JP7019784B2 - 撮像装置 - Google Patents
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- 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
- H01L31/0272—Selenium or tellurium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- 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
- H01L31/08—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
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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、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を
一例として挙げることができる。
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。
注目されている。当該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置と
も表記する)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半
導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化
物半導体が注目されている。
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)。
少なくとも画素回路の一部に用い、CMOS(Complementary Metal
Oxide Semiconductor)回路が作製可能なシリコン半導体を有する
トランジスタを周辺回路に用いることで、高速かつ信号保持時間の長い撮像装置が作製で
きることが開示されている。
ータを高速に読み出す必要性が高まってきている。一方、消費電力が小さい撮像装置も望
まれている。
とする。または、信号保持期間の長い撮像装置を提供することを課題の一とする。または
、低消費電力の撮像装置を提供することを課題の一とする。または、高精細な撮像装置を
提供することを課題の一とする。または、高感度の撮像装置を提供することを課題の一と
する。または、ダイナミックレンジの広い撮像装置を提供することを課題の一とする。ま
たは、解像度の高い撮像装置を提供することを課題の一とする。または、低コストの撮像
装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性の高い撮像装置を提供することを
課題の一とする。または、新規な撮像装置等を提供することを課題の一とする。または、
新規な半導体装置等を提供することを課題の一とする。
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、請求項等の記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面
、請求項等の記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、を有する画素を複数有する撮像装置で
ある。第1のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、フォトダイオード
の一方の電極と電気的に接続される。また、第1のトランジスタのソース電極またはドレ
イン電極の他方は、第2のトランジスタのゲート電極および第3のトランジスタのソース
電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続される。第2のトランジスタのソース電極
またはドレイン電極の一方は、第4のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一
方と電気的に接続される。
を有し、第1のトランジスタおよび第3のトランジスタのバックゲート電極には、各トラ
ンジスタのソース電位より高い電位および各トランジスタのソース電位より低い電位を切
り替えて供給することのできる配線と電気的に接続されている。また、第2のトランジス
タのバックゲート電極には、該トランジスタのソース電位より高い電位を供給することの
できる配線と電気的に接続されている。
に接続され、第2のトランジスタのバックゲート電極が第2の配線と電気的に接続されて
いてもよい。また、第1の配線および第2の配線は、同じ行または列に配置された画素と
、隣接する行または列の、一方の側に配置された画素と共有していてもよい。
を間に挟まない側に配置された画素と共有されていてもよい。また、第2の配線は、隣接
する行または列のうち、上面または下面から見て第1のトランジスタおよび第3のトラン
ジスタを間に挟まない側に配置された画素と共有していてもよい。
には、第4のトランジスタのソース電位より高い電位を供給することのできる配線と電気
的に接続していてもよい。
に接続され、第2のトランジスタおよび第4のトランジスタのバックゲート電極が第2の
配線と電気的に接続されていてもよい。また、第1の配線および第2の配線は、同じ行ま
たは列に配置された画素の他、隣接する行または列の、一方の側に配置された画素と共有
していてもよい。
および第4のトランジスタを間に挟まない側に配置された画素と共有されていてもよい。
また、第2の配線は、隣接する行または列のうち、上面または下面から見て第1のトラン
ジスタおよび第3のトランジスタを間に挟まない側に配置された画素と共有していてもよ
い。
が第1の配線と電気的に接続され、第2のトランジスタのバックゲート電極が第2の配線
と電気的に接続されていてもよい。また、第1の配線および第2の配線は、同じ行または
列に配置された画素の他、隣接する行または列の、一方の側に配置された画素と共有して
いてもよい。
を間に挟まない側に配置された画素と共有されていてもよい。また、第2の配線は、隣接
する行または列のうち、上面または下面から見て第1のトランジスタ、第3のトランジス
タおよび第4のトランジスタを間に挟まない側に配置された画素と、で共有されていても
よい。
ドレイン電極の一方は第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の他方と電気
的に接続されていてもよい。また、第5のトランジスタはバックゲート電極を有し、該バ
ックゲート電極には第5のトランジスタのソース電位より高い電位を供給することのでき
る配線と電気的に接続されていてもよい。
もよい。
号保持期間の長い撮像装置を提供することができる。または、低消費電力の撮像装置を提
供することができる。または、高精細な撮像装置を提供することができる。または、高感
度の撮像装置を提供することができる。または、ダイナミックレンジの広い撮像装置を提
供することができる。または、解像度の高い撮像装置を提供することができる。または、
低コストの撮像装置を提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置を提供する
ことができる。または、新規な撮像装置等を提供することができる。または、新規な半導
体装置等を提供することができる。
態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は
、明細書、図面、請求項等の記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、
請求項等の記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
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。
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。
、等)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、負荷等)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、負荷等)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、負荷等)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回路等)、信号変換
回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路等)、電位レベル変換回路(電源回
路(昇圧回路、降圧回路等)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路等)、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等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、バッファ回路等)、信号生成回路、記憶回
路、制御回路等)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。
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の端子等)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の端子等)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の端子等)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。
2の端子等)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の端子等)、トランジスタのドレイン(または第2の端子等)、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の端子等)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
等)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の端子等)、トラ
ンジスタのドレイン(または第2の端子等)、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
等)とドレイン(または第2の端子等)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の端子等)、トランジスタのドレイン(または第2の端子等
)、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の端子等)と、ドレイン(または第2の端子等)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の端子等)とトランジスタのドレイン(または第2の端子
等)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の端子等)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の端子等)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の端子等)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の端子等)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の端子等)からトランジスタのドレイン(または第2の端子等)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の端子等)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の端子等)からトランジスタのソース(または第1の端子等)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
子等)と、ドレイン(または第2の端子等)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、等)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、「絶縁層」という用
語を、「絶縁膜」という用語に変更することが可能な場合がある。
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等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」および「電極層」は、「配線」と言い
換えることもできる。
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、「略平
行」とは、二つの直線が-30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。ま
た、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態を
いう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二
つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
。
本実施の形態では、本発明の一態様である撮像装置の回路構造および駆動方法について、
図面を参照して説明する。
、バックゲート電極に印加する電位をトランジスタごとに制御することを特徴とする。つ
まり、バックゲート電極に印加する電位をトランジスタごとに変えることができる。また
、各トランジスタのオン・オフ状態などに応じて、各トランジスタのバックゲート電極に
印加する電位を変えることができる。例えば、nチャネル型のトランジスタの場合、オン
状態のトランジスタのバックゲート電極には正電位を、オフ状態のトランジスタのバック
ゲート電極には負電位を印加することができる。これにより、しきい値電圧を制御し、高
速動作と長い信号保持期間を両立することができる。なお、本明細書において、正電位は
各トランジスタのソース電位より高い電位としてもよい。また、負電位は各トランジスタ
のソース電位より低い電位としてもよい。したがって、正電位が正の値とならず、または
負電位が負の値とならない場合がある。
素100は、フォトダイオード111、トランジスタ121、トランジスタ122、トラ
ンジスタ123、トランジスタ124および保持容量131を有する。また、上記要素は
各種配線と電気的に接続されている。また、トランジスタ122乃至トランジスタ125
には、それぞれバックゲート電極が形成されている。
ランジスタ122は、リセットトランジスタとしての機能を有することができる。また、
トランジスタ123は、増幅トランジスタとしての機能を有することができる。また、ト
ランジスタ124は、転送トランジスタとしての機能を有することができる。
は、バイアストランジスタとしての機能を有することができる。
4のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続されており、トランジスタ12
4のソース電極またはドレイン電極の他方にはトランジスタ123のゲート電極が電気的
に接続されている。トランジスタ123のゲート電極には、トランジスタ122のソース
電極またはドレイン電極の一方および保持容量131の一方の電極が電気的に接続されて
いる。トランジスタ123のソース電極またはドレイン電極の一方にはトランジスタ12
1のソース電極またはドレイン電極の一方が電気的に接続され、トランジスタ123のソ
ース電極またはドレイン電極の他方にはトランジスタ125のソース電極またはドレイン
電極の一方が電気的に接続されている。
きる。また、トランジスタ122のゲート電極は、配線152(RES)と電気的に接続
することができる。また、トランジスタ124のゲート電極は、配線154(TX)と電
気的に接続することができる。また、トランジスタ125のゲート電極は、配線155(
BIAS)と電気的に接続することができる。
ンジスタ123のゲート電極と、トランジスタ124のソース電極またはドレイン電極の
他方と、保持容量131の一方の電極と、が接続されるノードを信号電荷蓄積部(FD)
と呼ぶ。
I)と電気的に接続することができる。また、トランジスタ122のソース電極またはド
レイン電極の他方は、配線162(VR)と電気的に接続することができる。また、保持
容量131の他方の電極は、配線163(VSS)と電気的に接続することができる。フ
ォトダイオード111のアノードまたはカソードの他方は、配線164(VPD)と電気
的に接続することができる。また、トランジスタ125のソース電極またはドレイン電極
の他方は、配線165(VPO)と電気的に接続することができる。図1は、フォトダイ
オード111のアノードに、配線164(VPD)を電気的に接続した場合を示す。この
場合、電位VRを電位VPDより高くする。なお、配線161、配線162、配線163
、配線164および配線165のいずれかの電位を接地電位とする構成とすることもでき
る。
いる。トランジスタ123のバックゲート電極には配線143(BG3)が電気的に接続
されている。トランジスタ124のバックゲート電極には配線144(BG4)が電気的
に接続されている。トランジスタ125のバックゲート電極には配線145(BG5)が
電気的に接続されている。以上のような構成とすることで、トランジスタ122、トラン
ジスタ123、トランジスタ124およびトランジスタ125のバックゲート電極にそれ
ぞれ異なる電位を供給することができる。
ゲート電極を設けない構成とすることもできる。また、図2(B)に示すように、トラン
ジスタ123のバックゲート電極およびトランジスタ125のバックゲート電極に配線1
46を接続し、電位BG6を印加してもよい。つまり、トランジスタ123のバックゲー
ト電極およびトランジスタ125のバックゲート電極に同一の電位を印加する構成として
もよい。
っていてもよい。この場合、カソードに電位VPDを印加し、電位VPDを電位VRより
高くする。
電極に配線147を接続して電位BG7を印加してもよい。つまり、トランジスタ122
のバックゲート電極およびトランジスタ124のバックゲート電極に同一の電位を印加す
る構成としてもよい。
ゲート電極に配線141を接続して電位BG1を印加してもよい。また、図6(A)に示
すように、トランジスタ122のバックゲート電極およびトランジスタ124のバックゲ
ート電極に配線147を接続して電位BG7を印加し、さらにトランジスタ121のバッ
クゲート電極およびトランジスタ123のバックゲート電極に配線148を接続して電位
BG8を印加してもよい。つまり、トランジスタ122のバックゲート電極およびトラン
ジスタ124のバックゲート電極に同一の電位を印加し、トランジスタ121のバックゲ
ート電極およびトランジスタ123のバックゲート電極に同一の電位を印加する構成とし
てもよい。
122のバックゲート電極およびトランジスタ124のバックゲート電極に配線149を
接続して、電位BG9を印加してもよい。つまり、トランジスタ121のバックゲート電
極、トランジスタ122のバックゲート電極およびトランジスタ124のバックゲート電
極に同一の電位を印加する構成としてもよい。
7(B)に示すように、トランジスタ122を有さない構造としてもよい。また、図8(
A)に示すように、トランジスタ121を有さない構造としてもよい。また、図8(B)
に示すように、トランジスタ124を有さない構造としてもよい。
たトランジスタ(以下、OSトランジスタ)を用いることができる。トランジスタ121
乃至トランジスタ125の1つにOSトランジスタを用いてもよいし、2つ以上にOSト
ランジスタを用いてもよいし、全てにOSトランジスタを用いてもよい。
拡大することができる。例えば、図1の構成では、フォトダイオード111に入射される
光の照度が大きいときに信号電荷蓄積部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。
ランジスタ)よりも電気特性変動の温度依存性が小さいため、極めて広い温度範囲で使用
することができる。したがって、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、宇宙機等への搭載にも適している。
する。セレン系材料を光電変換膜としたフォトダイオードでは、アバランシェ現象が起こ
りやすいように比較的高い電位(例えば、10V以上)を印加することが好ましい。した
がって、OSトランジスタと、セレン系材料を光電変換膜としたフォトダイオードとを組
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。
いて説明する。なお、トランジスタ122乃至トランジスタ125は全てnチャネル型と
する。なお、配線161および配線162は高電位、配線163、配線164および配線
165は低電位とする。
142(BG2)に正電位を印加する。このとき、トランジスタ122のしきい値電圧が
マイナス方向にシフトするためオン電流が大きくなり、リセット動作を高速化することが
できる。ここで、信号電荷蓄積部(FD)は、配線162の電位VRに充電される。
号電荷蓄積部(FD)は配線162の電位VRに保持される。また、配線142(BG2
)および配線144(BG4)に負電位を印加する。このとき、トランジスタ122およ
びトランジスタ124のしきい値電圧がプラス方向にシフトするためオフ電流が小さくな
る。これにより信号電荷蓄積部(FD)における電荷の保持特性が向上する。
荷蓄積部(FD)から電流がフォトダイオード111に流れて、信号電荷蓄積部(FD)
の電位は低下する。また、配線144(BG4)に正電位を印加すると、トランジスタ1
24のオン電流が大きくなり、転送動作を高速化することができる。その後、配線154
(TX)に低電位を印加し、トランジスタ124をオフにすると、オフした時点での電位
が信号電荷蓄積部(FD)に保持される。また、配線144(BG4)に負電位を印加す
ると、オフ電流が小さくなり、信号電荷蓄積部(FD)における電荷の保持特性が向上す
る。以上が撮像動作である。
ジスタ121およびトランジスタ125をオンすることにより、信号が読み出される。ま
た、配線143(BG3)および配線145(BG5)に正電位を印加する。これにより
、トランジスタ123およびトランジスタ125のオン電流が大きくなるので、読み出し
速度を高めることができる。信号が読み出された後、配線151(SEL)に低電位を印
加し、トランジスタ121をオフする。この際、配線143(BG3)および配線145
(BG5)への電位の印加をやめてもよい。
ート電極に配線142乃至配線145をそれぞれ電気的に接続し、オン状態のトランジス
タのバックゲート電極に電気的に接続された配線には正電位を印加し、オフ状態のトラン
ジスタのバックゲート電極に電気的に接続された配線には負電位を印加する。これにより
、各トランジスタがオン状態の場合はオン電流を大きくし、オフ状態の場合はオフ電流を
小さくすることができる。したがって、高速動作と長い信号保持期間を両立することがで
きる。
びトランジスタ124がオン状態の場合以外は常に負電位を印加してもよいし、撮像動作
中以外(読み出し動作中等)は電位を印加しなくてもよい。
数の画素で共有する場合の動作について説明する。なお、配線142乃至配線144は複
数の画素で共有せず、画素ごとに別々の配線とすることもできる。この場合、トランジス
タ122乃至トランジスタ124のバックゲート電極に印加する電位を、画素ごとに制御
することができる。また、トランジスタ122乃至トランジスタ125は全てnチャネル
型とする。なお、配線161および配線162は高電位、配線163、配線164および
配線165は低電位とする。
ジスタ123およびトランジスタ124が各画素に一つずつあり、かつ配線142、配線
143、配線144、配線145、配線151、配線152、配線154、配線161、
配線162、配線163および配線164が画素に接続された基本形である。
、まず、配線152(RES[1])に高電位を印加し、トランジスタ122をオンする
。また、配線142(BG2)に正電位を印加することにより、リセット動作を高速化す
ることができる。ここで、信号電荷蓄積部(FD[1])は配線162の電位VRに充電
される。その後、配線152(RES[1])に低電位を印加し、トランジスタ122を
オフとすると信号電荷蓄積部(FD[1])は配線162の電位VRに保持される。また
、配線142(BG2)および配線144(BG4)に負電位を印加することにより、信
号電荷蓄積部(FD[1])への電荷の保持特性が向上する。
により、信号電荷蓄積部(FD[1])から電流がフォトダイオード111に流れて、信
号電荷蓄積部(FD[1])の電位は低下する。また、配線144(BG4)に正電位を
印加すると、転送動作を高速化することができる。その後、配線154(TX[1])に
低電位を印加し、トランジスタ124をオフすると、オフした時点での電位が信号電荷蓄
積部(FD[1])に保持される。また、配線144(BG4)に負電位を印加すると、
信号電荷蓄積部(FD[1])への電荷の保持特性が向上する。以上が1行目への撮像動
作である。次に2行目への撮像が、1行目と同様の手順で行われる。このようにして順次
撮像が行われる。
トランジスタ121およびトランジスタ125をオンすることにより、1行目に書き込ま
れた信号が読み出される。また、配線143(BG3)および配線145(BG5)に正
電位を印加することにより、読み出し速度を高めることができる。1行目に書き込まれた
信号が読み出された後、配線151(SEL[1])に低電位を印加することにより、ト
ランジスタ121をオフする。次に、2行目に書き込まれた信号の読み出しが、1行目と
同様の手順で行われる。このようにして順次読み出し動作が行われる。
ンジスタ123を共有する垂直4画素共有型の構成を示している。トランジスタおよび配
線を削減することで画素面積の縮小による微細化や、フォトダイオードの受光面積拡大に
よってノイズを低減することができる。信号電荷蓄積部(FD)にはトランジスタ122
のソース電極またはドレイン電極の一方、トランジスタ123のゲート電極、トランジス
タ124a乃至トランジスタ124dのソース電極またはドレイン電極の一方および保持
容量131の一方の電極が接続されている。また、トランジスタ124aのソース電極ま
たはドレイン電極の他方にはフォトダイオード111aのカソードまたはアノードの一方
が電気的に接続され、トランジスタ124bのソース電極またはドレイン電極の他方には
フォトダイオード111bのカソードまたはアノードの一方が電気的に接続され、トラン
ジスタ124cのソース電極またはドレイン電極の他方にはフォトダイオード111cの
カソードまたはアノードの一方が電気的に接続され、トランジスタ124dのソース電極
またはドレイン電極の他方にはフォトダイオード111dのカソードまたはアノードの一
方がそれぞれ電気的に接続されている。また、トランジスタ124aのゲート電極には配
線154a(電位TX[1])が電気的に接続され、トランジスタ124bのゲート電極
には配線154b(電位TX[2])が電気的に接続され、トランジスタ124cのゲー
ト電極には配線154c(電位TX[3])が電気的に接続され、トランジスタ124d
のゲート電極には配線154d(電位TX[4])が電気的に接続されている。なお、ト
ランジスタ124a乃至トランジスタ124dは転送トランジスタとしての機能を有する
ことができる。
については、まず、配線152(RES)に高電位を印加し、トランジスタ122をオン
する。また、配線142(BG2)に正電位を印加することにより、リセット動作を高速
化することができる。ここで、信号電荷蓄積部(FD)は配線162の電位VRに充電さ
れる。その後、配線152(RES)に低電位を印加し、トランジスタ122をオフとす
ると信号電荷蓄積部(FD)は配線162の電位VRに保持される。また、配線142(
BG2)および配線144(BG4)に負電位を印加することにより、信号電荷蓄積部(
FD)への電荷の保持特性が向上する。次に、配線154a(TX[1])に高電位を印
加し、トランジスタ124aをオンすることにより、信号電荷蓄積部(FD)から電流が
フォトダイオード111aに流れて、信号電荷蓄積部(FD)の電位は低下する。また、
配線144(BG4)に正電位を印加すると、転送動作を高速化することができる。
ると、オフした時点での電位が信号電荷蓄積部(FD)に保持される。また、配線144
(BG4)に負電位を印加すると、信号電荷蓄積部(FD)への電荷の保持特性が向上す
る。以上が1行目への撮像動作である。
ジスタ121およびトランジスタ125をオンすることにより、1行目に書き込まれた信
号が読み出される。また、配線143(BG3)および配線145(BG5)に正電位を
印加することにより、読み出し速度を高めることができる。信号が読み出された後、配線
151(SEL)に低電位を印加し、トランジスタ121をオフする。この際、配線14
3(BG3)および配線145(BG5)への電位の印加をやめてもよい。以上が1行目
の読み出し動作である。
22をオンする。また、配線142(BG2)に正電位を印加することにより、リセット
動作を高速化することができる。ここで、信号電荷蓄積部(FD)は配線162の電位V
Rに充電される。その後、配線152(RES)に低電位を印加し、トランジスタ122
をオフとすると信号電荷蓄積部(FD)は配線162の電位VRに保持される。また、配
線142(BG2)および配線144(BG4)に負電位を印加することにより、信号電
荷蓄積部(FD)への電荷の保持特性が向上する。
と、信号電荷蓄積部(FD)から電流がフォトダイオード111bに流れて、信号電荷蓄
積部(FD)の電位は低下する。また、配線144(BG4)に正電位を印加すると、転
送動作を高速化することができる。配線154b(TX[2])に低電位を印加し、トラ
ンジスタ124bをオフすると、オフした時点での電位が信号電荷蓄積部(FD)に保持
される。また、配線144(BG4)に負電位を印加すると、信号電荷蓄積部(FD)へ
の電荷の保持特性が向上する。以上が2行目への撮像動作である。
および読み出しを、2行目と同様に行う。以上が図12の回路における撮像動作および読
み出し動作である。
、トランジスタ121乃至トランジスタ123を共有する垂直水平4画素共有型である。
垂直4画素共有型と同じく、トランジスタおよび配線を削減することで画素面積の縮小に
よる微細化や、フォトダイオードの受光面積拡大によってノイズを低減することができる
。トランジスタ124a乃至トランジスタ124dは転送トランジスタとしての機能を有
することができる。トランジスタ124aのゲート電極には配線154a(TX[1,1
])が電気的に接続され、トランジスタ124bのゲート電極には配線154b(TX[
2,1])が電気的に接続され、トランジスタ124cのゲート電極には配線154c(
TX[1,2])が電気的に接続され、トランジスタ124dのゲート電極には配線15
4d(TX[2,2])が電気的に接続されている。
目の駆動については、まず、配線152(RES)に高電位を印加し、トランジスタ12
2をオンする。また、配線142(BG2)に正電位を印加することにより、リセット動
作を高速化することができる。ここで、信号電荷蓄積部(FD)は配線162の電位VR
に充電される。その後、配線152(RES)に低電位を印加し、トランジスタ122を
オフとすると信号電荷蓄積部(FD)は配線162の電位VRに保持される。また、配線
142(BG2)および配線144(BG4)に負電位を印加することにより、信号電荷
蓄積部(FD)への電荷の保持特性が向上する。
すると、信号電荷蓄積部(FD)から電流がフォトダイオード111aに流れて、信号電
荷蓄積部(FD)の電位は低下する。また、配線144(BG4)に正電位を印加すると
、転送動作を高速化することができる。配線154a(TX[1,1])に低電位を印加
し、トランジスタ124aをオフすると、オフした時点での電位が信号電荷蓄積部(FD
)に保持される。また、配線144(BG4)に負電位を印加すると、信号電荷蓄積部(
FD)への電荷の保持特性が向上する。以上が撮像動作である。
ジスタ121およびトランジスタ125をオンすることにより、1行1列目に書き込まれ
た信号が読み出される。また、配線143(BG3)および配線145(BG5)に正電
位を印加することにより、読み出し速度を高めることができる。信号が読み出された後、
配線151(SEL)に低電位を印加し、トランジスタ121をオフする。この際、配線
143(BG3)および配線145(BG5)への電位の印加をやめてもよい。以上が読
み出し動作である。
み出し動作を行う。以上が図14の回路における撮像動作および読み出し動作である。
11、データ保持動作212および読み出し動作213を行うローリングシャッタ方式で
駆動するとして説明した。一方、図16(B)に示すように、全行で同時に撮像動作21
1を行い、行ごとに順次読み出し動作213を行うグローバルシャッタ方式を適用できる
回路構成とすることもできる。
OSトランジスタの低いオフ電流特性によって信号電荷蓄積部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ため、グローバルシャッタ方式を適用することができる。し
たがって、被写体が動体であっても歪の小さい画像を容易に得ることができる。また、グ
ローバルシャッタ方式により露光時間(撮像データの取得を行う期間)を長くすることも
できることから、低照度環境における撮像にも適する。
いが、一以上のトランジスタをSiトランジスタとすることもできる。例えば、トランジ
スタ122およびトランジスタ124をOSトランジスタとし、トランジスタ121およ
びトランジスタ123をSiトランジスタとすることもできる。
として説明したが、トランジスタ122乃至トランジスタ125のうち少なくとも1つが
pチャネル型であってもよい。pチャネル型のトランジスタでは、バックゲート電極に負
電位を印加するとしきい値電圧がプラス方向にシフトしてオン電流が大きくなり、正電位
を印加するとしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてオフ電流が小さくなる。
、配線164および配線165は低電位として説明したが、上記配線にその他の電位を供
給して動作させることもできる。
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。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。
わせることができる。
である。
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることができる撮像装置全体の構成について、
図17を用いて説明する。
マトリクス状に並べられた画素アレイ2700と、回路2730、回路2740、回路2
750および回路2760と、バイアストランジスタアレイ2751およびバイアストラ
ンジスタアレイ2761と、配線142乃至配線145と、を有する。
100はどのような回路構造を有していてもよい。例えば、図1乃至図6に示す回路構造
のうちいずれか一を有していてもよい。例えば、画素100が図5に示す回路構造を有し
ている場合、撮像装置は図17に示す配線142乃至配線145の他、配線141を有す
る。
れている。回路2730は、例えば、リセットトランジスタの駆動回路として機能させる
ことができる。この場合、回路2730と、図1における配線152とが電気的に接続さ
れる。回路2740は、例えば、転送トランジスタの駆動回路として機能させることがで
きる。この場合、回路2740と、図1における配線154とが電気的に接続される。ま
た、回路2730または回路2740は、例えば、選択トランジスタの駆動回路として機
能させることができる。この場合、回路2730または回路2740と、図1における配
線151とが電気的に接続される。なお、図17では回路2730および回路2740を
分割して配置する構成を図示しているが、一つの領域に回路2730および回路2740
がまとめて配置される構成としてもよい。
接続される。回路2750および回路2760は、例えば、図1に示すトランジスタ12
3のソース電極またはドレイン電極の他方と電気的に接続される垂直出力回路を選択する
駆動回路として機能させることができる。なお、回路2750および回路2760の内、
どちらか一方だけ配置し、片方の回路のみで垂直出力回路を駆動させてもよい。
には、図1に示すトランジスタ125が配置されている。なお、バイアストランジスタア
レイ2751およびバイアストランジスタアレイ2761のどちらか一方だけを配置して
もよい。
し、外付けのICチップに含まれていてもよい。
至回路2760を1層目に、実線で示す画素アレイ2700、バイアストランジスタアレ
イ2751、バイアストランジスタアレイ2761および配線142乃至配線145を2
層目に配置してもよい。この場合、配線142乃至配線145を、回路2730乃至回路
2760と重なる領域に配置することができる。このため、チップ面積を微細化すること
ができる。また、配線142乃至配線145の配置に自由度を持たせられるため、配線1
42乃至配線145とIOピンとの接続が容易になる。なお、撮像装置は3層以上の積層
構造としてもよい。
したが、それぞれ1本としてもよい。
である。
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることができる撮像装置の画素の構成について
、図19乃至図29を用いて説明する。
図19(B)は、図19(A)中のバックゲート電極として機能する配線142乃至配線
144にハッチングを付与した上面図である。また、図19(C)は、図19(A)に示
すA1-A2の断面図である。なお、上記図面では、明瞭化のために一部の要素を省いて
図示している。
電膜3081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ものに
ついては、同一の要素として設けられる場合もある。また、各要素間には層間絶縁膜や平
坦化膜としての機能を有することができる絶縁膜3041および絶縁膜3042が設けら
れる。
等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、ポリイミド樹脂等の有機
絶縁膜等を用いてもよい。絶縁膜3041および絶縁膜3042の上面は、CMP(Ch
emical Mechanical Polishing)法等で平坦化処理を行うこ
とが好ましい。
層に含まれる場合もある。また、上記以外の層が当該積層構造に含まれる場合もある。ま
た、上記の一部の層が含まれない場合もある。
および配線142乃至配線144の他、配線3071、配線3072および配線3074
乃至3079を有する。
ることができ、配線3072はトランジスタ122のソース電極またはドレイン電極の一
方として機能することができ、配線3075はトランジスタ124のゲート電極として機
能することができ、配線3076はトランジスタ122のゲート電極として機能すること
ができ、配線3078はトランジスタ121のゲート電極として機能することができ、配
線3079はトランジスタ123のソース電極またはドレイン電極の一方として機能する
ことができる。
ることができる。また、配線3072および配線3077は電源線としての機能を有する
ことができる。また、配線3074は接続配線としての機能を有することができる。また
、配線3075、配線3076および配線3078は、トランジスタのオン・オフを制御
する信号線としての機能を有することができる。
膜3061に用いることが好ましい。当該フォトダイオードでは、アバランシェ現象によ
り入射される光量に対する電子の増幅が大きい高感度のセンサとすることができる。また
、セレン系材料は光吸収係数が高いため、光電変換膜3061を薄くしやすい利点を有す
る。
ンは、一例として、非晶質セレンを成膜後、熱処理することで得ることができる。なお、
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。
ってもよい。または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物(CIGS)を含む膜
であってもよい。CIS膜およびCIGS膜では、セレンの単層と同様にアバランシェ現
象が利用できるフォトダイオード111を形成することができる。
3066と透光性導電膜3062との間に光電変換膜3061を有する構成とすることが
できる。また、リーク電流等の防止のため、酸化亜鉛等の酸化物半導体膜を光電変換膜3
061と接して設けてもよい。
を画素間で分離しない構成としているが、図20(A)に示す断面図のように回路間で分
離する構成としてもよい。また、画素間における配線3077および電極3066を有さ
ない領域には、図19(C)に示すように絶縁膜で隔壁3067を設け、光電変換膜30
61および透光性導電膜3062に亀裂が入らないようにすることが好ましいが、図20
(B)に示すように隔壁3067を設けない構成としてもよい。また、図20(C)、(
D)に示すように透光性導電膜3062と配線3077が直接接する形態としてもよい。
また、図20(E)に示すように、絶縁膜3042が平坦化処理されていない構成であっ
てもよい。
た、隔壁3067は、トランジスタ等に対する遮光のため、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。
成されたダイオード素子を用いることができる。または非晶質シリコン膜や微結晶シリコ
ン膜等を用いたpin型ダイオード素子等を用いてもよい。
いた例である。当該フォトダイオードは、n型の半導体膜3065、i型の半導体膜30
64、およびp型の半導体膜3063が順に積層された構成を有している。i型の半導体
膜3064には非晶質シリコンを用いることが好ましい。また、p型の半導体膜3063
およびn型の半導体膜3065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等を用いることができる。非晶質シリコンを光電変換膜
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。
膜3065が、トランジスタ122と電気的な接続を有する電極層と電気的な接続を有す
る。また、アノードとして作用するp型の半導体膜3063が配線3077と電気的な接
続を有する。
イオード111を形成することが好ましい。p型の半導体膜3063を受光面とすること
で、フォトダイオード111の出力電流を高めることができる。
ならびにフォトダイオード111および配線の接続形態は、図22(A)(B)(C)(
D)(E)(F)に示す例であってもよい。なお、フォトダイオード111の構成および
フォトダイオード111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。
膜3062を設けた構成である。透光性導電膜3062は電極として作用し、フォトダイ
オード111の出力電流を高めることができる。
酸化物、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、またはグラフ
ェン等を用いることができる。また、透光性導電膜3062は単層に限らず、異なる膜の
積層であってもよい。
気的な接続を直接有する構成である。
膜3062が設けられ、配線3074と透光性導電膜3062が電気的な接続を有する構
成である。
する開口部が設けられ、当該開口部を覆う透光性導電膜3062と配線3074が電気的
な接続を有する構成である。
ある。当該構成では、配線3077は導電膜3081を介してp型の半導体膜3063と
電気的に接続される。なお、図面上では、配線3077と電極3066とは、n型の半導
体膜3065を介して見かけ上導通してしまう形態を示している。しかしながら、n型の
半導体膜3065の横方向の抵抗が高いため、配線3077と上記電極層との間に適切な
間隔を設ければ、両者間は極めて高抵抗となる。したがって、フォトダイオード111は
、アノードとカソードが短絡することなく、ダイオード特性を有することができる。
63と接する透光性導電膜3062を設けた構成である。
では、受光領域と配線等が重ならないため、広い受光面積を確保できる利点を有する。
もよい。図示するように、絶縁膜3041が絶縁膜3041aおよび絶縁膜3041bを
有し、かつ絶縁膜3041aと絶縁膜3041bとのエッチングレート等が異なる場合は
、導電膜3081は段差を有するようになる。絶縁膜3042が絶縁膜3042aおよび
絶縁膜3042bを有する場合も同様である。
変換膜としたフォトダイオードを用いることもできる。
成膜工程、リソグラフィ工程、エッチング工程等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19(C)に示すように、光電
変換膜3061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、結晶性シ
リコン基板を光電変換膜とする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
せ工程等の難度の高い工程が必要となる。
た構成としてもよい。例えば、図24に示すようにシリコン基板3040に活性領域を有
するトランジスタ3055およびトランジスタ3056が画素回路と重なる構成とするこ
とができる。
該信号を変換する処理等を行う機能を有することができ、例えば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3055(n-ch型)およびトランジスタ3
056(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
ス電極またはドレイン電極の一方は、他方のトランジスタのソース電極またはドレイン電
極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電極またはドレイン
電極の他方はそれぞれ別の配線に電気的に接続される。
ゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリ
ン、窒化ガリウム、有機半導体を材料とする基板を用いることもできる。
、シリコン薄膜の活性層3059を有するトランジスタであってもよい。また、活性層3
059は、多結晶シリコンやSOI(Silicon on Insulator)の単
結晶シリコンとすることができる。
ランジスタ124、トランジスタ123を有する層との間には絶縁膜3080が設けられ
る。
の水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3055およびトランジスタ3056の信頼性を向上させる効果がある。一方、トラン
ジスタ124等の活性層である酸化物半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜中の水素は、酸
化物半導体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124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、Si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膜3080を設けることが好ましい。絶縁膜30
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3055およびトランジス
タ3056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124等の信頼性も向上させることができる。
ウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、
酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。
駆動回路)と、トランジスタ124等と、フォトダイオード111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等の撮
像装置に用いることが適する。なお、約3千3百万個の画素を有するため、8k4kの撮
像装置は33Mと呼ぶこともできる。
けない構成である。したがって、各種トランジスタや配線等の影響を受けずにフォトダイ
オード111に対する光路を確保することができ、高開口率の画素を形成することができ
る。
、画素100c、画素100d、画素100eおよび画素100fを2行3列に並べた上
面図をそれぞれ図25、図26および図27に示す。
に配置すると、バックゲートとして機能する配線を同じ行または列および隣接する行また
は列に配置された画素間で共有することができる。図25の場合、例えば配線143は画
素100c乃至画素100f間で、配線147は画素100a乃至画素100d間でそれ
ぞれ共有することができる。図26の場合、例えば配線147を画素100a乃至画素1
00d間で、配線148を画素100c乃至画素100f間でそれぞれ共有することがで
きる。図27の場合、例えば配線143を画素100c乃至画素100f間で、配線14
9を画素100a乃至画素100d間でそれぞれ共有することができる。このため、画素
100を線対称に配置しない場合より簡易な工程で撮像装置を作製することができる。
ンジスタ122、トランジスタ123およびトランジスタ124に近づけて配置すること
が望ましいが、図19(A)にと同じ位置としてもよい。
スタのバックゲート電極に正電位を印加してもオフ電流の発生を抑制することができる。
た形態の一例の断面図である。当該断面図は、3画素分の画素回路を有する領域の一部を
示している。フォトダイオード111が形成される領域3400上には、絶縁膜3500
が形成される。絶縁膜3500は可視光に対して透光性の高い酸化シリコン膜等を用いる
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、酸化ハフニウム等の誘電体膜を積層する構成としてもよ
い。
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3510には、アルミニウム、
タングステン等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。
れる。また、画素別に、カラーフィルタ3530a、カラーフィルタ3530bおよびカ
ラーフィルタ3530cがそれぞれ形成される。上記それぞれのカラーフィルタに、R(
赤)、G(緑)、B(青)、Y(黄)、C(シアン)、M(マゼンタ)等の色を割り当て
ることにより、カラー画像を得ることができる。
上には、マイクロレンズアレイ3540が設けられる。したがって、マイクロレンズアレ
イ3540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、フォトダイオ
ードに照射されるようになる。なお、マイクロレンズアレイ3540を設けない構成とす
ることもできる。
よびカラーフィルタ3530cの代わりに光学変換層3550(図28(B)参照)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3550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3550
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
。
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
光線や紫外光線等の光(蛍光)に変換される。そして、当該光をフォトダイオード111
で検知することにより画像データを取得する。また、放射線検出器等に当該構成の撮像装
置を用いてもよい。
可視光や紫外光を発する物質、または当該物質を含む材料からなる。例えば、Gd2O2
S:Tb、Gd2O2S:Pr、Gd2O2S:Eu、BaFCl:Eu、NaI、Cs
I、CaF2、BaF2、CeF3、LiF、LiI、ZnO等の材料や、それらを樹脂
やセラミクスに分散させたものが知られている。
に直接変換す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。
Sトランジスタが設けられた領域3300を有していてもよい。領域3300および領域
3400の構成は、例えば、図19(A)(B)(C)、図21(A)(B)および図2
3に示す構成とすることができる。
Sトランジスタが設けられた領域3300を有し、領域3300の下にSiトランジスタ
が設けられた領域3200を有していてもよい。領域3200、領域3300および領域
3400の構成は、例えば、図24(A)(B)に示す構成とすることができる。
。図29(A1)は、撮像装置を同図中の二点鎖線X1-X2の方向に湾曲させた状態を
示している。図29(A2)は、図29(A1)中の二点鎖線X1-X2で示した部位の
断面図である。図29(A3)は、図29(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の方向に湾曲させた状態を示している。図29(B2)は、図
29(B1)中の二点鎖線X3-X4で示した部位の断面図である。図29(B3)は、
図29(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等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等の小型化や
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
。
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30乃至図38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。
である。図30(A)は上面図であり、図30(A)に示す一点鎖線B1-B2方向の断
面が図30(B)に相当する。また、図30(A)に示す一点鎖線B3-B4方向の断面
が図32(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
B3-B4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
導電膜4173と接する絶縁膜4120と、絶縁膜4120と接する酸化物半導体膜41
30と、酸化物半導体膜4130と電気的に接続する導電膜4140および導電膜415
0と、酸化物半導体膜4130、導電膜4140および導電膜4150と接する絶縁膜4
160と、絶縁膜4160と接する導電膜4170と、導電膜4140、導電膜4150
、絶縁膜4160および導電膜4170と接する絶縁膜4175と、絶縁膜4175と接
する絶縁膜4180と、を有する。また、必要に応じて絶縁膜4180に平坦化膜として
の機能を付加してもよい。
ス電極またはドレイン電極の他方、絶縁膜4160はゲート絶縁膜、導電膜4170は第
1のゲート電極、導電膜4173は第2のゲート電極(バックゲート電極ともいう)とし
てそれぞれ機能することができる。第1のゲート電極と第2のゲート電極によりチャネル
形成領域を電気的に取り囲んだトランジスタの構造を、surrounded chan
nel(s-channel)構造と呼ぶ。
域4233はチャネル形成領域として機能することができる。領域4231および領域4
232は導電膜4140および導電膜4150とそれぞれ接しており、例えば導電膜41
40および導電膜4150として酸素と結合しやすい導電材料を用いれば領域4231お
よび領域4232を低抵抗化することができる。
ことで酸化物半導体膜4130内に酸素欠損が生じ、当該酸素欠損と酸化物半導体膜41
30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4231および領域
4232は低抵抗のn型となる。
図示しているが、一層または三層以上の積層であってもよい。当該構成は本実施の形態で
説明する他のトランジスタにも適用できる。
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。
い。図30(C)はトランジスタ4102の上面図であり、図30(C)に示す一点鎖線
C1-C2方向の断面が図30(D)に相当する。また、図30(C)に示す一点鎖線C
3-C4方向の断面は、図32(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場合がある。
て作用する導電膜4170と端部を一致させない点を除き、トランジスタ4101と同様
の構成を有する。トランジスタ4102の構造は、導電膜4140および導電膜4150
が絶縁膜4160で広く覆われているため、導電膜4140および導電膜4150と導電
膜4170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。
い。図30(E)はトランジスタ4103の上面図であり、図30(E)に示す一点鎖線
D1-D2方向の断面が図30(F)に相当する。また、図30(E)に示す一点鎖線D
3-D4方向の断面は、図32(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場合がある。
導電膜4173と接する絶縁膜4120と、絶縁膜4120と接する酸化物半導体膜41
30と、酸化物半導体膜4130と接する絶縁膜4160と、絶縁膜4160と接する導
電膜4170と、酸化物半導体膜4130、絶縁膜4160および導電膜4170を覆う
絶縁膜4175と、絶縁膜4175と接する絶縁膜4180と、絶縁膜4175および絶
縁膜4180に設けられた開口部を通じて酸化物半導体膜4130と電気的に接続する導
電膜4140および導電膜4150を有する。また、必要に応じて絶縁膜4180、導電
膜4140および導電膜4150に接する絶縁膜(平坦化膜)等を有していてもよい。
ス電極またはドレイン電極の他方、絶縁膜4160はゲート絶縁膜、導電膜4170は第
1のゲート電極、導電膜4173は第2のゲート電極としてそれぞれ機能することができ
る。
域4233はチャネル形成領域として機能することができる。領域4231および領域4
232は絶縁膜4175と接しており、例えば絶縁膜4175として水素を含む絶縁材料
を用いれば領域4231および領域4232を低抵抗化することができる。
2に生じる酸素欠損と、絶縁膜4175から領域4231および領域4232に拡散する
水素との相互作用により、領域4231および領域4232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。
。図31(A)はトランジスタ4104の上面図であり、図31(A)に示す一点鎖線E
1-E2方向の断面が図31(B)に相当する。また、図31(A)に示す一点鎖線E3
-E4方向の断面は、図32(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場合がある。
導電膜4173と接する絶縁膜4120と、絶縁膜4120と接する酸化物半導体膜41
30と、酸化物半導体膜4130と電気的に接続する導電膜4140および導電膜415
0と、酸化物半導体膜4130に接する絶縁膜4160と、絶縁膜4160と接する導電
膜4170と、酸化物半導体膜4130、導電膜4140、導電膜4150および導電膜
4170と接する絶縁膜4175と、絶縁膜4175と接する絶縁膜4180と、を有す
る。また、必要に応じて絶縁膜4180に平坦化膜としての機能を付与してもよい。
および領域4335はドレイン領域、領域4333はチャネル形成領域として機能するこ
とができる。
領域4232と同様に低抵抗化することができる。
および領域4232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4334および領域4335の幅が100nm以下、好ましくは50nm以下の場合
には、ゲート電界の寄与によりオン電流は大きく低下しない。したがって、領域4334
および領域4335の低抵抗化を行わない場合もある。
0および導電膜4150と、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とソース電極およびドレイン電極間の寄生容量
が極めて小さいため、高速動作用途に適している。
い。図31(C)はトランジスタ4105の上面図であり、図31(C)に示す一点鎖線
F1-F2方向の断面が図31(D)に相当する。また、図31(C)に示す一点鎖線F
3-F4方向の断面は、図32(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場合がある。
導電膜4173と接する絶縁膜4120と、絶縁膜4120と接する酸化物半導体膜41
30と、酸化物半導体膜4130と電気的に接続する導電膜4141および導電膜415
1と、酸化物半導体膜4130、導電膜4141、導電膜4151と接する絶縁膜416
0と、絶縁膜4160と接する導電膜4170と、酸化物半導体膜4130、導電膜41
41、導電膜4151および導電膜4170と接する絶縁膜4175と、絶縁膜4175
と接する絶縁膜4180と、絶縁膜4175および絶縁膜4180に設けられた開口部を
通じて導電膜4141および導電膜4151とそれぞれ電気的に接続する導電膜4142
および導電膜4152を有する。また、必要に応じて絶縁膜4180、導電膜4142お
よび導電膜4152に接する絶縁膜等を有していてもよい。
、側面には接しない構成となっている。
膜4175および絶縁膜4180に設けられた開口部を通じて導電膜4141および導電
膜4151とそれぞれ電気的に接続する導電膜4142および導電膜4152を有する点
を除き、トランジスタ4101と同様の構成を有する。導電膜4140(導電膜4141
および導電膜4142)はソース電極またはドレイン電極の一方として作用させることが
でき、導電膜4150(導電膜4151および導電膜4152)はソース電極またはドレ
イン電極の他方として作用させることができる。
い。図31(E)はトランジスタ4106の上面図であり、図31(E)に示す一点鎖線
G1-G2方向の断面が図31(F)に相当する。また、図31(E)に示す一点鎖線G
3-G4方向の断面は、図32(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場合がある。
する酸化物半導体膜4130と、酸化物半導体膜4130と電気的に接続する導電膜41
41および導電膜4151と、酸化物半導体膜4130と接する絶縁膜4160と、絶縁
膜4160と接する導電膜4170と、絶縁膜4120、酸化物半導体膜4130、導電
膜4141、導電膜4151および導電膜4170と接する絶縁膜4175と、絶縁膜4
175と接する絶縁膜4180と、絶縁膜4175および絶縁膜4180に設けられた開
口部を通じて導電膜4141および導電膜4151とそれぞれ電気的に接続する導電膜4
142および導電膜4152を有する。また、必要に応じて絶縁膜4180、導電膜41
42および導電膜4152に接する絶縁膜(平坦化膜)等を有していてもよい。
、側面には接しない構成となっている。
ンジスタ4103と同様の構成を有する。導電膜4140(導電膜4141および導電膜
4142)はソース電極およびドレイン電極の一方として作用させることができ、導電膜
4150(導電膜4151および導電膜4152)はソース電極またはドレイン電極の他
方として作用させることができる。
電膜4150が絶縁膜4120と接しない構成であるため、絶縁膜4120中の酸素が導
電膜4140および導電膜4150に奪われにくくなり、絶縁膜4120から酸化物半導
体膜4130中への酸素の供給を容易とすることができる。
104およびトランジスタ4106における領域4334および領域4335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。酸化物半導体膜に酸素欠損
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等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。酸化物半導体膜に含まれる酸
素欠損と酸化物半導体膜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
半導体膜の導電率を高くすることができる。
酸素欠損サイトに水素が入り伝導帯近傍にドナー準位が形成される。その結果、酸化物導
電体を形成することができる。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およびドレイン電極として機
能する導電膜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およびドレ
イン電極として機能する導電膜との接触抵抗を低減することができる。
、酸化物半導体膜4130が単層である例を図示したが、酸化物半導体膜4130は積層
であってもよい。
4130の、図33(A)に示す一点鎖線A1-A2方向の断面図を図33(B)に、一
点鎖線A3-A4方向の断面図を図33(C)にそれぞれ示す。また、三層構造である酸
化物半導体膜4130の、図33(A)に示す一点鎖線A1-A2方向の断面図を図33
(D)に、一点鎖線A3-A4方向の断面図を図33(E)にそれぞれ示す。
B)、(C)または図33(D)、(E)に示す酸化物半導体膜4130と入れ替えるこ
とができる。
半導体膜、チャネル領域を形成しない層を絶縁膜と呼ぶ。酸化物半導体が三層構造の場合
、例えば二層目(一層目と三層目の間の層)にチャネル領域が形成される。
れぞれ組成の異なる酸化物半導体膜等を用いることができる。
乃至図35(F)および図36(A)(B)に示す構成であってもよい。図34(A)乃
至図34(F)、図35(A)乃至図35(F)および図36(A)(B)に示すトラン
ジスタは、図30(A)乃至図30(F)、図31(A)乃至図31(F)および図32
(A)(B)に示すトランジスタにおいて、領域4231、領域4232、領域4334
、領域4335における酸化物半導体膜4130が二層(絶縁膜4130a、酸化物半導
体膜4130b)であり、領域4233において酸化物半導体膜4130が三層(絶縁膜
4130a、酸化物半導体膜4130b、絶縁膜4130c)である場合にそれぞれ対応
する。
D)および図36(B)に示すトランジスタ4108は、導電膜4140および導電膜4
150と、絶縁膜4160との間に絶縁膜4130cが介在している。また、図35(C
)(D)および図36(A)に示すトランジスタ4111は、導電膜4141および導電
膜4151と、絶縁膜4160との間に絶縁膜4130cが介在している。
することもできる。図37(A)は上面図であり、図37(B)は、図37(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37
(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。
4115上の導電膜4173と、基板4115および導電膜4173上の絶縁膜4120
と、絶縁膜4120上の酸化物半導体膜4130(絶縁膜4130a、酸化物半導体膜4
130b、絶縁膜4130c)と、酸化物半導体膜4130に接し、間隔を開けて配置さ
れた導電膜4140および導電膜4150と、絶縁膜4130cと接する絶縁膜4160
と、絶縁膜4160と接する導電膜4170を有する。なお、絶縁膜4130c、絶縁膜
4160および導電膜4170は、トランジスタ4113上の絶縁膜4190に設けられ
た、酸化物半導体膜4130b、絶縁膜4130aおよび絶縁膜4120に達する開口部
に設けられている。
ス電極またはドレイン電極となる導電膜とゲート電極となる導電膜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4113は、高速
動作を必要とする回路の要素として適している。なお、トランジスタ4113の上面は、
図37(B)に示すようにCMP(Chemical Mechanical Poli
shing)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。
図38(A)に示す上面図(酸化物半導体膜4130、導電膜4140および導電膜41
50のみを図示)のように酸化物半導体膜4130の幅(WOS)よりも導電膜4140
および導電膜4150の幅(WSD)が長く形成されていてもよいし、図38(B)に示
すように短く形成されていてもよい。WSDをWOS以下とすることで、ゲート電界が酸
化物半導体膜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38(C)に示すように、導電膜4140および導電膜4150が酸
化物半導体膜4130と重なる領域のみに形成されていてもよい。
、いずれの構成においても、ゲート電極である導電膜4170は、ゲート絶縁膜である絶
縁膜4160を介して酸化物半導体膜4130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 cha
nnel(s-channel)構造とよぶ。
70の下方に第2のゲート電極として機能する導電膜4173を配置するトップゲート構
造としているが、第1のゲート電極の上方に第2のゲート電極を配置するボトムゲート構
造としてもよい。
ことができる。
できる。
本実施の形態では、実施の形態4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。
処理された金属基板等を用いることができる。または、トランジスタ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膜、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
トランジスタのみを形成する場合は、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、当該シリコン基板におけるトランジスタを形成する面の面方位は、(110)面
であることが好ましい。(110)面にp-ch型トランジスタを形成することで、移動
度を高くすることができる。
するほか、酸化物半導体膜4130に酸素を供給する役割を担うことができる。したがっ
て、絶縁膜4120は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い
酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS(T
hermal Desorption Spectroscopy))にて、酸素原子に
換算しての酸素の放出量が1.0×1019atoms/cm3以上である膜とする。な
お、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または
100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。また、基板4115が他のデバイスが形成
された基板である場合、絶縁膜4120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。
化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウ
ム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタル等の酸化物絶縁膜
、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等の窒化
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。
0a、酸化物半導体膜4130bおよび絶縁膜4130cを絶縁膜4120側から順に積
んだ三層構造である場合を主として詳細を説明する。
130bに相当する層を用いればよい。
に相当する層および酸化物半導体膜4130bに相当する層を絶縁膜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、絶縁膜4130aと酸化物半導体膜4130
bとを入れ替えることもできる。
る三層構造の酸化物半導体膜4130に対して他の酸化物半導体膜を付加する構成とする
ことができる。
c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
膜を用いる。電子親和力は、真空準位と価電子帯上端とのエネルギー差(イオン化ポテン
シャル)から、伝導帯下端と価電子帯上端とのエネルギー差(エネルギーギャップ)を差
し引いた値として求めることができる。
元素を一種以上含み、例えば、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体膜4130bより
も、0.05eV、0.07eV、0.1eV、0.15eVのいずれか以上であって、
2eV、1eV、0.5eV、0.4eVのいずれか以下の範囲で真空準位に近い酸化物
半導体膜で形成することが好ましい。
のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体膜4130bにチャネルが形
成される。
んで構成されるため、酸化物半導体膜4130bと絶縁膜4120が接した場合の界面と
比較して、酸化物半導体膜4130bと絶縁膜4130aとの界面には界面準位が形成さ
れにくくなる。該界面準位はチャネルを形成することがあるため、トランジスタのしきい
値電圧が変動することがある。したがって、絶縁膜4130aを設けることにより、トラ
ンジスタのしきい値電圧等の電気特性のばらつきを低減することができる。また、当該ト
ランジスタの信頼性を向上させることができる。
んで構成されるため、酸化物半導体膜4130bと絶縁膜4160が接した場合の界面と
比較して、酸化物半導体膜4130bと絶縁膜4130cとの界面ではキャリアの散乱が
起こりにくくなる。したがって、絶縁膜4130cを設けることにより、トランジスタの
電界効果移動度を高くすることができる。
Zr、Sn、La、CeまたはHfを酸化物半導体膜4130bよりも高い原子数比で含
む材料を用いることができる。具体的には、当該原子数比を1.5倍以上、好ましくは2
倍以上、さらに好ましくは3倍以上とする。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素
欠損が酸化物半導体膜に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、絶縁膜4130
aおよび絶縁膜4130cは、酸化物半導体膜4130bよりも酸素欠損が生じにくいと
いうことができる。
いることのできる酸化物半導体は、少なくともインジウム(In)もしくは亜鉛(Zn)
を含むことが好ましい。または、InとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化
物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタ
ビライザーを含むことが好ましい。
ミニウム(Al)、またはジルコニウム(Zr)等がある。また、他のスタビライザーと
しては、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(P
r)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(
Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウ
ム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等がある
。
n-Zn酸化物、Sn-Zn酸化物、Al-Zn酸化物、Zn-Mg酸化物、Sn-Mg
酸化物、In-Mg酸化物、In-Ga酸化物、In-Ga-Zn酸化物、In-Al-
Zn酸化物、In-Sn-Zn酸化物、Sn-Ga-Zn酸化物、Al-Ga-Zn酸化
物、Sn-Al-Zn酸化物、In-Hf-Zn酸化物、In-La-Zn酸化物、In
-Ce-Zn酸化物、In-Pr-Zn酸化物、In-Nd-Zn酸化物、In-Sm-
Zn酸化物、In-Eu-Zn酸化物、In-Gd-Zn酸化物、In-Tb-Zn酸化
物、In-Dy-Zn酸化物、In-Ho-Zn酸化物、In-Er-Zn酸化物、In
-Tm-Zn酸化物、In-Yb-Zn酸化物、In-Lu-Zn酸化物、In-Sn-
Ga-Zn酸化物、In-Hf-Ga-Zn酸化物、In-Al-Ga-Zn酸化物、I
n-Sn-Al-Zn酸化物、In-Sn-Hf-Zn酸化物、In-Hf-Al-Zn
酸化物を用いることができる。
有する酸化物という意味である。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていても
よい。また、本明細書においては、In-Ga-Zn酸化物で構成した膜をIGZO膜と
も呼ぶ。
いてもよい。なお、Mは、Ga、Y、Zr、La、Ce、またはNdから選ばれた一つの
金属元素または複数の金属元素を示す。また、In2SnO5(ZnO)n(n>0、且
つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。
インジウム、亜鉛およびM(Al、Ti、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、Ceまた
はHf等の金属)を含むIn-M-Zn酸化物であるとき、絶縁膜4130aをIn:M
:Zn=x1:y1:z1[原子数比]、酸化物半導体膜4130bをIn:M:Zn=
x2:y2:z2[原子数比]、絶縁膜4130cをIn:M:Zn=x3:y3:z3
[原子数比]とすると、y1/x1およびy3/x3がy2/x2よりも大きくなること
が好ましい。y1/x1およびy3/x3はy2/x2よりも1.5倍以上、好ましくは
2倍以上、さらに好ましくは3倍以上とする。このとき、酸化物半導体膜4130bにお
いて、y2がx2以上であるとトランジスタの電気特性を安定させることができる。ただ
し、y2がx2の3倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうた
め、y2はx2の3倍未満であることが好ましい。
InおよびMの原子数比率は、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50at
omic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75ato
mic%より高くする。また、酸化物半導体膜4130bのZnおよびOを除いてのIn
およびMの原子数比率は、好ましくはInが25atomic%より高く、Mが75at
omic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%より高く、Mが66ato
mic%未満とする。
ンジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主として重金属のs軌道がキャリ
ア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なる
ため、InがMよりも多い組成となる酸化物はInがMと同等または少ない組成となる酸
化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体膜4130bにインジウムの
含有量が多い酸化物を用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現すること
ができる。
以下、さらに好ましくは5nm以上25nm以下とする。また、酸化物半導体膜4130
bの厚さは、3nm以上200nm以下、好ましくは5nm以上150nm以下、さらに
好ましくは10nm以上100nm以下とする。また、絶縁膜4130cの厚さは、1n
m以上50nm以下、好ましくは2nm以上30nm以下、さらに好ましくは3nm以上
15nm以下とする。また、酸化物半導体膜4130bは、絶縁膜4130cより厚い方
が好ましい。
には、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体膜を真性または実質的に真
性にすることが有効である。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体膜のキャリア密度
が、1×1015/cm3未満であること、好ましくは1×1013/cm3未満である
こと、さらに好ましくは8×1011/cm3未満であること、さらに好適には1×10
8/cm3未満1×10-9/cm3以上であることとする。
元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密
度を増大させてしまう。また、シリコンは酸化物半導体膜中で不純物準位の形成に寄与す
る。当該不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある
。したがって、絶縁膜4130a、酸化物半導体膜4130bおよび絶縁膜4130cの
層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。
y Ion Mass Spectrometry)分析において、例えば、酸化物半導
体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、シリコン濃度を
1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満
であって、1×1018atoms/cm3以上とする。また、水素濃度は、例えば、酸
化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、2×1
020atoms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より
好ましくは1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018ato
ms/cm3以下であって、1×1017atoms/cm3以上とする。また、窒素濃
度は、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域
において、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/
cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5
×1017atoms/cm3以下であって、5×1016atoms/cm3以上とす
る。
半導体膜の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体膜の結晶性を低下させないため
には、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域
において、シリコン濃度を1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×101
8atoms/cm3未満であって、1×1018atoms/cm3以上とする部分を
有していればよい。また、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物
半導体膜のある領域において、炭素濃度を1×1019atoms/cm3未満、好まし
くは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/
cm3未満であって、6×1017atoms/cm3以上とする部分を有していればよ
い。
スタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を0.1V、5
V、または、10V程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流
を数yA/μm乃至数zA/μmにまで低減することが可能となる。
め、上記理由により酸化物半導体膜のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジ
スタのようにゲート絶縁膜と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート
絶縁膜と酸化物半導体膜との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱
が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも
、酸化物半導体膜のチャネルとなる領域はゲート絶縁膜から離すことが好ましいといえる
。
絶縁膜4130cの積層構造とすることで、酸化物半導体膜4130bにチャネルを形成
することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジスタを形
成することができる。
は、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、絶縁膜4130a、酸化物半
導体膜4130b、絶縁膜4130cの組成が近似することにより、酸素が相互に拡散し
やすい点からも理解される。したがって、絶縁膜4130a、酸化物半導体膜4130b
、絶縁膜4130cは組成が異なる層の積層体ではあるが、物性的に連続であるというこ
ともでき、図面において、当該積層体のそれぞれの界面は点線で表している。
く連続接合(ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するU字型
の井戸構造(U Shape Well))が形成されるように作製する。すなわち、各
層の界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在し
ないように積層構造を形成する。仮に、積層された酸化物半導体膜の層間に不純物が混在
していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再
結合により消滅してしまう。
1:3:3、1:3:4、1:3:6、1:4:5、1:6:4または1:9:6(原子
数比)等のIn-Ga-Zn酸化物等を用いることができる。また、酸化物半導体膜41
30bにはIn:Ga:Zn=1:1:1、2:1:3、5:5:6、または3:1:2
(原子数比)等のIn-Ga-Zn酸化物等を用いることができる。なお、絶縁膜413
0a、酸化物半導体膜4130b、および絶縁膜4130cの原子数比はそれぞれ、誤差
として上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。
化物半導体膜4130を用いたトランジスタにおいて、チャネルは酸化物半導体膜413
0bに形成される。なお、酸化物半導体膜4130は伝導帯下端のエネルギーが連続的に
変化しているため、U字型井戸とも呼ぶことができる。また、このような構成で形成され
たチャネルを埋め込みチャネルということもできる。
近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。絶縁膜4130aおよ
び絶縁膜4130cがあることにより、酸化物半導体膜4130bと当該トラップ準位と
を遠ざけることができる。
半導体膜4130bの伝導帯下端のエネルギーとの差が小さい場合、酸化物半導体膜41
30bの電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。電子がトラッ
プ準位に捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの電荷が生じ、トランジスタのしきい
値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。
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。
ドレイン電極の他方として作用する導電膜4150には、例えば、Al、Cr、Cu、T
a、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T
iや、後のプロセス温度が比較的高くできること等から、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-Mn等の合金と上記材料との積層を用いてもよ
い。なお、トランジスタ4105、トランジスタ4106、トランジスタ4111および
トランジスタ4112においては、例えば、導電膜4141および導電膜4151にW、
導電膜4142および導電膜4152にTiとAlとの積層膜等を用いることができる。
た酸化物半導体膜の一部の領域では酸化物半導体膜中の酸素が脱離し、酸素欠損が形成さ
れる。膜中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域は顕著に
n型化する。したがって、n型化した当該領域はトランジスタのソース電極またはドレイ
ン電極として作用させることができる。
てもよい。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、導電膜41
40および導電膜4150をn型の半導体膜との積層とし、n型の半導体膜と酸化物半導
体膜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型の半導体膜としては、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等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
、絶縁膜4160は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁膜4160に、ランタン
(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)等を、不純物として含んでいてもよい。
酸素、窒素、シリコン、ハフニウム等を有する。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、絶縁膜4160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等が挙げられる
。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。
化物の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膜と酸
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。当該窒
素酸化物に起因する準位密度は酸化物半導体のエネルギーギャップ内に形成されうる場合
がある。絶縁膜4120および絶縁膜4160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膜を用いることがで
きる。
物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が1
×1018個/cm3以上5×1019個/cm3以下である。なお、アンモニアの放出
量は、膜の表面温度が50℃以上650℃以下、好ましくは50℃以上550℃以下の加
熱処理による放出量とする。
ジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の
変動を低減することができる。
、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Ag、Mn、Nd、Sc、TaおよびW等の導電膜を用
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等を用いることができる。また、低抵抗のCuまたは
Cu-Mn等の合金や上記材料とCuまたはCu-Mn等の合金との積層を用いてもよい
。
とができる。実施の形態4に示したトランジスタ4103、トランジスタ4104、トラ
ンジスタ4106、トランジスタ4109、トランジスタ4110、およびトランジスタ
4112では、絶縁膜4175として水素を含む絶縁膜を用いることで酸化物半導体膜の
一部をn型化することができる。また、窒化絶縁膜は水分等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。
形態4に示したトランジスタ4101、トランジスタ4102、トランジスタ4105、
トランジスタ4107、トランジスタ4108、およびトランジスタ4111では絶縁膜
4175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、
水分等の不純物、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
分等の不純物の酸化物半導体膜4130への混入防止、酸素の酸化物半導体膜からの放出
防止、絶縁膜4120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膜中に拡散
させることもできる。
膜には、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化
シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸
化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を
用いることができる。また、当該絶縁膜は上記材料の積層であってもよい。
ることが好ましい。絶縁膜4180から放出される酸素は絶縁膜4160を経由して酸化
物半導体膜4130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。
される酸化物半導体膜4130bを覆うように絶縁膜4130c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。
ャネル幅方向を電気的に取り囲むように導電膜4170が形成されているため、酸化物半
導体膜4130に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電
界が印加される。すなわち、チャネル形成層に対して全体的にゲート電界が印加されるこ
とになり実効チャネル幅が拡大するため、さらにオン電流を高められる。
では、チャネルが形成される酸化物半導体膜4130bを絶縁膜4130a上に形成する
ことで界面準位を形成しにくくする効果を有する。また、本発明の一態様における酸化物
半導体膜4130が三層のトランジスタでは、酸化物半導体膜4130bを三層構造の中
間に位置する層とすることで上下からの不純物混入の影響を排除できる効果等を併せて有
する。そのため、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値電圧の安定
化や、S値(サブスレッショルド値)を小さくすることができる。したがって、ゲート電
位VGが0V時の電流を下げることができ、消費電力を低減させることができる。また、
トランジスタのしきい値電圧が安定化することから、半導体装置の長期信頼性を向上させ
ることができる。また、本発明の一態様のトランジスタは、微細化にともなう電気特性の
劣化が抑えられることから、集積度の高い半導体装置の形成に適しているといえる。
スパッタ法やプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)
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 Organic CVD)法やA
LD(Atomic Layer Deposition)法等がある。
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。
できる。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(vap
or deposition SP)と呼ぶこともできる。
酸化物半導体膜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膜中の不純物濃度(例
えば水素、希ガス(アルゴン等)、水等)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膜の構造について
説明する。
たは、酸化物半導体は、例えば、結晶性酸化物半導体と非晶質酸化物半導体とに分けられ
る。
Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物
半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。また、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、微結晶酸化物
半導体などがある。
scope)によって、CAAC-OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像(
高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる。
一方、高分解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバ
ウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC-OS膜は、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。
結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、
CAAC-OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した
形状であり、CAAC-OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。
ると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認で
きる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC-OS膜
のout-of-plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが
現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属される
ことから、CAAC-OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略
垂直な方向を向いていることが確認できる。
による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れ
る場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC-OS膜中の一部に、c軸配向性
を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC-OS膜は、2θが31°近傍に
ピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコ
ンなどの、酸化物半導体膜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
物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、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、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の
原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純
物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによって
キャリア発生源となることがある。
実質的に高純度真性と呼ぶ。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膜
は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、
当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(
ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。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膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導
体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとな
る。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要す
る時間が長く、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、不純物濃度が
高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定と
なる場合がある。
の変動が小さい。
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。微結晶酸化物半導体膜
に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大き
さであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微
結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、nc
-OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)
膜と呼ぶ。また、nc-OS膜は、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。
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膜は、異なる
結晶部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膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かな
い場合がある。例えば、nc-OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXR
D装置を用いて構造解析を行うと、out-of-plane法による解析では、結晶面
を示すピークが検出されない。また、nc-OS膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ
径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう。)を
行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc-OS膜に対し
、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子
回折を行うと、スポットが観測される。また、nc-OS膜に対しナノビーム電子回折を
行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、
nc-OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが
観測される場合がある。
ため、nc-OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、
nc-OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc-O
S膜は、CAAC-OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
lane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半
導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半
導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが
観測される。
を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化
物半導体(a-like OS:amorphous-like Oxide Semi
conductor)膜と呼ぶ。
る場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる
領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。a-like OS膜は、
TEMによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見ら
れる場合がある。一方、良質なnc-OS膜であれば、TEMによる観察程度の微量な電
子照射による結晶化はほとんど見られない。
EM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnO4の結晶は層状構造を有し、
In-O層の間に、Ga-Zn-O層を2層有する。InGaZnO4の結晶の単位格子
は、In-O層を3層有し、またGa-Zn-O層を6層有する、計9層がc軸方向に層
状に重なった構造を有する。よって、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。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間隔
が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がInG
aZnO4の結晶のa-b面に対応する。
体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、
その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、a-
like OS膜の密度は78.6%以上92.3%未満となる。また、例えば、単結晶
の密度に対し、nc-OS膜の密度およびCAAC-OS膜の密度は92.3%以上10
0%未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が78%未満となる酸化物半導体膜は、
成膜すること自体が困難である。
数比]を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4
の密度は6.357g/cm3となる。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1
[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、a-like OS膜の密度は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膜において、nc-OS膜の密度およびCAAC-
OS膜の密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3未満となる。
単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することが
できる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して
、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を
組み合わせて算出することが好ましい。
晶酸化物半導体膜、CAAC-OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
(実施の形態7)
ソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digita
l Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディス
プレイを有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る撮像装置
および当該撮像装置を含む半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、
携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチル
カメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲー
ションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、
複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)
、自動販売機等が挙げられる。これら電子機器の具体例を図39に示す。
表示部6904、マイク6905、スピーカー6906、操作キー6907、スタイラス
6908、カメラ6909等を有する。なお、図39(A)に示した携帯型ゲーム機は、
2つの表示部6903と表示部6904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示
部の数は、これに限定されない。カメラ6909には本発明の一態様の撮像装置を用いる
ことができる。
19等を有する。表示部6912が有するタッチパネル機能により情報の入出力を行うこ
とができる。カメラ6919には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
ド6933、カメラ6939等を有する。表示部6932はタッチパネルとなっていても
よい。カメラ6939には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
ピーカー6954、カメラ6959、入出力端子6956、操作用のボタン6955等を
有する。カメラ6959には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
ク6963、発光部6967、レンズ6965等を有する。レンズ6965の焦点となる
位置には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
73、操作キー6974、レンズ6975、接続部6976等を有する。操作キー697
4およびレンズ6975は第1筐体6971に設けられており、表示部6973は第2筐
体6972に設けられている。そして、第1筐体6971と第2筐体6972とは、接続
部6976により接続されており、第1筐体6971と第2筐体6972の間の角度は、
接続部6976により変更が可能である。表示部6973における映像を、接続部697
6における第1筐体6971と第2筐体6972との間の角度に従って切り替える構成と
してもよい。レンズ6975の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えるこ
とができる。
。
100a 画素
100b 画素
100c 画素
100d 画素
100e 画素
100f 画素
111 フォトダイオード
111a フォトダイオード
111b フォトダイオード
111c フォトダイオード
111d フォトダイオード
120 絶縁膜
121 トランジスタ
122 トランジスタ
123 トランジスタ
124 トランジスタ
124a トランジスタ
124b トランジスタ
124c トランジスタ
124d トランジスタ
125 トランジスタ
130 酸化物半導体膜
130a 絶縁膜
130b 酸化物半導体膜
131 保持容量
141 配線
142 配線
143 配線
144 配線
145 配線
146 配線
147 配線
148 配線
149 配線
150 導電膜
151 配線
152 配線
154 配線
154a 配線
154b 配線
154c 配線
154d 配線
155 配線
161 配線
162 配線
163 配線
164 配線
165 配線
211 撮像動作
212 データ保持動作
213 読み出し動作
2700 画素アレイ
2730 回路
2740 回路
2750 回路
2751 バイアストランジスタアレイ
2760 回路
2761 バイアストランジスタアレイ
3040 シリコン基板
3041 絶縁膜
3041a 絶縁膜
3041b 絶縁膜
3042 絶縁膜
3042a 絶縁膜
3042b 絶縁膜
3055 トランジスタ
3056 トランジスタ
3059 活性層
3061 光電変換膜
3062 透光性導電膜
3063 半導体膜
3064 半導体膜
3065 半導体膜
3066 電極
3067 隔壁
3071 配線
3072 配線
3074 配線
3075 配線
3076 配線
3077 配線
3078 配線
3079 配線
3080 絶縁膜
3081 導電膜
3200 領域
3300 領域
3400 領域
3500 絶縁膜
3510 遮光層
3520 有機樹脂層
3530a カラーフィルタ
3530b カラーフィルタ
3530c カラーフィルタ
3540 マイクロレンズアレイ
3550 光学変換層
4101 トランジスタ
4102 トランジスタ
4103 トランジスタ
4104 トランジスタ
4105 トランジスタ
4106 トランジスタ
4107 トランジスタ
4108 トランジスタ
4109 トランジスタ
4110 トランジスタ
4111 トランジスタ
4112 トランジスタ
4113 トランジスタ
4115 基板
4120 絶縁膜
4130 酸化物半導体膜
4130a 絶縁膜
4130b 酸化物半導体膜
4130c 絶縁膜
4140 導電膜
4141 導電膜
4142 導電膜
4150 導電膜
4151 導電膜
4152 導電膜
4160 絶縁膜
4170 導電膜
4171 導電膜
4172 導電膜
4173 導電膜
4175 絶縁膜
4180 絶縁膜
4190 絶縁膜
4231 領域
4232 領域
4233 領域
4234 領域
4235 領域
4331 領域
4332 領域
4333 領域
4334 領域
4335 領域
6901 筐体
6902 筐体
6903 表示部
6904 表示部
6905 マイク
6906 スピーカー
6907 操作キー
6908 スタイラス
6909 カメラ
6911 筐体
6912 表示部
6919 カメラ
6931 筐体
6932 表示部
6933 リストバンド
6939 カメラ
6951 筐体
6952 表示部
6954 スピーカー
6955 ボタン
6956 入出力端子
6957 マイク
6959 カメラ
6961 筐体
6962 シャッターボタン
6963 マイク
6965 レンズ
6967 発光部
6971 筐体
6972 筐体
6973 表示部
6974 操作キー
6975 レンズ
6976 接続部
Claims (2)
- 画素を複数有し、
前記画素は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードで生じた電荷をノードに転送する機能を有する第1のトランジスタと、前記ノードにゲートが電気的に接続された第2のトランジスタと、を有し、
前記第1のトランジスタ、及び前記第2のトランジスタは、バックゲート電極を有し、
前記第1のトランジスタのバックゲート電極は、第1の配線と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのバックゲート電極は、第2の配線と電気的に接続され、
前記第1の配線および前記第2の配線は、同じ行または列に配置された複数の画素と、前記同じ行または列と隣接する行または列に配置された複数の画素とで、共有されている撮像装置。 - 画素を複数有し、
前記画素は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードで生じた電荷をノードに転送する機能を有する第1のトランジスタと、前記ノードにゲートが電気的に接続された第2のトランジスタと、を有し、
前記第1のトランジスタ、及び前記第2のトランジスタは、バックゲート電極を有し、
前記第1のトランジスタのバックゲート電極は、前記第1のトランジスタのソース電位より高い電位または前記第1のトランジスタのソース電位より低い電位を切り替えて供給することのできる第1の配線と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのバックゲート電極は、前記第2のトランジスタのソース電位より高い電位を供給することのできる第2の配線と電気的に接続され、
前記第1の配線および前記第2の配線は、同じ行または列に配置された複数の画素と、前記同じ行または列と隣接する行または列に配置された複数の画素とで、共有されている撮像装置。
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