JP2022032053A - イメージセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
関する。
全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
術が注目されている。薄膜トランジスタは液晶テレビに代表されるような表示装置に用い
られている。薄膜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公
知であるが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
、キャリア(電子)濃度が1018/cm3未満である非晶質酸化物(酸化物半導体)で
形成された薄膜トランジスタが開示されている(特許文献1乃至3)。
は、SOI基板やバルクの単結晶シリコン基板を用いた電界効果型トランジスタが一般的
に用いられている。
特性を有しているとは言えず、例えばオフ電流(リーク電流などとも呼ぶ)は、実質的に
ゼロと言えるほど小さいものではない。また、シリコンは温度特性の変化が比較的大きい
材料でもあり、特にオフ電流は変化しやすい。従って、固体撮像素子など電荷保持型の半
導体装置を構成する場合には、周囲の環境に左右されず、十分な電位保持期間の確保が可
能であり、よりオフ電流が低減されたデバイスの開発が望まれている。
されている)を有する薄膜トランジスタを含む固体撮像素子を提供することを目的とする
。
タを少なくとも有し、転送トランジスタが酸化物半導体で形成された画素を有する固体撮
像素子に関する。
去することで、真性又は実質的に真性な半導体であって、シリコン半導体よりもエネルギ
ーギャップが大きい。
とにより、酸化物半導体に含まれる水素の濃度が、二次イオン質量分析法(SIMS:S
econdary Ion Mass Spectroscopy)における最低値で5
×1019/cm3以下、好ましくは5×1018/cm3以下、より好ましくは5×1
017/cm3以下、または1×1016/cm3未満とし、キャリア濃度を1×101
4/cm3未満、好ましくは1×1012/cm3以下とした酸化物半導体膜でチャネル
領域が形成される薄膜トランジスタを有する固体撮像素子が構成されるものである。
しくは3eV以上として、ドナーを形成する水素等の不純物を極力低減し、キャリア濃度
を1×1014/cm3以下、好ましくは1×1012/cm3以下となるようにする。
ることで、電気特性がノーマリーオフを呈し、1Vから10Vのドレイン電圧において、
そのオフ電流は、1×10-13A以下、または100aA/μm(μmは、薄膜トラン
ジスタのチャネル幅)以下、好ましくは10aA/μm以下、更に好ましくは1aA/μ
m以下となるように作用させることができる。
光電変換素子部と転送トランジスタを介して電気的に接続される信号電荷蓄積部と、信号
電荷蓄積部と電気的にゲート電極が接続される増幅トランジスタと、を有し、転送トラン
ジスタのチャネル形成領域は酸化物半導体で形成されており、増幅トランジスタのチャネ
ル形成領域はシリコン半導体で形成された画素部を有することを特徴とする半導体装置で
ある。
。更に上記画素部には、選択トランジスタが設けられていても良い。また、画素部と接続
される周辺回路部は、シリコン半導体を用いたバルクトランジスタで相補型(CMOS)
トランジスタの構成とすることが好ましい。
に接続される転送トランジスタと、転送トランジスタと電気的に接続される信号電荷蓄積
部と、信号電荷蓄積部と電気的に接続される増幅トランジスタと、を有し、光電変換素子
部を順バイアスとし、転送トランジスタをオンして信号電荷蓄積部を光電変換素子部のカ
ソード電位に初期化し、光電変換素子部を逆バイアスとし、光電変換素子部に光を照射し
て信号電荷蓄積部の電位を変化させ、転送トランジスタをオフして前記信号電荷蓄積部の
電位を保持し、信号電荷蓄積部の電位に従って増幅トランジスタより信号を出力させる半
導体装置の動作方法である。
nductor)イメージセンサは、リセットトランジスタを動作させることによって、
信号電荷蓄積部の電位を初期化していたが、本発明の一態様では、信号電荷蓄積部を光電
変換素子部(フォトダイオード)のカソード電位に初期化することでリセットトランジス
タを省く構成とすることができる。
するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、「
配線」は「電極」の一部として用いられることがある。さらに、「電極」や「配線」とい
う用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合などをも含む。
ス基板や石英基板、サファイア基板、金属基板などの非半導体基板をも含む。つまり、絶
縁体基板上に半導体材料からなる層を有するものも、広く「SOI基板」に含まれる。さ
らに、本明細書等において、「半導体基板」は、半導体材料のみからなる基板を指すに留
まらず、半導体材料を含む基板全般を指すものとする。つまり、本明細書等においては「
SOI基板」も「半導体基板」に含まれる。
化物半導体を用いた薄膜トランジスタを転送トランジスタに用いることで信号電荷蓄積部
の電位が一定に保たれ、ダイナミックレンジを向上させることができる。また、周辺回路
に相補型トランジスタが作製可能なシリコン半導体を用いることで動作が高速で、低消費
電力の半導体装置とすることができる。
に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々
に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、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、以下に説明する本発明の構
成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を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。
、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定され
ない。
に付したものであり、順序などを限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」
を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
本発明の一態様は、金属絶縁物半導体素子、所謂MIS(Metal Insulato
r Semiconductor)トランジスタを用いた半導体装置である。本明細書で
は、チャネル形成領域に薄膜の半導体を用いた素子を薄膜トランジスタと称し、チャネル
形成領域にバルクの半導体を用いた素子をバルクトランジスタと称する。ただし、SOI
(Silicon on Insulator)基板に形成されている半導体層は薄膜と
も言えるが、本明細書では該半導体層で形成したトランジスタはバルクトランジスタの一
種とする。
に説明する。本実施の形態では、一例として、固体撮像素子における画素が有する薄膜ト
ランジスタと、当該薄膜トランジスタに接続された光電変換素子及びシリコン半導体で形
成されたバルクトランジスタについて説明する。なお画素とは、固体撮像素子に設けられ
た各素子、例えば光電変換素子、トランジスタ、及び配線等からなり、電気的な信号の入
出力で画像を出力させるための素子で構成される素子群のことをいう。
ラーフィルタ602、及び層間絶縁膜606等を通して入射光を光電変換素子608に受
光させる構造とすることができる。ただし、点線枠で囲んだ領域に示すように、矢印で示
す光路の一部が配線層604の一部によって遮光されてしまうことがあり、図28(B)
に示すように基板裏面側にレンズ610及びカラーフィルタ612を形成して入射光を光
電変換素子618に効率良く受光させる構造としても良い。
る場合と、AとBとが直接接続されている場合とを含むものとする。ここで、A、Bは、
対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとす
る。
トランジスタ101に酸化物半導体の薄膜トランジスタを用いた例で、増幅トランジスタ
131は、単結晶シリコン基板100に形成されたnチャネル型のバルクトランジスタで
形成している。光電変換素子110はn型領域112と薄いp型領域114を含むフォト
ダイオードを形成しており、転送トランジスタ101のソース電極104に接続される。
また、転送トランジスタ101のドレイン電極下方には信号電荷蓄積部116(フローテ
ィングディフュージョンとも呼ぶ)が形成される。転送トランジスタ101は、酸化物半
導体層がチャネル領域となるトップゲート構造をしている。増幅トランジスタ131は、
n型領域132a、132bとゲート電極138を含むnチャネル型のバルクトランジス
タであり、増幅トランジスタ131のゲート電極138は、配線154により信号電荷蓄
積部116と電気的に接続されている。
タである転送トランジスタ101の下地絶縁層を兼ねており、信号電荷蓄積部116はゲ
ート絶縁層136を誘電体として容量を形成している。また、薄膜トランジスタのゲート
絶縁層118は、バルクトランジスタの層間絶縁層の一部として機能する。
て示したが、逆スタガ構造などのボトムゲート型を用いても良い。また、光電変換素子1
10に光を照射する必要があるため、転送トランジスタ101のソース電極の一部を光電
変換素子110の受光部に接続させる例を挙げたが、ソース電極を透光性導電材料で形成
し、光電変換素子110との接続の状態を変えても良い。例えば、図2(A)に示すよう
に、透光性導電材料で形成したソース電極204を有するトランジスタ201を転送トラ
ンジスタとして用いれば、光電変換素子210の受光面の一部または全面に接続すること
ができる。また、図2(B)に示す様に光電変換素子310への光路を確保できるように
、抵抗の低い金属層をソース電極304及びドレイン電極306とし、透光性導電材料層
をバッファ層305、307として積層したトランジスタ301を転送トランジスタとし
て用いても良い。
は、p型単結晶シリコン層)にn型領域を形成し、その上部に薄いp型領域を形成した所
謂埋め込み型フォトダイオードを形成する。フォトダイオードの表面にp型領域を形成す
ることで表面で発生する暗電流によるノイズを低減することができる。
い。また、バルクトランジスタの構造はこれに限らず、ゲート電極端にサイドウォールを
設けたLDD(Lightly Doped Drain)構造やソースドレイン領域の
一部に低抵抗のシリサイド等を形成した構造であっても良い。
設けても良い。増幅トランジスタ及び選択トランジスタは共にシリコン半導体、酸化物半
導体のどちらを用いても形成することができる。ただし、増幅トランジスタは、より増幅
率の高いシリコン半導体層を用いたバルクトランジスタで形成することが好ましい。
ともできる。例えば、薄膜トランジスタで形成する転送トランジスタをバルクトランジス
タで形成する増幅トランジスタの上部に設ければ、一画素につき必要なトランジスタの面
積が1/2から2/3程度となり、集積度の向上やフォトダイオードの受光面積を増加さ
せることができ、ノイズを低減させることもできる。図3はその一例であり、下層に光電
変換素子510とバルクトランジスタで形成された増幅トランジスタ531を形成し、絶
縁膜541を介して上層に薄膜トランジスタで形成された転送トランジスタ501を設け
た例であり、光電変換素子及びバルクトランジスタと薄膜トランジスタの作製工程が分離
できるため、工程の制御が容易となる。ただし、信号電荷蓄積部516を形成するための
容量電極540を設けておくことが好ましい。
とともに、固体撮像素子であるCMOS(Complementary Metal O
xide Semiconductor)イメージセンサの一般的な構成要素であるリセ
ットトランジスタを省いていることに特徴がある。従来のCMOSイメージセンサは、リ
セットトランジスタを動作させることによって、信号電荷蓄積部の電位を初期化していた
が、本発明の一態様では、信号電荷蓄積部をフォトダイオードのカソード電位に初期化す
ることができる。先ず、フォトダイオードを順バイアスとし、転送トランジスタをオンす
ると信号電荷蓄積部はフォトダイオードのカソードと同じ電位となる。次にフォトダイオ
ードを逆バイアスとし、フォトダイオードに光を照射すると信号電荷蓄積部の電位は放電
により低下する。ここで転送トランジスタをオフし、保持された電位に従って増幅トラン
ジスタにより信号を出力させることができる。
荷蓄積部の電位の保持機能を高め、ダイナミックレンジの広い固体撮像素子の画素部を形
成することができる。ただし、この本発明の一態様を実現するには極めてオフ電流の小さ
い薄膜トランジスタを用いることが好ましい。次にその作製方法を説明する。
の良好な酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを複合することにより固体撮像素子の画
素部を形成するものである。従って、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの作製方法
を中心に詳細な説明を行う。
型の単結晶シリコン基板100に絶縁膜140(フィールド酸化膜とも言う)で分離した
素子形成領域を形成する。素子分離領域の形成は、LOCOS法(Local Oxid
ation of Silicon)法)やSTI法(Shallow Trench
Isolation)等を用いることができる。
ator)基板等を用いることもできる。
ンジスタを用いる構成であるため、p型単結晶シリコン基板を用いるが、pウェルを形成
すればn型単結晶シリコン基板を用いることもできる。
単結晶シリコン基板100に設けられた素子形成領域の表面を酸化させることにより酸化
シリコン膜を形成することができる。また、熱酸化法により酸化シリコン膜を形成した後
に、窒化処理を行うことによって酸化シリコン膜の表面を窒化させることにより、酸化シ
リコン膜と酸窒化シリコン膜との積層構造で形成してもよい。
に高密度プラズマ処理により酸化処理又は窒化処理を行うことにより、ゲート絶縁層13
6として酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜で形成することができる。また、高密度プラ
ズマ処理により素子形成領域の表面に酸化処理を行った後に、再度高密度プラズマ処理を
行うことによって窒化処理を行ってもよい。この場合、素子形成領域の表面に接して酸化
シリコン膜が形成され、当該酸化シリコン膜上に酸窒化シリコン膜が形成され、ゲート絶
縁層136は酸化シリコン膜と酸窒化シリコン膜とが積層された膜となる。
導電層138bを順に積層して形成する。もちろん、導電層は、単層または2層以上の積
層構造で形成してもよい。
Ti)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)、ニ
オブ(Nb)等から選択された元素またはこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは
化合物材料で形成することができる。また、これらの元素を窒化した金属窒化膜で形成す
ることもできる。他にも、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表さ
れる半導体材料により形成することもできる。
としてタングステンを用いて積層構造で設ける。また、他にも、導電層138aとして、
窒化タングステン、窒化モリブデン又は窒化チタンから選ばれた単層または積層膜を用い
、導電層138bとして、タンタル、モリブデン、チタンから選ばれた単層または積層膜
を用いることができる。
ことによって、ゲート絶縁層136の上方の一部に導電層138a、138bを残存させ
、ゲート電極138を形成する。
スク及びゲート電極138をマスクとして不純物元素を導入することによってn型領域1
32a、132bを形成する。ここでは、nチャネル型のバルクトランジスタを形成する
ため、不純物元素としては、n型を付与する不純物元素であるリン(P)やヒ素(As)
等を用いることができる。
形成する。まず、n型を付与する不純物元素であるリン(P)やヒ素(As)をp型単結
晶シリコン基板に導入しpn接合を形成した後、p型を付与する不純物元素であるホウ素
(B)をn型領域の表層に導入することで埋め込み型のフォトダイオードを形成すること
ができる。
の構造が完成する。
。
タのゲート絶縁層136上に薄膜トランジスタを形成する。つまり、薄膜トランジスタの
下地膜とバルクトランジスタのゲート絶縁層とを兼ねることができる。ただし、次の方法
を用いて絶縁層を成膜し、下地膜を積層としても良い。
ウム層、または酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層を用いると好ましい。絶縁層
の形成方法としては、プラズマCVD法またはスパッタ法等を用いることができるが、絶
縁層中に水素が多量に含まれないようにするためには、スパッタ法で絶縁層を成膜するこ
とが好ましい。
ン基板100を処理室へ搬送し、水素及び水分が除去された高純度酸素を含むスパッタガ
スを導入しシリコンターゲットを用いて、単結晶シリコン基板100に絶縁層として、酸
化シリコン層を成膜する。また単結晶シリコン基板100は室温でもよいし、加熱されて
いてもよい。
とターゲットの間との距離(T-S間距離)を60mm、圧力0.4Pa、高周波電源1
.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量25sccm=1:
1)雰囲気下でRFスパッタ法により酸化シリコン層を成膜する。膜厚は100nmとす
る。なお、石英に代えてシリコンを酸化シリコン層を成膜するためのターゲットとして用
いることができる。このとき、スパッタガスとして酸素または、酸素及びアルゴンの混合
ガスを用いて行う。
絶縁層に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した処理室は、例えば、水素原子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該処理室で成膜し絶縁層に含まれ
る不純物の濃度を低減することができる。
物がppm程度の濃度またはppb程度の濃度まで除去された高純度ガスを用いることが
好ましい。
DCスパッタ法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスDCスパッタ法がある。RF
スパッタ法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、DCスパッタ法は主に導電膜を成膜
する場合に用いられる。
装置は、同一チャンバーで異なる材料膜を積層成膜することも、同一チャンバーで複数種
類の材料を同時に放電させて成膜することもできる。
や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるECRスパッタ
法を用いるスパッタ装置がある。
とを化学反応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタ法や、成膜中に
基板にも電圧をかけるバイアススパッタ法もある。
ン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層と、上記酸
化物絶縁層との積層構造としてもよい。
ッタガスを導入しシリコンターゲットを用いて窒化シリコン層を成膜する。この場合にお
いても、酸化シリコン層と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ窒化シリコン層を成
膜することが好ましい。
シリコン層を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて成膜することがで
きる。先に窒素を含むスパッタガスを導入して、処理室内に装着されたシリコンターゲッ
トを用いて窒化シリコン層を形成し、次にスパッタガスを酸素を含むスパッタガスに切り
替えて同じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン層を成膜する。窒化シリコン層と酸
化シリコン層とを大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シリコン層
表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
nm以下の酸化物半導体膜を形成する。
成膜の前処理として、スパッタ装置の予備加熱室で単結晶シリコン基板100を予備加熱
し、該基板に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、
予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は
省略することもできる。またこの予備加熱は、後に形成する薄膜トランジスタのゲート絶
縁層118の成膜前に行ってもよいし、後に形成するソース電極及びドレイン電極となる
導電層の成膜前に行っても良い。
マを発生させる逆スパッタを行い、絶縁層の表面に付着しているゴミを除去することが好
ましい。逆スパッタとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加し、
イオン化したアルゴンを基板に衝突させて表面を改質する方法である。なお、アルゴンに
代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。
物であるIn-Sn-Ga-Zn-O膜や、三元系金属酸化物であるIn-Ga-Zn-
O膜、In-Sn-Zn-O膜、In-Al-Zn-O膜、Sn-Ga-Zn-O膜、A
l-Ga-Zn-O膜、Sn-Al-Zn-O膜や、二元系金属酸化物であるIn-Zn
-O膜、Sn-Zn-O膜、Al-Zn-O膜、Zn-Mg-O膜、Sn-Mg-O膜、
In-Mg-O膜や、In-O膜、Sn-O膜、Zn-O膜などを用いることができる。
また、上記酸化物半導体膜にSiO2を含んでもよい。
ことができる。ここで、Mは、Ga、Al、MnおよびCoから選ばれた一または複数の
金属元素を示す。例えばMとして、Ga、Ga及びAl、Ga及びMn、またはGa及び
Coなどがある。InMO3(ZnO)m(m>0)で表記される構造の酸化物半導体膜
のうち、MとしてGaを含む構造の酸化物半導体を、In-Ga-Zn-O酸化物半導体
とよび、その薄膜をIn-Ga-Zn-O膜ともよぶこととする。
いてスパッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(代表的にはアルゴン
)雰囲気下、酸素雰囲気下、またはそれらの混合雰囲気下においてスパッタ法により形成
することができる。
どの不純物がppm程度の濃度またはppb程度の濃度まで除去された高純度ガスを用い
ることが好ましい。
る金属酸化物のターゲットを用いることができる。例えば、組成比として、In2O3:
Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol数比]の金属酸化物ターゲットを用いれば良い
。また、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[mol数比]の金属酸化物ター
ゲットを用いてもよい。金属酸化物ターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ま
しくは95%以上99.9%である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることに
より、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲット
として絶縁層上に酸化物半導体膜を成膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、
吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、
チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ター
ボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気
した処理室は、例えば、水素原子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好まし
くは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物半導体
膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、酸化物半導体膜成膜時に基板を加熱して
もよい。
圧力0.4Pa、直流(DC)電源0.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量15scc
m:アルゴン流量30sccm)雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流(DC
)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーティクル、ゴミともいう)が軽減で
き、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導体膜は好ましくは5nm以上30
nm以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料により適切な厚みは異なり、材料に応
じて適宜厚みを選択すればよい。
の酸化物半導体層102に加工する(図4(B)参照)。
してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しない
ため、製造コストを低減できる。また、ここでの酸化物半導体膜のエッチングは、ドライ
エッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
ば塩素(Cl2)、塩化硼素(BCl3)、塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(CC
l4)など)が好ましい。
F6)、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(H
Br)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガ
スを添加したガス、などを用いることができる。
ing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導
結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングでき
るように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加さ
れる電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。
ンモニア過水(31重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5:2:2)な
どを用いることができる。また、ITO-07N(関東化学社製)を用いてもよい。
て除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を
再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体層に含まれるインジウム等
の材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用しコストを低減することができ
る。
エッチング時間、温度等)を適宜調節する。
エッチング法により、酸化物半導体膜を島状の酸化物半導体層102に加工する。
ゴン等の希ガス雰囲気下で第1の加熱処理を行う。第1の加熱処理の温度は、400℃以
上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処理
装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下450℃
において1時間の加熱処理を行う。加熱処理温度からの降温時に雰囲気を酸素に切り替え
ても良い。この第1の加熱処理によって酸化物半導体層102の脱水化または脱水素化を
行うことができる。
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Annealing)装置、LRTA(Lamp Ra
pid Thermal Annealing)装置等のRTA(Rapid Ther
mal Annealing)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンラ
ンプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナト
リウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処
理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置で
ある。気体には、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理
物と反応しない不活性気体が用いられる。
中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性
ガス中から出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いると短時間での高温加熱処理が
可能となる。
ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、該雰囲気ガスの純度を、6
N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純
物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とする。雰囲気ガスとして酸素を
用いる場合も同様の純度であることが好ましい。
が結晶化し、微結晶層または多結晶層となる場合もある。例えば、結晶化率が90%以上
、または80%以上の微結晶の酸化物半導体層となる場合もある。また、第1の加熱処理
の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半
導体層となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体の中に微結晶部(粒径1nm以上
20nm以下(代表的には2nm以上4nm以下))が混在する酸化物半導体層となる場
合もある。
半導体膜に行うこともできる。
膜後、酸化物半導体層上にソース電極及びドレイン電極を積層させた後、ソース電極及び
ドレイン電極上にゲート絶縁層を形成した後、のいずれで行っても良い。
のp型領域に達する開口部を絶縁層に形成し、絶縁層及び酸化物半導体層102上に導電
層を形成する。導電層をスパッタ法や真空蒸着法で形成すればよい。導電層の材料として
は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ば
れた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜
等が挙げられる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、イットリ
ウムのいずれか一または複数から選択された材料を用いてもよい。また、金属導電層は、
単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム
膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する2層構造、チタン膜と、そのチタ
ン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を成膜する3層構造な
どが挙げられる。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン
、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた膜、
合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
エッチングを行って、薄膜トランジスタのソース電極104及びドレイン電極106を形
成した後、レジストマスクを除去する(図4(C)参照)。なお、形成されたソース電極
、ドレイン電極の端部がテーパであると、上に積層するゲート絶縁層の被覆性が向上する
ため好ましい。
膜厚150nmのチタン膜を形成する。
されないように、その下の絶縁層が露出しないようにそれぞれの材料及びエッチング条件
を適宜調節する。
a-Zn-O系酸化物半導体を用いて、エッチャントとしてアンモニア過水(アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液)を用いる。
一部のみがエッチングされ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層となることもある。ま
た、ソース電極104及びドレイン電極106を形成するためのレジストマスクをインク
ジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマ
スクを使用しないため、製造コストを低減できる。
ーザ光やArFレーザ光を用いる。酸化物半導体層102上で隣り合うソース電極の下端
部とドレイン電極の下端部との間隔幅によって後に形成される薄膜トランジスタのチャネ
ル長Lが決定される。なお、チャネル長L=25nm未満の露光を行う場合には、数nm
~数10nmと極めて波長が短い超紫外線(Extreme Ultraviolet)
を用いて第2のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行う。超紫外
線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成される薄膜トランジ
スタのチャネル長Lを10nm以上1000nm以下とすることも可能であり、回路の動
作速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さいため、低消費電力化も図ることが
できる。
ゲート絶縁層118を形成する(図5(A)参照)。このとき、バルクトランジスタ上に
もゲート絶縁層118は成膜され、層間絶縁膜の一部となる。
高純度化された酸化物半導体)は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、ゲ
ート絶縁層との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物半導体に接するゲート
絶縁層(GI)は、高品質化が要求される。
圧の高い高品質な絶縁層を形成できるので好ましい。高純度化された酸化物半導体と高品
質ゲート絶縁層とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なものとす
ることができるからである。もちろん、ゲート絶縁層として良質な絶縁層を形成できるも
のであれば、スパッタ法やプラズマCVD法など他の成膜方法を適用することができる。
また、成膜後の熱処理によってゲート絶縁層の膜質、酸化物半導体との界面特性が改質さ
れる絶縁層であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁層としての膜質が良好であるこ
とは勿論のこと、酸化物半導体との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるもの
であれば良い。
T試験)においては、不純物が酸化物半導体に添加されていると、不純物と酸化物半導体
の主成分との結合が、強電界(B:バイアス)と高温(T:温度)により切断され、生成
された未結合手がしきい値電圧(Vth)のシフトを誘発することとなる。これに対して
、本発明の一態様は、酸化物半導体の不純物、特に水素や水等を極力除去し、上記のよう
にゲート絶縁層との界面特性を良好にすることにより、BT試験を行っても安定な薄膜ト
ランジスタを得ることを可能としている。
用いた高密度プラズマCVD装置により行う。ここでは、高密度プラズマCVD装置は、
1×1011/cm3以上のプラズマ密度を達成できる装置を指している。例えば、3k
W~6kWのマイクロ波電力を印加してプラズマを発生させて、絶縁層の成膜を行う。
スを導入し、10Pa~30Paの圧力下で高密度プラズマを発生させて基板上に絶縁層
を形成する。その後、モノシランガスの供給を停止し、大気に曝すことなく亜酸化窒素(
N2O)と希ガスとを導入して絶縁層表面にプラズマ処理を行ってもよい。少なくとも亜
酸化窒素(N2O)と希ガスとを導入して絶縁層表面に行われるプラズマ処理は、絶縁層
の成膜より後に行う。上記プロセスを経た絶縁層は、膜厚が薄く、例えば100nm未満
であっても信頼性を確保することができる絶縁層である。
酸化窒素(N2O)との流量比は、1:10から1:200の範囲とする。また、チャン
バーに導入する希ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンなどを用い
ることができるが、中でも安価であるアルゴンを用いることが好ましい。
るため段差被覆性に優れている。また、高密度プラズマCVD装置により得られる絶縁層
は、薄い層の厚みを精密に制御することができる。
膜質が大きく異なっており、同じエッチャントを用いてエッチング速度を比較した場合に
おいて、平行平板型のPECVD装置で得られる絶縁層の10%以上または20%以上エ
ッチング速度が遅く、高密度プラズマCVD装置で得られる絶縁層は緻密な層と言える。
0nmの酸化窒化珪素層(SiOxNyとも呼ぶ、ただし、x>y>0)を用いる。
化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニウム層を単
層で又は積層して形成することもできる。なお、ゲート絶縁層118中に水素が多量に含
まれないようにするためには、スパッタ法でゲート絶縁層118を成膜することも好まし
い。スパッタ法により酸化シリコン層を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンタ
ーゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの
混合ガスを用いて行う。
窒化シリコン層を積層した構造とすることもできる。例えば、第1のゲート絶縁層として
膜厚5nm以上300nm以下の酸化シリコン層(SiOx(x>0))を形成し、第1
のゲート絶縁層上に第2のゲート絶縁層としてスパッタ法により膜厚50nm以上200
nm以下の窒化シリコン層(SiNy(y>0))を積層して、膜厚100nmのゲート
絶縁層としてもよい。
ングを行ってゲート絶縁層118の一部を除去して、バルクトランジスタのソース領域ま
たはドレイン領域となるn型領域132a、132bに達する開口部を形成する(図5(
B)参照。)
ソグラフィ工程によりゲート電極108、及び配線層152、153を形成する。なお、
レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット
法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
ンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこ
れらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
ルミニウム層上にモリブデン層が積層された2層の積層構造、または銅層上にモリブデン
層を積層した2層構造、または銅層上に窒化チタン層若しくは窒化タンタルを積層した2
層構造、窒化チタン層とモリブデン層とを積層した2層構造とすることが好ましい。3層
の積層構造としては、タングステン層または窒化タングステン層と、アルミニウムとシリ
コンの合金またはアルミニウムとチタンの合金と、窒化チタン層またはチタン層とを積層
した積層とすることが好ましい。なお、透光性を有する導電層を用いてゲート電極を形成
することもできる。透光性を有する導電層としては、透光性導電性酸化物等をその例に挙
げることができる。
厚150nmのチタン膜を形成する。
00℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行う。本実施の形態では
、窒素雰囲気下で250℃、1時間の第2の加熱処理を行う。また、第2の加熱処理は、
薄膜トランジスタ及びバルクトランジスタ上に保護絶縁層や平坦化絶縁層を形成してから
行ってもよい。
もよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、100
℃以上200℃の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえし
て行ってもよい。また、この加熱処理を、酸化物絶縁層の形成前に、減圧下で行ってもよ
い。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができる。
する薄膜トランジスタを形成することができる(図5(C)参照。)ここで、薄膜トラン
ジスタは転送トランジスタ101として適用することができ、バルクトランジスタは増幅
トランジスタ131として適用することができる。
、平坦化のための平坦化絶縁層を設けてもよい。例えば、保護絶縁層142として酸化シ
リコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミ
ニウム層を単層で又は積層して形成することができる。
、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他
に、低誘電率材料(low-k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BP
SG(リンボロンガラス)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶
縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層を形成してもよい。
i結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基(例えばアルキ
ル基やアリール基)を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。
スピンコート法、ディップ法、スプレー塗布法、液滴吐出法(インクジェット法、スクリ
ーン印刷法、オフセット印刷法等)などの方法や、ドクターナイフ、ロールコーター、カ
ーテンコーター、ナイフコーター等の器具を用いることができる。
該酸化物半導体膜中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それにより酸化
物半導体膜の安定化を図ることができる。
安定な電気特性を有し信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
本発明の一形態は、酸化物半導体中でキャリアの供与体(ドナーまたはアクセプタ)とな
り得る不純物を極めて少ないレベルにまで除去することで、真性または実質的に真性な半
導体であって、当該酸化物半導体を薄膜トランジスタに適用するものである。本実施の形
態では、評価用素子(TEGとも呼ぶ)でのオフ電流の測定値について以下に説明する。
3μm/10000μmの薄膜トランジスタの初期特性を示す。また、薄膜トランジスタ
の上面図を図7(A)に示し、その一部を拡大した図を図7(B)に示す。図7(B)の
点線で囲んだ領域がL/W=3μm/50μm、Lov=1.5μmの1段分の薄膜トラ
ンジスタである。薄膜トランジスタの初期特性を測定するため、基板温度を室温とし、ソ
ース-ドレイン間電圧(以下、ドレイン電圧またはVdという)を10Vとし、ソース-
ゲート間電圧(以下、ゲート電圧またはVgという)を-20V~+20Vまで変化させ
たときのソース-ドレイン電流(以下、ドレイン電流またはIdという)の変化特性、す
なわちVg-Id特性を測定した。なお、図7では、Vgを-20V~+5Vまでの範囲
で示している。
10Vにおいてオフ電流は1×10-13[A]以下となっており、測定機(半導体パラ
メータ・アナライザ、Agilent 4156C;Agilent社製)の分解能(1
00fA)以下となっている。
Vのドレイン電圧において、チャネル幅1μmあたりのオフ電流は、100aA/μm以
下、好ましくは10aA/μm以下、更に好ましくは1aA/μm以下となるように作用
させることができる。
に酸化窒化珪素層を形成した。酸化窒化珪素層上にゲート電極としてスパッタ法によりタ
ングステン層を形成した。ここで、タングステン層を選択的にエッチングしてゲート電極
を形成した。
層を形成した。
ト(mol数比で、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2)を用いて、厚さ50
nmの酸化物半導体層を形成した。ここで、酸化物半導体層を選択的にエッチングし、島
状の酸化物半導体層を形成した。
熱処理を行った。
)をスパッタ法により形成した。ここで、チタン層を選択的にエッチングすることでソー
ス電極及びドレイン電極を形成し、1つの薄膜トランジスタのチャネル長Lが3μm、チ
ャネル幅Wが50μmとし、200個を並列とすることで、L/W=3μm/10000
μmとなるようにした。
化珪素層を膜厚300nmで形成した。ここで、保護層である酸化珪素層を選択的にエッ
チングし、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極上に開口部を形成した。その後、窒
素雰囲気下、250℃で1時間、第2の熱処理を行った。
、上記作製工程において酸化物半導体層中における水素濃度を十分に低減できたためであ
る。酸化物半導体層中の水素濃度は、5×1019atoms/cm3以下、好ましくは
5×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm
3以下、または1×1016/cm3未満とする。なお、酸化物半導体層中の水素濃度測
定は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Sp
ectroscopy)で行う。
の酸化物半導体材料、例えば、In-Sn-Zn-O系、Sn-Ga-Zn-O系、Al
-Ga-Zn-O系、Sn-Al-Zn-O系、In-Zn-O系、In-Sn-O系、
Sn-Zn-O系、Al-Zn-O系、In-O系、Sn-O系、Zn-O系などを用い
ることができる。また、酸化物半導体材料として、Alを2.5~10wt%混入したI
n-Al-Zn-O系や、Siを2.5~10wt%混入したIn-Zn-O系を用いる
こともできる。
3以下、好ましくは5×1012/cm3以下、さらに好ましくはシリコンのキャリア濃
度1.45×1010/cm3と同等、もしくはそれ以下である。即ち、酸化物半導体層
のキャリア濃度は、限りなくゼロに近くすることができる。
能であり、回路の動作速度を高速化でき、オフ電流値が極めて小さいため、さらに低消費
電力化も図ることができる。
計を行うことができる。
た。温度特性は、薄膜トランジスタが使われる最終製品の耐環境性や、性能の維持などを
考慮する上で重要である。当然ながら、変化量が小さいほど好ましく、製品設計の自由度
が増す。
℃、及び120℃のそれぞれの温度で薄膜トランジスタを形成した基板を一定温度とし、
ドレイン電圧を6V、ゲート電圧を-20V~+20Vまで変化させてVg-Id特性を
取得した。
のであり、点線で囲むオフ電流の領域を拡大したものを図8(B)に示す。図中の矢印で
示す右端の曲線が-30℃、左端が120℃で取得した曲線で、その他の温度で取得した
曲線は、その間に位置する。オン電流の温度依存性はほとんど見られない。一方、オフ電
流は拡大図の図8(B)においても明らかであるように、ゲート電圧が20V近傍を除い
て、全ての温度で測定機の分解能近傍の1×10-12[A]以下となっており、温度依
存性もない。すなわち、120℃の高温においても、オフ電流が1×10-12[A]以
下を維持しており、チャネル幅Wが10000μmであることを考慮すると、オフ電流が
非常に小さいことがわかる。
or)を用いた薄膜トランジスタは、オフ電流の温度依存性がほとんど現れない。これは
、図10(A)のバンド図で示すように、酸化物半導体が高純度化されることによって、
導電型が限りなく真性型に近づき、フェルミ準位が禁制帯の中央に位置するため、温度依
存性を示さなくなると言える。また、これは、酸化物半導体のエネルギーが3eV以上で
あり、熱励起キャリアが極めて少ないことにも起因する。また、ソース領域及びドレイン
領域は縮退した状態にあるので温度依存性が現れない要因となっている。薄膜トランジス
タの動作は、縮退したソース領域から酸化物半導体に注入されたキャリアによるものがほ
とんどであり、キャリア密度の温度依存性がないことから上記特性(オフ電流の温度依存
性無し)を説明することができる。また、この極めて低いオフ電流について、以下にバン
ド図を用いて説明する。
電極(GE1)上にゲート絶縁膜(GI)を介して酸化物半導体層(OS)が設けられ、
その上にソース電極(S)及びドレイン電極(D)が設けられている。
0(A)はソースとドレインの間の電圧を等電位(VD=0V)とした場合を示し、図1
0(B)はドレインに正の電位(VD>0)を加えた場合を示す。
図11(A)はゲート(G1)に正の電位(+VG)が印加された状態であり、ソースと
ドレイン間にキャリア(電子)が流れるオン状態を示している。また、図11(B)は、
ゲート(G1)に負の電位(-VG)が印加された状態であり、オフ状態(少数キャリア
は流れない)である場合を示す。
を示す。
ャップ中央に位置する真性フェルミ準位(Ei)から離れて、伝導帯寄りに位置している
。なお、酸化物半導体において水素の一部はドナーとなり、n型化する一つの要因である
ことが知られている。
体から除去し、酸化物半導体の主成分以外に不純物が極力含まれないように高純度化する
ことにより真性(i型)とし、又は真性型とせんとしたものである。すなわち、不純物を
添加してi型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化
されたi型(真性)半導体またはそれに近づけることを特徴としている。そうすることに
より、フェルミ準位(EF)は真性フェルミ準位(Ei)と同じレベルにまですることが
できる。
4.3eVと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン(Ti)の仕
事関数は、酸化物半導体の電子親和力(χ)とほぼ等しい。この場合、金属-酸化物半導
体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
者が接触すると図10(A)で示すようなエネルギーバンド図(模式図)が示される。
子はバリア(h)をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れる。この場
合、バリア(h)の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレ
イン電圧が印加された場合には、電圧印加のない図10(A)のバリアの高さすなわちバ
ンドギャップ(Eg)の1/2よりもバリアの高さ(h)は小さい値となる。
流れる。また、図11(B)において、ゲート電極(G1)に負の電位が印加されると、
少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなく流れなくなる。
子であっても、室温でのオフ電流が10-13A以下であり、サブスレッショルドスイン
グ値(S値)が0.1V/dec.(ゲート絶縁膜厚100nm)が得られる。
室温においてもキャリアが存在している。これは、室温においても、熱励起キャリアが存
在していることを意味している。さらに、シリコン半導体のバンドギャップは1.12e
Vであるので、シリコン半導体を用いたトランジスタは温度に依存してオフ電流が大きく
変動することとなる。
酸化物半導体の主成分以外に不純物が極力含まれないように高純度化することにより、キ
ャリア濃度を1×1014/cm3以下、好ましくは1×1012/cm3以下となるよ
うにすることで、実用的な動作温度で熱的に励起されるキャリアがほとんど無く、ソース
側から注入される電子のみによってトランジスタを動作させることができる。それにより
、オフ電流を1×10-13A以下にまで下げると共に、温度変化によってオフ電流がほ
とんど変化しない極めて安定に動作するトランジスタを得ることができる。
に不本意に存在する水、水素という不純物を除去することにより、酸化物半導体自体を高
純度化することにある。すなわち、ドナー準位を作る水または水素を除去し、更にこれと
同時に酸素欠乏状態となった酸化物半導体に酸素を補填することにより、酸化物半導体自
体を高純度化することを特徴としている。
質量分析)で観察される。ドナー準位を作る水または水素を意図的に除去し、更に水また
は水素の除去に伴い同時に減少してしまう酸素を補填することにより、酸化物半導体を高
純度化し、電気的にi型(真性)半導体とすることを技術思想の一つとしている。
れば少ないほど良い。酸化物半導体は、薄膜トランジスタに用いる場合に電流の担い手と
してのキャリアを意図的に有するというよりも、逆に酸化物半導体中のキャリアは無くし
てしまい、ソースから供給されるキャリア(電子)を通過させる通路として機能する、い
わゆる高純度化したi型(真性)半導体である。
FTのオフ電流が少なくなるというのが本発明の一態様における技術思想である。すなわ
ち、その指標として水素濃度は5×1019/cm3以下、好ましくは5×1018/c
m3以下、さらに好ましくは5×1017/cm3以下か、または1×1016/cm3
未満、またキャリア密度は1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/cm3
以下が求められる。
アを供給しない、またはほとんど供給しないように高純度化したi型(真性)とし、キャ
リアはソース、ドレインにより供給される。
電圧を印加した場合のトランジスタ特性において、100aA/μm(チャネル幅W=1
μm当たりの電流)以下、好ましくは10aA/μm以下、さらに好ましくは1aA/μ
m以下であることを特徴としている。
どを作製した場合、オフ電流が小さくほとんどリークがないため、電位保持時間が長く、
記憶データを長時間保持することが可能となる。
である。
本発明の一態様における薄膜トランジスタを含む固体撮像素子の動作について説明する。
Semiconductor)イメージセンサは信号電荷蓄積部に電位を保持し、その電
位を増幅トランジスタを介して垂直出力線に出力する。一般的なCMOSイメージセンサ
では、リセットトランジスタ及び/または転送トランジスタにリーク電流があるとそのリ
ーク電流によって充電または放電が起こり、信号電荷蓄積部の電位が変わってしまう。信
号電荷蓄積部の電位が変わると増幅トランジスタの電位も変わってしまい、本来の電位か
らずれた値となり、撮像された映像が劣化してしまうという問題点があった。
ンサの転送トランジスタに適用した場合の動作の効果を説明する。なお、実施の形態1で
説明したように、本発明の一態様ではリセットトランジスタを省くことができる。また、
増幅トランジスタには薄膜トランジスタまたはバルクトランジスタのどちらを適用しても
良い。
変換素子であるフォトダイオード1002、転送トランジスタ1004、リセットトラン
ジスタ1006、増幅トランジスタ1008及び各種配線で構成されており、マトリクス
状に複数が配置されてセンサを構成する。
ており、転送トランジスタ1004のドレイン側には信号電荷蓄積部1010(FD:フ
ローティングディフュージョンとも呼ぶ)が形成される。信号電荷蓄積部1010にはリ
セットトランジスタ1006のソース及び増幅トランジスタ1008のゲートが接続され
ている。他の構成として、増幅トランジスタに選択トランジスタが接続される場合もある
。
が供給される。続いて、リセットトランジスタ1006のゲートにリセットパルスが入力
され、リセットトランジスタ1006がオンする。信号電荷蓄積部1010はリセット電
源の電位に充電される。その後、リセットトランジスタ1006はオフになり信号電荷蓄
積部1010はリセット電源の電位に保持される。次に、転送トランジスタ1004がオ
ンすると信号電荷蓄積部1010から電流がフォトダイオードに流れて、信号電荷蓄積部
1010の電位は低下する。転送トランジスタ1004がオフすると、オフした時点での
電位が信号電荷蓄積部1010に保持される。そして、増幅トランジスタ1008を介し
て垂直出力線1120に出力される。その後、電源端子への電源電圧の供給が遮断される
。このような順序で信号が出力される。
ある。画素は光電変換素子であるフォトダイオード1002、転送トランジスタ1004
、増幅トランジスタ1008及び各種配線で構成されており、マトリクス状に複数が配置
されてセンサを構成している。また、増幅トランジスタ1008と電気的に接続される選
択トランジスタを設けても良い。本発明の一態様は、リセットトランジスタを省いている
ことを特徴とする。
ており、転送トランジスタ1004のドレイン側には信号電荷蓄積部1010が形成され
る。信号電荷蓄積部1010には、増幅トランジスタ1008のゲートが接続されている
。
供給される。続いてリセット信号線1040の電位(RST1)がハイレベルになると、
フォトダイオード1002は順バイアスになり、フォトダイオード1002のカソードは
、リセット信号線のハイレベル電位よりもフォトダイオード1002の順方向電圧(Vf
)分だけ下がった電位となる。次に、転送スイッチ線1050の電位がハイレベルとなり
、転送トランジスタ1004がオンすると、信号電荷蓄積部1010の電位(FD)はフ
ォトダイオード1002のカソードの電位になる(期間T1)。次にリセット信号線10
40の電位(RST1)がロウレベル電位になると、フォトダイオード1002のアノー
ドはロウレベル電位となり、フォトダイオード1002は逆バイアスがかかった状態とな
る。ここで、フォトダイオード1002に照射されている光に応じた電流がフォトダイオ
ード1002及び転送トランジスタ1004に流れ、信号電荷蓄積部1010の電位は低
下する(期間T2)。転送スイッチ線1050の電位がロウレベルとなり、転送トランジ
スタ1004がオフすると、オフした時点での電位が信号電荷蓄積部1010に保持され
る(期間T3)。ここで、転送トランジスタ1004にリーク電流がほとんど流れなけれ
ば、次のトランジスタの動作まで信号電荷蓄積部1010の電位(FD)は保持される。
そして、増幅トランジスタ1008を介して垂直出力線1120に出力される。その後、
電源端子への電源電圧の供給が遮断される。このような順序で信号が出力される。
004に実施の形態1及び2に示した極めてオフ電流の低い酸化物半導体の薄膜トランジ
スタを適用することによって、信号電荷蓄積部1010から薄膜トランジスタを介したリ
ーク電流をほとんど無くすことができ、上記期間T3の保持期間中に極めて高い電位保持
機能を作用させることができる。
ドは光が照射されないときは通常のダイオードと同じ電圧電流特性を示す(図15に示す
Aの曲線)。光が照射されると、特に逆バイアス印加時において、光照射なしに比較して
大きな電流が流れる(図15に示すBの曲線)。フォトダイオード動作点の動きを図13
の画素の動作に合わせて説明する。リセット信号線1040及び転送トランジスタ100
4がオフの状態では、フォトダイオード1002に電流経路がないため、光が照射されて
もフォトダイオード1002のカソードは図15のc点に位置する。リセット信号線10
40の電位がハイレベルになるとフォトダイオード1002は順バイアスになり、フォト
ダイオードのカソードは、リセット電位よりもフォトダイオードの順方向電圧分だけ低い
電位となる。転送トランジスタ1004がオンすると信号電荷蓄積部1010はフォトダ
イオード1002のカソードと同じ電位となり、ここでリセット信号線1040の電位が
ロウレベルになるとフォトダイオード1002は逆バイアスとなり、図15ではd点とな
る。そして、フォトダイオード1002に光が照射されると信号電荷蓄積部1010から
転送トランジスタ1004を介して、放電電流がフォトダイオード1002に流れ、信号
電荷蓄積部1010の電位は低下する。転送トランジスタ1004がオフしたところで、
放電は止まり、そのときの図15での動作点をeとすると動作点dと動作点e間の電位差
がフォトダイオード1002の放電によって得られる信号の電位差となる。
。図16は、転送トランジスタ、増幅トランジスタ、フォトダイオードが各画素に一つず
つあり、かつリセット信号線、転送スイッチ線、垂直出力線が画素に接続された基本形で
ある。
ず第1のリセット信号線1240の電位(RST1)がハイレベルになると、第1のフォ
トダイオード1212が順バイアスになり、第1のフォトダイオード1212のカソード
は第1のリセット信号線1240のハイレベル電位よりフォトダイオードの順方向電圧(
Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第1の転送スイッチ線1250の電位(TRF
1)がハイレベルになると、第1の転送トランジスタ1214がオンし、信号電荷蓄積部
1210の電位(FD)は第1のフォトダイオード1212のカソードと同じ電位になる
。次に、第1のリセット信号線1240の電位(RST1)がロウレベルになると、フォ
トダイオードのアノードはロウレベル電位になる。このとき第1のフォトダイオード12
12は逆バイアスとなる。ここで、第1のフォトダイオード1212に照射されている光
に応じた電流が第1のフォトダイオード1212および第1の転送トランジスタ1214
に流れ、信号電荷蓄積部1210の電位(FD)は放電により低下する。第1の転送スイ
ッチ線1250の電位(TRF1)がロウレベルになると第1の転送トランジスタ121
4がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積部1210の電位(FD)は保持さ
れる。この電位を第1の増幅トランジスタ1218を介して垂直出力線1220に出力す
る。そして、次に2ライン目の駆動が行われる。このようにして順次駆動される。
信号線を兼用する垂直4画素共有型の構成を示している。トランジスタ及び配線を削減す
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。縦4個の各画素の転送トランジスタのドレイン側が電気的に
接続され、信号電荷蓄積部1410が形成されており、信号電荷蓄積部1410には増幅
トランジスタ1408のゲートが接続されている。
駆動は、まず第1のリセット信号線1461の電位(RST1)がハイレベルになると、
第1のフォトダイオード1412が順バイアスになり、第1のフォトダイオード1412
のカソードは第1のリセット信号線1461のハイレベル電位よりもフォトダイオードの
順方向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第1の転送スイッチ線1451の
電位(TRF1)がハイレベルになると、第1の転送トランジスタ1414がオンし、信
号電荷蓄積部1410の電位(FD1)は第1のフォトダイオード1412のカソードと
同じ電位になる。次に第1のリセット信号線1461の電位(RST1)がロウレベルに
なると、フォトダイオードのアノードはロウレベル電位になる。このとき第1のフォトダ
イオード1412は逆バイアスとなる。ここで、第1のフォトダイオード1412に照射
されている光に応じた電流が第1のフォトダイオード1412および第1の転送トランジ
スタ1414に流れ、信号電荷蓄積部1410の電位(FD1)は放電により低下する。
第1の転送スイッチ線1451の電位(TRF1)がロウレベルになると第1の転送トラ
ンジスタ1414がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積部1410の電位(
FD1)は保持される。この電位を第1の増幅トランジスタ1408を介して垂直出力線
1470に出力する。
ルになると、第2のフォトダイオード1422が順バイアスになり、第2のフォトダイオ
ード1422のカソードは第1のリセット信号線1461のハイレベル電位よりもフォト
ダイオードの順方向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第2の転送スイッチ
線1452の電位(TRF2)がハイレベルになると、第2の転送トランジスタ1424
がオンし、信号電荷蓄積部1410の電位(FD1)は第2のフォトダイオード1422
のカソードと同じ電位になる。次に第1のリセット信号線1461の電位(RST1)が
ロウレベルになると、フォトダイオードのアノードはロウレベル電位になる。このとき第
2のフォトダイオード1422は逆バイアスとなる。ここで、第2のフォトダイオード1
422に照射されている光に応じた電流が第2のフォトダイオード1422および第2の
転送トランジスタ1424に流れ、信号電荷蓄積部1410の電位(FD1)は放電によ
り低下する。第2の転送スイッチ線1452の電位(TRF2)がロウレベルになると第
2の転送トランジスタ1424がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積部14
10の電位(FD1)は保持される。この電位を第1の増幅トランジスタ1408を介し
て垂直出力線1470に出力する。
ルになると、第3のフォトダイオード1432が順バイアスになり、第3のフォトダイオ
ード1432のカソードは第1のリセット信号線1461のハイレベル電位よりもフォト
ダイオードの順方向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第3の転送スイッチ
線1453の電位(TRF3)がハイレベルになると、第3の転送トランジスタ1434
がオンし、信号電荷蓄積部1410の電位(FD1)は第3のフォトダイオード1432
のカソードと同じ電位になる。次に第1のリセット信号線1461の電位(RST1)が
ロウレベルになると、フォトダイオードのアノードはロウレベル電位になる。このとき第
3のフォトダイオード1432は逆バイアスとなる。ここで、第3のフォトダイオード1
432に照射されている光に応じた電流が第3のフォトダイオード1432および第3の
転送トランジスタ1434に流れ、信号電荷蓄積部1410の電位(FD1)は放電によ
り低下する。第3の転送スイッチ線1453の電位(TRF3)がロウレベルになると第
3の転送トランジスタ1434がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積部14
10の電位(FD1)は保持される。この電位を第1の増幅トランジスタ1408を介し
て垂直出力線1470に出力する。
ルになると、第4のフォトダイオード1442が順バイアスになり、第4のフォトダイオ
ード1442のカソードは第1のリセット信号線1461のハイレベル電位よりもフォト
ダイオードの順方向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第4の転送スイッチ
線1454の電位(TRF4)がハイレベルになると、第4の転送トランジスタ1444
がオンし、信号電荷蓄積部1410の電位(FD1)は第4のフォトダイオード1442
のカソードと同じ電位になる。次に第1のリセット信号線1461の電位(RST1)が
ロウレベルになると、フォトダイオードのアノードはロウレベル電位になる。このとき第
4のフォトダイオード1442は逆バイアスとなる。ここで、第4のフォトダイオード1
442に照射されている光に応じた電流が第4のフォトダイオード1442および第4の
転送トランジスタ1444に電流が流れ、信号電荷蓄積部1410の電位(FD1)は放
電により低下する。第4の転送スイッチ線1454の電位(TRF4)がロウレベルにな
ると第4の転送トランジスタ1444がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積
部1410の電位(FD1)は保持される。この電位を第1の増幅トランジスタ1408
を介して垂直出力線1470に出力する。5ライン目から8ライン目までの駆動について
は、第2のリセット信号線の電位がハイレベルになり、同様に順次駆動される。
、リセット信号線、増幅トランジスタを兼用する垂直水平4画素共有型である。垂直4画
素共有型と同じく、トランジスタ及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。縦横に隣
り合う4個の画素について、各画素の転送トランジスタのドレイン側が電気的に接続され
、信号電荷蓄積部1510が形成されており、信号電荷蓄積部1510には増幅トランジ
スタ1508のゲートが接続されている。
目の駆動は、まず第1のリセット信号線1561の電位(RST1)がハイレベルになる
と、第1のフォトダイオード1512が順バイアスになり、第1のフォトダイオード15
12のカソードは第1のリセット信号線1561のハイレベル電位よりフォトダイオード
の順方向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第1の転送スイッチ線1551
の電位(TRF1)がハイレベルになると、第1の転送トランジスタ1514がオンし、
信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は第1のフォトダイオード1512のカソード
と同じ電位になる。
ダイオードのアノードはロウレベル電位に落ちる。このとき第1のフォトダイオード15
12は逆バイアスとなる。ここで、第1のフォトダイオード1512に照射されている光
に応じた電流が第1のフォトダイオード1512および第1の転送トランジスタ1514
に流れ、信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は放電により低下する。第1の転送ス
イッチ線1551の電位(TRF1)がロウレベルになると第1の転送トランジスタ15
14がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は保
持される。この電位を第1の増幅トランジスタ1508を介して垂直出力線1570に出
力する。
2のフォトダイオード1522が順バイアスになり、第2のフォトダイオード1522の
カソードは第1のリセット信号線1561のハイレベル電位よりフォトダイオードの順方
向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第2の転送スイッチ線1552の電位
(TRF2)がハイレベルになると、第2の転送トランジスタ1524がオンし、信号電
荷蓄積部1510の電位(FD1)は第2のフォトダイオード1522のカソードと同じ
電位になる。
ダイオードのアノードはロウレベル電位になる。このとき第2のフォトダイオード152
2は逆バイアスとなる。ここで第2のフォトダイオード1522に照射されている光に応
じた電流が第2のフォトダイオード1522および第2の転送トランジスタ1524に流
れ、信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は放電により低下する。第2の転送スイッ
チ線1552の電位(TRF2)がロウレベルになると第2の転送トランジスタ1524
がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は保持さ
れる。この電位を第1の増幅トランジスタ1508を介して垂直出力線1570に出力す
る。この2つの動作で1ライン目の画素の出力が順に垂直出力線1570に出力される。
ルになると、第3のフォトダイオード1532が順バイアスになり、第3のフォトダイオ
ード1532のカソードは第1のリセット信号線1561のハイレベル電位よりフォトダ
イオードの順方向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第3の転送スイッチ線
1553の電位(TRF3)がハイレベルになると、第3の転送トランジスタ1534が
オンし、信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は第3のフォトダイオード1532の
カソードと同じ電位になる。
ダイオードのアノードはロウレベル電位に落ちる。このとき第3のフォトダイオード15
32は逆バイアスとなる。ここで、第3のフォトダイオード1532に照射されている光
に応じた電流が第3のフォトダイオード1532および第3の転送トランジスタ1534
に流れ、信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は放電により低下する。第3の転送ス
イッチ線1553の電位(TRF3)がロウレベルになると第3の転送トランジスタ15
34がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は保
持される。この電位を第1の増幅トランジスタ1508を介して垂直出力線1570に出
力する。
4のフォトダイオード1542が順バイアスになり、第4のフォトダイオード1542の
カソードは第1のリセット信号線1561のハイレベル電位よりフォトダイオードの順方
向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。次に、第4の転送スイッチ線1554の電位
(TRF4)がハイレベルになると、第4の転送トランジスタ1544がオンし、信号電
荷蓄積部1510の電位(FD1)は第4のフォトダイオード1542のカソードと同じ
電位になる。
ダイオードのアノードはロウレベル電位になる。このとき第4のフォトダイオード154
2は逆バイアスとなる。ここで、第4のフォトダイオード1542に照射されている光に
応じた電流が第4のフォトダイオード1542および第4の転送トランジスタ1544に
流れ、信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は放電により低下する。第4の転送スイ
ッチ線1554の電位(TRF4)がロウレベルになると第4の転送トランジスタ154
4がオフし、電流パスが遮断されるため信号電荷蓄積部1510の電位(FD1)は保持
される。この電位を第1の増幅トランジスタ1508を介して垂直出力線1570に出力
する。この2つの動作で2ライン目の画素の出力が順に垂直出力線1570に出力される
。次に、第2のリセット信号線の電位がハイレベルになり、同様にして順次駆動をおこな
う。
線、増幅トランジスタを兼用する転送スイッチ線共有型である。前述した画素共有型に更
に転送スイッチ線を共有させたもので、トランジスタ及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。縦横に隣り合う4個の画素について、各画素の転送トランジスタのドレイン側
が電気的に接続され、信号電荷蓄積部が形成されており、信号電荷蓄積部には増幅トラン
ジスタのゲートが接続されている。また、この構成は、垂直方向の位置する2つの転送ト
ランジスタが転送スイッチ線を共有していることで、水平方向だけでなく、垂直方向にも
同時に動くトランジスタがあることを特徴としている。
目、2ライン目の駆動は、まず第1のリセット信号線1665の電位(RST1)及び第
2のリセット信号線1666の電位(RST2)がハイレベルになると、第1のフォトダ
イオード1612及び第3のフォトダイオード1632が順バイアスになり、第1のフォ
トダイオード1612及び第3のフォトダイオード1632のカソードは第1のリセット
信号線1665及び第2のリセット信号線1666のハイレベル電位よりフォトダイオー
ドの順方向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。
転送トランジスタ1614がオンし、第1の信号電荷蓄積部1610の電位(FD1)は
第1のフォトダイオード1612のカソードと同じ電位になり、第2の信号電荷蓄積部1
620の電位(FD2)は第3のフォトダイオード1612のカソードと同じ電位になる
。次に第1のリセット信号線1665の電位(RST1)及び第2のリセット信号線16
66の電位(RST2)がロウレベルになると、フォトダイオードのアノードはロウレベ
ル電位になる。このとき第1のフォトダイオード1612及び第3のフォトダイオード1
632は逆バイアスとなる。ここで、第1のフォトダイオード1612及び第3のフォト
ダイオード1632に照射されている光に応じた電流が第1のフォトダイオード1612
、第3のフォトダイオード1632、第1の転送トランジスタ1614及び第3の転送ト
ランジスタ1634に流れ、第1の信号電荷蓄積部1610の電位(FD1)及び第2の
信号電荷蓄積部1620の電位(FD2)は放電により低下する。第1の転送スイッチ線
1751の電位(TRF1)がロウレベルになると第1の転送トランジスタ1614及び
第3の転送トランジスタ1634がオフし、電流パスが遮断されるため第1の信号電荷蓄
積部1610の電位(FD1)及び第2の信号電荷蓄積部1620の電位(FD2)は保
持される。これらの電位を第1の増幅トランジスタ1618を介して第1の垂直出力線1
675に出力し、第2の増幅トランジスタ1628を介して第2の垂直出力線1676に
出力する。
1666の電位(RST2)がハイレベルになると、第2のフォトダイオード1622及
び第4のフォトダイオード1642が順バイアスになり、第2のフォトダイオード162
2及び第4のフォトダイオード1642のカソードは第1のリセット信号線1665及び
第2のリセット信号線1666のハイレベル電位よりフォトダイオードの順方向電圧(V
f)分だけ下がった電位となる。
転送トランジスタ1624及び第4の転送トランジスタ1644がオンし、第1の信号電
荷蓄積部1610の電位(FD1)は第2のフォトダイオード1622のカソードと同じ
電位になり、第2の信号電荷蓄積部1620の電位(FD2)は第4のフォトダイオード
1642のカソードと同じ電位になる。次に第1のリセット信号線1665の電位(RS
T1)及び第2のリセット信号線1666の電位(RST2)がロウレベルになると、フ
ォトダイオードのアノードはロウレベル電位になる。このとき第2のフォトダイオード1
622及び第4のフォトダイオード1642は逆バイアスとなる。ここで、第2のフォト
ダイオード1622及び第4のフォトダイオード1642に照射されている光に応じた電
流が第2のフォトダイオード1622、第4のフォトダイオード1642、第2の転送ト
ランジスタ1624及び第4の転送トランジスタ1644に流れ、第1の信号電荷蓄積部
1610の電位(FD1)及び第2の信号電荷蓄積部1620の電位(FD2)は放電に
より低下する。第2の転送スイッチ線1572の電位(TRF2)がロウレベルになると
第2の転送トランジスタ1624及び第4の転送トランジスタ1644がオフし、電流パ
スが遮断されるため第1の信号電荷蓄積部1610の電位(FD1)及び第2の信号電荷
蓄積部1620の電位(FD2)は保持される。これらの電位を第1の増幅トランジスタ
1618を介して第1の垂直出力線1675に出力し、第2の増幅トランジスタ1628
を介して第2の垂直出力線1676に出力する。この2つの動作で1ライン目、2ライン
目の画素の出力が順に第1の垂直出力線1675、第2の垂直出力線1676に出力され
る。
67の電位(RST3)及び第4のリセット信号線1668の電位(RST4)がハイレ
ベルになると、第5のフォトダイオード1652及び第7のフォトダイオード1672が
順バイアスになり、第5のフォトダイオード1652及び第7のフォトダイオード167
2のカソードは第3のリセット信号線1667及び第4のリセット信号線1668のハイ
レベル電位よりフォトダイオードの順方向電圧(Vf)分だけ下がった電位となる。
送トランジスタ1654及び第7の転送トランジスタ1674がオンし、第2の信号電荷
蓄積部1620の電位(FD2)及び第3の信号電荷蓄積部1630の電位(FD3)は
第5のフォトダイオード1652及び第7のフォトダイオード1672のカソードと同じ
電位になる。次に第3のリセット信号線1667の電位(RST3)及び第4のリセット
信号線1668の電位(RST4)がロウレベルになると、フォトダイオードのアノード
はロウレベル電位になる。このとき第5のフォトダイオード1652及び第7のフォトダ
イオード1672は逆バイアスとなる。ここで、第5のフォトダイオード1652及び第
7のフォトダイオード1672に照射されている光に応じた電流が第5のフォトダイオー
ド1652、第7のフォトダイオード1672、第5の転送トランジスタ1654及び第
7の転送トランジスタ1674に流れ、第2の信号電荷蓄積部1620の電位(FD2)
及び第3の信号電荷蓄積部1630の電位(FD3)は放電により低下していく。第3の
転送スイッチ線1753の電位(TRF3)がロウレベルになると第5の転送トランジス
タ1654及び第7の転送トランジスタ1674がオフし、電流パスが遮断されるため第
2の信号電荷蓄積部1620の電位(FD2)及び第3の信号電荷蓄積部1630の電位
(FD3)は保持される。この電位を第2の増幅トランジスタを介して第2の垂直出力線
1676に出力し、第3の増幅トランジスタを介して第1の垂直出力線1675に出力す
る。
1668の電位(RST4)がハイレベルになると、第6のフォトダイオード1662及
び第8のフォトダイオード1682が順バイアスになり、第6のフォトダイオード166
2及び第8のフォトダイオード1682のカソードは3のリセット信号線1667及び第
4のリセット信号線1668のハイレベル電位よりフォトダイオードの順方向電圧(Vf
)分だけ下がった電位となる。
送トランジスタ1664及び第8の転送トランジスタ1684がオンし、第2の信号電荷
蓄積部1620の電位(FD2)及び第3の信号電荷蓄積部1630の電位(FD3)は
第6のフォトダイオード1662及び第8のフォトダイオード1682のカソードと同じ
電位になる。次に第3のリセット信号線1667の電位(RST3)及び第4のリセット
信号線1668の電位(RST4)がロウレベルになると、フォトダイオードのアノード
はロウレベル電位に落ちる。このとき第6のフォトダイオード1662及び第8のフォト
ダイオード1682は逆バイアスとなる。ここで、第6のフォトダイオード1662及び
第8のフォトダイオード1682に照射されている光に応じた電流が第6のフォトダイオ
ード1662、第8のフォトダイオード1682、第6の転送トランジスタ1664及び
第8の転送トランジスタ1684に流れ、第2の信号電荷蓄積部1620の電位(FD2
)及び第3の信号電荷蓄積部1630の電位(FD3)は放電により低下する。第4の転
送スイッチ線1754の電位(TRF4)がロウレベルになると第6の転送トランジスタ
1664及び第8の転送トランジスタ1684がオフし、電流パスが遮断されるため第2
の信号電荷蓄積部1620の電位(FD2)及び第3の信号電荷蓄積部1630の電位(
FD3)は保持される。この電位を第2の増幅トランジスタを介して第2の垂直出力線1
676に出力し、第3の増幅トランジスタを介して第1の垂直出力線1675に出力する
。この2つの動作で3ライン目、4ライン目の画素の出力が順に第2の垂直出力線167
6及び第1の垂直出力線1675に出力される。以下、順次このように動作をおこなう。
ス2100の両側にリセット端子駆動回路2020、転送端子駆動回路2040が配置さ
れる。図24では画素マトリクス2100の両側に該駆動回路を配置しているが、片側に
該駆動回路を配置しても良い。また、該駆動回路からの信号を出力する配線に対して、垂
直方向に垂直出力線駆動回路2060を配置する。リセット端子駆動回路2020及び転
送端子駆動回路2040は、ロウ及びハイの2値出力の駆動回路であるので、図25で示
す様にシフトレジスタ2200とバッファ回路2300の組み合わせで駆動することがで
きる。これらの駆動回路はバルクトランジスタ、または薄膜トランジスタで構成すること
ができるが、相補型トランジスタの形成が可能なシリコン半導体を用いたバルクトランジ
スタを用いることが好ましい。
回路2310とアナログスイッチ2400によって構成することができる。各垂直出力線
2120をアナログスイッチ2400によって選択し、映像出力線2500に映像信号を
出力する。アナログスイッチ2400はシフトレジスタ2210とバッファ回路2310
で順次選択していくものとする。垂直出力線駆動回路2060はバルクトランジスタ、ま
たは薄膜トランジスタで構成することができるが、相補型トランジスタの形成が可能なシ
リコン半導体を用いたバルクトランジスタを用いることが好ましい。
ーターによって構成されたシフトレジスタ2220とインバータによって構成されたバッ
ファ回路2320の例である。シフトレジスタ、バッファ回路はこの回路に限定されるも
のではなく、リセット端子駆動回路2020、転送端子駆動回路2040、垂直出力線駆
動回路2060も上記構成に限定されるものではない。
ことができる。例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、携帯型ゲー
ム機、携帯情報端末など、画像情報を取得する手段を有する電子機器に用いることができ
る。
101 転送トランジスタ
102 酸化物半導体層
104 ソース電極
106 ドレイン電極
108 ゲート電極
110 光電変換素子
114 p型領域
116 信号電荷蓄積部
118 ゲート絶縁層
131 増幅トランジスタ
136 ゲート絶縁層
138 ゲート電極
140 絶縁膜
142 保護絶縁層
152 配線層
154 配線
132a n型領域
138a 導電層
138b 導電層
201 トランジスタ
204 ソース電極
210 光電変換素子
301 トランジスタ
304 ソース電極
305 バッファ層
306 ドレイン電極
310 光電変換素子
112 n型領域
450 窒素雰囲気下
501 転送トランジスタ
510 光電変換素子
516 信号電荷蓄積部
531 増幅トランジスタ
540 容量電極
541 絶縁膜
600 レンズ
602 カラーフィルタ
604 配線層
606 層間絶縁膜
608 光電変換素子
610 レンズ
612 カラーフィルタ
618 光電変換素子
1002 フォトダイオード
1004 転送トランジスタ
1006 リセットトランジスタ
1008 増幅トランジスタ
1010 信号電荷蓄積部
1040 リセット信号線
1050 転送スイッチ線
1120 垂直出力線
1210 信号電荷蓄積部
1212 フォトダイオード
1214 転送トランジスタ
1218 増幅トランジスタ
1220 垂直出力線
1240 リセット信号線
1250 転送スイッチ線
1408 増幅トランジスタ
1410 信号電荷蓄積部
1412 フォトダイオード
1414 転送トランジスタ
1422 フォトダイオード
1424 転送トランジスタ
1432 フォトダイオード
1434 転送トランジスタ
1442 フォトダイオード
1444 転送トランジスタ
1451 転送スイッチ線
1452 転送スイッチ線
1453 転送スイッチ線
1454 転送スイッチ線
1461 リセット信号線
1470 垂直出力線
1508 増幅トランジスタ
1510 信号電荷蓄積部
1512 フォトダイオード
1514 転送トランジスタ
1522 フォトダイオード
1524 転送トランジスタ
1532 フォトダイオード
1534 転送トランジスタ
1542 フォトダイオード
1544 転送トランジスタ
1551 転送スイッチ線
1552 転送スイッチ線
1553 転送スイッチ線
1554 転送スイッチ線
1561 リセット信号線
1570 垂直出力線
1572 転送スイッチ線
1610 信号電荷蓄積部
1612 フォトダイオード
1614 転送トランジスタ
1618 増幅トランジスタ
1620 信号電荷蓄積部
1622 フォトダイオード
1624 転送トランジスタ
1628 増幅トランジスタ
1630 信号電荷蓄積部
1632 フォトダイオード
1634 転送トランジスタ
1642 フォトダイオード
1644 転送トランジスタ
1652 フォトダイオード
1654 転送トランジスタ
1662 フォトダイオード
1664 転送トランジスタ
1665 リセット信号線
1666 リセット信号線
1667 リセット信号線
1668 リセット信号線
1672 フォトダイオード
1674 転送トランジスタ
1675 垂直出力線
1676 垂直出力線
1682 フォトダイオード
1684 転送トランジスタ
1751 転送スイッチ線
1753 転送スイッチ線
1754 転送スイッチ線
2000 画素部
2020 リセット端子駆動回路
2040 転送端子駆動回路
2060 垂直出力線駆動回路
2100 画素マトリクス
2120 各垂直出力線
2200 シフトレジスタ
2210 シフトレジスタ
2220 シフトレジスタ
2300 バッファ回路
2310 バッファ回路
2320 バッファ回路
2400 アナログスイッチ
2500 映像出力線
Claims (2)
- 第1のフォトダイオード乃至第4のフォトダイオードと、第1の転送トランジスタ乃至第4の転送トランジスタと、増幅トランジスタと、容量と、を有するイメージセンサであって、
前記第1のフォトダイオードのカソードは、前記第1の転送トランジスタを介して前記増幅トランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第2のフォトダイオードのカソードは、前記第2の転送トランジスタを介して前記増幅トランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第3のフォトダイオードのカソードは、前記第3の転送トランジスタを介して前記増幅トランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第4のフォトダイオードのカソードは、前記第4の転送トランジスタを介して前記増幅トランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記増幅トランジスタのゲートは、前記容量と電気的に接続され、
前記第1の転送トランジスタのソースまたはドレインの一方に電気的と接続され、かつ、前記増幅トランジスタのゲートと電気的に接続される第1の導電層は、前記容量の一方の電極としての機能を有し、
前記第1の導電層の上方には、前記容量の他方の電極としての機能を有する第2の導電層が配置され、
前記第1の導電層は、前記増幅トランジスタのゲートとして機能する第3の導電層の上方に配置され、
前記第1の導電層は、前記増幅トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続される第4の導電層と重なりを有し、
前記第1のフォトダイオードは、単結晶シリコン基板に形成されるイメージセンサ。 - 請求項1において、
前記第1の導電層は、銅を含むイメージセンサ。
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