JP5825748B2 - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L27/1225—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body comprising a plurality of TFTs formed on a non-semiconducting substrate, e.g. driving circuits for AMLCDs with a particular composition, shape or crystalline structure of the active layer with semiconductor materials not belonging to the group IV of the periodic table, e.g. InGaZnO
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
-
- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
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- H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
- H01L27/14616—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor characterised by the channel of the transistor, e.g. channel having a doping gradient
-
- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/60—Control of cameras or camera modules
- H04N23/68—Control of cameras or camera modules for stable pick-up of the scene, e.g. compensating for camera body vibrations
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
Description
トリックス状に配置された半導体装置およびその駆動方法に関する。また、フォトセンサ
を有する表示装置およびその駆動方法に関する。また、フォトセンサを有する画素がマト
リックス状に配置された表示装置およびその駆動方法に関する。また、該表示装置または
該半導体装置を有する電子機器に関する。
ている。フォトセンサを表示装置に設けることにより、表示画面上で情報入力を行うこと
が可能となる。一例として、画像取り込み機能を備えた表示装置が挙げられる(例えば、
特許文献1参照)。
デジタルスチルカメラなどの電子機器に用いられる撮像装置が挙げられる。
れる光または被検出物から発せられる光をフォトセンサで検出することで、当該フォトセ
ンサが設けられた領域の周辺に被検出物が存在することを認識することができる。
する必要がある。また、電気信号は一般にアナログ信号であるため、A/D変換回路によ
ってデジタル信号に変換する必要がある。また、光の強度に応じたA/D変換を行う必要
がある。
題の一とする。また、それを実現するための新規な回路構成を有するフォトセンサを提供
することを他の課題の一とする。また、当該フォトセンサを有する半導体装置を提供する
ことを他の課題の一とする。
、当該フォトセンサを有する半導体装置を提供することを他の課題の一とする。
きるフォトセンサを有する半導体装置を提供することを他の課題の一とする。
装置を提供することを他の課題の一とする。
を有するフォトセンサを有する半導体装置に係るものである。フォトダイオードは光の強
度に応じて電気信号を生成する機能を有する。第1のトランジスタはゲートに電荷を蓄積
する機能を有する。第2のトランジスタはフォトダイオードから生成された電気信号を第
1のトランジスタのゲートに転送する機能を有する。第2のトランジスタは第1のトラン
ジスタのゲートに蓄積された電荷を保持する機能を有する。
クゲートの電位を変更することでしきい値電圧を変更することができる。
を有する。第1のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を出力信号に変換し読み出すこ
とにより、光の強度に応じた電気信号を出力することができる。第1のトランジスタのゲ
ートに蓄積された電荷の読み出しは、当該ゲートに蓄積された電荷を保持した状態で、第
1のトランジスタのバックゲートの電位を変更しながら複数回行われる。具体的には、第
1のトランジスタのバックゲートの電位を第1の電位に設定し、第1のトランジスタのゲ
ートに蓄積された電荷を第1の出力信号に変換し読み出す。次に、第1のトランジスタの
バックゲートの電位を第2の電位に設定し、第1のトランジスタのゲートに蓄積された電
荷を第2の出力信号に変換し読み出す。読み出しを3回以上行う場合は、上記動作を繰り
返し行えばよい。このようにして、第1のトランジスタのバックゲートの電位を変更しな
がら、第1のトランジスタのゲートに蓄積された電荷の読み出しを複数回行うことができ
る。
となる。また、光の強度が低い場合でも、光の強度に応じた電気信号を出力することが可
能となる。
より形成された構成とすることができる。酸化物半導体を用いたトランジスタは、シリコ
ン等を用いたトランジスタと比べてオフ電流が非常に小さいという電気的特性を有する。
り、第1のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を長時間保持することが可能となる。
これにより、第1のトランジスタのゲートに蓄積された電荷の読み出しを複数回行う間に
おいて、第1のトランジスタのゲートに蓄積された電荷をほぼ一定に保持することが可能
となる。
号の読み出しを制御する機能を有する。
号の読み出しに用いられる信号線の電位を制御する機能を有する。具体的には、信号線の
電位を基準電位に設定する機能を有する。
トセンサを有する半導体装置を提供することができる。すなわち、強い光や弱い光に対し
ても光を正確に電気信号に変換することが可能となる。これにより、広範囲の光強度に対
して高分解能での撮像機能を安価に実現することができるフォトセンサを有する半導体装
置を提供することができる。
多くの異なる態様で実施することが可能であり、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。従
って、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、実施
の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の
符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本実施の形態では、開示する発明の一態様である半導体装置の一例について、図1を参照
して説明する。
センサ106に電気的に接続しているプリチャージ回路200の構成の一例を示す。
06、トランジスタ207を有する。
ドリセット信号線210に、他方の電極がトランジスタ207のソース又はドレインの一
方に電気的に接続されている。トランジスタ205は、ソース又はドレインの一方がフォ
トセンサ基準信号線213に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ206のソース
又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ206は、ゲートがゲート
信号線211に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線214に電気的に
接続されている。トランジスタ207は、ゲートがゲート信号線209に電気的に接続さ
れている。またトランジスタ207は、ソース又はドレインの他方がゲート信号線215
を介してトランジスタ205のゲートに電気的に接続されている。
218に電気的に接続されている。バックゲート信号線218に与える電位を変更するこ
とで、トランジスタ205が有するバックゲートの電位を変更することができる。バック
ゲートの電位を変更することで、トランジスタ205のしきい値電圧を変更することが可
能である。トランジスタ205は、ゲートと、ゲート絶縁層と、チャネル形成領域を含む
半導体層と、絶縁膜と、バックゲートとが積層された構造を有する。絶縁膜は、バックゲ
ート側のゲート絶縁層としての機能を有する。ゲートとバックゲートとは、チャネル形成
領域を挟むように配置されている。バックゲートは、ゲートと同じように導電膜を用いて
形成することができる。
フォトセンサ駆動回路に電気的に接続される。フォトセンサ駆動回路は、特定の行に配置
されたフォトセンサ106に対して、後述するリセット動作と累積動作と読み出し動作と
を行う機能を有する。
18は、フォトセンサ読み出し回路に電気的に接続される。フォトセンサ読み出し回路は
、選択された行のフォトセンサ106の出力信号を読み出す機能を有する。
ンプを用いてアナログ信号のまま外部に取り出す構成や、A/D変換回路を用いてデジタ
ル信号に変換してから外部に取り出す構成を有することができる。
型のダイオードを用いることができる。PN型またはPIN型のダイオードを用いる場合
は、それぞれの導電型(P型とN型またはP型とI型とN型)を有する半導体を積層した
構造を用いることができる。またはそれぞれの導電型を有する半導体を同一平面内に配置
した構造を用いることができる。フォトダイオード204を構成する半導体には、非晶質
半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、又は単結晶半導体などを用いることができる。フ
ォトダイオードは光の強度に応じて電気信号を生成する機能を有する。フォトダイオード
に照射される光は被検出物で反射される光または被検出物から発せられる光である。被検
出物で反射される光の光源として、半導体装置が有する照明装置または外光を用いること
ができる。
ランジスタ207は、導通状態において、フォトダイオード204で生成された電気信号
をトランジスタ205のゲートに転送する機能を有する。そのため、トランジスタ207
は、移動度の高いトランジスタを用いることが望ましい。また、トランジスタ207は、
非導通状態において、トランジスタ205のゲートに蓄積(累積)された電荷を保持する
機能を有する。そのため、オフ電流が極めて小さいトランジスタを用いることが望ましい
。
非常に小さくかつ比較的移動度が高い、酸化物半導体を用いることが望ましい。酸化物半
導体を用いたトランジスタは、シリコン等を用いたトランジスタと比べてオフ電流が非常
に小さいという電気的特性を有する。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非晶
質シリコンを用いたトランジスタに比べて移動度が高いという電気的特性を有する。
積された電荷を出力信号に変換し、フォトセンサ出力信号線214から読み出すことによ
り、フォトダイオード204が生成する電気信号を出力信号として読み出すことができる
。トランジスタ205のゲートに蓄積された電荷の読み出しは、トランジスタ205のゲ
ートに蓄積された電荷を保持した状態で、トランジスタ205のバックゲートの電位を変
更しながら複数回行われる。
6を提供することができる。すなわち、強い光や弱い光に対しても光を正確に電気信号に
変換することが可能となる。
ることが望ましい。
る。具体的には、フォトセンサ出力信号線214にフォトセンサ106の出力信号を転送
する機能を有する。出力信号の転送を高速で行う、すなわちフォトセンサ106の読み出
しを高速で行うため、トランジスタ206は移動度の高いトランジスタを用いることが望
ましい。
出力することを防ぐ必要がある。そのため、トランジスタ205およびトランジスタ20
6のいずれか一方または両方はオフ電流が小さいトランジスタを用いることが望ましい。
5およびトランジスタ206のチャネル形成領域を構成する半導体には、単結晶半導体又
は多結晶半導体などを用いることが望ましい。また、結晶性を向上させることが容易であ
る材料(例えば、シリコン)を用いることが望ましい。
5およびトランジスタ206のいずれか一方または両方のチャネル形成領域を構成する半
導体には、オフ電流が非常に小さくかつ比較的移動度が高い、酸化物半導体を用いること
が望ましい。
トランジスタ206に用いる半導体材料を選択することができる。
、画素1列分の回路である。画素1列分のプリチャージ回路200は、トランジスタ21
6、プリチャージ信号線217を有する。トランジスタ216は、ゲートがプリチャージ
信号線217に、ソース又はドレインの一方が所定の電位が供給される信号線に、ソース
又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線214に電気的に接続されている。なお、
プリチャージ回路200の後段に、OPアンプやA/D変換回路を接続することができる
。
サ出力信号線214の電位を基準電位に設定する。例えば、プリチャージ信号線217に
高電位が与えられるとトランジスタ216が導通状態となり、フォトセンサ出力信号線2
14を基準電位(ここでは高電位とする)に設定することができる。なお、フォトセンサ
出力信号線214の電位を安定させるために、フォトセンサ出力信号線214に保持容量
を設けることも有効である。なお、基準電位は、低電位とする構成も可能である。
な半導体装置を提供することができる。
ルカメラなどの電子機器に用いることができる。また、タッチパネル機能を備えた表示装
置に用いることができる。
。
本実施の形態では、開示する発明の一態様である半導体装置の一例について、図2〜図3
を参照して説明する。本実施の形態では、半導体装置が表示装置である例を示す。
御回路102およびフォトセンサ制御回路103を有する。画素回路101は、行列方向
にマトリクス状に配置された複数の画素104を有する。各々の画素104は、表示素子
105とフォトセンサ106を有する。全ての画素104にフォトセンサ106を設けず
、複数の画素ごとに設けてもよい。例えば、2画素に1つのフォトセンサを設ける構成と
してもよい。また、画素104の外にフォトセンサを設けてもよい。
ータ信号線」、「ソース信号線」ともいう)を介して表示素子105にビデオデータなど
の信号を入力する表示素子駆動回路107と、走査線(「ゲート信号線」ともいう)を介
して表示素子105に信号を入力する表示素子駆動回路108を有する。
フォトセンサ読み出し回路109と、走査線側のフォトセンサ駆動回路110を有する。
プリチャージ回路200の構成の一例を示す。プリチャージ回路200は、図2に示すフ
ォトセンサ読み出し回路109の一部を構成するものである。
トランジスタ201、保持容量202および液晶素子203を有する。
ス又はドレインの一方がビデオデータ信号線212に、ソース又はドレインの他方が保持
容量202の一方の電極と液晶素子203の一方の電極に電気的に接続されている。保持
容量202の他方の電極と液晶素子203の他方の電極は所定の電位が供給される共通の
配線に電気的に接続されている。液晶素子203は、一対の電極と、該一対の電極の間に
液晶層を含む素子である。
御する機能を有する。例えば、ゲート信号線208に高電位が与えられるとトランジスタ
201が導通状態となり、ビデオデータ信号線212の電位が液晶素子203と保持容量
202に与えられる。液晶素子203に電圧を印加して液晶素子203を透過する光の明
暗(階調)を作ることで、画像表示が実現される。保持容量202は、液晶素子203に
印加される電圧を保持する機能を有する。また、液晶素子203を有する表示装置100
は、透過型、反射型または半透過型の構造とすることができる。
。表示素子駆動回路107はビデオデータ信号線212を介して表示素子105に信号を
供給する回路である。ゲート信号線208は、図2に示す表示素子駆動回路108に電気
的に接続される。表示素子駆動回路108はゲート信号線208を介して表示素子105
に信号を供給する回路である。例えば、表示素子駆動回路108は、特定の行に配置され
た画素が有する表示素子を選択する信号を供給する機能を有する。また、表示素子駆動回
路107は、選択された行の画素が有する表示素子に任意の電位を与える信号を供給する
機能を有する。
導体、多結晶半導体、酸化物半導体、又は単結晶半導体などを用いることが可能である。
特に、酸化物半導体を用い、オフ電流が極めて小さいトランジスタとすることで、表示品
質を高めることができる。
などの他の素子を有していてもよい。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御さ
れる素子であり、具体的には発光ダイオード、OLED(Organic Light
Emitting Diode)等が挙げられる。
06、トランジスタ207を有する。
ドリセット信号線210に、他方の電極がトランジスタ207のソース又はドレインの一
方に電気的に接続されている。トランジスタ205は、ソース又はドレインの一方がフォ
トセンサ基準信号線213に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ206のソース
又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ206は、ゲートがゲート
信号線211に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線214に電気的に
接続されている。トランジスタ207は、ゲートがゲート信号線209に電気的に接続さ
れている。またトランジスタ207は、ソース又はドレインの他方がゲート信号線215
を介してトランジスタ205のゲートに電気的に接続されている。
218に電気的に接続されている。バックゲート信号線218に与える電位を変更するこ
とで、トランジスタ205が有するバックゲートの電位を変更することができる。バック
ゲートの電位を変更することで、トランジスタ205のしきい値電圧を変更することが可
能である。トランジスタ205は、ゲートと、ゲート絶縁層と、チャネル形成領域を含む
半導体層と、絶縁膜と、バックゲートとが積層された構造を有する。絶縁膜は、バックゲ
ート側のゲート絶縁層としての機能を有する。ゲートとバックゲートとは、チャネル形成
領域を挟むように配置されている。バックゲートは、ゲートと同じように導電膜を用いて
形成することができる。
図2に示すフォトセンサ駆動回路110に電気的に接続される。フォトセンサ駆動回路1
10は、特定の行に配置された画素が有するフォトセンサ106に対して、後述するリセ
ット動作と累積動作と読み出し動作とを行う機能を有する。
18は、図2に示すフォトセンサ読み出し回路109に電気的に接続される。フォトセン
サ読み出し回路109は、選択された行の画素が有するフォトセンサ106の出力信号を
読み出す機能を有する。
OPアンプを用いてアナログ信号のまま外部に取り出す構成や、A/D変換回路を用いて
デジタル信号に変換してから外部に取り出す構成を有することができる。
型のダイオードを用いることができる。PN型またはPIN型のダイオードを用いる場合
は、それぞれの導電型(P型とN型またはP型とI型とN型)を有する半導体を積層した
構造を用いることができる。またはそれぞれの導電型を有する半導体を同一平面内に配置
した構造を用いることができる。フォトダイオード204を構成する半導体には、非晶質
半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、又は単結晶半導体などを用いることができる。フ
ォトダイオードは光の強度に応じて電気信号を生成する機能を有する。表示装置100に
おいて、フォトダイオードに照射される光は被検出物で反射される光または被検出物から
発せられる光である。被検出物で反射される光の光源として、表示装置が有する照明装置
または外光を用いることができる。また、表示装置が有する表示素子105として発光素
子を用いる場合は、被検出物で反射される光の光源として発光素子から発せられる光を利
用することも可能である。
ランジスタ207は、導通状態において、フォトダイオード204で生成された電気信号
をトランジスタ205のゲートに転送する機能を有する。そのため、トランジスタ207
は、移動度の高いトランジスタを用いることが望ましい。また、トランジスタ207は、
非導通状態において、トランジスタ205のゲートに蓄積(累積)された電荷を保持する
機能を有する。そのため、オフ電流が極めて小さいトランジスタを用いることが望ましい
。
非常に小さくかつ比較的移動度が高い、酸化物半導体を用いることが望ましい。酸化物半
導体を用いたトランジスタは、シリコン等を用いたトランジスタと比べてオフ電流が非常
に小さいという電気的特性を有する。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非晶
質シリコンを用いたトランジスタに比べて移動度が高いという電気的特性を有する。
用いる半導体材料は、フォトセンサ106に必要とされる特性に応じて選択することがで
きる。
、画素1列分の回路である。画素1列分のプリチャージ回路200は、トランジスタ21
6、プリチャージ信号線217を有する。トランジスタ216は、ゲートがプリチャージ
信号線217に、ソース又はドレインの一方が所定の電位が供給される信号線に、ソース
又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線214に電気的に接続されている。なお、
プリチャージ回路200の後段に、OPアンプやA/D変換回路を接続することができる
。
サ出力信号線214の電位を基準電位に設定する。例えば、プリチャージ信号線217に
高電位が与えられるとトランジスタ216が導通状態となり、フォトセンサ出力信号線2
14を基準電位(ここでは高電位とする)に設定することができる。なお、フォトセンサ
出力信号線214の電位を安定させるために、フォトセンサ出力信号線214に保持容量
を設けることも有効である。なお、基準電位は、低電位とする構成も可能である。
を有さないフォトセンサを有する半導体装置にも容易に応用できる。すなわち、本実施の
形態における表示装置100から、表示に要する回路、具体的には、表示素子制御回路1
02、表示素子105を取り除いたものを用いて、半導体装置を構成することができる。
フォトセンサを有する半導体装置としては、例えば、スキャナ、或いはデジタルスチルカ
メラなどの電子機器に用いられる撮像装置が挙げられる。
な表示装置もしくは半導体装置を提供することができる。
。
本実施の形態は、図1に示した半導体装置の動作の一例、または図2、図3に示した表示
装置の動作の一例について、図4を参照して説明する。図4は、図1、または図2、図3
に示すフォトセンサ106の読み出し動作に関するタイミングチャートの一例である。
セット信号線210、ゲート信号線209、ゲート信号線211、ゲート信号線215、
フォトセンサ出力信号線214、プリチャージ信号線217、バックゲート信号線218
の電位に相当する。なお、フォトセンサ基準信号線213は低電位に設定されているもの
とする。
動作を行う累積期間、読み出し動作を行う読み出し期間を有する。時刻Aから時刻Bまで
の期間がリセット期間に相当する。時刻Bから時刻Cまでの期間が累積期間に相当する。
時刻Dから時刻Eまでの期間が第1の読み出し期間、時刻Gから時刻Hまでの期間が第2
の読み出し期間に相当する。
トに高電位(”H”)の信号が供給された場合にトランジスタが導通状態となる例を示す
。また以下では、トランジスタ205は、バックゲートの電位を高(低)くすることで、
しきい値電圧が低(高)くなるトランジスタとして説明する。
、ゲート信号線209の電位(信号302)を”H”とする(リセット動作開始)と、フ
ォトダイオード204、トランジスタ207が導通状態となり、ゲート信号線215の電
位(信号304)が”H”となる。すなわちゲート信号線215には高電位(”H”)に
対応する電荷が蓄積される。
出力信号線214の電位(信号305)は”H”にプリチャージされる。バックゲート信
号線218の電位(信号307)は0Vとし、この時、トランジスタ205のしきい値電
圧が0V付近であるとする。
とし、ゲート信号線209の電位(信号302)を”H”のままとする(リセット動作終
了、累積動作開始)と、フォトダイオード204のリーク電流により、ゲート信号線21
5の電位(信号304)が低下し始める。フォトダイオード204は、光が照射されると
リーク電流(光電流ともいう)が増大するので、照射される光(具体的には被検出物で反
射された光)の強度に応じてゲート信号線215の電位(信号304)は変化する。すな
わち、フォトダイオード204で生成された光電流により、ゲート信号線215の電荷量
が変化する。これにより、トランジスタ205のゲートに蓄積された電荷量が変化し、ト
ランジスタ205のソースとドレイン間のチャネル抵抗が変化する。このフォトダイオー
ド204で生成された光電流を電気信号とみると、フォトダイオード204で生成された
電気信号により、ゲート信号線215の電荷量が変化することになる。
了)と、トランジスタ207は非導通状態となり、ゲート信号線215の電位(信号30
4)は一定となる。すなわち、ゲート信号線215に蓄積(累積)された電荷量が一定と
なり、トランジスタ205のゲートに蓄積(累積)された電荷量が一定となる。当該ゲー
ト信号線215の電位(電荷量)は、累積動作中にフォトダイオードから生成された光電
流の大きさにより決まる。すなわち、当該ゲート信号線215の電位(電荷量)は、フォ
トダイオードに照射されていた光の強度に応じて変化する。
いトランジスタで構成する。そのため、後の読み出し動作を行うまで、上記電荷量を一定
に保つことが可能である。このようにトランジスタ207は、トランジスタ205のゲー
トに電荷を蓄積(累積)する累積動作を制御する機能を有する。
9とゲート信号線215との間における寄生容量により、ゲート信号線215の電位(電
荷量)が変化する。上記寄生容量による電位(電荷量)の変化量が大きい場合は、読み出
しが正確に行えないことになる。上記寄生容量による電位(電荷量)の変化量を低減する
には、トランジスタ207のゲート−ソース(もしくはゲート−ドレイン)間容量を低減
する、トランジスタ205のゲート容量を増大する、ゲート信号線215に保持容量を設
ける、などの対策が有効である。なお、図4では、これらの対策を施し、上記寄生容量に
よる電位(電荷量)の変化を無視できるとしている。
は非導通状態となる。フォトダイオード204に照射されていた光の強度が低い場合は、
ゲート信号線215の電位(信号304)が”H”から低下する割合が小さくなる。した
がって、トランジスタ205は導通状態となり、ソースとドレイン間のチャネル抵抗も小
さくなる。逆に、フォトダイオード204に照射されていた光の強度が高い場合は、ゲー
ト信号線215の電位(信号304)が”H”から低下する割合が大きくなる。したがっ
て、トランジスタ205は非導通状態となるか、或いは導通状態であってもソースとドレ
イン間のチャネル抵抗が大きくなる。ここでは累積動作後(時刻C)おけるゲート信号線
215の電位(信号304)はトランジスタ205が導通状態となる値であると仮定する
。
作開始)と、トランジスタ206が導通状態となり、フォトセンサ基準信号線213とフ
ォトセンサ出力信号線214とが、トランジスタ205とトランジスタ206とを介して
導通する。フォトセンサ基準信号線213は低電位であるため、フォトセンサ出力信号線
214の電位(信号305)は、低下していく。なお、時刻D以前に、プリチャージ信号
線217の電位(信号306)は”L”とし、フォトセンサ出力信号線214のプリチャ
ージを終了しておく。ここで、フォトセンサ出力信号線214の電位(信号305)が低
下する速さは、トランジスタ205のソースとドレイン間のチャネル抵抗に依存する。す
なわち、累積動作中にフォトダイオード204に照射されている光の強度に応じて変化す
る。
出し動作終了)と、トランジスタ206が非導通状態となり、フォトセンサ出力信号線2
14の電位(信号305)は、一定値となる。ここで、フォトセンサ出力信号線214の
電位は、フォトダイオード204に照射されている光の強度によって決まる。したがって
、フォトセンサ出力信号線214の電位を取得することで、累積動作中にフォトダイオー
ド204に照射されていた光の強度を知ることができる。
5は導通状態となりソースとドレイン間のチャネル抵抗が小さくなる。そのため、フォト
センサ出力信号線214の電位(信号305)は”H”から低下する割合が大きく、フォ
トセンサ基準信号線213の電位とほとんど変わらない値になる。この場合、これ以下の
弱い光と識別できないことになる。したがって、これより弱い光を識別するためには、フ
ォトセンサ基準信号線213の電位とプリチャージ時のフォトセンサ出力信号線214の
基準電位との電圧範囲を拡大することでも可能であるが、広電圧範囲に対応したA/D変
換回路が必要になり、半導体装置または表示装置の製造コストが増大する。そこで、以下
のような駆動方法を用いる。
トランジスタ205のしきい値電圧は、0Vより高くなる。時刻Fにおいて、プリチャー
ジ信号線217の電位(信号306)を”H”とし、フォトセンサ出力信号線214の電
位(信号305)を”H”にプリチャージする。
出し動作開始)と、トランジスタ206が導通状態となり、フォトセンサ基準信号線21
3とフォトセンサ出力信号線214とが、トランジスタ205とトランジスタ206とを
介して導通する。すると、フォトセンサ出力信号線214の電位(信号305)は、低下
していく。なお、時刻G以前に、プリチャージ信号線217の電位(信号306)は”L
”とし、フォトセンサ出力信号線214のプリチャージを終了しておく。ここで、フォト
センサ出力信号線214の電位(信号305)が低下する速さは、トランジスタ205の
ソースとドレイン間のチャネル抵抗に依存する。すなわち、累積動作中にフォトダイオー
ド204に照射されている光の強度に応じて変化する。しかし、第1の読み出し動作の際
と比べ、トランジスタ205のしきい値電圧が高いため、フォトセンサ出力信号線214
の電位(信号305)が低下する速さは緩やかになる。
出し動作終了)と、トランジスタ206が非導通状態となり、フォトセンサ出力信号線2
14の電位(信号305)は、一定値となる。ここで、フォトセンサ出力信号線214の
電位は、フォトダイオード204に照射されている光の強度によって決まる。したがって
、フォトセンサ出力信号線214の電位を取得することで、累積動作中にフォトダイオー
ド204に照射されていた光の強度を知ることができる。このようにして、光の強度が低
い場合でも、より安価なA/D変換回路を用いて、フォトダイオード204に照射されて
いた光の強度を識別することが可能となる。
説明したが、同様に、フォトダイオードに照射する光の強度が高い(すなわち光が強い)
場合についても応用することができる。光が強い場合には、フォトセンサ出力信号線21
4の電位は、プリチャージ時の基準電位と概ね同一になり、識別が困難になる。そこで、
第3の読み出し動作として、バックゲート信号線218の電位を正電位とし、トランジス
タ205のしきい値電圧を0Vより低くしておく。これにより、フォトセンサ出力信号線
214の電位(信号305)が低下する速さは向上し、フォトセンサ出力信号線214の
電位の検出が容易になる。
、上記第1の読み出し動作〜第3の読み出し動作を繰り返して行うことが有効である。す
なわち、第1のトランジスタのバックゲートの電位を第1の電位(ここでは0V)に設定
し、第1のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を第1の出力信号に変換し読み出す。
次に、第1のトランジスタのバックゲートの電位を第2の電位(ここでは負電位)に設定
し、第1のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を第2の出力信号に変換し読み出す。
次に、第1のトランジスタのバックゲートの電位を第3の電位(ここでは正電位)に設定
し、第1のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を第3の出力信号に変換し読み出す。
また、第2の読み出し動作および第3の読み出し動作の際の、バックゲート信号線218
の電位を、より細かい電圧幅で変更し、順次読み出しを行うことで、より広い範囲の光強
度に対して、高い分解能で検出を行うことができる。すなわち、上記構成により、強い光
や弱い光に対しても光を正確に電気信号に変換することができ、広範囲の光強度に応じた
電気信号を出力することができるフォトセンサ106を提供することができる。
おけるゲート信号線215の電位が一定値を保つ必要がある。したがって、図1または図
3で説明したように、トランジスタ207を、酸化物半導体層を用いて形成し、オフ電流
が極めて低いトランジスタとする構成が有効である。
繰り返すことで実現される。当該駆動方法を全画素について行うことで、撮像を行うこと
ができる。より具体的には、行ごとにリセット動作、累積動作、読み出し動作を繰り返す
ことで実現される。
な半導体装置または表示装置を提供することができる。
。
本実施の形態では、複数のフォトセンサを有する半導体装置の駆動方法の一例について説
明する。
01、信号802、信号803は、各々第1行、第2行、第3行のフォトセンサにおける
フォトダイオードリセット信号線210に対応する。また、信号804、信号805、信
号806は、各々第1行、第2行、第3行のフォトセンサにおけるゲート信号線209に
対応する。また、信号807、信号808、信号809は、各々第1行、第2行、第3行
のフォトセンサにおけるゲート信号線211に対応する。期間810は、1回の撮像を行
う期間である。また、期間811、期間812、期間813は、第2行のフォトセンサが
、各々リセット動作、累積動作、読み出し動作を行っている期間である。このように、異
なる行のフォトセンサを順に駆動していくことで、撮像が可能になる。
フォトセンサの撮像の同時性が損なわれる。そのため、撮像画像にブレが生じることにな
る。特に、第1行から第3行の方向に高速に移動する被検出物に対しては、尾を引くよう
に、拡大されたような形状の撮像画像になり、逆方向に移動する被検出物に対しては、縮
小されたような形状の撮像画像になるなど、形状が歪みやすい。
のフォトセンサを駆動する間隔を短くすることが有効である。しかしながら、この場合、
フォトセンサの出力信号をOPアンプもしくはA/D変換回路で非常に高速度で取得する
必要がある。したがって、消費電力の増大を招く。特に、高解像度の画像を取得する場合
には、非常に困難となる。
号501、信号502、信号503は、各々第1行、第2行、第3行のフォトセンサにお
けるフォトダイオードリセット信号線210に対応する。また、信号504、信号505
、信号506は、各々第1行、第2行、第3行のフォトセンサにおけるゲート信号線20
9に対応する。また、信号507、信号508、信号509は、各々第1行、第2行、第
3行のフォトセンサにおけるゲート信号線211に対応する。期間510は、1回の撮像
を行う期間である。また、期間511、期間512、期間513は、第2行のフォトセン
サが、各々リセット動作(他の行でも共通)、累積動作(他の行でも共通)、読み出し動
作を行っている期間である。
作とが同時に行われ、累積動作終了後に累積動作とは非同期に、行ごとに順に読み出し動
作を行う点である。累積動作を同時に行うことで、全ての行のフォトセンサにおける撮像
の同時性が確保され、高速に移動する被検出物に対しても、ブレが少ない画像を容易に得
ることができる。累積動作を同時に行うことで、複数のフォトセンサのフォトダイオード
リセット信号線210の駆動回路を共通にすることができる。また、複数のフォトセンサ
のゲート信号線209の駆動回路も共通にすることができる。このように駆動回路を共通
にすることは、周辺回路の削減や低消費電力化に有効である。さらに、読み出し動作を行
ごとに順次行うことで、フォトセンサの出力信号を取得する際に、OPアンプもしくはA
/D変換回路の動作速度を遅くすることが可能である。読み出し動作に要する合計の時間
を、累積動作に要する時間より長くすることが好ましい。特に、高解像度の画像を取得す
る場合には、非常に有効である。
0において、読み出し動作を行う期間813および513を複数回有している。図5、図
6では期間813および513を2回有しているが、光が強い場合と弱い場合との両方に
対応するため、期間810および510において、読み出し動作を行う期間813および
513を3回またはそれ以上有することが有効である。複数回の読み出し動作は、図5、
図6に示すタイミングチャートのように、まず全ての行において第1の読み出し動作を行
ごとに行い、その後、全ての行において第2の読み出し動作を行ごとに行い、この動作を
繰り返して第nの読み出し動作(nは3以上の整数)まで行う。または、まず第1行にお
いて第1の読み出し動作〜第nの読み出し動作を行い、その後、第2行において第1の読
み出し動作〜第nの読み出し動作を行い、この動作を繰り返して第m行(mは3以上の整
数)まで行う。
ートを示したが、特定の領域における画像を取得するために、特定の行におけるフォトセ
ンサのみを順次駆動する駆動方法も有効である。これにより、OPアンプもしくはA/D
変換回路の動作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な画像を取得することができる
。
おけるゲート信号線215の電位を一定に保つ必要がある。したがって、図1または図3
で説明したように、トランジスタ207は、酸化物半導体を用いて形成され、オフ電流が
極めて小さいことが好ましい。
像度の撮像が実現でき、且つ低消費電力の表示装置又は半導体装置を提供することができ
る。
本実施の形態では、図1または図3におけるフォトセンサ106の回路構成の変形例につ
いて説明する。
リセット動作を制御するためのトランジスタ601を接続した構成を示している。具体的
には、トランジスタ601のソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線213
に電気的に接続され、他方がトランジスタ205のゲートに電気的に接続されている。ま
た、フォトダイオード204の一方の電極は所定の電位(例えばグランド電位)を供給す
る配線に電気的に接続されている。
は単結晶半導体などを用いることが可能である。特に、リセット動作終了後にトランジス
タ205のゲートの電荷がトランジスタ601から放出することを防止するため、酸化物
半導体を用い、オフ電流の小さいトランジスタとすることが望ましい。
係を逆にした構成を示している。具体的には、トランジスタ205のソース又はドレイン
の一方がフォトセンサ出力信号線214に電気的に接続され、トランジスタ206のソー
ス又はドレインの一方が、フォトセンサ基準信号線213に電気的に接続されている。
は、トランジスタ205のソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線213に
電気的に接続され、他方がフォトセンサ出力信号線214に電気的に接続されている。
、フォトセンサ基準信号線213とは異なる配線に電気的に接続されていてもよい。
ォトセンサ出力信号線214に電気的に接続され、他方がトランジスタ205のゲートに
電気的に接続されている。
電流が低減できるため、トランジスタ205のゲートに蓄積した電荷を一定に保つことが
可能となる。
囲の光強度に対して高分解能での撮像機能を実現できる半導体装置を提供することができ
る。
の接続先を逆にしてもよい。
本実施の形態では、開示する発明の一態様である半導体装置が有するトランジスタの一例
について説明する。具体的には、図1または図3に示したトランジスタ207、図3に示
したトランジスタ201のようにチャネル形成領域が酸化物半導体層により形成されたト
ランジスタの一例について説明する。
トランジスタ(例えば図1または図3に示すトランジスタ207)は、チャネル形成領域
が酸化物半導体層によって構成されるトランジスタである。該酸化物半導体層は、トラン
ジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分、水酸基又は水素化物などのドナーとな
りうる不純物が徹底的に取り除かれ、可能な限り含まれる不純物の濃度が小さくされ、か
つ不純物を排除するステップによって同時に減少してしまう酸化物半導体の主成分材料で
ある酸素が供給されることによって、高純度化され、電気的にI型(真性)或いは実質的
にI型(真性)化された酸化物半導体層である。なお、当該酸化物半導体層を構成する酸
化物半導体は3.0eV以上のバンドギャップを有する。
リア密度は非常に小さい値(例えば、1×1012/cm3未満、望ましくは、1×10
11/cm3未満)をとる。そして、これにより、トランジスタのオフ電流が非常に小さ
くなる。従って、上記したトランジスタにおいて、チャネル幅(w)が1μmあたりの室
温におけるオフ電流値を1aA/μm(1×10−18A/μm)以下、さらには100
zA/μm(1×10−19A/μm)未満にすることが可能である。なお、一般に、ア
モルファスシリコンを用いたトランジスタでは、室温におけるオフ電流値は1×10−1
3A/μm以上となる。さらに、上記したような、高純度化された酸化物半導体層を用い
たトランジスタはホットキャリア劣化もないと考えられる。そのため、トランジスタの電
気的特性はホットキャリア劣化の影響を受けない。
酸化物半導体層をトランジスタのチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オフ電流値
を極めて低くすることができる。つまり、トランジスタがオフ状態(非導通状態ともいう
)において、酸化物半導体層を絶縁体とみなして回路設計を行うことができる。一方で、
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たトランジスタは、オン状態(導
通状態ともいう)においては、アモルファスシリコンを用いたトランジスタよりも高い電
流供給能力が見込まれている。
と比べて、室温におけるオフ電流値が10000倍程度大きい値であると見積もられてい
る。そのため、酸化物半導体を用いたトランジスタでは、低温ポリシリコンを用いたトラ
ンジスタに比べて電荷の保持期間を10000倍程度に引き延ばすことができる。
たトランジスタは、トランジスタのソース又はドレインのいずれかに蓄積された電荷を長
期間保持することが可能となる。
体層を用いることにより、図1または図3に示すトランジスタ205のゲートに蓄積され
た電荷を長期間保持することが可能となる。これにより、トランジスタ205のゲートに
蓄積された電荷の読み出しを複数回行う間において、トランジスタ205のゲートに蓄積
された電荷をほぼ一定に保持することが可能となる。すなわち、トランジスタ207のチ
ャネル形成領域に酸化物半導体層を用いることにより、新規な回路構成を有するフォトセ
ンサを有する半導体装置を提供することができる。
により、画素の画像信号の保持期間を長くすることができる。そのため、画素に設けられ
る容量素子のサイズを縮小することが可能になる。これにより、当該画素の開口率を向上
させることおよび当該画素への画像信号の入力を高速に行うことなどが可能になる。また
、静止画を表示する際の画像信号の再書き込みの間隔を長くすることができる。例えば、
画像信号の書き込みの間隔を10秒以上、30秒以上、あるいは1分以上とすることがで
きる。書き込みの間隔を長くすることにより、それだけ消費電力を抑えることができる。
いは「I型」、キャリア濃度がそれ以上であるが、1×1012/cm3未満のものを、
「実質的に真性」あるいは「実質的にI型」という。
チャネル形成領域が酸化物半導体層により形成されたトランジスタの作製方法の一例につ
いて、図8を参照して説明する。
タの構成および作製工程の一例を示す断面図である。図8(D)に示すトランジスタ41
0は、ボトムゲート型の一つである逆スタガ型構造を有している。また、チャネルエッチ
型構造を有している。また、シングルゲート構造を有している。
。また、チャネルストップ型構造を有していてもよい。また、マルチゲート構造を有して
いてもよい。
程について説明する。
)。
なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば
、絶縁表面を有する基板400としてガラス基板を用いることができる。また、絶縁表面
を有する基板400としてガラス基板又は単結晶基板上に素子が形成された素子基板を用
いることができる。素子基板を用いる場合は、その表面に絶縁層を有する構成とすること
ができる。
膜は、基板400からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化
シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜
による積層構造により形成することができる。ここでは、プラズマCVD法を用いて窒化
シリコン膜を100nmの厚さとなるように形成し、窒化シリコン膜上にプラズマCVD
法を用いて酸化窒化シリコン膜(SiON膜)を150nmの厚さとなるように形成した
。
ましい。
により該導電層を選択的にエッチングすることで形成することができる。
アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属又はこれらを主成分とする合金又は
これらの金属元素を主成分とする窒化物材料を用いて、単層で又は積層して形成すること
ができる。ここでは、スパッタ法を用いてタングステン膜を100nmの厚さとなるよう
に形成し、タングステン膜をエッチングしてゲート電極層411とした。
窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、若しくは酸化アルミニウム
層を単層で又は積層して形成することができる。例えば、成膜ガスとして、シラン(Si
H4)、酸素および窒素を用いてプラズマCVD法により酸化窒化シリコン層を形成すれ
ばよい。また、ゲート絶縁層として酸化ハフニウム(HfOx)、酸化タンタル(TaO
x)等のHigh−k材料を用いることもできる。ゲート絶縁層402の厚さは、例えば
、10nm以上500nm以下とすることができる。
た高密度プラズマCVD法を用いて、酸化窒化シリコン膜を100nmの厚さとなるよう
に形成してゲート絶縁層とした。マイクロ波を用いた高密度プラズマCVD法は、緻密で
絶縁耐圧の高い高品質なゲート絶縁層402を形成できる点で好適である。また、酸化物
半導体層と高品質なゲート絶縁層402とが密接することにより、界面準位を低減して界
面特性を良好なものとすることができる。
成することが好ましい。すなわち、ゲート絶縁層402は、含まれる水素や水などの不純
物の濃度が可能な限り小さくなるように形成することが好ましい。
化物半導体膜430は、スパッタ法を用いて形成することができる。酸化物半導体膜43
0の厚さは、2nm以上200nm以下とすることができる。
プラズマを発生させる逆スパッタを行うことが好ましい。逆スパッタを行うことにより、
ゲート絶縁層402の表面に付着している粉状物質(パーティクル、ゴミともいう)を除
去することができる。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、基板側にRF
電源を用いて電圧を印加してプラズマを形成し、基板表面を改質する方法である。なお、
アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。
n−O系、In−Al−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系
、Sn−Al−Zn−O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、
In−O系、Sn−O系、Zn−O系の材料を用いることができる。また、上記材料にS
iO2を含ませても良い。
希ガス(代表的にはアルゴン)および酸素の混合雰囲気下においてスパッタ法により形成
することができる。
を用いて、スパッタ法により酸化物半導体層を30nmの厚さとなるように形成した。な
お、スパッタガスはAr/O2とし、基板温度は200℃とした。
形成することが好ましい。すなわち、酸化物半導体膜430は、含まれる水素や水などの
不純物の濃度が可能な限り小さくなるように形成することが好ましい。
して島状の酸化物半導体層431を形成する(図8(B)参照)。酸化物半導体膜430
のエッチングは、ウェットエッチングを用いて行うことができる。しかしこれに限定され
ずドライエッチングを用いてもよい。
酸化物半導体層431中の過剰な水や水素などを除去することができる。第1の熱処理の
温度は、350℃以上基板の歪み点未満、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満とす
ることができる。
素化が行え、膜中の水素濃度を低減することができる。また第1の熱処理の温度を450
℃以上とすることにより、膜中の水素濃度をさらに低減することができる。また第1の熱
処理の温度を550℃以上とすることにより、膜中の水素濃度をさらに低減することがで
きる。
等)を主成分とする不活性気体であって、水、水素などが含まれない気体を用いるのが望
ましい。例えば、熱処理装置に導入する気体の純度を6N(99.9999%)以上、好
ましくは7N(99.99999%)以上とすることができる。これにより、第1の熱処
理の間、酸化物半導体層431は、大気に触れることなく、水や水素の再混入が行われな
いようにすることができる。
射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid
Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Ann
eal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライド
ランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水
銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置で
ある。GRTA装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。気体には、アルゴ
ンなどの希ガスまたは窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体
が用いられる。
6分の熱処理を行った。
導体膜430に対して行うこともできる。その場合には、第1の熱処理後に第2のフォト
リソグラフィ工程を行う。
第3のフォトリソグラフィ工程により該導電層をエッチングすることで、ソース電極層お
よびドレイン電極層415a、415bを形成する(図8(C)参照)。
テンから選ばれた金属や、上記金属元素を成分とする窒化物や、上記金属を成分とする合
金等を用いることができる。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、イッ
トリウムから選ばれた材料を用いてもよい。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、
タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた金属を単数ま
たは複数種類含有させた材料を用いてもよい。
ンジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム
と酸化スズ混合酸化物(In2O3―SnO2、ITOと略記する場合がある)、酸化イ
ンジウム酸化亜鉛の混合酸化物(In2O3―ZnO)、または、これらの酸化物導電材
料にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。
導電率が高いまたは抵抗率が低い材料を用いることが好ましい。酸化物導電膜の導電率は
、キャリア濃度を増やすことで高くすることができる。酸化物導電膜のキャリア濃度は、
水素濃度を増やすことや、酸素欠損を増やすことにより増やすことができる。
層以上の積層構造としてもよい。
ム層を400nm、第2のチタン層を100nmの厚さとなるようにこの順で形成した。
そして、第1のチタン層、アルミニウム層および第2のチタン層からなる積層膜をエッチ
ングして、ソース電極層およびドレイン電極層415a、415bを形成した(図8(C
)参照)。
に行っても良い。ソース電極層およびドレイン電極層形成後に第1の熱処理を行う場合は
、この熱処理に耐える耐熱性を有する導電層を選択する。
の材料およびエッチング条件を適宜調節する。
れ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層となることもある。
たプラズマ処理を行う。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層の表面に
付着した吸着水などを除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理
を行ってもよい。
の一部に接する保護絶縁膜となる酸化物絶縁層416を形成する(図8(D)参照)。
成することができる。酸化物絶縁層416の厚さは、少なくとも1nm以上とすることが
できる。酸化物絶縁層416に水素が含まれると、水素の酸化物半導体層431への侵入
が生じ、酸化物半導体層431のバックチャネルが低抵抗化(N型化)してしまい、寄生
チャネルが形成されるおそれがある。よって、酸化物絶縁層416はできるだけ水素を含
まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。
成膜雰囲気は、希ガス(代表的にはアルゴン)雰囲気、酸素雰囲気、または希ガス(代表
的にはアルゴン)および酸素雰囲気とすることができる。
ス電極層およびドレイン電極層415a、415bを覆うように、酸化物絶縁層416と
して酸化シリコン膜を300nmの厚さとなるように形成した。酸化シリコン膜は、シリ
コンターゲットを用い、酸素をスパッタガスとして用いたスパッタ法により形成した。
℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行う。例えば、窒素雰囲気下
で250℃、1時間の第2の熱処理を行う。第2の熱処理を行うと、酸化物半導体層の一
部(チャネル形成領域)が酸化物絶縁層416と接した状態で加熱される。第2の熱処理
により、酸化物半導体層の一部(チャネル形成領域)に酸素が供給される。これにより、
ゲート電極層411と重なるチャネル形成領域413をI型に近づけることができる。以
上の工程でトランジスタ410が形成される。
例えば、RFスパッタ法を用いて窒化シリコン膜を形成することができる。RFスパッタ
法は、量産性がよいため、保護絶縁層の成膜方法として好ましい。保護絶縁層は、水分や
、水素イオンや、OH−などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することをブロッ
クする無機絶縁膜を用いることが好ましい。
もよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、100
℃以上200℃以下の所定の温度への昇温と、所定の温度から室温までの降温を複数回く
りかえして行ってもよい。また、この熱処理を、酸化物絶縁膜の形成前に、減圧下で行っ
てもよい。減圧下で熱処理を行うことにより加熱時間を短縮することができる。この熱処
理によって、酸化物半導体層431から酸化物絶縁層416中に水素をとりこむことがで
きる。すなわち、さらに酸化物半導体層から水素を除去することができる。
、12時間という条件のゲートバイアス・熱ストレス試験(BT試験)を行ってもトラン
ジスタの電気的特性にほとんど変化はみられず、安定な電気的特性が得ることができる。
スタと比べてオフ電流が非常に小さいという電気的特性を有する。
ジスタを用いることにより、図1または図3に示すトランジスタ205のゲートに蓄積さ
れた電荷を長期間保持することが可能となる。これにより、トランジスタ205のゲート
に蓄積された電荷の読み出しを複数回行う間において、トランジスタ205のゲートに蓄
積された電荷をほぼ一定に保持することが可能となる。すなわち、トランジスタ207の
チャネル形成領域に酸化物半導体層を用いることにより、新規な回路構成を有するフォト
センサを有する半導体装置を提供することができる。
とにより、画素の画像信号の保持期間を長くすることができる。そのため、画素に設けら
れる容量素子のサイズを縮小することが可能になる。これにより、当該画素の開口率を向
上させることおよび当該画素への画像信号の入力を高速に行うことなどが可能になる。ま
た、静止画を表示する際の画像信号の再書き込みの間隔を長くすることができる。例えば
、画像信号の書き込みの間隔を10秒以上、30秒以上、あるいは1分以上10分未満と
することができる。書き込みの間隔を長くすることにより、それだけ消費電力を抑えるこ
とができる。
を用いることにより、他の画素の読み出し期間中に図3に示すフォトセンサ出力信号線2
14に不必要な電位が出力されることを防ぐことができる。
にバックゲートを追加した構造を有するトランジスタを用いることができる。これにより
、他の画素の読み出し期間中にフォトセンサ出力信号線214に不必要な電位が出力され
ることを防ぐことができる。
タ420は、図8(D)に示すトランジスタ410にバックゲート441を追加した構造
を有する。すなわち、図9に示すトランジスタ420は、絶縁表面を有する基板400上
にゲート電極層411、ゲート絶縁層402、チャネル形成領域413を有する酸化物半
導体層431、ソース電極層およびドレイン電極層415a、415b、酸化物絶縁層4
16、バックゲート441、保護絶縁層403を有する。
いて形成することができる。バックゲート441とチャネル形成領域の間に設けられてい
る酸化物絶縁層416は、バックゲート441側のゲート絶縁層として機能する。よって
、酸化物絶縁層416の厚さは、ゲート絶縁層と同程度とすることができる。その他の構
成は、図8(D)に示すトランジスタ410と同様とすることができる。
。
ランジスタの評価について、図10を参照して説明する。本実施例では、評価用素子(T
EGともいう)を用いたオフ電流の測定値について以下に説明する。
ジスタを200個並列に接続することで作製した。この評価用素子は、L/W=3μm/
10000μmのトランジスタに相当する。図10に評価用素子として作製されたトラン
ジスタの初期特性を示す。トランジスタは高純度化された酸化物半導体層をチャネル形成
領域に用いたものである。なお、ソース電極層又はドレイン電極層と酸化物半導体層とが
重畳する領域のチャネル長方向における長さ(Lov)は1.5μmとした。
(以下、ドレイン電圧またはVdという)を1Vまたは10Vとし、ソース−ゲート間電
圧(以下、ゲート電圧またはVgという)を−20V〜+20Vまで変化させたときのソ
ース−ドレイン電流(以下、ドレイン電流またはIdという)を測定し、Vg−Id特性
を評価した。なお図10では、Vgが−20V〜+5Vまでの範囲でVg−Id特性を示
している。
10Vにおいてオフ電流は1×10−13[A]以下となっており、測定機(半導体パラ
メータ・アナライザ、Agilent 4156C;Agilent社製)の検出限界以
下となっている。すなわち、当該トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流値は
、10aA/μm以下であることがわかる。なお、チャネル長が3μm以上であれば、当
該トランジスタのオフ電流値は10aA/μm以下であると見積もられることも付記する
。
し測定した。その結果、オフ電流値は測定機の検出限界近傍である1×10−12[A]
以下となることが確認された。すなわち、当該トランジスタのチャネル幅1μmあたりの
オフ電流値は、1aA/μm以下であることがわかる。
記作製工程において酸化物半導体層中における水素濃度を十分に低減できたためである。
m3未満、あるいは1×1011/cm3未満である。即ち、酸化物半導体層のキャリア
密度は、限りなくゼロに近くすることができる。
ある。これにより、回路の動作速度を高速化できる。また、オフ電流値が極めて小さいた
め、低消費電力化も図ることができる。
行うことができる。
スタは、オフ電流の温度依存性がほとんど現れない。これは、酸化物半導体が高純度化さ
れることによって、導電型が限りなく真性に近づき、フェルミ準位が禁制帯の中央に位置
するため、温度依存性を示さなくなると考えられる。また、これは、酸化物半導体のバン
ドギャップが大きく、熱励起キャリアが極めて少ないことにも起因する。
未満としたトランジスタが、室温におけるオフ電流値が1aA/μm以下であることを示
すものである。また、当該トランジスタを半導体装置が有するトランジスタとして適用す
ることで、新規な回路構成を有するフォトセンサを有する半導体装置を提供することがで
きる。また、当該半導体装置の消費電力を低減することおよび表示の劣化(表示品質の低
下)を抑制することが可能である。さらには、温度などの外部因子に起因する表示の劣化
(変化)が低減された半導体装置を提供することが可能である。
101 画素回路
102 表示素子制御回路
103 フォトセンサ制御回路
104 画素
105 表示素子
106 フォトセンサ
107 表示素子駆動回路
108 表示素子駆動回路
109 フォトセンサ読み出し回路
110 フォトセンサ駆動回路
200 プリチャージ回路
201 トランジスタ
202 保持容量
203 液晶素子
204 フォトダイオード
205 トランジスタ
206 トランジスタ
207 トランジスタ
208 ゲート信号線
209 ゲート信号線
210 フォトダイオードリセット信号線
211 ゲート信号線
212 ビデオデータ信号線
213 フォトセンサ基準信号線
214 フォトセンサ出力信号線
215 ゲート信号線
216 トランジスタ
217 プリチャージ信号線
218 バックゲート信号線
301 信号
302 信号
303 信号
304 信号
305 信号
306 信号
307 信号
400 基板
402 ゲート絶縁層
403 保護絶縁層
410 トランジスタ
411 ゲート電極層
413 チャネル形成領域
416 酸化物絶縁層
420 トランジスタ
430 酸化物半導体膜
431 酸化物半導体層
441 バックゲート
415a ソース電極層又はドレイン電極層
415b ソース電極層又はドレイン電極層
501 信号
502 信号
503 信号
504 信号
505 信号
506 信号
507 信号
508 信号
509 信号
510 期間
511 期間
512 期間
513 期間
601 トランジスタ
801 信号
802 信号
803 信号
804 信号
805 信号
806 信号
807 信号
808 信号
809 信号
810 期間
811 期間
812 期間
813 期間
Claims (3)
- フォトダイオードと、
第1のトランジスタと、
第2のトランジスタと、
を有し、
前記第1のトランジスタは、ゲートと、第1の絶縁膜と、チャネル形成領域を含む半導体層と、第2の絶縁膜と、バックゲートと、が積層された構造を有し、
前記フォトダイオードは、第2のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第1のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第1のトランジスタの半導体層は、酸化物半導体を有し、
前記第2のトランジスタの半導体層は、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。 - 複数の画素を有し、
前記複数の画素のそれぞれは、
フォトダイオードと、
第1のトランジスタと、
第2のトランジスタと、
を有し、
前記第1のトランジスタは、ゲートと、第1の絶縁膜と、チャネル形成領域を含む半導体層と、第2の絶縁膜と、バックゲートと、が積層された構造を有し、
前記フォトダイオードは、第2のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第1のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第1のトランジスタの半導体層は、酸化物半導体を有し、
前記第2のトランジスタの半導体層は、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1又は2において、
前記第2のトランジスタは、前記フォトダイオードから生成された電気信号を前記第1のトランジスタのゲートに転送する機能と、前記第1のトランジスタのゲートの電位を保持する機能と、を有し
前記第1のトランジスタは、前記第1のトランジスタのゲートに保持された電位に応じた電位を出力する機能を有することを特徴とする半導体装置。
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