JP6913773B2 - 電子機器及び撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた撮像装置に関する。
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。
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が
注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や表示装置のような電子デバイス
に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体材料として、シリコン系半導体
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、酸化物半導体として酸化亜鉛、またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体を用いて
トランジスタを作製する技術が開示されている（特許文献１および特許文献２参照）。
また、特許文献３では、酸化物半導体を有する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（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路が作製可能なシリコンを有するトランジスタを周辺回
路に用いる構成の撮像装置が開示されている。
特開２００７−１２３８６１号公報 特開２００７−９６０５５号公報 特開２０１１−１１９７１１号公報
高精細な画像を得るには高密度に集積化された画素アレイを有するイメージセンサが必要
となる。画素を高密度に集積化するには、画素一つあたりの面積を縮小しなければならな
い。
画素の面積を縮小する場合、当該画素が有する光電変換素子の受光部面積を縮小せざるを
得なくなる。光電変換素子の受光部面積を縮小すると、光に対する感度が低下することか
ら、低照度下での撮像が困難となる場合がある。
したがって、本発明の一態様では、低照度下での撮像が容易な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、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、集積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、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、広い温度範囲において使用可能な撮像装置を提供する
ことを目的の一つとする。または、高開口率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、低照度下でも撮像が可能な高感度の撮像装置に関する。
本発明の一態様は、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、光電変換素子と、を有する撮像装置であって、光電変換素子
の一方の電極は、第１のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に
接続され、光電変換素子の一方の電極は、第３のトランジスタのソース電極またはドレイ
ン電極の一方と電気的に接続され、第１のトランジスタのソース電極またはドレイン電極
の他方は、第２のトランジスタのゲート電極と電気的に接続され、第２のトランジスタの
ソース電極またはドレイン電極の一方は、第４のトランジスタのソース電極またはドレイ
ン電極の一方と電気的に接続され、光電変換素子の他方の電極は、第１の配線と電気的に
接続され、第１のトランジスタのゲート電極は、第２の配線と電気的に接続され、第１の
配線に供給される電位がＨＶＤＤであるとき、第２の配線に供給される電位の最大値は、
ＨＶＤＤよりも小さいことを特徴とする撮像装置である。
上記構成において、第２のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の他方は、第３
の配線と電気的に接続され、第１の配線に供給される電位がＨＶＤＤであり、第３の配線
に供給される電位がＶＤＤであり、ＨＶＤＤがＶＤＤよりも大きい電位であるとき、第２
の配線に供給される電位の最大値は、ＶＤＤとすることができる。
また、第１のトランジスタおよび第３のトランジスタには、活性層に酸化物半導体を有す
るトランジスタを用いることができる。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。
また、第２のトランジスタおよび第４のトランジスタには、活性層または活性領域にシリ
コンを有するトランジスタを用いることができる。
本発明の一態様を用いることで、低照度下での撮像が容易な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、解像度の高い撮像装置を提供することがで
きる。または、集積度の高い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、広い温度範囲において使用可能な
撮像装置を提供することができる。または、高開口率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、本発明の一態様はこれらの効果に限定されるものではない。例えば、本発明の一態
様は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果以外の効果を有する場合も
ある。または、例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、こ
れらの効果を有さない場合もある。
画素回路を説明する図。 ＯＳトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を示す図。 ＯＳトランジスタの耐圧特性を示す図。 ＯＳトランジスタの耐圧特性を示す図。 ＯＳトランジスタの耐圧特性を示す図。 撮像の動作を説明するタイミングチャート。 画素回路を説明する回路図。 画素回路を説明する回路図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 グローバルシャッタ方式およびローリングシャッタ方式の動作を説明する図。 光電変換素子の接続形態を説明する断面図。 光電変換素子の接続形態を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 光電変換素子の接続形態を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する断面図および回路図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 撮像装置の構成を説明する断面図。 湾曲した撮像装置を説明する図。 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。 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。 電子機器を説明する図。 画素回路を説明する図。 画素回路を説明する図。 画素回路を説明する図。 画素回路を説明する図。
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、Ｚ
２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。
なお、一般的に、電位（電圧）は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大き
さによって大きさが決定される。したがって、「接地」「ＧＮＤ」「グラウンド」などと
記載されている場合であっても、必ずしも、電位が０ボルトであるとは限らないものとす
る。例えば、回路で最も低い電位を基準として、「接地」や「ＧＮＤ」を定義する場合も
ある。または、回路で中間くらいの電位を基準として、「接地」や「ＧＮＤ」を定義する
場合もある。その場合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定されるこ
ととなる。
（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。
図１は、本発明の一態様の撮像装置に用いることのできる画素回路を説明する図である。
当該画素回路は、トランジスタ５１と、トランジスタ５２と、トランジスタ５３と、トラ
ンジスタ５４と、光電変換素子６０を有する。
光電変換素子６０の一方の電極は、トランジスタ５１のソース電極またはドレイン電極の
一方と電気的に接続される。また、光電変換素子６０の一方の電極は、トランジスタ５３
のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続される。また、トランジスタ５１
のソース電極またはドレイン電極の他方は、トランジスタ５２のゲート電極と電気的に接
続される。また、トランジスタ５２のソース電極またはドレイン電極の一方は、トランジ
スタ５４のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続される。
光電変換素子６０の他方の電極は、配線７２（ＨＶＤＤ）と電気的に接続される。また、
トランジスタ５１のゲート電極は、配線７５（ＴＸ）と電気的に接続される。また、トラ
ンジスタ５２のソース電極またはドレイン電極の他方は、配線７９（ＶＤＤ）に電気的に
接続される。また、トランジスタ５３のゲート電極は、配線７６（ＲＳ）と電気的に接続
される。また、トランジスタ５３のソース電極またはドレイン電極の他方は、配線７３（
ＧＮＤ）と電気的に接続される。また、トランジスタ５４のソース電極またはドレイン電
極の他方は、配線７１（ＯＵＴ）と電気的に接続される。また、トランジスタ５４のゲー
ト電極は、配線７８（ＳＥ）に電気的に接続される。また、配線７２（ＨＶＤＤ）は、高
電圧電源５６の一方の端子と電気的に接続され、高電圧電源５６の他方の端子は、配線７
７（ＧＮＤ）と電気的に接続される。
配線７１（ＯＵＴ）は画素から信号を出力する出力線としての機能を有することができる
。また、配線７３（ＧＮＤ）、配線７７（ＧＮＤ）、配線７９（ＶＤＤ）は電源線として
の機能を有することができ、例えば、配線７３（ＧＮＤ）および配線７７（ＧＮＤ）は低
電位電源線、配線７９（ＶＤＤ）は高電位電源線として機能させることができる。また、
配線７５（ＴＸ）、配線７６（ＲＳ）、配線７８（ＳＥ）は、各トランジスタのオンオフ
を制御する信号線として機能させることができる。
なお、配線７３（ＧＮＤ）および配線７７（ＧＮＤ）は、一つの配線として設けられてい
てもよい。また、当該二つの配線の電位はＧＮＤに限らず、配線７９（ＶＤＤ）に供給さ
れる電位よりも十分に低い電位であればよい。
光電変換素子６０は、高電圧である電位ＨＶＤＤが印加されることで光電特性を示す。な
お、本実施の形態において、電位ＨＶＤＤは配線７９（ＶＤＤ）に供給される電位ＶＤＤ
よりも大きい電位とする。また、光電変換素子６０には、低照度時の光検出感度を高める
ため、アバランシェ電荷増倍を生じる材料で形成された光電変換素子を用いることが好ま
しい。アバランシェ電荷増倍を生じさせるためには、比較的高い電圧（ＨＶＤＤ）が必要
となる。したがって、高電圧電源５６は、ＨＶＤＤを供給することのできる機能を有し、
光電変換素子６０の他方の電極には配線７２（ＨＶＤＤ）を介してＨＶＤＤが供給される
。
トランジスタ５１は、光電変換素子６０の出力に応じて変化する電荷蓄積部（ＮＲ）の電
位を電荷蓄積部（ＮＤ）に転送するための転送トランジスタとして機能させることができ
る。また、トランジスタ５３は、電荷蓄積部（ＮＲ）および電荷蓄積部（ＮＤ）の電位を
初期化するリセットトランジスタとして機能させることができる。また、トランジスタ５
２は、電荷蓄積部（ＮＤ）の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタとして機能さ
せることができる。また、トランジスタ５４は、信号を読み出す画素を選択する選択トラ
ンジスタとして機能させることができる。
光電変換素子６０に高電圧を印加する場合、光電変換素子６０と接続されるトランジスタ
には高電圧に耐えられる高耐圧のトランジスタを用いる必要がある。当該高耐圧のトラン
ジスタには、例えば、活性層に酸化物半導体を用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジ
スタ）などを用いることができる。具体的にはトランジスタ５１およびトランジスタ５３
にＯＳトランジスタを適用することが好ましい。
ここで、チャネル長Ｌ／チャネル幅Ｗ＝０．３５μｍ／０．８μｍ、ゲート絶縁膜の換算
膜厚２０ｎｍ（物理膜厚は３１ｎｍ）のＯＳトランジスタについて、図２に静特性（ドレ
イン電圧（Ｖｄ）＝０．１Ｖ、３．３Ｖ）を示す。また、図３に当該トランジスタにおい
てゲート電圧（Ｖｇ）＝０Ｖ、ソース電圧（Ｖｓ）＝０Ｖとしたときのドレイン降伏電圧
特性を示す。また、図４に当該トランジスタにおいてＶｓ＝Ｖｄ＝０Ｖとしたときの正電
圧におけるゲート降伏電圧特性を示す。また、図５に当該トランジスタにおいてＶｓ＝Ｖ
ｄ＝０Ｖとしたときの負電圧におけるゲート降伏電圧特性を示す。図２乃至図５に示すよ
うに、ＯＳトランジスタは高耐圧の電気特性を有することがわかる。
ＯＳトランジスタはワイドバンドギャップ（＞３．０ｅＶ）半導体のため、ドレイン耐圧
はジャンクション耐圧ではなくゲート絶縁膜の膜厚に依存する。一方、ＯＳトランジスタ
では、短チャネル効果が生じにくいため、ゲート絶縁膜を厚くしてドレイン耐性を向上さ
せるとともにノーマリオフのトランジスタ特性が容易に得られる。光電変換素子のアバラ
ンシェ電荷増倍に必要な２０Ｖ超のバイアスに対しても耐性を有していることがわかる。
なお、ＯＳトランジスタの故障モードは絶縁破壊である。
なお、本明細書において高耐圧のトランジスタとは、電気的に破壊することなく、所望の
高電圧を印加することができるトランジスタであることを意味する。例えば、高耐圧のト
ランジスタは、ソース電極およびドレイン電極をＧＮＤとして、破壊することなくゲート
電極に所望の高電圧を印加することができる。または、ソース電極およびゲート電極をＧ
ＮＤとして、破壊することなくドレイン電極に所望の高電圧を印加することができる。ま
たは、ソース電極をＧＮＤ、ゲート電極をＶＤＤとして、破壊することなくドレイン電極
に所望の高電圧を印加することができる。
トランジスタ５１およびトランジスタ５３はスイッチング特性が優先されるが、トランジ
スタ５２は増幅特性が優先されるため、オン電流が高いトランジスタであることが好まし
い。したがって、トランジスタ５２はシリコンを活性層または活性領域に用いたトランジ
スタ（以下、Ｓｉトランジスタ）を適用することが好ましい。
なお、電荷蓄積部（ＮＲ）の電位は最大でＨＶＤＤになりうるが、トランジスタ５１にｎ
−ｃｈ型のトランジスタを用いた場合には、電荷蓄積部（ＮＤ）の電位はトランジスタ５
１のゲート電極に印加する最大の電位より大きくはならない。より正確には、当該電荷蓄
積部（ＮＤ）の電位は、トランジスタ５１のゲート電極に印加する最大の電位からトラン
ジスタ５１のしきい値電圧（Ｖｔｈ）だけ低い電位より大きくはならない。例えば、電荷
蓄積部（ＮＲ）の電位がＨＶＤＤであっても、配線７５（ＴＸ）に印加される最大の電位
がＶＤＤであるとき、電荷蓄積部（ＮＤ）の最大の電位はＶＤＤとなる。より正確には、
当該電荷蓄積部（ＮＤ）の電位はＶＤＤ−Ｖｔｈとなる。なお、以降の説明において、ト
ランジスタ５１のＶｔｈは小さい値であるとみなして、電荷蓄積部（ＮＤ）の電位に関し
て当該Ｖｔｈに関する記述は省略している。
つまり、トランジスタ５１がノーマリオフであれば、電位ＨＶＤＤより低い電圧である電
位ＶＤＤが読み出し用の電源電圧になる。したがって、トランジスタ５２のゲート電極に
高電圧が印加されることがないため、トランジスタ５２に薄いゲート絶縁膜を有し、比較
的耐圧の高くないＳｉトランジスタを用いても問題は生じない。
トランジスタ５１乃至トランジスタ５４を上述した構成とすることで、低照度における光
の検出感度が高く、ノイズの少ない信号を出力することのできる撮像装置を作製すること
ができる。また、光の検出感度が高いため、光の取り込み時間を短くすることができ、撮
像を高速に行うことができる。
次に、図６のタイミングチャートを用いて、画素の動作を説明する。なお、以下に説明す
る一例の動作においては、トランジスタ５３のゲート電極に接続された配線７６（ＲＳ）
は、”Ｈ”としてＨＶＤＤ、”Ｌ”としてＧＮＤの電位が供給されるものとする。また、
トランジスタ５１のゲート電極に接続された配線７５（ＴＸ）には、”Ｈ”としてＶＤＤ
、”Ｌ”としてＧＮＤの電位が供給されるものとする。また、トランジスタ５２のソース
電極に接続された配線７９（ＶＤＤ）にはＶＤＤが供給されるものとする。なお、各配線
に上記以外の電位を供給する形態とすることもできる。
まず、配線７６（ＲＳ）を”Ｈ”、配線７５（ＴＸ）を”Ｈ”とすることで、電荷蓄積部
（ＮＲ）および電荷蓄積部（ＮＤ）の電位をリセット電位（ＧＮＤ）に設定する（リセッ
ト動作）。なお、リセット動作時に配線７６（ＲＳ）に”Ｈ”としてＶＤＤを供給しても
よい。
次に、配線７６（ＲＳ）を”Ｌ”、配線７５（ＴＸ）を”Ｌ”とすることで、電荷蓄積部
（ＮＲ）の電位が変化する（蓄積動作）。電荷蓄積部（ＮＲ）の電位は、光電変換素子６
０に入射した光の強度に応じて、ＧＮＤから最大でＨＶＤＤまで変化する。
蓄積動作に続いて、配線７５（ＴＸ）を”Ｈ”とすることで、電荷蓄積部（ＮＲ）の電荷
を電荷蓄積部（ＮＤ）に転送する（転送動作）。
蓄積動作において、光電変換素子６０に入射した光の強度に応じて電荷蓄積部（ＮＲ）の
電位は変化するが、トランジスタ５１のゲート電極にはＶＤＤが供給されているため、電
荷蓄積部（ＮＤ）の電位がＶＤＤに達するとトランジスタ５１はオフとなる。したがって
、電荷蓄積部（ＮＤ）の電位は、リセット電位（ＧＮＤ）から最大でＶＤＤまで変化する
。すなわち、トランジスタ５２のゲート電極には、最大でＶＤＤの電位が印加されること
になる。
なお、図６では蓄積動作において、配線７５（ＴＸ）を”Ｌ”としているが、配線７５（
ＴＸ）を”Ｈ”としてもよい。この場合、電荷蓄積部（ＮＲ）の電位変化に伴って電荷蓄
積部（ＮＤ）の電位も変化するが、トランジスタ５１のゲート電極にはＶＤＤが供給され
ているため、電荷蓄積部（ＮＤ）の電位がＶＤＤに達するとトランジスタ５１はオフとな
る。したがって、電荷蓄積部（ＮＤ）の電位は、リセット電位（ＧＮＤ）から最大でＶＤ
Ｄまで変化する。すなわち、この場合でも、トランジスタ５２のゲート電極には、最大で
ＶＤＤの電位が印加されることになる。
なお、蓄積動作において、配線７５（ＴＸ）を”Ｌ”とすることで、トランジスタ５１に
起因するノイズの影響を低減することができる。一方、配線７５（ＴＸ）を”Ｈ”とする
ことで、トランジスタ５１のスイッチングに起因するノイズの影響を低減することができ
る。
転送動作に続いて、配線７６（ＲＳ）を”Ｌ”、配線７５（ＴＸ）を”Ｌ”、配線７８（
ＳＥ）を”Ｈ”とすることで、電荷蓄積部（ＮＤ）の電位に応じた信号を配線７１（ＯＵ
Ｔ）に出力することができる。すなわち、蓄積動作において光電変換素子６０に入射した
光の強度に応じた出力信号を得ることができる。
上記動作において、各トランジスタの端子に印加される電圧の最大値は以下の通りである
。トランジスタ５１のソース電極にはＨＶＤＤ、ゲート電極およびドレイン電極にはＶＤ
Ｄが印加されることがある。トランジスタ５３のゲート電極およびドレイン電極にはＨＶ
ＤＤ、ソース電極にはＧＮＤが印加されることがある。トランジスタ５２のソース電極、
ドレイン電極およびゲート電極にはＶＤＤが印加されることがある。トランジスタ５４の
ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極にはＶＤＤが印加されることがある。したが
って、トランジスタ５１およびトランジスタ５３には、高電圧ＨＶＤＤに耐え得る高耐圧
が要求される。一方、トランジスタ５２およびトランジスタ５４は、ＶＤＤに耐え得る耐
圧があれば十分である。
なお、本発明の一態様の撮像装置に用いる画素回路は、図３５に示す構成であってもよい
。図３５に示す画素回路では、図１の構成における電荷蓄積部（ＮＤ）にトランジスタ５
５のソース電極またはドレイン電極の一方を接続した構成である。トランジスタ５５のソ
ース電極またはドレイン電極の他方は配線９３（ＧＮＤ）、ゲート電極は配線９６（ＲＳ
）に接続されている。配線９３（ＧＮＤ）は、配線７３（ＧＮＤ）と同電位とすることが
できる。配線９６（ＲＳ）は、トランジスタ５５を制御するための信号線であり、配線７
６（ＲＳ）と同様の電位を供給することができる。なお、配線７６（ＲＳ）および配線９
６（ＲＳ）は、それぞれに異なる電位を供給することができる形態とするほか、両者が電
気的に接続している形態とすることもできる。
図１に示す画素回路の構成では、電荷蓄積部（ＮＤ）のリセット動作をトランジスタ５１
およびトランジスタ５３をオンすることで行うが、図３５に示す構成ではトランジスタ５
１を動作させずに電荷蓄積部（ＮＤ）をリセットすることができるため、撮像のノイズを
少なくすることができる。
また、図１に示す回路構成では、トランジスタ５４をトランジスタ５２と配線７１（ＯＵ
Ｔ）との間に設けた形態を示しているが、図３６に示すように、トランジスタ５４をトラ
ンジスタ５２と配線７９（ＶＤＤ）との間に設ける形態としてもよい。
また、図１に示す回路構成では、トランジスタ５２のソース電極またはドレイン電極の他
方を高電位電源線（配線７９（ＶＤＤ））と接続する形態を示したが、図３７（Ａ）に示
すようにトランジスタ５２のソース電極またはドレイン電極の他方を低電位電源線（配線
９９（ＧＮＤ））と接続する形態としてもよい。また、図３７（Ｂ）に示すように、トラ
ンジスタ５２をｐ−ｃｈ型のトランジスタに置き換える形態としてもよい。
本発明の一態様の画素回路のそのほかの形態として、図７（Ａ）に示すようにトランジス
タ５４を有さない構成であってもよい。また、図７（Ｂ）に示すように、電荷蓄積部（Ｎ
Ｒ）に容量素子５７を設けた構成であってもよい。また、図７（Ｃ）に示すように、電荷
蓄積部（ＮＤ）に容量素子５８を設けた構成であってもよい。また、図７（Ｄ）に示すよ
うに、容量素子５７および容量素子５８を設けた構成であってもよい。なお、図７（Ａ）
乃至図７（Ｄ）に示す構成は、図３５乃至図３７に示す構成と任意に組み合わせることが
できる。
また、画素回路に用いるトランジスタは、図７（Ｅ）または図７（Ｆ）に示すように、ト
ランジスタ５１、トランジスタ５３にバックゲートを設けた構成であってもよい。図７（
Ｅ）はバックゲートに定電位を印加する構成であり、しきい値電圧を制御することができ
る。また、図７（Ｆ）はフロントゲートと同じ電位がバックゲートに印加される構成であ
り、オン電流を増加させることができる。なお、図７（Ｇ）または図７（Ｈ）に示すよう
に、トランジスタ５１乃至トランジスタ５４にバックゲートを設ける構成であってもよい
。また、トランジスタにバックゲートを設ける構成は、図１、図７（Ａ）乃至図７（Ｄ）
、図３５乃至図３７に示す回路にも適用することもできる。また、一つの画素回路に含ま
れるトランジスタに対し、フロントゲートと同じ電位がバックゲートに印加される構成、
バックゲートに定電位を印加する構成、またはバックゲートを設けない構成を必要に応じ
て任意に組み合わせた回路構成としてもよい。
また、画素回路は、図８に示すようにトランジスタ５２およびトランジスタ５４を複数の
画素で共用する形態としてもよい。なお、図８では垂直方向の複数の画素でトランジスタ
５２およびトランジスタ５４を共用する構成を例示しているが、水平方向または水平垂直
方向の複数の画素でトランジスタ５２およびトランジスタ５４を共用してもよい。このよ
うな構成とすることで、一画素あたりが有するトランジスタ数を削減させることができる
。また、図３８に示すように、電荷蓄積部（ＮＤ）にリセット用のトランジスタ５５が設
けられた形態であってもよい。
なお、図８および図３８ではトランジスタ５２およびトランジスタ５４を４画素で共用す
る形態を図示しているが、２画素、３画素または５画素以上で共有する形態であってもよ
い。また、図８または図３８の構成と図７（Ａ）乃至図７（Ｈ）、図３６、図３７に示す
構成は任意に組み合わせることができる。
以上のような構成とすることで、高集積化された画素アレイを有する撮像装置を形成する
ことができる。また、低照度下での撮像が容易な撮像装置を提供することができる。
次に、本発明の一態様の撮像装置の具体的な構成例について、図面を参照して説明する。
図９（Ａ）は、本発明の一態様の撮像装置の断面図の一例であり、図１に示す画素におけ
る光電変換素子６０、トランジスタ５１およびトランジスタ５３の具体的な接続形態の一
例を示している。なお、図９（Ａ）にはトランジスタ５２およびトランジスタ５４は図示
されていない。当該撮像装置は、トランジスタ５１乃至トランジスタ５４が設けられる層
１１００、および光電変換素子６０が設けられる層１２００を有する。
なお、本実施の形態で説明する断面図において、各配線、各電極および各導電体８１を個
別の要素として図示しているが、それらが電気的に接続している場合においては、同一の
要素として設けられる場合もある。また、トランジスタのゲート電極、ソース電極、また
はドレイン電極が導電体８１を介して各配線と接続される形態は一例であり、トランジス
タのゲート電極、ソース電極、またはドレイン電極のそれぞれが配線としての機能を有す
る場合もある。
また、各要素上には保護膜、層間絶縁膜または平坦化膜としての機能を有する絶縁層８２
および絶縁層８３等が設けられる。例えば、絶縁層８２および絶縁層８３等は、酸化シリ
コン膜、酸化窒化シリコン膜などの無機絶縁膜を用いることができる。または、アクリル
樹脂、ポリイミド樹脂などの有機絶縁膜などを用いてもよい。絶縁層８２および絶縁層８
３等の上面は、必要に応じてＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌ
ｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
なお、図面に示される配線等の一部が設けられない場合や、図面に示されない配線等やト
ランジスタ等が各層に含まれる場合もある。また、図面に示されない層が含まれる場合も
ある。また、図面に示される層の一部が含まれない場合もある。
トランジスタ５１およびトランジスタ５３には、ＯＳトランジスタを用いることが特に好
ましい。
ＯＳトランジスタは極めて低いオフ電流特性を有するため、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に示す画素の回路構成では、光電変換素子６０に入射される
光の強度が小さいときに電荷蓄積部（ＮＤ）の電位が小さくなる。ＯＳトランジスタは極
めてオフ電流が低いため、ゲート電位が極めて小さい場合においても当該ゲート電位に応
じた電流を正確に出力することができる。したがって、検出することのできる照度のレン
ジ、すなわちダイナミックレンジを広げることができる。
また、トランジスタ５１およびトランジスタ５３の低いオフ電流特性によって電荷蓄積部
（ＮＤ）および電荷蓄積部（ＮＲ）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。
一般的に、画素がマトリクス状に配置された撮像装置では、図１０（Ａ）に示す、行毎に
撮像動作１１、データ保持動作１２、読み出し動作１３を行う駆動方法であるローリング
シャッタ方式が用いられる。ローリングシャッタ方式を用いる場合には、撮像の同時性が
失われるため、被写体が移動した場合には、画像に歪が生じてしまう。
したがって、本発明の一態様は、図１０（Ｂ）に示す、全行で同時に撮像動作１１を行い
、行毎に順次読み出し動作１３を行うことができるグローバルシャッタ方式を用いること
が好ましい。グローバルシャッタ方式を用いることで、撮像装置の各画素における撮像の
同時性を確保することができ、被写体が移動する場合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、ＯＳトランジスタは、シリコンを活性領域または活性層に用いたトランジスタ（以
下、Ｓｉトランジスタ）よりも電気特性変動の温度依存性が小さいため、極めて広い温度
範囲で使用することができる。したがって、ＯＳトランジスタを有する撮像装置および半
導体装置は、自動車、航空機、宇宙機などへの搭載にも適している。
また、ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタよりもドレイン耐圧の高い特性を有する。
セレン系材料を光電変換層とした光電変換素子では、アバランシェ現象が起こりやすいよ
うに比較的高い電圧（例えば、１０Ｖ以上）を印加することが好ましい。したがって、Ｏ
Ｓトランジスタと、セレン系材料を光電変換層とした光電変換素子とを組み合わせること
で、信頼性の高い撮像装置とすることができる。
なお、図９（Ａ）において、各トランジスタはバックゲートを有する形態を例示している
が、図９（Ｂ）に示すように、バックゲートを有さない形態であってもよい。また、図９
（Ｃ）に示すように一部のトランジスタ、例えばトランジスタ５１のみにバックゲートを
有するような形態であってもよい。当該バックゲートは、対向して設けられるトランジス
タのフロントゲートと電気的に接続する場合がある。または、当該バックゲートにフロン
トゲートとは異なる固定電位が供給される場合がある。なお、当該バックゲート有無に関
する形態は、本実施の形態で説明する他の撮像装置の形態にも適用することができる。
層１２００に設けられる光電変換素子６０は、様々な形態の素子を用いることができる。
図９（Ａ）では、セレン系材料を光電変換層６１に用いた形態を図示している。セレン系
材料を用いた光電変換素子６０は、可視光に対する外部量子効率が高い特性を有する。当
該光電変換素子では、アバランシェ現象により入射される光量に対する電子の増幅が大き
い高感度のセンサとすることができる。また、セレン系材料は光吸収係数が高いため、光
電変換層６１を薄くしやすい利点を有する。
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。なお、
結晶セレンの結晶粒径を画素ピッチより小さくすることで、画素ごとの特性ばらつきを低
減させることができる。また、結晶セレンは、非晶質セレンよりも可視光に対する分光感
度や光吸収係数が高い特性を有する。
また、光電変換層６１は、銅、インジウム、セレンの化合物（ＣＩＳ）を含む層であって
もよい。または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物（ＣＩＧＳ）を含む層であ
ってもよい。ＣＩＳおよびＣＩＧＳでは、セレンの単層と同様にアバランシェ現象が利用
できる光電変換素子を形成することができる。
セレン系材料を用いた光電変換素子６０は、例えば、金属材料などで形成された電極６６
と透光性導電層６２との間に光電変換層６１を有する構成とすることができる。また、Ｃ
ＩＳおよびＣＩＧＳはｐ型半導体であり、接合を形成するためにｎ型半導体の硫化カドミ
ウムや硫化亜鉛等を接して設けてもよい。
アバランシェ現象を発生させるためには、光電変換素子に比較的高い電圧（例えば、１０
Ｖ以上）を印加することが好ましい。ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタよりもドレ
イン耐圧の高い特性を有するため、光電変換素子に比較的高い電圧を印加することが容易
である。したがって、ドレイン耐圧の高いＯＳトランジスタと、セレン系材料を光電変換
層とした光電変換素子とを組み合わせることで、高感度、かつ信頼性の高い撮像装置とす
ることができる。
なお、図９（Ａ）では、光電変換層６１および透光性導電層６２を画素回路間で分離しな
い構成としているが、図１１（Ａ）に示すように回路間で分離する構成としてもよい。ま
た、画素間において、電極６６を有さない領域には、絶縁体で隔壁６７を設け、光電変換
層６１および透光性導電層６２に亀裂が入らないようにすることが好ましいが、図１１（
Ｂ）に示すように隔壁６７を設けない構成としてもよい。また、図９（Ａ）では、透光性
導電層６２と配線７２との間に配線８８および導電体８１を介する構成を図示しているが
、図１１（Ｃ）、（Ｄ）に示すように透光性導電層６２と配線７２が直接接する形態とし
てもよい。
また、電極６６および配線７２等は多層としてもよい。例えば、図１２（Ａ）に示すよう
に、電極６６を導電層６６ａおよび導電層６６ｂの二層とし、配線７２を導電層７２ａお
よび導電層７２ｂの二層とすることができる。図１２（Ａ）の構成においては、例えば、
導電層６６ａおよび導電層７２ａを低抵抗の金属等を選択して形成し、導電層６６ａおよ
び導電層７２ａを光電変換層６１とコンタクト特性の良い金属等を選択して形成するとよ
い。このような構成とすることで、光電変換素子の電気特性を向上させることができる。
また、一部の金属は透光性導電層６２と接触することにより電蝕を起こすことがある。そ
のような金属を導電層７２ａに用いた場合でも導電層７２ｂを介することによって電蝕を
防止することができる。
導電層６６ｂおよび導電層７２ｂには、例えば、モリブデンやタングステンなどを用いる
ことができる。また、導電層６６ａおよび導電層７２ａには、例えば、アルミニウム、チ
タン、またはアルミニウムをチタンで挟むような積層を用いることができる。
また、絶縁層８２等が多層である構成であってもよい。例えば、図１２（Ｂ）に示すよう
に、絶縁層８２が絶縁層８２ａおよび絶縁層８２ｂを有し、かつ絶縁層８２ａと絶縁層８
２ｂとのエッチングレート等が異なる場合は、導電体８１は段差を有するようになる。層
間絶縁膜や平坦化膜に用いられるその他の絶縁層が多層である場合も同様に導電体８１は
段差を有するようになる。なお、ここでは絶縁層８２が２層である例を示したが、絶縁層
８２およびその他の絶縁層は３層以上の構成であってもよい。
なお、隔壁６７は、無機絶縁体や絶縁有機樹脂などを用いて形成することができる。また
、隔壁６７は、トランジスタ等に対する遮光のため、および／または１画素あたりの受光
部の面積を確定するために黒色等に着色されていてもよい。
また、光電変換素子６０には、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。
例えば、図１３は光電変換素子６０にｐｉｎ型の薄膜フォトダイオードを用いた例である
。当該フォトダイオードは、ｐ型の半導体層６５、ｉ型の半導体層６４、およびｎ型の半
導体層６３が順に積層された構成を有している。ｉ型の半導体層６４には非晶質シリコン
を用いることが好ましい。また、ｎ型の半導体層６３およびｐ型の半導体層６５には、そ
れぞれの導電型を付与するドーパントを含む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンなどを
用いることができる。非晶質シリコンを光電変換層とするフォトダイオードは可視光の波
長領域における感度が高く、微弱な可視光を検知しやすい。
図１３に示す光電変換素子６０では、ｐ型の半導体層６５がトランジスタ５１およびトラ
ンジスタ５３と電気的な接続を有する電極６６と電気的な接続を有する。また、ｎ型の半
導体層６３が導電体８１を介して配線７２と電気的な接続を有する。
また、ｐｉｎ型の薄膜フォトダイオードの形態を有する光電変換素子６０の構成、ならび
に光電変換素子６０および配線の接続形態は、図１４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、
（Ｅ）、（Ｆ）に示す例であってもよい。なお、光電変換素子６０の構成、光電変換素子
６０と配線の接続形態はこれらに限定されず、他の形態であってもよい。
図１４（Ａ）は、光電変換素子６０のｎ型の半導体層６３と接する透光性導電層６２を設
けた構成である。透光性導電層６２は電極として作用し、光電変換素子６０の出力電流を
高めることができる。
透光性導電層６２には、例えば、インジウム錫酸化物、シリコンを含むインジウム錫酸化
物、亜鉛を含む酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛、アルミニウムを含
む酸化亜鉛、酸化錫、フッ素を含む酸化錫、アンチモンを含む酸化錫、またはグラフェン
等を用いることができる。また、透光性導電層６２は単層に限らず、異なる膜の積層であ
っても良い。
図１４（Ｂ）は、光電変換素子６０のｎ型の半導体層６３と配線８８が直接的な接続を有
する構成である。
図１４（Ｃ）は、光電変換素子６０のｎ型の半導体層６３と接する透光性導電層６２が設
けられ、配線８８と透光性導電層６２が電気的な接続を有する構成である。
図１４（Ｄ）は、光電変換素子６０を覆う絶縁層にｎ型の半導体層６３が露出する開口部
が設けられ、当該開口部を覆う透光性導電層６２と配線８８が電気的な接続を有する構成
である。
図１４（Ｅ）は、光電変換素子６０を貫通する導電体８１が設けられた構成である。当該
構成では、配線７２は導電体８１を介してｎ型の半導体層６３と電気的に接続される。な
お、図面上では、配線７２と電極６６とは、ｐ型の半導体層６５を介して見かけ上導通し
てしまう形態を示している。しかしながら、ｐ型の半導体層６５の横方向の抵抗が高いた
め、配線７２と電極６６との間に適切な間隔を設ければ、両者間は極めて高抵抗となる。
したがって、光電変換素子６０は、アノードとカソードが短絡することなく、ダイオード
特性を有することができる。なお、ｎ型の半導体層６３と電気的に接続される導電体８１
は複数であってもよい。
図１４（Ｆ）は、図１４（Ｅ）の光電変換素子６０に対して、ｎ型の半導体層６３と接す
る透光性導電層６２を設けた構成である。
なお、図１４（Ｄ）、図１４（Ｅ）、および図１４（Ｆ）に示す光電変換素子６０では、
受光領域と配線等が重ならないため、広い受光面積を確保できる利点を有する。
また、光電変換素子６０には、図１５に示すように、シリコン基板３０を光電変換層とし
たフォトダイオードを用いることもできる。
上述したセレン系材料や非晶質シリコンなどを用いて形成した光電変換素子６０は、成膜
工程、リソグラフィ工程、エッチング工程などの一般的な半導体作製工程を用いて作製す
ることができる。また、セレン系材料は高抵抗であり、図９（Ａ）に示すように、光電変
換層６１を回路間で分離しない構成とすることもできる。したがって、本発明の一態様の
撮像装置は、歩留りが高く、低コストで作製することができる。一方で、シリコン基板３
０を光電変換層としたフォトダイオードを形成する場合は、研磨工程や貼り合わせ工程な
どの難度の高い工程が必要となる。
また、本発明の一態様の撮像装置は、回路が形成されたシリコン基板３０が積層された構
成としてもよい。例えば、図１６（Ａ）に示すようにシリコン基板３０に活性領域を有す
るトランジスタ３１およびトランジスタ３２を有する層１４００が画素回路と重なる構成
とすることができる。
シリコン基板３０に形成された回路は、画素回路が出力する信号を読み出す機能や当該信
号を変換する処理などを行う機能を有することができ、例えば、図１６（Ｂ）に示す回路
図のようなＣＭＯＳインバータを含む構成とすることができる。トランジスタ３１（ｎ−
ｃｈ型）およびトランジスタ３２（ｐ−ｃｈ型）のゲート電極は電気的に接続される。ま
た、一方のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方は、他方のトランジスタ
のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続される。また、両方のトランジス
タのソース電極またはドレイン電極の他方はそれぞれ別の配線に電気的に接続される。
また、シリコン基板３０はバルクのシリコン基板に限らず、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を用いることもできる。
また、トランジスタ３１およびトランジスタ３２は、図１６（Ｃ）に示すように、シリコ
ン薄膜の活性層３５を有するトランジスタであってもよい。また、活性層３５は、多結晶
シリコンやＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）の単結晶シリコンとす
ることができる。
ここで、図１５および図１６（Ａ）に示すように、酸化物半導体を有するトランジスタが
形成される領域と、Ｓｉトランジスタ（図１５ではＳｉフォトダイオード）が形成される
領域との間には絶縁層８０が設けられる。
トランジスタ３１およびトランジスタ３２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３１お
よびトランジスタ３２の信頼性を向上させる効果がある。一方、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、酸化物半導体層中にキ
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、ＯＳトランジスタを有する他方の層を積層する場合、これら
の間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層８０を設けることが好ましい。絶縁層８
０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３１およびトランジスタ３２
の信頼性が向上することができる。また、一方の層から他方の層への水素の拡散が抑制さ
れることでトランジスタ５１等の信頼性も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。
なお、図１６（Ａ）に示すような構成では、シリコン基板３０に形成される回路（例えば
、駆動回路）と、トランジスタ５１等と、光電変換素子６０とを重なるように形成するこ
とができるため、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高
めることができる。例えば、画素数が４Ｋ２Ｋ、８Ｋ４Ｋまたは１６Ｋ８Ｋなどの撮像装
置に用いることが適する。なお、画素回路が有するトランジスタ５２およびトランジスタ
５４等がトランジスタ５１等および光電変換素子６０と、重なる領域を有する構成として
もよい。
また、図１６（Ａ）に示す撮像装置は、シリコン基板３０には光電変換素子を設けない構
成である。したがって、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光電変換素子６０
に対する光路を確保することができ、高開口率の画素を形成することができる。
また、本発明の一態様の撮像装置は、図１７に示す構成とすることができる。
図１７に示す撮像装置は、図１６（Ａ）に示す撮像装置の変形例であり、ＯＳトランジス
タおよびＳｉトランジスタでＣＭＯＳインバータを構成する例を図示している。
ここで、層１４００に設けるＳｉトランジスタであるトランジスタ３２はｐ−ｃｈ型とし
、層１１００に設けるＯＳトランジスタであるトランジスタ３１はｎ−ｃｈ型とする。ｐ
−ｃｈ型トランジスタのみをシリコン基板３０に設けることで、ウェル形成やｎ型不純物
層形成など工程を省くことができる。
なお、図１７に示す撮像装置は、光電変換素子６０にセレンを用いた例を示したが、図１
３と同様にｐｉｎ型の薄膜フォトダイオードを用いた構成としてもよい。
図１７に示す撮像装置において、トランジスタ３１は、層１１００に形成するトランジス
タ５１およびトランジスタ５３と同一の工程で作製することができる。したがって、撮像
装置の製造工程を簡略化することができる。
なお、本実施の形態における撮像装置が有するトランジスタおよび光電変換素子の構成は
一例である。したがって、例えば、トランジスタ５１乃至トランジスタ５４の一つ以上を
活性領域または活性層にシリコン等を有するトランジスタで構成することもできる。また
、トランジスタ３１およびトランジスタ３２の両方または一方を活性層に酸化物半導体層
を有するトランジスタで構成することもできる。
図１８（Ａ）は、撮像装置にカラーフィルタ等を付加した形態の一例の断面図である。当
該断面図は、３画素分の画素回路を有する領域の一部を示している。光電変換素子６０が
形成される層１２００上には、絶縁層２５００が形成される。絶縁層２５００は可視光に
対して透光性の高い酸化シリコン膜などを用いることができる。また、パッシベーション
膜として窒化シリコン膜を積層する構成としてもよい。また、反射防止膜として、酸化ハ
フニウムなどの誘電体膜を積層する構成としてもよい。
絶縁層２５００上には、遮光層２５１０が形成されてもよい。遮光層２５１０は、上部の
カラーフィルタを通る光の混色を防止する機能を有する。遮光層２５１０には、アルミニ
ウム、タングステンなどの金属層や当該金属層と反射防止膜としての機能を有する誘電体
膜を積層する構成とすることができる。
絶縁層２５００および遮光層２５１０上には平坦化膜として有機樹脂層２５２０を設ける
構成とすることができる。また、画素別にカラーフィルタ２５３０が形成される。例えば
、カラーフィルタ２５３０ａ、カラーフィルタ２５３０ｂおよびカラーフィルタ２５３０
ｃに、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｙ（黄）、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）などの
色を割り当てることにより、カラー画像を得ることができる。
カラーフィルタ２５３０上には、透光性を有する絶縁層２５６０などを設けることができ
る。
また、図１８（Ｂ）に示すように、カラーフィルタ２５３０の代わりに光学変換層２５５
０を用いてもよい。このような構成とすることで、様々な波長領域における画像が得られ
る撮像装置とすることができる。
例えば、光学変換層２５５０に可視光線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば赤外線
撮像装置とすることができる。また、光学変換層２５５０に近赤外線の波長以下の光を遮
るフィルタを用いれば遠赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層２５５０
に可視光線の波長以上の光を遮るフィルタを用いれば紫外線撮像装置とすることができる
。
また、光学変換層２５５０にシンチレータを用いれば、Ｘ線撮像装置などに用いる、放射
線の強弱を可視化した画像を得る撮像装置とすることができる。被写体を透過したＸ線等
の放射線がシンチレータに入射されると、フォトルミネッセンスと呼ばれる現象により可
視光線や紫外光線などの光（蛍光）に変換される。そして、当該光を光電変換素子６０で
検知することにより画像データを取得する。また、放射線検出器などに当該構成の撮像装
置を用いてもよい。
シンチレータは、Ｘ線やガンマ線などの放射線が照射されると、そのエネルギーを吸収し
て可視光や紫外光を発する物質を含む。例えば、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｔｂ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｐ
ｒ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＦＣｌ：Ｅｕ、ＮａＩ、ＣｓＩ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、Ｃ
ｅＦ３、ＬｉＦ、ＬｉＩ、ＺｎＯを樹脂やセラミクスに分散させたものを用いることがで
きる。
なお、セレン系材料を用いた光電変換素子６０においては、Ｘ線等の放射線を電荷に直接
変換することができるため、シンチレータを不要とする構成とすることもできる。
カラーフィルタ２５３０ａ、カラーフィルタ２５３０ｂおよびカラーフィルタ２５３０ｃ
上には、マイクロレンズアレイ２５４０を設けてもよい。マイクロレンズアレイ２５４０
が有する個々のレンズを通る光が直下のカラーフィルタを通り、光電変換素子６０に照射
されるようになる。なお、図１８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す層１２００以外の領域を
層１６００とする。
図１８（Ｃ）に示す撮像装置の具体的な構成は、図９（Ａ）に示す撮像装置を例にすると
、図１９に示すようになる。また、図１５に示す撮像装置を例にすると、図２０に示すよ
うになる。
また、本発明の一態様の撮像装置は、図２１及び図２２に示すように回折格子１５００と
組み合わせてもよい。回折格子１５００を介した被写体の像（回折画像）を画素に取り込
み、画素における撮像画像から演算処理により入力画像（被写体の像）を構成することが
できる。また、レンズの替わりに回折格子１５００を用いることで撮像装置のコストを下
げることができる。
回折格子１５００は、透光性を有する材料で形成することができる。例えば、酸化シリコ
ン膜、酸化窒化シリコン膜などの無機絶縁膜を用いることができる。または、アクリル樹
脂、ポリイミド樹脂などの有機絶縁膜などを用いてもよい。または、上記無機絶縁膜と有
機絶縁膜との積層であってもよい。
また、回折格子１５００は、感光性樹脂などを用いたリソグラフィ工程で形成することが
できる。また、リソグラフィ工程とエッチング工程とを用いて形成することもできる。ま
た、ナノインプリントリソグラフィやレーザスクライブなどを用いて形成することもでき
る。
なお、回折格子１５００とマイクロレンズアレイ２５４０との間に間隔Ｘを設けてもよい
。間隔Ｘは、１ｍｍ以下、好ましくは１００μｍ以下とすることができる。なお、当該間
隔は空間でもよいし、透光性を有する材料を封止層または接着層として設けてもよい。例
えば、窒素や希ガスなどの不活性ガスを当該間隔に封じ込めることができる。または、ア
クリル樹脂、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂などを当該間隔に設けてもよい。または
シリコーンオイルなどの液体を設けてもよい。なお、マイクロレンズアレイ２５４０を設
けない場合においても、カラーフィルタ２５３０と回折格子１５００との間に間隔Ｘを設
けてもよい。
また、撮像装置は、図２３（Ａ１）および図２３（Ｂ１）に示すように湾曲させてもよい
。図２３（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２３（Ａ２）は、図２３（Ａ１）中の二点鎖線Ｘ１−Ｘ２で示した部位の
断面図である。図２３（Ａ３）は、図２３（Ａ１）中の二点鎖線Ｙ１−Ｙ２で示した部位
の断面図である。
図２３（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２３（Ｂ２）は、図
２３（Ｂ１）中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図２３（Ｂ３）は、
図２３（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。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載され
ているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。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。例
えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域な
どが、酸化物半導体を有する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、本発明の一態様における様々なトランジス
タ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域など
は、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明
の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トラ
ンジスタのソースドレイン領域などは、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、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例
えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジ
スタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域な
どは、酸化物半導体を有していなくてもよい。例えば、場合によっては、または、状況に
応じて、トランジスタ５１およびトランジスタ５３の両方または一方は、活性層に酸化物
半導体層を有していなくてもよい。
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、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２４（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２４（Ａ）は上面図であり、図２４（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１−Ｂ２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Ｂ３−Ｂ４方向の断面が
図２６（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Ｂ
３−Ｂ４方向をチャネル幅方向と呼称する。
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１
６０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１
６０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
。
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。
図２４（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１
４０および導電層１５０とそれぞれ接しており、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。
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。
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
。
本発明の一態様のトランジスタは、図２４（Ｃ）、（Ｄ）に示す構成であってもよい。図
２４（Ｃ）はトランジスタ１０２の上面図であり、図２４（Ｃ）に示す一点鎖線Ｃ１−Ｃ
２方向の断面が図２４（Ｄ）に相当する。また、図２４（Ｃ）に示す一点鎖線Ｃ３−Ｃ４
方向の断面は、図２６（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。
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。
本発明の一態様のトランジスタは、図２４（Ｅ）、（Ｆ）に示す構成であってもよい。図
２４（Ｅ）はトランジスタ１０３の上面図であり、図２４（Ｅ）に示す一点鎖線Ｄ１−Ｄ
２方向の断面が図２４（Ｆ）に相当する。また、図２４（Ｅ）に示す一点鎖線Ｄ３−Ｄ４
方向の断面は、図２６（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。
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。
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。
図２４（Ｆ）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１
７５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。なお、水素を含む絶縁
材料としては、例えば窒化シリコンや窒化アルミニウムなどを用いることができる。
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１０４の上面図であり、図２５（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ１−Ｅ
２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Ｅ３−Ｅ４
方向の断面は、図２６（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。
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。
図２５（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３
３５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２３
２と同様に低抵抗化することができる。
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２３
２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。
本発明の一態様のトランジスタは、図２５（Ｃ）、（Ｄ）に示す構成であってもよい。図
２５（Ｃ）はトランジスタ１０５の上面図であり、図２５（Ｃ）に示す一点鎖線Ｆ１−Ｆ
２方向の断面が図２５（Ｄ）に相当する。また、図２５（Ｃ）に示す一点鎖線Ｆ３−Ｆ４
方向の断面は、図２６（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。
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１５
２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。
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１４
１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。
本発明の一態様のトランジスタは、図２５（Ｅ）、（Ｆ）に示す構成であってもよい。図
２５（Ｅ）はトランジスタ１０６の上面図であり、図２５（Ｅ）に示す一点鎖線Ｇ１−Ｇ
２方向の断面が図２５（Ｆ）に相当する。また、図２５（Ａ）に示す一点鎖線Ｇ３−Ｇ４
方向の断面は、図２６（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。
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。
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１５
２）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１
５０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。
本発明の一態様のトランジスタは、図２７（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２６（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２７（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１
７３を同電位とするには、例えば、図２６（Ｄ）に示すように、導電層１７０と導電層１
７３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。
図２４および図２５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２８（Ｂ）
、（Ｃ）または図２８（Ｄ）、（Ｅ）に示す酸化物半導体層１３０と入れ替えることがで
きる。
図２８（Ａ）は酸化物半導体層１３０の上面図であり、図２８（Ｂ）、（Ｃ）は、二層構
造である酸化物半導体層１３０の断面図である。また、図２８（Ｄ）、（Ｅ）は、三層構
造である酸化物半導体層１３０の断面図である。
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。
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１０７の上面図であり、図２９（Ａ）に示す一点鎖線Ｈ１−Ｈ
２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Ｈ３−Ｈ４
方向の断面が図３１（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。
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１５
０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。
本発明の一態様のトランジスタは、図２９（Ｃ）、（Ｄ）に示す構成であってもよい。図
２９（Ｃ）はトランジスタ１０８の上面図であり、図２９（Ｃ）に示す一点鎖線Ｉ１−Ｉ
２方向の断面が図２９（Ｄ）に相当する。また、図２９（Ｃ）に示す一点鎖線Ｉ３−Ｉ４
方向の断面が図３１（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。
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１７
０の端部と一致しない点がトランジスタ１０７と異なる。
本発明の一態様のトランジスタは、図２９（Ｅ）、（Ｆ）に示す構成であってもよい。図
２９（Ｅ）はトランジスタ１０９の上面図であり、図２９（Ｅ）に示す一点鎖線Ｊ１−Ｊ
２方向の断面が図２９（Ｆ）に相当する。また、図２９（Ｅ）に示す一点鎖線Ｊ３−Ｊ４
方向の断面が図３１（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。
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１６
０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１４
０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。
本発明の一態様のトランジスタは、図３０（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図
３０（Ａ）はトランジスタ１１０の上面図であり、図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ｋ１−Ｋ
２方向の断面が図３０（Ｂ）に相当する。また、図３０（Ａ）に示す一点鎖線Ｋ３−Ｋ４
方向の断面が図３１（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。
トランジスタ１１０は、領域３３１および領域３３２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１０４と同様の構成を有する。
本発明の一態様のトランジスタは、図３０（Ｃ）、（Ｄ）に示す構成であってもよい。図
３０（Ｃ）はトランジスタ１１１の上面図であり、図３０（Ｃ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ
２方向の断面が図３０（Ｄ）に相当する。また、図３０（Ｃ）に示す一点鎖線Ｌ３−Ｌ４
方向の断面が図３１（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。
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１５
１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１
５２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、ならびに導電層１４１および導電層１５１と絶縁層１６
０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。
本発明の一態様のトランジスタは、図３０（Ｅ）、（Ｆ）に示す構成であってもよい。図
３０（Ｅ）はトランジスタ１１２の上面図であり、図３０（Ｅ）に示す一点鎖線Ｍ１−Ｍ
２方向の断面が図３０（Ｆ）に相当する。また、図３０（Ｅ）に示す一点鎖線Ｍ３−Ｍ４
方向の断面が図３１（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。
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。
本発明の一態様のトランジスタは、図３２（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３１（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３２（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。
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１５
０（ドレイン電極層）は、図３３（Ａ）、（Ｂ）に示す上面図（酸化物半導体層１３０、
導電層１４０および導電層１５０のみを図示）のように酸化物半導体層１３０の幅（ＷＯ
Ｓ）よりも導電層１４０および導電層１５０の幅（ＷＳＤ）が長く形成されていてもよい
し、短く形成されていてもよい。ＷＯＳ≧ＷＳＤ（ＷＳＤはＷＯＳ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。また、図３３（Ｃ）に示すように、導電層１４０および導電層
１５０が酸化物半導体層１３０と重なる領域のみに形成されていてもよい。
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。
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。したがって、酸化物半導体層１３０ｂを厚くすることでオン電流が向上する場
合がある。
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。
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３）
本実施の形態では、実施の形態２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には、ガラス基板、石英基板、半導体基板、セラミックス基板、表面が絶縁処
理された金属基板などを用いることができる。または、トランジスタやフォトダイオード
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を用いることができる。なお、シリコン
基板にｐ−ｃｈ型のトランジスタを形成する場合は、ｎ−型の導電型を有するシリコン基
板を用いることが好ましい。または、ｎ−型またはｉ型のシリコン層を有するＳＯＩ基板
であってもよい。また、シリコン基板に設けるトランジスタがｐ−ｃｈ型である場合は、
トランジスタを形成する面の面方位は、（１１０）面であるシリコン基板を用いることが
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。例えば、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下
、好ましくは１００℃以上５００℃以下の加熱処理で行われるＴＤＳ法にて、酸素原子に
換算した酸素の放出量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である膜とする。また
、基板１１５が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層１２０は、層間絶縁膜
としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにＣＭＰ法等で平坦化処理を
行うことが好ましい。
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１３０
ａ、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１３
０ｂ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１３
０ａ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１３
０ｂ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１３０
ｃ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、Ｇ
ｄ、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、Ｉ
ｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ
酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−
Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化
物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ
−Ｃｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−
Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ酸化
物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ
−Ｔｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−
Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉ
ｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ
酸化物を用いることができる。
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、ＩｎＭＯ３（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、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且
つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
なお、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１
３０ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体層１３０ｂをＩ
ｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、酸化物半導体層１３０ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚ
ｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２
よりも大きくなることが好ましい。ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３はｙ２／ｘ２よりも１．
５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。このとき、酸化物半
導体層１３０ｂにおいて、ｙ２がｘ２以上であるとトランジスタの電気特性を安定させる
ことができる。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度
が低下してしまうため、ｙ２はｘ２の３倍未満であることが好ましい。
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７
５ａｔｏｍｉｃ％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７５ａｔ
ｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉ
ｃ％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１３０
ｃ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よりも多い組成となる酸化物はＩｎがＭと同等または少ない組
成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層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５
０ｎｍ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１
３０ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、さ
らに好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。また、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１３
０ｃ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
×１０１５／ｃｍ３未満であること、好ましくは１×１０１３／ｃｍ３未満であること、
さらに好ましくは８×１０１１／ｃｍ３未満であること、さらに好適には１×１０８／ｃ
ｍ３未満であって、１×１０−９／ｃｍ３以上であることとする。
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（Ｓｅｃｏｎｄａｒ
ｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析で見積もられる水素濃度が、２
×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、
より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であって、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上になる領域を有す
るように制御する。また、窒素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましく
は５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であって、５×１０１６
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上になる領域を有するように制御する。
また、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、シリコン濃度を１×１０１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、１×
１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上になる領域を有するように制御する。また、炭素濃度を
１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満
、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であって、６×１０１７ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以上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、５
Ｖ、または、１０Ｖ程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅あ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とがある。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１
３０ａ、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、上記酸化物をスパッタターゲットとして成膜を行った場合、成膜される酸化物半導
体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃの原子数比は必
ずしも同一とならない。
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。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１３
０ｂ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１
５０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−Ｍ
ｎ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１
０６、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膜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膜中の酸素が脱離し、酸素欠損が形成さ
れる。膜中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域は顕著に
ｎ型化する。したがって、ｎ型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインと
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、Ｎ、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た場合と比べて、絶縁層１６０の膜厚を
大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オ
フ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハ
フニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したが
って、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウム
を用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる
。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。窒素酸化物の放出量の多い絶縁層と酸化物半
導体が接した場合、窒素酸化物に起因する準位密度が高くなることがある。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の酸化物絶縁層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／ｃｍ３以上５×１０１９個／ｃｍ３以下である。なお、アンモニアの放出量は、
膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理
による放出量とする。
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２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２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１
２０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が低下する。
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 Ｏｒｇａ
ｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍ
ｉｃ 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（ＣＨ３）３）、トリメ
チルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）、およびジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ３）２）を用いる
ことができる。これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチ
ルガリウム（Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル
亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
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（ＣＨ３）２］４）やテトラキス（エチルメチルアミド
）ハフニウムなどのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（
Ｏ３）の２種類のガスを用いる。
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（ＣＨ３）３
）など）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。他の材
料としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、ア
ルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）など
がある。
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（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供
給して吸着物と反応させる。
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、ＷＦ６ガ
スとＢ２Ｈ６ガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ
２ガスを順次導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４
ガスを用いてもよい。
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（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次導入してＩｎ−Ｏ層を形
成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次導入してＧａＯ層を形成し、更に
その後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを順次導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これ
らの層の順番はこの例に限らない。これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ
−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変え
てＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含ま
ないＯ３ガスを用いる方が好ましい。
酸化物半導体層の成膜には、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることもできる
。当該対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法を、ＶＤＳＰ（ｖａｐｏｒ
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ＳＰ）と呼ぶこともできる。
対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて酸化物半導体層を成膜することによって、
酸化物半導体層の成膜時におけるプラズマ損傷を低減することができる。そのため、膜中
の酸素欠損を低減することができる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用い
ることで低圧での成膜が可能となるため、成膜された酸化物半導体層中の不純物濃度（例
えば水素、希ガス（アルゴンなど）、水など）を低減させることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
（実施の形態４）
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 Ｃｒｙｓ
ｔａｌｌｉｎｅ 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 Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（
高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。
一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバ
ウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結
晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
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ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜
のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが
現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属される
ことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概
略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４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ＸＲ
Ｄ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面
を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ
径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を
行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し
、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子
回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を
行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、
ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが
観測される場合がある。
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−Ｏ
Ｓ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−ｐ
ｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半
導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半
導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが
観測される。
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（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘ
ｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。
ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−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。ａｍｏｒ
ｐｈｏｕｓ−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、ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−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、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は
層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ４
の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９
層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は
、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその
値は０．２９ｎｍと求められている。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目
し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれ
の格子縞がＩｎＧａＺｎＯ４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、ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋ
ｅ 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５）
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：Ｄｉｇｉｔａ
ｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディス
プレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る撮像装置
および当該撮像装置を含む半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、
携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチル
カメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲー
ションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、
複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）
、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図３４に示す。
図３４（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３４（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３４（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３４（Ｃ）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９
３３、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３４（Ｄ）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。
図３４（Ｅ）はデジタルカメラであり、筐体９６１、シャッターボタン９６２、マイク９
６３、発光部９６７、レンズ９６５等を有する。レンズ９６５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３４（Ｆ）はビデオカメラであり、第１筐体９７１、第２筐体９７２、表示部９７３、
操作キー９７４、レンズ９７５、接続部９７６等を有する。操作キー９７４およびレンズ
９７５は第１筐体９７１に設けられており、表示部９７３は第２筐体９７２に設けられて
いる。そして、第１筐体９７１と第２筐体９７２とは、接続部９７６により接続されてお
り、第１筐体９７１と第２筐体９７２の間の角度は、接続部９７６により変更が可能であ
る。表示部９７３における映像を、接続部９７６における第１筐体９７１と第２筐体９７
２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９７５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。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
１１ 撮像動作
１２ データ保持動作
１３ 動作
３０ シリコン基板
３１ トランジスタ
３２ トランジスタ
３５ 活性層
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 高電圧電源
５７ 容量素子
５８ 容量素子
６０ 光電変換素子
６１ 光電変換層
６２ 透光性導電層
６３ 半導体層
６４ 半導体層
６５ 半導体層
６６ 電極
６６ａ 導電層
６６ｂ 導電層
６７ 隔壁
７１ 配線
７２ 配線
７２ａ 導電層
７２ｂ 導電層
７３ 配線
７５ 配線
７６ 配線
７７ 配線
７８ 配線
７９ 配線
８０ 絶縁層
８１ 導電体
８２ 絶縁層
８２ａ 絶縁層
８２ｂ 絶縁層
８３ 絶縁層
８８ 配線
９３ 配線
９６ 配線
９９ 配線
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
１３０ｂ 酸化物半導体層
１３０ｃ 酸化物半導体層
１４０ 導電層
１４１ 導電層
１４２ 導電層
１５０ 導電層
１５１ 導電層
１５２ 導電層
１６０ 絶縁層
１７０ 導電層
１７１ 導電層
１７２ 導電層
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
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
９３１ 筐体
９３２ 表示部
９３３ リストバンド
９３９ カメラ
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
９６１ 筐体
９６２ シャッターボタン
９６３ マイク
９６５ レンズ
９６７ 発光部
９７１ 筐体
９７２ 筐体
９７３ 表示部
９７４ 操作キー
９７５ レンズ
９７６ 接続部
１１００ 層
１２００ 層
１４００ 層
１５００ 回折格子
１６００ 層
２５００ 絶縁層
２５１０ 遮光層
２５２０ 有機樹脂層
２５３０ カラーフィルタ
２５３０ａ カラーフィルタ
２５３０ｂ カラーフィルタ
２５３０ｃ カラーフィルタ
２５４０ マイクロレンズアレイ
２５５０ 光学変換層
２５６０ 絶縁層

Claims (7)

  1. レンズと、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１の配線と、第２の配線と、を有し、
    前記光電変換素子は、正面視において、前記レンズと重なりを有するように配置され、
    前記光電変換素子の一方の電極は、前記第１の配線と電気的に接続され、
    前記光電変換素子の他方の電極は、前記第１のトランジスタのソース電極及びドレイン電極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電極及びドレイン電極の他方は、前記第２のトランジスタのゲート電極と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのゲート電極は、前記第２の配線と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタは、ｎチャネル型のトランジスタであり、
    前記第２の配線に供給される電位の最大値は、前記第１の配線に供給される電位よりも小さい、電子機器。
  2. 筐体と、前記筐体に設けられた表示部と、前記筐体に設けられたカメラと、を有し、
    前記カメラは、レンズと、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１の配線と、第２の配線と、を有し、
    前記光電変換素子は、正面視において、前記レンズと重なりを有するように配置され、
    前記光電変換素子の一方の電極は、前記第１の配線と電気的に接続され、
    前記光電変換素子の他方の電極は、前記第１のトランジスタのソース電極及びドレイン電極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電極及びドレイン電極の他方は、前記第２のトランジスタのゲート電極と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのゲート電極は、前記第２の配線と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタは、ｎチャネル型のトランジスタであり、
    前記第２の配線に供給される電位の最大値は、前記第１の配線に供給される電位よりも小さく、
    前記レンズは、前記表示部が設けられている側に配置されている、電子機器。
  3. 請求項１又は２において、
    前記第１のトランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体を有する、電子機器。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一において、
    前記第１のトランジスタのチャネル形成領域、及び、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域は、シリコンを有する、電子機器。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一において、
    前記第２の配線には、前記第１のトランジスタのオン、オフを制御するための信号が供給される、電子機器。
  6. 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１の配線と、第２の配線と、を有し、
    前記光電変換素子の一方の電極は、前記第１の配線と電気的に接続され、
    前記光電変換素子の他方の電極は、前記第１のトランジスタのソース電極及びドレイン電極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電極及びドレイン電極の他方は、前記第２のトランジスタのゲート電極と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのゲート電極は、前記第２の配線と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタは、ｎチャネル型のトランジスタであり、
    前記第２の配線に供給される電位の最大値は、前記第１の配線に供給される電位よりも小さい、撮像装置。
  7. 請求項６において、
    前記第２の配線には、前記第１のトランジスタのオン、オフを制御するための信号が供給される、撮像装置。
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