(57)【要約】【課題】フォトセンサにおいて、光検出の精度を向上させることを目的の一とする。また、フォトセンサの受光面積を広げることを目的の一とする。【解決手段】フォトセンサは、光を電気信号に変換する受光素子と、電気信号を転送する第１のトランジスタと、電気信号を増幅する第２のトランジスタとを有し、受光素子はシリコン半導体を用いて形成され、第１のトランジスタは酸化物半導体を用いて形成されている。また、受光素子は横型接合タイプのフォトダイオードであり、受光素子が有するｎ層又はｐ層と、第１のトランジスタとが重なって形成されている。【選択図】図１９
2014123774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記フォトダイオードは、半導体層を含み、
前記半導体層は、ｎ型の領域と、ｐ型の領域と、を有し、
前記ｎ型の領域と、前記ｐ型の領域とは、同一面に接して設けられ、
前記第１のトランジスタは、前記フォトダイオードによって生成された電気信号を転送する機能を有し、
前記第２のトランジスタは、前記転送された電気信号を増幅する機能を有し、
前記第１のトランジスタと前記フォトダイオードとの間には、絶縁層が設けられ、
前記第１のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
前記ｎ型の領域または前記ｐ型の領域の一方は、前記第１のトランジスタと重なる領域を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野は、フォトセンサ及びフォトセンサを有する半導体装置に関する。また、それ
らの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光を検出するセンサ（「フォトセンサ」ともいう）を搭載した半導体装置が注目
されている（特許文献１参照）。
【０００３】
フォトセンサを有する半導体装置として、ＣＣＤ方式のイメージセンサやＣＭＯＳ方式
のイメージセンサなどが挙げられる。これらのイメージセンサは、例えば、デジタルスチ
ルカメラや携帯電話などの電子機器に用いられている。また、フォトセンサを表示部に設
けた半導体装置として、タッチパネル等が開発されている。
【０００４】
フォトセンサを有する半導体装置では、被検出物から発せられる光、もしくは被検出物
により反射された外光などを、フォトセンサで直接検出もしくは光学レンズなどを用いて
集光した後に検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２９２２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フォトセンサにおいて、光検出の精度を向上させることを目的の一とする。
【０００７】
また、フォトセンサの回路構成について、新規なレイアウト又は構造を提供することを
目的の一とする。特に、受光面積を広くすることを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、光を電気信号に変換する受光素子と、電気信号を転送する第１のト
ランジスタと、電気信号を増幅する第２のトランジスタとを有し、受光素子はシリコン半
導体を用いて形成され、第１のトランジスタは酸化物半導体を用いて形成されている半導
体装置である。
【０００９】
また、受光素子は横型接合タイプのフォトダイオードであり、受光素子が有するｎ層又
はｐ層と、第１のトランジスタとが重なって形成されている。
【００１０】
また、受光素子は、第２のトランジスタと同一表面上に形成されている。
【００１１】
また、受光素子の受光領域上に形成された配線は、透光性を有する材料を用いて形成さ
れている。
【００１２】
本明細書において、半導体装置とは、半導体の性質を持つ物及びそれを有する物全般を
指す。例えば、トランジスタを有する表示装置を単に半導体装置と呼ぶこともある。
【発明の効果】
【００１３】
フォトセンサにおいて、電気信号を転送する第１のトランジスタを酸化物半導体を用い
て形成することで、第１のトランジスタのオフ状態でのリーク電流を低減でき、光検出の
精度を向上させることができる。
【００１４】
また、受光素子が有するｎ層又はｐ層と、第１のトランジスタとが重なって形成される
ことで、受光素子の受光面積を大きくすることができる。そのため、受光感度を高めるこ
とができ、光検出の精度を向上させることができる。
【００１５】
また、受光領域上に設けられた配線を透光性を有する材料を用いて形成することで、受
光面積を広げることができる。そのため、受光感度を高めることができ、光検出の精度を
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】半導体装置の回路の一例を示す図。
【図２】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図３】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図４】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図５】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図６】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図７】半導体装置の回路の一例を示す図。
【図８】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図９】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１０】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１１】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１２】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１３】半導体装置の回路の一例を示す図。
【図１４】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１５】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１６】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１７】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１８】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図１９】半導体装置の断面構造の一例を示す図。
【図２０】半導体装置の断面構造の一例を示す図。
【図２１】半導体装置の回路の一例を示す図。
【図２２】半導体装置のレイアウトの一例を示す図。
【図２３】半導体装置の断面構造の一例を示す図。
【図２４】半導体装置の断面構造の一例を示す図。
【図２５】半導体装置の一例を示す図。
【図２６】半導体装置の一例を示す図。
【図２７】半導体装置の回路の一例を示す図。
【図２８】半導体装置の特性を示す図。
【図２９】タイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下の実施の形態
は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することな
くその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従っ
て、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、実施の
形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符
号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１８】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の回路及びレイアウトについて説明する。
【００１９】
図１は、フォトセンサの回路図の一例である。
【００２０】
フォトセンサは、フォトダイオード１００、トランジスタ１０１、トランジスタ１０２
、トランジスタ１０３、及びトランジスタ１０４を有する。
【００２１】
フォトダイオード１００は、光を電気信号（電荷）に変換する機能を有する。フォトダ
イオードに限らず、フォトトランジスタ等の該機能を有する受光素子を用いてもよい。
【００２２】
トランジスタ１０１は、変換された電気信号を転送し、トランジスタ１０３のゲートに
供給する機能を有する。そのため、転送トランジスタとも呼ぶ。
【００２３】
トランジスタ１０２は、トランジスタ１０３のゲート電位のリセットを制御し、所定の
電位にする機能を有する。そのため、リセットトランジスタとも呼ぶ。
【００２４】
トランジスタ１０３は、転送された電気信号を増幅し、出力信号を生成する機能を有す
る。そのため、増幅トランジスタとも呼ぶ。なお、ここで増幅とは、ゲート電位によりソ
ースとドレインと間の電流値を制御することを指す。
【００２５】
トランジスタ１０４は、出力信号の読み出しを制御する機能を有する。例えば、複数の
フォトセンサのうち所定のフォトセンサからの出力を選択するため、選択トランジスタと
も呼ぶ。
【００２６】
図１の回路では、トランジスタ１０１は、ゲートが配線１０６（電荷制御信号線とも呼
ぶ）に電気的に接続され、ソース又はドレインの一方がフォトダイオード１００の一方の
電極に電気的に接続され、他方がトランジスタ１０２のソース又はドレインの一方及びト
ランジスタ１０３のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ１０２は、ゲートが
配線１０７（リセット信号線とも呼ぶ）に電気的に接続され、ソース又はドレインの他方
が配線１０８（電源供給線とも呼ぶ）に電気的に接続されている。トランジスタ１０３は
、ソース又はドレインの一方が配線１０８に電気的に接続され、他方がトランジスタ１０
４のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ１０４は、ゲー
トが配線１０９（選択信号線とも呼ぶ）に電気的に接続され、ソース又はドレインの他方
が配線１１０（出力線とも呼ぶ）に電気的に接続されている。なお、フォトダイオード１
００の他方の電極は配線１２０に電気的に接続されている。配線１２０の電位は、固定電
位（例えばグランド）又は可変とし、所望の電位とすればよい。
【００２７】
図２は、フォトセンサのレイアウトの一例である。
【００２８】
フォトセンサは、受光素子（フォトダイオード１００）、４つのトランジスタ１０１〜
１０４を有している。フォトダイオード１００は、横型接合タイプのｐｉｎフォトダイオ
ードであり、ｎ層２０１、ｉ層２０２及びｐ層２０３を同一表面上に有する。そして、ｎ
層２０１上にトランジスタ１０１及びトランジスタ１０２が形成されている。受光領域で
はないｎ層２０１上にトランジスタ１０１の一部又は全部が重なるようなレイアウトとす
ることで、受光面積を広くすることができる。
【００２９】
なお、受光領域ではないｐ層２０３上にトランジスタ１０１を形成してもよい。また、
フォトダイオード１００は、ｉ層を設けずｐｎフォトダイオードとしてもよい。
【００３０】
本実施の形態では、トランジスタ１０１及びトランジスタ１０２は、酸化物半導体を用
いて形成することが好ましい。このようにすることで、トランジスタ１０３のゲートに供
給された電気信号がトランジスタ１０１及びトランジスタ１０２からリークすることを低
減できる。なぜなら、酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ状態でのリーク電流が小
さいためである。したがって、光検出を精度良く行うことができる。特に、受光から読み
出しまでの時間が長い場合に有効である。
【００３１】
また、複数のフォトセンサを有する半導体装置（例えば図２５、図２６）において、受
光から読み出しまでの時間がフォトセンサ毎に異なる場合にも有効である。例として、受
光を全てのフォトセンサで同時に行い、読み出しを１ライン毎に順次行う構成が挙げられ
る。
【００３２】
なお、フォトダイオード１００、トランジスタ１０３、及びトランジスタ１０４は、同
一の半導体材料を用いて形成されている。同一表面上に同一工程で形成することができる
ため、コストを低減することができる。また、移動度の高い半導体を用いることで、フォ
トダイオード１００の量子効率の向上、トランジスタ１０３での増幅及びトランジスタ１
０４での読み出しが良好になる。ここでは、結晶性半導体を用いる。特に、単結晶シリコ
ンを用いることが好ましい。ただし、必要に応じて他の半導体を用いてもよい。非晶質半
導体又は酸化物半導体等が挙げられる。
【００３３】
図３〜図６は、フォトセンサのレイアウトの他の一例であり、フォトダイオード１００
の受光面積が図２と異なる。
【００３４】
なお、図３、図５及び図６は、フォトダイオード１００の受光領域（ここではｉ層２０
２）に重なる配線（導電層１３０）が透光性を有する材料で形成されている。光は、導電
層１３０を透過してｉ層２０２に入射される。したがって、受光面積を広げることができ
る。
【００３５】
ここで、透光性を有する材料は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化珪素を含
むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、有機インジウム、有機スズ、酸化亜鉛、インジウム
亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、ガリウムを含む酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステンを含むイ
ンジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むイン
ジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物などを用いることができる。
【００３６】
更に、図３は、フォトダイオードのｉ層２０２に重なってトランジスタ１０１及びトラ
ンジスタ１０２が形成されている。これは、酸化物半導体が透光性を有することを利用す
るものであり、光は、トランジスタ１０１、トランジスタ１０２、及び導電層１３０を透
過してｉ層２０２に入射される。したがって、受光面積を広げることができる。
【００３７】
以上のように、受光面積を拡大することで受光感度を高めることができる。そのため、
光検出の精度を向上させることができる。
【００３８】
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できる。
【００３９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の回路及びレイアウトについて、実施の形態１と異なる
例を示す。
【００４０】
図７は、フォトセンサの回路図の一例であり、図１の回路からトランジスタ１０２を除
いた構成である。
【００４１】
そして、図８〜図１２は、図７の回路におけるレイアウトの例であり、それぞれ図２〜
６のレイアウトからトランジスタ１０２を除いた構成である。素子数が減るため、受光面
積を広げることができる。
【００４２】
また、図１３は、フォトセンサの回路の一例であり、図１の回路からトランジスタ１０
２及びトランジスタ１０４を除いた構成である。
【００４３】
そして、図１４〜図１８は、図１３の回路におけるレイアウトの例であり、それぞれ図
２〜図６のレイアウトからトランジスタ１０２及びトランジスタ１０４を除いた構成であ
る。素子数が減るため、更に受光面積を広げることができる。
【００４４】
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できる。
【００４５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の断面構造について説明する。
【００４６】
図１９は、図１〜図１８におけるフォトセンサの断面図である。
【００４７】
図１９では、絶縁表面を有する基板１００１上に、フォトダイオード１００２、トラン
ジスタ１００３、及びトランジスタ１００４が設けられている。それぞれ、図１〜図１８
におけるフォトダイオード１００、トランジスタ１０３、及びトランジスタ１０１の断面
構造の一例を示している。
【００４８】
被検出物１２０１から発せられる光１２０２、被検出物１２０１により反射された光１
２０２（外光など）、又は装置内部から発せられた光が被検出物１２０１で反射した光１
２０２が、フォトダイオード１００２に入射される。基板１００１側の被検出物を撮像す
る構成としてもよい。
【００４９】
基板１００１は、絶縁性基板（例えばガラス基板又はプラスチック基板）、該絶縁性基
板上に絶縁膜（例えば酸化珪素膜又は窒化珪素膜）を形成したもの、半導体基板（例えば
シリコン基板）上に該絶縁膜を形成したもの、又は金属基板（例えばアルミニウム基板）
上に該絶縁膜を形成したものを用いることができる。
【００５０】
フォトダイオード１００２は、横型接合タイプのｐｉｎフォトダイオードであり、半導
体膜１００５を有している。半導体膜１００５は、ｐ型の導電性を有する領域（ｐ層１０
２１）と、ｉ型の導電性を有する領域（ｉ層１０２２）と、ｎ型の導電性を有する領域（
ｎ層１０２３）とを有している。なお、フォトダイオード１００２は、ｐｎフォトダイオ
ードであっても良い。
【００５１】
横型接合タイプのｐｉｎフォトダイオード又はｐｎフォトダイオードは、ｐ型を付与す
る不純物と、ｎ型を付与する不純物とを、それぞれ半導体膜１００５の特定の領域に添加
することで、形成することが出来る。
【００５２】
フォトダイオード１００２は、入射光から生成される電気信号の割合（量子効率）を向
上させるために、結晶欠陥の少ない単結晶半導体（例えば単結晶シリコン）を用いて半導
体膜１００５を形成することが好ましい。
【００５３】
トランジスタ１００３は、トップゲート型の薄膜トランジスタであり、半導体膜１００
６、ゲート絶縁膜１００７、及びゲート電極１００８を有している。
【００５４】
トランジスタ１００３は、フォトダイオード１００２から供給される電気信号を出力信
号に変換する機能を有する。そのため、単結晶半導体（例えば単結晶シリコン）を用いて
半導体膜１００６を形成し、移動度の高いトランジスタとすることが好ましい。
【００５５】
半導体膜１００５及び半導体膜１００６を、単結晶半導体を用いて形成する例を示す。
単結晶半導体基板（例えば単結晶シリコン基板）の所望の深さに、イオン照射等を行い損
傷領域を形成する。当該単結晶半導体基板と基板１００１とを絶縁膜を介して貼り合わせ
た後、損傷領域から単結晶半導体基板を分離して、基板１００１上に半導体膜を形成する
。当該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）することで、
半導体膜１００５及び半導体膜１００６を形成する。半導体膜１００５と半導体膜１００
６を同一工程で形成することができるため、コストを低減できる。これにより、フォトダ
イオード１００２とトランジスタ１００３とは同一表面上に形成されることになる。
【００５６】
なお、半導体膜１００５及び半導体膜１００６は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結
晶半導体、酸化物半導体などを用いて形成することもできる。特に、単結晶半導体を用い
ることで移動度の高いトランジスタとすることが望ましい。また、半導体材料は、結晶性
を向上させることが容易であるシリコン又はシリコンゲルマニウム等のシリコン半導体を
用いることが好ましい。
【００５７】
ここで、フォトダイオード１００２の量子効率を向上させるため、半導体膜１００５を
厚く形成することが好ましい。更に、トランジスタ１００３のＳ値等の電気特性を良好に
するため、半導体膜１００６を薄く形成することが好ましい。この場合、半導体膜１００
５は、半導体膜１００６より厚く形成すればよい。
【００５８】
また、図２〜図１２におけるトランジスタ１０４についても、結晶性半導体を用い、移
動度が高いトランジスタとすることが望ましい。トランジスタ１００３と同じ半導体材料
を用いることで、トランジスタ１００３と同一工程で形成することができ、コストを低減
できる。
【００５９】
なお、ゲート絶縁膜１００７は、酸化珪素膜又は窒化珪素膜等を用いて、単層又は積層
で形成する。プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法を用いて形成すればよい。
【００６０】
なお、ゲート電極１００８は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン
、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、又はこれらを主成分とする
合金材料を用いて、単層又は積層で形成する。スパッタリング法又は真空蒸着法を用いて
形成すればよい。
【００６１】
また、トランジスタ１００３は、ボトムゲート型としてもよく、チャネルストップ構造
又はチャネルエッチ構造とすることもできる。
【００６２】
トランジスタ１００４は、ボトムゲート型の逆スタガ構造の薄膜トランジスタであり、
ゲート電極１０１０、ゲート絶縁膜１０１１、半導体膜１０１２、電極１０１３、電極１
０１４を有する。また、トランジスタ１００４上に絶縁膜１０１５を有する。
【００６３】
ここでトランジスタ１００４は、フォトダイオード１００２及びトランジスタ１００３
の上方に絶縁膜１００９を介して形成されていることを特徴とする。このようにトランジ
スタ１００４をフォトダイオード１００２と異なる表面上に形成することで、フォトダイ
オード１００２の面積を広げることができる。
【００６４】
また、トランジスタ１００４の一部又は全部が、フォトダイオード１００２のｎ層１０
２３又はｐ層１０２１のいずれかと重なるように形成することが好ましい。このようにす
ることで、フォトダイオード１００２の受光面積を拡大できる。ｐｎフォトダイオードの
場合も、トランジスタ１００４の一部又は全部が、ｎ層又はｐ層と重なるように形成する
ことが好ましい。
【００６５】
トランジスタ１００４は、フォトダイオード１００２が供給する電気信号をトランジス
タ１００３のゲートに累積し、また、当該電気信号を保持する機能を有する。そのため、
酸化物半導体を用いて半導体膜１０１２を形成し、オフ電流が極めて低いトランジスタと
することが好ましい。
【００６６】
また、図１〜図６のトランジスタ１０２についても、酸化物半導体を用いて、オフ電流
が低いトランジスタとすることが望ましい。トランジスタ１００４と同じ半導体材料を用
いることで、トランジスタ１００４と同一工程で同一表面上に形成することができ、コス
トを低減できる。ｎ層１０２３又はｐ層１０２１と重なるように形成することで、受光面
積を広げることができる。
【００６７】
以下に、半導体膜１０１２を、酸化物半導体を用いて形成する例を示す。
【００６８】
トランジスタのオフ電流を大きくする要因として、酸化物半導体中に水素等の不純物（
例えば水素、水、又は水酸基）が含まれていることが挙げられる。水素等は、酸化物半導
体中でキャリアの供与体（ドナー）になる可能性があり、オフ状態においても電流を発生
させる要因となる。すなわち、酸化物半導体中に水素等が多量に含まれていると、酸化物
半導体がＮ型化されてしまう。
【００６９】
そこで、以下で示す作製方法は、酸化物半導体中の水素を極力低減し、且つ、構成元素
である酸素の濃度を高くすることで、酸化物半導体を高純度化するものである。高純度化
された酸化物半導体は、真性又は実質的に真性な半導体であり、オフ電流を小さくするこ
とができる。
【００７０】
まず、絶縁膜１００９上に、酸化物半導体膜をスパッタリング法により形成する。
【００７１】
酸化物半導体膜のターゲットとしては、酸化亜鉛を主成分とする金属酸化物のターゲッ
トを用いることができる。例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１
：１：１、すなわち、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５のターゲットを用いることがで
きる。また、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、又はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２の組成
比を有するターゲットを用いることもできる。また、ＳｉＯ２を２重量％以上１０重量％
以下含むターゲットを用いることもできる。
【００７２】
なお、酸化物半導体膜の成膜の際は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰
囲気下、または希ガス及び酸素混合雰囲気下とすればよい。ここで、酸化物半導体膜を成
膜する際に用いるスパッタガスは、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物の濃度が
ｐｐｍレベル、好ましくはｐｐｂレベルまで除去された高純度ガスを用いる。
【００７３】
酸化物半導体膜は、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
タガスを導入して成膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポン
プを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメー
ションポンプを用いることが好ましい。
【００７４】
酸化物半導体膜の膜厚は、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすればよく、好ましくは５ｎｍ
以上３０ｎｍ以下とする。そして、酸化物半導体膜にエッチング等を行い、所望の形状に
加工（パターニング）して半導体膜１０１２とする。
【００７５】
以上では、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを用いる例を示したが、その他
にも、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓ
ｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ、
Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ、
Ｉｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｏ、又はＺｎ−Ｏなどを用いることができる。また、上記酸化物半導体
膜はＳｉを含んでいてもよい。また、これらの酸化物半導体膜は、非晶質であってもよい
し、結晶質であってもよい。または、非単結晶であってもよいし、単結晶であってもよい
。
【００７６】
また、酸化物半導体膜として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を
用いることもできる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または
複数の金属元素である。例えば、Ｍとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、または
Ｇａ及びＣｏが挙げられる。
【００７７】
次に、酸化物半導体膜（半導体膜１０１２）に第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理
の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする
。
【００７８】
第１の加熱処理によって酸化物半導体膜（半導体膜１０１２）から水素、水、及び水酸
基等の除去（脱水素化処理）を行うことができる。これらが酸化物半導体膜に含まれると
、ドナーとなりトランジスタのオフ電流を増大させるため、第１の加熱処理による脱水素
化処理は極めて有効である。
【００７９】
なお、第１の加熱処理は、電気炉を用いることができる。また、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加熱してもよい。その場合、例えばＧＲＴＡ（Ｇａ
ｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉ
ｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａ
ｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。
【００８０】
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。
【００８１】
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。気体としては、不活
性ガス（代表的には、アルゴン等の希ガス）または窒素ガスを用いることができる。ＧＲ
ＴＡ装置を用いることで、短時間で高温の加熱処理が可能となるため、特に有効である。
【００８２】
また、第１の加熱処理は、パターニングを行う前に行ってもよいし、電極１０１３及び
電極１０１４を形成した後行ってもよいし、絶縁膜１０１５を形成した後に行ってもよい
。ただ、電極１０１３及び電極１０１４が第１の加熱処理によってダメージを受けること
を避けるため、当該電極を形成する前に行うことが好ましい。
【００８３】
ここで、第１の加熱処理において、酸化物半導体に酸素欠損が生じてしまうおそれがあ
る。そのため、第１の加熱処理の後に、酸化物半導体に酸素の導入（加酸化処理）を行い
、構成元素である酸素の高純度化を行うことが好ましい。
【００８４】
加酸化処理の具体例としては、第１の加熱処理の後連続して、窒素又は酸素を含む雰囲
気（たとえば、窒素：酸素の体積比＝４：１）中、又は酸素雰囲気中において、第２の加
熱処理を行う方法が挙げられる。また、酸素雰囲気下でのプラズマ処理を行う方法を用い
ることもできる。これにより酸化物半導体膜中の酸素濃度を向上させ、高純度化すること
ができる。第２の加熱処理の温度は、２００℃以上４００℃以下、好ましくは２５０℃以
上３５０℃以下とする。
【００８５】
また、加酸化処理の別の例としては、半導体膜１０１２上に接して酸化珪素膜等の酸化
絶縁膜（絶縁膜１０１５）を形成し、第３の加熱処理を行う。この絶縁膜１０１５中の酸
素が半導体膜１０１２に移動し、酸化物半導体の酸素濃度を向上させ、高純度化すること
ができる。第３の加熱処理の温度は、２００℃以上４００℃以下、好ましくは２５０℃以
上３５０℃以下とする。なお、トップゲート型とした場合においても、半導体膜１０１２
上部に接するゲート絶縁膜を、酸化珪素膜等で形成し、同様の加熱処理を行うことで、酸
化物半導体を高純度化することができる。
【００８６】
以上のように、第１の加熱処理により脱水素化処理を行った後、第２の加熱処理又は第
３の加熱処理により加酸化処理を行うことで、酸化物半導体膜を高純度化することが可能
である。高純度化することで、酸化物半導体を真性又は実質的に真性とすることができ、
トランジスタ１００４のオフ電流を低減することができる。
【００８７】
なお、絶縁膜１００９は、フォトダイオード１００２及びトランジスタ１００３上に、
酸化珪素膜、窒化珪素膜等を用いて、単層又は積層で形成する。プラズマＣＶＤ法、スパ
ッタリング法を用いて形成すればよい。ポリイミド等の樹脂膜を塗布法等により形成して
もよい。
【００８８】
また、ゲート電極１０１０は、絶縁膜１００９上に、モリブデン、チタン、クロム、タ
ンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、又は
これらを主成分とする合金材料を用いて、単層又は積層で形成する。スパッタリング法又
は真空蒸着法を用いて形成すればよい。
【００８９】
また、ゲート絶縁膜１０１１は、酸化珪素膜又は窒化珪素膜等を用いて、単層又は積層
で形成する。プラズマＣＶＤ又はスパッタリング法を用いて形成すればよい。
【００９０】
また、電極１０１３及び電極１０１４は、ゲート絶縁膜１０１１及び半導体膜１０１２
上に、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、イッ
トリウムなどの金属、これらを主成分とする合金材料、又は酸化インジウム等の導電性を
有する金属酸化物等を用いて、単層又は積層で形成する。スパッタリング法又は真空蒸着
法を用いて形成すればよい。ここで、電極１０１３は、ゲート絶縁膜１００７、絶縁膜１
００９、ゲート絶縁膜１０１１に形成されたコンタクトホールを介して、フォトダイオー
ド１００２のｎ層１０２３と電気的に接続されることが好ましい。また、電極１０１３及
び電極１０１４は、ゲート電極１０１０と重なって形成されることが好ましい。このよう
にすることで、トランジスタ１００４の電流駆動能力を向上させることができる。特に、
真性又は実質的に真性な酸化物半導体を用いた場合に有効である。
【００９１】
以下に、高純度化された酸化物半導体、及びそれを用いたトランジスタについて、詳細
に説明する。
【００９２】
高純度化された酸化物半導体の一例としては、キャリア濃度が１×１０１４／ｃｍ３未
満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満
、または６．０×１０１０／ｃｍ３未満である酸化物半導体が挙げられる。
【００９３】
高純度化された酸化物半導体を用いたトランジスタは、シリコンを用いた半導体を有す
るトランジスタ等に比較して、オフ電流が非常に小さいという特徴を有している。
【００９４】
トランジスタのオフ電流特性について、評価用素子（ＴＥＧとも呼ぶ）を用いて測定し
た結果を以下に示す。なお、ここでは、ｎチャネル型のトランジスタであるものとして説
明する。
【００９５】
ＴＥＧには、Ｌ／Ｗ＝３μｍ／５０μｍ（膜厚ｄ：３０ｎｍ）のトランジスタを２００
個並列に接続して作製されたＬ／Ｗ＝３μｍ／１００００μｍのトランジスタを設けた。
その初期特性を図２８に示す。ここでは、ＶＧを−２０Ｖ〜＋５Ｖまでの範囲で示してい
る。トランジスタの初期特性を測定するため、基板温度を室温とし、ソース−ドレイン間
電圧（以下、ドレイン電圧またはＶＤという）を１０Ｖとし、ソース−ゲート間電圧（以
下、ゲート電圧またはＶＧという）を−２０Ｖ〜＋２０Ｖまで変化させたときのソース−
ドレイン電流（以下、ドレイン電流またはＩＤという）の変化特性、すなわちＶＧ−ＩＤ
特性を測定した。
【００９６】
図２８に示すように、チャネル幅Ｗが１００００μｍのトランジスタは、ＶＤが１Ｖ及
び１０Ｖのいずれにおいても、オフ電流は１×１０−１３Ａ以下となっており、測定機（
半導体パラメータ・アナライザ、Ａｇｉｌｅｎｔ  ４１５６Ｃ；Ａｇｉｌｅｎｔ社製）の
分解能（１００ｆＡ）以下となっている。このオフ電流値は、チャネル幅１μｍに換算す
ると、１０ａＡ／μｍに相当する。
【００９７】
なお、本明細書においてオフ電流（リーク電流ともいう）とは、ｎチャネル型のトラン
ジスタでしきい値Ｖｔｈが正である場合、室温において−２０Ｖ以上−５Ｖ以下の範囲の
任意のゲート電圧を印加したときにトランジスタのソース−ドレイン間を流れる電流のこ
とを指す。なお、室温は、１５度以上２５度以下とする。本明細書に開示する酸化物半導
体を用いたトランジスタは、室温において、単位チャネル幅（Ｗ）あたりの電流値が１０
０ａＡ／μｍ以下、好ましくは１ａＡ／μｍ以下、さらに好ましくは１０ｚＡ／μｍ以下
である。
【００９８】
また、高純度の酸化物半導体を用いたトランジスタは温度特性が良好である。代表的に
は、−２５℃から１５０℃までの温度範囲におけるトランジスタの電流電圧特性において
、オン電流、オフ電流、電界効果移動度、Ｓ値、及びしきい値電圧の変動がほとんどなく
、温度による電流電圧特性の劣化がほとんど見られない。また、高純度の酸化物半導体は
光照射による劣化が少ないため、特にフォトセンサのように光を用いる半導体装置の場合
、信頼性を高めることができる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、トランジスタ１００４がボトムゲート型である例を示したが
、図２０のようにトップゲート型のトランジスタ２００４としてもよい。トランジスタ２
００４は、半導体膜２０１２、電極２０１３、電極２０１４、ゲート絶縁膜２０１１、及
びゲート電極２０１０を有する。
【０１００】
なお、上記の各半導体素子について、薄膜半導体を用いても、バルク半導体を用いても
よい。
【０１０１】
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できる。
【０１０２】
（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置の回路、レイアウト及び断面構造について、実施の形態
１〜３と異なる例を示す。
【０１０３】
図２１は、フォトセンサの回路図の一例であり、図１の回路からトランジスタ１０１及
びトランジスタ１０２を除いた構成である。
【０１０４】
そして、図２２は、図２１の回路におけるレイアウトの一例である。素子数が減るため
、受光面積を広げることができる。
【０１０５】
また、図２２では、ｐｉｎフォトダイオード１００のｎ層２０１に重なってトランジス
タ１０３及びトランジスタ１０４が形成されているため、受光面積を広げることができる
。また、構成する配線１０９等を透光性を有する材料で形成し、該配線１０９とｉ層２０
２を重ねて形成することで、受光面積を広げることができる。
【０１０６】
図２３は、図２１のフォトセンサの断面図の一例である。トランジスタ３００１は、図
２１におけるトランジスタ１０３を示しており、フォトダイオード１００２のｎ層１０２
３に重なって形成されている。そして、トランジスタ３００１はボトムゲート型の薄膜ト
ランジスタであり、ゲート電極３０１０、ゲート絶縁膜３０１１、半導体膜３０１２、電
極３０１３、及び電極３０１４を有する。また、図２０で示したトランジスタ２００４の
ようなトップゲート型としてもよい。
【０１０７】
なお、半導体膜３０１２は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物半導
体、又は単結晶半導体などを用いることが可能である。特に、酸化物半導体を用い、オフ
電流が極めて小さいトランジスタとすることで、電気信号の増幅を精度良く行うことがで
きる。
【０１０８】
また、図２１のトランジスタ１０４についても、ｎ層１０２３に重なるように、トラン
ジスタ１０３と同一工程で同一表面上に形成することが好ましい。酸化物半導体を用いる
ことで、出力信号の読み出しを精度良くに行うことができる。
【０１０９】
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できる。
【０１１０】
（実施の形態５）
本実施の形態では、半導体装置の回路について上記実施の形態と異なる例を示す。
【０１１１】
図２７（Ａ）〜（Ｆ）は、フォトセンサの回路の一例である。これらの回路ついて、本
明細書で開示した、受光面積を広げるためのレイアウト又は構造を適用することができる
。
【０１１２】
本実施の形態は、他の実施の形態と組み合わせて実施することができる。
【０１１３】
（実施の形態６）
本実施の形態では、半導体装置の断面構造について、実施の形態３と異なる例を示す。
【０１１４】
図２４は、フォトセンサの断面図の一例である。
【０１１５】
図２４では、絶縁表面を有する基板１００１上にトランジスタ４００１が形成され、ト
ランジスタ４００１の上方にフォトダイオード４００２が形成されている。
【０１１６】
トランジスタ４００１は、図１、図７、図１３、図２１、及び図２７に示した全てのト
ランジスタに適用することができる。すなわち、全てのトランジスタについて、同じ材料
を用いて、同一表面上に同一工程で形成することで、コストを削減することができる。
【０１１７】
フォトダイオード４００２は、縦型接合タイプのｐｉｎフォトダイオードであり、ｎ層
４００３、ｉ層４００４、及びｐ層４００５が積層されている。なお、ｐ層、ｉ層、ｎ層
の順に積層してもよい。また、ｉ層４００４を設けずｐｎフォトダイオードとしてもよい
。非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物半導体、又は単結晶半導体などを
用いて形成することが可能である。特にシリコン半導体を用いると、量子効率を高めるこ
とができるためことが好ましい。
【０１１８】
そして、被検出物１２０１からの光１２０２がフォトダイオード４００２に入射される
。この構造とすることで、フォトダイオード４００２へ入射する光１２０２を遮る素子が
無くなるため、受光面積を極力広くすることができる。
【０１１９】
なお、トランジスタ４００１は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物
半導体、又は単結晶半導体などを用いて形成することが可能である。特に、酸化物半導体
を用い、オフ電流が極めて小さいトランジスタとすることで、他の実施の形態で説明した
ように、光検出を精度良く行うことができる。
【０１２０】
ただし、必要に応じてフォトセンサを構成する一部のトランジスタをトランジスタ４０
０１と異なる表面上に形成しても良い。その他の構成は、実施の形態３と同様である。
【０１２１】
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できる。
【０１２２】
（実施の形態７）
本実施の形態では、フォトセンサを用いた半導体装置の一例について説明する。
【０１２３】
図２５は、フォトセンサを搭載したイメージセンサの一例である。フォトセンサ部５０
０１及びフォトセンサ制御回路５００２を有する。フォトセンサ部は、マトリクス状に配
置された複数のフォトセンサ５００３を有する。そして、フォトセンサ制御回路５００２
は、フォトセンサ読み出し回路５００４及びフォトセンサ駆動回路５００５を有する。こ
こでは、エリアセンサを示したが、ラインセンサとしてもよい。当該イメージセンサは、
デジタルスチルカメラや携帯電話等に用いられる。
【０１２４】
フォトセンサ５００３において、他の実施の形態で示したフォトセンサを適用すること
ができる。
【０１２５】
また、図２６は、フォトセンサを搭載した表示装置の一例である。表示パネル６０００
は、画素部６００１、表示素子制御回路６００２、及びフォトセンサ制御回路６００３を
有する。画素部６００１は、マトリクス状に配置された画素６００４を有し、画素６００
４内に表示素子６００５及びフォトセンサ６００６を有する。表示素子制御回路６００２
は、表示素子駆動回路６００７、６００８を有する。そして、フォトセンサ制御回路６０
０３は、フォトセンサ読み出し回路６００９及びフォトセンサ駆動回路６０１０を有する
。当該表示装置は、タッチパネル等に用いられる。
【０１２６】
フォトセンサ６００６において、他の実施の形態で示したフォトセンサを適用すること
ができる。
【０１２７】
なお、フォトセンサ６００６は、画素６００４の外に設けてもよい。
【０１２８】
また、表示素子６００５は、液晶素子、ＥＬ素子、又は電気泳動素子等を用いることが
できる。
【０１２９】
また、表示素子制御回路６００２は、表示パネル６０００の外に設けてもよい。フォト
センサ制御回路６００３も同様である。
【０１３０】
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できる。
【０１３１】
（実施の形態８）
本実施の形態では、半導体装置の動作について説明する。
【０１３２】
フォトセンサの動作の一例として、図１の回路について説明する。図２９は、図１の回
路のタイミングチャートの一例である。
【０１３３】
図２９において、信号３０１〜信号３０５は、それぞれ図１における配線１０７、配線
１０６、配線１０９、配線１０５、及び配線１１０の電位である。ここでは、配線１２０
はグランド電位とする。
【０１３４】
時刻Ａにおいて、信号３０１を「Ｈ（Ｈｉｇｈ）」、信号３０２を「Ｈ」とする（リセ
ット動作開始）と、フォトダイオード１００が導通し、信号３０４が「Ｈ」となる。
【０１３５】
時刻Ｂにおいて、信号３０１を「Ｌ（Ｌｏｗ）」とし、信号３０２を「Ｈ」のままとす
る（リセット動作終了、累積動作開始）と、フォトダイオード１００のオフ電流により、
信号３０４が低下し始める。フォトダイオード１００は、光が入射されるとオフ電流が増
大するので、入射光の量に応じて信号３０４は変化する。
【０１３６】
時刻Ｃにおいて、信号３０２を「Ｌ」とする（累積動作終了）と、信号３０４は一定と
なる。ここで、信号３０４は累積動作中にフォトダイオード１００が配線１０５に供給し
た電荷により決まる。すなわち、フォトダイオード１００への入射光に応じてトランジス
タ１０３のゲートに蓄積される電荷が変化する。
【０１３７】
時刻Ｄに、信号３０３を「Ｈ」にする（選択動作開始）と、トランジスタ１０４が導通
し、配線１０８と配線１１０とが、トランジスタ１０３とトランジスタ１０４とを介して
導通する。すると、信号３０５は低下していく。ここで、信号３０５が低下する速さは、
トランジスタ１０３のソースとドレイン間の電流に依存する。すなわち、累積動作中にフ
ォトダイオード１００に照射されている光の量に応じて変化する。
【０１３８】
時刻Ｅにおいて、信号３０３を「Ｌ」にする（選択動作終了）と、トランジスタ１０４
が遮断され、信号３０５は一定値となる。ここで、一定値となる値は、フォトダイオード
１００に照射されている光の量に応じて変化する。したがって、信号３０５の電位を取得
することで、累積動作中におけるフォトダイオード１００への入射光の量を知ることがで
きる。
【０１３９】
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できる。
【符号の説明】
【０１４０】
１００  フォトダイオード
１０１〜１０４  トランジスタ
１０５〜１１０  配線
１２０  配線
１３０  導電層
２０１  ｎ層
２０２  ｉ層
２０３  ｐ層
３０１〜３０５  信号
１００１  基板
１００２  フォトダイオード
１００３  トランジスタ
１００４  トランジスタ
１００５  半導体膜
１００６  半導体膜
１００７  ゲート絶縁膜
１００８  ゲート電極
１００９  絶縁膜
１０１０  ゲート電極
１０１１  ゲート絶縁膜
１０１２  半導体膜
１０１３  電極
１０１４  電極
１０１５  絶縁膜
１０２１  ｐ層
１０２２  ｉ層
１０２３  ｎ層
１２０１  被検出物
１２０２  光
２００４  トランジスタ
２０１０  ゲート電極
２０１１  ゲート絶縁膜
２０１２  半導体膜
２０１３  電極
２０１４  電極
３００１  トランジスタ
３０１０  ゲート電極
３０１１  ゲート絶縁膜
３０１２  半導体膜
３０１３  電極
３０１４  電極
４００１  トランジスタ
４００２  フォトダイオード
４００３  ｎ層
４００４  ｉ層
４００５  ｐ層
５００１  フォトセンサ部
５００２  フォトセンサ制御回路
５００３  フォトセンサ
５００４  フォトセンサ読み出し回路
５００５  フォトセンサ駆動回路
６０００  表示パネル
６００１  画素部
６００２  表示素子制御回路
６００３  フォトセンサ制御回路
６００４  画素
６００５  表示素子
６００６  フォトセンサ
６００７  表示素子駆動回路
６００８  表示素子駆動回路
６００９  フォトセンサ読み出し回路
６０１０  フォトセンサ駆動回路
【図１】
2014123774.tif 000003
【図２】
2014123774.tif 000004
【図３】
2014123774.tif 000005
【図４】
2014123774.tif 000006
【図５】
2014123774.tif 000007
【図６】
2014123774.tif 000008
【図７】
2014123774.tif 000009
【図８】
2014123774.tif 000010
【図９】
2014123774.tif 000011
【図１０】
2014123774.tif 000012
【図１１】
2014123774.tif 000013
【図１２】
2014123774.tif 000014
【図１３】
2014123774.tif 000015
【図１４】
2014123774.tif 000016
【図１５】
2014123774.tif 000017
【図１６】
2014123774.tif 000018
【図１７】
2014123774.tif 000019
【図１８】
2014123774.tif 000020
【図１９】
2014123774.tif 000021
【図２０】
2014123774.tif 000022
【図２１】
2014123774.tif 000023
【図２２】
2014123774.tif 000024
【図２３】
2014123774.tif 000025
【図２４】
2014123774.tif 000026
【図２５】
2014123774.tif 000027
【図２６】
2014123774.tif 000028
【図２７】
2014123774.tif 000029
【図２８】
2014123774.tif 000030
【図２９】
2014123774.tif 000031