ましくは11N/cm2以上20N/cm2以
下程度の圧力を加える。圧力を加えると、その部分から半導体基板と絶縁膜701とが接
合を開始し、最終的には密着した面全体に接合がおよぶ。次いで、加熱処理を行うことで
、脆化層に存在する微小ボイドどうしが結合して、微小ボイドの体積が増大する。その結
果、脆化層において半導体基板の一部である単結晶半導体膜が、半導体基板から分離する
。上記加熱処理の温度は、基板700の歪み点を越えない温度とする。そして、上記単結
晶半導体膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、島状の半導体膜702、
島状の半導体膜703を形成することができる。
ており、nチャネル型トランジスタ705は、絶縁膜701上の島状の半導体膜703を
用いて形成されている。また、フォトダイオード704は、島状の半導体膜702内にp
型の導電性を有する領域727と、i型の導電性を有する領域728と、n型の導電性を
有する領域729とが形成された横型接合タイプである。また、nチャネル型トランジス
タ705は、ゲート電極707を有している。nチャネル型トランジスタ705は、島状
の半導体膜703内に、ゲート電極707と重なる領域を挟むように設けられた一対のn
型の導電性を有する領域を含む。そして、nチャネル型トランジスタ705は、島状の半
導体膜703とゲート電極707の間に、絶縁膜708を有する。nチャネル型トランジ
スタ705において、絶縁膜708はゲート絶縁膜として機能する。
型を付与する不純物が1×1020cm−3以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導
度が100倍以上である領域を指す。i型の導電性を有する領域728には、周期表第1
3族若しくは第15族の不純物元素を有するものもその範疇に含む。すなわち、i型の半
導体は、価電子制御を目的とした不純物元素を意図的に添加しないときに弱いn型の電気
伝導性を示すので、i型の導電性を有する領域728は、p型を付与する不純物元素を、
成膜時或いは成膜後に、意図的若しくは非意図的に添加されたものをその範疇に含む。
透過型の液晶素子を用いる場合、基板700も透光性を有する素材とする。また、基板7
00として使用することができる素材は、少なくとも、後の加熱処理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。例えば、基板700には、フュージョン法やフロー
ト法で作製されるガラス基板、石英基板、セラミック基板等を用いることができる。ガラ
ス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が730℃以上のものを用
いると良い。プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基
板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであ
れば用いることが可能である。
ネル型トランジスタ705を形成する例について説明しているが、本発明はこの構成に限
定されない。例えば、絶縁膜701上に気相成長法を用いて形成された多結晶、微結晶の
半導体膜を用いても良いし、上記半導体膜を公知の技術により結晶化しても良い。公知の
結晶化方法としては、レーザ光を用いたレーザ結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法があ
る。或いは、触媒元素を用いる結晶化法とレーザ結晶化法とを組み合わせて用いることも
できる。また、石英のような耐熱性に優れている基板を用いる場合、電熱炉を使用した熱
結晶化方法、赤外光を用いたランプアニール結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法、95
0℃程度の高温アニール法を組み合わせた結晶化法を用いても良い。
ング等により所望の形状に加工することで、ゲート電極707と共に、配線711を形成
する。
スタ705、配線711を覆うように、絶縁膜712を形成する。なお、本実施の形態で
は、単層の絶縁膜712を用いる場合を例示しているが、絶縁膜712は単層である必要
はなく、2層以上の絶縁膜を積層させて絶縁膜712として用いても良い。
的に、絶縁膜712として、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化ア
ルミニウム、酸化アルミニウムなどを用いるのが望ましい。
多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多
い物質を意味する。
。
ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料、或いは
これら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において
行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム、銅を
用いることもできる。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために
、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、
チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることがで
きる。
デン膜が積層された二層の積層構造、銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、銅膜上
に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、または、窒化チタン膜とモ
リブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。3層の積層構造を有するゲート
電極713としては、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウム
とチタンの合金膜またはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜
、窒化タングステン膜、窒化チタン膜またはチタン膜を上下層として積層した構造とする
ことが好ましい。
酸化亜鉛、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、または酸化亜鉛
ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることもできる。
mとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により150
nmのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加
工(パターニング)することで、ゲート電極713を形成する。なお、形成されたゲート
電極の端部がテーパー形状であると、上に積層するゲート絶縁膜の被覆性が向上するため
好ましい。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスク
をインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減でき
る。
成した後、ゲート絶縁膜714上においてゲート電極713と重なる位置に、酸化物半導
体層715を形成する。
膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニ
ウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜または酸
化タンタル膜を単層で又は積層させて形成することができる。ゲート絶縁膜714は、水
分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましい。スパッタリング法により
酸化珪素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲッ
トを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いる。
酸化物半導体層(高純度化された酸化物半導体層)は界面準位、界面電荷に対して極めて
敏感であるため、酸化物半導体層715とゲート絶縁膜714との界面は重要である。そ
のため高純度化された酸化物半導体層715に接するゲート絶縁膜714は、高品質化が
要求される。
縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。酸化物半導体層と高品質ゲート
絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なものとすることが
できるからである。
タリング法やプラズマCVD法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後
の熱処理によって膜質や、酸化物半導体層715との界面特性が改善される絶縁膜であっ
ても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であることは勿論のこと、
ゲート絶縁膜と酸化物半導体層との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるもの
であれば良い。
素膜などの絶縁膜とを積層させた構造を有するゲート絶縁膜714を形成しても良い。こ
の場合、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜は、バリア性の高い絶縁膜と酸化物半
導層の間に形成する。バリア性の高い絶縁膜として、例えば窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜
、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などが挙げられる。バリア性の高
い絶縁膜を用いることで、水分または水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板内に含ま
れるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体層内、ゲート絶縁膜714内、
或いは、酸化物半導体層と他の絶縁膜の界面とその近傍に入り込むのを防ぐことができる
。また、酸化物半導体層に接するように窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素
膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い絶縁膜が直接酸化物半導体層に接する
のを防ぐことができる。
m以下の窒化珪素膜(SiNy(y>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲ
ート絶縁膜として膜厚5nm以上300nm以下の酸化珪素膜(SiOx(x>0))を
積層して、膜厚100nmのゲート絶縁膜714としても良い。ゲート絶縁膜714の膜
厚は、トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、350nm乃至40
0nm程度でもよい。
法で形成された膜厚100nmの酸化珪素膜を積層させた構造を有する、ゲート絶縁膜7
14を形成する。
、水素が含有されると特性に悪影響を及ぼすので、ゲート絶縁膜714は水素、水酸基お
よび水分が含まれないことが望ましい。ゲート絶縁膜714に水素、水酸基及び水分がな
るべく含まれないようにするためには、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備
加熱室でゲート電極713が形成された基板700を予備加熱し、基板700に吸着した
水分または水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は
、100℃以上400℃以下、好ましくは150℃以上300℃以下である。なお、予備
加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略
することもできる。
状に加工することで、形成することができる。酸化物半導体膜の膜厚は、2nm以上20
0nm以下、好ましくは3nm以上50nm以下、さらに好ましくは3nm以上20nm
以下とする。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法によ
り成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(例えばアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気
下、又は希ガス(例えばアルゴン)及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成
することができる。
ズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜714の表面に付着している塵埃を除
去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰
囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を
改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい
。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、
アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
n系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In
−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Z
n系酸化物や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記す
る)、In−Sn−Zn系酸化物、In−Al−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化
物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−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−Zn系酸化物、I
n−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系酸化物や、二元系金属酸化物であるIn−Zn
系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg
系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物や、酸化インジウム、酸化スズ、酸
化亜鉛などを用いることができる。なお、例えば、In−Sn−Ga−Zn系酸化物とは
、インジウム(In)、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する金属酸化
物、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、上記酸化物半導体は、珪素を
含んでいてもよい。
て有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとG
aとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
数でない)で表記される酸化物半導体を用いることができる。ここで、Mは、Ga、Al
、Fe、MnおよびCoから選ばれた一または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導
体として、In3SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を
用いてもよい。
ターゲットを用いたスパッタ法により得られる膜厚30nmのIn−Ga−Zn系酸化物
半導体の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。上記ターゲットとして、例えば、各金属
の組成比がIn:Ga:Zn=1:1:0.5、In:Ga:Zn=1:1:1、または
In:Ga:Zn=1:1:2であるターゲットを用いることができる。また、In、G
a、及びZnを含むターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以
上100%未満である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半
導体膜は緻密な膜となる。
体として用いる場合は、In:Sn:Znが原子数比で、1:2:2、2:1:3、1:
1:1、または20:45:35などとなる酸化物ターゲットを用いる。
分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用い
て基板700上に酸化物半導体膜を成膜する。成膜時に、基板温度を100℃以上600
℃以下、好ましくは200℃以上400℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜す
ることにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。
また、スパッタリングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには
、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ
、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、タ
ーボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて成
膜室を排気すると、例えば、水素原子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好
ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半
導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
a、直流(DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下の条件が適用
される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、
膜厚分布も均一となるために好ましい。
、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート絶縁膜714までが形
成された基板700を予備加熱し、基板700に吸着した水分または水素などの不純物を
脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、100℃以上400℃以下、
好ましくは150℃以上300℃以下である。また、予備加熱室に設ける排気手段はクラ
イオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。また、この
予備加熱は、後に行われる絶縁膜722の成膜前に、導電膜720、導電膜721まで形
成した基板700にも同様に行ってもよい。
ェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチング
ガスとしては、塩素を含むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl2)、三塩化硼素(BC
l3)、四塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(CCl4)など)が好ましい。また、
フッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四弗化炭素(CF4)、六弗化硫黄(SF6)
、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(HBr)
、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを添
加したガス、などを用いることができる。
hing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘
導結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングで
きるように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加
される電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。
エン酸やシュウ酸などの有機酸を用いることができる。本実施の形態では、ITO−07
N(関東化学社製)を用いる。
もよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため
、製造コストを低減できる。
ート絶縁膜714の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
(水酸基を含む)が多量に含まれていることがある。水分または水素はドナー準位を形成
しやすいため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸
化物半導体層中の水分または水素などの不純物を低減(脱水化または脱水素化)するため
に、酸化物半導体層715に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲
気下、酸素ガス雰囲気下、または超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザ
ー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55
℃)以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)雰囲気下で、酸
化物半導体層715に加熱処理を施す。
水素を脱離させることができる。具体的には、250℃以上750℃以下、好ましくは4
00℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、500℃、3分間
以上6分間以下程度で行えばよい。加熱処理にRTA法を用いれば、短時間に脱水化また
は脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Ga
s Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapi
d Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal A
nneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハラ
イドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高
圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装
置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、
アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不
活性気体が用いられる。
水分または水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素
、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以
上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好
ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
れにより酸化物半導体層715の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下
の加熱処理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体層71
5を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製すること
ができ、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され、且つ酸素欠損が
低減された酸化物半導体層715を用いることで、耐圧性が高く、オフ電流の著しく低い
トランジスタを作製することができる。
その表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対し
て略垂直にc軸配向した単結晶であることが好ましい。また、単結晶体なくともチャネル
形成領域で各結晶のab面が一致するか、a軸、或いは、b軸が全てにおいて一致し、か
つ、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にc軸配向した多結晶体であることが好ましい
。なお、酸化物半導体膜下に存在する膜の表面に凹凸がある場合、板状結晶は多結晶体と
なる。したがって、下地表面は可能な限り平坦であることが望まれる。
とで、島状の半導体膜702、島状の半導体膜703、配線711に達するコンタクトホ
ールを形成する。
したあと、エッチング等により該導電膜を加工することで、図15(C)に示すように、
ソース電極、ドレイン電極、または配線として機能する導電膜716、導電膜717、導
電膜718、導電膜719、導電膜720、導電膜721を形成する。
718及び導電膜719は、島状の半導体膜703に接している。導電膜720は、配線
711及び酸化物半導体層715に接している。導電膜721は、酸化物半導体層715
に接している。
21となる導電膜の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリ
ブデン、タングステンからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、
上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属
膜の下側もしくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高
融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐
食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属
材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカ
ンジウム、イットリウム等を用いることができる。
電膜721は、単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含
むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する2層構造、チタン
膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を成膜
する3層構造などが挙げられる。
電膜721となる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属
酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、酸化イ
ンジウム酸化亜鉛または前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませた
ものを用いることができる。
せることが好ましい。
にそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、酸化
物半導体層715の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部(凹部)が形成さ
れることもある。
を含む溶液(アンモニア過水)を用いて、選択的に導電膜をウェットエッチングすること
ができるが、酸化物半導体層715も一部エッチングされる。アンモニア過水を含む溶液
は、具体的には、31重量%の過酸化水素水と、28重量%のアンモニア水と水とを、体
積比5:2:2で混合した水溶液を用いる。或いは、塩素(Cl2)、塩化硼素(BCl
3)などを含むガスを用いて、導電膜をドライエッチングしても良い。
過した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用
いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複
数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形することができ
るため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって
、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジ
ストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応す
るフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
ズマ処理によって露出している酸化物半導体層715の表面に付着した水などを除去する
。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
17、導電膜718、導電膜719、導電膜720、導電膜721と、酸化物半導体層7
15とを覆うように、絶縁膜722を形成する。絶縁膜722は、水分や、水素、酸素な
どの不純物を極力含まないことが望ましく、単層の絶縁膜であっても良いし、積層された
複数の絶縁膜で構成されていても良い。絶縁膜722に水素が含まれると、その水素が酸
化物半導体層へ侵入し、又は水素が酸化物半導体層中の酸素を引き抜き、酸化物半導体層
のバックチャネル部が低抵抗化(n型化)してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれ
がある。よって、絶縁膜722はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に
水素を用いないことが重要である。絶縁膜722には、バリア性の高い材料を用いるのが
望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化ア
ルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを用いることができる。複数の積層さ
れた絶縁膜を用いる場合、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁
膜を、上記バリア性の高い絶縁膜よりも、酸化物半導体層715に近い側に形成する。そ
して、窒素の含有比率が低い絶縁膜を間に挟んで、導電膜716、導電膜717、導電膜
718、導電膜719、導電膜720、導電膜721及び酸化物半導体層715と重なる
ように、バリア性の高い絶縁膜を形成する。バリア性の高い絶縁膜を用いることで、酸化
物半導体層715内、ゲート絶縁膜714内、或いは、酸化物半導体層715と他の絶縁
膜の界面とその近傍に、水分または水素などの不純物が入り込むのを防ぐことができる。
また、酸化物半導体層715に接するように窒素の比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素
膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁膜が直接酸化物半導
体層715に接するのを防ぐことができる。
タ法で形成された膜厚100nmの窒化珪素膜を積層させた構造を有する、絶縁膜722
を形成する。成膜時の基板温度は、室温以上300℃以下とすればよく、本実施の形態で
は100℃とする。
乾燥空気、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下において、好ましくは2
00℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下で行う。上記ガスは、水の含
有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下である
ことが望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時間の加熱処
理を行う。或いは、導電膜716、導電膜717、導電膜718、導電膜719、導電膜
720、導電膜721を形成する前に、水分または水素を低減させるための酸化物半導体
層に対して行った先の加熱処理と同様に、高温短時間のRTA処理を行っても良い。酸素
を含む絶縁膜722が設けられた後に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体
層に対して行った先の加熱処理により、酸化物半導体層715に酸素欠損が発生していた
としても、絶縁膜722から酸化物半導体層715に酸素が供与される。そして、酸化物
半導体層715に酸素が供与されることで、酸化物半導体層715において、ドナーとな
る酸素欠損を低減することが可能である。その結果、酸化物半導体層715をi型に近づ
けることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性
の向上を実現することができる。この加熱処理を行うタイミングは、絶縁膜722の形成
後であれば特に限定されず、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透明導電膜を
低抵抗化させるための加熱処理と兼ねることで、工程数を増やすことなく、酸化物半導体
層715をi型に近づけることができる。
酸素を添加し、酸化物半導体層715中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良
い。加熱処理の温度は、例えば100℃以上350℃未満、好ましくは150℃以上25
0℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素など
が含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、6N
(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち酸素中
の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
に酸素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、2.45
GHzのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体層715に添加すれば良い。
酸化物半導体層715と重なる位置にバックゲート電極を形成しても良い。バックゲート
電極を形成した場合は、バックゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するのが望ましい。
バックゲート電極は、ゲート電極713、或いは導電膜716、導電膜717、導電膜7
18、導電膜719、導電膜720、導電膜721と同様の材料、構造を用いて形成する
ことが可能である。
mとする。例えば、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜が積層された構造を有する導電
膜を形成した後、フォトリソグラフィ法などによりレジストマスクを形成し、エッチング
により不要な部分を除去して、該導電膜を所望の形状に加工(パターニング)することで
、バックゲート電極を形成すると良い。
4と、ゲート絶縁膜714上においてゲート電極713と重なっている酸化物半導体層7
15と、酸化物半導体層715上に形成された一対の導電膜720または導電膜721と
を有する。さらに、トランジスタ724は、絶縁膜722を、その構成要素に含めても良
い。図15(C)に示すトランジスタ724は、導電膜720と導電膜721の間におい
て、酸化物半導体層715の一部がエッチングされたチャネルエッチ構造である。
必要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極713を有することで、チャネル形
成領域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。
714、絶縁膜722が該当する。)は、第13族元素および酸素を含む絶縁材料を用い
るようにしても良い。酸化物半導体材料には第13族元素を含むものが多く、第13族元
素を含む絶縁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層に接する絶縁膜
に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。
を意味する。第13族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミ
ニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸
化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量(原子%)よりアルミニウムの含有量(
原子%)が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量(原子%
)がアルミニウムの含有量(原子%)以上のものを示す。
に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層と絶縁膜の界面特性を良好に保
つことができる。例えば、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設ける
ことにより、酸化物半導体層と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減すること
ができる。なお、絶縁膜に酸化物半導体層の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、
同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁
膜を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという
特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水の侵入防止とい
う点においても好ましい。
ープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成比より酸素が多い状態とすることが好ましい
。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸
素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、
酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる
。また、酸素ドープは、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて行ってもよい。
雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をGa2O
X(X=3+α、0<α<1)とすることができる。
雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をAl
2OX(X=3+α、0<α<1)とすることができる。
ミニウムガリウム)を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うこと
により、酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)の組成をGaXAl2
−XO3+α(0<X<2、0<α<1)とすることができる。
膜を形成することができる。このような領域を備える絶縁膜と酸化物半導体層が接するこ
とにより、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、また
は酸化物半導体層と絶縁膜の界面における酸素不足欠陥を低減し、酸化物半導体層をi型
化またはi型に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。
に接する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜または下層に位置する絶縁膜のうち、どち
らか一方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。化学量論的組成比
より酸素が多い領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体層715に接する絶縁膜の、上層及
び下層に位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体層715を挟む構成とすることで、上記効
果をより高めることができる。
成元素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。例
えば、上層と下層とも、組成がGa2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムと
しても良いし、上層と下層の一方を組成がGa2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化
ガリウムとし、他方を組成がAl2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化アルミニウム
としても良い。
を有する絶縁膜の積層としても良い。例えば、酸化物半導体層715の上層に組成がGa
2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムを形成し、その上に組成がGaXAl
2−XO3+α(0<X<2、0<α<1)の酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニ
ウムガリウム)を形成してもよい。なお、酸化物半導体層715の下層を、化学量論的組
成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良いし、酸化物半導体層715の
上層及び下層の両方を、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層とし
ても良い。
いることができる。nチャネル型トランジスタ705は、図1、図13等で示したトラン
ジスタ305、トランジスタ306、トランジスタ307、図4や図7で示したトランジ
スタ323として用いることができる。トランジスタ724は、図1、図13等で示した
トランジスタ304として用いることができる。また、トランジスタ724は、図1、図
13、図4や図7で示したトランジスタ305、トランジスタ306、トランジスタ30
7、トランジスタ323として用いてもよい。
本実施の形態では、実施の形態7とは異なる構造を有する、酸化物半導体層にチャネル
が形成されるトランジスタについて説明する。
と、nチャネル型トランジスタ705とを有している。そして、図16(A)では、フォ
トダイオード704と、nチャネル型トランジスタ705上に、チャネル保護構造のボト
ムゲート型のトランジスタ724が形成されている。
730上のゲート絶縁膜731と、ゲート絶縁膜731上においてゲート電極730と重
なっている酸化物半導体層732と、ゲート電極730と重なる位置において酸化物半導
体層732上に形成されたチャネル保護膜733と、酸化物半導体層732上に形成され
た導電膜734、導電膜735とを有する。さらに、トランジスタ724は、導電膜73
4、導電膜735及びチャネル保護膜733上に形成された絶縁膜736を、その構成要
素に含めても良い。
域となる部分に対する、後の工程における、エッチング時のプラズマやエッチング剤によ
る膜減りなどのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタ724の信頼性を向上
させることができる。
珪素、酸化アルミニウム、または酸化窒化アルミニウムなど)を用いることができる。チ
ャネル保護膜733は、プラズマCVD法や熱CVD法などの気相成長法やスパッタリン
グ法を用いて形成することができる。チャネル保護膜733は成膜後にエッチングにより
形状を加工する。ここでは、スパッタ法により酸化珪素膜を形成し、フォトリソグラフィ
によるマスクを用いてエッチング加工することでチャネル保護膜733を形成する。
せるための加熱処理により酸化物半導体層732中に酸素欠損が発生していたとしても、
酸化物半導体層732にチャネル保護膜733から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損
を低減することが可能である。よって、チャネル形成領域を、i型に近づけることができ
、酸素欠損によるトランジスタ724の電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を
実現することができる。
と、nチャネル型トランジスタ705を有している。そして、図16(B)では、フォト
ダイオード704と、nチャネル型トランジスタ705上に、ボトムコンタクト型のトラ
ンジスタ724が形成されている。
741上のゲート絶縁膜742と、ゲート絶縁膜742上の導電膜743、導電膜744
と、ゲート絶縁膜742を間に挟んでゲート電極741と重なっている酸化物半導体層7
45と、を有する。さらに、トランジスタ724は、酸化物半導体層745上に形成され
た絶縁膜746を、その構成要素に含めても良い。
を更に有していても良い。
と、nチャネル型トランジスタ705を有している。そして、図16(C)では、フォト
ダイオード704と、nチャネル型トランジスタ705上に、トップコンタクト型のトラ
ンジスタ724が形成されている。
半導体層755上の導電膜753及び導電膜754と、酸化物半導体層755、導電膜7
53及び導電膜754上のゲート絶縁膜752と、ゲート絶縁膜752を間に挟んで酸化
物半導体層755と重なっているゲート電極751と、を有する。さらに、トランジスタ
724は、ゲート電極751上に形成された絶縁膜756を、その構成要素に含めても良
い。
と、nチャネル型トランジスタ705を有している。そして、図16(D)では、フォト
ダイオード704と、nチャネル型トランジスタ705上に、トップコンタクト型のトラ
ンジスタ724が形成されている。
、導電膜763及び導電膜764上の酸化物半導体層765と、酸化物半導体層765、
導電膜763及び導電膜764上のゲート絶縁膜762と、ゲート絶縁膜762を間に挟
んで酸化物半導体層765と重なっているゲート電極761と、を有する。さらに、トラ
ンジスタ724は、ゲート電極761上に形成された絶縁膜766を、その構成要素に含
めても良い。
いることができる。nチャネル型トランジスタ705は、図1、図13等で示したトラン
ジスタ305、トランジスタ306、トランジスタ307、図4や図7で示したトランジ
スタ323として用いることができる。トランジスタ724は、図1、図13等で示した
トランジスタ304として用いることができる。また、トランジスタ724は、図1、図
13、図4や図7で示したトランジスタ305、トランジスタ306、トランジスタ30
7、トランジスタ323として用いてもよい。
本実施の形態では、c軸配向し、かつab面、表面または界面の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軸においては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おり、ab面においてはa軸またはb軸の向きが異なる(c軸を
中心に回転した)結晶(CAAC:C Axis Aligned Crystalとも
いう。)を含む酸化物について説明する。
見て、三角形、六角形、正三角形または正六角形の原子配列を有し、かつc軸方向に垂直
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が層状に配列した相を含む
酸化物をいう。
AACは結晶化した部分(結晶部分)を含むが、1つの結晶部分と他の結晶部分の境界を
明確に判別できないこともある。
Cを構成する個々の結晶部分のc軸は一定の方向(例えば、CAACを支持する基板面、
CAACの表面などに垂直な方向)に揃っていてもよい。または、CAACを構成する個
々の結晶部分のab面の法線は一定の方向(例えば、CAACを支持する基板面、CAA
Cの表面などに垂直な方向)を向いていてもよい。
ったりする。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であっ
たりする。
な方向から観察すると三角形または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察
すると金属原子または金属原子および酸素原子(または窒素原子)の層状配列が認められ
る結晶を挙げることもできる。
。なお、特に断りがない限り、図20乃至図22は上方向をc軸方向とし、c軸方向と直
交する面をab面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ab面を境にした場合
の上半分、下半分をいう。また、図20において、丸で囲まれたOは4配位のOを示し、
二重丸で囲まれたOは3配位のOを示す。
4配位のO)と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が1個に対して、近接の酸素
原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図20(A)の構造は、八面体構造をとるが、
簡単のため平面構造で示している。なお、図20(A)の上半分および下半分にはそれぞ
れ3個ずつ4配位のOがある。図20(A)に示す小グループは電荷が0である。
3配位のO)と、Gaに近接の2個の4配位のOと、を有する構造を示す。3配位のOは
、いずれもab面に存在する。図20(B)の上半分および下半分にはそれぞれ1個ずつ
4配位のOがある。また、Inも5配位をとるため、図20(B)に示す構造をとりうる
。図20(B)に示す小グループは電荷が0である。
構造を示す。図20(C)の上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配
位のOがある。または、図20(C)の上半分に3個の4配位のOがあり、下半分に1個
の4配位のOがあってもよい。図20(C)に示す小グループは電荷が0である。
構造を示す。図20(D)の上半分には3個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配
位のOがある。図20(D)に示す小グループは電荷が+1となる。
の4配位のOがあり、下半分には1個の4配位のOがある。図20(E)に示す小グルー
プは電荷が−1となる。
を大グループ(ユニットセルともいう。)と呼ぶ。
す6配位のInの上半分の3個のOは下方向にそれぞれ3個の近接Inを有し、下半分の
3個のOは上方向にそれぞれ3個の近接Inを有する。5配位のGaの上半分の1個のO
は下方向に1個の近接Gaを有し、下半分の1個のOは上方向に1個の近接Gaを有する
。4配位のZnの上半分の1個のOは下方向に1個の近接Znを有し、下半分の3個のO
は上方向にそれぞれ3個の近接Znを有する。この様に、金属原子の上方向にて近接する
4配位のOの数と、そのOの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の
下方向にて近接する4配位のOの数と、そのOの上方向にある近接金属原子の数は等しい
。小グループ同士の結合に寄与するOは4配位なので、Oの下方向にある近接金属原子の
数と、Oの上方向にある近接金属原子の数の和は4になる。従って、金属原子の上方向に
ある4配位のOの数と、別の金属原子の下方向にある4配位のOの数との和が4個のとき
、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。例えば、6配位の金
属原子(InまたはSn)が下半分の4配位のOを介して結合する場合、4配位のOが3
個であるため、5配位の金属原子(GaまたはIn)または4配位の金属原子(Zn)の
いずれかと結合することになる。
。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が0となるように複数の小グループが結合し
て中グループを構成する。
示す。図21(B)に、3つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図21
(C)は、図21(B)の層構造をc軸方向から観察した場合の原子配列を示す。
し、例えば、Snの上半分および下半分にはそれぞれ3個ずつ4配位のOがあることを丸
枠の3として示している。同様に、図21(A)において、Inの上半分および下半分に
はそれぞれ1個ずつ4配位のOがあり、丸枠の1として示している。また、同様に、図2
1(A)において、下半分には1個の4配位のOがあり、上半分には3個の4配位のOが
あるZnと、上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配位のOがあるZ
nとを示している。
から順に4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるSnが、4配位のOが1個ずつ
上半分および下半分にあるInと結合し、そのInが、上半分に3個の4配位のOがある
Znと結合し、そのZnの下半分の1個の4配位のOを介して4配位のOが3個ずつ上半
分および下半分にあるInと結合し、そのInが、上半分に1個の4配位のOがあるZn
2個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の1個の4配位のOを介して
4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるSnと結合している構成である。この中
グループが複数結合して大グループを構成する。
667、−0.5と考えることができる。例えば、In(6配位または5配位)、Zn(
4配位)、Sn(5配位または6配位)の電荷は、それぞれ+3、+2、+4である。従
って、Snを含む小グループは電荷が+1となる。そのため、Snを含む層構造を形成す
るためには、電荷+1を打ち消す電荷−1が必要となる。電荷−1をとる構造として、図
20(E)に示すように、2個のZnを含む小グループが挙げられる。例えば、Snを含
む小グループが1個に対し、2個のZnを含む小グループが1個あれば、電荷が打ち消さ
れるため、層構造の合計の電荷を0とすることができる。
n−O系の結晶(In2SnZn3O8)を得ることができる。なお、得られるIn−S
n−Zn−O系の層構造は、In2SnZn2O7(ZnO)m(mは0または自然数。
)とする組成式で表すことができる。
三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する。)、In
−Al−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−
Al−Zn系酸化物や、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−S
m−Zn系酸化物、In−Eu−Zn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−Z
n系酸化物や、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、A
l−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物や、
In−Ga系酸化物などを用いた場合も同様である。
デル図を示す。
から順に4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるInが、4配位のOが1個上半
分にあるZnと結合し、そのZnの下半分の3個の4配位のOを介して、4配位のOが1
個ずつ上半分および下半分にあるGaと結合し、そのGaの下半分の1個の4配位のOを
介して、4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるInと結合している構成である
。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
は、図22(B)の層構造をc軸方向から観察した場合の原子配列を示している。
れぞれ+3、+2、+3であるため、In、ZnおよびGaのいずれかを含む小グループ
は、電荷が0となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの
合計の電荷は常に0となる。
た中グループに限定されず、In、Ga、Znの配列が異なる中グループを組み合わせた
大グループも取りうる。
本実施の形態では、トランジスタの電界効果移動度について説明する。
スタの実際に測定される電界効果移動度は、さまざまな理由によって本来の移動度よりも
低くなる。移動度を低下させる要因としては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面
の欠陥があるが、Levinsonモデルを用いると、半導体内部に欠陥がないと仮定し
た場合の電界効果移動度を理論的に導き出せる。
ポテンシャル障壁(粒界等)が存在すると仮定すると、下記式(2)のように表現できる
。
る。また、ポテンシャル障壁が欠陥に由来すると仮定すると、Levinsonモデルで
は、下記式(3)のように表される。
の誘電率、nは単位面積当たりのチャネルに含まれるキャリア数、Coxは単位面積当た
りの容量、Vgはゲート電圧、tはチャネルの厚さである。なお、厚さ30nm以下の半
導体層であれば、チャネルの厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。線形領域
におけるドレイン電流Idは、下記式(4)である。
。また、Vdはドレイン電圧である。上式の両辺をVgで割り、更に両辺の対数を取ると
、下記式(5)となる。
g)、横軸を1/Vgとして実測値をプロットして得られるグラフの直線の傾きから欠陥
密度Nが求められる。すなわち、トランジスタのId―Vg特性から、欠陥密度を評価で
きる。酸化物半導体としては、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)の比率
が、In:Sn:Zn=1:1:1のものでは欠陥密度Nは1×1012/cm2程度で
ある。
m2/Vsが導出される。欠陥のあるIn−Sn−Zn酸化物で測定される移動度は40
cm2/Vs程度である。しかし、半導体内部および半導体と絶縁膜との界面の欠陥が無
い酸化物半導体の移動度μ0は120cm2/Vsとなると予想できる。
ってトランジスタの輸送特性は影響を受ける。すなわち、ゲート絶縁層界面からxだけ離
れた場所における移動度μ1は、下記式(6)で表される。
より求めることができ、上記の測定結果からは、B=4.75×107cm/s、l=1
0nm(界面散乱が及ぶ深さ)である。Dが増加する(すなわち、ゲート電圧が高くなる
)と式(6)の第2項が増加するため、移動度μ1は低下することがわかる。
度μ2を計算した結果を図23に示す。なお、計算にはシノプシス社製デバイスシミュレ
ーションソフト、Sentaurus Deviceを使用し、酸化物半導体のバンドギ
ャップ、電子親和力、比誘電率、厚さをそれぞれ、2.8電子ボルト、4.7電子ボルト
、15、15nmとした。これらの値は、スパッタリング法により形成された薄膜を測定
して得られたものである。
電子ボルト、4.6電子ボルトとした。また、ゲート絶縁膜の厚さは100nm、比誘電
率は4.1とした。チャネル長およびチャネル幅はともに10μm、ドレイン電圧Vdは
0.1Vである。
をつけるが、ゲート電圧がさらに高くなると、界面散乱が大きくなり、移動度が低下する
。なお、界面散乱を低減するためには、半導体層表面を原子レベルで平坦にすること(A
tomic Layer Flatness)が望ましい。
特性を計算した結果を図24乃至図26に示す。なお、計算に用いたトランジスタの断面
構造を図27に示す。図27に示すトランジスタは酸化物半導体層にn+の導電型を呈す
る半導体領域903aおよび半導体領域903cを有する。半導体領域903aおよび半
導体領域903cの抵抗率は2×10−3Ωcmとする。
まれるように形成された酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物902の上に形成され
る。トランジスタは半導体領域903a、半導体領域903cと、それらに挟まれ、チャ
ネル形成領域となる真性の半導体領域903bと、ゲート電極905を有する。ゲート電
極905の幅を33nmとする。
ゲート電極905の両側面には側壁絶縁物906aおよび側壁絶縁物906b、ゲート電
極905の上部には、ゲート電極905と他の配線との短絡を防止するための絶縁物90
7を有する。側壁絶縁物の幅は5nmとする。また、半導体領域903aおよび半導体領
域903cに接して、ソース電極908aおよびドレイン電極908bを有する。なお、
このトランジスタにおけるチャネル幅を40nmとする。
埋め込み絶縁物902の上に形成され、半導体領域903a、半導体領域903cと、そ
れらに挟まれた真性の半導体領域903bと、幅33nmのゲート電極905とゲート絶
縁膜904と側壁絶縁物906aおよび側壁絶縁物906bと絶縁物907とソース電極
908aおよびドレイン電極908bを有する点で図27(A)に示すトランジスタと同
じである。
絶縁物906aおよび側壁絶縁物906bの下の半導体領域の導電型である。図27(A
)に示すトランジスタでは、側壁絶縁物906aおよび側壁絶縁物906bの下の半導体
領域はn+の導電型を呈する半導体領域903aおよび半導体領域903cであるが、図
27(B)に示すトランジスタでは、真性の半導体領域903bである。すなわち、図2
7(B)に示す半導体層において、半導体領域903a(半導体領域903c)とゲート
電極905がLoffだけ重ならない領域ができている。この領域をオフセット領域とい
い、その幅Loffをオフセット長という。図から明らかなように、オフセット長は、側
壁絶縁物906a(側壁絶縁物906b)の幅と同じである。
イスシミュレーションソフト、Sentaurus Deviceを使用した。図24は
、図27(A)に示される構造のトランジスタのドレイン電流(Id、実線)および移動
度(μ、点線)のゲート電圧(Vg、ゲートとソースの電位差)依存性を示す。ドレイン
電流Idは、ドレイン電圧(ドレインとソースの電位差)を+1Vとし、移動度μはドレ
イン電圧を+0.1Vとして計算したものである。
nmとしたものであり、図24(C)は5nmとしたものである。ゲート絶縁膜が薄くな
るほど、特にオフ状態でのドレイン電流Id(オフ電流)が顕著に低下する。一方、移動
度μのピーク値やオン状態でのドレイン電流Id(オン電流)には目立った変化が無い。
ゲート電圧1V前後で、ドレイン電流は10μAを超えることが示された。
nmとしたもののドレイン電流Id(実線)および移動度μ(点線)のゲート電圧Vg依
存性を示す。ドレイン電流Idは、ドレイン電圧を+1Vとし、移動度μはドレイン電圧
を+0.1Vとして計算したものである。図25(A)はゲート絶縁膜の厚さを15nm
としたものであり、図25(B)は10nmとしたものであり、図25(C)は5nmと
したものである。
を15nmとしたもののドレイン電流Id(実線)および移動度μ(点線)のゲート電圧
依存性を示す。ドレイン電流Idは、ドレイン電圧を+1Vとし、移動度μはドレイン電
圧を+0.1Vとして計算したものである。図26(A)はゲート絶縁膜の厚さを15n
mとしたものであり、図26(B)は10nmとしたものであり、図26(C)は5nm
としたものである。
ーク値やオン電流には目立った変化が無い。
0cm2/Vs程度、図26では40cm2/Vs程度と、オフセット長Loffが増加
するほど低下する。また、オフ電流も同様な傾向がある。一方、オン電流もオフセット長
Loffの増加にともなって減少するが、オフ電流の低下に比べるとはるかに緩やかであ
る。また、いずれもゲート電圧1V前後で、ドレイン電流は10μAを超えることが示さ
れた。
本発明の半導体装置は、複数の画素が形成されたパネルと、パネルに、駆動回路、コン
トローラ、CPU、メモリ等を含むICや、バックライトを実装した状態にあるモジュー
ルとをその範疇に含む。駆動回路は、パネル内に形成されていても良い。
の一例を示す。図18では、画素320が、フォトセンサ301と表示素子321をそれ
ぞれ1つずつ有する構成を例示している。画素320、フォトセンサ301、表示素子3
21の構成は、図1、図4、図5、図7、図13等で示した構成と同様の構成を用いるこ
とができる。
回路503を有する。画素回路501は、マトリクス状に配置された複数の画素320を
有する。各々の画素320は、表示素子321とフォトセンサ301を有する。半導体装
置500はタッチパネルである。
入力される信号線などの信号線(「ソース信号線」ともいう)を介して表示素子321に
信号を入力する表示素子駆動回路507と、走査線(「ゲート信号線」ともいう)を介し
て表示素子321に信号を入力する表示素子駆動回路508を有する。例えば、表示素子
駆動回路508は、特定の行に配置された画素が有する表示素子321を選択する機能を
有する。また、表示素子駆動回路507は、選択された行の画素が有する表示素子321
に任意の電位を与える機能を有する。
、図7で示したマトリクス状に配置された複数の画素とでは、フォトセンサ制御回路50
3の構成は異なる。
センサ制御回路503の構成について説明する。
号線側のフォトセンサ駆動回路509と、走査線側のフォトセンサ駆動回路610を有す
る。走査線側のフォトセンサ駆動回路610は、配線SE、配線TX、配線PRに出力す
る信号を生成する。また、信号線側のフォトセンサ駆動回路509は、選択された行の画
素320が有するフォトセンサ301の出力信号を配線OUTから取り出す機能を有する
。また、フォトセンサ駆動回路509はプリチャージ回路を有し配線OUTの電位を所定
の電位にする機能を有する。なお、信号線側のフォトセンサ駆動回路509は、アナログ
信号であるフォトセンサの出力を、OPアンプを用いてアナログ信号のまま半導体装置5
00の外部に取り出す構成や、A/D変換回路を用いてデジタル信号に変換してからタッ
チパネル外部に取り出す構成が考え得る。
制御回路503の構成について説明する。
号線側のフォトセンサ駆動回路509と、走査線側のフォトセンサ駆動回路610を有す
る。走査線側のフォトセンサ駆動回路610は、配線SEに出力する信号を生成する。ま
た、信号線側のフォトセンサ駆動回路509は、配線TX、配線PRに出力する信号を生
成し、また、選択された行の画素320が有するフォトセンサ301の出力信号を配線O
UTから取り出す機能を有する。また、フォトセンサ駆動回路509はプリチャージ回路
を有し配線OUTの電位を所定の電位にする機能を有する。なお、信号線側のフォトセン
サ駆動回路509は、アナログ信号であるフォトセンサの出力を、OPアンプを用いてア
ナログ信号のまま半導体装置500の外部に取り出す構成や、A/D変換回路を用いてデ
ジタル信号に変換してからタッチパネル外部に取り出す構成が考え得る。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置における、パネルとバックライト
の配置について説明する。
に示す半導体装置は、表示素子とフォトセンサを含む画素が一対の基板間に形成されたパ
ネル1601と、第1の拡散板1602と、プリズムシート1603と、第2の拡散板1
604と、導光板1605と、反射板1606と、複数の光源1607を有するバックラ
イト1608と、回路基板1609とを有している。
板1604と、導光板1605と、反射板1606とは、順に積層されている。光源16
07は導光板1605の端部に設けられており、導光板1605内部に拡散された光源1
607からの光は、第1の拡散板1602、プリズムシート1603及び第2の拡散板1
604によって、対向基板側から均一にパネル1601に照射される。
るが、拡散板の数はこれに限定されず、単数であっても3以上であっても良い。そして、
拡散板は導光板1605とパネル1601の間に設けられていれば良い。よって、プリズ
ムシート1603よりもパネル1601に近い側にのみ拡散板が設けられていても良いし
、プリズムシート1603よりも導光板1605に近い側にのみ拡散板が設けられていて
も良い。
光板1605からの光をパネル1601側に集光できる形状を有していれば良い。
回路、パネル1601から出力される各種信号を処理する回路などが設けられている。そ
して図17では、回路基板1609とパネル1601とが、FPC(Flexible
Printed Circuit)1611を介して接続されている。なお、上記回路は
、COG(Chip On Glass)法を用いてパネル1601に接続されていても
良いし、上記回路の一部がFPC1611にCOF(Chip On Film)法を用
いて接続されていても良い。
られており、該制御系の回路と光源1607とがFPC1610を介して接続されている
例を示している。ただし、上記制御系の回路はパネル1601に形成されていても良く、
この場合はパネル1601と光源1607とがFPCなどにより接続されるようにする。
または両方を用いることができる。
と赤外光を発する光源の両方を有する半導体装置の場合、図3や、図6に示したタイミン
グチャートを用いて説明した駆動方法においてバックライトの点灯と非点灯を選択する際
、赤外光を発する光源のみ点灯または非点灯を選択することによって、画像表示に影響を
与えることなく、被検出物の撮像画像の生成や被検出物の存在する領域の検出を行うこと
ができる。
クライトを例示しているが、本発明の一態様に係る半導体装置は光源1607がパネル1
601の直下に配置される直下型であっても良い。
8からの光が、パネル1601を通過し、その一部が指1612において反射し、再びパ
ネル1601に入射する。各色に対応する光源1607を順に点灯させ、色ごとに位置情
報の取得を行うことで、被写体である指1612のカラーの位置情報を得ることが出来る
。
は、該酸化物半導体層となる酸化物半導体膜を形成する際に基板を加熱して成膜すること
、或いは酸化物半導体膜を形成した後に熱処理を行うことで良好な特性を得ることができ
る。なお、主成分とは組成比で5atomic%以上含まれる元素をいう。
とで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。また、トランジス
タのしきい値電圧をプラスシフトさせ、ノーマリ・オフ化させることが可能となる。
μm、チャネル幅Wが10μmである酸化物半導体膜と、厚さ100nmのゲート絶縁膜
を用いたトランジスタの特性である。なお、Vdは10Vとした。
分とする酸化物半導体膜を形成したときのトランジスタ特性である。このとき電界効果移
動度のピークは18.8cm2/Vsecが得られている。一方、基板を意図的に加熱し
てIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体膜を形成すると電界効果移動度を向上さ
せることが可能となる。図28(B)は基板を200℃に加熱してIn、Sn、Znを主
成分とする酸化物半導体膜を形成したときのトランジスタ特性を示すが、電界効果移動度
のピークは32.2cm2/Vsecが得られている。
処理をすることによって、さらに高めることができる。図28(C)は、In、Sn、Z
nを主成分とする酸化物半導体膜を200℃でスパッタリング成膜した後、650℃で熱
処理をしたときのトランジスタ特性を示す。このとき電界効果移動度のピークは34.5
cm2/Vsecが得られている。
込まれるのを低減する効果が期待できる。また、成膜後に熱処理をすることによっても、
酸化物半導体膜から水素や水酸基若しくは水分を放出させ除去することができ、上記のよ
うに電界効果移動度を向上させることができる。このような電界効果移動度の向上は、脱
水化・脱水素化による不純物の除去のみならず、高密度化により原子間距離が短くなるた
めとも推定される。また、酸化物半導体から不純物を除去して高純度化することで結晶化
を図ることができる。このように高純度化された非単結晶酸化物半導体は、理想的には1
00cm2/Vsecを超える電界効果移動度を実現することも可能になると推定される
。
酸化物半導体に含まれる水素や水酸基若しくは水分を放出させ、その熱処理と同時に又は
その後の熱処理により酸化物半導体を結晶化させても良い。このような結晶化若しくは再
結晶化の処理により結晶性の良い非単結晶酸化物半導体を得ることができる。
界効果移動度の向上のみならず、トランジスタのノーマリ・オフ化を図ることにも寄与し
ている。基板を意図的に加熱しないで形成されたIn、Sn、Znを主成分とする酸化物
半導体膜をチャネル形成領域としたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスシフトして
しまう傾向がある。しかし、基板を意図的に加熱して形成された酸化物半導体膜を用いた
場合、このしきい値電圧のマイナスシフト化は解消される。つまり、しきい値電圧はトラ
ンジスタがノーマリ・オフとなる方向に動き、このような傾向は図28(A)と図28(
B)の対比からも確認することができる。
が可能であり、組成比としてIn:Sn:Zn=2:1:3とすることでトランジスタの
ノーマリ・オフ化を期待することができる。また、ターゲットの組成比をIn:Sn:Z
n=2:1:3とすることで結晶性の高い酸化物半導体膜を得ることができる。
、より好ましくは400℃以上であり、より高温で成膜し或いは熱処理することでトラン
ジスタのノーマリ・オフ化を図ることが可能となる。
イアス・ストレスに対する安定性を高めることができる。例えば、2MV/cm、150
℃、1時間印加の条件において、ドリフトがそれぞれ±1.5V未満、好ましくは±1.
0V未満を得ることができる。
理を行った試料2のトランジスタに対してBT試験を行った。
の測定を行った。なお、Vdsはドレイン電圧(ドレインとソースの電位差)を示す。次
に、基板温度を150℃とし、Vdsを0.1Vとした。次に、ゲート絶縁膜に印加され
る電界強度が2MV/cmとなるようにVgsに20Vを印加し、そのまま1時間保持し
た。次に、Vgsを0Vとした。次に、基板温度25℃とし、Vdsを10Vとし、トラ
ンジスタのVgs−Ids測定を行った。これをプラスBT試験と呼ぶ。
ds特性の測定を行った。次に、基板温度を150℃とし、Vdsを0.1Vとした。次
に、ゲート絶縁膜に印加される電界強度が−2MV/cmとなるようにVgsに−20V
を印加し、そのまま1時間保持した。次に、Vgsを0Vとした。次に、基板温度25℃
とし、Vdsを10Vとし、トランジスタのVgs−Ids測定を行った。これをマイナ
スBT試験と呼ぶ。
B)に示す。また、試料2のプラスBT試験の結果を図30(A)に、マイナスBT試験
の結果を図30(B)に示す。
れ1.80Vおよび−0.42Vであった。また、試料2のプラスBT試験およびマイナ
スBT試験によるしきい値電圧の変動は、それぞれ0.79Vおよび0.76Vであった
。試料1および試料2のいずれも、BT試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さく、
信頼性が高いことがわかる。
下で熱処理を行ってから酸素を含む雰囲気中で熱処理を行っても良い。最初に脱水化・脱
水素化を行ってから酸素を酸化物半導体に加えることで、熱処理の効果をより高めること
ができる。また、後から酸素を加えるには、酸素イオンを電界で加速して酸化物半導体膜
に注入する方法を適用しても良い。
成されやすいが、かかる熱処理により酸化物半導体中に酸素を過剰に含ませることにより
、後に生成される酸素欠損を過剰な酸素によって補償することが可能となる。過剰酸素は
主に格子間に存在する酸素であり、その酸素濃度は1×1016/cm3以上2×102
0/cm3以下とすれば、結晶に歪み等を与えることなく酸化物半導体中に含ませること
ができる。
で、より安定な酸化物半導体膜を得ることができる。例えば、組成比In:Sn:Zn=
1:1:1のターゲットを用いて、基板を意図的に加熱せずにスパッタリング成膜した酸
化物半導体膜は、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)でハローパ
タンが観測される。この成膜された酸化物半導体膜を熱処理することによって結晶化させ
ることができる。熱処理温度は任意であるが、例えば650℃の熱処理を行うことで、X
線回折により明確な回折ピークを観測することができる。
r AXS社製X線回折装置D8 ADVANCEを用い、Out−of−Plane法
で測定した。
試料Bの作製方法を説明する。
た。
(DC)として成膜した。ターゲットは、In:Sn:Zn=1:1:1[原子数比]の
In−Sn−Zn−Oターゲットを用いた。なお、成膜時の基板加熱温度は200℃とし
た。このようにして作製した試料を試料Aとした。
加熱処理は、はじめに窒素雰囲気で1時間の加熱処理を行い、温度を下げずに酸素雰囲気
でさらに1時間の加熱処理を行っている。このようにして作製した試料を試料Bとした。
クが観測されなかったが、試料Bでは、2θが35deg近傍および37deg〜38d
egに結晶由来のピークが観測された。
加熱すること及び/又は成膜後に熱処理することによりトランジスタの特性を向上させる
ことができる。
中に含ませないようにすること、或いは膜中から除去する作用がある。すなわち、酸化物
半導体中でドナー不純物となる水素を除去することで高純度化を図ることができ、それに
よってトランジスタのノーマリ・オフ化を図ることができ、酸化物半導体が高純度化され
ることによりオフ電流を1aA/μm以下にすることができる。ここで、上記オフ電流値
の単位は、チャネル幅1μmあたりの電流値を示す。
示す。ここでは、簡単のため測定時の基板温度の逆数に1000を掛けた数値(1000
/T)を横軸としている。
10−18A/μm)以下、85℃の場合には100zA/μm(1×10−19A/μ
m)以下、室温(27℃)の場合には1zA/μm(1×10−21A/μm)以下にす
ることができる。好ましくは、125℃において0.1aA/μm(1×10−19A/
μm)以下に、85℃において10zA/μm(1×10−20A/μm)以下に、室温
において0.1zA/μm(1×10−22A/μm)以下にすることができる。
部からのリークや成膜室内の内壁からの脱ガスを十分抑え、スパッタガスの高純度化を図
ることが好ましい。例えば、スパッタガスは水分が膜中に含まれないように露点−70℃
以下であるガスを用いることが好ましい。また、ターゲットそのものに水素や水分などの
不純物が含まれていていないように、高純度化されたターゲットを用いることが好ましい
。In、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体は熱処理によって膜中の水分を除去する
ことができるが、In、Ga、Znを主成分とする酸化物半導体と比べて水分の放出温度
が高いため、好ましくは最初から水分の含まれない膜を形成しておくことが好ましい。
いて、基板温度と電気的特性の関係について評価した。
vが0μm、dWが0μmである。なお、Vdsは10Vとした。なお、基板温度は−4
0℃、−25℃、25℃、75℃、125℃および150℃で行った。ここで、トランジ
スタにおいて、ゲート電極と一対の電極との重畳する幅をLovと呼び、酸化物半導体膜
に対する一対の電極のはみ出しをdWと呼ぶ。
、図34(A)に基板温度としきい値電圧の関係を、図34(B)に基板温度と電界効果
移動度の関係を示す。
その範囲は−40℃〜150℃で1.09V〜−0.23Vであった。
。なお、その範囲は−40℃〜150℃で36cm2/Vs〜32cm2/Vsであった
。従って、上述の温度範囲において電気的特性の変動が小さいことがわかる。
トランジスタによれば、オフ電流を1aA/μm以下に保ちつつ、電界効果移動度を30
cm2/Vsec以上、好ましくは40cm2/Vsec以上、より好ましくは60cm
2/Vsec以上とし、LSIで要求されるオン電流の値を満たすことができる。例えば
、L/W=33nm/40nmのFETで、ゲート電圧2.7V、ドレイン電圧1.0V
のとき12μA以上のオン電流を流すことができる。またトランジスタの動作に求められ
る温度範囲においても、十分な電気的特性を確保することができる。このような特性であ
れば、Si半導体で作られる集積回路の中に酸化物半導体で形成されるトランジスタを混
載しても、動作速度を犠牲にすることなく新たな機能を有する集積回路を実現することが
できる。
について、図35を用いて説明する。
上面図および断面図である。図35(A)にトランジスタの上面図を示す。また、図35
(B)に図35(A)の一点鎖線A−Bに対応する断面A−Bを示す。
地絶縁膜1102と、下地絶縁膜1102の周辺に設けられた保護絶縁膜1104と、下
地絶縁膜1102および保護絶縁膜1104上に設けられた高抵抗領域1106aおよび
低抵抗領域1106bを有する酸化物半導体膜1106と、酸化物半導体膜1106上に
設けられたゲート絶縁膜1108と、ゲート絶縁膜1108を介して酸化物半導体膜11
06と重畳して設けられたゲート電極1110と、ゲート電極1110の側面と接して設
けられた側壁絶縁膜1112と、少なくとも低抵抗領域1106bと接して設けられた一
対の電極1114と、少なくとも酸化物半導体膜1106、ゲート電極1110および一
対の電極1114を覆って設けられた層間絶縁膜1116と、層間絶縁膜1116に設け
られた開口部を介して少なくとも一対の電極1114の一方と接続して設けられた配線1
118と、を有する。
膜を有していても構わない。該保護膜を設けることで、層間絶縁膜1116の表面伝導に
起因して生じる微小リーク電流を低減することができ、トランジスタのオフ電流を低減す
ることができる。
ンジスタの他の一例について示す。
図36(A)はトランジスタの上面図である。また、図36(B)は図36(A)の一点
鎖線A−Bに対応する断面図である。
地絶縁膜1202と、下地絶縁膜1202上に設けられた酸化物半導体膜1206と、酸
化物半導体膜1206と接する一対の電極1214と、酸化物半導体膜1206および一
対の電極1214上に設けられたゲート絶縁膜1208と、ゲート絶縁膜1208を介し
て酸化物半導体膜1206と重畳して設けられたゲート電極1210と、ゲート絶縁膜1
208およびゲート電極1210を覆って設けられた層間絶縁膜1216と、層間絶縁膜
1216に設けられた開口部を介して一対の電極1214と接続する配線1218と、層
間絶縁膜1216および配線1218を覆って設けられた保護膜1220と、を有する。
酸化物半導体膜1206としてはIn−Sn−Zn−O膜を、一対の電極1214として
はタングステン膜を、ゲート絶縁膜1208としては酸化シリコン膜を、ゲート電極12
10としては窒化タンタル膜とタングステン膜との積層構造を、層間絶縁膜1216とし
ては酸化窒化シリコン膜とポリイミド膜との積層構造を、配線1218としてはチタン膜
、アルミニウム膜、チタン膜がこの順で形成された積層構造を、保護膜1220としては
ポリイミド膜を、それぞれ用いた。
電極1214との重畳する幅をLovと呼ぶ。同様に、酸化物半導体膜1206に対する
一対の電極1214のはみ出しをdWと呼ぶ。
きるという特徴を有している。
録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile
Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に
用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる
電子機器として、携帯電話、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、
デジタルスチルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビ
ゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等
)、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機(
ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図19に示す。
有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部5002に用いることができる。表
示部5002に本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、外光のノイズを軽減し
、信頼性の高い表示装置を提供することができる。なお、表示装置には、パーソナルコン
ピュータ用、TV放送受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。
3等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部5102に用いることができ
る。表示部5102に本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、外光のノイズを
軽減し、信頼性の高い携帯情報端末を提供することができる。
投入口5203、紙幣投入口5204、カード投入口5205、通帳投入口5206等を
有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部5202に用いることができる。表
示部5202に本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、外光のノイズを軽減し
、信頼性の高い現金自動預け入れ払い機を提供することができる。
、表示部5304、マイクロホン5305、スピーカー5306、操作キー5307、ス
タイラス5308等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部5303また
は表示部5304に用いることができる。表示部5303または表示部5304に本発明
の一態様に係る半導体装置を用いることで、外光のノイズを軽減し、信頼性の高い携帯型
ゲーム機を提供することができる。なお、図19(D)に示した携帯型ゲーム機は、2つ
の表示部5303と表示部5304とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の
数は、これに限定されない。
202 導電膜
203 導電膜
204 画素電極
205 導電膜
206 導電膜
210 導電膜
211 導電膜
212 導電膜
213 導電膜
214 導電膜
215 半導体膜
216 半導体膜
217 半導体膜
218 導電膜
219 導電膜
220 導電膜
221 導電膜
222 導電膜
223 導電膜
224 導電膜
225 導電膜
226 導電膜
227 導電膜
228 ゲート絶縁膜
233 対向電極
234 液晶層
235 遮蔽膜
236 基板
240 被検出物
241 開口部
242 開口部
250 活性層
251 基板
253 活性層
281 絶縁膜
282 絶縁膜
301 フォトセンサ
302 フォトダイオード
303 増幅回路
304 トランジスタ
305 トランジスタ
306 トランジスタ
307 トランジスタ
320 画素
321 表示素子
322 液晶素子
323 トランジスタ
324 容量素子
500 半導体装置
501 画素回路
502 表示素子制御回路
503 フォトセンサ制御回路
507 表示素子駆動回路
508 表示素子駆動回路
509 フォトセンサ駆動回路
610 フォトセンサ駆動回路
700 基板
701 絶縁膜
702 半導体膜
703 半導体膜
704 フォトダイオード
705 nチャネル型トランジスタ
707 ゲート電極
708 絶縁膜
711 配線
712 絶縁膜
713 ゲート電極
714 ゲート絶縁膜
715 酸化物半導体層
716 導電膜
717 導電膜
718 導電膜
719 導電膜
720 導電膜
721 導電膜
722 絶縁膜
724 トランジスタ
727 領域
728 領域
729 領域
730 ゲート電極
731 ゲート絶縁膜
732 酸化物半導体層
733 チャネル保護膜
734 導電膜
735 導電膜
736 絶縁膜
741 ゲート電極
742 ゲート絶縁膜
743 導電膜
744 導電膜
745 酸化物半導体層
746 絶縁膜
751 ゲート電極
752 ゲート絶縁膜
753 導電膜
754 導電膜
755 酸化物半導体層
756 絶縁膜
761 ゲート電極
762 ゲート絶縁膜
763 導電膜
764 導電膜
765 酸化物半導体層
766 絶縁膜
901 下地絶縁膜
902 埋め込み絶縁物
903a 半導体領域
903b 半導体領域
903c 半導体領域
904 ゲート絶縁膜
905 ゲート電極
906a 側壁絶縁物
906b 側壁絶縁物
907 絶縁物
908a ソース電極
908b ドレイン電極
1100 基板
1102 下地絶縁膜
1104 保護絶縁膜
1106 酸化物半導体膜
1106a 高抵抗領域
1106b 低抵抗領域
1108 ゲート絶縁膜
1110 ゲート電極
1112 側壁絶縁膜
1114 一対の電極
1116 層間絶縁膜
1118 配線
1200 基板
1202 下地絶縁膜
1206 酸化物半導体膜
1208 ゲート絶縁膜
1210 ゲート電極
1214 一対の電極
1216 層間絶縁膜
1218 配線
1220 保護膜
1601 パネル
1602 拡散板
1603 プリズムシート
1604 拡散板
1605 導光板
1606 反射板
1607 光源
1608 バックライト
1609 回路基板
1610 FPC
1611 FPC
1612 指
5001 筐体
5002 表示部
5003 支持台
5101 筐体
5102 表示部
5103 操作キー
5201 筐体
5202 表示部
5203 硬貨投入口
5204 紙幣投入口
5205 カード投入口
5206 通帳投入口
5301 筐体
5302 筐体
5303 表示部
5304 表示部
5305 マイクロホン
5306 スピーカー
5307 操作キー
5308 スタイラス
Claims (3)
- フォトセンサを有し、
前記フォトセンサは、光電変換素子と、増幅回路と、を有し、
前記増幅回路は、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタを有する半導体装置であって、
前記酸化物半導体層は、SIMSによる水素濃度の測定値が5×1019atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるナトリウム濃度の測定値が5×1016atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるリチウム濃度の測定値が5×1015atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるカリウム濃度の測定値が5×1015atoms/cm3以下であることを特徴とする半導体装置。 - フォトセンサを有し、
前記フォトセンサは、光電変換素子と、増幅回路と、を有し、
前記増幅回路は、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタを有する半導体装置であって、
前記酸化物半導体層は、表面に垂直な方向に沿ってc軸が配向した領域を有し、
前記酸化物半導体層は、SIMSによる水素濃度の測定値が5×1019atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるナトリウム濃度の測定値が5×1016atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるリチウム濃度の測定値が5×1015atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるカリウム濃度の測定値が5×1015atoms/cm3以下であることを特徴とする半導体装置。 - フォトセンサを有し、
前記フォトセンサは、光電変換素子と、増幅回路と、を有し、
前記増幅回路は、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタを有する半導体装置であって、
前記酸化物半導体層は、平坦な面上に形成され、
前記酸化物半導体層は、表面に垂直な方向に沿ってc軸が配向した領域を有し、
前記酸化物半導体層は、SIMSによる水素濃度の測定値が5×1019atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるナトリウム濃度の測定値が5×1016atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるリチウム濃度の測定値が5×1015atoms/cm3以下であり、
前記酸化物半導体層は、SIMSによるカリウム濃度の測定値が5×1015atoms/cm3以下であることを特徴とする半導体装置。
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