TW201631752A - 半導體裝置 - Google Patents

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Abstract

提供固態影像感測器，其長時間保持一電位且包含具有穩定的電特徵之薄膜電晶體。當包括氧化物半導體層之薄膜電晶體的關閉狀態電流被設定為1×10-13安培或更少，且該薄膜電晶體被使用作為該固態影像感測器之重置電晶體及傳送電晶體時，該信號電荷儲存部之電位被保持為恆定的，以便能夠改善動態範圍。當能夠被使用於互補金屬氧化物半導體之矽半導體被使用於周邊電路時，能夠製造具有低電力消耗之高速半導體裝置。

Description

半導體裝置
本發明的一個具體實施例有關包含使用氧化物半導體所形成之場效電晶體的半導體裝置。
注意，於此說明書中，半導體裝置意指所有可藉由利用半導體性質而起作用之裝置，且電光裝置、半導體電路、與電子裝置皆為半導體裝置。
用以使用在具有絕緣表面的基板之上所形成的半導體薄膜來形成薄膜電晶體的技術已吸引注意。矽基半導體材料已被得知為適用於薄膜電晶體之半導體薄膜。當作另一材料，氧化物半導體已經吸引注意。
當作氧化物半導體材料，氧化鋅及包含氧化鋅之物質已被得知。此外，使用非晶形氧化物(氧化物半導體)所形成之薄膜電晶體已被揭示，該氧化物之載子(電子)濃度為低於1×1018/立方公分(參考案1至3)。
[參考案]
[參考案1]日本公告專利申請案第2006-165527號
[參考案2]日本公告專利申請案第2006-165528號
[參考案3]日本公告專利申請案第2006-165529號
於需要優異之電特徵的固態影像感測器中，雖然它們具有類似於顯示裝置的那些結構之結構，使用SOI(絕緣層上覆矽)基板或塊狀單晶矽基板所形成之場效電晶體通常被使用。
然而，其不能說使用單晶矽所形成之場效電晶體具有理想之電特徵。譬如，關閉狀態電流(亦稱為漏洩電流等)係不夠低而被視為實質上是零。再者，矽之溫度特徵係相當大幅地改變。特別是，矽之關閉狀態電流係極可能改變。因此，於形成諸如固態影像感測器的充電保持半導體裝置之情況中，其被希望能夠不管周遭環境而長時間保持一電位及具有較低的關閉狀態電流之裝置將被開發。
由於該等前面之問題，所揭示之本發明的一個具體實施例之目的在於提供包括具有穩定電特徵(例如，顯著地低之關閉狀態電流)之薄膜電晶體的固態影像感測器。
本發明的一個具體實施例為固態影像感測器，其包括至少一光電轉換元件及使用矽半導體所形成之放大器電晶體，且包括像素，其中，重置電晶體及傳送電晶體係使用氧化物半導體所形成。
於本發明的一個具體實施例中，氧化物半導體係為藉由去除可能為電子施體之雜質的本質或實質為本質半導 體，且比矽半導體具有更大能隙之半導體。
換句話說，於本發明的一個具體實施例中，包括其通道形成區域係使用氧化物半導體膜所形成之薄膜電晶體的固態影像感測器被形成。於該氧化物半導體膜中，包含在氧化物半導體中之氫或O-H基被去除，以致該氧化物半導體中之氫濃度為5×1019/立方公分或更低，較佳為5×1018/立方公分或更低，更佳為5×1017/立方公分或更低、或低於藉由二次離子質譜分析法(SIMS)所測量之作為該最低值的1×1016/立方公分，且該載子濃度係低於1×1014/立方公分，較佳為1×1012/立方公分或更低。
該氧化物半導體之能隙為2eV(電子伏特)或更高，較佳為2.5eV或更高，更佳為3eV或更高。形成施體之諸如氫的雜質係儘可能多地減少。該載子濃度被設定為1×1014/立方公分或更低，較佳為1×1012/立方公分或更低。
當此種高度純化之氧化物半導體被使用於薄膜電晶體之通道形成區域時，該薄膜電晶體具有通常關閉之電特徵。在1至10V(伏特)之汲極電壓，該薄膜電晶體之關閉狀態電流為1×10-13安培或更少、或100aA/微米或更少(微米指示該薄膜電晶體之通道寬度)，較佳為10aA/微米或更少，更佳為1aA/微米或更少。
被揭示在此說明書中之本發明的一個具體實施例包括埋入矽半導體基板之光電轉換元件部、經過傳送電晶體電連接至該光電轉換元件部之信號電荷儲存部、電連接至該信號電荷儲存部之重置電晶體、及其閘極電極係電連接至 該信號電荷儲存部之放大器電晶體的半導體裝置。該半導體裝置另包括像素部，其中，傳送電晶體之通道形成區域及該重置電晶體的通道形成區域係使用氧化物半導體所形成，且該放大器電晶體的通道形成區域係使用矽半導體所形成。
此外，該放大器電晶體可為包括氧化物半導體之薄膜電晶體。再者，選擇電晶體可被提供於該像素部中。再者，於連接至該像素部之周邊電路部中，互補電晶體較佳係使用包括矽半導體之塊狀電晶體所形成。
於此說明書等等中，諸如“電極”及“線路”等詞不限制零組件之功能。譬如，“電極”能被使用作為“佈線”的一部份，且該“佈線”能被使用作為“電極”的一部份。此外，諸如“電極”及“佈線”等詞譬如亦可意指複數個“電極”及“佈線”之組合。
此外，“SOI基板”不被限制於諸如矽晶圓之半導體基板，並可為非半導體基板，諸如玻璃基板、石英基板、藍寶石基板、或金屬基板。換句話說，該“SOI基板”於其範疇中亦包括絕緣基板，使用半導體材料所形成之一層被提供在該絕緣基板之上。再者，於此說明書等等中，“半導體基板”不只意指僅只使用半導體材料所形成之基板，同時也意指所有包括半導體材料之基板。亦即於此說明書等等中，該“SO1基板”亦被包括在該“半導體基板”之範疇中。
根據本發明的一個具體實施例，當包括氧化物半導體 及具有顯著地低的關閉狀態電流之薄膜電晶體被使用作為重置電晶體及傳送電晶體時，信號電荷儲存部之電位可被保持為恆定的，以便能夠改善動態範圍。再者，當能被使用於互補電晶體之矽半導體係使用於周邊電路時，具有低電力消耗之高速半導體裝置能被製成。
100‧‧‧單晶矽基板
101‧‧‧傳送電晶體
102‧‧‧氧化物半導體層
104‧‧‧源極電極
106‧‧‧汲極電極
108‧‧‧閘極電極
110‧‧‧光電轉換元件
114‧‧‧p型區域
116‧‧‧信號電荷儲存部
118‧‧‧閘極絕緣層
121‧‧‧重置電晶體
122‧‧‧氧化物半導體層
124‧‧‧源極電極
126‧‧‧汲極電極
128‧‧‧閘極電極
131‧‧‧放大器電晶體
136‧‧‧閘極絕緣層
138‧‧‧閘極電極
140‧‧‧絕緣膜
142‧‧‧保護絕緣膜
151‧‧‧佈線層
132a‧‧‧n型區域
132b‧‧‧n型區域
138a‧‧‧導電層
138b‧‧‧導電層
201‧‧‧電晶體
204‧‧‧源極電極
210‧‧‧光電轉換元件
301‧‧‧電晶體
304‧‧‧源極電極
305‧‧‧緩衝層
306‧‧‧汲極電極
310‧‧‧光電轉換元件
112‧‧‧n型區域
401‧‧‧傳送電晶體
421‧‧‧重置電晶體
431‧‧‧放大器電晶體
441‧‧‧絕緣層
450‧‧‧氮氛圍
501‧‧‧傳送電晶體
510‧‧‧光電轉換元件
516‧‧‧信號電荷儲存部
521‧‧‧重置電晶體
531‧‧‧放大器電晶體
540‧‧‧電容器電極
541‧‧‧絕緣膜
600‧‧‧透鏡
602‧‧‧濾色片
604‧‧‧佈線層
606‧‧‧層間絕緣膜
608‧‧‧光電轉換元件
610‧‧‧透鏡
612‧‧‧濾色片
618‧‧‧光電轉換元件
1002‧‧‧光電二極體
1004‧‧‧傳送電晶體
1006‧‧‧重置電晶體
1008‧‧‧放大器電晶體
1010‧‧‧信號電荷儲存部
1100‧‧‧電源線
1110‧‧‧重置電源線
1120‧‧‧直立輸出線
1210‧‧‧信號電荷儲存部
1212‧‧‧光電二極體
1214‧‧‧傳送電晶體
1216‧‧‧重置電晶體
1218‧‧‧放大器電晶體
1220‧‧‧直立輸出線
1240‧‧‧重置線
1250‧‧‧傳送開關線
1340‧‧‧重置線
1350‧‧‧傳送開關線
1406‧‧‧重置電晶體
1408‧‧‧放大器電晶體
1410‧‧‧信號電荷儲存部
1412‧‧‧光電二極體
1414‧‧‧傳送電晶體
1422‧‧‧光電二極體
1424‧‧‧傳送電晶體
1432‧‧‧光電二極體
1434‧‧‧傳送電晶體
1442‧‧‧光電二極體
1444‧‧‧傳送電晶體
1451‧‧‧傳送開關線
1452‧‧‧傳送開關線
1453‧‧‧傳送開關線
1454‧‧‧傳送開關線
1461‧‧‧重置線
1470‧‧‧直立輸出線
1506‧‧‧重置電晶體
1508‧‧‧放大器電晶體
1510‧‧‧信號電荷儲存部
1512‧‧‧光電二極體
1514‧‧‧傳送電晶體
1522‧‧‧光電二極體
1524‧‧‧傳送電晶體
1532‧‧‧光電二極體
1534‧‧‧傳送電晶體
1542‧‧‧光電二極體
1544‧‧‧傳送電晶體
1551‧‧‧傳送開關線
1552‧‧‧傳送開關線
1553‧‧‧傳送開關線
1554‧‧‧傳送開關線
1561‧‧‧重置線
1562‧‧‧重置線
1570‧‧‧直立輸出線
1610‧‧‧信號電荷儲存部
1612‧‧‧光電二極體
1614‧‧‧傳送電晶體
1616‧‧‧重置電晶體
1618‧‧‧放大器電晶體
1620‧‧‧信號電荷儲存部
1622‧‧‧光電二極體
1624‧‧‧傳送電晶體
1626‧‧‧重置電晶體
1628‧‧‧放大器電晶體
1630‧‧‧信號電荷儲存部
1632‧‧‧光電二極體
1634‧‧‧傳送電晶體
1636‧‧‧重置電晶體
1638‧‧‧放大器電晶體
1642‧‧‧光電二極體
1644‧‧‧傳送電晶體
1652‧‧‧光電二極體
1654‧‧‧傳送電晶體
1662‧‧‧光電二極體
1664‧‧‧傳送電晶體
1665‧‧‧重置線
1666‧‧‧重置線
1667‧‧‧重置線
1672‧‧‧光電二極體
1675‧‧‧直立輸出線
1674‧‧‧重置電晶體
1676‧‧‧直立輸出線
1682‧‧‧光電二極體
1684‧‧‧傳送電晶體
1751‧‧‧傳送開關線
1752‧‧‧傳送開關線
1753‧‧‧傳送開關線
1754‧‧‧傳送開關線
2000‧‧‧像素部
2020‧‧‧重置端子驅動電路
2040‧‧‧傳送端子驅動電路
2060‧‧‧直立輸出線驅動電路
2100‧‧‧像素矩陣
2120‧‧‧直立輸出線
2200‧‧‧移位暫存器
2210‧‧‧移位暫存器
2220‧‧‧移位暫存器
2300‧‧‧緩衝電路
2310‧‧‧緩衝電路
2320‧‧‧緩衝電路
2400‧‧‧類比開關
2500‧‧‧影像輸出線
於所附圖面中：圖1係剖面視圖，說明固態影像感測器之像素的結構；圖2A及2B係剖面視圖，說明固態影像感測器之像素的結構；圖3A及3B係剖面視圖，說明固態影像感測器之像素的結構；圖4A至4C係剖面視圖，說明用以製造固態影像感測器之方法；圖5A至5C係剖面視圖，說明用以製造固態影像感測器之方法；圖6係曲線圖，說明包含氧化物半導體的薄膜電晶體之Vg-Id特徵；圖7A及7B係包含氧化物半導體的薄膜電晶體之照片；圖8A及8B係曲線圖，說明包含氧化物半導體的薄膜電晶體之Vg-Id特徵(溫度特徵)； 圖9係包含氧化物半導體的反向錯置薄膜電晶體之縱向剖面視圖；圖10A及10B係圖9中之A-A'剖面中的能帶圖(概要視圖)；圖11A係圖9中之B-B'剖面中的能帶圖(概要視圖)，其說明正電位(+VG)被施加至閘極(G1)之狀態，且圖11B係圖9中之B-B'剖面中的能帶圖(概要視圖)，其說明負電位(-VG)被施加至閘極(G1)之狀態；圖12說明真空位準、金屬之工作函數(ΦM)、及氧化物半導體的電子親和力之中的關係；圖13說明固態影像感測器之像素的結構；圖14說明該固態影像感測器之像素的操作；圖15說明光電二極體之操作；圖16說明固態影像感測器之像素的結構；圖17說明該等固態影像感測器之像素的操作；圖18說明固態影像感測器之像素的結構；圖19說明該等固態影像感測器之像素的操作；圖20說明固態影像感測器之像素的結構；圖21說明該等固態影像感測器之像素的操作；圖22說明固態影像感測器之像素的結構；圖23說明該等固態影像感測器之像素的操作；圖24說明固態影像感測器之像素的結構；圖25說明重置端子驅動電路及傳送端子驅動電路之 結構；圖26說明垂直輸出線驅動電路之結構；圖27說明移位暫存器及緩衝電路之範例；及圖28A及28B係剖面視圖，說明固態影像感測器之像素的結構。
本發明之具體實施例將參考該等圖面而被詳細地敘述。注意，本發明不被限制於以下之敘述，且藉由那些熟諳此技藝者將輕易地了解本發明之模式及細節能以各種方式被改變，而不會違離本發明之精神及範圍。因此，本發明不應被解釋為受限於該等具體實施例之以下敘述。注意，於本發明在下面所敘述之結構中，於不同圖面中，相同部份或具有類似功能的部份係標以相同之參考數字，且其敘述不被重複。
注意，於此說明書中所敘述之每一個圖示中，為了清楚故，於一些情況中，每一個零組件或每一個區域之尺寸、層厚度、等等被誇大。因此，本發明之具體實施例不被限制於此尺寸。
注意，於此說明書中，諸如“第一”“、第二”、及“第三”等詞被使用，以便避免零組件之中的混淆，且不限制該順序等。因此，譬如，如適當的話，該“第一”一詞能以該“第二”、“第三”等詞替換。
(具體實施例1)
本發明的一個具體實施例為包含被稱為MIS(金屬絕緣體半導體)電晶體的金屬絕緣體半導體元素之半導體裝置。於此說明書中，其通道形成區域係使用薄膜半導體所形成之元件被稱為薄膜電晶體，且其通道形成區域係使用塊狀半導體所形成之元件被稱為塊狀電晶體。注意，使用SOI(絕緣層上覆矽)基板所形成之半導體層能被稱為膜，且於此說明書中包含該半導體層之電晶體為一種塊狀電晶體。
在下面敘述一範例，其中，提供包括本發明的一個具體實施例之薄膜電晶體的固態影像感測器之像素。於此具體實施例中，當作範例，包括於該固態影像感測器的像素中之薄膜電晶體、連接至該薄膜電晶體之光電轉換元件、及使用矽半導體所形成之塊狀電晶體被敘述。注意，像素意指包括被提供於該固態影像感測器中之元件(例如，光電轉換元件、電晶體、及佈線)、及用以藉由電信號之輸入及輸出來輸出影像的元件之元件群。
注意，該像素能具有一結構，其中，入射光經過被形成在該基板表面側上之透鏡600、濾色片602、層間絕緣膜606等等進入光電轉換元件608，如圖28A中之剖面視圖所說明。注意，如於一些情況中藉由以虛線框所包圍之區域所指示，藉由箭頭所指示之一些光徑被一些佈線層604所阻斷。因此，該像素可具有一結構，其中，藉由透鏡610及濾色片612之形成在該基板後表面側上，如圖 28B所示，入射光有效率地進入光電轉換元件618。
再者，當其被敘述“A及B為彼此連接”時，包括A及B被電連接至彼此的情況、及A及B直接地彼此連接之情況。在此，A及B之各者為物件(例如，裝置、元件、電路、佈線、電極、端子、導電膜、或層)。
圖1為剖面視圖，說明作為本發明的一個具體實施例之固態影像感測器的像素部之範例。圖1說明一範例，其中，包含氧化物半導體的薄膜電晶體被使用作為傳送電晶體101及重置電晶體121。放大器電晶體131係使用n通道塊狀電晶體所形成，該n通道塊狀電晶體使用單晶矽基板100所形成。光電轉換元件110係包含n型區域112與薄的p型區域114之光電二極體，且被連接至該傳送電晶體101之源極電極104。信號電荷儲存部116(亦被稱為浮動傳播)係形成在該傳送電晶體101之汲極電極及該重置電晶體的源極電極之下。該傳送電晶體101及該重置電晶體121之各者具有頂部閘極結構，其中，氧化物半導體層具有通道區域之作用。該傳送電晶體101之汲極電極106係電連接至該重置電晶體之源極電極124。該放大器電晶體131為包括n型區域132a及132b與閘極電極138之n通道塊狀電晶體。雖然未說明，該放大器電晶體之閘極電極138係電連接至該信號電荷儲存部116。
注意，於圖1中所說明之結構中，該塊狀電晶體之閘極絕緣層136具有該傳送電晶體101及該重置電晶體121之基底絕緣層的作用，該等傳送電晶體101及重置電晶體 121為薄膜電晶體，且該信號電荷儲存部116以用作為電介質之閘極絕緣層136形成電容器。此外，該薄膜電晶體之閘極絕緣層118用作為該塊狀電晶體之層間絕緣層的一部份。
當作範例，於通道形成區域中包含氧化物半導體的薄膜電晶體被敘述為該頂部閘極薄膜電晶體；然而，該薄膜電晶體可為底部閘極薄膜電晶體，諸如顛倒錯置薄膜電晶體。此外，其係需要以光照射該光電轉換元件110，以致一範例被敘述，其中，該傳送電晶體101之源極電極的一部份係連接至該光電轉換元件110之光接收部；然而，該源極電極可為使用透光導電材料所形成，以便用不同方式而被連接至該光電轉換元件110。譬如，如圖2A所說明，當包括使用透光導電材料所形成之源極電極204的電晶體201被使用作為該傳送電晶體時，該源極電極能被連接至該光電轉換元件210之光接收部的一部份或全部。或者，如圖2B所說明，為了確保用於光電轉換元件310之光徑，電晶體301可被使用作為該傳送電晶體，其中，使用低電阻金屬層所形成之源極電極304與汲極電極306、與使用透光導電材料層所形成之緩衝層305及307被堆疊。
當作該光電轉換元件，形成所謂埋入式光電二極體，其中，n型區域係使用p型單晶矽基板(於SOI之情況中，p型單晶矽層)所形成，且薄p型區域係形成在該n型區域之上。藉由該p型區域之形成在該光電二極體的表 面上，在該表面上所產生之暗電流(亦即，雜訊)可被減少。
雖然在上面敘述使用單晶半導體基板之範例，SOI基板可被使用。此外，該塊狀電晶體之結構不被限制於上面之結構。側壁被設在閘極電極之端部的LDD(輕摻雜汲極)結構、或低電阻矽化物等被形成於部份源極區域或汲極區域中之結構可被採用。
電連接至該放大器電晶體131之選擇電晶體可被提供於該像素部中。該放大器電晶體及該選擇電晶體能使用矽半導體或氧化物半導體的其中之一被形成。注意，該放大器電晶體較佳係使用包含具有更高放大因數之矽半導體層的塊狀電晶體所形成。
或者，絕緣層能被形成在該塊狀電晶體之上，且薄膜電晶體能被形成在該絕緣層之上。譬如，當使用薄膜電晶體或該重置電晶體所形成之傳送電晶體係設在使用塊狀電晶體所形成的放大器電晶體之上時，每一個像素所需要之電晶體的面積為大約三分之二，以致該整合位準能被改善，光接收面積能被增加，且雜訊能被減少。圖3A說明此一結構之範例。使用薄膜電晶體所形成之傳送電晶體401及使用塊狀電晶體所形成的放大器電晶體431被提供，且使用薄膜電晶體所形成之重置電晶體421係形成在傳送電晶體401與放大器電晶體431之上，而使絕緣層441設在其間。再者，於圖3B中，使用塊狀電晶體所形成之光電轉換元件510及放大器電晶體531被形成為下 層，且使用薄膜電晶體及重置電晶體521所形成之傳送電晶體501被形成為上層，而在其間具有絕緣膜541。形成該光電轉換元件及該塊狀電晶體之步驟、與形成該薄膜電晶體之步驟能為彼此分開；因此，該等步驟可被輕易地控制。注意，使用以形成信號電荷儲存部516之電容器電極540較佳被提供。
以具有該等上面結構的薄膜電晶體及塊狀電晶體之組合，該信號電荷儲存部能較長時間保持一電位，且具有寬動態範圍之固態影像感測器的像素部可被形成。注意，為了實現本發明之此具體實施例，其關閉狀態電流係顯著地低的薄膜電晶體較佳被使用。用以製造此薄膜電晶體之方法被敘述在下面。
於本發明的一個具體實施例中，固態影像感測器的像素部係以包括單晶矽半導體的塊狀電晶體及包含氧化物半導體的薄膜電晶體之組合所形成，而具有顯著有利之電特徵。因此，主要詳細地敘述用以形成包含氧化物半導體的薄膜電晶體之方法。
當作範例，用以形成圖1所說明之結構的方法係參考圖4A至4C及圖5A至5C中之剖面視圖敘述。首先，與絕緣膜140(亦被稱為場氧化物膜)隔離的元件形成區域係形成在p型單晶矽基板100之上。該元件隔離區域能藉由矽之局部氧化(LOCOS)、淺溝渠隔離(STI)等所形成。
在此，該基板不被限制於該單晶矽基板。SOI(絕緣 層上覆矽)基板等能被使用。
注意，於此具體實施例中，p型單晶矽基板被使用，因為埋入式光電二極體及n通道塊狀電晶體被使用；然而，當p阱被形成時，n型單晶矽基板能被使用。
其次，該閘極絕緣層136被形成，以便覆蓋該元件形成區域。譬如，氧化矽膜能藉由以熱處理來氧化該單晶矽基板100中所提供之元件形成區域的表面所形成。或者，藉由用熱氧化來形成的氧化矽膜與用氮化處理來氮化該氧化矽膜之表面，該閘極絕緣層136可具有氧化矽膜及氮氧化矽膜之分層結構。
譬如，當作另一方法，藉由在該單晶矽基板100中所提供之元件形成區域的表面上所施行之具有高密度電漿處理的氧化處理或氮化處理，氧化矽膜或氮化矽膜可被形成當作該閘極絕緣層136。再者，於氧化處理係藉由高密度電漿處理在該元件形成區域的表面上施行之後，氮化處理可藉由高密度電漿處理所施行。於此情況中，氧化矽膜被形成在該元件形成區域的表面上，並與該元件形成區域的表面上接觸，且氮氧化矽膜係形成在該氧化矽膜之上，以致該閘極絕緣層136具有該氧化矽膜及該氮氧化矽膜之分層結構。
其次，導電層被形成，以便覆蓋該閘極絕緣層136。在此，導電層138a及導電層138b被連續地堆疊。不用說，該導電層可具有單層結構或包括二或更多層的分層結構。
該等導電層138a及138b能使用選自鉭(Ta)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈮(Nb)之元素、或包含該元素當作其主要成份的合金材料或複合材料所形成。或者，藉由該上面元素的氮化所獲得之金屬氮化物膜能被使用。或者，藉由摻雜有諸如磷之雜質元素的多晶矽所代表之半導體材料能被使用。
在此，分層結構被採用，其中，該導電層138a係使用氮化鉭所形成，且該導電層138b係使用鎢形成在該導電層138a之上。或者，氮化鎢、氮化鉬、或氮化鈦之單層或其堆疊膜能被使用作為該導電層138a，且鉭、鉬、或鈦之單層、或其堆疊膜可被使用作為該導電層138b。
其次，藉由選擇性地蝕刻及去除該等被堆疊之導電層138a及138b，該等導電層138a及138b被局部地留在該閘極絕緣層136之上，以致該閘極電極138被形成。
其次，抗蝕劑遮罩被選擇性地形成，以便覆蓋除了該元件形成區域以外之區域，且該等n型區域132a及132b之雜質區域係藉由導入雜質元素所形成，並使用該抗蝕劑遮罩及該閘極電極138當作遮罩。在此，因為因為該n通道塊狀電晶體被形成，賦予n型導電性之雜質元素(例如，磷(P)或砷(As))可被使用作為該雜質元素。
然後，為了形成作為光電轉換元件之光電二極體，抗蝕劑遮罩被選擇性地形成。首先，在pn接面係藉由將賦予n型導電性之雜質元素(例如，磷(P)或砷(As))導入該 p型單晶矽基板所形成之後，賦予p型導電性之雜質元素(例如，硼(B))被導入該n型區域中之表面層；因此，該埋入式光電二極體能被形成。
在此階段，圖4A的右側上所說明之塊狀電晶體的結構與圖4A的左側上所說明之光電二極體被完成。
其次，用以形成薄膜電晶體之方法被敘述，其中，氧化物半導體層被使用作為通道區域。
於此具體實施例中，薄膜電晶體係形成在該塊狀電晶體的閘極絕緣層136之上，該塊狀電晶體已被提供在該單晶矽基板100上。亦即，該閘極絕緣層136能具有該薄膜電晶體之基底膜及塊狀電晶體的閘極絕緣層之作用。注意，絕緣層可藉由以下之方法所形成，且堆疊層可被使用作為基底膜。
當作與該氧化物半導體層接觸之絕緣層，諸如氧化矽層、氮氧化矽層、氧化鋁層、或氮氧化鋁層之氧化物絕緣層較佳被使用。當作用以形成該絕緣層之方法，電漿增強式CVD、濺鍍等可被使用。為了使大量氫不被包含在該絕緣層中，該絕緣層較佳係藉由濺鍍所形成。
一範例被敘述，其中，氧化矽層藉由濺鍍被形成為該絕緣層。該氧化矽層係以此一使得該單晶矽基板100被傳送至處理室之方式沈積在該單晶矽基板100之上當作該絕緣層，包含已自其去除氫及濕氣之高純度氧的濺鍍氣體被導入，且矽標靶被使用。此外，該單晶矽基板100可為在室溫或可被加熱。
譬如，該氧化矽層係藉由RF濺鍍在以下的條件之下沈積：石英(較佳為人工石英)被使用作為標靶；該基板之溫度為攝氏108度；該基板及標靶間之距離(T-S距離)為60毫米；該壓力為0.4巴；該高頻功率為1.5千瓦；該氛圍包含氧及氬(25sccm之氧流速比率：25sccm之氬流速比率=1：1)；且該厚度為100奈米。矽可代替該石英而被使用作為用以沈積該氧化矽層之標靶。於此情況中，氧或氧及氬之混合氣體被使用作為濺鍍氣體。
於此情況中，較佳的是當留在該處理室中之濕氣被去除，以便氫、氫氧基、或濕氣不被包含在該絕緣層中時，形成該絕緣層。
為了去除留在該處理室中之濕氣，吸附真空泵較佳被使用。譬如，低溫泵、離子泵、或鈦昇華泵較佳被使用。當作排出單元，加入冷阱之渦輪增壓分子泵可被使用。譬如，氫原子、包含氫原子之諸如水(H2O)等等化合物被以低溫泵之使用自該處理室排出。因此，包含於該處理室中所沈積的絕緣層中之雜質的濃度能被降低。
當作用於該絕緣層之沈積的濺鍍氣體，自其去除諸如氫、水、氫氧基、或氫化物之雜質至大約ppm或ppb的濃度之高純度氣體較佳被使用。
濺鍍之範例包括RF濺鍍，其中，高頻電源被使用於濺鍍電源、DC濺鍍、及脈衝式DC濺鍍，其中，以脈衝方式施加偏壓。RF濺鍍主要被使用於沈積絕緣膜之情況中，且DC濺鍍主要被使用於金屬膜被沈積之情況中。
此外，亦有多來源濺鍍設備，其中，不同材料之複數個標靶能被設定。以該多來源濺鍍設備，不同材料之膜能被沈積至堆疊在該同一室中，或複數種材料之膜能藉由在該同一室中同時放電所沈積。
此外，有一種在該室內側設有磁鐵系統之濺鍍設備，且被使用於磁控管濺鍍，及一種使用於ECR濺鍍之濺鍍設備，其中，使用微波所產生之電漿被使用，而不會使用輝光放電。
再者，當作使用濺鍍之沈積方法，可使用反應性濺鍍，其中，標靶物質及濺鍍氣體成份係於沈積期間互相起化學反應，以形成其薄的化合物膜；或偏壓濺鍍，其中，電壓係亦於沈積期間被施加至基板。
再者，該絕緣層可具有分層結構。譬如，該絕緣層可具有分層結構，其中，諸如氮化矽層、氮化矽氧化物層、氮化鋁層、或氮化鋁氧化物層、及該上面氧化物絕緣層之氮化物絕緣層被依此順序而自該基板側堆疊。
譬如，氮化矽層係以此一導入包含高純度氮的濺鍍氣體於該氧化矽層及該基板之間的方式而沈積，且矽標靶被使用，並已自該高純度氮去除氫及濕氣。亦於此情況中，如同該氧化矽層之情況，較佳的是沈積一層氮化矽層，且同時去除該處理室中之殘餘濕氣。
亦於沈積氮化矽層之情況中，該基板可在沈積中被加熱。
於氮化矽層及氧化矽層被堆疊當作該絕緣層之情況 中，該氮化矽層及該氧化矽層可為使用共用之矽標靶在相同之處理室中沈積。首先，該氮化矽層係以此一使得包含氮之濺鍍氣體被導入及使用被安裝在該處理室上之矽標靶的方式而沈積。然後，該氧化矽層係以此一使得該氣體被改變至包含氧之濺鍍氣體及使用該相同之矽標靶的方式而沈積。該氮化矽層及該氧化矽層可被連續地沈積，而不會暴露於空氣；因此，諸如氫或濕氣的雜質之吸附在該氮化矽層的表面上能被防止。
然後，具有2至200奈米厚度之氧化物半導體膜係藉由濺鍍而被形成在該絕緣層(在此具體實施例中為該閘極絕緣層136)之上。
為了該氧化物半導體膜中包含儘可能少之氫、氫氧基、及濕氣，較佳的是諸如被吸附在該單晶矽基板100上之氫或濕氣的雜質係藉由在該濺鍍設備之預先加熱室中預先加熱該單晶矽基板100而被消除及排出，該預先加熱當作用於沈積之預處理。當作被提供於該預先加熱室中之排出單元，低溫泵係較佳的。注意，該預先加熱處理能被省略。此外，該預先加熱可在稍後即將被形成的薄膜電晶體之閘極絕緣層118的沈積之前被施行、或可在稍後即將被形成的用作為源極電極與汲極電極之導電層的沈積之前被施行。
注意，在該氧化物半導體層係藉由濺鍍所沈積之前，該絕緣層的表面上之灰塵較佳係藉由反向濺鍍所去除，其中，氬氣被導入及電漿被產生。該反向濺鍍意指一方法， 其中，使用氬氛圍中之RF電源將電壓施加至基板側，且離子化氬與該基板衝撞，以致基板表面被修改。注意，氮、氦、氧等可被使用來代替氬。
該氧化物半導體膜係藉由濺鍍所沈積。當作該氧化物半導體膜，譬如，一氧化物半導體膜，諸如In-Sn-Ga-Zn-O膜之四成份金屬氧化物；諸如In-Ga-Zn-O膜、In-Sn-Zn-O膜、In-Al-Zn-O膜、Sn-Ga-Zn-O膜、Al-Ga-Zn-O膜、或Sn-Al-Zn-O膜之三成份金屬氧化物；或諸如In-Zn-O膜、Sn-Zn-O膜、Al-Zn-O膜、Zn-Mg-O膜、Sn-Mg-O膜、In-Mg-O膜、In-O膜、Sn-O膜、或Zn-O膜之二成份金屬氧化物能被使用。再者，SiO2可被包含在該上面之氧化物半導體膜中。
當作該氧化物半導體膜，藉由InMO3(ZnO)m(m>0)所表達之膜能被使用。在此，M標示選自Ga、Al、Mn、或Co的一或多個金屬元素。譬如，M可為Ga、Ga及Al、Ga及Mn、Ga及Co等。在其成份化學式係藉由InMO3(ZnO)m(m>0)所表達的氧化物半導體膜之中，包括Ga當作M之氧化物半導體被稱為In-Ga-Zn-O-基氧化物半導體，且該In-Ga-Zn-O-基氧化物半導體之膜亦被稱為In-Ga-Zn-O基膜。
於此具體實施例中，該氧化物半導體膜係使用In-Ga-Zn-O-基金屬氧化物標靶藉由濺鍍來沈積。或者，該氧化物半導體膜可於稀有氣體(典型上為氬)氛圍、氧氛圍、或包含稀有氣體(典型上為氬)及氧之氛圍中藉由濺鍍而 被沈積。
作為用於該氧化物半導體膜之沈積的濺鍍氣體，自其去除諸如氫、水、氫氧基、或氫化物之雜質至大約ppm或ppb的濃度之高純度氣體較佳被使用。
當作用於藉由濺鍍形成該氧化物半導體膜之標靶，包含氧化鋅當作主要成份之金屬氧化物標靶能被使用。譬如，具有In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：1[莫耳比率]之成份比率的金屬氧化物標靶能被使用。或者，具有In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2[莫耳比率]之成份比率的金屬氧化物標靶能被使用。該金屬氧化物標靶之充填比率為90%至100%，較佳為95%至99.9%。使用具有高充填比率的金屬氧化物標靶，所沈積之氧化物半導體膜具有高密度。
該氧化物半導體膜係以此一使得該基板被固持在保持於減壓狀態中的處理室中之方式而被沈積在該絕緣層之上，留在該處理室中之濕氣被去除，已自其去除氫及濕氣之濺鍍氣體被導入，且金屬氧化物被使用作為標靶。為了去除留在該處理室中之濕氣，吸附真空泵較佳被使用。譬如，低溫泵、離子泵、或鈦昇華泵較佳被使用。當作排出單元，加入冷阱之渦輪增壓分子泵可被使用。譬如，氫原子、包含氫原子之諸如水(H2O)等等化合物被以低溫泵之使用自該處理室排出。因此，包含於該處理室中所沈積的氧化物半導體膜中之雜質的濃度能被降低。再者，當該氧化物半導體膜被沈積時，該基板可被加熱。
當作該沈積條件的一範例，以下條件被採用：該基板 溫度為室溫，該基板及該標靶間之距離為100毫米、該壓力為0.4Pa、該直流(DC)電源為0.5千瓦、且包含氧及氬之氛圍(氧之流速為15sccm，且氬之流速為30sccm)被使用。注意，較佳的是脈衝式直流(DC)電源被使用，因為沈積中所產生之粉末物質(亦被稱為微粒或灰塵)能被減少，且該膜厚度可為均勻的。該氧化物半導體膜之厚度較佳為5奈米至30奈米。注意，該氧化物半導體膜之適當厚度視氧化物半導體材料而不同，且該厚度可視材料而被設定為適當的。
然後，該氧化物半導體膜藉由第一微影製程及蝕刻製程(見圖4B)被處理成島形氧化物半導體層102及122。在此，該氧化物半導體層102係被使用於第一薄膜電晶體之通道區域的形成之半導體層，且該氧化物半導體層122係被使用於第二薄膜電晶體之通道區域的形成之半導體層。
注意，被使用於該島形氧化物半導體層之形成的抗蝕劑遮罩可為藉由噴墨方法所形成。光罩不被使用於噴墨方法中；因此，製造成本能被減少。再者，當作該氧化物半導體膜之蝕刻法，乾式蝕刻法、濕式蝕刻法、或兩者都可被採用。
當作用於乾式蝕刻法之蝕刻氣體，包含氯(氯基氣體，諸如氯氣(Cl2)、氯化硼(BCl3)、四氯化矽(SiCl4)、或四氯化碳(CCl4))之氣體較佳被使用。
或者，包含氟(氟基氣體，諸如或四氟化碳(CF4)、 氟化硫(SF6)、氟化氮(NF4)、或三氟甲烷(CNF3))之氣體；溴化氫(HBr)；氧(O2)；這些加入諸如氦(He)或氬(Ar)之稀有氣體的氣體之任一者；等能被使用。
當作該乾式蝕刻法，平行板RIE(反應離子蝕刻)方法或ICP(感應耦合電漿)蝕刻法能被使用。為了將該膜蝕刻至具有想要之形狀，如適當的話，調整該蝕刻條件(施加至線圈形電極的電力之數量、施加至基板側上之電極的電力之數量、該基板側上之電極的溫度等)。
當作用於濕式蝕刻之蝕刻劑，磷酸、醋酸、及硝酸的混合物、與氫氧化銨/過氧化氫混合物(在31重量百分比之過氧化氫溶液：在28重量百分比的氨水：水=5：2：2)等能被使用。或者，ITO-07N(由KANTO化學股份有限公司所生產)可被使用。
該濕式蝕刻中所使用之蝕刻劑係藉由清洗隨同該蝕刻掉之材料而被去除。包含該被去除的材料之蝕刻劑的不想要液體可被淨化，且被包含於該不想要液體中之材料可被再使用。當被包含在該氧化物半導體層中之諸如銦的材料係在該蝕刻之後由該不想要的液體及再使用時，該等資源可被有效率地使用，且成本能被減少。
為了蝕刻該氧化物半導體膜至具有想要之形狀，如適當的話，視該材料而定，該等蝕刻條件(蝕刻劑、蝕刻時間、溫度等等)被調整。
於此具體實施例中，該氧化物半導體膜係藉由濕式蝕刻法使用混合磷酸、醋酸、及硝酸當作蝕刻劑之溶液而被 處理成該等島形氧化物半導體層102及122。
於此具體實施例中，該等氧化物半導體層102及122係於稀有氣體(例如，氮、氦、氖、或氬)氛圍中遭受第一熱處理。該第一熱處理之溫度為攝氏400至750度，較佳為高於或等於攝氏400度及低於該基板之應變點。在此，於該基板被放置於作為一種熱處理設備之電爐中之後，該氧化物半導體層係在攝氏450度於氮氛圍中遭受熱處理達一小時。當溫度係由該熱處理溫度降低時，該氛圍可被改變成氧氛圍。經過該第一熱處理，該等氧化物半導體層102及122可為脫水或脫氫的。
該熱處理設備不被限制於電爐，並可設有藉由來自諸如電阻加熱器之加熱器的熱傳導或熱輻射加熱待處理之物體的裝置。譬如，RTA(快速熱退火)設備、諸如GRTA(氣體快速熱退火)設備、或LRTA(燈泡快速熱退火)設備能被使用。LRTA設備係藉由光(電磁波)之輻射用於加熱待處理物體之設備，該光自諸如鹵素燈、金屬鹵化物燈、氙電弧燈、碳電弧燈、高壓鈉燈、或高壓水銀燈之燈泡所放射出。GRTA設備係使用高溫氣體之熱處理用設備。當作該氣體，不會與即將藉由熱處理所處理之物體反應的惰性氣體，諸如氮或諸如氬之稀有氣體被使用。
譬如，當作該第一熱處理，GRTA可被施行如下。該基板被放入已在攝氏650度至攝氏700度之高溫加熱的惰性氣體中，被加熱達數分鐘，及係自在該高溫加熱的惰性氣體被取出。GRTA能夠在短時間中高溫熱處理。
注意，於該第一熱處理中，較佳的是該水、氫等等不被包含在諸如氮、氦、氖、或氬的氛圍氣體中。再者，該氛圍氣體之純度較佳為6N(99.9999%)或更高，更佳為7N(99.99999%)或更高(亦即，該雜質濃度為1ppm或更低，較佳為0.1ppm或更低)。於氧被使用作為該氛圍氣體之情況中，該氛圍氣體較佳具有類似純度。
再者，於一些情況中，該氧化物半導體層被結晶化，且該氧化物半導體層之結晶結構被改變成微晶質膜或多晶膜，視該第一熱處理之條件或該氧化物半導體層之材料而定。譬如，該氧化物半導體層可被結晶成微晶質氧化物半導體層，其具有90%或更多、或80%或更多的結晶性程度。再者，視該第一熱處理之條件或該氧化物半導體層之材料而定，該氧化物半導體層可變成未包含晶體成份之非結晶氧化物半導體層。該氧化物半導體層可變成氧化物半導體層，其中，微晶質部份(具有1至20奈米，典型為2至4奈米之粒徑)被混合進入非結晶氧化物半導體層。
此外，於被處理成該島形氧化物半導體層之前，用於該氧化物半導體層之第一熱處理能在該氧化物半導體膜上被施行。
用於該氧化物半導體層的脫水或脫氫作用之熱處理可在以下時序之任一者施行：在該氧化物半導體層被形成之後；在源極電極與汲極電極被形成在該氧化物半導體層之上之後；與在閘極絕緣層係形成在該源極電極與該汲極電極之上之後。
其次，抵達該光電二極體的上層中之p+層的開口係藉由第二微影製程及蝕刻製程而被形成在該絕緣層中，且導電層係形成在該絕緣層及該等氧化物半導體層102與122之上。該導電層可藉由濺鍍或真空蒸鍍所形成。當作該導電層之材料，以下材料之任一者能被使用：選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬、或鎢之元素；包括這些元素之任一者的合金；包含該等上面元素的組合之合金膜；等。再者，選自錳、鎂、鋯、鈹、及釔的一或多個材料可被使用。再者，該金屬導電層可具有單層結構或二或更多層之分層結構。譬如，包含矽的鋁膜之單層結構、鈦膜被堆疊在鋁膜之上的二層結構、鈦膜、鋁膜、及鈦膜被依此順序堆疊之三層結構、等等能被使用。或者，包含鋁及選自鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、釹、與鈧的一或多個元素之膜、合金薄膜、或氮化物膜可被使用。
其次，抗蝕劑遮罩係於第三微影製程中被形成在該導電層之上；該第一薄膜電晶體之源極電極104與汲極電極106與該第二薄膜電晶體的源極電極124與汲極電極126係藉由選擇性蝕刻所形成；然後，該抗蝕劑遮罩被去除(見圖4C)。在此，該第一薄膜電晶體之汲極電極106與該第二薄膜電晶體之源極電極124係彼此電連接；然而，它們可為彼此絕緣或可稍後使用佈線而被電連接至彼此。注意，當所形成之源極電極與所形成之汲極電極的端部為錐形時，在其之上堆疊有閘極絕緣層的涵蓋範圍(coverage)被改善，其係較佳的。
在此具體實施例中，150奈米厚鈦膜藉由濺鍍被形成為該等源極電極104及124與該等汲極電極106及126。
注意，如適當的話，每一種材料及蝕刻條件被調整，以致該等氧化物半導體層102及122之各部份於該導電層之蝕刻中不被去除，且形成在該氧化物半導體層下方之絕緣層未被暴露出。
於此具體實施例中，鈦膜被使用作為該導電層，In-Ga-Zn-O基氧化物半導體被使用於該等氧化物半導體層102及122，且氨過氧化氫混合物(氨、水、及過氧化氫溶液之混合物)被使用作為蝕刻劑。
注意，於該第三微影製程及蝕刻製程中，僅只部份之該等氧化物半導體層102及122被蝕刻，以致在一些情況中具有溝槽(凹陷部)之氧化物半導體層被形成。被使用以形成該等源極電極104及124與該等汲極電極106及126的抗蝕劑遮罩可藉由噴墨方法所形成。光罩不被使用於噴墨方法中；因此，製造成本能被減少。
當該抗蝕劑遮罩係在該第三微影步驟中形成時，紫外光、KrF雷射光束、或ArF雷射光束被使用於曝光。稍後即將被形成的薄膜電晶體之通道長度L係藉由該源極電極之下端及該汲極電極的下端間之間距所決定，該等電極層係在該等氧化物半導體層102及122之上彼此毗連。注意，當曝光係在該通道長度L為少於25奈米的條件之下被施行時，當該抗蝕劑遮罩係在該第二微影製程中被形成時的曝光係使用極短波長(數奈米至數十奈米)的極紫外 線來予以施行。在以極紫外線的曝光中，該解析度係高的，且該焦點深度係大的。因此，稍後即將被形成的薄膜電晶體之通道長度L可為10奈米至1000奈米，且電路可在更高速率操作。再者，因為因為關閉狀態電流之數量係非常小，電力消耗能被減少。
其次，該閘極絕緣層118係形成在該絕緣層、該等氧化物半導體層102及122、該等源極電極104及124、與該等汲極電極106及126之上(見圖5A)。於此情況中，該閘極絕緣層118係亦被沈積在該塊狀電晶體之上，且具有該層間絕緣膜的一部份之作用。
在此，藉由去除雜質所製成之本質(i型)或實質為本質的氧化物半導體(高度純化之氧化物半導體)對於介面狀態與介面電荷係非常地敏感的；因此，該氧化物半導體及該閘極絕緣層間之介面係重要的。因此，與該高度純化之氧化物半導體接觸的閘極絕緣層(GI)需要高品質。
譬如，使用微波(2.45GHz)之高密度電漿增強式CVD係較佳的，因為具有高耐受電壓的密集之高品質絕緣層能被形成。這是因為當該高度純化氧化物半導體係與該高品質閘極絕緣層緊密接觸時，可減少該介面狀態及介面性質可為有利的。不用說，只要高品質絕緣層能被形成為閘極絕緣層，諸如，濺鍍或電漿增強式CVD之不同沈積方法能被使用。此外，任何閘極絕緣層能被使用，只要膜品質及具有該閘極絕緣層之氧化物半導體的介面之性質係藉由在沈積之後施行的熱處理所修改。於任一情況中， 任何閘極絕緣層能被使用，只要當作閘極絕緣層之膜品質為高的，具有氧化物半導體之介面狀態密度減少，且有利之介面可被形成。
在攝氏85度與2×106伏特/公分施行達12小時之偏壓溫度測試(BT測試)中，如果雜質已被加至氧化物半導體，該氧化物半導體的雜質及主要成份間之鍵係藉由高電場(B：偏壓)及高溫(T：溫度)所切斷，以致所產生之懸空鍵造成該閾電壓(Vth)中之移位。當作對此的對策，於本發明的一個具體實施例中，該氧化物半導體中之雜質，特別是氫、水、等儘可能多地被去除，以致具有該閘極絕緣層的介面之性質係有利的，如上所述。據此，有可能獲得穩定之薄膜電晶體，甚至當該BT測試被施行時。
於此具體實施例中，該閘極絕緣層118係使用高密度電漿增強式CVD設備所形成，該CVD設備使用微波(2.45GHz)。在此，高密度電漿增強式CVD設備意指能實現1×1011/立方公分或更高之電漿密度的設備。譬如，電漿係藉由施加3至6kW之微波功率所產生，以致絕緣層被形成。
甲矽烷氣體(SiH4)、氧化亞氮(N2O)、及稀有氣體被導入一室當作源極氣體，且高密度電漿係在10至30Pa之壓力產生，以致絕緣層係形成在該基板之上。在此之後，甲矽烷氣體之供給被停止，且氧化亞氮(N2O)及稀有氣體被導入，而不會暴露於空氣，以致電漿處理可在 該絕緣層之表面上被施行。藉由至少氧化亞氮(N2O)及稀有氣體之導入在該絕緣層之表面上所施行的電漿處理係在形成該絕緣層之後施行。經過該上面製程所形成之絕緣層係其可靠性能被確保之絕緣層，縱使其具有小厚度，譬如，少於100奈米之厚度。
當該閘極絕緣層118被形成時，被導入該室的甲矽烷氣體(SiH4)對氧化亞氮(N2O)之流動比率係在1：10至1：200之範圍中。此外，當作被導入該室之稀有氣體，氦、氬、氪、氙等能被使用。特別是，不貴之氬較佳被使用。
此外，使用該高密度電漿增強式CVD設備所形成之絕緣層具有優異之步驟涵蓋範圍，且該絕緣層之厚度可被精確地控制。
經過該上面製程所形成之絕緣層的膜品質係與使用習知平行板PECVD設備所形成之絕緣層大幅地不同。當具有相同蝕刻劑之蝕刻速率係彼此做比較時，經過該上面製程所形成之絕緣層的蝕刻速率係低於使用習知平行板PECVD設備所形成之絕緣層達10%或更多、或20%或更多。因此，其可說使用該高密度電漿增強式CVD設備所形成之絕緣層為密集層。
於此具體實施例中，當作該閘極絕緣層118，使用該高密度電漿增強式CVD設備所形成之100奈米厚氮氧化矽層(SiOxNy，其中，x>y>0)被使用。
該閘極絕緣層118能藉由當作不同方法的電漿增強式 CVD、濺鍍等被形成具有單層結構或包括氧化矽層、氮化矽層、氮氧化矽層、氮化矽氧化物層、及氧化鋁層的一或多個之分層結構。注意，該閘極絕緣層118較佳係藉由濺鍍所形成，以便不包含大量之氫。於氧化矽層係藉由濺鍍所形成之情況中，矽或石英被使用作為標靶，且氧或氧及氬之混合氣體被使用作為濺鍍氣體。
該閘極絕緣層118能具有一結構，其中，氧化矽層及氮化矽層被自該等源極電極104及124與該等汲極電極106及126而被堆疊。譬如，100奈米厚閘極絕緣層可被以此一使得具有5至300奈米之厚度的氧化矽層(SiOx(x>0))係藉由濺鍍而被形成為第一閘極絕緣層、且具有50至200奈米之厚度的氮化矽層(SiNy(y>0))被堆疊在該第一閘極絕緣層之上當作第二閘極絕緣膜的方式來予以形成。
其次，抗蝕劑遮罩係在第四微影製程中被形成，且該閘極絕緣層118的一部份係藉由選擇性蝕刻所去除，以致形成諸開口，其到達該薄膜電晶體之汲極電極126與用作為該塊狀電晶體之源極電極及汲極電極的n型區域132a及132b(見圖5B)。
然後，導電層係形成在該閘極絕緣層118之上，其中，該等開口被形成，而後閘極電極108、閘極電極128、及佈線層151、152及153被第五微影製程及蝕刻製程所形成。注意，抗蝕劑遮罩可被噴墨方法所形成。光罩不被使用於噴墨方法中；因此，製造成本能被減少。
該等閘極電極108及128與該等佈線層151、152及153能被形成，以具有諸如鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹、或鈧之金屬材料、或包含這些材料之任一者當作主要成份之合金材料的單層或堆疊層。
譬如，當作該等閘極電極108及128與該等佈線層151、152及153之二層式結構，以下之結構係較佳的：鉬層被堆疊在鋁層之上的二層式結構、鉬層被堆疊在銅層之上的二層式結構、氮化鈦層或氮化鉭層被堆疊在銅層之上的二層式結構、與氮化鈦層及鉬層被堆疊之二層式結構。當作三層式結構，鎢層或氮化鎢層、鋁與矽之合金或鋁與鈦之合金、及氮化鈦層或鈦層被堆疊之三層式結構係較佳的。注意，該閘極電極可使用透光導電層所形成。當作該透光導電層之材料的範例，透光導電氧化物等能被給與。
於此具體實施例中，當作該等閘極電極108及128與該等佈線層151、152及153，150奈米厚鈦膜係藉由濺鍍所形成。
其次，第二熱處理(較佳係在攝氏200度至攝氏400度，譬如，在攝氏250度至攝氏350度)係在惰性氣體氛圍或氧氣體氛圍中施行。於此具體實施例中，該第二熱處理係在攝氏250度的氮氛圍中施行達1小時之久。或者，該第二熱處理可在保護絕緣層或平坦化絕緣層被形成在該第一薄膜電晶體、該第二薄膜電晶體、及該塊狀電晶體之上之後被施行。
再者，熱處理可在攝氏100度至攝氏200度於空氣氛圍中被施行達1至30小時。此熱處理可在固定的加熱溫度被施行。或者，該加熱溫度中之以下變化可被重複地進行複數次：該加熱溫度係自室溫增加至攝氏100度至攝氏200度的溫度，而後被減少至室溫。再者，此熱處理可在形成該氧化物絕緣層之前於減壓之下被施行。當該熱處理係在減壓之下被施行時，該熱處理時間可被縮短。
經過該等上面步驟，包括該氧化物半導體層的第一薄膜電晶體及第二薄膜電晶體之各者可被形成(見圖5C)。在此，該第一薄膜電晶體可被使用作為該傳送電晶體101；該第二薄膜電晶體可被使用作為該重置電晶體121；及該塊狀電晶體可被使用作為該放大器電晶體131。
保護絕緣層或用於平坦化之平坦化絕緣層可被設在該薄膜電晶體410之上。譬如，該保護絕緣層可使用氧化矽層、氮化矽層、氮氧化矽層、氮化矽氧化物層、及氧化鋁層的一或多個被形成具有單層結構或堆疊層結構。
保護絕緣層142或用於平坦化之平坦化絕緣層可被設在該薄膜電晶體及該塊狀電晶體之上。譬如，該保護絕緣層142能被形成為具有單層結構或包含氧化矽層、氮化矽層、氮氧化矽層、氮化矽氧化物層、或氧化鋁層之分層結構。
該平坦化絕緣層能使用諸如聚醯亞胺、丙烯酸、苯並環丁烯、聚醯胺、或環氧基樹脂之耐熱有機材料所形成。 異於此等有機材料，其係可能使用低介電常數材料(低-k材料)、矽氧烷基樹脂、PSG(磷化矽玻璃)、BPSG(硼磷矽玻璃)等。注意，該平坦化絕緣層可藉由堆疊複數層絕緣膜所形成，該等絕緣膜使用這些材料所形成。
注意，矽氧烷基樹脂對應於包含使用矽氧烷基材料當作開始材料所形成之Si-O-Si鍵的樹脂。該矽氧烷基樹脂可包括有機基(例如，烷基或芳香基)當作取代基。再者，該有機基可包含氟代基。
在此未特別限制在用於形成該平坦化絕緣層之方法上。該平坦化絕緣層能視該材料而藉由諸如濺鍍、SOG方法、旋轉塗佈方法、浸漬方法、噴塗方法、液滴排出方法(諸如，噴墨方法、網印、或平板印刷)的方法、或以諸如刮刀、輥式塗佈機、簾幕式塗佈機、或刀式塗佈機之工具而被形成。
當該氛圍中之殘留濕氣係在該氧化物半導體膜的沈積之時被去除時，該氧化物半導體膜中之氫及氫化物的濃度可被降低。因此，該氧化物半導體膜能被穩定。
以該上面之方式，能提供具有穩定電特徵之高度可靠的半導體裝置，其包括具有氧化物半導體層之薄膜電晶體。
如適當的話，此具體實施例模式能與其它具體實施例之任一者組合。
(具體實施例2)
於本發明的一個具體實施例中，為藉由去除雜質的本質或實質為本質半導體之氧化物半導體被使用薄膜電晶體，於該氧化物半導體中可為載子施體(或受體)之雜質被減少至很低的位準。於此具體實施例中，測試元件群組(亦被稱為TEG)中之關閉電流的測量值被敘述在下面。
圖6說明具有L/W=3微米/10000微米的薄膜電晶體之初始特徵，其中，具有L/W=3微米/50微米的200個薄膜電晶體之每一個被平行地連接。此外，該薄膜電晶體之俯視圖被說明在圖7A中，且其局部放大俯視圖係在圖7B中說明。藉由圖7B中之虛線所包圍的區域係具有L/W=3微米/50微米及Lov=1.5微米的一個級之薄膜電晶體。為了測量該薄膜電晶體之初始特徵，在該基板溫度被設定至室溫、源極-汲極電壓(在下文中，被稱為汲極電壓或Vd)被設定至10V、及源極-閘極電壓(在下文中，被稱為閘極電壓或Vg)係自-20V改變至+20V的條件之下，該源極-汲極電流(在下文中被稱為汲極電流或Id)之改變特徵被測量。亦即Vg-Id特徵被測量。注意，圖7A及7B說明Vg在自-20至+5V之範圍中。
如圖6所說明，具有10000微米之通道寬度W的薄膜電晶體在1V或10V之Vd具有1×10-13[A]或更低之關閉電流，其係少於或等於測量裝置(半導體參數分析器，由Agilent技術公司所製成之Agilent 4156C)之解析度(100fA)。
換句話說，該薄膜電晶體具有通常關閉之電特徵。在 1至10V的汲極電壓，該薄膜電晶體能操作，以致每一微米通道寬度之關閉狀態電流為100aA/微米或更少，較佳為10aA/微米或更少，又更佳為1aA/微米或更少。
用以製造供該測量用之薄膜電晶體的方法被敘述。
首先，氮化矽層藉由CVD方法而被形成作為玻璃基板之上的基底層，且氮氧化矽層被形成在該氮化矽層之上。鎢層藉由濺鍍而被形成為該氮氧化矽層之上的閘極電極。在於，該鎢層被選擇性地蝕刻，以致該閘極電極被形成。
其次，100奈米厚的氮氧化矽層係藉由CVD而被形成為閘極絕緣層。
然後，50奈米厚的氧化物半導體層係藉由濺鍍而被形成在該閘極絕緣層之上，並使用In-Ga-Zn-O-基氧化物半導體標靶(在In2O3：Ga2O3：ZnO=1：1：2之莫耳比率中)。在此，島形氧化物半導體層被該氧化物半導體層之選擇性蝕刻所形成。
然後，第一熱處理係在攝氏450度於清潔爐中之氮氛圍中在該氧化物半導體層上施行有1小時之久。
然後，150奈米厚之鈦層係藉由濺鍍而被形成在該氧化物半導體層之上當作源極電極與汲極電極。在此，該源極電極與該汲極電極係藉由該鈦層之選擇性蝕刻所形成，且每一個具有3微米之通道長度L及50微米的通道寬度W之200個薄膜電晶體被平行地連接，以獲得具有L/W=3微米/10000微米之薄膜電晶體。
然後，300奈米厚的氧化矽層係藉由反應性濺鍍而被形成為保護絕緣層，以便與該氧化物半導體層相接觸。在此，作為該保護層之氧化矽層被選擇性地蝕刻，以致開口被形成於該閘極電極層、該源極電極層、與該汲極電極層之上。在此之後，第二熱處理係在氮氛圍中於攝氏250度施行有1小時之久。
然後，熱處理係在測量Vg-Id特徵之前於攝氏150度被施行有10小時之久。
透過該等上面步驟，底部閘極薄膜電晶體被製成。
如圖6所示，為何該薄膜電晶體之斷開狀態電流為大約1×10-13A係因為該氧化物半導體層中之氫的濃度可在該等上面步驟中被充分地減少。該氧化物半導體層中之氫的濃度為5×1019原子/立方公分或更低，較佳為5×1018原子/立方公分或更低，更佳為5×1017原子/立方公分或更低、或低於1×1016/立方公分。注意，該氧化物半導體層中之氫濃度係藉由二次離子質譜儀(SIMS)所測量。
雖然使用In-Ga-Zn-O-基氧化物半導體之範例被敘述，此具體實施例不被特別地受限於此。另一氧化物半導體材料、例如In-Sn-Zn-O-基氧化物半導體、Sn-Ga-Zn-O-基氧化物半導體、Al-Ga-Zn-O-基氧化物半導體、Sn-Al-Zn-O-基氧化物半導體、In-Zn-O-基氧化物半導體、In-Sn-O-基氧化物半導體、Sn-Zn-O-基氧化物半導體、Al-Zn-O-基氧化物半導體、In-O-基氧化物半導體、Sn-O-基氧化物半導體、Zn-O-基氧化物半導體等可被使用。再者，當作 氧化物半導體材料，以2.5重量百分比至10重量百分比之Al混合的In-Al-Zn-O-基氧化物半導體、或以2.5重量百分比至10重量百分比之Si混合的In-Zn-O-基氧化物半導體能被使用。
藉由載子測量裝置所測量的氧化物半導體層中之載子密度為低於5×1014/立方公分較佳為5×1012/立方公分或更低，更佳為低於或等於1.45×1010/立方公分的矽之載子濃度。亦即，該氧化物半導體層中之載子濃度可為盡可能接近零。
再者，該薄膜電晶體之通道長度L可為10至1000奈米，且電路能在更高速率操作。再者，因為因為關閉狀態電流之數量係非常地小，電力消耗可被進一步減少。
於電路設計中，當該薄膜電晶體被關閉時，該氧化物半導體層能被當作絕緣體。
在此之後，在此範例中所製成之薄膜電晶體的關閉電流之溫度特徵被評估。該等溫度特徵於考慮最終產品之環境電阻、性能之維持等時為重要的，而在該最終產品中使用該薄膜電晶體。應了解較小數量之變化係較佳的，其增加產品設計用之自由度。
用於該等溫度特徵，該Vg-Id特徵係使用恆溫室在該等條件之下獲得，其中，設有薄膜電晶體之基板被保持在攝氏-30度、攝氏0度、攝氏25度、攝氏40度、攝氏60度、攝氏80度、攝氏100度、及攝氏120度之個別的恆溫，且汲極電壓被設定至6V、與閘極電壓係自-20改變 至+20V。
圖8A說明在該等上面溫度所測量及彼此相重疊的Vg-Id特徵，且圖8B說明藉由圖8A中之虛線所包圍的斷開狀態電流之範圍的放大視圖。藉由該圖解中之箭頭所指示的最右邊曲線係在攝氏-30度所獲得之曲線；該最左邊曲線係在攝氏120度所獲得之曲線；且在其他溫度所獲得之曲線係位在其間。開啟狀態電流之溫度相依性幾乎不能被觀察到。在另一方面，如在圖8B之放大視圖中亦清楚地說明，該斷開狀態電流為1×10-12A或更少，其係接近該測量裝置之解析度，在除了該閘極電壓為約-20V的情況以外之所有溫度，且其溫度相依性未被觀察到。換句話說，甚至在攝氏120度之高溫，該斷開狀態電流被保持在1×10-12A或更少，且給與之通道寬度W為10000微米，其能被看到該斷開狀態電流係顯著地小的。
包括被高度純化之氧化物半導體的薄膜電晶體顯示在溫度上幾乎沒有斷開狀態電流之相依性。其可被說為氧化物半導體當被高度純化時不會顯示溫度相依性，因為該導電型式變得非常接近本質型，且該費米能階係位在該嚴禁能帶之中間，如圖10A之能帶圖所說明。這亦源自該事實，即該氧化物半導體具有3eV或更多之能隙，且包括極少之熱激發載子。此外，該源極區域與該汲極區域係在退化狀態中，其亦為用以顯示沒有溫度相依性之因素。該薄膜電晶體主要地係以自該退化的源極區域被注射至該氧化物半導體之載子來操作，且該等上面之特徵(斷開狀態 電流在溫度上之獨立性)能藉由載子密度在溫度上之獨立性所解釋。再者，此非常低之斷開狀態電流係在下面參考能帶圖來做敘述。
圖9為包括氧化物半導體之反向錯置薄膜電晶體的縱向剖面視圖。氧化物半導體層(OS)係設在閘極電極(GE1)之上，而使閘極絕緣膜(GI)設在其間。源極電極(S)與汲極電極(D)被提供在該閘極絕緣膜之上。
圖10A及10B為圖9中之A-A'剖面中的能帶圖(概要圖)。圖10A說明源極的電壓與汲極的電壓為相等(VD=0V)之情況，且圖10B說明正電位(VD>0)被施加至該汲極的情況。
圖11A及11B為圖19中之B-B’剖面中的能帶圖(概要圖)。圖11A說明正電位(+VG)被施加至該閘極(G1)及源極與汲極間之載子(電子)流動的狀態。再者，圖11B說明負電位(-VG)被施加至該閘極(G1)且該薄膜電晶體被關閉(少數載子不流動)之狀態。
圖12說明真空能階、金屬的功函數(ΦM)、與氧化物半導體的電子親和力(χ)間之關係。
習知之氧化物半導體典型上具有n型導電性，且在該情況中，該費米能階(EF)係遠離位於能帶隙之中間的本質費米能階(Ei)，且被定位接近該傳導能帶。注意，已知氧化物半導體中之氫的一部份具有施體之作用，且為造成該氧化物半導體具有n型導電性的一個因素。
於對比中，本發明的一個具體實施例中之氧化物半導 體為本質(i型)或實質為本質氧化物半導體，其係藉由自氧化物半導體去除n型雜質之氫及純度中之增加所獲得，以致異於該氧化物半導體之主要成份的雜質儘可能多地不被包含。換句話說，該氧化物半導體為高度純化之本質(i型)半導體或接近高度純化之i型半導體的半導體，而未加入雜質，但儘可能多地去除諸如氫或水之雜質。以此方式，該費米能階(EF)可為與該本質費米能階(Ei)相同的能階。
據說於該氧化物半導體之能帶隙(Eg)為3.15eV的情況中，電子親和力(χ)為4.3eV。被使用於該源極電極與該汲極電極之鈦(Ti)的功函數係實質上與該氧化物半導體之電子親和力(χ)相同。在此情況下，該肖特基電子能障並未形成在該金屬及該氧化物半導體間之介面處。
換句話說，於該金屬的功函數(ΦM)係與該氧化物半導體的電子親和力(χ)相同之情況中，該金屬及該氧化物半導體係彼此接觸之狀態被顯示為圖10A所說明之能帶圖(概要圖)。
於圖10B中，黑色圓圈(●)代表電子。當正電位被施加至該汲極時，該電子係超過該能障(h)被注射進入該氧化物半導體及流向該汲極。在該情況下，該能障(h)之高度視該閘極電壓與該汲極電壓而變化；於正汲極電壓被施加之情況中，該能障(h)之高度係比圖10A中之能障的高度較小，其中，沒有電壓被施加，亦即，該 能帶隙(Eg)的一半。
在此時注射進入該氧化物半導體之電子流經該氧化物半導體，如圖11A所說明。再者，於圖11B中，當負電位被施加至該閘極(G1)時，作為少數載子之電洞實質為零；因此，幾乎沒有電流流動。
譬如，甚至在其通道寬度W為1×104微米及其通道長度為3微米的薄膜電晶體中，10-13A或更少的斷開狀態電流之電特徵與0.1V/dec(該閘極絕緣膜之厚度為100奈米)的次臨界擺幅(S值)可被獲得。
矽半導體之本質載子濃度為1.45×1010/立方公分(300K)，且載子甚至於室溫存在。這意指熱激發載子甚至於室溫存在。再者，該矽半導體的能帶隙為1.12eV；因此，包括矽半導體之電晶體的斷開狀態電流視溫度而大幅地改變。
因此，不只藉由簡單地使用具有用於電晶體的寬能帶隙之氧化物半導體，同時藉由高度純化該氧化物半導體，使得異於該氧化物半導體的主要成份之雜質儘可能多地不被包含。因此，於此種氧化物半導體中，該載子濃度變成1×1014/立方公分或更低，較佳為1×1012/立方公分或更低，以致將在實用之操作溫度被熱激發之載子幾乎不被包括，且該電晶體可僅只以自該源極側所注射之電子操作。這使得其可能將該斷開狀態電流減少至1×10-13A或更少，及獲得非常穩定之電晶體，其斷開狀態電流幾乎不會隨著溫度中之變化而改變。
本發明的一個具體實施例之技術概念為雜質不被加至氧化物半導體，且該氧化物半導體本身係藉由去除諸如不想要地存在其中之水或氫的雜質而被高度純化。換句話說，本發明的一個具體實施例之特色在於氧化物半導體本身藉由去除形成施體能階之水或氫及藉由供應氧至該氧化物半導體而被高度純化，該氧化物半導體在去除之時被製成為在缺氧狀態中。
於氧化物半導體中，甚至剛好在該沈積之後，氫係藉由二次離子質譜儀(SIMS)而被觀察到大約1020/立方公分。本發明的技術概念為藉由故意地去除諸如形成施體能階的水或氫之雜質及藉由補償在去除之時所產生的氧之缺乏，以高度純化氧化物半導體及獲得電i型(本質)半導體。
結果，較佳的是該氫之數量為盡可能小的，且其亦較佳的是該氧化物半導體中之載子的數目係盡可能小的。該氧化物半導體為所謂高度純化之i型(本質)半導體，而載子係已自該半導體消除，且當用於薄膜電晶體時，用作為由源極所供給之載子(電子)的路徑，而非故意地包括用以流動電流之載子。
結果，藉由自氧化物半導體完全地消除載子或顯著地減少在其中之載子，電晶體之斷開狀態電流能被減少，其為本發明的具體實施例之技術概念。換句話說，當作一標準，該氫濃度為5×1019/立方公分或更低，較佳為5×1018/立方公分或更低，更佳為5×1017/立方公分或更低、或低 於1×1016/立方公分。該載子濃度應為低於1×1014/立方公分，較佳為1×1012/立方公分或更低。
此外，結果，該氧化物半導體用作為一路徑，且該氧化物半導體本身為被高度純化之i型(本質)半導體，以便不會供給載子或幾乎沒有供給載子，且載子係由源極與汲極所供應。供應之程度係藉由該能障高度所決定，而非藉由該氧化物半導體之電子親和力χ、其理想地對應於該本質費米能階之費米能階、及該源極或汲極的功函數所決定。
因此，較佳的是該斷開狀態電流為盡可能低的，且當作施加在1至10V的範圍中之汲極電壓的電晶體之特徵，該斷開狀態電流為100aA/微米或更少(該通道寬度W=每一微米之電流)較佳為10aA/微米或更少，更佳為1aA/微米或更少。
於記憶體電路(記憶體元件)等係使用此具有非常低之關閉狀態電流的薄膜電晶體所形成之情況中，其中，有很少之洩漏。因此，電位可被保持一段很長之時間，且所儲存之資料可被保持一段很長之時間。
如適當的話，此具體實施例可與其他具體實施例中所敘述之結構的各者組合。
(具體實施例3)
包括本發明的一個具體實施例中之薄膜電晶體的固態影像感測器之操作被敘述。
CMOS(互補式金氧半導體)影像感測器為固態影像感測器，其在信號電荷儲存部中保持一電位，並經過放大器電晶體將該電位輸出至直立輸出線。當在被包括於CMOS影像感測器中之重置電晶體及/或傳送電晶體中發生漏洩電流時，充電或放電係由於該漏洩電流而產生，以致該信號電荷儲存部之電位被改變。當該信號電荷儲存部的電位被改變時，該放大器電晶體之電位亦被改變；因此，該等電位之位準係自該原來之電位而偏離，且所拍攝到之影像劣化。
於此具體實施例中，具體實施例1及2中所敘述之薄膜電晶體被使用作為CMOS影像感測器中之重置電晶體及傳送電晶體的情況之效果被敘述。注意，薄膜電晶體或塊狀電晶體的其中之一可被使用作為放大器電晶體。
圖13說明CMOS影像感測器之像素結構的範例。像素包括作為光電轉換元件之光電二極體1002、傳送電晶體1004、重置電晶體1006、放大器電晶體1008、及各種佈線。複數個像素被配置在矩陣中，以形成感測器。再者，電連接至該放大器電晶體1008之選擇自電晶體可被提供。注意，於該等電晶體之符號中，符號“OS”指示氧化物半導體，且符號“Si”指示矽。這些符號指示用於這些電晶體之合適的材料。以下之圖解可被說為具有相同之指示。
在此，該光電二極體1002係連接至該傳送電晶體1004之源極側。信號電荷儲存部1010(亦被稱為浮動傳 播(FD))係形成在該傳送電晶體1004之汲極側上。該重置電晶體1006之源極及該放大器電晶體1008之閘極被連接至該信號電荷儲存部1010當作另一結構，重置電源線1110能被消除。譬如，該重置電晶體1006之汲極係不連接至該重置電源線1110，但連接至於電源線1100或直立輸出線1120。
其次，該操作係參考圖14中之時序圖來做敘述。首先，電源電壓被供應至電源端子。然後，重置脈衝係輸入至該重置電晶體1006之閘極，以致該重置電晶體1006被開啟。重置電源電位被儲存於該信號電荷儲存部1010中。然後，該重置電晶體1006被關閉，且該信號電荷儲存部1010被保持在該重置電源電位(時期T1)。在此，當幾乎沒有漏洩電流流動至該重置電晶體1006及該傳送電晶體1004時，該電位被保持直至該電晶體開始該下一個操作。其次，當該傳送電晶體1004被開啟時，電流由該信號電荷儲存部1010流動至該光電二極體，以致該信號電荷儲存部1010之電位降低(時期T2)。當該傳送電晶體1004被關閉時，在該信號電荷儲存部1010中保持當該傳送電晶體1004被關閉時的電位(時期T3)。當幾乎沒有漏電流流動至該重置電晶體1006及該傳送電晶體1004時，保持該電位直至該電晶體開始該下一個操作。然後，該電位係經過該放大器電晶體1008輸出至一直立輸出線1120。在其之後，電源電壓之供應至該電源端子被中斷。以此方式，信號被輸出。
換句話說，當包括在具體實施例中所敘述的其關閉狀態電流為顯著地低之氧化物半導體的薄膜電晶體被使用作為該重置電晶體1006及該傳送電晶體1004時，幾乎沒有漏洩電流自該信號電荷儲存部1010流動經過該薄膜電晶體，且在該等時期T1與T3中，該電位可在保持時期中被保持達一段很長的時間。
其次，該光電二極體1002之操作係參考圖15來做敘述。當光未進入該光電二極體時，該光電二極體具有與普通二極體相同之電壓-電流特徵(圖15中之曲線A)。如與光不會進入該光電二極體之情況作比較(圖15中之曲線B)，當光進入該光電二極體時，尤其當反向偏壓被施加時，較大數量之電流流動。該光電二極體之操作點係敘述參考圖13中所說明之像素中的操作。當該傳送電晶體1004被關閉時，用於流動電流之路徑不會存在於該光電二極體1002中；因此，當光進入該光電二極體時，該光電二極體之陰極被定位在圖15中之點c。當該傳送電晶體1004在該重置電晶體1006被開啟及該信號電荷儲存部1010被保持在該重置電源電位之後被開啟時，該光電二極體1002之陰極的電位係與該重置電源電位相同，且該光電二極體1002之陰極被定位在圖15中之點d。然後，放電電流自該信號電荷儲存部1010流動經過該傳送電晶體1004，以致該信號電荷儲存部1010之電位被降低。當該傳送電晶體1004被關閉時，放電停止。當假設在此時於圖15中之操作點係藉由e所標示時，該操作點d及該 操作點e間之電位差對應於藉由該光電二極體1002的放電所獲得之信號的電位差。
其次，敘述當重置電晶體、放大器電晶體、及信號線被共同使用於複數個像素之中時的操作。圖16為基本結構，其中，重置電晶體、傳送電晶體、放大器電晶體、光電二極體被提供於每一個像素中，且重置線、傳送開關線、及直立輸出線被連接至該像素。
該基本結構中之操作係參考圖17中之時序圖來做敘述。於第一線之驅動中，首先，當該第一重置線1240之電位(RST1)變成高位準時，第一重置電晶體1216被開啟。因此，第一信號電荷儲存部1210之電位(FD1)係升高至電源電位(下文被稱為VDD)。甚至當該第一重置線1240之電位變成低位準及該第一重置電晶體1216被關閉時，當電流路徑不存在時，該第一信號電荷儲存部1210的電位被保持在VDD。其次，當第一傳送開關線1250之電位(TRF1)變成高位準時，第一傳送電晶體1214被開啟，且對應於光而進入第一光電二極體1212之電流流動至該第一光電二極體1212及該第一傳送電晶體1214，以致該第一信號電荷儲存部1210的電位(FD1)係藉由放電所降低。當該第一傳送開關線1250之電位變成低位準時，該第一傳送電晶體1214被關閉，以致該第一信號電荷儲存部1210之電位被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過第一放大器電晶體1218而被輸出至直立輸出線1220。然後，包括第二重置線1340及 第二傳送開關線1350的第二線之驅動被施行。以此方式，連續之驅動被施行。注意，圖17中之RST2、TRF2、及FD2對應於該第二線的驅動中之時序圖。
不像該上面之基本結構，圖18說明縱向地配置的四個像素之結構，其中，重置電晶體、放大器電晶體、及重置線被共同地使用。當電晶體之數目及佈線之數目被減少時，由於該像素面積中之減少的微型化及雜訊由於光電二極體的光接收面積中之增加而減少能被實現。縱向地配置的四個像素中之傳送電晶體的汲極係彼此電連接，以致信號電荷儲存部1410被形成。重置電晶體1406的源極及放大器電晶體1408之閘極被連接至該信號電荷儲存部1410。
縱向地配置之四個像素的結構中之操作係參考圖19中之時序圖來做敘述。於第一線之驅動中，首先，該第一重置線1461之電位(RST1)變成高位準，以致第一重置電晶體1406被開啟。因此，該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被升高至VDD。甚至當該第一重置線1461之電位(RST1)變成低位準及該第一重置電晶體1406被關閉時，當電流路徑不存在時，該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被保持在VDD。其次，當第一傳送開關線1451之電位(TRF1)變成高位準時，第一傳送電晶體1414被開啟，且對應於光而進入第一光電二極體1412之電流流動至該第一光電二極體1412及該第一傳送電晶體1414，以致該信號電荷儲存部1410之電位(FD)係藉由放電所 降低。當該第一傳送開關線1451之電位(TRF1)變成低位準時，該第一傳送電晶體1414被關閉，以致該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過第一放大器電晶體1408而被輸出至直立輸出線1470。
於第二線之驅動中，該第一重置線1461之電位(RST1)再次變成高位準，以致該第一重置電晶體1406被開啟。因此，該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被升高至VDD。甚至當該第一重置線1461之電位(RST1)變成低位準及該第一重置電晶體1406被關閉時，當電流路徑不存在時，該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被保持在VDD。其次，當第二傳送開關線1452之電位(TRF2)變成高位準時，第二傳導電晶體1424被開啟，且對應於光而進入第二光電二極體1422之電流流動至該第二光電二極體1422及該第二傳送電晶體1424，以致該信號電荷儲存部1410之電位(FD)係藉由放電所降低。當該第二傳送開關線1452之電位(TRF2)變成低位準時，該第二傳送電晶體1424被關閉，以致該信號電荷儲存部1410之電位被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過該第一放大器電晶體1408而被輸出至該直立輸出線1470。
於第三線之驅動中，該第一重置線1461之電位(RST1)再次變成高位準，以致該第一重置電晶體1406被開啟。因此，該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被 升高至VDD。甚至當該第一重置線1461之電位(RST1)變成低位準及該第一重置電晶體1406被關閉時，當電流路徑不存在時，該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被保持在VDD。其次，當第三傳送開關線1453之電位變成高位準時，第三傳送電晶體1434被開啟，且對應於光而進入第三光電二極體1432之電流流動至該第三光電二極體1432及該第三傳送電晶體1434，以致該信號電荷儲存部1410之電位(FD)係藉由放電所降低。當該第三傳送開關線1453之電位(TRF)變成低位準時，該第三傳送電晶體1434被關閉，以致該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過該第一放大器電晶體1408而被輸出至該直立輸出線1470。
於第四線之驅動中，該第一重置線1461之電位(RST1)再次變成高位準，以致該第一重置電晶體1406被開啟。因此，該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被升高至VDD。甚至當該第一重置線1461之電位(RST1)變成低位準及該第一重置電晶體1406被關閉時，當電流路徑不存在時，該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被保持在VDD。其次，當第四傳送開關線1454之電位(TRF4)變成高位準時，第四傳導電晶體1444被開啟，且對應於光而進入第四光電二極體1442之電流流動至該第四光電二極體1442及該第四傳送電晶體1444，以致該信號電荷儲存部1410之電位(FD)係藉由放電所降低。 當該第四傳送開關線1454之電位變成低位準時，該第四傳送電晶體1444被關閉，以致該信號電荷儲存部1410之電位(FD)被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過該第一放大器電晶體1408而被輸出至該直立輸出線1470。於第五至第八線之驅動中，連續之驅動係如於該第一至第四線中藉由第二重置線的電位(RST2)之控制所施行。
圖20說明縱向及橫向地配置的四個像素之結構，其係與圖18中之結構不同。於圖20中所說明之結構中，重置線、重置電晶體、及放大器電晶體被共同地使用於二縱向地配置的像素及二橫向地配置的像素之中。如於縱向地配置的四個像素之結構中，當電晶體之數目及佈線之數目被減少時，由於該像素面積中之減少的微型化及雜訊由於光電二極體的光接收面積中之增加而減少能被實現。縱向及橫向地配置的四個像素中之傳送電晶體的汲極係彼此電連接，以致信號電荷儲存部1510被形成。重置電晶體1506的源極及放大器電晶體1508之閘極被連接至該信號電荷儲存部1510。
縱向及橫向地配置之四個像素的結構中之操作係參考圖21中之時序圖來做敘述。於第一線之驅動中，首先，第一重置線1561之電位(RST1)變成高位準，以致第一重置電晶體1506被開啟。因此，該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被升高至VDD。該第一重置線1561之電位(RST1)變成低位準，以致該第一重置電晶體1506被關 閉。甚至當該第一重置電晶體1506被關閉時，當電流路徑不存在時，該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被保持在VDD。其次，當第一傳送開關線1551之電位(TRF1)變成高位準時，第一傳送電晶體1514被開啟，且對應於光而進入第一光電二極體1512之電流流動至該第一光電二極體1512及該第一傳送電晶體1514，以致該信號電荷儲存部1510之電位(FD)係藉由放電所降低。當該第一傳送開關線1551之電位(TRF1)變成低位準時，該第一傳送電晶體1514被關閉，以致該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過第一放大器電晶體1508而被輸出至直立輸出線1570。
其次，該第一重置線1561之電位(RST1)再次變成高位準，以致該第一重置電晶體1506被開啟。因此，該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被升高至VDD。該第一重置線1561之電位(RST1)變成低位準，以致該第一重置電晶體1506被關閉。甚至當該第一重置電晶體1506被關閉時，當電流路徑不存在時，該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被保持在VDD。然後，當第二傳送開關線1552之電位(TRF2)變成高位準時，第二傳導電晶體1524被開啟，且對應於光而進入第二光電二極體1522之電流流動至該第二光電二極體1522及該第二傳送電晶體1524，以致該信號電荷儲存部1510之電位(FD)係藉由放電所降低。當該第二傳送開關線1552之電位 (TRF2)變成低位準時，該第二傳送電晶體1524被關閉，以致該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過該第一放大器電晶體1508而被輸出至該直立輸出線1570。該第一線中之像素的輸出係經過該二操作而被連續輸出至該直立輸出線1570。
於第二線之驅動中，該第一重置線1561之電位(RST1)再次變成高位準，以致該第一重置電晶體1506被開啟。因此，該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被升高至VDD。該第一重置線1561之電位(RST1)變成低位準，以致該第一重置電晶體1506被關閉。甚至當該第一重置電晶體1506被關閉時，當電流路徑不存在時，該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被保持在VDD。然後，當第三傳送開關線1553之電位(TRF3)變成高位準時，第三傳送電晶體1534被開啟，且對應於光而進入第三光電二極體1532之電流流動至該第三光電二極體1532及該第三傳送電晶體1534，以致該信號電荷儲存部1510之電位(FD)係藉由放電所降低。當該第三傳送開關線1553之電位(TRF3)變成低位準時，該第三傳送電晶體1534被關閉，以致該信號電荷儲存部1510之電位被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過該第一放大器電晶體1508而被輸出至該直立輸出線1570。
其次，該第一重置線1561之電位(RST1)再次變成高位準，以致該第一重置電晶體1506被開啟。因此，該 信號電荷儲存部1510之電位(FD)被升高至VDD。該第一重置線1561之電位(RST1)變成低位準，以致該第一重置電晶體1506被關閉。甚至當該第一重置電晶體1506被關閉時，當電流路徑不存在時，該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被保持在VDD。其次，當第四傳送開關線1554之電位(TRF4)變成高位準時，第四傳導電晶體1544被開啟，且對應於光而進入第四光電二極體1542之電流流動至該第四光電二極體1542及該第四傳送電晶體1544，以致該信號電荷儲存部1510之電位(FD)係藉由放電所降低。當該第四傳送開關線1554之電位(TRF4)變成低位準時，該第四傳送電晶體1544被關閉，以致該信號電荷儲存部1510之電位(FD)被保持，因為該電流路徑再次不存在。此電位係經過該第一放大器電晶體1508而被輸出至該直立輸出線1570。其次，第三線之驅動及第四線之驅動係如於該第一及第二線中藉由第二重置線1562的電位(RST2)之控制而被連續地施行。
圖22說明傳送開關線被共同地使用之結構。於圖22所說明之結構中，重置線、傳送開關線、重置電晶體、及放大器電晶體被共同地使用於二縱向地配置的像素及二橫向地配置的像素之中。被共同地使用之傳送開關被加至該等上面結構，其中，該重置線、該重置電晶體、及該放大器電晶體被共同地使用。當電晶體之數目及佈線之數目被減少時，由於該像素面積中之減少的微型化及雜訊由於光電二極體的光接收面積中之增加而減少能被實現。縱向及 橫向地配置的四個像素中之傳送電晶體的汲極係彼此電連接，以致信號電荷儲存部被形成。該重置電晶體的源極及放大器電晶體之閘極被連接至該信號電荷儲存部。於該等結構中，該傳送開關線被共同地使用於縱向地定位的二個傳送電晶體之間，以致在橫向方向中及縱向方向中同時操作之電晶體被提供。
共同地使用該傳送開關線之結構的操作係參考圖23中之時序圖敘述。於第一線及第二線之驅動中，首先，第一重置線1665之電位(RST1)及第二重置線1666之電位(RST2)變成高位準，以致第一重置電晶體1616及第二重置電晶體1626被開啟。因此，第一信號電荷儲存部1610之電位(FD1)及第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)被升高至VDD。該第一重置線1665之電位(RST1)及該第二重置線1666之電位(RST2)變成低位準，以致該第一重置電晶體1616及該第二重置電晶體1626被關閉。甚至當該第一重置電晶體1616及第二重置電晶體1626被關閉時，當電流路徑不存在時，該第一信號電荷儲存部1610之電位(FD1)及該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)被保持在VDD。
其次，當第一傳送開關線1751之電位變成高位準時，第一傳送電晶體1614及第三傳送電晶體1634被開啟，以致對應於光而進入第一光電二極體1612之電流流動至該第一光電二極體1612及該第一傳送電晶體1614，且對應於光而進入第三光電二極體1632之電流流動至該 第三光電二極體1632與該第三傳送電晶體1634。因此，該第一信號電荷儲存部1610之電位(FD1)及該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)係藉由放電所降低。當該第一傳送開關線1751之電位(TRF1)變成低位準時，該第一傳送電晶體1614及該第三傳送電晶體1634被關閉，以致該第一信號電荷儲存部1610之電位(FD1)及該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)被保持，因為電流路徑再次不存在。這些電位係經過第一放大器電晶體1618而被輸出至第一直立輸出線1675及經過第二放大器電晶體1628而被輸出至第二直立輸出線1676。
其次，該第一重置線1665之電位(RST1)及該第二重置線1666之電位(RST2)再次變成高位準，以致該第一重置電晶體1616及該第二重置電晶體1626被開啟。因此，該第一信號電荷儲存部1610之電位(FD1)及該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)被升高至VDD。該第一重置線1665之電位(RST1)及該第二重置線1666之電位(RST2)變成低位準，以致該第一重置電晶體1616及該第二重置電晶體1626被關閉。甚至當該第一重置電晶體1616及該第二重置電晶體1626被關閉時，當電流路徑不存在時，該第一信號電荷儲存部1610之電位(FD1)及該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)被保持在VDD。
其次，當第二傳送開關線1752之電位變成高位準時，第二傳送電晶體1624及第四傳送電晶體1644被開 啟，以致對應於光而進入第二光電二極體1622之電流流動至該第二光電二極體1622及該第二傳送電晶體1624，且對應於光而進入第四光電二極體1642之電流流動至該第四光電二極體1642與該第四傳送電晶體1644。因此，該第一信號電荷儲存部1610之電位(FD1)及該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)係藉由放電所降低。當該第二傳送開關線1752之電位(TRF2)變成低位準時，該第二傳送電晶體1624及該第四傳送電晶體1644被關閉，以致該第一信號電荷儲存部1610之電位(FD1)及該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)被保持，因為電流路徑再次不存在。這些電位係經過該第一放大器電晶體1618而被輸出至該第一直立輸出線1675及經過該第二放大器電晶體1628而被輸出至該第二直立輸出線1676。該第一線及該第二線中之像素的輸出係經過該操作而被連續輸出至該第一直立輸出線1675及該第二直立輸出線1676。
第三線及第四線之驅動被敘述。首先，該第二重置線1666之電位(RST2)及該第三重置線1667之電位(RST3)變成高位準，以致該第二重置電晶體1626及第三重置電晶體1636被開啟。因此，該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)及第三信號電荷儲存部1630之電位(FD3)被升高至VDD。該第二重置線1666之電位(RST2)及該第三重置線1667的電位(RST3)變成低位準，以致該第二重置電晶體1626及該第三重置電晶體 1636被關閉。甚至當該第二重置電晶體1626及該第三重置電晶體1636被關閉時，當同時電流路徑不存在時，該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)及該第三信號電荷儲存部1630之電位(FD3)被保持在VDD。
其次，當第三傳送開關線1753之電位(TRF3)變成高位準時，第五傳送電晶體1654及第七傳送電晶體1674被開啟，以致對應於光而進入第五光電二極體1652之電流流動至該第五光電二極體1652及該第五傳送電晶體1654，且對應於光而進入第七光電二極體1672之電流流動至該第七光電二極體1672與該第七傳送電晶體1674。因此，該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)及該第三信號電荷儲存部1630之電位(FD3)係藉由放電所降低。當該第三傳送開關線1753之電位(TRF3)變成低位準時，該第五傳送電晶體1654及該第七傳送電晶體1674被關閉，以致該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)及該第三信號電荷儲存部1630之電位(FD3)被保持，因為電流路徑再次不存在。這些電位係經過該第二放大器電晶體1628而被輸出至該第二直立輸出線1676、且經過該第一放大器電晶體1618而被輸出至該第一直立輸出線1675。
其次，當該第二重置線1666之電位(RST2)及該第三重置線1667的電位(RST3)變成高位準時，以致該第二重置電晶體1626及該第三重置電晶體1636被開啟。因此，該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)及該第 三信號電荷儲存部1630之電位(FD3)被升高至VDD。該第二重置線1666之電位(RST2)及該第三重置線1667之電位(RST3)變成低位準，以致該第二重置電晶體1626及該第三重置電晶體1636被關閉。甚至當該第二重置電晶體1626及該第三重置電晶體1636被關閉時，當電流路徑不存在時，該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)及該第三信號電荷儲存部1630之電位(FD3)被保持在VDD。
其次，當第四傳送開關線1754之電位(TRF4)變成高位準時，第六傳送電晶體1664及第八傳送電晶體1684被開啟，以致對應於光而進入第六光電二極體1662之電流流動至該第六光電二極體1662及該第六傳送電晶體1664，且對應於光而進入第八光電二極體1682之電流流動至該第八光電二極體1682與該第八傳送電晶體1684。因此，該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)及該第三信號電荷儲存部1630之電位(FD3)係藉由放電所降低。當該第四傳送開關線1754之電位(TRF4)變成低位準時，該第六傳送電晶體1664及該第八傳送電晶體1684被關閉，以致該第二信號電荷儲存部1620之電位(FD2)及該第三信號電荷儲存部1630之電位(FD3)被保持，因為電流路徑再次不存在。這些電位係經過該第二放大器電晶體1628而被輸出至該第二直立輸出線1676、且經過該第一放大器電晶體1618而被輸出至該第一直立輸出線1675。該第三線及該第四線中之像素的輸出係經 過該操作而被連續地輸出至該第二直立輸出線1676及該第一直立輸出線1675。其次，第五線之驅動及第六線之驅動係如於該第三及第四線中藉由第三重置線1667的電位(RST3)及第四重置線之電位(RST4)的控制而被連續地施行。
圖24說明該整個CMOS影像感測器。重置端子驅動電路2020及傳送端子驅動電路2040被設在包括像素部2000的像素矩陣2100之相向兩側上。該等驅動電路被設在圖24中之像素矩陣2100的相向兩側上；然而，該等驅動電路可僅只被提供在一側上。此外，直立輸出線驅動電路2060被提供於一垂直於用以輸出來自該驅動電路之信號的佈線之方向上。該重置端子驅動電路2020及該傳送端子驅動電路2040係用以輸出具有二進值(低電位與高電位)之信號的驅動電路；因此，驅動能被以移位暫存器2200及緩衝電路2300之組合施行，如圖25所說明。這些驅動電路能使用塊狀電晶體或薄膜電晶體所形成。特別是，這些驅動電路較佳係使用包括矽半導體之塊狀電晶體來予以形成，該等矽半導體能被使用於形成互補(CMOS)電晶體。
該直立輸出線驅動電路2060能包括移位暫存器2210、緩衝電路2310、及類比開關2400，如圖26所說明。直立輸出線2120被以該類比開關2400作選擇，且影像信號被輸出至影像輸出線2500。該等類比開關2400係藉由該移位暫存器2210及該緩衝電路2310所連續地選 擇。該直立輸出線驅動電路2060能使用塊狀電晶體或薄膜電晶體所形成。特別是，該直立輸出線驅動電路2060較佳係使用包括矽半導體之塊狀電晶體來予以形成，該等矽半導體能被使用於形成互補電晶體。
圖27說明該移位暫存器及該緩衝電路之範例。特別是，圖27說明包括時脈控制反相器的移位暫存器2220及包括反相器的緩衝電路2320之範例。該移位暫存器及該緩衝電路不被限制於這些電路。再者，該重置端子驅動電路2020、該傳送端子驅動電路2040、及該直立輸出線驅動電路2060之結構不被限制於該等上面之結構。
在該等上面具體實施例的任一者中之固態影像感測器可被使用在各種電子裝置(包括娛樂機)中。譬如，該固態影像感測器可被使用在具有用以取得影像資料之單元的電子裝置中，該單元諸如數位相機、數位攝影機、行動電話、手提式遊戲機、或手提式資訊終端機。
如適當的話，本具體實施例模式能與其它具體實施例之任一者組合。
此申請案係基於2009年11月6日在日本專利局提出之日本專利申請案序號第2009-255271號，其整個內容係以引用的方式併入本文中。
100‧‧‧單晶矽基板
101‧‧‧傳送電晶體
102‧‧‧氧化物半導體層
104‧‧‧源極電極
106‧‧‧汲極電極
108‧‧‧閘極電極
110‧‧‧光電轉換元件
112‧‧‧n型區域
114‧‧‧p型區域
116‧‧‧信號電荷儲存部
118‧‧‧閘極絕緣層
121‧‧‧重置電晶體
122‧‧‧氧化物半導體層
124‧‧‧源極電極
126‧‧‧汲極電極
128‧‧‧閘極電極
131‧‧‧放大器電晶體
136‧‧‧閘極絕緣層
138‧‧‧閘極電極
151‧‧‧佈線層
152‧‧‧佈線層
153‧‧‧佈線層
132a‧‧‧n型區域
132b‧‧‧n型區域

Claims (14)

  1. 一種半導體裝置，包含：光電轉換元件；第一電晶體；第二電晶體；以及第三電晶體，其中，該第一電晶體的閘極電極電連接至該第二電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一，其中，該第一電晶體的該閘極電極電連接至該第三電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一，其中，該第一電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一電連接至第一線，其中，該第二電晶體的閘極電極電連接至第二線，其中，該第二電晶體的該源極電極及該汲極電極的其中之另一電連接至該光電轉換元件，其中，該第三電晶體的閘極電極電連接至第三線，其中，該光電轉換元件經由該第二電晶體電連接至該第一電晶體的該閘極電極，以使該第一電晶體的該閘極電極有儲存電荷的能力，並且其中，該第一電晶體的通道包含氧化物半導體層。
  2. 一種半導體裝置，包含：光電轉換元件；第一電晶體；第二電晶體；以及 第三電晶體，其中，該第一電晶體的閘極電極電連接至該第二電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一，其中，該第一電晶體的該閘極電極電連接至該第三電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一，其中，該第一電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一電連接至第一線，其中，該第二電晶體的閘極電極電連接至第二線，其中，該第二電晶體的該源極電極及該汲極電極的其中之另一電連接至該光電轉換元件，其中，該第三電晶體的閘極電極電連接至第三線，其中，該光電轉換元件經由該第二電晶體電連接至該第一電晶體的該閘極電極，以使該第一電晶體的該閘極電極有儲存電荷的能力，其中，該第一電晶體的通道包含第一氧化物半導體層，並且其中，該第三電晶體的通道包含第二氧化物半導體層。
  3. 如申請專利範圍第2項的半導體裝置，其中，各該第一氧化物半導體層及該第二氧化物半導體層包含In、Ga及Zn。
  4. 如申請專利範圍第2項的半導體裝置，其中，該第一氧化物半導體層中的載子濃度係低於1×1014/cm3。
  5. 一種半導體裝置，包含： 光電轉換元件；第一電晶體；第二電晶體；以及第三電晶體，其中，該第一電晶體的閘極電極電連接至該第二電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一，其中，該第一電晶體的該閘極電極電連接至該第三電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一，其中，該第一電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一電連接至第一線，其中，該第二電晶體的閘極電極電連接至第二線，其中，該第二電晶體的該源極電極及該汲極電極的其中之另一電連接至該光電轉換元件，其中，該第三電晶體的閘極電極電連接至第三線，其中，該光電轉換元件經由該第二電晶體電連接至該第一電晶體的該閘極電極，以使該第一電晶體的該閘極電極有儲存電荷的能力，並且其中，該第三電晶體的通道包含氧化物半導體層。
  6. 如申請專利範圍第5項的半導體裝置，其中，當處於源極汲極間電壓為6V且溫度為120℃的條件之下，該第三電晶體的通道寬度的每微米的關態電流係100aA/μm或更少。
  7. 如申請專利範圍第5項的半導體裝置，其中，當汲極電壓為1V至10V，該第三電晶體的關態電流係1×10- 13A或更少。
  8. 如申請專利範圍第1、2及5項中之任一項的半導體裝置，更包含，層間絕緣膜，其中，該層間絕緣膜在該光電轉換元件上，並且其中，該第三電晶體在該層間絕緣膜上。
  9. 一種半導體裝置，包含：光電轉換元件；第一電晶體；以及第二電晶體；其中，該第一電晶體的閘極電極電連接至該第二電晶體的源極電極及汲極電極的其中之一，其中，該第二電晶體的該源極電極及該汲極電極的其中之另一電連接至該光電轉換元件，其中，該光電轉換元件經由該第二電晶體電連接至該第一電晶體的該閘極電極，以使該第一電晶體的該閘極電極有儲存電荷的能力，並且其中，該第一電晶體的通道包含氧化物半導體層。
  10. 如申請專利範圍第1、2及9項中之任一項的半導體裝置，其中，當處於源極汲極間電壓為6V且溫度為120℃的條件之下，該第一電晶體的通道寬度的每微米的關態電流係100aA/μm或更少。
  11. 如申請專利範圍第1、2及9項中之任一項的半導體裝置，其中，當汲極電壓為1V至10V，該第一電晶體的關態電流係1×10-13A或更少。
  12. 如申請專利範圍第1、5及9項中之任一項的半導體裝置，其中，該氧化物半導體層包含In、Ga及Zn。
  13. 如申請專利範圍第1、5及9項中之任一項的半導體裝置，其中，該氧化物半導體層中的載子濃度係低於1×1014/cm3。
  14. 如申請專利範圍第1、2、5及9項中之任一項的半導體裝置，其中，該光電轉換元件包含結晶矽。
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