(57)【要約】【課題】生産性が良好で受光感度が向上した固体撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換素子と、トランジスタと、容量素子と、を有する画素を含む撮像装置であって、容量素子が有する電極の一方を、トランジスタの半導体層を形成する層と同じ層の他の一部を用いて形成する。よって、容量素子が有する電極の形成工程を削減できる。また、半導体層に透光性を有する酸化物半導体を用いることで、透光性を有する容量素子を実現することができる。【選択図】図５
2016105468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記容量素子は、第１の電極と、第２の電極と、誘電体と、を有し、
前記容量素子は、前記光電変換素子と重なり、
前記光電変換素子は、前記トランジスタを介して前記容量素子と電気的に接続され、
前記トランジスタが有する半導体層と、前記第１の電極または前記第２の電極の一方は、
同一絶縁層上に設けられていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
光電変換素子と、トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記容量素子は、第１の電極と、第２の電極と、誘電体と、を有し、
前記容量素子は、前記光電変換素子と重なり、
前記光電変換素子は、前記トランジスタを介して前記容量素子と電気的に接続され、
前記第１の電極または前記第２の電極の一方は、
前記トランジスタの半導体層を形成するための層の、他の一部を用いて形成されたことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
光電変換素子と、回路と、を有し、
前記回路は、前記光電変換素子と重なり、
前記回路は、前記光電変換素子と電気的に接続され、
前記回路は、トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記容量素子は、第１の電極と、第２の電極と、誘電体と、を有し、
前記トランジスタが有する半導体層と、前記第１の電極または前記第２の電極の一方は、
同一絶縁層上に設けられていることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
光電変換素子と、回路と、を有し、
前記回路は、前記光電変換素子と重なり、
前記回路は、前記光電変換素子と電気的に接続され、
前記回路は、トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記容量素子は、第１の電極と、第２の電極と、誘電体と、を有し、
前記第１の電極または前記第２の電極の一方は、
前記トランジスタの半導体層を形成するための層の、他の一部を用いて形成されたことを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記容量素子は透光性を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記半導体層と、前記第１の電極または前記第２の電極の一方は、
酸化物半導体であることを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
前記半導体層と、前記第１の電極または前記第２の電極の一方は、
少なくとも１種類の同一の元素を含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の撮像装置と、
レンズ、操作スイッチ、バッテリ、マイク、または、スピーカと、
を有する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、撮像装置に関する。具体的には、フォトセンサを有する複数の画素が設けられた撮像装置に関する。更には、当該撮像装置を有する電子機器に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。例えば、本発明の一態様は、物、方法、もしくは製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、もしくは組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。または、本発明の一態様は、記憶装置、プロセッサそれらの駆動方法またはそれらの製造方法に関する。
【０００３】
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もの全般を指す。よって、トランジスタやダイオードなどの半導体素子や半導体回路は半導体装置である。また、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、撮像装置、および電子機器などは、半導体素子や半導体回路を含む場合がある。よって、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、撮像装置、および電子機器なども半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００４】
撮像装置は、携帯電話に標準的に組み込まれており、普及が進んでいる（例えば、特許文献１）。特に、ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサに対して、低価格、高解像度、低消費電力などの特徴があり、近年の撮像装置の多くはＣＭＯＳイメージセンサで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７０４６２８２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＣＭＯＳイメージセンサを用いた撮像装置では、様々な環境下での撮像を可能にするために、受光感度の向上や、ダイナミックレンジの向上などが求められている。
【０００７】
また、撮像装置の性能を評価する上で、低消費電力であることも求められる重要な性能の一つである。特に、携帯電話などの携帯型の電子機器だと、撮像装置の消費電力が多いと、連続使用時間が短くなってしまう。
【０００８】
本発明の一態様は、受光感度が向上した撮像装置などを提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、ダイナミックレンジが向上した撮像装置などを提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、撮像された画像の品質を向上させることが可能な撮像装置などを提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力の少ない撮像装置などを提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、生産性の良好な撮像装置などを提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な撮像装置または新規な半導体装置などを提供することを課題の一とする。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、光電変換素子と、トランジスタと、容量素子と、を有し、容量素子は、第１の電極と、第２の電極と、誘電体と、を有し、容量素子は、光電変換素子と重なり、光電変換素子は、トランジスタを介して容量素子と電気的に接続され、トランジスタが有する半導体層と、第１の電極または第２の電極の一方は、同一絶縁層上に設けられていることを特徴とする撮像装置である。
【００１１】
または、本発明の一態様は、光電変換素子と、トランジスタと、容量素子と、を有し、容量素子は、第１の電極と、第２の電極と、誘電体と、を有し、容量素子は、光電変換素子と重なり、光電変換素子は、トランジスタを介して容量素子と電気的に接続され、第１の電極または第２の電極の一方は、トランジスタの半導体層を形成するための層の、他の一部を用いて形成されたことを特徴とする撮像装置である。
【００１２】
または、本発明の一態様は、光電変換素子と、回路と、を有し、回路は、光電変換素子と重なり、回路は、光電変換素子と電気的に接続され、回路は、トランジスタと、容量素子と、を有し、容量素子は、第１の電極と、第２の電極と、誘電体と、を有し、トランジスタが有する半導体層と、第１の電極または第２の電極の一方は、同一絶縁層上に設けられていることを特徴とする撮像装置である。
【００１３】
または、本発明の一態様は、光電変換素子と、回路と、を有し、回路は、光電変換素子と重なり、回路は、光電変換素子と電気的に接続され、回路は、トランジスタと、容量素子と、を有し、容量素子は、第１の電極と、第２の電極と、誘電体と、を有し、第１の電極または第２の電極の一方は、トランジスタの半導体層を形成するための層の、他の一部を用いて形成されたことを特徴とする撮像装置である。
【００１４】
容量素子は透光性を有することが好ましい。また、半導体層と、第１の電極または第２の電極の一方は、酸化物半導体であることが好ましい。また、半導体層と、第１の電極または第２の電極の一方は、少なくとも１種類の同一の元素を含むことが好ましい。
【００１５】
本発明の一態様は、例えば、レンズ、操作スイッチ、バッテリ、マイク、または、スピーカと、を有する電子機器に用いることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様により、受光感度が向上した撮像装置などを提供することができる。または、本発明の一態様により、ダイナミックレンジが向上した撮像装置などを提供することができる。または、撮像された画像の品質が向上した撮像装置などを提供することができる。または、撮像間隔の短い撮像装置などを提供することができる。または、消費電力の少ない撮像装置などを提供することができる。または、生産性の良好な撮像装置などを提供することを課題の一とする。または、新規な撮像装置または新規な半導体装置などを提供することができる。
【００１７】
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】撮像装置の構成例を説明する図。
【図２】周辺回路の構成例を説明する図。
【図３】撮像装置の構成例を説明する図。
【図４】撮像装置の構成例を説明する図。
【図５】画素の構成例を説明する図。
【図６】画素駆動回路の平面図及び画素の回路図。
【図７】画素の構成例を説明する斜視図。
【図８】画素の構成例を説明する図。
【図９】画素の構成例を説明する図。
【図１０】撮像装置を説明する図。
【図１１】撮像装置の構成例を説明する図。
【図１２】トランジスタおよび容量素子の一例を説明する図。
【図１３】エネルギーバンド構造を説明する図。
【図１４】トランジスタの一例を説明する図。
【図１５】撮像装置の構成例を説明する図。
【図１６】撮像装置の構成例を説明する図。
【図１７】回路構成の一例を説明する図。
【図１８】回路構成の一例を説明する図。
【図１９】回路構成の一例を説明する図。
【図２０】回路構成の一例を説明する図。
【図２１】回路動作の一例を説明する図。
【図２２】回路構成の一例を説明する図。
【図２３】回路構成の一例を説明する図。
【図２４】光センサの一例を説明する図。
【図２５】トランジスタの一形態を説明する図。
【図２６】トランジスタの一形態を説明する図。
【図２７】トランジスタの一形態を説明する図。
【図２８】トランジスタの一形態を説明する図。
【図２９】トランジスタの一形態を説明する図。
【図３０】トランジスタの一形態を説明する図。
【図３１】エネルギーバンド構造を説明する図。
【図３２】本発明の一態様に係る電子機器を説明する図。
【図３３】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。
【図３４】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図３５】ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。
【図３６】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図３７】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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、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。また、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、実施の形態を説明するための全図において、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付し、その繰り返しの説明は省略することがある。
【００２０】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【００２１】
また、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
【００２８】
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。
【００２９】
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、第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、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、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、第３の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、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、第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、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、第３の接続経路は、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、第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、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、第３の電気的パスは、第４の電気的パスを有しておらず、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
なお、本明細書等において、様々な基板を用いて、トランジスタを形成することが出来る。基板の種類は、特定のものに限定されることはない。その基板の一例としては、半導体基板（例えば単結晶基板またはシリコン基板）、ＳＯＩ基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチック、またはアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリフッ化ビニルまたは塩化ビニルなどのビニル、ポリプロピレン、ポリエステルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。
【００３３】
なお、ある基板を用いてトランジスタを形成し、その後、別の基板にトランジスタを転置し、別の基板上にトランジスタを配置してもよい。トランジスタが転置される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、石材基板、木材基板、布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）、皮革基板、またはゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる。
【００３４】
また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。
【００３５】
また、特に上面図（「平面図」ともいう。）において、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線等の記載を省略する場合がある。
【００３６】
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【００３７】
また、ソースおよびドレインの機能は、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、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００３８】
また、本明細書において、「平行」とは、例えば二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、例えば二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」および「直交」とは、例えば二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、例えば二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【００３９】
なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス２０％の誤差を含むものとする。
【００４０】
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ電位）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。
【００４１】
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅ）が高くなることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
【００４２】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。
【００４３】
なお、「チャネル長」とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００４４】
また、「チャネル幅」とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００４５】
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
【００４６】
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
【００４７】
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
【００４８】
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
【００４９】
また、本明細書等において、高電源電位ＶＤＤ（以下、単に「ＶＤＤ」または「Ｈ電位」ともいう）とは、低電源電位ＶＳＳよりも高い電位の電源電位を示す。また、低電源電位ＶＳＳ（以下、単に「ＶＳＳ」または「Ｌ電位」ともいう）とは、高電源電位ＶＤＤよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位をＶＤＤまたはＶＳＳとして用いることもできる。例えばＶＤＤが接地電位の場合には、ＶＳＳは接地電位より低い電位であり、ＶＳＳが接地電位の場合には、ＶＤＤは接地電位より高い電位である。
【００５０】
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。
【００５１】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００５２】
＜撮像装置１００の構成例＞
図１（Ａ）は、撮像装置１００の構成例を示す平面図である。撮像装置１００は、画素部１１０と、第１の回路２６０、第２の回路２７０、第３の回路２８０、及び第４の回路２９０を有する。なお、本明細書等において、第１の回路２６０乃至第４の回路２９０などを「周辺回路」もしくは「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、第１の回路２６０は周辺回路の一部と言える。
【００５３】
図１（Ｂ）は、画素部１１０の構成例を示す図である。画素部１１０は、ｐ列ｑ行（ｐおよびｑは２以上の自然数）のマトリクス状に配置された複数の画素１１１（撮像素子）を有する。なお、図１（Ｂ）中のｎは１以上ｐ以下の自然数であり、ｍは１以上ｑ以下の自然数である。
【００５４】
例えば、画素１１１を１９２０×１０８０のマトリクス状に配置すると、いわゆるフルハイビジョン（「２Ｋ解像度」、「２Ｋ１Ｋ」、「２Ｋ」などとも言われる。）の解像度で撮像可能な撮像装置１００を実現することができる。また、例えば、画素１１１を４０９６×２１６０のマトリクス状に配置すると、いわゆるウルトラハイビジョン（「４Ｋ解像度」、「４Ｋ２Ｋ」、「４Ｋ」などとも言われる。）の解像度で撮像可能な撮像装置１００を実現することができる。また、例えば、画素１１１を８１９２×４３２０のマトリクス状に配置すると、いわゆるスーパーハイビジョン（「８Ｋ解像度」、「８Ｋ４Ｋ」、「８Ｋ」などとも言われる。）の解像度で撮像可能な撮像装置１００を実現することができる。表示素子を増やすことで、１６Ｋや３２Ｋの解像度で撮像可能な撮像装置１００を実現することも可能である。
【００５５】
第１の回路２６０および第２の回路２７０は、複数の画素１１１に接続し、複数の画素１１１を駆動するための信号を供給する機能を有する。また、第１の回路２６０は、画素１１１から出力されたアナログ信号を処理する機能を有していてもよい。また、第３の回路２８０は、周辺回路の動作タイミングを制御する機能を有していてもよい。例えば、クロック信号を生成する機能を有していてもよい。また、外部から供給されたクロック信号の周波数を変換する機能を有していてもよい。また、第３の回路２８０は、参照用電位信号（例えば、ランプ波信号など）を供給する機能を有していてもよい。
【００５６】
図２に第１の回路２６０の構成例を示す。図２に例示する第１の回路２６０は、信号処理回路２６１、列駆動回路２６２、出力回路２６３を有する。信号処理回路２６１は、列ごとに設けられた回路２６４を有する。また、回路２６４は、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ：相関二重サンプリング）方式でノイズの除去を行なうことができる回路２６４ａ（「ＣＤＳ回路」ともいう。）、カウンタ回路２６４ｂ、ラッチ回路２６４ｃを有する。また、回路２６４は、アナログ−デジタル変換の機能を有する。信号処理回路２６１は列並列型（カラム型）アナログ−デジタル変換装置として機能することができる。
【００５７】
回路２６４ａは、コンパレータ、スイッチ、および容量素子を有する。コンパレータの２つの入力端子はスイッチを介して接続されている。なお、当該スイッチとして、トランジスタやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子などを用いてもよい。また、コンパレータの一方の端子は容量素子を介して配線２６７と接続されている。コンパレータの他方の端子は列ごとに設けられた配線１２３と接続される。なお、コンパレータの他方の端子と配線１２３は、容量素子を介して接続してもよい。
【００５８】
回路２６４ａは、配線１２３から入力されるアナログ信号（撮像データ）と、配線２６７から入力される参照用電位信号（例えば、ランプ波信号）の電位を比較し、Ｈ電位またはＬ電位を出力する機能を有する。カウンタ回路２６４ｂには、配線２６８からクロック信号が入力され、回路２６４ａから出力されるＨ電位またはＬ電位が入力される。カウンタ回路２６４ｂは、Ｈ電位またはＬ電位が入力されている期間を計測し、計測結果をＮビットデジタル値のデジタル信号としてラッチ回路２６４ｃに出力する。また、カウンタ回路２６４ｂには、配線２６５からセット信号またはリセット信号が入力される。ラッチ回路２６４ｃは、該デジタル信号を保持する機能を有する。また、ラッチ回路２６４ｃには、配線２６６からセット信号またはリセット信号が入力される。
【００５９】
列駆動回路２６２は、列選択回路、水平駆動回路等とも呼ばれる。列駆動回路２６２は、ラッチ回路２６４ｃに保持された撮像データを読み出す列を選択する選択信号を生成する。列駆動回路２６２は、シフトレジスタなどで構成することができる。列駆動回路２６２により列が順次選択され、選択された列のラッチ回路２６４ｃから出力された撮像データが、配線２６９を介して出力回路２６３に入力される。配線２６９は水平転送線として機能することができる。
【００６０】
出力回路２６３に入力された撮像データは、出力回路２６３で処理されて、撮像装置１００の外部に出力される。出力回路２６３は、例えばバッファ回路で構成することができる。また、出力回路２６３は、撮像装置１００の外部に信号を出力するタイミングを制御できる機能を有していてもよい。
【００６１】
また、例えば、第２の回路２７０は、信号を読み出す画素１１１を選択する選択信号を生成して出力する機能を有する。なお、第２の回路２７０を、行選択回路、又は垂直駆動回路と呼ぶ場合がある。このようにして、アナログ信号である撮像データを、Ｎビットデジタル値のデジタル信号に変換して、外部に出力することができる。
【００６２】
周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の１つを有する。また、周辺回路に用いるトランジスタなどは、後述する画素駆動回路１１２を作製するために形成する半導体の一部を用いて形成してもよい。また、周辺回路の一部または全部にＩＣチップ等の半導体装置を用いてもよい。
【００６３】
なお、周辺回路は、第１の回路２６０乃至第４の回路２９０のうち、少なくとも１つを省略してもよい。例えば、第１の回路２６０または第４の回路２９０の一方の機能を、第１の回路２６０または第４の回路２９０の他方に付加して、第１の回路２６０または第４の回路２９０の一方を省略してもよい。また、例えば、第２の回路２７０または第３の回路２８０の一方の機能を、第２の回路２７０または第３の回路２８０の他方に付加して、第２の回路２７０または第３の回路２８０の一方を省略してもよい。また、例えば、第１の回路２６０乃至第４の回路２９０のいずれか１つに、他の周辺回路の機能を付加することで、他の周辺回路を省略してもよい。
【００６４】
また、図３に示すように、画素部１１０の外周に沿って第１の回路２６０乃至第４の回路２９０を設けてもよい。また、撮像装置１００が有する画素部１１０において画素１１１を傾けて配置してもよい。画素１１１を傾けて配置することにより、行方向及び列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置１００で撮像された画像の品質をより高めることができる。
【００６５】
また、図４に示すように、第１の回路２６０乃至第４の回路２９０の上方に重ねて画素部１１０を設けてもよい。図４（Ａ）は第１の回路２６０乃至第４の回路２９０の上方に重ねて画素部１１０を形成した撮像装置１００の上面図である。また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示した撮像装置１００の構成を説明するための斜視図である。
【００６６】
第１の回路２６０乃至第４の回路２９０の上方に重ねて画素部１１０を設けることで、撮像装置１００の大きさに対する画素部１１０の占有面積を大きくすることができる。よって、撮像装置１００の受光感度を向上することができる。また、撮像装置１００のダイナミックレンジを向上することができる。また、撮像装置１００の解像度を向上することができる。また、撮像装置１００で撮影した画像の再現性を向上することができる。また、撮像装置１００集積度を向上することができる。
【００６７】
［画素１１１の構成例］
画素１１１の構成例について、図５乃至図７を用いて説明する。画素１１１は、トランジスタ１３１、トランジスタ１３２、トランジスタ１３３、トランジスタ１３４、容量素子１３５、及び光電変換素子１３６などの機能素子を有する。また、本明細書などにおいて、画素１１１を構成する機能素子のうち、光電変換素子１３６以外の機能素子で構成した回路を画素駆動回路１１２と呼ぶ。なお、画素駆動回路１１２は光電変換素子１３６と電気的に接続される。画素駆動回路１１２は、光電変換素子１３６の受光量に応じたアナログ信号を生成する機能を有する。
【００６８】
図５（Ａ）は、画素１１１の平面図である。図５（Ｂ）は、光電変換素子１３６の平面図である。図６（Ａ）は、画素駆動回路１１２の平面図である。図６（Ｂ）は、画素１１１の回路図である。図７は、画素１１１の構成を説明する斜視図である。画素１１１は、光電変換素子１３６の上に画素駆動回路１１２を有する。
【００６９】
光電変換素子１３６は、ｐ型半導体２２１、およびｎ型半導体２２３を有する。本実施の形態に示す光電変換素子１３６は、例えば、ｎ型半導体基板の一部にｐ型の不純物を導入して形成することができる。また、ｐ型半導体２２１とｎ型半導体２２３の間にｉ型半導体を設けてもよい。光電変換素子１３６の一部にｉ型半導体を設けることで受光感度を高めることができる。
【００７０】
また、光電変換素子１３６は、画素１１１毎に半導体層を分離することなく形成することができる。また、画素毎にｐ型半導体２２１をｎ型半導体２２３で囲むように設けることで、隣接画素間との電気的な干渉を防ぐことができる。光電変換素子１３６を構成する半導体層を画素毎に分離する必要がないため、光電変換素子１３６を効率よく画素１１１内に設けることができる。よって、撮像装置１００の受光感度を高めることができる。
【００７１】
なお、真性半導体（ｉ型半導体）は、理想的には、不純物を含まずにフェルミレベルが禁制帯のほぼ中央に位置する半導体であるが、本明細書等では、ドナーとなる不純物またはアクセプタとなる不純物を添加して、フェルミレベルが禁制帯のほぼ中央に位置するようにした半導体も真性半導体に含む。また、ドナーとなる不純物またはアクセプタとなる不純物を含む半導体であっても、真性半導体として機能できる状態の半導体であれば、当該半導体は真性半導体に含まれる。
【００７２】
光電変換素子１３６は、単結晶半導体基板や多結晶半導体基板を用いて形成すればよい。また、光電変換素子１３６をＣＶＤ法やスパッタリング法など用いて形成した薄膜半導体で形成してもよい。
【００７３】
また、光電変換素子１３６を、放射線を吸収して電荷を発生させることが可能な材料を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させることが可能な材料としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウムヒ素、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎなどがある。
【００７４】
例えば、光電変換素子１３６にセレンを用いると、可視光や、紫外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子１３６を実現できる。
【００７５】
トランジスタ１３１のソースまたはドレインの一方は配線１２３と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１３２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタ１３１のゲートは配線１２５と電気的に接続されている。トランジスタ１３２のソースまたはドレインの他方は配線１２４と電気的に接続され、トランジスタ１３２のゲートはノード１５２と電気的に接続されている。トランジスタ１３３のソースまたはドレインの一方は配線１２２と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノード１５２と電気的に接続されている。トランジスタ１３３のゲートは配線１２６と電気的に接続されている。トランジスタ１３４のソースまたはドレインの一方はノード１５１と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノード１５２と電気的に接続されている。トランジスタ１３４のゲートは配線１２７と電気的に接続されている。光電変換素子１３６（フォトダイオード）の一方の電極（例えば、カソード）は、ノード１５１と電気的に接続され、他方の電極（例えば、アノード）は配線１２１と電気的に接続されている（図６（Ａ）、図６（Ｂ）参照）。
【００７６】
ノード１５２は電荷蓄積部として機能する。また、トランジスタ１３４は光電変換素子１３６の受光量に応じた電荷（電位）をノード１５２に転送するための転送トランジスタとして機能できる。また、トランジスタ１３３はノード１５２の電位をリセットするためのリセットトランジスタとして機能できる。また、トランジスタ１３２はノード１５２に蓄積された電荷を増幅する増幅トランジスタとして機能することができる。また、トランジスタ１３１はトランジスタ１３２で増幅された信号を読み出すための読み出しトランジスタとして機能できる。
【００７７】
光電変換素子１３６及び画素駆動回路１１２により生成されたアナログ信号は配線１２３に供給することができる。また、例えば、配線１２１は電位ＶＰＤを供給する機能を有する。例えば、配線１２２は電位ＶＲＳを供給する機能を有する。例えば、配線１２４は電位ＶＰＩを供給する機能を有する。例えば、配線１２５は電位ＳＥＬを供給する機能を有する。例えば、配線１２６は電位ＰＲを供給する機能を有する。例えば、配線１２７は電位ＴＸを供給する機能を有する。例えば、配線１２８は電位ＶＰＩを供給する機能を有する。
【００７８】
また、本実施の形態では、配線１２１は画素１１１の外周部を囲うように、網状に設けられている。配線１２１はｎ型半導体２２３と電気的に接続されている。配線１２１を網状に設けることで、画素部１１０内の配線１２１の電位ばらつきを低減し、撮像装置１００の動作を安定させ、撮像装置１００の信頼性を高めることができる。また、トランジスタ１３４のソースまたはドレインの一方を配線１２９と電気的に接続し、配線１２９をｐ型半導体２２１と電気的に接続してもよい（図７参照）。また、トランジスタ１３１のソースまたはドレインの一方を配線１４１と電気的に接続し、配線１４１を配線１２３と電気的に接続してもよい。また、トランジスタ１３２のソースまたはドレインの他方を配線１４２と電気的に接続し、配線１４２を配線１２４と電気的に接続してもよい。また、トランジスタ１３３のソースまたはドレインの一方を配線１４３と電気的に接続し、配線１４３を配線１２２と電気的に接続してもよい。また、容量素子１３５の他方の電極を配線１４４と電気的に接続し、配線１４４を配線１４５と電気的に接続し、配線１４５を配線１２１と電気的に接続してもよい。なお、本実施の形態では、配線１２４と交差し、かつ、電気的に接続する配線１２８を設ける例を示している。配線１２８を設けることで、画素部１１０内の配線１２４の電位ばらつきを低減し、撮像装置１００の動作を安定させ、撮像装置１００の信頼性を高めることができる。なお、容量素子１３５としてトランジスタの寄生容量を用いてもよい。
【００７９】
また、画素１１１を構成する機能素子、配線（電極）は、可能な限り光電変換素子１３６と重ならないようにすることが好ましい。具体的には、平面視におけるｐ型半導体２２１と機能素子および配線が重なる面積を、平面視におけるｐ型半導体２２１の面積の好ましくは３５％以下、より好ましくは２０％以下、さらに好ましくは１０％以下とすればよい。
【００８０】
例えば、画素１１１で可視光を検出する場合、画素駆動回路１１２を構成する金属材料又は半導体材料と、ｐ型半導体２２１と、が重なる面積の合計が、全体の面積の好ましくは３５％以下、より好ましくは２０％以下、さらに好ましくは１０％以下とすればよい。
【００８１】
または、平面視において、画素駆動回路１１２を構成する遮光性材料と重なるｐ型半導体２２１の面積が、全体の面積の好ましくは３５％以下、より好ましくは２０％以下、さらに好ましくは１０％以下とすればよい。なお、本明細書等における遮光性材料とは、光の透過率が１５％以下である材料をいう。より具体的には、本明細書等における遮光性材料とは、光電変換素子１３６で検出する光の透過率が１５％以下である材料をいう。
【００８２】
または、平面視において、全体の面積に対する実際に受光可能な面積の割合（「有効開口率」ともいう）が好ましくは６５％以上、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とすればよい。
【００８３】
例えば、画素駆動回路１１２が有する金属材料及び画素駆動回路１１２が有する半導体材料の、いずれとも重ならない合計面積が、ｐ型半導体２２１全体の面積の好ましくは６５％以上、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とすればよい。
【００８４】
または、平面視において、画素駆動回路１１２を構成する遮光性材料と重ならないｐ型半導体２２１の合計面積が、全体の面積の好ましくは６５％以上、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とすればよい。
【００８５】
本実施の形態では、容量素子１３５を構成する電極を、透光性を有する導電性材料を用いて形成する。よって、本実施の形態に示す容量素子１３５は、透光性を有する容量素子である。また、容量素子１３５を、透光性を有する容量素子とすることで、有効開口率を高めることができる。有効開口率を高めてｐ型半導体２２１の露出面積を増やすことで、撮像装置の受光感度を高めることができる。また、撮像装置のダイナミックレンジを高めることができる。また、容量素子１３５を構成する透光性を有する電極を、トランジスタのチャネルが形成される半導体層と同じ半導体層の他の一部を用いて作製する。これにより、透光性を有する電極を作製する工程を削減し、撮像装置の生産性を高めることができる。
【００８６】
光電変換素子１３６は、画素１１１毎に半導体層を分離することなく形成することができる。具体的には、画素部１１０内全体に半導体層を形成し、質量分離を伴うイオン注入法や、質量分離を伴わないイオンドーピング法などを用いて当該半導体層内にｐ型半導体２２１、およびｎ型半導体２２３として機能する領域を形成することができる。また、画素毎に画素をｐ型半導体２２１で囲むことで、隣接画素間との電気的な干渉を防ぐことができる。画素毎に光電変換素子１３６を構成する半導体層を分離する必要がないため、光電変換素子１３６を効率よく画素１１１内に設けることができる。よって、撮像装置１００の受光感度を高めることができる。
【００８７】
また、ｎ型半導体２２３を、電源電位を供給する配線の一部として用いてもよい。ｎ型半導体２２３を、電源電位を供給する配線の一部として用いることで、画素部１１０内の電源電位のばらつきを軽減することができる。なお、ｐ型半導体２２１とｎ型半導体２２３を、入れ換えて用いてもよい。
【００８８】
［カラーフィルタ等］
撮像装置１００が有する画素１１１を副画素として用いて、複数の画素１１１それぞれに異なる波長域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を設けることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
【００８９】
図８（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素１１１の一例を示す平面図である。図８（Ａ）は、赤（Ｒ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた画素１１１（以下、「画素１１１Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた画素１１１（以下、「画素１１１Ｇ」ともいう）及び青（Ｂ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた画素１１１（以下、「画素１１１Ｂ」ともいう）を有する。画素１１１Ｒ、画素１１１Ｇ、画素１１１Ｂをまとめて一つの画素１１３として機能させる。
【００９０】
なお、画素１１１に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定されず、図８（Ａ）に示すように、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）及びマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。１つの画素１１３に３種類の異なる波長域の光を検出する画素１１１を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
【００９１】
図８（Ｂ）は、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた画素１１１に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた画素１１１を有する画素１１３を例示している。図８（Ｃ）は、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）及びマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた画素１１１に加えて、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた画素１１１を有する画素１１３を例示している。１つの画素１１３に４種類の異なる波長域の光を検出する画素１１１を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
【００９２】
また、例えば、画素１１１Ｒ、画素１１１Ｇ、および画素１１１Ｂの画素数比（または受光面積比）は、必ずしも１：１：１である必要は無い。図８（Ｄ）に示すように、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。また、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
【００９３】
なお、画素１１３に設ける画素１１１は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば、同じ波長域を検出する画素１１１を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置１００の信頼性を高めることができる。
【００９４】
また、フィルタとして可視光の波長以下の波長を有する光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置１００を実現することができる。また、フィルタとして可視光の波長以上の波長を有する光を吸収または反射して、紫外光を透過するＵＶ（ＵＶ：Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ）フィルタを用いることで、紫外光を検出する撮像装置１００を実現することができる。また、フィルタとして、放射線を紫外光や可視光に変換するシンチレータを用いることで、撮像装置１００をＸ線やγ線などを検出する放射線検出器として機能させることもできる。
【００９５】
また、フィルタとしてＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター（減光フィルター）を用いると、光電変換素子（受光素子）に多大な光量の光が入射した時に生じる、出力が飽和する現象（以下、「出力飽和」ともいう。）を防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
【００９６】
また、前述したフィルタ以外に、画素１１３にレンズを設けてもよい。ここで、図９の断面図を用いて、画素１１３、フィルタ６０２、レンズ６００の配置例を説明する。レンズ６００を設けることで、入射光を光電変換素子に効率よく受光させることができる。具体的には、図９（Ａ）に示すように、画素１１３に形成したレンズ６００、フィルタ６０２（フィルタ６０２Ｒ、フィルタ６０２Ｇ、フィルタ６０２Ｂ）、及び画素駆動回路１１２等を通して光６６０を光電変換素子１３６に入射させる構造とすることができる。
【００９７】
ただし、二点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光６６０の一部が配線層６０４の一部、トランジスタ、および／または容量素子などによって遮光されてしまうことがある。したがって、図９（Ｂ）に示すように光電変換素子１３６側にレンズ６００及びフィルタ６０２を形成して、入射光を光電変換素子１３６に効率良く受光させる構造としてもよい。光電変換素子１３６側から光６６０を入射させることで、受光感度の高い撮像装置１００を提供することができる。
【００９８】
また、図１０（Ａ１）及び図１０（Ｂ１）に示すように、撮像装置１００を湾曲させてもよい。図１０（Ａ１）は、撮像装置１００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１０（Ａ２）は、図１０（Ａ１）中の二点鎖線Ｘ１−Ｘ２で示した部位の断面図である。図１０（Ａ３）は、図１０（Ａ１）中の二点鎖線Ｙ１−Ｙ２で示した部位の断面図である。
【００９９】
図１０（Ｂ１）は、撮像装置１００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１０（Ｂ２）は、図１０（Ｂ１）中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図１０（Ｂ３）は、図１０（Ｂ１）中の二点鎖線Ｙ３−Ｙ４で示した部位の断面図である。
【０１００】
撮像装置１００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１００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１００を用いた撮像装置や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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態に示した撮像装置１００を固体撮像素子の一種であるＣＭＯＳイメージセンサで構成する場合の一例について、図１１乃至図１５を用いて説明する。図１１に示す画素領域２５１は、撮像装置１００が有する画素１１１の一部の断面図である。図１１に示す周辺回路領域２５２は、撮像装置１００が有する周辺回路の一部の断面図である。また、図１１に示すトランジスタ１３４の拡大図を図１２（Ａ）に示す。また、図１１に示す容量素子１３５の拡大図を図１２（Ｂ）に示す。また、図１１に示すトランジスタ２８１の拡大図を図１４（Ａ）に示す。また、図１１に示すトランジスタ２８２の拡大図を図１４（Ｂ）に示す。なお、本実施の形態に示すトランジスタ１３４の構造は、上記実施の形態に示す他のトランジスタにも用いることができる。
【０１０３】
本実施の形態で例示する撮像装置１００は、基板１０１としてｎ型半導体を用いている。また、基板１０１中に光電変換素子１３６のｐ型半導体２２１が設けられている。また、基板１０１の一部が、光電変換素子１３６のｎ型半導体２２３として機能する。
【０１０４】
また、トランジスタ２８１は基板１０１上に設けられている。トランジスタ２８１はｐチャネル型のトランジスタとして機能できる。また、基板１０１の一部にｐ型半導体のウェル２２０が設けられている。ウェル２２０はｐ型半導体２２１の形成と同様の方法で設けることができる。ウェル２２０とｐ型半導体２２１は同時に形成することができる。また、トランジスタ２８２はウェル２２０上に設けられている。トランジスタ２８２はｎチャネル型のトランジスタとして機能できる。トランジスタ２８１およびトランジスタ２８２のチャネルは、基板１０１に形成される。
【０１０５】
また、光電変換素子１３６、トランジスタ２８１、およびトランジスタ２８２上に絶縁層１０３が形成され、絶縁層１０３上に絶縁層１０４が形成されている。
【０１０６】
絶縁層１０３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、酸化ハフニウム及び酸化タンタルなどの酸化物材料や、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材料などを、単層または多層で形成することができる。絶縁層１０２は、スパッタリング法やＣＶＤ法、熱酸化法、塗布法、印刷法等を用いて形成することが可能である。
【０１０７】
絶縁層１０４は、絶縁層１０３と同様の材料および方法で形成することができる。なお、絶縁層１０３および絶縁層１０４は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の不純物の拡散を防ぐ機能を有する絶縁材料を用いて形成することが好ましい。なお、絶縁層１０３と絶縁層１０４のどちらか一方を省略してもよいし、絶縁層をさらに積層してもよい。
【０１０８】
また、本実施の形態に示す撮像装置１００は、絶縁層１０４上に平坦な表面を有する絶縁層１０５を有する。絶縁層１０５は、絶縁層１０２と同様の材料および方法で形成することができる。また、絶縁層１０５として、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）などを用いてもよい。また、絶縁層１０５表面に化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理（以下、「ＣＭＰ処理」ともいう。）を行ってもよい。ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。
【０１０９】
また、絶縁層１０３乃至絶縁層１０５の基板１０１（ｎ型半導体２２３）と重なる領域に開口２２４が形成され、絶縁層１０３乃至絶縁層１０５のｐ型半導体２２１と重なる領域に開口２２５が形成されている。また、開口２２４および開口２２５中に、コンタクトプラグ１０６が形成されている。コンタクトプラグ１０６は絶縁層に設けられた開口内に導電性材料を埋め込むことで形成される。導電性材料として、例えば、タングステン、ポリシリコン等の埋め込み性の高い導電性材料を用いることができる。また、図示しないが、当該材料の側面および底面を、チタン層、窒化チタン層又はこれらの積層等からなるバリア層（拡散防止層）で覆うことができる。この場合、バリア膜も含めてコンタクトプラグという場合がある。なお、開口２２４および開口２２５は、その数や配置に特段の制約は無い。よって、レイアウトの自由度が高い撮像装置を実現できる。
【０１１０】
また、絶縁層１０５の上に、配線１２１および配線１２９が形成されている。配線１２１は、開口２２４に設けられたコンタクトプラグ１０６を介してｎ型半導体２２３と電気的に接続されている。また、配線１２９は、開口２２５に設けられたコンタクトプラグ１０６を介してｐ型半導体２２１と電気的に接続されている。
【０１１１】
また、配線１２１および配線１２９を覆って絶縁層１０７を形成されている。絶縁層１０７は、絶縁層１０５と同様の材料および方法で形成することができる。また、絶縁層１０７表面にＣＭＰ処理を行ってもよい。ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。
【０１１２】
配線１２１および配線１２９は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、マンガン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いることができる。例えば、マンガンを含む銅膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造、タングステン膜上に銅膜を積層し、さらにその上にタングステン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【０１１３】
なお、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、亜鉛酸化物、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、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの酸素を含む導電性材料、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料を組み合わせた積層構造とすることもできる。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料を組み合わせた積層構造とすることもできる。また、前述した金属元素を含む材料、酸素を含む導電性材料、および窒素を含む導電性材料を組み合わせた積層構造とすることもできる。
【０１１４】
トランジスタ１３４、トランジスタ２８９、及び容量素子１３５は、絶縁層１０８及び絶縁層１０９を介して絶縁層１０７上に形成されている。図１１に図示していないが、トランジスタ１３１、トランジスタ１３２、およびトランジスタ１３３なども、トランジスタ１３４と同様に絶縁層１０８および絶縁層１０９を介して絶縁層１０７上に形成される。なお、本実施の形態では、トランジスタ１３４、およびトランジスタ２８９などをトップゲート構造のトランジスタとして例示しているが、ボトムゲート構造のトランジスタとしてもよい。図１１に図示していない他のトランジスタも同様である。
【０１１５】
また、上記トランジスタとして、逆スタガ型のトランジスタや、順スタガ型のトランジスタを用いることも可能である。また、チャネルが形成される半導体層を２つのゲート電極で挟む構造の、デュアルゲート型のトランジスタを用いることも可能である。また、シングルゲート構造のトランジスタに限定されず、複数のチャネル形成領域を有するマルチゲート型トランジスタ、例えばダブルゲート型トランジスタとしてもよい。
【０１１６】
また、上記トランジスタとして、プレーナ型、ＦＩＮ型（フィン型）、ＴＲＩ−ＧＡＴＥ型（トライゲート型）などの、様々な構成のトランジスタを用いることが出来る。
【０１１７】
上記トランジスタは、それぞれが同様の構造を有していてもよいし、異なる構造を有していてもよい。トランジスタのサイズ（例えば、チャネル長、およびチャネル幅）等は、各トランジスタで適宜調整すればよい。撮像装置１００が有する複数のトランジスタを全て同じ構造とする場合は、それぞれのトランジスタを同じ工程で同時に作製することができる。
【０１１８】
トランジスタ１３４は、ゲート電極として機能することができる電極２４３と、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能することができる電極２４４と、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能することができる電極２４５と、ゲート絶縁層として機能できる絶縁層１１７と、半導体層２４２と、を有する（図１２（Ａ）参照。）。
【０１１９】
なお、図１１では、トランジスタ１３４のソース電極またはドレイン電極の他方として機能する電極２４５と、容量素子１３５の一方の電極として機能することができる電極を、どちらも電極２４５を用いて形成している。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。トランジスタ１３４のソース電極またはドレイン電極の他方として機能する電極と、容量素子１３５の一方の電極として機能することができる電極を、それぞれ異なる電極を用いて形成してもよい。
【０１２０】
また、容量素子１３５は、容量素子１３５の一方の電極として機能することができる電極２３２（電極２３２ａおよび電極２３２ｂ）と、他方の電極として機能することができる電極２７３が、絶縁層１３９を介して重なる構成を有する（図１２（Ｂ）参照。）。また、電極２３２は、電極２４５と電気的に接続される。
【０１２１】
本実施の形態では、容量素子１３５を構成する電極を、透光性を有する導電性材料を用いて形成する。よって、容量素子１３５は透光性を有する容量素子である。容量素子１３５として透光性を有する容量素子を用いることで、有効開口率を高めることができる。よって、撮像装置１００の受光感度を向上することができる。また、撮像装置１００のダイナミックレンジを向上することができる。また、撮像装置１００の解像度を向上することができる。
【０１２２】
絶縁層１０８は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の不純物の拡散を防ぐ機能を有する絶縁材料を用いて形成することが好ましい。該絶縁材料としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム等がある。なお、該絶縁材料として、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム等を用いることで、光電変換素子１３６側から拡散する不純物が、半導体層２４２へ到達することを抑制することができる。なお、絶縁層１０８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、熱酸化法などにより形成することができる。絶縁層１０８は、これらの材料を単層で、もしくは積層して用いることができる。
【０１２３】
絶縁層１０９は絶縁層１０３と同様の材料および方法で形成することができる。また、半導体層２４２として酸化物半導体を用いる場合、絶縁層１０９に化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層を用いて形成することが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層は、加熱により酸素の一部が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層は、絶縁層の表面温度が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分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層である。
【０１２４】
また、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸素雰囲気下による熱処理や、イオン注入装置、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。酸素を添加するためのガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いることができる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。
【０１２５】
トランジスタ１３４、トランジスタ２８９等の半導体層は、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、ナノクリスタル半導体、セミアモルファス半導体、非晶質半導体等を用いて形成することができる。例えば、非晶質シリコンや、微結晶ゲルマニウム等を用いることができる。また、炭化シリコン、ガリウム砒素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体等を用いることができる。
【０１２６】
本実施の形態では、半導体層２４２として酸化物半導体を用いる。また、半導体層２４２は、単層でもよいし、複数層の積層でもよい。なお、半導体層２４２を複数層の積層とする場合は、同一種類の半導体材料の積層でもよいし、異なる種類の半導体材料の積層でもよい。本実施の形態では、半導体層２４２を、半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｂ、および半導体層２４２ｃの積層とする場合について説明する。
【０１２７】
本実施の形態では、半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｂ、および半導体層２４２ｃは、ＩｎもしくはＧａの一方、または両方を含む材料で形成する。代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物（ＩｎとＧａを含む酸化物）、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物（ＩｎとＺｎを含む酸化物）、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎと、元素Ｍと、Ｚｎを含む酸化物。元素Ｍは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆから選ばれた１種類以上の元素で、Ｉｎよりも酸素との結合力が強い金属元素である。）がある。
【０１２８】
半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｃは、半導体層２４２ｂを構成する金属元素のうち、１種類以上の同じ金属元素を含む材料により形成されることが好ましい。このような材料を用いると、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂとの界面、ならびに半導体層２４２ｃおよび半導体層２４２ｂとの界面に界面準位を生じにくくすることができる。よって、界面におけるキャリアの散乱や捕獲が生じにくく、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。また、トランジスタのしきい値電圧のばらつきを低減することが可能となる。よって、良好な電気特性を有する半導体装置を実現することが可能となる。
【０１２９】
半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｃの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、半導体層２４２ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【０１３０】
また、半導体層２４２ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｃもＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、半導体層２４２ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きくなるように半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｃ、および半導体層２４２ｂを選択する。好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上大きくなるように半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｃ、および半導体層２４２ｂを選択する。さらに好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きくなるように半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｃ、および半導体層２４２ｂを選択する。より好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きくなるように半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｃおよび半導体層２４２ｂを選択する。このとき、半導体層２４２ｂにおいて、ｙ１がｘ１以上であるとトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ１がｘ１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、ｙ１はｘ１の３倍未満であると好ましい。半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｃを上記構成とすることにより、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｃを、半導体層２４２ｂよりも酸素欠損が生じにくい層とすることができる。
【０１３１】
なお、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎと元素Ｍの含有率は、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、元素Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、元素Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、半導体層２４２ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎと元素Ｍの含有率は好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、元素Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、元素Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【０１３２】
例えば、ＩｎまたはＧａを含む半導体層２４２ａ、およびＩｎまたはＧａを含む半導体層２４２ｃとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：４、１：３：６、１：６：４、または１：９：６などの原子数比のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物や、Ｉｎ：Ｇａ＝１：９などの原子数比のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ酸化物や、酸化ガリウムなどを用いることができる。また、半導体層２４２ｂとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、１：１：１、５：５：６、または４：２：４．１などの原子数比のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。なお、半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｂ、および半導体層２４２ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス２０％の変動を含む。
【０１３３】
半導体層２４２ｂを用いたトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、半導体層２４２ｂ中の不純物および酸素欠損を低減して高純度真性化し、半導体層２４２ｂを真性または実質的に真性と見なせる酸化物半導体層とすることが好ましい。また、少なくとも半導体層２４２ｂ中のチャネル形成領域が真性または実質的に真性と見なせる半導体層とすることが好ましい。
【０１３４】
なお、実質的に真性と見なせる酸化物半導体層とは、酸化物半導体層中のキャリア密度が、８×１０１１／ｃｍ３未満、または１×１０１１／ｃｍ３未満、１×１０−９／ｃｍ３以上である酸化物半導体層をいう。
【０１３５】
［酸化物半導体のエネルギーバンド構造］
ここで、半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｂ、および半導体層２４２ｃの積層により構成される半導体層２４２の機能およびその効果について、図１４示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図１４は、図１２（Ａ）にＣ１−Ｃ２の一点鎖線で示す部位のエネルギーバンド構造図である。図１３は、トランジスタ１３４のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。
【０１３６】
図１４中、Ｅｃ３８２、Ｅｃ３８３ａ、Ｅｃ３８３ｂ、Ｅｃ３８３ｃ、Ｅｃ３８６は、それぞれ、絶縁層１０９、半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｂ、半導体層２４２ｃ、絶縁層１１７の伝導帯下端のエネルギーを示している。
【０１３７】
ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（「電子親和力」ともいう。）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう。）からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定できる。
【０１３８】
なお、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．５ｅＶ、電子親和力は約４．５ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．４ｅＶ、電子親和力は約４．５ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．３ｅＶ、電子親和力は約４．５ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：２のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．９ｅＶ、電子親和力は約４．３ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：８のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．５ｅＶ、電子親和力は約４．４ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：１０のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．５ｅＶ、電子親和力は約４．５ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．２ｅＶ、電子親和力は約４．７ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約２．８ｅＶ、電子親和力は約５．０ｅＶである。
【０１３９】
絶縁層１０９と絶縁層１１７は絶縁物であるため、Ｅｃ３８２とＥｃ３８６は、Ｅｃ３８３ａ、Ｅｃ３８３ｂ、およびＥｃ３８３ｃよりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
【０１４０】
また、Ｅｃ３８３ａは、Ｅｃ３８３ｂよりも真空準位に近い。具体的には、Ｅｃ３８３ａは、Ｅｃ３８３ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下真空準位に近いことが好ましい。
【０１４１】
また、Ｅｃ３８３ｃは、Ｅｃ３８３ｂよりも真空準位に近い。具体的には、Ｅｃ３８３ｃは、Ｅｃ３８３ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下真空準位に近いことが好ましい。
【０１４２】
また、半導体層２４２ａと半導体層２４２ｂとの界面近傍、および、半導体層２４２ｂと半導体層２４２ｃとの界面近傍では、混合領域が形成されるため、伝導帯下端のエネルギーは連続的に変化する。即ち、これらの界面において、準位は存在しないか、ほとんどない。
【０１４３】
従って、当該エネルギーバンド構造を有する積層構造において、電子は半導体層２４２ｂを主として移動することになる。そのため、半導体層２４２ａと絶縁層１０７との界面、または、半導体層２４２ｃと絶縁層１１７との界面に準位が存在したとしても、当該準位は電子の移動にほとんど影響しない。また、半導体層２４２ａと半導体層２４２ｂとの界面、および半導体層２４２ｃと半導体層２４２ｂとの界面に準位が存在しないか、ほとんどないため、当該領域において電子の移動を阻害することもない。従って、上記酸化物半導体の積層構造を有するトランジスタ１３４は、高い電界効果移動度を実現することができる。
【０１４４】
なお、図１３に示すように、半導体層２４２ａと絶縁層１０９の界面、および半導体層２４２ｃと絶縁層１１７の界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位３９０が形成され得るものの、半導体層２４２ａ、および半導体層２４２ｃがあることにより、半導体層２４２ｂと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。
【０１４５】
また、例えば、半導体層２４２ａ上に形成された半導体層２４２ｂの上面と側面を半導体層２４２ｃで覆ってもよい。このように、半導体層２４２ｂを半導体層２４２ａと半導体層２４２ｃで覆う構成とすることで、上記トラップ順位の影響をさらに低減することができる。
【０１４６】
ただし、Ｅｃ３８３ａまたはＥｃ３８３ｃと、Ｅｃ３８３ｂとのエネルギー差が小さい場合、半導体層２４２ｂ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。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁層の界面にマイナスの固定電荷が生じ、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。
【０１４７】
従って、Ｅｃ３８３ａ、およびＥｃ３８３ｃと、Ｅｃ３８３ｂとのエネルギー差を、それぞれ０．１ｅＶ以上、好ましくは０．１５ｅＶ以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、トランジスタの電気特性を良好なものとすることができるため、好ましい。
【０１４８】
また、半導体層２４２ａ、および半導体層２４２ｃのバンドギャップは、半導体層２４２ｂのバンドギャップよりも広いほうが好ましい。
【０１４９】
本発明の一態様によれば、電気特性のばらつきが少ないトランジスタを実現することができる。よって、電気特性のばらつきが少ない半導体装置を実現することができる。本発明の一態様によれば、信頼性の良好なトランジスタを実現することができる。よって、信頼性の良好な半導体装置を実現することができる。
【０１５０】
また、酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上あるため、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流を極めて小さくすることができる。具体的には、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を室温下において１×１０−２０Ａ未満、好ましくは１×１０−２２Ａ未満、さらに好ましくは１×１０−２４Ａ未満とすることができる。すなわち、オンオフ比を２０桁以上１５０桁以下とすることができる。
【０１５１】
本発明の一態様によれば、消費電力が少ないトランジスタを実現することができる。よって、消費電力が少ない撮像装置や半導体装置を実現することができる。
【０１５２】
また、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ（「ＯＳトランジスタ」ともいう。）はオフ電流が著しく低いため、トランジスタ１３３およびトランジスタ１３４にＯＳトランジスタを用いることで、容量素子１３５を小さくすることができる。よって、光電変換素子１３６の受光可能面積を大きくすることができる。また、トランジスタ１３１及びトランジスタ１３２の少なくとも一方にＯＳトランジスタを用いることで、配線１２３と配線１２４間に意図せず流れる電流（「漏れ電流」または「リーク電流」ともいう。）を低減することができる（図６参照。）。よって、撮像装置１００の消費電力を低減することができる。また、配線１２３及び配線１２４へのノイズの混入を低減することができ、撮像装置１００で撮像された画像の品質を向上させることができる。また、信頼性の高い撮像装置１００を提供することができる。
【０１５３】
本発明の一態様によれば、受光感度の高い撮像装置や半導体装置を実現することができる。また、本発明の一態様によれば、ダイナミックレンジの広い撮像装置や半導体装置を実現することができる。
【０１５４】
また、酸化物半導体はバンドギャップが広いため、酸化物半導体を用いた半導体装置は使用できる環境の温度範囲が広い。本発明の一態様によれば、動作温度範囲が広い撮像装置や半導体装置を実現することができる。
【０１５５】
なお、上述の３層構造は一例である。例えば、半導体層２４２ａまたは半導体層２４２ｃの一方を形成しない２層構造としても構わない。
【０１５６】
［酸化物半導体について］
ここで、半導体層２４２に適用可能な酸化物半導体膜について詳細に説明しておく。
【０１５７】
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体などがある。
【０１５８】
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。
【０１５９】
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
【０１６０】
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
【０１６１】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【０１６２】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
【０１６３】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ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。
【０１６４】
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図３３（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
【０１６５】
図３３（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図３３（Ｂ）に示す。図３３（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳ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ており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
【０１６６】
図３３（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図３３（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図３３（Ｂ）および図３３（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０１６７】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図３３（Ｄ）参照。）。図３３（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図３３（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【０１６８】
また、図３４（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図３４（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図３４（Ｂ）、図３４（Ｃ）および図３４（Ｄ）に示す。図３４（Ｂ）、図３４（Ｃ）および図３４（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四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、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０１６９】
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図３５（Ａ）に示すように回折角（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略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０１７０】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、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。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、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。
【０１７１】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図３５（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図３５（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
【０１７２】
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図３６（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図３６（Ｂ）に示す。図３６（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図３６（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図３６（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
【０１７３】
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をするとＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
【０１７４】
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体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、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、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、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
【０１７５】
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
【０１７６】
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、キャリア密度を８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
【０１７７】
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０１７８】
ｎｃ−ＯＳ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。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳ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。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
【０１７９】
ｎｃ−ＯＳ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は、異なるペレット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は、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレット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に対し、ペレットの大きさと近いかペレット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。さらに、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。
【０１８０】
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０１８１】
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０１８２】
＜ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
【０１８３】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ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。
【０１８４】
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
【０１８５】
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０１８６】
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
【０１８７】
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、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ことが知られている。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。したがって、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０１８８】
図３７は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図３７より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図３７中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図３７中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
【０１８９】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０１９０】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０１９１】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０１９２】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
【０１９３】
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０１９４】
また、半導体層２４２ａ、半導体層２４２ｂ、および半導体層２４２ｃに適用可能な酸化物半導体の一例として、インジウムを含む酸化物を挙げることができる。酸化物は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、酸化物半導体は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。元素Ｍは、例えば、酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導体は、亜鉛を含むと好ましい。酸化物が亜鉛を含むと、例えば、酸化物を結晶化しやすくなる。
【０１９５】
ただし、酸化物半導体は、インジウムを含む酸化物に限定されない。酸化物半導体は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物、ガリウム酸化物であっても構わない。
【０１９６】
また酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。酸化物半導体のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
【０１９７】
以下では、酸化物半導体中における不純物の影響について説明する。なお、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減し、低キャリア密度化および高純度化することが有効である。なお、酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０１７個／ｃｍ３未満、１×１０１５個／ｃｍ３未満、または１×１０１３個／ｃｍ３未満とする。酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。
【０１９８】
例えば、酸化物半導体中のシリコンは、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。そのため、酸化物半導体中のシリコン濃度を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【０１９９】
また、酸化物半導体中に水素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。酸化物半導体の水素濃度はＳＩＭＳにおいて、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５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体中に窒素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。酸化物半導体の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２００】
また、酸化物半導体の水素濃度を低減するために、半導体層２４２と接する絶縁層１０９および絶縁層１１７の水素濃度を低減すると好ましい。絶縁層１０９および絶縁層１１７の水素濃度はＳＩＭＳにおいて、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５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体の窒素濃度を低減するために、絶縁層１０９および絶縁層１１７の窒素濃度を低減すると好ましい。絶縁層１０９および絶縁層１１７の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２０１】
本実施の形態では、まず、絶縁層１０９上に半導体層２４２ａを形成し、半導体層２４２ａ上に半導体層２４２ｂを形成する。
【０２０２】
なお、酸化物半導体層の成膜には、スパッタ法を用いることが好ましい。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法等を用いることができる。ＤＣスパッタ法、またはＡＣスパッタ法は、ＲＦスパッタ法よりも均一性良く成膜することができる。
【０２０３】
本実施の形態では、半導体層２４２ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いて、スパッタリング法により厚さ２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。なお、半導体層２４２ａに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０２０４】
また、半導体層２４２ａ形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２０５】
次に、半導体層２４２ａ上に、半導体層２４２ｂを形成する。本実施の形態では、半導体層２４２ｂとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用いて、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。なお、半導体層２４２ｂに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０２０６】
また、半導体層２４２ｂ形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２０７】
次に、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂに含まれる水分または水素などの不純物をさらに低減して、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂを高純度化するために、加熱処理を行ってもよい。
【０２０８】
例えば、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂに加熱処理を施す。なお、酸化性雰囲気とは、酸素、オゾンまたは窒化酸素などの酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含有する雰囲気をいう。また、不活性雰囲気とは、前述の酸化性ガスが１０ｐｐｍ未満であり、その他、窒素または希ガスで充填された雰囲気をいう。
【０２０９】
また、加熱処理を行うことにより、不純物の放出と同時に絶縁層１０９に含まれる酸素を半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂに拡散させ、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂの酸素欠損を低減することができる。なお、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。なお、加熱処理は、半導体層２４２ｂの形成後であれば、いつ行ってもよい。例えば、半導体層２４２ｂの選択的なエッチング後に加熱処理を行ってもよい。
【０２１０】
加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。処理時間は２４時間以内とする。２４時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。
【０２１１】
次に、半導体層２４２ｂ上にレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂの一部を選択的にエッチングする。この時、絶縁層１０９の一部がエッチングされ、絶縁層１０９に凸部が形成される場合がある。
【０２１２】
半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する。
【０２１３】
また、トランジスタ１３４は、半導体層２４２ｂ上に、半導体層２４２ｂの一部と接して、電極２４４および電極２４５を有する。電極２４４および電極２４５（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）は、配線１２１と同様の材料および方法で形成することができる。
【０２１４】
また、トランジスタ１３４は、半導体層２４２ｂ、電極２４４、および電極２４５上に半導体層２４２ｃを有する。半導体層２４２ｃは、半導体層２４２ｂ、電極２４４、および電極２４５の、それぞれの一部と接する。
【０２１５】
本実施の形態では、半導体層２４２ｃを、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いたスパッタリング法により形成する。なお、半導体層２４２ｃに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。例えば、半導体層２４２ｃとして酸化ガリウムを用いてもよい。また、半導体層２４２ｃに酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２１６】
また、トランジスタ２４１は、半導体層２４２ｃ上に絶縁層１１７を有する。絶縁層１１７はゲート絶縁層として機能することができる。絶縁層１１７は、絶縁層１０２と同様の材料及び方法で形成することができる。また、絶縁層１１７に酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２１７】
半導体層２４２ｃおよび絶縁層１１７の形成後、絶縁層１１７上にマスクを形成し、半導体層２４２ｃおよび絶縁層１１７の一部を選択的にエッチングして、島状の半導体層２４２ｃ、および島状の絶縁層１１７としてもよい。
【０２１８】
また、トランジスタ１３４は、絶縁層１１７上に電極２４３を有する。電極２４３（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）は、配線１２１と同様の材料および方法で形成することができる。
【０２１９】
本実施の形態では、電極２４３を電極２４３ａと電極２４３ｂの積層とする例を示している。例えば、電極２４３ａを窒化タンタルで形成し、電極２４３ｂを銅で形成する。電極２４３ａがバリア層として機能し、銅元素の拡散を防ぐことができる。よって、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０２２０】
また、トランジスタ２４１は、電極２４３を覆う絶縁層１１８を有する。絶縁層１１８は、絶縁層１０２と同様の材料及び方法で形成することができる。また、絶縁層１１８に酸素ドープ処理を行ってもよい。また、絶縁層１１８表面にＣＭＰ処理を行ってもよい。
【０２２１】
また、絶縁層１１８上に絶縁層１３９を有し、絶縁層１３９上に絶縁層１１９を有する。絶縁層１３９および絶縁層１１９は、絶縁層１０５と同様の材料および方法で形成することができる。また、絶縁層１１９表面にＣＭＰ処理を行ってもよい。ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。また、絶縁層１１９、絶縁層１３９、および絶縁層１１８の一部に開口が形成されている。また、該開口中に、コンタクトプラグが形成されている。
【０２２２】
また、絶縁層１１９の上に、配線１２７、及び配線１４４（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）が形成されている。配線１４４は、絶縁層１１９及び絶縁層１１８に設けられた開口において、コンタクトプラグを介して電極２７３と電気的に接続されている。また、配線１２７は、絶縁層１１９及び絶縁層１１８に設けられた開口において、コンタクトプラグを介して電極２４３と電気的に接続されている。
【０２２３】
また、撮像装置１００は、配線１２７、及び配線１４４（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）を覆って絶縁層１１５を有する。絶縁層１１５は、絶縁層１０５と同様の材料および方法で形成することができる。また、絶縁層１１５表面にＣＭＰ処理を行ってもよい。ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。また、絶縁層１１５の一部に開口が形成されている。
【０２２４】
また、絶縁層１１５の上に、配線１２２、配線１２３、及び配線２６６（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）が形成されている。
【０２２５】
なお、配線１２２、配線１２３、及び配線２６６（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）は、それぞれが絶縁層中に形成された開口およびコンタクトプラグを介して、他層の配線または他層の電極と電気的に接続することができる。
【０２２６】
また、配線１２２、配線１２３、及び配線２６６を覆って絶縁層１１６を有する。絶縁層１１６は、絶縁層１０５と同様の材料および方法で形成することができる。また、絶縁層１１６表面にＣＭＰ処理を行ってもよい。
【０２２７】
［容量素子１３５について］
容量素子１３５を構成する電極２３２（電極２３２ａおよび電極２３２ｂ）は、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂと同一の成膜工程および同一のエッチング工程を経て島状に加工された層である。よって、電極２３２は半導体層２４２と同じ材料で形成される。例えば、半導体層２４２を酸化物半導体で形成する場合は、電極２３２も酸化物半導体である。また、半導体層２４２と電極２３２は、同じ層上に形成される。本実施の形態では、半導体層２４２および電極２３２は、どちらも絶縁層１０９上に形成されている。
【０２２８】
以下のようにして電極２３２の導電性を高めることができる。電極２４５、半導体層２４２ｃ、および絶縁層１１７を形成した後、電極２３２上の半導体層２４２ｃ、および絶縁層１１７を除去する。その後、トランジスタ１３４および電極２３２上に絶縁層１１８が形成される。次に、電極２３２と重なる絶縁層１１８の一部を除去し、電極２３２表面を露出させる。次に、露出した電極２３２表面に接して、絶縁層１３９を形成する。
【０２２９】
絶縁層１３９は、窒化シリコンなどの水素を含む絶縁材料を用いて形成することが好ましい。水素を含む絶縁層１３９を電極２３２と接して設けることで、絶縁層１３９から電極２３２へ水素を拡散させて、電極２３２の導電性を高めることができる。また、露出した電極２３２表面に対してプラズマ処理、または不活性ガスや不純物元素の注入などによって酸素欠損を生じさせて、電極２３２の導電性を高めてもよい。
【０２３０】
よって、電極２３２中には、半導体層２４２よりも多くの水素および／または酸素欠損が含まれる場合がある。
【０２３１】
また、絶縁層１３９の形成後、絶縁層１３９上の電極２３２と重なる領域に電極２７３を形成する。電極２７３はインジウム錫酸化物、亜鉛酸化物、インジウム亜鉛酸化物などの透光性を有する導電性材料を用いて形成することが好ましい。
【０２３２】
なお、容量素子１３５に用いる電極２３２ａおよび電極２３２ｂは、どちらか一方を設けなくてもよい。
【０２３３】
［トランジスタ２８１、トランジスタ２８２］
周辺回路を構成するトランジスタの一例として、図１１に示したトランジスタ２８１の拡大断面図を図１４（Ａ）に示す。また、図１１に示したトランジスタ２８２の拡大断面図を図１４（Ｂ）に示す。本実施の形態では、一例として、トランジスタ２８１がｐチャネル型のトランジスタ、トランジスタ２８２がｎチャネル型のトランジスタである場合について説明する。
【０２３４】
トランジスタ２８１は、チャネルが形成領域２８３、高濃度ｐ型不純物領域２８５、絶縁層２８６、電極２８７、側壁２８８を有する。また、絶縁層２８６を介して側壁２８８と重なる領域に低濃度ｐ型不純物領域２８４を有する。絶縁層２８６はゲート絶縁層として機能できる。電極２８７はゲート電極として機能できる。
【０２３５】
低濃度ｐ型不純物領域２８４は、電極２８７形成後、側壁２８８形成前に、電極２８７をマスクとして用いて不純物元素を導入することにより形成することができる。すなわち、低濃度ｐ型不純物領域２８４は、自己整合方式により形成することができる。側壁２８８の形成後、高濃度ｐ型不純物領域２８５を形成する。また、高濃度ｐ型不純物領域２８５は、光電変換素子１３６が有するｐ型半導体２２１と同一工程で同時に形成することができる。なお、低濃度ｐ型不純物領域２８４は高濃度ｐ型不純物領域２８５と同じ導電型を有し、導電型を付与する不純物の濃度が高濃度ｐ型不純物領域２８５よりも低い。また、低濃度ｐ型不純物領域２８４は、状況に応じて設けなくてもよい。
【０２３６】
トランジスタ２８２は、チャネル形成領域１２８３がウェル２２０に形成される。また、トランジスタ２８２は、チャネル形成領域１２８３、高濃度ｎ型不純物領域１２８５、絶縁層２８６、電極２８７、側壁２８８を有する。また、絶縁層２８６を介して側壁２８８と重なる領域に低濃度ｎ型不純物領域１２８４を有する。
【０２３７】
低濃度ｎ型不純物領域１２８４は、電極２８７形成後、側壁２８８形成前に、電極２８７をマスクとして用いて不純物元素を導入することにより形成することができる。すなわち、低濃度ｎ型不純物領域１２８４は、自己整合方式により形成することができる。側壁２８８の形成後、高濃度ｎ型不純物領域１２８５を形成する。なお、低濃度ｎ型不純物領域１２８４は高濃度ｎ型不純物領域１２８５と同じ導電型を有し、導電型を付与する不純物の濃度が高濃度ｎ型不純物領域１２８５よりも低い。また、低濃度ｎ型不純物領域１２８４は、状況に応じて設けなくてもよい。
【０２３８】
トランジスタ２８１およびトランジスタ２８２は、素子分離領域１１４により電気的に分離されている。素子分離領域の形成は、ＬＯＣＯＳ法（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法や、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法などを用いることができる。
【０２３９】
［変形例１］
図１１とは異なる撮像装置の構成例を図１５に示す。図１５に示すように、ｎチャネル型のトランジスタ２８２を設けない構成としてもよい。周辺回路で必要なＣＭＯＳ回路は、ｎチャネル型のトランジスタ２８９とｐチャネル型のトランジスタ２８１を組み合わせて実現することができる。ｎチャネル型のトランジスタ２８２を設けないことで、撮像装置１００の作製工程を低減することができる。よって、生産性の良好な撮像装置を実現できる。また、製造コストが低減された撮像装置を実現できる。
【０２４０】
［変形例２］
図１１および図１５とは異なる撮像装置の構成例を図１６に示す。図１６に示すトランジスタ１３４およびトランジスタ２８９は、絶縁層１０９を介して半導体層２４２と重なる領域に、バックゲートとして機能する電極２１３を設けている。また、容量素子１３５を構成する電極２７３を、絶縁層１０９を介して電極２３２と重なる領域に設けている。
【０２４１】
トランジスタ１３４およびトランジスタ２８９にバックゲートとして機能する電極２１３を設ける場合は、電極２１３を形成するための導電層の一部を用いて電極２７３を形成することができる。電極２１３と電極２７３は、同じ層上に、同じ作製方法および材料を用いて同時に作製することができる。すなわち、電極２１３と電極２７３は、同一の成膜工程および同一のエッチング工程を経て島状に加工された層である。
【０２４２】
また、電極２１３および電極２７３は、電極２４３と同様の材料および方法で形成することができる。ただし、容量素子１３５に透光性を付与する場合は、電極２１３および電極２７３として透光性を有する導電性材料を用いることが好ましい。容量素子１３５に透光性を付与することで、有効開口率を高めることができる。また、別途、電極２７３を形成するための工程を設ける必要がないため、撮像装置の生産性を高めることができる。
【０２４３】
なお、本明細書等で開示された、金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜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（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使っても良い。
【０２４４】
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。
【０２４５】
熱ＣＶＤ法は、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。
【０２４６】
また、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が順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、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の原料ガスと反応して、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、ガス導入順序を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（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製する場合に適している。
【０２４７】
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、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ３）３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ３）３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ３）２である。また、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（化学式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（化学式Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）を用いることもできる。
【０２４８】
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化合物を含む液体（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）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。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４である。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
【０２４９】
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化合物を含む液体（トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）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。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。また、他の材料液としては、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。
【０２５０】
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、吸着物に含まれる塩素を除去し、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。
【０２５１】
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ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを順次繰り返し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。
【０２５２】
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ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入して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。また、これらのガスを混ぜて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等の不活性ガスで水を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。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
【０２５３】
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。
【０２５４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１７乃至図１９を用いて、周辺回路及び画素回路に用いることができるＣＭＯＳ回路などの一例を示す。なお、回路図において酸化物半導体を用いたトランジスタであることを明示するために、トランジスタの回路記号に「ＯＳ」の記載を付している。
【０２５５】
［回路の構成例］
周辺回路及び画素回路に、ＯＲ回路、ＡＮＤ回路、ＮＡＮＤ回路、及びＮＯＲ回路などの論理回路や、インバータ回路、バッファ回路、シフトレジスタ回路、フリップフロップ回路、エンコーダ回路、デコーダ回路、増幅回路、アナログスイッチ回路、積分回路、微分回路、およびメモリ素子などを適宜設けることができる。
【０２５６】
図１７（Ａ１）に示すＣＭＯＳ回路は、ｐチャネル型のトランジスタ２８１とｎチャネル型のトランジスタ２８２を直列に接続し、且つ、それぞれのゲートを接続した、いわゆるインバータ回路の構成例を示している。
【０２５７】
図１７（Ａ２）に示すＣＭＯＳ回路は、ｐチャネル型のトランジスタ２８１と酸化物半導体を用いたｎチャネル型のトランジスタ２８９を直列に接続し、且つ、それぞれのゲートを接続した、いわゆるインバータ回路の構成例を示している。
【０２５８】
チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ２８９は、オフ電流を極めて小さくすることができるため、消費電力の少ないインバータ回路を実現することができる。
【０２５９】
図１７（Ｂ１）に示すＣＭＯＳ回路は、ｐチャネル型のトランジスタ２８１とｎチャネル型のトランジスタ２８２を並列に接続した、いわゆるアナログスイッチ回路の構成例を示している。
【０２６０】
図１７（Ｂ２）に示すＣＭＯＳ回路は、ｐチャネル型のトランジスタ２８１と酸化物半導体を用いたｎチャネル型のトランジスタ２８９を並列に接続した、いわゆるアナログスイッチ回路の構成例を示している。
【０２６１】
図１８（Ａ１）に示す回路は、酸化物半導体を用いたｎチャネル型のトランジスタ２８９のソースまたはドレインの一方を、ｐチャネル型のトランジスタ２８１のゲートおよび容量素子２５７の一方の電極に接続した、いわゆるメモリ素子の構成例を示している。
【０２６２】
図１８（Ａ２）に示す回路は、酸化物半導体を用いたｎチャネル型のトランジスタ２８９のソースまたはドレインの一方を、酸化物半導体を用いたｎチャネル型のトランジスタ２９６のゲートおよび容量素子２５７の一方の電極に接続した、いわゆるメモリ素子の構成例を示している。
【０２６３】
また、図１８（Ｂ１）に示す回路は、酸化物半導体を用いたｎチャネル型のトランジスタ２８９のソースまたはドレインの一方を、容量素子２５７の一方の電極に接続した、いわゆるメモリ素子の構成例を示している。
【０２６４】
図１８（Ａ１）、図１８（Ａ２）、および図１８（Ｂ１）に示す回路は、トランジスタ２８９のソースまたはドレインの他方から入力された電荷を、ノード２５６に保持することができる。トランジスタ２８９に酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることで、長期間に渡ってノード２５６の電荷を保持することができる。
【０２６５】
図１８（Ｃ１）に示す回路は、光センサの構成例を示している。図１８（Ｃ１）において、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ１３４のソースまたはドレインの一方はフォトダイオード２９１と電気的に接続され、トランジスタ１３４のソースまたはドレインの他方はノード２５４を介してトランジスタ２８２のゲートと電気的に接続されている。
【０２６６】
図１８（Ｃ２）に示す回路は、光センサの構成例を示している。図１８（Ｃ２）において、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ１３４のソースまたはドレインの一方はフォトダイオード２９１と電気的に接続され、トランジスタ１３４のソースまたはドレインの他方はノード２５４を介して酸化物半導体を用いたトランジスタ１３２のゲートと電気的に接続されている。
【０２６７】
チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ１３４は、オフ電流を極めて小さくすることができるため、受光した光量に応じて決定されるノード２５４の電位が変動しにくい。よって、ノイズの影響を受けにくい撮像装置を実現することができる。また、リニアリティが高い撮像装置を実現することができる。
【０２６８】
図１９（Ａ１）に示す回路は、図１７（Ａ１）に示したインバータ回路に、クロック信号ＣＬＫによりオン状態とオフ状態が切り替わるトランジスタ２８１ａと、反転クロック信号ＣＬＫＢによりオン状態とオフ状態が切り替わるトランジスタ２８２ａを付加した、いわゆるクロックドインバータ回路の構成例を示している。
【０２６９】
具体的には、トランジスタ２８１のソースまたはドレインの一方と、トランジスタ２８２のソースまたはドレインの一方が出力端子ＯＵＴと電気的に接続され、トランジスタ２８１のソースまたはドレインの他方がノード２５８と電気的に接続され、トランジスタ２８２のソースまたはドレインの他方がノード２５９と電気的に接続されている。また、トランジスタ２８１のゲートと、トランジスタ２８２のゲートは、入力端子ＩＮと電気的に接続されている。また、トランジスタ２８１ａのソースまたはドレインの一方がノード２５８と電気的に接続され、他方がＨ電位が供給される配線と電気的に接続され、ゲートがクロック信号ＣＬＫの入力端子と電気的に接続されている。また、トランジスタ２８２ａのソースまたはドレインの一方がノード２５９と電気的に接続され、他方がＬ電位が供給される配線と電気的に接続され、ゲートが反転クロック信号ＣＬＫＢの入力端子と電気的に接続されている。
【０２７０】
図１９（Ａ２）に示す回路は、図１９（Ａ１）に示した回路のトランジスタ２８２を、酸化物半導体を用いたトランジスタ２８９と置き換え、トランジスタ２８２ａを、酸化物半導体を用いたトランジスタ２８９ａと置き換えた回路の構成例を示している。
【０２７１】
チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ２８９およびトランジスタ２８９ａは、オフ電流を極めて小さくすることができるため、消費電力の少ないクロックドインバータ回路を実現することができる。
【０２７２】
図１９（Ｂ１）に示す回路は、図１９（Ａ１）に示したクロックドインバータ回路の変形例である。
【０２７３】
具体的には、トランジスタ２８１のソースまたはドレインの一方がノード２５８と電気的に接続され、他方がＨ電位が供給される配線と電気的に接続され、ゲートが入力端子ＩＮと電気的に接続されている。また、トランジスタ２８２のソースまたはドレインの一方がノード２５９と電気的に接続され、他方がＬ電位が供給される配線と電気的に接続され、ゲートが入力端子ＩＮと電気的に接続されている。また、トランジスタ２８１ａのソースまたはドレインの一方と、また、トランジスタ２８２ａのソースまたはドレインの一方が出力端子ＯＵＴと電気的に接続されている。また、トランジスタ２８１ａのソースまたはドレインの他方がノード２５８と電気的に接続され、ゲートがクロック信号ＣＬＫの入力端子と電気的に接続されている。また、トランジスタ２８２ａのソースまたはドレインの他方がノード２５９と電気的に接続され、ゲートが反転クロック信号ＣＬＫＢの入力端子と電気的に接続されている。
【０２７４】
図１９（Ｂ２）に示す回路は、図１９（Ｂ１）に示したクロックドインバータ回路のトランジスタ２８２を、酸化物半導体を用いたトランジスタ２８９と置き換え、トランジスタ２８２ａを、酸化物半導体を用いたトランジスタ２８９ａと置き換えた、クロックドインバータ回路の構成例を示している。
【０２７５】
図１９（Ａ１）および図１９（Ａ２）に示す回路構成の場合、トランジスタ２８１ａおよびトランジスタ２８２ａがオフ状態であっても、出力端子ＯＵＴの接続先がフローティング状態の時に入力端子ＩＮに信号が供給されると、出力端子ＯＵＴとノード２５８の間、もしくは出力端子ＯＵＴとノード２５９の間で電荷の移動が生じ、出力端子ＯＵＴの電位が変動する場合がある。
【０２７６】
一方で、図１９（Ｂ１）および図１９（Ｂ２）に示す回路構成の場合、トランジスタ２８１ａおよびトランジスタ２８２ａがオフ状態であれば、出力端子ＯＵＴの接続先がフローティング状態の時に入力端子ＩＮに信号が供給されても、出力端子ＯＵＴと、ノード２５８またはノード２５９の間で電荷の移動がほぼ生じないため、出力端子ＯＵＴの電位も変動しにくい。
【０２７７】
よって、出力端子ＯＵＴの接続先がフローティング状態となる場合は、図１９（Ｂ１）または図１９（Ｂ２）に示す回路構成を用いることが好ましい。
【０２７８】
図２０に、４つの光センサ（画素）に対して、１つのリセットトランジスタ、１つの増幅トランジスタ、１つのリセット線を兼用する垂直４画素共有型の回路構成例を示す。トランジスタ及び配線を兼用とすることで、トランジスタ及び配線を削減し、１画素あたりの占有面積の縮小による微細化や、フォトダイオードの受光面積拡大によるノイズの低減を実現することができる。
【０２７９】
図２０において、トランジスタ１４１４のゲートが配線１４５１（ＴＲＦ１）と電気的に接続され、トランジスタ１４２４のゲートが配線１４５２（ＴＲＦ２）と電気的に接続され、トランジスタ１４３４のゲートが配線１４５３（ＴＲＦ３）と電気的に接続され、トランジスタ１４４４のゲートが配線１４５４（ＴＲＦ４）と電気的に接続されている。また、トランジスタ１４１４のソースまたはドレインの一方がフォトダイオード１４１２（ＰＤ１）と電気的に接続され、トランジスタ１４２４のソースまたはドレインの一方がフォトダイオード１４２２（ＰＤ２）と電気的に接続され、トランジスタ１４３４のソースまたはドレインの一方がフォトダイオード１４３２（ＰＤ３）と電気的に接続され、トランジスタ１４４４のソースまたはドレインの一方がフォトダイオード１４４２（ＰＤ４）と電気的に接続されている。また、トランジスタ１４１４、トランジスタ１４２４、トランジスタ１４３４、及びトランジスタ１４４４それぞれの、ソースまたはドレインの他方がノード１４１０（ＮＤ）と電気的に接続されている。
【０２８０】
また、トランジスタ１４０６のソースまたはドレインの一方と、トランジスタ１４０８のゲートがノード１４１０と電気的に接続されている。また、トランジスタ１４０６のゲートが配線１４６１（ＲＳＴ１）と電気的に接続され、トランジスタ１４０６のソースまたはドレインの他方とトランジスタ１４０８のソースまたはドレインの一方が、配線１４３０（ＶＤＤ）と電気的に接続されている。また、トランジスタ１４０８のソースまたはドレインの他方が配線１４７０と電気的に接続されている。
【０２８１】
次に、図２０に例示した垂直４画素共有型の回路の動作例を図２１のタイミングチャートに従って説明する。１ライン目の駆動は、まず配線１４６１（ＲＳＴ１）にトランジスタ１４０６をオン状態とする電位（例えば、Ｈ電位。）を供給し、トランジスタ１４０６をオン状態とする。すると、ノード１４１０の電位がＶＤＤになる。
【０２８２】
次に、配線１４６１にトランジスタ１４０６をオフ状態とする電位（例えば、Ｌ電位。）を供給し、トランジスタ１４０６をオフ状態とする。この時、ノード１４１０に他の電流パスがなければノード１４１０の電位はＶＤＤに保持される。
【０２８３】
次に、配線１４５１（ＴＲＦ１）にトランジスタ１４１４をオン状態とする電位（例えば、Ｈ電位。）を供給し、トランジスタ１４１４をオン状態とする。この時、フォトダイオード１４１２（ＰＤ１）に光が当たると、受光量に応じた電流がフォトダイオード１４１２とトランジスタ１４１４に流れ、ノード１４１０の電位が低下する。次に、配線１４５１（ＴＲＦ１）にトランジスタ１４１４をオフ状態とする電位（例えば、Ｌ電位。）を供給し、トランジスタ１４１４をオフ状態とすると、ノード１４１０の電位が保持される。この時のノード１４１０の電位を、トランジスタ１４０８を介して配線１４７０に出力する。
【０２８４】
２ライン目の駆動は、まず、再び配線１４６１にトランジスタ１４０６をオン状態とする電位を供給し、トランジスタ１４０６をオン状態とする。すると、ノード１４１０の電位がＶＤＤとなる。次に、配線１４６１にトランジスタ１４０６をオフ状態とする電位を供給し、トランジスタ１４０６をオフ状態とする。
【０２８５】
次に、配線１４５２（ＴＲＦ２）にトランジスタ１４２４をオン状態とする電位を供給し、トランジスタ１４２４をオン状態とする。この時、フォトダイオード１４２２（ＰＤ２）に光が当たると、受光量に応じた電流がフォトダイオード１４２２とトランジスタ１４２４に流れ、ノード１４１０の電位が低下する。次に、配線１４５２（ＴＲＦ２）にトランジスタ１４１４をオフ状態とする電位（例えば、Ｌ電位。）を供給し、トランジスタ１４２４をオフ状態とすると、ノード１４１０の電位が保持される。この時のノード１４１０の電位を、トランジスタ１４０８を介して配線１４７０に出力する。
【０２８６】
３ライン目の駆動は、まず、再び配線１４６１にトランジスタ１４０６をオン状態とする電位を供給し、トランジスタ１４０６をオン状態とする。すると、ノード１４１０の電位がＶＤＤとなる。次に、配線１４６１にトランジスタ１４０６をオフ状態とする電位を供給し、トランジスタ１４０６をオフ状態とする。
【０２８７】
次に、配線１４５３（ＴＲＦ３）にトランジスタ１４３４をオン状態とする電位を供給し、トランジスタ１４３４をオン状態とする。この時、フォトダイオード１４３２（ＰＤ３）に光が当たると、受光量に応じた電流がフォトダイオード１４３２とトランジスタ１４３４に流れ、ノード１４１０の電位が低下する。次に、配線１４５３（ＴＲＦ３）にトランジスタ１４１４をオフ状態とする電位（例えば、Ｌ電位。）を供給し、トランジスタ１４３４をオフ状態とすると、ノード１４１０の電位が保持される。この時のノード１４１０の電位を、トランジスタ１４０８を介して配線１４７０に出力する。
【０２８８】
４ライン目の駆動は、まず、再び配線１４６１にトランジスタ１４０６をオン状態とする電位を供給し、トランジスタ１４０６をオン状態とする。すると、ノード１４１０の電位がＶＤＤとなる。次に、配線１４６１にトランジスタ１４０６をオフ状態とする電位を供給し、トランジスタ１４０６をオフ状態とする。
【０２８９】
次に、配線１４５４（ＴＲＦ４）にトランジスタ１４４４をオン状態とする電位を供給し、トランジスタ１４４４をオン状態とする。この時、フォトダイオード１４４２（ＰＤ４）に光が当たると、受光量に応じた電流がフォトダイオード１４４２とトランジスタ１４４４に流れ、ノード１４１０の電位が低下する。次に、配線１４５４（ＴＲＦ４）にトランジスタ１４１４をオフ状態とする電位（例えば、Ｌ電位。）を供給し、トランジスタ１４４４をオフ状態とすると、ノード１４１０の電位が保持される。この時のノード１４１０の電位を、トランジスタ１４０８を介して配線１４７０に出力する。
【０２９０】
このようにして、図２０に例示した垂直４画素共有型の回路を動作させることができる。
【０２９１】
また、周辺回路に、図２２（Ａ）に示すシフトレジスタ回路１８００とバッファ回路１９００を組み合わせた回路を設けてもよい。また、周辺回路に、図２２（Ｂ）に示すシフトレジスタ回路１８１０とバッファ回路１９１０とアナログスイッチ回路２１００を組み合わせた回路を設けてもよい。各垂直出力線２１１０はアナログスイッチ回路２１００によって選択され、出力信号を出力線２２００に出力する。アナログスイッチ回路２１００はシフトレジスタ回路１８１０とバッファ回路１９１０で順次選択することができる。
【０２９２】
また、上記実施の形態に示した回路図において、配線１３７（ＯＵＴ）に図２３（Ａ）、図２３（Ｂ）、図２３（Ｃ）に示すような積分回路が接続されていてもよい。当該回路によって、読み出し信号のＳ／Ｎ比を高めることができ、より微弱な光を検出することができる。すなわち、撮像装置の感度を高めることができる。
【０２９３】
図２３（Ａ）は、演算増幅回路（ＯＰアンプ、またはコンパレータともいう）を用いた積分回路である。演算増幅回路の反転入力端子は、抵抗素子Ｒを介して配線１３７に接続される。演算増幅回路の非反転入力端子は、接地電位に接続される。演算増幅回路の出力端子は、容量素子Ｃを介して演算増幅回路の反転入力端子に接続される。
【０２９４】
図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）とは異なる構成の演算増幅回路を用いた積分回路である。演算増幅回路の反転入力端子は、抵抗素子Ｒと容量素子Ｃ１を介して配線１３７（ＯＵＴ）に接続される。演算増幅回路の非反転入力端子は、接地電位に接続される。演算増幅回路の出力端子は、容量素子Ｃ２を介して演算増幅回路の反転入力端子に接続される。
【０２９５】
図２３（Ｃ）は、図２３（Ａ）および図２３（Ｂ）とは異なる構成の演算増幅回路を用いた積分回路である。演算増幅回路の非反転入力端子は、抵抗素子Ｒを介して配線１３７に接続される。演算増幅回路の反転入力端子は、演算増幅回路の反転入力端子に接続される。なお、抵抗素子Ｒと容量素子Ｃは、ＣＲ積分回路を構成する。また、演算増幅回路はユニティゲインバッファを構成する。
【０２９６】
［セレン系半導体を用いた撮像素子］
また、一例として、図１８（Ｃ１）に示した光センサにおけるフォトダイオード２９１をセレン系半導体ＳＳｅとする回路図を、図２４（Ａ）に示す。
【０２９７】
セレン系半導体ＳＳｅとしては、電圧を印加することで１個の入射光子から複数の電子を取り出すことのできる、アバランシェ増倍という現象を利用して光電変換が可能な素子である。従って、セレン系半導体ＳＳｅを有する光センサでは、入射される光量に対する電子の増幅を大きく、高感度のセンサとすることができる。
【０２９８】
セレン系半導体ＳＳｅとしては、非晶質性を有するセレン系半導体、あるいは結晶性を有するセレン系半導体を用いることができる。結晶性を有するセレン系半導体は、一例として、非晶質性を有するセレン系半導体を成膜後、熱処理することで得ればよい。なお結晶性を有するセレン系半導体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が低減し、得られる画像の画質が均一になり好ましい。
【０２９９】
セレン系半導体ＳＳｅの中でも結晶性を有するセレン系半導体は、光吸収係数を広い波長域にわたって有するといった特性を有する。そのため、可視光や、紫外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長域の撮像素子として利用することができ、Ｘ線や、ガンマ線といった短い波長域の光を直接電荷に変換できる、所謂直接変換型の素子として用いることができる。
【０３００】
図２４（Ｂ）には、図２４（Ａ）に示す回路構成の一部に対応する、断面構造の模式図である。図２４（Ｂ）では、トランジスタ１３４、トランジスタ１３４に接続される電極ＥＰｉｘ、セレン系半導体ＳＳｅ、電極ＥＶＰＤ、及び基板Ｓｕｂを図示している。
【０３０１】
電極ＥＶＰＤ、及び基板Ｓｕｂが設けられる側より、セレン系半導体ＳＳｅに向けて光を入射する。そのため電極ＥＶＰＤ、及び基板Ｓｕｂは透光性を有することが好ましい。電極ＥＶＰＤとしては、インジウム錫酸化物を用い、基板Ｓｕｂとしては、ガラス基板を用いることができる。
【０３０２】
セレン系半導体ＳＳｅ、及びセレン系半導体ＳＳｅに積層して設ける電極ＥＶＰＤは、画素ごとに形状を加工することなく用いることができる。形状を加工するための工程を削減することができるため、作製コストの低減、及び作製歩留まりの向上を図ることができる。
【０３０３】
なお、セレン系半導体ＳＳｅは、一例として、カルコパイライト系半導体を挙げることができる。具体例としては、ＣｕＩｎ１−ｘＧａｘＳｅ２（０≦ｘ≦１）（ＣＩＧＳと略記）を挙げることができる。ＣＩＧＳは、蒸着法、スパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０３０４】
カルコパイライト系半導体であるセレン系半導体ＳＳｅは、数Ｖ（５乃至２０Ｖ）程度の電圧を印加することで、アバランシェ増倍を発現できる。セレン系半導体ＳＳｅに電圧を印加して光の照射によって生じる信号電荷の移動における直進性を高めることができる。なおセレン系半導体ＳＳｅの膜厚は、１μｍ以下と薄くすることで、印加する電圧を小さくできる。
【０３０５】
なおセレン系半導体ＳＳｅの膜厚が薄い場合、電圧印加時に暗電流が流れるが、上述したカルコパイライト系半導体であるＣＩＧＳに暗電流が流れることを防ぐための層（正孔注入障壁層）を設けることで、暗電流が流れることを抑制できる。正孔注入障壁層としては、酸化物半導体を用いればよく、一例としては酸化ガリウムを用いることができる。正孔注入障壁層の膜厚は、セレン系半導体ＳＳｅの膜厚より小さいことが好ましい。
【０３０６】
図２４（Ｃ）には、図２４（Ｂ）とは異なる、断面構造の模式図である。図２４（Ｃ）では、トランジスタ１３４、トランジスタ１３４に接続される電極ＥＰｉｘ、セレン系半導体ＳＳｅ、電極ＥＶＰＤ、及び基板Ｓｕｂの他に、正孔注入障壁層ＥＯＳを図示している。
【０３０７】
以上説明したようにセンサとしてセレン系半導体ＳＳｅを用いることで、作製コストの低減、及び作製歩留まりの向上、画素ごとの特性ばらつき低減することができ、高感度のセンサとすることができる。従って、画素内で増幅トランジスタの閾値ばらつきを補正する本発明の一態様の回路構成と組み合わせることで、より精度の高い撮像データの取得が可能な撮像装置とすることができる。
【０３０８】
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。
【０３０９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態に示したトランジスタに用いることができるトランジスタの構成例について、図２５乃至図３１を用いて説明する。
【０３１０】
〔ボトムゲート型トランジスタ〕
図２５（Ａ１）に例示するトランジスタ４１０は、ボトムゲート型のトランジスタの一種であるチャネル保護型のトランジスタである。トランジスタ４１０は、絶縁層１０９上にゲート電極として機能できる電極２４６を有する。また、電極２４６上に絶縁層２１６を介して半導体層２４２を有する。電極２４６は電極２４３と同様の材料及び方法で形成することができる。絶縁層２１６は絶縁層１１７と同様の材料及び方法で形成することができる。
【０３１１】
また、トランジスタ４１０は、半導体層２４２のチャネル形成領域上に、チャネル保護層として機能できる絶縁層２０９を有する。絶縁層２０９は、絶縁層２１６と同様の材料および方法により形成することができる。また、半導体層２４２の一部と接して、絶縁層２１６上に電極２４４および電極２４５を有する。電極２４４の一部、および電極２４５の一部は、絶縁層２０９上に形成される。
【０３１２】
チャネル形成領域上に絶縁層２０９を設けることで、電極２４４および電極２４５の形成時に生じる半導体層２４２の露出を防ぐことができる。よって、電極２４４および電極２４５の形成時に、半導体層２４２のチャネル形成領域がエッチングされることを防ぐことができる。本発明の一態様によれば、電気特性の良好なトランジスタを実現することができる。
【０３１３】
また、トランジスタ４１０は、電極２４４、電極２４５および絶縁層２０９上に絶縁層２１８を有し、絶縁層２１８の上に絶縁層２１９を有する。絶縁層２１８は絶縁層１１８と同様の材料および方法で形成することができる。絶縁層２１９は絶縁層１３９と同様の材料および方法で形成することができる。
【０３１４】
図２５（Ａ２）に示すトランジスタ４１１は、絶縁層２１９上にバックゲート電極として機能できる電極２１３を有する点が、トランジスタ４１０と異なる。電極２１３は、電極２４３と同様の材料および方法で形成することができる。
【０３１５】
一般に、バックゲート電極は導電層で形成され、ゲート電極とバックゲート電極で半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。よって、バックゲート電極は、ゲート電極と同様に機能させることができる。バックゲート電極の電位は、ゲート電極と同電位としてもよいし、ＧＮＤ電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲート電極の電位をゲート電極と連動させず独立して変化させることで、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。
【０３１６】
電極２４６および電極２１３は、どちらもゲート電極として機能することができる。よって、絶縁層２１６、絶縁層２０９、絶縁層２１８、および絶縁層２１９は、それぞれがゲート絶縁層として機能することができる。
【０３１７】
なお、電極２４６または電極２１３の一方を、「ゲート電極」という場合、他方を「バックゲート電極」という場合がある。例えば、トランジスタ４１１において、電極２１３を「ゲート電極」と言う場合、電極２４６を「バックゲート電極」と言う場合がある。また、電極２１３を「ゲート電極」として用いる場合は、トランジスタ４１１をトップゲート型のトランジスタの一種と考えることができる。また、電極２４６および電極２１３のどちらか一方を、「第１のゲート電極」といい、他方を「第２のゲート電極」という場合がある。
【０３１８】
半導体層２４２を挟んで電極２４６および電極２１３を設けることで、更には、電極２４６および電極２１３を同電位とすることで、半導体層２４２においてキャリアの流れる領域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ４１１のオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高くなる。
【０３１９】
したがって、トランジスタ４１１は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ４１１の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０３２０】
また、ゲート電極とバックゲート電極は導電層で形成されるため、トランジスタの外部で生じる電界が、チャネルが形成される半導体層に作用しないようにする機能（特に静電気などに対する電界遮蔽機能）を有する。なお、バックゲート電極を半導体層よりも大きく形成し、バックゲート電極で半導体層を覆うことで、電界遮蔽機能を高めることができる。
【０３２１】
また、電極２４６および電極２１３は、それぞれが外部からの電界を遮蔽する機能を有するため、絶縁層１０９側もしくは電極２１３上方に生じる荷電粒子等の電荷が半導体層２４２のチャネル形成領域に影響しない。この結果、ストレス試験（例えば、ゲートに負の電荷を印加する−ＧＢＴ（Ｇａｔｅ  Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験）の劣化が抑制されると共に、異なるドレイン電圧におけるオン電流の立ち上がり電圧の変動を抑制することができる。なお、この効果は、電極２４６および電極２１３が、同電位、または異なる電位の場合において生じる。
【０３２２】
なお、ＢＴストレス試験は加速試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができる。特に、ＢＴストレス試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変動量は、信頼性を調べるための重要な指標となる。ＢＴストレス試験前後において、しきい値電圧の変動量が少ないほど、信頼性が高いトランジスタであるといえる。
【０３２３】
また、電極２４６および電極２１３を有し、且つ電極２４６および電極２１３を同電位とすることで、しきい値電圧の変動量が低減される。このため、複数のトランジスタにおける電気特性のばらつきも同時に低減される。
【０３２４】
また、バックゲート電極を有するトランジスタは、ゲートに正の電荷を印加する＋ＧＢＴストレス試験前後におけるしきい値電圧の変動も、バックゲート電極を有さないトランジスタより小さい。
【０３２５】
また、バックゲート電極側から光が入射する場合に、バックゲート電極を、遮光性を有する導電膜で形成することで、バックゲート電極側から半導体層に光が入射することを防ぐことができる。よって、半導体層の光劣化を防ぎ、トランジスタのしきい値電圧がシフトするなどの電気特性の劣化を防ぐことができる。
【０３２６】
また、電極２１３は、絶縁層２１８と絶縁層２１９の間に設けてもよい。
【０３２７】
本発明の一態様によれば、信頼性の良好なトランジスタを実現することができる。また、信頼性の良好な半導体装置を実現することができる。
【０３２８】
図２５（Ｂ１）に例示するトランジスタ４２０は、ボトムゲート型のトランジスタの１つであるチャネル保護型のトランジスタである。トランジスタ４２０は、トランジスタ４１０とほぼ同様の構造を有しているが、絶縁層２０９が半導体層２４２を覆っている点が異なる。また、半導体層２４２と重なる絶縁層２０９の一部を選択的に除去して形成した開口部において、半導体層２４２と電極２４４が電気的に接続している。また、半導体層２４２と重なる絶縁層２０９の一部を選択的に除去して形成した他の開口部において、半導体層２４２と電極２４５が電気的に接続している。絶縁層２０９の、チャネル形成領域と重なる領域は、チャネル保護層として機能できる。
【０３２９】
図２５（Ｂ２）に示すトランジスタ４２１は、絶縁層２１９上にバックゲート電極として機能できる電極２１３を有する点が、トランジスタ４２０と異なる。
【０３３０】
絶縁層２０９を設けることで、電極２４４および電極２４５の形成時に生じる半導体層２４２の露出を防ぐことができる。よって、電極２４４および電極２４５の形成時に半導体層２４２の薄膜化を防ぐことができる。
【０３３１】
また、トランジスタ４２０およびトランジスタ４２１は、トランジスタ４１０およびトランジスタ４１１よりも、電極２４４と電極２４６の間の距離と、電極２４５と電極２４６の間の距離が長くなる。よって、電極２４４と電極２４６の間に生じる寄生容量を小さくすることができる。また、電極２４５と電極２４６の間に生じる寄生容量を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、電気特性の良好なトランジスタを実現できる。
【０３３２】
〔トップゲート型トランジスタ〕
図２６（Ａ１）に例示するトランジスタ４３０は、トップゲート型のトランジスタの一種である。トランジスタ４３０は、絶縁層１０９の上に半導体層２４２を有し、半導体層２４２および絶縁層１０９上に、半導体層２４２の一部に接する電極２４４および半導体層２４２の一部に接する電極２４５を有し、半導体層２４２、電極２４４、および電極２４５上に絶縁層２１６を有し、絶縁層２１６上に電極２４６を有する。
【０３３３】
トランジスタ４３０は、電極２４６および電極２４４、並びに、電極２４６および電極２４５が重ならないため、電極２４６および電極２４４の間に生じる寄生容量、並びに、電極２４６および電極２４５の間に生じる寄生容量を小さくすることができる。また、電極２４６を形成した後に、電極２４６をマスクとして用いて不純物元素２５５を半導体層２４２に導入することで、半導体層２４２中に自己整合（セルフアライメント）的に不純物領域を形成することができる（図２６（Ａ３）参照）。本発明の一態様によれば、電気特性の良好なトランジスタを実現することができる。
【０３３４】
なお、不純物元素２５５の導入は、イオンドーピング装置、イオン注入装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。
【０３３５】
不純物元素２５５としては、例えば、第１３族元素または第１５族元素のうち、少なくとも一種類の元素を用いることができる。また、半導体層２４２に酸化物半導体を用いる場合は、不純物元素２５５として、希ガス、水素、および窒素のうち、少なくとも一種類の元素を用いることも可能である。
【０３３６】
図２６（Ａ２）に示すトランジスタ４３１は、電極２１３および絶縁層２１７を有する点がトランジスタ４３０と異なる。トランジスタ４３１は、絶縁層１０９の上に形成された電極２１３を有し、電極２１３上に形成された絶縁層２１７を有する。前述した通り、電極２１３は、バックゲート電極として機能することができる。よって、絶縁層２１７は、ゲート絶縁層として機能することができる。絶縁層２１７は、絶縁層２１６と同様の材料および方法により形成することができる。
【０３３７】
トランジスタ４１１と同様に、トランジスタ４３１は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ４３１の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０３３８】
図２６（Ｂ１）に例示するトランジスタ４４０は、トップゲート型のトランジスタの１つである。トランジスタ４４０は、電極２４４および電極２４５を形成した後に半導体層２４２を形成する点が、トランジスタ４３０と異なる。また、図２６（Ｂ２）に例示するトランジスタ４４１は、電極２１３および絶縁層２１７を有する点が、トランジスタ４４０と異なる。トランジスタ４４０およびトランジスタ４４１において、半導体層２４２の一部は電極２４４上に形成され、半導体層２４２の他の一部は電極２４５上に形成される。
【０３３９】
トランジスタ４１１と同様に、トランジスタ４４１は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ４４１の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０３４０】
トランジスタ４４０およびトランジスタ４４１も、電極２４６を形成した後に、電極２４６をマスクとして用いて不純物元素２５５を半導体層２４２に導入することで、半導体層２４２中に自己整合的に不純物領域を形成することができる。本発明の一態様によれば、電気特性の良好なトランジスタを実現することができる。また、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０３４１】
〔ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ型トランジスタ〕
図２７に、半導体層２４２として酸化物半導体を用いたトランジスタ構造の一例を示す。図２７に例示するトランジスタ４５０は、半導体層２４２ａの上に半導体層２４２ｂが形成され、半導体層２４２ｂの上面並びに半導体層２４２ａ及び半導体層２４２ｂの側面が半導体層２４２ｃに覆われた構造を有する。図２７（Ａ）はトランジスタ４５０の上面図である。図２７（Ｂ）は、図２７（Ａ）中のＸ１−Ｘ２の一点鎖線で示した部位の断面図（チャネル長方向の断面図）である。図２７（Ｃ）は、図２７（Ａ）中のＹ１−Ｙ２の一点鎖線で示した部位の断面図（チャネル幅方向の断面図）である。
【０３４２】
図２７に示すトランジスタ４５０は、絶縁層１０９に設けた凸部上に半導体層２４２ｂを設けている。絶縁層１０９の凸部上に半導体層２４２ｂを設けることによって、半導体層２４２ｂの側面を電極２４３で覆うことができる。すなわち、トランジスタ４５０は、電極２４３の電界によって、半導体層２４２ｂを電気的に取り囲むことができる構造を有している。このように、導電膜の電界によって、チャネルが形成される半導体層を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。また、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するトランジスタを、「ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ型トランジスタ」もしくは「ｓ−ｃｈａｎｎｅｌトランジスタ」ともいう。
【０３４３】
ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、半導体層２４２ｂの全体（バルク）にチャネルが形成される場合がある。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流を得ることができる。また、電極２４３の電界によって、半導体層２４２ｂに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。
【０３４４】
なお、絶縁層１０９の凸部を高くし、また、チャネル幅を小さくすることで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などをより高めることができる。また、半導体層２４２ｂの形成時に、露出する半導体層２４２ａを除去してもよい。この場合、半導体層２４２ａと半導体層２４２ｂの側面が揃う場合がある。
【０３４５】
また、図２８に示すトランジスタ４５１のように、半導体層２４２の下方に、絶縁層を介して電極２１３を設けてもよい。図２８（Ａ）はトランジスタ４５１の上面図である。図２８（Ｂ）は、図２８（Ａ）中のＸ１−Ｘ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図２８（Ｃ）は、図２８（Ａ）中のＹ１−Ｙ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。
【０３４６】
また、図２９に示すトランジスタ４５２のように、電極２４３の上方に絶縁層２１０を設け、絶縁層２１０上に層２１４を設けてもよい。絶縁層２１０は、絶縁層１１９と同様の材料および方法で形成することができる。
【０３４７】
図２９（Ａ）はトランジスタ４５２の上面図である。図２９（Ｂ）は、図２９（Ａ）中のＸ１−Ｘ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図２９（Ｃ）は、図２９（Ａ）中のＹ１−Ｙ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。
【０３４８】
なお、図２９では、層２１４を絶縁層２１０上に設けているが、絶縁層２１８上、または絶縁層２１９上に設けてもよい。層２１４を、遮光性を有する材料で形成することで、光照射によるトランジスタの特性変動や、信頼性の低下などを防ぐことができる。なお、層２１４を少なくとも半導体層２４２ｂよりも大きく形成し、層２１４で半導体層２４２ｂを覆うことで、上記の効果を高めることができる。層２１４は、有機物材料、無機物材料、又は金属材料を用いて作製することができる。また、層２１４を導電性材料で作製した場合、層２１４に電圧を供給してもよいし、電気的に浮遊した（フローティング）状態としてもよい。
【０３４９】
図３０にｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有するトランジスタの他の一例を示す。図３０に例示するトランジスタ４２２は、半導体層２４２ａの上に半導体層２４２ｂが形成されている。トランジスタ４２２は、バックゲート電極を有するボトムゲート型のトランジスタの一種である。図３０（Ａ）はトランジスタ４２２の上面図である。図３０（Ｂ）は、図３０（Ａ）中のＸ１−Ｘ２の一点鎖線で示した部位の断面図（チャネル長方向の断面図）である。図３０（Ｃ）は、図３０（Ａ）中のＹ１−Ｙ２の一点鎖線で示した部位の断面図（チャネル幅方向の断面図）である。
【０３５０】
絶縁層２１９上に設けられた電極２１３は、絶縁層２１６、絶縁層２１８、および絶縁層２１９に設けられた開口２４７ａおよび開口２４７ｂにおいて、電極２４６と電気的に接続されている。よって、電極２１３と電極２４６には、同じ電位が供給される。また、開口２４７ａおよび開口２４７ｂは、どちらか一方を設けなくてもよい。また、開口２４７ａおよび開口２４７ｂの両方を設けなくてもよい。開口２４７ａおよび開口２４７ｂの両方を設けない場合は、電極２１３と電極２４６に異なる電位を供給することができる。
【０３５１】
なお、トランジスタ４２２では、半導体層２４２を半導体層２４２ａと半導体層２４２ｂの２層構造とする例を示している。
【０３５２】
図３０（Ｂ）にＣ３−Ｃ４の一点鎖線で示す部位のエネルギーバンド構造図を図３１に示す。図３１は、トランジスタ４２２のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。
【０３５３】
図３１中、Ｅｃ３８７は、絶縁層２１８の伝導帯下端のエネルギーを示している。半導体層２４２を半導体層２４２ａと半導体層２４２ｂの２層とすることで、トランジスタの生産性を高めることができる。なお、半導体層２４２ｃを設けない分、トラップ準位３９０の影響を受けやすくなるが、半導体層２４２を単層構造とした場合よりも高い電界効果移動度を実現することができる。
【０３５４】
本発明の一態様によれば、消費電力が少ないトランジスタを実現することができる。よって、消費電力が少ない撮像装置などを実現することができる。本発明の一態様によれば、信頼性の良好なトランジスタを実現することができる。よって、信頼性の良好な撮像装置などを実現することができる。
【０３５５】
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。
【０３５６】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る撮像装置を用いた電子機器の一例について説明する。
【０３５７】
本発明の一態様に係る撮像装置を用いた電子機器として、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、ナビゲーションシステム、置き時計、壁掛け時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、タブレット型端末、パチンコ機などの大型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、エアコンディショナー、加湿器、除湿器などの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、懐中電灯、チェーンソー等の工具、煙感知器、透析装置等の医療機器、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。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム、電力の平準化やスマートグリッドのための蓄電装置等の産業機器が挙げられる。また、非水系二次電池からの電力を用いた電動機や、燃料を用いたエンジンにより推進する移動体なども、電子機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などが挙げられる。
【０３５８】
図３２（Ａ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作スイッチ９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作スイッチ９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。レンズ９４５の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
【０３５９】
図３２（Ｂ）は携帯電話であり、筐体９５１に、表示部９５２、マイク９５７、スピーカ９５４、カメラ９５９、入出力端子９５６、操作スイッチ９５５等を有する。また、本体内部にアンテナやバッテリを有し、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。
【０３６０】
図３２（Ｃ）はデジタルカメラであり、筐体９２１、シャッターボタン９２２、マイク９２３、発光部９２７、レンズ９２５等を有する。レンズ９２５の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
【０３６１】
図３２（Ｄ）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９０６、操作スイッチ９０７、スタイラス９０８、カメラ９０９等を有する。なお、図３７（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。
【０３６２】
図３２（Ｅ）は腕時計型の情報端末であり、筐体９３１、表示部９３２、リストバンド９３３、カメラ９３９等を有する。表示部９３２はタッチパネルとなっていてもよい。カメラ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。
【０３６３】
図３２（Ｆ）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。
【０３６４】
なお、本発明の一態様の撮像装置を具備していれば、上記で示した電子機器に特に限定されないことは言うまでもない。
【０３６５】
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。
【符号の説明】
【０３６６】
１００    撮像装置
１０１    基板
１０２    絶縁層
１０３    絶縁層
１０４    絶縁層
１０５    絶縁層
１０６    コンタクトプラグ
１０７    絶縁層
１０８    絶縁層
１０９    絶縁層
１１０    画素部
１１１    画素
１１２    画素駆動回路
１１３    画素
１１４    素子分離領域
１１５    絶縁層
１１６    絶縁層
１１７    絶縁層
１１８    絶縁層
１１９    絶縁層
１２１    配線
１２２    配線
１２３    配線
１２４    配線
１２５    配線
１２６    配線
１２７    配線
１２８    配線
１２９    配線
１３１    トランジスタ
１３２    トランジスタ
１３３    トランジスタ
１３４    トランジスタ
１３５    容量素子
１３６    光電変換素子
１３７    配線
１３９    絶縁層
１４１    配線
１４２    配線
１４３    配線
１４４    配線
１４５    配線
１５１    ノード
１５２    ノード
２０９    絶縁層
２１０    絶縁層
２１３    電極
２１４    層
２１６    絶縁層
２１７    絶縁層
２１８    絶縁層
２１９    絶縁層
２２０    ウェル
２２１    ｐ型半導体
２２３    ｎ型半導体
２２４    開口
２２５    開口
２３２    電極
２４１    トランジスタ
２４２    半導体層
２４３    電極
２４４    電極
２４５    電極
２４６    電極
２５１    画素領域
２５２    周辺回路領域
２５４    ノード
２５５    不純物元素
２５６    ノード
２５７    容量素子
２５８    ノード
２５９    ノード
２６０    回路
２６１    信号処理回路
２６２    列駆動回路
２６３    出力回路
２６４    回路
２６５    配線
２６６    配線
２６７    配線
２６８    配線
２６９    配線
２７０    回路
２７３    電極
２８０    回路
２８１    トランジスタ
２８２    トランジスタ
２８３    形成領域
２８４    低濃度ｐ型不純物領域
２８５    高濃度ｐ型不純物領域
２８６    絶縁層
２８７    電極
２８８    側壁
２８９    トランジスタ
２９０    回路
２９１    フォトダイオード
２９６    トランジスタ
３８２    Ｅｃ
３８６    Ｅｃ
３８７    Ｅｃ
３９０    トラップ準位
４１０    トランジスタ
４１１    トランジスタ
４２０    トランジスタ
４２１    トランジスタ
４２２    トランジスタ
４３０    トランジスタ
４３１    トランジスタ
４４０    トランジスタ
４４１    トランジスタ
４５０    トランジスタ
４５１    トランジスタ
４５２    トランジスタ
６００    レンズ
６０２    フィルタ
６０４    配線層
６６０    光
９０１    筐体
９０２    筐体
９０３    表示部
９０４    表示部
９０５    マイク
９０６    スピーカ
９０７    操作スイッチ
９０８    スタイラス
９０９    カメラ
９１１    筐体
９１２    表示部
９１９    カメラ
９２１    筐体
９２２    シャッターボタン
９２３    マイク
９２５    レンズ
９２７    発光部
９３１    筐体
９３２    表示部
９３３    リストバンド
９３９    カメラ
９４１    筐体
９４２    筐体
９４３    表示部
９４４    操作スイッチ
９４５    レンズ
９４６    接続部
９５１    筐体
９５２    表示部
９５４    スピーカ
９５５    操作スイッチ
９５６    入出力端子
９５７    マイク
９５９    カメラ
１２８３    チャネル形成領域
１２８４    低濃度ｎ型不純物領域
１２８５    高濃度ｎ型不純物領域
１４０６    トランジスタ
１４０８    トランジスタ
１４１０    ノード
１４１２    フォトダイオード
１４１４    トランジスタ
１４２２    フォトダイオード
１４２４    トランジスタ
１４３０    配線
１４３２    フォトダイオード
１４３４    トランジスタ
１４４２    フォトダイオード
１４４４    トランジスタ
１４５１    配線
１４５２    配線
１４５３    配線
１４５４    配線
１４６１    配線
１４７０    配線
１８００    シフトレジスタ回路
１８１０    シフトレジスタ回路
１９００    バッファ回路
１９１０    バッファ回路
２１００    アナログスイッチ回路
２１１０    垂直出力線
２２００    出力線
５１００    ペレット
５１２０    基板
５１６１    領域
１１１Ｂ    画素
１１１Ｇ    画素
１１１Ｒ    画素
２３２ａ    電極
２３２ｂ    電極
２４２ａ    半導体層
２４２ｂ    半導体層
２４２ｃ    半導体層
２４３ａ    電極
２４３ｂ    電極
２４７ａ    開口
２４７ｂ    開口
２６４ａ    回路
２６４ｂ    カウンタ回路
２６４ｃ    ラッチ回路
２８１ａ    トランジスタ
２８２ａ    トランジスタ
２８９ａ    トランジスタ
３８３ａ    Ｅｃ
３８３ｂ    Ｅｃ
３８３ｃ    Ｅｃ
６０２Ｂ    フィルタ
６０２Ｇ    フィルタ
６０２Ｒ    フィルタ
【図１】
2016105468.tif 000003
【図２】
2016105468.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2016105468.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016105468.tif 000009
【図８】
2016105468.tif 000010
【図９】
2016105468.tif 000011
【図１０】
2016105468.tif 000012
【図１１】
2016105468.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2016105468.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2016105468.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2016105468.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３７】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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