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JP6587440B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description

本発明の一態様は、半導体装置とその駆動方法に関する。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固体撮像装置と、その駆動方法に関する。更には、当該固体撮像装置を有する電子機器に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。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。
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、固体撮像装置、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、固体撮像装置、および電子機器なども半導体装置を有する場合がある。
ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサと呼ばれる、ＭＯＳ（金属酸化膜半導体：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタの増幅機能を用いたフォトセンサは、汎用のＣＭＯＳプロセスを用いて製造できる。そのため、ＣＭＯＳセンサを各画素に有する撮像装置の製造コストを低くできる上に、フォトセンサと表示素子を同一基板上に作り込んだ半導体装置を実現することができる。また、ＣＭＯＳセンサはＣＣＤ（電荷結合素子：Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサに比べて駆動電圧が低いため、固体撮像装置の消費電力を低く抑えることができる。
ＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置では、撮像の際に、フォトダイオードにおける電荷の蓄積動作と、上記電荷の読み出し動作とを、行ごとに順次行うローリングシャッタ方式が一般的に用いられている（特許文献１参照）。また、ローリングシャッタ方式の代わりに、電荷の蓄積動作が全画素において一斉に行われるグローバルシャッタ方式が採用される場合もある。
また、非特許文献１には反射光を検出することにより被検出物の３次元の撮像を行う一例が示されている。
非特許文献１にも記載されているように、フォトダイオードの光電変換により得られた電荷を電荷蓄積領域に転送するトランジスタにおいては、転送効率を高めるために該トランジスタのチャネル幅を増大させている。
特開２００９−１４１７１７号公報
Ｓ．Ｊ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．，"Ａ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ ＣＭＯＳ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ｐｉｎｎｅｄ−Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ"，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｎｏｖ．２０１０，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１１，ｐｐ．１２７２−１２７４
しかしながらトランジスタのチャネル幅を増大させるとオフ電流が増大するおそれがあり、蓄積した電荷の保持特性が低下する恐れがある。本発明の一態様は、品質の高い画像を撮像することが可能な固体撮像装置などを提供することを課題の一とする。または、撮像間隔の短い固体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、低消費電力である固体撮像装置などを提供することを課題の一とする。または、これらの駆動方法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、短い撮像間隔で３次元の撮像が可能な固体撮像装置を提供することを課題の一とする。または、高精細の２次元の撮像が可能な固体撮像装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性の高い撮像装置を提供することを課題の一とする。または、これらの駆動方法を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、第１の回路と、第２の回路と、第３のトランジスタと、光源と、を有する半導体装置の駆動方法である。第１の回路は、第１の光電変換素子と、第１のトランジスタと、第１の電荷蓄積領域と、を有する。第２の回路は、第２の光電変換素子と、第２のトランジスタと、第２の電荷蓄積領域と、を有する。第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１の光電変換素子と電気的に接続され、第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１の電荷蓄積領域と電気的に接続される。第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２の光電変換素子と電気的に接続され、第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２の電荷蓄積領域と電気的に接続される。第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１の光電変換素子と電気的に接続され、第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２の光電変換素子と電気的に接続される。本発明の一態様の半導体装置の駆動方法は、第１のステップと、第２のステップと、第３のステップと、第４のステップと、を有する。第１のステップにおいて、光源は、光の放出を開始し、第１のステップにおいて、第１のトランジスタ及び第３のトランジスタはオン状態であり、第１のステップにおいて、第２のトランジスタはオフ状態であり、第１のステップにおいて、第１の光電変換素子の受光量と第２の光電変換素子の受光量を合わせた受光量に応じた第１の電位を第１の電荷蓄積領域に書き込む。第２のステップにおいて、光源は、光の放出を終了し、第２のステップにおいて、第１のトランジスタはオフ状態であり、第２のステップにおいて、第２のトランジスタ及び第３のトランジスタはオン状態であり、第２のステップにおいて、第１の光電変換素子の受光量と第２の光電変換素子の受光量を合わせた受光量に応じた第２の電位を第２の電荷蓄積領域に書き込む。第３のステップにおいて、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタはオフ状態であり、第３のステップにおいて、第１の電荷蓄積領域に書き込まれた第１の電位に応じた第１の情報を読み出す。第４のステップにおいて、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタはオフ状態であり、第４のステップにおいて、第２の電荷蓄積領域に書き込まれた第２の電位に応じた第２の情報を読み出す。
上記構成において、半導体装置は撮像装置を有し、撮像装置は、第１のステップおよび第２のステップにより被検出物の撮像を行い、第１のステップにより、光源から放出される光が被検出物に照射され、第１の情報と、第２の情報と、を用いて撮像装置と被検出物との距離を算出することが好ましい。また、上記構成において、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは、酸化物半導体を有することが好ましい。また、上記構成において、第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子は、ｐｉｎ型の接合を有することが好ましい。
また、上記構成において、第１の回路は第４のトランジスタを有し、第２の回路は第５のトランジスタを有し、第４のトランジスタのゲートは、第１の電荷蓄積領域と電気的に接続され、第５のトランジスタのゲートは、第２の電荷蓄積領域と電気的に接続され、第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続されることが好ましい。
本発明の一態様により、品質の高い画像を撮像することが可能な固体撮像装置などを提供することができる。または、撮像間隔の短い固体撮像装置などを提供することができる。または、本発明の一態様は、低消費電力である固体撮像装置などを提供することができる。または、これらの駆動方法を提供することができる。
または、本発明の一態様により、短い撮像間隔で３次元の撮像が可能な固体撮像装置を提供することができる。または、高精細の２次元の撮像が可能な固体撮像装置を提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置を提供することができる。または、これらの駆動方法を提供することができる。
なお、本発明の一態様はこれらの効果に限定されるものではない。例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果以外の効果を有する場合もある。または、例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果を有さない場合もある。
本発明の一態様の撮像装置の構成例を説明する図。 画素の構成例を説明する図。 画素の構成例を説明する図。 画素の構成例を説明する図。 画素の回路構成例を説明する図。 撮像動作の一例を説明するタイミングチャート。 撮像動作の一例を説明する回路図。 撮像動作の一例を説明する回路図。 撮像動作の一例を説明する回路図。 画素の構成例を説明する図。 周辺回路の構成例を説明する図。 撮像動作の一例を説明するタイミングチャート。 撮像動作の一例を説明する回路図。 撮像動作の一例を説明する回路図。 撮像動作の一例を説明する回路図。 撮像動作の一例を説明する回路図。 画素の構成例を説明する図。 撮像動作の一例を説明するタイミングチャート。 撮像動作の一例を説明するタイミングチャート。 画素の回路構成例を説明する図。 撮像装置の構成例を説明する図。 トランジスタの一例を説明する図。 エネルギーバンド構造を説明する図。 トランジスタの一例を説明する図。 回路構成の一例を説明する図。 光センサの一例を説明する図。 回路構成の一例を説明する図。 回路構成の一例を説明する図。 トランジスタの一形態を説明する図。 トランジスタの一形態を説明する図。 トランジスタの一形態を説明する図。 トランジスタの一形態を説明する図。 本発明の一態様に係る電子機器を説明する図。 撮像装置の構成例を説明する図。 撮像装置の構成例を説明する図。 撮像動作の一例を説明する図。 撮像装置の構成例を説明する図。 撮像装置の構成例を説明する図。
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。
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。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは、前記第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
なお、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、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはポリ塩化ビニルなどがある。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。
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。
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。
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。
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。
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。
また、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」および「直交」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（接地電位）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。
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「絶縁体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「絶縁体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「絶縁体」は、互いに読み換えることができる場合がある。
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「導電体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「導電体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「導電体」は、互いに読み換えることができる場合がある。
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、半導体がシリコン膜である場合、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。
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。
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。
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。
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、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、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。
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。
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。
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。
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。
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の撮像装置について、図面を参照して説明する。
［撮像装置１００の構成例］
図１（Ａ）は、本発明の一態様の撮像装置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、画素部１１０を駆動するための第１の周辺回路２６０、第２の周辺回路２７０、第３の周辺回路２８０、及び第４の周辺回路２９０を有する。画素部１１０は、ｐ行ｑ列（ｐ及び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を有する。第１の周辺回路２６０乃至第４の周辺回路２９０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。なお、本明細書等において、第１の周辺回路２６０乃至第４の周辺回路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の周辺回路２６０は周辺回路の一部と言える。
また、撮像装置１００は、光源１９０を有することが好ましい。光源１９０は、光Ｐ１を放射することができる。
また、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、周辺回路は画素部１１０を形成する基板に形成してもよいし、周辺回路の一部または全部をＩＣ等の半導体装置で実装してもよい。なお、周辺回路は、第１の周辺回路２６０乃至第４の周辺回路２９０のうち、少なくとも１つを省略してもよい。例えば、第１の周辺回路２６０または第４の周辺回路２９０の一方の機能を、第１の周辺回路２６０または第４の周辺回路２９０の他方に付加して、第１の周辺回路２６０または第４の周辺回路２９０の一方を省略してもよい。また、例えば、第２の周辺回路２７０または第３の周辺回路２８０の一方の機能を、第２の周辺回路２７０または第３の周辺回路２８０の他方に付加して、第２の周辺回路２７０または第３の周辺回路２８０の一方を省略してもよい。また、例えば、第１の周辺回路２６０乃至第４の周辺回路２９０のいずれか１つに、他の回路の機能を付加して、第１の周辺回路２６０乃至第４の周辺回路２９０のいずれか１つ以外を省略してもよい。
また、図１（Ｂ）に示すように、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、行方向およ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。
例えば、第１の周辺回路２６０または第４の周辺回路２９０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する。例えば、図１１に示すように、第１の周辺回路２６０に信号処理回路２７１、列駆動回路２７２、出力回路２７３などを設けてもよい。
また、図１１に示す信号処理回路２７１は、列ごとに設けられた回路２７４を有する。回路２７４は、ノイズの除去、アナログ−デジタル変換などの信号処理を行う機能を有することができる。図１１に示す回路２７４は、アナログ−デジタル変換の機能を有する。信号処理回路２７１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。
回路２７４は、コンパレータ２７４ａとカウンタ回路２７４ｂを有する。コンパレータ２７４ａは、列ごとに設けられた配線９９９から入力されるアナログ信号と、配線２７７から入力される参照用電位信号（例えば、ランプ波信号）の電位を比較する機能を有する。カウンタ回路２７４ｂは、配線２７８からクロック信号が入力される。カウンタ回路２７４ｂは、コンパレータ２７４ａでの比較動作により第１の値が出力されている期間を計測し、計測結果をＮビットデジタル値として保持する機能を有する。
列駆動回路２７２は、列選択回路、水平駆動回路等とも呼ばれる。列駆動回路２７２は、信号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２７２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２７２により列が順次選択され、選択された列の回路２７４から出力された信号が、配線２７９を介して出力回路２７３に入力される。配線２７９は水平転送線として機能することができる。
出力回路２７３に入力された信号は、出力回路２７３で処理されて、撮像装置１００の外部に出力される。出力回路２７３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２７３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。
また、例えば、第２の周辺回路２７０または第３の周辺回路２８０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の周辺回路２７０または第３の周辺回路２８０を、行選択回路、又は垂直駆動回路と呼ぶ場合がある。
また、図３５（Ａ１）及び図３５（Ｂ１）に示すように、撮像装置１００を湾曲させてもよい。図３５（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３５（Ａ２）は、図３５（Ａ１）中の二点鎖線Ｘ１−Ｘ２で示した部位の断面図である。図３５（Ａ３）は、図３５（Ａ１）中の二点鎖線Ｙ１−Ｙ２で示した部位の断面図である。
図３５（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３５（Ｂ２）は、図３５（Ｂ１）中の二点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図３５（Ｂ３）は、図３５（Ｂ１）中の二点鎖線Ｙ３−Ｙ４で示した部位の断面図である。
撮像装置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。
［画素１１１の構成例］
撮像装置１００が有する１つの画素１１１を複数の副画素１１２で構成し、それぞれの副画素１１２に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせることで、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。
図２（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２（Ａ）に示す画素１１１は、赤（Ｒ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素１１２（以下、「副画素１１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素１１２（以下、「副画素１１２Ｇ」ともいう）及び青（Ｂ）の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素１１２（以下、「副画素１１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素１１２は、フォトセンサとして機能させることができる。
副画素１１２（副画素１１２Ｒ、副画素１１２Ｇ、及び副画素１１２Ｂ）は、配線１３１、配線１４１、配線１４４、配線１４６、配線１３５と電気的に接続される。また、副画素１１２Ｒ、副画素１１２Ｇ、及び副画素１１２Ｂは、それぞれが独立した配線１３７に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素１１１に接続された配線１４４及び配線１４６を、それぞれ配線１４４［ｎ］及び配線１４６［ｎ］と記載する。また、例えばｍ列目の画素１１１に接続された配線１３７を、配線１３７［ｍ］と記載する。なお、図２（Ａ）において、ｍ列目の画素１１１が有する副画素１１２Ｒに接続する配線１３７を１３７［ｍ］Ｒ、副画素１１２Ｇに接続する配線１３７を配線１３７［ｍ］Ｇ、及び副画素１１２Ｂに接続する配線１３７を配線１３７［ｍ］Ｂと記載している。副画素１１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
また、本実施の形態に示す撮像装置１００は、隣接する画素１１１の、同じ波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素１１２がスイッチを介して接続する構成を有する。図２（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の自然数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の自然数）に配置された画素１１１が有する副画素１１２と、該画素に隣接するｎ＋１行ｍ列に配置された画素１１１が有する副画素１１２の接続例を示す。図２（Ｂ）において、ｎ行ｍ列に配置された副画素１１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素１１２Ｒがスイッチ２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素１１２Ｇと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素１１２Ｇがスイッチ２０２を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素１１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素１１２Ｂがスイッチ２０３を介して接続されている。
なお、副画素１１２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３（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１１１に３種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素１１２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。
図３（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副画素１１２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副画素１１２を有する画素１１１を例示している。図３（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副画素１１２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副画素１１２を有する画素１１１を例示している。１つの画素１１１に４種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素１１２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。
また、例えば、図２（Ａ）において、赤の波長帯域を検出する副画素１１２、緑の波長帯域を検出する副画素１１２、および青の波長帯域を検出する副画素１１２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３（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。
なお、画素１１１に設ける副画素１１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば、同じ波長帯域を検出する副画素１１２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。
また、フィルタとして可視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６０２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）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和すること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。
また、前述したフィルタ以外に、画素１１１にレンズを設けてもよい。ここで、図４の断面図を用いて、画素１１１、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、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図４（Ａ）に示すように、画素１１１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）、及び画素回路２３０等を通して光６６０を光電変換素子２２０に入射させる構造とすることができる。
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の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図４（Ｂ）に示すように光電変換素子２２０側にレンズ６００及びフィルタ６０２を形成して、光電変換素子２２０が入射光を効率良く受光できる構造が好ましい。光電変換素子２２０側から光６６０を光電変換素子２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置１００を提供することができる。
図４に示す光電変換素子２２０として、ｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。ｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子については、実施の形態３で詳細を説明する。
また、光電変換素子２２０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等がある。
例えば、光電変換素子２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２０を実現できる。
ここで、撮像装置１００が有する１つの画素１１１は、図２や図３に示す副画素に加えて、第１のフィルターを有する副画素を有してもよい。一例を図１０に示す。
図１０（Ａ）は、図２に示す画素１１１が、副画素１１２Ｒ、副画素１１２Ｇ、副画素１１２Ｂに加えて、フィルタ６０２Ｉが設けられた副画素（以下、「副画素１１２Ｉ」）を有する例を示す。フィルタ６０２Ｉとして、光Ｐ１が有する波長帯域の光を透過するフィルターを設けることが好ましい。フィルタ６０２Ｉとして、例えば光Ｐ１に赤外の波長帯域を有する光を用いる場合には、赤外の波長域の光を透過するカラーフィルタを用いることができる。
図１０（Ｂ）の断面図は、画素１１１が、フィルタ６０２Ｒ、フィルタ６０２Ｇ、フィルタ６０２Ｂおよびフィルタ６０２Ｉが設けられた４つの副画素１１２（副画素１１２Ｒ、副画素１１２Ｇ、副画素１１２Ｂおよび副画素１１２Ｉ）を有する例を示す。また、画素１１１にはレンズ６００が形成されている。
［副画素１１２の回路構成例］
次に、図５の回路図を用いて、副画素１１２の具体的な回路構成例について説明する。図５に、ｎ行目の画素１１１が有する副画素１１２［ｎ］と、ｎ＋１行目の画素１１１が有する副画素１１２［ｎ＋１］が、トランジスタ１２９を介して電気的に接続する回路構成例を示す。トランジスタ１２９は、スイッチ２０１、スイッチ２０２、またはスイッチ２０３として機能できる。
図５では、光電変換素子として、フォトダイオードを用いる例を示す。
図５に示す回路図において、具体的には、ｎ行目の画素１１１が有する副画素１１２［ｎ］は、フォトダイオードＰＤ［ｎ］（光電変換素子）、トランジスタ１２１、トランジスタ１２３、およびトランジスタ１２４を含んで構成される。また、ｎ＋１行目の画素１１１が有する副画素１１２［ｎ＋１］は、フォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］、トランジスタ１２５、トランジスタ１２７、およびトランジスタ１２８を含んで構成される。
本実施の形態では、トランジスタ１２１乃至トランジスタ１２９としてｎチャネル型のトランジスタを用いる場合を例示する。よって、トランジスタ１２１乃至トランジスタ１２９では、ゲートに供給される信号がＨ電位の時にソースとドレインとの間が導通状態（オン状態）となり、Ｌ電位の時に非導通状態（オフ状態）となる。
ただし、本発明の一態様はこれに限定されず、トランジスタ１２１乃至トランジスタ１２９としてｐチャネル型のトランジスタを用いることもできる。また、ｎチャネル型のトランジスタとｐチャネル型のトランジスタを適宜組み合わせて用いることもできる。
図５の回路図において、フォトダイオードＰＤ［ｎ］のアノードまたはカソードの一方は、電位ＶＰを供給可能な配線１３１と電気的に接続される。また、フォトダイオードＰＤ［ｎ］のアノードまたはカソードの他方と、トランジスタ１２１のソースまたはドレインの一方と、トランジスタ１２２のソースまたはドレインの一方は、ノードＮＤ［ｎ］に電気的に接続される。また、トランジスタ１２２のソースまたはドレインの他方は、電位ＶＲを供給可能な配線１３３と電気的に接続され、トランジスタ１２２のゲートは電位ＰＲを供給可能な配線１４１と電気的に接続される。また、トランジスタ１２１のソースまたはドレインの他方とトランジスタ１２３のゲートは、電荷蓄積領域であるノードＦＤ［ｎ］に電気的に接続され、トランジスタ１２１のゲートは電位ＴＸ［ｎ］を供給可能な配線１４４［ｎ］と電気的に接続される。また、トランジスタ１２３のソースまたはドレインの一方は、電位ＶＯを供給可能な配線１３５に電気的に接続され、トランジスタ１２３のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１２４のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ１２４のソースまたはドレインの他方は、配線１３７［ｍ］と電気的に接続され、トランジスタ１２４のゲートは電位ＳＥＬを供給可能な配線１４６［ｎ］と電気的に接続される。また、トランジスタ１２９のソースまたはドレインの一方は、ノードＮＤ［ｎ］に電気的に接続され、トランジスタ１２９のゲートは電位ＰＡを供給可能な配線１４２と電気的に接続される。
また、フォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］のアノードまたはカソードの一方は、電位ＶＰを供給可能な配線１３２と電気的に接続される。また、フォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］のアノードまたはカソードの他方と、トランジスタ１２５のソースまたはドレインの一方と、トランジスタ１２６のソースまたはドレインの一方は、電荷蓄積領域であるノードＮＤ［ｎ＋１］に電気的に接続される。また、トランジスタ１２６のソースまたはドレインの他方は、電位ＶＲを供給可能な配線１３４と電気的に接続され、トランジスタ１２６のゲートは電位ＰＲを供給可能な配線１４３と電気的に接続される。また、トランジスタ１２５のソースまたはドレインの他方とトランジスタ１２７のゲートは、ノードＦＤ［ｎ＋１］に電気的に接続され、トランジスタ１２５のゲートは電位ＴＸ［ｎ＋１］を供給可能な配線１４４［ｎ＋１］と電気的に接続される。また、トランジスタ１２７のソースまたはドレインの一方は、電位ＶＯを供給可能な配線１３６に電気的に接続され、トランジスタ１２７のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１２８のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ１２８のソースまたはドレインの他方は、配線１３７［ｍ］と電気的に接続され、トランジスタ１２８のゲートは電位ＳＥＬを供給可能な配線１４６［ｎ＋１］と電気的に接続される。また、トランジスタ１２９のソースまたはドレインの他方は、ノードＮＤ［ｎ＋１］に電気的に接続される。
また、図５では配線１３１及び配線１３２を分けて記載しているが、１本の共通配線としてもよい。また、図５では配線１４１及び配線１４３を分けて記載しているが、１本の共通配線としてもよい。また、図５では配線１３５及び配線１３６を分けて記載しているが、１本の共通配線としてもよい。
なお、図５では光電変換素子としてフォトダイオードを用いたが、光電変換が可能な素子であればこれに限定されない。
＜動作例１＞
次に、図６乃至図９を用いて、撮像装置１００を用いて、２次元の撮像をグローバルシャッタ方式で行う撮像動作の一例を説明する。全ての副画素１１２において、リセット動作及び蓄積動作を一括で行い、読み出し動作を順次行うことで、グローバルシャッタ方式による撮像を行うことができる。ここでは、副画素１１２の動作例を、副画素１１２［ｎ］及び副画素１１２［ｎ＋１］を用いて説明する。
図６は副画素１１２の動作を説明するタイミングチャートであり、図７乃至図９は、副画素１１２の動作状態を示す回路図である。なお、本実施の形態に示すタイミングチャートでは、駆動方法を分かりやすく説明するため、前述した配線およびノードには、特に明示する場合を除いてＨ電位またはＬ電位が与えられるものとする。
グローバルシャッタ方式を用いることで、全ての画素１１１の蓄積動作を同一期間内に行うことができる。したがって、ローリングシャッタ方式を用いた場合のように、蓄積動作を行う期間が異なることによる撮像画像の歪みが生じない。なお、グローバルシャッタ方式を用いた場合のフレーム間隔を期間３０１として図６に示す。期間３０１は、リセット動作、蓄積動作、全行の画素の読み出し動作に要する時間の和となる。また期間３０１は例えば、リセット動作後、次のリセット動作を行うまでの期間である。
動作例１では、電位ＰＡをＬ電位として、トランジスタ１２９をオフ状態とした場合の撮像動作について説明する。電位ＰＡをＬ電位とすることで、副画素１１２［ｎ］及び副画素１１２［ｎ＋１］をそれぞれ独立して動作させることができる。また、電位ＶＲをＨ電位とし、電位ＶＰおよび電位ＶＯをＬ電位とする。また、電位ＳＥＬ［ｎ］および電位ＳＥＬ［ｎ＋１］をＬ電位とする。
［リセット動作］
まず、時刻Ｔ１において、電位ＰＲ、電位ＴＸ［ｎ］、および電位ＴＸ［ｎ＋１］の電位をＨ電位とする。すると、トランジスタ１２１、トランジスタ１２２がオン状態となり、ノードＮＤ［ｎ］、およびノードＦＤ［ｎ］がＨ電位となる。また、トランジスタ１２５、トランジスタ１２６がオン状態となり、ノードＮＤ［ｎ＋１］、およびノードＦＤ［ｎ＋１］がＨ電位となる。この動作により、ノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］に保持されている電荷量がリセットされる（図７（Ａ）参照。）。時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ２までの期間を「リセット期間」ともいう。また、リセット期間中の動作を「リセット動作」ともいう。
なお、図示していないが、リセット期間において撮像装置１００が有する全てのノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］がリセットされる。
［蓄積動作］
次いで、時刻Ｔ２において、電位ＰＲをＬ電位とする。電位ＴＸ［ｎ］および電位ＴＸ［ｎ＋１］はＨ電位のままとする。また、時刻Ｔ２において、フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］には、逆方向バイアスが印加されている。フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に逆方向バイアスが印加されている状態で、フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に光が入射すると、フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］が有する電極の他方から一方に向かって電流が流れる（図７（Ｂ）参照。）。この時の電流量は光の強度に従って変化する。すなわち、フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射する光の強度が高いほど上記電流量は多くなり、ノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］からの電荷の流出も多くなる。逆に、フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射する光の強度が低いほど上記電流量は少なくなり、ノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］からの電荷の流出も少なくなる。よって、ノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］の電位は、光の強度が高いほど変化が大きく、光の強度が低いほど変化が小さい。
次いで、時刻Ｔ３において、電位ＴＸ［ｎ］および電位ＴＸ［ｎ＋１］をＬ電位とする。すると、トランジスタ１２１及びトランジスタ１２５はオフ状態となる。トランジスタ１２１及びトランジスタ１２５をオフ状態とすることで、ノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］への電荷の移動が止まり、ノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］の電位が決定される（図８（Ａ）参照。）。時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３までの期間を「露光期間」ともいう。動作例１における露光期間を期間３１１として図６に示す。また、露光期間中の動作を「蓄積動作」ともいう。
［読み出し動作］
次いで、時刻Ｔ４において、配線１４６［ｎ］に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とする。ここでは、ｎが１の場合（１行目の場合）について説明する。なお、配線１４６［ｎ］にＨ電位を供給する直前に、配線１３７［ｍ］の電位がＨ電位になるようにプリチャージしておく。配線１４６［ｎ］に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とすると、トランジスタ１２４がオン状態となり、ノードＦＤ［ｎ］の電位に応じた速度で配線１３７［ｍ］の電位が低下する（図８（Ｂ）参照。）。時刻Ｔ５において配線１４６［ｎ］に供給する電位ＳＥＬをＬ電位とすると、トランジスタ１２４がオフ状態となり、配線１３７［ｍ］の電位が決定される。この時の配線１３７［ｍ］の電位を測定することで、副画素１１２［ｎ］の受光量を算出することができる。
次に、時刻Ｔ５において、配線１４６［ｎ＋１］（ここでは、２行目の配線１４６）に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とする。なお、配線１４６［ｎ＋１］に供給する電位をＨ電位とする直前に、配線１３７［ｍ］の電位がＨ電位になるようにプリチャージしておく。配線１４６［ｎ＋１］に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とすると、トランジスタ１２８がオン状態となり、ノードＦＤ［ｎ＋１］の電位に応じた速度で配線１３７［ｍ］の電位が低下する（図９（Ａ）参照。）。時刻Ｔ６において配線１４６［ｎ＋１］に供給する電位ＳＥＬをＬ電位とすると、トランジスタ１２８がオフ状態となり、配線１３７［ｍ］の電位が決定される（図９（Ｂ）参照）。この時の配線１３７［ｍ］の電位を測定することで、副画素１１２［ｎ＋１］の受光量を算出することができる。
このようにして、時刻Ｔ６の後も、３行目から順に配線１３７［ｍ］の電位を測定することで、ｎ行目及びｎ＋１行目の配線１３７［ｍ］の電位を取得することができる。１行目乃至ｐ行目の配線１３７［ｍ］の電位を測定することによって、撮像装置１００が有する画素１１１それぞれの受光量を取得することができる。すなわち、撮像装置１００により撮像された被写体の画像データを取得することができる。例えば、時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５までの期間など、各行毎に受光量を取得する期間を「読み出し期間」ともいう。また、読み出し期間中の動作を「読み出し動作」ともいう。なお、読み出し動作を行うタイミングは適宜決めることができる。なお、ｎ行目に接続された、１列目からｑ列目の配線１３７の電位の測定は、１列目から順に行ってもよいし、１列目からｑ列目までを同時に行ってもよいし、複数列単位で行ってもよい。
なお、グローバルシャッタ方式では、リセット動作及び蓄積動作を全画素で一斉に行うため、全ての列の画素において、一斉に電位ＴＸ［ｎ］、電位ＴＸ［ｎ＋１］、及び電位ＰＲの電位を変化させればよい。
蓄積動作が終了してから読み出し動作が開始されるまでの期間は、各行の画素のノードＦＤに電荷が保持されるため、当該期間を電荷保持期間ともいう。グローバルシャッタ方式では、リセット動作と蓄積動作を全画素で一斉に行うため、露光期間が終了するタイミングは全画素で同じとなる。しかし、各行の画素について順次読み出し動作を行うため、電荷保持期間が各行の画素によって異なる。例えば、１行目の画素の電荷保持期間は、時刻Ｔ３からＴ４までの期間であるが、２行目の画素の電荷保持期間は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までの期間である。このように、読み出し動作は各行毎に行うため、読み出し期間が開始されるタイミングは各行毎に異なる。よって、最終行の画素における電荷保持期間が最長となる。
階調数が画一的な画像を撮像すると、理想的には全ての画素において同じ高さの電位を有する出力信号が得られる。しかし、電荷保持期間の長さが行毎に異なる場合、各行の画素のノードＦＤに蓄積されている電荷が時間の経過と共にリークしてしまうと、画素の出力信号の電位が行毎に異なってしまい、行毎にその階調数が変化した画像データが得られてしまう。
そこで、トランジスタ１２１及びトランジスタ１２５にオフ電流が著しく低いトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタ１２１及びトランジスタ１２５にオフ電流が著しく低いトランジスタを用いることで、グローバルシャッタ方式を用いて撮像を行っても、電荷保持期間が異なることに起因するノードＦＤ［ｎ］及びノードＦＤ［ｎ＋１］の電位変化を小さく抑えることができる。すなわち、グローバルシャッタ方式を用いて撮像を行っても、電荷保持期間が異なることに起因する画像データの階調の変化を小さく抑え、撮像された画像の品質を向上させることができる。
図５に示した回路構成を用いて、グローバルシャッター駆動方法を行う場合、ｎ行目の画像データと、ｎ＋１行目の画像データが混合する可能性がある。よって、トランジスタ１２９にオフ電流が著しく低いトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタ１２９にオフ電流が著しく低いトランジスタを用いることによって、当該画像データの混合を抑制できる。
本発明の一態様によれば、撮像された画像の品質を向上することができる。
＜動作例２＞
次に、図１に示す撮像装置１００を用いて、３次元の撮像を行う例を説明する。本発明の一態様を用いることにより、撮像装置１００を用いて、２次元の撮像と３次元の撮像を行うことができる。
３次元の撮像には例えば、２次元の撮像に用いた図５に示す副画素１１２の回路構成例を用いることができる。
次に、図５に示す回路構成を備え、３次元の撮像を実現する撮像装置１００の動作例を、図１２乃至図１６を用いて説明する。図１２は副画素１１２の動作を説明するタイミングチャートであり、図１３乃至図１６は、副画素１１２の動作状態を示す回路図である。
なお、動作例２におけるフレーム間隔を期間４０１として図１２に示す。期間４０１は、リセット動作、蓄積動作、全行の画素の読み出し動作に要する時間の和となる。また期間４０１は例えば、リセット動作後、次のリセット動作を行うまでの期間である。
動作例２では、電位ＰＡをＨ電位として、トランジスタ１２９をオン状態とした場合の撮像動作について説明する。電位ＰＡをＨ電位とすることで、副画素１１２［ｎ］と副画素１１２［ｎ＋１］を並列に接続して使用することができる。また、電位ＶＲをＨ電位とし、電位ＶＰおよび電位ＶＯをＬ電位とする。
副画素１１２［ｎ］が有するフォトダイオードＰＤ［ｎ］と副画素１１２［ｎ＋１］が有するフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］を並列に接続して使用することにより、電荷蓄積領域を複数有する構成とすることができる。電荷蓄積領域を複数有することにより、高い受光感度を実現することができる。また、短時間で３次元の撮像が可能となる。
［検出光］
動作例２では、光Ｐ１を被検出物に照射し、その反射光Ｐ２を検出して撮像装置１００から被検出物までの距離ｘを取得する例を示す。距離ｘを用いて、３次元の画像を実現することができる。
図３６は、撮像装置１００が有する光源１９０から放射された光Ｐ１が被検出物６２０の表面に照射され、反射光Ｐ２がｎ行ｍ列の画素１１１（ｎ，ｍ）が有するフォトダイオードＰＤに入射する一例を示す模式図である。図３６において、撮像装置１００は光源１９０、画素１１１およびレンズ６００を有する。また、撮像装置１００は、２以上のレンズを有してもよい。例えば、撮像装置１００は、図３６に示すようにレンズ６００およびレンズ６１０を有してもよい。
光Ｐ１としては、撮像装置１００に用いる光電変換素子が変換できる光であれば、どのような波長の光を用いてもよい。例えば、可視光、紫外光、赤外光などを用いることができる。また、光Ｐ１として、Ｘ線や、ガンマ線を用いてもよい。また、白色光のように幅広い波長分布を有する光を用いてもよい。
被検出物６２０には、光Ｐ１以外の光が照射される場合がある。被検出物６２０に照射される光のうち、光Ｐ１以外の光を外光Ｐ３と呼ぶ。外光Ｐ３として、例えば太陽光や照明などが挙げられる。
ここで、光Ｐ１は外光Ｐ３よりも強度が大きいことが好ましい。光Ｐ１として特定の波長域に分布を有する光、例えば赤外光などを利用し、フォトダイオードＰＤに該波長域の光を透過するフィルターを組み合わせることで、外光Ｐ３の影響を小さくすることができる。例えば、照明として蛍光灯を用いる場合には赤外光をほとんど含まないため、検出光として赤外光を用いることにより、外光Ｐ３の影響を小さくすることができる。よって、撮像装置１００で撮影される３次元画像の品質を向上することができる。
光Ｐ１は、短時間のパルス波を生成できることが好ましい。光Ｐ１として、例えばパルス発光のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いてもよい。また、メカニカルシャッターなどのシャッターを高速で開閉することによりパルス光を生成してもよい。
また、光Ｐ１は、被検出物６２０に広く均一に照射することが好ましい。また、光Ｐ１は、画素１１１の近くに配置されることが好ましい。
［リセット動作］
まず時刻Ｔ１において、電位ＰＲ、電位ＴＸ［ｎ］および電位ＴＸ［ｎ＋１］の電位をＨ電位とする。すると、トランジスタ１２１、トランジスタ１２２がオン状態となり、ノードＮＤ［ｎ］、およびノードＦＤ［ｎ］がＨ電位となる。また、トランジスタ１２５、トランジスタ１２６がオン状態となり、ノードＮＤ［ｎ＋１］、およびノードＦＤ［ｎ＋１］がＨ電位となる。この動作により、ノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］に保持されている電荷量がリセットされる（図１３（Ａ）参照。）。
また、動作例２では、トランジスタ１２９をオン状態としているため、リセット期間中にトランジスタ１２２またはトランジスタ１２６のうちどちらか一方をオフ状態としてもよい。なお、図示していないが、リセット期間において撮像装置１００が有する全てのノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］がリセットされる。
［蓄積動作］
フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］には、逆方向バイアスが印加されている。フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に逆方向バイアスが印加されている状態で、フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に光が入射すると、フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］が有する電極の他方から一方に向かって電流が流れる。前述したように、この時の電流量は光の強度に従って変化する。よって、ノードＦＤ［ｎ］の電位は、光の強度が高いほど変化が大きく、光の強度が低いほど変化が小さい。
時刻Ｔ２において、電位ＰＲをＬ電位とする。また、配線１４４［ｎ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｎ＋１］をＬ電位とする。配線１４４［ｎ］に供給される電位ＴＸ［ｎ］はＨ電位のままとする（図１３（Ｂ）参照。）。次に、光Ｐ１の被検出物６２０への照射を開始する。光Ｐ１は、図１２に示す期間４０２、すなわち時間Ｔ２乃至時間Ｔ４に被検出物６２０に照射される。
時刻Ｔ２に被検出物６２０に照射された光Ｐ１は物体の表面で反射し、時刻Ｔ３において反射光Ｐ２としてフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射する。そして、ノードＦＤ［ｎ］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］へ電荷が移動する（図１４（Ａ）参照。）。ここで図１２に示す期間４０３は、光Ｐ１の照射を時刻Ｔ２に開始してから、反射光Ｐ２が時刻Ｔ３にフォトダイオードに入射するまでの期間である。
ここで、撮像装置１００から被検出物までの距離ｘについて説明する。図３６に示すように、撮像装置１００の光源（光Ｐ１）から、被検出物６２０のｎ行ｍ列目の画素で検出される箇所までの距離をｘ１とし、被検出物６２０のｎ行ｍ列目の画素で検出される箇所から、ｎ行ｍ列目の画素までの距離をｘ２とする。この時、例えば撮像装置１００と被検出物６２０との距離ｘはｘ１とｘ２の平均、すなわちｘ＝（ｘ１＋ｘ２）／２とすればよい。ここで撮像装置１００の大きさに比べて距離ｘ１およびｘ２が充分大きい場合、被検出物６２０までの距離ｘは、ｘ１もしくはｘ２で近似できる。
ここで、期間４０３の長さ、すなわち時刻Ｔ２と時刻Ｔ３の差をΔＴＸ、撮像装置１００と被検出物６２０との距離をｘ、光速をｃとすると、ΔＴＸ＝２ｘ／ｃの関係を満たし、ΔＴＸは撮像装置と被検出物６２０との距離に応じて変化する。
次いで、時刻Ｔ４において、光Ｐ１の照射を終了する。また、配線１４４［ｎ］に供給される電位ＴＸ［ｎ］をＬ電位とし、配線１４４［ｎ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｎ＋１］をＨ電位とする（図１４（Ｂ）参照。）。電位ＴＸ［ｎ＋１］をＨ電位とすることにより、トランジスタ１２５はオン状態となる。よって、ノードＦＤ［ｎ＋１］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびＰＤ［ｎ＋１］へ電荷が移動する。また、電位ＴＸ［ｎ］をＬ電位とすることによりトランジスタ１２１はオフ状態となる。トランジスタ１２１がオフ状態となることでノードＦＤ［ｎ］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびＰＤ［ｎ＋１］への電荷の移動が止まる。ノードＦＤ［ｎ］の電位は、トランジスタ１２１がオン状態の期間、すなわち時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ４の期間のフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］の受光量に応じて決まる。
光Ｐ１の反射光Ｐ２がフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射することによるノードＦＤ［ｎ］からの電荷の移動は、図１２に示す期間４０５、すなわち時刻Ｔ３乃至時刻Ｔ４に生じる。ここで、期間４０５を「第１の露光期間」と呼ぶ。
時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ４の期間に、外光Ｐ３が被検出物６２０に照射され反射した光がフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射すると、ノードＦＤ［ｎ］へ電荷が移動し、ノードＦＤ［ｎ］の電位に影響を与える。
光Ｐ１は外光Ｐ３よりも大きいことが好ましい。光Ｐ１が外光Ｐ３よりも充分大きければ、時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ４におけるノードＦＤ［ｎ］からの電荷の移動量は、期間４０５にフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に反射光Ｐ２が入射することによる電荷の移動量で大よそ決定される。
また、外光Ｐ３の影響を打ち消すために、光Ｐ１を照射しない状態でバックグラウンドを測定しておき、補正を行ってもよい。
時刻Ｔ３において、フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射した反射光Ｐ２は、時刻Ｔ５に入射を終了する。
ここで、時刻Ｔ５は撮像装置と被検出物６２０との距離に応じて変化する。また、期間４０２の長さ、すなわち時刻Ｔ４と時刻Ｔ２の差をΔＴＡとすると、Ｔ５＝Ｔ３＋ΔＴＡの関係が成り立つ。
次いで、時刻Ｔ６において、配線１４４［ｎ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｎ＋１］をＬ電位とする。また、電位ＴＸ［ｎ］はＬ電位のままとする（図１５（Ａ）参照。）。トランジスタ１２５がオン状態の期間、すなわち時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ６においてノードＦＤ［ｎ＋１］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびＰＤ［ｎ＋１］へ電荷が移動することができる。ノードＦＤ［ｎ＋１］の電位は、時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ６のフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］の受光量に応じて決まる。
光Ｐ１の反射光Ｐ２がフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射することによるノードＦＤ［ｎ＋１］からの電荷の移動は、図１２に示す期間４０６、すなわち時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５に生じる。ここで、期間４０６を「第２の露光期間」と呼ぶ。ここで、図１２に示す期間４０４の長さ、すなわち時刻Ｔ５と時刻Ｔ３の差はΔＴＡである。
時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ６の期間に、外光Ｐ３が被検出物６２０に照射され反射した光がフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射すると、ノードＦＤ［ｎ＋１］へ電荷が移動し、ノードＦＤ［ｎ＋１］の電位に影響を与える。
ここで期間４０５、すなわち「第１の露光期間」の長さは、ΔＴＡ−ΔＴＸで表すことができる。また、期間４０６、「第２の露光期間」の長さは、ΔＴＸとなる。
撮像装置と被検出物６２０との距離ｘが長くなると、ΔＴＸも大きくなる。ΔＴＸが大きくなるほど、「第１の露光期間」は短くなり、「第２の露光期間」は長くなる。すなわち、ノードＦＤ［ｎ］に蓄積される電荷量は減少しノードＦＤ［ｎ＋１］に蓄積される電荷量は増大する。
ここで、ｎ行目の蓄積動作終了後に、リセット動作を行わずにｎ＋１行目の蓄積動作を行うことで、フレーム間隔を短くすることができる。
副画素１１２［ｎ］、副画素１１２［ｎ＋１］、トランジスタ１２９、およびそれらを接続する配線において、ノードＦＤ［ｎ］およびノードＦＤ［ｎ＋１］の容量に対して、それ以外の領域の寄生容量（ここでは第１の寄生容量と呼ぶ）は充分に小さいことが好ましい。第１の寄生容量の例として、トランジスタ１２１からノードＮＤ［ｎ］の間の配線と他の配線や半導体層と重なることにより形成される容量、ノードＮＤ［ｎ］からノードＮＤ［ｎ＋１］の間の配線およびトランジスタと他の配線や半導体層と重なることにより形成される容量、ノードＮＤ［ｎ＋１］からトランジスタ１２５の間の配線と他の配線や半導体層と重なることにより形成される容量、ノードＮＤからフォトダイオードＰＤまでの配線と他の配線や半導体層と重なることにより形成される容量、などが挙げられる。
ここで、ノードＦＤ［ｎ＋１］の電位は、時刻Ｔ１のリセット動作により決定され、時刻Ｔ４まで保持される。一方、時刻Ｔ４において、第１の寄生容量の電位、例えばノードＮＤ［ｎ］やノードＮＤ［ｎ＋１］の電位はノードＦＤ［ｎ］の電位と同等な電位になる。ここで、第１の寄生容量がノードＦＤ［ｎ＋１］の容量に比べて充分小さいとはいえない場合には、時刻Ｔ４にトランジスタ１２５をオン状態にした直後に、ノードＦＤ［ｎ＋１］の顕著な電圧降下が生じる場合がある。このような場合には、後述する動作例３に示すように、トランジスタ１２５をオン状態にした直後に２回目のリセット動作を行い、ＦＤ［ｎ＋１］の電位をＨ電位にリセットしてもよい。
［読み出し動作］
まず、時刻Ｔ７において、配線１４６［ｎ］に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とする。ここでは、ｎが１の場合（１行目の場合）について説明する。なお、配線１４６［ｎ］にＨ電位を供給する直前に、配線１３７［ｍ］の電位がＨ電位になるようにプリチャージしておく。配線１４６［ｎ］に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とすると、トランジスタ１２４がオン状態となり、ノードＦＤ［ｎ］の電位に応じた速度で配線１３７［ｍ］の電位が低下する（図１５（Ｂ）参照。）。時刻Ｔ８において配線１４６［ｎ］に供給する電位ＳＥＬをＬ電位とすると、トランジスタ１２４がオフ状態となり、配線１３７［ｍ］の電位が決定される。この時の配線１３７［ｍ］の電位を測定することで、副画素１１２［ｎ］の受光量を算出することができる。
次に、時刻Ｔ８において、配線１４６［ｎ＋１］（ここでは、２行目の配線１４６）に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とする。なお、配線１４６［ｎ＋１］に供給する電位をＨ電位とする直前に、配線１３７［ｍ］の電位がＨ電位になるようにプリチャージしておく。配線１４６［ｎ＋１］に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とすると、トランジスタ１２８がオン状態となり、ノードＦＤ［ｎ＋１］の電位に応じた速度で配線１３７［ｍ］の電位が低下する（図１６（Ａ）参照。）。時刻Ｔ６において配線１４６［ｎ＋１］に供給する電位ＳＥＬをＬ電位とすると、トランジスタ１２８がオフ状態となり、配線１３７［ｍ］の電位が決定される（図１６（Ｂ）参照）。この時の配線１３７［ｍ］の電位を測定することで、副画素１１２［ｎ＋１］の受光量を算出することができる。
このようにして、時刻Ｔ９の後も、３行目から順に配線１３７［ｍ］の電位を測定することで、ｎ行目及びｎ＋１行目の配線１３７［ｍ］の電位を取得することができる。１行目乃至ｐ行目の配線１３７［ｍ］の電位を測定することによって、撮像装置１００が有する画素１１１それぞれの受光量を取得することができる。すなわち、撮像装置１００により撮像された被写体の画像データを取得することができる。例えば、時刻Ｔ７乃至時刻Ｔ８までの期間など、各行毎に受光量を取得する期間を「読み出し期間」ともいう。また、読み出し期間中の動作を「読み出し動作」ともいう。なお、読み出し動作を行うタイミングは適宜決めることができる。なお、ｎ行目に接続された、１列目からｑ列目の配線１３７の電位の測定は、１列目から順に行ってもよいし、１列目からｑ列目までを同時に行ってもよいし、複数列単位で行ってもよい。
ここで、読み出し動作により得られるｎ行目の電位をＳ［ｎ］、ｎ＋１行目の電位をＳ［ｎ＋１］とする。ここで外光Ｐ３に比べて、光Ｐ１が充分に強い場合には、Ｓ［ｎ］＝ｋ（ΔＴＡ−ΔＴＸ）、Ｓ［ｎ＋１］＝ｋ・ΔＴＸで近似できるものとする。ここでｋは定数である。ΔＴＸは、ΔＴＸ＝ΔＴＡ・Ｓ［ｎ＋１］／（Ｓ［ｎ］＋Ｓ［ｎ＋１］）と算出することができる。また、ｘ＝｛ｃΔＴＡ・Ｓ［ｎ＋１］／（Ｓ［ｎ］＋Ｓ［ｎ＋１］）｝／２と算出することができる。算出される距離ｘを用いて、３次元の画像を実現することができる。
また、リセット動作および蓄積動作は、例えば、配線１４４［ｎ］を奇数行、配線１４４［ｎ＋１］を偶数行として行ってもよい。また、フォトダイオードＰＤが有する電極の他方を共通とする画素を増やすことで、より連続して蓄積動作を行うことができる。すなわち、ｍ個の画素におけるフォトダイオードが有する電極の他方を共通とし、ｍ回の連続した蓄積動作で順に各画素の電荷蓄積領域に電荷を蓄積した後、各画素の撮像データを順次読み出すことで、ｍ回の短い時間間隔で連続したフレームの画像データを取得することができる。
本発明の一態様によれば、短い撮像間隔で３次元の撮像が可能な固体撮像装置を提供することができる。また、高精細の２次元の撮像が可能な固体撮像装置を提供することができる。
＜動作例２の変形例＞
また、図５では副画素１１２［ｎ］と副画素１１２［ｎ＋１］とを隣接する行に配列して並列に接続する構成としているが、副画素１１２［ｍ］と副画素１１２［ｍ＋１］とを隣接する列に配列して並列に接続する構成としてもよい。
また、副画素１１２［ｍ］と副画素１１２［ｍ＋１］とを隣接する列に配列して並列に接続する場合には、配線１４６［ｎ］と配線１４６［ｎ＋１］を共通とし、ＯＵＴ［ｍ］を別々に設ける構成としてもよい。その例を図１７に示す。
図１７の回路図において、フォトダイオードＰＤ［ｍ］のアノードまたはカソードの一方は、電位ＶＰを供給可能な配線１３１と電気的に接続される。また、フォトダイオードＰＤ［ｍ］のアノードまたはカソードの他方と、トランジスタ１２１のソースまたはドレインの一方と、トランジスタ１２２のソースまたはドレインの一方は、ノードＮＤ［ｍ］に電気的に接続される。また、トランジスタ１２２のソースまたはドレインの他方は、電位ＶＲを供給可能な配線１３３と電気的に接続され、トランジスタ１２２のゲートは電位ＰＲを供給可能な配線１４１と電気的に接続される。また、トランジスタ１２１のソースまたはドレインの他方とトランジスタ１２３のゲートは、ノードＦＤ［ｍ］に電気的に接続され、トランジスタ１２１のゲートは電位ＴＸ［ｍ］を供給可能な配線１４４［ｍ］と電気的に接続される。また、トランジスタ１２３のソースまたはドレインの一方は、電位ＶＯを供給可能な配線１３５に電気的に接続され、トランジスタ１２３のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１２４のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ１２４のソースまたはドレインの他方は、配線１３７［ｍ］と電気的に接続され、トランジスタ１２４のゲートは電位ＳＥＬを供給可能な配線１４６［ｎ］と電気的に接続される。また、トランジスタ１６９のソースまたはドレインの一方は、ノードＮＤ［ｍ］に電気的に接続され、トランジスタ１６９のゲートは電位ＰＡを供給可能な配線１８２と電気的に接続される。
また、フォトダイオードＰＤ［ｍ＋１］のアノードまたはカソードの一方は、電位ＶＰを供給可能な配線１７２と電気的に接続される。また、フォトダイオードＰＤ［ｍ＋１］のアノードまたはカソードの他方と、トランジスタ１６５のソースまたはドレインの一方と、トランジスタ１６６のソースまたはドレインの一方は、ノードＮＤ［ｍ＋１］に電気的に接続される。また、トランジスタ１６６のソースまたはドレインの他方は、電位ＶＲを供給可能な配線１７４と電気的に接続され、トランジスタ１６６のゲートは電位ＰＲを供給可能な配線１８３と電気的に接続される。また、トランジスタ１６５のソースまたはドレインの他方とトランジスタ１６７のゲートは、ノードＦＤ［ｍ＋１］に電気的に接続され、トランジスタ１６５のゲートは電位ＴＸ［ｍ＋１］を供給可能な配線１４４［ｍ＋１］と電気的に接続される。また、トランジスタ１６７のソースまたはドレインの一方は、電位ＶＯを供給可能な配線１７６に電気的に接続され、トランジスタ１６７のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１６８のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ１６８のソースまたはドレインの他方は、配線１３７［ｍ＋１］と電気的に接続され、トランジスタ１６８のゲートは電位ＳＥＬを供給可能な配線１４６［ｎ］と電気的に接続される。また、トランジスタ１６９のソースまたはドレインの他方は、ノードＮＤ［ｍ＋１］に電気的に接続される。
また、図１７では配線１３１及び配線１７２を分けて記載しているが、１本の共通配線としてもよい。また、図１７では配線１４１及び配線１８３を分けて記載しているが、１本の共通配線としてもよい。また、図１７では配線１３５及び配線１７６を分けて記載しているが、１本の共通配線としてもよい。
図１７の構成を用いた場合の撮像装置１００の撮像動作の一例を図１８に示す。期間５０１は、リセット動作、蓄積動作、全行の画素の読み出し動作に要する時間の和となる。また期間５０１は例えば、リセット動作後、次のリセット動作を行うまでの期間である。
［リセット動作］
まず時刻Ｔ１において、電位ＰＲ、電位ＴＸ［ｍ］および電位ＴＸ［ｍ＋１］の電位をＨ電位とし、ノードＦＤ［ｍ］およびノードＦＤ［ｍ＋１］に保持されている電荷量をリセットする。なお、図示していないが、リセット期間において撮像装置１００が有する全てのノードＦＤ［ｍ］およびノードＦＤ［ｍ＋１］がリセットされる。
［蓄積動作］
時刻Ｔ２において、電位ＰＲをＬ電位とする。また、配線１４４［ｍ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｍ＋１］をＬ電位とする。配線１４４［ｍ］に供給される電位ＴＸ［ｍ］はＨ電位のままとする。また、光Ｐ１の被検出物６２０への照射を開始する。
時刻Ｔ２に被検出物６２０に照射された光Ｐ１は物体の表面で反射し、時刻Ｔ３において反射光Ｐ２としてフォトダイオードＰＤ［ｍ］およびフォトダイオードＰＤ［ｍ＋１］に入射する。
次いで、時刻Ｔ４において、光Ｐ１の照射を終了する。また、配線１４４［ｍ］に供給される電位ＴＸ［ｍ］をＬ電位とし、配線１４４［ｍ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｍ＋１］をＨ電位とする。光Ｐ１の反射光Ｐ２がフォトダイオードＰＤ［ｍ］およびフォトダイオードＰＤ［ｍ＋１］に入射することにより生じる電荷の移動は、時刻Ｔ３乃至時刻Ｔ４に生じる。
時刻Ｔ３において、フォトダイオードＰＤ［ｍ］およびフォトダイオードＰＤ［ｍ＋１］に入射し、受光される反射光Ｐ２は、時刻Ｔ５まで受光される。
次いで、時刻Ｔ６において、配線１４４［ｍ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｍ＋１］をＬ電位とする。また、電位ＴＸ［ｍ］はＬ電位のままとする。光Ｐ１の反射光Ｐ２がフォトダイオードＰＤ［ｍ］およびフォトダイオードＰＤ［ｍ＋１］に入射することにより生じる電荷の移動は、時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５に生じる。
また、図１７の構成において、リセット動作および蓄積動作は、例えば、配線１４４［ｍ］を奇数列、配線１４４［ｍ＋１］を偶数列として行ってもよい。
［読み出し動作］
読み出しは、動作例２に示す読み出し方法と同様の読み出し方法を用いることができる。
読み出し方法の一例を説明する。ここで、電位ＶＯをＬ電位とする。読み出しは、配線１４６［ｎ］に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とすることで行う。なお、配線１４６［ｎ］にＨ電位を供給する直前に、配線１３７［ｍ］および配線１３７［ｍ＋１］の電位がＨ電位になるようにプリチャージしておく構成が好ましい。また、配線１３７［ｍ］および配線１３７［ｍ＋１］を抵抗もしくはトランジスタを用いてプルアップする構成とすることで、プリチャージをする必要はない。この時、ノードＮＤ［ｍ］、ノードＮＤ［ｍ＋１］の電位に応じて、配線１３７［ｍ］、配線１３７［ｍ＋１］の電位は変化し、したがって、配線１３７［ｍ］、配線１３７［ｍ＋１］の電位を順次、測定することで、副画素１１２［ｍ］、副画素１１２［ｍ＋１］の受光量を算出することができる。このような読み出し方法とすることで、読み出し速度を高めることができる。
また、上記とは異なる読み出し方法の一例を説明する。ここで、電位ＶＯをＨ電位とする。また、配線１３７［ｍ］、配線１３７［ｍ＋１］を抵抗もしくはトランジスタを用いてプルダウンする構成としておく。読み出しは、配線１４６［ｎ］に供給する電位ＳＥＬをＨ電位とすることで行う。この時、ノードＮＤ［ｍ］、ノードＮＤ［ｍ＋１］の電位に応じて、配線１３７［ｍ］、配線１３７［ｍ＋１］の電位は変化し、したがって配線１３７［ｍ］、配線１３７［ｍ＋１］の電位を順次、測定することで、副画素１１２［ｍ］、副画素１１２［ｍ＋１］の受光量を算出することができる。このような読み出し方法とすることで、配線１３７［ｍ］、配線１３７［ｍ＋１］の電位変化がノードＮＤ［ｍ］、ノードＮＤ［ｍ＋１］の電位に概ね比例し、距離の算出の精度を高めることができる。
ここで、読み出し動作により得られるｎ行ｍ列目の電位をＳ［ｍ］、ｎ行（ｍ＋１）列目の電位をＳ［ｍ＋１］とする。外光Ｐ３に比べて、光Ｐ１が充分に強い場合には、撮像装置１００から被検出物６２０までの距離ｘは、ｘ＝｛ｃΔＴＡ・Ｓ［ｍ＋１］／（Ｓ［ｍ］＋Ｓ［ｍ＋１］）｝／２と近似することができる。算出される距離ｘを用いて、３次元の画像を実現することができる。
＜動作例３＞
図１９に示すタイミングチャートは、３次元の撮像方法の一例を示す。ノードＦＤ［ｎ］の電位を決定し、トランジスタ１２５をオン状態にした直後に、図１９では２回目のリセット動作を行う。２回目のリセット動作の有無が、図１２との相違点である。
次に、図１９を用いて撮像装置１００の撮像動作の説明を行う。
［リセット動作］
まず時刻Ｔ１において、電位ＰＲおよび電位ＴＸ［ｎ］の電位をＨ電位とする。すると、トランジスタ１２１、トランジスタ１２２がオン状態となり、ノードＮＤ［ｎ］、およびノードＦＤ［ｎ］がＨ電位となる。この動作により、ノードＦＤ［ｎ］に保持されている電荷量がリセットされる。また、トランジスタ１２６がオン状態となる。次に、光Ｐ１の被検出物６２０への照射を開始する。光Ｐ１は、図１９に示す期間５０２および期間５０３、すなわち時間Ｔ１乃至時間Ｔ４に被検出物６２０に照射される。
［蓄積動作］
フォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］には、逆方向バイアスが印加されている。時刻Ｔ１のΔＴＢ後の時刻Ｔ２において、電位ＰＲをＬ電位とする。配線１４４［ｎ］に供給される電位ＴＸ［ｎ］はＨ電位のままとする。また、配線１４４［ｎ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｎ＋１］はＬ電位のままとする。
時刻Ｔ２に被検出物６２０に照射された光Ｐ１は物体の表面で反射し、時刻Ｔ３において反射光Ｐ２としてフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射する。そして、ノードＦＤ［ｎ］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］へ電荷が移動する。ここで図１９に示す期間５０６は、光Ｐ１の照射を時刻Ｔ２に開始してから、反射光Ｐ２が時刻Ｔ３にフォトダイオードに入射するまでの期間である。
ここで、期間５０６の長さ、すなわち時刻Ｔ３と時刻Ｔ１の差をΔＴＹ、撮像装置と被検出物６２０との距離をｙ、光速をｃとすると、ΔＴＹ＝２ｘ／ｃの関係を満たし、ΔＴＹは撮像装置と被検出物６２０との距離に応じて変化する。
光Ｐ１の反射光Ｐ２がフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射することによるノードＦＤ［ｎ］からの電荷の移動は、図１９に示す期間５０７、すなわち時刻Ｔ３乃至時刻Ｔ４に生じる。期間５０７の長さは（ΔＴＢ＋ΔＴＣ−ΔＴＹ）で表すことができる。ここで期間５０７を第１の露光期間と呼ぶ。
次いで、時刻Ｔ４において、光Ｐ１の照射を終了する。また、配線１４４［ｎ］に供給される電位ＴＸ［ｎ］をＬ電位とし、電位ＰＲおよび配線１４４［ｎ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｎ＋１］をＨ電位とする。この動作により、トランジスタ１２５、トランジスタ１２６はオン状態となり、ノードＮＤ［ｎ＋１］がＨ電位となる。この動作により、ノードＮＤ［ｎ＋１］に保持されている電荷量がリセットされる。また、電位ＴＸ［ｎ］をＬ電位とすることによりトランジスタ１２１はオフ状態となる。トランジスタ１２１がオフ状態となることでノードＦＤ［ｎ］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびＰＤ［ｎ＋１］への電荷の移動が止まり、ノードＦＤ［ｎ］の電位が決まる。
次いで、時刻Ｔ４のΔＴＢ後の時刻Ｔ５において、電位ＰＲをＬ電位とする。また、電位ＴＸ［ｎ＋１］はＨ電位のままとする。この動作により、トランジスタ１２６はオフ状態となる。また、ノードＦＤ［ｎ＋１］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびＰＤ［ｎ＋１］へ電荷が移動する。ここで、光Ｐ１の反射光Ｐ２がフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびフォトダイオードＰＤ［ｎ＋１］に入射することによるＦＤ［ｎ＋１］から電荷の移動は、図１９に示す期間５０８、すなわち時刻Ｔ５乃至時刻Ｔ６に生じる。ここで、期間５０８の長さは（ΔＴＹ−ΔＴＢ）で表すことができる。ここで期間５０８を第２の露光期間と呼ぶ。
次いで、時刻Ｔ７において、配線１４４［ｎ＋１］に供給される電位ＴＸ［ｎ＋１］をＬ電位とする。また、電位ＴＸ［ｎ］はＬ電位のままとする。ノードＦＤ［ｎ＋１］からフォトダイオードＰＤ［ｎ］およびＰＤ［ｎ＋１］への電荷の移動が止まり、ノードＦＤ［ｎ＋１］の電位が決まる。
［読み出し動作］
読み出し動作は、動作例２に示す読み出し動作と同様に行うことができる。
読み出し動作により得られるｎ行目の電位をＳ［ｎ］、ｎ＋１行目の電位をＳ［ｎ＋１］とする。ここで外光Ｐ３に比べて、光Ｐ１が充分に強い場合には、Ｓ［ｎ］＝ｊ（ΔＴＣ＋ΔＴＢ−ΔＴＹ）、Ｓ［ｎ＋１］＝ｊ（ΔＴＹ−ΔＴＢ）で近似できるものとする。ここでｊは定数である。ΔＴＹは、ΔＴＹ＝｛Ｓ［ｎ＋１］／（Ｓ［ｎ］＋Ｓ［ｎ＋１］）｝・ΔＴＣ＋ΔＴＢと算出することができる。また、ｙ＝ｃ・［｛Ｓ［ｎ＋１］／（Ｓ［ｎ］＋Ｓ［ｎ＋１］）｝・ΔＴＣ＋ΔＴＢ］／２と算出することができる。算出される距離ｙを用いて、３次元の画像を実現することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、副画素１１２の他の回路構成例について、図面を参照して説明する。
副画素１１２が有するフォトダイオードＰＤは、アノードまたはカソードの一方をノードＮＤに電気的に接続し、アノードまたはカソードの他方を配線１３１（もしくは配線１３２）に電気的に接続してもよい（図２０（Ａ）参照）。この場合、電位ＶＲをＬ電位とし、電位ＶＰをＨ電位とすることで、前述した動作例と同様に撮像装置１００を動作させることができる。
また、副画素１１２のノードＦＤに、容量素子１５１を設けてもよい（図２０（Ｂ）参照）。容量素子１５１を設けることで、ノードＦＤにおける画像データの保持時間を高めることができる。また、撮像装置１００のダイナミックレンジを高めることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態では、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構成例について、図２１乃至図２４を用いて説明する。図２１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２１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２１に示すトランジスタ２４１の拡大図を図２２に示す。また、図２１に示すトランジスタ２８１の拡大図を図２４（Ａ）に示す。また、図２１に示すトランジスタ２８２の拡大図を図２４（Ｂ）に示す。
本実施の形態で例示する撮像装置１００は、基板１０１上に絶縁層１０２を有し、絶縁層１０２上にｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子２２０を有する。光電変換素子２２０は、ｐ型半導体層２２１、ｉ型半導体層２２２、およびｎ型半導体層２２３を有する。なお、光電変換素子２２０は、ｐ型半導体層２２１とｎ型半導体層２２３の間にｉ型半導体層２２２挟んで形成されている。なお、光電変換素子２２０は、ｉ型半導体層２２２を設けずにｐ型半導体層２２１とｎ型半導体層２２３で構成してもよい。光電変換素子２２０にｉ型半導体層２２２を設けることで、受光感度を高めることができる。本実施の形態で例示する光電変換素子２２０は、上記実施の形態に例示したフォトダイオードＰＤとして機能できる。
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。
基板１０１としては、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、セラミック基板、金属基板、半導体基板などを用いることができる。また、本実施の形態の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板を用いてもよい。その基板の一例としては、半導体基板（例えば単結晶基板又はシリコン基板）、ＳＯＩ（ＳＯＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）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、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、又はソーダライムガラスなどがある。
また、基板として単結晶半導体基板や多結晶半導体基板を用いてもよい。単結晶半導体基板や多結晶半導体基板を用いて光電変換素子２２０を形成することにより、光の検出感度が高い光電変換素子を実現できる場合がある。そのため、ｉ型半導体層２２２の形成を省略できる場合がある。
また、光電変換素子２２０および画素回路２３０の形成後に、機械研磨法やエッチング法などを用いて基板１０１を除去してもよい。基板１０１を残す場合は、基板１０１として光電変換素子２２０で検出する光が透過できる材料を用いればよい。
絶縁層１０２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。
ｐ型半導体層２２１、ｉ型半導体層２２２、およびｎ型半導体層２２３の形成は、例えば、絶縁層１０２上に島状のｉ型半導体層２２２を形成した後に、ｉ型半導体層２２２の上にマスクを形成し、ｉ型半導体層２２２の一部に選択的に不純物元素を導入すればよい。不純物元素の導入は、例えば、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を用いて行うことができる。不純物元素の導入後、マスクを除去する。
ｐ型半導体層２２１、ｉ型半導体層２２２、およびｎ型半導体層２２３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、炭化シリコンやガリウム砒素などの化合物半導体を用いることができる。
ｐ型半導体層２２１、ｉ型半導体層２２２、およびｎ型半導体層２２３を形成するための材料としてシリコンを用いる場合、ｐ型の不純物元素としては、例えば第１３族元素を用いることができる。また、ｎ型の不純物元素としては、例えば第１５族元素を用いることができる。
また、例えば、上記半導体層をＳＯＩにより形成する場合、絶縁層１０２はＢＯＸ層（ＢＯＸ：Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）であってもよい。
本実施の形態に示す撮像装置１００は、ｐ型半導体層２２１、ｉ型半導体層２２２、およびｎ型半導体層２２３上に絶縁層１０３と絶縁層１０４を有する。絶縁層１０３および絶縁層１０４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。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。
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を形成する。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。
また、絶縁層１０３乃至絶縁層１０５のｐ型半導体層２２１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ｎ型半導体層２２３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。
また、絶縁層１０５の上に、電極２２６および電極２２７が形成されている。電極２２６は、開口２２４において、コンタクトプラグ１０６を介してｐ型半導体層２２１と電気的に接続されている。また、電極２２７は、開口２２５において、コンタクトプラグ１０６を介してｎ型半導体層２２３と電気的に接続されている。
また、電極２２６および電極２２７を覆って絶縁層１０７を形成する。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。
電極２２６および電極２２７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。
なお、インジウム錫酸化物、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。
光電変換素子２２０は、絶縁層１０２側から入射した光６６０を検出する。
画素１１１が有するトランジスタは、光電変換素子と重ねて設けてもよい。図２１では、光電変換素子２２０の上方にトランジスタ２４１及びトランジスタ２４６を設けている。具体的には、トランジスタ２４１及びトランジスタ２４６を絶縁層１０８と絶縁層１０９を介して絶縁層１０７上に設けている。また、図２１では、トランジスタ２８１の上方にトランジスタ２８９を設けている。
本実施の形態では、トランジスタ２４１、トランジスタ２４６、及びトランジスタ２８９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。
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。
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。
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ることができる。
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。
トランジスタ２４１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２２参照。）。
なお、図２１では、トランジスタ２４１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、トランジスタ２４６の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２４１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、トランジスタ２４６の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を、それぞれ異なる電極を用いて形成してもよい。
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膜を用いて形成することが好ましい。該絶縁膜としては、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、該絶縁膜として、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２２０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。
絶縁層１０９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、半導体層２４２として酸化物半導体を用いる場合、絶縁層１０８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、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。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
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。
トランジスタ２４１、トランジスタ２４６、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。
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例について説明する。また、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。
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。
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。
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。
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。
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、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、Ｉｎと元素Ｍの原子数比率は好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、元素Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より大きく、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、元素Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より大きい。また、半導体層２４２ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、Ｉｎと元素Ｍの原子数比率は好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より大きく、元素Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より大きく、元素Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
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または５：５：６などの原子数比のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。なお、半導体層２４２ａおよび半導体層２４２ｂ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。
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。
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、１×１０１７／ｃｍ３未満、１×１０１５／ｃｍ３未満、または１×１０１３／ｃｍ３未満である酸化物半導体層をいう。
また、図２１では光電変換素子２２０としてｐ型半導体層２２１とｎ型半導体層２２３の間にｉ型半導体層２２２挟んで形成された光電変換素子を用いたが、光電変換素子２２０は図３４に示すように積層型の構造を有してもよい。図３４に示す光電変換素子２２０において、光電変換層２９７は電極２６８および電極２９８に挟まれている。光電変換素子２２０の一方の電極２６８は、コンタクトプラグ１１９等を介してトランジスタ２４１の有する電極２４５と電気的に接続される。光電変換層２９７としては、例えば後述する実施の形態４に示すセレン系半導体ＳＳｅを用いればよい。電極２６８および電極２９８は、例えば電極２２６で示す材料を用いればよい。また、電極２６８および電極２９８は異なる材料で形成してもよく、同一の材料で形成してもよい。なお、図３７に示すように、画素領域２５１に用いるトランジスタを図３７に示すトランジスタ２８１ａおよびトランジスタ２８１ｂのように、周辺回路領域２５２に用いるトランジスタ２８１および２８２と同じ工程を用いて形成することもできる。
また、図３８に示すように、半導体基板１５５を用いてｐ型のトランジスタ２８１と、ｎ型のトランジスタ２８２と、光電変換素子２２０を形成してもよい。半導体基板１５５として、例えばシリコン基板を用いることができる。また例えば、光電変換素子２２０のカソードとしてｎ型半導体層１５７を用い、アノードとしてｐ型半導体層１５６を用いればよい。ここで、シリコン基板は光を透過しやすくするため研磨等を用いて薄く加工することが好ましい。
［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２３に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図２３は、図２２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２３は、トランジスタ２４１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。
図２３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。
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。
スパッタリング法を用いて形成されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップおよび電子親和力の一例について説明する。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。なお、スパッタリング法により形成されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップおよび電子親和力は、スパッタリング法の成膜条件により、得られる値が変化することがある。
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）。
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。
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。
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。
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１０９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２４１は、高い電界効果移動度を実現することができる。
なお、図２３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。
特に、本実施の形態に例示するトランジスタ２４１は、半導体層２４２ｂの上面と側面が半導体層２４２ｃと接し、半導体層２４２ｂの下面が半導体層２４２ａと接して形成されている。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、上記トラップ準位の影響をさらに低減することができる。
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。
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。
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。
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。
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。
フォトダイオードの光電変換により得られた電荷を電荷蓄積領域に転送するトランジスタ、例えば図５のトランジスタ１２１およびトランジスタ１２５等において、転送効率を高めるためにチャネル幅を増大させる場合がある。このような場合においても、これらのトランジスタに酸化物半導体を用いることにより極めて小さいオフ電流を実現できるため、電荷蓄積領域の電荷、例えば図５のノードＦＤ［ｎ］やＦＤ［ｎ＋１］に蓄積した電荷のリークを抑えることができる。よって、短い撮像時間を実現することができる。また、信頼性の高い撮像装置を実現することができる。
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、消費電力が少ない半導体装置を実現することができる。
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半導体装置を実現することができる。
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。
［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について詳細に説明しておく。
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、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」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、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。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。半導体層として酸化物半導体を用いる場合は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体などを用いることができる。
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
一方、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
非晶質酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
非晶質酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。
なお、酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜は、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ膜であれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。
なお、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能ＴＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
また、酸化物半導体膜は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜の密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶の密度に対し、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は９２．３％以上１００％未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が７８％未満となる酸化物半導体膜は、成膜すること自体が困難である。
上記について、具体例を用いて説明する。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、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膜において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜の密度は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膜において、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
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、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。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算出することが好ましい。
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
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、イットリウム、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
また、トランジスタ２４１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、電極２２６と同様の材料および方法で形成することができる。
また、トランジスタ２４１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。
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。
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。
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。
また、トランジスタ２４１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、電極２２６と同様の材料および方法で形成することができる。
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。
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１１７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。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１１８上に絶縁層１１３を有する。絶縁層１１３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１１３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１１３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１１４が形成されている。
また、絶縁層１１３の上に、配線２６１、配線２６５、および配線２６７（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２６７は、絶縁層１１３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１１４を介して電極２４９と電気的に接続されている。また、配線２６５は、絶縁層１１３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１１４を介して電極２４４と電気的に接続されている。
また、撮像装置１００は、配線２６１、配線２６５、および配線２６７（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。また、該開口中に、コンタクトプラグ１１４が形成されている。
また、絶縁層１１５の上に、配線２６３、および配線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。
なお、配線２６３、および配線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。
また、配線２６３、および配線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。
図２１に示すトランジスタ２４１は、例えば、トランジスタ１２１相当する。光電変換素子２２０上に画素を構成するトランジスタを設けることで、平面視において光電変換素子２２０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の受光感度を高めることができる。また、解像度を高めても受光感度が低下しにくい撮像装置１００を実現することができる。
周辺回路を構成するトランジスタの一例として、図２１に示したトランジスタ２８１の拡大断面図を図２４（Ａ）に示す。また、図２１に示したトランジスタ２８２の拡大断面図を図２４（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。
トランジスタ２８１は、チャネルが形成されるｉ型半導体層２８３、ｐ型半導体層２８５、絶縁層２８６、電極２８７、側壁２８８を有する。また、ｉ型半導体層２８３中の側壁２８８と重なる領域に低濃度ｐ型不純物領域２８４を有する。
トランジスタ２８１が有するｉ型半導体層２８３は、光電変換素子２２０が有するｉ型半導体層２２２と同一工程で同時に形成することができる。また、トランジスタ２８１が有するｐ型半導体層２８５は、光電変換素子２２０が有するｐ型半導体層２２１と同一工程で同時に形成することができる。
絶縁層２８６はゲート絶縁層として機能できる。また、電極２８７はゲート電極として機能できる。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。なお、低濃度ｐ型不純物領域２８４はｐ型半導体層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ｐ型半導体層２８５よりも少ない。
トランジスタ２８２はトランジスタ２８１と同様の構成を有するが、低濃度ｐ型不純物領域２８４とｐ型半導体層２８５に換えて、低濃度ｎ型不純物領域２９４とｎ型半導体層２９５を有する点が異なる。
また、トランジスタ２８２が有するｎ型半導体層２９５は、光電変換素子２２０が有するｎ型半導体層２２３と同一工程で同時に形成することができる。また、トランジスタ２８１と同様に、低濃度ｎ型不純物領域２９４は、自己整合方式により形成することができる。なお、低濃度ｎ型不純物領域２９４はｎ型半導体層２９５と同じ導電型を有し、導電型を付与する不純物の濃度がｎ型半導体層２９５よりも少ない。
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。
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。
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。
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を作製する場合に適している。
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、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。
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。
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。
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。
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ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入して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。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
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、及びメモリ素子などを適宜設けることができる。
本実施の形態では、図２５（Ａ）乃至図２５（Ｅ）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。図２５（Ａ）乃至図２５（Ｅ）に示す回路図において、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、酸化物半導体を用いたトランジスタの回路記号に「ＯＳ」の記載を付している。
図２５（Ａ）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。
図２５（Ｂ）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。
図２５（Ｃ）に示す回路は、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。また、図２５（Ｄ）に示す回路は、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。
図２５（Ｃ）および図２５（Ｄ）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。また、トランジスタ２８１を、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としてもよい。
図２５（Ｅ）に示す回路は、光センサの構成例を示している。図２５（Ｅ）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２９２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２９２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２９３のゲートと電気的に接続されている。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２９２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。
図２５（Ｅ）の回路図における、フォトダイオード２９１をセンサＳＩＳとしてもよい。
センサＳＩＳとしては、与えられる物理量を、素子を流れる電流量Ｉｓに変換できる素子であることが好ましい。あるいは、与えられる物理量を一度別の物理量に変換した上で、素子を流れる電流量に変換できる素子であることが好ましい。
センサＳＩＳにはさまざまなセンサを用いることができる。例えば、センサＳＩＳとして、温度センサ、光センサ、ガスセンサ、炎センサ、煙センサ、湿度センサ、圧力センサ、流量センサ、振動センサ、音声センサ、磁気センサ、放射線センサ、匂いセンサ、花粉センサ、加速度センサ、傾斜角センサ、ジャイロセンサ、方位センサ、電力センサなどを用いることができる。
例えば、センサＳＩＳとして、光センサを用いる場合は、上述したフォトダイオードや、フォトトランジスタを用いることが可能である。
また、センサＳＩＳとして、ガスセンサを用いる場合は、酸化スズなどの金属酸化物半導体にガスが吸着することによる抵抗の変化を検出する半導体式ガスセンサ、接触燃焼式ガスセンサ、固体電解質式ガスセンサなどを用いることが可能である。
また、一例として、図２５（Ｅ）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を有する光電変換素子とする回路図を図２６（Ａ）に示す。
セレン系半導体ＳＳｅを有する光電変換素子としては、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を有する光電変換素子を用いた光センサでは、入射す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。
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。
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帯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帯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帯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。
図２６（Ｂ）には、図２６（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２６（Ｂ）では、トランジスタＭ１、トランジスタＭ１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。
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。
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。
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。
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。
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。
図２６（Ｃ）には、図２６（Ｂ）とは異なる、断面構造の模式図である。図２６（Ｃ）では、トランジスタＭ１、トランジスタＭ１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。
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。
また、周辺回路に、図２７（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２７（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。
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２８（Ａ）、図２８（Ｂ）、図２８（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。
図２８（Ａ）は、演算増幅回路（ＯＰアンプともいう）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。
図２８（Ｂ）は、図２８（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。
図２８（Ｃ）は、図２８（Ａ）および図２８（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。演算増幅回路の出力端子は、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。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態５）
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２９乃至図３１を用いて説明する。
〔ボトムゲート型トランジスタ〕
図２９（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１１７と同様の材料および方法により形成することができる。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。
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の薄膜化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。
図２９（Ａ２）に示すトランジスタ４１１は、絶縁層１１８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。
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。
電極２４３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１１７、絶縁層２０９、および絶縁層１１８は、ゲート絶縁層として機能することができる。
なお、電極２４３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２４３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２４３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。
半導体層２４２を挟んで電極２４３および電極２１３を設けることで、更には、電極２４３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共に、電界効果移動度が高くなる。
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。
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（特に静電気に対する静電遮蔽機能）を有する。
また、電極２４３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２４３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。
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（すなわち、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。
また、電極２４３および電極２１３を有し、且つ電極２４３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。
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。
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。
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。
図２９（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。
図２９（Ｂ２）に示すトランジスタ４２１は、絶縁層１１８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。
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。
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２４３の間の距離と、電極２４５と電極２４３の間の距離が長くなる。よって、電極２４４と電極２４３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２４３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。
〔トップゲート型トランジスタ〕
図３０（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１つである。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１１７を有し、絶縁層１１７上に電極２４３を有する。
トランジスタ４３０は、電極２４３および電極２４４、並びに、電極２４３および電極２４５が重ならないため、電極２４３および電極２４４間に生じる寄生容量、並びに、電極２４３および電極２４５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２４３を形成した後に、電極２４３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３０（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。
なお、不純物元素２５５の導入は、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。
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。
図３０（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２０５と同様の材料および方法により形成することができる。
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。
図３０（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３０（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。
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。
トランジスタ４４０およびトランジスタ４４１も、電極２４３を形成した後に、電極２４３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。
〔ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ型トランジスタ〕
図３１に例示するトランジスタ４５０は、半導体層２４２ｂの上面及び側面が半導体層２４２ａに覆われた構造を有する。図３１（Ａ）はトランジスタ４５０の上面図である。図３１（Ｂ）は、図３１（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３１（Ｃ）は、図３１（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。
絶縁層１０９に設けた凸部上に半導体層２４２ａを設けることによって、半導体層２４２ｂの側面も電極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、半導体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。
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。
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。
また、図３２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３２（Ａ）はトランジスタ４５１の上面図である。図３２（Ｂ）は、図３２（Ａ）中のＸ１−Ｘ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図３２（Ｃ）は、図３２（Ａ）中のＹ１−Ｙ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態６）
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。
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、電子書籍端末、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、燃料を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機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。
図３３（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、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。レンズ９４５の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図３３（Ｂ）は携帯電話であり、筐体９５１に、表示部９５２、マイク９５７、スピーカー９５４、カメラ９５９、入出力端子９５６、操作用のボタン９５５等を有する。カメラ９５９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
図３３（Ｃ）はデジタルカメラであり、筐体９２１、シャッターボタン９２２、マイク９２３、発光部９２７、レンズ９２５等を有する。レンズ９２５の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図３３（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、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８、カメラ９０９等を有する。なお、図３３（Ｄ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。カメラ９０９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
図３３（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９３９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
図３３（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９１９には本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。
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。
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。
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 副画素
１１２Ｂ 副画素
１１２Ｇ 副画素
１１２Ｉ 副画素
１１２Ｒ 副画素
１１３ 絶縁層
１１４ コンタクトプラグ
１１５ 絶縁層
１１６ 絶縁層
１１７ 絶縁層
１１８ 絶縁層
１１９ コンタクトプラグ
１２１ トランジスタ
１２２ トランジスタ
１２３ トランジスタ
１２４ トランジスタ
１２５ トランジスタ
１２６ トランジスタ
１２７ トランジスタ
１２８ トランジスタ
１２９ トランジスタ
１３１ 配線
１３２ 配線
１３３ 配線
１３５ 配線
１３６ 配線
１３７ 配線
１４１ 配線
１４２ 配線
１４３ 配線
１４４ 配線
１４６ 配線
１５１ 容量素子
１５５ 半導体基板
１５６ ｐ型半導体層
１５７ ｎ型半導体層
１６５ トランジスタ
１６６ トランジスタ
１６７ トランジスタ
１６９ トランジスタ
１７２ 配線
１７４ 配線
１７６ 配線
１８２ 配線
１８３ 配線
１９０ 光源
２０１ スイッチ
２０２ スイッチ
２０３ スイッチ
２０５ 絶縁層
２０９ 絶縁層
２１３ 電極
２１７ 絶縁層
２２０ 光電変換素子
２２１ ｐ型半導体層
２２２ ｉ型半導体層
２２３ ｎ型半導体層
２２４ 開口
２２５ 開口
２２６ 電極
２２７ 電極
２３０ 画素回路
２４１ トランジスタ
２４２ 半導体層
２４２ａ 半導体層
２４２ｂ 半導体層
２４２ｃ 半導体層
２４３ 電極
２４３ａ 電極
２４３ｂ 電極
２４４ 電極
２４５ 電極
２４６ トランジスタ
２４９ 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
２６０ 第１の周辺回路
２６１ 配線
２６３ 配線
２６５ 配線
２６６ 配線
２６７ 配線
２６８ 電極
２７０ 第２の周辺回路
２７１ 信号処理回路
２７２ 列駆動回路
２７３ 出力回路
２７４ 回路
２７４ａ コンパレータ
２７４ｂ カウンタ回路
２７７ 配線
２７８ 配線
２７９ 配線
２８０ 第３の周辺回路
２８１ トランジスタ
２８２ トランジスタ
２８３ ｉ型半導体層
２８４ 低濃度ｐ型不純物領域
２８５ ｐ型半導体層
２８６ 絶縁層
２８７ 電極
２８８ 側壁
２８９ トランジスタ
２９０ 第４の周辺回路
２９１ フォトダイオード
２９２ トランジスタ
２９３ トランジスタ
２９４ 低濃度ｎ型不純物領域
２９５ ｎ型半導体層
２９７ 光電変換層
２９８ 電極
３０１ 期間
３１１ 期間
３９０ トラップ準位
４０１ 期間
４０２ 期間
４０３ 期間
４０４ 期間
４０５ 期間
４０６ 期間
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
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
５０２ 期間
５０３ 期間
５０６ 期間
５０７ 期間
５０８ 期間
６００ レンズ
６０２ フィルタ
６０２Ｂ フィルタ
６０２Ｇ フィルタ
６０２Ｉ フィルタ
６０２Ｒ フィルタ
６０４ 配線層
６１０ レンズ
６２０ 被検出物
６６０ 光
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイク
９０６ スピーカー
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９０９ カメラ
９１１ 筐体
９１２ 表示部
９１９ カメラ
９２１ 筐体
９２２ シャッターボタン
９２３ マイク
９２５ レンズ
９２７ 発光部
９３１ 筐体
９３２ 表示部
９３３ リストバンド
９３９ カメラ
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 筐体
９５２ 表示部
９５４ スピーカー
９５５ ボタン
９５６ 入出力端子
９５７ マイク
９５９ カメラ
９９９ 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

Claims (3)

  1. 第１の回路と、第２の回路と、第１のトランジスタと、を有し、
    前記第１の回路は、第１の光電変換素子と、第２のトランジスタと、第１の電荷蓄積領域と、を有し、
    前記第２の回路は、第２の光電変換素子と、第３のトランジスタと、第２の電荷蓄積領域と、を有し、
    前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１の光電変換素子と電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第１の電荷蓄積領域と電気的に接続され、
    前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第２の光電変換素子と電気的に接続され、
    前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第２の電荷蓄積領域と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１の光電変換素子と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第２の光電変換素子と電気的に接続される半導体装置であって、
    第１のステップと、第２のステップと、第３のステップと、第４のステップと、を有し、
    前記第１のステップにおいて、光源は、光を放出した状態であり、
    前記第１のステップにおいて、前記第１のトランジスタはオン状態、前記第２のトランジスタはオン状態、かつ、前記第３のトランジスタはオフ状態であり、
    前記第１のステップにおいて、前記第１の光電変換素子の受光量と前記第２の光電変換素子の受光量とを合わせた受光量に応じた第１の電位を前記第１の電荷蓄積領域に書き込み、
    前記第２のステップにおいて、前記光源は、光の放出を終了した状態であり、
    前記第２のステップにおいて、前記第１のトランジスタはオン状態、前記第２のトランジスタはオフ状態、かつ、前記第３のトランジスタはオン状態であり、
    前記第２のステップにおいて、前記第１の光電変換素子の受光量と前記第２の光電変換素子の受光量とを合わせた受光量に応じた第２の電位を前記第２の電荷蓄積領域に書き込み、
    前記第３のステップにおいて、前記第２のトランジスタはオフ状態、かつ、前記第３のトランジスタはオフ状態であり、
    前記第３のステップにおいて、前記第１の電荷蓄積領域に書き込まれた前記第１の電位に応じた第１の情報を読み出し、
    前記第４のステップにおいて、前記第２のトランジスタはオフ状態、かつ、前記第３のトランジスタはオフ状態であり、
    前記第４のステップにおいて、前記第２の電荷蓄積領域に書き込まれた前記第２の電位に応じた第２の情報を読み出すことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタは、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の回路は、第４のトランジスタを有し、
    前記第２の回路は、第５のトランジスタを有し、
    前記第４のトランジスタのゲートは、前記第１の電荷蓄積領域と電気的に接続され、
    前記第５のトランジスタのゲートは、前記第２の電荷蓄積領域と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
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