JP2021100025A - Imaging device and driving method for imaging device - Google Patents

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翔磨 梶木屋
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基 中島
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Abstract

To provide an imaging device with less noise.SOLUTION: An imaging device includes a photoelectric conversion device, first to fourth transistors, a capacitor, a first wire, and a second wire. One terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to one of a source and a drain of the first transistor. The other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of a source and a drain of the second transistor, one electrode of the capacitor, and a gate of the third transistor. One of a source and a drain of the third transistor is electrically connected to one of a source and a drain of the fourth transistor. A back gate of the second transistor is electrically connected to the first wire. A back gate of the third transistor is electrically connected to the second wire to which a potential larger than the potential applied to the first wire is applied.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、撮像装置に関する。また、本発明の一態様は、撮像装置の駆動方法に関する。 One aspect of the present invention relates to an imaging device. Further, one aspect of the present invention relates to a method of driving an imaging device.

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。 One aspect of the present invention is not limited to the above technical fields. The technical field of one aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition of matter. Therefore, more specifically, the technical fields of one aspect of the present invention disclosed in the present specification include semiconductor devices, display devices, liquid crystal display devices, light emitting devices, lighting devices, power storage devices, storage devices, imaging devices, and the like. The driving method or the manufacturing method thereof can be given as an example.

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。 In the present specification and the like, the semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing the semiconductor characteristics. Transistors and semiconductor circuits are one aspect of semiconductor devices. Further, the storage device, the display device, the image pickup device, and the electronic device may have a semiconductor device.

基板上に形成された酸化物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。例えば、酸化物半導体を有するオフ電流が極めて小さいトランジスタを画素回路に用いる構成の撮像装置が特許文献1に開示されている。 Attention is being paid to a technique for constructing a transistor using an oxide semiconductor thin film formed on a substrate. For example, Patent Document 1 discloses an image pickup apparatus having an oxide semiconductor and using a transistor having an extremely small off-current in a pixel circuit.

特開2011−119711号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-119711

本発明の一態様は、ノイズの少ない撮像装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、生産性の高い撮像装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、低消費電力の撮像装置を提供することを課題の一とする。また、本発明の一態様は、高歩留まりで作製することができる撮像装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、小型の撮像装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、高速動作が可能な撮像装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、信頼性の高い撮像装置を提供することを課題一つとする。また、本発明の一態様は、新規な撮像装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、上記撮像装置の駆動方法を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、新規な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。 One aspect of the present invention is to provide an image pickup apparatus with less noise. Further, one aspect of the present invention is to provide a highly productive imaging device. Further, one aspect of the present invention is to provide an image pickup device having low power consumption. Another object of one aspect of the present invention is to provide an image pickup apparatus capable of producing a high yield. Further, one aspect of the present invention is to provide a small-sized image pickup apparatus. Another object of one aspect of the present invention is to provide an image pickup apparatus capable of high-speed operation. Further, one aspect of the present invention is to provide a highly reliable imaging device. Another object of one aspect of the present invention is to provide a new imaging device. Another object of one aspect of the present invention is to provide a method for driving the image pickup apparatus. Another object of one aspect of the present invention is to provide a new semiconductor device or the like.

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。 The description of these issues does not prevent the existence of other issues. It should be noted that one aspect of the present invention does not need to solve all of these problems. It should be noted that the problems other than these are naturally clarified from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the problems other than these from the description of the description, drawings, claims, etc. Is.

本発明の一態様は、光電変換デバイスと、第1のトランジスタ乃至第4のトランジスタと、キャパシタと、第1の配線と、第2の配線と、を有し、第2のトランジスタは、第1のゲートと、第2のゲートと、第1の半導体層と、を有し、第3のトランジスタは、第3のゲートと、第4のゲートと、第2の半導体層と、を有し、第1の半導体層、および第2の半導体層のそれぞれは、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する酸化物層であり、光電変換デバイスの一方の端子は、第1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のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方、キャパシタの一方の電極、および第3のトランジスタの第3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、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2のゲートは、第1の電位が与えられる第1の配線と電気的に接続され、第4のゲートは、第1の電位よりも大きい第2の電位が与えられる第2の配線と電気的に接続されている、撮像装置である。 One aspect of the present invention includes a photoelectric conversion device, a first transistor to a fourth transistor, a capacitor, a first wiring, and a second wiring, and the second transistor is a first transistor. The third transistor has a third gate, a fourth gate, and a second semiconductor layer. Each of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is an oxide layer having indium, an element M (M is one or more of gallium, aluminum, yttrium, and tin), and zinc. One terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to one of the source or drain of the first transistor, and the other of the source or drain of the first transistor is the source or drain of the second transistor. On the other hand, it is electrically connected to one electrode of the capacitor and the third gate of the third transistor, and one of the source or drain of the third transistor is electrically connected to one of the source or drain of the fourth transistor. The second gate is electrically connected to the first wiring that is given the first potential, and the fourth gate is given a second potential that is greater than the first potential. It is an image pickup device that is electrically connected to the wiring of.

上記撮像装置において、第2のトランジスタは、第2のゲートに第1の電位を印加した状態において、オン/オフ比が10以上であり、第3のトランジスタは、第4のゲートに第2の電位を印加した状態において、オン/オフ比が10以上である、ことが好ましい。 In the image pickup apparatus, the second transistor has an on / off ratio of 106 or more in a state where the first potential is applied to the second gate, and the third transistor has a second to the fourth gate. It is preferable that the on / off ratio is 106 or more in the state where the potential of is applied.

上記撮像装置において、第2のトランジスタは、第2のゲートに第1の電位を印加し、ドレイン電位を0.3Vとし、ソース電位を0Vとした状態において、第1のゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、第1のゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比が10以上であり、第3のトランジスタは、第4のゲートに第2の電位を印加し、ドレイン電位を0.3Vとし、ソース電位を0Vとした状態において、第3のゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、第3のゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比が10以上である、ことが好ましい。 In the above image pickup apparatus, the second transistor applies a first potential to the second gate, sets the drain potential to 0.3 V, and sets the source potential to 0 V, and in a state where the source potential is 0 V, the potential of -3 V is applied to the first gate. to the value of the drain current at the time of applying a is the ratio of the values of the drain current when a potential is applied to + 3V to the first gate 10 6 or more, the third transistor, the second to fourth gate With the potential of -3V applied to the third gate and the drain potential set to 0.3V and the source potential set to 0V, + 3V to the third gate with respect to the value of the drain current when the potential of -3V is applied to the third gate. the ratio of the value of the drain current when a potential is applied is 10 6 or more, it is preferable.

また、上記撮像装置において、第2のトランジスタ、および第3のトランジスタは、同一の絶縁層上に形成されている、ことが好ましい。 Further, in the image pickup apparatus, it is preferable that the second transistor and the third transistor are formed on the same insulating layer.

また、上記撮像装置において、第1のトランジスタ、および第4のトランジスタのそれぞれは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、金属酸化物は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する、ことが好ましい。 Further, in the above image pickup apparatus, each of the first transistor and the fourth transistor has a metal oxide in the channel forming region, and the metal oxide is indium and the element M (M is gallium, aluminum, It is preferable to have any one or more of indium and tin) and zinc.

本発明の他の一態様は、光電変換デバイスと、第1のトランジスタ乃至第4のトランジスタと、キャパシタと、第2の配線と、を有し、第3のトランジスタは、第3のゲートと、第4のゲートと、第2の半導体層と、を有し、第2の半導体層は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する酸化物層であり、光電変換デバイスの一方の端子は、第1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のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方、キャパシタの一方の電極、および第3のトランジスタの第3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、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4のゲートは、0V以上3V以下の電位が与えられる第2の配線と電気的に接続されている、撮像装置である。 Another aspect of the present invention comprises a photoelectric conversion device, a first transistor to a fourth transistor, a capacitor, and a second wiring, wherein the third transistor has a third gate. It has a fourth gate and a second semiconductor layer, the second semiconductor layer containing indium and the element M (M is any one or more of gallium, aluminum, ittrium, and tin). An oxide layer with zinc, one terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to one of the source or drain of the first transistor, and the other of the source or drain of the first transistor is the first. One of the source or drain of the second transistor, one electrode of the capacitor, and the third gate of the third transistor are electrically connected, and one of the source or drain of the third transistor is of the fourth transistor. The fourth gate is an image pickup device that is electrically connected to either the source or the drain and is electrically connected to the second wiring that is given a potential of 0 V or more and 3 V or less.

本発明の他の一態様は、光電変換デバイスと、第1のトランジスタ乃至第4のトランジスタと、キャパシタと、第2の配線と、第3の配線と、を有し、第3のトランジスタは、第3のゲートと、第4のゲートと、第2の半導体層と、を有し、第2の半導体層は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する酸化物層であり、光電変換デバイスの一方の端子は、第1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のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方、キャパシタの一方の電極、および第3のトランジスタの第3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、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、光電変換デバイスの他方の端子は、第3の電位が与えられる第3の配線と電気的に接続され、第4のゲートは、第3の電位よりも大きい第2の電位が与えられる第2の配線と電気的に接続されている、撮像装置である。 Another aspect of the present invention comprises a photoelectric conversion device, a first transistor to a fourth transistor, a capacitor, a second wiring, and a third wiring, and the third transistor comprises. It has a third gate, a fourth gate, and a second semiconductor layer, and the second semiconductor layer is indium and element M (M is any of gallium, aluminum, yttrium, and tin). An oxide layer comprising one or more) and zinc, one terminal of the photoelectric conversion device being electrically connected to one of the source or drain of the first transistor and the source or source of the first transistor. The other of the drains is electrically connected to one of the source or drain of the second transistor, one electrode of the capacitor, and the third gate of the third transistor, and one of the source or drain of the third transistor is , One of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected, the other terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to the third wiring to which the third potential is given, and the fourth gate is , An image pickup device that is electrically connected to a second wire that is given a second potential that is greater than the third potential.

上記撮像装置において、第3のトランジスタは、第4のゲートに第2の電位を印加した状態において、オン/オフ比が10以上である、ことが好ましい。 In the above image pickup apparatus, it is preferable that the third transistor has an on / off ratio of 106 or more in a state where the second potential is applied to the fourth gate.

上記撮像装置において、第3のトランジスタは、第4のゲートに第2の電位を印加し、ドレイン電位を0.3Vとし、ソース電位を0Vとした状態において、第3のゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、第3のゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比が10以上である、ことが好ましい。 In the above image pickup apparatus, the third transistor applies a second potential to the fourth gate, sets the drain potential to 0.3 V, and sets the source potential to 0 V, and in a state where the source potential is 0 V, the potential of -3 V is applied to the third gate. to the value of the drain current at the time of applying a ratio of the value of the drain current when a potential is applied to the third gate + 3V is 10 6 or more, it is preferable.

また、上記撮像装置において、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、および第4のトランジスタのそれぞれは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、金属酸化物は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する、ことが好ましい。 Further, in the image pickup apparatus, each of the first transistor, the second transistor, and the fourth transistor has a metal oxide in the channel forming region, and the metal oxide is indium and the element M (M is , Gallium, aluminum, yttrium, and tin) and zinc.

また、上記撮像装置において、光電変換デバイスは、光電変換層にシリコンを有するフォトダイオードである、ことが好ましい。 Further, in the above imaging device, the photoelectric conversion device is preferably a photodiode having silicon in the photoelectric conversion layer.

本発明の他の一態様は、光電変換デバイスと、第1のトランジスタ乃至第4のトランジスタと、キャパシタと、出力線と、を有し、第2のトランジスタは、第1のゲートと、第2のゲートと、第1の半導体層と、を有し、第3のトランジスタは、第3のゲートと、第4のゲートと、第2の半導体層と、を有し、第1の半導体層、および第2の半導体層のそれぞれは、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する酸化物層であり、光電変換デバイスの一方の端子は、第1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のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方、キャパシタの一方の電極、および第3のトランジスタの第3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、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4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、出力線に電気的に接続されている撮像装置の駆動方法であって、光電変換デバイスに照射された光の照度に対応する撮像データを出力線に出力する期間において、第1の電位を第2のゲートに印加し、第1の電位よりも大きい第2の電位を第4のゲートに印加する、撮像装置の駆動方法である。 Another aspect of the present invention includes a photoelectric conversion device, a first transistor to a fourth transistor, a capacitor, and an output line, and the second transistor has a first gate and a second. The third transistor has a third gate, a fourth gate, and a second semiconductor layer, and has a first semiconductor layer. Each of the second semiconductor layer and the second semiconductor layer is an oxide layer having indium, an element M (M is one or more of gallium, aluminum, ittrium, and tin), and zinc, and is a photoelectric conversion device. One terminal is electrically connected to one of the source or drain of the first transistor, and the other of the source or drain of the first transistor is one of the source or drain of the second transistor, one of the capacitors. Electrically connected to the electrode and the third gate of the third transistor, one of the source or drain of the third transistor is electrically connected to one of the source or drain of the fourth transistor, and the fourth The other of the source and drain of the transistor is a method of driving an imaging device that is electrically connected to the output line, and outputs imaging data corresponding to the illuminance of the light emitted to the photoelectric conversion device to the output line. It is a driving method of an image pickup apparatus in which a first potential is applied to a second gate and a second potential larger than the first potential is applied to a fourth gate during a period.

上記撮像装置の駆動方法において、第2のトランジスタ、および第3のトランジスタは、同一の絶縁層上に形成されている、ことが好ましい。 In the driving method of the image pickup apparatus, it is preferable that the second transistor and the third transistor are formed on the same insulating layer.

また、上記撮像装置の駆動方法において、第1のトランジスタ、および第4のトランジスタのそれぞれは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、金属酸化物は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する、ことが好ましい。 Further, in the driving method of the image pickup apparatus, each of the first transistor and the fourth transistor has a metal oxide in the channel forming region, and the metal oxide is indium and the element M (M is gallium). , Aluminum, yttrium, and tin) and zinc.

また、上記撮像装置の駆動方法において、光電変換デバイスは、光電変換層にシリコンを有するフォトダイオードである、ことが好ましい。 Further, in the driving method of the image pickup apparatus, it is preferable that the photoelectric conversion device is a photodiode having silicon in the photoelectric conversion layer.

本発明の一態様により、ノイズの少ない撮像装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、生産性の高い撮像装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、低消費電力の撮像装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、高歩留まりで作製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、本発明の一態様により、小型の撮像装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、高速動作が可能な撮像装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性の高い撮像装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、新規な撮像装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、上記撮像装置の駆動方法を提供することができる。また、本発明の一態様により、新規な半導体装置などを提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide an image pickup apparatus with less noise. Moreover, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a highly productive imaging device. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide an image pickup device having low power consumption. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide an imaging device that can be manufactured with a high yield. Moreover, according to one aspect of the present invention, a small image pickup apparatus can be provided. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide an imaging device capable of high-speed operation. Moreover, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a highly reliable imaging device. Moreover, according to one aspect of the present invention, a novel imaging device can be provided. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a method for driving the image pickup apparatus. Moreover, according to one aspect of the present invention, a novel semiconductor device or the like can be provided.

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。 It should be noted that one aspect of the present invention is not limited to these effects. For example, one aspect of the present invention may have effects other than these effects in some cases or, depending on the circumstances. Alternatively, for example, one aspect of the present invention may not have these effects in some cases or, depending on the circumstances.

図1(A)、図1(B)は、撮像装置の画素回路を説明する回路図である。1 (A) and 1 (B) are circuit diagrams illustrating a pixel circuit of an image pickup apparatus. 図2(A)、図2(B)は、撮像装置の画素回路を説明する回路図である。2 (A) and 2 (B) are circuit diagrams illustrating a pixel circuit of the image pickup apparatus. 図3(A)は、ローリングシャッタの動作を説明する図である。図3(B)は、グローバルシャッタの動作を説明する図である。FIG. 3A is a diagram illustrating the operation of the rolling shutter. FIG. 3B is a diagram illustrating the operation of the global shutter. 図4(A)、図4(B)は、画素回路の動作を説明するタイミングチャートである。4 (A) and 4 (B) are timing charts illustrating the operation of the pixel circuit. 図5は、読み出し回路を説明する回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a read-out circuit. 図6は、撮像装置を説明する斜視図である。FIG. 6 is a perspective view illustrating an imaging device. 図7(A)、図7(B)は、撮像装置を説明するブロック図である。7 (A) and 7 (B) are block diagrams illustrating an image pickup apparatus. 図8(A)乃至図8(E)は、メモリ回路を説明するブロック図および回路図である。8 (A) to 8 (E) are block diagrams and circuit diagrams for explaining the memory circuit. 図9は、画素を説明する断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the pixels. 図10(A)乃至図10(C)は、Siトランジスタを説明する図である。10 (A) to 10 (C) are views for explaining a Si transistor. 図11(A)乃至図11(D)は、OSトランジスタを説明する図である。11 (A) to 11 (D) are diagrams for explaining the OS transistor. 図12は、画素を説明する断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating the pixels. 図13は、画素を説明する断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating the pixels. 図14は、画素を説明する断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating the pixels. 図15は、画素を説明する断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating the pixels. 図16(A)乃至図16(F)は、撮像装置を収めたパッケージ、モジュールの斜視図である。16 (A) to 16 (F) are perspective views of a package and a module containing an imaging device. 図17(A)乃至図17(F)は、電子機器を明する図である。17 (A) to 17 (F) are views showing electronic devices. 図18は、OSトランジスタを説明する図である。FIG. 18 is a diagram illustrating an OS transistor. 図19は、本実施例に係る試料の電気特性を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the electrical characteristics of the sample according to this embodiment. 図20(A)、図20(B)は、1/fノイズ測定システムを用いて得られた結果を示す図である。20 (A) and 20 (B) are diagrams showing the results obtained by using the 1 / f noise measurement system.

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。 The embodiment will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that the form and details thereof can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments shown below. In the configuration of the invention described below, the same reference numerals may be used in common between different drawings for the same parts or parts having similar functions, and the repeated description thereof may be omitted. The hatching of the same element constituting the drawing may be omitted or changed as appropriate between different drawings.

また、回路図上では単一の要素として図示されている場合であっても、機能的に不都合がなければ、当該要素が複数で構成されてもよい。例えば、スイッチとして動作するトランジスタは、複数が直列または並列に接続されてもよい場合がある。また、キャパシタを分割して複数の位置に配置する場合もある。 Further, even if the element is shown as a single element on the circuit diagram, the element may be composed of a plurality of elements as long as there is no functional inconvenience. For example, a plurality of transistors operating as switches may be connected in series or in parallel. In addition, the capacitor may be divided and arranged at a plurality of positions.

また、一つの導電体が、配線、電極および端子のような複数の機能を併せ持っている場合があり、本明細書においては、同一の要素に対して複数の呼称を用いる場合がある。また、回路図上で要素間が直接接続されているように図示されている場合であっても、実際には当該要素間が複数の導電体を介して接続されている場合があり、本明細書ではこのような構成でも直接接続の範疇に含める。 In addition, one conductor may have a plurality of functions such as wiring, electrodes, and terminals, and in the present specification, a plurality of names may be used for the same element. Further, even when the elements are shown to be directly connected on the circuit diagram, the elements may actually be connected to each other via a plurality of conductors. In the book, such a configuration is also included in the category of direct connection.

また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。 In addition, the position, size, range, etc. of each configuration shown in the drawings and the like may not represent the actual position, size, range, etc. in order to facilitate understanding of the invention. Therefore, the disclosed invention is not necessarily limited to the position, size, range, etc. disclosed in the drawings and the like. For example, in an actual manufacturing process, the resist mask or the like may be unintentionally reduced due to a process such as etching, but it may not be reflected in the drawing for easy understanding.

また、上面図(「平面図」ともいう)や斜視図などにおいて、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。 Further, in the top view (also referred to as “plan view”) or the perspective view, the description of some components may be omitted in order to make the drawing easier to understand.

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。 Further, in the present specification and the like, the terms "electrode" and "wiring" do not functionally limit these components. For example, an "electrode" may be used as part of a "wiring" and vice versa. Further, the terms "electrode" and "wiring" include the case where a plurality of "electrodes" and "wiring" are integrally formed.

また、本明細書等において、「抵抗」とは、配線の長さによって抵抗値を決める場合がある。または、抵抗は、配線で用いる導電層とは異なる低効率を有する導電層とコンタクトを介して接続して形成する場合なども含む。または、半導体層に不純物をドーピングすることで抵抗値を決める場合がある。 Further, in the present specification and the like, the “resistance” may determine the resistance value depending on the length of the wiring. Alternatively, the resistance also includes a case where it is formed by connecting to a conductive layer having a low efficiency different from the conductive layer used in wiring via a contact. Alternatively, the resistance value may be determined by doping the semiconductor layer with impurities.

また、本明細書等において、電気回路における「端子」とは、電流の入力または出力、電位の入力または出力、もしくは、信号の受信または送信が行なわれる部位を言う。よって、配線または電極の一部が端子として機能する場合がある。 Further, in the present specification and the like, the "terminal" in the electric circuit means a part where an input or output of an electric current, an input or output of an electric potential, or a reception or transmission of a signal is performed. Therefore, a part of the wiring or the electrode may function as a terminal.

なお、本明細書等において「上」、「上方」、「下」、または「下方」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。また、「導電層Cの上方の導電層D」の表現であれば、導電層Cの上に導電層Dが直接接して形成されている必要はなく、導電層Cと導電層Dとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。また、「上方」、または「下方」には、斜め方向に配置されている場合も除外しない。 In addition, in this specification etc., the term "upper", "upper", "lower", or "lower" does not limit the positional relationship of the components to be directly above or directly below and to be in direct contact with each other. Absent. For example, in the case of the expression "electrode B on the insulating layer A", it is not necessary that the electrode B is formed in direct contact with the insulating layer A, and another configuration is formed between the insulating layer A and the electrode B. Do not exclude those that contain elements. Further, in the expression of "the conductive layer D above the conductive layer C", it is not necessary that the conductive layer D is formed in direct contact with the conductive layer C, and between the conductive layer C and the conductive layer D. Do not exclude those that contain other components. In addition, "upper" or "lower" does not exclude cases where they are arranged diagonally.

また、ソースおよびドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合など、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In addition, the source and drain functions are interchanged depending on operating conditions, such as when transistors with different polarities are used or when the direction of current changes during circuit operation, so which one is the source or drain is limited. Is difficult. Therefore, in the present specification, the terms source and drain can be used interchangeably.

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、直接接続している場合と、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。また、「直接接続」と表現される場合であっても、異なる導電層にコンタクトを介して配線が形成される場合が含まれる。したがって、配線には、異なる導電層が一つ以上の同じ元素を含む場合と、異なる元素を含む場合と、がある。 Further, in the present specification and the like, "electrically connected" includes a case of being directly connected and a case of being connected via "something having some electrical action". Here, the "thing having some kind of electrical action" is not particularly limited as long as it enables the exchange of electric signals between the connection targets. Therefore, even when it is expressed as "electrically connected", in an actual circuit, there is a case where there is no physical connection part and only the wiring is extended. Further, even when it is expressed as "direct connection", it includes a case where wiring is formed in different conductive layers via contacts. Therefore, there are cases where different conductive layers contain one or more same elements and cases where different conductive layers contain different elements.

なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス20%の誤差を含むものとする。 In addition, in this specification and the like, when the count value and the measured value are referred to as "same", "same", "equal" or "uniform", an error of plus or minus 20% is applied unless otherwise specified. It shall include.

また、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位またはソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位は互いに言い換えることが可能な場合が多い。本明細書などでは、特段の明示が無いかぎり、電圧と電位を言い換えることができるものとする。 Further, the voltage often indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential or a source potential). Therefore, it is often possible to paraphrase voltage and potential. In the present specification and the like, voltage and potential can be paraphrased unless otherwise specified.

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「絶縁体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「絶縁体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「絶縁体」は、互いに読み換えることができる場合がある。 Even when the term "semiconductor" is used, for example, when the conductivity is sufficiently low, it has the characteristics of an "insulator". Therefore, it is possible to replace "semiconductor" with "insulator". In this case, the boundary between "semiconductor" and "insulator" is ambiguous, and it is difficult to make a strict distinction between the two. Therefore, the "semiconductor" and "insulator" described herein may be interchangeable.

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「導電体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「導電体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「導電体」は、互いに読み換えることができる場合がある。 Further, even when it is described as "semiconductor", for example, when the conductivity is sufficiently high, it has a characteristic as a "conductor". Therefore, it is also possible to replace the "semiconductor" with the "conductor". In this case, the boundary between the "semiconductor" and the "conductor" is ambiguous, and it is difficult to make a strict distinction between the two. Therefore, the "semiconductor" and "conductor" described herein may be interchangeable.

なお、本明細書等における「第1」、「第2」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。 The ordinal numbers such as "first" and "second" in the present specification and the like are added to avoid confusion of the components, and do not indicate any order or order such as process order or stacking order. .. In addition, even terms that do not have ordinal numbers in the present specification and the like may have ordinal numbers within the scope of claims in order to avoid confusion of components. Further, even if the terms have ordinal numbers in the present specification and the like, different ordinal numbers may be added within the scope of claims. Further, even if the terms have ordinal numbers in the present specification and the like, the ordinal numbers may be omitted in the scope of claims.

なお、本明細書等において、トランジスタの「オン状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡しているとみなせる状態(「導通状態」ともいう。)をいう。また、トランジスタの「オフ状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断しているとみなせる状態(「非導通状態」ともいう。)をいう。 In the present specification and the like, the "on state" of the transistor means a state in which the source and drain of the transistor can be regarded as being electrically short-circuited (also referred to as "conduction state"). Further, the "off state" of the transistor means a state in which the source and drain of the transistor can be regarded as being electrically cut off (also referred to as "non-conducting state").

また、本明細書等において、「オン電流」とは、トランジスタがオン状態の時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。また、「オフ電流」とは、トランジスタがオフ状態である時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。また、「オン/オフ比」とは、オフ電流に対するオン電流の比をいう。 Further, in the present specification and the like, the “on current” may mean a current flowing between the source and the drain when the transistor is in the on state. Further, the "off current" may mean a current flowing between the source and the drain when the transistor is in the off state. Further, the "on / off ratio" means the ratio of the on current to the off current.

また、本明細書等において、高電源電位VDD(以下、単に「VDD」、「H電位」、または「H」ともいう)とは、低電源電位VSS(以下、単に「VSS」、「L電位」、または「L」ともいう)よりも高い電位の電源電位を示す。また、VSSとは、VDDよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位(以下、単に「GND」、または「GND電位」ともいう)をVDDまたはVSSとして用いることもできる。例えばVDDが接地電位の場合には、VSSは接地電位より低い電位であり、VSSが接地電位の場合には、VDDは接地電位より高い電位である。 Further, in the present specification and the like, the high power supply potential VDD (hereinafter, also simply referred to as “VDD”, “H potential”, or “H”) means the low power supply potential VSS (hereinafter, simply “VSS”, “L potential”). , Or also referred to as “L”). Further, VSS indicates a power supply potential having a potential lower than VDD. Further, the ground potential (hereinafter, also simply referred to as “GND” or “GND potential”) can be used as VDD or VSS. For example, when VDD is the ground potential, VSS is a potential lower than the ground potential, and when VSS is the ground potential, VDD is a potential higher than the ground potential.

また、本明細書等において、ゲートとは、ゲート電極およびゲート配線の一部または全部のことをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。 Further, in the present specification and the like, the term “gate” refers to a part or all of the gate electrode and the gate wiring. The gate wiring refers to wiring for electrically connecting the gate electrode of at least one transistor to another electrode or another wiring.

また、本明細書等において、ソースとは、ソース領域、ソース電極、およびソース配線の一部または全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをいう。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。 Further, in the present specification and the like, the source means a part or all of a source region, a source electrode, and a source wiring. The source region refers to a region of the semiconductor layer having a resistivity of a certain value or less. The source electrode refers to a conductive layer in a portion connected to the source region. The source wiring is a wiring for electrically connecting the source electrode of at least one transistor to another electrode or another wiring.

また、本明細書等において、ドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、およびドレイン配線の一部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。 Further, in the present specification and the like, the drain means a part or all of the drain region, the drain electrode, and the drain wiring. The drain region refers to a region of the semiconductor layer having a resistivity of a certain value or less. The drain electrode refers to a conductive layer at a portion connected to the drain region. The drain wiring refers to wiring for electrically connecting the drain electrode of at least one transistor to another electrode or another wiring.

(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。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, the image pickup apparatus according to one aspect of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の一態様は、画素回路を有する撮像装置である。画素回路は、入射光を電気信号に変換する機能を有する。画素回路は少なくとも、光電変換デバイスと、複数のトランジスタと、を有する。例えば、4トランジスタ構成の画素の撮像装置では、画素回路として、光電変換デバイス、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタを有する。 One aspect of the present invention is an imaging device having a pixel circuit. The pixel circuit has a function of converting incident light into an electric signal. The pixel circuit has at least a photoelectric conversion device and a plurality of transistors. For example, a pixel imaging device having a 4-transistor configuration has a photoelectric conversion device, a transfer transistor, a reset transistor, a source follower transistor, and a selection transistor as a pixel circuit.

<画素回路>
図1(A)は、画素回路331の一例を説明する回路図である。画素回路331は、光電変換デバイス240、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、およびキャパシタ108を有する。なお、キャパシタ108を設けない構成としてもよい。なお、トランジスタ103乃至トランジスタ106のそれぞれは、第1のゲート(単にゲートともいう)、および第2のゲート(バックゲートともいう)を有する。
<Pixel circuit>
FIG. 1A is a circuit diagram illustrating an example of the pixel circuit 331. The pixel circuit 331 includes a photoelectric conversion device 240, a transistor 103, a transistor 104, a transistor 105, a transistor 106, and a capacitor 108. The capacitor 108 may not be provided. Each of the transistors 103 to 106 has a first gate (also simply referred to as a gate) and a second gate (also referred to as a back gate).

光電変換デバイス240の一方の電極(カソード)は、トランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ103のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ104のソースまたはドレインの一方、キャパシタ108の一方の電極、およびトランジスタ105のゲートと電気的に接続される。トランジスタ105のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ106のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。 One electrode (cathode) of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 103. The other of the source or drain of the transistor 103 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 104, one electrode of the capacitor 108, and the gate of the transistor 105. One of the source or drain of the transistor 105 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 106.

ここで、トランジスタ103のソースまたはドレインの他方、トランジスタ104のソースまたはドレインの一方、キャパシタ108の一方の電極、およびトランジスタ105のゲートを接続する配線をノードFDとする。ノードFDは電荷検出部として機能させることができる。 Here, the wiring connecting the source or drain of the transistor 103, the source or drain of the transistor 104, one electrode of the capacitor 108, and the gate of the transistor 105 is referred to as a node FD. The node FD can function as a charge detector.

光電変換デバイス240の他方の電極(アノード)は、配線121と電気的に接続される。トランジスタ104のソースまたはドレインの他方は、配線122と電気的に接続される。トランジスタ105のソースまたはドレインの他方は、配線123に電気的に接続される。トランジスタ106のソースまたはドレインの他方は、配線352と電気的に接続される。キャパシタ108の他方の電極は、例えばGND配線などの基準電位線と電気的に接続される。 The other electrode (anode) of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to the wiring 121. The other of the source or drain of the transistor 104 is electrically connected to the wire 122. The other of the source or drain of the transistor 105 is electrically connected to the wire 123. The other of the source or drain of the transistor 106 is electrically connected to the wiring 352. The other electrode of the capacitor 108 is electrically connected to a reference potential line such as a GND wiring.

配線121、配線122、および配線123は、電源線としての機能を有することができる。図1(A)に示す構成では光電変換デバイス240のカソードがトランジスタ103と電気的に接続する構成であり、ノードFDを高電位にリセットして動作させる構成であるため、配線122は高電位(配線121よりも高い電位)とする。 The wiring 121, the wiring 122, and the wiring 123 can have a function as a power supply line. In the configuration shown in FIG. 1A, the cathode of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to the transistor 103, and the node FD is reset to a high potential for operation. Therefore, the wiring 122 has a high potential ( The potential is higher than that of the wiring 121).

トランジスタ103のゲートは、配線127と電気的に接続され、トランジスタ103のバックゲートは、配線151と電気的に接続される。トランジスタ104のゲートは、配線126と電気的に接続され、トランジスタ104のバックゲートは、配線152と電気的に接続される。トランジスタ105のバックゲートは、配線153と電気的に接続される。トランジスタ106のゲートは、配線128と電気的に接続され、トランジスタ106のバックゲートは、配線154と電気的に接続される。 The gate of the transistor 103 is electrically connected to the wiring 127, and the back gate of the transistor 103 is electrically connected to the wiring 151. The gate of the transistor 104 is electrically connected to the wiring 126, and the back gate of the transistor 104 is electrically connected to the wiring 152. The back gate of the transistor 105 is electrically connected to the wiring 153. The gate of the transistor 106 is electrically connected to the wiring 128, and the back gate of the transistor 106 is electrically connected to the wiring 154.

配線127、配線126、および配線128は、各トランジスタの導通を制御する信号線としての機能を有することができる。配線151乃至配線154は、各トランジスタのバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線352は出力線としての機能を有することができる。 The wiring 127, the wiring 126, and the wiring 128 can have a function as a signal line for controlling the continuity of each transistor. The wirings 151 to 154 function as wirings for applying a potential to the back gate of each transistor. The wiring 352 can have a function as an output line.

図1(A)では、光電変換デバイス240のカソードがノードFDと電気的に接続する構成を示したが、図1(B)に示すように光電変換デバイス240のアノードがトランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する構成としてもよい。 FIG. 1A shows a configuration in which the cathode of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to the node FD, but as shown in FIG. 1B, the anode of the photoelectric conversion device 240 is the source or drain of the transistor 103. It may be configured to be electrically connected to one of them.

当該構成では、ノードFDを低電位にリセットして動作させる構成であるため、配線122は低電位(配線121よりも低い電位)とする。 In this configuration, since the node FD is reset to a low potential for operation, the wiring 122 has a low potential (a potential lower than that of the wiring 121).

トランジスタ103は、ノードFDの電位を制御する機能を有する。つまり、トランジスタ103は、転送トランジスタとして機能する。トランジスタ104は、ノードFDの電位をリセットする機能を有する。つまり、トランジスタ104は、リセットトランジスタとして機能する。トランジスタ105は、ノードFDの電位を撮像データとして配線352に出力する機能を有する。つまり、トランジスタ105は、ソースフォロワトランジスタとして機能する。トランジスタ106は、撮像データを出力する画素を選択する機能を有する。つまり、トランジスタ106は、選択トランジスタとして機能する。 The transistor 103 has a function of controlling the potential of the node FD. That is, the transistor 103 functions as a transfer transistor. The transistor 104 has a function of resetting the potential of the node FD. That is, the transistor 104 functions as a reset transistor. The transistor 105 has a function of outputting the potential of the node FD to the wiring 352 as imaging data. That is, the transistor 105 functions as a source follower transistor. The transistor 106 has a function of selecting a pixel for outputting imaging data. That is, the transistor 106 functions as a selection transistor.

ノードFDと接続されているトランジスタ103およびトランジスタ104の、ソース−ドレイン間のリーク電流が大きいと、ノード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。また、トランジスタ105およびトランジスタ106の、ソース−ドレイン間のリーク電流が大きいと、配線123または配線352に不必要な電荷の出力が生じる恐れがある。 If the leakage current between the source and drain of the transistor 103 and the transistor 104 connected to the node FD is large, the time that the electric charge accumulated in the node FD can be retained becomes insufficient. Further, if the leakage current between the source and drain of the transistor 105 and the transistor 106 is large, an unnecessary charge output may occur in the wiring 123 or the wiring 352.

そこで、トランジスタ103乃至トランジスタ106には、酸化物半導体を用いたトランジスタ(OSトランジスタともいう)を用いることが好ましい。OSトランジスタは、オフ電流が極めて小さい特性を有する。したがって、トランジスタ103、およびトランジスタ104にOSトランジスタを用いることで、ノードFDからの不要な電荷の流出を防止することができ、ノード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。また、トランジスタ105、およびトランジスタ106にOSトランジスタを用いることで、配線123または配線352に不必要な電荷の出力を防止することができる。 Therefore, it is preferable to use a transistor using an oxide semiconductor (also referred to as an OS transistor) as the transistor 103 to the transistor 106. The OS transistor has a characteristic that the off-current is extremely small. Therefore, by using the OS transistor for the transistor 103 and the transistor 104, it is possible to prevent the outflow of unnecessary electric charge from the node FD, and the period during which the electric charge can be held by the node FD can be extremely extended. Further, by using the OS transistor for the transistor 105 and the transistor 106, it is possible to prevent the output of unnecessary electric charge to the wiring 123 or the wiring 352.

撮像装置におけるノイズは、画像のちらつきなど、画質の低下をもたらす。よって、ノイズは低減されることが好ましい。撮像装置におけるノイズとして、画素回路の構成要素に起因するノイズ、回路(構成要素間を含む)に起因するノイズなどがある。また、ノイズは、ランダムノイズと、固定パターンノイズとに分類される。 Noise in the image pickup device causes deterioration of image quality such as flickering of the image. Therefore, it is preferable that the noise is reduced. Noise in the image pickup apparatus includes noise caused by the components of the pixel circuit, noise caused by the circuit (including between the components), and the like. Further, noise is classified into random noise and fixed pattern noise.

特に、画素回路の構成要素の1つであるソースフォロワトランジスタに起因するノイズが大きいと、ノードFDの電位が正常であっても、正確な出力値が得られなくなる。よって、画像のちらつきなどの画質の低下につながる。 In particular, if the noise caused by the source follower transistor, which is one of the components of the pixel circuit, is large, an accurate output value cannot be obtained even if the potential of the node FD is normal. Therefore, it leads to deterioration of image quality such as flickering of the image.

そこで、ソースフォロワトランジスタとして機能するトランジスタ105に起因するノイズを低減することが好ましい。特に、トランジスタ105のドレイン電流のノイズを低減することが好ましい。トランジスタ105に起因するノイズを低減することで、より正確な出力値を得ることができる。よって、画質の低下が抑制され、鮮明な撮像を得ることができる。 Therefore, it is preferable to reduce the noise caused by the transistor 105 that functions as the source follower transistor. In particular, it is preferable to reduce the noise of the drain current of the transistor 105. By reducing the noise caused by the transistor 105, a more accurate output value can be obtained. Therefore, the deterioration of the image quality is suppressed, and a clear image can be obtained.

トランジスタのドレイン電流のノイズの要因の一つとして、1/fノイズが挙げられる。1/fノイズとは、周波数fに反比例して大きくなる電流揺らぎの周波数成分のことを指す。1/fノイズのモデルとして、キャリア濃度揺らぎに由来すると考えるモデルと、移動度揺らぎに由来すると考えるモデルと、がある。1/fノイズの原因として、キャリア濃度揺らぎに由来すると考えるモデルでは、電子が欠陥に束縛されたり、欠陥から放出されたりすることが想定される。つまり、欠陥準位密度を低減することによって、1/fノイズの低減を図ることができる。 1 / f noise can be mentioned as one of the factors of the noise of the drain current of the transistor. The 1 / f noise refers to a frequency component of current fluctuation that increases in inverse proportion to the frequency f. As a model of 1 / f noise, there are a model considered to be derived from carrier concentration fluctuation and a model considered to be derived from mobility fluctuation. In a model that is considered to be derived from carrier concentration fluctuation as the cause of 1 / f noise, it is assumed that electrons are bound to defects or emitted from defects. That is, 1 / f noise can be reduced by reducing the defect level density.

1/fノイズは、光電変換デバイス240に照射された光(入射光)の照度に対応する信号電荷の量(信号量ともいう)に依存しないランダムノイズである。1/fノイズは、信号量が少ない場合に、支配的なノイズとなりやすい。 The 1 / f noise is random noise that does not depend on the amount of signal charge (also referred to as signal amount) corresponding to the illuminance of the light (incident light) applied to the photoelectric conversion device 240. 1 / f noise tends to be dominant noise when the amount of signal is small.

例えば、読み出し動作が行われる期間(後述する)において、トランジスタ105のバックゲートに0Vまたは正の電位を印加することが好ましい。具体的には、トランジスタ105のバックゲートに印加する電位は、0V以上3V以下が好ましく、0V以上2V以下がより好ましい。これにより、トランジスタ105の1/fノイズを低減することができる。 For example, it is preferable to apply 0 V or a positive potential to the back gate of the transistor 105 during the period in which the read operation is performed (described later). Specifically, the potential applied to the back gate of the transistor 105 is preferably 0 V or more and 3 V or less, and more preferably 0 V or more and 2 V or less. Thereby, 1 / f noise of the transistor 105 can be reduced.

トランジスタのバックゲートに0Vまたは正の電位を印加することで、キャリアパスが、半導体層とゲート絶縁膜との界面近傍から、半導体層のバルクに広がる。よって、半導体層とゲート絶縁膜との界面およびその近傍に存在する欠陥の影響が小さくなり、1/fノイズが低減されると推測される。 By applying 0V or a positive potential to the back gate of the transistor, the carrier path extends from the vicinity of the interface between the semiconductor layer and the gate insulating film to the bulk of the semiconductor layer. Therefore, it is presumed that the influence of defects existing at the interface between the semiconductor layer and the gate insulating film and its vicinity is reduced, and 1 / f noise is reduced.

さらに、トランジスタ105のバックゲートに0Vまたは正の電位を印加することで、オン電流を大きくすることができる。 Further, the on-current can be increased by applying 0 V or a positive potential to the back gate of the transistor 105.

以上より、ノイズの少ない鮮明な撮像を得ることができる。したがって、ノイズの少ない撮像装置を提供することができる。 From the above, it is possible to obtain a clear image with less noise. Therefore, it is possible to provide an image pickup apparatus with less noise.

なお、トランジスタ105のバックゲートに0Vまたは正の電位を印加する期間は、読み出し動作が行われる期間のみに限られない場合がある。例えば、トランジスタ106のソース−ドレイン間のリーク電流が小さい場合においては、トランジスタ105のバックゲートに0Vまたは正の電位を印加してもよい。トランジスタ106のソース−ドレイン間のリーク電流が小さい場合とは、例えば、トランジスタ106がノーマリーオフ特性である場合である。または、トランジスタ106のバックゲートに負の電位を印加した状態である。 The period for applying 0 V or a positive potential to the back gate of the transistor 105 may not be limited to the period during which the read operation is performed. For example, when the leakage current between the source and drain of the transistor 106 is small, 0 V or a positive potential may be applied to the back gate of the transistor 105. The case where the leakage current between the source and the drain of the transistor 106 is small is, for example, the case where the transistor 106 has a normally-off characteristic. Alternatively, a negative potential is applied to the back gate of the transistor 106.

トランジスタ103、およびトランジスタ104はノーマリーオフ特性(ゲートに電位を印加しない状態では、トランジスタに電流が流れない状態)であることが好ましい。よって、トランジスタ103、およびトランジスタ104のバックゲートに負の電位を印加することが好ましい。バックゲートに負の電位を印加することにより、トランジスタ103およびトランジスタ104のしきい値電圧(Vth)をより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。 It is preferable that the transistor 103 and the transistor 104 have a normally-off characteristic (a state in which no current flows through the transistor when no potential is applied to the gate). Therefore, it is preferable to apply a negative potential to the transistor 103 and the back gate of the transistor 104. By applying a negative potential to the back gate, the threshold voltage (Vth) of the transistor 103 and the transistor 104 can be made larger and the off-current can be reduced.

なお、トランジスタ103乃至トランジスタ106として用いるOSトランジスタの電気特性によっては、バックゲートに印加する電位は上記に限られない。例えば、トランジスタ105のバックゲートに印加する電位は、トランジスタ103およびトランジスタ104のバックゲートに印加する電位よりも大きければよい場合がある。このとき、トランジスタ105のバックゲートに印加する電位は、0Vまたは正に限られず、負であってもよい。 The potential applied to the back gate is not limited to the above depending on the electrical characteristics of the OS transistor used as the transistor 103 to the transistor 106. For example, the potential applied to the back gate of the transistor 105 may be larger than the potential applied to the back gate of the transistor 103 and the transistor 104. At this time, the potential applied to the back gate of the transistor 105 is not limited to 0 V or positive, and may be negative.

図1(A)および図1(B)では、OSトランジスタ(トランジスタ103乃至トランジスタ106)のバックゲートが定電位を供給できる配線(配線151乃至配線154)と電気的に接続された構成を示しており、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。 1 (A) and 1 (B) show a configuration in which the back gate of the OS transistor (transistor 103 to transistor 106) is electrically connected to the wiring (wiring 151 to wiring 154) capable of supplying a constant potential. The threshold voltage of the transistor can be controlled.

なお、本発明の一態様においては、トランジスタ103乃至トランジスタ106に用いることができるOSトランジスタの構成は上記に限られない。図2(A)では、図1(A)に示す画素回路331が有するトランジスタの変形例を示す。図2(A)に示すトランジスタ103aは図1(A)に示すトランジスタ103の変形例であり、図2(A)に示すトランジスタ104aは図1(A)に示すトランジスタ104の変形例であり、図2(A)に示すトランジスタ106aは図1(A)に示すトランジスタ106の変形例である。 In one aspect of the present invention, the configuration of the OS transistor that can be used for the transistor 103 to the transistor 106 is not limited to the above. FIG. 2A shows a modification of the transistor included in the pixel circuit 331 shown in FIG. 1A. The transistor 103a shown in FIG. 2A is a modification of the transistor 103 shown in FIG. 1A, and the transistor 104a shown in FIG. 2A is a modification of the transistor 104 shown in FIG. 1A. The transistor 106a shown in FIG. 2A is a modification of the transistor 106 shown in FIG. 1A.

トランジスタ103a、トランジスタ104a、およびトランジスタ106aのそれぞれは、バックゲートがゲートと電気的に接続された構成である。これにより、トランジスタ103a、トランジスタ104a、およびトランジスタ106aのオン電流を高めることができる。 Each of the transistor 103a, the transistor 104a, and the transistor 106a has a configuration in which a back gate is electrically connected to the gate. Thereby, the on-current of the transistor 103a, the transistor 104a, and the transistor 106a can be increased.

また、図2(B)では、図1(A)に示す画素回路331が有するトランジスタの変形例を示す。図2(B)に示すトランジスタ103bは図1(A)に示すトランジスタ103の変形例であり、図2(B)に示すトランジスタ106bは図1(A)に示すトランジスタ106の変形例である。 Further, FIG. 2B shows a modification of the transistor included in the pixel circuit 331 shown in FIG. 1A. The transistor 103b shown in FIG. 2B is a modification of the transistor 103 shown in FIG. 1A, and the transistor 106b shown in FIG. 2B is a modification of the transistor 106 shown in FIG. 1A.

トランジスタ103b、およびトランジスタ106bのそれぞれは、バックゲートを有さない構成である。このとき、配線151、および配線154を設けなくてもよい。一部のバックゲート、および一部の配線を設けないことで、撮像装置の設計の自由度を高くすることができる。また、撮像装置の微細化および高集積化が容易になる。 Each of the transistor 103b and the transistor 106b has a configuration without a back gate. At this time, it is not necessary to provide the wiring 151 and the wiring 154. By not providing a part of the back gate and a part of the wiring, the degree of freedom in designing the image pickup apparatus can be increased. In addition, miniaturization and high integration of the imaging device become easy.

また、図1(A)、図1(B)、図2(A)、および図2(B)を組み合わせるなど、それぞれのトランジスタが適切な動作が行えるような構成としてもよい。 Further, the transistor may be configured so that appropriate operation can be performed by combining FIGS. 1 (A), 1 (B), 2 (A), and 2 (B).

また、画素回路は、トランジスタ104、トランジスタ105、トランジスタ106、およびキャパシタ108を複数の画素回路で共有してもよい。これにより、トランジスタおよび配線を削減でき、画素面積の縮小による撮像装置の微細化、光電変換デバイスの受光面積拡大によるノイズ低減などを図ることができる。 Further, in the pixel circuit, the transistor 104, the transistor 105, the transistor 106, and the capacitor 108 may be shared by a plurality of pixel circuits. As a result, the number of transistors and wiring can be reduced, the image pickup device can be miniaturized by reducing the pixel area, and noise can be reduced by expanding the light receiving area of the photoelectric conversion device.

[OSトランジスタに適用可能な酸化物半導体]
OSトランジスタに用いる半導体材料としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上である金属酸化物を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体などであり、例えば、後述するCAAC−OSまたはCAC−OSなどを用いることができる。CAAC−OSは結晶を構成する原子が安定であり、信頼性を重視するトランジスタなどに適する。また、CAC−OSは、高移動度特性を示すため、高速駆動を行うトランジスタなどに適する。
[Oxide semiconductor applicable to OS transistors]
As the semiconductor material used for the OS transistor, a metal oxide having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more can be used. A typical example is an oxide semiconductor containing indium, and for example, CAAC-OS or CAC-OS, which will be described later, can be used. CAAC-OS is suitable for transistors and the like in which the atoms constituting the crystal are stable and reliability is important. Further, since CAC-OS exhibits high mobility characteristics, it is suitable for a transistor or the like that performs high-speed driving.

OSトランジスタは半導体層のエネルギーギャップが大きいため、数yA/μm(チャネル幅1μmあたりの電流値)という極めて小さいオフ電流特性を示す。また、OSトランジスタは、インパクトイオン化、アバランシェ降伏、および短チャネル効果などが生じにくいなどSiトランジスタとは異なる特徴を有し、高耐圧で信頼性の高い回路を形成することができる。また、Siトランジスタでは問題となる結晶性の不均一性に起因する電気特性のばらつきもOSトランジスタでは生じにくい。 Since the OS transistor has a large energy gap in the semiconductor layer, it exhibits an extremely small off-current characteristic of several yA / μm (current value per 1 μm of channel width). Further, the OS transistor has features different from those of the Si transistor, such as impact ionization, avalanche breakdown, and short channel effect, and can form a highly reliable circuit with a high withstand voltage. In addition, variations in electrical characteristics due to crystallinity non-uniformity, which is a problem with Si transistors, are unlikely to occur with OS transistors.

OSトランジスタが有する半導体層は、例えばインジウム、亜鉛、および元素M(アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属の一つまたは複数)を含むIn−M−Zn酸化物で表記される膜とすることができる。In−M−Zn酸化物は、代表的には、スパッタリング法で形成することができる。または、ALD(Atomic layer deposition)法を用いて形成してもよい。 The semiconductor layer of the OS transistor is an In containing, for example, indium, zinc, and element M (one or more metals such as aluminum, titanium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, cerium, tin, neodymium, or hafnium). It can be a film represented by −M—Zn oxide. The In-M-Zn oxide can be typically formed by a sputtering method. Alternatively, it may be formed by using an ALD (Atomic layer deposition) method.

In−M−Zn酸化物をスパッタリング法で形成するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、In≧M、Zn≧Mを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:3、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:3、In:M:Zn=5:1:6、In:M:Zn=5:1:7等が好ましい。なお、成膜される半導体層の原子数比はそれぞれ、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。 The atomic number ratio of the metal element of the sputtering target used for forming the In—M—Zn oxide by the sputtering method preferably satisfies In ≧ M and Zn ≧ M. The atomic number ratio of the metal element of such a sputtering target is In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, In: M: Zn = 3: 1: 1. 2, In: M: Zn = 4: 2: 3, In: M: Zn = 4: 2: 4.1, In: M: Zn = 5: 1: 3, In: M: Zn = 5: 1: 6. In: M: Zn = 5: 1: 7 and the like are preferable. The atomic number ratio of the semiconductor layer to be formed includes a variation of plus or minus 40% of the atomic number ratio of the metal element contained in the sputtering target.

半導体層としては、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いる。例えば、半導体層は、キャリア濃度が1×1017cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下、さらに好ましくは1×1013cm−3以下、より好ましくは1×1011cm−3以下、さらに好ましくは1×1010cm−3未満であり、1×10−9cm−3以上のキャリア濃度の酸化物半導体を用いることができる。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。当該酸化物半導体は欠陥準位密度が低く、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。 As the semiconductor layer, an oxide semiconductor having a low carrier concentration is used. For example, the semiconductor layer has a carrier concentration of 1 × 10 17 cm -3 or less, preferably 1 × 10 15 cm -3 or less, more preferably 1 × 10 13 cm -3 or less, and more preferably 1 × 10 11 cm −. 3 or less, more preferably less than 1 × 10 10 cm -3, it is possible to use an oxide semiconductor of 1 × 10 -9 cm -3 or more carrier concentration. Such oxide semiconductors are referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic oxide semiconductors. It can be said that the oxide semiconductor is an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics.

なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性および電気特性(電界効果移動度、しきい値電圧等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層のキャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 Not limited to these, a transistor having an appropriate composition may be used according to the required semiconductor characteristics and electrical characteristics (field effect mobility, threshold voltage, etc.) of the transistor. Further, in order to obtain the required semiconductor characteristics of the transistor, it is preferable that the carrier concentration, impurity concentration, defect density, atomic number ratio of metal element and oxygen, interatomic distance, density, etc. of the semiconductor layer are appropriate. ..

半導体層を構成する酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、半導体層におけるシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 When silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, is contained in the oxide semiconductor constituting the semiconductor layer, oxygen deficiency increases and the mixture becomes n-type. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the semiconductor layer (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms. / Cm 3 or less.

また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、半導体層におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度(SIMSにより得られる濃度)を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 In addition, alkali metals and alkaline earth metals may generate carriers when combined with oxide semiconductors, which may increase the off-current of the transistor. Therefore, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the semiconductor layer (concentration obtained by SIMS) is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、半導体層を構成する酸化物半導体に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じてキャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため半導体層における窒素濃度(SIMSにより得られる濃度)は、5×1018atoms/cm以下にすることが好ましい。 Further, when nitrogen is contained in the oxide semiconductor constituting the semiconductor layer, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type is easily formed. As a result, a transistor using an oxide semiconductor containing nitrogen tends to have a normally-on characteristic. Therefore, the nitrogen concentration in the semiconductor layer (concentration obtained by SIMS) is preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

また、半導体層を構成する酸化物半導体に水素が含まれていると、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸化物半導体中に酸素欠損を形成する場合がある。酸化物半導体中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。したがって、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。 Further, when hydrogen is contained in the oxide semiconductor constituting the semiconductor layer, it reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency in the oxide semiconductor. If the channel formation region in the oxide semiconductor contains oxygen deficiency, the transistor may have a normally-on characteristic. In addition, a defect containing hydrogen in an oxygen deficiency may function as a donor and generate electrons as carriers. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing a large amount of hydrogen tends to have a normally-on characteristic.

酸素欠損に水素が入った欠陥は、酸化物半導体のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、酸化物半導体においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、酸化物半導体のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。 Defects containing hydrogen in oxygen deficiencies can function as donors for oxide semiconductors. However, it is difficult to quantitatively evaluate the defect. Therefore, in oxide semiconductors, the carrier concentration may be evaluated instead of the donor concentration. Therefore, in the present specification and the like, as a parameter of the oxide semiconductor, a carrier concentration assuming a state in which an electric field is not applied may be used instead of the donor concentration. That is, the "carrier concentration" described in the present specification and the like may be paraphrased as the "donor concentration".

よって、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。水素などの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 Therefore, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor is reduced as much as possible. Specifically, in an oxide semiconductor, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , and more preferably 5 × 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 . By using an oxide semiconductor in which impurities such as hydrogen are sufficiently reduced in the channel formation region of the transistor, stable electrical characteristics can be imparted.

また、半導体層は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、c軸に配向した結晶を有するCAAC−OS(C−Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、CAAC−OSは最も欠陥準位密度が低い。 Further, the semiconductor layer may have a non-single crystal structure, for example. Non-single crystal structures include, for example, CAAC-OS (C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor), polycrystalline, microcrystalline, or amorphous structures with crystals oriented in the c-axis. In the non-single crystal structure, the amorphous structure has the highest defect level density, and CAAC-OS has the lowest defect level density.

非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。 An oxide semiconductor film having an amorphous structure has, for example, a disordered atomic arrangement and no crystal component. Alternatively, the oxide film having an amorphous structure has, for example, a completely amorphous structure and has no crystal portion.

なお、半導体層が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のうち、二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば上述した領域のうち、いずれか二種以上の領域を含む単層構造、または積層構造を有する場合がある。 Even if the semiconductor layer is a mixed film having two or more of an amorphous structure region, a microcrystal structure region, a polycrystalline structure region, a CAAC-OS region, and a single crystal structure region. Good. The mixed film may have, for example, a single-layer structure or a laminated structure including any two or more of the above-mentioned regions.

以下では、非単結晶の半導体層の一態様であるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。 Hereinafter, the configuration of CAC (Cloud-Linked Composite) -OS, which is one aspect of the non-single crystal semiconductor layer, will be described.

CAC−OSとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。 The CAC-OS is, for example, a composition of a material in which the elements constituting the oxide semiconductor are unevenly distributed in a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less, or a size close thereto. In the following, in the oxide semiconductor, one or more metal elements are unevenly distributed, and the region having the metal elements is 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less, or a size in the vicinity thereof. The state of being mixed with is also called a mosaic shape or a patch shape.

なお、酸化物半導体は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 The oxide semiconductor preferably contains at least indium. In particular, it preferably contains indium and zinc. Also, in addition to them, aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium, etc. One or more selected from the above may be included.

例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OS(CAC−OSの中でもIn−Ga−Zn酸化物を、特にCAC−IGZOと呼称してもよい。)とは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InZnY2Z2(Y2、およびZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0よりも大きい実数)とする。)、またはガリウム亜鉛酸化物(以下、GaZnY4Z4(Y4、およびZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInZnY2Z2が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。 For example, CAC-OS in In-Ga-Zn oxide (In-Ga-Zn oxide may be particularly referred to as CAC-IGZO in CAC-OS) is indium oxide (hereinafter, InO). X1 (X1 is a real number greater than 0), or indium zinc oxide (hereinafter, InZn Y2 O Z2 (Y2 and Z2 are real numbers greater than 0)) and gallium oxide (hereinafter, referred to as gallium oxide). , GaO X3 (X3 is a real number larger than 0), or gallium zinc oxide (hereinafter, GaZn Y4 O Z4 (Y4 and Z4 are real numbers larger than 0)) and the like. Is separated to form a mosaic, and the mosaic-like InO X1 or InZn Y2 O Z2 is uniformly distributed in the film (hereinafter, also referred to as cloud-like).

つまり、CAC−OSは、GaOX3が主成分である領域と、InZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。 That is, CAC-OS is a composite oxide semiconductor having a structure in which a region containing GaO X3 as a main component and a region containing InZn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component are mixed. In the present specification, for example, the atomic number ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic number ratio of In to the element M in the second region. It is assumed that the concentration of In is higher than that of region 2.

なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場合がある。代表例として、InGaO(ZnO)m1(m1は自然数)、またはIn(1+x0)Ga(1−x0)(ZnO)m0(−1≦x0≦1、m0は任意数)で表される結晶性の化合物が挙げられる。 In addition, IGZO is a common name, and may refer to one compound consisting of In, Ga, Zn, and O. As a typical example, it is represented by InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number) or In (1 + x0) Ga (1-x0) O 3 (ZnO) m0 (-1 ≦ x0 ≦ 1, m0 is an arbitrary number). Crystalline compounds can be mentioned.

上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶がc軸配向を有し、かつa−b面においては配向せずに連結した結晶構造である。 The crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC structure. The CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have a c-axis orientation and are connected without being oriented on the ab plane.

一方、CAC−OSは、酸化物半導体の材料構成に関する。CAC−OSとは、In、Ga、Zn、およびOを含む材料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。したがって、CAC−OSにおいて、結晶構造は副次的な要素である。 On the other hand, CAC-OS relates to the material composition of oxide semiconductors. CAC-OS is a region that is partially observed as nanoparticles containing Ga as a main component and nanoparticles containing In as a main component in a material composition containing In, Ga, Zn, and O. The regions observed in a shape refer to a configuration in which the regions are randomly dispersed in a mosaic shape. Therefore, in CAC-OS, the crystal structure is a secondary element.

なお、CAC−OSは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。 The CAC-OS does not include a laminated structure of two or more types of films having different compositions. For example, it does not include a structure consisting of two layers, a film containing In as a main component and a film containing Ga as a main component.

なお、GaOX3が主成分である領域と、InZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。 In some cases, a clear boundary cannot be observed between the region containing GaO X3 as the main component and the region containing InZn Y2 O Z2 or InO X1 as the main component.

なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれている場合、CAC−OSは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。 Instead of gallium, select from aluminum, ittrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium. When one or more of these are contained, CAC-OS has a region that is partially observed as nanoparticles containing the metal element as a main component and a nano that contains In as a main component. The regions observed in the form of particles refer to a configuration in which the regions are randomly dispersed in a mosaic pattern.

CAC−OSは、例えば基板を意図的に加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、CAC−OSをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス(代表的にはアルゴン)、酸素ガス、および窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を0%以上30%未満、好ましくは0%以上10%以下とすることが好ましい。 The CAC-OS can be formed by a sputtering method, for example, under the condition that the substrate is not intentionally heated. When CAC-OS is formed by a sputtering method, one or a plurality of selected gases may be used as the film forming gas: an inert gas (typically argon), an oxygen gas, and a nitrogen gas. Good. Further, the lower the flow rate ratio of the oxygen gas to the total flow rate of the film-forming gas at the time of film formation, the more preferable. ..

CAC−OSは、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定法のひとつであるOut−of−plane法によるθ/2θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、X線回折測定から、測定領域のa−b面方向、およびc軸方向の配向は見られないことが分かる。 CAC-OS is characterized by the fact that no clear peak is observed when measured using the θ / 2θ scan by the Out-of-plane method, which is one of the X-ray diffraction (XRD) measurement methods. Have. That is, from the X-ray diffraction measurement, it can be seen that the orientation of the measurement region in the ab plane direction and the c-axis direction is not observed.

また、CAC−OSは、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域(リング領域)と、該リング領域に複数の輝点が観測される。したがって、電子線回折パターンから、CAC−OSの結晶構造が、平面方向、および断面方向において、配向性を有さないnc(nano−crystal)構造を有することがわかる。 Further, CAC-OS has a ring-shaped region with high brightness (ring region) and the ring in an electron diffraction pattern obtained by irradiating an electron beam having a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam). Multiple bright spots are observed in the area. Therefore, from the electron diffraction pattern, it can be seen that the crystal structure of CAC-OS has an nc (nano-crystal) structure having no orientation in the planar direction and the cross-sectional direction.

また、例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSでは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングにより、GaOX3が主成分である領域と、InZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。 Further, for example, in CAC-OS in In-Ga-Zn oxide, GaO X3 is the main component by EDX mapping acquired by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). It can be confirmed that the region and the region containing InZn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component have a structure in which they are unevenly distributed and mixed.

CAC−OSは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC−OSは、GaOX3などが主成分である領域と、InZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。 CAC-OS has a structure different from that of the IGZO compound in which metal elements are uniformly distributed, and has properties different from those of the IGZO compound. That is, the CAC-OS is phase-separated into a region containing GaO X3 or the like as a main component and a region containing InZn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component, and the region containing each element as a main component is a mosaic. It has a shaped structure.

ここで、InZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域は、GaOX3などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。したがって、InZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度(μ)が実現できる。 Here, the region in which InZn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component is a region having higher conductivity than the region in which GaO X3 or the like is the main component. That is, the conductivity as an oxide semiconductor is exhibited by the carrier flowing through the region where InZn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component. Therefore, a high field effect mobility (μ) can be realized by distributing the region containing InZn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component in the oxide semiconductor in a cloud shape.

一方、GaOX3などが主成分である領域は、InZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、GaOX3などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。 On the other hand, the region containing GaO X3 or the like as the main component is a region having higher insulating properties than the region containing InZn Y2 O Z2 or InO X1 as the main component. That is, since the region containing GaO X3 or the like as the main component is distributed in the oxide semiconductor, the leakage current can be suppressed and a good switching operation can be realized.

したがって、CAC−OSを半導体素子に用いた場合、GaOX3などに起因する絶縁性と、InZnY2Z2、またはInOX1に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度(μ)を実現することができる。 Therefore, when CAC-OS is used for a semiconductor element, the insulating property caused by GaO X3 or the like and the conductivity caused by InZn Y2 O Z2 or InO X1 act in a complementary manner to achieve a high on-current. (I on ) and high field effect mobility (μ) can be achieved.

また、CAC−OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。したがって、CAC−OSは、様々な半導体装置の構成材料として適している。 Further, the semiconductor element using CAC-OS has high reliability. Therefore, CAC-OS is suitable as a constituent material for various semiconductor devices.

<撮像装置の動作方式>
図3(A)はローリングシャッタ方式の動作方法を模式化した図であり、図3(B)はグローバルシャッタ方式を模式化した図である。Enはn列目(nは自然数)の露光(蓄積動作)、Rnはn列目の読み出し動作を表している。図3(A)、および図3(B)では、1行目からM行目(Mは自然数)までの動作を示している。
<Operation method of imaging device>
FIG. 3 (A) is a diagram illustrating the operation method of the rolling shutter system, and FIG. 3 (B) is a diagram schematically showing the global shutter system. En represents the exposure (accumulation operation) of the nth column (n is a natural number), and Rn represents the reading operation of the nth column. In FIGS. 3A and 3B, the operations from the first row to the Mth row (M is a natural number) are shown.

ローリングシャッタ方式は、露光とデータの読み出しを順次行う動作方法であり、ある行の読み出し期間と他の行の露光期間を重ねる方式である。露光後すぐに読み出し動作を行うため、データの保持期間が比較的短い回路構成であっても撮像を行うことができる。しかしながら、撮像の同時性がないデータで1フレームの画像が構成されるため、動体の撮像においては画像に歪が生じてしまう。 The rolling shutter method is an operation method in which exposure and data reading are performed in sequence, and is a method in which the reading period of a certain line and the exposure period of another line are overlapped. Since the reading operation is performed immediately after the exposure, imaging can be performed even with a circuit configuration having a relatively short data retention period. However, since a one-frame image is composed of data that are not simultaneously captured, the image is distorted when capturing a moving object.

一方で、グローバルシャッタ方式は、全画素で同時に露光を行って各画素にデータを保持し、行毎にデータを読み出す動作方法である。したがって、動体の撮像であっても歪のない画像を得ることができる。 On the other hand, the global shutter method is an operation method in which all pixels are exposed at the same time, data is held in each pixel, and data is read out row by row. Therefore, it is possible to obtain an image without distortion even when imaging a moving object.

画素回路にSiトランジスタなどの比較的オフ電流の高いトランジスタを用いた場合は、電荷検出部から電荷が流出しやすいためローリングシャッタ方式が多く用いられる。Siトランジスタを用いてグローバルシャッタ方式を実現するには、別途メモリ回路にデータを格納させるなど、複雑な動作を高速で行わなければならない。一方で、画素回路にOSトランジスタを用いた場合は、電荷検出部からのデータ電位の流出がほとんどない。よって、回路構成や動作方法を複雑にすることなく、全画素で同時に電荷の蓄積動作を行う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。なお、本発明の一態様の撮像装置をローリングシャッタ方式で動作させることもできる。 When a transistor having a relatively high off-current such as a Si transistor is used for the pixel circuit, the rolling shutter method is often used because the charge easily flows out from the charge detection unit. In order to realize the global shutter method using Si transistors, complicated operations such as storing data in a separate memory circuit must be performed at high speed. On the other hand, when an OS transistor is used in the pixel circuit, there is almost no outflow of data potential from the charge detection unit. Therefore, it is possible to easily realize a global shutter method in which charge accumulation operation is simultaneously performed on all pixels without complicating the circuit configuration and operation method. The imaging device according to one aspect of the present invention can also be operated by the rolling shutter method.

なお、画素回路331は、OSトランジスタおよびSiトランジスタを任意に組み合わせて構成であってもよい。少なくともトランジスタ103およびトランジスタ104にOS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実現することができる。 The pixel circuit 331 may be configured by arbitrarily combining an OS transistor and a Si transistor. By using an OS transistor for at least the transistor 103 and the transistor 104, the global shutter system can be realized.

<画素回路の動作>
次に、図1(A)に示す画素回路の動作の一例を図4(A)のタイミングチャートを用いて説明する。なお、本明細書におけるタイミングチャートの説明においては、高電位を“H”、低電位を“L”で表す。配線121には常時“L”が供給され、配線122、および配線123には常時“H”が供給されている状態とする。
<Operation of pixel circuit>
Next, an example of the operation of the pixel circuit shown in FIG. 1 (A) will be described with reference to the timing chart of FIG. 4 (A). In the description of the timing chart in the present specification, the high potential is represented by "H" and the low potential is represented by "L". It is assumed that "L" is always supplied to the wiring 121, and "H" is always supplied to the wiring 122 and the wiring 123.

期間T1において、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ103、およびトランジスタ104が導通し、ノードFDには配線122の電位“H”が供給される(リセット動作)。つまり、期間T1は、光電変換デバイス240に照射された光(入射光)の照度に対応する撮像データをリセットする期間でもある。 When the potential of the wiring 126 is "H", the potential of the wiring 127 is "H", and the potential of the wiring 128 is "L" in the period T1, the transistor 103 and the transistor 104 are conducted, and the wiring 122 is connected to the node FD. The potential "H" is supplied (reset operation). That is, the period T1 is also a period for resetting the imaging data corresponding to the illuminance of the light (incident light) irradiated to the photoelectric conversion device 240.

期間T2において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ104が非導通となってリセット電位の供給が遮断される。また、光電変換デバイス240の動作に応じてノードFDの電位が低下する(蓄積動作)。つまり、期間T2は、光電変換デバイス240に照射された光(入射光)の照度に対応する撮像データが入力される期間に相当する。 When the potential of the wiring 126 is “L”, the potential of the wiring 127 is “H”, and the potential of the wiring 128 is “L” in the period T2, the transistor 104 becomes non-conducting and the supply of the reset potential is cut off. Further, the potential of the node FD decreases according to the operation of the photoelectric conversion device 240 (accumulation operation). That is, the period T2 corresponds to a period in which imaging data corresponding to the illuminance of the light (incident light) irradiated to the photoelectric conversion device 240 is input.

期間T3において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ103が非導通となり、ノードFDの電位は確定し、保持される(保持動作)。このとき、ノードFDに接続されるトランジスタ103およびトランジスタ104にオフ電流の小さいOSトランジスタを用いることによって、ノードFDからの不必要な電荷の流出を抑えることができ、データの保持時間の延ばすことができる。 In the period T3, when the potential of the wiring 126 is “L”, the potential of the wiring 127 is “L”, and the potential of the wiring 128 is “L”, the transistor 103 becomes non-conducting, the potential of the node FD is fixed and held. (Holding operation). At this time, by using an OS transistor having a small off-current for the transistor 103 and the transistor 104 connected to the node FD, it is possible to suppress the outflow of unnecessary electric charge from the node FD and extend the data retention time. it can.

期間T4において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“H”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロワ動作によりノードFDの電位が配線352に読み出される(読み出し動作)。つまり、期間T4は、ノードFDの電位を撮像データとして配線352に出力される期間に相当する。 In the period T4, when the potential of the wiring 126 is "L", the potential of the wiring 127 is "L", and the potential of the wiring 128 is "H", the transistor 106 conducts, and the potential of the node FD is caused by the source follower operation of the transistor 105. Is read out to the wiring 352 (reading operation). That is, the period T4 corresponds to a period in which the potential of the node FD is output to the wiring 352 as imaging data.

配線126の電位が“L”である期間(期間T2乃至期間T4)においては、トランジスタ103およびトランジスタ104のバックゲートに、負の電位を印加することが好ましい。これにより、トランジスタ103およびトランジスタ104のしきい値電圧(Vth)をより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。よって、ノードFDからの不要な電荷の流出を防止することができ、ノード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。 During the period (period T2 to period T4) in which the potential of the wiring 126 is “L”, it is preferable to apply a negative potential to the back gates of the transistor 103 and the transistor 104. This makes it possible to increase the threshold voltage (Vth) of the transistor 103 and the transistor 104 and reduce the off-current. Therefore, it is possible to prevent the outflow of unnecessary electric charge from the node FD, and the period during which the electric charge can be retained by the node FD can be extremely extended.

また、読み出し動作が行われる期間(期間T4)においては、トランジスタ105のバックゲートに0Vまたは正の電位を印加することが好ましい。これにより、トランジスタ105の1/fノイズを低減することができる。よって、ノイズの少ない撮像データを配線352に出力することができ、ノイズの少ない鮮明な撮像を得ることができる。 Further, during the period in which the read operation is performed (period T4), it is preferable to apply 0 V or a positive potential to the back gate of the transistor 105. Thereby, 1 / f noise of the transistor 105 can be reduced. Therefore, the imaging data with less noise can be output to the wiring 352, and a clear imaging with less noise can be obtained.

つまり、期間T4においては、トランジスタ104のバックゲートに負の電位を印加し、トランジスタ105のバックゲートに0Vまたは正の電位を印加することが好ましい。 That is, during the period T4, it is preferable to apply a negative potential to the back gate of the transistor 104 and to apply 0 V or a positive potential to the back gate of the transistor 105.

なお、トランジスタ106の、ソース−ドレイン間のリーク電流が小さい場合においては、トランジスタ105のバックゲートに0Vまたは正の電位を印加しても、配線352に不必要な電荷の出力が防止される。よって、期間T1乃至期間T3においても、トランジスタ105のバックゲートに、0Vまたは正の電位を印加してもよい場合がある。 When the leakage current between the source and drain of the transistor 106 is small, even if 0 V or a positive potential is applied to the back gate of the transistor 105, the output of unnecessary electric charge to the wiring 352 is prevented. Therefore, even in the period T1 to the period T3, 0 V or a positive potential may be applied to the back gate of the transistor 105.

また、配線121に与えられる電位を、接地電位(0V)とする場合、トランジスタ104のバックゲートに印加される電位は、配線121に与えられる電位よりも大きいことになる。 Further, when the potential given to the wiring 121 is the ground potential (0V), the potential applied to the back gate of the transistor 104 is larger than the potential given to the wiring 121.

なお、上述したように、トランジスタ104、およびトランジスタ105として用いるOSトランジスタの電気特性によっては、バックゲートに印加する電位は上記に限られない。例えば、トランジスタ105のバックゲートに印加する電位は、トランジスタ103およびトランジスタ104のバックゲートに印加する電位よりも大きければよい場合がある。別言すると、配線152に与えられる電位を第1の電位とし、配線153に与えられる電位を第2の電位とする場合、第2の電位は第1の電位よりも大きいことが好ましい。 As described above, the potential applied to the back gate is not limited to the above depending on the electrical characteristics of the transistor 104 and the OS transistor used as the transistor 105. For example, the potential applied to the back gate of the transistor 105 may be larger than the potential applied to the back gate of the transistor 103 and the transistor 104. In other words, when the potential given to the wiring 152 is the first potential and the potential given to the wiring 153 is the second potential, the second potential is preferably larger than the first potential.

なお、バックゲートに第1の電位を印加した状態のトランジスタ104、およびバックゲートに第2の電位を印加した状態のトランジスタ105のそれぞれは、スイッチング特性が得られることが好ましい。例えば、トランジスタ104のバックゲートに第1の電位を印加した状態における、トランジスタ104のオン/オフ比は、10以上が好ましく、10以上がより好ましく、1012以上がさらに好ましい。また、トランジスタ105のバックゲートに第2の電位を印加した状態における、トランジスタ105のオン/オフ比は、10以上が好ましく、10以上がより好ましく、1012以上がさらに好ましい。これにより、トランジスタ104、およびトランジスタ105は、リーク電流が抑制され、良好なスイッチング動作が実現される。 It is preferable that each of the transistor 104 in the state where the first potential is applied to the back gate and the transistor 105 in the state where the second potential is applied to the back gate can obtain switching characteristics. For example, in the state of applying the first potential to the back gate of the transistor 104, the on / off ratio of the transistor 104 is preferably 10 6 or more, more preferably 10 9 or more, more preferably 10 12 or more. Further, in the state of applying the second potential to the back gate of the transistor 105, the on / off ratio of the transistor 105 is preferably 10 6 or more, more preferably 10 9 or more, more preferably 10 12 or more. As a result, the leakage current of the transistor 104 and the transistor 105 is suppressed, and good switching operation is realized.

なお、トランジスタのオン/オフ比は、ソースに印加する電位および/またはドレインに印加する電位によって変化する。例えば、ドレイン電位がソース電位よりも大きく、電位差が大きいほど、トランジスタのドレイン電流は大きくなる傾向がある。そこで、例えば、トランジスタ104は、バックゲートに第1の電位を印加し、ドレイン電位を0.3Vとし、ソース電位を0Vとした状態において、ゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、ゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比は10以上であることが好ましい。また、トランジスタ105は、バックゲートに第2の電位を印加し、ドレイン電位を0.3Vとし、ソース電位を0Vとした状態において、ゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、ゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比は10以上であることが好ましい。 The on / off ratio of the transistor changes depending on the potential applied to the source and / or the potential applied to the drain. For example, the more the drain potential is larger than the source potential and the larger the potential difference is, the larger the drain current of the transistor tends to be. Therefore, for example, in the transistor 104, the drain current when a potential of -3V is applied to the gate in a state where the first potential is applied to the back gate, the drain potential is 0.3V, and the source potential is 0V. for the value, the ratio of the value of the drain current when a potential is applied to the gate to + 3V is preferably 10 6 or more. Further, the transistor 105 relates to the value of the drain current when a potential of -3V is applied to the gate in a state where a second potential is applied to the back gate, the drain potential is 0.3V, and the source potential is 0V. it preferably has a specific value of the drain current when a potential is applied to the gate to + 3V is 10 6 or more.

撮像装置に用いるトランジスタは、しきい値電圧が0Vより大きく、0Vに近い正の電位をゲートに印加することでオン状態となることが好ましい。トランジスタのしきい値電圧が負であると、ノーマリーオン特性となり、該トランジスタで構成した回路を制御することが困難となる。また、しきい値電圧が正であっても、その絶対値が高いトランジスタの場合には、駆動電圧が足りずにスイッチング動作そのものができないことがある。つまり、バックゲートに印加する電位は、上記を満たすような範囲となる。よって、トランジスタのオン/オフ比は、当該トランジスタのゲートに±3Vの電位を印加することで算出可能となる。別言すると、−3V乃至+3Vの範囲の電位を、トランジスタのゲートに印加する場合において、スイッチング特性(オフ状態およびオン状態)が得られるように、当該トランジスタのバックゲートに電位を印加するとよい。 The transistor used in the image pickup apparatus preferably has a threshold voltage larger than 0V and is turned on by applying a positive potential close to 0V to the gate. If the threshold voltage of the transistor is negative, a normally-on characteristic is obtained, and it becomes difficult to control the circuit composed of the transistor. Further, even if the threshold voltage is positive, in the case of a transistor having a high absolute value, the switching operation itself may not be possible due to insufficient drive voltage. That is, the potential applied to the back gate is in a range that satisfies the above. Therefore, the on / off ratio of the transistor can be calculated by applying a potential of ± 3 V to the gate of the transistor. In other words, when a potential in the range of -3V to + 3V is applied to the gate of the transistor, the potential may be applied to the back gate of the transistor so that switching characteristics (off state and on state) can be obtained.

トランジスタ104およびトランジスタ105のスイッチング特性を評価する方法は上記に限られない。例えば、トランジスタ104およびトランジスタ105のオン/オフ比を算出する際の、ゲートに印加する電位は、しきい値電圧を基準にしてもよい。しきい値電圧を基準にすることで、オン/オフ比を算出する際の、ゲートに印加する電位の振り幅を小さくすることができる。 The method for evaluating the switching characteristics of the transistor 104 and the transistor 105 is not limited to the above. For example, the potential applied to the gate when calculating the on / off ratio of the transistor 104 and the transistor 105 may be based on the threshold voltage. By using the threshold voltage as a reference, the swing width of the potential applied to the gate when calculating the on / off ratio can be reduced.

ここで、バックゲートに第1の電位を印加した状態のトランジスタ104のしきい値電圧をVth1とし、バックゲートに第2の電位を印加した状態のトランジスタ105のしきい値電圧をVth2とする。このとき、トランジスタ104は、バックゲートに第1の電位を印加した状態において、ゲートに(Vth1−2)[V]の電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、ゲートに(Vth1+2)[V]の電位を印加したときのドレイン電流の値の比(オン/オフ比)が10以上であることが好ましい。また、トランジスタ105は、バックゲートに第2の電位を印加した状態において、ゲートに(Vth2−2)[V]の電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、ゲートに(Vth2+2)[V]の電位を印加したときのドレイン電流の値の比(オン/オフ比)が10以上であることが好ましい。 Here, the threshold voltage of the transistor 104 in the state where the first potential is applied to the back gate is Vth1, and the threshold voltage of the transistor 105 in the state where the second potential is applied to the back gate is Vth2. At this time, the transistor 104 applies (Vth1 + 2) [V] to the gate with respect to the value of the drain current when the potential of (Vth1-2) [V] is applied to the gate in a state where the first potential is applied to the back gate. the ratio of the value of the drain current when a potential is applied for (on / off ratio) is preferably 10 6 or more. Further, the transistor 105 has (Vth2 + 2) [V] on the gate with respect to the value of the drain current when the potential of (Vth2-2) [V] is applied to the gate in a state where the second potential is applied to the back gate. the ratio of the value of the drain current when a potential is applied (oN / oFF ratio) is preferably 10 6 or more.

以上が図1(A)に示す画素回路の動作の一例である。 The above is an example of the operation of the pixel circuit shown in FIG. 1 (A).

図1(B)に示す画素回路は、図4(B)のタイミングチャートに従って動作させることができる。なお、配線121、および配線123には常時“H”が供給され、配線122には常時“L”が供給されている状態とする。基本的な動作は、上記の図4(A)のタイミングチャートの説明と同様である。 The pixel circuit shown in FIG. 1 (B) can be operated according to the timing chart of FIG. 4 (B). It is assumed that "H" is always supplied to the wiring 121 and 123, and "L" is always supplied to the wiring 122. The basic operation is the same as the description of the timing chart of FIG. 4 (A) above.

<読み出し回路>
図5は、画素回路331に接続される読み出し回路311の一例を説明する図であり、CDS回路400の回路図、およびCDS回路400と電気的に接続されるA/Dコンバータ410のブロック図を示している。なお、図5に示すCDS回路400よびA/Dコンバータ410は一例であり、他の構成であってもよい。
<Read circuit>
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a read circuit 311 connected to the pixel circuit 331, and shows a circuit diagram of the CDS circuit 400 and a block diagram of the A / D converter 410 electrically connected to the CDS circuit 400. Shown. The CDS circuit 400 and the A / D converter 410 shown in FIG. 5 are examples, and may have other configurations.

CDS回路400は、電圧変換用の抵抗401、容量結合用のキャパシタ402、電位Vを供給するトランジスタ403、A/Dコンバータ410に供給する電位を保持するトランジスタ404、および電位保持用のキャパシタ405を有する構成とすることができる。CDS回路400は、入力が画素回路331と電気的に接続され、出力がA/Dコンバータ410のコンパレータ回路(COMP)と電気的に接続される。 The CDS circuit 400 includes a resistance 401 for voltage conversion, a capacitor 402 for capacitance coupling , a transistor 403 for supplying potential V 0 , a transistor 404 for holding the potential supplied to the A / D converter 410, and a capacitor 405 for holding the potential. Can be configured to have. In the CDS circuit 400, the input is electrically connected to the pixel circuit 331 and the output is electrically connected to the comparator circuit (COMP) of the A / D converter 410.

配線352の電位がVres(画素回路331がリセット状態)のとき、ノードN(トランジスタ403、トランジスタ404、およびキャパシタ402の接続点)の電位をVとする。そして、ノードNをフローティングとして、配線352の電位がVdata(画素回路331が撮像データを出力)になると、ノードNの電位は、V+Vdata−Vresとなる。したがって、CDS回路400では、画素回路331が出力する撮像データの電位からリセット状態のときの電位を差し引くことができ、ノイズ成分を削減することができる。 When the potential of the wiring 352 is V res (the pixel circuit 331 is in the reset state), the potential of the node N (the connection point of the transistor 403, the transistor 404, and the capacitor 402) is set to V 0 . Then, when the potential of the wiring 352 becomes V data (the pixel circuit 331 outputs the imaging data) with the node N floating, the potential of the node N becomes V 0 + V data −V res . Therefore, in the CDS circuit 400, the potential in the reset state can be subtracted from the potential of the imaging data output by the pixel circuit 331, and the noise component can be reduced.

A/Dコンバータ410は、コンパレータ回路(COMP)およびカウンター回路(COUNTER)を有する構成とすることができる。A/Dコンバータ410では、CDS回路400からコンパレータ回路(COMP)に入力される信号電位と、掃引される基準電位(RAMP)とが比較される。そして、コンパレータ回路(COMP)の出力に応じてカウンター回路(COUNTER)が動作し、複数の配線353にデジタル信号が出力される。 The analog-to-digital converter 410 can be configured to include a comparator circuit (COMP) and a counter circuit (COUNTER). In the A / D converter 410, the signal potential input from the CDS circuit 400 to the comparator circuit (COMP) and the sweeped reference potential (RAMP) are compared. Then, the counter circuit (COUNTER) operates according to the output of the comparator circuit (COMP), and a digital signal is output to the plurality of wirings 353.

<積層構造>
図6は、本発明の一態様の撮像装置を説明する断面斜視図である。撮像装置は、層201、層202、層203、層204、および層205を有する。
<Laminate structure>
FIG. 6 is a cross-sectional perspective view illustrating an imaging device according to an aspect of the present invention. The image pickup apparatus has a layer 201, a layer 202, a layer 203, a layer 204, and a layer 205.

なお、本実施の形態では、説明の明瞭化のため、撮像装置を上記5つの層に分割して説明するが、それぞれの層に含まれる要素の種類、数量、位置は本実施の説明に限定されない。例えば、層と層の境近傍にある絶縁層、配線およびプラグなど要素は、本実施の形態の説明とは異なる層に属する場合がある。または、これらとは異なる要素が含まれていてもよい。 In the present embodiment, the imaging device is divided into the above five layers for clarification of the description, but the type, quantity, and position of the elements included in each layer are limited to the description of the present embodiment. Not done. For example, elements such as an insulating layer, wiring, and a plug near the boundary between layers may belong to a layer different from the description of the present embodiment. Alternatively, elements different from these may be included.

層201には、例えば、画素回路の読み出し回路、メモリ回路の駆動回路などを設けることができる。 The layer 201 may be provided with, for example, a pixel circuit read-out circuit, a memory circuit drive circuit, and the like.

層202には、例えば、メモリ回路などを設けることができる。 A memory circuit or the like can be provided on the layer 202, for example.

層203には、例えば、画素回路(光電変換デバイスを除く)および画素回路の駆動回路などを設けることができる。 The layer 203 may be provided with, for example, a pixel circuit (excluding photoelectric conversion devices) and a drive circuit for the pixel circuit.

層204には、光電変換デバイスを設けることができる。当該光電変換デバイスには、例えば、フォトダイオードなどを用いることができる。なお、当該光電変換デバイスは、画素回路の要素である。 A photoelectric conversion device can be provided on the layer 204. For the photoelectric conversion device, for example, a photodiode or the like can be used. The photoelectric conversion device is an element of a pixel circuit.

層205には、光学変換層を設けることができる。当該光学変換層には、例えば、カラーフィルタなどを用いることができる。また、層205は、マイクロレンズアレイ255を有することができる。 An optical conversion layer can be provided on the layer 205. For example, a color filter or the like can be used for the optical conversion layer. Layer 205 can also have a microlens array 255.

上述したように、本発明の一態様の撮像装置は、層204に設けられる光電変換デバイス、層203に設けられる画素回路および画素回路の駆動回路、層202に設けられるメモリ回路、層201に設けられる画素回路の読み出し回路およびメモリ回路の駆動回路等を有する。 As described above, the image pickup apparatus of one aspect of the present invention is provided in the photoelectric conversion device provided in the layer 204, the pixel circuit provided in the layer 203, the drive circuit of the pixel circuit, the memory circuit provided in the layer 202, and the layer 201. It has a read circuit of a pixel circuit and a drive circuit of a memory circuit.

光電変換デバイスは、可視光に感度を有することが好ましい。例えば、光電変換デバイスにシリコンを光電変換層に用いるSiフォトダイオードを用いることができる。 The photoelectric conversion device preferably has sensitivity to visible light. For example, a Si photodiode that uses silicon for the photoelectric conversion layer can be used as the photoelectric conversion device.

画素回路および画素回路の駆動回路等の構成要素には、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタ)を用いることが好ましい。OSトランジスタはオフ電流が極めて小さく、画素回路からのデータの不必要な流出を抑えることができる。したがって、複数の画素回路でデータを一斉に取得し、順次読み出しを行うグローバルシャッタ動作を簡易な回路構成で行うことができる。また、画素の駆動回路は、画素回路と共通の工程で形成することができる。 It is preferable to use a transistor (hereinafter, OS transistor) in which a metal oxide is used in the channel forming region for a component such as a pixel circuit and a drive circuit of the pixel circuit. The OS transistor has an extremely small off current, and can suppress unnecessary outflow of data from the pixel circuit. Therefore, it is possible to perform a global shutter operation in which data is acquired all at once by a plurality of pixel circuits and sequentially read out with a simple circuit configuration. Further, the pixel drive circuit can be formed by a process common to that of the pixel circuit.

メモリ回路にもOSトランジスタを用いることが好ましい。メモリ回路のセルトランジスタにOSトランジスタを用いることで、データの不必要な流出を抑えることができ、リフレッシュの頻度を抑えることができる。したがって消費電力を抑えることができる。 It is preferable to use an OS transistor for the memory circuit as well. By using an OS transistor for the cell transistor of the memory circuit, unnecessary outflow of data can be suppressed and the frequency of refreshing can be suppressed. Therefore, power consumption can be suppressed.

画素回路の読み出し回路およびメモリ回路の駆動回路等は、高速動作を要求されるため、移動度の高いトランジスタを用いることが好ましい。例えば、チャネル形成領域にシリコンを用いたトランジスタ(以下、Siトランジスタ)を用いることが好ましい。Siトランジスタとしては、アモルファスシリコンを有するトランジスタ、結晶性のシリコン(微結晶シリコン、低温ポリシリコン、単結晶シリコン)を有するトランジスタなどが挙げられる。なお、画素回路の駆動回路はSiトランジスタで形成されてもよい。 Since high-speed operation is required for the reading circuit of the pixel circuit, the driving circuit of the memory circuit, and the like, it is preferable to use a transistor having high mobility. For example, it is preferable to use a transistor using silicon (hereinafter, Si transistor) in the channel forming region. Examples of the Si transistor include a transistor having amorphous silicon, a transistor having crystalline silicon (microcrystalline silicon, low temperature polysilicon, single crystal silicon), and the like. The drive circuit of the pixel circuit may be formed of a Si transistor.

Siデバイスを複数積層する場合、研磨工程や貼り合わせ工程が複数回必要になる。そのため、工程数が多い、専用の装置が必要、低歩留まりなどの課題があり、製造コストも高い。本発明の一態様では、Siデバイス上にOSトランジスタを用いた回路を形成することで、研磨工程および貼り合わせ工程を削減することができる。よって、歩留まりを向上させることができる。また、撮像装置の生産性を高めることができる。 When a plurality of Si devices are laminated, a polishing step and a bonding step are required a plurality of times. Therefore, there are problems such as a large number of processes, a need for a dedicated device, a low yield, and a high manufacturing cost. In one aspect of the present invention, the polishing step and the bonding step can be reduced by forming a circuit using an OS transistor on the Si device. Therefore, the yield can be improved. In addition, the productivity of the imaging device can be increased.

OSトランジスタは、貼り合わせやバンプ接合などの複雑な工程を用いず、Siデバイス(Siトランジスタ、Siフォトダイオード)上に絶縁層を介して形成することができる。 The OS transistor can be formed on a Si device (Si transistor, Si photodiode) via an insulating layer without using complicated processes such as bonding and bump bonding.

したがって、本発明の一態様では、層201はシリコン基板を含む層とし、層201にSiトランジスタを有する回路を形成する。そして、層201上に層202を形成する。層202に、OSトランジスタを有する回路を形成する。 Therefore, in one aspect of the present invention, the layer 201 is a layer including a silicon substrate, and a circuit having a Si transistor in the layer 201 is formed. Then, the layer 202 is formed on the layer 201. A circuit having an OS transistor is formed on the layer 202.

また、層204はシリコン基板を含む層とし、層204に光電変換デバイスとしてSiフォトダイオードを形成する。そして、層204のSiフォトダイオードが形成された面上に層203を形成する。層203に、OSトランジスタを有する回路を形成する。 Further, the layer 204 is a layer including a silicon substrate, and a Si photodiode is formed on the layer 204 as a photoelectric conversion device. Then, the layer 203 is formed on the surface on which the Si photodiode of the layer 204 is formed. A circuit having an OS transistor is formed on the layer 203.

そして、層201とは反対側の層202の面と、層204とは反対側の層203の面とを貼り合わせることで、層201乃至層204が重なる積層構成を作製することができる。図6は、層201乃至層204が重なる積層体の層204上に、さらに層205を設けた構成である。 Then, by laminating the surface of the layer 202 on the side opposite to the layer 201 and the surface of the layer 203 on the side opposite to the layer 204, a laminated structure in which the layers 201 to 204 overlap can be produced. FIG. 6 shows a configuration in which a layer 205 is further provided on the layer 204 of the laminated body in which the layers 201 to 204 are overlapped.

Siデバイスを積層する場合においては、4層の積層であれば、研磨工程および貼り合わせ工程が少なくともそれぞれ3回程度必要になるが、本発明の一態様では、研磨工程が1または2回、貼り合わせ工程は1回とすることができる。 In the case of laminating Si devices, in the case of laminating four layers, a polishing step and a laminating step are required at least three times each, but in one aspect of the present invention, the polishing step is laminating once or twice. The matching process can be performed once.

撮像装置を積層構造とすることで、小型の撮像装置を形成することができる。また、各回路を積層することで配線遅延などを抑制することができ、高速動作を行うことができる。 By forming the image pickup device in a laminated structure, a small image pickup device can be formed. Further, by stacking each circuit, wiring delay and the like can be suppressed, and high-speed operation can be performed.

<回路>
図7(A)は、層201乃至層203が有する要素の電気的な接続を説明する簡易的なブロック図である。なお、層204が有する光電変換デバイス240は、回路上では画素回路331(PIX)に含まれるため、ここでは図示していない。
<Circuit>
FIG. 7A is a simple block diagram illustrating the electrical connection of the elements included in the layers 201 to 203. The photoelectric conversion device 240 included in the layer 204 is included in the pixel circuit 331 (PIX) on the circuit, and is not shown here.

画素回路331はマトリクス状に並べて設けられ、配線351を介して駆動回路332(Driver)と電気的に接続される。駆動回路332は、画素回路331のデータ取得動作および選択動作などの制御を行うことができる。駆動回路332には、例えば、シフトレジスタなどを用いることができる。 The pixel circuits 331 are arranged side by side in a matrix and are electrically connected to the drive circuit 332 (Driver) via the wiring 351. The drive circuit 332 can control the data acquisition operation and the selection operation of the pixel circuit 331. For the drive circuit 332, for example, a shift register or the like can be used.

また、画素回路331は、配線352を介して読み出し回路311(RC)と電気的に接続される。読み出し回路311は、ノイズを削減する相関二重サンプリング回路(CDS回路)およびアナログデータをデジタルデータに変換するA/Dコンバータを有する。 Further, the pixel circuit 331 is electrically connected to the read circuit 311 (RC) via the wiring 352. The readout circuit 311 includes a correlated double sampling circuit (CDS circuit) that reduces noise and an A / D converter that converts analog data into digital data.

読み出し回路311は、配線353を介してメモリ回路321(MEM)と電気的に接続される。メモリ回路321は、読み出し回路311から出力されたデジタルデータを保持することができる。または、読み出し回路311からメモリ回路321を介さずに外部にデジタルデータを出力することもできる。 The read circuit 311 is electrically connected to the memory circuit 321 (MEM) via the wiring 353. The memory circuit 321 can hold the digital data output from the read circuit 311. Alternatively, digital data can be output from the read circuit 311 to the outside without going through the memory circuit 321.

メモリ回路321は、配線354を介してロードライバ312(RD)と電気的に接続される。また、メモリ回路321は、配線355を介してカラムドライバ313(CD)と電気的に接続される。ロードライバ312はメモリ回路321の駆動回路であり、データの書き込みおよび読み出しを制御することができる。カラムドライバ313はメモリ回路321の駆動回路であり、データの読み出しを制御することができる。 The memory circuit 321 is electrically connected to the low driver 312 (RD) via the wiring 354. Further, the memory circuit 321 is electrically connected to the column driver 313 (CD) via the wiring 355. The low driver 312 is a drive circuit of the memory circuit 321 and can control the writing and reading of data. The column driver 313 is a drive circuit of the memory circuit 321 and can control the reading of data.

画素回路331、読み出し回路311およびメモリ回路321の接続関係の詳細を図7(B)のブロック図を用いて説明する。読み出し回路311の数は、画素回路331と同数であり、一つの画素回路331につき、一つの読み出し回路311が配線352を介して電気的に接続される。また、読み出し回路311は複数の配線353と接続され、配線353のそれぞれは、一つのメモリセル321aと電気的に接続される。なお、読み出し回路311とメモリ回路321との間にデータ保持回路が設けられていてもよい。 The details of the connection relationship between the pixel circuit 331, the read circuit 311 and the memory circuit 321 will be described with reference to the block diagram of FIG. 7B. The number of read circuits 311 is the same as that of the pixel circuits 331, and one read circuit 311 is electrically connected to each pixel circuit 331 via the wiring 352. Further, the read circuit 311 is connected to a plurality of wirings 353, and each of the wirings 353 is electrically connected to one memory cell 321a. A data holding circuit may be provided between the read circuit 311 and the memory circuit 321.

読み出し回路311が有するA/Dコンバータは、所定のビット数分の二値データを並列出力する。したがって、A/Dコンバータは、当該ビット数分のメモリセル321aと接続される。例えば、A/Dコンバータの出力が8ビットである場合、8個のメモリセル321aと接続される。 The A / D converter included in the read circuit 311 outputs binary data corresponding to a predetermined number of bits in parallel. Therefore, the A / D converter is connected to the memory cells 321a for the number of bits. For example, when the output of the A / D converter is 8 bits, it is connected to eight memory cells 321a.

上述の構成によって、本発明の一態様の撮像装置では、すべての画素回路331で取得したアナログデータのA/D変換を並列して行うことができ、変換されたデジタルデータをメモリ回路321に直接書き込むことができる。つまり、撮像からメモリ回路への格納までを高速に行うことができる。また、撮像動作、A/D変換動作、読み出し動作を並列して行うことも可能である。よって、高速動作が可能な撮像装置を提供することができる。 With the above configuration, in the image pickup apparatus of one aspect of the present invention, A / D conversion of analog data acquired by all pixel circuits 331 can be performed in parallel, and the converted digital data can be directly sent to the memory circuit 321. Can be written. That is, it is possible to perform from imaging to storage in the memory circuit at high speed. It is also possible to perform the imaging operation, the A / D conversion operation, and the reading operation in parallel. Therefore, it is possible to provide an imaging device capable of high-speed operation.

<メモリ回路>
図8(A)は、メモリ回路321が有するメモリセル321aと、ロードライバ312と、カラムドライバ313との接続関係を示す図である。メモリセル321aを構成するトランジスタには、OSトランジスタを用いることができる。
<Memory circuit>
FIG. 8A is a diagram showing a connection relationship between the memory cell 321a included in the memory circuit 321, the low driver 312, and the column driver 313. An OS transistor can be used as the transistor constituting the memory cell 321a.

メモリ回路321は、一列にm(mは1以上の整数)個、一行にn(nは1以上の整数)個、計m×n個のメモリセル321aを有し、メモリセル321aはマトリクス状に配置されている。図8(A)では、メモリセル321aのアドレスも併せて表記している。例えば、[1,1]は1行1列目のアドレスに位置しているメモリセル321aを示し、[i,j](iは1以上m以下の整数、jは1以上n以下の整数)はi行j列目のアドレスに位置しているメモリセル321aを示している。なお、メモリ回路321とロードライバ312を接続している配線の数は、メモリセル321aの構成、一列中に含まれるメモリセル321aの数などによって決まる。また、メモリ回路321とカラムドライバ313とを接続している配線の数は、メモリセル321aの構成、一行中に含まれるメモリセル321aの数などによって決まる。 The memory circuit 321 has m (m is an integer of 1 or more) in a column, n (n is an integer of 1 or more) in a row, and a total of m × n memory cells 321a, and the memory cells 321a have a matrix shape. Is located in. In FIG. 8A, the address of the memory cell 321a is also shown. For example, [1,1] indicates a memory cell 321a located at the address of the first row and the first column, and [i, j] (i is an integer of 1 or more and m or less, j is an integer of 1 or more and n or less). Indicates a memory cell 321a located at the address of the i-th row and the j-th column. The number of wires connecting the memory circuit 321 and the low driver 312 is determined by the configuration of the memory cells 321a, the number of the memory cells 321a included in the row, and the like. The number of wires connecting the memory circuit 321 and the column driver 313 is determined by the configuration of the memory cells 321a, the number of memory cells 321a included in one line, and the like.

図8(B)乃至図8(E)は、メモリセル321aに適用できるメモリセル321aA乃至メモリセル321aDを説明する図である。なお、以下の説明において、ビット線類は、カラムドライバ313と接続することができる。また、ワード線類は、ロードライバ312と接続することができる。なお、ビット線類は、読み出し回路311とも電気的に接続するが、ここでは図示しない。 8 (B) to 8 (E) are diagrams illustrating memory cells 321aA to memory cells 321aD that can be applied to memory cells 321a. In the following description, the bit wires can be connected to the column driver 313. In addition, the word wires can be connected to the low driver 312. The bit wires are also electrically connected to the read circuit 311 but are not shown here.

ロードライバ312およびカラムドライバ313には、例えば、デコーダ、またはシフトレジスタを用いることができる。なお、ロードライバ312およびカラムドライバ313は、複数が設けられていてもよい。 For the low driver 312 and the column driver 313, for example, a decoder or a shift register can be used. A plurality of low drivers 312 and column drivers 313 may be provided.

[DOSRAM]
図8(B)に、DRAM型のメモリセル321aAの回路構成例を示す。本明細書等において、OSトランジスタを用いたDRAMを、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ。メモリセル321aAは、トランジスタM11と、キャパシタCsと、を有する。
[DOSRAM]
FIG. 8B shows a circuit configuration example of the DRAM type memory cell 321aA. In the present specification and the like, a DRAM using an OS transistor is referred to as a DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory). The memory cell 321aA has a transistor M11 and a capacitor Cs.

トランジスタM11の第1端子は、キャパシタCsの第1端子と接続され、トランジスタM11の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM11のゲートは、配線WLと接続され、トランジスタM11のバックゲートは、配線BGLと接続されている。キャパシタCsの第2端子は、配線GNDLと接続されている。配線GNDLは、低レベル電位(基準電位)を与える配線である。 The first terminal of the transistor M11 is connected to the first terminal of the capacitor Cs, the second terminal of the transistor M11 is connected to the wiring BIL, the gate of the transistor M11 is connected to the wiring WL, and the back gate of the transistor M11 is. , Is connected to the wiring BGL. The second terminal of the capacitor Cs is connected to the wiring GNDL. Wiring GNDL is wiring that gives a low level potential (reference potential).

配線BILは、ビット線として機能する。配線WLは、ワード線として機能する。配線BGLは、トランジスタM11のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM11のしきい値電圧を増減することができる。 The wiring BIL functions as a bit line. The wiring WL functions as a word line. The wiring BGL functions as wiring for applying an electric potential to the back gate of the transistor M11. The threshold voltage of the transistor M11 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.

データの書き込みおよび読み出しは、配線WLに高レベル電位を印加し、トランジスタM11を導通状態にし、配線BILとキャパシタCsの第1端子を電気的に接続することによって行われる。 Data writing and reading is performed by applying a high level potential to the wiring WL, making the transistor M11 conductive, and electrically connecting the wiring BIL and the first terminal of the capacitor Cs.

トランジスタM11には、OSトランジスタを用いることが好ましい。また、OSトランジスタの半導体層には、インジウム、元素M(元素Mはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの一つまたは複数)、亜鉛のいずれか一つまたは複数を有する酸化物半導体を用いることが好ましい。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛を有する酸化物半導体を用いることが好ましい。 It is preferable to use an OS transistor for the transistor M11. Further, as the semiconductor layer of the OS transistor, an oxide semiconductor having any one or more of indium, element M (element M is one or more of aluminum, gallium, yttrium, or tin) and zinc can be used. preferable. In particular, it is preferable to use an oxide semiconductor having indium, gallium, and zinc.

インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したOSトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有している。トランジスタM11としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM11のリーク電流を非常に小さくすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタM11によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。または、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。 An OS transistor to which an oxide semiconductor containing indium, gallium, and zinc is applied has a characteristic that the off-current is extremely small. By using an OS transistor as the transistor M11, the leakage current of the transistor M11 can be made very small. That is, since the written data can be held by the transistor M11 for a long time, the frequency of refreshing the memory cells can be reduced. Alternatively, the memory cell refresh operation can be eliminated.

[NOSRAM]
図8(C)に、2つのトランジスタと1つのキャパシタを有するゲインセル型(「2Tr1C型」ともいう)のメモリセル321aBの回路構成例を示す。メモリセル321aBは、トランジスタM11と、トランジスタM3と、キャパシタCsと、を有する。
[NOSRAM]
FIG. 8C shows a circuit configuration example of a gain cell type (also referred to as “2Tr1C type”) memory cell 321aB having two transistors and one capacitor. The memory cell 321aB includes a transistor M11, a transistor M3, and a capacitor Cs.

トランジスタM11の第1端子は、キャパシタCsの第1端子と接続され、トランジスタM11の第2端子は、配線WBLと接続され、トランジスタM11のゲートは、配線WLと接続され、トランジスタM11のバックゲートは、配線BGLと接続されている。キャパシタCsの第2端子は、配線RLと接続されている。トランジスタM3の第1端子は、配線RBLと接続され、トランジスタM3の第2端子は、配線SLと接続され、トランジスタM3のゲートは、キャパシタCsの第1端子と接続されている。 The first terminal of the transistor M11 is connected to the first terminal of the capacitor Cs, the second terminal of the transistor M11 is connected to the wiring WBL, the gate of the transistor M11 is connected to the wiring WL, and the back gate of the transistor M11 is. , Is connected to the wiring BGL. The second terminal of the capacitor Cs is connected to the wiring RL. The first terminal of the transistor M3 is connected to the wiring RBL, the second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL, and the gate of the transistor M3 is connected to the first terminal of the capacitor Cs.

配線WBLは書き込みビット線として機能する。配線RBLは、読み出しビット線として機能する。配線WLは、ワード線として機能する。配線RLは、キャパシタCsの第2端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、配線RLには、基準電位を印加することが好ましい。 The wiring WBL functions as a write bit line. The wiring RBL functions as a read bit line. The wiring WL functions as a word line. The wiring RL functions as wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitor Cs. It is preferable to apply a reference potential to the wiring RL during data writing and data retention.

配線BGLは、トランジスタM11のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM11のしきい値電圧を増減することができる。 The wiring BGL functions as wiring for applying an electric potential to the back gate of the transistor M11. The threshold voltage of the transistor M11 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.

データの書き込みは、配線WLに高レベル電位を印加し、トランジスタM11を導通状態にし、配線WBLとキャパシタCsの第1端子を電気的に接続することによって行われる。具体的には、トランジスタM11が導通状態のときに、配線WBLに記録する情報に対応する電位を印加し、キャパシタCsの第1端子、およびトランジスタM3のゲートに該電位を書き込む。その後、配線WLに低レベル電位を印加し、トランジスタM11を非導通状態にすることによって、キャパシタCsの第1端子の電位、およびトランジスタM3のゲートの電位を保持する。 Data is written by applying a high level potential to the wiring WL, making the transistor M11 conductive, and electrically connecting the wiring WBL and the first terminal of the capacitor Cs. Specifically, when the transistor M11 is in a conductive state, a potential corresponding to the information recorded in the wiring WBL is applied, and the potential is written to the first terminal of the capacitor Cs and the gate of the transistor M3. After that, a low level potential is applied to the wiring WL to bring the transistor M11 into a non-conducting state, thereby holding the potential of the first terminal of the capacitor Cs and the potential of the gate of the transistor M3.

データの読み出しは、配線RLと配線SLに所定の電位を印加することによって行われる。トランジスタM3のソース−ドレイン間に流れる電流、およびトランジスタM3の第1端子の電位は、トランジスタM3のゲートの電位、およびトランジスタM3の第2端子の電位によって決まるので、トランジスタM3の第1端子に接続されている配線RBLの電位を読み出すことによって、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM3のゲート)に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM3のゲート)に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。または、このメモリセルに書き込まれている情報の有無を知ることができる。 Data is read out by applying a predetermined potential to the wiring RL and the wiring SL. Since the current flowing between the source and drain of the transistor M3 and the potential of the first terminal of the transistor M3 are determined by the potential of the gate of the transistor M3 and the potential of the second terminal of the transistor M3, they are connected to the first terminal of the transistor M3. By reading out the potential of the wiring RBL, the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M3) can be read out. That is, the information written in the memory cell can be read from the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M3). Alternatively, it is possible to know whether or not there is information written in this memory cell.

また、図8(D)に示すように、配線WBLと配線RBLを一本の配線BILとしてまとめた構成であってもよい。図8(D)に示すメモリセル321aCは、メモリセル321aBの配線WBLと配線RBLを一本の配線BILとして、トランジスタM11の第2端子、およびトランジスタM3の第1端子が、配線BILと接続されている構成となっている。つまり、メモリセル321aCは、書き込みビット線と、読み出しビット線と、を1本の配線BILとして動作する構成となっている。 Further, as shown in FIG. 8D, the wiring WBL and the wiring RBL may be combined into one wiring BIL. In the memory cell 321aC shown in FIG. 8D, the wiring WBL and the wiring RBL of the memory cell 321aB are used as one wiring BIL, and the second terminal of the transistor M11 and the first terminal of the transistor M3 are connected to the wiring BIL. The configuration is as follows. That is, the memory cell 321aC has a configuration in which the write bit line and the read bit line operate as one wiring BIL.

なお、メモリセル321aBおよびメモリセル321aCにおいても、トランジスタM11にOSトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタM11にOSトランジスタを用いて、メモリセル321aBおよびメモリセル321aCのような2Tr1C型のメモリセルを用いた記憶装置をNOSRAM(Non−volatile Oxide Semiconductor Random Access Memory)という。 Also in the memory cells 321aB and the memory cells 321aC, it is preferable to use an OS transistor for the transistor M11. A storage device using an OS transistor for the transistor M11 and using a 2Tr1C type memory cell such as a memory cell 321aB and a memory cell 321aC is called a NOSRAM (Non-volatile Oxide Semiconductor Random Access Memory).

また、図8(E)に、3トランジスタ1キャパシタのゲインセル型(「3Tr1C型」ともいう)のメモリセル321aDの回路構成例を示す。メモリセル321aDは、トランジスタM11と、トランジスタM5と、およびトランジスタM6と、キャパシタCsと、を有する。 Further, FIG. 8E shows a circuit configuration example of a gain cell type (also referred to as “3Tr1C type”) memory cell 321aD of a 3-transistor 1-capacitor. The memory cell 321aD includes a transistor M11, a transistor M5, a transistor M6, and a capacitor Cs.

トランジスタM11の第1端子は、キャパシタCsの第1端子と接続され、トランジスタM11の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM11のゲートは、配線WLと接続され、トランジスタM11のバックゲートは、配線BGLと電気的に接続されている。キャパシタCsの第2端子は、トランジスタM5の第1端子と、配線GNDLと、に電気的に接続されている。トランジスタM5の第2端子は、トランジスタM6の第1端子と接続され、トランジスタM5のゲートは、キャパシタCsの第1端子と接続されている。トランジスタM6の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM6のゲートは配線RLと接続されている。 The first terminal of the transistor M11 is connected to the first terminal of the capacitor Cs, the second terminal of the transistor M11 is connected to the wiring BIL, the gate of the transistor M11 is connected to the wiring WL, and the back gate of the transistor M11 is. , Is electrically connected to the wiring BGL. The second terminal of the capacitor Cs is electrically connected to the first terminal of the transistor M5 and the wiring GNDL. The second terminal of the transistor M5 is connected to the first terminal of the transistor M6, and the gate of the transistor M5 is connected to the first terminal of the capacitor Cs. The second terminal of the transistor M6 is connected to the wiring BIL, and the gate of the transistor M6 is connected to the wiring RL.

配線BILは、ビット線として機能し、配線WLは、書き込みワード線として機能し、配線RLは、読み出しワード線として機能する。 The wiring BIL functions as a bit line, the wiring WL functions as a write word line, and the wiring RL functions as a read word line.

配線BGLは、トランジスタM11のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM11のしきい値電圧を増減することができる。 The wiring BGL functions as wiring for applying an electric potential to the back gate of the transistor M11. The threshold voltage of the transistor M11 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.

データの書き込みは、配線WLに高レベル電位を印加し、トランジスタM11を導通状態にし、配線BILとキャパシタCsの第1端子を接続することによって行われる。具体的には、トランジスタM11が導通状態のときに、配線BILに記録する情報に対応する電位を印加し、キャパシタCsの第1端子、およびトランジスタM5のゲートに該電位を書き込む。その後、配線WLに低レベル電位を印加し、トランジスタM11を非導通状態にすることによって、キャパシタCsの第1端子の電位、およびトランジスタM5のゲートの電位を保持する。 Data is written by applying a high level potential to the wiring WL, making the transistor M11 conductive, and connecting the wiring BIL and the first terminal of the capacitor Cs. Specifically, when the transistor M11 is in a conductive state, a potential corresponding to the information recorded in the wiring BIL is applied, and the potential is written to the first terminal of the capacitor Cs and the gate of the transistor M5. After that, a low level potential is applied to the wiring WL to bring the transistor M11 into a non-conducting state, thereby holding the potential of the first terminal of the capacitor Cs and the potential of the gate of the transistor M5.

データの読み出しは、配線BILに所定の電位をプリチャージして、その後配線BILを電気的に浮遊状態にし、かつ配線RLに高レベル電位を印加することによって行われる。配線RLが高レベル電位となるので、トランジスタM6は導通状態となり、配線BILとトランジスタM5の第2端子が電気的に接続状態となる。このとき、トランジスタM5の第2端子には、配線BILの電位が印加されることになるが、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM5のゲート)に保持されている電位に応じて、トランジスタM5の第2端子の電位、および配線BILの電位が変化する。ここで、配線BILの電位を読み出すことによって、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM5のゲート)に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM5のゲート)に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。または、このメモリセルに書き込まれている情報の有無を知ることができる。 Data is read out by precharging the wiring BIL with a predetermined potential, then electrically suspending the wiring BIL, and applying a high level potential to the wiring RL. Since the wiring RL has a high level potential, the transistor M6 is in a conductive state, and the wiring BIL and the second terminal of the transistor M5 are in an electrically connected state. At this time, the potential of the wiring BIL is applied to the second terminal of the transistor M5, but the transistor M5 depends on the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M5). The potential of the second terminal and the potential of the wiring BIL change. Here, by reading out the potential of the wiring BIL, the potential held in the first terminal (or the gate of the transistor M5) of the capacitor Cs can be read out. That is, the information written in the memory cell can be read from the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M5). Alternatively, it is possible to know whether or not there is information written in this memory cell.

なお、メモリセル321aDにおいても、トランジスタM11にOSトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタM11としてOSトランジスタを適用した3Tr1C型のメモリセル321aDは、前述したNOSRAMの一態様である。メモリセルは、回路の構成を適宜変更することができる。 Also in the memory cell 321aD, it is preferable to use an OS transistor for the transistor M11. The 3Tr1C type memory cell 321aD to which the OS transistor is applied as the transistor M11 is one aspect of the NOSRAM described above. The configuration of the circuit of the memory cell can be changed as appropriate.

<積層構造1>
次に、撮像装置の積層構造について、断面図を用いて説明する。
<Laminate structure 1>
Next, the laminated structure of the image pickup apparatus will be described with reference to a cross-sectional view.

図9は、層201乃至層205を有し、層202と層203の間に貼り合わせ面を有する積層体の断面図の一例である。 FIG. 9 is an example of a cross-sectional view of a laminated body having layers 201 to 205 and having a bonding surface between the layers 202 and 203.

<層201>
層201は、シリコン基板211に設けられた読み出し回路311、ロードライバ312およびカラムドライバ313を有する。ここでは、上記回路の一部として、読み出し回路311のCDS回路が有するキャパシタ402およびトランジスタ403、読み出し回路311のA/Dコンバータが有するトランジスタ115、ならびにロードライバ312が有するトランジスタ116を示している。キャパシタ402の一方の電極およびトランジスタ403のソースまたはドレインの一方は電気的に接続されている。
<Layer 201>
The layer 201 has a read circuit 311 provided on the silicon substrate 211, a low driver 312, and a column driver 313. Here, as a part of the above circuit, the capacitor 402 and the transistor 403 included in the CDS circuit of the read circuit 311, the transistor 115 included in the A / D converter of the read circuit 311 and the transistor 116 included in the low driver 312 are shown. One electrode of the capacitor 402 and one of the source or drain of the transistor 403 are electrically connected.

層201には、絶縁層212、絶縁層213、絶縁層214、絶縁層215、絶縁層216、絶縁層217、および絶縁層218が設けられる。絶縁層212は保護膜としての機能を有する。絶縁層212、絶縁層213、絶縁層214、および絶縁層217は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層216は、キャパシタ402の誘電体層としての機能を有する。絶縁層218は、ブロッキング膜としての機能を有する。 The layer 201 is provided with an insulating layer 212, an insulating layer 213, an insulating layer 214, an insulating layer 215, an insulating layer 216, an insulating layer 217, and an insulating layer 218. The insulating layer 212 has a function as a protective film. The insulating layer 212, the insulating layer 213, the insulating layer 214, and the insulating layer 217 have functions as an interlayer insulating film and a flattening film. The insulating layer 216 has a function as a dielectric layer of the capacitor 402. The insulating layer 218 has a function as a blocking film.

保護膜としては、例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを用いることができる。層間絶縁膜および平坦化膜としては、例えば、酸化シリコン膜などの無機絶縁膜、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などの有機絶縁膜を用いることができる。キャパシタの誘電体層としては、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを用いることができる。ブロッキング膜としては、水素の拡散を防止する機能を有する膜を用いることが好ましい。 As the protective film, for example, a silicon nitride film, a silicon oxide film, an aluminum oxide film, or the like can be used. As the interlayer insulating film and the flattening film, for example, an inorganic insulating film such as a silicon oxide film or an organic insulating film such as an acrylic resin or a polyimide resin can be used. As the dielectric layer of the capacitor, a silicon nitride film, a silicon oxide film, an aluminum oxide film, or the like can be used. As the blocking film, it is preferable to use a film having a function of preventing the diffusion of hydrogen.

Siデバイスにおいて、水素はダングリングボンドを終端するために必要とされるが、OSトランジスタの近傍にある水素は、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り、信頼性を低下させる。したがって、Siデバイスが形成される層とOSトランジスタが形成される層との間には、水素のブロッキング膜が設けられることが好ましい。 In Si devices, hydrogen is required to terminate dangling bonds, but hydrogen in the vicinity of the OS transistor becomes one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor layer, which reduces reliability. .. Therefore, it is preferable to provide a hydrogen blocking film between the layer on which the Si device is formed and the layer on which the OS transistor is formed.

当該ブロッキング膜としては、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。 As the blocking film, for example, aluminum oxide, aluminum nitride, gallium oxide, gallium oxide nitride, yttrium oxide, yttrium oxide, hafnium oxide, hafnium oxide, yttria-stabilized zirconia (YSZ) and the like can be used.

図9に示すSiトランジスタはシリコン基板211にチャネル形成領域を有するフィン型である。Siトランジスタのチャネル幅方向の断面(図9にA1−A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面)を図10(A)に示す。 The Si transistor shown in FIG. 9 is a fin type having a channel forming region on the silicon substrate 211. A cross section of the Si transistor in the channel width direction (cross section corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line in A1-A2 in FIG. 9) is shown in FIG. 10 (A).

なお、Siトランジスタは、図10(B)に示すようにプレーナー型であってもよい。または、図10(C)に示すように、シリコン薄膜の半導体層545を有するトランジスタであってもよい。半導体層545は、例えば、シリコン基板211上の絶縁層546上に形成された単結晶シリコン(SOI(Silicon on Insulator))とすることができる。 The Si transistor may be a planar type as shown in FIG. 10 (B). Alternatively, as shown in FIG. 10C, it may be a transistor having a semiconductor layer 545 of a silicon thin film. The semiconductor layer 545 can be, for example, single crystal silicon (SOI (Silicon on Insulator)) formed on the insulating layer 546 on the silicon substrate 211.

なお、デバイス間の電気的な接続に用いられる配線、電極およびプラグとして用いることのできる導電体には、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を適宜選択して用いればよい。当該導電体は単層に限らず、異なる材料で構成された複数の層であってもよい。 Conductors that can be used as wiring, electrodes, and plugs for electrical connections between devices include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, and hafnium. , Vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, lanthanum, etc. Etc. may be appropriately selected and used. The conductor is not limited to a single layer, and may be a plurality of layers made of different materials.

<層202>
層202は、層201上に形成される。層202は、OSトランジスタを有するメモリ回路321を有する。ここでは、メモリ回路321の一部として、メモリセル321aが有するトランジスタ111およびキャパシタ112を示している。
<Layer 202>
The layer 202 is formed on the layer 201. Layer 202 has a memory circuit 321 with an OS transistor. Here, the transistor 111 and the capacitor 112 included in the memory cell 321a are shown as a part of the memory circuit 321.

層202には、絶縁層221、絶縁層222、絶縁層223、絶縁層224、絶縁層225、絶縁層226、絶縁層227、絶縁層228、および絶縁層229が設けられる。また、導電層131が設けられる。 The layer 202 is provided with an insulating layer 221, an insulating layer 222, an insulating layer 223, an insulating layer 224, an insulating layer 225, an insulating layer 226, an insulating layer 227, an insulating layer 228, and an insulating layer 229. Further, the conductive layer 131 is provided.

絶縁層221、絶縁層224、絶縁層225、絶縁層227、および絶縁層228は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層222は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。絶縁層223は、保護膜としての機能を有する。絶縁層226は、キャパシタの誘電体層としての機能を有する。絶縁層229および導電層131は、貼り合わせ層としての機能を有する。 The insulating layer 221, the insulating layer 224, the insulating layer 225, the insulating layer 227, and the insulating layer 228 have functions as an interlayer insulating film and a flattening film. The insulating layer 222 has a function as a gate insulating film. The insulating layer 223 has a function as a protective film. The insulating layer 226 has a function as a dielectric layer of the capacitor. The insulating layer 229 and the conductive layer 131 have a function as a bonding layer.

ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜などを用いることができる。貼り合わせ層に関しては後述する。 As the gate insulating film, a silicon oxide film or the like can be used. The bonding layer will be described later.

導電層131は、層201のキャパシタ402の他方の電極と電気的に接続される。トランジスタ111のソースまたはドレインの一方は、層201のトランジスタ115のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ111のゲートは、層201のトランジスタ116のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ111のソースまたはドレインの他方は、キャパシタ112の一方の電極と電気的に接続される。 The conductive layer 131 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 402 of the layer 201. One of the source or drain of transistor 111 is electrically connected to one of the source or drain of transistor 115 of layer 201. The gate of transistor 111 is electrically connected to either the source or drain of transistor 116 in layer 201. The other of the source or drain of the transistor 111 is electrically connected to one electrode of the capacitor 112.

図11(A)にトランジスタ111の詳細を示す。図11(A)に示すトランジスタ111は、酸化物半導体層および導電層の積層上に絶縁層を設け、当該酸化物半導体層に達する開口部を設けることでソース電極として機能する導電体705およびドレイン電極として機能する導電体706を形成するセルフアライン型の構成である。 FIG. 11A shows the details of the transistor 111. The transistor 111 shown in FIG. 11A is provided with an insulating layer on a laminate of an oxide semiconductor layer and a conductive layer, and a conductor 705 and a drain that function as source electrodes by providing an opening reaching the oxide semiconductor layer. It is a self-aligned configuration that forms a conductor 706 that functions as an electrode.

トランジスタ111は、酸化物半導体層に形成されるチャネル形成領域、ソース領域703およびドレイン領域704のほか、ゲート電極として機能する導電体701、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体702を有する構成とすることができる。上記開口部には少なくとも絶縁体702および導電体701が設けられる。当該開口部には、さらに酸化物半導体層707が設けられていてもよい。 The transistor 111 is configured to include a channel forming region, a source region 703, and a drain region 704 formed in the oxide semiconductor layer, a conductor 701 that functions as a gate electrode, and an insulator 702 that functions as a gate insulating film. Can be done. At least an insulator 702 and a conductor 701 are provided in the opening. An oxide semiconductor layer 707 may be further provided in the opening.

なお、本発明の一態様においては、トランジスタ111の構成は上記に限られない。図11(B)に示すトランジスタ111aは、図11(A)に示すトランジスタ111の変形例である。トランジスタ111aは、導電体701をマスクとして半導体層にソース領域703およびドレイン領域704を形成するセルフアライン型トランジスタである。 In one aspect of the present invention, the configuration of the transistor 111 is not limited to the above. The transistor 111a shown in FIG. 11B is a modification of the transistor 111 shown in FIG. 11A. The transistor 111a is a self-aligned transistor that forms a source region 703 and a drain region 704 in the semiconductor layer using the conductor 701 as a mask.

また、図11(C)に示すトランジスタ111bは、図11(A)に示すトランジスタ111の変形例である。トランジスタ111bは、導電体705または導電体706と導電体701とが重なる領域を有するノンセルフアライン型のトップゲート型トランジスタである。 Further, the transistor 111b shown in FIG. 11C is a modification of the transistor 111 shown in FIG. 11A. The transistor 111b is a non-self-aligned top-gate transistor having a region in which the conductor 705 or the conductor 706 and the conductor 701 overlap.

また、導電体535は、図11(D)に示すトランジスタ111のチャネル幅方向の断面図(図11(A)にB1−B2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図)のように、導電体535に対向して設けられるトランジスタ111のトップゲートと電気的に接続してもよい。なお、図11(D)は図11(A)のトランジスタを例として示しているが、その他の構造のトランジスタも同様である。または、導電体535にトップゲートとは異なる固定電位を供給することができる構成であってもよい。 Further, the conductor 535 is conductive as shown in the cross-sectional view of the transistor 111 shown in FIG. 11 (D) in the channel width direction (cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of B1-B2 in FIG. 11 (A)). It may be electrically connected to the top gate of the transistor 111 provided so as to face the body 535. Note that FIG. 11 (D) shows the transistor of FIG. 11 (A) as an example, but the same applies to transistors having other structures. Alternatively, the conductor 535 may be configured to be able to supply a fixed potential different from that of the top gate.

トランジスタ111はバックゲートとして機能する導電体535を有する構造を示しているが、バックゲートを有さない構造であってもよい。 Although the transistor 111 shows a structure having a conductor 535 that functions as a back gate, it may have a structure that does not have a back gate.

<層203>
層203は、層204のSiフォトダイオードが形成された面上に形成される。層203は、OSトランジスタを有する画素回路331を有する。ここでは、画素回路331の一部として、トランジスタ103、トランジスタ104、およびトランジスタ105を示している。
<Layer 203>
The layer 203 is formed on the surface on which the Si photodiode of the layer 204 is formed. Layer 203 has a pixel circuit 331 with an OS transistor. Here, the transistor 103, the transistor 104, and the transistor 105 are shown as a part of the pixel circuit 331.

層203には、絶縁層231、絶縁層232、絶縁層233、絶縁層234、絶縁層235、絶縁層236、および絶縁層237が設けられる。また、導電層132が設けられる。 The layer 203 is provided with an insulating layer 231, an insulating layer 232, an insulating layer 233, an insulating layer 234, an insulating layer 235, an insulating layer 236, and an insulating layer 237. Further, the conductive layer 132 is provided.

絶縁層231および導電層132は、貼り合わせ層としての機能を有する。絶縁層232、絶縁層233、絶縁層234、および絶縁層237は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層235は、保護膜としての機能を有する。絶縁層236は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulating layer 231 and the conductive layer 132 have a function as a bonding layer. The insulating layer 232, the insulating layer 233, the insulating layer 234, and the insulating layer 237 have functions as an interlayer insulating film and a flattening film. The insulating layer 235 has a function as a protective film. The insulating layer 236 has a function as a gate insulating film.

導電層132は、画素回路331の出力線として機能する配線352と電気的に接続される。 The conductive layer 132 is electrically connected to the wiring 352 that functions as an output line of the pixel circuit 331.

トランジスタ103乃至トランジスタ106のそれぞれは、図11(A)乃至図11(C)に示すトランジスタ111のいずれか一と同様の構成を有する。 Each of the transistors 103 to 106 has the same configuration as any one of the transistors 111 shown in FIGS. 11A to 11C.

<層204>
層204は、光電変換デバイス240、絶縁層241、絶縁層242、および絶縁層245を有する。
<Layer 204>
The layer 204 has a photoelectric conversion device 240, an insulating layer 241 and an insulating layer 242, and an insulating layer 245.

光電変換デバイス240は、シリコン基板に形成されたpn接合型のフォトダイオードであり、p型領域243およびn型領域244を有する。光電変換デバイス240は埋め込み型フォトダイオードであり、n型領域244の表面側(電流の取り出し側)に設けられた薄いp型領域243によって暗電流を抑えノイズを低減させることができる。 The photoelectric conversion device 240 is a pn junction type photodiode formed on a silicon substrate, and has a p-type region 243 and an n-type region 244. The photoelectric conversion device 240 is an embedded photodiode, and a thin p-type region 243 provided on the surface side (current extraction side) of the n-type region 244 can suppress dark current and reduce noise.

絶縁層241は、ブロッキング層としての機能を有する。絶縁層242は、素子分離層としての機能を有する。絶縁層245は、キャリアの流出を抑制する機能を有する。 The insulating layer 241 has a function as a blocking layer. The insulating layer 242 has a function as an element separation layer. The insulating layer 245 has a function of suppressing the outflow of carriers.

シリコン基板には画素を分離する溝が設けられ、絶縁層245は、層205側のシリコン基板表面および当該溝に設けられる。絶縁層245が設けられることにより、光電変換デバイス240内で発生したキャリアが隣接する画素に流出することを抑えることができる。また、絶縁層245は、迷光の侵入を抑制する機能も有する。したがって、絶縁層245により、混色を抑制することができる。なお、層205側のシリコン基板表面と絶縁層245との間に反射防止膜が設けられていてもよい。 The silicon substrate is provided with a groove for separating pixels, and the insulating layer 245 is provided on the surface of the silicon substrate on the layer 205 side and the groove. By providing the insulating layer 245, it is possible to prevent the carriers generated in the photoelectric conversion device 240 from flowing out to the adjacent pixels. The insulating layer 245 also has a function of suppressing the intrusion of stray light. Therefore, the insulating layer 245 can suppress color mixing. An antireflection film may be provided between the surface of the silicon substrate on the layer 205 side and the insulating layer 245.

素子分離層は、LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)法、またはSTI(Shallow Trench Isolation)法等を用いて形成することができる。絶縁層245としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどの無機絶縁膜、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂などの有機絶縁膜を用いることができる。なお、絶縁層245は多層構成であってもよい。 The device separation layer can be formed by using a LOCOS (LOCOxidation of Silicon) method, an STI (Shallow Trench Isolation) method, or the like. As the insulating layer 245, for example, an inorganic insulating film such as silicon oxide or silicon nitride, or an organic insulating film such as a polyimide resin or an acrylic resin can be used. The insulating layer 245 may have a multi-layer structure.

光電変換デバイス240のn型領域244(カソードに相当)は、薄いp型領域を介して層203のトランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。p型領域243(アノード)は、電源線として機能する層203の配線121と電気的に接続される。 The n-type region 244 (corresponding to the cathode) of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 103 of the layer 203 via a thin p-type region. The p-type region 243 (anode) is electrically connected to the wiring 121 of the layer 203 that functions as a power supply line.

図9に示す積層構造1においては、層203に設けられるトランジスタ103乃至トランジスタ105は、層204に設けられる絶縁層241上に形成されている。 In the laminated structure 1 shown in FIG. 9, the transistors 103 to 105 provided in the layer 203 are formed on the insulating layer 241 provided in the layer 204.

<層205>
層205は、層204上に形成される。層205は、遮光層251、光学変換層250、およびマイクロレンズアレイ255を有する。
<Layer 205>
Layer 205 is formed on layer 204. The layer 205 has a light-shielding layer 251, an optical conversion layer 250, and a microlens array 255.

遮光層251は、隣接する画素への光の流入を抑えることができる。遮光層251には、アルミニウム、タングステンなどの金属層を用いることができる。また、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してもよい。 The light-shielding layer 251 can suppress the inflow of light to adjacent pixels. A metal layer such as aluminum or tungsten can be used for the light-shielding layer 251. Further, the metal layer and a dielectric film having a function as an antireflection film may be laminated.

光学変換層250には、カラーフィルタを用いることができる。カラーフィルタにR(赤)、G(緑)、B(青)、Y(黄)、C(シアン)、M(マゼンタ)などの色を画素別に割り当てることにより、カラー画像を得ることができる。 A color filter can be used for the optical conversion layer 250. A color image can be obtained by assigning colors such as R (red), G (green), B (blue), Y (yellow), C (cyan), and M (magenta) to the color filter for each pixel.

また、光学変換層250に波長カットフィルタを用いれば、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。 Further, if a wavelength cut filter is used for the optical conversion layer 250, the image pickup device can obtain images in various wavelength regions.

例えば、光学変換層250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250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250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。 For example, if the optical conversion layer 250 uses a filter that blocks light having a wavelength equal to or lower than that of visible light, it can be used as an infrared imaging device. Further, if the optical conversion layer 250 uses a filter that blocks light having a wavelength of near infrared rays or less, a far infrared ray imaging device can be obtained. Further, if the optical conversion layer 250 uses a filter that blocks light having a wavelength equal to or higher than that of visible light, it can be used as an ultraviolet imaging device.

また、光学変換層250にシンチレータを用いれば、X線撮像装置などに用いる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、当該光を光電変換デバイス240で検知することにより撮像データを取得する。また、放射線検出器などに当該構成の撮像装置を用いてもよい。 Further, if a scintillator is used for the optical conversion layer 250, the image pickup device can obtain an image that visualizes the intensity of radiation used in an X-ray image pickup device or the like. When radiation such as X-rays transmitted through a subject is incident on a scintillator, it is converted into light (fluorescence) such as visible light or ultraviolet light by a photoluminescence phenomenon. Then, the imaging data is acquired by detecting the light with the photoelectric conversion device 240. Further, an image pickup device having the above configuration may be used as a radiation detector or the like.

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を含む。例えば、GdS:Tb、GdS:Pr、GdS:Eu、BaFCl:Eu、NaI、CsI、CaF、BaF、CeF、LiF、LiI、ZnOなどを樹脂やセラミクスに分散させたものを用いることができる。 The scintillator contains a substance that absorbs the energy and emits visible light or ultraviolet light when irradiated with radiation such as X-rays and gamma rays. For example, Gd 2 O 2 S: Tb, Gd 2 O 2 S: Pr, Gd 2 O 2 S: Eu, BaFCl: Eu, NaI, CsI, CaF 2 , BaF 2 , CeF 3 , LiF, LiI, ZnO, etc. Those dispersed in resin or ceramics can be used.

光学変換層250上にはマイクロレンズアレイ255が設けられる。マイクロレンズアレイ255が有する個々のレンズを通る光が直下の光学変換層250を通り、光電変換デバイス240に照射されるようになる。マイクロレンズアレイ255を設けることにより、集光した光を光電変換デバイス240に入射することができるため、効率よく光電変換を行うことができる。マイクロレンズアレイ255は、可視光に対して透光性の高い樹脂またはガラスなどで形成することが好ましい。 A microlens array 255 is provided on the optical conversion layer 250. Light passing through the individual lenses of the microlens array 255 passes through the optical conversion layer 250 directly below and is irradiated to the photoelectric conversion device 240. By providing the microlens array 255, the focused light can be incident on the photoelectric conversion device 240, so that photoelectric conversion can be performed efficiently. The microlens array 255 is preferably formed of a resin or glass having high translucency with respect to visible light.

<貼り合わせ>
次に、層202と層203の貼り合わせについて説明する。
<Lasting>
Next, the bonding of the layer 202 and the layer 203 will be described.

層202には、絶縁層229および導電層131が設けられる。導電層131は、絶縁層229に埋設された領域を有する。また、絶縁層229および導電層131の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。 The layer 202 is provided with an insulating layer 229 and a conductive layer 131. The conductive layer 131 has a region embedded in the insulating layer 229. Further, the surfaces of the insulating layer 229 and the conductive layer 131 are flattened so that their heights match.

層203には、絶縁層231および導電層132が設けられる。導電層132は、絶縁層231に埋設された領域を有する。また、絶縁層231および導電層132の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。 The layer 203 is provided with an insulating layer 231 and a conductive layer 132. The conductive layer 132 has a region embedded in the insulating layer 231. Further, the surfaces of the insulating layer 231 and the conductive layer 132 are flattened so that their heights match.

ここで、導電層131および導電層132は、主成分が同一の金属元素であることが好ましい。また、絶縁層229および絶縁層231は、同一の成分で構成されていることが好ましい。 Here, it is preferable that the conductive layer 131 and the conductive layer 132 are metal elements having the same main components. Further, it is preferable that the insulating layer 229 and the insulating layer 231 are composed of the same components.

例えば、導電層131、および導電層132には、Cu、Al、Sn、Zn、W、Ag、Pt、Auなどを用いることができる。接合のしやすさから、好ましくはCu、Al、W、またはAuを用いる。また、絶縁層229、および絶縁層231には、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、窒化チタンなどを用いることができる。 For example, Cu, Al, Sn, Zn, W, Ag, Pt, Au and the like can be used for the conductive layer 131 and the conductive layer 132. Cu, Al, W, or Au is preferably used because of the ease of joining. Further, silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, titanium nitride and the like can be used for the insulating layer 229 and the insulating layer 231.

つまり、導電層131および導電層132のそれぞれに、上記に示す同一の金属材料を用いることが好ましい。また、絶縁層229および絶縁層231のそれぞれに、上記に示す同一の絶縁材料を用いることが好ましい。当該構成とすることで、層202と層203の境を接合位置とする、貼り合わせを行うことができる。 That is, it is preferable to use the same metal material shown above for each of the conductive layer 131 and the conductive layer 132. Further, it is preferable to use the same insulating material shown above for each of the insulating layer 229 and the insulating layer 231. With this configuration, bonding can be performed with the boundary between the layer 202 and the layer 203 as the joining position.

なお、導電層131および導電層132は複数の層の多層構造であってもよく、その場合は、表層(接合面)が同一の金属材料であればよい。また、絶縁層229および絶縁層231も複数の層の多層構造であってもよく、その場合は、表層(接合面)が同一の絶縁材料であればよい。 The conductive layer 131 and the conductive layer 132 may have a multi-layer structure of a plurality of layers, and in that case, the surface layer (bonding surface) may be the same metal material. Further, the insulating layer 229 and the insulating layer 231 may also have a multi-layer structure of a plurality of layers, in which case, the insulating materials having the same surface layer (bonding surface) may be used.

当該貼り合わせによって、導電層131および導電層132の電気的な接続を得ることができる。また、絶縁層229および絶縁層231の機械的な強度を有する接続を得ることができる。 By the bonding, an electrical connection between the conductive layer 131 and the conductive layer 132 can be obtained. Further, it is possible to obtain a connection having mechanical strength of the insulating layer 229 and the insulating layer 231.

金属層同士の接合には、表面の酸化膜および不純物の吸着層などをスパッタリング処理などで除去し、清浄化および活性化した表面同士を接触させて接合する表面活性化接合法を用いることができる。または、温度と圧力を併用して表面同士を接合する拡散接合法などを用いることができる。どちらも原子レベルでの結合が起こるため、電気的だけでなく機械的にも優れた接合を得ることができる。 For bonding between metal layers, a surface-activated bonding method can be used in which the oxide film on the surface and the adsorption layer of impurities are removed by sputtering or the like, and the cleaned and activated surfaces are brought into contact with each other for bonding. .. Alternatively, a diffusion bonding method or the like in which surfaces are bonded to each other by using both temperature and pressure can be used. In both cases, bonding at the atomic level occurs, so that excellent bonding can be obtained not only electrically but also mechanically.

また、絶縁層同士の接合には、研磨などによって高い平坦性を得たのち、酸素プラズマ等で親水性処理をした表面同士を接触させて仮接合し、熱処理による脱水で本接合を行う親水性接合法などを用いることができる。親水性接合法も原子レベルでの結合が起こるため、機械的に優れた接合を得ることができる。 Further, in order to bond the insulating layers to each other, after obtaining high flatness by polishing or the like, the surfaces treated with hydrophilicity such as oxygen plasma are brought into contact with each other for temporary bonding, and then main bonding is performed by dehydration by heat treatment. A joining method or the like can be used. Since the hydrophilic bonding method also causes bonding at the atomic level, it is possible to obtain mechanically excellent bonding.

層202と、層203とを貼り合わせる場合、それぞれの接合面には絶縁層と金属層が混在するため、例えば、表面活性化接合法および親水性接合法を組み合わせて行えばよい。 When the layer 202 and the layer 203 are bonded together, an insulating layer and a metal layer are mixed on the respective bonding surfaces. Therefore, for example, a surface activation bonding method and a hydrophilic bonding method may be combined.

例えば、研磨後に表面を清浄化し、金属層の表面に酸化防止処理を行ったのちに親水性処理を行って接合する方法などを用いることができる。また、金属層の表面をAuなどの難酸化性金属とし、親水性処理を行ってもよい。なお、上述した方法以外の接合方法を用いてもよい。 For example, a method can be used in which the surface is cleaned after polishing, the surface of the metal layer is subjected to an antioxidant treatment, and then a hydrophilic treatment is performed to join the metal layer. Further, the surface of the metal layer may be made of a refractory metal such as Au and subjected to hydrophilic treatment. A joining method other than the above-mentioned method may be used.

上記の貼り合わせにより、層203が有する画素回路331と、層201が有する読み出し回路311を電気的に接続することができる。 By the above bonding, the pixel circuit 331 of the layer 203 and the readout circuit 311 of the layer 201 can be electrically connected.

<積層構造1の変形例1>
図12に、図9に示す積層構造1の変形例を示す。図12に示す積層構造は、図9に示す積層構造1とは層203および層204の構成が異なる。図12に示す変形例1は、画素回路331が有するトランジスタ103を層204に設けた構成である。層204において、トランジスタ103は、Siトランジスタで形成される。トランジスタ103のソースまたはドレインの一方は、光電変換デバイス240と直結され、ソースまたはドレインの他方は、ノードFDとして作用する。
<Modification example 1 of laminated structure 1>
FIG. 12 shows a modified example of the laminated structure 1 shown in FIG. The laminated structure shown in FIG. 12 is different from the laminated structure 1 shown in FIG. 9 in the configurations of the layers 203 and 204. Modification 1 shown in FIG. 12 has a configuration in which the transistor 103 included in the pixel circuit 331 is provided on the layer 204. In layer 204, the transistor 103 is made of Si transistors. One of the source or drain of the transistor 103 is directly connected to the photoelectric conversion device 240, and the other of the source or drain acts as a node FD.

この場合、層203には、画素回路331を構成するトランジスタのうち、トランジスタ103を除いたトランジスタが設けられる。図12では、トランジスタ104およびトランジスタ105を図示している。 In this case, the layer 203 is provided with the transistors excluding the transistor 103 among the transistors constituting the pixel circuit 331. In FIG. 12, the transistor 104 and the transistor 105 are illustrated.

図12に示す変形例1においては、層203に設けられるトランジスタ104およびトランジスタ105は、層204に設けられる絶縁層246上に形成されている。 In the first modification shown in FIG. 12, the transistor 104 and the transistor 105 provided in the layer 203 are formed on the insulating layer 246 provided in the layer 204.

<積層構造1の変形例2>
図13に、図9に示す積層構造1の変形例を示す。図13に示す積層構造は、図9に示す積層構造1とは層201および層203の構成が異なる。図13に示す変形例2は、読み出し回路311の構成要素であるCDS回路400を層203に設けた構成である。なお、図13では、CDS回路400を画素回路331に積層した構成を示しているが、CDS回路400は、画素回路331と同一面上に設けられていてもよい。
<Modification 2 of laminated structure 1>
FIG. 13 shows a modified example of the laminated structure 1 shown in FIG. The laminated structure shown in FIG. 13 is different from the laminated structure 1 shown in FIG. 9 in the configurations of the layers 201 and 203. The second modification shown in FIG. 13 is a configuration in which the CDS circuit 400, which is a component of the read circuit 311 is provided on the layer 203. Although FIG. 13 shows a configuration in which the CDS circuit 400 is laminated on the pixel circuit 331, the CDS circuit 400 may be provided on the same surface as the pixel circuit 331.

上記の構成の場合、層201には読み出し回路311の別の構成要素であるA/Dコンバータ410が設けられる。図13では、A/Dコンバータ410の入力トランジスタとして機能するトランジスタ117を図示している。トランジスタ117のゲートは、層202が有する導電層131と電気的に接続される。 In the case of the above configuration, the layer 201 is provided with an A / D converter 410, which is another component of the readout circuit 311. FIG. 13 illustrates a transistor 117 that functions as an input transistor of the A / D converter 410. The gate of the transistor 117 is electrically connected to the conductive layer 131 of the layer 202.

層203は、画素回路331に加え、CDS回路400を有する。ここでは、CDS回路400の要素であるキャパシタ402、トランジスタ403、およびトランジスタ404を図示している。トランジスタ403、およびトランジスタ404は、OSトランジスタで形成することができる。また、層203には、絶縁層421、絶縁層422、絶縁層423、絶縁層424、絶縁層425、絶縁層426、および絶縁層427が設けられる。 Layer 203 has a CDS circuit 400 in addition to the pixel circuit 331. Here, the capacitor 402, the transistor 403, and the transistor 404, which are the elements of the CDS circuit 400, are illustrated. The transistor 403 and the transistor 404 can be formed of an OS transistor. Further, the layer 203 is provided with an insulating layer 421, an insulating layer 422, an insulating layer 423, an insulating layer 424, an insulating layer 425, an insulating layer 426, and an insulating layer 427.

絶縁層421、絶縁層423、絶縁層424、および絶縁層427は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層422は、キャパシタ402の誘電体層としての機能を有する。絶縁層425は、保護膜としての機能を有する。絶縁層426は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulating layer 421, the insulating layer 423, the insulating layer 424, and the insulating layer 427 have functions as an interlayer insulating film and a flattening film. The insulating layer 422 has a function as a dielectric layer of the capacitor 402. The insulating layer 425 has a function as a protective film. The insulating layer 426 has a function as a gate insulating film.

画素回路331が接続される配線352には、キャパシタ402の他方の電極が電気的に接続され、キャパシタ402の一方の電極は、トランジスタ403のソースまたはドレインの一方およびトランジスタ404のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。そして、トランジスタ404のソースまたはドレインの他方は、導電層132と接続される。導電層132と層202が有する導電層131を貼り合わすことで、CDS回路400とA/Dコンバータ410を電気的に接続することができる。 The other electrode of the capacitor 402 is electrically connected to the wiring 352 to which the pixel circuit 331 is connected, and one electrode of the capacitor 402 is one of the source or drain of the transistor 403 and one of the source or drain of the transistor 404. Is electrically connected to. Then, the other side of the source or drain of the transistor 404 is connected to the conductive layer 132. By laminating the conductive layer 132 and the conductive layer 131 of the layer 202, the CDS circuit 400 and the A / D converter 410 can be electrically connected.

図13に示す変形例2においては、層203に設けられるトランジスタ103乃至トランジスタ105は、層204に設けられる絶縁層241上に形成されている。 In the second modification shown in FIG. 13, the transistors 103 to 105 provided in the layer 203 are formed on the insulating layer 241 provided in the layer 204.

<積層構造2>
積層構造1およびその変形例では、層202と層203とを貼り合わせる構成を示したが、その他の層で貼り合わせを行ってもよい。図14に示す積層構造2は、層203と層204との間に貼り合わせ面を有する構成である。
<Laminate structure 2>
In the laminated structure 1 and its modified example, the structure in which the layer 202 and the layer 203 are bonded to each other is shown, but the layers may be bonded to each other. The laminated structure 2 shown in FIG. 14 has a structure having a bonded surface between the layer 203 and the layer 204.

この場合、層203には、トランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する導電層135が設けられる。また、配線121と電気的に接続する導電層136が設けられる。導電層135、および導電層136は、絶縁層231に埋設された領域を有する。また、絶縁層231、導電層135、および導電層136の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。 In this case, the layer 203 is provided with a conductive layer 135 that is electrically connected to either the source or the drain of the transistor 103. Further, a conductive layer 136 that is electrically connected to the wiring 121 is provided. The conductive layer 135 and the conductive layer 136 have a region embedded in the insulating layer 231. Further, the surfaces of the insulating layer 231 and the conductive layer 135, and the conductive layer 136 are flattened so that their heights match.

層204には、光電変換デバイス240のn型領域244(カソードに相当)と電気的に接続される導電層133が設けられる。また、p型領域243(アノード)と電気的に接続される導電層134が設けられる。また、絶縁層246上には絶縁層249が設けられる。導電層133、および導電層134は、絶縁層249に埋設された領域を有する。また、絶縁層249、導電層133、および導電層134の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。 The layer 204 is provided with a conductive layer 133 that is electrically connected to the n-type region 244 (corresponding to the cathode) of the photoelectric conversion device 240. In addition, a conductive layer 134 that is electrically connected to the p-type region 243 (anode) is provided. Further, an insulating layer 249 is provided on the insulating layer 246. The conductive layer 133 and the conductive layer 134 have a region embedded in the insulating layer 249. Further, the surfaces of the insulating layer 249, the conductive layer 133, and the conductive layer 134 are flattened so that their heights match.

ここで、導電層133、導電層134、導電層135、および導電層136は、前述した導電層131、および導電層132と同じ貼り合わせ層である。また、絶縁層249は、前述した絶縁層229、および絶縁層231と同じ貼り合わせ層である。 Here, the conductive layer 133, the conductive layer 134, the conductive layer 135, and the conductive layer 136 are the same bonded layers as the above-mentioned conductive layer 131 and the conductive layer 132. Further, the insulating layer 249 is the same bonded layer as the above-mentioned insulating layer 229 and the insulating layer 231.

したがって、導電層133と導電層135を貼り合わせることで、光電変換デバイスのn型領域244(カソードに相当)とトランジスタ103のソースまたはドレインの一方を電気的に接続することができる。また、導電層134と導電層136を貼り合わせることで、光電変換デバイスのp型領域243(アノードに相当)と配線121を電気的に接続することができる。また、絶縁層231と絶縁層249を貼り合わせることで、層203と層204の電気的な接合および機械的な接合を行うことができる。 Therefore, by laminating the conductive layer 133 and the conductive layer 135, one of the source or drain of the transistor 103 can be electrically connected to the n-type region 244 (corresponding to the cathode) of the photoelectric conversion device. Further, by laminating the conductive layer 134 and the conductive layer 136, the p-type region 243 (corresponding to the anode) of the photoelectric conversion device and the wiring 121 can be electrically connected. Further, by laminating the insulating layer 231 and the insulating layer 249, the layer 203 and the layer 204 can be electrically and mechanically bonded.

図14に示す積層構造2においては、層203に設けられるトランジスタ103乃至トランジスタ105は、層202に設けられる絶縁層228上に形成されている。 In the laminated structure 2 shown in FIG. 14, the transistors 103 to 105 provided in the layer 203 are formed on the insulating layer 228 provided in the layer 202.

<積層構造3>
図15に示す積層構造3は、層201と層202との間に貼り合わせ面を有する構成である。
<Laminate structure 3>
The laminated structure 3 shown in FIG. 15 has a structure in which a bonding surface is provided between the layer 201 and the layer 202.

この場合、層201には、キャパシタ402の他方の電極と電気的に接続する導電層141が設けられる。また、トランジスタ115のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される導電層142が設けられる。また、トランジスタ116のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される導電層143が電気的に接続される。また、絶縁層218上には絶縁層219が設けられる。導電層141、導電層142、および導電層143は、絶縁層219に埋設された領域を有する。また、絶縁層219、導電層141、導電層142、および導電層143の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。 In this case, the layer 201 is provided with a conductive layer 141 that is electrically connected to the other electrode of the capacitor 402. In addition, a conductive layer 142 that is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 115 is provided. Further, the conductive layer 143 that is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 116 is electrically connected. Further, an insulating layer 219 is provided on the insulating layer 218. The conductive layer 141, the conductive layer 142, and the conductive layer 143 have a region embedded in the insulating layer 219. Further, the surfaces of the insulating layer 219, the conductive layer 141, the conductive layer 142, and the conductive layer 143 are flattened so that their heights match.

層202には、層203が有する配線352と電気的に接続する導電層137が設けられる。また、層202が有するトランジスタ111のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する導電層138が設けられる。また、トランジスタ111のゲートと電気的に接続する導電層139が設けられる。導電層137、導電層138、および導電層139は、絶縁層229に埋設された領域を有する。また、絶縁層229、導電層137、導電層138、および導電層139の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。 The layer 202 is provided with a conductive layer 137 that is electrically connected to the wiring 352 of the layer 203. Further, a conductive layer 138 is provided which is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 111 included in the layer 202. Further, a conductive layer 139 that is electrically connected to the gate of the transistor 111 is provided. The conductive layer 137, the conductive layer 138, and the conductive layer 139 have a region embedded in the insulating layer 229. Further, the surfaces of the insulating layer 229, the conductive layer 137, the conductive layer 138, and the conductive layer 139 are flattened so that their heights match.

ここで、導電層137、導電層138、導電層139、導電層141、導電層142、および導電層143は、前述した導電層131、および導電層132と同じ貼り合わせ層である。また、絶縁層219は、前述した絶縁層229、および絶縁層231と同じ貼り合わせ層である。 Here, the conductive layer 137, the conductive layer 138, the conductive layer 139, the conductive layer 141, the conductive layer 142, and the conductive layer 143 are the same bonded layers as the above-mentioned conductive layer 131 and the conductive layer 132. Further, the insulating layer 219 is the same bonded layer as the above-mentioned insulating layer 229 and the insulating layer 231.

したがって、導電層137と導電層141を貼り合わせることで、読み出し回路311と画素回路331を電気的に接続することができる。また、導電層138と導電層142を貼り合わせることで、読み出し回路311とメモリ回路321を電気的に接続することができる。また、導電層139と導電層143を貼り合わせることで、ロードライバ312とメモリ回路321を電気的に接続することができる。 Therefore, by laminating the conductive layer 137 and the conductive layer 141, the readout circuit 311 and the pixel circuit 331 can be electrically connected. Further, by laminating the conductive layer 138 and the conductive layer 142, the read circuit 311 and the memory circuit 321 can be electrically connected. Further, by laminating the conductive layer 139 and the conductive layer 143, the low driver 312 and the memory circuit 321 can be electrically connected.

図15に示す積層構造3においては、層203に設けられるトランジスタ103乃至トランジスタ105は、層204に設けられる絶縁層241上に形成されている。 In the laminated structure 3 shown in FIG. 15, the transistors 103 to 105 provided in the layer 203 are formed on the insulating layer 241 provided in the layer 204.

なお、本実施の形態では、層201に画素回路の読み出し回路およびメモリ回路の駆動回路を設け、層202にメモリ回路を設けた構成を説明したが、これに限らない。例えば、画素回路の駆動回路、ニューラルネットワーク、通信回路、CPUなどが層201または層202に設けられていてもよい。 In the present embodiment, the configuration in which the pixel circuit read circuit and the memory circuit drive circuit are provided on the layer 201 and the memory circuit is provided on the layer 202 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, a pixel circuit drive circuit, a neural network, a communication circuit, a CPU, and the like may be provided on the layer 201 or the layer 202.

OSトランジスタおよびSiトランジスタを用いて、ノーマリーオフCPU(「Noff−CPU」ともいう)を実現することができる。なお、Noff−CPUとは、ゲート電圧が0Vであっても非導通状態(オフ状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタを含む集積回路である。 A normally-off CPU (also referred to as "Noff-CPU") can be realized by using an OS transistor and a Si transistor. The Nonf-CPU is an integrated circuit including a normally-off type transistor that is in a non-conducting state (also referred to as an off state) even when the gate voltage is 0V.

Noff−CPUは、Noff−CPU内の動作不要な回路への電力供給を停止し、当該回路を待機状態にすることができる。電力供給が停止され、待機状態になった回路では電力が消費されない。よって、Noff−CPUは、電力使用量を最小限にすることができる。また、Noff−CPUは、電力供給が停止されても設定条件などの動作に必要な情報を長期間保持することができる。待機状態からの復帰は当該回路への電力供給を再開するだけでよく、設定条件などの再書き込みが不要である。すなわち、待機状態からの高速復帰が可能である。このように、Noff−CPUは、動作速度を大きく落とすことなく消費電力を低減できる。 The Noff-CPU can stop the power supply to the unnecessary circuit in the Noff-CPU and put the circuit in the standby state. No power is consumed in the circuit where the power supply is stopped and the circuit is in the standby state. Therefore, the Nonf-CPU can minimize the amount of power used. Further, the Nonf-CPU can retain information necessary for operation such as setting conditions for a long period of time even if the power supply is stopped. To return from the standby state, it is only necessary to restart the power supply to the circuit, and it is not necessary to rewrite the setting conditions and the like. That is, high-speed recovery from the standby state is possible. In this way, the Nonf-CPU can reduce the power consumption without significantly reducing the operating speed.

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments or examples.

(実施の形態2)
本実施の形態では、イメージセンサチップを収めたパッケージおよびカメラモジュールの一例について説明する。当該イメージセンサチップには、本発明の一態様の撮像装置の構成を用いることができる。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a package containing an image sensor chip and a camera module will be described. For the image sensor chip, the configuration of the imaging device according to one aspect of the present invention can be used.

図16(A)は、イメージセンサチップを収めたパッケージの上面側の外観斜視図である。当該パッケージは、イメージセンサチップ650(図16(C)参照)を固定するパッケージ基板610、カバーガラス620および両者を接着する接着剤630等を有する。 FIG. 16A is an external perspective view of the upper surface side of the package containing the image sensor chip. The package has a package substrate 610 for fixing the image sensor chip 650 (see FIG. 16C), a cover glass 620, an adhesive 630 for adhering both, and the like.

図16(B)は、当該パッケージの下面側の外観斜視図である。パッケージの下面には、半田ボールをバンプ640としたBGA(Ball grid array)を有する。なお、BGAに限らず、LGA(Land grid array)やPGA(Pin Grid Array)などを有していてもよい。 FIG. 16B is an external perspective view of the lower surface side of the package. On the lower surface of the package, there is a BGA (Ball grid array) in which solder balls are bumps 640. In addition to BGA, it may have LGA (Land grid array), PGA (Pin grid array), or the like.

図16(C)は、カバーガラス620および接着剤630の一部を省いて図示したパッケージの斜視図である。パッケージ基板610上には電極パッド660が形成され、電極パッド660およびバンプ640はスルーホールを介して電気的に接続されている。電極パッド660は、イメージセンサチップ650とワイヤ670によって電気的に接続されている。 FIG. 16C is a perspective view of the package shown by omitting a part of the cover glass 620 and the adhesive 630. An electrode pad 660 is formed on the package substrate 610, and the electrode pad 660 and the bump 640 are electrically connected via a through hole. The electrode pad 660 is electrically connected to the image sensor chip 650 by a wire 670.

また、図16(D)は、イメージセンサチップをレンズ一体型のパッケージに収めたカメラモジュールの上面側の外観斜視図である。当該カメラモジュールは、イメージセンサチップ651(図16(F)参照)を固定するパッケージ基板611、レンズカバー621、およびレンズ635等を有する。また、パッケージ基板611およびイメージセンサチップ651の間には撮像装置の駆動回路および信号変換回路などの機能を有するICチップ690(図16(F)参照)も設けられており、SiP(System in package)としての構成を有している。 Further, FIG. 16D is an external perspective view of the upper surface side of the camera module in which the image sensor chip is housed in a lens-integrated package. The camera module has a package substrate 611 for fixing an image sensor chip 651 (see FIG. 16F), a lens cover 621, a lens 635, and the like. Further, an IC chip 690 (see FIG. 16F) having functions such as a drive circuit for an image pickup device and a signal conversion circuit is also provided between the package substrate 611 and the image sensor chip 651, and SiP (System in package) is provided. ).

図16(E)は、当該カメラモジュールの下面側の外観斜視図である。パッケージ基板611の下面および側面には、実装用のランド641が設けられたQFN(Quad flat no−lead package)の構成を有する。なお、当該構成は一例であり、QFP(Quad flat package)や前述したBGAが設けられていてもよい。 FIG. 16E is an external perspective view of the lower surface side of the camera module. The lower surface and the side surface of the package substrate 611 have a QFN (Quad flat no-lead package) configuration in which a land 641 for mounting is provided. The configuration is an example, and a QFP (Quad flat package) or the above-mentioned BGA may be provided.

図16(F)は、レンズカバー621およびレンズ635の一部を省いて図示したモジュールの斜視図である。ランド641は電極パッド661と電気的に接続され、電極パッド661はイメージセンサチップ651またはICチップ690とワイヤ671によって電気的に接続されている。 FIG. 16F is a perspective view of the module shown by omitting a part of the lens cover 621 and the lens 635. The land 641 is electrically connected to the electrode pad 661, and the electrode pad 661 is electrically connected to the image sensor chip 651 or the IC chip 690 by a wire 671.

イメージセンサチップを上述したような形態のパッケージに収めることでプリント基板等への実装が容易になり、イメージセンサチップを様々な半導体装置、電子機器に組み込むことができる。 By housing the image sensor chip in a package having the above-mentioned form, it can be easily mounted on a printed circuit board or the like, and the image sensor chip can be incorporated into various semiconductor devices and electronic devices.

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments or examples.

(実施の形態3)
本発明の一態様に係る撮像装置を用いることができる電子機器として、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記憶装置または画像再生装置、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17(A)乃至図17(F)に示す。
(Embodiment 3)
Electronic devices that can use the imaging device according to one aspect of the present invention include a display device, a personal computer, an image storage device or image reproduction device provided with a recording medium, a mobile phone, a game machine including a portable type, and a portable data terminal. , Electronic book terminals, video cameras, cameras such as digital still cameras, goggles type displays (head mount displays), navigation systems, sound reproduction devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, multifunction printers , Automatic cash deposit / payment machines (ATMs), vending machines, etc. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS. 17 (A) to 17 (F).

図17(A)携帯電話機の一例であり、筐体981、表示部982、操作ボタン983、外部接続ポート984、スピーカ985、マイク986、カメラ987等を有する。当該携帯電話機は、表示部982にタッチセンサを備える。電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指やスタイラスなどで表示部982に触れることで行うことができる。当該携帯電話機における画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。 FIG. 17A is an example of a mobile phone, which includes a housing 981, a display unit 982, an operation button 983, an external connection port 984, a speaker 985, a microphone 986, a camera 987, and the like. The mobile phone includes a touch sensor on the display unit 982. All operations such as making a phone call or inputting characters can be performed by touching the display unit 982 with a finger or a stylus. An image pickup device according to an aspect of the present invention and an operation method thereof can be applied to an element for image acquisition in the mobile phone.

図17(B)は携帯データ端末であり、筐体911、表示部912、スピーカ913、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。また、カメラ919で取得した画像から文字等を認識し、スピーカ913で当該文字を音声出力することができる。当該携帯データ端末における画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。 FIG. 17B is a portable data terminal, which includes a housing 911, a display unit 912, a speaker 913, a camera 919, and the like. Information can be input and output by the touch panel function of the display unit 912. In addition, characters and the like can be recognized from the image acquired by the camera 919, and the characters can be output as voice by the speaker 913. An imaging device according to an aspect of the present invention and an operation method thereof can be applied to an element for image acquisition in the portable data terminal.

図17(C)は監視カメラであり、支持台951、カメラユニット952、保護カバー953等を有する。カメラユニット952には回転機構などが設けられ、天井に設置することで全周囲の撮像が可能となる。当該カメラユニットにおける画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。なお、監視カメラとは慣用的な名称であり、用途を限定するものではない。例えば監視カメラとしての機能を有する機器はカメラ、またはビデオカメラとも呼ばれる。 FIG. 17C is a surveillance camera, which has a support base 951, a camera unit 952, a protective cover 953, and the like. The camera unit 952 is provided with a rotation mechanism or the like, and by installing it on the ceiling, it is possible to take an image of the entire surroundings. An image pickup apparatus according to an aspect of the present invention and an operation method thereof can be applied to an element for image acquisition in the camera unit. The surveillance camera is an idiomatic name and does not limit its use. For example, a device having a function as a surveillance camera is also called a camera or a video camera.

図17(D)はビデオカメラであり、第1筐体971、第2筐体972、表示部973、操作キー974、レンズ975、接続部976、スピーカ977、マイク978等を有する。操作キー974およびレンズ975は第1筐体971に設けられており、表示部973は第2筐体972に設けられている。当該ビデオカメラにおける画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。 FIG. 17D is a video camera, which includes a first housing 971, a second housing 972, a display unit 973, an operation key 974, a lens 975, a connection unit 976, a speaker 977, a microphone 978, and the like. The operation key 974 and the lens 975 are provided in the first housing 971, and the display unit 973 is provided in the second housing 972. An image pickup apparatus according to an aspect of the present invention and an operation method thereof can be applied to an element for image acquisition in the video camera.

図17(E)はデジタルカメラであり、筐体961、シャッターボタン962、マイク963、発光部967、レンズ965等を有する。当該デジタルカメラにおける画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。 FIG. 17E is a digital camera, which includes a housing 961, a shutter button 962, a microphone 963, a light emitting unit 967, a lens 965, and the like. An image pickup apparatus according to an aspect of the present invention and an operation method thereof can be applied to an element for image acquisition in the digital camera.

図17(F)は腕時計型の情報端末であり、表示部932、筐体兼リストバンド933、カメラ939等を有する。表示部932は、情報端末の操作を行うためのタッチパネルを備える。表示部932および筐体兼リストバンド933は可撓性を有し、身体への装着性が優れている。当該情報端末における画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。 FIG. 17F is a wristwatch-type information terminal, which includes a display unit 932, a housing / wristband 933, a camera 939, and the like. The display unit 932 includes a touch panel for operating the information terminal. The display unit 932 and the housing / wristband 933 have flexibility and are excellent in wearability to the body. An image pickup apparatus according to an aspect of the present invention and an operation method thereof can be applied to an element for image acquisition in the information terminal.

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments or examples.

本実施例では、OSトランジスタのバックゲートに印加する電位と、当該OSトランジスタの電気的特性との関係について説明する。OSトランジスタの電気的特性として、具体的には、OSトランジスタのドレイン電流(Id)−ゲート電圧(Vg)特性、および、OSトランジスタのドレイン電流のノイズを評価した。なお、Id−Vg特性の測定には、キーサイトテクノロジー製半導体デバイスアナライザーを用いた。 In this embodiment, the relationship between the potential applied to the back gate of the OS transistor and the electrical characteristics of the OS transistor will be described. Specifically, as the electrical characteristics of the OS transistor, the drain current (Id) -gate voltage (Vg) characteristic of the OS transistor and the noise of the drain current of the OS transistor were evaluated. A semiconductor device analyzer manufactured by Keysight Technology was used to measure the Id-Vg characteristics.

なお、OSトランジスタのドレイン電流のノイズは、1/fノイズ測定システムを用いて得られた、ドレイン電流のノイズパワーのスペクトル密度SIdをドレイン電流Idで規格化した値(SId/Id)により評価することができる。 The noise of the drain current of the OS transistor is a value obtained by standardizing the spectral density S Id of the noise power of the drain current with the drain current Id obtained by using the 1 / f noise measurement system (S Id / Id 2 ). Can be evaluated by.

本実施例では、トランジスタのドレイン電流のノイズの測定に、キーサイトテクノロジー社製の1/fノイズ測定システムを用いた。半導体デバイスアナライザーには、キーサイトテクノロジー B1500Aを用い、シグナル・ソース・アナライザには、キーサイトテクノロジー E5052Bを用いた。プローバには、Cascade Microtech社製SUMMIT 11000B−M(温度調節機能(213Kから473Kまで)付き)を用いた。測定は、暗環境下で実施した。上記測定の範囲は、測定機の電圧および電流の仕様の範囲(200V/1A、または100V/100mA)、ならびに周波数の測定の範囲(1Hz乃至100kHz)以内とした。 In this embodiment, a 1 / f noise measurement system manufactured by Keysight Technology Co., Ltd. was used to measure the noise of the drain current of the transistor. Keysight Technology B1500A was used for the semiconductor device analyzer, and Keysight Technology E5052B was used for the signal source analyzer. As the prober, SUMMIT 11000B-M manufactured by Cascade Microtech (with temperature control function (from 213K to 473K)) was used. The measurement was performed in a dark environment. The measurement range was within the voltage and current specification range (200V / 1A or 100V / 100mA) of the measuring device and the frequency measurement range (1Hz to 100kHz).

次に、半導体パラメータアナライザー、および1/fノイズ測定システムを用いて評価した試料について説明する。 Next, the sample evaluated using the semiconductor parameter analyzer and the 1 / f noise measurement system will be described.

上記試料として、OSトランジスタを有する試料を作製した。当該試料が有するOSトランジスタの断面図を、図18に示す。当該OSトランジスタは、先の実施の形態で説明したトランジスタ105に適用することができる。 As the above sample, a sample having an OS transistor was prepared. A cross-sectional view of the OS transistor included in the sample is shown in FIG. The OS transistor can be applied to the transistor 105 described in the previous embodiment.

図18に示すトランジスタ111Aは、図11(A)に示したトランジスタ111の変形例である。なお、トランジスタ111Aにおいて、トランジスタ111を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目においても、トランジスタ111Aの構成材料については、先の実施の形態で詳細に説明した材料を用いることができる。 The transistor 111A shown in FIG. 18 is a modification of the transistor 111 shown in FIG. 11 (A). In the transistor 111A, the same reference numerals are added to the structures having the same functions as the structures constituting the transistor 111. Also in this item, as the constituent material of the transistor 111A, the material described in detail in the previous embodiment can be used.

トランジスタ111Aは、トランジスタ111とは、酸化物半導体層707を有さないことが異なる。また、導電体705上に絶縁体713を有し、導電体706上に絶縁体714を有することが異なる。また、導電体705下に酸化物層711を有し、導電体706下に酸化物層712を有することが異なる。また、導電体535上の絶縁体は、絶縁体708と、絶縁体709との積層構造を有する。 The transistor 111A is different from the transistor 111 in that it does not have the oxide semiconductor layer 707. Further, it is different that the insulator 713 is provided on the conductor 705 and the insulator 714 is provided on the conductor 706. Further, it is different that the oxide layer 711 is provided under the conductor 705 and the oxide layer 712 is provided under the conductor 706. Further, the insulator on the conductor 535 has a laminated structure of the insulator 708 and the insulator 709.

トランジスタ111Aにおいて、半導体層710は、チャネルが形成される領域を有する酸化物半導体層である。また、絶縁体708、および絶縁体709は、ゲート絶縁膜として機能する。また、絶縁体713、および絶縁体714は、酸素の透過を抑制するバリア層として機能することが好ましい。また、酸化物層711、および酸化物層712は、酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。 In the transistor 111A, the semiconductor layer 710 is an oxide semiconductor layer having a region in which a channel is formed. Further, the insulator 708 and the insulator 709 function as a gate insulating film. Further, the insulator 713 and the insulator 714 preferably function as a barrier layer that suppresses the permeation of oxygen. Further, the oxide layer 711 and the oxide layer 712 preferably have a function of suppressing the permeation of oxygen.

本実施例では、導電体535として、窒化チタンと、タングステンと、窒化チタンとの積層構造を用いた。また、絶縁体708として、酸化ハフニウムを用い、絶縁体709として、酸化シリコンを用いた。 In this embodiment, a laminated structure of titanium nitride, tungsten, and titanium nitride was used as the conductor 535. Further, hafnium oxide was used as the insulator 708, and silicon oxide was used as the insulator 709.

また、半導体層710として、2層の積層構造を用いた。半導体層710の絶縁体709側の層として、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]の酸化物ターゲットを用いて、5nmの膜厚で形成された金属酸化物を用いた。半導体層710の酸化物層711側および酸化物層712側の層として、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の酸化物ターゲットを用いて、15nmの膜厚で形成された金属酸化物を用いた。 Further, as the semiconductor layer 710, a two-layer laminated structure was used. Metal oxidation formed with a film thickness of 5 nm using an oxide target of In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic number ratio] as the layer on the insulator 709 side of the semiconductor layer 710 by a sputtering method. I used a thing. As the oxide layer 711 side and the oxide layer 712 side of the semiconductor layer 710, an oxide target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic number ratio] was used by a sputtering method at 15 nm. A metal oxide formed with the same thickness as the above was used.

また、酸化物層711、および酸化物層712として、スパッタリング法によって形成されたIn−Ga−Zn酸化物を用いた。また、導電体705、および導電体706として、スパッタリング法によって形成された窒化タンタルを用いた。また、絶縁体713、および絶縁体714として、窒化シリコンと、酸化シリコンとの積層構造を用いた。 Further, as the oxide layer 711 and the oxide layer 712, In-Ga-Zn oxide formed by a sputtering method was used. Further, as the conductor 705 and the conductor 706, tantalum nitride formed by the sputtering method was used. Further, as the insulator 713 and the insulator 714, a laminated structure of silicon nitride and silicon oxide was used.

また、絶縁体702として、CVD法によって形成された酸化窒化シリコンを用いた。また、導電体701として、窒化チタンと、タングステンとの積層構造を用いた。 Further, as the insulator 702, silicon oxide formed by the CVD method was used. Further, as the conductor 701, a laminated structure of titanium nitride and tungsten was used.

試料が有するOSトランジスタの、チャネル長Lの設計値およびチャネル幅Wの設計値は、L/W=360nm/360nmである。 The design value of the channel length L and the design value of the channel width W of the OS transistor included in the sample are L / W = 360 nm / 360 nm.

以上が、本実施例で作製した試料の説明である。 The above is the description of the sample prepared in this example.

作製した試料が有するOSトランジスタについて、Id−Vg特性を測定した。Id−Vg特性の測定は、ドレイン電位Vdを0.3Vとし、ソース電位Vsを0Vとし、ボトムゲート電位Vbgを可変(−2Vから3Vまでの1V刻み)とし、トップゲート電位Vgを−4.0Vから4.0Vまで0.04Vステップで掃引させた。 The Id-Vg characteristics of the OS transistor contained in the prepared sample were measured. For the measurement of Id-Vg characteristics, the drain potential Vd is 0.3V, the source potential Vs is 0V, the bottom gate potential Vbg is variable (in 1V increments from -2V to 3V), and the top gate potential Vg is -4. It was swept from 0V to 4.0V in 0.04V steps.

図19に試料が有するOSトランジスタのId−Vg特性の測定結果を示す。図19において、横軸はトップゲート電位Vg[V]である。また、縦軸は、ドレイン電流Id[A]である。 FIG. 19 shows the measurement results of the Id-Vg characteristics of the OS transistor of the sample. In FIG. 19, the horizontal axis is the top gate potential Vg [V]. The vertical axis is the drain current Id [A].

図19に示すように、Vbgが−2Vから3Vの範囲では、ゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、ゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比(オン/オフ比)は10以上であった。 As shown in FIG. 19, when Vbg is in the range of -2V to 3V, the ratio of the value of the drain current when the potential of + 3V is applied to the gate to the value of the drain current when the potential of -3V is applied to the gate. The (on / off ratio) was 106 or more.

ここで、VbgにX[V]の電位を印加した場合の、しきい値電圧をVthVbg=Xと表記する。図19に示すように、Vbgが−2Vから3Vの範囲において、VthVbg=Xは、1.69V乃至−1.62Vの範囲の値であった。このとき、ゲートに(VthVbg=X−2)[V]の電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、ゲートに(VthVbg=X+2)[V]の電位を印加したときのドレイン電流の値の比(オン/オフ比)は、10以上であった。また、ゲートに(VthVbg=X−1)[V]の電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、ゲートに(VthVbg=X+1)[V]の電位を印加したときのドレイン電流の値の比(オン/オフ比)は、10以上であった。 Here, the threshold voltage when the potential of X [V] is applied to Vbg is expressed as Vth Vbg = X. As shown in FIG. 19, when Vbg was in the range of -2V to 3V, Vth Vbg = X was a value in the range of 1.69V to -1.62V. At this time, the drain current when the potential of (Vth Vbg = X + 2) [V] is applied to the gate with respect to the value of the drain current when the potential of (Vth Vbg = X-2) [V] is applied to the gate. the ratio of the value (on / off ratio) was 10 6 or more. Further, the drain current value when the potential of (Vth Vbg = X +1) [V] is applied to the gate with respect to the value of the drain current when the potential of (Vth Vbg = X -1) [V] is applied to the gate. the ratio of the value (on / off ratio) was 10 6 or more.

したがって、本実施例の試料のOSトランジスタでは、Vbgが−2Vから3Vの範囲において、オン/オフ比が確保でき、正常なスイッチング特性が得られることが確認された。 Therefore, it was confirmed that in the OS transistor of the sample of this example, the on / off ratio can be secured in the range of Vbg of -2V to 3V, and normal switching characteristics can be obtained.

次に、1/fノイズ測定システムを用いて、試料が有するOSトランジスタのドレイン電流のノイズを評価した結果について説明する。 Next, the result of evaluating the noise of the drain current of the OS transistor of the sample using the 1 / f noise measurement system will be described.

図20(A)、および図20(B)に、試料が有するOSトランジスタにおいて、1/fノイズ測定システムを用いて得られた結果を示す。なお、1/fノイズ測定システムを使用する際、Vbgは、−2V、−1V、0V、1V、2V、または3Vとした。 20 (A) and 20 (B) show the results obtained by using the 1 / f noise measurement system in the OS transistor included in the sample. When using the 1 / f noise measurement system, Vbg was set to -2V, -1V, 0V, 1V, 2V, or 3V.

図20(A)において、横軸は、ノイズの周波数f(Frequency)[Hz]であり、当該ノイズの周波数fの範囲は、10Hz以上1000Hz以下である。また、縦軸は、ドレイン電流のノイズパワーのスペクトル密度をドレイン電流で規格化した値SId/Id[/Hz]である。 In FIG. 20A, the horizontal axis is the noise frequency f (Frequency) [Hz], and the range of the noise frequency f is 10 Hz or more and 1000 Hz or less. The vertical axis is a value SId / Id 2 [/ Hz] obtained by normalizing the spectral density of the noise power of the drain current with the drain current.

図20(B)において、横軸は、バックゲートに印加した電圧Vbg[V]である。縦軸は、ノイズの周波数fが100Hzにおける、ドレイン電流のノイズパワーのスペクトル密度をドレイン電流で規格化した値SId/Id[/Hz]である。 In FIG. 20B, the horizontal axis is the voltage Vbg [V] applied to the back gate. The vertical axis is a value SId / Id 2 [/ Hz] obtained by normalizing the spectral density of the noise power of the drain current with the drain current when the noise frequency f is 100 Hz.

図20(A)から、10Hz乃至1000Hzの範囲の周波数において、ノイズの周波数依存性がほぼ1/fに比例していることが分かる。 From FIG. 20A, it can be seen that the frequency dependence of noise is approximately proportional to 1 / f at frequencies in the range of 10 Hz to 1000 Hz.

図20(A)、および図20(B)から、Vbgが0Vおよびその近傍において、Vbgが大きいほど、ドレイン電流のノイズパワーのスペクトル密度をドレイン電流で規格化した値(SId/Id)が小さくなる傾向が見られた。また、Vbgに0V以上の電位を印加した場合の、ドレイン電流のノイズパワーのスペクトル密度をドレイン電流で規格化した値(SId/Id)は、Vbgに負の電位を印加した場合よりも小さいことが示唆された。 From FIGS. 20 (A) and 20 (B), when Vbg is 0 V and its vicinity, the larger the Vbg, the more the spectral density of the noise power of the drain current is normalized by the drain current (S Id / Id 2 ). Tended to be smaller. Further, the value (S Id / Id 2 ) obtained by normalizing the spectral density of the noise power of the drain current when a potential of 0 V or more is applied to Vbg is higher than that when a negative potential is applied to Vbg. It was suggested that it was small.

本実施例で説明したOSトランジスタは、バックゲートに印加する電位を制御することで、1/fノイズを小さくすることができる。 The OS transistor described in this embodiment can reduce 1 / f noise by controlling the potential applied to the back gate.

本実施例は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be carried out in appropriate combination with the configurations described in other embodiments and examples.

103 トランジスタ
103a トランジスタ
103b トランジスタ
104 トランジスタ
104a トランジスタ
105 トランジスタ
106 トランジスタ
106a トランジスタ
106b トランジスタ
108 キャパシタ
111 トランジスタ
111a トランジスタ
111b トランジスタ
111A トランジスタ
112 キャパシタ
115 トランジスタ
116 トランジスタ
117 トランジスタ
121 配線
122 配線
123 配線
126 配線
127 配線
128 配線
131 導電層
132 導電層
133 導電層
134 導電層
135 導電層
136 導電層
137 導電層
138 導電層
139 導電層
141 導電層
142 導電層
143 導電層
151 配線
152 配線
153 配線
154 配線
201 層
202 層
203 層
204 層
205 層
211 シリコン基板
212 絶縁層
213 絶縁層
214 絶縁層
215 絶縁層
216 絶縁層
217 絶縁層
218 絶縁層
219 絶縁層
221 絶縁層
222 絶縁層
223 絶縁層
224 絶縁層
225 絶縁層
226 絶縁層
227 絶縁層
228 絶縁層
229 絶縁層
231 絶縁層
232 絶縁層
233 絶縁層
234 絶縁層
235 絶縁層
236 絶縁層
237 絶縁層
240 光電変換デバイス
241 絶縁層
242 絶縁層
243 p型領域
244 n型領域
245 絶縁層
246 絶縁層
249 絶縁層
250 光学変換層
251 遮光層
255 マイクロレンズアレイ
311 読み出し回路
312 ロードライバ
313 カラムドライバ
321 メモリ回路
321a メモリセル
321aA メモリセル
321aB メモリセル
321aC メモリセル
321aD メモリセル
331 画素回路
332 駆動回路
351 配線
352 配線
353 配線
354 配線
355 配線
400 CDS回路
401 抵抗
402 キャパシタ
403 トランジスタ
404 トランジスタ
405 キャパシタ
410 A/Dコンバータ
421 絶縁層
422 絶縁層
423 絶縁層
424 絶縁層
425 絶縁層
426 絶縁層
427 絶縁層
535 導電体
545 半導体層
546 絶縁層
610 パッケージ基板
611 パッケージ基板
620 カバーガラス
621 レンズカバー
630 接着剤
635 レンズ
640 バンプ
641 ランド
650 イメージセンサチップ
651 イメージセンサチップ
660 電極パッド
661 電極パッド
670 ワイヤ
671 ワイヤ
690 ICチップ
701 導電体
702 絶縁体
703 ソース領域
704 ドレイン領域
705 導電体
706 導電体
707 酸化物半導体層
708 絶縁体
709 絶縁体
710 半導体層
711 酸化物層
712 酸化物層
713 絶縁体
714 絶縁体
911 筐体
912 表示部
913 スピーカ
919 カメラ
932 表示部
933 筐体兼リストバンド
939 カメラ
951 支持台
952 カメラユニット
953 保護カバー
961 筐体
962 シャッターボタン
963 マイク
965 レンズ
967 発光部
971 筐体
972 筐体
973 表示部
974 操作キー
975 レンズ
976 接続部
977 スピーカ
978 マイク
981 筐体
982 表示部
983 操作ボタン
984 外部接続ポート
985 スピーカ
986 マイク
987 カメラ
103 Conductor 103a Transistor 103b Transistor 104 Transistor 104a Transistor 105 Transistor 106 Transistor 106a Transistor 106b Transistor 108 Capsule 111 Transistor 111a Transistor 111b Transistor 111A Transistor 112 Capitol 115 Transistor 116 Transistor 117 Transit 121 Wiring 122 Wiring 123 Wiring 126 Wiring 127 Wiring 128 Wiring 131 Conductive Layer 132 Conductive layer 133 Conductive layer 134 Conductive layer 135 Conductive layer 136 Conductive layer 137 Conductive layer 138 Conductive layer 139 Conductive layer 141 Conductive layer 142 Conductive layer 143 Conductive layer 151 Wiring 152 Wiring 153 Wiring 154 Wiring 201 Layer 202 Layer 203 Layer 204 205 Layer 211 Silicon substrate 212 Insulation layer 213 Insulation layer 214 Insulation layer 215 Insulation layer 216 Insulation layer 217 Insulation layer 218 Insulation layer 219 Insulation layer 221 Insulation layer 222 Insulation layer 223 Insulation layer 224 Insulation layer 225 Insulation layer 226 Insulation layer 227 Insulation layer 227 228 Insulation layer 229 Insulation layer 231 Insulation layer 232 Insulation layer 233 Insulation layer 234 Insulation layer 235 Insulation layer 236 Insulation layer 237 Insulation layer 240 Photoelectric conversion device 241 Insulation layer 242 Insulation layer 243 P-type region 244 n-type region 245 Insulation layer 246 Insulation Layer 249 Insulation layer 250 Optical conversion layer 251 Light-shielding layer 255 Microlens array 311 Read circuit 312 Low driver 313 Column driver 321 Memory circuit 321a Memory cell 321aA Memory cell 321aB Memory cell 321aC Memory cell 321aD Memory cell 331 Pixel circuit 332 Drive circuit 351 Wiring 352 Wiring 353 Wiring 354 Wiring 355 Wiring 400 CDS Circuit 401 Resistance 402 Capsirator 403 Transistor 404 Transistor 405 Capitol 410 A / D Converter 421 Insulation layer 422 Insulation layer 423 Insulation layer 424 Insulation layer 425 Insulation layer 426 Insulation layer 427 Insulation layer 535 Conductor 545 Semiconductor layer 546 Insulation layer 610 Package substrate 611 Package substrate 620 Cover glass 621 Lens cover 630 Adhesive 635 Lens 640 Bump 641 Land 650 Image sensor chip 651 Image sensor chip 660 Electrode Pad 661 Electrode Pad 670 Wire 671 Wire 690 IC Chip 701 Conductor 702 Insulator 703 Source Region 704 Drain Region 705 Conductor 706 Conductor 707 Oxide Semiconductor Layer 708 Insulator 709 Insulator 710 Semiconductor Layer 711 Oxide Layer 712 Oxide layer 713 Insulation 714 Insulation 911 Housing 912 Display 913 Speaker 919 Camera 932 Display 933 Housing and wristband 939 Camera 951 Support 952 Camera unit 953 Protective cover 961 Housing 962 Shutter button 963 Microphone 965 Lens 967 Light emitting part 971 Housing 972 Housing 973 Display unit 974 Operation key 975 Lens 976 Connection part 977 Speaker 978 Microphone 981 Housing 982 Display unit 983 Operation button 984 External connection port 985 Speaker 986 Microphone 987 Camera

Claims (15)

光電変換デバイスと、第1のトランジスタ乃至第4のトランジスタと、キャパシタと、第1の配線と、第2の配線と、を有し、
前記第2のトランジスタは、第1のゲートと、第2のゲートと、第1の半導体層と、を有し、
前記第3のトランジスタは、第3のゲートと、第4のゲートと、第2の半導体層と、を有し、
前記第1の半導体層、および前記第2の半導体層のそれぞれは、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する酸化物層であり、
前記光電変換デバイスの一方の端子は、前記第1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、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方、前記キャパシタの一方の電極、および前記第3のトランジスタの前記第3のゲートと電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第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、
前記第2のゲートは、第1の電位が与えられる前記第1の配線と電気的に接続され、
前記第4のゲートは、前記第1の電位よりも大きい第2の電位が与えられる前記第2の配線と電気的に接続されている、
撮像装置。
It has a photoelectric conversion device, a first transistor to a fourth transistor, a capacitor, a first wiring, and a second wiring.
The second transistor has a first gate, a second gate, and a first semiconductor layer.
The third transistor has a third gate, a fourth gate, and a second semiconductor layer.
Each of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is an oxidation having indium, the element M (M is one or more of gallium, aluminum, yttrium, and tin), and zinc. It is a layer of material,
One terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to one of the source and drain of the first transistor.
The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to one of the source or drain of the second transistor, one electrode of the capacitor, and the third gate of the third transistor. ,
One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to one of the source or drain of the fourth transistor.
The second gate is electrically connected to the first wire to which the first potential is applied.
The fourth gate is electrically connected to the second wire to which a second potential larger than the first potential is given.
Imaging device.
請求項1において、
前記第2のトランジスタは、前記第2のゲートに前記第1の電位を印加した状態において、オン/オフ比が10以上であり、
前記第3のトランジスタは、前記第4のゲートに前記第2の電位を印加した状態において、オン/オフ比が10以上である、
撮像装置。
In claim 1,
The second transistor has an on / off ratio of 106 or more in a state where the first potential is applied to the second gate.
The third transistor has an on / off ratio of 106 or more in a state where the second potential is applied to the fourth gate.
Imaging device.
請求項1において、
前記第2のトランジスタは、前記第2のゲートに前記第1の電位を印加し、ドレイン電位を0.3Vとし、ソース電位を0Vとした状態において、前記第1のゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、前記第1のゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比が10以上であり、
前記第3のトランジスタは、前記第4のゲートに前記第2の電位を印加し、ドレイン電位を0.3Vとし、ソース電位を0Vとした状態において、前記第3のゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、前記第3のゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比が10以上である、
撮像装置。
In claim 1,
The second transistor applies a potential of -3V to the first gate in a state where the first potential is applied to the second gate, the drain potential is 0.3V, and the source potential is 0V. to the value of the drain current at the time of applying, the ratio of the value of the drain current when a potential is applied to the first gate + 3V is 10 6 or more,
The third transistor applies a potential of -3V to the third gate in a state where the second potential is applied to the fourth gate, the drain potential is 0.3V, and the source potential is 0V. to the value of the drain current at the time of applying, the ratio of the value of the drain current when a potential is applied to the third gate + 3V is 10 6 or more,
Imaging device.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第2のトランジスタ、および前記第3のトランジスタは、同一の絶縁層上に形成されている、
撮像装置。
In any one of claims 1 to 3,
The second transistor and the third transistor are formed on the same insulating layer.
Imaging device.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記第1のトランジスタ、および前記第4のトランジスタのそれぞれは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、
前記金属酸化物は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する、
撮像装置。
In any one of claims 1 to 4,
Each of the first transistor and the fourth transistor has a metal oxide in the channel forming region.
The metal oxide has indium, the element M (where M is one or more of gallium, aluminum, yttrium, and tin), and zinc.
Imaging device.
光電変換デバイスと、第1のトランジスタ乃至第4のトランジスタと、キャパシタと、第2の配線と、を有し、
前記第3のトランジスタは、第3のゲートと、第4のゲートと、第2の半導体層と、を有し、
前記第2の半導体層は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する酸化物層であり、
前記光電変換デバイスの一方の端子は、前記第1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、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方、前記キャパシタの一方の電極、および前記第3のトランジスタの前記第3のゲートと電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第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、
前記第4のゲートは、0V以上3V以下の電位が与えられる前記第2の配線と電気的に接続されている、
撮像装置。
It has a photoelectric conversion device, a first transistor to a fourth transistor, a capacitor, and a second wiring.
The third transistor has a third gate, a fourth gate, and a second semiconductor layer.
The second semiconductor layer is an oxide layer having indium, the element M (M is one or more of gallium, aluminum, yttrium, and tin), and zinc.
One terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to one of the source and drain of the first transistor.
The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to one of the source or drain of the second transistor, one electrode of the capacitor, and the third gate of the third transistor. ,
One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to one of the source or drain of the fourth transistor.
The fourth gate is electrically connected to the second wiring to which a potential of 0 V or more and 3 V or less is applied.
Imaging device.
光電変換デバイスと、第1のトランジスタ乃至第4のトランジスタと、キャパシタと、第2の配線と、第3の配線と、を有し、
前記第3のトランジスタは、第3のゲートと、第4のゲートと、第2の半導体層と、を有し、
前記第2の半導体層は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する酸化物層であり、
前記光電変換デバイスの一方の端子は、前記第1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、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方、前記キャパシタの一方の電極、および前記第3のトランジスタの前記第3のゲートと電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第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、
前記光電変換デバイスの他方の端子は、第3の電位が与えられる前記第3の配線と電気的に接続され、
前記第4のゲートは、前記第3の電位よりも大きい第2の電位が与えられる前記第2の配線と電気的に接続されている、
撮像装置。
It has a photoelectric conversion device, a first transistor to a fourth transistor, a capacitor, a second wiring, and a third wiring.
The third transistor has a third gate, a fourth gate, and a second semiconductor layer.
The second semiconductor layer is an oxide layer having indium, the element M (M is one or more of gallium, aluminum, yttrium, and tin), and zinc.
One terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to one of the source and drain of the first transistor.
The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to one of the source or drain of the second transistor, one electrode of the capacitor, and the third gate of the third transistor. ,
One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to one of the source or drain of the fourth transistor.
The other terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to the third wiring to which a third potential is applied.
The fourth gate is electrically connected to the second wire to which a second potential larger than the third potential is given.
Imaging device.
請求項7において、
前記第3のトランジスタは、前記第4のゲートに前記第2の電位を印加した状態において、オン/オフ比が10以上である、
撮像装置。
In claim 7,
The third transistor has an on / off ratio of 106 or more in a state where the second potential is applied to the fourth gate.
Imaging device.
請求項7において、
前記第3のトランジスタは、前記第4のゲートに前記第2の電位を印加し、ドレイン電位を0.3Vとし、ソース電位を0Vとした状態において、前記第3のゲートに−3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値に対する、前記第3のゲートに+3Vの電位を印加したときのドレイン電流の値の比が10以上である、
撮像装置。
In claim 7,
The third transistor applies a potential of -3V to the third gate in a state where the second potential is applied to the fourth gate, the drain potential is 0.3V, and the source potential is 0V. to the value of the drain current at the time of applying, the ratio of the value of the drain current when a potential is applied to the third gate + 3V is 10 6 or more,
Imaging device.
請求項6乃至請求項9のいずれか一において、
前記第1のトランジスタ、前記第2のトランジスタ、および前記第4のトランジスタのそれぞれは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、
前記金属酸化物は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する、
撮像装置。
In any one of claims 6 to 9,
Each of the first transistor, the second transistor, and the fourth transistor has a metal oxide in the channel forming region.
The metal oxide has indium, the element M (where M is one or more of gallium, aluminum, yttrium, and tin), and zinc.
Imaging device.
請求項1乃至請求項10のいずれか一において、
前記光電変換デバイスは、光電変換層にシリコンを有するフォトダイオードである、
撮像装置。
In any one of claims 1 to 10.
The photoelectric conversion device is a photodiode having silicon in the photoelectric conversion layer.
Imaging device.
光電変換デバイスと、第1のトランジスタ乃至第4のトランジスタと、キャパシタと、出力線と、を有し、
前記第2のトランジスタは、第1のゲートと、第2のゲートと、第1の半導体層と、を有し、
前記第3のトランジスタは、第3のゲートと、第4のゲートと、第2の半導体層と、を有し、
前記第1の半導体層、および前記第2の半導体層のそれぞれは、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する酸化物層であり、
前記光電変換デバイスの一方の端子は、前記第1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、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方、前記キャパシタの一方の電極、および前記第3のトランジスタの前記第3のゲートと電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第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、
前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記出力線に電気的に接続されている撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換デバイスに照射された光の照度に対応する撮像データを前記出力線に出力する期間において、第1の電位を前記第2のゲートに印加し、前記第1の電位よりも大きい第2の電位を前記第4のゲートに印加する、
撮像装置の駆動方法。
It has a photoelectric conversion device, a first transistor to a fourth transistor, a capacitor, and an output line.
The second transistor has a first gate, a second gate, and a first semiconductor layer.
The third transistor has a third gate, a fourth gate, and a second semiconductor layer.
Each of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is an oxidation having indium, the element M (M is one or more of gallium, aluminum, yttrium, and tin), and zinc. It is a layer of material,
One terminal of the photoelectric conversion device is electrically connected to one of the source and drain of the first transistor.
The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to one of the source or drain of the second transistor, one electrode of the capacitor, and the third gate of the third transistor. ,
One of the source or drain of the third transistor is electrically connected to one of the source or drain of the fourth transistor.
The other of the source and drain of the fourth transistor is a method of driving an image pickup apparatus electrically connected to the output line.
During the period of outputting the imaging data corresponding to the illuminance of the light applied to the photoelectric conversion device to the output line, the first potential is applied to the second gate, and the second potential is larger than the first potential. Apply the potential of
How to drive the image pickup device.
請求項12において、
前記第2のトランジスタ、および前記第3のトランジスタは、同一の絶縁層上に形成されている、
撮像装置の駆動方法。
In claim 12,
The second transistor and the third transistor are formed on the same insulating layer.
How to drive the image pickup device.
請求項12または請求項13において、
前記第1のトランジスタ、および前記第4のトランジスタのそれぞれは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、
前記金属酸化物は、インジウムと、元素M(Mは、ガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数)と、亜鉛と、を有する、
撮像装置の駆動方法。
In claim 12 or 13,
Each of the first transistor and the fourth transistor has a metal oxide in the channel forming region.
The metal oxide has indium, the element M (where M is one or more of gallium, aluminum, yttrium, and tin), and zinc.
How to drive the image pickup device.
請求項12乃至請求項14のいずれか一において、
前記光電変換デバイスは、光電変換層にシリコンを有するフォトダイオードである、
撮像装置の駆動方法。
In any one of claims 12 to 14,
The photoelectric conversion device is a photodiode having silicon in the photoelectric conversion layer.
How to drive the image pickup device.
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