本发明专利技术涉及半导体装置，提供了保持电势达较长时间且含有具稳定电特性的薄膜晶体管的固态图像传感器。当含有氧化物半导体层的薄膜晶体管的截止态电流被设置为1×10-13A或更少且该薄膜晶体管被用作固态图像传感器的重置晶体管和转移晶体管时，信号电荷存储部分的电势被保持不变，所以可改进动态范围。当可被用于互补金属氧化物半导体的硅半导体被用于外围电路时，可制造具有低功耗的高速半导体器件。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及半导体装置，提供了保持电势达较长时间且含有具稳定电特性的薄膜晶体管的固态图像传感器。当含有氧化物半导体层的薄膜晶体管的截止态电流被设置为1×10-13A或更少且该薄膜晶体管被用作固态图像传感器的重置晶体管和转移晶体管时，信号电荷存储部分的电势被保持不变，所以可改进动态范围。当可被用于互补金属氧化物半导体的硅半导体被用于外围电路时，可制造具有低功耗的高速半导体器件。【专利说明】半导体装置本申请是申请日为“2010年10月12日”、申请号为“201080050573.5”、题为“半导体器件”的分案申请。
本专利技术的一个实施例涉及含有用氧化物半导体形成的场效应晶体管的半导体器件。 注意，在本说明书中，半导体器件是指可通过利用半导体性质起作用的所有器件，且电光器件、半导体电路、和电子器件全都是半导体器件。
技术介绍
用于使用在具有绝缘表面的衬底上形成的半导体薄膜形成薄膜晶体管的技术已经吸引了注意。硅基半导体材料已知被作为可应用于薄膜晶体管的半导体薄膜。作为另一种材料，氧化物半导体已经吸引了注意。 氧化锌和含有氧化锌的衬底已经被已知作为氧化物半导体材料。此外，使用其载流子(电子)浓度低于11Vcm3的非晶氧化物(氧化物半导体)形成的薄膜晶体管已经被公开(参考文献I到3)。 :日本公开专利申请N0.2006-165527 :日本公开专利申请N0.2006-165528 :日本公开专利申请N0.2006-165529
技术实现思路
在需要良好电特性的固态图像传感器中，尽管其具有类似于显示设备结构的结构，一般地使用由使用SOI衬底或块状单晶硅衬底形成的场效应晶体管。 然而，不可说由使用单晶硅形成的场效应晶体管具有理想的电特性。例如，截止态电流(也被称为漏电流等)并非足够低至被认为基本是零。进一步，硅的温度特性相对大地被变化。特别地，硅的截止态电流可能会变化。因此，在形成诸如固态图像传感器之类的电荷保留半导体器件的情况下，希望的是将研发不论周围环境而能保持电势且能具有低截止态电流的器件。 鉴于上述问题，所公开的专利技术的一个实施例的目的是提供含有具有稳定的电特性(如，特别低的截止态电流)的薄膜晶体管的固态图像传感器。 本专利技术的一个实施例是固态图像传感器，含有使用氧化物半导体形成的至少一个光电转换元件和放大器晶体管，且含有其中重置晶体管和转换晶体管是使用氧化物半导体形成的像素。 本专利技术的一个实施例中的氧化物半导体是通过移除可能是电子施主的杂质的本征或基本本征的半导体，且具有相比硅半导体更大的能隙。 换言之，在本专利技术的一个实施例中，形成了含有其沟道形成区是使用氧化物半导体膜形成的薄膜晶体管的固态图像传感器。在该氧化物半导体膜中，移除了氧化物半导体中含有的氢或O-H基团，以使氧化物半导体中氢的浓度是5X1019/cm3或更低，优选地是5X1018/cm3或更低，更优选地是5X10 1Vcm3或更低或者低于由次级离子质谱仪(SIMS)所测得的最低值的lX1016/cm3，且载流子浓度为低于I X 11Vcm3，优选地是I XlO1Vcm3或更低。 氧化物半导体的能隙是2eV或更大，优选的是2.5eV或更大，更优选的是3eV或更大。诸如氢之类形成施主的杂质，尽可能地被减少。载流子浓度被设置为I X 11Vcm3或更低，优选地是I X 11Vcm3或更低。 当使用这样高纯度的氧化物半导体用于薄膜晶体管的沟道形成区时，薄膜晶体管具有常态截止的电特性。在I到1V的漏电压下，薄膜晶体管的截止态电流为IX 10_13A或更低或10aA/ μ m( μ m表示该薄膜晶体管的沟道宽度)或更低，优选地为1aA/ μ m或更低，更优选地是IaA/ μ m或更低。 在本说明书中所公开的本专利技术的一个实施例是一半导体器件，其含有埋在硅氧化物衬底中的光电转换元件部件、通过转换晶体管电连接至光电转换元件部分的信号电荷存储部分、电连接至信号电荷存储部分的重置晶体管、以及其栅电极电连接至信号电荷存储部分的放大器晶体管。该半导体器件还包括像素部分，其中转换晶体管的沟道形成区和重置晶体管的沟道形成区被使用氧化物半导体形成，且放大器晶体管的沟道形成区使用硅半导体而形成。 此外，放大器晶体管可以是含有氧化物半导体的薄膜晶体管。进一步，可在像素部分中提供选择晶体管。进一步，在连接至像素部分的外围电路部分中，优选地使用含有硅半导体的块状晶体管形成互补晶体管。 在本说明书等中，诸如“电极”和“引线”之类的术语不限制组件的功能。例如，可使用“电极”作为部分的“引线”，且可使用“引线”作为部分的“电极”。此外，例如，诸如“电极”和“引线”之类的术语还可表示多个“电极”和“引线”的组合。 此外，“SOI衬底”并不限于诸如硅晶片之类的半导体衬底，且可能是诸如玻璃衬底、石英衬底、兰宝石衬底、或金属衬底之类的非半导体衬底。换言之，“SOI衬底”还包括，在其范畴中，提供了在其上使用半导体材料形成层的绝缘衬底。进一步，在本说明书等中，“半导体衬底”不仅是指使用半导体材料形成的衬底，还指所有含有半导体材料的衬底。即，在本说明书等中，“SOI衬底”也被包括在“半导体衬底”的范畴中。 根据本专利技术的一个实施例，当含有氧化物半导体且具有极低截止态电流的薄膜晶体管被用作重置晶体管和转换晶体管时，可将信号电荷存储部分的电势保持不变，从而可改进动态范围。进一步，当可被用于互补晶体管的硅半导体被用于外围电路时，可制造具有低功耗的高速半导体器件。 【专利附图】【附图说明】 在附图中: 图1是示出固态图像传感器的像素的结构的截面图； 图2A和2B是示出固态图像传感器的像素的结构的截面图； 图3A和3B是示出固态图像传感器的像素的结构的截面图； 图4A到4C是示出用于制造固态图像传感器的方法的截面图； 图5A到5C是示出用于制造固态图像传感器的方法的截面图； 图6是示出含有氧化物半导体的薄膜晶体管的Vg-1d特性的图表； 图7A和7B是含有氧化物半导体的薄膜晶体管的照片； 图8A和SB是示出含有氧化物半导体的薄膜晶体管的Vg-1d特性(温度特性)的图表； 图9是包括氧化物半导体的倒交错薄膜晶体管的横截面图； 图1OA和1B是图9中的A-A’截面的能带图(示意图)； 图1lA是图9中B-B’截面处于正电势(+VG)被施加给栅极(Gl)状态的能带图(示意图)，且图1lB是图9中B-B’截面处于负电势(-VG)被施加给栅极(Gl)状态的能带图(不意图)； 图12示出真空能级、金属的功函数(ΦΜ)、以及氧化物半导体的电子亲和性(X)之间的关系； 图13示出固态图像传感器的像素的结构； 图14示出固态图像传感器的像素的操作； 图15示出光电二极管的操作； 图16示出固态图像传感器的像素的结构； 图17示出固态图像传感器的像素的操作； 图18示出固态图像传感器的像素的结构； 图19示出固态图像传感器的像素的操作； 图20示出固态图像传感器的像素的结构； 图21示出固态图像传感器的像素的操作； 图22示出固态图像传感器的像素的结构； 图23示出固态图像传感器的像素的操作； 图2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种半导体装置，包括：在衬底上的包括栅电极的第一晶体管，其中所述第一晶体管的沟道形成区包含晶体硅；以及所述衬底上的第二晶体管，该第二晶体管包括：氧化物半导体层；所述氧化物半导体层上的源电极和漏电极；所述氧化物半导体层上的栅绝缘层；和所述栅绝缘层上的栅电极，其中，所述第一晶体管的所述栅电极电连接至所述第二晶体管的所述源电极和所述漏电极中的一个，且其中，所述氧化物半导体层包括与所述第二晶体管的所述栅电极以及所述第二晶体管的所述源电极和所述漏电极中的一个都重叠的区域。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小山润，山崎舜平，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：日本;JP
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