JP2021184490A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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、それらの動作方法、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。
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。
化物半導体として酸化亜鉛、またはIn−Ga−Zn系酸化物半導体を用いてトランジス
タを作製する技術が開示されている(特許文献1および特許文献2参照)。
許文献3に開示されている。
ど性能の向上が期待されている。高精細な画像を得るには高密度に集積化された画素が必
要となるため、画素一つあたりの面積を縮小しなければならない。
イス数を削減することも有効である。例えば、画素回路を構成するトランジスタの一部を
複数の画素で共有する方法などがある。
ーバルシャッタ方式での動作が望まれている。しかしながら、グローバルシャッタ方式で
は、全画素で同時に撮像データを取得し順次読み出しを行うため、電荷保持部で長時間デ
ータの保持が必要となる。また、画素毎に電荷保持部を設ける必要があるため、グローバ
ルシャッタ方式での動作を前提とする場合は、複数の画素で電荷保持部等を共有する回路
構成を用いることが困難となっている。
像装置を提供することを目的の一つとする。または、複数の画素で配線を共有することが
できる撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、複数の画素でトランジスタ
を共有する構成を有し、グローバルシャッタ方式で撮像することができる撮像装置を提供
することを目的の一つとする。または、露光期間中に前フレームのデータの読み出しを行
う撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、ノイズの少ない画像を撮像する
ことができる撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、高速動作に適した撮
像装置を提供することを目的の一つとする。または、解像度の高い撮像装置を提供するこ
とを目的の一つとする。または、集積度の高い撮像装置を提供することを目的の一つとす
る。または、低照度下で撮像することができる撮像装置を提供することを目的の一つとす
る。または、広い温度範囲において使用可能な撮像装置を提供することを目的の一つとす
る。または、高開口率の撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の
高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な撮像装置などを提供す
ることを目的の一つとする。または、上記撮像装置の駆動方法を提供することを目的の一
つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。
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。
る。
1の容量素子と、第2の容量素子と、を有する撮像装置であって、光電変換素子の一方の
電極は第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一方は第2のトランジスタのソースまたはドレイン
の一方と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は第3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1の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第3の
トランジスタのソースまたはドレインの他方は第4のトランジスタのソースまたはドレイ
ンの一方と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は第5
のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレイ
ンの他方は第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第5のトランジスタのソー
スまたはドレインの一方は第6のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に
接続され、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第3のトランジスタおよび第4の
トランジスタは、チャネルが形成される領域に酸化物半導体を有することを特徴とする撮
像装置である。
、第1の画素は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと
、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第6のトランジスタと、第1の光電変
換素子と、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を含んで構成され、第2の画素は、第
7のトランジスタと、第8のトランジスタと、第9のトランジスタと、第4のトランジス
タと、第5のトランジスタと、第6のトランジスタと、第2の光電変換素子と、第3の容
量素子と、第2の容量素子と、を含んで構成され、第1の光電変換素子の一方の電極は第
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一方は第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と
電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は第3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1の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第3のトランジ
スタのソースまたはドレインの他方は第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方
と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は第5のトラン
ジスタのゲートと電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方
は第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第5のトランジスタのソースまたは
ドレインの一方は第6のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され
、第2の光電変換素子の一方の電極は第7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7のトランジスタのソースまたはドレインの一方は第8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7のトランジスタのソース
またはドレインの他方は第9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7のトランジスタのソースまたはドレインの他方は第3の容量素子の一方の電
極と電気的に接続され、第9のトランジスタのソースまたはドレインの他方は第4のトラ
ンジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第9のトランジスタのソー
スまたはドレインの他方は第5のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第9のトラ
ンジスタのソースまたはドレインの他方は第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続さ
れ、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第3のトランジスタ、第4のトランジス
タ、第7のトランジスタ、第8のトランジスタおよび第9のトランジスタ、は、チャネル
が形成される領域に酸化物半導体を有することを特徴とする撮像装置である。
できる。また、第2のトランジスタのゲートと、第8のトランジスタのゲートは電気的に
接続することができる。
ることができる。
Ce、NdまたはHf)と、を有することが好ましい。また、第5のトランジスタおよび
第6のトランジスタもチャネルが形成される領域に酸化物半導体を有していてもよい。
例えば、セレンとしては非晶質セレンまたは結晶セレンを用いることができる。
素子による電荷の蓄積と、第2の画素が有する第1の電荷蓄積部への第2の光電変換素子
による電荷の蓄積と、を同じタイミングで行う第1のステップと、第1の画素が有する第
1の電荷蓄積部の電荷の第1の画素が有する第2の電荷蓄積部への転送と、第2の画素が
有する第1の電荷蓄積部の電荷の第2の画素が有する第2の電荷蓄積部への転送と、を同
じタイミングで行う第2のステップと、第1の画素が有する第2の電荷蓄積部の電荷を電
荷検出部に転送し、電荷検出部の電位に対応した信号を読み出す第3のステップと、電荷
検出部の電位をリセットする第4のステップと、第2の画素が有する第2の電荷蓄積部の
電荷を電荷検出部に転送し、電荷検出部の電位に対応した信号を読み出す第5のステップ
と、電荷検出部の電位をリセットする第6のステップと、を上記順序で行うことを特徴と
する撮像装置の動作方法である。
上の自然数)で行い、第3のステップ乃至第6のステップを第n+1フレームで行っても
よい。
装置を提供することができる。または、複数の画素で配線を共有することができる撮像装
置を提供することができる。または、複数の画素でトランジスタを共有する構成を有し、
グローバルシャッタ方式で撮像することができる撮像装置を提供することができる。また
は、露光期間中に前フレームのデータの読み出しを行う撮像装置を提供することができる
。または、ノイズの少ない画像を撮像することができる撮像装置を提供することができる
。または、高速動作に適した撮像装置を提供することができる。または、解像度の高い撮
像装置を提供することができる。または、集積度の高い撮像装置を提供することができる
。または、低照度下で撮像することができる撮像装置を提供することができる。または、
広い温度範囲において使用可能な撮像装置を提供することができる。または、高開口率の
撮像装置を提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置を提供することができ
る。または、新規な撮像装置などを提供することができる。または、上記撮像装置の動作
方法を提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。
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。
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。
順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」な
どと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞
と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場
合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする
。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず
、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものと
する。
、など)であるとする。
とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイ
オード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であ
り、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量
素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに
、XとYとが、接続されている場合である。
とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイ
オード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが
可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイ
ッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか
流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択し
て切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、Xと
Yとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変
換回路(D/A変換回路、A/D変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路
(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路な
ど)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出
来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号
生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能
である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された
信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、X
とYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、X
とYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
が電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子または別の回路を挟ん
で接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYと
の間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されてい
る場合(つまり、XとYとの間に別の素子または別の回路を挟まずに接続されている場合
)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と
明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている
場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)
が、Z2を介して(または介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタ
のソース(または第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部
がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)が、Z2の
一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下
のように表現することが出来る。
第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(ま
たは第1の端子など)、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)、Yの順序で
電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース
(または第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(または
第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(または第1の端
子など)、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)、Yは、この順序で電気的
に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(
または第1の端子など)とドレイン(または第2の端子など)とを介して、Yと電気的に
接続され、X、トランジスタのソース(または第1の端子など)、トランジスタのドレイ
ン(または第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することが
できる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規
定することにより、トランジスタのソース(または第1の端子など)と、ドレイン(また
は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
)は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路
は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した、ト
ランジスタのソース(または第1の端子など)とトランジスタのドレイン(または第2の
端子など)との間の経路であり、前記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トラ
ンジスタのドレイン(または第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、
Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有しておらず、前
記第3の接続経路は、Z2を介した経路である。」と表現することができる。または、「
トランジスタのソース(または第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって
、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有し
ておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタ
のドレイン(または第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介
して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有していな
い。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(または第1の端子な
ど)は、少なくとも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、
前記第1の電気的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、前記第2の電気的パスは、
トランジスタのソース(または第1の端子など)からトランジスタのドレイン(または第
2の端子など)への電気的パスであり、トランジスタのドレイン(または第2の端子など
)は、少なくとも第3の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前
記第3の電気的パスは、第4の電気的パスを有しておらず、前記第4の電気的パスは、ト
ランジスタのドレイン(または第2の端子など)からトランジスタのソース(または第1
の端子など)への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表
現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタ
のソース(または第1の端子など)と、ドレイン(または第2の端子など)とを、区別し
て、技術的範囲を決定することができる。
、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、
層、など)であるとする。
る場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もあ
る。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、およ
び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における
電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている
場合も、その範疇に含める。
じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜
」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用
語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
さによって大きさが決定される。したがって、「接地」「GND」「グラウンド」などと
記載されている場合であっても、必ずしも、電位が0ボルトであるとは限らないものとす
る。例えば、回路で最も低い電位を基準として、「接地」や「GND」を定義する場合も
ある。または、回路で中間くらいの電位を基準として、「接地」や「GND」を定義する
場合もある。その場合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定されるこ
ととなる。
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。
電荷検出部の電位に対応した信号の出力を行うトランジスタ、および画素を選択するトラ
ンジスタを共有し、かつグローバルシャッタ方式で撮像を行うことができる撮像装置の回
路構成および動作方法である。また、第nフレーム(nは1以上の自然数)で撮像データ
の取得を行い、第n+1フレームで当該撮像データの読み出しを行うことができる。
することができる。すなわち、画素を高集積化することができる。また、第n+1フレー
ムで撮像データの読み出しを行うため、第nフレームでの撮像時間を長くとることができ
る。そのため、低照度下においてもノイズが少なく、階調を維持した広ダイナミックレン
ジの画像を取得することができる。
化物半導体を有するトランジスタを用いることができる。当該トランジスタはオフ電流が
小さく、画素内にデータを保持するメモリを簡易に構成することができる。
おいてはトランジスタがn−ch型である場合の例を示すが、本発明の一態様はこれに限
定されず、一部のトランジスタをp−ch型トランジスタに置き換えてもよい。
ドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ41のソースまたはドレインの一方
は、トランジスタ42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41のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ43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41のソースまたはドレインの他方は、容量素子
C1の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ43のソースまたはドレインの他
方は、トランジスタ44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43のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ45のゲートと電気的に接続さ
れる。トランジスタ43のソースまたはドレインの他方は、容量素子C2の一方の電極と
電気的に接続される。トランジスタ45のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ
46のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。
方およびトランジスタ42のソースまたはドレインの一方が接続されるノードANを第1
の電荷蓄積部とする。また、トランジスタ41のソースまたはドレインの他方、トランジ
スタ43のソースまたはドレインの一方および容量素子C1の一方の電極が接続されるノ
ードFDを第2の電荷蓄積部とする。また、トランジスタ43のソースまたはドレインの
他方、トランジスタ44のソースまたはドレインの一方、トランジスタ45のゲートおよ
び容量素子C2の一方の電極が接続されるノードFDXを電荷検出部とする。
る。トランジスタ42のソースまたはドレインの他方およびトランジスタ44のソースま
たはドレインの他方は、配線72(VRS)に電気的に接続される。容量素子C1の他方
の電極および容量素子C2の他方の電極は、配線73(VSS)に電気的に接続される。
トランジスタ45のソースまたはドレインの他方は、配線74(VPI)に電気的に接続
される。トランジスタ46のソースまたはドレインの他方は、配線91(OUT1)に電
気的に接続される。
共有する例を示しているが、それぞれが異なる配線と電気的に接続してもよい。
線77(VRS2)と電気的に接続し、容量素子C2の他方の電極が配線78(VSS2
)と電気的に接続される構成としてもよい。また、図2(B)に示すように、トランジス
タ44のソースまたはドレインの他方は配線74(VPI)と電気的に接続する構成とし
てもよい。また、図2(C)に示すように、容量素子C1および容量素子C2の他方の電
極が配線73(VPD)と電気的に接続する構成としてもよい。また、図2(D)に示す
ように、トランジスタ42およびトランジスタ44のソースまたはドレインの他方は配線
74(VPI)と電気的に接続する構成としてもよい。また、図2(E)に示すように、
トランジスタ42のソースまたはドレインの他方は、隣接する画素の配線74(VPI)
と電気的に接続してもよい。また、図2(F)に示すように、トランジスタ42およびト
ランジスタ44のソースまたはドレインの他方は、隣接する画素の配線74(VPI)と
電気的に接続してもよい。
配線77(VRS2)、および配線78(VSS2)は、電源線としての機能を有するこ
とができる。例えば、配線71(VPD)、配線73(VSS)および配線78(VSS
2)は、低電位電源線として機能させることができる。配線72(VRS)、配線74(
VPI)、および配線77(VRS2)は、高電位電源線として機能させることができる
。
42のゲートは、配線62(RS1)と電気的に接続される。トランジスタ43のゲート
は、配線63(TX)と電気的に接続される。トランジスタ44のゲートは、配線64(
RS2)と電気的に接続される。トランジスタ46のゲートは、配線65(SE)と電気
的に接続される。
び配線65(SE)は、それぞれが接続されるトランジスタの導通を制御する信号線とし
て機能させることができる。なお、配線63(TX)は行毎に制御することができる。
て機能させることができる。トランジスタ42は、ノードANの電位をリセットするため
のトランジスタとして機能させることができる。トランジスタ43は、ノードFDの電位
をノードFDXに転送するためのトランジスタとして機能させることができる。トランジ
スタ44は、ノードFDXの電位をリセットするためのトランジスタとして機能させるこ
とができる。トランジスタ45は、ノードFDXの電位に対応した信号の出力を行うため
のトランジスタとして機能させることができる。トランジスタ46は、画素20を選択す
るためのトランジスタとして機能させることができる。
容量素子、または一部の配線等が含まれない場合もある。または、上述した構成に含まれ
ない回路、トランジスタ、容量素子、配線等が含まれる場合もある。また、一部の配線の
接続形態が上述した構成とは異なる場合もある。
クス状に配列された画素ブロック21を有する画素アレイ26と、画素ブロック21を駆
動する機能を有する回路22(ロードライバ)と、画素ブロック21の出力信号に対して
CDS(Correlated Double Sampling)動作を行うための回
路23(CDS回路)と、回路23から出力されたアナログデータをデジタルデータに変
換する機能を有する回路24(A/D変換回路等)と、回路24で変換されたデータを選
択して読み出す機能を有する回路25(カラムドライバ)と、を有する。なお、回路23
を設けない構成とすることもできる。
b、20c、20d)を有する構成とすることができる。詳細は後述するが、画素ブロッ
ク21は当該複数の画素20で一部のトランジスタを共有した構成を有する。
のブロック図である。回路23は、トランジスタ51、トランジスタ52、容量素子C3
および容量素子C4を有する構成とすることができる。また、回路24はコンパレータ回
路27およびカウンター回路29を有する構成とすることができる。
ドレインの一方に配線91(OUT1)が電気的に接続され、ソースまたはドレインの他
方には電源線が接続される。当該電源線は、例えば低電位電源線とすることができる。ま
た、トランジスタ53のゲートには常時バイアス電圧が印加されている状態とする。
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51のソースまたは
ドレインの一方は容量素子C3の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ52の
ソースまたはドレインの他方は容量素子C4の一方の電極と電気的に接続される。トラン
ジスタ52のソースまたはドレインの他方は、配線92(OUT2)と電気的に接続され
る。トランジスタ51のソースまたはドレインの他方は、例えば基準電位が供給される高
電位電源線(CDSVDD)と電気的に接続される。容量素子C4の他方の電極は、例え
ば低電位電源線(CDSVSS)と電気的に接続される。
ジスタ51およびトランジスタ52を導通させる。次に、画素20から配線91(OUT
1)に撮像データの電位を出力し、配線92(OUT2)に基準電位(CDSVDD)を
保持する。その後、トランジスタ51を非導通として画素20から配線91(OUT1)
にリセット電位(ここでは撮像データの電位よりも高い電位、例えばVDD電位とする)
を出力する。このとき、配線92(OUT2)は、撮像データの電位とリセット電位の差
分の絶対値を基準電位(CDSVDD)に加算した電位となる。したがって、基準電位(
CDSVDD)に正味の撮像データの電位を加算した、ノイズの少ない電位信号を回路2
4に供給することができる。
場合、配線92(OUT2)は撮像データの電位とリセット電位の差分の絶対値を基準電
位(CDSVDD)から減算した電位となる。
基準電位(RAMP)とが比較される。そして、コンパレータ回路27の出力に応じてカ
ウンター回路29が動作し、配線93(OUT3)にデジタル信号が出力される。
ブロック21aは、配線91(OUT1)が延在する方向(以下、垂直方向)に並んだ4
画素(画素20a、20b、20c、20d)でトランジスタ44、トランジスタ45お
よびトランジスタ46を共有している。また、図4では画素ブロック21aが4画素を有
する構成を例示しているが、2画素、3画素、または5画素以上を有する構成であっても
よい。
S1)、配線63(RS2)および配線65(GTX)は4画素で共有することができる
。また、これらの配線は、垂直方向に設けられる他の画素ブロック21aと共有すること
ができる。
に回路を配置することで、配線の引き回しを最小限に抑えることができ、垂直方向2画素
で配線71(VPD)を共有しやすい構成とすることができる。また、配線71(VPD
)は配線64(SE)が延在する方向(以下、水平方向)に設けられる他の画素ブロック
21aと共有することができる。
61d(TX4)は、水平方向に設けられる他の画素ブロック21aと共有することがで
きる。
m,n+1]の構成を示す図である。なお、m、nは任意の自然数であり、それぞれ行、
列を意味する。画素20の動作条件において、配線72(VRS)および配線74(VP
I)が同等の電位である場合、図5に示すように一方の配線を省き、他方の配線を画素ブ
ロック21a[m,n]および画素ブロック21a[m,n+1]で共有することができ
る。
ブロック21bは、水平垂直方向の計4画素(画素20a、20b、20c、20d)で
トランジスタ44、トランジスタ45およびトランジスタ46を共有する構成である。画
素ブロック21bにおいても、各種配線は垂直方向または水平方向に設けられる他の画素
ブロック21bと共有することができる。
m,n+1]の構成を示す図である。図6に示す画素ブロックでは、配線72(VRS)
が水平方向の両端に位置するため、図7に示すように一方の配線72(VRS)を省き、
他方の配線72(VRS)を画素ブロック21b[m,n]および画素ブロック21b[
m,n+1]で共有することができる。
示す画素ブロック21aの動作について説明する。本発明の一態様の撮像装置はグローバ
ルシャッタ方式で動作し、現フレームでの撮像データの取得および前フレームの撮像デー
タの読み出しを並行して行うことができる。
0(A)、(B)、(C)において、“E”は露光動作が行える期間、“R”は読み出し
動作が行える期間を意味する。また、nはn番目(nは2以上の自然数)のフレームであ
る第nフレームを意味する。また、n−1は第nフレームの一つ前のフレーム、n+1は
第nフレームの一つ後のフレームを意味する。なお、ここでは画素がマトリクス状に設け
られた場合を想定し、画素ブロックは考慮しない。Line[1]は1行目の画素、Li
ne[M]はM行目(最終行)の画素を意味する。
ャッタ方式は、行毎に露光とデータの読み出しを順次行う動作方法である。全画素におい
て撮像の同時性がないため、動体の撮像においては画像に歪が生じる。
バルシャッタ方式は、全画素で同時に露光を行い、その後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。ただし
、画素数が増大すると読み出し時間も増大するため、露光時間が制限されてしまう。
該動作方法はグローバルシャッタ方式であって、第nフレームで全画素の同時露光を行い
、第n+1フレームにおいて第nフレームで取得したデータの読み出しを行う。1フレー
ム期間内に同一フレームの露光と読み出しを行わないため、従来のグローバルシャッタ方
式のように読み出し時間の増大によって、露光時間が制限されることはない。したがって
、露光時間を長くすることができる。
D)は低電位(“L”)、配線72(VRS)および配線74(VPI)は高電位(“H
”)とする。
の電位、GTXは配線65(GTX)の電位、TX1は配線61a(TX1)の電位、T
X4は配線61d(TX4)の電位、AN1は画素20aにおけるノードAN1の電位、
AN4は画素20dにおけるノードAN4の電位、FD1は画素20aにおけるノードF
D1の電位、FD4は画素20dにおけるノードFD4の電位、FDXはノードFDXの
電位、SE[1]は1行目の画素ブロック21aに接続される配線64(SE)の電位、
SE[M]は最終行の画素ブロック21aに接続される配線64(SE)の電位である。
配線72(VRS)の電位)となる(S1)。
る(S2)。
ードFD1乃至ノードFD4にそれぞれ転送される(S10)。
撮像データの取得動作である。なお、このときFD[1:4]に保持された撮像データは
次フレームで読み出される。
読み出しについて説明する。
(VRS)の電位)となる(S3)。
行目の画素ブロック21aが選択される(S4)。また、ノードFD1の電位がノードF
DXに転送され、FD1およびFDXに対応する信号が回路23で読み出される(S5、
S6)。
D1およびFDXがリセットされ、かつ当該リセット電位に対応する信号が回路23で読
み出される(S5、S7)。前述したように回路23では撮像データに対応する信号とリ
セット電位に対応する信号との差分を検出することができ、ノイズの少ない撮像データを
得ることができる。
至ノードFD4の電位を順次ノードFDXに転送し、それぞれの撮像データの読み出しを
行う(S5−S8)。
、それぞれの画素ブロック21aの撮像データの読み出しを行う(S4−S9)。以上が
前フレームで取得した撮像データの読み出し動作である。
FD(第2の電荷保持部)およびノードFDX(電荷検出部)を有し、ノードANで取得
した撮像データをノードFDに転送し、当該撮像データをノードFDからノードFDXへ
順次転送して読み出す動作を行う。したがって、画素ブロック内で一部のトランジスタを
共有する構成としてもグローバルシャッタ方式での動作を可能とする。
タの読み出しを並行して行うことができる。撮像データを次フレームで読み出すことで、
グローバルシャッタ方式を用いても1フレーム期間内において露光などに割り当てる時間
を長くすることができる。したがって、低照度下においても広ダイナミックレンジ、低ノ
イズの画像を取得することができる。
しを行う動作を示したが、ノードFDXと接続されるトランジスタ等に起因するノイズを
削減するため、両者を非導通とした状態で読み出しを行ってもよい。
み出しを行う動作を示しており、図9のタイミングチャートとはTX1、TX4のみが異
なる。以下では代表的にTX1に関する動作を説明する。
(VRS)の電位)となる。
ードFDXに転送される。
り、FDXは保持される。このとき、回路23を動作させ、FDX(撮像データ)に対応
する信号を読み出す。
セットされる。
り、FDXは保持される。このとき、回路23を動作させ、FDX(リセット電位)に対
応する信号を読み出す。以上によって、ノードFDとノードFDXを非導通とした状態で
読み出しを行うことができる。
の読み出しを行うこともできる。当該動作を図12に示すタイミングチャートを用いて説
明する。
D[1:4]はリセットされて“H”(配線72(VRS)の電位)となる。
4]が低下し始める。
“H”(配線72(VRS)の電位)となる。また、ノードAN1乃至ノードAN4の電
位がノードFD1乃至ノードFD4にそれぞれ転送される。
H”とすると、1行目の画素ブロック21aが選択される。また、ノードFD1の電位が
ノードFDXに転送され、FD1およびFDXに対応する信号が回路23で読み出される
。
D1およびFDXがリセットされ、かつ当該リセット電位に対応する信号が回路23で読
み出される。以降は図9のタイミングチャートの説明と同様に各画素および各画素ブロッ
クから撮像データを読み出すことができる。
読み出しを行う動作を示している。ノードFDとノードFDXが非導通の状態で読み出し
を行うには、図13のタイミングチャートに従って動作させればよい。
光電変換素子PDの接続される向きが図1に示す画素20と異なる。この場合、ノードA
N、ノードFDおよびノードFDXはリセット時に低電位とし、光を照射することによっ
て電位を上昇させる。この構成の場合、配線71(VPD)および配線74(VPI)は
高電位(“H”)、配線72(VRS)、配線73(VSS)は低電位(“L”)とすれ
ばよい。
図15(A)に示すように、トランジスタ45のソースまたはドレインの一方が配線91
(OUT1)に接続する構成であってもよい。
もよい。図16は、図15(B)に示す画素20で画素ブロック21cを構成した例であ
る。画素ブロック21cでは、リセット期間において配線71(VPD)を高電位とし、
光電変換素子PDに順方向バイアスをかけることによりノードANの電位をリセットする
ことができる。当該動作は、図9、図11、図12および図13に示すタイミングチャー
トのRS1が“H”となるタイミングで行えばよい。
合は、図17に示すタイミングチャートの時刻T1から時刻T2の期間に示すように、R
S2、GTX、TX1、TX4を同じタイミングで“H”としてノードAN、ノードFD
およびノードFDXをリセットしてもよい。
スタ41乃至トランジスタ46にバックゲートを設けた構成であってもよい。図18(A
)はバックゲートに定電位を印加する構成であり、しきい値電圧を制御することができる
。図18(A)では、一例としてバックゲートが低電位を供給する配線71(VPD)、
配線73(VSS)または配線75(VSS2)と接続する例を示しているが、いずれか
一つの配線に接続する構成であってもよい。また、図18(B)はフロントゲートと同じ
電位がバックゲートに印加される構成であり、オン電流を増加させ、かつオフ電流を減少
させることができる。また、所望のトランジスタが適切な電気特性を有するように、図1
8(A)および図18(B)の構成などを組み合わせた構成としてもよい。なお、バック
ゲートが設けられないトランジスタがあってもよい。また、図1、図2(A)乃至(F)
、図14(A)、(B)、図15(A)、(B)、および18(A)、(B)の構成は、
必要に応じて組み合わせることができる。
基板35との積層構造とすることができる。例えば、図19(A)を画素アレイ26の上
面図、図19(B)を基板35の上面図としたとき、図19(C)の斜視図に示すような
画素アレイ26と基板35との積層構成とすることができる。当該構成とすることで、そ
れぞれの要素に適したトランジスタを用いることができ、かつ撮像装置の面積を小さくす
ることができる。なお、図19(B)における回路のレイアウトは一例であり、他のレイ
アウトであってもよい。
を用いたトランジスタ(以下、Siトランジスタ)を用いて作製することが好ましい。例
えば、基板35をシリコン基板とし、当該シリコン基板に上記回路を形成することができ
る。また、画素アレイ26は、酸化物半導体を用いたトランジスタ(以下、OSトランジ
スタ)を用いて作製することが好ましい。なお、回路22乃至回路25を構成する一部の
トランジスタを画素アレイ26と同じ面上に設けてもよい。
(A)に示す断面図は、図1に示す画素20における光電変換素子PD、トランジスタ4
1、トランジスタ43および容量素子C1の具体的な接続形態の一例を示している。なお
、図20(A)にはトランジスタ42、トランジスタ44、トランジスタ45、トランジ
スタ46および容量素子C2は図示されていない。トランジスタ41乃至トランジスタ4
6および容量素子C1、C2は層1100、光電変換素子PDは層1200に設けること
ができる。
1)を個別の要素として図示しているが、それらが電気的に接続している場合においては
、同一の要素として設けられる場合もある。また、配線と電極が導電体81を介して接続
される形態は一例であり、電極が配線と直接接続される場合もある。
絶縁層83等が設けられる。例えば、絶縁層82および絶縁層83等は、酸化シリコン膜
、酸化窒化シリコン膜などの無機絶縁膜を用いることができる。または、アクリル樹脂、
ポリイミド樹脂などの有機絶縁膜などを用いてもよい。絶縁層82および絶縁層83等の
上面は、必要に応じてCMP(Chemical Mechanical Polish
ing)法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
ンジスタ等が各層に含まれる場合もある。また、図面に示されない層が含まれる場合もあ
る。また、図面に示される層の一部が含まれない場合もある。
タを用いることが好ましい。OSトランジスタは極めて低いオフ電流特性を有するため、
撮像のダイナミックレンジを拡大することができる。図1に示す画素20の回路構成では
、光電変換素子PDに入射される光の強度が大きいときにノードAN、ノードFDおよび
ノードFDXの電位が小さくなる。OSトランジスタは極めてオフ電流が低いため、ゲー
ト電位が極めて小さい場合においても当該ゲート電位に応じた電流を正確に出力すること
ができる。したがって、検出することのできる照度のレンジ、すなわちダイナミックレン
ジを広げることができる。
の低いオフ電流特性によってノードAN、ノードFDおよびノードFDX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。そのため、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適用することが
できる。なお、本発明の一態様の撮像装置は、ローリングシャッタ方式で動作させること
もできる。
特性変動の温度依存性が小さいため、極めて広い温度範囲で使用することができる。した
がって、OSトランジスタを有する撮像装置および半導体装置は、自動車、航空機、宇宙
機などへの搭載にも適している。
セレン系材料を光電変換層とした光電変換素子では、アバランシェ増倍を利用するために
比較的高い電圧(例えば、10V以上)を印加して動作させることが好ましい。したがっ
て、OSトランジスタと、セレン系材料を光電変換層とした光電変換素子とを組み合わせ
ることで、信頼性の高い撮像装置とすることができる。
図20(B)に示すように、バックゲートを有さない形態であってもよい。また、図20
(C)に示すように一部のトランジスタ、例えばトランジスタ41のみにバックゲートを
有するような形態であってもよい。当該バックゲートは、対向して設けられるトランジス
タのフロントゲートと電気的に接続する場合がある。または、当該バックゲートにフロン
トゲートとは異なる固定電位が供給される場合がある。なお、当該バックゲート有無に関
する形態は、本実施の形態で説明する他の画素の構成にも適用することができる。
図20(A)では、セレン系材料を光電変換層561に用いた形態を図示している。セレ
ン系材料を用いた光電変換素子PDは、可視光に対する外部量子効率が高い特性を有する
。また、セレン系材料は光吸収係数が高いため、光電変換層561を薄くしやすい利点を
有する。セレン系材料を用いた光電変換素子PDでは、アバランシェ倍増により増幅が大
きい高感度のセンサとすることができる。つまり、セレン系材料を光電変換層561に用
いることで、画素面積が縮小しても十分な光電流を得ることができる。したがって、セレ
ン系材料を用いた光電変換素子PDは、低照度環境における撮像にも適しているといえる
。
ンは、例えば、非晶質セレンを成膜後に熱処理することで得ることができる。結晶セレン
の結晶粒径を画素ピッチより小さくすることで、画素ごとの特性ばらつきを低減させるこ
とができる。また、結晶セレンは、非晶質セレンよりも可視光に対する分光感度や光吸収
係数が高い特性を有する。
ように受光面側に正孔注入阻止層568として酸化ガリウム、酸化セリウムまたはIn−
Ga−Zn酸化物などを設けてもよい。または、図21(B)に示すように、電極566
側に電子注入阻止層569として酸化ニッケルまたは硫化アンチモンなどを設けてもよい
。または、図21(C)に示すように、正孔注入阻止層568および電子注入阻止層56
9を設ける構成としてもよい。なお、図1および図14(A)に示すように、画素20で
は光電変換素子PDの接続の向きが異なる構成とすることができる。したがって、図21
(A)乃至図21(C)に示す正孔注入阻止層568および電子注入阻止層569を入れ
替える構成であってもよい。
い。または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物(CIGS)を含む層であって
もよい。CISおよびCIGSでは、セレンの単層と同様にアバランシェ増倍を利用する
光電変換素子を形成することができる。
6と透光性導電層562との間に光電変換層561を有する構成とすることができる。ま
た、CISおよびCIGSはp型半導体であり、接合を形成するためにn型半導体の硫化
カドミウムや硫化亜鉛等を接して設けてもよい。
(A)に示すように配線88を介して両者が接する構成としてもよい。また、図20(A
)では光電変換層561および透光性導電層562を画素回路間で分離しない構成として
いるが、図22(B)に示すように回路間で分離する構成としてもよい。また、画素間に
おいては、電極566を有さない領域には絶縁体で隔壁567を設け、光電変換層561
および透光性導電層562に亀裂が入らないようにすることが好ましいが、図22(C)
、(D)に示すように隔壁567を設けない構成としてもよい。
うに、電極566を導電層566aおよび導電層566bの二層とし、配線71を導電層
71aおよび導電層71bの二層とすることができる。図23(A)の構成においては、
例えば、導電層566aおよび導電層71aを低抵抗の金属等を選択して形成し、導電層
566aおよび導電層71aを光電変換層561とコンタクト特性の良い金属等を選択し
て形成するとよい。このような構成とすることで、光電変換素子PDの電気特性を向上さ
せることができる。また、一部の金属は透光性導電層562と接触することにより電蝕を
起こすことがある。そのような金属を導電層71aに用いた場合でも導電層71bを介す
ることによって電蝕を防止することができる。
ることができる。また、導電層566aおよび導電層71aには、例えば、アルミニウム
、チタン、またはアルミニウムをチタンで挟むような積層を用いることができる。
88を介して接続してもよい。また、絶縁層82等が多層である構成であってもよい。例
えば、図23(B)に示すように、絶縁層82が絶縁層82aおよび絶縁層82bを有し
、かつ絶縁層82aと絶縁層82bとのエッチングレート等が異なる場合は、導電体81
は段差を有するようになる。層間絶縁膜や平坦化膜に用いられるその他の絶縁層が多層で
ある場合も同様に導電体81は段差を有するようになる。ここでは絶縁層82が2層であ
る例を示したが、絶縁層82およびその他の絶縁層は3層以上の構成であってもよい。
壁567は、トランジスタ等に対する遮光、および/または1画素あたりの受光部の面積
を確定するために黒色等に着色されていてもよい。
型ダイオード素子などを用いてもよい。
。当該フォトダイオードは、n型の半導体層565、i型の半導体層564、およびp型
の半導体層563が順に積層された構成を有している。i型の半導体層564には非晶質
シリコンを用いることが好ましい。また、p型の半導体層563およびn型の半導体層5
65には、それぞれの導電型を付与するドーパントを含む非晶質シリコンまたは微結晶シ
リコンなどを用いることができる。非晶質シリコンを光電変換層とするフォトダイオード
は可視光の波長領域における感度が高く、微弱な可視光を検知しやすい。
ランジスタ41と電気的な接続を有する電極566と接する構成となっている。また、ア
ノードとして作用するp型の半導体層563が配線88を介して配線71と電気的な接続
を有する。
接続形態を逆とすれば、図14(A)に示す回路図に従った構成とすることができる。
を形成することが好ましい。p型の半導体層563を受光面とすることで、光電変換素子
PDの出力電流を高めることができる。
に光電変換素子PDおよび配線の接続形態は、図25(A)、(B)、(C)に示す例で
あってもよい。なお、光電変換素子PDの構成、光電変換素子PDと配線の接続形態はこ
れらに限定されず、他の形態であってもよい。
を設けた構成である。透光性導電層562は電極として作用し、光電変換素子PDの出力
電流を高めることができる。
化物、亜鉛を含む酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛、アルミニウムを
含む酸化亜鉛、酸化錫、フッ素を含む酸化錫、アンチモンを含む酸化錫、グラフェンまた
は酸化グラフェン等を用いることができる。また、透光性導電層562は単層に限らず、
異なる膜の積層であっても良い。
続された構成である。なお、光電変換素子PDのp型の半導体層563と配線71が導電
体81および配線88を介して接続された構成とすることもできる。なお、図25(B)
においては、透光性導電層562を設けない構成とすることもできる。
部が設けられ、当該開口部を覆う透光性導電層562と配線71が電気的な接続を有する
構成である。
したフォトダイオードを用いることもできる。
工程、リソグラフィ工程、エッチング工程などの一般的な半導体作製工程を用いて作製す
るこができる。また、セレン系材料は高抵抗であり、図20(A)に示すように、光電変
換層561を回路間で分離しない構成とすることもできる。したがって、本発明の一態様
の撮像装置は、歩留りが高く、低コストで作製することができる。一方で、シリコン基板
600を光電変換層としたフォトダイオードを形成する場合は、研磨工程や貼り合わせ工
程などの難度の高い工程が必要となる。
構成としてもよい。例えば、図27(A)に示すように、シリコン基板600に活性領域
を有するトランジスタ610およびトランジスタ620を有する層1400が画素回路と
重なる構成とすることができる。図27(B)はトランジスタのチャネル幅方向の断面図
に相当する。
いるが、図28(A)に示すようにプレーナー型であってもよい。または、図28(B)
に示すように、シリコン薄膜の活性層650を有するトランジスタであってもよい。また
、活性層650は、多結晶シリコンやSOI(Silicon on Insulato
r)の単結晶シリコンとすることができる。
信号を変換する処理などを行う機能を有することができ、例えば、図28(C)に回路図
で示すCMOSインバータを含む構成とすることができる。トランジスタ610(n−c
h型)およびトランジスタ620(p−ch型)のゲートは電気的に接続される。また、
一方のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、他方のトランジスタのソースまた
はドレインの一方と電気的に接続される。また、両方のトランジスタのソースまたはドレ
インの他方はそれぞれ別の配線に電気的に接続される。
回路22、回路23、回路24、回路25などに相当する。
ルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン
、窒化ガリウム、有機半導体を材料とする基板を用いることもできる。
ジスタが形成される領域と、Siデバイス(SiトランジスタまたはSiフォトダイオー
ド)が形成される領域との間には絶縁層80が設けられる。
素はシリコンのダングリングボンドを終端する。したがって、当該水素はトランジスタ6
10およびトランジスタ620の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ4
1等の活性層である酸化物半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体
層中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、当該水素はトランジスタ41等
の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用い
たトランジスタを有する一方の層と、OSトランジスタを有する他方の層を積層する場合
、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層80を設けることが好ましい。
絶縁層80により、一方の層に水素を閉じ込めることでトランジスタ610およびトラン
ジスタ620の信頼性が向上することができる。また、一方の層から他方の層への水素の
拡散が抑制されることでトランジスタ41等の信頼性も向上させることができる。
、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。
えば駆動回路)と、トランジスタ41等と、光電変換素子PDとを重なるように形成する
ことができるため、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を
高めることができる。例えば、画素数が4K2K、8K4Kまたは16K8Kなどの撮像
装置に用いることが適する。なお、画素20が有するトランジスタ45およびトランジス
タ46をSiトランジスタで形成し、トランジスタ41、トランジスタ42、トランジス
タ43、トランジスタ44、光電変換素子PD等と、重なる領域を有する構成とすること
もできる。
す撮像装置は図27(A)に示す撮像装置の変形例であり、OSトランジスタおよびSi
トランジスタでCMOSインバータを構成する例を図示している。
し、層1100に設けるOSトランジスタであるトランジスタ610はn−ch型とする
。p−ch型トランジスタのみをシリコン基板600に設けることで、ウェル形成やn型
不純物層形成など工程を省くことができる。
同様にpin型の薄膜フォトダイオードを用いた構成としてもよい。
スタ41およびトランジスタ43と同一の工程で作製することができる。したがって、撮
像装置の製造工程を簡略化することができる。
れた光電変換素子PDおよびその上に形成されたOSトランジスタで構成された画素を有
する構成と、回路が形成されたシリコン基板600とを貼り合わせた構成としてもよい。
このような構成とすることで、シリコン基板660に形成する光電変換素子PDの実効的
な面積を大きくすることが容易になる。また、シリコン基板600に形成する回路を微細
化したSiトランジスタで高集積化することで高性能な半導体装置を提供することができ
る。
ジスタで回路を構成する形態であってもよい。このような構成とすることで、シリコン基
板660に形成する光電変換素子PDの実効的な面積を向上することが容易になる。また
、シリコン基板600に形成する回路を微細化したSiトランジスタで高集積化すること
で高性能な半導体装置を提供することができる。
形成されたOSトランジスタでCMOS回路を構成することができる。OSトランジスタ
は極めてオフ電流が低いため、静的なリーク電流が極めて少ないCMOS回路を構成する
ことができる。
一例である。したがって、例えば、トランジスタ41乃至トランジスタ46の一つ以上を
活性領域または活性層にシリコン等を有するトランジスタで構成することもできる。また
、トランジスタ610およびトランジスタ620の両方または一方を活性層に酸化物半導
体層を有するトランジスタで構成することもできる。
該断面図は、3画素分の画素回路を有する領域の一部を示している。光電変換素子PDが
形成される層1200上には、絶縁層2500が形成される。絶縁層2500は可視光に
対して透光性の高い酸化シリコン膜などを用いることができる。また、パッシベーション
膜として窒化シリコン膜を積層する構成としてもよい。また、反射防止膜として、酸化ハ
フニウムなどの誘電体膜を積層する構成としてもよい。
カラーフィルタを通る光の混色を防止する機能を有する。遮光層2510には、アルミニ
ウム、タングステンなどの金属層や当該金属層と反射防止膜としての機能を有する誘電体
膜を積層する構成とすることができる。
構成とすることができる。また、画素別にカラーフィルタ2530(カラーフィルタ25
30a、カラーフィルタ2530b、カラーフィルタ2530c)が形成される。例えば
、カラーフィルタ2530a、カラーフィルタ2530bおよびカラーフィルタ2530
cに、R(赤)、G(緑)、B(青)、Y(黄)、C(シアン)、M(マゼンタ)などの
色を割り当てることにより、カラー画像を得ることができる。
る。
0を用いてもよい。このような構成とすることで、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。
撮像装置とすることができる。また、光学変換層2550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2550
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
。
線の強弱を可視化した画像を得る撮像装置とすることができる。被写体を透過したX線等
の放射線がシンチレータに入射されると、フォトルミネッセンスと呼ばれる現象により可
視光線や紫外光線などの光(蛍光)に変換される。そして、当該光を光電変換素子PDで
検知することにより画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。
て可視光や紫外光を発する物質を含む。例えば、Gd2O2S:Tb、Gd2O2S:P
r、Gd2O2S:Eu、BaFCl:Eu、NaI、CsI、CaF2、BaF2、C
eF3、LiF、LiI、ZnO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。
ることができるため、シンチレータを不要とする構成とすることもできる。
bおよびカラーフィルタ2530c上にマイクロレンズアレイ2540を設けてもよい。
マイクロレンズアレイ2540が有する個々のレンズを通る光が直下のカラーフィルタを
通り、光電変換素子PDに照射されるようになる。また、図32(D)に示すように、光
学変換層2550上にマイクロレンズアレイ2540を設けてもよい。なお、図32(A
)、(B)、(C)、(D)に示す層1200以外の領域を層1600とする。
540等の具体的な積層構成を例示する図である。図33は、図27(A)に示す画素の
構成を用いた例である。また、図34は、図31に示す画素の構成を用いた例である。
いに重なる領域を有するように構成することができるため、撮像装置を小型化することが
できる。
折格子1500を介した被写体の像(回折画像)を画素に取り込み、画素における撮像画
像から演算処理により入力画像(被写体の像)を構成することができる。また、レンズの
替わりに回折格子1500を用いることで撮像装置のコストを下げることができる。
ン膜、酸化窒化シリコン膜などの無機絶縁膜を用いることができる。または、アクリル樹
脂、ポリイミド樹脂などの有機絶縁膜などを用いてもよい。または、上記無機絶縁膜と有
機絶縁膜との積層であってもよい。
できる。また、リソグラフィ工程とエッチング工程とを用いて形成することもできる。ま
た、ナノインプリントリソグラフィやレーザスクライブなどを用いて形成することもでき
る。
Xは、1mm以下、好ましくは100μm以下とすることができる。当該間隔は空間でも
よいし、透光性を有する材料を封止層または接着層として設けてもよい。例えば、窒素や
希ガスなどの不活性ガスを当該間隔に封じ込めることができる。または、アクリル樹脂、
エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂などを当該間隔に設けてもよい。またはシリコーンオ
イルなどの液体を設けてもよい。なお、マイクロレンズアレイ2540を設けない場合に
おいても、カラーフィルタ2530と回折格子1500との間に間隔Xを設けてもよい。
。図35(A1)は、撮像装置を同図中の二点鎖線Y1−Y2に沿って湾曲させた状態を
示している。図35(A2)は、図35(A1)中の二点鎖線X1−X2で示した部位の
断面図である。図35(A3)は、図35(A1)中の二点鎖線Y1−Y2で示した部位
の断面図である。
図中の二点鎖線Y3−Y4に沿って湾曲させた状態を示している。図35(B2)は、図
35(B1)中の二点鎖線X3−X4で示した部位の断面図である。図35(B3)は、
図35(B1)中の二点鎖線Y3−Y4で示した部位の断面図である。
像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、
収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた半導体装置などの小型
化や軽量化を容易とすることができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事がで
きる。
において、本発明の一態様について述べる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定さ
れない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載され
ているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様と
して、撮像装置に適用した場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない
。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、撮像装置に適用しなくて
もよい。例えば、本発明の一態様は、別の機能を有する半導体装置に適用してもよい。例
えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域な
どが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されな
い。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジス
タ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域など
は、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明
の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トラ
ンジスタのソースドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲル
マニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、
窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例
えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジ
スタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域な
どは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
である。
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体を有するトランジ
スタについて図面を用いて説明する。なお、本実施の形態における図面では、明瞭化のた
めに一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。
ある。図36(A)は上面図であり、図36(A)に示す一点鎖線B1−B2方向の断面
が図36(B)に相当する。また、図36(A)に示す一点鎖線B3−B4方向の断面が
図38(A)に相当する。また、一点鎖線B1−B2方向をチャネル長方向、一点鎖線B
3−B4方向をチャネル幅方向と呼称する。
物半導体層130と、酸化物半導体層130と電気的に接続する導電層140および導電
層150と、酸化物半導体層130、導電層140および導電層150と接する絶縁層1
60と、絶縁層160と接する導電層170と、導電層140、導電層150、絶縁層1
60および導電層170と接する絶縁層175と、絶縁層175と接する絶縁層180と
、を有する。また、必要に応じて絶縁層180に平坦化膜としての機能を付加してもよい
。
ゲート絶縁膜、導電層170はゲート電極層としてそれぞれ機能することができる。
33はチャネル形成領域として機能することができる。領域231および領域232は導
電層140および導電層150とそれぞれ接しており、導電層140および導電層150
として酸素と結合しやすい導電材料を用いれば領域231および領域232を低抵抗化す
ることができる。
酸化物半導体層130内に酸素欠損が生じ、当該酸素欠損と酸化物半導体層130内に残
留または外部から拡散する水素との相互作用により、領域231および領域232は低抵
抗のn型となる。
採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることが
ある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替
えて用いることができるものとする。また、「電極層」は、「配線」と言い換えることも
できる。
ているが、一層または三層以上の積層であってもよい。当該構成は本実施の形態で説明す
る他のトランジスタにも適用できる。
上の積層であってもよい。当該構成は本実施の形態で説明する他のトランジスタにも適用
できる。
い。図36(C)はトランジスタ102の上面図であり、図36(C)に示す一点鎖線C
1−C2方向の断面が図36(D)に相当する。また、図36(C)に示す一点鎖線C3
−C4方向の断面は、図38(B)に相当する。また、一点鎖線C1−C2方向をチャネ
ル長方向、一点鎖線C3−C4方向をチャネル幅方向と呼称する。
として作用する導電層170の端部とを一致させない点を除き、トランジスタ101と同
様の構成を有する。トランジスタ102の構造は、導電層140および導電層150が絶
縁層160で広く覆われているため、導電層140および導電層150と導電層170と
の間の抵抗が高く、ゲートリーク電流の少ない特徴を有している。
電層150が重なる領域を有するトップゲート構造である。当該領域のチャネル長方向の
幅は、寄生容量を小さくするために3nm以上300nm未満とすることが好ましい。当
該構成では、酸化物半導体層130にオフセット領域が形成されないため、オン電流の高
いトランジスタを形成しやすい。
い。図36(E)はトランジスタ103の上面図であり、図36(E)に示す一点鎖線D
1−D2方向の断面が図36(F)に相当する。また、図36(E)に示す一点鎖線D3
−D4方向の断面は、図38(A)に相当する。また、一点鎖線D1−D2方向をチャネ
ル長方向、一点鎖線D3−D4方向をチャネル幅方向と呼称する。
物半導体層130と、酸化物半導体層130と接する絶縁層160と、絶縁層160と接
する導電層170と、酸化物半導体層130、絶縁層160および導電層170を覆う絶
縁層175と、絶縁層175と接する絶縁層180と、絶縁層175および絶縁層180
に設けられた開口部を通じて酸化物半導体層130と電気的に接続する導電層140およ
び導電層150を有する。また、必要に応じて絶縁層180、導電層140および導電層
150に接する絶縁層(平坦化膜)などを有していてもよい。
ゲート絶縁膜、導電層170はゲート電極層としてそれぞれ機能することができる。
33はチャネル形成領域として機能することができる。領域231および領域232は絶
縁層175と接しており、例えば絶縁層175として水素を含む絶縁材料を用いれば領域
231および領域232を低抵抗化することができる。
じる酸素欠損と、絶縁層175から領域231および領域232に拡散する水素との相互
作用により、領域231および領域232は低抵抗のn型となる。なお、水素を含む絶縁
材料としては、例えば窒化シリコンや窒化アルミニウムなどを用いることができる。
い。図37(A)はトランジスタ104の上面図であり、図37(A)に示す一点鎖線E
1−E2方向の断面が図37(B)に相当する。また、図37(A)に示す一点鎖線E3
−E4方向の断面は、図38(A)に相当する。また、一点鎖線E1−E2方向をチャネ
ル長方向、一点鎖線E3−E4方向をチャネル幅方向と呼称する。
を覆うように接している点を除き、トランジスタ103と同様の構成を有する。
領域335はドレイン領域、領域333はチャネル形成領域として機能することができる
。
2と同様に低抵抗化することができる。
域232と同様に低抵抗化することができる。なお、チャネル長方向における領域334
および領域335の長さが100nm以下、好ましくは50nm以下の場合には、ゲート
電界の寄与によりオン電流は大きく低下しない。したがって、領域334および領域33
5の低抵抗化を行わない場合もある。
電層150が重なる領域を有さないセルフアライン構造である。セルフアライン構造のト
ランジスタはゲート電極層とソース電極層およびドレイン電極層間の寄生容量が極めて小
さいため、高速動作用途に適している。
い。図37(C)はトランジスタ105の上面図であり、図37(C)に示す一点鎖線F
1−F2方向の断面が図37(D)に相当する。また、図37(C)に示す一点鎖線F3
−F4方向の断面は、図38(A)に相当する。また、一点鎖線F1−F2方向をチャネ
ル長方向、一点鎖線F3−F4方向をチャネル幅方向と呼称する。
物半導体層130と、酸化物半導体層130と電気的に接続する導電層141および導電
層151と、酸化物半導体層130、導電層141、導電層151と接する絶縁層160
と、絶縁層160と接する導電層170と、酸化物半導体層130、導電層141、導電
層151、絶縁層160および導電層170と接する絶縁層175と、絶縁層175と接
する絶縁層180と、絶縁層175および絶縁層180に設けられた開口部を通じて導電
層141および導電層151とそれぞれ電気的に接続する導電層142および導電層15
2を有する。また、必要に応じて絶縁層180、導電層142および導電層152に接す
る絶縁層などを有していてもよい。
には接しない構成となっている。
び絶縁層180に設けられた開口部を有する点、ならびに当該開口部を通じて導電層14
1および導電層151とそれぞれ電気的に接続する導電層142および導電層152を有
する点を除き、トランジスタ101と同様の構成を有する。導電層140(導電層141
および導電層142)はソース電極層として作用させることができ、導電層150(導電
層151および導電層152)はドレイン電極層として作用させることができる。
い。図37(E)はトランジスタ106の上面図であり、図37(E)に示す一点鎖線G
1−G2方向の断面が図37(F)に相当する。また、図37(A)に示す一点鎖線G3
−G4方向の断面は、図38(A)に相当する。また、一点鎖線G1−G2方向をチャネ
ル長方向、一点鎖線G3−G4方向をチャネル幅方向と呼称する。
物半導体層130と、酸化物半導体層130と電気的に接続する導電層141および導電
層151と、酸化物半導体層130と接する絶縁層160と、絶縁層160と接する導電
層170と、絶縁層120、酸化物半導体層130、導電層141、導電層151、絶縁
層160、導電層170と接する絶縁層175と、絶縁層175と接する絶縁層180と
、絶縁層175および絶縁層180に設けられた開口部を通じて導電層141および導電
層151とそれぞれ電気的に接続する導電層142および導電層152を有する。また、
必要に応じて絶縁層180、導電層142および導電層152に接する絶縁層(平坦化膜
)などを有していてもよい。
には接しない構成となっている。
タ103と同様の構成を有する。導電層140(導電層141および導電層142)はソ
ース電極層として作用させることができ、導電層150(導電層151および導電層15
2)はドレイン電極層として作用させることができる。
50が絶縁層120と接しない構成であるため、絶縁層120中の酸素が導電層140お
よび導電層150に奪われにくくなり、絶縁層120から酸化物半導体層130中への酸
素の供給を容易とすることができる。
ランジスタ106における領域334および領域335には、酸素欠損を形成し導電率を
高めるための不純物を添加してもよい。酸化物半導体層に酸素欠損を形成する不純物とし
ては、例えば、リン、砒素、アンチモン、ホウ素、アルミニウム、シリコン、窒素、ヘリ
ウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、インジウム、フッ素、塩素、チタン、
亜鉛、および炭素のいずれかから選択される一つ以上を用いることができる。当該不純物
の添加方法としては、プラズマ処理法、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイ
マージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
元素および酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸化物半導体層に含まれる酸
素欠損と酸化物半導体層中に残存または後から添加される水素の相互作用により、酸化物
半導体層の導電率を高くすることができる。
損サイトに水素が入り伝導帯近傍にドナー準位が形成される。その結果、酸化物導電体を
形成することができる。ここでは、導電体化された酸化物半導体を酸化物導電体という。
なお、酸化物導電体は酸化物半導体と同様に透光性を有する。
いると推定される。このため、酸化物導電体層とソース電極層およびドレイン電極層とし
て機能する導電層との接触はオーミック接触であり、酸化物導電体層とソース電極層およ
びドレイン電極層として機能する導電層との接触抵抗を低減することができる。
)、(F)に示すチャネル長方向の断面図、ならびに図38(C)、(D)に示すチャネ
ル幅方向の断面図のように、酸化物半導体層130と基板115との間に導電層173を
備えていてもよい。導電層173を第2のゲート電極層(バックゲート)として用いるこ
とで、オン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。なお、図39(A)
、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)に示す断面図において、導電層173の幅を
酸化物半導体層130よりも短くしてもよい。さらに、導電層173の幅を導電層170
の幅よりも短くしてもよい。
ゲートトランジスタとして駆動させればよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、導
電層170とは異なる定電位を導電層173に供給すればよい。導電層170と導電層1
73を同電位とするには、例えば、図38(D)に示すように、導電層170と導電層1
73とをコンタクトホールを介して電気的に接続すればよい。
化物半導体層130が単層である例を図示したが、酸化物半導体層130は積層であって
もよい。トランジスタ101乃至トランジスタ106の酸化物半導体層130は、図40
(B)、(C)または図40(D)、(E)に示す酸化物半導体層130と入れ替えるこ
とができる。
造である酸化物半導体層130の断面図である。また、図40(D)、(E)は、三層構
造である酸化物半導体層130の断面図である。
ぞれ組成の異なる酸化物半導体層などを用いることができる。
い。図41(A)はトランジスタ107の上面図であり、図41(A)に示す一点鎖線H
1−H2方向の断面が図41(B)に相当する。また、図41(A)に示す一点鎖線H3
−H4方向の断面が図43(A)に相当する。また、一点鎖線H1−H2方向をチャネル
長方向、一点鎖線H3−H4方向をチャネル幅方向と呼称する。
物半導体層130aおよび酸化物半導体層130bからなる積層と、当該積層と電気的に
接続する導電層140および導電層150と、当該積層、導電層140および導電層15
0と接する酸化物半導体層130cと、酸化物半導体層130cと接する絶縁層160と
、絶縁層160と接する導電層170と、導電層140、導電層150、酸化物半導体層
130c、絶縁層160および導電層170と接する絶縁層175と、絶縁層175と接
する絶縁層180と、を有する。また、必要に応じて絶縁層180に平坦化膜としての機
能を付加してもよい。
層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b)である点、領域233において
酸化物半導体層130が三層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b、酸化
物半導体層130c)である点、および導電層140および導電層150と絶縁層160
との間に酸化物半導体層の一部(酸化物半導体層130c)が介在している点を除き、ト
ランジスタ101と同様の構成を有する。
い。図41(C)はトランジスタ108の上面図であり、図41(C)に示す一点鎖線I
1−I2方向の断面が図41(D)に相当する。また、図41(C)に示す一点鎖線I3
−I4方向の断面が図43(B)に相当する。また、一点鎖線I1−I2方向をチャネル
長方向、一点鎖線I3−I4方向をチャネル幅方向と呼称する。
0の端部と一致しない点がトランジスタ107と異なる。
い。図41(E)はトランジスタ109の上面図であり、図41(E)に示す一点鎖線J
1−J2方向の断面が図41(F)に相当する。また、図41(E)に示す一点鎖線J3
−J4方向の断面が図43(A)に相当する。また、一点鎖線J1−J2方向をチャネル
長方向、一点鎖線J3−J4方向をチャネル幅方向と呼称する。
物半導体層130aおよび酸化物半導体層130bからなる積層と、当該積層と接する酸
化物半導体層130cと、酸化物半導体層130cと接する絶縁層160と、絶縁層16
0と接する導電層170と、当該積層、酸化物半導体層130c、絶縁層160および導
電層170を覆う絶縁層175と、絶縁層175と接する絶縁層180と、絶縁層175
および絶縁層180に設けられた開口部を通じて当該積層と電気的に接続する導電層14
0および導電層150を有する。また、必要に応じて絶縁層180、導電層140および
導電層150に接する絶縁層(平坦化膜)などを有していてもよい。
層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b)である点、領域233において
酸化物半導体層130が三層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b、酸化
物半導体層130c)である点を除き、トランジスタ103と同様の構成を有する。
い。図42(A)はトランジスタ110の上面図であり、図42(A)に示す一点鎖線K
1−K2方向の断面が図42(B)に相当する。また、図42(A)に示す一点鎖線K3
−K4方向の断面が図43(A)に相当する。また、一点鎖線K1−K2方向をチャネル
長方向、一点鎖線K3−K4方向をチャネル幅方向と呼称する。
層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b)である点、領域333において
酸化物半導体層130が三層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b、酸化
物半導体層130c)である点を除き、トランジスタ104と同様の構成を有する。
い。図42(C)はトランジスタ111の上面図であり、図42(C)に示す一点鎖線L
1−L2方向の断面が図42(D)に相当する。また、図42(C)に示す一点鎖線L3
−L4方向の断面が図43(A)に相当する。また、一点鎖線L1−L2方向をチャネル
長方向、一点鎖線L3−L4方向をチャネル幅方向と呼称する。
物半導体層130aおよび酸化物半導体層130bからなる積層と、当該積層と電気的に
接続する導電層141および導電層151と、当該積層、導電層141および導電層15
1と接する酸化物半導体層130cと、酸化物半導体層130cと接する絶縁層160と
、絶縁層160と接する導電層170と、当該積層、導電層141、導電層151、酸化
物半導体層130c、絶縁層160および導電層170と接する絶縁層175と、絶縁層
175と接する絶縁層180と、絶縁層175および絶縁層180に設けられた開口部を
通じて導電層141および導電層151とそれぞれ電気的に接続する導電層142および
導電層152を有する。また、必要に応じて絶縁層180、導電層142および導電層1
52に接する絶縁層(平坦化膜)などを有していてもよい。
層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b)である点、領域233において
酸化物半導体層130が三層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b、酸化
物半導体層130c)である点、ならびに導電層141および導電層151と絶縁層16
0との間に酸化物半導体層の一部(酸化物半導体層130c)が介在している点を除き、
トランジスタ105と同様の構成を有する。
い。図42(E)はトランジスタ112の上面図であり、図42(E)に示す一点鎖線M
1−M2方向の断面が図42(F)に相当する。また、図42(E)に示す一点鎖線M3
−M4方向の断面が図43(A)に相当する。また、一点鎖線M1−M2方向をチャネル
長方向、一点鎖線M3−M4方向をチャネル幅方向と呼称する。
酸化物半導体層130が二層(酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130b)であ
る点、領域333において酸化物半導体層130が三層(酸化物半導体層130a、酸化
物半導体層130b、酸化物半導体層130c)である点を除き、トランジスタ106と
同様の構成を有する。
)、(F)に示すチャネル長方向の断面図、ならびに図43(C)、(D)に示すチャネ
ル幅方向の断面図のように、酸化物半導体層130と基板115との間に導電層173を
備えていてもよい。当該導電層を第2のゲート電極層(バックゲート)として用いること
で、オン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。なお、図44(A)、
(B)、(C)、(D)、(E)、(F)に示す断面図において、導電層173の幅を酸
化物半導体層130よりも短くしてもよい。さらに、導電層173の幅を導電層170の
幅よりも短くしてもよい。
することもできる。図45(A)は上面図であり、図45(B)は、図45(A)に示す
一点鎖線N1−N2、および一点鎖線N3−N4に対応する断面図である。なお、図45
(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
5上の絶縁層120と、絶縁層120上の酸化物半導体層130(酸化物半導体層130
a、酸化物半導体層130b、酸化物半導体層130c)と、酸化物半導体層130に接
し、間隔を開けて配置された導電層140および導電層150と、酸化物半導体層130
cと接する絶縁層160と、絶縁層160と接する導電層170を有する。なお、酸化物
半導体層130c、絶縁層160および導電層170は、トランジスタ113上の絶縁層
190に設けられた酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130bおよび絶縁層12
0に達する開口部に設けられている。
またはドレインとなる導電体とゲート電極となる導電体の重なる領域が少ないため、寄生
容量を小さくすることができる。したがって、トランジスタ113は、高速動作を必要と
する回路の要素として適している。トランジスタ113の上面は、図45(B)に示すよ
うにCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等を用
いて平坦化することが好ましいが、平坦化しない構成とすることもできる。
層150(ドレイン電極層)は、図46(A)、(B)に示す上面図(酸化物半導体層1
30、導電層140および導電層150のみを図示)のように酸化物半導体層130の幅
(WOS)よりも導電層140および導電層150の幅(WSD)が長く形成されていて
もよいし、短く形成されていてもよい。WOS≧WSD(WSDはWOS以下)とするこ
とで、ゲート電界が酸化物半導体層130全体にかかりやすくなり、トランジスタの電気
特性を向上させることができる。また、図46(C)に示すように、導電層140および
導電層150が酸化物半導体層130と重なる領域のみに形成されていてもよい。
ずれの構成においても、ゲート電極層である導電層170は、ゲート絶縁膜である絶縁層
160を介して酸化物半導体層130のチャネル幅方向を電気的に取り囲み、オン電流が
高められる。このようなトランジスタの構造を、surrounded channel
(s−channel)構造とよぶ。
らびに酸化物半導体層130a、酸化物半導体層130bおよび酸化物半導体層130c
を有するトランジスタにおいては、酸化物半導体層130を構成する二層または三層の材
料を適切に選択することで酸化物半導体層130bに電流を流すことができる。酸化物半
導体層130bに電流が流れることで、界面散乱の影響を受けにくく、高いオン電流を得
ることができる。したがって、酸化物半導体層130bを厚くすることでオン電流が向上
する場合がある。
できる。
本実施の形態では、実施の形態2に示したトランジスタの構成要素について詳細を説明す
る。
理された金属基板などを用いることができる。または、トランジスタやフォトダイオード
が形成されたシリコン基板、および当該シリコン基板上に絶縁層、配線、コンタクトプラ
グとして機能を有する導電体等が形成されたものを用いることができる。なお、シリコン
基板にp−ch型のトランジスタを形成する場合は、n−型の導電型を有するシリコン基
板を用いることが好ましい。または、n−型またはi型のシリコン層を有するSOI基板
であってもよい。また、シリコン基板に設けるトランジスタがp−ch型である場合は、
トランジスタを形成する面の面方位は、(110)面であるシリコン基板を用いることが
好ましい。(110)面にp−ch型トランジスタを形成することで、移動度を高くする
ことができる。
ほか、酸化物半導体層130に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶
縁層120は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含
む絶縁膜であることがより好ましい。絶縁層120は、TDS法で測定した酸素原子に換
算した酸素の放出量が1.0×1019atoms/cm3以上であることが好ましい。
なお、上記TDS分析時における膜の表面温度は100℃以上700℃以下、または10
0℃以上500℃以下の範囲とする。また、基板115が他のデバイスが形成された基板
である場合、絶縁層120は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平
坦になるようにCMP法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム
、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜
、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒
化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いることができる。また、上記材料の積層であ
ってもよい。
物半導体層130cを絶縁層120側から順に積んだ三層構造とすることができる。
0bに相当する層を用いればよい。
び酸化物半導体層130bに相当する層を絶縁層120側から順に積んだ積層を用いれば
よい。この構成の場合、酸化物半導体層130aと酸化物半導体層130bとを入れ替え
ることもできる。
体層130cよりも電子親和力(真空準位から伝導帯下端までのエネルギー)が大きい酸
化物半導体を用いる。
ち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体層130bにチャネルが形成され
る。したがって、酸化物半導体層130bは半導体として機能する領域を有するといえる
が、酸化物半導体層130aおよび酸化物半導体層130cは絶縁体または半絶縁体とし
て機能する領域を有するともいえる。
cとして用いることのできる酸化物半導体は、少なくともInもしくはZnを含むことが
好ましい。または、InとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用
いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを
含むことが好ましい。
タビライザーとしては、ランタノイドである、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、G
d、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等がある。
結晶部が含まれることが好ましい。特にc軸に配向した結晶を用いることでトランジスタ
に安定した電気特性を付与することができる。また、c軸に配向した結晶は歪曲に強く、
フレキシブル基板を用いた半導体装置の信頼性を向上させることができる。
50には、例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、W、Ni、Mn、Nd、Sc
、および当該金属材料の合金から選ばれた材料の単層、または積層を用いることができる
。代表的には、特に酸素と結合しやすいTiや、後のプロセス温度が比較的高くできるこ
となどから、融点の高いWを用いることがより好ましい。また、低抵抗のCuやCu−M
nなどの合金と上記材料との積層を用いてもよい。トランジスタ105、トランジスタ1
06、トランジスタ111、トランジスタ112においては、例えば、導電層141およ
び導電層151にW、導電層142および導電層152にTiとAlとの積層膜などを用
いることができる。
た酸化物半導体層の一部の領域では酸化物半導体膜中の酸素が脱離し、酸素欠損が形成さ
れる。膜中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域は顕著に
n型化する。したがって、n型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインと
して作用させることができる。
よい。窒素をドーピングすることで酸素を引き抜く性質を適度に弱めることができ、n型
化した領域がチャネル領域まで拡大することを防ぐことができる。また、導電層140お
よび導電層150をn型の半導体層との積層とし、n型の半導体層と酸化物半導体層を接
触させることによってもn型化した領域がチャネル領域まで拡大することを防ぐことがで
きる。n型の半導体層としては、窒素が添加されたIn−Ga−Zn酸化物、酸化亜鉛、
酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズなどを用いることができる。
酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸
化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、
酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、
絶縁層160は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁層160に、La、N、Zr
などを、不純物として含んでいてもよい。
、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化
シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁層160の膜厚を
大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オ
フ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハ
フニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したが
って、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウム
を用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる
。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
放出量の少ない膜を用いることが好ましい。窒素酸化物の放出量の多い絶縁層と酸化物半
導体が接した場合、窒素酸化物に起因する準位密度が高くなることがある。絶縁層120
および絶縁層160には、例えば、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜また
は酸化窒化アルミニウム膜等の酸化物絶縁層を用いることができる。
出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が1×10
18cm−3以上5×1019cm−3以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の
表面温度が50℃以上650℃以下、好ましくは50℃以上550℃以下の加熱処理によ
る放出量とする。
タのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動
を低減することができる。
、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Ag、Mn、Nd、Sc、TaおよびWなどの導電膜を
用いることができる。また、上記材料の合金や上記材料の導電性窒化物を用いてもよい。
また、上記材料、上記材料の合金、および上記材料の導電性窒化物から選ばれた複数の材
料の積層であってもよい。代表的には、タングステン、タングステンと窒化チタンの積層
、タングステンと窒化タンタルの積層などを用いることができる。また、低抵抗のCuま
たはCu−Mnなどの合金や上記材料とCuまたはCu−Mnなどの合金との積層を用い
てもよい。本実施の形態では、導電層171に窒化タンタル、導電層172にタングステ
ンを用いて導電層170を形成する。
とができる。実施の形態2に示したトランジスタ103、トランジスタ104、トランジ
スタ106、トランジスタ109、トランジスタ110、およびトランジスタ112では
、絶縁層175として水素を含む絶縁膜を用いることで酸化物半導体層の一部をn型化す
ることができる。また、窒化絶縁膜は水分などのブロッキング膜としての作用も有し、ト
ランジスタの信頼性を向上させることができる。
態2に示したトランジスタ101、トランジスタ102、トランジスタ105、トランジ
スタ107、トランジスタ108、およびトランジスタ111では絶縁層175に酸化ア
ルミニウム膜を用いることが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物
、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミ
ニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物
の酸化物半導体層130への混入防止、酸素の酸化物半導体層からの放出防止、絶縁層1
20からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している
。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体層中に拡散させることもでき
る。
は、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリ
コン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ラ
ンタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用い
ることができる。また、当該絶縁層は上記材料の積層であってもよい。
とが好ましい。絶縁層180から放出される酸素は絶縁層160を経由して酸化物半導体
層130のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形
成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの
電気特性を得ることができる。
の微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、特にチャネル幅
が縮小するとオン電流が低下する。
る酸化物半導体層130bを覆うように酸化物半導体層130cが形成されており、チャ
ネル形成層とゲート絶縁膜が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成層とゲ
ート絶縁膜との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタのオン電
流を大きくすることができる。
ネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層(導電層170)が形成されているた
め、酸化物半導体層130に対しては上面に垂直な方向からのゲート電界に加えて、側面
に垂直な方向からのゲート電界が印加される。すなわち、チャネル形成層に対して全体的
にゲート電界が印加されることになり実効チャネル幅が拡大するため、さらにオン電流を
高められる。
ッタ法やプラズマCVD法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱CVD
法により形成してもよい。熱CVD法の例としては、MOCVD(Metal Orga
nic Chemical Vapor Deposition)法やALD(Atom
ic Layer Deposition)法などがある。
されることが無いという利点を有する。
大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで
成膜を行ってもよい。
ーに導入・反応させ、これを繰り返すことで成膜を行う。原料ガスと一緒に不活性ガス(
アルゴン、或いは窒素など)をキャリアガスとして導入しても良い。例えば2種類以上の
原料ガスを順番にチャンバーに供給してもよい。その際、複数種の原料ガスが混ざらない
ように第1の原料ガスの反応後、不活性ガスを導入し、第2の原料ガスを導入する。ある
いは、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1の原料ガスを排出した後、第
2の原料ガスを導入してもよい。第1の原料ガスが基板の表面に吸着・反応して第1の層
を成膜し、後から導入される第2の原料ガスが吸着・反応して、第2の層が第1の層上に
積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数
回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガ
ス導入の繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり
、微細なFETを作製する場合に適している。
金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、In−Ga
−Zn−O膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム(In(CH3)3)、トリメ
チルガリウム(Ga(CH3)3)、およびジメチル亜鉛(Zn(CH3)2)を用いる
ことができる。これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチ
ルガリウム(Ga(C2H5)3)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル
亜鉛(Zn(C2H5)2)を用いることもできる。
ハフニウム前駆体を含む液体(ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハ
フニウム(TDMAH、Hf[N(CH3)2]4)やテトラキス(エチルメチルアミド
)ハフニウムなどのハフニウムアミド)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(
O3)の2種類のガスを用いる。
とアルミニウム前駆体を含む液体(トリメチルアルミニウム(TMA、Al(CH3)3
)など)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてH2Oの2種類のガスを用いる。他の材
料としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、ア
ルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート)など
がある。
ロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス(O2、一酸化二窒素)のラジカルを供
給して吸着物と反応させる。
スとB2H6ガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WF6ガスとH
2ガスを順次導入してタングステン膜を形成する。なお、B2H6ガスに代えてSiH4
ガスを用いてもよい。
膜を成膜する場合には、In(CH3)3ガスとO3ガスを順次導入してIn−O層を形
成し、その後、Ga(CH3)3ガスとO3ガスを順次導入してGaO層を形成し、更に
その後Zn(CH3)2ガスとO3ガスを順次導入してZnO層を形成する。なお、これ
らの層の順番はこの例に限らない。これらのガスを用いてIn−Ga−O層やIn−Zn
−O層、Ga−Zn−O層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、O3ガスに変え
てAr等の不活性ガスでバブリングして得られたH2Oガスを用いても良いが、Hを含ま
ないO3ガスを用いる方が好ましい。
。当該対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法を、VDSP(vapor
deposition SP)と呼ぶこともできる。
酸化物半導体層の成膜時におけるプラズマ損傷を低減することができる。そのため、膜中
の酸素欠損を低減することができる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用い
ることで低圧での成膜が可能となるため、成膜された酸化物半導体層中の不純物濃度(例
えば水素、希ガス(アルゴンなど)、水など)を低減させることができる。
できる。
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体層の材料について
説明する。
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、
イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、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。
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などとする。そのほかの元
素Mに適用可能な元素としては、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、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組
み合わせても構わない場合がある。
半導体が有するインジウム、元素Mおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明す
る。なお、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体が有するインジウ
ム、元素M、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]
とする。
:[Zn]=(1+α):(1−α):1の原子数比(−1≦α≦1)となるライン、[
In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):2の原子数比となるライン、[I
n]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):3の原子数比となるライン、[In
]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):4の原子数比となるライン、および[
In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5の原子数比となるラインを表す
。
るライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]
:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]
=1:4:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子
数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比となるラ
インを表す。
ウム、元素M、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
4の結晶構造を示す。また、図48は、b軸に平行な方向から観察した場合のInMZn
O4の結晶構造である。なお、図48に示すM、Zn、酸素を有する層(以下、(M,Z
n)層)における金属元素は、元素Mまたは亜鉛を表している。この場合、元素Mと亜鉛
の割合が等しいものとする。元素Mと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である
。
インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)が1に対し、元素M、亜鉛、および
酸素を有する(M,Zn)層が2となる。
Mがインジウムと置換し、(In,M,Zn)層と表すこともできる。その場合、In層
が1に対し、(In,M,Zn)層が2である層状構造をとる。
に対し、(M,Zn)層が3である層状構造をとる。つまり、[In]および[M]に対
し[Zn]が大きくなると、酸化物半導体が結晶化した場合、In層に対する(M,Zn
)層の割合が増加する。
である場合、In層が1層に対し、(M,Zn)層の層数が整数である層状構造を複数種
有する場合がある。例えば、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1.5である場合、
In層が1に対し、(M,Zn)層が2である層状構造と、(M,Zn)層が3である層
状構造とが混在する層状構造となる場合がある。
らずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの
[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。
えば、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比の近傍値である原子数比では
、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、[In]:[
M]:[Zn]=1:0:0を示す原子数比の近傍値である原子数比では、ビックスバイ
ト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物半導体中に複数の相が
共存する場合、異なる結晶構造の間において、粒界(グレインバウンダリーともいう)が
形成される場合がある。
度)を高くすることができる。これは、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有する酸化物半
導体では、主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率
を高くすることにより、s軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率
が高い酸化物半導体はインジウムの含有率が低い酸化物半導体と比較してキャリア移動度
が高くなるためである。
低くなる。したがって、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0を示す原子数比、およ
びその近傍値である原子数比(例えば図47(C)に示す領域C)では、絶縁性が高くな
る。
ない層状構造となりやすい、図47(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好
ましい。
1、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が[In]:[M]
:[Zn]=5:3:4が含まれる。領域Bで示される原子数比を有する酸化物半導体は
、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物半導体である。
い。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比で
あっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。した
がって、図示する領域は、酸化物半導体が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、
領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。
減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができ
る。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
えば、酸化物半導体は、キャリア密度が8×1011/cm3未満、好ましくは1×10
11/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10−9/
cm3以上とすればよい。
ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純
度真性である酸化物半導体は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場
合がある。
く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い
酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合
がある。
度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには
、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、
アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素
の濃度と、酸化物半導体との界面近傍の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/cm3以下、好ましくは2×1017at
oms/cm3以下となる領域を有するように制御する。
成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金
属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、酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減するこ
とが好ましい。具体的には、SIMS分析により得られる酸化物半導体中のアルカリ金属
またはアルカリ土類金属の濃度が、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2
×1016atoms/cm3以下となる領域を有するように制御する。
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半導体に
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。したがって、該酸化物半導体に
おいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、SIMS分析により
得られる酸化物半導体中の窒素濃度が、5×1019atoms/cm3未満、好ましく
は5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm
3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下となる領域を有するよう
に制御する。
、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子
が生成される場合がある。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ことがある。したがって、水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、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、SIMS分析により得られ
る酸化物半導体中の水素濃度が、1×1020atoms/cm3未満、好ましくは1×
1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満
、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満となる領域を有するように制御
する。
で、安定した電気特性を付与することができる。また、上述のように高純度化された酸化
物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、
ソースとドレインとの間の電圧を0.1V、5V、または、10V程度とした場合に、ト
ランジスタのチャネル幅あたりのオフ電流を数yA/μm乃至数zA/μmにまで低減す
ることが可能となる。
半導体S1、酸化物半導体S2、および酸化物半導体S3の積層構造に接する絶縁体のバ
ンド図と、酸化物半導体S2および酸化物半導体S3の積層構造に接する絶縁体のバンド
図と、について、図49を用いて説明する。なお、酸化物半導体S1は酸化物半導体層1
30a、酸化物半導体S2は酸化物半導体層130b、酸化物半導体S3は酸化物半導体
層130cに相当する。
、および絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図49
(B)は、絶縁体I1、酸化物半導体S2、酸化物半導体S3、および絶縁体I2を有す
る積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするた
め絶縁体I1、酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、酸化物半導体S3、および絶縁体
I2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)を示す。
ー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体S2の伝導帯下端のエネルギー準位
と、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.
15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが
好ましい。すなわち、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3の電子親和力よりも、酸化物
半導体S2の電子親和力が大きく、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3の電子親和力と
、酸化物半導体S2の電子親和力との差は、0.15eV以上、または0.5eV以上、
かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。
、酸化物半導体S3において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言
すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド図を
有するためには、酸化物半導体S1と酸化物半導体S2との界面、または酸化物半導体S
2と酸化物半導体S3との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよ
い。
3が、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合
層を形成することができる。例えば、酸化物半導体S2がIn−Ga−Zn酸化物半導体
の場合、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3として、In−Ga−Zn酸化物半導体、
Ga−Zn酸化物半導体、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
半導体S2との界面、および酸化物半導体S2と酸化物半導体S3との界面における欠陥
準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、
高いオン電流が得られる。
め、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物半導体S1、
酸化物半導体S3を設けることにより、トラップ準位を酸化物半導体S2より遠ざけるこ
とができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフト
することを防止することができる。
低い材料を用いる。このとき、酸化物半導体S2、酸化物半導体S2と酸化物半導体S1
との界面、および酸化物半導体S2と酸化物半導体S3との界面が、主にチャネル領域と
して機能する。例えば、図47(C)において、絶縁性が高くなる領域Cで示す原子数比
の酸化物半導体を用いればよい。
物半導体S1および酸化物半導体S3には、[M]/[In]が1以上、好ましくは2以
上となる原子数比の酸化物半導体を用いることが好ましい。また、酸化物半導体S3とし
て、十分に高い絶縁性を得ることができる[M]/([Zn]+[In])が1以上とな
るような原子数比の酸化物半導体を用いることが好適である。
できる。
以下では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体の構造について説明する。
配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、
「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう
。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。
。
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
れる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned
crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物
半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semicond
uctor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−l
ike oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがあ
る。
導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−
OS、多結晶酸化物半導体およびnc−OSなどがある。
が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さな
い、などといわれている。
rphous)酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない(例えば、微小な領域に
おいて周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一
方、a−like OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な
構造である。不安定であるという点では、a−like OSは、物性的に非晶質酸化物
半導体に近い。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
導体の一種である。
析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnO4の
結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行う
と、図50(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピー
クは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSで
は、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともい
う。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°
近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近
傍のピークは、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC
−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。
ne法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、I
nGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し
、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を
行っても、図50(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZ
nO4に対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図50(C)に示すよ
うに(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、X
RDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であるこ
とが確認できる。
nO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプロー
ブ径が300nmの電子線を入射させると、図50(D)に示すような回折パターン(制
限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、In
GaZnO4の結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回
折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面
または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に
垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図50(E)
に示す。図50(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プロー
ブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレ
ットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図50(E)における第
1リングは、InGaZnO4の結晶の(010)面および(100)面などに起因する
と考えられる。また、図50(E)における第2リングは(110)面などに起因すると
考えられる。
croscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像
(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる
。一方、高分解能TEM像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウ
ンダリーともいう。)を明確に確認することができない場合がある。そのため、CAAC
−OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
EM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Ab
erration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分
解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、
例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによ
って観察することができる。
できる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわ
かる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこと
もできる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nan
ocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC
−OSの被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上
面と平行となる。
−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図51(D)および図51(E)は、
それぞれ図51(B)および図51(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理
の方法について説明する。まず、図51(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast
Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得
したFFT像において原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残
すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:
Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像
処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフ
ィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子
配列を示している。
一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部であ
る。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレ
ットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近
傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または/および七角
形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制して
いることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子間の結合距離
が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどに
よって、歪みを許容することができるためと考えられる。
数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CA
AC−OSを、CAA crystal(c−axis−aligned a−b−pl
ane−anchored crystal)を有する酸化物半導体と称することもでき
る。
入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をするとCAAC−OS
は不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。
元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素
との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二
酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。
る。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリ
ア発生源となる場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップと
なる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
る。具体的には、8×1011cm−3未満、好ましくは1×1011cm−3未満、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
密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または
実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OSは、不純物濃度が低く、欠陥
準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
次に、nc−OSについて説明する。
、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない
。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。
の領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図52
(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測され
る。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナ
ノビーム電子回折パターン)を図52(B)に示す。図52(B)より、リング状の領域
内に複数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの
電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入
射させることでは秩序性が確認される。
図52(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測
される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序
性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているた
め、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
解能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所など
のように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない
領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさで
あり、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが1
0nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体(micro
crystalline oxide semiconductor)と呼ぶことがあ
る。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合
がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性
がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは
、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見ら
れない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質
酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物
半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有す
る酸化物半導体と呼ぶこともできる。
nc−OSは、a−like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる
。ただし、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため
、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半
導体である。
電子照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図53(B
)は4.3×108e−/nm2の電子(e−)照射後におけるa−like OSの高
分解能断面TEM像である。図53(A)および図53(B)より、a−like OS
は電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また
、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密
度領域と推測される。
OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため
、電子照射による構造の変化を示す。
の試料もIn−Ga−Zn酸化物である。
は、いずれも結晶部を有する。
O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている
。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同
程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、以
下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZn
O4の結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応す
る。
。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図54より、a−like
OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなってい
くことがわかる。図54より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさ
だった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e−)の累積照射量が4.2×108e−
/nm2においては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc
−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108
e−/nm2までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図54よ
り、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、
それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射お
よびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件
は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×105e−/(nm2・s)、照射領域
の直径を230nmとした。
る。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど
見られない。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、
不安定な構造であることがわかる。
て密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶
酸化物半導体の密度の78.6%以上92.3%未満となる。また、nc−OSの密度お
よびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶酸化物半導体の密度の92.3%以上1
00%未満となる。単結晶酸化物半導体の密度の78%未満となる酸化物半導体は、成膜
すること自体が困難である。
面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3となる。よっ
て、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において
、a−like OSの密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満となる。また
、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、
nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3
未満となる。
せることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所
望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、
加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組
み合わせて見積もることが好ましい。
お、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、
CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
できる。
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。
。当該パッケージは、イメージセンサチップ850を固定するパッケージ基板810、カ
バーガラス820および両者を接着する接着剤830等を有する。
半田ボールをバンプ840としたBGA(Ball grid array)の構成を有
する。なお、BGAに限らず、LGA(Land grid array)やPGA(P
in Grid Array)などであってもよい。
ージの斜視図であり、図55(D)は、当該パッケージの断面図である。パッケージ基板
810上には電極パッド860が形成され、電極パッド860およびバンプ840はスル
ーホール880およびランド885を介して電気的に接続されている。電極パッド860
は、イメージセンサチップ850が有する電極とワイヤ870によって電気的に接続され
ている。
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851を固定するパッケージ基板811、レンズカバー821、およびレンズ835
等を有する。また、パッケージ基板811およびイメージセンサチップ851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890も設けられて
おり、SiP(System in package)としての構成を有している。
11の下面および4側面には、実装用のランド841が設けられるQFN(Quad f
lat 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等であってもよ
い。
ールの斜視図であり、図56(D)は、当該カメラモジュールの断面図である。ランド8
41の一部は電極パッド861として利用され、電極パッド861はイメージセンサチッ
プ851およびICチップ890が有する電極とワイヤ871によって電気的に接続され
ている。
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。
できる。
本発明の一態様に係る撮像装置、および当該撮像装置を含む半導体装置を用いることがで
きる電子機器として、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57に示す。
。当該監視カメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像
装置を備えることができる。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。
操作キー974、レンズ975、接続部976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を取得するための部品の一つとして本発明の一態様
の撮像装置を備えることができる。
63、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を取得
するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
33、操作用のボタン935、竜頭936、カメラ939等を有する。表示部932はタ
ッチパネルとなっていてもよい。当該情報端末における画像を取得するための部品の一つ
として本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
904、マイク905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス908、カメラ
909等を有する。なお、図57(E)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903
と表示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定さ
れない。当該携帯型ゲーム機における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一
態様の撮像装置を備えることができる。
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。
当該携帯データ端末における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮
像装置を備えることができる。
。
20a 画素
20b 画素
20c 画素
20d 画素
21 画素ブロック
21a 画素ブロック
21b 画素ブロック
21c 画素ブロック
22 回路
23 回路
24 回路
25 回路
26 画素アレイ
27 コンパレータ回路
29 カウンター回路
35 基板
41 トランジスタ
42 トランジスタ
43 トランジスタ
44 トランジスタ
45 トランジスタ
46 トランジスタ
51 トランジスタ
52 トランジスタ
53 トランジスタ
61 配線
61a 配線
61b 配線
61c 配線
61d 配線
62 配線
63 配線
64 配線
65 配線
71 配線
71a 導電層
71b 導電層
72 配線
73 配線
74 配線
75 配線
77 配線
78 配線
80 絶縁層
81 導電体
82 絶縁層
82a 絶縁層
82b 絶縁層
83 絶縁層
88 配線
91 配線
92 配線
93 配線
101 トランジスタ
102 トランジスタ
103 トランジスタ
104 トランジスタ
105 トランジスタ
106 トランジスタ
107 トランジスタ
108 トランジスタ
109 トランジスタ
110 トランジスタ
111 トランジスタ
112 トランジスタ
113 トランジスタ
115 基板
120 絶縁層
130 酸化物半導体層
130a 酸化物半導体層
130b 酸化物半導体層
130c 酸化物半導体層
140 導電層
141 導電層
142 導電層
150 導電層
151 導電層
152 導電層
160 絶縁層
170 導電層
171 導電層
172 導電層
173 導電層
175 絶縁層
180 絶縁層
190 絶縁層
231 領域
232 領域
233 領域
331 領域
332 領域
333 領域
334 領域
335 領域
561 光電変換層
562 透光性導電層
563 半導体層
564 半導体層
565 半導体層
566 電極
566a 導電層
566b 導電層
567 隔壁
568 正孔注入阻止層
569 電子注入阻止層
600 シリコン基板
610 トランジスタ
620 トランジスタ
650 活性層
660 シリコン基板
810 パッケージ基板
811 パッケージ基板
820 カバーガラス
821 レンズカバー
830 接着剤
835 レンズ
840 バンプ
841 ランド
850 イメージセンサチップ
851 イメージセンサチップ
860 電極パッド
861 電極パッド
870 ワイヤ
871 ワイヤ
880 スルーホール
885 ランド
890 ICチップ
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイク
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
909 カメラ
911 筐体
912 表示部
919 カメラ
931 筐体
932 表示部
933 リストバンド
935 ボタン
936 竜頭
939 カメラ
951 筐体
952 レンズ
953 支持部
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
1100 層
1200 層
1400 層
1500 回折格子
1600 層
2500 絶縁層
2510 遮光層
2520 有機樹脂層
2530 カラーフィルタ
2530a カラーフィルタ
2530b カラーフィルタ
2530c カラーフィルタ
2540 マイクロレンズアレイ
2550 光学変換層
2560 絶縁層
Claims (13)
- 第1のトランジスタ乃至第6のトランジスタと、光電変換素子と、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有する撮像装置であって、
前記光電変換素子の一方の電極は前記第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一方は前記第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3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1の容量素子の一方の電極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他方は前記第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3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5のトランジスタ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他方は前記第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第5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6のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタ、前記第2のトランジスタ、前記第3のトランジスタおよび前記第4のトランジスタは、チャネルが形成される領域に酸化物半導体を有することを特徴とする撮像装置。 - 請求項1において、
前記光電変換素子は、光電変換層にセレンまたはセレンを含む化合物を有することを特徴とする撮像装置。 - 第1の画素と、第2の画素と、を有する撮像装置であって、
前記第1の画素は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第6のトランジスタと、第1の光電変換素子と、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を含んで構成され、
前記第2の画素は、第7のトランジスタと、第8のトランジスタと、第9のトランジスタと、前記第4のトランジスタと、前記第5のトランジスタと、前記第6のトランジスタと、第2の光電変換素子と、第3の容量素子と、前記第2の容量素子と、を含んで構成され、
前記第1の光電変換素子の一方の電極は前記第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一方は前記第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3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1の容量素子の一方の電極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他方は前記第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3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5のトランジスタ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他方は前記第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第5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6のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第2の光電変換素子の一方の電極は前記第7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7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8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7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9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7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3の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第9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9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5のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第9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の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタ、前記第2のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、前記第7のトランジスタ、前記第8のトランジスタおよび前記第9のトランジスタ、は、チャネルが形成される領域に酸化物半導体を有することを特徴とする撮像装置。 - 請求項3において、
前記第1のトランジスタのゲートと、前記第7のトランジスタのゲートは電気的に接続されていることを特徴とする撮像装置。 - 請求項3または4において、
前記第2のトランジスタのゲートと、前記第8のトランジスタのゲートは電気的に接続されていることを特徴とする撮像装置。 - 請求項3乃至5のいずれか一項において、
前記第1の光電変換素子の他方の電極と、前記第2の光電変換素子の他方の電極は電気的に接続されていることを特徴とする撮像装置。 - 請求項3乃至6のいずれか一項において、
前記第1の光電変換素子および前記第2の光電変換素子は、光電変換層にセレンまたはセレンを含む化合物を有することを特徴とする撮像装置。 - 請求項1乃至7のいずれか一項において、
前記第5のトランジスタおよび前記第6のトランジスタは、チャネルが形成される領域に酸化物半導体を有することを特徴とする撮像装置。 - 請求項1乃至8のいずれか一項において、
前記酸化物半導体は、Inと、Znと、M(MはAl、Ti、Ga、Sn、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)と、を有することを特徴とする撮像装置。 - 第1の画素が有する第1の電荷蓄積部への第1の光電変換素子による電荷の蓄積と、
第2の画素が有する第1の電荷蓄積部への第2の光電変換素子による電荷の蓄積と、
を同じタイミングで行う第1のステップと、
前記第1の画素が有する第1の電荷蓄積部の電荷の前記第1の画素が有する第2の電荷蓄積部への転送と、
前記第2の画素が有する第1の電荷蓄積部の電荷の前記第2の画素が有する第2の電荷蓄積部への転送と、
を同じタイミングで行う第2のステップと、
前記第1の画素が有する第2の電荷蓄積部の電荷を電荷検出部に転送し、前記電荷検出部の電位に対応した信号を読み出す第3のステップと、
前記電荷検出部の電位をリセットする第4のステップと、
前記第2の画素が有する第2の電荷蓄積部の電荷を前記電荷検出部に転送し、前記電荷検出部の電位に対応した信号を読み出す第5のステップと、
前記電荷検出部の電位をリセットする第6のステップと、
を上記順序で行うことを特徴とする撮像装置の動作方法。 - 請求項10において、
前記第1のステップおよび前記第2のステップを第nフレーム(nは1以上の自然数)で行い、前記第3のステップ乃至前記第6のステップを第n+1フレームで行うことを特徴とする撮像装置の動作方法。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の撮像装置と、
レンズと、
を有することを特徴とするモジュール。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の撮像装置と、
表示装置と、
を有することを特徴とする電子機器。
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