JP6556559B2 - 撮像装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明の一態様は、撮像装置に関する。

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の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。

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。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。

フォトセンサを有する画素がマトリクス状に配置された半導体装置として、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサが知られている。ＣＭＯＳイメージセンサは、撮像素子としてデジタルカメラや携帯電話などの携帯機器に多く搭載されている。

一般的にＣＭＯＳイメージセンサ等を構成するトランジスタに適用可能な半導体材料としては、シリコン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。

例えば、特許文献１では、酸化物半導体を有し、かつオフ電流が極めて低いトランジスタを画素回路の一部に用い、ＣＭＯＳ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、高速かつ低消費電力の撮像装置が作製できることが開示されている。

特開２０１１−１１９７１１号公報

ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にデータを出力する増幅トランジスタを有する。高品質な撮像データを得るには全ての画素における当該トランジスタの電気特性が一様であることが好ましいが、微細化が進むほどトランジスタの作製工程の難度が上がり、電気特性のばらつきを抑えることが難しくなる。

また、電気特性のばらつきを補正するデータを容量素子などに保持させることにより出力データを補正することもできるが、容量素子へのデータの書き込みを撮像毎に行うと全体の撮像時間が長くなってしまう。また、消費電力の増加も問題になる。

したがって、本発明の一態様では、高品質な撮像データを得ることのできる撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、画素回路が有する増幅トランジスタのしきい値電圧のばらつきを補正することができる撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、高速動作に適した撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、高感度の撮像装置を提供することを目的の一つとする。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目的の一つとする。または、解像度の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、低コストの撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な撮像装置などを提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様は、画素回路が有する増幅トランジスタのしきい値電圧のばらつきを補正することができる撮像装置に関する。

本発明の一態様は、第１の回路と、第２の回路と、を有する撮像装置であって、第１の回路は、光電変換素子と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第６のトランジスタと、第７のトランジスタと、第１の容量素子と、第２の容量素子と、第３の容量素子と、を有し、第２の回路は、第８のトランジスタを有し、光電変換素子の一方の端子は、第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１の容量素子の他方の端子と電気的に接続され、第１の容量素子の他方の端子は、第２の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２の容量素子の他方の端子と電気的に接続され、第４のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第６のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第３の容量素子の一方の端子は、第２の容量素子の他方の端子と電気的に接続され、第３の容量素子の他方の端子は、第６のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、第６のトランジスタのゲートは、第３の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、第７のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第６のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、第７のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第８のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されていることを特徴とする撮像装置である。

また、第２の回路は、第９のトランジスタを有し、第９のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第８のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、第９のトランジスタのゲートは、第８のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第９のトランジスタのゲートは、第９のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続されていてもよい。

第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、光電変換素子の他方の端子と電気的に接続されていてもよい。

また、第１の回路は第４の容量素子を有し、第４の容量素子の一方の端子は、第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されていてもよい。また、第４の容量素子の他方の端子は、第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続されていてもよい。

第１乃至第９のトランジスタは、活性層に酸化物半導体を有し、当該酸化物半導体は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有することが好ましい。

本発明の一態様により、高品質な撮像データを得ることのできる撮像装置を提供することができる。または、画素回路が有する増幅トランジスタの電気特性のばらつきを補正することができる撮像装置を提供することができる。または、低消費電力の撮像装置を提供することができる。または、高速動作に適した撮像装置を提供することができる。または、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、新規な撮像装置などを提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、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、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

撮像装置が有する回路を説明する図。 撮像装置が有する回路を説明する図。 補正動作を説明するタイミングチャート。 補正動作を説明する図。 補正動作を説明する図。 補正動作を説明する図。 補正動作を説明する図。 補正動作を説明する図。 撮像装置が有する回路を説明する図。 回路部を含む撮像装置の断面図。 湾曲した撮像装置を説明する図。 撮像装置の構成を説明する図。 グローバルシャッタ方式の動作およびローリングシャッタ方式の動作を説明するタイミングチャート。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタのチャネル幅方向の断面を説明する図。 トランジスタのチャネル長方向の断面を説明する図。 半導体層を説明する上面図および断面図。 半導体層を説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタを説明する上面図および断面図。 トランジスタのチャネル幅方向の断面を説明する図。 トランジスタのチャネル長方向の断面を説明する図。 トランジスタを説明する上面図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 電子機器を説明する図。 撮像装置の動作を説明するタイミングチャート。 撮像装置の動作を説明するタイミングチャート。 撮像装置が有する回路を説明する図。 撮像装置を説明するブロック図。 モーション検出回路を説明する回路図。 モーション検出回路の動作を説明するタイミングチャート。 しきい値電圧補正回路を有する画素を説明する回路図。 モーション検出動作を説明するタイミングチャート。 撮像装置の外観写真。 全画素の出力分布を説明する図。 画素の平均出力における画素間ばらつきを説明する図。 撮像装置で撮影した画像。 全画素の各平均出力におけるモーション検出範囲△Ｖ_ＲＥＦを説明する図。 しきい値電圧補正動作有無でのモーション検出動作を説明する図。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、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。

例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、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。

ここで、Ｘ、Ｙ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。

ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。

ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）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。

ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。

なお、ＸとＹとが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、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又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との間に別の素子又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。

なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、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（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。

例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。

または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）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（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは、第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。

なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。

なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、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、及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。

なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である撮像装置について、図面を参照して説明する。

本発明の一態様の撮像装置は、ソースフォロワにより信号電荷（データ）を出力する撮像装置の画素において、そのソースフォロワ増幅トランジスタのしきい値電圧のばらつきを補正することができる画素回路を有する。

図１は、本発明の一態様の撮像装置が有する、画素回路として機能させることができる回路１１、および基準電流源回路として機能させることのできる回路１２の回路図である。図１などにおいて、トランジスタがｎ−ｃｈ型である場合の例を示すが、本発明の一態様はこれに限定されない。電位の大小関係を逆にすることなどにより、図４２に示すようにトランジスタをｐ−ｃｈ型にしてもよい。または、一部のトランジスタをｐ−ｃｈ型トランジスタに置き換えてもよい。

回路１１は、光電変換部と信号生成部に大別される。光電変換部は、フォトダイオード６０と、トランジスタ５１と、トランジスタ５２を有する。また、信号生成部は、トランジスタ５３、トランジスタ５４、トランジスタ５５、トランジスタ５６、トランジスタ５７、容量素子Ｃ１、容量素子Ｃ２、容量素子Ｃ３および容量素子Ｃ４を有する。なお、容量素子Ｃ４を省くこともできる。

回路１２は、トランジスタ５８および出力端子（ＯＵＴ）を有する。

配線３１に接続される回路１２は、図２に示す形態とすることもできる。図２は、回路１２にトランジスタ５９を付加した構成であり、カレントミラー回路となっている。

図１の回路１１において、フォトダイオード６０の一方の端子は、トランジスタ５１のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ５１のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ５２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ５１のソースまたはドレインの他方は、容量素子Ｃ１の一方の端子と電気的に接続される。また、トランジスタ５３のソースまたはドレインの一方は、容量素子Ｃ１の他方の端子と電気的に接続される。また、容量素子Ｃ１の他方の端子は、容量素子Ｃ２の一方の端子と電気的に接続される。また、トランジスタ５４のソースまたはドレインの一方は、容量素子Ｃ２の他方の端子と電気的に接続される。また、トランジスタ５４のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ５５のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ５６のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ５５のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、容量素子Ｃ３の一方の端子は、容量素子Ｃ２の他方の端子と電気的に接続される。また、容量素子Ｃ３の他方の端子は、トランジスタ５６のソースまたはドレインの他方と電気的に接続される。また、トランジスタ５６のゲートは、容量素子Ｃ３の一方の端子と電気的に接続される。また、トランジスタ５７のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ５６のソースまたはドレインの他方と電気的に接続される。また、トランジスタ５７のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ５８のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。

フォトダイオード６０の他方の端子は、配線２１（ＶＰＤ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５２のソースまたはドレインの他方は、配線２２（ＶＰＲ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５５のソースまたはドレインの他方は、配線２３（ＶＰＩ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５１のゲートは、配線２５（ＴＸ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５２のゲートは、配線２６（ＰＲ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５３のゲートは、配線２７（Ｗ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５４のゲートは、配線２８（ＡＺ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５５のゲートは、配線２９（ＰＳＷ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５７のゲートは、配線３０（ＳＥ）に電気的に接続される。また、トランジスタ５７のソースまたはドレインの他方は、配線３１に電気的に接続される。

回路１２において、トランジスタ５８のソースまたはドレインの一方は配線３１と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は配線２４（ＶＰＯ）と電気的に接続される。また、トランジスタ５８のゲートは、配線３２（ＢＲ）と電気的に接続される。また、トランジスタ５８のソースまたはドレインの一方には、出力端子（ＯＵＴ）が設けられる。

ここで、配線２１（ＶＰＤ）、配線２２（ＶＰＲ）、配線２３（ＶＰＩ）および配線２４（ＶＰＯ）は、電源線として機能させることができる。また、配線２５（ＴＸ）、配線２６（ＰＲ）、配線２７（Ｗ）、配線２８（ＡＺ）、配線２９（ＰＳＷ）、配線３０（ＳＥ）、配線３１、および配線３２（ＢＲ）は、信号線として機能させることができる。

図１において、トランジスタ５３のソースまたはドレインの他方は、配線２１（ＶＰＤ）に接続する構成を図示しているが、他の固定電位を供給することのできる配線に接続されていてもよい。

また、図１において、容量素子Ｃ４の他方の端子は、配線２３（ＶＰＩ）に接続する構成を図示しているが、他の固定電位を供給することのできる配線に接続されていてもよい。

上記構成において、トランジスタ５１のソースまたはドレインの他方、トランジスタ５２のソースまたはドレインの一方および容量素子Ｃ１の一方の端子が接続されるノードをＦＤ１とする。

また、トランジスタ５３のソースまたはドレインの一方、容量素子Ｃ１の他方の端子、容量素子Ｃ２の一方の端子および容量素子Ｃ４の一方の端子が接続されるノードをＦＤ２とする。

また、トランジスタ５４のソースまたはドレインの一方、容量素子Ｃ２の他方の端子、容量素子Ｃ３の一方の端子およびトランジスタ５６のゲートが接続されるノードをＡＧとする。

また、トランジスタ５６のソースまたはドレインの他方、容量素子Ｃ３の他方の端子およびトランジスタ５７のソースまたはドレインの一方が接続されるノードをＡＳとする。

フォトダイオード６０には、シリコン基板においてｐｎ型やｐｉｎ型の接合が形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などを用いたｐｉｎ型ダイオード素子などを用いてもよい。なお、回路１１においては、フォトダイオードを有する構成を例示したが、他の光電変換素子であってもよい。例えば、ダイオード接続のトランジスタを用いてもよい。また、光電効果を利用した可変抵抗などをシリコン、ゲルマニウム、セレンなど用いて形成してもよい。

また、アバランシェ増倍という現象を利用したセレンを用いた光電変換素子を用いてもよい。当該光電変換素子では、入射す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。

セレン系材料としては、非晶質セレンまたは結晶セレンを用いることができる。結晶セレンは、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。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。

回路１１において、フォトダイオード６０は受光素子であり、回路１１に入射した光に応じた電流を生成する機能を有することができる。トランジスタ５１は、フォトダイオード６０によるノードＦＤ１への電荷蓄積を制御する機能を有することができる。トランジスタ５２は、ノードＦＤ１の電位をリセットする動作を行う機能を有することができる。トランジスタ５３は、ノードＦＤ２を電位のリセットする動作を行う機能を有することができる。トランジスタ５４およびトランジスタ５５は、トランジスタ５６に電流を流す機能を有することができる。トランジスタ５６は、ノードＡＧの電位に応じた信号を出力する動作を行う機能を有することができる。トランジスタ５７は、読み出し時に回路１１（画素回路）の選択を制御する動作を行う機能を有することができる。

回路１２において、トランジスタ５８は電流源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５８に流れる電流に応じた電圧信号を出力端子（ＯＵＴ）から出力する機能を有することができる。

上記の構成における本発明の一態様の撮像装置においては、回路１１が有するトランジスタ５６のしきい値電圧を回路１１内に記憶させることにより出力信号の補正を行うことができる。

当該補正動作および補正後の出力動作について、図３に示すタイミングチャートを用いて詳細な説明を行う。図３に示すタイミングチャートにおいては、配線２４（ＶＰＯ）、配線２５（ＴＸ）、配線２６（ＰＲ）、配線２７（Ｗ）、配線２８（ＡＺ）、配線２９（ＰＳＷ）、配線３０（ＳＥ）、配線３２（ＢＲ）、ノードＦＤ１、ノードＦＤ２、ノードＡＧおよびノードＡＳの電位を示す。なお、各トランジスタは、ゲートに接続される配線に供給される電位に従ってオンまたはオフの動作が行われるものとする。

また、当該説明に用いる回路図面では、導通状態を明瞭化するためにトランジスタ５６以外のトランジスタをスイッチ記号として記す。また、一部の符号は省略している。ここでは、配線２１（ＶＰＤ）は低電位（”ＧＮＤ”）、配線２２（ＶＰＲ）は高電位（”ＶＰＲ”）、配線２３（ＶＰＩ）は高電位（”ＶＰＩ”）とする。

時刻Ｔ１において、トランジスタ５２、５３、５４、５５、５７、５８をオン、トランジスタ５１をオフとする。また、配線２４（ＶＰＯ）の電位を”Ｖα”、配線３２（ＢＲ）の電位を”ＢＲ＋Ｖβ”へと高くする。例えば、ＧＮＤが０Ｖであれば、”Ｖα”＝”ＶＰＩ／２”とすることができる。このとき、トランジスタ５８には比較的大きいバイアス電流が流れ、トランジスタ５６のソース電位（ノードＡＳの電位）は、トランジスタ５６のゲート電位（ノードＡＧの電位）−しきい値電圧（Ｖｔｈ）よりも小さくなる（図４参照、電流経路を破線で表示）。つまり、回路内の電位の関係は、ノードＡＳ＜ノードＡＧ−Ｖｔｈとなる。

ここで、ノードＦＤ１は、配線２２（ＶＰＲ）の電位（”ＶＰＲ”）に設定される。また、ノードＦＤ２は、配線２１（ＶＰＤ）の電位（”ＧＮＤ”、例えば０Ｖ）に設定される。また、ノードＡＧは、配線２３（ＶＰＩ）の電位（”ＶＰＩ”）に設定される。また、ノードＡＳは、配線２４（ＶＰＯ）の電位（”ＶＰＯ”）に設定される。

次に、時刻Ｔ２において、トランジスタ５５をオフとしてバイアス電流のパスを切断し、ノードＡＧを放電させる（図５参照）。このとき、ノードＡＧの電位は、”ＶＰＩ”から”ＶＰＯ＋Ｖｔｈ”へと変化して放電が終了する。

次に、時刻Ｔ３において、トランジスタ５４をオフとして容量素子Ｃ３にトランジスタ５６のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を保持させる（図６参照）。

そして、時刻Ｔ４において、トランジスタ５７をオフにした後、トランジスタ５５をオン、トランジスタ５３をオフ、配線３２（ＢＲ）の電位を”ＢＲ”に戻すことで、補正状態を完了させる（図７参照）。

次に、実際の撮像動作を想定して、ノードＦＤ２の電位がＶαだけ変化したときの動作について説明する。まず、ノードＦＤ２の電位がＶαだけ変化する状態となるには、トランジスタ５２をオフとし、ノードＦＤ１に配線２２（ＶＰＲ）の電位”ＶＰＲ”を保持させた状態でトランジスタ５１をオンし、Ｖαに相当する電荷を光が照射された状態のフォトダイオード６０を通じて配線２１（ＶＰＤ）に放出させる。そして、トランジスタ５１をオフとしてノードＦＤ１の電位を保持する。上記動作により、ノードＦＤ１の電位を”ＶＰＲ”から”ＶＰＲ−Ｖα”に変化させることができる。

ノードＦＤ１が”ＶＰＲ”から”ＶＰＲ−Ｖα”に変化すると、ノードＦＤ２は”ＶＰＤ（＝０Ｖ）”から”−Ｖα”に変化する。また、ノードＡＧは”ＶＰＯ＋Ｖｔｈ”から”ＶＰＯ−Ｖα＋Ｖｔｈ”に変化する。

ここで、トランジスタ５８には配線３２（ＢＲ）の電位に応じた電流を流すことができ、トランジスタ５７をオンするとトランジスタ５６にはバイアス電流が流れる。このときのトランジスタ５６にバイアス電流を流すためのゲート電位とソース電位の差を”Ｖｇｓ’”（＝Ｖｔｈ＋Ｖｇｓ）とすると、ノードＡＳの電位は、（ＶＰＯ−Ｖα＋Ｖｔｈ）−（Ｖｔｈ＋Ｖｇｓ）＝ＶＰＯ−Ｖα−Ｖｇｓとなる（図８参照）。また、下記に示すドレイン電流の式（βは定数）より、トランジスタ５６に流れるドレイン電流（Ｉｄ）は、しきい値電圧（Ｖｔｈ）に依存しないことがわかる。

したがって、出力端子（ＯＵＴ）には、トランジスタ５６のしきい値電圧のばらつきを含まない信号を出力することができ、高品質な撮像データを得ることができる。なお、図１の回路構成においては、フォトダイオード６０に照射される光の強度が高いほど出力端子（ＯＵＴ）から出力される出力信号は小さくなる。

上記補正動作は撮像毎に行う必要はなく、一回の補正動作のみで連続して撮像することができる。もちろん、撮像前、撮像後、電源オン時、電源オフ時、またはタイマーなどを用いて任意のタイミングで上記補正動作を行ってもよい。

また、本発明の一態様の撮像装置は、図９（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図９（Ａ）は、回路１１における光電変換部のフォトダイオード６０の接続の向きが図１とは逆になる構成である。この場合、配線２１（ＶＰＤ）は高電位、配線２２（ＶＰＲ）は低電位とする。補正動作および出力動作は上記の図１の回路の説明を参照することができるが、この場合はフォトダイオード６０に照射される光の強度が高いほどノードＦＤ１の電位が高くなる。したがって、図９（Ａ）の回路構成においては、フォトダイオード６０に照射される光の強度が高いほど出力端子（ＯＵＴ）から出力される出力信号は大きくなる。

また、図９（Ｂ）は、図１に示す回路１１からトランジスタ５２を省いた構成である。この場合、配線２１（ＶＰＤ）は低電位と高電位に変動できる構成とする。ＦＤ１のリセット動作は、配線２１（ＶＰＤ）を高電位にすることで行うことができる。定められた期間において、配線２１（ＶＰＤ）を高電位とするとフォトダイオード６０には順方向バイアスがかかる。したがって、ノードＦＤ１を配線２１（ＶＰＤ）の電位に設定することができる。

また、光を検出する動作（蓄積動作）を行う場合は、配線２１（ＶＰＤ）を低電位とする。配線２１（ＶＰＤ）を低電位とすることでフォトダイオード６０には逆方向バイアスがかかるため、光の強度に応じてノードＦＤ１から配線２１（ＶＰＤ）に電荷を放出することができる。この場合はフォトダイオード６０に照射される光の強度が高いほどノードＦＤ１の電位が低くなる。したがって、図９（Ｂ）の回路構成においては、フォトダイオード６０に照射される光の強度が高いほど出力端子（ＯＵＴ）から出力される出力信号は小さくなる。

本発明の一態様の撮像装置には、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることが好ましい。酸化物半導体を有するトランジスタを回路１１に用いると、撮像のダイナミックレンジを拡大することができる。図１に示す回路構成では、フォトダイオード６０に入射する光の強度が大きいときにノードＡＧの電位が小さくなる。酸化物半導体を用いたトランジスタは極めてオフ電流が低いため、ノードＡＧの電位（トランジスタ５６のゲート電位）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。

また、酸化物半導体を有するトランジスタの低いオフ電流特性によってノードＦＤ１、ノードＦＤ２、ノードＡＧおよびノードＡＳで電荷を保持できる期間を極めて長くすることができる。そのため、回路構成や動作方法を複雑にすることなく全画素で略同時に電荷の蓄積動作を行うグローバルシャッタ方式を適用することができる。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、露光時間（電荷の蓄積動作を行う期間）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。

また、ノードＦＤ１、ノードＦＤ２、ノードＡＧおよびノードＡＳのいずれかと接続するトランジスタはノイズが少ないことが求められる。後述する二層または三層の酸化物半導体層を有するトランジスタはチャネルが埋め込み型であり、極めてノイズに強い特性を有する。したがって、当該トランジスタを用いることでノイズの少ない画像を得ることができる。

以上の本発明の一態様によって、画素回路が有する増幅トランジスタ（トランジスタ５６）のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のばらつきに依存しない出力信号を得ることができる。

図１０（Ａ）は、回路部を含む撮像装置の断面図の一例である。回路部９０は、シリコン基板４０に活性領域を有するトランジスタ７０と、酸化物半導体を活性層とするトランジスタ７１との組み合わせであり、例えば、インバータ回路やメモリ回路などを構成することができる。また、回路部９２は、シリコン基板４０に形成されるフォトダイオード６０と、酸化物半導体を活性層とするトランジスタ５１との組み合わせであり、図１に示す回路１１における光電変換部の一部に相当する。なお、破線で示す配線およびコンタクトプラグは、他の配線およびコンタクトプラグと奥行き方向の位置が異なることを示している。

図１０（Ａ）において、フォトダイオード６０と、トランジスタ５１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。また、回路部９２の占有領域においてシリコン基板４０にはトランジスタが形成されていないため、フォトダイオードの面積を広くすることができる。したがって、低照度環境においてもノイズの少ない画像を得ることができる。

図１０では、フォトダイオード６０とトランジスタ７０は、同じシリコン基板４０に設ける構成を図示しているが、これに限らない。例えば、トランジスタ７０をシリコン基板４０に設け、別の基板に作製したフォトダイオードを貼り合わせてもよい。また、トランジスタ７０をシリコン基板４０に設けず、トランジスタ７１、５１と同様に酸化物半導体を活性層とするトランジスタで設けてもよい。また、図１０（Ｂ）に示すようにトランジスタ７０、５１をシリコン基板４０に設けてもよい。また、トランジスタ７０以外の素子もシリコン基板４０に設けてもよい。たとえば、シリコン基板４０に、容量素子、ダイオード、抵抗素子、などを設けてもよい。

図１０（Ａ）に示す構成において、トランジスタ７０およびフォトダイオード６０を有する領域と、トランジスタ７１およびトランジスタ５１を有する領域との間には絶縁層８０が設けられる。

トランジスタ７０の活性領域近傍に設けられる絶縁層中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７０の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ７１およびトランジスタ５１等の活性層である酸化物半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体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７１およびトランジスタ５１等の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタを有する一方の層と、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する他方の層を積層する場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層８０を設けることが好ましい。絶縁層８０により、一方の層に水素を閉じ込めることでトランジスタ５１の信頼性を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７１およびトランジスタ５１等の信頼性も同時に向上させることができる。

絶縁層８０としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、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。

また、シリコン基板４０はバルクのシリコン基板に限らず、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板４０に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体を材料とする基板または当該材料の薄膜が形成された基板を用いることもできる。

トランジスタ７０は、プレーナ型のトランジスタだけでなく、様々なタイプのトランジスタとすることができる。例えば、ＦＩＮ（フィン）型、ＴＲＩ−ＧＡＴＥ（トライゲート）型などのトランジスタなどとすることができる。

また、トランジスタ５１は、状況に応じて酸化物半導体だけでなく、様々な半導体を有することができる。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体などを有することもできる。

また、撮像装置は、図１１（Ａ１）及び図１１（Ｂ１）に示すように湾曲させてもよい。図１１（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１１（Ａ２）は、図１１（Ａ１）中の二点鎖線Ｘ１−Ｘ２で示した部位の断面図である。図１１（Ａ３）は、図１１（Ａ１）中の二点鎖線Ｙ１−Ｙ２で示した部位の断面図である。

図１１（Ｂ１）は、撮像装置を同図中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４の方向に湾曲させ、かつ、同図中の二点鎖線Ｙ３−Ｙ４の方向に湾曲させた状態を示している。図１１（Ｂ２）は、図１１（Ｂ１）中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図１１（Ｂ３）は、図１１（Ｂ１）中の二点鎖線Ｙ３−Ｙ４で示した部位の断面図である。

撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた半導体装置などの小型化や軽量化を容易とすることができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。

なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。または、他の実施の形態において、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。または、本発明の一態様は、トランジスタの電気特性のばらつきや劣化を補正する機能を有していたり、補正する動作を行う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、本発明の一態様では、トランジスタの電気特性のばらつきや劣化を補正しなくてもよい。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成および実施例と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、画素回路の駆動方法の一例について説明する。

実施の形態１で説明した画素回路は、通常の撮像を行う第１の動作と、初期フレームの撮像データと現フレームの撮像データとの差分データを保持し、当該差分データに応じた信号を出力することができる第２の動作を行うことができる。第２の動作では、外部回路での比較処理などを行うことなく差分データを出力することができるため、低消費電力の防犯カメラなどへ適用することができる。

本発明の一態様の撮像装置は、図１２に示すようにマトリクス状に配置された回路１１を有する画素部４００と、回路１１に接続される行ドライバ４１０と、回路１１に接続される回路１２と、回路１２に接続されるＡ／Ｄ変換回路４２０と、Ａ／Ｄ変換回路４２０に接続される列ドライバ４３０を有する。

行ドライバ４１０により選択された回路１１で取得された撮像データは、回路１２を介してＡ／Ｄ変換回路４２０に入力される。Ａ／Ｄ変換回路４２０は、入力された撮像データをＡ／Ｄ変換によりデジタルデータに変換する。Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータは、列ドライバ４３０により、順次外部に取り出される。行ドライバ４１０と列ドライバ４３０には、例えば、デコーダやシフトレジスタ等の様々な回路を用いることができる。

次に、図１に示す回路における第１の動作について、図４０に示すタイミングチャートを用いて説明する。

時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ２において、配線２５（ＴＸ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２６（ＰＲ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２７（Ｗ）をＶｔｈより高い電位とする。このとき、ノードＦＤ１の電位は配線２２（ＶＰＲ）の電位、ノードＦＤ２の電位は配線２１（ＶＰＤ）の電位（すなわち、”ＧＮＤ”）に設定される（リセット動作）。

時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３において、配線２５（ＴＸ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２６（ＰＲ）を”ＧＮＤ”、配線２７（Ｗ）を−ＶＰＲより低い電位とする。ここで、フォトダイオード６０に照射する光に応じて、ノードＦＤ１およびノードＦＤ２の電位は低下する。時刻Ｔ３におけるノードＦＤ１の低下電位量をＶ１とすると、ノードＦＤ１の電位は、ＶＰＲ−Ｖ１となる。また、ノードＦＤ２の電位は、容量結合によりＶ２だけ減少し、ＧＮＤ−Ｖ２となる（蓄積動作）。なお、図１に示す回路構成では、フォトダイオード６０に照射する光が強い程、ノードＦＤ１およびノードＦＤ２の電位は低下する。

時刻Ｔ３乃至時刻Ｔ４において、配線２５（ＴＸ）を”ＧＮＤ”、配線２６（ＰＲ）を”ＧＮＤ”、配線２７（Ｗ）を−ＶＰＲより低い電位とすると、ノードＦＤ１およびノードＦＤ２の電位は保持される。

時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５において、配線３０（ＳＥ）をＶＰＩ＋Ｖｔｈより高い電位とすると、ノードＦＤ２の電位に応じて、出力端子（ＯＵＴ）に撮像データに対応する信号が出力される（選択動作）。以上によって、第１の動作を行うことができる。

次に、図１に示す回路における第２の動作について、図４１に示すタイミングチャートを用いて説明する。

時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ２において、配線２５（ＴＸ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２６（ＰＲ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２７（Ｗ）をＶｔｈより高い電位とする。このとき、ノードＦＤ１の電位は配線２２（ＶＰＲ）の電位、ノードＦＤ２の電位は配線２１（ＶＰＤ）の電位（すなわち、”ＧＮＤ”）に設定される。

時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３において、配線２５（ＴＸ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２６（ＰＲ）を”ＧＮＤ”、配線２７（Ｗ）をＶｔｈより高い電位とする。ここで、フォトダイオード６０に照射する光に応じて、ノードＦＤ１の電位は低下する。時刻Ｔ３におけるノードＦＤ１の低下電位量をＶ１とすると、ノードＦＤ１の電位は、ＶＰＲ−Ｖ１となる。なお、図１の回路構成においては、フォトダイオード６０に照射する光が強い程、ノードＦＤ１の電位は低下する。

時刻Ｔ３乃至時刻Ｔ４において、配線２５（ＴＸ）を”ＧＮＤ”、配線２６（ＰＲ）を”ＧＮＤ”、配線２７（Ｗ）をＶｔｈより高い電位とすると、ノードＦＤ１の電位は保持される。

時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５において、配線２５（ＴＸ）を”ＧＮＤ”、配線２６（ＰＲ）を”ＧＮＤ”、配線２７（Ｗ）を−ＶＰＲより低い電位とすると、ノードＦＤ１の電位およびノードＦＤ２の電位は保持される。

時刻Ｔ５乃至時刻Ｔ６において、配線２５（ＴＸ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２６（ＰＲ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２７（Ｗ）を−ＶＰＲより低い電位とすると、ノードＦＤ１の電位はＶ１だけ上昇し、ノードＦＤ２の電位は容量結合によりＶ２だけ上昇する。ここで、Ｖ１およびＶ２は、初期フレームの照度を反映する電位である。

時刻Ｔ６乃至時刻Ｔ７において、配線２５（ＴＸ）をＶＰＲ＋Ｖｔｈより高い電位、配線２６（ＰＲ）を”ＧＮＤ”、配線２７（Ｗ）を−ＶＰＲより低い電位とすると、フォトダイオード６０に照射する光に応じて、ノードＦＤ１およびノードＦＤ２の電位は低下する。時刻Ｔ６におけるノードＦＤ１の低下電位量をＶ１’とすると、ノードＦＤ１の電位は、ＶＰＲ−Ｖ１’となる。また、ノードＦＤ２の電位は容量結合によりＶ２’だけ減少し、ＶＰＤ＋Ｖ２−Ｖ２’となる。

時刻Ｔ７乃至時刻Ｔ８において、配線２５（ＴＸ）を”ＧＮＤ”、配線２６（ＰＲ）を”ＧＮＤ”、配線２７（Ｗ）を−ＶＰＲより低い電位とすると、ノードＦＤ１およびノードＦＤ２の電位は保持される。

時刻Ｔ８乃至時刻Ｔ９において、配線３０（ＳＥ）をＶＰＩ＋Ｖｔｈより高い電位とすると、ノードＦＤ２の電位に応じて、出力端子（ＯＵＴ）に撮像データに対応する信号が出力される。上記の形態では、信号出力時のノードＦＤ２の電位はＧＮＤ＋Ｖ２−Ｖ２’であることから、ＧＮＤが例えば０Ｖのとき、当該電位はＶ２−Ｖ２’となる。ここで、Ｖ２は初期フレームの照度を反映する電位であり、Ｖ２’は後のフレーム（現フレーム）における照度を反映する電位である。すなわち、初期フレームと現フレームとの差分を出力する第２の動作を行うことができる。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成および実施例と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態３）
本実施の形態では、画素回路の駆動方法の一例について説明する。

実施の形態２で説明したように、画素回路の動作は、リセット動作、蓄積動作、および選択動作の繰り返しである。画素マトリクス全体を制御する撮像方法としては、グローバルシャッタ方式とローリングシャッタ方式が知られている。

図１３（Ａ）は、グローバルシャッタ方式におけるタイミングチャートである。なお、当該タイミングチャートは、マトリクス状に複数の画素回路を有し、当該画素回路に図１の回路を有する撮像装置を例として、第１行目から第ｎ行目（ｎは３以上の自然数）の画素回路の動作を説明するものである。また、当該動作は、実施の形態２で説明した第１の動作を例として説明する。

図１３（Ａ）において、信号５０１、信号５０２、信号５０３は、第１行目、第２行目、第ｎ行目の各画素回路に接続された配線２６（ＰＲ）に入力される信号である。また、信号５０４、信号５０６、信号５０８は、第１行目、第２行目、第ｎ行目の各画素回路に接続された配線２５（ＴＸ）に入力される信号である。また、信号５０５、信号５０７、信号５０９は、第１行目、第２行目、第ｎ行目の各画素回路に接続された配線２９（ＰＳＷ）に入力される信号である。

また、期間５１０は、１回の撮像に要する期間である。また、期間５１１および期間５２０は、それぞれ、各行の画素回路が同じタイミングでリセット動作および蓄積動作を行う期間である。選択動作は各行の画素回路で順次行われる。一例として、期間５３１は、第１行目の画素回路が選択動作を行っている期間である。このように、グローバルシャッタ方式では、全画素回路で略同時にリセット動作および蓄積動作が行われ、１行毎に順次読み出し動作が行われる。

つまり、グローバルシャッタ方式では、全ての画素回路において蓄積動作が略同時に行われているため、各行の画素回路における撮像の同時性が確保される。したがって、被写体が動体であっても歪の小さい画像を取得することができる。

一方、図１３（Ｂ）は、ローリングシャッタ方式を用いた場合のタイミングチャートである。なお、信号５０１乃至５０９は図１３（Ａ）の説明を参照することができる。期間６１０は１回の撮像に要する期間である。期間６１１は、第１行目の画素がリセット動作を行う期間である。期間６１２は、第２行目の画素がリセット動作を行う期間である。期間６１３は、第ｎ行目の画素がリセット動作を行う期間である。期間６２１は、第１行目の画素が蓄積動作を行う期間である。期間６２２は、第２行目の画素が蓄積動作を行う期間である。期間６２３は、第ｎ行目の画素が蓄積動作を行う期間である。また、期間６３１は、１行目の画素回路が選択動作を行っている期間である。このように、ローリングシャッタ方式では、蓄積動作が全ての画素回路では同時に行われず、行毎に順次行われるため、各行の画素回路における撮像の同時性が確保されない。したがって、一行目と最終行目では撮像のタイミングが異なるため、被写体が動体である場合は歪の大きい画像となってしまう。

グローバルシャッタ方式を実現するためには、各画素からの信号の読み出しが順次終了するまで、電荷蓄積部（ノードＦＤ２）の電位を長時間保つ必要がある。電荷蓄積部（ノードＦＤ２）の電位の長時間の保持は、トランジスタ５５などにチャネル形成領域を酸化物半導体で形成した極めてオフ電流の低いトランジスタを用いることで実現できる。一方、トランジスタ５５などにチャネル形成領域をシリコンなどで形成したトランジスタを適用した場合は、オフ電流が高いために電荷蓄積部（ノードＦＤ２）の電位を長時間保持できず、グローバルシャッタ方式を用いることが困難となる。

以上のように、画素回路にチャネル形成領域を酸化物半導体で形成したトランジスタを用いることでグローバルシャッタ方式を容易に実現することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成および実施例と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体を有するトランジスタについて図面を用いて説明する。なお、本実施の形態における図面では、明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。

図１４（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタ１０１の上面図および断面図である。図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１−Ｂ２方向の断面が図１４（Ｂ）に相当する。また、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ３−Ｂ４方向の断面が図２０（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。

トランジスタ１０１は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４０および導電層１５０と、酸化物半導体層１３０、導電層１４０および導電層１５０と接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、導電層１４０、導電層１５０、絶縁層１６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０に平坦化膜としての機能を付加してもよい。

ここで、導電層１４０はソース電極層、導電層１５０はドレイン電極層、絶縁層１６０はゲート絶縁膜、導電層１７０はゲート電極層としてそれぞれ機能することができる。

また、図１４（Ｂ）に示す領域２３１はソース領域、領域２３２はドレイン領域、領域２３３はチャネル形成領域として機能することができる。領域２３１および領域２３２は導電層１４０および導電層１５０とそれぞれ接しており、例えば導電層１４０および導電層１５０として酸素と結合しやすい導電材料を用いれば領域２３１および領域２３２を低抵抗化することができる。

具体的には、酸化物半導体層１３０と導電層１４０および導電層１５０とが接することで酸化物半導体層１３０内に酸素欠損が生じ、当該酸素欠損と酸化物半導体層１３０内に残留または外部から拡散する水素との相互作用により、領域２３１および領域２３２は低抵抗のｎ型となる。

なお、トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。また、「電極層」は、「配線」と言い換えることもできる。

また、導電層１７０は、導電層１７１および導電層１７２の二層で形成される例を図示しているが、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。

また、導電層１４０および導電層１５０は単層で形成される例を図示しているが、二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。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図１５（Ａ）はトランジスタ１０２の上面図であり、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｃ１−Ｃ２方向の断面が図１５（Ｂ）に相当する。また、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ｃ３−Ｃ４方向の断面は、図２０（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。

トランジスタ１０２は、ゲート絶縁膜として作用する絶縁層１６０の端部とゲート電極層として作用する導電層１７０の端部とを一致させない点を除き、トランジスタ１０１と同様の構成を有する。トランジスタ１０２の構造は、導電層１４０および導電層１５０が絶縁層１６０で広く覆われているため、導電層１４０および導電層１５０と導電層１７０との間の抵抗が高く、ゲートリーク電流の少ない特徴を有している。

トランジスタ１０１およびトランジスタ１０２は、導電層１７０と導電層１４０および導電層１５０が重なる領域を有するトップゲート構造である。当該領域のチャネル長方向の幅は、寄生容量を小さくするために３ｎｍ以上３００ｎｍ未満とすることが好ましい。当該構成では、酸化物半導体層１３０にオフセット領域が形成されないため、オン電流の高いトランジスタを形成しやすい。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図１６（Ａ）はトランジスタ１０３の上面図であり、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ｄ１−Ｄ２方向の断面が図１６（Ｂ）に相当する。また、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ｄ３−Ｄ４方向の断面は、図２０（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。

トランジスタ１０３は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、酸化物半導体層１３０、絶縁層１６０および導電層１７０を覆う絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４０および導電層１５０を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４０および導電層１５０に接する絶縁層（平坦化膜）などを有していてもよい。

ここで、導電層１４０はソース電極層、導電層１５０はドレイン電極層、絶縁層１６０はゲート絶縁膜、導電層１７０はゲート電極層としてそれぞれ機能することができる。

また、図１６（Ｂ）に示す領域２３１はソース領域、領域２３２はドレイン領域、領域２３３はチャネル形成領域として機能することができる。領域２３１および領域２３２は絶縁層１７５と接しており、例えば絶縁層１７５として水素を含む絶縁材料を用いれば領域２３１および領域２３２を低抵抗化することができる。

具体的には、絶縁層１７５を形成するまでの工程により領域２３１および領域２３２に生じる酸素欠損と、絶縁層１７５から領域２３１および領域２３２に拡散する水素との相互作用により、領域２３１および領域２３２は低抵抗のｎ型となる。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。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図１７（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図１７（Ａ）はトランジスタ１０４の上面図であり、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ１−Ｅ２方向の断面が図１７（Ｂ）に相当する。また、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ３−Ｅ４方向の断面は、図２０（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。

トランジスタ１０４は、導電層１４０および導電層１５０が酸化物半導体層１３０の端部を覆うように接している点を除き、トランジスタ１０３と同様の構成を有する。

また、図１７（Ｂ）に示す領域３３１および領域３３４はソース領域、領域３３２および領域３３５はドレイン領域、領域３３３はチャネル形成領域として機能することができる。

領域３３１および領域３３２は、トランジスタ１０１における領域２３１および領域２３２と同様に低抵抗化することができる。

また、領域３３４および領域３３５は、トランジスタ１０３における領域２３１および領域２３２と同様に低抵抗化することができる。なお、チャネル長方向における領域３３４および領域３３５の長さが１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下の場合には、ゲート電界の寄与によりオン電流は大きく低下しない。したがって、領域３３４および領域３３５の低抵抗化を行わない場合もある。

トランジスタ１０３およびトランジスタ１０４は、導電層１７０と導電層１４０および導電層１５０が重なる領域を有さないセルフアライン構造である。セルフアライン構造のトランジスタはゲート電極層とソース電極層およびドレイン電極層間の寄生容量が極めて小さいため、高速動作用途に適している。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図１８（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図１８（Ａ）はトランジスタ１０５の上面図であり、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ｆ１−Ｆ２方向の断面が図１８（Ｂ）に相当する。また、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ｆ３−Ｆ４方向の断面は、図２０（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。

トランジスタ１０５は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４１および導電層１５１と、酸化物半導体層１３０、導電層１４１、導電層１５１と接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、酸化物半導体層１３０、導電層１４１、導電層１５１、絶縁層１６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて導電層１４１および導電層１５１とそれぞれ電気的に接続する導電層１４２および導電層１５２を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４２および導電層１５２に接する絶縁層などを有していてもよい。

ここで、導電層１４１および導電層１５１は、酸化物半導体層１３０の上面と接し、側面には接しない構成となっている。

トランジスタ１０５は、導電層１４１および導電層１５１を有する点、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を有する点、ならびに当該開口部を通じて導電層１４１および導電層１５１とそれぞれ電気的に接続する導電層１４２および導電層１５２を有する点を除き、トランジスタ１０１と同様の構成を有する。導電層１４０（導電層１４１および導電層１４２）はソース電極層として作用させることができ、導電層１５０（導電層１５１および導電層１５２）はドレイン電極層として作用させることができる。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図１９（Ａ）はトランジスタ１０６の上面図であり、図１９（Ａ）に示す一点鎖線Ｇ１−Ｇ２方向の断面が図１９（Ｂ）に相当する。また、図１９（Ａ）に示す一点鎖線Ｇ３−Ｇ４方向の断面は、図２０（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。

トランジスタ１０６は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４１および導電層１５１と、酸化物半導体層１３０と接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、絶縁層１２０、酸化物半導体層１３０、導電層１４１、導電層１５１、絶縁層１６０、導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて導電層１４１および導電層１５１とそれぞれ電気的に接続する導電層１４２および導電層１５２を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４２および導電層１５２に接する絶縁層（平坦化膜）などを有していてもよい。

ここで、導電層１４１および導電層１５１は、酸化物半導体層１３０の上面と接し、側面には接しない構成となっている。

トランジスタ１０６は、導電層１４１および導電層１５１を有する点を除き、トランジスタ１０３と同様の構成を有する。導電層１４０（導電層１４１および導電層１４２）はソース電極層として作用させることができ、導電層１５０（導電層１５１および導電層１５２）はドレイン電極層として作用させることができる。

トランジスタ１０５およびトランジスタ１０６の構成では、導電層１４０および導電層１５０が絶縁層１２０と接しない構成であるため、絶縁層１２０中の酸素が導電層１４０および導電層１５０に奪われにくくなり、絶縁層１２０から酸化物半導体層１３０中への酸素の供給を容易とすることができる。

トランジスタ１０３における領域２３１および領域２３２、トランジスタ１０４およびトランジスタ１０６における領域３３４および領域３３５には、酸素欠損を形成し導電率を高めるための不純物を添加してもよい。酸化物半導体層に酸素欠損を形成する不純物としては、例えば、リン、砒素、アンチモン、ホウ素、アルミニウム、シリコン、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、インジウム、フッ素、塩素、チタン、亜鉛、および炭素のいずれかから選択される一つ以上を用いることができる。当該不純物の添加方法としては、プラズマ処理法、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。

不純物元素として、上記元素が酸化物半導体層に添加されると、酸化物半導体層中の金属元素および酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸化物半導体層に含まれる酸素欠損と酸化物半導体層中に残存または後から添加される水素の相互作用により、酸化物半導体層の導電率を高くすることができる。

不純物元素の添加により酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、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。

酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致していると推定される。このため、酸化物導電体層とソース電極層およびドレイン電極層として機能する導電層との接触はオーミック接触であり、酸化物導電体層とソース電極層およびドレイン電極層として機能する導電層との接触抵抗を低減することができる。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図２１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に示すチャネル長方向の断面図、ならびに図２０（Ｃ）、（Ｄ）に示すチャネル幅方向の断面図のように、酸化物半導体層１３０と基板１１５との間に導電層１７３を備えていてもよい。導電層１７３を第２のゲート電極層（バックゲート）として用いることで、オン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。なお、図２１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に示す断面図において、導電層１７３の幅を酸化物半導体層１３０よりも短くしてもよい。さらに、導電層１７３の幅を導電層１７０の幅よりも短くしてもよい。

オン電流を増加させるには、例えば、導電層１７０と導電層１７３を同電位とし、ダブルゲートトランジスタとして駆動させればよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、導電層１７０とは異なる定電位を導電層１７３に供給すればよい。導電層１７０と導電層１７３を同電位とするには、例えば、図２０（Ｄ）に示すように、導電層１７０と導電層１７３とをコンタクトホールを介して電気的に接続すればよい。

また、図１４乃至図１９におけるトランジスタ１０１乃至トランジスタ１０６では、酸化物半導体層１３０が単層である例を図示したが、酸化物半導体層１３０は積層であってもよい。トランジスタ１０１乃至トランジスタ１０６の酸化物半導体層１３０は、図２２または図２３に示す酸化物半導体層１３０と入れ替えることができる。

図２２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、二層構造である酸化物半導体層１３０の上面図および断面図である。図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２方向の断面が図２２（Ｂ）に相当する。また、図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４方向の断面が図２２（Ｃ）に相当する。

また、図２３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、三層構造である酸化物半導体層１３０の上面図および断面図である。図２３（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２方向の断面が図２３（Ｂ）に相当する。また、図２３（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４方向の断面が図２３（Ｃ）に相当する。

酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃには、それぞれ組成の異なる酸化物半導体層などを用いることができる。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図２４（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図２４（Ａ）はトランジスタ１０７の上面図であり、図２４（Ａ）に示す一点鎖線Ｈ１−Ｈ２方向の断面が図２４（Ｂ）に相当する。また、図２４（Ａ）に示す一点鎖線Ｈ３−Ｈ４方向の断面が図３０（Ａ）に相当する。また、一点鎖線Ｈ１−Ｈ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｈ３−Ｈ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。

トランジスタ１０７は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂからなる積層と、当該積層と電気的に接続する導電層１４０および導電層１５０と、当該積層、導電層１４０および導電層１５０と接する酸化物半導体層１３０ｃと、酸化物半導体層１３０ｃと接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、導電層１４０、導電層１５０、酸化物半導体層１３０ｃ、絶縁層１６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０に平坦化膜としての機能を付加してもよい。

トランジスタ１０７は、領域２３１および領域２３２において酸化物半導体層１３０が二層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域２３３において酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）である点、および導電層１４０および導電層１５０と絶縁層１６０との間に酸化物半導体層の一部（酸化物半導体層１３０ｃ）が介在している点を除き、トランジスタ１０１と同様の構成を有する。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図２５（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図２５（Ａ）はトランジスタ１０８の上面図であり、図２５（Ａ）に示す一点鎖線Ｉ１−Ｉ２方向の断面が図２５（Ｂ）に相当する。また、図２５（Ａ）に示す一点鎖線Ｉ３−Ｉ４方向の断面が図３０（Ｂ）に相当する。また、一点鎖線Ｉ１−Ｉ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｉ３−Ｉ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。

トランジスタ１０８は、絶縁層１６０および酸化物半導体層１３０ｃの端部が導電層１７０の端部と一致しない点がトランジスタ１０７と異なる。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図２６（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図２６（Ａ）はトランジスタ１０９の上面図であり、図２６（Ａ）に示す一点鎖線Ｊ１−Ｊ２方向の断面が図２６（Ｂ）に相当する。また、図２６（Ａ）に示す一点鎖線Ｊ３−Ｊ４方向の断面が図３０（Ａ）に相当する。また、一点鎖線Ｊ１−Ｊ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｊ３−Ｊ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。

トランジスタ１０９は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂからなる積層と、当該積層と接する酸化物半導体層１３０ｃと、酸化物半導体層１３０ｃと接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、当該積層、酸化物半導体層１３０ｃ、絶縁層１６０および導電層１７０を覆う絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて当該積層と電気的に接続する導電層１４０および導電層１５０を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４０および導電層１５０に接する絶縁層（平坦化膜）などを有していてもよい。

トランジスタ１０９は、領域２３１および領域２３２において酸化物半導体層１３０が二層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域２３３において酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）である点を除き、トランジスタ１０３と同様の構成を有する。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図２７（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図２７（Ａ）はトランジスタ１１０の上面図であり、図２７（Ａ）に示す一点鎖線Ｋ１−Ｋ２方向の断面が図２７（Ｂ）に相当する。また、図２７（Ａ）に示す一点鎖線Ｋ３−Ｋ４方向の断面が図３０（Ａ）に相当する。また、一点鎖線Ｋ１−Ｋ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｋ３−Ｋ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。

トランジスタ１１０は、領域２３１および領域２３２において酸化物半導体層１３０が二層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域２３３において酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）である点を除き、トランジスタ１０４と同様の構成を有する。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図２８（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図２８（Ａ）はトランジスタ１１１の上面図であり、図２８（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ２方向の断面が図２８（Ｂ）に相当する。また、図２８（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ３−Ｌ４方向の断面が図３０（Ａ）に相当する。また、一点鎖線Ｌ１−Ｌ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｌ３−Ｌ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。

トランジスタ１１１は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂからなる積層と、当該積層と電気的に接続する導電層１４１および導電層１５１と、当該積層、導電層１４１および導電層１５１と接する酸化物半導体層１３０ｃと、酸化物半導体層１３０ｃと接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、当該積層、導電層１４１、導電層１５１、酸化物半導体層１３０ｃ、絶縁層１６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、絶縁層１７５および絶縁層１８０に設けられた開口部を通じて導電層１４１および導電層１５１とそれぞれ電気的に接続する導電層１４２および導電層１５２を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０、導電層１４２および導電層１５２に接する絶縁層（平坦化膜）などを有していてもよい。

トランジスタ１１１は、領域２３１および領域２３２において酸化物半導体層１３０が二層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域２３３において酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）である点、および導電層１４１および導電層１５１と絶縁層１６０との間に酸化物半導体層の一部（酸化物半導体層１３０ｃ）が介在している点を除き、トランジスタ１０５と同様の構成を有する。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図２９（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図２９（Ａ）はトランジスタ１１２の上面図であり、図２９（Ａ）に示す一点鎖線Ｍ１−Ｍ２方向の断面が図２９（Ｂ）に相当する。また、図２９（Ａ）に示す一点鎖線Ｍ３−Ｍ４方向の断面が図３０（Ａ）に相当する。また、一点鎖線Ｍ１−Ｍ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｍ３−Ｍ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。

トランジスタ１１２は、領域３３１、領域３３２、領域３３４および領域３３５において酸化物半導体層１３０が二層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ）である点、領域３３３において酸化物半導体層１３０が三層（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）である点を除き、トランジスタ１０６と同様の構成を有する。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図３１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に示すチャネル長方向の断面図、ならびに図３０（Ｃ）、（Ｄ）に示すチャネル幅方向の断面図のように、酸化物半導体層１３０と基板１１５との間に導電層１７３を備えていてもよい。当該導電層を第２のゲート電極層（バックゲート）として用いることで、オン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。なお、図３１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に示す断面図において、導電層１７３の幅を酸化物半導体層１３０よりも短くしてもよい。さらに、導電層１７３の幅を導電層１７０の幅よりも短くしてもよい。

また、本発明の一態様のトランジスタにおける導電層１４０（ソース電極層）および導電層１５０（ドレイン電極層）は、図３２（Ａ）に示すように、導電層１４０および導電層１５０の幅（Ｗ_ＳＤ）は、酸化物半導体層１３０の幅（Ｗ_ＯＳ）よりも長く形成されていてもよい。また、図３２（Ｂ）に示すように、Ｗ_ＳＤはＷ_ＯＳよりも短く形成されていてもよい。Ｗ_ＯＳ≧Ｗ_ＳＤ（Ｗ_ＳＤはＷ_ＯＳ以下）とすることで、ゲート電界が酸化物半導体層１３０全体にかかりやすくなり、トランジスタの電気特性を向上させることができる。

本発明の一態様のトランジスタ（トランジスタ１０１乃至トランジスタ１１２）では、いずれの構成においても、ゲート電極層である導電層１７０は、ゲート絶縁膜である絶縁層１６０を介して酸化物半導体層１３０のチャネル幅方向を電気的に取り囲み、オン電流が高められる。このようなトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。

また、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂを有するトランジスタ、ならびに酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃを有するトランジスタにおいては、酸化物半導体層１３０を構成する二層または三層の材料を適切に選択することで酸化物半導体層１３０ｂに電流を流すことができる。酸化物半導体層１３０ｂに電流が流れることで、界面散乱の影響を受けにくく、高いオン電流を得ることができる。なお、酸化物半導体層１３０ｂを厚くすると、オン電流を向上させることができる。例えば、酸化物半導体層１３０ｂの膜厚を１００ｎｍ乃至２００ｎｍとしてもよい。

以上の構成のトランジスタを用いることにより、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。

なお、本明細書において、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。

また、チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。

このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。

そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像を解析することなどによって、値を決定することができる。

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成および実施例と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態５）
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。

基板１１５は、トランジスタおよび／またはフォトダイオードが形成されたシリコン基板、および当該シリコン基板上に絶縁層、配線、コンタクトプラグとして機能を有する導電体等が形成されたものである。なお、シリコン基板にｐ−ｃｈ型のトランジスタを形成する場合、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。

絶縁層１２０は、基板１１５に含まれる要素からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体層１３０に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁層１２０は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。絶縁層１２０は、ＴＤＳ法で測定した酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度は１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲とする。絶縁層１２０は層間絶縁膜としての機能も有し、表面が平坦になるようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行ってもよい。

例えば、絶縁層１２０には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、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などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いることができる。また、上記材料の積層であってもよい。

本実施の形態では、トランジスタが有する酸化物半導体層１３０が酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃを絶縁層１２０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。

なお、酸化物半導体層１３０が単層の場合は、本実施の形態に示す、酸化物半導体層１３０ｂに相当する層を用いればよい。

また、酸化物半導体層１３０が二層の場合は、本実施の形態に示す、酸化物半導体層１３０ａに相当する層および酸化物半導体層１３０ｂに相当する層を絶縁層１２０側から順に積んだ積層を用いればよい。この構成の場合、酸化物半導体層１３０ａと酸化物半導体層１３０ｂとを入れ替えることもできる。

また、酸化物半導体層１３０が四層以上である場合は、例えば、本実施の形態で説明する三層構造の酸化物半導体層１３０に対して他の酸化物半導体層を付加する構成とすることができる。

一例としては、酸化物半導体層１３０ｂには、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃよりも電子親和力（真空準位から伝導帯下端までのエネルギー）が大きい酸化物半導体を用いる。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。

酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂを構成する金属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層１３０ｂ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で形成することが好ましい。

このような構造において、導電層１７０に電界を印加すると、酸化物半導体層１３０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層１３０ｂにチャネルが形成される。

また、酸化物半導体層１３０ａは、酸化物半導体層１３０ｂを構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、酸化物半導体層１３０ｂと絶縁層１２０が接した場合の界面と比較して、酸化物半導体層１３０ｂと酸化物半導体層１３０ａ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、酸化物半導体層１３０ａを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧など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。

また、酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂを構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、酸化物半導体層１３０ｂとゲート絶縁膜（絶縁層１６０）が接した場合の界面と比較して、酸化物半導体層１３０ｂと酸化物半導体層１３０ｃ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、酸化物半導体層１３０ｃ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。

酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃには、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆを酸化物半導体層１３０ｂ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層に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂよりも酸素欠損が生じにくいということができる。

また、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃとして用いることのできる酸化物半導体は、少なくともＩｎもしくはＺｎを含むことが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。

スタビライザーとしては、Ｇａ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ａｌ、または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Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等がある。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ガリウム、酸化亜鉛、Ｉｎ−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、Ｉｎ−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。

ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として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。

また、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。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、Ｉｎ_２ＳｎＯ_５（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。

酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃが、少なくともインジウム、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、酸化物半導体層１３０ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１［原子数比］、酸化物半導体層１３０ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_２：ｙ_２：ｚ_２［原子数比］、酸化物半導体層１３０ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_３：ｙ_３：ｚ_３［原子数比］とすると、ｙ_１／ｘ_１およびｙ_３／ｘ_３がｙ_２／ｘ_２よりも大きくなることが好ましい。ｙ_１／ｘ_１およびｙ_３／ｘ_３はｙ_２／ｘ_２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、酸化物半導体層１３０ｂにおいて、ｙ_２がｘ_２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、ｙ_２がｘ_２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、ｙ_２はｘ_２の３倍未満であることが好ましい。

酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃにおけるＺｎおよびＯを除いた場合において、ＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、酸化物半導体層１３０ｂ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％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。

また、酸化物半導体層１３０ｂは、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃよりもイ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よりも多い酸化物はＩｎがＭと同等または少ない酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層１３０ｂ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。

酸化物半導体層１３０ａの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以上２５ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１３０ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１３０ｃの厚さは、１ｎｍ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、酸化物半導体層１３０ｂは、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃより厚い方が好ましい。

酸化物半導体層をチャネルとするトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体層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、酸化物半導体層のキャリア密度が、１×１０^１７／ｃｍ^３未満であること、１×１０^１５／ｃｍ^３未満であること、あるいは１×１０^１３／ｃｍ^３未満であることとする。

また、酸化物半導体層において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属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層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、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃ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。

酸化物半導体層を真性または実質的に真性とするためには、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析で見積もられるシリコン濃度が１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満となる領域を有するように制御する。また、水素濃度が、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下になる領域を有するように制御する。また、窒素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

シリコンや炭素が高濃度で含まれると、酸化物半導体層の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層の結晶性を低下させないためには、例えばシリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満になる領域を有するように制御する。また、炭素濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満になる領域を有するように制御する。

また、上述のように高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を０．１Ｖ、５Ｖ、または、１０Ｖ程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅当たりのオフ電流を数ｙＡ／μｍ乃至数ｚＡ／μｍにまで低減することが可能となる。

トランジスタのゲート絶縁膜としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるため、上記理由により酸化物半導体層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層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。このような観点からも、酸化物半導体層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。

したがって、酸化物半導体層１３０を酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃの積層構造とすることで、酸化物半導体層１３０ｂ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。

酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃのバンド構造においては、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ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、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ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。

主成分を共通として積層された酸化物半導体層１３０は、各層を単に積層するのではなく連続接合（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層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。

例えば、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃにはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、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）などのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。また、酸化物半導体層１３０ｂにはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、２：１：３、５：５：６、または３：１：２（原子数比）などのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。なお、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃ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２０％の変動を含む。

酸化物半導体層１３０における酸化物半導体層１３０ｂはウェル（井戸）となり、チャネルは酸化物半導体層１３０ｂに形成される。なお、酸化物半導体層１３０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。

また、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃと、酸化シリコン膜などの絶縁層との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃがあることにより、酸化物半導体層１３０ｂと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。

ただし、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃの伝導帯下端のエネルギーと、酸化物半導体層１３０ｂの伝導帯下端のエネルギーとの差が小さい場合、酸化物半導体層１３０ｂ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、絶縁層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。

酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃには、結晶部が含まれることが好ましい。特にｃ軸に配向した結晶を用いることでトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。また、ｃ軸に配向した結晶は歪曲に強く、フレキシブル基板を用いた半導体装置の信頼性を向上させることができる。

ソース電極層として作用する導電層１４０およびドレイン電極層として作用する導電層１５０には、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｓｃ、および当該金属材料の合金から選ばれた材料の単層、または積層を用いることができる。代表的には、特に酸素と結合しやすいＴｉや、後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の高いＷを用いることがより好ましい。また、低抵抗のＣｕやＣｕ−Ｍｎなどの合金と上記材料との積層を用いてもよい。トランジスタ１０５、トランジスタ１０６、トランジスタ１１１、トランジスタ１１２においては、例えば、導電層１４１および導電層１５１にＷ、導電層１４２および導電層１５２にＴｉとＡｌとの積層膜などを用いることができる。

上記材料は酸化物半導体層から酸素を引き抜く性質を有する。そのため、上記材料と接した酸化物半導体層の一部の領域では酸化物半導体層中の酸素が脱離し、酸素欠損が形成される。層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ｎ型化する。したがって、ｎ型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインとして作用させることができる。

また、導電層１４０および導電層１５０にＷを用いる場合には、窒素をドーピングしてもよい。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、導電層１４０および導電層１５０をｎ型の半導体層との積層とし、ｎ型の半導体層と酸化物半導体層を接触させることによってもｎ型化した領域がチャネル領域まで拡大することを防ぐことができる。ｎ型の半導体層としては、窒素が添加されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズなどを用いることができる。

ゲート絶縁膜として作用する絶縁層１６０には、酸化アルミニウム、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、絶縁層１６０は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁層１６０に、Ｌａ、窒素、Ｚｒなどを、不純物として含んでいてもよい。

また、絶縁層１６０の積層構造の一例について説明する。絶縁層１６０は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。

酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いる場合よりも膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。

また、酸化物半導体層１３０と接する絶縁層１２０および絶縁層１６０は、窒素酸化物の放出量の少ない膜を用いることが好ましい。絶縁層１２０および絶縁層１６０には、例えば、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜または酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。

窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、ＴＤＳ法において、窒素酸化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１×１０^１８個／ｃｍ^３以上５×１０^１９個／ｃｍ^３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。

絶縁層１２０および絶縁層１６０として、上記酸化物絶縁層を用いることで、トラン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。

ゲート電極層として作用する導電層１７０には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｓｃ、ＴａおよびＷなどの導電膜を用いることができる。また、上記材料の合金や上記材料の導電性窒化物を用いてもよい。また、上記材料、上記材料の合金、および上記材料の導電性窒化物から選ばれた複数の材料の積層であってもよい。代表的には、タングステン、タングステンと窒化チタンの積層、タングステンと窒化タンタルの積層などを用いることができる。また、低抵抗のＣｕまたはＣｕ−Ｍｎなどの合金や上記材料とＣｕまたはＣｕ−Ｍｎなどの合金との積層を用いてもよい。本実施の形態では、導電層１７１に窒化タンタル、導電層１７２にタングステンを用いて導電層１７０を形成する。

絶縁層１７５には、水素を含む窒化シリコン膜または窒化アルミニウム膜などを用いることができる。実施の形態４に示したトランジスタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０６、トランジスタ１０９、トランジスタ１１０、およびトランジスタ１１２では、絶縁層１７５として水素を含む絶縁膜を用いることで酸化物半導体層の一部をｎ型化することができる。また、窒化絶縁膜は水分などのブロッキング膜としての作用も有し、トランジスタの信頼性を向上させることができる。

また、絶縁層１７５としては酸化アルミニウム膜を用いることもできる。特に、実施の形態４に示したトランジスタ１０１、トランジスタ１０２、トランジスタ１０５、トランジスタ１０７、トランジスタ１０８、およびトランジスタ１１１では絶縁層１７５に酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物の酸化物半導体層１３０への混入防止、酸素の酸化物半導体層からの放出防止、絶縁層１２０からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体層中に拡散させることもできる。

また、絶縁層１７５上には絶縁層１８０が形成されていることが好ましい。当該絶縁層には、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、当該絶縁層は上記材料の積層であってもよい。

ここで、絶縁層１８０は絶縁層１２０と同様に化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。絶縁層１８０から放出される酸素は絶縁層１６０を経由して酸化物半導体層１３０のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。

半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタ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は低下する。

本発明の一態様のトランジスタ１０７乃至トランジスタ１１２では、チャネルが形成される酸化物半導体層１３０ｂを覆うように酸化物半導体層１３０ｃが形成されており、チャネル形成層とゲート絶縁膜が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成層とゲート絶縁膜との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。

また、本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように酸化物半導体層１３０のチャネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層（導電層１７０）が形成されているため、酸化物半導体層１３０に対しては上面に垂直な方向からのゲート電界に加えて、側面に垂直な方向からのゲート電界が印加される。すなわち、チャネル形成層に対して全体的にゲート電界が印加されることになり実効チャネル幅が拡大するため、さらにオン電流を高められる。

また、本発明の一態様における酸化物半導体層１３０が二層または三層のトランジスタでは、チャネルが形成される酸化物半導体層１３０ｂを酸化物半導体層１３０ａ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層１３０が三層のトランジスタでは、酸化物半導体層１３０ｂ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などを併せて有する。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）の低減をはかることができる。したがって、ゲート電圧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。

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成および実施例と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態４で説明したトランジスタ１０１、トランジスタ１０７およびトランジスタ１１１の作製方法を説明する。

まず、基板１１５に含まれるシリコントランジスタの作製方法を説明する。ここでは、一例として、ｐ−ｃｈ型トランジスタの作製方法を説明する。シリコン基板としては、ｎ⁻型の単結晶シリコン基板を用い、表面に絶縁層（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。素子形成領域の形成は、ＬＯＣＯＳ法（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＳＴＩ法（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等を用いることができる。

ここで基板は単結晶シリコン基板に限らず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等を用いることもできる。

次に、素子形成領域を覆うようにゲート絶縁膜を形成する。例えば、熱処理を行い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。また、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てもよい。

次に、ゲート絶縁膜を覆うように導電膜を形成する。導電膜としては、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、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。

次に、導電膜を選択的にエッチングすることによって、ゲート絶縁膜上にゲート電極層を形成する。

次に、ゲート電極層を覆うように酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の絶縁膜を形成し、エッチバックを行ってゲート電極層の側面にサイドウォールを形成する。

次に、素子形成領域以外を覆うようにレジストマスクを選択的に形成し、当該レジストマスクおよびゲート電極層をマスクとして不純物元素を導入することによってｐ^＋型の不純物領域を形成する。ここでは、ｐ−ｃｈ型のトランジスタを形成するため、不純物元素としては、ｐ型を付与する不純物元素であるＢやＧａ等を用いることができる。

以上でシリコン基板に活性領域を有するｐ−ｃｈ型のトランジスタが完成する。なお、当該トランジスタ上には窒化シリコン膜や酸化アルミニウム膜などのパッシベーション膜を形成することが好ましい。

次に、トランジスタを形成したシリコン基板上に層間絶縁膜を形成し、各種コンタクトプラグおよび各種配線を形成する。

続いて、図３３および図３４を用いてトランジスタ１０１の作製方法を説明する。なお、図面の左側にはトランジスタのチャネル長方向の断面を示し、右側にはチャネル幅方向の断面を示す。また、チャネル幅方向の図面は拡大図のため、各要素の見かけ上の膜厚は左右の図面で異なる。

酸化物半導体層１３０は、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃの三層構造である場合を例示する。酸化物半導体層１３０が二層構造の場合は、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂの二層とすればよい。また、酸化物半導体層１３０が単層構造の場合は、酸化物半導体層１３０ｂの一層とすればよい。

まず、基板１１５上に絶縁層１２０を形成する。基板１１５の種類および絶縁層１２０の材質は実施の形態５の説明を参照することができる。絶縁層１２０は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いて形成することができる。

また、絶縁層１２０にイオン注入法、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、プラズマ処理法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加することによって、絶縁層１２０から酸化物半導体層１３０への酸素の供給をさらに容易にすることができる。

基板１１５の表面が絶縁体であり、後に設ける酸化物半導体層１３０への不純物拡散の影響が無い場合は、絶縁層１２０を設けない構成とすることができる。

次に、絶縁層１２０上に酸化物半導体層１３０ａとなる酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体層１３０ｂとなる酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃとなる酸化物半導体膜１３０Ｃをスパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いて成膜する（図３３（Ａ）参照）。

酸化物半導体層１３０が積層構造である場合、酸化物半導体膜はロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（例えばスパッタ装置）を用いて各層を大気に触れさせることなく連続して積層することが好ましい。スパッタ装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０^−７Ｐａ乃至１×１０^−４Ｐａ程度まで）できること、かつ、基板を１００℃以上、好ましくは５００℃以上に加熱できることが好ましい。ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。ターボ分子ポンプとクライオポンプを組み合わせた排気系を用いてもよい。

高純度真性酸化物半導体を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタガスを高純度化することが好ましい。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下にまで高純度化することで酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体膜１３０Ｃには、実施の形態５で説明した材料を用いることができる。成膜法にスパッタ法を用いる場合は、実施の形態５で説明した材料をターゲットとして成膜することができる。

ただし、実施の形態５に詳細を記したように、酸化物半導体膜１３０Ｂには酸化物半導体膜１３０Ａおよび酸化物半導体膜１３０Ｃよりも電子親和力が大きい材料を用いる。

酸化物半導体膜の成膜には、スパッタ法を用いることが好ましい。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法等を用いることができる。

酸化物半導体膜１３０Ｃの形成後に、第１の加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。第１の加熱処理によって、酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体膜１３０Ｃの結晶性を高め、さらに絶縁層１２０、酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体膜１３０Ｃから水素や水などの不純物を除去することができる。なお、第１の加熱処理は、後述する酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃを形成するエッチングの後に行ってもよい。

次に、酸化物半導体膜１３０Ｃ上に導電層を形成する。導電層は、例えば、次の方法を用いて形成することができる。

まず、酸化物半導体膜１３０Ｃ上に第１の導電膜を形成する。第１の導電膜としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｓｃ、および当該金属材料の合金から選ばれた材料の単層、または積層を用いることができる。

次に、第１の導電膜上にレジスト膜を形成し、当該レジスト膜に対して電子ビーム露光、液浸露光、ＥＵＶ露光などの方法を用いて露光し、現像処理を行うことで第１のレジストマスクを形成する。なお、第１の導電膜とレジスト膜の間には密着剤として有機塗布膜を形成することが好ましい。また、ナノインプリントリソグラフィ法を用いて第１のレジストマスクを形成してもよい。

次に、第１のレジストマスクを用いて、第１の導電膜を選択的にエッチングし、第１のレジストマスクをアッシングすることにより導電層を形成する。

次に、上記導電層をハードマスクとして用い、酸化物半導体膜１３０Ａ、酸化物半導体膜１３０Ｂ、および酸化物半導体膜１３０Ｃを選択的にエッチングして上記導電層を取り除き、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃの積層からなる酸化物半導体層１３０を形成する（図３３（Ｂ）参照）。なお、上記導電層を形成せずに、第１のレジストマスクを用いて酸化物半導体層１３０を形成してもよい。ここで、酸化物半導体層１３０に対して酸素イオンを注入してもよい。

次に、酸化物半導体層１３０を覆うように第２の導電膜を形成する。第２の導電膜としては、実施の形態５で説明した導電層１４０および導電層１５０に用いることのできる材料で形成すればよい。第２の導電膜の形成には、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いることができる。

次に、ソース領域およびドレイン領域となる部分の上に第２のレジストマスクを形成する。そして、第２の導電膜の一部をエッチングし、導電層１４０および導電層１５０を形成する（図３３（Ｃ）参照）。

次に、酸化物半導体層１３０、導電層１４０および導電層１５０上に絶縁膜１６０Ａを形成する。絶縁膜１６０Ａは、実施の形態５で説明した絶縁層１６０に用いることのできる材料で形成すればよい。絶縁膜１６０Ａの形成には、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いることができる。

次に、第２の加熱処理を行ってもよい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第２の加熱処理により、絶縁層１２０から酸素を酸化物半導体層１３０の全体に拡散させることができる。なお、第２の加熱処理を行わずに、第３の加熱処理で上記効果を得てもよい。

次に、絶縁膜１６０Ａ上に導電層１７０となる第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜１７２Ａを形成する。第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜１７２Ａは、実施の形態５で説明した導電層１７１および導電層１７２に用いることのできる材料で形成すればよい。第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜１７２Ａの形成には、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いることができる。

次に、第４の導電膜１７２Ａ上に第３のレジストマスク１５６を形成する（図３４（Ａ）参照）。そして、第３のレジストマスク１５６を用いて、第３の導電膜１７１Ａ、第４の導電膜１７２Ａおよび絶縁膜１６０Ａを選択的にエッチングし、導電層１７１および導電層１７２からなる導電層１７０、および絶縁層１６０を形成する（図３４（Ｂ）参照）。なお、絶縁膜１６０Ａをエッチングしない構造とすれば、トランジスタ１０２を作製することができる。

次に、酸化物半導体層１３０、導電層１４０、導電層１５０、絶縁層１６０および導電層１７０上に絶縁層１７５を形成する。絶縁層１７５の材質は、実施の形態５の説明を参照することができる。トランジスタ１０１の場合は、酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。絶縁層１７５は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などで形成することができる。

次に、絶縁層１７５上に絶縁層１８０を形成する（図３４（Ｃ）参照）。絶縁層１８０の材質は、実施の形態５の説明を参照することができる。また、絶縁層１８０は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などで形成することができる。

また、絶縁層１７５および／または絶縁層１８０にイオン注入法、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、プラズマ処理法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加することによって、絶縁層１７５および／または絶縁層１８０から酸化物半導体層１３０への酸素の供給をさらに容易にすることができる。

次に、第３の加熱処理を行ってもよい。第３の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第３の加熱処理により、絶縁層１２０、絶縁層１７５、絶縁層１８０から過剰酸素が放出されやすくなり、酸化物半導体層１３０の酸素欠損を低減することができる。

次に、トランジスタ１０７の作製方法について説明する。なお、上述したトランジスタ１０２の作製方法と重複する工程の詳細な説明は省略する。

基板１１５上に絶縁層１２０を形成し、当該絶縁層上に酸化物半導体層１３０ａとなる酸化物半導体膜１３０Ａ、および酸化物半導体層１３０ｂとなる酸化物半導体膜１３０Ｂをスパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いて成膜する（図３５（Ａ）参照）。

次に、第１の導電膜を酸化物半導体膜１３０Ｂ上に形成し、前述した方法と同様に第１のレジストマスクを用いて導電層を形成する。そして、当該導電層をハードマスクとして酸化物半導体膜１３０Ａおよび酸化物半導体膜１３０Ｂを選択的にエッチングし、上記導電層を取り除いて酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂからなる積層を形成する（図３５（Ｂ）参照）。なお、ハードマスクを形成せずに、第１のレジストマスクを用いて当該積層を形成してもよい。ここで、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂに対して酸素イオンを注入してもよい。

次に、上記積層を覆うように第２の導電膜を形成する。そして、ソース領域およびドレイン領域となる部分の上に第２のレジストマスクを形成し、当該第２のレジストマスクを用いて第２の導電膜の一部をエッチングし、導電層１４０および導電層１５０を形成する（図３５（Ｃ）参照）。

次に、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂの積層上、ならびに導電層１４０および導電層１５０上に酸化物半導体層１３０ｃとなる酸化物半導体膜１３０Ｃを形成する。さらに、酸化物半導体膜１３０Ｃ上に絶縁膜１６０Ａ、第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜１７２Ａを形成する。

次に、第４の導電膜１７２Ａ上に第３のレジストマスク１５６を形成する（図３６（Ａ）参照）。そして、当該レジストマスクを用いて、第３の導電膜１７１Ａ、第４の導電膜１７２Ａ、絶縁膜１６０Ａ、および酸化物半導体膜１３０Ｃを選択的にエッチングし、導電層１７１および導電層１７２からなる導電層１７０、絶縁層１６０、および酸化物半導体層１３０ｃを形成する（図３６（Ｂ）参照）。なお、絶縁膜１６０Ａおよび酸化物半導体膜１３０Ｃを第４のレジストマスクを用いてエッチングすることで、トランジスタ１０８を作製することができる。

次に、絶縁層１２０、酸化物半導体層１３０（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）、導電層１４０、導電層１５０、絶縁層１６０および導電層１７０上に絶縁層１７５および絶縁層１８０を形成する（図３６（Ｃ）参照）。

以上の工程において、トランジスタ１０７を作製することができる。

次に、トランジスタ１１１の作製方法について説明する。なお、上述したトランジスタ１０２の作製方法と重複する工程の詳細な説明は省略する。

基板１１５上に絶縁層１２０を形成し、絶縁層１２０上に酸化物半導体層１３０ａとなる酸化物半導体膜１３０Ａ、および酸化物半導体層１３０ｂとなる酸化物半導体膜１３０Ｂをスパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いて成膜する。そして、第１の導電膜を酸化物半導体膜１３０Ｂ上に形成し、第１のレジストマスクを用いて導電層１４１ａを形成する（図３７（Ａ）参照）。

そして、導電層１４１ａをハードマスクとして酸化物半導体膜１３０Ａおよび酸化物半導体膜１３０Ｂを選択的にエッチングし、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび導電層１４１ａからなる積層を形成する（図３７（Ｂ）参照）。ここで、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂに対して酸素イオンを注入してもよい。

次に、ソース領域およびドレイン領域となる部分の上に第２のレジストマスクを形成し、当該第２のレジストマスクを用いて導電層１４１ａの一部をエッチングし、導電層１４１および導電層１５１を形成する（図３７（Ｃ）参照）。

次に、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｂの積層上、ならびに導電層１４１および導電層１５１上に酸化物半導体層１３０ｃとなる酸化物半導体膜１３０Ｃを形成する。さらに、酸化物半導体膜１３０Ｃ上に絶縁膜１６０Ａ、第３の導電膜１７１Ａおよび第４の導電膜１７２Ａを形成する。

次に、第４の導電膜１７２Ａ上に第３のレジストマスク１５６を形成する（図３８（Ａ）参照）。そして、第３のレジストマスク１５６を用いて、第３の導電膜１７１Ａ、第４の導電膜１７２Ａ、絶縁膜１６０Ａ、および酸化物半導体膜１３０Ｃを選択的にエッチングし、導電層１７１および導電層１７２からなる導電層１７０、絶縁層１６０、および酸化物半導体層１３０ｃを形成する（図３８（Ｂ）参照）。

次に、絶縁層１２０、酸化物半導体層１３０（酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃ）、導電層１４０、導電層１５０、絶縁層１６０および導電層１７０上に絶縁層１７５および絶縁層１８０を形成する。

次に、絶縁層１７５および絶縁層１８０に導電層１４１および導電層１５１に達する開口部を設け、当該開口部を覆うように第５の導電膜を形成する。そして、第５の導電膜上に第４のレジストマスクを設け、当該レジストマスクを用いて、第５の導電膜を選択的にエッチングし、導電層１４２および導電層１５２を形成する（図３８（Ｃ）参照）。

以上の工程において、トランジスタ１１１を作製することができる。

本実施の形態で説明した金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜は、代表的にはスパッタ法やプラズマＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としては、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などがある。

熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。

また、熱ＣＶＤ法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を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。

ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスをチャンバーに導入・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。

ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された金属膜、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（ＣＨ_３）_３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）、およびジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ_３）_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（Ｃ_２Ｈ_５）_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（Ｃ_２Ｈ_５）_２）を用いることもできる。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒と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（ＣＨ_３）_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（Ｏ_３）の２種類のガスを用いる。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒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（ＣＨ_３）_３）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ_２Ｏ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。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス（Ｏ_２、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。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ_６ガスとＢ_２Ｈ_６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、ＷＦ_６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、Ｂ_２Ｈ_６ガスに代えてＳｉＨ_４ガスを用いてもよい。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを順次導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを順次導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ_３）_２ガスとＯ_３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、Ｏ_３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Ｈ_２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ_３ガスを用いる方が好ましい。

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態７）
以下では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体膜の構造について説明する。

なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。

まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）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。

試料面と概略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、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。

一方、試料面と概略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、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。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４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、ＩｎＧａＺｎＯ_４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概略垂直な方向を向いていることが確認できる。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、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。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、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。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物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。

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または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。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。

微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。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。

ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ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ＸＲＤ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、円周状に分布したスポット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。

ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、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−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。

次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。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。

非晶質酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。

非晶質酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、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、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。

なお、酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造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 Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。

ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。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。

なお、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能ＴＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ_４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。ＩｎＧａＺｎＯ_４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ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶のａ−ｂ面に対応する。

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態８）
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は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ 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）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図３９に示す。

図３９（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイク９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８、カメラ９０９等を有する。なお、図３９（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。カメラ９０９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。

図３９（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、表示部９１２、カメラ９１９等を有する。表示部９１２が有するタッチパネル機能により情報の入出力を行うことができる。カメラ９１９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。

図３９（Ｃ）はデジタルカメラであり、筐体９２１、シャッターボタン９２２、マイク９２３、発光部９２７、レンズ９２５等を有する。レンズ９２５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。

図３９（Ｄ）は腕時計型の情報端末であり、筐体９３１、表示部９３２、リストバンド９３３、カメラ９３９等を有する。表示部９３２はタッチパネルとなっていてもよい。カメラ９３９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。

図３９（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。レンズ９４５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。

図３９（Ｆ）は携帯電話であり、筐体９５１に、表示部９５２、マイク９５７、スピーカー９５４、カメラ９５９、入出力端子９５６、操作用のボタン９５５等を有する。カメラ９５９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成および実施例と適宜組み合わせて用いることができる。

本実施例では、先の実施の形態で説明した本発明の一態様を利用した撮像装置を作製し、当該撮像装置を動作させた結果について説明する。

図４３に本撮像装置の構成の概要を示す。本撮像装置はモーション検出回路とＡ／Ｄ変換回路とが排他的に動作することで、モーション検出および通常撮像が可能である。モーション検出回路のブロック図を図４４に示す。また、モーション検出回路における検出動作のタイミングチャートを図４５に示す。当該モーション検出回路は、画素出力と参照電圧とを列毎にコンパレータで比較する電圧差分方式である。各画素は参照フレームのデータを画素内の不揮発性アナログメモリに格納し、現フレームのデータと差分データを画素内で算出する。差分がゼロの場合の画素出力を基準出力レベルとして設定する。現フレームのデータと差分データに差分がある場合、モーション検出回路は、画素出力が当該基準出力レベルを含む参照電圧範囲｛Ｖ_ＲＥＦ＋，Ｖ_ＲＥＦ−｝を超えていることを検出すると１ｂｉｔの検出トリガを出力する。

本撮像装置に用いる、しきい値電圧補正機能を有する画素回路の構成を図４６に示す。当該画素の動作に関しては、実施の形態１を参照することができる。

モーション検出動作のタイミングチャートを図４７に示す。まず、参照フレームにおいてトランジスタＭ３をオン状態としてノードＦＤ２の電位を固定した状態で露光する。つまり、ノードＦＤ２に初期値を設定する。また、参照フレームのデータはノードＦＤ１の電位変化に対応する。一方、対象フレームではトランジスタＭ３をオフ状態としてノードＦＤ２を浮遊ノードとした状態で露光する。これにより、対象フレームのデータが参照フレームのデータと等しい場合は、ノードＦＤ２の電位は撮像後、初期値に戻り、画素の出力値は基準出力レベルとなる。また、参照フレームのデータと差分がある場合は差分データの分だけノードＦＤ２の電位は変化し、画素の出力値は基準出力レベルと異なる。

本実施例における撮像装置はＣＡＡＣ−ＯＳトランジスタおよびＳｉトランジスタを用いて試作した。表１に本撮像装置の諸元を示す。また、図４８に本撮像装置の外観写真を示す。

図４９に、トランジスタＭ３を介してノードＦＤ１の電位を変化させたときの全画素の出力値（８ｂｉｔ Ａ／Ｄ変換後のデータ）のグラフを示す。図４９では、しきい値電圧補正回路なしの画素を有する撮像装置と、しきい値電圧補正回路ありの画素を有する本撮像装置の結果を比較して示している。各出力値で、しきい値電圧補正回路ありの本撮像装置は均一性が高まったことがわかる。

各出力値で画素間の標準偏差を算出した結果を図５０に示す。しきい値電圧補正回路ありの撮像装置では、画素間ばらつきは例えば出力値１２０において１．３９低減できている。なお、しきい値電圧補正回路なしの撮像装置に対してしきい値電圧補正回路ありの撮像装置では出力ゲインばらつきが３７．８％増加するが、出力オフセットばらつきが２２．２％低減していることを確認している。しきい値電圧補正回路ありの撮像装置は、画素内のトランジスタ数の増加や容量のばらつきなどでゲインのばらつきが増大する可能性があるが、全体のばらつきは抑えられている。

また、図５０に示した画素間ばらつきからＦＰＮ（固定パターンノイズ）を算出した結果、しきい値電圧補正回路によりＦＰＮは１６．２％削減したことを確認している。

図５１にしきい値電圧補正回路有無の撮像装置のそれぞれにおいて、通常撮像で得られた画像を示す。しきい値電圧補正回路ありの撮像装置の閾値補正動作はＣＤＳ（相関２重サンプリング）と同様の効果を持ち、固定パターンノイズの除去に効果があることがわかる。

モーション検出回路の検出精度をしきい値電圧補正回路の有無で比較した。画素をある基準出力レベルに設定し、モーション検出回路のＭｏｔｉｏｎ Ｔｒｉｇｇｅｒを出力するコンパレータの参照電圧Ｖ_ＲＥＦ＋、Ｖ_ＲＥＦ−のうち、基準電圧レベルに最も近い値を測定して、△Ｖ_ＲＥＦ＝（Ｖ_ＲＥＦ＋）−（Ｖ_ＲＥＦ−）を算出した。△Ｖ_ＲＥＦが小さい程、僅かな差でも検出でき、また、誤検出を低減できることになる。結果を図５２に示す。出力値１２０においてしきい値電圧補正回路により、△Ｖ_ＲＥＦは２００ｍＶから９７．５ｍＶに低減した。つまり検出可能な参照電圧幅が１／２．０５に削減した。これは、検出感度を２．０５倍に高められたことに相当する。

図５３に、透明なフィルムを被写体として参照フレームの画像を取得し、文字を印刷したフィルムを被写体として対象フレームの画像を取得した際のモーション検出の結果を示す。ここで、フィルムに印刷する文字の濃度が異なる複数の被写体に対して上記実験をしている。図中に示す程度のわずかな濃度の差で差分検出が可能になった。なお、しきい値電圧の補正動作を終えてから１時間後の画素間ばらつきの変動量を調べたところおよそ８％であった。すなわち、数時間に１回程度の非常に低頻度でしきい値電圧補正を繰り返すことで、しきい値電圧補正の効果を維持することができる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳトランジスタが極めてオフ電流が低いことにより、容量素子Ｃ４の電位が変動せずに保持されることに起因する。

本実施例で説明したように、画素回路にしきい値電圧補正機能を搭載することにより、撮像装置のＦＰＮを１６．２％削減することができた。さらにモーション検出の感度を２．０５倍向上でき、わずかな色彩の変化に対してもモーション検出が可能になった。

なお、本実例は、本明細書で示す実施の形態と適宜組み合わせることができる。

１１ 回路
１２ 回路
２１ 配線
２２ 配線
２３ 配線
２４ 配線
２５ 配線
２６ 配線
２７ 配線
２８ 配線
２９ 配線
３０ 配線
３１ 配線
３２ 配線
４０ シリコン基板
５１ トランジスタ
５２ トランジスタ
５３ トランジスタ
５４ トランジスタ
５５ トランジスタ
５６ トランジスタ
５７ トランジスタ
５８ トランジスタ
５９ トランジスタ
６０ フォトダイオード
７０ トランジスタ
７１ トランジスタ
８０ 絶縁層
９０ 回路部
９２ 回路部
１０１ トランジスタ
１０２ トランジスタ
１０３ トランジスタ
１０４ トランジスタ
１０５ トランジスタ
１０６ トランジスタ
１０７ トランジスタ
１０８ トランジスタ
１０９ トランジスタ
１１０ トランジスタ
１１１ トランジスタ
１１２ トランジスタ
１１５ 基板
１２０ 絶縁層
１３０ 酸化物半導体層
１３０ａ 酸化物半導体層
１３０Ａ 酸化物半導体膜
１３０ｂ 酸化物半導体層
１３０Ｂ 酸化物半導体膜
１３０ｃ 酸化物半導体層
１３０Ｃ 酸化物半導体膜
１４０ 導電層
１４１ 導電層
１４１ａ 導電層
１４２ 導電層
１５０ 導電層
１５１ 導電層
１５２ 導電層
１５６ レジストマスク
１６０ 絶縁層
１６０Ａ 絶縁膜
１７０ 導電層
１７１ 導電層
１７１Ａ 導電膜
１７２ 導電層
１７２Ａ 導電膜
１７３ 導電層
１７５ 絶縁層
１８０ 絶縁層
２３１ 領域
２３２ 領域
２３３ 領域
３３１ 領域
３３２ 領域
３３３ 領域
３３４ 領域
３３５ 領域
４００ 画素部
４１０ 行ドライバ
４２０ Ａ／Ｄ変換回路
４３０ 列ドライバ
５０１ 信号
５０２ 信号
５０３ 信号
５０４ 信号
５０５ 信号
５０６ 信号
５０７ 信号
５０８ 信号
５０９ 信号
５１０ 期間
５２０ 期間
５１１ 期間
５３１ 期間
６１０ 期間
６１１ 期間
６１２ 期間
６１３ 期間
６２１ 期間
６２２ 期間
６２３ 期間
６３１ 期間
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイク
９０６ スピーカー
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９０９ カメラ
９１１ 筐体
９１２ 表示部
９１９ カメラ
９２１ 筐体
９２２ シャッターボタン
９２３ マイク
９２５ レンズ
９２７ 発光部
９３１ 筐体
９３２ 表示部
９３３ リストバンド
９３９ カメラ
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 筐体
９５２ 表示部
９５４ スピーカー
９５５ ボタン
９５６ 入出力端子
９５７ マイク
９５９ カメラ

Claims (6)

1. 第１の回路と、第２の回路と、を有する撮像装置であって、
   前記第１の回路は、光電変換素子と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第６のトランジスタと、第７のトランジスタと、第１の容量素子と、第２の容量素子と、第３の容量素子と、を有し、
   前記第２の回路は、第８のトランジスタを有し、
   前記光電変換素子の一方の端子は、前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
   前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
   前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第１の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、
   前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１の容量素子の他方の端子と電気的に接続され、
   前記第１の容量素子の他方の端子は、前記第２の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、
   前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第２の容量素子の他方の端子と電気的に接続され、
   前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
   前記第６のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
   前記第３の容量素子の一方の端子は、前記第２の容量素子の他方の端子と電気的に接続され、
   前記第３の容量素子の他方の端子は、前記第６のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
   前記第６のトランジスタのゲートは、前記第３の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、
   前記第７のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第６のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
   前記第７のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第８のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されていることを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１において、
   前記第２の回路は、第９のトランジスタを有し、前記第９のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第８のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、前記第９のトランジスタのゲートは、前記第８のトランジスタのゲートと電気的に接続され、前記第９のトランジスタのゲートは、前記第９のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続されていることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または２において、
   前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記光電変換素子の他方の端子と電気的に接続されていることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
   前記第１の回路は第４の容量素子を有し、前記第４の容量素子の一方の端子は、前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されていることを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
   前記第１乃至第８のトランジスタは、活性層に酸化物半導体を有し、当該酸化物半導体は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有することを特徴とする撮像装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の撮像装置と、
   表示装置、操作キー、または、シャッターボタンと、
   を有することを特徴とする電子機器。