JP2020031220A - 撮像装置 - Google Patents

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oxide semiconductor
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山崎　舜平
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
坂倉　真之
Masayuki Sakakura
真之 坂倉
黒川　義元
Yoshimoto Kurokawa
義元 黒川
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Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

【課題】撮像品質が高く、低コストで作製することのできる撮像装置を提供する。【解決手段】第１の回路は、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタを有し、第２の回路は、第３のトランジスタおよびフォトダイオードを有し、第１のトランジスタおよび第３のトランジスタは、酸化物半導体層を活性層とするｎ−ｃｈ型トランジスタであり、第２のトランジスタは、シリコン基板に活性領域を有するｐ−ｃｈ型トランジスタであり、フォトダイオードはシリコン基板に設けられ、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは絶縁層を介して互いに重なる領域を有し、第３のトランジスタおよび前記フォトダイオードは前記絶縁層を介して互いに重なる領域を有する構成とする。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた撮像装置に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の
一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明
の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・
オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明
の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装
置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を
一例として挙げることができる。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、
表示装置、撮像装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が
注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置と
も表記する）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半
導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化
物半導体が注目されている。
例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛、またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いて
トランジスタを作製する技術が開示されている（特許文献１および特許文献２参照）。
また、特許文献３では、酸化物半導体を有し、かつオフ電流が極めて低いトランジスタを
少なくとも画素回路の一部に用い、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ
Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路が作製可能なシリコン半導体を有する
トランジスタを周辺回路に用いることで、高速かつ低消費電力の撮像装置が作製できるこ
とが開示されている。
特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報 特開２０１１−１１９７１１号公報
近年において、多くの撮像手段は、銀塩フィルムから半導体素子を用いた撮像装置に置き
換わりつつある。撮像装置においてもあらゆる環境下における用途が想定されるため、低
照度環境や、動体を被写体とした場合においても高い撮像品質などが求められる。また、
それらの要求を満たしつつ、より低コストで作製することのできる撮像装置が望まれてい
る。
したがって、本発明の一態様では、低照度下で撮像することができる撮像装置を提供する
ことを目的の一つとする。または、ダイナミックレンジの広い撮像装置を提供することを
目的の一つとする。または、解像度の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。
または、集積度の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、広い温度範
囲において使用可能な撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、高速動作に
適した撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の撮像装置を提
供することを目的の一つとする。または、高開口率の撮像装置を提供することを目的の一
つとする。または、低コストの撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、信
頼性の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な撮像装置などを
提供することを目的の一つとする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、酸化物半導体を用いて形成されたトランジスタを有する画素回路と、
シリコンを用いて形成された光電変換素子と、酸化物半導体を用いて形成されたトランジ
スタおよびシリコンを用いて形成されたトランジスタを有する周辺回路を含む撮像装置に
関する。
本発明の一態様は、第１の回路と、第２の回路と、を有する撮像装置であって、第１の回
路は、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタを有し、第２の回路は、第３のトラ
ンジスタおよびフォトダイオードを有し、第１のトランジスタおよび第３のトランジスタ
は、酸化物半導体層を活性層とするｎ−ｃｈ型トランジスタであり、第２のトランジスタ
は、シリコン基板に活性領域を有するｐ−ｃｈ型トランジスタであり、フォトダイオード
はシリコン基板に設けられ、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは絶縁層を介
して互いに重なる領域を有し、第３のトランジスタおよびフォトダイオードは絶縁層を介
して互いに重なる領域を有し、第２のトランジスタはシリコン基板の第１面に設けられ、
フォトダイオードはシリコン基板の第１面とは逆の面に受光面を有することを特徴とする
撮像装置である。
また、本発明の他の一態様は、第１の回路と、第２の回路と、を有する撮像装置であって
、第１の回路は、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタを有し、第２の回路は、
第３のトランジスタ乃至第６のトランジスタおよびフォトダイオードを有し、第１のトラ
ンジスタおよび第３のトランジスタ乃至第６のトランジスタは、酸化物半導体層を活性層
とするｎ−ｃｈ型トランジスタであり、第２のトランジスタは、シリコン基板に活性領域
を有するｐ−ｃｈ型トランジスタであり、第１のトランジスタのソースまたはドレインの
一方は、第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第１の
トランジスタのゲートは、第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第３のトラ
ンジスタのソースまたはドレインの一方は、フォトダイオードのアノードまたはカソード
の一方と電気的に接続され、第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第４
のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第３のトランジスタ
のソースまたはドレインの他方は、第５のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第
５のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第６のトランジスタのソースまたは
ドレインの一方と電気的に接続され、フォトダイオードはシリコン基板に設けられ、第１
のトランジスタと第２のトランジスタとは、絶縁層を介して互いに重なる領域を有し、第
３のトランジスタ乃至第６のトランジスタとフォトダイオードとは、絶縁層を介して互い
に重なる領域を有し、第２のトランジスタはシリコン基板の第１面に設けられ、フォトダ
イオードはシリコン基板の第１面とは逆の面に受光面を有することを特徴とする撮像装置
である。
酸化物半導体層は、ＩｎとＺｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、
ＮｄまたはＨｆ）とを有することが好ましい。
また、シリコン基板の第１面における結晶の面方位は（１１０）面であることが好ましい
。
本発明の一態様により、低照度下で撮像することができる撮像装置を提供することができ
る。または、ダイナミックレンジの広い撮像装置を提供することができる。または、解像
度の高い撮像装置を提供することができる。または、集積度の高い撮像装置を提供するこ
とができる。または、広い温度範囲において使用可能な撮像装置を提供することができる
。または、高速動作に適した撮像装置を提供することができる。または、低消費電力の撮
像装置を提供することができる。または、高開口率の撮像装置を提供することができる。
または、低コストの撮像装置を提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置を
提供することができる。または、新規な撮像装置などを提供することができる。
なお、本発明の一態様はこれらの効果に限定されるものではない。例えば、本発明の一態
様は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果以外の効果を有する場合も
ある。または、例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、こ
れらの効果を有さない場合もある。
撮像装置を説明する断面図および回路図。 撮像装置を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する図。 撮像装置の駆動回路を説明する図。 画素回路の構成を説明する図。 画素回路の動作を説明するタイミングチャート。 画素回路の構成を説明する図。 画素回路の構成を説明する図。 画素回路の構成を説明する図。 積分回路を説明するための図。 画素回路の構成を説明する図。 画素回路の構成を説明する図。 画素回路の構成を説明する図。 画素回路の構成を説明する図。 画素回路の構成を説明する図。 グローバルシャッタ方式とローリングシャッタ方式の動作を説明するタイミングチャート。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタのチャネル幅方向の断面を説明する図。 トランジスタのチャネル長方向の断面を説明する図。 トランジスタのチャネル長方向の断面を説明する図。 トランジスタのチャネル幅方向の断面を説明する図。 半導体層を説明する上面図および断面図。 半導体層を説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタのチャネル幅方向の断面を説明する図。 トランジスタのチャネル長方向の断面を説明する図。 トランジスタのチャネル長方向の断面を説明する図。 トランジスタのチャネル幅方向の断面を説明する図。 トランジスタを説明する上面図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。 ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。 トランジスタの断面図およびバンド構造を説明する図。 計算モデルを説明する図。 初期状態と最終状態を説明する図。 活性化障壁を説明する図。 初期状態と最終状態を説明する図。 活性化障壁を説明する図。 ＶｏＨの遷移レベルを説明する図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図、ペレットおよびＣＡＡＣ−ＯＳの断面図。 ｎｃ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図、およびペレットを示す図。 ペレットを説明する図。 被形成面においてペレットに加わる力を説明する図。 被形成面におけるペレットの動きを説明する図。 ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を説明する図。 原子が衝突する前のＩｎＧａＺｎＯ４の構造などを説明する図。 原子が衝突した後のＩｎＧａＺｎＯ４の構造などを説明する図。 原子が衝突した後の原子の軌跡を説明する図。 ＣＡＡＣ−ＯＳおよびターゲットの断面ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像。 電子機器を説明する図。 トランジスタを説明する断面図。 トランジスタを説明する断面図。 トランジスタを説明する断面図。 撮像装置の画像処理エンジンを説明する図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
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、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成
において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通
して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハ
ッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。
なお、本明細書等において、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、導電膜、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。
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能
とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイ
オード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが
可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイ
ッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか
流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択し
て切り替える機能を有している。
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能
とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変
換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電
源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）
、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きくできる
回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成
回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能であ
る。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号
がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。
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（つまり、ＸとＹとの間に別の素子または別の回路を挟んで接続されてい
る場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路
を挟んで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（つまり
、ＸとＹとの間に別の素子または別の回路を挟まずに接続されている場合）とを含むもの
とする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、単に、接続され
ている、とのみ明示的に記載されている場合と同じであるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されてい
る場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もあ
る。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、およ
び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における
電気的に接続とは、このような、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、その範疇に含める。
なお、例えば、トランジスタのソース（または第１の端子など）が、Ｚ１を介して（また
は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（または第２の端子など）
が、Ｚ２を介して（または介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタ
のソース（または第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部
がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（または第２の端子など）が、Ｚ２の
一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下
のように表現することができる。
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（または第１の端子など）とドレイン（または
第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（ま
たは第１の端子など）、トランジスタのドレイン（または第２の端子など）、Ｙの順序で
電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース
（または第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（または
第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（または第１の端
子など）、トランジスタのドレイン（または第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的
に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（
または第１の端子など）とドレイン（または第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に
接続され、Ｘ、トランジスタのソース（または第１の端子など）、トランジスタのドレイ
ン（または第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することが
できる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規
定することにより、トランジスタのソース（または第１の端子など）と、ドレイン（また
は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。なお、これら
の表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、
Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）で
あるとする。
なお、本明細書等において、様々な基板を用いて、トランジスタを形成することができる
。基板の種類は、特定のものに限定されることはない。その基板の一例としては、半導体
基板（例えば単結晶基板またはシリコン基板）、ＳＯＩ基板、ガラス基板、石英基板、プ
ラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有
する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合
わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどがある。ガラス基板の一
例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライ
ムガラスなどがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ
）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）に代表さ
れるプラスチック、またはアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせ
フィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、またはポ
リ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポ
リイミド、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、
またはＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、ま
たは形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造
することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電
力化、または回路の高集積化を図ることができる。
また、基板として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成しても
よい。または、基板とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半
導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板より分離し、他の基板に転載するために
用いることができる。その際、トランジスタは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載
できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜
の積層構造の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成等を用いるこ
とができる。
つまり、ある基板を用いてトランジスタを形成し、その後、別の基板にトランジスタを転
置し、別の基板上にトランジスタを配置してもよい。トランジスタが転置される基板の一
例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロフ
ァン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基
板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）若し
くは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）、皮
革基板、またはゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトラ
ンジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性
の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である撮像装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一態様の撮像装置の構成を示す断面図である。図１（Ａ）に示す撮像装
置は、シリコン基板４０に活性領域を有するトランジスタ５１、酸化物半導体層を活性層
とするトランジスタ５２およびトランジスタ５３、ならびにシリコン基板４０に設けられ
たフォトダイオード６０を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード６０は、種々の
コンタクトプラグ７０および配線層７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオー
ド６０のアノード６１は、低抵抗領域６３を介してコンタクトプラグ７０と電気的な接続
を有する。
また、当該撮像装置は積層構造であり、シリコン基板４０に設けられたトランジスタ５１
およびフォトダイオード６０を有する第１の層１１００と、第１の層１１００と接して設
けられ、配線層７１を有する第２の層１２００と、第２の層１２００と接して設けられ、
トランジスタ５２およびトランジスタ５３を有する第３の層１３００と、第３の層１３０
０と接して設けられ、配線層７２および配線層７３を有する第４の層１４００を備えてい
る。なお、シリコン基板４０はバルクのシリコン基板に限らず、ＳＯＩ基板であってもよ
ｗい。また、シリコン基板４０に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シ
リコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有
機半導体を材料とする基板を用いることもできる。
ここで、位置は限定されないが、トランジスタ５１およびフォトダイオード６０を有する
第１の層１１００と、トランジスタ５２およびトランジスタ５３を有する第３の層１３０
０との間には絶縁層８０が設けられる。
トランジスタ５１の活性領域近傍に設けられる絶縁層中の水素はシリコンのダングリング
ボンドを終端し、トランジスタ５１の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設け
られるトランジスタ５２およびトランジスタ５３等の活性層である酸化物半導体層の近傍
に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体層中にキャリアを生成する要因の一つとな
るため、トランジスタ５２およびトランジスタ５３等の信頼性を低下させる要因となる場
合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタの上層に酸化物半導
体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能
を有する絶縁層８０を設けることが好ましい。絶縁層８０により、下層に水素を閉じ込め
ることでトランジスタ５１の信頼性が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散す
ることが抑制されることでトランジスタ５２およびトランジスタ５３等の信頼性も同時に
向上させることができる。
絶縁層８０としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、
酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒
化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等を用いることができる。
上記トランジスタ５２およびフォトダイオード６０は回路９１を形成し、トランジスタ５
１およびトランジスタ５３は回路９２を形成している。回路９１は、画素回路として機能
させることができ、回路９２は回路９１を駆動するための駆動回路として機能させること
ができる。
回路９１は、例えば、図１（Ｂ）に示す回路図のような構成とすることができる。トラン
ジスタ５２のソースまたはドレインの一方とフォトダイオード６０のカソード６２が電気
的に接続され、トランジスタ５２のソースまたはドレインの他方、トランジスタ５４（図
１（Ａ）に図示なし）のゲート、およびトランジスタ５５（図１（Ａ）に図示なし）のソ
ースまたはドレインの一方は電荷蓄積部（ＦＤ）と電気的に接続される。
ここで、トランジスタ５２は、フォトダイオード６０の出力に応じて電荷蓄積部（ＦＤ）
の電位を制御するための転送トランジスタとして作用させることができる。また、トラン
ジスタ５４は、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタとし
て作用させることができる。また、トランジスタ５５は、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位を初
期化するリセットトランジスタとして作用させることができる。
回路９２は、例えば、図１（Ｃ）に示す回路図のようなＣＭＯＳインバータを含む構成と
することができる。トランジスタ５１およびトランジスタ５３のゲートは電気的に接続さ
れ、一方のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、他方のトランジスタのソース
またはドレインの一方と電気的に接続され、両方のトランジスタのソースまたはドレイン
の他方はそれぞれ別の配線に電気的に接続される。すなわち、シリコン基板に活性領域を
有するトランジスタと酸化物半導体層を活性層とするトランジスタでＣＭＯＳ回路を形成
する。なお、図１（Ｂ）、（Ｃ）において、活性層を酸化物半導体とすることが好ましい
トランジスタには”ＯＳ”の記号を付し、活性領域をシリコン基板に有することが好まし
いトランジスタには”Ｓｉ”の記号を付してある。
上記撮像装置において、シリコン基板４０に活性領域を有するトランジスタ５１はｐ−ｃ
ｈ型とし、酸化物半導体層を活性層とするトランジスタ５２乃至トランジスタ５５はｎ−
ｃｈ型とする。
回路９１においては、回路９１に含まれる全てのトランジスタを第３の層１３００に形成
することでその電気的な接続形態を容易にすることができ、作製工程を簡略化することが
できる。
また、酸化物半導体を有するトランジスタは極めて低いオフ電流特性を有するため、撮像
のダイナミックレンジを拡大することができる。図１（Ｂ）に示す回路構成では、フォト
ダイオード６０に入射される光の強度が大きいときに電荷蓄積部（ＦＤ）の電位が小さく
なる。酸化物半導体を用いたトランジスタは極めてオフ電流が低いため、ゲート電位が極
めて小さい場合においても当該ゲート電位に応じた電流を正確に出力することができる。
したがって、検出することのできる照度のレンジ、すなわちダイナミックレンジを広げる
ことができる。
また、トランジスタ５２およびトランジスタ５５の低いオフ電流特性によって電荷蓄積部
（ＦＤ）で電荷を保持できる期間を極めて長くすることができることから、回路構成や動
作方法を複雑にすることなくグローバルシャッタ方式を適用することができる。したがっ
て、動体であっても歪の小さい画像を容易に得ることができる。また、同様の理由により
露光時間（電荷の蓄積動作を行う期間）を長くすることもできることから、低照度環境に
おける撮像にも適する。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、シリコンを用いたトランジスタよりも電気
特性変動の温度依存性が小さいため、極めて広い温度範囲で使用することができる。した
がって、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する撮像装置および半導体装置は、自動
車、航空機、宇宙機などへの搭載にも適している。
また、回路９１において、第１の層１１００に設けるフォトダイオード６０と、第３の層
１３００に設けるトランジスタ５２とを重なるように形成することができるため、画素の
集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。また
、回路９１の占有領域においてシリコン基板にはトランジスタが形成されていないため、
フォトダイオードの面積を広くすることができノイズの少ない画像を得ることができる。
また、回路９２においては、シリコン基板４０に活性領域を有するｎ−ｃｈ型のトランジ
スタの工程が不要となるため、ｐウェルおよびｎ型不純物領域などの形成工程を省くこと
ができ、工程を大幅に削減することができる。また、ＣＭＯＳ回路に必要なｎ−ｃｈ型ト
ランジスタは前述した回路９１に含まれるトランジスタと同時に作製することができる。
図１に示す撮像装置は、シリコン基板４０において、トランジスタ５１が形成された面と
は逆側の面にフォトダイオード６０の受光面を有する。したがって、各種トランジスタや
配線などの影響を受けずに光路を確保することができ、高開口率の画素を形成することが
できる。なお、フォトダイオード６０の受光面をトランジスタ５１が形成された面と同じ
とすることもできる。
図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示す撮像装置にカラーフィルタ等を付加した形態の一例の断
面図であり、３画素分の回路９１の領域（回路９１ａ、回路９１ｂ、回路９１ｃ）、およ
び回路９２の一部の領域を示している。第１の層１１００に形成されるフォトダイオード
６０上には絶縁層１５００が形成される。絶縁層１５００は可視光に対して透光性の高い
酸化シリコン膜などを用いることができる。また、パッシベーション膜として窒化シリコ
ン膜を積層する構成としてもよい。また、反射防止膜として、酸化ハフニウムなどの誘電
体膜を積層する構成としてもよい。
絶縁層１５００上には、遮光層１５１０が形成される。遮光層１５１０は、上部のカラー
フィルタを通る光の混色を防止する作用を有する。また、回路９２上における遮光層１５
１０は、シリコン基板４０に活性領域を有するトランジスタの光照射による特性変動を防
止する作用も有する。遮光層１５１０には、アルミニウム、タングステンなどの金属層や
当該金属層と反射防止膜としての機能を有する誘電体膜を積層する構成とすることができ
る。
絶縁層１５００および遮光層１５１０上には平坦化膜として有機樹脂層１５２０が形成さ
れ、回路９１ａ、回路９１ｂおよび回路９１ｃ上においてそれぞれカラーフィルタ１５３
０ａ、カラーフィルタ１５３０ｂおよびカラーフィルタ１５３０ｃが対になるように形成
される。カラーフィルタ１５３０ａ、カラーフィルタ１５３０ｂおよびカラーフィルタ１
５３０ｃには、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）などの色を割り当てることにより
、カラー画像を得ることができる。
カラーフィルタ１５３０ａ、カラーフィルタ１５３０ｂおよびカラーフィルタ１５３０ｃ
上にはマイクロレンズアレイ１５４０が設けられ、一つのレンズを通る光が直下のカラー
フィルタを通り、フォトダイオードに照射されるようになる。
また、第４の層１４００に接して支持基板１６００が設けられる。支持基板１６００とし
ては、シリコン基板などの半導体基板、ガラス基板、金属基板、セラミック基板などの硬
質基板を用いることができる。なお、第４の層１４００と支持基板１６００との間には接
着層となる無機絶縁層や有機樹脂層が形成されていてもよい。
なお、回路９１および回路９２と、外部の電源回路や制御回路等とは、第４の層における
配線層７２または配線層７３を用いて接続すればよい。
上記撮像装置の構成において、カラーフィルタ１５３０ａ、カラーフィルタ１５３０ｂお
よびカラーフィルタ１５３０ｃの代わりに光学変換層１５５０（図２（Ｂ）参照）を用い
ることにより様々な波長領域における画像が得られる撮像装置とすることができる。
例えば、光学変換層１５５０に可視光線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば赤外線
撮像装置とすることができる。また、光学変換層１５５０に近赤外線の波長以下の光を遮
るフィルタを用いれば遠赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層１５５０
に可視光線の波長以上の光を遮るフィルタを用いれば紫外線撮像装置とすることができる
。
また、光学変換層１５５０にシンチレータを用いれば、医療用のＸ線撮像装置など、放射
線の強弱を可視化した画像を得る撮像装置とすることができる。被写体を透過したＸ線等
の放射線がシンチレータに入射されると、フォトルミネッセンスと呼ばれる現象により可
視光線や紫外光線などの光（蛍光）に変換される。そして、当該光をフォトダイオード６
０で検知することにより画像データを取得する。
シンチレータは、Ｘ線やガンマ線などの放射線が照射されると、そのエネルギーを吸収し
て可視光や紫外光を発する物質、または当該物質を含む材料からなり、例えば、Ｇｄ２Ｏ
２Ｓ：Ｔｂ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｐｒ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＦＣｌ：Ｅｕ、ＮａＩ、Ｃ
ｓＩ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＣｅＦ３、ＬｉＦ、ＬｉＩ、ＺｎＯなどの材料や、それらを
樹脂やセラミクスに分散させたものが知られている。
図３は撮像装置の構成を示す概念図である。回路９１を有する画素マトリクス１７００の
側部に回路１７３０および回路１７４０が配置される。回路１７３０は、例えば、リセッ
ト端子駆動回路として作用させることができる。この場合、回路１７３０と図１（Ｂ）に
おけるトランジスタ５５とが電気的に接続される。回路１７４０は、例えば、転送端子駆
動回路として作用させることができる。この場合、回路１７４０と図１（Ｂ）におけるト
ランジスタ５２とが電気的に接続される。なお、図３では画素マトリクス１７００の両側
に回路１７３０および回路１７４０をそれぞれ配置しているが、片側に回路１７３０およ
び回路１７４０を配置しても良い。
また、回路１７３０および回路１７４０を配置しない側部に回路１７５０が配置される。
回路１７５０は、例えば、垂直出力線駆動回路として作用させることができる。この場合
、回路１７５０は図１（Ｂ）におけるトランジスタ５４と電気的に接続される。
リセット端子駆動回路および転送端子駆動回路は、ＬｏｗまたはＨｉｇｈの２値出力の駆
動回路であるので、図４（Ａ）で示す様にシフトレジスタ１８００とバッファ回路１９０
０の組み合わせで駆動することができる。
また、垂直出力線駆動回路は、図４（Ｂ）に示すようにシフトレジスタ１８１０とバッフ
ァ回路１９１０とアナログスイッチ２１００によって構成することができる。各垂直出力
線２１１０をアナログスイッチ２１００によって選択し、選択された垂直出力線２１１０
の電位を出力線２２００に出力する。アナログスイッチ２１００はシフトレジスタ１８１
０とバッファ回路１９１０で順次選択していくものとする。
本発明の一態様では、回路１７３０、回路１７４０および回路１７５０の全てまたは一部
に回路９２を含んだ構成とする。すなわち、上記シフトレジスタ１８００、バッファ回路
１９００、シフトレジスタ１８１０、バッファ回路１９１０、およびアナログスイッチ２
１００の全てまたはいずれかはシリコン基板に活性領域を有するｐ−ｃｈ型トランジスタ
と酸化物半導体層を活性層とするｎ−ｃｈ型トランジスタで形成されるＣＭＯＳ回路を有
する。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した回路９１について説明する。
図１（Ｂ）に示す回路９１および各種配線との接続形態の詳細を図５（Ａ）に示す。図５
（Ａ）に示す回路は、フォトダイオード６０、トランジスタ５２、トランジスタ５４、お
よびトランジスタ５５を含んだ構成となっている。
フォトダイオード６０のアノードは配線３１６、フォトダイオード６０のカソードはトラ
ンジスタ５２のソースまたはドレインの一方、トランジスタ５２のソースまたはドレイン
の他方は電荷蓄積部（ＦＤ）、トランジスタ５２のゲートは配線３１２（ＴＸ）、トラン
ジスタ５４のソースまたはドレインの一方は配線３１４（ＧＮＤ）、トランジスタ５４の
ソースまたはドレインの他方はトランジスタ５６のソースまたはドレインの一方、トラン
ジスタ５４のゲートは電荷蓄積部（ＦＤ）、トランジスタ５５のソースまたはドレインの
一方は電荷蓄積部（ＦＤ）、トランジスタ５５のソースまたはドレインの他方は配線３１
７、トランジスタ５５のゲートは配線３１１（ＲＳ）、トランジスタ５６のソースまたは
ドレインの他方は配線３１５（ＯＵＴ）、トランジスタ５６のゲートは配線３１３（ＳＥ
）、に各々電気的に接続されている。
なお、配線３１４には、ＧＮＤ、ＶＳＳ、ＶＤＤなどの電位が供給されていてもよい。こ
こで、電位や電圧は相対的なものである。そのため、ＧＮＤの電位の大きさは、必ずしも
、０ボルトであるとは限らないものとする。
フォトダイオード６０は受光素子であり、画素回路に入射した光に応じた電流を生成する
動作を行う。トランジスタ５２は、フォトダイオード６０による電荷蓄積部（ＦＤ）への
電荷蓄積を制御する。トランジスタ５４は、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位に応じた信号を出
力する動作を行う。トランジスタ５５は、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位のリセットする動作
を行う。トランジスタ５６は、読み出し時に画素回路の選択を制御する動作を行う。
なお、電荷蓄積部（ＦＤ）は、電荷保持ノードであり、フォトダイオード６０が受ける光
の量に応じて変化する電荷を保持する。
なお、トランジスタ５４とトランジスタ５６とは、配線３１５と配線３１４との間で、直
列接続されていればよい。したがって、配線３１４、トランジスタ５４、トランジスタ５
６、配線３１５の順で並んでもよいし、配線３１４、トランジスタ５６、トランジスタ５
４、配線３１５の順で並んでもよい。
配線３１１（ＲＳ）は、トランジスタ５５を制御するための信号線である。配線３１２（
ＴＸ）は、トランジスタ５２を制御するための信号線である。配線３１３（ＳＥ）は、ト
ランジスタ５６を制御するための信号線である。配線３１４（ＧＮＤ）は、基準電位（例
えばＧＮＤ）を設定する信号線である。配線３１５（ＯＵＴ）は、トランジスタ５４から
出力される信号を読み出すための信号線である。配線３１６はフォトダイオード６０を介
して電荷蓄積部（ＦＤ）から電荷を出力するための信号線であり、図５（Ａ）の回路にお
いては低電位線である。また、配線３１７は電荷蓄積部（ＦＤ）の電位をリセットするた
めの信号線であり、図５（Ａ）の回路においては高電位線である。
また、回路９１は、図５（Ｂ）に示す構成であってもよい。図５（Ｂ）に示す回路は、図
５（Ａ）に示す回路と構成要素は同じであるが、フォトダイオード６０のアノードがトラ
ンジスタ５２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、フォトダイオード６０
のカソードが配線３１６と電気的に接続される点で異なる。
次に、図５（Ａ）、（Ｂ）に示す各素子の構成について説明する。
フォトダイオード６０には、シリコン基板においてｐｎ型やｐｉｎ型の接合が形成された
素子を用いることができる。
トランジスタ５２、トランジスタ５４、トランジスタ５５、およびトランジスタ５６は、
非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどのシリコン半導
体を用いて形成することも可能であるが、酸化物半導体を用いたトランジスタで形成する
ことが好ましい。酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタは、極めてオ
フ電流が低い特性を示す特徴を有している。
特に、電荷蓄積部（ＦＤ）と接続されているトランジスタ５２およびトランジスタ５５の
リーク電流が大きいと、電荷蓄積部（ＦＤ）に蓄積された電荷が保持できる時間が十分で
なくなる。したがって、少なくとも当該二つのトランジスタに酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタを使用することで、電荷蓄積部（ＦＤ）からの不要な電荷の流出を防止すること
ができる。
また、トランジスタ５４およびトランジスタ５６においても、リーク電流が大きいと、配
線３１４または配線３１５に不必要な電荷の出力が起こるため、これらのトランジスタと
して、酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタを用いることが好ましい
。
図５（Ａ）の回路の動作の一例について図６（Ａ）に示すタイミングチャートを用いて説
明する。
図６（Ａ）では簡易に説明するため、各配線の電位は、二値変化する信号として与える。
ただし、各電位はアナログ信号であるため、実際には状況に応じて二値に限らず種々の値
を取り得る。なお、図に示す信号７０１は配線３１１（ＲＳ）の電位、信号７０２は配線
３１２（ＴＸ）の電位、信号７０３は配線３１３（ＳＥ）の電位、信号７０４は電荷蓄積
部（ＦＤ）の電位、信号７０５は配線３１５（ＯＵＴ）の電位に相当する。なお、配線３
１６の電位は常時”Ｌｏｗ”、配線３１７の電位は常時”Ｈｉｇｈ”とする。
時刻Ａにおいて、配線３１１の電位（信号７０１）を”Ｈｉｇｈ”、配線３１２の電位（
信号７０２）を”Ｈｉｇｈ”とすると、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）は配線
３１７の電位（”Ｈｉｇｈ”）に初期化され、リセット動作が開始される。なお、配線３
１５の電位（信号７０５）は、”Ｈｉｇｈ”にプリチャージしておく。
時刻Ｂにおいて、配線３１１の電位（信号７０１）を”Ｌｏｗ”とするとリセット動作が
終了し、蓄積動作が開始される。ここで、フォトダイオード６０には逆方向バイアスが印
加されるため、逆方向電流により、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）が低下し始
める。フォトダイオード６０は、光が照射されると逆方向電流が増大するので、照射され
る光の量に応じて電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）の低下速度は変化する。すな
わち、フォトダイオード６０に照射する光の量に応じて、トランジスタ５４のソースとド
レイン間のチャネル抵抗が変化する。
時刻Ｃにおいて、配線３１２の電位（信号７０２）を”Ｌｏｗ”とすると蓄積動作が終了
し、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）は一定となる。ここで、当該電位は、蓄積
動作中にフォトダイオード６０が生成した電荷量により決まる。すなわち、フォトダイオ
ード６０に照射されていた光の量に応じて変化する。また、トランジスタ５２およびトラ
ンジスタ５５は、酸化膜半導体層でチャネル形成領域を形成したオフ電流が極めて低いト
ランジスタで構成されているため、後の選択動作（読み出し動作）を行うまで、電荷蓄積
部（ＦＤ）の電位を一定に保つことが可能である。
なお、配線３１２の電位（信号７０２）を”Ｌｏｗ”とする際に、配線３１２と電荷蓄積
部（ＦＤ）との間における寄生容量により、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位に変化が生じるこ
とがある。当該電位の変化量が大きい場合は、蓄積動作中にフォトダイオード６０が生成
した電荷量を正確に取得できないことになる。当該電位の変化量を低減するには、トラン
ジスタ５２のゲート−ソース（もしくはゲート−ドレイン）間容量を低減する、トランジ
スタ５４のゲート容量を増大する、電荷蓄積部（ＦＤ）に保持容量を設ける、などの対策
が有効である。なお、本実施の形態では、これらの対策により当該電位の変化を無視でき
るものとしている。
時刻Ｄに、配線３１３の電位（信号７０３）を”Ｈｉｇｈ”にすると、トランジスタ５６
が導通して選択動作が開始され、配線３１４と配線３１５が、トランジスタ５４とトラン
ジスタ５６とを介して導通する。そして、配線３１５の電位（信号７０５）は、低下して
いく。なお、配線３１５のプリチャージは、時刻Ｄ以前に終了しておけばよい。ここで、
配線３１５の電位（信号７０５）が低下する速さは、トランジスタ５４のソースとドレイ
ン間の電流に依存する。すなわち、蓄積動作中にフォトダイオード６０に照射されている
光の量に応じて変化する。
時刻Ｅにおいて、配線３１３の電位（信号７０３）を”Ｌｏｗ”にすると、トランジスタ
５６が遮断されて選択動作は終了し、配線３１５の電位（信号７０５）は、一定値となる
。ここで、一定値となる値は、フォトダイオード６０に照射されていた光の量に応じて変
化する。したがって、配線３１５の電位を取得することで、蓄積動作中にフォトダイオー
ド６０に照射されていた光の量を知ることができる。
より具体的には、フォトダイオード６０に照射されている光が強いと、電荷蓄積部（ＦＤ
）の電位、すなわちトランジスタ５４のゲート電圧は低下する。そのため、トランジスタ
５４のソース−ドレイン間に流れる電流は小さくなり、配線３１５の電位（信号７０５）
はゆっくりと低下する。したがって、配線３１５からは比較的高い電位を読み出すことが
できる。
逆に、フォトダイオード６０に照射されている光が弱いと、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位、
すなわち、トランジスタ５４のゲート電圧は高くなる。そのため、トランジスタ５４のソ
ース−ドレイン間に流れる電流は大きくなり、配線３１５の電位（信号７０５）は速く低
下する。したがって、配線３１５からは比較的低い電位を読み出すことができる。
次に、図５（Ｂ）の回路の動作の例について図６（Ｂ）に示すタイミングチャートを用い
て説明する。なお、配線３１６の電位は常時”Ｈｉｇｈ”、配線３１７の電位は常時”Ｌ
ｏｗ”とする。
時刻Ａにおいて、配線３１１の電位（信号７０１）を”Ｈｉｇｈ”、配線３１２の電位（
信号７０２）を”Ｈｉｇｈ”とすると、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）は配線
３１７の電位（”Ｌｏｗ”）に初期化され、リセット動作が開始される。なお、配線３１
５の電位（信号７０５）は、”Ｈｉｇｈ”にプリチャージしておく。
時刻Ｂにおいて、配線３１１の電位（信号７０１）を”Ｌｏｗ”とするとリセット動作が
終了し、蓄積動作が開始される。ここで、フォトダイオード６０には逆方向バイアスが印
加されるため、逆方向電流により、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）が上昇し始
める。
時刻Ｃ以降の動作は、図６（Ａ）のタイミングチャートの説明を参照することができ、時
刻Ｅにおいて、配線３１５の電位を取得することで、蓄積動作中にフォトダイオード６０
に照射されていた光の量を知ることができる。
また、回路９１は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。
図７（Ａ）に示す回路は、図５（Ａ）に示す回路の構成からトランジスタ５５、配線３１
６および配線３１７を省いた構成であり、配線３１１（ＲＳ）はフォトダイオード６０の
アノードに電気的に接続される。その他の構成は、図５（Ａ）に示す回路と同じである。
図７（Ｂ）に示す回路は、図７（Ａ）に示す回路と構成要素は同じであるが、フォトダイ
オード６０のアノードがトランジスタ５２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続
され、フォトダイオード６０のカソードが配線３１１（ＲＳ）と電気的に接続される点で
異なる。
図７（Ａ）の回路は図５（Ａ）の回路と同様に、図６（Ａ）に示すタイミングチャートで
動作させることができる。
時刻Ａにおいて、配線３１１の電位（信号７０１）を”Ｈｉｇｈ”、配線３１２の電位（
信号７０２）を”Ｈｉｇｈ”とすると、フォトダイオード６０に順方向バイアスが印加さ
れ、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）が”Ｈｉｇｈ”となる。すなわち、電荷蓄
積部（ＦＤ）の電位は配線３１１（ＲＳ）の電位（”Ｈｉｇｈ”）に初期化され、リセッ
ト状態となる。以上がリセット動作の開始である。なお、配線３１５の電位（信号７０５
）は、”Ｈｉｇｈ”にプリチャージしておく。
時刻Ｂにおいて、配線３１１の電位（信号７０１）を”Ｌｏｗ”とするとリセット動作が
終了し、蓄積動作が開始される。ここで、フォトダイオード６０には逆方向バイアスが印
加されるため、逆方向電流により、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）が低下し始
める。
時刻Ｃ以降の動作は、図５（Ａ）の回路動作の説明を参照することができ、時刻Ｅにおい
て、配線３１５の電位を取得することで、蓄積動作中にフォトダイオード６０に照射され
ていた光の量を知ることができる。
図７（Ｂ）の回路は、図６（Ｃ）に示すタイミングチャートで動作させることができる。
時刻Ａにおいて、配線３１１の電位（信号７０１）を”Ｌｏｗ”、配線３１２の電位（信
号７０２）を”Ｈｉｇｈ”とすると、フォトダイオード６０に順方向バイアスが印加され
、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）が”Ｌｏｗ”のリセット状態となる。以上が
リセット動作の開始である。なお、配線３１５の電位（信号７０５）は、”Ｈｉｇｈ”に
プリチャージしておく。
時刻Ｂにおいて、配線３１１の電位（信号７０１）を”Ｈｉｇｈ”とするとリセット動作
が終了し、蓄積動作が開始される。ここで、フォトダイオード６０には逆方向バイアスが
印加されるため、逆方向電流により、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位（信号７０４）が上昇し
始める。
時刻Ｃ以降の動作は、図５（Ａ）の回路動作の説明を参照することができ、時刻Ｅにおい
て、配線３１５の電位を取得することで、蓄積動作中にフォトダイオード６０に照射され
ていた光の量を知ることができる。
なお、図５（Ａ）、（Ｂ）および図７（Ａ）、（Ｂ）では、トランジスタ５２が設けられ
ている場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。図８（Ａ）、（Ｂ
）に示すように、トランジスタ５２を省くことも可能である。
また、回路９１に用いるトランジスタは、図９（Ａ）または図９（Ｂ）に示すように、ト
ランジスタ５２、トランジスタ５４、およびトランジスタ５６にバックゲートを設けた構
成であってもよい。図９（Ａ）はバックゲートに定電位を印加する構成であり、しきい値
電圧を制御することができる。また、図９（Ｂ）はフロントゲートと同じ電位がバックゲ
ートに印加される構成であり、オン電流を増加させることができる。なお、図９（Ａ）に
おいては、バックゲートが配線３１４（ＧＮＤ）と電気的に接続される構成を例示したが
、定電位が供給される別の配線と電気的に接続されていてもよい。なお、図９（Ａ）、（
Ｂ）は図７（Ａ）に示す回路においてトランジスタにバックゲートを設けた例を示したが
、同様の構成を図５（Ａ）、（Ｂ）、図７（Ｂ）、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す回路にも適
用することもできる。また、一つの回路に含まれるトランジスタに対し、フロントゲート
と同じ電位がバックゲートに印加される構成、バックゲートに定電位を印加する構成、ま
たはバックゲートを設けない構成を必要に応じて任意に組み合わせた回路構成としてもよ
い。
なお、上述した回路例において、配線３１５（ＯＵＴ）には、図１０（Ａ）、（Ｂ）、（
Ｃ）に示すような積分回路が接続されていてもよい。当該回路によって、読み出し信号の
Ｓ／Ｎ比を高めることができ、より微弱な光を検出することができる。すなわち、撮像装
置の感度を高めることができる。
図１０（Ａ）は、演算増幅回路（ＯＰアンプともいう）を用いた積分回路である。演算増
幅回路の反転入力端子は、抵抗素子Ｒを介して配線３１５（ＯＵＴ）に接続される。演算
増幅回路の非反転入力端子は、接地電位に接続される。演算増幅回路の出力端子は、容量
素子Ｃを介して演算増幅回路の反転入力端子に接続される。
図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）とは異なる構成の演算増幅回路を用いた積分回路である。
演算増幅回路の反転入力端子は、抵抗素子Ｒと容量素子Ｃ１を介して配線３１５（ＯＵＴ
）に接続される。演算増幅回路の非反転入力端子は、接地電位に接続される。演算増幅回
路の出力端子は、容量素子Ｃ２を介して演算増幅回路の反転入力端子に接続される。
図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）とは異なる構成の演算増幅回路を用い
た積分回路である。演算増幅回路の非反転入力端子は、抵抗素子Ｒを介して配線３１５（
ＯＵＴ）に接続される。演算増幅回路の出力端子は、演算増幅回路の反転入力端子に接続
される。なお、抵抗素子Ｒと容量素子Ｃは、ＣＲ積分回路を構成する。また、演算増幅回
路はユニティゲインバッファを構成する。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
（実施の形態３）
本実施の形態では、電荷蓄積部（ＦＤ）の電位を初期化するトランジスタ、電荷蓄積部（
ＦＤ）の電位に応じた信号を出力するトランジスタ、および各配線（信号線）を画素間（
回路９１間）で兼用する場合の回路構成について説明する。
図１１に示す画素回路は、図５（Ａ）に示す回路と同様にトランジスタ５２（転送トラン
ジスタとして作用）、トランジスタ５４（増幅トランジスタとして作用）、トランジスタ
５５（リセットトランジスタとして作用）、トランジスタ５６（選択トランジスタとして
作用）、およびフォトダイオード６０が各画素に一つずつ有する。また、配線３１１（リ
セットスイッチ線として作用）、配線３１２（転送スイッチ線として作用）、配線３１３
（選択スイッチ線として作用）、配線３１４（高電位線として作用）、配線３１５（出力
線として作用）が当該画素回路と電気的に接続される基本形である。
なお、図５（Ａ）に示す回路では、配線３１４をＧＮＤ、配線３１７を高電位線とする一
例を示したが、当該画素回路では、配線３１４を高電位線（例えば、ＶＤＤ）とし、配線
３１４にトランジスタ５６のソースまたはドレインの他方を接続することで配線３１７を
省いている。また、配線３１５（ＯＵＴ）は低電位にリセットされる。
１ライン目の画素回路と２ライン目の画素回路間においては、配線３１４、配線３１５、
配線３１６をそれぞれ共用できるほか、動作方法によっては配線３１１を共用することも
できる。
図１２は、垂直方向に隣接する４個の画素について、トランジスタ５４、トランジスタ５
５、トランジスタ５６、および配線３１１を兼用する垂直４画素共有型の構成を示してい
る。トランジスタおよび配線を削減することで画素面積の縮小による微細化や、歩留りを
向上させることができる。垂直方向に隣接する４個の各画素におけるトランジスタ５２の
ソースまたはドレインの他方、トランジスタ５５のソースまたはドレインの一方、および
トランジスタ５４のゲートが電荷蓄積部（ＦＤ）に電気的に接続されている。各画素のト
ランジスタ５２を順次動作させ、蓄積動作と読み出し動作を繰り返すことで全ての画素か
らデータを取得することができる。
図１３は、水平および垂直方向に隣接する４個の画素について、トランジスタ５４、トラ
ンジスタ５５、トランジスタ５６、および配線３１１を兼用する垂直水平４画素共有型の
構成を示している。垂直４画素共有型と同じく、トランジスタおよび配線を削減すること
で画素面積の縮小による微細化や、歩留りを向上させることができる。水平および垂直方
向に隣接する４個の画素におけるトランジスタ５２のソースまたはドレインの他方、トラ
ンジスタ５５のソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ５４のゲートが電荷蓄
積部（ＦＤ）に電気的に接続されている。各画素のトランジスタ５２を順次動作させ、蓄
積動作と読み出し動作を繰り返すことで全ての画素からデータを取得することができる。
図１４は、水平および垂直方向に隣接する４個の画素について、トランジスタ５４、トラ
ンジスタ５５、トランジスタ５６、配線３１１、および配線３１２を兼用する転送スイッ
チ線共有型の構成を示している。前述した垂直水平４画素共有型に更に転送スイッチ線（
配線３１２）を共有させた回路である。水平および垂直方向に隣接する４個の画素（一行
目は水平方向に隣接する２個の画素）におけるトランジスタ５２のソースまたはドレイン
の他方、トランジスタ５５のソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ５４のゲ
ートが電荷蓄積部（ＦＤ）に電気的に接続されている。また、この回路構成は、垂直方向
に位置する２つの転送トランジスタ（トランジスタ５２）が転送スイッチ線（配線３１２
）を共有していることで、水平方向だけでなく、垂直方向にも同時に動くトランジスタが
あることを特徴としている。
なお、上述したトランジスタおよび信号線を共有する形態とは異なるが、フォトダイオー
ドを複数有する画素回路の構成とすることもできる。
例えば、図１５に示す回路のように、配線３１６とトランジスタ５２のソースまたはドレ
インの一方との間に、フォトダイオード６０ａ、６０ｂ、６０ｃおよびトランジスタ５８
ａ、５８ｂ、５８ｃなどを設ける。トランジスタ５８ａ、５８ｂ、５８ｃはそれぞれに接
続されるフォトダイオードを選択するスイッチとしての機能を有する。なお、フォトダイ
オードおよびスイッチとしての機能を有するトランジスタの数は限定されない。
一例として、フォトダイオード６０ａ、６０ｂ、６０ｃには、それぞれ照度に対する感度
が異なる特性を有するものを用いることができ、低照度から高照度までそれぞれの環境に
おける撮像に適したものが選ばれる。例えば、高照度用フォトダイオードには、照度に対
する出力が線形性を有するように減光フィルタを組み合わせたものを用いることができる
。なお、複数のフォトダイオードを選択して動作させてもよい。
また、フォトダイオード６０ａ、６０ｂ、６０ｃには、それぞれ波長に対する感度が異な
る特性を有するものを用いることができ、紫外線から遠赤外線までそれぞれの波長におけ
る撮像に適したものが選ばれる。例えば、検出したい波長域を透過するフィルタとフォト
ダイオードを組み合わせることで、紫外光による撮像、可視光による撮像、赤外光による
撮像などを切り替えて行うことができる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
（実施の形態４）
本実施の形態では、画素回路の駆動方法の一例について説明する。
実施の形態２で説明したように、画素回路の動作は、リセット動作、蓄積動作、および選
択動作の繰り返しである。画素マトリクス全体を制御する撮像方法としては、グローバル
シャッタ方式とローリングシャッタ方式が知られている。
図１６（Ａ）は、グローバルシャッタ方式におけるタイミングチャートである。なお、図
１６（Ａ）は、マトリクス状に複数の画素回路を有し、当該画素回路に図５（Ａ）の回路
を有する撮像装置を例として、第１行目から第ｎ行目（ｎは３以上の自然数）の画素回路
の動作を説明するものである。なお、下記の動作説明は、図５（Ｂ）、図７（Ａ）、（Ｂ
）、および図８（Ａ）、（Ｂ）に示す回路にも適用することができる。
図１６（Ａ）において、信号５０１、信号５０２、信号５０３は、第１行目、第２行目、
第ｎ行目の各画素回路に接続された配線３１１（ＲＳ）に入力される信号である。また、
信号５０４、信号５０５、信号５０６は、第１行目、第２行目、第ｎ行目の各画素回路に
接続された配線３１２（ＴＸ）に入力される信号である。また、信号５０７、信号５０８
、信号５０９は、第１行目、第２行目、第ｎ行目の各画素回路に接続された配線３１３（
ＳＥ）に入力される信号である。
また、期間５１０は、１回の撮像に要する期間である。また、期間５１１は、各行の画素
回路がリセット動作を同時に行っている期間であり、期間５２０は、各行の画素回路が蓄
積動作を同時に行っている期間である。なお、選択動作は各行の画素回路で順次行われる
。一例として、期間５３１は、第１行目の画素回路が選択動作を行っている期間である。
このように、グローバルシャッタ方式では、全画素回路で略同時にリセット動作が行われ
た後、全画素回路で略同時に蓄積動作が行われ、１行毎に順次読み出し動作が行われる。
つまり、グローバルシャッタ方式では、全ての画素回路において蓄積動作が略同時に行わ
れているため、各行の画素回路における撮像の同時性が確保される。したがって、被写体
が動体であっても歪の小さい画像を取得することができる。
一方、図１６（Ｂ）は、ローリングシャッタ方式を用いた場合のタイミングチャートであ
る。なお、信号５０１乃至５０９は図１６（Ａ）の説明を参照することができる。期間６
１０は１回の撮像に要する期間である。期間６１１、期間６１２、期間６１３はそれぞれ
、第１行目、第２行目、第ｎ行目のリセット期間であり、期間６２１、期間６２２、期間
６２３はそれぞれ、第１行目、第２行目、第ｎ行目の蓄積動作期間である。また、期間６
３１は、１行目の画素回路が選択動作を行っている期間である。このように、ローリング
シャッタ方式では、蓄積動作が全ての画素回路では同時に行われず、行毎に順次行われる
ため、各行の画素回路における撮像の同時性が確保されない。したがって、一行目と最終
行目では撮像のタイミングが異なるため、動体が被写体である場合は歪の大きい画像とな
ってしまう。
グローバルシャッタ方式を実現するためには、蓄積動作が終了した後も、読み出しまでの
間に各画素回路における電荷蓄積部（ＦＤ）の電位を長時間保つ必要がある。電荷蓄積部
（ＦＤ）の電位の長時間の保持は、前述したようにトランジスタ５２などに極めてオフ電
流の低い、チャネル形成領域を酸化物半導体で形成したトランジスタを用いることで実現
できる。一方、トランジスタ３０１などにチャネル形成領域をシリコンなどで形成したト
ランジスタを適用した場合は、オフ電流が高いために電荷蓄積部（ＦＤ）の電位を長時間
保持できず、グローバルシャッタ方式を用いることが困難となる。
以上のように、画素回路にチャネル形成領域を酸化物半導体で形成したトランジスタを用
いることでグローバルシャッタ方式を容易に実現することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体を有するトランジ
スタについて図面を用いて説明する。
図１７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタ１０１の上面図および断面図で
ある。図１７（Ａ）は上面図であり、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１−Ｂ２方向の断面
が図１７（Ｂ）に相当する。また、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ３−Ｂ４方向の断面が
図２３（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小
、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２方向をチャネル長方向、一点
鎖線Ｂ３−Ｂ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０１は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化
物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４０および導電
層１５０と、酸化物半導体層１３０、導電層１４０および導電層１５０と接する絶縁層１
６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、導電層１４０、導電層１５０、絶縁層１
６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と
、を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０に接する絶縁層１９０（平坦化膜）などを
有していてもよい。
ここで、導電層１４０はソース電極層、導電層１５０はドレイン電極層、絶縁層１６０は
ゲート絶縁膜、導電層１７０はゲート電極層としてそれぞれ機能することができる。
また、図１７（Ｂ）に示す領域２３１はソース領域、領域２３２はドレイン領域、領域２
３３はチャネル形成領域として機能することができる。領域２３１および領域２３２は導
電層１４０および導電層１５０とそれぞれ接しており、例えば導電層１４０および導電層
１５０として酸素と結合しやすい導電材料を用いれば領域２３１および領域２３２を低抵
抗化することができる。
具体的には、酸化物半導体層１３０と導電層１４０および導電層１５０とが接することで
酸化物半導体層１３０内に酸素欠損が生じ、当該酸素欠損と酸化物半導体層１３０内に残
留または外部から拡散する水素との相互作用により、領域２３１および領域２３２は低抵
抗のｎ型となる。
なお、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」という用語は、入れ替
えて用いることができるものとする。また、「電極層」は、「配線」と言い換えることも
できる。
また、導電層１７０は、導電層１７１および導電層１７２の二層で形成される例を図示し
ているが、一層または三層以上の積層であってもよい。当該構成は本実施の形態で説明す
る他のトランジスタにも適用できる。
また、導電層１４０および導電層１５０は単層で形成される例を図示しているが、二層以
上の積層であってもよい。当該構成は本実施の形態で説明する他のトランジスタにも適用
できる。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図１８（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図１８（Ａ）はトランジスタ１０２の上面図であり、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ｃ
１−Ｃ２方向の断面が図１８（Ｂ）に相当する。また、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ｃ３
−Ｃ４方向の断面は、図２３（Ｂ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一
部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｃ１−Ｃ２方向を
チャネル長方向、一点鎖線Ｃ３−Ｃ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０２は、ゲート絶縁膜として作用する絶縁層１６０がゲート電極層として
作用する導電層１７０と端部を一致させない点を除き、トランジスタ１０１と同様の構成
を有する。トランジスタ１０２の構造は、導電層１４０および導電層１５０が絶縁層１６
０で広く覆われているため、導電層１４０および導電層１５０と導電層１７０との間の抵
抗が高く、ゲートリーク電流の少ない特徴を有している。
トランジスタ１０１およびトランジスタ１０２は、導電層１７０と導電層１４０および導
電層１５０が重なる領域を有するトップゲート構造である。当該領域のチャネル長方向の
幅は、寄生容量を小さくするために３ｎｍ以上３００ｎｍ未満とすることが好ましい。一
方で、酸化物半導体層１３０にオフセット領域が形成されないため、オン電流の高いトラ
ンジスタを形成しやすい。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図１９（Ａ）はトランジスタ１０３の上面図であり、図１９（Ａ）に示す一点鎖線Ｄ
１−Ｄ２方向の断面が図１９（Ｂ）に相当する。また、図１９（Ａ）に示す一点鎖線Ｄ３
−Ｄ４方向の断面は、図２３（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一
部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｄ１−Ｄ２方向を
チャネル長方向、一点鎖線Ｄ３−Ｄ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０３は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化
物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接
する導電層１７０と、酸化物半導体層１３０、絶縁層１６０および導電層１７０を覆う絶
縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、絶縁層１７５および絶縁層１８０
に設けられた開口部を通じて酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４０およ
び導電層１５０を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４０および導電層
１５０に接する絶縁層１９０（平坦化膜）などを有していてもよい。
ここで、導電層１４０はソース電極層、導電層１５０はドレイン電極層、絶縁層１６０は
ゲート絶縁膜、導電層１７０はゲート電極層としてそれぞれ機能することができる。
また、図１９（Ｂ）に示す領域２３１はソース領域、領域２３２はドレイン領域、領域２
３３はチャネル形成領域として機能することができる。領域２３１および領域２３２は絶
縁層１７５と接しており、例えば絶縁層１７５として水素を含む絶縁材料を用いれば領域
２３１および領域２３２を低抵抗化することができる。
具体的には、絶縁層１７５を形成するまでの工程により領域２３１および領域２３２に生
じる酸素欠損と、絶縁層１７５から領域２３１および領域２３２に拡散する水素との相互
作用により、領域２３１および領域２３２は低抵抗のｎ型となる。なお、水素を含む絶縁
材料としては、例えば窒化シリコン膜や窒化アルミニウム膜などを用いることができる。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図２０（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図２０（Ａ）はトランジスタ１０４の上面図であり、図２０（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ
１−Ｅ２方向の断面が図２０（Ｂ）に相当する。また、図２０（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ３
−Ｅ４方向の断面は、図２３（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一
部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｅ１−Ｅ２方向を
チャネル長方向、一点鎖線Ｅ３−Ｅ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０４は、導電層１４０および導電層１５０が酸化物半導体層１３０の端部
を覆うように接している点を除き、トランジスタ１０３と同様の構成を有する。
また、図２０（Ｂ）に示す領域３３１および領域３３４はソース領域、領域３３２および
領域３３５はドレイン領域、領域３３３はチャネル形成領域として機能することができる
。領域３３１および領域３３２はトランジスタ１０１における領域２３１および領域２３
２と同様に低抵抗化することができる。また、領域３３４および領域３３５はトランジス
タ１０３における領域２３１および領域２３２と同様に低抵抗化することができる。なお
、チャネル長方向における領域３３４および領域３３５の幅が１００ｎｍ以下、好ましく
は５０ｎｍ以下の場合には、ゲート電界の寄与によりオン電流は大きく低下しないため、
上述したような低抵抗化を行わない構成とすることもできる。
トランジスタ１０３およびトランジスタ１０４は、導電層１７０と導電層１４０および導
電層１５０が重なる領域を有さないセルフアライン構造である。セルフアライン構造のト
ランジスタはゲート電極層とソース電極層およびドレイン電極層間の寄生容量が極めて小
さいため、高速動作用途に適している。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図２１（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図２１（Ａ）はトランジスタ１０５の上面図であり、図２１（Ａ）に示す一点鎖線Ｆ
１−Ｆ２方向の断面が図２１（Ｂ）に相当する。また、図２１（Ａ）に示す一点鎖線Ｆ３
−Ｆ４方向の断面は、図２３（Ａ）に相当。なお、上記図面では、明瞭化のために一部の
要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｆ１−Ｆ２方向をチャ
ネル長方向、一点鎖線Ｆ３−Ｆ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０５は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化
物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４１および導電
層１５１と、酸化物半導体層１３０、導電層１４１、導電層１５１と接する絶縁層１６０
と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、酸化物半導体層１３０、導電層１４１、導電
層１５１、絶縁層１６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接
する絶縁層１８０と、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて導電
層１４１および導電層１５１とそれぞれ電気的に接続する導電層１４２および導電層１５
２を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４２および導電層１５２に接す
る絶縁層１９０（平坦化膜）などを有していてもよい。
ここで、導電層１４１および導電層１５１は、酸化物半導体層１３０の上面と接し、側面
には接しない構成となっている。
トランジスタ１０５は、導電層１４１および導電層１５１を有する点、および絶縁層１７
５および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて導電層１４１および導電層１５１とそ
れぞれ電気的に接続する導電層１４２および導電層１５２を有する点を除き、トランジス
タ１０１と同様の構成を有する。導電層１４０（導電層１４１および導電層１４２）はソ
ース電極層として作用させることができ、導電層１５０（導電層１５１および導電層１５
２）はドレイン電極層として作用させることができる。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図２２（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図２２（Ａ）はトランジスタ１０６の上面図であり、図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ｇ
１−Ｇ２方向の断面が図２２（Ｂ）に相当する。また、図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ｇ３
−Ｇ４方向の断面は、図２３（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一
部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｇ１−Ｇ２方向を
チャネル長方向、一点鎖線Ｇ３−Ｇ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０６は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化
物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４１および導電
層１５１と、酸化物半導体層１３０と接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電
層１７０と、絶縁層１２０、酸化物半導体層１３０、導電層１４１、導電層１５１、絶縁
層１６０、導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と
、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて導電層１４１および導電
層１５１とそれぞれ電気的に接続する導電層１４２および導電層１５２を有する。また、
必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４２および導電層１５２に接する絶縁層１９０（平
坦化膜）などを有していてもよい。
ここで、導電層１４１および導電層１５１は、酸化物半導体層１３０の上面と接し、側面
には接しない構成となっている。
トランジスタ１０６は、導電層１４１および導電層１５１を有する点を除き、トランジス
タ１０３と同様の構成を有する。導電層１４０（導電層１４１および導電層１４２）はソ
ース電極層として作用させることができ、導電層１５０（導電層１５１および導電層１５
２）はドレイン電極層として作用させることができる。
トランジスタ１０５およびトランジスタ１０６の構成では、導電層１４０および導電層１
５０が絶縁層１２０と接しない構成であるため、絶縁層１２０中の酸素が導電層１４０お
よび導電層１５０に奪われにくくなり、絶縁層１２０から酸化物半導体層１３０中への酸
素の供給を容易とすることができる。
なお、トランジスタ１０３における領域２３１および領域２３２、トランジスタ１０４お
よびトランジスタ１０６における領域３３４および領域３３５には、酸素欠損を形成し導
電率を高めるための不純物を添加してもよい。酸化物半導体層に酸素欠損を形成する不純
物としては、例えば、リン、砒素、アンチモン、ホウ素、アルミニウム、シリコン、窒素
、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、インジウム、フッ素、塩素、チ
タン、亜鉛、および炭素のいずれかから選択される一つ以上を用いることができる。当該
不純物の添加方法としては、プラズマ処理法、イオン注入法、イオンドーピング法、プラ
ズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
不純物元素として、上記元素が酸化物半導体層に添加されると、酸化物半導体層中の金属
元素および酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸化物半導体層に含まれる酸
素欠損と酸化物半導体層中に残存または後から添加される水素の相互作用により、酸化物
半導体層の導電率を高くすることができる。
なお、不純物元素の添加により酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、
酸素欠損サイトに水素が入り伝導帯近傍にドナー準位が形成される。その結果、酸化物導
電体を形成することができる。なお、ここでは、導電体化された酸化物半導体を酸化物導
電体という。
酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致して
いると推定される。このため、酸化物導電体層とソース電極層およびドレイン電極層とし
て機能する導電層との接触はオーミック接触であり、酸化物導電体層とソース電極層およ
びドレイン電極層として機能する導電層との接触抵抗を低減することができる。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図２４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および図２５（
Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すチャネル長方向の断面図、ならびに図２６（Ａ）、（Ｂ）に
示すチャネル幅方向の断面図のように、酸化物半導体層１３０と基板１１５との間に導電
層１７３を備えていてもよい。当該導電層を第２のゲート電極層（バックゲート）として
用いることで、更なるオン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。なお
、図２４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および図２５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す断面図にお
いて、導電層１７３の幅を酸化物半導体層１３０よりも短くしてもよい。さらに、導電層
１７３の幅を導電層１７０の幅よりも短くしてもよい。
オン電流を増加させるには、例えば、導電層１７０と導電層１７３を同電位とし、ダブル
ゲートトランジスタとして駆動させればよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、導
電層１７０とは異なる定電位を導電層１７３に供給すればよい。導電層１７０と導電層１
７３を同電位とするには、例えば、図２６（Ｂ）に示すように、導電層１７０と導電層１
７３とをコンタクトホールを介して電気的に接続すればよい。
また、図１７乃至図２２におけるトランジスタ１０１乃至トランジスタ１０６では、酸化
物半導体層１３０が単層である例を図示したが、酸化物半導体層１３０は積層であっても
よい。トランジスタ１０１乃至トランジスタ１０６の酸化物半導体層１３０は、図２７ま
たは図２８に示す酸化物半導体層１３０と入れ替えることができる。
図２７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、二層構造である酸化物半導体層１３０の上面図および
断面図である。図２７（Ａ）は上面図であり、図２７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２方
向の断面が図２７（Ｂ）に相当する。また、図２７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４方向
の断面が図２７（Ｃ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部の要素を拡
大、縮小、または省略して図示している。
また、図２８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、三層構造である酸化物半導体層１３０の上面図
および断面図である。図２８（Ａ）は上面図であり、図２８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−
Ａ２方向の断面が図２８（Ｂ）に相当する。また、図２８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ
４方向の断面が図２８（Ｃ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部の要
素を拡大、縮小、または省略して図示している。
酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃには、それ
ぞれ組成の異なる酸化物半導体層などを用いることができる。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図２９（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図２９（Ａ）はトランジスタ１０７の上面図であり、図２９（Ａ）に示す一点鎖線Ｈ
１−Ｈ２方向の断面が図２９（Ｂ）に相当する。また、図２９（Ａ）に示す一点鎖線Ｈ３
−Ｈ４方向の断面が図３５（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部
の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｈ１−Ｈ２方向をチ
ャネル長方向、一点鎖線Ｈ３−Ｈ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０７は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化
物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂからなる積層と、当該積層と電気的に
接続する導電層１４０および導電層１５０と、当該積層、導電層１４０および導電層１５
０と接する酸化物半導体層１３０ｃと、酸化物半導体層１３０ｃと接する絶縁層１６０と
、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、導電層１４０、導電層１５０、酸化物半導体層
１３０ｃ、絶縁層１６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接
する絶縁層１８０と、を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０に接する絶縁層１９０
（平坦化膜）などを有していてもよい。
トランジスタ１０７は、領域２３１および領域２３２において酸化物半導体層１３０が二
層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域２３３において
酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化
物半導体層１３０ｃ）である点、および導電層１４０および導電層１５０と絶縁層１６０
との間に酸化物半導体層の一部（酸化物半導体層１３０ｃ）が介在している点を除き、ト
ランジスタ１０１と同様の構成を有する。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図３０（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図３０（Ａ）はトランジスタ１０８の上面図であり、図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ｉ
１−Ｉ２方向の断面が図３０（Ｂ）に相当する。また、図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ｉ３
−Ｉ４方向の断面が図３５（Ｂ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部
の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｉ１−Ｉ２方向をチ
ャネル長方向、一点鎖線Ｉ３−Ｉ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０８は、絶縁層１６０および酸化物半導体層１３０ｃの端部が導電層１７
０の端部と一致しない点がトランジスタ１０７と異なる。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図３１（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図３１（Ａ）はトランジスタ１０９の上面図であり、図３１（Ａ）に示す一点鎖線Ｊ
１−Ｊ２方向の断面が図３１（Ｂ）に相当する。また、図３１（Ａ）に示す一点鎖線Ｊ３
−Ｊ４方向の断面が図３５（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部
の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｊ１−Ｊ２方向をチ
ャネル長方向、一点鎖線Ｊ３−Ｊ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１０９は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化
物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂからなる積層と、当該積層と接する酸
化物半導体層１３０ｃと、酸化物半導体層１３０ｃと接する絶縁層１６０と、絶縁層１６
０と接する導電層１７０と、当該積層、酸化物半導体層１３０ｃ、絶縁層１６０および導
電層１７０を覆う絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、絶縁層１７５
および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて当該積層と電気的に接続する導電層１４
０および導電層１５０を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４０および
導電層１５０に接する絶縁層１９０（平坦化膜）などを有していてもよい。
トランジスタ１０９は、領域２３１および領域２３２において酸化物半導体層１３０が二
層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域２３３において
酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化
物半導体層１３０ｃ）である点を除き、トランジスタ１０３と同様の構成を有する。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図３２（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図３２（Ａ）はトランジスタ１１０の上面図であり、図３２（Ａ）に示す一点鎖線Ｋ
１−Ｋ２方向の断面が図３２（Ｂ）に相当する。また、図３２（Ａ）に示す一点鎖線Ｋ３
−Ｋ４方向の断面が図３５（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部
の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｋ１−Ｋ２方向をチ
ャネル長方向、一点鎖線Ｋ３−Ｋ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１１０は、領域２３１および領域２３２において酸化物半導体層１３０が二
層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域２３３において
酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化
物半導体層１３０ｃ）である点を除き、トランジスタ１０４と同様の構成を有する。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図３３（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図３３（Ａ）はトランジスタ１１１の上面図であり、図３３（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ
１−Ｌ２方向の断面が図３３（Ｂ）に相当する。また、図３３（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ３
−Ｌ４方向の断面が図３５（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部
の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｌ１−Ｌ２方向をチ
ャネル長方向、一点鎖線Ｌ３−Ｌ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１１１は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化
物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂからなる積層と、当該積層と電気的に
接続する導電層１４１および導電層１５１と、当該積層、導電層１４１および導電層１５
１と接する酸化物半導体層１３０ｃと、酸化物半導体層１３０ｃと接する絶縁層１６０と
、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、当該積層、導電層１４１、導電層１５１、酸化
物半導体層１３０ｃ、絶縁層１６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層
１７５と接する絶縁層１８０と、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を
通じて導電層１４１および導電層１５１とそれぞれ電気的に接続する導電層１４２および
導電層１５２を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４２および導電層１
５２に接する絶縁層１９０（平坦化膜）などを有していてもよい。
トランジスタ１１１は、領域２３１および領域２３２において酸化物半導体層１３０が二
層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域２３３において
酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化
物半導体層１３０ｃ）である点、および導電層１４１および導電層１５１と絶縁層１６０
との間に酸化物半導体層の一部（酸化物半導体層１３０ｃ）が介在している点を除き、ト
ランジスタ１０５と同様の構成を有する。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図３４（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよ
い。図３４（Ａ）はトランジスタ１１２の上面図であり、図３４（Ａ）に示す一点鎖線Ｍ
１−Ｍ２方向の断面が図３４（Ｂ）に相当する。また、図３４（Ａ）に示す一点鎖線Ｍ３
−Ｍ４方向の断面が図３５（Ａ）に相当する。なお、上記図面では、明瞭化のために一部
の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｍ１−Ｍ２方向をチ
ャネル長方向、一点鎖線Ｍ３−Ｍ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
トランジスタ１１２は、領域３３１、領域３３２、領域３３４および領域３３５において
酸化物半導体層１３０が二層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）であ
る点、領域３３３において酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化
物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）である点を除き、トランジスタ１０６と
同様の構成を有する。
また、本発明の一態様のトランジスタは、図３６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および図３７（
Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すチャネル長方向の断面図、ならびに図３８（Ａ）、（Ｂ）に
示すチャネル幅方向の断面図のように、酸化物半導体層１３０と基板１１５との間に導電
層１７３を備えていてもよい。当該導電層を第２のゲート電極層（バックゲート）として
用いることで、更なるオン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。なお
、図３６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および図３７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す断面図にお
いて、導電層１７３の幅を酸化物半導体層１３０よりも短くしてもよい。さらに、導電層
１７３の幅を導電層１７０の幅よりも短くしてもよい。
また、本発明の一態様のトランジスタにおける導電層１４０（ソース電極層）および導電
層１５０（ドレイン電極層）は、図３９（Ａ）、（Ｂ）に示す上面図（酸化物半導体層１
３０、導電層１４０および導電層１５０のみを図示）のように酸化物半導体層１３０の幅
（ＷＯＳ）よりも導電層１４０および導電層１５０の幅（ＷＳＤ）が長く形成されていて
もよいし、短く形成されていてもよい。ＷＯＳ≧ＷＳＤ（ＷＳＤはＷＯＳ以下）とするこ
とで、ゲート電界が酸化物半導体層１３０全体にかかりやすくなり、トランジスタの電気
特性を向上させることができる。
本発明の一態様のトランジスタ（トランジスタ１０１乃至トランジスタ１１２）では、い
ずれの構成においても、ゲート電極層である導電層１７０は、ゲート絶縁膜である絶縁層
１６０を介して酸化物半導体層１３０のチャネル幅方向を電気的に取り囲み、オン電流が
高められる。このようなトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ
（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
また、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃを有するトランジスタ、な
らびに酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃ
を有するトランジスタにおいては、酸化物半導体層１３０を構成する二層または三層の材
料を適切に選択することで酸化物半導体層１３０ｂに電流を流すことができる。酸化物半
導体層１３０ｂに電流が流れることで、界面散乱の影響を受けにくく、高いオン電流を得
ることができる。なお、酸化物半導体層１３０ｂを厚くすると、オン電流を向上させるこ
とができる。例えば、酸化物半導体層１３０ｂの膜厚を１００ｎｍ乃至２００ｎｍとして
もよい。
以上の構成のトランジスタを用いることにより、半導体装置に良好な電気特性を付与する
ことができる。
なお、本明細書において、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半
導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート
電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域ま
たはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。
なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らな
い。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。その
ため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の
値、最大値、最小値または平均値とする。
また、チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体
の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領
域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのト
ランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一
つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細
書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、
最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネ
ル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示される
チャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、
立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図
において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる
場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に
形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合
が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よ
りも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測
による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積
もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状
が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる
領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャ
ネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗ
ｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合に
は、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細
書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。な
お、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチ
ャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、
値を決定することができる。
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求め
る場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャ
ネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態５に示したトランジスタの構成要素について詳細を説明す
る。
基板１１５は、トランジスタおよびフォトダイオードが形成されたシリコン基板、および
当該シリコン基板上に絶縁層、配線、コンタクトプラグが形成されたものであり、図１（
Ａ）における第１の層１１００および第２の層１２００に相当する。なお、シリコン基板
にはｐ−ｃｈ型のトランジスタのみを形成するため、ｎ−型の導電型を有するシリコン基
板を用いることが好ましい。または、ｎ−型またはｉ型のシリコン層を有するＳＯＩ基板
であってもよい。また、当該シリコン基板におけるトランジスタを形成する面の面方位は
、（１１０）面であることが好ましい。（１１０）面にｐ−ｃｈ型トランジスタを形成す
ることで、移動度を高くすることができる。
絶縁層１２０は、基板１１５からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半
導体層１３０に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁層１２０は酸
素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜である
ことがより好ましい。例えば、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、好ましくは１
００℃以上５００℃以下の加熱処理で行われるＴＤＳ法にて、酸素原子に換算しての酸素
の放出量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である膜とする。また、基板１１５
が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層１２０は、層間絶縁膜としての機能
も有する。その場合は、表面が平坦になるようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
例えば、絶縁層１２０には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化
窒化シリコン、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絶縁膜
、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒
化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いることができる。また、上記材料の積層であ
ってもよい。
なお、本実施の形態では、トランジスタが有する酸化物半導体層１３０が酸化物半導体層
１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃを絶縁層１２０側から
順に積んだ三層構造である場合を主として詳細を説明する。
なお、酸化物半導体層１３０が単層の場合は、上記酸化物半導体層１３０ｂに相当する層
を用いればよい。
また、酸化物半導体層１３０が二層の場合は、酸化物半導体層１３０ｂに相当する層およ
び酸化物半導体層１３０ｃに相当する層を絶縁層１２０側から順に積んだ積層を用いれば
よい。この構成の場合、酸化物半導体層１３０ｂと酸化物半導体層１３０ｃとを入れ替え
ることもできる。
また、酸化物半導体層１３０が四層以上である場合は、例えば、本実施の形態で説明する
三層構造の酸化物半導体層１３０に対して他の酸化物半導体層を積む構成や当該三層構造
におけるいずれかの界面に他の酸化物半導体層を挿入する構成とすることができる。
一例としては、酸化物半導体層１３０ｂには、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導
体層１３０ｃよりも電子親和力（真空準位から伝導帯下端までのエネルギー）が大きい酸
化物半導体を用いる。電子親和力は、真空準位と価電子帯上端とのエネルギー差（イオン
化ポテンシャル）から、伝導帯下端と価電子帯上端とのエネルギー差（エネルギーギャッ
プ）を差し引いた値として求めることができる。
酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂを構
成する金属元素を一種以上含み、例えば、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層１３
０ｂよりも、０．０５ｅＶ、０．０７ｅＶ、０．１ｅＶ、０．１５ｅＶのいずれか以上で
あって、２ｅＶ、１ｅＶ、０．５ｅＶ、０．４ｅＶのいずれか以下の範囲で真空準位に近
い酸化物半導体で形成することが好ましい。
このような構造において、導電層１７０に電界を印加すると、酸化物半導体層１３０のう
ち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体層１３０ｂにチャネルが形成され
る。
また、酸化物半導体層１３０ａは、酸化物半導体層１３０ｂを構成する金属元素を一種以
上含んで構成されるため、酸化物半導体層１３０ｂと絶縁層１２０が接した場合の界面と
比較して、酸化物半導体層１３０ｂと酸化物半導体層１３０ａとの界面には界面準位が形
成されにくくなる。該界面準位はチャネルを形成することがあるため、トランジスタのし
きい値電圧が変動することがある。したがって、酸化物半導体層１３０ａを設けることに
より、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。
また、当該トランジスタの信頼性を向上させることができる。
また、酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂを構成する金属元素を一種以
上含んで構成されるため、酸化物半導体層１３０ｂとゲート絶縁膜（絶縁層１６０）が接
した場合の界面と比較して、酸化物半導体層１３０ｂと酸化物半導体層１３０ｃとの界面
ではキャリアの散乱が起こりにくくなる。したがって、酸化物半導体層１３０ｃを設ける
ことにより、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃには、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ
、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆを酸化物半導体層１３０ｂよりも高い原
子数比で含む材料を用いることができる。具体的には、当該原子数比を１．５倍以上、好
ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。前述の元素は酸素と強く結合する
ため、酸素欠損が酸化物半導体層に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、酸化
物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂよりも酸
素欠損が生じにくいということができる。
また、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０
ｃとして用いることのできる酸化物半導体は、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。ま
た、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと
共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アル
ミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーと
しては、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐ
ｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（
Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウ
ム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等がある
。
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ガリウム、酸化亜鉛、Ｉ
ｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ
酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−
Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化
物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ
−Ｃｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−
Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ酸化
物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ
−Ｔｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−
Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉ
ｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ
酸化物を用いることができる。
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として
有する酸化物という意味である。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていても
よい。また、本明細書においては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物で構成した膜をＩＧＺＯ膜と
も呼ぶ。
また、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用
いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄから選ばれた一つの
金属元素または複数の金属元素を示す。また、Ｉｎ２ＳｎＯ５（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。
なお、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃが、
少なくともインジウム、亜鉛およびＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ
、ＣｅまたはＨｆ等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、酸化物半導体層１
３０ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体層１３０ｂをＩ
ｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、酸化物半導体層１３０ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚ
ｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２
よりも大きくなることが好ましい。ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３はｙ２／ｘ２よりも１．
５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。このとき、酸化物半
導体層１３０ｂにおいて、ｙ２がｘ２以上であるとトランジスタの電気特性を安定させる
ことができる。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度
が低下してしまうため、ｙ２はｘ２の３倍未満であることが好ましい。
酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃにおけるＺｎおよびＯを除いた場
合において、ＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、
Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７
５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、酸化物半導体層１３０ｂのＺｎおよびＯを除いての
ＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔ
ｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉ
ｃ％未満とする。
また、酸化物半導体層１３０ｂは、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０
ｃよりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主として重金属のｓ軌
道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌
道が重なるため、ＩｎがＭよりも多い組成となる酸化物はＩｎがＭと同等または少ない組
成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層１３０ｂにイン
ジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現
することができる。
酸化物半導体層１３０ａの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５
０ｎｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以上２５ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１
３０ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、
さらに好ましくは１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１３０ｃの
厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上３０ｎｍ以下、さらに好ましく
は３ｎｍ以上１５ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１３０ｂは、酸化物半導体層１
３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃより厚い方が好ましい。
なお、酸化物半導体層をチャネルとするトランジスタに安定した電気特性を付与するため
には、酸化物半導体層中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体層を真性（ｉ型）または実
質的に真性にすることが有効である。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体層のキャ
リア密度が、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに
好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上であることを指
す。
また、酸化物半導体層において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属
元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密
度を増大させてしまう。また、シリコンは酸化物半導体層中で不純物準位の形成に寄与す
る。当該不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある
。したがって、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層
１３０ｃの層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。
酸化物半導体層を真性または実質的に真性とするためには、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒ
ｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析において、例えば、酸化物半導
体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、シリコン濃度を
１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満
、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。また、水素濃度は、例
えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において
、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１
８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、窒素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深
さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１
８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とす
る。
また、酸化物半導体層が結晶を含む場合、シリコンや炭素が高濃度で含まれると、酸化物
半導体層の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層の結晶性を低下させないため
には、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域
において、シリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１
８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とす
る部分を有していればよい。また、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または
、酸化物半導体層のある領域において、炭素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満
、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３未満とする部分を有していればよい。
また、上述のように高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジ
スタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を０．１Ｖ、５
Ｖ、または、１０Ｖ程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流
を数ｙＡ／μｍ乃至数ｚＡ／μｍにまで低減することが可能となる。
なお、トランジスタのゲート絶縁膜としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるた
め、上記理由により酸化物半導体層のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジ
スタのようにゲート絶縁膜と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート
絶縁膜と酸化物半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱
が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも
、酸化物半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁膜から離すことが好ましいといえる
。
したがって、酸化物半導体層１３０を酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ
、酸化物半導体層１３０ｃの積層構造とすることで、酸化物半導体層１３０ｂにチャネル
を形成することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジス
タを形成することができる。
酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃのバンド構
造においては、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、酸化物半導体層１
３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃの組成が近似することにより
、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、酸化物半導体層１３０ａ
、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃは組成が異なる層の積層体ではある
が、物性的に連続であるということもでき、図面において、当該積層体のそれぞれの界面
は点線で表している。
主成分を共通として積層された酸化物半導体層１３０は、各層を単に積層するのではなく
連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するＵ字型の
井戸構造（Ｕ Ｓｈａｐｅ Ｗｅｌｌ））が形成されるように作製する。すなわち、各層
の界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しな
いように積層構造を形成する。仮に、積層された酸化物半導体層の層間に不純物が混在し
ていると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結
合により消滅してしまう。
例えば、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃにはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
１：３：２、１：３：３、１：３：４、１：３：６、１：４：５、１：６：４または１：
９：６（原子数比）、酸化物半導体層１３０ｂにはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、２：
１：３、５：５：６、または３：１：２（原子数比）などのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物など
を用いることができる。なお、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、およ
び酸化物半導体層１３０ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマ
イナス２０％の変動を含む。
酸化物半導体層１３０における酸化物半導体層１３０ｂはウェル（井戸）となり、酸化物
半導体層１３０を用いたトランジスタにおいて、チャネルは酸化物半導体層１３０ｂに形
成される。なお、酸化物半導体層１３０は伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化してい
るため、Ｕ字型井戸とも呼ぶことができる。また、このような構成で形成されたチャネル
を埋め込みチャネルということもできる。
また、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃと、酸化シリコン膜などの
絶縁層との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。酸化物
半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃがあることにより、酸化物半導体層１３
０ｂと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。
ただし、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃの伝導帯下端のエネルギ
ーと、酸化物半導体層１３０ｂの伝導帯下端のエネルギーとの差が小さい場合、酸化物半
導体層１３０ｂの電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。電子
がトラップ準位に捕獲されることで、絶縁層界面にマイナスの電荷が生じ、トランジスタ
のしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。
したがって、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減するには、酸化物半導体層１３０
ａおよび酸化物半導体層１３０ｃの伝導帯下端のエネルギーと、酸化物半導体層１３０ｂ
の伝導帯下端のエネルギーとの間に一定以上の差を設けることが必要となる。それぞれの
当該エネルギー差は、０．１ｅＶ以上が好ましく、０．１５ｅＶ以上がより好ましい。
酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃには、
結晶部が含まれることが好ましい。特にｃ軸に配向した結晶を用いることでトランジスタ
に安定した電気特性を付与することができる。また、ｃ軸に配向した結晶は歪曲に強く、
フレキシブル基板を用いた半導体装置の信頼性を向上させることができる。
ソース電極層として作用する導電層１４０およびドレイン電極層として作用する導電層１
５０には、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｓｃ
、および当該金属材料の合金から選ばれた材料の単層、または積層を用いることができる
。代表的には、特に酸素と結合しやすいＴｉや、後のプロセス温度が比較的高くできるこ
となどから、融点の高いＷを用いることがより好ましい。また、低抵抗のＣｕやＣｕ−Ｍ
ｎなどの合金と上記材料との積層を用いてもよい。なお、トランジスタ１０５、トランジ
スタ１０６、トランジスタ１１１、トランジスタ１１２においては、例えば、導電層１４
１および導電層１５１にＷ、導電層１４２および導電層１５２にＴｉとＡｌとの積層膜な
どを用いることができる。
上記材料は酸化物半導体膜から酸素を引き抜く性質を有する。そのため、上記材料と接し
た酸化物半導体膜の一部の領域では酸化物半導体膜中の酸素が脱離し、酸素欠損が形成さ
れる。膜中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域は顕著に
ｎ型化する。したがって、ｎ型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインと
して作用させることができる。
ゲート絶縁膜として作用する絶縁層１６０には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、
酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、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を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、
絶縁層１６０は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁層１６０に、ランタン（Ｌａ
）、窒素、ジルコニウム（Ｚｒ）などを、不純物として含んでいてもよい。
また、絶縁層１６０の積層構造の一例について説明する。絶縁層１６０は、例えば、酸素
、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化
シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比
誘電率が高い。したがって、等価酸化膜厚に対して物理的な膜厚を大きくできるため、等
価酸化膜厚を１０ｎｍ以下または５ｎｍ以下とした場合でも、トンネル電流によるリーク
電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することが
できる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウ
ムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするた
めには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例として
は、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定さ
れない。
ところで、結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面は、欠陥に起因した界面準位を有
する場合がある。該界面準位はトラップセンターとして機能する場合がある。そのため、
酸化ハフニウムがトランジスタのチャネル領域に近接して配置されるとき、該界面準位に
よってトランジスタの電気特性が劣化する場合がある。そこで、該界面準位の影響を低減
するために、トランジスタのチャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、別の膜を配置する
ことによって互いに離間させることが好ましい場合がある。この膜は、緩衝機能を有する
。緩衝機能を有する膜は、絶縁層１６０に含まれる膜であってもよいし、酸化物半導体膜
に含まれる膜であってもよい。即ち、緩衝機能を有する膜としては、酸化シリコン、酸化
窒化シリコン、酸化物半導体などを用いることができる。なお、緩衝機能を有する膜には
、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもエネルギーギャップの大きい半導体または
絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導
体よりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜
には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもイオン化エネルギーの大きい半導体ま
たは絶縁体を用いる。
一方、上述した結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面における界面準位（トラップ
センター）に電荷をトラップさせることで、トランジスタのしきい値電圧を制御できる場
合がある。該電荷を安定して存在させるためには、たとえば、チャネル領域と酸化ハフニ
ウムとの間に、酸化ハフニウムよりもエネルギーギャップの大きい半導体または絶縁体を
配置すればよい。または、酸化ハフニウムよりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体
を配置すればよい。または、緩衝機能を有する膜には、酸化ハフニウムよりもイオン化エ
ネルギーの大きい半導体または絶縁体を配置すればよい。このような半導体または絶縁体
を用いることで、界面準位にトラップされた電荷の放出が起こりにくくなり、長期間に渡
って電荷を保持することができる。
そのような絶縁体として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンが挙げられる。絶縁
層１６０内の界面準位に電荷を捕獲させるためには、酸化物半導体層１３０からゲート電
極層（導電層１７０）に向かって電子を移動させればよい。具体的な例としては、高い温
度（例えば、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で
、ゲート電極層（導電層１７０）の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態
にて１秒以上、代表的には１分以上維持すればよい。
このように絶縁層１６０などの界面準位に所望の量の電子を捕獲させたトランジスタは、
しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極層（導電層１７０）の電圧や、電圧を
印加する時間を調整することによって、電子を捕獲させる量（しきい値電圧の変動量）を
制御することができる。なお、電荷を捕獲させることができれば、絶縁層１６０内でなく
ても構わない。同様の構造を有する積層膜を、他の絶縁層に用いても構わない。
また、酸化物半導体層１３０と接する絶縁層１２０および絶縁層１６０においては、窒素
酸化物の準位密度が低い領域を有していてもよい。窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶
縁層として、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出
量の少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。
なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ
（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））において、窒
素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出
量が１×１０１８個／ｃｍ３以上５×１０１９個／ｃｍ３以下である。なお、アンモニア
の放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以
下の加熱処理による放出量とする。
絶縁層１２０および絶縁層１６０として、上記酸化物絶縁層を用いることで、トランジス
タのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動
を低減することができる。
ゲート電極層として作用する導電層１７０には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ
、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｓｃ、ＴａおよびＷなどの導電膜を
用いることができる。また、上記材料の合金や上記材料の導電性窒化物を用いてもよい。
また、上記材料、上記材料の合金、および上記材料の導電性窒化物から選ばれた複数の材
料の積層であってもよい。代表的には、タングステン、タングステンと窒化チタンの積層
、タングステンと窒化タンタルの積層などを用いることができる。また、低抵抗のＣｕま
たはＣｕ−Ｍｎ等の合金や上記材料とＣｕまたはＣｕ−Ｍｎ等の合金との積層を用いても
よい。本実施の形態では、導電層１７１に窒化タンタル、導電層１７２にタングステンを
用いて導電層１７０を形成する。
絶縁層１７５には、水素を含む窒化シリコン膜または窒化アルミニウム膜などを用いるこ
とができる。実施の形態２に示したトランジスタ１０３、トランジスタ１０４、トランジ
スタ１０６、トランジスタ１０９、トランジスタ１１０、およびトランジスタ１１２では
、絶縁層１７５として水素を含む絶縁膜を用いることで酸化物半導体層の一部をｎ型化す
ることができる。また、窒化絶縁膜は水分などのブロッキング膜としての作用も有し、ト
ランジスタの信頼性を向上させることができる。
また、絶縁層１７５としては酸化アルミニウム膜を用いることもできる。特に、実施の形
態２に示したトランジスタ１０１、トランジスタ１０２、トランジスタ１０５、トランジ
スタ１０７、トランジスタ１０８、およびトランジスタ１１１では絶縁層１７５に酸化ア
ルミニウム膜を用いることが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物
、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミ
ニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、トランジスタの電気特性
の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層１３０への混入防止、酸化物
半導体層１３０を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出防止、絶縁
層１２０からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適して
いる。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体層中に拡散させることも
できる。
また、絶縁層１７５上には絶縁層１８０が形成されていることが好ましい。当該絶縁層に
は、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリ
コン、酸化ガリウム、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を一種以上含む絶縁膜を用い
ることができる。また、当該絶縁層は上記材料の積層であってもよい。
ここで、絶縁層１８０は絶縁層１２０と同様に化学量論組成よりも多くの酸素を有するこ
とが好ましい。絶縁層１８０から放出される酸素は絶縁層１６０を経由して酸化物半導体
層１３０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、チャネル形成領域に形
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。
半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタ
の微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、チャネル幅が縮
小するとオン電流が低下する。
本発明の一態様のトランジスタ１０７乃至トランジスタ１１２では、チャネルが形成され
る酸化物半導体層１３０ｂを覆うように酸化物半導体層１３０ｃが形成されており、チャ
ネル形成層とゲート絶縁膜が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成層とゲ
ート絶縁膜との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタのオン電
流を大きくすることができる。
また、本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように酸化物半導体層１３０のチャ
ネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層（導電層１７０）が形成されているた
め、酸化物半導体層１３０に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向から
のゲート電界が印加される。すなわち、チャネル形成層に対して全体的にゲート電界が印
加されることになり実効チャネル幅が拡大するため、さらにオン電流を高められる。
また、本発明の一態様における酸化物半導体層１３０が二層または三層のトランジスタで
は、チャネルが形成される酸化物半導体層１３０ｂを酸化物半導体層１３０ａ上に形成す
ることで界面準位を形成しにくくする効果を有する。また、本発明の一態様における酸化
物半導体層１３０が三層のトランジスタでは、酸化物半導体層１３０ｂを三層構造の中間
に位置する層とすることで上下からの不純物混入の影響を排除できる効果などを併せて有
する。そのため、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値電圧の安定
化や、Ｓ値（サブスレッショルド値）の低減をはかることができる。したがって、Ｉｃｕ
ｔ（ゲート電圧ＶＧが０Ｖ時の電流）を下げることができ、消費電力を低減させることが
できる。また、トランジスタのしきい値電圧が安定化することから、半導体装置の長期信
頼性を向上させることができる。また、本発明の一態様のトランジスタは、微細化にとも
なう電気特性の劣化が抑えられることから、集積度の高い半導体装置の形成に適している
といえる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態５で説明したトランジスタ１０２、およびトランジスタ１
０７の作製方法を説明する。
まず、基板１１５に含まれるシリコントランジスタの作製方法の一例を説明する。シリコ
ン基板としては、ｎ−型の単結晶シリコン基板を用い、表面に絶縁層（フィールド酸化膜
とも言う）で分離した素子形成領域を形成する。素子形成領域の形成は、ＬＯＣＯＳ法（
Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法）やＳＴＩ法（Ｓｈａｌｌ
ｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等を用いることができる。
ここで基板は単結晶シリコン基板に限らず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌ
ａｔｏｒ）基板等を用いることもできる。
次に、素子形成領域を覆うようにゲート絶縁膜を形成する。例えば、熱処理を行い素子形
成領域の表面を酸化させることにより酸化シリコン膜を形成する。また、酸化シリコン膜
を形成した後に窒化処理を行うことによって酸化シリコン膜の表面を窒化させてもよい。
次に、ゲート絶縁膜を覆うように導電膜を形成する。導電膜としては、タンタル（Ｔａ）
、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、
銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）等から選択された元素またはこれらの元素
を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成することができる。また、これらの元
素を窒化した金属窒化膜で形成することもできる。他にも、リン等の不純物元素をドーピ
ングした多結晶シリコンに代表される半導体材料により形成することもできる。
次に、導電膜を選択的にエッチングすることによって、ゲート絶縁膜上にゲート電極層を
形成する。
次に、ゲート電極層を覆うように酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の絶縁膜を形成
し、エッチバックを行ってゲート電極層の側面にサイドウォールを形成する。
次に、素子形成領域以外を覆うようにレジストマスクを選択的に形成し、当該レジストマ
スクおよびゲート電極層をマスクとして不純物元素を導入することによってｐ＋型の不純
物領域を形成する。ここでは、ｐ−ｃｈ型のトランジスタを形成するため、不純物元素と
しては、ｐ型を付与する不純物元素であるホウ素（Ｂ）やガリウム（Ｇａ）等を用いるこ
とができる。
次に、フォトダイオードを作製するためにレジストマスクを選択的に形成する。ここでは
、単結晶シリコン基板において上記トランジスタが形成された面と同じ面上にフォトダイ
オードのカソードを形成するため、ｎ型を付与する不純物元素であるリン（Ｐ）やヒ素（
Ａｓ）を導入することによってｎ＋型の浅い不純物領域を形成する。また、フォトダイオ
ードのアノードと配線との電気的な接続を行うためのｐ＋型の深い不純物領域を形成して
もよい。なお、フォトダイオードのアノード（ｐ＋型の浅い不純物領域）は、後の工程で
単結晶シリコン基板においてフォトダイオードのカソードが形成された面とは逆の面に形
成するため、本実施の形態では説明を省略する。
以上でシリコン基板に活性領域を有するｐ−ｃｈ型のトランジスタが完成する。なお、当
該トランジスタ上には窒化シリコン膜などのパッシベーション膜を形成することが好まし
い。
次に、トランジスタを形成したシリコン基板上に酸化シリコン膜等で層間絶縁膜を形成し
、各種コンタクトプラグおよび各種配線を形成する。また、実施の形態１で説明したよう
に水素の拡散を防止する酸化アルミニウム等の絶縁層を形成する。基板１１５には、上述
したトランジスタおよびフォトダイオードが形成されたシリコン基板、当該シリコン基板
上に形成された層間絶縁層、配線、およびコンタクトプラグ等が含まれる。
続いて、図４０および図４１を用いてトランジスタ１０２の作製方法を説明する。なお、
図面の左側にはトランジスタのチャネル長方向の断面を示し、右側にはチャネル幅方向の
断面を示す。また、チャネル幅方向の図面は拡大図のため、各要素の見かけ上の膜厚は左
右の図面で異なる。
酸化物半導体層１３０は、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化
物半導体層１３０ｃの三層構造である場合を例示する。酸化物半導体層１３０が二層構造
の場合は、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂの二層とし、酸化物半
導体層１３０が単層構造の場合は、酸化物半導体層１３０ｂの一層とすればよい。
まず、基板１１５上に絶縁層１２０を形成する。基板１１５の種類および絶縁層１２０の
材質は実施の形態３の説明を参照することができる。なお、絶縁層１２０は、スパッタ法
、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌ
ｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いて形成することができる。
また、絶縁層１２０にイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン
インプランテーション法、プラズマ処理法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添
加することによって、絶縁層１２０から酸化物半導体層１３０への酸素の供給をさらに容
易にすることができる。
なお、基板１１５の表面が絶縁体であり、後に設ける酸化物半導体層１３０への不純物拡
散の影響が無い場合は、絶縁層１２０を設けない構成とすることができる。
次に、絶縁層１２０上に酸化物半導体層１３０ａとなる酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物
半導体層１３０ｂとなる酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃとなる
酸化物半導体膜１３０Ｃをスパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いて成膜する（図４
０（Ａ）参照）。
酸化物半導体層１３０が積層構造である場合、酸化物半導体膜はロードロック室を備えた
マルチチャンバー方式の成膜装置（例えばスパッタ装置）を用いて各層を大気に触れさせ
ることなく連続して積層することが好ましい。スパッタ装置における各チャンバーは、酸
化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような
吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−７Ｐａ乃至１×１０−４Ｐａ程
度まで）できること、かつ、成膜される基板を１００℃以上、好ましくは５００℃以上に
加熱できることが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせ
て排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくこ
とが好ましい。また、ターボ分子ポンプとクライオポンプを組み合わせた排気系を用いて
もよい。
高純度真性酸化物半導体を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパ
ッタガスの高純度化も必要である。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは
、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下にまで
高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限
り防ぐことができる。
酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体膜１３０Ｃには
、実施の形態３で説明した材料を用いることができる。例えば、酸化物半導体膜１３０Ａ
にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６、１：３：４、１：３：３または１：３：２［原子数比
］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化物半導体膜１３０ＢにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１
、３：１：２または５：５：６［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化物半導体膜
１３０ＣにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６、１：３：４、１：３：３または１：３：２［
原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化物半導体膜１３
０Ａ、および酸化物半導体膜１３０Ｃには、酸化ガリウムのような酸化物半導体を用いて
もよい。なお、酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体
膜１３０Ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス２０％の
変動を含む。また、成膜法にスパッタ法を用いる場合は、上記材料をターゲットとして成
膜することができる。
ただし、実施の形態３に詳細を記したように、酸化物半導体膜１３０Ｂには酸化物半導体
膜１３０Ａおよび酸化物半導体膜１３０Ｃよりも電子親和力が大きい材料を用いる。
なお、酸化物半導体膜の成膜には、スパッタ法を用いることが好ましい。スパッタ法とし
ては、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法等を用いることができる。
酸化物半導体膜１３０Ｃの形成後に、第１の加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理は
、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性ガ
ス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また
、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補
うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。第１の加熱処理によっ
て、酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体膜１３０Ｃ
の結晶性を高め、さらに絶縁層１２０、酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜１３０
Ｂ、および酸化物半導体膜１３０Ｃから水素や水などの不純物を除去することができる。
なお、第１の加熱処理は、後述する酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、
および酸化物半導体層１３０ｃを形成するエッチングの後に行ってもよい。
次に、酸化物半導体膜１３０Ａ上に第１の導電層を形成する。第１の導電層は、例えば、
次の方法を用いて形成することができる。
まず、酸化物半導体膜１３０Ａ上に第１の導電膜を形成する。第１の導電膜としては、Ａ
ｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｓｃ、および当該金属材料
の合金から選ばれた材料の単層、または積層を用いることができる。
次に、第１の導電膜上にネガ型のレジスト膜を形成し、当該レジスト膜に対して電子ビー
ム露光、液浸露光、ＥＵＶ露光などの方法を用いて露光し、現像処理を行うことで第１の
レジストマスクを形成する。なお、第１の導電膜とレジスト膜の間には密着剤として有機
塗布膜を形成することが好ましい。また、ナノインプリントリソグラフィ法を用いて第１
のレジストマスクを形成してもよい。
次に、第１のレジストマスクを用いて、第１の導電膜を選択的にエッチングし、第１のレ
ジストマスクをアッシングすることにより導電層を形成する。
次に、上記導電層をハードマスクとして用い、酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜
１３０Ｂ、および酸化物半導体膜１３０Ｃを選択的にエッチングして上記導電層を取り除
き、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃ
の積層からなる酸化物半導体層１３０を形成する（図４０（Ｂ）参照）。なお、上記導電
層を形成せずに、第１のレジストマスクを用いて酸化物半導体層１３０を形成してもよい
。ここで、酸化物半導体層１３０に対して酸素イオンを注入してもよい。
次に、酸化物半導体層１３０を覆うように第２の導電膜を形成する。第２の導電膜として
は、実施の形態６で説明した導電層１４０および導電層１５０に用いることのできる材料
で形成すればよい。第２の導電膜の形成には、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用
いることができる。
次に、ソース領域およびドレイン領域となる部分の上に第２のレジストマスクを形成する
。そして、第２の導電膜の一部をエッチングし、導電層１４０および導電層１５０を形成
する（図４０（Ｃ）参照）。
次に、酸化物半導体層１３０、導電層１４０および導電層１５０上にゲート絶縁膜となる
絶縁膜１６０Ａを形成する。絶縁膜１６０Ａは、実施の形態６で説明した絶縁層１６０に
用いることのできる材料で形成すればよい。絶縁膜１６０Ａの形成には、スパッタ法、Ｃ
ＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いることができる。
次に、第２の加熱処理を行ってもよい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件
で行うことができる。第２の加熱処理により、酸化物半導体層１３０に注入した酸素を酸
化物半導体層１３０の全体に拡散させることができる。なお、第２の加熱処理を行わずに
、第３の加熱処理で上記効果を得てもよい。
次に、絶縁膜１６０Ａ上に導電層１７０となる第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜
１７２Ａを形成する。第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜１７２Ａは、実施の形態
３で説明した導電層１７１および導電層１７２に用いることのできる材料で形成すればよ
い。第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜１７２Ａの形成には、スパッタ法、ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法などを用いることができる。
次に、第４の導電膜１７２Ａ上に第３のレジストマスク１５６を形成する（図４１（Ａ）
参照）。そして、当該レジストマスクを用いて、第３の導電膜１７１Ａ、第４の導電膜１
７２Ａおよび絶縁膜１６０Ａを選択的にエッチングし、導電層１７１および導電層１７２
からなる導電層１７０、および絶縁層１６０を形成する（図４１（Ｂ）参照）。なお、絶
縁膜１６０Ａをエッチングしない構造とすれば、トランジスタ１０２を作製することがで
きる。
次に、酸化物半導体層１３０、導電層１４０、導電層１５０、絶縁層１６０および導電層
１７０上に絶縁層１７５を形成する。絶縁層１７５の材質は、実施の形態６の説明を参照
することができる。トランジスタ１０１の場合は、酸化アルミニウム膜を用いることが好
ましい。絶縁層１７５は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などで形成することができる
。
次に、絶縁層１７５上に絶縁層１８０を形成する（図４１（Ｃ）参照）。絶縁層１８０の
材質は、実施の形態３の説明を参照することができる。また、絶縁層１８０は、スパッタ
法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などで形成することができる。
また、絶縁層１７５および／または絶縁層１８０にイオン注入法、イオンドーピング法、
プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理法などを用いて酸素
を添加してもよい。酸素を添加することによって、絶縁層１７５および／または絶縁層１
８０から酸化物半導体層１３０への酸素の供給をさらに容易にすることができる。
次に、第３の加熱処理を行ってもよい。第３の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件
で行うことができる。第３の加熱処理により、絶縁層１２０、絶縁層１７５、絶縁層１８
０から過剰酸素が放出されやすくなり、酸化物半導体層１３０の酸素欠損を低減すること
ができる。
次に、トランジスタ１０７の作製方法について説明する。なお、上述したトランジスタ１
０２の作製方法と重複する工程の詳細な説明は省略する。
基板１１５上に絶縁層１２０を形成し、当該絶縁層上に酸化物半導体層１３０ａとなる酸
化物半導体膜１３０Ａ、および酸化物半導体層１３０ｂとなる酸化物半導体膜１３０Ｂを
スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いて成膜する（図４２（Ａ）参照）。
次に、第１の導電膜を酸化物半導体膜１３０Ｂ上に形成し、前述した方法と同様に第１の
レジストマスクを用いて導電層を形成する、そして、当該導電層をハードマスクとして酸
化物半導体膜１３０Ａおよび酸化物半導体膜１３０Ｂを選択的にエッチングし、上記導電
層を取り除いて酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂからなる積層を形
成する（図４２（Ｂ）参照）。なお、ハードマスクを形成せずに、第１のレジストマスク
を用いて当該積層を形成してもよい。ここで、酸化物半導体層１３０に対して酸素イオン
を注入してもよい。
次に、上記積層を覆うように第２の導電膜を形成する。そして、ソース領域およびドレイ
ン領域となる部分の上に第２のレジストマスクを形成し、当該第２のレジストマスクを用
いて第２の導電膜の一部をエッチングし、導電層１４０および導電層１５０を形成する（
図４２（Ｃ）参照）。
次に、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂの積層上、ならびに導電層
１４０および導電層１５０上に酸化物半導体層１３０ｃとなる酸化物半導体膜１３０Ｃを
形成する。さらに、酸化物半導体膜１３０Ｃ上にゲート絶縁膜となる絶縁膜１６０Ａ、お
よび導電層１７０となる第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜１７２Ａを形成する。
次に、第４の導電膜１７２Ａ上に第３のレジストマスク１５６を形成する（図４３（Ａ）
参照）。そして、当該レジストマスクを用いて、第３の導電膜１７１Ａ、第４の導電膜１
７２Ａ、絶縁膜１６０Ａ、および酸化物半導体膜１３０Ｃを選択的にエッチングし、導電
層１７１および導電層１７２からなる導電層１７０、絶縁層１６０、および酸化物半導体
層１３０ｃを形成する（図４３（Ｂ）参照）。なお、絶縁膜１６０Ａおよび酸化物半導体
膜１３０Ｃを第４のレジストマスクを用いてエッチングすることで、トランジスタ１０８
を作製することができる。
次に、絶縁層１２０、酸化物半導体層１３０（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層
１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）、導電層１４０、導電層１５０、絶縁層１６０およ
び導電層１７０上に絶縁層１７５および絶縁層１８０を形成する（図４３（Ｃ）参照）。
以上の工程において、トランジスタ１０７を作製することができる。
なお、本実施の形態で説明した金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜は、代表的に
はスパッタ法やプラズマＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱
ＣＶＤ法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としては、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏ
ｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａ
ｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などがある。
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。
また、熱ＣＶＤ法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を
大気圧または減圧下とし、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。
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、そのガス導入の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、不活性ガスはキャリア
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の層が第１の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、微細なＦ
ＥＴを作製する場合に適している。
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された
金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ
−ＺｎＯＸ（Ｘ＞０）膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウ
ム、およびジメチル亜鉛を用いることができる。なお、トリメチルインジウムの化学式は
、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３で
ある。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、これらの組み合
わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム（化学式Ｇａ（Ｃ２
Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛（化学式Ｚｎ（Ｃ２
Ｈ５）２）を用いることもできる。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒と
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や、テトラキスジメチルア
ミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）などのハフニウムアミド）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（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により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（トリメチルアルミニウム（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、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，
２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサク
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）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガ
スとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６
ガスとＨ２ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代え
てＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−ＺｎＯＸ
（Ｘ＞０）膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入
してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを同時に導入してＧ
ａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２とＯ３ガスを同時に導入してＺｎＯ層を形
成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてＩｎ
−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良
い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたたＨ２Ｏガス
を用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）
３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガス
にかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用い
ても良い。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタに使用することができる酸化物半
導体膜について説明する。
なお、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。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、
「垂直」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
。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す
。
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられ
る。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半
導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｌｉ
ｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体などがある。
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半
導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であっ
て不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離
秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔ
ｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない
（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物
半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、微小な領域において周期
構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、
物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半
導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分
解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方
、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーとも
いう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図４４（Ａ）に、
試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高
分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ
Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、
特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日
本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うこ
とができる。
図４４（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図４４（Ｂ）に示す。
図４４（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる
。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳ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ており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
図４４（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図４４（Ｃ）
は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図４４（Ｂ）および図４４（Ｃ）
より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットと
の傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペ
レットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）
を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレッ
ト５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造と
なる（図４４（Ｄ）参照。）。図４４（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾
きが生じている箇所は、図４４（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図４５（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ
補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図４５（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）
を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図４５（Ｂ）、図４５（Ｃ）および図
４５（Ｄ）に示す。図４５（Ｂ）、図４５（Ｃ）および図４５（Ｄ）より、ペレットは、
金属原子が三角形状、四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、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡ
ＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ
に対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図４６（Ａ）に示すよう
に回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ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略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、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。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解
析では、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。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎ
ｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、Ｉｎ
ＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、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）を行っても、図４６（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対
し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφス
キャンした場合、図４６（Ｃ）に示すように（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。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、
ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの
電子線を入射させると、図４７（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折
パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の
結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略
垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ
径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図４７（Ｂ）に示す。図４７
（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、
ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。
なお、図４７（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面およ
び（１００）面などに起因すると考えられる。また、図４７（Ｂ）における第２リングは
（１１０）面などに起因すると考えられる。
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結
晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をする
とＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属
元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素
との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二
酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合があ
る。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリ
ア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとな
る場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体であ
る。具体的には、８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さ
らに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上のキャリア
密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または
実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥
準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確
な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、
１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお
、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化
物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を
明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと
起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼
ぶ場合がある。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３
ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレ
ット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。した
がって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体
と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ
線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検
出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎ
ｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観
測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプロ
ーブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎ
ｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い
領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される
場合がある。
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−
ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有す
る酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ
）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、
ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる
。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため
、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
＜ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半
導体である。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆が観察される場合がある。また、高
分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認す
ることのできない領域と、を有する。
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ
ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため
、電子照射による構造の変化を示す。
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（
試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれ
の試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料
は、いずれも結晶部を有することがわかる。
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、
ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を
６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これ
らの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度で
あり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の
間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見
なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図７０は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である
。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図７０より、ａ−ｌｉｋ
ｅ ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的
には、図７０中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度
の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ
２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳ
およびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／
ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図
７０中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよ
びＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度で
あることがわかる。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合があ
る。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど
見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べ
て密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ
−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶
の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱
面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よっ
て、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において
、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また
、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、
ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３
未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる
単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もる
ことができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせ
る割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない
種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。な
お、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、
ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態９）
以下では、本発明の一態様のトランジスタの任意断面におけるバンド構造について説明す
る。
図４８（Ａ）は、本発明の一態様に係る酸化物半導体層を有するトランジスタの断面図で
ある。
図４８（Ａ）に示すトランジスタは、基板４００上の絶縁層４０１と、絶縁層４０１上の
導電層４０４ａと、導電層４０４ａ上の導電層４０４ｂと、絶縁層４０１上、導電層４０
４ａ上および導電層４０４ｂ上の絶縁層４０２ａと、絶縁層４０２ａ上の絶縁層４０２ｂ
と、絶縁層４０２ｂ上の半導体層４０６ａと、半導体層４０６ａ上の半導体層４０６ｂと
、半導体層４０６ｂ上の絶縁層４１２と、絶縁層４１２上の導電層４１４ａと、導電層４
１４ａ上の導電層４１４ｂと、絶縁層４０２ｂ上、半導体層４０６ａ上、半導体層４０６
ｂ上、絶縁層４１２上、導電層４１４ａ上および導電層４１４ｂ上の絶縁層４０８と、絶
縁層４０８上の絶縁層４１８と、絶縁層４１８上の導電層４１６ａ１および導電層４１６
ｂ１と、導電層４１６ａ１および導電層４１６ｂ１それぞれの上の導電層４１６ａ２およ
び導電層４１６ｂ２と、絶縁層４１８上、導電層４１６ａ２上および導電層４１６ｂ２上
の絶縁層４２８と、を有する。
絶縁層４０１は、トランジスタのチャネル形成領域へ不純物が混入することを抑制する機
能を有する場合がある。例えば、導電層４０４ｂなどが銅などの半導体層４０６ａまたは
半導体層４０６ｂにとっての不純物を有するとき、絶縁層４０１が銅などをブロックする
機能を有する場合がある。
導電層４０４ａおよび導電層４０４ｂの積層を併せて導電層４０４と呼ぶ。導電層４０４
は、トランジスタのゲート電極としての機能を有する場合がある。また、導電層４０４は
、トランジスタのチャネル形成領域などを遮光する機能を有する場合がある。
絶縁層４０２ａおよび絶縁層４０２ｂを併せて絶縁層４０２と呼ぶ。絶縁層４０２は、ト
ランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する場合がある。また、絶縁層４０２ａは、
トランジスタのチャネル形成領域へ不純物が混入することを抑制する機能を有する場合が
ある。例えば、導電層４０４ｂなどが銅などの半導体層４０６ａまたは半導体層４０６ｂ
にとっての不純物を有するとき、絶縁層４０２ａが銅などをブロックする機能を有する場
合がある。
半導体層４０６ａおよび半導体層４０６ｂを併せて半導体層４０６と呼ぶ。半導体層４０
６は、トランジスタのチャネル形成領域としての機能を有する場合がある。例えば、半導
体層４０６ａは先の実施の形態に示した酸化物半導体層１３０ｂ、半導体層４０６ｂは先
の実施の形態に示した酸化物半導体層１３０ｃに相当する。
なお、半導体層４０６ａは、絶縁層４１２、導電層４１４ａ、導電層４１４ｂなどと重な
らない領域４０７ａ１および領域４０７ｂ１を有する。また、半導体層４０６ｂは、絶縁
層４１２、導電層４１４ａ、導電層４１４ｂなどと重ならない領域４０７ａ２および領域
４０７ｂ２を有する。領域４０７ａ１および領域４０７ｂ１は、半導体層４０６ａの絶縁
層４１２、導電層４１４ａ、導電層４１４ｂなどと重なる領域よりも抵抗の低い領域であ
る。また、４０７ａ２および領域４０７ｂ２は、半導体層４０６ｂの絶縁層４１２、導電
層４１４ａ、導電層４１４ｂなどと重なる領域よりも抵抗の低い領域である。なお、抵抗
の低い領域を、キャリア密度の高い領域と呼ぶこともできる。
また、領域４０７ａ１および領域４０７ａ２を併せて領域４０７ａと呼ぶ。また、領域４
０７ｂ１および領域４０７ｂ２を併せて領域４０７ｂと呼ぶ。領域４０７ａおよび領域４
０７ｂは、トランジスタのソース領域およびドレイン領域としての機能を有する場合があ
る。
導電層４１４ａおよび導電層４１４ｂを併せて導電層４１４と呼ぶ。導電層４１４は、ト
ランジスタのゲート電極としての機能を有する場合がある。または、導電層４１４は、ト
ランジスタのチャネル形成領域などを遮光する機能を有する場合がある。
絶縁層４１２は、トランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する場合がある。
絶縁層４０８は、トランジスタのチャネル形成領域へ不純物が混入することを抑制する機
能を有する場合がある。例えば、導電層４１６ａ２および導電層４１６ｂ２などが銅など
の半導体層４０６ａまたは半導体層４０６ｂにとっての不純物を有するとき、絶縁層４０
８が銅などをブロックする機能を有する場合がある。
絶縁層４１８は、トランジスタの層間絶縁層としての機能を有する場合がある。例えば、
絶縁層４１８を有することで、トランジスタの各配線間の寄生容量を低減できる場合があ
る。
導電層４１６ａ１および導電層４１６ａ２を併せて導電層４１６ａと呼ぶ。また、導電層
４１６ｂ１および導電層４１６ｂ２を併せて導電層４１６ｂと呼ぶ。導電層４１６ａおよ
び導電層４１６ｂは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有す
る場合がある。
絶縁層４２８は、トランジスタのチャネル形成領域へ不純物が混入することを抑制する機
能を有する場合がある。
ここで、図４８（Ｂ）に、トランジスタのチャネル形成領域を含むＰ１−Ｐ２断面におけ
るバンド構造を示す。なお、半導体層４０６ａは半導体層４０６ｂよりもエネルギーギャ
ップが少し狭いとする。また、絶縁層４０２ａ、絶縁層４０２ｂおよび絶縁層４１２は、
半導体層４０６ａおよび半導体層４０６ｂよりも十分にエネルギーギャップが大きいとす
る。また、半導体層４０６ａ、半導体層４０６ｂ、絶縁層４０２ａ、絶縁層４０２ｂおよ
び絶縁層４１２のフェルミ準位（Ｅｆと表記する。）は、それぞれの真性フェルミ準位（
Ｅｉと表記する。）の位置とする。また、導電層４０４および導電層４１４の仕事関数は
、該フェルミ準位と同じ位置とする。
ゲート電圧をトランジスタのしきい値電圧以上としたとき、半導体層４０６ａと半導体層
４０６ｂとの間の伝導帯下端のエネルギーの差により、電子は半導体層４０６ａを優先的
に流れる。即ち、半導体層４０６ａに電子が埋め込まれると推定することができる。なお
、伝導帯下端のエネルギーをＥｃと表記し、価電子帯上端のエネルギーをＥｖと表記する
。
したがって、本発明の一態様に係るトランジスタは、電子の埋め込みによって界面散乱の
影響が低減されている。そのため、本発明の一態様に係るトランジスタは、チャネル抵抗
が小さい。
次に、図４８（Ｃ）に、トランジスタのソース領域またはドレイン領域を含むＱ１−Ｑ２
断面におけるバンド構造を示す。なお、領域４０７ａ１、領域４０７ｂ１、領域４０７ａ
２および領域４０７ｂ２は、縮退状態とする。また、領域４０７ｂ１において、半導体層
４０６ａのフェルミ準位は伝導帯下端のエネルギーと同程度とする。また、領域４０７ｂ
２において、半導体層４０６ｂのフェルミ準位は伝導帯下端のエネルギーと同程度とする
。領域４０７ａ１および領域４０７ａ２も同様である。
このとき、ソース電極またはドレイン電極としての機能を有する導電層４１６ｂと、領域
４０７ｂ２と、はエネルギー障壁が十分小さいため、オーミック接触となる。また、領域
４０７ｂ２と、領域４０７ｂ１と、はオーミック接触となる。同様に、ソース電極または
ドレイン電極としての機能を有する導電層４１６ａと、領域４０７ａ２と、はエネルギー
障壁が十分小さいため、オーミック接触となる。また、領域４０７ａ２と、領域４０７ａ
１と、はオーミック接触となる。したがって、導電層４１６ａおよび導電層４１６ｂと、
半導体層４０６ａおよび半導体層４０６ｂと、の間で、電子の授受がスムーズに行われる
ことがわかる。
以上に示したように、本発明の一態様に係るトランジスタは、ソース電極およびドレイン
電極と、チャネル形成領域と、の間の電子の授受がスムーズに行われ、かつチャネル抵抗
の小さいトランジスタである。即ち、優れたスイッチング特性を有するトランジスタであ
ることがわかる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態１０）
本実施の形態では、酸化物半導体層中の酸素欠損および当該酸素欠損の結合する水素の効
果について説明する。
＜（１）． ＶｏＨの形成しやすさ、および安定性＞
酸化物半導体膜（以下、ＩＧＺＯと示す。）が完全な結晶の場合、室温では、Ｈは、優先
的にａｂ面に沿って拡散する。また、４５０℃の加熱処理の際には、Ｈは、ａｂ面および
ｃ軸方向それぞれに拡散する。そこで、ここでは、ＩＧＺＯに酸素欠損Ｖｏが存在する場
合、Ｈは酸素欠損Ｖｏ中に入りやすいか否かについて説明する。ここで、酸素欠損Ｖｏ中
にＨがある状態をＶｏＨと表記する。
計算には、図４９に示すＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルを用いた。ここで、ＶｏＨ中のＨが
Ｖｏから出ていき、酸素と結合する反応経路の活性化障壁（Ｅａ）を、ＮＥＢ（Ｎｕｄｇ
ｅｄ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｂａｎｄ）法を用いて計算した。計算条件を表１に示す。
また、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルにおいて、酸素が結合する金属元素およびその数の違
いから、図４９に示すように酸素サイト１乃至酸素サイト４がある。ここでは、酸素欠損
Ｖｏを形成しやすい酸素サイト１および酸素サイト２について計算を行った。
はじめに、酸素欠損Ｖｏを形成しやすい酸素サイト１として、３個のＩｎと１個のＺｎと
結合した酸素サイトについて計算を行った。
初期状態のモデルを図５０（Ａ）に示し、最終状態のモデルを図５０（Ｂ）に示す。また
、初期状態および最終状態において、算出した活性化障壁（Ｅａ）を図５１に示す。なお
、ここでの初期状態とは、酸素欠損Ｖｏ中にＨがある状態（ＶｏＨ）であり、最終状態と
は、酸素欠損Ｖｏと、１個のＧａおよび２個のＺｎと結合した酸素とＨとが結合した状態
（Ｈ−Ｏ）を有する構造である。
計算の結果、酸素欠損Ｖｏ中のＨが他のＯと結合するには約１．５２ｅＶのエネルギーが
必要であるのに対して、Ｏと結合したＨが酸素欠損Ｖｏ中に入るには約０．４６ｅＶのエ
ネルギーが必要であった。
ここで、計算により得られた活性化障壁（Ｅａ）と数式１より、反応頻度（Γ）を算出し
た。なお、数式１において、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である。
頻度因子ν＝１０１３［１／ｓｅｃ］と仮定して３５０℃における反応頻度を算出した。
図５０（Ａ）に示すモデルから図５０（Ｂ）に示すモデルへＨが移動する頻度は５．５２
×１００［１／ｓｅｃ］であった。また、図５０（Ｂ）に示すモデルから図５０（Ａ）に
示すモデルへＨが移動する頻度は１．８２×１０９［１／ｓｅｃ］であった。このことか
ら、ＩＧＺＯ中を拡散するＨは、近くに酸素欠損ＶｏがあるとＶｏＨを形成しやすく、一
旦ＶｏＨを形成すると酸素欠損Ｖｏから放出されにくいといえる。
次に、酸素欠損Ｖｏを形成しやすい酸素サイト２として、１個のＧａと２個のＺｎと結合
した酸素サイトについて計算を行った。
初期状態のモデルを図５２（Ａ）に示し、最終状態のモデルを図５２（Ｂ）に示す。また
、初期状態および最終状態において、算出した活性化障壁（Ｅａ）を図５３に示す。なお
、ここでの初期状態とは、酸素欠損Ｖｏ中にＨがある状態（ＶｏＨ）であり、最終状態と
は、酸素欠損Ｖｏと、１個のＧａおよび２個のＺｎと結合した酸素とＨとが結合した状態
（Ｈ−Ｏ）を有する構造である。
計算の結果、酸素欠損Ｖｏ中のＨが他のＯと結合するには約１．７５ｅＶのエネルギーが
必要であるのに対して、Ｏと結合したＨが酸素欠損Ｖｏ中に入るには約０．３５ｅＶのエ
ネルギーが必要であった。
また、計算により得られた活性化障壁（Ｅａ）と上記の数式１より、反応頻度（Γ）を算
出した。
頻度因子ν＝１０１３［１／ｓｅｃ］と仮定して３５０℃における反応頻度を算出した。
図５２（Ａ）に示すモデルから図５２（Ｂ）に示すモデルへＨが移動する頻度は７．５３
×１０−２［１／ｓｅｃ］であった。また、図５２（Ｂ）に示すモデルから図５２（Ａ）
に示すモデルへＨが移動する頻度は１．４４×１０１０［１／ｓｅｃ］であった。このこ
とから、一旦ＶｏＨを形成すると酸素欠損ＶｏからＨは放出されにくいといえる。
以上のことから、アニール時にＩＧＺＯ中のＨは拡散し易く、酸素欠損Ｖｏがある場合は
酸素欠損Ｖｏの中に入ってＶｏＨとなりやすいことが分かった。
＜（２）． ＶｏＨの遷移レベル＞
ＩＧＺＯ中において酸素欠損ＶｏとＨが存在する場合、＜（１）． ＶｏＨの形成しやす
さ、および安定性＞で示した、ＮＥＢ法を用いた計算より、酸素欠損ＶｏとＨはＶｏＨを
形成しやすく、さらにＶｏＨは安定であるといえる。そこで、ＶｏＨがキャリアトラップ
に関与するかを調べるため、ＶｏＨの遷移レベルの算出を行った。
計算にはＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデル（１１２原子）を用いた。図４９に示す酸素サイト
１および酸素サイト２に対してＶｏＨモデルを作成し、遷移レベルの算出を行った。計算
条件を表２に示す。
実験値に近いバンドギャップが出るよう、交換項の混合比を調整したことで、欠陥のない
ＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルのバンドギャップは３．０８ｅＶとなり、実験値の３．１５
ｅＶと近い結果となった。
欠陥Ｄをもつモデルの遷移レベル（ε（ｑ／ｑ’））は、以下の数式２により算出される
。なお、ΔＥ（Ｄｑ）は欠陥Ｄの電荷ｑにおける形成エネルギーであり、数式３より算出
される。
数式２および数式３において、Ｅｔｏｔ（Ｄｑ）は欠陥Ｄを含むモデルの電荷ｑにおける
全エネルギー、Ｅｔｏｔ（ｂｕｌｋ）は欠陥のないモデル（完全結晶）の全エネルギー、
Δｎｉは欠陥に関する原子ｉの増減数、μｉは原子ｉの化学ポテンシャル、εＶＢＭは欠
陥のないモデルにおける価電子帯上端のエネルギー、ΔＶｑは静電ポテンシャルに関する
補正項、ＥＦはフェルミエネルギーである。
算出したＶｏＨの遷移レベルを図５４に示す。図５４中の数値は伝導帯下端からの深さで
ある。図５４より、酸素サイト１に対するＶｏＨの遷移レベルは伝導帯下端の下０．０５
ｅＶに存在し、酸素サイト２に対するＶｏＨの遷移レベルは伝導帯下端の下０．１１ｅＶ
に存在するため、それぞれのＶｏＨは電子トラップに関与すると考えられる。すなわち、
ＶｏＨはドナーとして振る舞うことが明らかになった。また、ＶｏＨを有するＩＧＺＯは
導電性を有することが明らかになった。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態適宜組み合わせることができる。
（実施の形態１１）
＜成膜モデル＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルについて説明する。
図５５（Ａ）は、スパッタ法によりＣＡＡＣ−ＯＳが成膜される様子を示した成膜室内の
模式図である。
ターゲット５１３０は、バッキングプレート上に接着されている。ターゲット５１３０お
よびバッキングプレート下には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットに
よって、ターゲット５１３０上には磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜
速度を高めるスパッタ法は、マグネトロンスパッタ法と呼ばれる。
ターゲット５１３０は、多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。な
お、劈開面の詳細については後述する。
基板５１２０は、ターゲット５１３０と向かい合うように配置しており、その距離ｄ（タ
ーゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）ともいう。）は０．０１ｍ以上１ｍ以下、好まし
くは０．０２ｍ以上０．５ｍ以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス（例えば、酸
素、アルゴン、または酸素を５０体積％以上の割合で含む混合ガス）で満たされ、０．０
１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下に制御される。ここ
で、ターゲット５１３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが
確認される。なお、ターゲット５１３０上の磁場によって、高密度プラズマ領域が形成さ
れる。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン５１０１が生じ
る。イオン５１０１は、例えば、酸素の陽イオン（Ｏ＋）やアルゴンの陽イオン（Ａｒ＋
）などである。
イオン５１０１は、電界によってターゲット５１３０側に加速され、やがてターゲット５
１３０と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子である
ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂが剥離し、叩き出される。なお、ペレット
５１００ａおよびペレット５１００ｂは、イオン５１０１の衝突の衝撃によって、構造に
歪みが生じる場合がある。
ペレット５１００ａは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状
のスパッタ粒子である。また、ペレット５１００ｂは、六角形、例えば正六角形の平面を
有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット５１００ａおよび
ペレット５１００ｂなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット５
１００と呼ぶ。ペレット５１００の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例え
ば、三角形が２個以上６個以下合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（正三
角形）が２個合わさった四角形（ひし形）となる場合もある。
ペレット５１００は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、
ペレット５１００の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのな
いペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。
ペレット５１００は、プラズマを通過する際に電荷を受け取ることで、側面が負または正
に帯電する場合がある。ペレット５１００は、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が負
に帯電する可能性がある。例えば、ペレット５１００ａが、側面に負に帯電した酸素原子
を有する例を図５７に示す。このように、側面が同じ極性の電荷を帯びることにより、電
荷同士の反発が起こり、平板状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯
電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した
酸素原子が負に帯電する可能性がある。
図６４（Ａ）に示すように、例えば、ペレット５１００は、プラズマ中を凧のように飛翔
し、ひらひらと基板５１２０上まで舞い上がっていく。ペレット５１００は電荷を帯びて
いるため、ほかのペレット５１００が既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。
ここで、基板５１２０の上面では、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が生じている
。また、基板５１２０およびターゲット５１３０間には、電位差が与えられているため、
基板５１２０からターゲット５１３０に向けて電流が流れている。したがって、ペレット
５１００は、基板５１２０の上面において、磁場および電流の作用によって、力（ローレ
ンツ力）を受ける（図５８参照。）。このことは、フレミングの左手の法則によって理解
できる。なお、ペレット５１００に与える力を大きくするためには、基板５１２０の上面
において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が１０Ｇ以上、好ましくは２０Ｇ以上
、さらに好ましくは３０Ｇ以上、より好ましくは５０Ｇ以上となる領域を設けるとよい。
または、基板５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が、基板
５１２０の上面に垂直な向きの磁場の１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好まし
くは３倍以上、より好ましくは５倍以上となる領域を設けるとよい。
また、基板５１２０は加熱されており、ペレット５１００と基板５１２０との間で摩擦な
どの抵抗が小さい状態となっている。その結果、図５９（Ａ）に示すように、ペレット５
１００は、基板５１２０の上面を滑空するように移動する。ペレット５１００の移動は、
平板面を基板５１２０に向けた状態で起こる。その後、図５９（Ｂ）に示すように、既に
堆積しているほかのペレット５１００の側面まで到達すると、側面同士が結合する。この
とき、ペレット５１００の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、
ＣＡＡＣ−ＯＳ中の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓとなる。
また、ペレット５１００が基板５１２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、イ
オン５１０１の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット５１０
０は、ほぼ単結晶となる。ペレット５１００がほぼ単結晶となることにより、ペレット５
１００同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット５１００自体の伸縮はほとんど
起こり得ない。したがって、ペレット５１００間の隙間が広がることで結晶粒界などの欠
陥を形成し、クレバス化することがない。また、隙間には、伸縮性のある金属原子などが
敷き詰められ、向きのずれたペレット５１００同士の側面を高速道路のように繋いでいる
と考えられる。
以上のようなモデルにより、ペレット５１００が基板５１２０上に堆積していくと考えら
れる。したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場合
においても、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜が可能であることがわかる。例えば、基板５１２０の
上面（被形成面）の構造が非晶質構造であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することは可能
である。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、平坦面に対してだけでなく、被形成面である基板５１２０の上
面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってペレット５１００が配列することがわかる。
例えば、基板５１２０の上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット５１００はａｂ面と平
行な平面である平板面を下に向けて並置するため、厚さが均一で平坦、かつ高い結晶性を
有する層が形成される。そして、当該層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なることで、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳを得ることができる（図６４（Ｂ）参照。）。
一方、基板５１２０の上面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１０
０が凸面に沿って並置した層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なった構造となる。基板５１
２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００間に隙間が生じやすい場
合がある。ただし、ペレット５１００間で分子間力が働き、凹凸があってもペレット間の
隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶性を有
するＣＡＡＣ−ＯＳとすることができる。
したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などで
あっても均一な成膜が可能である。
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのない
ペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合
、基板５１２０上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合が
ある。
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性
を有するＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００のほかに酸化亜鉛粒子を有する成膜モデルに
よっても説明することができる。
酸化亜鉛粒子は、ペレット５１００よりも質量が小さいため、先に基板５１２０に到達す
る。基板５１２０の上面において、酸化亜鉛粒子は、水平方向に優先的に結晶成長するこ
とで薄い酸化亜鉛層を形成する。該酸化亜鉛層は、ｃ軸配向性を有する。なお、該酸化亜
鉛層の結晶のｃ軸は、基板５１２０の法線ベクトルに平行な方向を向く。該酸化亜鉛層は
、ＣＡＡＣ−ＯＳを成長させるためのシード層の役割を果たすため、ＣＡＡＣ−ＯＳの結
晶性を高める機能を有する。なお、該酸化亜鉛層は、厚さが０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下、
ほとんどが１ｎｍ以上３ｎｍ以下となる。該酸化亜鉛層は十分薄いため、結晶粒界をほと
んど確認することができない。
したがって、結晶性の高いＣＡＡＣ−ＯＳを成膜するためには、化学量論的組成よりも高
い割合で亜鉛を含むターゲットを用いることが好ましい。
同様に、ｎｃ−ＯＳは、図５６に示す成膜モデルによって理解することができる。なお、
図５６と図６４（Ａ）との違いは、基板５１２０の加熱の有無のみである。
したがって、基板５１２０は加熱されておらず、ペレット５１００と基板５１２０との間
で摩擦などの抵抗が大きい状態となっている。その結果、ペレット５１００は、基板５１
２０の上面を滑空するように移動することができないため、不規則に降り積もっていくこ
とでｎｃ−ＯＳを得ることができる。
＜劈開面＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルにおいて記載のターゲットの劈開面について説明
する。
まずは、ターゲットの劈開面について図６０を用いて説明する。図６０に、ＩｎＧａＺｎ
Ｏ４の結晶の構造を示す。なお、図６０（Ａ）は、ｃ軸を上向きとし、ｂ軸に平行な方向
からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造を示す。また、図６０（Ｂ）は、ｃ軸
に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造を示す。
ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の各結晶面における劈開に必要なエネルギーを、第一原理計算に
より算出する。なお、計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プロ
グラム（ＣＡＳＴＥＰ）を用いる。なお、擬ポテンシャルには、ウルトラソフト型の擬ポ
テンシャルを用いる。また、汎関数には、ＧＧＡ ＰＢＥを用いる。また、カットオフエ
ネルギーは４００ｅＶとする。
初期状態における構造のエネルギーは、セルサイズを含めた構造最適化を行った後に導出
する。また、各面で劈開後の構造のエネルギーは、セルサイズを固定した状態で、原子配
置の構造最適化を行った後に導出する。
図６０に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造をもとに、第１の面、第２の面、第３の面
、第４の面のいずれかで劈開した構造を作製し、セルサイズを固定した構造最適化計算を
行う。ここで、第１の面は、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＩｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（０
０１）面（またはａｂ面）に平行な結晶面である（図６０（Ａ）参照。）。第２の面は、
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（００１）面（またはａｂ
面）に平行な結晶面である（図６０（Ａ）参照。）。第３の面は、（１１０）面に平行な
結晶面である（図６０（Ｂ）参照。）。第４の面は、（１００）面（またはｂｃ面）に平
行な結晶面である（図６０（Ｂ）参照。）。
以上のような条件で、各面で劈開後の構造のエネルギーを算出する。次に、劈開後の構造
のエネルギーと初期状態における構造のエネルギーとの差を、劈開面の面積で除すことで
、各面における劈開しやすさの尺度である劈開エネルギーを算出する。なお、構造のエネ
ルギーは、構造に含まれる原子と電子に対して、電子の運動エネルギーと、原子間、原子
−電子間、および電子間の相互作用と、を考慮したエネルギーである。
計算の結果、第１の面の劈開エネルギーは２．６０Ｊ／ｍ２、第２の面の劈開エネルギー
は０．６８Ｊ／ｍ２、第３の面の劈開エネルギーは２．１８Ｊ／ｍ２、第４の面の劈開エ
ネルギーは２．１２Ｊ／ｍ２であることがわかった（下表参照。）。
この計算により、図６０に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造において、第２の面にお
ける劈開エネルギーが最も低くなる。即ち、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間
が最も劈開しやすい面（劈開面）であることがわかる。したがって、本明細書において、
劈開面と記載する場合、最も劈開しやすい面である第２の面のことを示す。
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＧａ−Ｚｎ−Ｏ層との間である第２の面に劈開面を有するため、図６
０（Ａ）に示すＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、二つの第２の面と等価な面で分離することが
できる。したがって、ターゲットにイオンなどを衝突させる場合、もっとも劈開エネルギ
ーの低い面で劈開したウェハース状のユニット（我々はこれをペレットと呼ぶ。）が最小
単位となって飛び出してくると考えられる。その場合、ＩｎＧａＺｎＯ４のペレットは、
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層となる。
また、第１の面（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層とＩｎ−Ｏ層との間の結晶面であり、（００１）面（
またはａｂ面）に平行な結晶面）よりも、第３の面（１１０）面に平行な結晶面）、第４
の面（（１００）面（またはｂｃ面）に平行な結晶面）の劈開エネルギーが低いことから
、ペレットの平面形状は三角形状または六角形状が多いことが示唆される。
次に、古典分子動力学計算により、ターゲットとしてホモロガス構造を有するＩｎＧａＺ
ｎＯ４の結晶を仮定し、当該ターゲットをアルゴン（Ａｒ）または酸素（Ｏ）によりスパ
ッタした場合の劈開面について評価する。計算に用いたＩｎＧａＺｎＯ４の結晶（２６８
８原子）の断面構造を図６１（Ａ）に、上面構造を図６１（Ｂ）に示す。なお、図６１（
Ａ）に示す固定層は、位置が変動しないよう原子の配置を固定した層である。また、図６
１（Ａ）に示す温度制御層は、常に一定の温度（３００Ｋ）とした層である。
古典分子動力学計算には、富士通株式会社製Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｌｏｒｅｒ５．
０を用いる。なお、初期温度を３００Ｋ、セルサイズを一定、時間刻み幅を０．０１フェ
ムト秒、ステップ数を１０００万回とする。計算では、当該条件のもと、原子に３００ｅ
Ｖのエネルギーを与え、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａｂ面に垂直な方向からセルに原子を
入射させる。
図６２（Ａ）は、図６１に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルにアルゴンが入射
してから９９．９ピコ秒（ｐｓｅｃ）後の原子配列を示す。また、図６２（Ｂ）は、セル
に酸素が入射してから９９．９ピコ秒後の原子配列を示す。なお、図６２では、図６１（
Ａ）に示した固定層の一部を省略して示す。
図６２（Ａ）より、アルゴンがセルに入射してから９９．９ピコ秒までに、図６０（Ａ）
に示した第２の面に対応する劈開面から亀裂が生じる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の
結晶に、アルゴンが衝突した場合、最上面を第２の面（０番目）とすると、第２の面（２
番目）に大きな亀裂が生じることがわかる。
一方、図６２（Ｂ）より、酸素がセルに入射してから９９．９ピコ秒までに、図６０（Ａ
）に示した第２の面に対応する劈開面から亀裂が生じることがわかる。ただし、酸素が衝
突した場合は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の第２の面（１番目）において大きな亀裂が生じ
ることがわかる。
したがって、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットの上面か
ら原子（イオン）が衝突すると、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は第２の面に沿って劈開し、平
板状の粒子（ペレット）が剥離することがわかる。また、このとき、ペレットの大きさは
、アルゴンを衝突させた場合よりも、酸素を衝突させた場合の方が小さくなることがわか
る。
なお、上述の計算から、剥離したペレットは損傷領域を含むことが示唆される。ペレット
に含まれる損傷領域は、損傷によって生じた欠陥に酸素を反応させることで修復できる場
合がある。
そこで、衝突させる原子の違いによって、ペレットの大きさが異なることについて調査す
る。
図６３（Ａ）に、図６１に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルにアルゴンが入射
した後、０ピコ秒から０．３ピコ秒までにおける各原子の軌跡を示す。したがって、図６
３（Ａ）は、図６１から図６２（Ａ）の間の期間に対応する。
図６３（Ａ）より、アルゴンが第１層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）のガリウム（Ｇａ）と衝突す
ると、当該ガリウムが第３層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の亜鉛（Ｚｎ）と衝突した後、当該亜
鉛が第６層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の近傍まで到達することがわかる。なお、ガリウムと衝
突したアルゴンは、外に弾き飛ばされる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むタ
ーゲットにアルゴンを衝突させた場合、図６１（Ａ）における第２の面（２番目）に亀裂
が入ると考えられる。
また、図６３（Ｂ）に、図６１に示したＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するセルに酸素が入
射した後、０ピコ秒から０．３ピコ秒までにおける各原子の軌跡を示す。したがって、図
６３（Ｂ）は、図６１から図６２（Ａ）の間の期間に対応する。
一方、図６３（Ｂ）より、酸素が第１層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）のガリウム（Ｇａ）と衝突
すると、当該ガリウムが第３層（Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の亜鉛（Ｚｎ）と衝突した後、当該
亜鉛が第５層（Ｉｎ−Ｏ層）まで到達しないことがわかる。なお、ガリウムと衝突した酸
素は、外に弾き飛ばされる。したがって、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットに酸
素を衝突させた場合、図６１（Ａ）における第２の面（１番目）に亀裂が入ると考えられ
る。
本計算からも、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、原子（イオン）が衝突した場合、劈開面から
剥離することが示唆される。
また、亀裂の深さの違いを保存則の観点から検討する。エネルギー保存則および運動量保
存則は、数式４および数式５のように示すことができる。ここで、Ｅは衝突前のアルゴン
または酸素の持つエネルギー（３００ｅＶ）、ｍＡはアルゴンまたは酸素の質量、ｖＡは
衝突前のアルゴンまたは酸素の速度、ｖ’Ａは衝突後のアルゴンまたは酸素の速度、ｍＧ
ａはガリウムの質量、ｖＧａは衝突前のガリウムの速度、ｖ’Ｇａは衝突後のガリウムの
速度である。
アルゴンまたは酸素の衝突が弾性衝突であると仮定すると、ｖＡ、ｖ’Ａ、ｖＧａおよび
ｖ’Ｇａの関係は数式６のように表すことができる。
数式４、数式５および数式６より、アルゴンまたは酸素が衝突した後のガリウムの速度ｖ
’Ｇａは、数式７のように表すことができる。
数式７において、ｍＡにアルゴンの質量または酸素の質量を代入し、それぞれの原子が衝
突した後のガリウムの速度を比較する。アルゴンおよび酸素の衝突前に持つエネルギーが
同じである場合、アルゴンが衝突した場合の方が、酸素が衝突した場合よりも１．２４倍
ガリウムの速度が高いことがわかる。したがって、ガリウムの持つエネルギーもアルゴン
が衝突した場合の方が、酸素が衝突した場合よりも速度の二乗分だけ高くなる。
アルゴンを衝突させた場合の方が、酸素を衝突させた場合よりも、衝突後のガリウムの速
度（エネルギー）が高くなることがわかる。したがって、アルゴンを衝突させた場合の方
が、酸素を衝突させた場合よりも深い位置に亀裂が生じたと考えられる。
以上の計算により、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むターゲットを
スパッタすると、劈開面から剥離し、ペレットが形成されることがわかる。一方、劈開面
を有さないターゲットの他の構造の領域をスパッタしてもペレットは形成されず、ペレッ
トよりも微細な原子レベルの大きさのスパッタ粒子が形成される。該スパッタ粒子は、ペ
レットと比べて小さいため、スパッタ装置に接続されている真空ポンプを介して排気され
ると考えられる。したがって、ホモロガス構造を有するＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を含むタ
ーゲットをスパッタした場合、様々な大きさ、形状の粒子が基板まで飛翔し、堆積するこ
とで成膜されるモデルは考えにくい。スパッタされたペレットが堆積してＣＡＡＣ−ＯＳ
を成膜する図６４（Ａ）などに記載のモデルが道理に適っている。
このようにして成膜されたＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、単結晶ＯＳと同程度の密度を有する
。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４のホモロガス構造を有する単結晶ＯＳの密度は６．３６ｇ／
ｃｍ３であるのに対し、同程度の原子数比であるＣＡＡＣ−ＯＳの密度は６．３ｇ／ｃｍ
３程度となる。
図６４に、スパッタ法で成膜したＣＡＡＣ−ＯＳであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（図６４
（Ａ）参照。）、およびそのターゲット（図６４（Ｂ）参照。）の断面における原子配列
を示す。原子配列の観察には、高角散乱環状暗視野走査透過電子顕微鏡法（ＨＡＡＤＦ−
ＳＴＥＭ：Ｈｉｇｈ−Ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎ
ｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用い
る。なお、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭでは、各原子の像強度は原子番号の二乗に比例する。し
たがって、原子番号の近いＺｎ（原子番号３０）とＧａ（原子番号３１）とは、ほとんど
区別できない。ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭには、日立走査透過電子顕微鏡ＨＤ−２７００を用
いる。
図６４（Ａ）および図６４（Ｂ）を比較すると、ＣＡＡＣ−ＯＳと、ターゲットは、とも
にホモロガス構造を有しており、それぞれの原子の配置が対応していることがわかる。し
たがって、図５５（Ａ）などの成膜モデルに示したように、ターゲットの結晶構造が転写
されることでＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されることがわかる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態１２）
本発明の一態様に係る撮像装置および当該撮像装置を含む半導体装置は、表示機器、パー
ソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａ
ｌ 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撮像装置
および当該撮像装置を含む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、
携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチル
カメラ等のカメラ、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、プリンタ複合機、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６５に示す。
図６５（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部
９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８
、カメラ９０９等を有する。なお、図６５（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示
部９０３と表示部９０４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。カメラ９０９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
図６５（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、表示部９１２、カメラ９１９等
を有する。表示部９１２が有するタッチパネル機能により情報の入出力を行うことができ
る。カメラ９１９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
図６５（Ｃ）はデジタルカメラであり、筐体９２１、シャッターボタン９２２、マイクロ
フォン９２３、発光部９２７、レンズ９２５等を有する。レンズ９２５の焦点となる位置
には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図６５（Ｄ）は腕時計型の情報端末であり、筐体９３１、表示部９３２、リストバンド９
３３、カメラ９３９等を有する。表示部９３２はタッチパネルとなっていてもよい。カメ
ラ９３９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
図６５（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、
操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ
９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられて
いる。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されてお
り、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能であ
る。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４
２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。レンズ９４５の焦点となる位置に
は本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図６５（Ｆ）は携帯電話であり、筐体９５１に、表示部９５２、マイクロフォン９５７、
スピーカー９５４、カメラ９５９、入出力端子９５６、操作用のボタン９５５等を有する
。カメラ９５９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態１３）
ここでは、先の実施の形態に示すトランジスタの変形例について、図６６乃至図６８を用
いて説明する。図６６に示すトランジスタは、基板８２１上の絶縁層８２４上に形成され
た酸化物半導体層８２８と、酸化物半導体層８２８に接する絶縁層８３７と、絶縁層８３
７と接し且つ酸化物半導体層８２８と重畳する導電層８４０と、を有する。なお、絶縁層
８３７は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。また、導電層８４０は、ゲート電極層と
しての機能を有する。
また、酸化物半導体層８２８に接する絶縁層８４６、および絶縁層８４６に接する絶縁層
８４７が、トランジスタに設けられている。また、絶縁層８４６および絶縁層８４７の開
口部において、酸化物半導体層８２８と接する導電層８５６、８５７が、トランジスタに
設けられている。なお、導電層８５６、８５７は、ソース電極層およびドレイン電極層と
しての機能を有する。
なお、本実施の形態に示すトランジスタの構成、並び該構成に接する導電層および絶縁層
は、先の実施の形態に示すトランジスタの構成、並びに該構成に接する導電層および絶縁
層を適宜用いることができる。
図６６（Ａ）に示すトランジスタにおいて、酸化物半導体層８２８は、導電層８４０と重
なる領域に形成される領域８２８ａと、領域８２８ａを挟み、且つ不純物元素を含む領域
８２８ｂ、８２８ｃとを有する。また、導電層８５６、８５７は、領域８２８ｂ、８２８
ｃと接する。領域８２８ａはチャネル領域として機能する。領域８２８ｂ、８２８ｃは、
領域８２８ａと比較して、抵抗率が低く、低抵抗領域ということができる。また、領域８
２８ｂ、８２８ｃは、ソース領域およびドレイン領域として機能する。
または、図６６（Ｂ）に示すトランジスタのように、酸化物半導体層８２８において、導
電層８５６、８５７と接する領域８２８ｄ、８２８ｅに、不純物元素が添加されていなく
ともよい。この場合、導電層８５６、８５７と接する領域８２８ｄ、８２８ｅと領域８２
８ａとの間に、不純物元素を有する領域８２８ｂ、８２８ｃを有する。なお、領域８２８
ｄ、８２８ｅは、導電層８５６、８５７に電圧が印加されると導電性を有するため、ソー
ス領域およびドレイン領域としての機能を有する。
なお、図６６（Ｂ）に示すトランジスタは、導電層８５６、８５７を形成した後、導電層
８４０および導電層８５６、８５７をマスクとして、不純物元素を酸化物半導体層に添加
することで、形成できる。
導電層８４０において、導電層８４０の端部がテーパ形状であってもよい。即ち、絶縁層
８３７および導電層８４０が接する面と、導電層８４０の側面となす角度θ１が、９０°
未満、または１０°以上８５°以下、または１５°以上８５°以下、または３０°以上８
５°以下、または４５°以上８５°以下、または６０°以上８５°以下であってもよい。
角度θ１を、９０°未満、または１０°以上８５°以下、または１５°以上８５°以下、
または３０°以上８５°以下、または４５°以上８５°以下、または６０°以上８５°以
下とすることで、絶縁層８３７および導電層８４０の側面における絶縁層８４６の被覆性
を高めることが可能である。
次に、領域８２８ｂ、８２８ｃの変形例について説明する。なお、図６６（Ｃ）乃至図６
６（Ｆ）は、図６６（Ａ）に示す酸化物半導体層８２８の近傍の拡大図である。ここでは
、チャネル長Ｌは、一対の不純物元素を含む領域の間隔である。
図６６（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａおよび領
域８２８ｂ、８２８ｃの境界が、絶縁層８３７を介して、導電層８４０の端部と、一致ま
たは略一致している。即ち、上面形状において、領域８２８ａおよび領域８２８ｂ、８２
８ｃの境界が、導電層８４０の端部と、一致または概略一致している。
または、図６６（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ
が、導電層８４０の端部と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての機
能を有する。チャネル長方向におけるオフセット領域の長さをＬｏｆｆと示す。なお、オ
フセット領域が複数ある場合は、一つのオフセット領域の長さをＬｏｆｆという。Ｌｏｆ
ｆは、チャネル長Ｌに含まれる。また、Ｌｏｆｆは、チャネル長Ｌの２０％未満、または
１０％未満、または５％未満、または２％未満である。
または、図６６（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ｂ
、８２８ｃが、絶縁層８３７を介して、導電層８４０と重なる領域を有する。該領域はオ
ーバーラップ領域としての機能を有する。チャネル長方向におけるオーバーラップ領域の
長さをＬｏｖと示す。Ｌｏｖは、チャネル長Ｌの２０％未満、または１０％未満、または
５％未満、または２％未満である。
または、図６６（Ｆ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ
と領域８２８ｂの間に領域８２８ｆを有し、領域８２８ａと領域８２８ｃの間に領域８２
８ｇを有する。領域８２８ｆ、８２８ｇは、領域８２８ｂ、８２８ｃより不純物元素の濃
度が低く、抵抗率が高い。ここでは、領域８２８ｆ、８２８ｇは、絶縁層８３７と重なる
が、絶縁層８３７および導電層８４０と重なってもよい。
なお、図６６（Ｃ）乃至図６６（Ｆ）においては、図６６（Ａ）に示すトランジスタの説
明をしたが、図６６（Ｂ）に示すトランジスタにおいても、図６６（Ｃ）乃至図６６（Ｆ
）の構造を適宜適用することができる。
図６７（Ａ）に示すトランジスタは、絶縁層８３７の端部が、導電層８４０の端部より外
側に位置する。即ち、絶縁層８３７が、導電層８４０から迫り出した形状を有する。領域
８２８ａから絶縁層８４６を遠ざけることが可能であるため、絶縁層８４６に含まれる窒
素、水素等が、チャネル領域として機能する領域８２８ａに入り込むのを抑制することが
できる。
図６７（Ｂ）に示すトランジスタは、絶縁層８３７および導電層８４０がテーパ形状であ
り、且つそれぞれのテーパ部の角度が異なる。即ち、絶縁層８３７および導電層８４０が
接する面と、導電層８４０の側面のなす角度θ１と、酸化物半導体層８２８および絶縁層
８３７が接する面と、導電層８３７の側面のなす角度θ２との角度が異なる。角度θ２は
、９０°未満、または３０°以上８５°以下、または４５°以上７０°以下であってもよ
い。例えば、角度θ２が角度θ１より小さいと、絶縁層８４６の被覆性が高まる。また、
角度θ２が角度θ１より大きいと、領域８２８ａから絶縁層８４６を遠ざけることが可能
であるため、絶縁層８４６に含まれる窒素、水素等が、チャネル領域として機能する領域
８２８ａに入り込むのを抑制することができる。
次に、領域８２８ｂ、８２８ｃの変形例について、図６７（Ｃ）乃至図６７（Ｆ）を用い
て説明する。なお、図６７（Ｃ）乃至図６７（Ｆ）は、図６７（Ａ）に示す酸化物半導体
層８２８の近傍の拡大図である。
図６７（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａおよび領
域８２８ｂ、８２８ｃの境界が、導電層８４０の端部と、絶縁層８３７を介して、一致ま
たは概略一致している。即ち、上面形状において、領域８２８ａおよび領域８２８ｂ、８
２８ｃの境界が、導電層８４０の端部と、一致若しくは略一致している。
または、図６７（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ
が、導電層８４０と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての機能を有
する。即ち、上面形状において、領域８２８ｂ、８２８ｃの端部が、絶縁層８３７の端部
と、一致または略一致しており、導電層８４０の端部と重ならない。
または、図６７（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ｂ
、８２８ｃが、絶縁層８３７を介して、導電層８４０と重なる領域を有する。該領域をオ
ーバーラップ領域という。即ち、上面形状において、領域８２８ｂ、８２８ｃの端部が、
導電層８４０と重なる。
または、図６７（Ｆ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ
と領域８２８ｂの間に領域８２８ｆを有し、領域８２８ａと領域８２８ｃの間に領域８２
８ｇを有する。領域８２８ｆ、８２８ｇは、領域８２８ｂ、８２８ｃより不純物元素の濃
度が低く、抵抗率が高い。ここでは、領域８２８ｆ、８２８ｇは、絶縁層８３７と重なる
が、絶縁層８３７および導電層８４０と重なってもよい。
なお、図６７（Ｃ）乃至図６７（Ｆ）においては、図６７（Ａ）に示すトランジスタの説
明をしたが、図６７（Ｂ）に示すトランジスタにおいても、図６７（Ｃ）乃至図６７（Ｆ
）の構造を適宜適用することが可能である。
図６８（Ａ）に示すトランジスタは、導電層８４０が積層構造であり、絶縁層８３７と接
する導電層８４０ａ、および導電層８４０ａに接する導電層８４０ｂを有する。また、導
電層８４０ａの端部は、導電層８４０ｂの端部より外側に位置する。即ち、導電層８４０
ａが、導電層８４０ｂから迫り出した形状を有する。
次に、領域８２８ｂ、８２８ｃの変形例について説明する。なお、図６８（Ｂ）乃至図６
８（Ｅ）は、図６８（Ａ）に示す酸化物半導体層８２８の近傍の拡大図である。
図６８（Ｂ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａおよび領
域８２８ｂ、８２８ｃの境界が、導電層８４０に含まれる導電層８４０ａの端部と、絶縁
層８３７を介して、一致または略一致している。即ち、上面形状において、領域８２８ａ
および領域８２８ｂ、８２８ｃの境界が、導電層８４０の端部と、一致または略一致して
いる。
または、図６８（Ｃ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ
が、導電層８４０と重ならない領域を有する。該領域はオフセット領域としての機能を有
する。即ち、上面形状において、領域８２８ｂ、８２８ｃの端部が、絶縁層８３７の端部
と、一致または略一致しており、導電層８４０の端部と重ならない。
または、図６８（Ｄ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ｂ
、８２８ｃが、導電層８４０、ここでは導電層８４０ａと重なる領域を有する。該領域を
オーバーラップ領域という。即ち、上面形状において、領域８２８ｂ、８２８ｃの端部が
、導電層８４０ａと重なる。
または、図６８（Ｅ）に示すように、チャネル長方向の断面形状において、領域８２８ａ
と領域８２８ｂの間に領域８２８ｆを有し、領域８２８ａと領域８２８ｃの間に領域８２
８ｇを有する。不純物元素は、導電層８４０ａを通過して領域８２８ｆ、８２８ｇに添加
されるため、領域８２８ｆ、８２８ｇは、領域８２８ｂ、８２８ｃより不純物元素の濃度
が低く、抵抗率が高い。なお、ここでは、領域８２８ｆ、８２８ｇは、導電層８４０ａと
重なるが、導電層８４０ａおよび導電層８４０ｂと重なってもよい。
なお、絶縁層８３７の端部が、導電層８４０ａの端部より外側に位置してもよい。
または、絶縁層８３７の側面は湾曲してしてもよい。
または、絶縁層８３７がテーパ形状であってもよい。即ち、酸化物半導体層８２８および
絶縁層８３７が接する面と、絶縁層８３７の側面のなす角度が９０°未満、好ましくは３
０°以上９０°未満であってもよい。
図６８に示すように、酸化物半導体層８２８が、領域８２８ｂ、８２８ｃより、不純物元
素の濃度が低く、抵抗率が高い領域８２８ｆ、８２８ｇを有することで、ドレイン領域の
電界緩和が可能である。そのため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい
値電圧の変動などの劣化を低減することが可能である。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態１４）
本実施の形態では、撮像装置（イメージセンサ）の画像処理エンジンの一例について、図
６９を用いて説明する。
撮像装置は撮像部４０００、アナログメモリ部４０１０、画像処理エンジン部４０２０、
Ａ／Ｄ変換部４０３０より構成される。撮像部４０００は、マトリクス状に配置された複
数の画素と、ドライバ回路４００１と、読み出し回路４００２と、を有する。各画素はフ
ォトダイオードとトランジスタから構成される。アナログメモリ部４０１０は、複数のア
ナログメモリを有する。ここで、各々のアナログメモリは、撮像部４０００における画素
数以上のメモリセルを有する構成とする。すなわち、各々のアナログメモリは、撮像部４
０００で取得した第１の撮像データ４００５を１フレーム分格納できる。
以下、撮像装置の動作について説明する。第１のステップとして、各画素で第１の撮像デ
ータ４００５を取得する。撮像は、各画素で順次露光し、順次第１の撮像データ４００５
を読み出す、所謂ローリングシャッタ方式でも良く、各画素で一括露光し順次撮像データ
４００５を読み出す、所謂グローバルシャッタ方式でも良い。
ローリングシャッタ方式とすることで、ある行の画素の撮像データ４００５を読み出して
いる際に、他の行の画素で露光を行うことができ、撮像のフレーム周波数を高めることが
容易である。また、グローバルシャッタ方式とすることで、被写体が移動する場合におい
ても、歪みが少ない撮像画像を取得することができる。
第２のステップとして、各画素で取得した第１の撮像データ４００５を読み出し回路４０
０２を介して、第１のアナログメモリに格納する。ここで、通常の撮像装置と異なり、第
１の撮像データ４００５をアナログデータのまま第１のアナログメモリに格納する構成が
有効である。すなわち、アナログ−ディジタル変換処理が不要なため、撮像のフレーム周
波数を高めることが容易である。
以降、第１のステップ、第２のステップをｎ回繰り返す。ただし、ｎ回目の繰り返しにお
いては、各画素で取得した第ｎの撮像データ４００５を読み出し回路４００２を介して、
第ｎのアナログメモリに格納する。
第３のステップとして、画像処理エンジン部４０２０において、複数のアナログメモリに
格納された第１の撮像データ４００５乃至第ｎの撮像データ４００５を用いて、所望の画
像処理を行い、画像処理後撮像データ４０２５を取得する。
第４のステップとして、画像処理後撮像データ４０２５をＡ／Ｄ変換部４０３０において
、アナログ−ディジタル変換を行い、画像データ４０３５を取得する。
上記画像処理の一つとして、複数の撮像データ４００５から、焦点ボケの無い画像処理後
撮像データ４０２５を取得する。当該画像処理後撮像データ４０２５を取得するために、
各撮像データ４００５の鮮鋭度を算出して、鮮鋭度が最も高い撮像データ４００５を画像
処理後撮像データ４０２５として取得する構成が可能である。また、各撮像データ４００
５から、鮮鋭度の高い領域を抽出し、これらをつなぎ合わせて、画像処理後撮像データ４
０２５とする構成が可能である。
また、上記画像処理の異なる一つとして、複数の撮像データ４００５から、明るさが最適
な画像処理後データ４０２５を取得する。当該画像処理後撮像データ４０２５を取得する
ために、各撮像データ４００５の最高明度を算出し、最高明度が飽和値に達している撮像
データ４００５を除外した撮像データ４００５から画像処理後撮像データ４０２５を取得
する構成が可能である。
また、各撮像データ４００５の最低明度を算出し、最低明度が飽和値に達している撮像デ
ータ４００５を除外した撮像データ４００５から画像処理後撮像データ４０２５を取得す
る構成が可能である。
なお、撮像用のフラッシュライトの点灯に合わせて、上記第１のステップ及び第２のステ
ップを実行した場合、最適な光量が照射されたタイミングに対応した撮像データ４００５
を取得することが可能である。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
３０ 原子番号
３１ 原子番号
４０ シリコン基板
５１ トランジスタ
５２ トランジスタ
５３ トランジスタ
５４ トランジスタ
５５ トランジスタ
５６ トランジスタ
５８ａ トランジスタ
５８ｂ トランジスタ
５８ｃ トランジスタ
６０ フォトダイオード
６０ａ フォトダイオード
６０ｂ フォトダイオード
６０ｃ フォトダイオード
６１ アノード
６２ カソード
６３ 低抵抗領域
７０ コンタクトプラグ
７１ 配線層
７２ 配線層
７３ 配線層
８０ 絶縁層
９１ 回路
９１ａ 回路
９１ｂ 回路
９１ｃ 回路
９２ 回路
１０１ トランジスタ
１０２ トランジスタ
１０３ トランジスタ
１０４ トランジスタ
１０５ トランジスタ
１０６ トランジスタ
１０７ トランジスタ
１０８ トランジスタ
１０９ トランジスタ
１１０ トランジスタ
１１１ トランジスタ
１１２ トランジスタ
１１５ 基板
１２０ 絶縁層
１３０ 酸化物半導体層
１３０ａ 酸化物半導体層
１３０Ａ 酸化物半導体膜
１３０ｂ 酸化物半導体層
１３０Ｂ 酸化物半導体膜
１３０ｃ 酸化物半導体層
１３０Ｃ 酸化物半導体膜
１４０ 導電層
１４１ 導電層
１４２ 導電層
１５０ 導電層
１５１ 導電層
１５２ 導電層
１５６ レジストマスク
１６０ 絶縁層
１６０Ａ 絶縁膜
１７０ 導電層
１７１ 導電層
１７１Ａ 導電膜
１７２ 導電層
１７２Ａ 導電膜
１７３ 導電層
１７５ 絶縁層
１８０ 絶縁層
１９０ 絶縁層
２３１ 領域
２３２ 領域
２３３ 領域
３０１ トランジスタ
３１１ 配線
３１２ 配線
３１３ 配線
３１４ 配線
３１５ 配線
３１６ 配線
３１７ 配線
３３１ 領域
３３２ 領域
３３３ 領域
３３４ 領域
３３５ 領域
４００ 基板
４０１ 絶縁層
４０２ 絶縁層
４０２ａ 絶縁層
４０２ｂ 絶縁層
４０４ 導電層
４０４ａ 導電層
４０４ｂ 導電層
４０６ 半導体層
４０６ａ 半導体層
４０６ｂ 半導体層
４０７ａ 領域
４０７ａ１ 領域
４０７ａ２ 領域
４０７ｂ 領域
４０７ｂ１ 領域
４０７ｂ２ 領域
４０８ 絶縁層
４１２ 絶縁層
４１４ 導電層
４１４ａ 導電層
４１４ｂ 導電層
４１６ａ 導電層
４１６ａ１ 導電層
４１６ａ２ 導電層
４１６ｂ 導電層
４１６ｂ１ 導電層
４１６ｂ２ 導電層
４１８ 絶縁層
４２８ 絶縁層
５０１ 信号
５０２ 信号
５０３ 信号
５０４ 信号
５０５ 信号
５０６ 信号
５０７ 信号
５０８ 信号
５０９ 信号
５１０ 期間
５１１ 期間
５２０ 期間
５３１ 期間
６１０ 期間
６１１ 期間
６１２ 期間
６１３ 期間
６２１ 期間
６２２ 期間
６２３ 期間
６３１ 期間
７０１ 信号
７０２ 信号
７０３ 信号
７０４ 信号
７０５ 信号
８２１ 基板
８２４ 絶縁層
８２８ 酸化物半導体層
８２８ａ 領域
８２８ｂ 領域
８２８ｃ 領域
８２８ｄ 領域
８２８ｅ 領域
８２８ｆ 領域
８２８ｇ 領域
８３７ 絶縁層
８４０ 導電層
８４０ａ 導電層
８４０ｂ 導電層
８４６ 絶縁層
８４７ 絶縁層
８５６ 導電層
８５７ 導電層
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイクロフォン
９０６ スピーカー
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９０９ カメラ
９１１ 筐体
９１２ 表示部
９１９ カメラ
９２１ 筐体
９２２ シャッターボタン
９２３ マイクロフォン
９２５ レンズ
９２７ 発光部
９３１ 筐体
９３２ 表示部
９３３ リストバンド
９３９ カメラ
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 筐体
９５２ 表示部
９５４ スピーカー
９５５ ボタン
９５６ 入出力端子
９５７ マイクロフォン
９５９ カメラ
１１００ 層
１２００ 層
１３００ 層
１４００ 層
１５００ 絶縁層
１５１０ 遮光層
１５２０ 有機樹脂層
１５３０ａ カラーフィルタ
１５３０ｂ カラーフィルタ
１５３０ｃ カラーフィルタ
１５４０ マイクロレンズアレイ
１５５０ 光学変換層
１６００ 支持基板
１７００ 画素マトリクス
１７３０ 回路
１７４０ 回路
１７５０ 回路
１８００ シフトレジスタ
１８１０ シフトレジスタ
１９００ バッファ回路
１９１０ バッファ回路
２１００ アナログスイッチ
２１１０ 垂直出力線
２２００ 出力線
４０００ 撮像部
４００１ 回路
４００２ 回路
４００５ 撮像データ
４０１０ アナログメモリ部
４０２０ 画像処理エンジン部
４０２５ 画像処理後撮像データ
４０３０ Ａ／Ｄ変換部
４０３５ 画像データ
５１００ ペレット
５１００ａ ペレット
５１００ｂ ペレット
５１０１ イオン
５１２０ 基板
５１３０ ターゲット
５１６１ 領域

Claims (2)

  1. 第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及びフォトダイオードを有し、
    前記フォトダイオードはシリコン基板に設けられ、
    前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタは絶縁層を介して互いに重なる領域を有し、
    前記第２のトランジスタは、前記シリコン基板の第１面にチャネル形成領域が設けられ、前記フォトダイオードは前記シリコン基板の第１面とは逆の面に受光面を有し、
    前記フォトダイオードは、前記シリコン基板の低抵抗領域を介して、配線と電気的に接続する撮像装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１のトランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体である撮像装置。
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