(57)【要約】【課題】撮像された画像の品質を向上させる固体撮像装置、或いは半導体表示装置を提供する。【解決手段】グローバルシャッタ方式で駆動を行うことで、電荷の蓄積動作を制御するための電位を全画素で共有することができる。さらに、出力信号が与えられる一の配線に接続されている複数のフォトセンサを第１のフォトセンサ群とし、出力信号が与えられる他の配線に接続されている複数のフォトセンサを第２のフォトセンサ群とすると、電荷の蓄積動作を制御するための電位または信号を第１のフォトセンサ群に与える配線と、上記電位または信号を第２のフォトセンサ群に与える配線とを、接続する。【選択図】図１
2020061572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、第１のトランジスタ乃至第３のトランジスタと、を有し、
前記フォトダイオードの陽極は、第１の配線と電気的に接続され、
前記フォトダイオードの陰極は、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のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
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は、第２の配線と電気的に接続され、
前記第２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、
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、第３の配線と電気的に接続される半導体装置であって、
前記半導体装置は、第１の導電層と、第２の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記第１の配線としての機能を有し、
前記第２の導電層は、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と電気的に接続され、
前記第１の導電層は、平面視において凸部を有し、
前記凸部は、平面視において前記フォトダイオードの陽極と重なる領域を有し、
前記第１の導電層と、前記第２の導電層とは、絶縁層に接しており、
前記フォトダイオードに光が入射する側を上としたとき、前記絶縁層は、前記第１の導電層の下側、及び前記第２の導電層の下側に位置し、かつ、前記フォトダイオードは、前記第１の導電層の上側に位置する半導体装置。
【請求項２】
フォトダイオードと、第１のトランジスタ乃至第３のトランジスタと、を有し、
前記フォトダイオードの陽極は、第１の配線と電気的に接続され、
前記フォトダイオードの陰極は、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のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
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は、第２の配線と電気的に接続され、
前記第２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、
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、第３の配線と電気的に接続される半導体装置であって、
前記半導体装置は、第１の導電層と、第２の導電層と、第３の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記第１の配線としての機能を有し、
前記第２の導電層は、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と電気的に接続され、
前記第３の導電層は、前記第２の配線としての機能を有し、
前記第２の導電層は、平面視において前記第１の導電層と、前記第３の導電層との間に位置し、
前記第１の導電層は、平面視において凸部を有し、
前記凸部は、平面視において前記フォトダイオードの陽極と重なる領域を有し、
前記第１の導電層と、前記第２の導電層と、前記第３の導電層とは、絶縁層に接しており、
前記フォトダイオードに光が入射する側を上としたとき、前記絶縁層は、前記第１の導電層の下側、前記第２の導電層の下側、及び前記第３の導電層の下側に位置し、かつ、前記フォトダイオードは、前記第１の導電層の上側に位置する半導体装置。
【請求項３】
フォトダイオードと、第１のトランジスタ乃至第３のトランジスタと、を有し、
前記フォトダイオードの陽極は、第１の配線と電気的に接続され、
前記フォトダイオードの陰極は、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のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
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は、第２の配線と電気的に接続され、
前記第２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、
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、第３の配線と電気的に接続される半導体装置であって、
前記半導体装置は、第１の導電層と、第２の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記第１の配線としての機能を有し、
前記第２の導電層は、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と電気的に接続され、
前記第１の導電層は、第１の方向に延伸しており、
前記第１の導電層は、平面視において第１の領域と、第２の領域と、を有し、
前記第１の方向と交差する第２の方向において、前記第１の領域の幅は前記第２の領域の幅よりも広く、
前記第１の領域は、平面視において前記フォトダイオードの陽極と重なる領域を有し、
前記第１の導電層と、前記第２の導電層とは、絶縁層に接しており、
前記フォトダイオードに光が入射する側を上としたとき、前記絶縁層は、前記第１の導電層の下側、及び前記第２の導電層の下側に位置し、かつ、前記フォトダイオードは、前記第１の導電層の上側に位置する半導体装置。
【請求項４】
フォトダイオードと、第１のトランジスタ乃至第３のトランジスタと、を有し、
前記フォトダイオードの陽極は、第１の配線と電気的に接続され、
前記フォトダイオードの陰極は、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のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
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は、第２の配線と電気的に接続され、
前記第２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、
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、第３の配線と電気的に接続される半導体装置であって、
前記半導体装置は、第１の導電層と、第２の導電層と、第３の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記第１の配線としての機能を有し、
前記第２の導電層は、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と電気的に接続され、
前記第３の導電層は、前記第２の配線としての機能を有し、
前記第２の導電層は、平面視において前記第１の導電層と、前記第３の導電層との間に位置し、
前記第１の導電層は、第１の方向に延伸しており、
前記第１の導電層は、平面視において第１の領域と、第２の領域と、を有し、
前記第１の方向と交差する第２の方向において、前記第１の領域の幅は前記第２の領域の幅よりも広く、
前記第１の領域は、平面視において前記フォトダイオードの陽極と重なる領域を有し、
前記第１の導電層と、前記第２の導電層と、前記第３の導電層とは、絶縁層に接しており、
前記フォトダイオードに光が入射する側を上としたとき、前記絶縁層は、前記第１の導電層の下側、前記第２の導電層の下側、及び前記第３の導電層の下側に位置し、かつ、前記フォトダイオードは、前記第１の導電層の上側に位置する半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記第１のトランジスタのゲートとしての機能を有する導電層は、平面視において前記第３の配線としての機能を有する導電層と、重なる領域を有する半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
前記第３のトランジスタのゲートは、第４の配線と電気的に接続され、
前記第３の配線としての機能を有する導電層は、平面視において前記第４の配線としての機能を有する導電層と重なる領域を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
フォトセンサを画素に有する固体撮像装置と、フォトセンサ及び表示素子を画素に有する
半導体表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳセンサと呼ばれる、ＭＯＳトランジスタの増幅機能を用いたフォトセンサは、汎
用のＣＭＯＳプロセスを用いて製造できる。そのため、ＣＭＯＳセンサを各画素に有する
固体撮像装置の製造コストを低くできる上に、フォトセンサと表示素子を同一基板上に作
り込んだ半導体表示装置を実現することができる。また、ＣＭＯＳセンサはＣＣＤセンサ
に比べて駆動電圧が低いため、固体撮像装置の消費電力を低く抑えることができる。
【０００３】
ＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置、或いは半導体表示装置では、フォトダイオードに
おける電荷の蓄積動作と、上記電荷の読み出し動作とを、行ごとに順次行うローリングシ
ャッタ方式が一般的に用いられている。しかし、ローリングシャッタ方式での撮像は、蓄
積動作を行う期間が最初の行と最後の行とで異なっている。そのため、高速で移動する被
写体をローリングシャッタ方式で撮像すると、歪んだ被写体の画像データが形成されてし
まう。
【０００４】
下記の特許文献１には、ＣＭＯＳセンサを用いてローリングシャッタ方式で撮像する場合
に生じる、画像データの歪みを補正する技術について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１４１７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置、或いは半導体表示装置では、電源電位
、或いは信号の電位をフォトセンサに供給するための配線が画素部に配置されている。こ
の配線は抵抗を有しているため、電源電位の供給源或いは信号の供給源から遠い画素ほど
電位の降下が大きくなりやすい。また、配線が有する抵抗や、コンタクトの部分などに生
じる寄生抵抗が大きいほど、信号の遅延が起こりやすい。配線における電位の降下や信号
の遅延が生じると、フォトセンサに供給される電源電位、或いは信号の電位が画素部内で
ばらついてしまい、その電位のばらつきがフォトセンサから出力される信号の電位に反映
され、撮像された画像の品質が落ちてしまう。
【０００７】
また、ローリングシャッタ方式によってもたらされる画像データの歪みを解消するために
、ＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置、或いは半導体表示装置において、ＣＣＤセンサ
を用いた固体撮像装置で採用されているグローバルシャッタ方式を用いることが望ましい
。グローバルシャッタ方式は、全画素で蓄積動作を一斉に行う方式であり、グローバルシ
ャッタ方式を採用することで画像データの歪みを解消することができる。しかし、グロー
バルシャッタ方式を用いる場合、全画素において一斉に蓄積動作を行うため、駆動回路が
有する電流または電圧の供給能力によっては、上述したような配線における電位の降下や
信号の遅延が顕著に起こりやすい。
【０００８】
また、固体撮像装置、或いは半導体表示装置の性能を評価する上で、低消費電力であるこ
とは重要なポイントの一つである。特に、携帯電話などの携帯型の電子機器だと、固体撮
像装置、或いは半導体表示装置の消費電力の高さは、連続使用時間の短縮化というデメリ
ットに繋がるため、低消費電力であることが求められる。
【０００９】
上述の課題に鑑み、本発明は、撮像された画像の品質を向上させる固体撮像装置、或いは
半導体表示装置の提供を、目的の一とする。或いは、本発明は、消費電力を低く抑えるこ
とができる固体撮像装置、或いは半導体表示装置の提供を、目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
グローバルシャッタ方式を用いて撮像を行う場合、電荷の蓄積動作は全画素において一斉
に行われる。そのため、フォトダイオードに供給する電位や、電荷を保持するトランジス
タのスイッチングを制御するための信号の電位などの、電荷の蓄積動作を制御するための
電位を、全画素において共有することができる。そこで、本発明の一態様に係る固体撮像
装置、或いは半導体表示装置では、出力信号が与えられる一の配線に接続されている複数
のフォトセンサを第１のフォトセンサ群とし、出力信号が与えられる他の配線に接続され
ている複数のフォトセンサを第２のフォトセンサ群とすると、電荷の蓄積動作を制御する
ための電位を第１のフォトセンサ群に与える配線と、上記電位を第２のフォトセンサ群に
与える配線とを、接続する。上記構成により、グローバルシャッタ方式において顕著に起
こりやすかった、配線抵抗による電位の降下や信号の遅延を抑制し、電荷の蓄積動作を制
御するための電位や信号が画素部内でばらつくのを防ぐ。
【００１１】
また、本発明の一態様に係る固体撮像装置、或いは半導体表示装置では、異なる色の光を
発する複数の光源をバックライトに有し、上記光源を順次点灯させるフィールドシーケン
シャル駆動（ＦＳ駆動）を行うようにしても良い。この場合、各色の光源が点灯している
期間に各画素において電荷の蓄積動作を行うことで、各色に対応した画像データを取得で
きる。そして、上記各色に対応した画像データを合成することで、カラーの画像データを
得ることができる。また、半導体表示装置では、撮像時のみならず、画像の表示を行う際
にもＦＳ駆動を行うことができる。具体的には、各色の光源を順次点灯させ、各色の光源
が点灯している期間に、各色に対応する階調を表示素子において表示することで、カラー
の画像を表示することができる。この場合、表示素子には、液晶素子などの、画像信号に
よりその透過率が制御される素子を用いる。
【００１２】
ＦＳ駆動を用いることで、各画素にカラーフィルタを設ける必要がなくなり、バックライ
トからの光の利用効率を高めることができる。また、１つの画素で各色に対応する画像デ
ータの取得、或いは階調の表示を行うことができるため、高精細な画像データの取得、或
いは高精細な画像の表示を行うことができる。
【００１３】
ＦＳ駆動でバックライトを動作させる場合、単色の光源とカラーフィルタを組み合わせる
場合とは異なり、各色の光源を順次切り換えて発光させる必要がある。さらに、上記光源
の切り換えが行われる周波数は、単色の光源を用いた場合のフレーム周波数よりも高い値
に設定する必要がある。例えば、単色の光源を用いた場合のフレーム周波数を６０Ｈｚと
すると、赤、緑、青の各色に対応する光源を用いてＦＳ駆動を行う場合、光源の切り替え
を行う周波数は、約３倍の１８０Ｈｚ程度となる。よって、各色の光源が発光する期間は
、非常に短い。しかし、本発明の一態様では、グローバルシャッタ方式を用いて撮像を行
うため、電荷の蓄積動作を全画素において一斉に行う。よって、全画素において蓄積動作
を完了させるまでの期間が、ローリングシャッタ方式を用いた場合よりも短くすることが
できる。そのため、ＦＳ駆動を採用することで各色の光源が発光する期間が短くなっても
、上記期間内において全画素の蓄積動作を完了させることができる。
【００１４】
なお、ＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置、或いは半導体表示装置の場合、グローバル
シャッタ方式を用いると、全画素で蓄積動作を一斉に行った後に、読み出し動作を行ごと
に順次行う必要がある。よって、蓄積動作が終了してから読み出し動作に移行するまでの
、電荷を保持している電荷保持期間が、行ごとに異なる。そのため、トランジスタのオフ
電流による電荷のリークが生じると、上記期間の長さに合わせて各行における電荷の量が
変動してしまうため、階調の変化した被写体の画像データが形成されてしまうことがある
。
【００１５】
そこで、本発明の一態様に係る固体撮像装置、或いは半導体表示装置では、フォトセンサ
において蓄積された電荷を保持するためのスイッチング素子に、オフ電流の著しく小さい
絶縁ゲート電界効果型トランジスタ（以下、単にトランジスタとする）を用いても良い。
上記トランジスタは、シリコン半導体よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度が
シリコンよりも低い半導体材料を、チャネル形成領域に含むことを特徴とする。上述した
ような特性を有する半導体材料をチャネル形成領域に含むことで、オフ電流が著しく小さ
く、なおかつ高耐圧であるトランジスタを実現することができる。このような半導体材料
としては、例えば、シリコンの約３倍程度の大きなバンドギャップを有する酸化物半導体
が挙げられる。上記構成を有するトランジスタをスイッチング素子として用いることで、
電荷保持期間における電荷のリークを小さく抑えることができ、グローバルシャッタ方式
を用いた場合に、行によって電荷保持期間が異なることに起因する階調の変化を、小さく
抑えることができる。
【００１６】
なお、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸
素欠損が低減されることで高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ  ＯＳ）は、
ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、上記酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタは、オフ電流が著しく小さいという特性を有する。具体的に、高純度化された酸
化物半導体は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓ
ｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による水素濃度の測定値が、５×１０１９／ｃｍ３以下
、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下、さ
らに好ましくは１×１０１６／ｃｍ３以下とする。また、ホール効果測定により測定でき
る酸化物半導体膜のキャリア密度は、１×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１
２／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満とする。また、酸化物半導
体のバンドギャップは、２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ
以上である。水分または水素などの不純物濃度が十分に低減され、なおかつ酸素欠損が低
減されることで高純度化された酸化物半導体膜を用いることにより、トランジスタのオフ
電流を小さくすることができる。
【００１７】
ここで、酸化物半導体膜中の、水素濃度の分析について触れておく。酸化物半導体膜中の
水素濃度測定は、ＳＩＭＳで行う。ＳＩＭＳは、その原理上、試料表面近傍や、材質が異
なる膜との積層界面近傍のデータを正確に得ることが困難であることが知られている。そ
こで、膜中における水素濃度の厚さ方向の分布をＳＩＭＳで分析する場合、対象となる膜
が存在する範囲において、値に極端な変動が無く、ほぼ一定の値が得られる領域における
平均値を、水素濃度として採用する。また、測定の対象となる膜の厚さが小さい場合、隣
接する膜内の水素濃度の影響を受けて、ほぼ一定の値が得られる領域を見いだせない場合
がある。この場合、当該膜が存在する領域における、水素濃度の極大値または極小値を、
当該膜中の水素濃度として採用する。さらに、当該膜が存在する領域において、極大値を
有する山型のピーク、極小値を有する谷型のピークが存在しない場合、変曲点の値を水素
濃度として採用する。
【００１８】
具体的に、高純度化された酸化物半導体膜を活性層として用いたトランジスタのオフ電流
が小さいことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が１×１０６μ
ｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレ
イン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流（ゲート電極とソース電極間の電
圧を０Ｖ以下としたときのドレイン電流）が、半導体パラメータアナライザの測定限界以
下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。この場合、オフ電流
をトランジスタのチャネル幅で除した数値に相当するオフ電流密度は、１００ｚＡ／μｍ
以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子に流入
または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電流
密度の測定を行った。当該測定では、上記トランジスタ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、容量素子の単位時間あたりの電荷の量の推移から当該トラン
ジスタのオフ電流密度を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極
間の電圧が３Ｖの場合に、数十ｙＡ／μｍという、さらに小さいオフ電流密度が得られる
ことが分かった。したがって、本発明の一態様に係る半導体装置では、高純度化された酸
化物半導体膜を活性層として用いたトランジスタのオフ電流密度を、ソース電極とドレイ
ン電極間の電圧によっては、１００ｙＡ／μｍ以下、好ましくは１０ｙＡ／μｍ以下、更
に好ましくは１ｙＡ／μｍ以下にすることができる。従って、高純度化された酸化物半導
体膜を活性層として用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用い
たトランジスタに比べて著しく小さい。
【００１９】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化
物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系
酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の
酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系
酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸
化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化
物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ
−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−
Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用
いることができる。なお、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを
有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。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、上記酸化物半導体は、珪素を含んでい
てもよい。
【００２０】
或いは、酸化物半導体は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、ｍは自然数であるとは限ら
ない）で表記することができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＣｏから選ばれ
た一または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、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。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様では、各行或いは各列の画素に電位を供給する複数の配線のうち、フォト
ダイオードに電位を供給する複数の配線どうし、或いは上記オフ電流の著しく小さいトラ
ンジスタのスイッチングを制御するための信号の電位を供給する複数の配線どうしの、少
なくとも２つを電気的に接続する。上記構成により、配線抵抗による電位の降下や信号の
遅延を抑制し、上記電位、或いは上記信号の電位が画素部内でばらつくのを防ぐことがで
きる。その結果、フォトセンサから出力される信号の電位がばらつくのを防ぐことができ
、撮像された画像の品質を向上させることができる。
【００２２】
或いは、本発明の一態様では、グローバルシャッタ方式を用いることで、上記構成に加え
てＦＳ駆動を組み合わせることができる。ＦＳ駆動を用いることで、固体撮像装置、或い
は半導体表示装置の消費電力を低減させることができる。
【００２３】
或いは、本発明の一態様では、オフ電流の著しく小さいトランジスタを、フォトセンサに
おいて蓄積された電荷を保持するためのスイッチング素子に用いることで、グローバルシ
ャッタ方式を用いて撮像を行っても、電荷保持期間が異なることに起因する階調の変化を
小さく抑え、撮像された画像の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】複数のフォトセンサの接続構成を示す回路図。
【図２】フォトセンサの回路図と、画素部の回路図。
【図３】フォトセンサのタイミングチャート。
【図４】配線ＴＸと配線ＳＥのタイミングチャート。
【図５】光源の点灯期間及び消灯期間と、配線ＴＸ、配線ＰＲ、配線ＳＥの電位の時間変化とを示す図。
【図６】半導体表示装置が有する画素の構成を示す回路図。
【図７】画素の上面図の一例を示す図。
【図８】表示素子の上面図。
【図９】フォトセンサの上面図及び断面図。
【図１０】光源の点灯期間及び消灯期間と、配線ＴＸ、配線ＰＲ、配線ＳＥの電位の時間変化とを示す図。
【図１１】フォトセンサの回路図。
【図１２】フォトセンサのタイミングチャート。
【図１３】フォトセンサの回路図。
【図１４】シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタの作製方法を示す断面図。
【図１５】シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタの断面図。
【図１６】パネルの断面図。
【図１７】半導体表示装置の構造を示す斜視図。
【図１８】電子機器の図。
【図１９】トランジスタの構成例について説明する図。
【図２０】画素の上面図の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は
以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び
詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。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。
【００２６】
（実施の形態１）
図１を用いて、本発明の固体撮像装置、または半導体表示装置が有するフォトセンサの接
続構成について説明する。
【００２７】
図１は、画素部における、複数のフォトセンサ１０１の接続構成を示す回路図の一例であ
る。図１では、各画素の有するフォトセンサ１０１がマトリクス状に配置されている。そ
して、各フォトセンサ１０１は、フォトダイオード１０２と、増幅回路１０３とを有して
いる。フォトダイオード１０２は、半導体の接合部に光があたると電流が発生する性質を
有する光電変換素子である。増幅回路１０３は、フォトダイオード１０２が受光すること
で得られる電流を増幅する、或いは、上記電流によって蓄積された電荷を保持する回路で
ある。
【００２８】
増幅回路１０３の構成は、フォトダイオード１０２において生じる電流を増幅できるので
あれば良く、あらゆる形態を採用することができるが、少なくとも増幅回路１０３は、ス
イッチング素子として機能するトランジスタ１０４を有する。上記スイッチング素子は、
増幅回路１０３内への上記電流の供給を制御する。
【００２９】
そして、本発明の一態様では、上記スイッチング素子として機能するトランジスタ１０４
のチャネル形成領域に、シリコン半導体よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度
がシリコンよりも低い半導体を含んでいても良い。上記半導体の一例として、炭化珪素（
ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの金属
酸化物でなる酸化物半導体などを適用することができる。この中でも酸化物半導体は、ス
パッタリング法や湿式法（印刷法など）により作製可能であり、量産性に優れるといった
利点がある。また、炭化シリコンや窒化ガリウムなどの化合物半導体は単結晶であること
が必須で、単結晶材料を得るためには、酸化物半導体のプロセス温度よりも著しく高い温
度による結晶成長、或いは、特殊な基板上のエピタキシャル成長が必要である。一方、酸
化物半導体は、室温でも成膜が可能なため、入手が容易なシリコンウェハや、安価で大型
化に対応できるガラス基板上への成膜が可能であり、量産性が高い。また、通常のシリコ
ンやガリウムなどの半導体材料を用いた集積回路上に、酸化物半導体による半導体素子を
積層させることも可能である。よって、上述したワイドギャップ半導体の中でも、特に酸
化物半導体は量産性が高いというメリットを有する。また、トランジスタの性能（例えば
電界効果移動度）を向上させるために結晶性の酸化物半導体を得ようとする場合でも、２
００℃から８００℃の熱処理によって容易に結晶性の酸化物半導体を得ることができる。
【００３０】
以下の説明では、バンドギャップが大きい半導体として、上記のような利点を有する酸化
物半導体を用いる場合を例に挙げている。
【００３１】
上述したような特性を有する半導体材料をチャネル形成領域に含むことで、オフ電流が極
めて低く、なおかつ高耐圧であるトランジスタ１０４を実現することができる。そして、
上記構成を有するトランジスタ１０４をスイッチング素子として用いることで、増幅回路
１０３内に蓄積された電荷のリークを防ぐことができる。
【００３２】
なお、トランジスタ１０４の活性層に酸化物半導体などのバンドギャップの大きい半導体
を用いる方が、増幅回路１０３内に蓄積された電荷のリークをより防ぐことができるので
望ましいが、本発明は必ずしもこの構成に限定されない。トランジスタ１０４の活性層に
酸化物半導体以外の、非晶質、微結晶、多結晶、または単結晶の、シリコン、またはゲル
マニウムなどの半導体が用いられていても、グローバルシャッタ方式で動作させることは
可能である。
【００３３】
なお、特に断りがない限り、本明細書でオフ電流とは、ｎチャネル型トランジスタにおい
ては、ドレイン電極をソース電極とゲート電極よりも高い電位とした状態において、ソー
ス電極の電位を基準としたときのゲート電極の電位が０以下であるときに、ソース電極と
ドレイン電極の間に流れる電流のことを意味する。或いは、本明細書でオフ電流とは、ｐ
チャネル型トランジスタにおいては、ドレイン電極をソース電極とゲート電極よりも低い
電位とした状態において、ソース電極の電位を基準としたときのゲート電極の電位が０以
上であるときに、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流のことを意味する。
【００３４】
また、トランジスタが有するソース電極とドレイン電極は、トランジスタの極性及び各電
極に与えられる電位の高低差によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、ｎチャネル
型トランジスタでは、低い電位が与えられる電極がソース電極と呼ばれ、高い電位が与え
られる電極がドレイン電極と呼ばれる。また、ｐチャネル型トランジスタでは、低い電位
が与えられる電極がドレイン電極と呼ばれ、高い電位が与えられる電極がソース電極と呼
ばれる。以下、ソース電極とドレイン電極のいずれか一方を第１端子、他方を第２端子と
し、フォトセンサ１０１が有するフォトダイオード１０２、トランジスタ１０４の接続関
係を説明する。
【００３５】
具体的に、図１では、フォトダイオード１０２の陽極が、配線ＰＲに接続されている。ま
た、フォトダイオード１０２の陰極が、トランジスタ１０４の第１端子に接続されている
。トランジスタ１０４の第２端子は、増幅回路１０３内の他の半導体素子に接続されてい
るため、増幅回路１０３内の構成によって、トランジスタ１０４の第２端子の接続先は異
なる。また、トランジスタ１０４のゲート電極は、配線ＴＸに接続されている。配線ＴＸ
には、トランジスタ１０４のスイッチングを制御するための信号の電位が与えられる。ま
た、フォトセンサ１０１は配線ＯＵＴに接続されている。配線ＯＵＴには、増幅回路１０
３から出力される出力信号の電位が与えられる。
【００３６】
なお、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が
、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接
続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或い
は伝送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介し
て間接的に接続している状態も、その範疇に含む。
【００３７】
また、回路図上は独立している構成要素どうしが接続されている場合であっても、実際に
は、例えば配線の一部が電極として機能する場合など、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ある。本明細書において接続とは、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。
【００３８】
なお、図１では、配線ＰＲと、配線ＴＸと、配線ＯＵＴとが各フォトセンサ１０１に接続
されている場合を例示しているが、本発明の一態様では、各フォトセンサ１０１が有する
配線の数はこれに限定されない。上記配線に加えて、電源電位が与えられる配線、増幅回
路１０３に保持されている電荷の量をリセットするための信号の電位が与えられる配線な
どが、各フォトセンサ１０１に接続されていても良い。
【００３９】
また、本発明の一態様では、図１に示すように、一の配線ＯＵＴが複数のフォトセンサ１
０１に接続されており、一の配線ＯＵＴに接続されている複数のフォトセンサ１０１は、
他の配線ＯＵＴには接続されておらず、電気的に分離している。そして、一の配線ＯＵＴ
に接続されている複数のフォトセンサ１０１を第１のフォトセンサ群とし、他の配線ＯＵ
Ｔに接続されている複数のフォトセンサ１０１を第２のフォトセンサ群とすると、本発明
の一態様では、第１のフォトセンサ群に接続された配線ＰＲが、第２のフォトセンサ群に
接続された配線ＰＲに接続されている。或いは、本発明の一態様では、第１のフォトセン
サ群に接続された配線ＴＸが、第２のフォトセンサ群に接続された配線ＴＸに接続されて
いる。
【００４０】
本発明の一態様では、上記構成により、配線ＰＲや配線ＴＸの抵抗による電位の降下や信
号の遅延を抑制することができる。その結果、フォトダイオード１０２の陽極に与えられ
る電位、或いは、電荷を保持するためのトランジスタ１０４のスイッチングを制御する信
号の電位が、画素部内でばらつくのを防ぐことができる。よって、フォトセンサ１０１か
ら出力される信号の電位がばらつくのを防ぐことができ、撮像された画像の品質を向上さ
せることができる。
【００４１】
なお、図１では、増幅回路１０３がスイッチング素子として機能するトランジスタ１０４
を一つだけ有するフォトセンサ１０１の構成を示しているが、本発明はこの構成に限定さ
れない。本発明の一態様では、一のトランジスタが一のスイッチング素子として機能する
構成を示しているが、複数のトランジスタが一のスイッチング素子として機能していても
良い。複数のトランジスタが一のスイッチング素子として機能する場合、上記複数のトラ
ンジスタは並列に接続されていても良いし、直列に接続されていても良いし、直列と並列
が組み合わされて接続されていても良い。
【００４２】
本明細書において、トランジスタが直列に接続されている状態とは、例えば、第１のトラ
ンジスタの第１端子と第２端子のいずれか一方のみが、第２のトランジスタの第１端子と
第２端子のいずれか一方のみに接続されている状態を意味する。また、トランジスタが並
列に接続されている状態とは、第１のトランジスタの第１端子が第２のトランジスタの第
１端子に接続され、第１のトランジスタの第２端子が第２のトランジスタの第２端子に接
続されている状態を意味する。
【００４３】
また、図１では、トランジスタ１０４がゲート電極を活性層の片側にのみ有している場合
を示している。トランジスタ１０４が、活性層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を
有している場合、一方のゲート電極にはスイッチングを制御するための信号が与えられ、
他方のゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、電
位が他から与えられている状態であっても良い。後者の場合、一対の電極に、同じ高さの
電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみグラウンドなどの固定電位が与
えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジ
スタ１０４の閾値電圧を制御することができる。
【００４４】
次いで、フォトセンサ１０１の、具体的な構成の一例について説明する。図２（Ａ）に、
フォトセンサ１０１の一例を回路図で示す。
【００４５】
図２（Ａ）に示すフォトセンサ１０１は、増幅回路１０３が、トランジスタ１０４に加え
て、トランジスタ１０５とトランジスタ１０６とを有している。トランジスタ１０５は、
トランジスタ１０４の第２端子に与えられる電位に従って、その第１端子と第２端子間の
電流値或いは抵抗値が定まる。また、トランジスタ１０６は、上記電流値或いは抵抗値に
よって定まる出力信号の電位を、配線ＯＵＴに供給するためのスイッチング素子として機
能する。
【００４６】
具体的に、図２（Ａ）では、トランジスタ１０４の第２端子がトランジスタ１０５のゲー
ト電極に接続されている。トランジスタ１０５の第１端子は、ハイレベルの電源電位ＶＤ
Ｄが与えられている配線ＶＲに接続されている。トランジスタ１０５の第２端子は、トラ
ンジスタ１０６の第１端子に接続されている。トランジスタ１０６の第２端子は、配線Ｏ
ＵＴに接続されている。トランジスタ１０６のゲート電極は、配線ＳＥに接続されており
、配線ＳＥにはトランジスタ１０６のスイッチングを制御する信号の電位が与えられる。
【００４７】
図２（Ａ）では、トランジスタ１０４の第２端子とトランジスタ１０５のゲート電極が接
続されているノードを、ノードＦＤとして示している。ノードＦＤに蓄積される電荷の量
によって、トランジスタ１０５の第１端子と第２端子間の電流値或いは抵抗値が定まり、
これに加えて、トランジスタ１０６のスイッチングを制御する信号の電位を与えることで
、トランジスタ１０６の第２端子から発する出力信号の電位が定まる。ノードＦＤにおい
て電荷をより確実に保持するために、ノードＦＤに保持容量を接続するようにしても良い
。
【００４８】
なお、図２（Ａ）において、トランジスタ１０４以外の、増幅回路１０３を構成している
トランジスタ１０５とトランジスタ１０６は、その活性層に、酸化物半導体膜が用いられ
ていても良い。或いは、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５、トランジスタ１０６
の活性層に、酸化物半導体以外の、非晶質、微結晶、多結晶、または単結晶の、シリコン
、またはゲルマニウムなどの半導体が用いられていても良い。フォトセンサ１０１内の全
てのトランジスタの活性層に、酸化物半導体膜を用いることで、プロセスを簡略化するこ
とができる。また、トランジスタ１０５とトランジスタ１０６の活性層に、例えば、多結
晶または単結晶のシリコンなどのように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導
体材料を用いることで、フォトセンサ１０１からの画像データの読み出しを高速で行うこ
とができる。
【００４９】
図２（Ｂ）に、図２（Ａ）に示したフォトセンサ１０１を有する画素部の構成を一例とし
て示す。
【００５０】
図２（Ｂ）では、複数のフォトセンサ１０１がマトリクス状に配置されている。各列のフ
ォトセンサ１０１は、複数の配線ＰＲ（配線ＰＲ１〜配線ＰＲｘと表記する）のいずれか
１つと、複数の配線ＴＸ（配線ＴＸ１〜配線ＴＸｘと表記する）のいずれか１つと、複数
の配線ＯＵＴ（配線ＯＵＴ１〜配線ＯＵＴｘと表記する）のいずれか１つ、複数の配線Ｖ
Ｒ（配線ＶＲ１〜配線ＶＲｘと表記する）のいずれか１つと接続されている。また、各行
のフォトセンサ１０１は、複数の配線ＳＥ（配線ＳＥ１〜配線ＳＥｙと表記する）のいず
れか１つと接続されている。
【００５１】
また、図２（Ｂ）では、配線ＯＵＴｉ（ｉは１〜ｘのいずれか１つ）及び配線ＶＲｉ（ｉ
は１〜ｘのいずれか１つ）に接続されている複数のフォトセンサ１０１は、配線ＯＵＴｊ
（ｊはｉ以外であり１〜ｘのいずれか１つ）及び配線ＶＲｊ（ｊはｉ以外であり１〜ｘの
いずれか１つ）には接続されておらず、電気的に分離している。そして、配線ＯＵＴｉ及
び配線ＶＲｉに接続されている複数のフォトセンサ１０１を第１のフォトセンサ群とし、
配線ＯＵＴｊ及び配線ＶＲｊに接続されている複数のフォトセンサ１０１を第２のフォト
センサ群とすると、図２（Ｂ）では、第１のフォトセンサ群に接続された配線ＰＲｉが、
第２のフォトセンサ群に接続された配線ＰＲｊに接続されている。或いは、第１のフォト
センサ群に接続された配線ＴＸｉが、第２のフォトセンサ群に接続された配線ＴＸｊに接
続されている。
【００５２】
上記構成により、図１の場合と同様に、配線ＰＲや配線ＴＸの抵抗による電位の降下や信
号の遅延を抑制することができる。その結果、フォトダイオード１０２の陽極に与えられ
る電位、或いは、電荷を保持するためのトランジスタ１０４のスイッチングを制御する信
号の電位が、画素部内でばらつくのを防ぐことができる。よって、フォトセンサ１０１か
ら出力される信号の電位がばらつくのを防ぐことができ、撮像された画像の品質を向上さ
せることができる。
【００５３】
次いで、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示したフォトセンサ１０１の動作の一例について説
明する。
【００５４】
まず、各フォトセンサ１０１の動作について説明する。図３に、図２（Ａ）及び図２（Ｂ
）に示したフォトセンサ１０１に与えられる各種電位のタイミングチャートを一例として
示す。
【００５５】
なお、図３に示すタイミングチャートでは、フォトセンサ１０１の動作を分かりやすく説
明するため、配線ＴＸ、配線ＳＥ、配線ＰＲには、ハイレベルかローレベルの電位が与え
られるものと仮定する。具体的に、配線ＴＸには、ハイレベルの電位ＨＴＸと、ローレベ
ルの電位ＬＴＸが与えられるものとし、配線ＳＥには、ハイレベルの電位ＨＳＥと、ロー
レベルの電位ＬＳＥが与えられるものとし、配線ＰＲには、ハイレベルの電位ＨＰＲと、
ローレベルの電位ＬＰＲが与えられるものとする。
【００５６】
まず、時刻Ｔ１において、配線ＴＸの電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させる。
配線ＴＸの電位が電位ＨＴＸになると、トランジスタ１０４はオンになる。なお、時刻Ｔ
１において、配線ＳＥには電位ＬＳＥが与えられ、配線ＰＲには電位ＬＰＲが与えられて
いる。
【００５７】
次いで、時刻Ｔ２において、配線ＰＲの電位を、電位ＬＰＲから電位ＨＰＲに変化させる
。また、時刻Ｔ２において、配線ＴＸの電位は電位ＨＴＸのままであり、配線ＳＥの電位
は電位ＬＳＥのままである。よって、ノードＦＤには配線ＰＲの電位ＨＰＲが与えられる
ため、ノードＦＤに保持されている電荷の量はリセットされる。
【００５８】
次いで、時刻Ｔ３において、配線ＰＲの電位を、電位ＨＰＲから電位ＬＰＲに変化させる
。時刻Ｔ３の直前まで、ノードＦＤの電位は電位ＨＰＲに保たれているため、配線ＰＲの
電位が電位ＬＰＲになると、フォトダイオード１０２に逆方向バイアスの電圧が印加され
ることになる。そして、フォトダイオード１０２に逆方向バイアスの電圧が印加された状
態で、フォトダイオード１０２に光が入射すると、フォトダイオード１０２の陰極から陽
極に向かって電流が流れる。上記電流の値は光の強度に従って変化する。すなわち、フォ
トダイオード１０２に入射する光の強度が高いほど上記電流値は高くなり、ノードＦＤか
らの電荷の流出も大きくなる。逆に、フォトダイオード１０２に入射する光の強度が低い
ほど上記電流値は低くなり、ノードＦＤからの電荷の流出も小さくなる。よって、ノード
ＦＤの電位は、光の強度が高いほど変化が大きく、光の強度が低いほど変化が小さい。
【００５９】
次いで、時刻Ｔ４において、配線ＴＸの電位を電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化させると
、トランジスタ１０４はオフになる。よって、ノードＦＤからフォトダイオード１０２へ
の電荷の移動が止まるため、ノードＦＤの電位が定まる。
【００６０】
次いで、時刻Ｔ５において、配線ＳＥの電位を電位ＬＳＥから電位ＨＳＥに変化させると
、トランジスタ１０６はオンになる。すると、ノードＦＤの電位に応じて配線ＶＲから配
線ＯＵＴへと電荷が移動する。
【００６１】
次いで、時刻Ｔ６において、配線ＳＥの電位を電位ＨＳＥから電位ＬＳＥに変化させると
、配線ＶＲから配線ＯＵＴへの電荷の移動が停止し、配線ＯＵＴの電位が決定する。この
配線ＯＵＴの電位が、フォトセンサ１０１の出力信号の電位に相当する。そして、出力信
号の電位には、撮像された被写体の画像データが含まれている。
【００６２】
上記一連の動作は、リセット動作、蓄積動作、読み出し動作に分類することができる。す
なわち、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの動作がリセット動作、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの
動作が蓄積動作、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの動作が読み出し動作に相当する。リセット
動作、蓄積動作、読み出し動作を行うことで、画像データの取得を行うことができる。
【００６３】
また、蓄積動作が終了してから読み出し動作が開始されるまでの期間、すなわち、時刻Ｔ
４から時刻Ｔ５までの期間が、ノードＦＤにおいて電荷が保持されている電荷保持期間に
相当する。本発明の一態様では、グローバルシャッタ方式を用いて画素部を動作させるた
め、上記電荷保持期間の長さが、各行の画素によって異なる。以下、その理由について説
明する。
【００６４】
まず、グローバルシャッタ方式を用いた画素部の駆動について、一例を挙げて説明する。
図４に、図２（Ｂ）に示した画素部において、配線ＴＸ１から配線ＴＸｘ、配線ＳＥ１か
ら配線ＳＥｙに与えられる電位のタイミングチャートを、一例として示す。
【００６５】
図４に示すタイミングチャートでは、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までに行われるリセット動作
及び蓄積動作が、全てのフォトセンサ１０１において並行して行われる。よって、配線Ｔ
Ｘ１から配線ＴＸｘの電位は、時刻Ｔ１において一斉に電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化
し、時刻Ｔ４において一斉に電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化する。図４では、リセット
動作及び蓄積動作が行われる期間を、露光期間３００として示す。
【００６６】
また、図４に示すタイミングチャートでは、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までに行われる読み出
し動作が、フォトセンサ１０１の行ごとに順に行われる。すなわち、時刻Ｔ５と時刻Ｔ６
のタイミングが、フォトセンサ１０１の行ごとに異なる。具体的には、配線ＳＥ１が電位
ＬＳＥから電位ＨＳＥに変化し、次いで電位ＨＳＥから電位ＬＳＥに変化した後、配線Ｓ
Ｅ２から配線ＳＥｙも順にその電位が同様に変化する。図４では、読み出し動作が行われ
る期間を、読み出し期間３０１として示す。
【００６７】
図４から分かるように、グローバルシャッタ方式で画素部を動作させる場合、リセット動
作と蓄積動作を全画素で一斉に行うため、露光期間３００が終了するタイミングは全画素
で同じとなる。しかし、読み出し動作はフォトセンサの行ごとに行うため、読み出し期間
３０１が開始されるタイミングはフォトセンサの行ごとに異なる。よって、露光期間３０
０が終了してから、読み出し期間３０１が開始されるまでの電荷保持期間３０２は、フォ
トセンサの行ごとに長さが異なっており、最終行のフォトセンサにおける電荷保持期間３
０２が最長となる。
【００６８】
階調数が画一的な画像を撮像すると、理想的には全てのフォトセンサにおいて同じ高さの
電位を有する出力信号が得られる。しかし、電荷保持期間３０２の長さがフォトセンサの
行ごとに異なる場合、ノードＦＤに蓄積されている電荷が時間の経過と共にリークしてし
まうと、フォトセンサの出力信号の電位が行ごとに異なってしまい、行ごとにその階調数
が変化した画像データが得られてしまう。
【００６９】
しかし、本発明の一態様では、オフ電流の著しく小さいトランジスタ１０４を、フォトセ
ンサ１０１において蓄積された電荷、具体的にはノードＦＤに蓄積された電荷を保持する
ためのスイッチング素子として用いていても良い。この場合、グローバルシャッタ方式を
用いて撮像を行っても、電荷保持期間が異なることに起因する画像データの階調の変化を
小さく抑え、撮像された画像の品質を向上させることができる。
【００７０】
なお、固体撮像装置の場合、外光を利用して撮像を行うこともできるが、例えば密着型の
エリアセンサのように、外光ではなくバックライトの光を利用して撮像を行うこともでき
る。そして、本発明の一態様では、バックライトを用いる場合、ＦＳ駆動でバックライト
を動作させてカラーの画像データを取得するようにしても良い。ＦＳ駆動では、複数の色
にそれぞれ対応する画像データを取得し、それら複数の画像データを用いた加法混色によ
り、カラーの画像データを取得することができる。
【００７１】
図５を用いて、固体撮像装置においてＦＳ駆動でバックライトを動作させた場合の、光源
の動作と、画素部の動作について説明する。図５では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に
それぞれ対応した３つの光源の点灯期間及び消灯期間と、配線ＴＸ、配線ＰＲ、配線ＳＥ
の電位の時間変化とを示す。
【００７２】
なお、図５では、バックライトが赤（Ｒ）の光を発する光源と、緑（Ｇ）の光を発する光
源と、青（Ｂ）の光を発する光源とを有する場合を例に挙げて説明するが、バックライト
の有する光源の種類は上記構成に限定されない。また、図５では、図２（Ａ）及び図２（
Ｂ）に示した構成を有する固体撮像装置を例に挙げて、その動作について説明する。
【００７３】
図５に示すように、ＦＳ駆動でバックライトを動作させる場合、各色の光源を順に点灯さ
せる。具体的に、図５では、赤（Ｒ）の光源を点灯させる点灯期間Ｔｒ、全ての光源を消
灯させる消灯期間Ｔｋ、緑（Ｇ）の光源を点灯させる点灯期間Ｔｇ、全ての光源を消灯さ
せる消灯期間Ｔｋ、青（Ｂ）の光源を点灯させる点灯期間Ｔｂを、順に出現させる。
【００７４】
点灯期間Ｔｒでは、赤（Ｒ）に対応するリセット動作及び蓄積動作が、全画素のフォトセ
ンサにおいて一斉に行われる。すなわち、リセット動作及び蓄積動作が行われる露光期間
が、点灯期間Ｔｒ内に設けられる。そして、上記露光期間において、配線Ｔｘ１から配線
ＴＸｘに入力される信号の電位はパルスを有しており、なおかつそのパルスの出現する期
間が重なっている。また、上記露光期間において、配線ＰＲ１から配線ＰＲｘに入力され
る信号の電位はパルスを有しており、なおかつそのパルスの出現する期間が重なっている
。
【００７５】
また、点灯期間Ｔｒの次に出現する消灯期間Ｔｋでは、赤（Ｒ）に対応する電荷の読み出
し動作がフォトセンサの行ごとに順に行われる。よって、全行の読み出し期間内に、順に
各行の読み出し期間が出現する。そして、各行の読み出し期間では、配線ＳＥ１から配線
ＳＥｙのうち当該読み出し期間に対応する配線ＳＥにおいて、入力される信号の電位がパ
ルスを有している。すなわち、配線ＳＥ１から配線ＳＥｙのそれぞれに入力される信号の
パルスは、順次シフトするように出現する。
【００７６】
同様に、点灯期間Ｔｇでは、緑（Ｇ）に対応するリセット動作及び蓄積動作が、全画素の
フォトセンサにおいて一斉に行われる。すなわち、リセット動作及び蓄積動作が行われる
露光期間が、点灯期間Ｔｇ内に設けられる。また、同様に、点灯期間Ｔｇの次に出現する
消灯期間Ｔｋでは、緑（Ｇ）に対応する電荷の読み出し動作がフォトセンサの行ごとに順
に行われる。
【００７７】
同様に、点灯期間Ｔｂでは、青（Ｂ）に対応するリセット動作及び蓄積動作が、全画素の
フォトセンサにおいて一斉に行われる。すなわち、リセット動作及び蓄積動作が行われる
露光期間が、点灯期間Ｔｂ内に設けられる。また、点灯期間Ｔｂの次に出現する消灯期間
Ｔｋでは、青（Ｂ）に対応する電荷の読み出し動作がフォトセンサの行ごとに順に行われ
る。
【００７８】
上記動作を行うことにより、各色に対応した画像データを取得できる。そして、上記各色
に対応した画像データを合成することで、カラーの画像データを得ることができる。
【００７９】
なお、さらに消灯期間Ｔｋを追加し、当該消灯期間において画像データを取得してもよい
。各色に対応した画像データから消灯期間における画像データを差し引くことで、外光の
影響を低減した、コントラストの高いカラーの画像データを取得することができる。
【００８０】
なお、固体撮像装置の場合は、各点灯期間の間に消灯期間を挿入する必要はないが、消灯
期間を挿入することで、電荷保持期間における電荷のリークをより防ぐことができる。
【００８１】
ＦＳ駆動でバックライトを動作させる場合、単色の光源とカラーフィルタを組み合わせる
場合とは異なり、各色の光源を順次切り換えて発光させる必要がある。さらに、上記光源
の切り換えが行われる周波数は、単色の光源を用いた場合のフレーム周波数よりも高い値
に設定する必要がある。例えば、単色の光源を用いた場合のフレーム周波数を６０Ｈｚと
すると、赤、緑、青の各色に対応する光源を用いてＦＳ駆動を行う場合、光源の切り替え
を行う周波数は、約３倍の１８０Ｈｚ程度となる。よって、各色の光源が発光する点灯期
間は、非常に短い。しかし、本発明の一態様では、グローバルシャッタ方式を用いて撮像
を行うため、電荷のリセット動作と蓄積動作を全画素において一斉に行うことができる。
よって、全画素において蓄積動作を完了させるまでの期間が、ローリングシャッタ方式を
用いた場合よりも短くすることができる。そのため、ＦＳ駆動を採用することで各色の光
源が発光する点灯期間が短くなっても、上記期間内において全画素の蓄積動作を完了させ
ることができる。
【００８２】
また、ＦＳ駆動を用いることで、各画素にカラーフィルタを設ける必要がなくなり、バッ
クライトからの光の利用効率を高めることができる。よって、固体撮像装置の消費電力を
低減することができる。また、１つの画素で各色に対応する画像データの取得、或いは階
調の表示を行うことができるため、高精細な画像データの取得、或いは高精細な画像の表
示を行うことができる。
【００８３】
次いで、本発明の一態様に係る半導体表示装置の、画素の一例について説明する。固体撮
像装置の場合、各画素にフォトセンサが設けられているが、半導体表示装置の場合、フォ
トセンサに加えて表示素子が各画素に設けられている。半導体表示装置の場合でも、フォ
トセンサどうしの接続構成は、図１または図２（Ｂ）に示した構成を採用することができ
る。また、半導体表示装置の場合でも、図１または図２（Ａ）に示したフォトセンサの構
造を採用することができる。
【００８４】
図６に、半導体表示装置が有する画素の構成を、一例として回路図で示す。図６では、画
素１２０が、４つの表示素子１２１と、１つのフォトセンサ１０１を有している。なお、
本発明の一態様に係る半導体表示装置では、各画素の有する表示素子１２１とフォトセン
サ１０１の数は、図６に示した形態に限定されない。
【００８５】
図６では、図２（Ａ）に示した構成を有するフォトセンサ１０１を画素１２０に用いてい
る。
【００８６】
表示素子１２１は、液晶素子１２２と、上記液晶素子１２２の動作を制御するトランジス
タなどの回路素子を有する。具体的に、図６では、表示素子１２１が、液晶素子１２２と
、スイッチング素子として機能するトランジスタ１２３と、容量素子１２４とを有する場
合を例示している。液晶素子１２２は、画素電極、対向電極、及び前記画素電極と前記対
向電極とにより電圧が印加される液晶を有する。
【００８７】
なお、表示素子１２１は、必要に応じて、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、容量素
子、インダクタンスなどのその他の回路素子を、さらに有していても良い。
【００８８】
トランジスタ１２３のゲート電極は、走査線ＧＬに接続されている。トランジスタ１２３
は、その第１端子が信号線ＳＬに接続されており、その第２端子が液晶素子１２２の画素
電極に接続されている。容量素子１２４が有する一対の電極は、一方が液晶素子１２２の
画素電極に接続され、他方は固定の電位が与えられている配線ＣＯＭに接続されている。
【００８９】
次いで、図６に示した画素を例に挙げて、本発明の一態様に係る半導体表示装置の、画素
のレイアウトについて説明する。図７に、図６に示した画素１２０の上面図の一例を示す
。図７に示す画素１２０は、図６と同様に、一のフォトセンサ１０１と、４つの表示素子
１２１とを有している。
【００９０】
図８に、図７に示した表示素子１２１の一つを、拡大して示す。表示素子１２１は、走査
線ＧＬとして機能する導電膜２０１と、信号線ＳＬとして機能する導電膜２０２と、配線
ＣＯＭとして機能する導電膜２０３とを有している。導電膜２０１は、トランジスタ１２
３のゲート電極としても機能する。また、導電膜２０２は、トランジスタ１２３の第１端
子としても機能する。さらに、表示素子１２１は、画素電極２０４、導電膜２０５、導電
膜２０６を有している。導電膜２０６は、トランジスタ１２３の第２端子として機能する
。そして、導電膜２０６と画素電極２０４は接続されている。
【００９１】
また、導電膜２０６は、導電膜２０５に接続されており、配線ＣＯＭとして機能する導電
膜２０３と導電膜２０５とが、ゲート絶縁膜を間に挟んで重なり合っている部分が、容量
素子１２４として機能する。
【００９２】
なお、図７、図８では、配線、トランジスタ、容量素子などの構成をより明確にするため
に、ゲート絶縁膜を含む各種絶縁膜を図示していない。
【００９３】
導電膜２０１、導電膜２０５は、絶縁表面上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工
することで形成することができる。導電膜２０１、導電膜２０５上にはゲート絶縁膜が形
成されている。さらに、導電膜２０２、導電膜２０３、導電膜２０６は、ゲート絶縁膜上
に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することができる。
【００９４】
なお、トランジスタ１２３がボトムゲート型であり、なおかつその活性層２５３に酸化物
半導体を用いている場合、図８に示すように、ゲート電極として機能する導電膜２０１に
活性層２５３が完全に重なる構成を用いることが望ましい。上記構成を採用することで、
基板側から入射した光により活性層２５３中の酸化物半導体が劣化するのを防ぎ、よって
、トランジスタ１２３の閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされるのを防
ぐことができる。
【００９５】
また、図９（Ａ）に、図７に示したフォトセンサ１０１の一つを、拡大して示す。図９（
Ｂ）には、図９（Ａ）の破線Ａ１―Ａ２における断面図を示す。
【００９６】
フォトセンサ１０１は、配線ＰＲとして機能する導電膜２１０と、配線ＴＸとして機能す
る導電膜２１１と、配線ＳＥとして機能する導電膜２１２と、配線ＶＲとして機能する導
電膜２１３と、配線ＯＵＴとして機能する導電膜２１４とを有している。
【００９７】
フォトセンサ１０１の有するフォトダイオード１０２は、順に積層されたｐ型の半導体膜
２１５と、ｉ型の半導体膜２１６と、ｎ型の半導体膜２１７とを有している。導電膜２１
０は、フォトダイオード１０２の陽極として機能するｐ型の半導体膜２１５に接続されて
いる。
【００９８】
フォトセンサ１０１の有する導電膜２１８は、トランジスタ１０４のゲート電極として機
能しており、さらに、導電膜２１１に接続されている。フォトセンサ１０１の有する導電
膜２１９は、トランジスタ１０４の第１端子として機能する。フォトセンサ１０１の有す
る導電膜２２０は、トランジスタ１０４の第２端子として機能する。フォトセンサ１０１
の有する導電膜２２１は、ｎ型の半導体膜２１７と、導電膜２１９とに接続されている。
フォトセンサ１０１の有する導電膜２２２は、トランジスタ１０５のゲート電極として機
能しており、さらに、導電膜２２０に接続されている。
【００９９】
フォトセンサ１０１の有する導電膜２２３は、トランジスタ１０５の第１端子として機能
する。フォトセンサ１０１の有する導電膜２２４は、トランジスタ１０５の第２端子、及
びトランジスタ１０６の第１端子として機能する。また、導電膜２１４は、トランジスタ
１０６の第２端子としても機能する。導電膜２１２は、トランジスタ１０６のゲート電極
としても機能する。フォトセンサ１０１の有する導電膜２２５は、導電膜２２３及び導電
膜２１３に接続されている。
【０１００】
フォトセンサ１０１の有する導電膜２２６は、配線ＰＲとして機能する導電膜２１０に接
続されている。なお、図９では図示していないが、画素部には、配線ＰＲとして機能する
導電膜２１０が複数設けられている。本発明の一態様では、上記導電膜２２６が、複数の
導電膜２１０のうち、少なくとも２つの導電膜２１０に接続されている。
【０１０１】
また、フォトセンサ１０１の有する導電膜２２７は、配線ＴＸとして機能する導電膜２１
１に接続されている。なお、図９では図示していないが、画素部には、配線ＴＸとして機
能する導電膜２１１が複数設けられている。本発明の一態様では、上記導電膜２２７が、
複数の導電膜２１１のうち、少なくとも２つの導電膜２１１に接続されている。
【０１０２】
導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導電膜２２
７は、絶縁表面上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することが
できる。導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導
電膜２２７上にはゲート絶縁膜２２８が形成されている。さらに、導電膜２１０、導電膜
２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２３、導
電膜２２４は、ゲート絶縁膜２２８上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工するこ
とで形成することができる。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、配線ＰＲどうしを接続する導電膜２２６と、配線ＰＲとして機
能する導電膜２１０とを異なる導電膜で形成しているが、本発明の一態様はこの構成に限
定されない。一の導電膜が、配線ＰＲどうしを接続する機能と、配線ＰＲとしての機能を
と、併せ持っていても良い。すなわち、この場合、上記導電膜は、画素部において網目状
に張り巡らされることになる。
【０１０４】
或いは、本実施の形態では、配線ＴＸどうしを接続する導電膜２２７と、配線ＴＸとして
機能する導電膜２１１とを異なる導電膜で形成しているが、本発明の一態様はこの構成に
限定されない。一の導電膜が、配線ＴＸどうしを接続する機能と、配線ＴＸとしての機能
とを、併せ持っていても良い。すなわち、この場合、上記導電膜は、画素部において網目
状に張り巡らされることになる。
【０１０５】
上記構成により、配線ＰＲや配線ＴＸの抵抗による電位の降下や信号の遅延を抑制するこ
とができる。その結果、フォトダイオード１０２の陽極に与えられる電位、或いは、電荷
を保持するためのトランジスタ１０４のスイッチングを制御する信号の電位が、画素部内
でばらつくのを防ぐことができる。よって、フォトセンサ１０１から出力される信号の電
位がばらつくのを防ぐことができ、撮像された画像の品質を向上させることができる。
【０１０６】
なお、図９（Ｂ）に示すフォトセンサ１０１の断面図は、導電膜２２１まで形成された状
態を示している。半導体表示装置の場合は、フォトセンサ１０１に加えて表示素子１２１
が画素１２０に設けられているので、実際には、導電膜２２１を形成した後に、液晶素子
の形成を行う。
【０１０７】
なお、トランジスタ１０４がボトムゲート型であり、なおかつその活性層２５０に酸化物
半導体を用いている場合、図９に示すように、ゲート電極として機能する導電膜２１８に
活性層２５０が完全に重なる構成を用いることが望ましい。上記構成を採用することで、
基板２５１側から入射した光により活性層２５０中の酸化物半導体が劣化するのを防ぎ、
よって、トランジスタ１０４の閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされる
のを防ぐことができる。なお、トランジスタ１０５と、トランジスタ１０６についても、
上記構成を採用することで、同様の効果が得られる。
【０１０８】
図１６に示す画素の断面図では、表示素子１２１のトランジスタ１２３と、フォトセンサ
１０１のフォトダイオード１０２とが図示されている。トランジスタ１２３の第２端子と
して機能する導電膜２０６は、画素電極２０４に接続されている。フォトダイオード１０
２に接続されている導電膜２２１と、画素電極２０４とは、トランジスタ１２３とフォト
ダイオード１０２を覆っている絶縁膜２３１上に形成された一の導電膜を、所望の形状に
加工することで形成することができる。
【０１０９】
また、画素電極２０４が形成されている基板２３２と対峙するように、基板２３６が配置
されている。基板２３６上には対向電極２３３が形成されており、画素電極２０４と対向
電極２３３の間には液晶を含む液晶層２３４が設けられている。画素電極２０４と、対向
電極２３３と、液晶層２３４とが重なる部分に液晶素子１２２が形成される。
【０１１０】
なお、画素電極２０４と液晶層２３４の間、または対向電極２３３と液晶層２３４の間に
、配向膜を適宜設けても良い。配向膜は、ポリイミド、ポリビニルアルコールなどの有機
樹脂を用いて形成することができ、その表面には、ラビングなどの、液晶分子を一定方向
に配列させるための配向処理が施されている。ラビングは、配向膜に接するように、ナイ
ロンなどの布を巻いたローラーを回転させて、上記配向膜の表面を一定方向に擦ることで
、行うことができる。なお、酸化珪素などの無機材料を用い、配向処理を施すことなく、
蒸着法で配向特性を有する配向膜を直接形成することも可能である。
【０１１１】
また、液晶層２３４を形成するために行われる液晶の注入は、ディスペンサ式（滴下式）
を用いても良いし、ディップ式（汲み上げ式）を用いていても良い。
【０１１２】
なお、基板２３６上には、画素間における液晶の配向の乱れに起因するディスクリネーシ
ョンが視認されるのを防ぐため、或いは、拡散した光が隣接する複数の画素に並行して入
射するのを防ぐために、光を遮蔽することができる遮蔽膜２３５が設けられている。遮蔽
膜２３５には、カーボンブラック、二酸化チタンよりも酸化数が小さい低次酸化チタンな
どの黒色顔料を含む有機樹脂を用いることができる。または、クロムを用いた膜で、遮蔽
膜を形成することも可能である。
【０１１３】
活性層２５３に酸化物半導体を用いている場合、遮蔽膜２３５をトランジスタ１２３の活
性層２５３と重なるように設けることで、基板２３６側から入射した光により活性層２５
３中の酸化物半導体が劣化するのを防ぎ、よって、トランジスタ１２３の閾値電圧がシフ
トするなどの特性の劣化が引き起こされるのを防ぐことができる。
【０１１４】
画素電極２０４と対向電極２３３は、例えば、酸化珪素を含む酸化インジウムスズ（ＩＴ
ＳＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム亜鉛（Ｉ
ＺＯ）、ガリウムを添加した酸化亜鉛（ＧＺＯ）などの透光性を有する導電材料を用いる
ことができる。
【０１１５】
また、液晶層２３４には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）型、ＶＡ（Ｖｅｒｔ
ｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）型、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔ
ｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）型、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎ
ｇ）型、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）
型等の公知の液晶を用いることができる。
【０１１６】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を液晶層２３４に用いてもよい。ブルー相は
液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方
相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、
カイラル剤や紫外線硬化樹脂を添加して温度範囲を改善する。ブルー相を示す液晶とカイ
ラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるた
め配向処理が不要であり、視野角依存性が小さいため好ましい。
【０１１７】
なお、図１６では、画素電極２０４と対向電極２３３の間に液晶層２３４が挟まれている
構造を有する液晶素子を例に挙げて説明したが、本発明の一態様に係る半導体表示装置は
この構成に限定されない。ＩＰＳ型の液晶素子やブルー相を用いた液晶素子のように、一
対の電極が共に一の基板に形成されていても良い。
【０１１８】
なお、遮蔽膜２３５は、表示素子１２１のみならず、フォトセンサ１０１にも設けること
が望ましい。図２０に、遮蔽膜２３５を図７に示した画素１２０に重ねた様子を示す。図
２０では、遮蔽膜２３５が、表示素子１２１の画素電極２０４と重なる領域と、フォトセ
ンサ１０１のフォトダイオード１０２と重なる領域とに開口部を有している。よって、表
示素子１２１及びフォトセンサ１０１を構成しているトランジスタの活性層に酸化物半導
体が用いられていても、遮蔽膜２３５により活性層が遮光されるので、酸化物半導体の光
劣化を防ぎ、トランジスタの閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされるの
を防ぐことができる。
【０１１９】
なお、駆動回路をパネルに形成する場合、駆動回路に用いられるトランジスタにも、ゲー
ト電極或いは遮蔽膜による遮光を行うことで、トランジスタの閾値電圧がシフトするなど
の特性の劣化が引き起こされるのを防ぐことができる。
【０１２０】
なお、本発明の固体撮像装置または半導体表示装置は、一対の基板間に画素部が形成され
たパネルと、上記パネルに駆動回路、コントローラ、ＣＰＵ、メモリ等を含むＩＣや、バ
ックライトを実装した状態にあるモジュールとをその範疇に含む。駆動回路は、パネル内
に形成されていても良い。
【０１２１】
次いで、図１０を用いて、半導体表示装置をＦＳ駆動で動作させた場合の、光源の動作と
、画素部の動作について説明する。図１０では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）にそれぞ
れ対応した３つの光源の点灯期間及び消灯期間と、配線ＴＸ、配線ＰＲ、配線ＳＥの電位
の時間変化とを示す。
【０１２２】
なお、図１０では、バックライトが赤（Ｒ）の光を発する光源と、緑（Ｇ）の光を発する
光源と、青（Ｂ）の光を発する光源とを有する場合を例に挙げて説明するが、バックライ
トの有する光源の種類は上記構成に限定されない。また、図１０では、図６に示した画素
を画素部に複数有し、なおかつ、上記画素部には、配線ＴＸ１から配線ＴＸｘと、配線Ｐ
Ｒ１から配線ＰＲｘと、配線ＳＥ１から配線ＳＥｙが設けられているものと仮定し、その
動作について説明する。
【０１２３】
図１０に示すように、ＦＳ駆動でバックライトを動作させる場合、各色の光源を順に点灯
させる。具体的に、図１０では、１フレーム期間内に、赤（Ｒ）の光源を点灯させる点灯
期間Ｔｒ、全ての光源を消灯させる消灯期間Ｔｋ、緑（Ｇ）の光源を点灯させる点灯期間
Ｔｇ、全ての光源を消灯させる消灯期間Ｔｋ、青（Ｂ）の光源を点灯させる点灯期間Ｔｂ
、全ての光源を消灯させる消灯期間Ｔｋを、順に出現させる。
【０１２４】
まず、第１のフレーム期間における点灯期間Ｔｒでは、固体撮像装置の場合と同様に、赤
（Ｒ）に対応するリセット動作及び蓄積動作が、全画素のフォトセンサにおいて一斉に行
われる。すなわち、リセット動作及び蓄積動作が行われる露光期間が、点灯期間Ｔｒ内に
設けられる。そして、上記露光期間において、配線Ｔｘ１から配線ＴＸｘに入力される信
号の電位はパルスを有しており、なおかつそのパルスの出現する期間が重なっている。ま
た、上記露光期間において、配線ＰＲ１から配線ＰＲｘに入力される信号の電位はパルス
を有しており、なおかつそのパルスの出現する期間が重なっている。
【０１２５】
また、点灯期間Ｔｒが終了してから、第２のフレーム期間における点灯期間Ｔｇが出現す
る前までに、赤（Ｒ）に対応する電荷の読み出し動作がフォトセンサの行ごとに順に行わ
れる。よって、全行の読み出し期間内に、順に各行の読み出し期間が出現する。そして、
各行の読み出し期間では、配線ＳＥ１から配線ＳＥｙのうち当該読み出し期間に対応する
配線ＳＥにおいて、入力される信号の電位がパルスを有している。すなわち、配線ＳＥ１
から配線ＳＥｙのそれぞれに入力される信号のパルスは、順次シフトするように出現する
。
【０１２６】
同様に、第２のフレーム期間における点灯期間Ｔｇでは、緑（Ｇ）に対応するリセット動
作及び蓄積動作が、全画素のフォトセンサにおいて一斉に行われる。すなわち、リセット
動作及び蓄積動作が行われる露光期間が、点灯期間Ｔｇ内に設けられる。そして、同様に
、点灯期間Ｔｇが終了してから、第３のフレーム期間における点灯期間Ｔｂが出現する前
までに、緑（Ｇ）に対応する電荷の読み出し動作がフォトセンサの行ごとに順に行われる
。
【０１２７】
同様に、第３のフレーム期間における点灯期間Ｔｂでは、青（Ｂ）に対応するリセット動
作及び蓄積動作が、全画素のフォトセンサにおいて一斉に行われる。すなわち、リセット
動作及び蓄積動作が行われる露光期間が、点灯期間Ｔｂ内に設けられる。そして、同様に
、点灯期間Ｔｂが終了してから、第５のフレーム期間における点灯期間Ｔｒが出現する前
までに、青（Ｂ）に対応する電荷の読み出し動作がフォトセンサの行ごとに順に行われる
。
【０１２８】
上記動作を行うことにより、各色に対応した画像データを取得できる。そして、上記各色
に対応した画像データを合成することで、カラーの画像データを得ることができる。
【０１２９】
なお、さらに消灯期間Ｔｋを追加し、当該消灯期間において画像データを取得してもよい
。各色に対応した画像データから消灯期間における画像データを差し引くことで、外光の
影響を低減した、コントラストの高いカラーの画像データを取得することができる。
【０１３０】
ＦＳ駆動でバックライトを動作させる場合、単色の光源とカラーフィルタを組み合わせる
場合とは異なり、各色の光源を順次切り換えて発光させる必要がある。さらに、上記光源
の切り換えが行われる周波数は、単色の光源を用いた場合のフレーム周波数よりも高い値
に設定する必要がある。例えば、単色の光源を用いた場合のフレーム周波数を６０Ｈｚと
すると、赤、緑、青の各色に対応する光源を用いてＦＳ駆動を行う場合、光源の切り替え
を行う周波数は、約３倍の１８０Ｈｚ程度となる。よって、各色の光源が発光する点灯期
間は、非常に短い。しかし、本発明の一態様では、グローバルシャッタ方式を用いて撮像
を行うため、電荷のリセット動作と蓄積動作を全画素において一斉に行うことができる。
よって、全画素において蓄積動作を完了させるまでの期間が、ローリングシャッタ方式を
用いた場合よりも短くすることができる。そのため、ＦＳ駆動を採用することで各色の光
源が発光する点灯期間が短くなっても、上記期間内において全画素の蓄積動作を完了させ
ることができる。
【０１３１】
また、ＦＳ駆動を用いることで、各画素にカラーフィルタを設ける必要がなくなり、バッ
クライトからの光の利用効率を高めることができる。よって、半導体表示装置の消費電力
を低減することができる。また、１つの画素で各色に対応する画像データの取得、或いは
階調の表示を行うことができるため、高精細な画像データの取得、或いは高精細な画像の
表示を行うことができる。
【０１３２】
なお、上述した各期間における上記動作は、撮像時における半導体表示装置の動作である
。半導体表示装置において、画像の表示を行う場合は、各消灯期間Ｔｋにおいて表示素子
１２１に各色に対応する画像信号を書き込む。そして、各点灯期間において、上記画像信
号に従い各色に対応する階調を表示素子１２１において表示することで、カラーの画像を
表示することができる。
【０１３３】
なお、液晶は、電圧が印加されてからその透過率が収束するまでの応答時間が、一般的に
十数ｍｓｅｃ程度である。よって、点灯期間に占める液晶の応答時間の割合が大きいため
、液晶素子の透過率の変化が動画のぼやけとして視認されやすい。しかし、上述したよう
に、液晶の透過率の変化が著しい期間と消灯期間Ｔｋとを並行するように出現させ、液晶
の透過率の変化が収束している期間と各点灯期間とを並行するように出現させることで、
透過率の変化が視認されるのを防ぐことができ、表示される画像の品質を向上させること
ができる。
【０１３４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、図２（Ａ）とは異なるフォトセンサ１０１の構成について説明する。
【０１３５】
図１１に、フォトセンサ１０１の一例を回路図で示す。図１１に示すフォトセンサ１０１
は、増幅回路１０３が、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を有している。トランジスタ１０４は、増幅回路１０３内への、フ
ォトダイオード１０２において生じる電流の供給を制御する。トランジスタ１０５は、ト
ランジスタ１０４の第２端子に与えられる電位に従って、その第１端子と第２端子間の電
流値或いは抵抗値が定まる。また、トランジスタ１０６は、上記電流値或いは抵抗値によ
って定まる出力信号の電位を、配線ＯＵＴに供給するためのスイッチング素子として機能
する。トランジスタ１０７は、増幅回路１０３に蓄積された電荷の量をリセットする機能
を有する。
【０１３６】
具体的に、図１１では、トランジスタ１０４の第１端子がフォトダイオード１０２の陰極
に接続され、トランジスタ１０４の第２端子がトランジスタ１０５のゲート電極及びトラ
ンジスタ１０７の第１端子に接続されている。トランジスタ１０５の第１端子及びトラン
ジスタ１０７の第２端子は、ハイレベルの電源電位ＶＤＤが与えられている配線ＶＲに接
続されている。トランジスタ１０７のゲート電極は、配線ＲＳに接続されており、配線Ｒ
Ｓにはトランジスタ１０７のスイッチングを制御する信号の電位が与えられる。トランジ
スタ１０５の第２端子は、トランジスタ１０６の第１端子に接続されている。トランジス
タ１０６の第２端子は、配線ＯＵＴに接続されている。トランジスタ１０６のゲート電極
は、配線ＳＥに接続されており、配線ＳＥにはトランジスタ１０６のスイッチングを制御
する信号の電位が与えられる。
【０１３７】
図１１では、トランジスタ１０４の第２端子と、トランジスタ１０７の第１端子と、トラ
ンジスタ１０５のゲート電極とが接続されているノードを、ノードＦＤとして示している
。ノードＦＤに蓄積される電荷の量によって、出力信号の電位が定まる。ノードＦＤにお
いて電荷をより確実に保持するために、ノードＦＤに容量素子を接続するようにしても良
い。
【０１３８】
次いで、図１１に示したフォトセンサ１０１の動作の一例について説明する。図１２に、
図１１に示したフォトセンサ１０１に与えられる各種電位のタイミングチャートを、一例
として示す。
【０１３９】
なお、図１２に示すタイミングチャートでは、フォトセンサ１０１の動作を分かりやすく
説明するため、配線ＴＸ、配線ＳＥ、配線ＲＳには、ハイレベルかローレベルの電位が与
えられるものと仮定する。具体的に、配線ＴＸには、ハイレベルの電位ＨＴＸと、ローレ
ベルの電位ＬＴＸが与えられるものとし、配線ＳＥには、ハイレベルの電位ＨＳＥと、ロ
ーレベルの電位ＬＳＥが与えられるものとし、配線ＲＳには、ハイレベルの電位ＨＲＳと
、ローレベルの電位ＬＲＳが与えられるものとする。また、配線ＰＲには、ローレベルの
電源電位ＶＳＳが与えられている。
【０１４０】
まず、時刻Ｔ１において、配線ＴＸの電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させる。
配線ＴＸの電位が電位ＨＴＸになると、トランジスタ１０４はオンになる。なお、時刻Ｔ
１において、配線ＳＥには電位ＬＳＥが与えられ、配線ＲＳには電位ＬＲＳが与えられて
いる。
【０１４１】
次いで、時刻Ｔ２において、配線ＲＳの電位を、電位ＬＲＳから電位ＨＲＳに変化させる
。配線ＲＳの電位が電位ＨＲＳになると、トランジスタ１０７はオンになる。また、時刻
Ｔ２において、配線ＴＸの電位は電位ＨＴＸのままであり、配線ＳＥの電位は電位ＬＳＥ
のままである。よって、ノードＦＤには電源電位ＶＤＤが与えられるため、ノードＦＤに
保持されている電荷の量はリセットされる。また、フォトダイオード１０２には、逆方向
バイアスの電圧が印加される。
【０１４２】
次いで、時刻Ｔ３において、配線ＲＳの電位を、電位ＨＲＳから電位ＬＲＳに変化させる
。時刻Ｔ３の直前まで、ノードＦＤの電位は電源電位ＶＤＤに保たれているため、配線Ｒ
Ｓの電位が電位ＬＲＳになった後も、フォトダイオード１０２に逆方向バイアスの電圧が
印加された状態が続く。そして、この状態で、フォトダイオード１０２に光が入射すると
、フォトダイオード１０２の陰極から陽極に向かって電流が流れる。上記電流の値は光の
強度に従って変化する。すなわち、フォトダイオード１０２に入射する光の強度が高いほ
ど上記電流値は高くなり、ノードＦＤからの電荷の流出も大きくなる。逆に、フォトダイ
オード１０２に入射する光の強度が低いほど上記電流値は低くなり、ノードＦＤからの電
荷の流出も小さくなる。よって、ノードＦＤの電位は、光の強度が高いほど変化が大きく
、光の強度が低いほど変化が小さい。
【０１４３】
次いで、時刻Ｔ４において、配線ＴＸの電位を電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化させると
、トランジスタ１０４はオフになる。よって、ノードＦＤからフォトダイオード１０２へ
の電荷の移動が止まるため、ノードＦＤの電位が定まる。
【０１４４】
次いで、時刻Ｔ５において、配線ＳＥの電位を電位ＬＳＥから電位ＨＳＥに変化させると
、トランジスタ１０６はオンになる。すると、ノードＦＤの電位に応じて配線ＶＲから配
線ＯＵＴへと電荷が移動する。
【０１４５】
次いで、時刻Ｔ６において、配線ＳＥの電位を電位ＨＳＥから電位ＬＳＥに変化させると
、配線ＶＲから配線ＯＵＴへの電荷の移動が停止し、配線ＯＵＴの電位が決定する。この
配線ＯＵＴの電位が、フォトセンサ１０１の出力信号の電位に相当する。そして、出力信
号の電位には、撮像された被写体の画像データが含まれている。
【０１４６】
上記一連の動作は、リセット動作、蓄積動作、読み出し動作に分類することができる。す
なわち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの動作がリセット動作、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの
動作が蓄積動作、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの動作が読み出し動作に相当する。リセット
動作、蓄積動作、読み出し動作を行うことで、画像データの取得を行うことができる。
【０１４７】
次いで、図２（Ａ）、図１１とは異なるフォトセンサ１０１の構成について説明する。
【０１４８】
図１３に、フォトセンサ１０１の一例を回路図で示す。図１３に示すフォトセンサ１０１
は、増幅回路１０３が、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を有している。トランジスタ１０４は、増幅回路１０３内への、フ
ォトダイオード１０２おいて生じる電流の供給を制御する。トランジスタ１０５は、トラ
ンジスタ１０４の第２端子に与えられる電位に従って、その第１端子と第２端子間の電流
値或いは抵抗値が定まる。また、トランジスタ１０６は、上記電流値或いは抵抗値によっ
て定まる出力信号の電位を、配線ＯＵＴに供給するためのスイッチング素子として機能す
る。トランジスタ１０７は、増幅回路１０３に蓄積された電荷の量をリセットする機能を
有する。
【０１４９】
具体的に、図１３では、トランジスタ１０４の第１端子がフォトダイオード１０２の陰極
に接続され、トランジスタ１０４の第２端子がトランジスタ１０５のゲート電極及びトラ
ンジスタ１０７の第１端子に接続されている。トランジスタ１０５は、その第１端子がト
ランジスタ１０６の第２端子に接続され、その第２端子が配線ＯＵＴに接続されている。
トランジスタ１０６の第１端子及びトランジスタ１０７の第２端子は、ハイレベルの電源
電位ＶＤＤが与えられている配線ＶＲに接続されている。トランジスタ１０７のゲート電
極は、配線ＲＳに接続されており、配線ＲＳにはトランジスタ１０７のスイッチングを制
御する信号の電位が与えられる。トランジスタ１０６のゲート電極は、配線ＳＥに接続さ
れており、配線ＳＥにはトランジスタ１０６のスイッチングを制御する信号の電位が与え
られる。
【０１５０】
図１３では、トランジスタ１０４の第２端子と、トランジスタ１０７の第１端子と、トラ
ンジスタ１０５のゲート電極とが接続されているノードを、ノードＦＤとして示している
。ノードＦＤに蓄積される電荷の量によって、出力信号の電位が定まる。ノードＦＤにお
いて電荷をより確実に保持するために、ノードＦＤに容量素子を接続するようにしても良
い。
【０１５１】
図１３に示すフォトセンサ１０１の動作については、図１２に示したタイミングチャート
を参照することができる。
【０１５２】
なお、図１１または図１３に示したフォトセンサでは、トランジスタ１０４のチャネル形
成領域に、シリコン半導体よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよ
りも低い半導体を含むことを特徴とする。上述したような特性を有する半導体材料をチャ
ネル形成領域に含むことで、オフ電流が極めて低く、なおかつ高耐圧であるトランジスタ
１０４を実現することができる。そして、上記構成を有するトランジスタ１０４をスイッ
チング素子として用いることで、増幅回路１０３内に蓄積された電荷のリークを防ぐこと
ができる。
【０１５３】
また、図１１または図１３において、増幅回路１０３を構成しているトランジスタ１０４
、トランジスタ１０５、トランジスタ１０６、トランジスタ１０７は、その活性層に、酸
化物半導体膜が用いられていても良い。或いは、トランジスタ１０４、トランジスタ１０
５、トランジスタ１０６、トランジスタ１０７の活性層に、酸化物半導体以外の、非晶質
、微結晶、多結晶、または単結晶の、シリコン、またはゲルマニウムなどの半導体が用い
られていても良い。フォトセンサ１０１内の全てのトランジスタの活性層に、酸化物半導
体膜を用いることで、プロセスを簡略化することができる。また、トランジスタ１０５、
トランジスタ１０６、トランジスタ１０７の活性層に、例えば、多結晶または単結晶のシ
リコンなどのように、酸化物半導体よりも高い移動度が得られる半導体材料を用いること
で、フォトセンサ１０１からの画像データの読み出しを高速で行うことができる。
【０１５４】
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
【０１５５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジス
タとを有する、本発明の一態様に係る固体撮像装置または半導体表示装置の作製方法につ
いて説明する。
【０１５６】
なお、本発明の一態様では、増幅回路を構成するトランジスタに、酸化物半導体を用いて
いても良いし、ゲルマニウム、シリコン、シリコンゲルマニウムや、単結晶炭化シリコン
などを用いた、通常の半導体を用いていても良い。例えば、シリコンを用いたトランジス
タは、シリコンウェハなどの単結晶半導体基板、ＳＯＩ法により作製されたシリコン薄膜
、気相成長法により作製されたシリコン薄膜などを用いて形成することができる。
【０１５７】
まず、図１４（Ａ）に示すように、基板７００の絶縁表面上に、公知のＣＭＯＳの作製方
法を用いて、フォトダイオード７０４、ｎチャネル型トランジスタ７０５を形成する。本
実施の形態では、単結晶の半導体基板から分離された単結晶半導体膜を用いて、フォトダ
イオード７０４、ｎチャネル型トランジスタ７０５を形成する場合を例に挙げている。
【０１５８】
具体的な単結晶半導体膜の作製方法の一例について、簡単に説明する。まず、単結晶の半
導体基板に、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを注入し、半導体基板の表面か
ら一定の深さの領域に、結晶構造が乱されることで局所的に脆弱化された脆化層を形成す
る。脆化層が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの
入射角によって調節することができる。そして、半導体基板と、絶縁膜７０１が形成され
た基板７００とを、間に当該絶縁膜７０１が挟まるように貼り合わせる。貼り合わせは、
半導体基板と基板７００とを重ね合わせた後、半導体基板と基板７００の一部に、１Ｎ／
ｃｍ２以上５００Ｎ／ｃｍ２以下、好ましくは１１Ｎ／ｃｍ２以上２０Ｎ／ｃｍ２以下程
度の圧力を加える。圧力を加えると、その部分から半導体基板と絶縁膜７０１とが接合を
開始し、最終的には密着した面全体に接合がおよぶ。次いで、加熱処理を行うことで、脆
化層に存在する微小ボイドどうしが結合して、微小ボイドの体積が増大する。その結果、
脆化層において半導体基板の一部である単結晶半導体膜が、半導体基板から分離する。上
記加熱処理の温度は、基板７００の歪み点を越えない温度とする。そして、上記単結晶半
導体膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、島状の半導体膜７０２、島状
の半導体膜７０３を形成することができる。
【０１５９】
フォトダイオード７０４は、絶縁膜７０１上の島状の半導体膜７０２を用いて形成されて
おり、ｎチャネル型トランジスタ７０５は、絶縁膜７０１上の島状の半導体膜７０３を用
いて形成されている。また、フォトダイオード７０４は、島状の半導体膜７０２内にｐ型
の導電性を有する領域７２７と、ｉ型の導電性を有する領域７２８と、ｎ型の導電性を有
する領域７２９とが形成された横型接合タイプである。また、ｎチャネル型トランジスタ
７０５は、ゲート電極７０７を有している。そして、ｎチャネル型トランジスタ７０５は
、島状の半導体膜７０３とゲート電極７０７の間に、絶縁膜７０８を有する。
【０１６０】
なお、ｉ型の導電性を有する領域７２８は、半導体膜のうち、含まれるｐ型若しくはｎ型
を付与する不純物が１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度
が１００倍以上である領域を指す。ｉ型の導電性を有する領域７２８には、周期表第１３
族若しくは第１５族の不純物元素を有するものも、その範疇に含む。すなわち、ｉ型の半
導体は、価電子制御を目的とした不純物元素を意図的に添加しないときに弱いｎ型の電気
伝導性を示すので、ｉ型の導電性を有する領域７２８は、ｐ型を付与する不純物元素を、
成膜時或いは成膜後に、意図的若しくは非意図的に添加されたものをその範疇に含む。
【０１６１】
基板７００として使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の加
熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板７００には
、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、セラミック基板等を
用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点
が７３０℃以上のものを用いると良い。また、ステンレス基板を含む金属基板またはシリ
コン基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。プラスチック等の可撓性を有す
る合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、
作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
【０１６２】
なお、本実施の形態では、単結晶の半導体膜を用いてフォトダイオード７０４とｎチャネ
ル型トランジスタ７０５を形成する例について説明しているが、本発明はこの構成に限定
されない。例えば、絶縁膜７０１上に気相成長法を用いて形成された多結晶、微結晶の半
導体膜を用いても良いし、上記半導体膜を公知の技術により結晶化しても良い。公知の結
晶化方法としては、レーザ光を用いたレーザ結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法がある
。或いは、触媒元素を用いる結晶化法とレーザ結晶化法とを組み合わせて用いることもで
きる。また、石英のような耐熱性に優れている基板を用いる場合、電熱炉を使用した熱結
晶化方法、赤外光を用いたランプアニール結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法、９５０
℃程度の高温アニール法を組み合わせた結晶化法を用いても良い。
【０１６３】
また、図１４（Ａ）では、絶縁膜７０８上に導電膜を形成した後、上記導電膜をエッチン
グ等により所望の形状に加工することで、ゲート電極７０７と共に、配線７１１を形成す
る。
【０１６４】
次いで、図１４（Ａ）に示すように、フォトダイオード７０４、ｎチャネル型トランジス
タ７０５、配線７１１を覆うように、絶縁膜７１２を形成する。なお、本実施の形態では
、単層の絶縁膜７１２を用いる場合を例示しているが、上記絶縁膜７１２は単層である必
要はなく、２層以上の絶縁膜を積層させて絶縁膜７１２として用いても良い。
【０１６５】
絶縁膜７１２は、後の作製工程における加熱処理の温度に耐えうる材料を用いる。具体的
に、絶縁膜７１２として、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化アル
ミニウム、酸化アルミニウムなどを用いるのが望ましい。
【０１６６】
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多
い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い
物質を意味する。
【０１６７】
絶縁膜７１２は、その表面をＣＭＰ法などにより平坦化させても良い。
【０１６８】
次いで、図１４（Ａ）に示すように、絶縁膜７１２上に、ゲート電極７１３を形成する。
【０１６９】
ゲート電極７１３の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネ
オジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用いた導
電膜、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の
工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミ
ニウム、銅を用いることもできる。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回
避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、
モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用
いることができる。
【０１７０】
例えば、二層の積層構造を有するゲート電極７１３として、アルミニウム膜上にモリブデ
ン膜が積層された二層の積層構造、銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、銅膜上に
窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、または、窒化チタン膜とモリ
ブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。３層の積層構造を有するゲート電
極７１３としては、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムと
チタンの合金膜またはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、
窒化タングステン膜、窒化チタン膜またはチタン膜を上下層として積層した構造とするこ
とが好ましい。
【０１７１】
また、ゲート電極７１３に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ混合物、酸化インジ
ウム酸化亜鉛混合物、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、また
は酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることもできる。
【０１７２】
ゲート電極７１３の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍ
とする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により１５０ｎ
ｍのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工
（パターニング）することで、ゲート電極７１３を形成する。なお、形成されたゲート電
極の端部がテーパー形状であると、上に積層するゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好
ましい。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクを
インクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる
。
【０１７３】
次いで、図１４（Ｂ）に示すように、ゲート電極７１３上に、ゲート絶縁膜７１４を形成
する。ゲート絶縁膜７１４は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化
珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アル
ミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜また
は酸化タンタル膜を単層で又は積層させて形成することができる。ゲート絶縁膜７１４は
、水分や、水素などの不純物を極力含まないことが望ましい。スパッタリング法により酸
化珪素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲット
を用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いる。
【０１７４】
不純物を除去した酸化物半導体（高純度化された酸化物半導体）は界面準位、界面電荷に
対して極めて敏感であるため、高純度化された酸化物半導体とゲート絶縁膜７１４との界
面は重要である。そのため高純度化された酸化物半導体に接するゲート絶縁膜（ＧＩ）は
、高品質化が要求される。
【０１７５】
例えば、μ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは、緻密で絶縁耐
圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。高純度化された酸化物半導体と高品
質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なものとす
ることができるからである。
【０１７６】
もちろん、ゲート絶縁膜７１４として良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタ
リング法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後の
熱処理によって膜質や、酸化物半導体との界面特性が改善される絶縁膜であっても良い。
いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であることは勿論のこと、ゲート絶縁
膜と酸化物半導体との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い
。
【０１７７】
バリア性の高い材料を用いた絶縁膜と、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素
膜などの絶縁膜とを積層させた構造を有するゲート絶縁膜７１４を形成しても良い。この
場合、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜は、バリア性の高い絶縁膜と酸化物半導
体膜の間に形成する。バリア性の高い絶縁膜として、例えば窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜
、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などが挙げられる。バリア性の高
い絶縁膜を用いることで、水分または水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板内に含ま
れるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体膜内、ゲート絶縁膜７１４内、
或いは、酸化物半導体膜と他の絶縁膜の界面とその近傍に入り込むのを防ぐことができる
。また、酸化物半導体膜に接するように窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素
膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い絶縁膜が直接酸化物半導体膜に接する
のを防ぐことができる。
【０１７８】
例えば、第１のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ
以下の窒化珪素膜（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を形成し、第１のゲート絶縁膜上に第２のゲー
ト絶縁膜として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化珪素膜（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を積
層して、膜厚１００ｎｍのゲート絶縁膜７１４としても良い。ゲート絶縁膜７１４の膜厚
は、トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、３５０ｎｍ乃至４００
ｎｍ程度でもよい。
【０１７９】
本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚５０ｎｍの窒化珪素膜上に、スパッタ法
で形成された膜厚１００ｎｍの酸化珪素膜を積層させた構造を有する、ゲート絶縁膜７１
４を形成する。
【０１８０】
なお、ゲート絶縁膜７１４は後に形成される酸化物半導体と接する。酸化物半導体は、水
素が含有されると特性に悪影響を及ぼすので、ゲート絶縁膜７１４は水素、水酸基および
水分が含まれないことが望ましい。ゲート絶縁膜７１４に水素、水酸基及び水分がなるべ
く含まれないようにするためには、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱
室でゲート電極７１３が形成された基板７００を予備加熱し、基板７００に吸着した水分
または水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、１
００℃以上４００℃以下、好ましくは１５０℃以上３００℃以下である。なお、予備加熱
室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略する
こともできる。
【０１８１】
次いで、ゲート絶縁膜７１４上に膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは膜厚３ｎｍ
以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは膜厚３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の酸化物半導体膜を形
成する。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法により成
膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（例えばアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、
又は希ガス（例えばアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成する
ことができる。
【０１８２】
なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズ
マを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜７１４の表面に付着している塵埃を除去
することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲
気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改
質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。
また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、ア
ルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
【０１８３】
用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含
むことが好ましい。特にＩｎとＺｎ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のスタビライザーとして、それらに加
えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ
）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有するこ
とが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好まし
い。また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウ
ム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピ
ウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、
ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）
、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。具体的に、酸化物
半導体膜には、上述したように、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸
化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ
系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属
の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ
系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系
酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸
化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化
物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ
−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を
用いることができる。
【０１８４】
本実施の形態では、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含むタ
ーゲットを用いたスパッタ法により得られる膜厚３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半
導体の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体膜をスパ
ッタリング法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、
４：２：３、３：１：２、１：１：２、２：１：３、または３：１：４で示されるＩｎ−
Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のターゲットを用いる。前述の原子数比を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系
酸化物のターゲットを用いて酸化物半導体膜を成膜することで、多結晶またはＣＡＡＣが
形成されやすくなる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットの充填率は９０％以
上１００％以下、好ましくは９５％以上１００％未満である。充填率の高いターゲットを
用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
【０１８５】
なお、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ系酸化物の材料を用いる場合、用いるターゲットの
組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ
３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比
に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝
１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）
とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比
がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。Ｚｎの比率を上記範囲
に収めることで、移動度の向上を実現することができる。
【０１８６】
本実施の形態では、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水分
を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて
基板７００上に酸化物半導体膜を成膜する。成膜時に、基板温度を１００℃以上６００℃
以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜する
ことにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。ま
た、スパッタリングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには、
吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、
チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ター
ボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて成膜
室を排気すると、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ま
しくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導
体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【０１８７】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ
、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、膜
厚分布も均一となるために好ましい。
【０１８８】
なお、酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、
成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート絶縁膜７１４までが形成
された基板７００を予備加熱し、基板７００に吸着した水分または水素などの不純物を脱
離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、１００℃以上４００℃以下、好
ましくは１５０℃以上３００℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライ
オポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備
加熱は、後に行われる絶縁膜７２２の成膜前に、導電膜７１６〜導電膜７２１まで形成し
た基板７００にも同様に行ってもよい。
【０１８９】
次いで、図１４（Ｂ）に示すように、酸化物半導体膜をエッチングなどにより所望の形状
に加工（パターニング）し、ゲート絶縁膜７１４上のゲート電極７１３と重なる位置に、
島状の酸化物半導体膜７１５を形成する。
【０１９０】
島状の酸化物半導体膜７１５を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成
してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しない
ため、製造コストを低減できる。
【０１９１】
なお、島状の酸化物半導体膜７１５を形成するためのエッチングは、ドライエッチングで
もウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチ
ングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（
ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）など）が好ましい。ま
た、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ
６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢ
ｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガス
を添加したガス、などを用いることができる。
【０１９２】
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈ
ｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導
結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングでき
るように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加さ
れる電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
【０１９３】
ウェットエッチングに用いるエッチング液として、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用
いてもよい。
【０１９４】
なお、次工程の導電膜を形成する前に逆スパッタを行い、島状の酸化物半導体膜７１５及
びゲート絶縁膜７１４の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい
。
【０１９５】
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体膜中には、不純物としての水分または水素が
多量に含まれていることがある。水分または水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化
物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体膜中の水
分または水素などの不純物を低減するために、酸化物半導体膜７１５に対して、窒素、酸
素、超乾燥空気、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、酸化物
半導体膜７１５に加熱処理を施す。上記ガスは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましく
は１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下であることが望ましい。
【０１９６】
酸化物半導体膜７１５に加熱処理を施すことで、酸化物半導体膜７１５中の水分または水
素を脱離させることができる。具体的には、３００℃以上７００℃以下、好ましくは３０
０℃以上５００℃以下で加熱処理を行えば良い。例えば、５００℃、３分間以上６分間以
下程度で行えばよい。加熱処理にＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が
行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
【０１９７】
本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉を用いる。
【０１９８】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ
Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ
Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎ
ｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライ
ドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧
水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置
である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、ア
ルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活
性気体が用いられる。
【０１９９】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水
分または水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、
またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上
、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ま
しくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０２００】
以上の工程により、酸化物半導体膜７１５中の水素の濃度を低減し、高純度化することが
できる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度
以下の加熱処理で、水素に起因するキャリア密度が少なく、バンドギャップの広い酸化物
半導体膜を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製す
ることができ、量産性を高めることができる。
【０２０１】
なお、酸化物半導体膜を加熱する場合、酸化物半導体膜の材料や加熱条件にもよるが、そ
の表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対して
略垂直にｃ軸配向した単結晶体であることが好ましい。また、単結晶体でなくとも、各結
晶が、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にｃ軸配向した多結晶体であることが好まし
い。そして、上記多結晶体は、ｃ軸配向している事に加えて、各結晶のａｂ面が一致する
か、ａ軸、或いは、ｂ軸が一致していることが好ましい。なお、酸化物半導体膜の下地表
面に凹凸がある場合、板状結晶は多結晶体となる。したがって、下地表面は可能な限り平
坦であることが望まれる。
【０２０２】
次に、絶縁膜７０８、絶縁膜７１２、ゲート絶縁膜７１４を部分的にエッチングすること
で、島状の半導体膜７０２、島状の半導体膜７０３、配線７１１に達するコンタクトホー
ルを形成する。
【０２０３】
そして、酸化物半導体膜７１５を覆うように、スパッタ法や真空蒸着法で導電膜を形成し
たあと、エッチング等により該導電膜をパターニングすることで、図１４（Ｃ）に示すよ
うに、ソース電極、ドレイン電極、または配線として機能する導電膜７１６〜導電膜７２
１を形成する。
【０２０４】
なお、導電膜７１６及び導電膜７１７は、島状の半導体膜７０２に接している。導電膜７
１８及び導電膜７１９は、島状の半導体膜７０３に接している。導電膜７２０は、配線７
１１及び酸化物半導体膜７１５に接している。導電膜７２１は、酸化物半導体膜７１５に
接している。
【０２０５】
導電膜７１６〜導電膜７２１となる導電膜の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、
タンタル、チタン、モリブデン、タングステンからから選ばれた元素、または上述した元
素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アル
ミニウム、銅などの金属膜の下側もしくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン
、タングステンなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウム
または銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用
いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タング
ステン、ネオジム、スカンジウム、イットリウム等を用いることができる。
【０２０６】
また、導電膜は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを
含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する２層構造、チタ
ン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を成
膜する３層構造などが挙げられる。
【０２０７】
また、導電膜７１６〜導電膜７２１となる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成し
ても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化イン
ジウム酸化スズ混合物、酸化インジウム酸化亜鉛混合物または前記金属酸化物材料にシリ
コン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【０２０８】
導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせ
ることが好ましい。
【０２０９】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体膜７１５がなるべく除去されないように
それぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、島状の
酸化物半導体膜７１５の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部（凹部）が形
成されることもある。
【０２１０】
本実施の形態では、導電膜にチタン膜を用いる。そのため、アンモニアと過酸化水素水を
含む溶液（アンモニア過水）を用いて、選択的に導電膜をウェットエッチングすることが
できるが、酸化物半導体膜７１５も一部エッチングされる場合もある。具体的には、３１
重量％の過酸化水素水と、２８重量％のアンモニア水と、水とを、体積比５：２：２で混
合したアンモニア過水を用いる。或いは、塩素（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）などを
含むガスを用いて、導電膜をドライエッチングしても良い。
【０２１１】
なお、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過
した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用い
てエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数
の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形することができる
ため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、
一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジス
トマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応する
フォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
【０２１２】
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラズ
マ処理によって露出している酸化物半導体膜の表面に付着した水などを除去する。また、
酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
【０２１３】
なお、プラズマ処理を行った後、図１４（Ｃ）に示すように、導電膜７１６〜導電膜７２
１と、酸化物半導体膜７１５とを覆うように、絶縁膜７２２を形成する。絶縁膜７２２は
、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましく、単層の絶縁膜であっ
ても良いし、積層された複数の絶縁膜で構成されていても良い。絶縁膜７２２に水素が含
まれると、その水素が酸化物半導体膜へ侵入し、又は水素が酸化物半導体膜中の酸素を引
き抜き、酸化物半導体膜のバックチャネル部が低抵抗化（ｎ型化）してしまい、寄生チャ
ネルが形成されるおそれがある。よって、絶縁膜７２２はできるだけ水素を含まない膜に
なるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。上記絶縁膜７２２には、バリ
ア性の高い材料を用いるのが望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素
膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを用いる
ことができる。複数の積層された絶縁膜を用いる場合、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜
、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を、上記バリア性の高い絶縁膜よりも、酸化物半導体膜７
１５に近い側に形成する。そして、窒素の含有比率が低い絶縁膜を間に挟んで、導電膜７
１６〜導電膜７２１及び酸化物半導体膜７１５と重なるように、バリア性の高い絶縁膜を
形成する。バリア性の高い絶縁膜を用いることで、酸化物半導体膜７１５内、ゲート絶縁
膜７１４内、或いは、酸化物半導体膜７１５と他の絶縁膜の界面とその近傍に、水分また
は水素などの不純物が入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体膜７１５に接
するように窒素の比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで
、バリア性の高い材料を用いた絶縁膜が直接酸化物半導体膜７１５に接するのを防ぐこと
ができる。
【０２１４】
本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚２００ｎｍの酸化珪素膜上に、スパッタ
法で形成された膜厚１００ｎｍの窒化珪素膜を積層させた構造を有する、絶縁膜７２２を
形成する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施の形態では
１００℃とする。
【０２１５】
なお、絶縁膜７２２を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は、窒素、超乾
燥空気、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、好ましくは２０
０℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）で行う。上記ガスは、水の含
有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下である
ことが望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処
理を行う。或いは、導電膜７１６〜導電膜７２１を形成する前に、水分または水素を低減
させるための酸化物半導体膜に対して行った先の加熱処理と同様に、高温短時間のＲＴＡ
処理を行っても良い。酸素を含む絶縁膜７２２が設けられた後に、加熱処理が施されるこ
とによって、酸化物半導体膜に対して行った先の加熱処理により、酸化物半導体膜７１５
に酸素欠損が発生していたとしても、絶縁膜７２２から酸化物半導体膜７１５に酸素が供
与される。そして、酸化物半導体膜７１５に酸素が供与されることで、酸化物半導体膜７
１５において、ドナーとなる酸素欠損を低減し、化学量論的組成比を満たすことが可能で
ある。酸化物半導体膜７１５には、化学量論的組成比を超える量の酸素が含まれているこ
とが好ましい。その結果、酸化物半導体膜７１５をｉ型に近づけることができ、酸素欠損
によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することがで
きる。この加熱処理を行うタイミングは、絶縁膜７２２の形成後であれば特に限定されず
、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透明導電膜を低抵抗化させるための加熱
処理と兼ねることで、工程数を増やすことなく、酸化物半導体膜７１５をｉ型に近づける
ことができる。
【０２１６】
また、酸素雰囲気下で酸化物半導体膜７１５に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸
素を添加し、酸化物半導体膜７１５中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い
。加熱処理の温度は、例えば１００℃以上３５０℃未満、好ましくは１５０℃以上２５０
℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが
含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、６Ｎ（
９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素中の
不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０２１７】
或いは、イオン注入法またはイオンドーピング法などを用いて、酸化物半導体膜７１５に
酸素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、２．４５Ｇ
Ｈｚのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体膜７１５に添加すれば良い。
【０２１８】
なお、絶縁膜７２２上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで、酸化
物半導体膜７１５と重なる位置にバックゲート電極を形成しても良い。バックゲート電極
を形成した場合は、バックゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するのが望ましい。バッ
クゲート電極は、ゲート電極７１３、或いは導電膜７１６〜導電膜７２１と同様の材料、
構造を用いて形成することが可能である。
【０２１９】
バックゲート電極の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍ
とする。例えば、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜が積層された構造を有する導電膜
を形成した後、フォトリソグラフィ法などによりレジストマスクを形成し、エッチングに
より不要な部分を除去して、該導電膜を所望の形状に加工（パターニング）することで、
バックゲート電極を形成すると良い。
【０２２０】
以上の工程により、トランジスタ７２４が形成される。
【０２２１】
トランジスタ７２４は、ゲート電極７１３と、ゲート電極７１３上のゲート絶縁膜７１４
と、ゲート絶縁膜７１４上においてゲート電極７１３と重なっている酸化物半導体膜７１
５と、酸化物半導体膜７１５上に形成された一対の導電膜７２０または導電膜７２１とを
有する。さらに、トランジスタ７２４は、絶縁膜７２２を、その構成要素に含めても良い
。図１４（Ｃ）に示すトランジスタ７２４は、導電膜７２０と導電膜７２１の間において
、酸化物半導体膜７１５の一部がエッチングされたチャネルエッチ構造である。
【０２２２】
なお、トランジスタ７２４はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必
要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極７１３を有することで、チャネル形成
領域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。
【０２２３】
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
【０２２４】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３とは異なる構造を有する、酸化物半導体膜を用いたトラ
ンジスタについて説明する。
【０２２５】
図１５（Ａ）に示す固体撮像装置または半導体表示装置では、実施の形態３と同様に、フ
ォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５とを有している。そして、図
１５（Ａ）では、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５上に、酸
化物半導体膜を用いたチャネル保護構造の、ボトムゲート型のトランジスタ７２４が形成
されている。
【０２２６】
トランジスタ７２４は、絶縁膜７１２上に形成されたゲート電極７３０と、ゲート電極７
３０上のゲート絶縁膜７３１と、ゲート絶縁膜７３１上においてゲート電極７３０と重な
っている酸化物半導体膜７３２と、ゲート電極７３０と重なる位置において酸化物半導体
膜７３２上に形成されたチャネル保護膜７３３と、酸化物半導体膜７３２上に形成された
導電膜７３４、導電膜７３５とを有する。さらに、トランジスタ７２４は、導電膜７３４
、導電膜７３５及びチャネル保護膜７３３上に形成された絶縁膜７３６を、その構成要素
に含めても良い。
【０２２７】
チャネル保護膜７３３を設けることによって、酸化物半導体膜７３２のチャネル形成領域
となる部分に対する、後の工程における、エッチング時のプラズマやエッチング剤による
膜減りなどのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタの信頼性を向上させるこ
とができる。
【０２２８】
チャネル保護膜７３３には、酸素を含む無機材料（酸化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪
素、酸化アルミニウム、または酸化窒化アルミニウムなど）を用いることができる。チャ
ネル保護膜７３３は、プラズマＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法などの気相成長法やスパッタリング
法を用いて形成することができる。チャネル保護膜７３３は成膜後にエッチングにより形
状を加工する。ここでは、スパッタ法により酸化珪素膜を形成し、フォトリソグラフィに
よるマスクを用いてエッチング加工することでチャネル保護膜７３３を形成する。
【０２２９】
酸素を含む無機材料をチャネル保護膜７３３に用いることで、水分または水素を低減させ
るための加熱処理により酸化物半導体膜７３２中に酸素欠損が発生していたとしても、酸
化物半導体膜７３２にチャネル保護膜７３３から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を
低減して化学量論的組成比を満たす構成とすることが可能である。酸化物半導体膜７３２
には、化学量論的組成比を超える量の酸素が含まれていることが好ましい。よって、チャ
ネル形成領域を、ｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタ７２４の電気
特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
【０２３０】
図１５（Ｂ）に示す固体撮像装置または半導体表示装置は、実施の形態３と同様に、結晶
性シリコンを用いたフォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５を有し
ている。そして、図１５（Ｂ）では、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジ
スタ７０５上に、酸化物半導体膜を用いたボトムコンタクト型のトランジスタ７２４が形
成されている。
【０２３１】
トランジスタ７２４は、絶縁膜７１２上に形成されたゲート電極７４１と、ゲート電極７
４１上のゲート絶縁膜７４２と、ゲート絶縁膜７４２上の導電膜７４３、導電膜７４４と
、ゲート絶縁膜７４２を間に挟んでゲート電極７４１と重なっている酸化物半導体膜７４
５と、を有する。さらに、トランジスタ７２４は、酸化物半導体膜７４５上に形成された
絶縁膜７４６を、その構成要素に含めても良い。
【０２３２】
なお、本実施の形態に示したトランジスタ７２４は、バックゲート電極を更に有していて
も良い。
【０２３３】
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
【０２３４】
（実施の形態５）
本実施の形態では、トランジスタの構成例について説明する。なお、上記実施の形態と同
一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことがで
き、本実施の形態での繰り返しの説明は省略する。なお、同じ箇所の詳細な説明も省略す
る。
【０２３５】
図１９（Ａ）に示すトランジスタ２４５０は、基板２４００上にゲート電極２４０１が形
成され、ゲート電極２４０１上にゲート絶縁膜２４０２が形成され、ゲート絶縁膜２４０
２上に酸化物半導体膜２４０３が形成され、酸化物半導体膜２４０３上に、ソース電極２
４０５ａ、及びドレイン電極２４０５ｂが形成されている。また、酸化物半導体膜２４０
３、ソース電極２４０５ａ、及びドレイン電極２４０５ｂ上に絶縁膜２４０７が形成され
ている。また、絶縁膜２４０７上に絶縁膜２４０９を形成してもよい。トランジスタ２４
５０は、ボトムゲート構造のトランジスタの一つであり、逆スタガ型トランジスタの一つ
でもある。
【０２３６】
図１９（Ｂ）に示すトランジスタ２４６０は、基板２４００上にゲート電極２４０１が形
成され、ゲート電極２４０１上にゲート絶縁膜２４０２が形成され、ゲート絶縁膜２４０
２上に酸化物半導体膜２４０３が形成され、酸化物半導体膜２４０３上にチャネル保護膜
２４０６が形成され、チャネル保護膜２４０６及び酸化物半導体膜２４０３上に、ソース
電極２４０５ａ、及びドレイン電極２４０５ｂが形成されている。また、ソース電極２４
０５ａ、及びドレイン電極２４０５ｂ上に絶縁膜２４０９を形成してもよい。トランジス
タ２４６０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲート
構造のトランジスタの一つであり、逆スタガ型トランジスタの一つでもある。チャネル保
護膜２４０６は、他の絶縁膜と同様の材料及び方法を用いて形成することができる。
【０２３７】
図１９（Ｃ）に示すトランジスタ２４７０は、基板２４００上に下地膜２４３６が形成さ
れ、下地膜２４３６上に酸化物半導体膜２４０３が形成され、酸化物半導体膜２４０３、
及び下地膜２４３６上に、ソース電極２４０５ａ、及びドレイン電極２４０５ｂが形成さ
れ、酸化物半導体膜２４０３、ソース電極２４０５ａ、及びドレイン電極２４０５ｂ上に
ゲート絶縁膜２４０２が形成され、ゲート絶縁膜２４０２上にゲート電極２４０１が形成
されている。また、ゲート電極２４０１上に絶縁膜２４０９を形成してもよい。トランジ
スタ２４７０は、トップゲート構造のトランジスタの一つである。
【０２３８】
図１９（Ｄ）に示すトランジスタ２４８０は、基板２４００上に、ゲート電極２４１１が
形成され、ゲート電極２４１１上に第１のゲート絶縁膜２４１３が形成され、第１のゲー
ト絶縁膜２４１３上に酸化物半導体膜２４０３が形成され、酸化物半導体膜２４０３、及
び第１のゲート絶縁膜２４１３上に、ソース電極２４０５ａ、及びドレイン電極２４０５
ｂが形成されている。また、酸化物半導体膜２４０３、ソース電極２４０５ａ、及びドレ
イン電極２４０５ｂ上に第２のゲート絶縁膜２４１４が形成され、第２のゲート絶縁膜２
４１４上にバックゲート電極２４１２が形成されている。また、バックゲート電極２４１
２上に絶縁膜２４０９を形成してもよい。
【０２３９】
トランジスタ２４８０は、トランジスタ２４５０とトランジスタ２４７０を併せた構造を
有している。
【０２４０】
バックゲート電極の電位を変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させる
ことができる。バックゲート電極は、酸化物半導体膜２４０３のチャネル形成領域と重な
るように形成する。バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態で
あっても良いし、電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極
には、ゲート電極と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電
位が与えられていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、ト
ランジスタの閾値電圧を制御することができる。
【０２４１】
また、バックゲート電極と、ソース電極２４０５ａ及びドレイン電極２４０５ｂとにより
酸化物半導体膜２４０３を完全に覆うことで、バックゲート電極側から酸化物半導体膜２
４０３に光が入射するのを防ぐことができる。よって、酸化物半導体膜２４０３の光劣化
を防ぎ、トランジスタの閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされるのを防
ぐことができる。
【０２４２】
酸化物半導体膜２４０３に接する絶縁膜（本実施の形態においては、ゲート絶縁膜２４０
２、絶縁膜２４０７、チャネル保護膜２４０６、下地膜２４３６、第１のゲート絶縁膜２
４１３、第２のゲート絶縁膜２４１４が相当する。）は、第１３族元素および酸素を含む
絶縁材料を用いることが好ましい。酸化物半導体材料には第１３族元素を含むものが多く
、第１３族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体に接
する絶縁膜に用いることで、酸化物半導体との界面の状態を良好に保つことができる。
【０２４３】
第１３族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一または複数の第１３族元素を含むことを
意味する。第１３族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニ
ウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化
アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの含有量（原
子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量（原子％）
がアルミニウムの含有量（原子％）以上のものを示す。
【０２４４】
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体膜に接して絶縁膜を形成する場合に、絶縁膜に
酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体膜と絶縁膜の界面特性を良好に保つ
ことができる。例えば、酸化物半導体膜と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設けるこ
とにより、酸化物半導体膜と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減することが
できる。なお、絶縁膜に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様
の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁膜を
形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性
を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体膜への水の侵入防止という点
においても好ましい。
【０２４５】
また、酸化物半導体膜２４０３に接する絶縁膜は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ド
ープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成比より酸素が多い状態とすることが好ましい
。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸
素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、
酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる
。また、酸素ドープは、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて行ってもよい。
【０２４６】
例えば、酸化物半導体膜２４０３に接する絶縁膜として酸化ガリウムを用いた場合、酸素
雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をＧａ２Ｏ
Ｘ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。
【０２４７】
また、酸化物半導体膜２４０３に接する絶縁膜として酸化アルミニウムを用いた場合、酸
素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をＡ
ｌ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。
【０２４８】
また、酸化物半導体膜２４０３に接する絶縁膜として酸化ガリウムアルミニウム（酸化ア
ルミニウムガリウム）を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うこ
とにより、酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）の組成をＧａＸＡｌ
２−ＸＯ３＋α（０＜Ｘ＜２、０＜α＜１）とすることができる。
【０２４９】
酸素ドープ処理を行うことにより、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜
を形成することができる。このような領域を備える絶縁膜と酸化物半導体膜が接すること
により、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体膜に供給され、酸化物半導体膜中、または
酸化物半導体膜と絶縁膜の界面における酸素欠損を低減し、酸化物半導体膜をｉ型化また
はｉ型に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。
【０２５０】
なお、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜は、酸化物半導体膜２４０３
に接する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜または下層に位置する絶縁膜のうち、どち
らか一方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。化学量論的組成比
より酸素が多い領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体膜２４０３に接する絶縁膜の、上層
及び下層に位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体膜２４０３を挟む構成とすることで、上
記効果をより高めることができる。
【０２５１】
また、酸化物半導体膜２４０３の上層または下層に用いる絶縁膜は、上層と下層で同じ構
成元素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。例
えば、上層と下層とも、組成がＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化ガリウムと
しても良いし、上層と下層の一方を組成がＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化
ガリウムとし、他方を組成がＡｌ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化アルミニウム
としても良い。
【０２５２】
また、酸化物半導体膜２４０３に接する絶縁膜は、化学量論的組成比より酸素が多い領域
を有する絶縁膜の積層としても良い。例えば、酸化物半導体膜２４０３の上層に組成がＧ
ａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化ガリウムを形成し、その上に組成がＧａＸＡ
ｌ２−ＸＯ３＋α（０＜Ｘ＜２、０＜α＜１）の酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミ
ニウムガリウム）を形成してもよい。なお、酸化物半導体膜２４０３の下層を、化学量論
的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良いし、酸化物半導体膜２４
０３の上層及び下層の両方を、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積
層としても良い。
【０２５３】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０２５４】
本実施例では、本発明の一態様に係る半導体表示装置における、パネルとバックライトの
配置について説明する。
【０２５５】
図１７は、本発明の一態様に係る半導体表示装置の構造を示す斜視図の一例である。図１
７に示す半導体表示装置は、表示素子とフォトセンサを含む画素が一対の基板間に形成さ
れたパネル１６０１と、第１の拡散板１６０２と、プリズムシート１６０３と、第２の拡
散板１６０４と、導光板１６０５と、反射板１６０６と、複数の光源１６０７を有するバ
ックライト１６０８と、回路基板１６０９とを有している。
【０２５６】
パネル１６０１と、第１の拡散板１６０２と、プリズムシート１６０３と、第２の拡散板
１６０４と、導光板１６０５と、反射板１６０６とは、順に積層されている。光源１６０
７は導光板１６０５の端部に設けられており、導光板１６０５内部に拡散された光源１６
０７からの光は、第１の拡散板１６０２、プリズムシート１６０３及び第２の拡散板１６
０４によって、対向基板側から均一にパネル１６０１に照射される。
【０２５７】
なお、本実施例では、第１の拡散板１６０２と第２の拡散板１６０４とを用いているが、
拡散板の数はこれに限定されず、単数であっても３以上であっても良い。そして、拡散板
は導光板１６０５とパネル１６０１の間に設けられていれば良い。よって、プリズムシー
ト１６０３よりもパネル１６０１に近い側にのみ拡散板が設けられていても良いし、プリ
ズムシート１６０３よりも導光板１６０５に近い側にのみ拡散板が設けられていても良い
。
【０２５８】
またプリズムシート１６０３は、図１７に示した断面が鋸歯状の形状に限定されず、導光
板１６０５からの光をパネル１６０１側に集光できる形状を有していれば良い。
【０２５９】
回路基板１６０９には、パネル１６０１に入力される各種信号を生成もしくは処理する回
路、パネル１６０１から出力される各種信号を処理する回路などが設けられている。そし
て図１７では、回路基板１６０９とパネル１６０１とが、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐ
ｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）１６１１を介して接続されている。なお、上記回路は、
ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  ＯＮ  Ｇｌａｓｓ）法を用いてパネル１６０１に接続されていても良
いし、上記回路の一部がＦＰＣ１６１１にＣＯＦ（Ｃｈｉｐ  ＯＮ  Ｆｉｌｍ）法を用い
て接続されていても良い。
【０２６０】
図１７では、光源１６０７の駆動を制御する、制御系の回路が回路基板１６０９に設けら
れており、該制御系の回路と光源１６０７とがＦＰＣ１６１０を介して接続されている例
を示している。ただし、上記制御系の回路はパネル１６０１に形成されていても良く、こ
の場合はパネル１６０１と光源１６０７とがＦＰＣなどにより接続されるようにする。
【０２６１】
複数の光源１６０７は、異なる色の光を発する。光源１６０７として、例えばＬＥＤ、Ｏ
ＬＥＤなどの発光素子を用いることができる。
【０２６２】
なお、図１７は、パネル１６０１の端に光源１６０７を配置するエッジライト型の光源を
例示しているが、本発明の一態様に係る半導体表示装置は光源１６０７がパネル１６０１
の直下に配置される直下型であっても良い。
【０２６３】
例えば、被検出物である指１６１２をパネル１６０１に近づけると、バックライト１６０
８からの光が、パネル１６０１を通過し、その一部が指１６１２において反射し、再びパ
ネル１６０１に入射する。各色に対応する光源１６０７を順に点灯させ、色ごとに撮像デ
ータの取得を行うことで、被検出物である指１６１２のカラーの撮像データを得ることが
出来る。
【０２６４】
本実施例は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【実施例２】
【０２６５】
本発明の一態様に係る固体撮像装置或いは半導体表示装置は、ＦＳ駆動を用いているため
高分解能である画像データの取得を行うことができ、グローバルシャッタ方式を採用して
いるため、被写体が移動している場合でも高い品質の画像データを得ることができるとい
う特徴を有している。よって、本発明の一態様に係る固体撮像装置或いは半導体表示装置
を用いた電子機器は、固体撮像装置或いは半導体表示装置をその構成要素に追加すること
により、より高機能のアプリケーションを搭載することができるようになる。或いは、本
発明の一態様に係る固体撮像装置或いは半導体表示装置は、ＦＳ駆動を用いているため低
消費電力であるという特徴を有している。よって、本発明の一態様に係る固体撮像装置或
いは半導体表示装置を用いた電子機器は、固体撮像装置或いは半導体表示装置をその構成
要素に追加することにより、消費電力を低減させることができる。
【０２６６】
本発明の一態様に係る固体撮像装置或いは半導体表示装置は、表示装置、ノート型パーソ
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固体撮像装
置或いは半導体表示装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型ゲーム
機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、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、プリンター、
プリンター複合機、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１８に示す。
【０２６７】
図１８（Ａ）は表示装置であり、筐体５００１、表示部５００２、支持台５００３等を有
する。本発明の一態様に係る半導体表示装置は、表示部５００２に用いることができる。
表示部５００２に本発明の一態様に係る半導体表示装置を用いることで、高分解能で高い
品質の画像データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載された
表示装置を提供することができる。或いは、表示部５００２に本発明の一態様に係る半導
体表示装置を用いることで、表示装置の消費電力を低減させることができる。なお、表示
装置には、パーソナルコンピュータ用、ＴＶ放送受信用、広告表示用などの全ての情報表
示用表示装置が含まれる。
【０２６８】
図１８（Ｂ）は携帯情報端末であり、筐体５１０１、表示部５１０２、操作キー５１０３
等を有する。本発明の一態様に係る半導体表示装置は、表示部５１０２に用いることがで
きる。表示部５１０２に本発明の一態様に係る半導体表示装置を用いることで、高分解能
で高い品質の画像データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載
された携帯情報端末を提供することができる。或いは、表示部５１０２に本発明の一態様
に係る半導体表示装置を用いることで、携帯情報端末の消費電力を低減させることができ
る。
【０２６９】
図１８（Ｃ）は現金自動預け入れ払い機であり、筐体５２０１、表示部５２０２、硬貨投
入口５２０３、紙幣投入口５２０４、カード投入口５２０５、通帳投入口５２０６等を有
する。本発明の一態様に係る半導体表示装置は、表示部５２０２に用いることができる。
表示部５２０２に本発明の一態様に係る半導体表示装置を用いることで、高分解能で高い
品質の画像データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載された
現金自動預け入れ払い機を提供することができる。或いは、表示部５２０２に本発明の一
態様に係る半導体表示装置を用いることで、現金自動預け入れ払い機の消費電力を低減さ
せることができる。そして、本発明の一態様に係る半導体表示装置を用いた現金自動預け
入れ払い機は、指紋、顔、手形、掌紋及び手の静脈の形状、虹彩等の、生体認証に用いら
れる生体情報の読み取りを、より高精度で行うことが出来る。よって、生体認証における
、本人であるにもかかわらず本人ではないと誤認識してしまう本人拒否率と、他人である
にもかかわらず本人と誤認識してしまう他人受入率とを、低く抑えることができる。
【０２７０】
図１８（Ｄ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５３０１、筐体５３０２、表示部５３０３、
表示部５３０４、マイクロホン５３０５、スピーカー５３０６、操作キー５３０７、スタ
イラス５３０８等を有する。本発明の一態様に係る半導体表示装置は、表示部５３０３ま
たは表示部５３０４に用いることができる。表示部５３０３または表示部５３０４に本発
明の一態様に係る半導体表示装置を用いることで、高分解能で高い品質の画像データの取
得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載された携帯型ゲーム機を提供
することができる。或いは、表示部５３０３または表示部５３０４に本発明の一態様に係
る半導体表示装置を用いることで、携帯型ゲーム機の消費電力を低減させることができる
。なお、図１８（Ｄ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５３０３と表示部５３０
４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。
【０２７１】
図１８（Ｅ）は携帯電話であり、筐体５４０１、表示部５４０２、音声入力部５４０３、
音声出力部５４０４、操作キー５４０５、受光部５４０６等を有する。受光部５４０６に
おいて受信した光を電気信号に変換することで、外部の画像を取り込むことができる。本
発明の一態様に係る半導体表示装置は、表示部５４０２に用いることができる。表示部５
４０２に本発明の一態様に係る半導体表示装置を用いることで、高分解能で高い品質の画
像データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載された携帯電話
を提供することができる。或いは、表示部５４０２に本発明の一態様に係る半導体表示装
置を用いることで、携帯電話の消費電力を低減させることができる。また、本発明の一態
様に係る固体撮像装置は、受光部５４０６において受信した光を電気信号に変換するのに
用いることができる。本発明の一態様に係る固体撮像装置を用いることで、高分解能で高
い品質の画像データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載され
た携帯電話を提供することができる。或いは、本発明の一態様に係る固体撮像装置を用い
ることで、携帯電話の消費電力を低減させることができる。
【０２７２】
本実施例は、上記実施の形態または上記実施例と適宜組み合わせて実施することが可能で
ある。
【符号の説明】
【０２７３】
１０１    フォトセンサ
１０２    フォトダイオード
１０３    増幅回路
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
１２０    画素
１２１    表示素子
１２２    液晶素子
１２３    トランジスタ
１２４    容量素子
２０１    導電膜
２０２    導電膜
２０３    導電膜
２０４    画素電極
２０５    導電膜
２０６    導電膜
２１０    導電膜
２１１    導電膜
２１２    導電膜
２１３    導電膜
２１４    導電膜
２１５    半導体膜
２１６    半導体膜
２１７    半導体膜
２１８    導電膜
２１９    導電膜
２２０    導電膜
２２１    導電膜
２２２    導電膜
２２３    導電膜
２２４    導電膜
２２５    導電膜
２２６    導電膜
２２７    導電膜
２２８    ゲート絶縁膜
２３１    絶縁膜
２３２    基板
２３３    対向電極
２３４    液晶層
２３５    遮蔽膜
２３６    基板
２５０    活性層
２５１    基板
２５３    活性層
３００    露光期間
３０１    読み出し期間
３０２    電荷保持期間
７００    基板
７０１    絶縁膜
７０２    半導体膜
７０３    半導体膜
７０４    フォトダイオード
７０５    ｎチャネル型トランジスタ
７０７    ゲート電極
７０８    絶縁膜
７１１    配線
７１２    絶縁膜
７１３    ゲート電極
７１４    ゲート絶縁膜
７１５    酸化物半導体膜
７１６    導電膜
７１７    導電膜
７１８    導電膜
７１９    導電膜
７２０    導電膜
７２１    導電膜
７２２    絶縁膜
７２４    トランジスタ
７２７    ｐ型の導電性を有する領域
７２８    ｉ型の導電性を有する領域
７２９    ｎ型の導電性を有する領域
７３０    ゲート電極
７３１    ゲート絶縁膜
７３２    酸化物半導体膜
７３３    チャネル保護膜
７３４    導電膜
７３５    導電膜
７３６    絶縁膜
７４１    ゲート電極
７４２    ゲート絶縁膜
７４３    導電膜
７４４    導電膜
７４５    酸化物半導体膜
７４６    絶縁膜
１６０１    パネル
１６０２    拡散板
１６０３    プリズムシート
１６０４    拡散板
１６０５    導光板
１６０６    反射板
１６０７    光源
１６０８    バックライト
１６０９    回路基板
１６１０    ＦＰＣ
１６１１    ＦＰＣ
１６１２    指
２４００    基板
２４０１    ゲート電極
２４０２    ゲート絶縁膜
２４０３    酸化物半導体膜
２４０５ａ    ソース電極
２４０５ｂ    ドレイン電極
２４０６    チャネル保護膜
２４０７    絶縁膜
２４０９    絶縁膜
２４１１    ゲート電極
２４１２    バックゲート電極
２４１３    ゲート絶縁膜
２４１４    ゲート絶縁膜
２４３６    下地膜
２４５０    トランジスタ
２４６０    トランジスタ
２４７０    トランジスタ
２４８０    トランジスタ
５００１    筐体
５００２    表示部
５００３    支持台
５１０１    筐体
５１０２    表示部
５１０３    操作キー
５２０１    筐体
５２０２    表示部
５２０３    硬貨投入口
５２０４    紙幣投入口
５２０５    カード投入口
５２０６    通帳投入口
５３０１    筐体
５３０２    筐体
５３０３    表示部
５３０４    表示部
５３０５    マイクロホン
５３０６    スピーカー
５３０７    操作キー
５３０８    スタイラス
５４０１    筐体
５４０２    表示部
５４０３    音声入力部
５４０４    音声出力部
５４０５    操作キー
５４０６    受光部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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