特開 2024-167267 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024167267

(43)【公開日】2024-12-03

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20241126BHJP

   G01S 7/4863 20200101ALI20241126BHJP

   B64U 20/87 20230101ALN20241126BHJP

   B64U 101/30 20230101ALN20241126BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

G01S7/4863

B64U20/87

B64U101:30

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024140771

(22)【出願日】2024-08-22

(62)【分割の表示】P 2021542301の分割

【原出願日】2020-08-07

(31)【優先権主張番号】P 2019152710

(32)【優先日】2019-08-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019162714

(32)【優先日】2019-09-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000153878

【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所

(72)【発明者】

【氏名】根来 雄介

(72)【発明者】

【氏名】米田 誠一

(57)【要約】

【課題】ノイズを除去することにより、正確な距離画像データを得ることを課題の一とする。また、積算回数を削減することで短時間での距離画像データ取得を実現することも課題の一とする。乗用車などの自動運転に利用するため、３次元の物体認識に用いることのできる固体撮像素子を含む距離画像処理システムを提供する。
【解決手段】深層学習（ディープラーニング）を利用して、ＴＯＦ方式の固体撮像素子、いわゆるＴＯＦカメラで得られる距離情報を含む画像処理を行う。深層学習により、ノイズが低減され、精度の高い距離画像を得ることができる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の画素を有し、
前記複数の画素はそれぞれ、画素回路を有し、
前記画素回路は、
フォトダイオードと、
第１乃至第１０のトランジスタと、
第１乃至第３の容量と、を有し、
前記フォトダイオードのカソードは、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第４のトランジスタのソース又はドレインの一方と、電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第１の容量の一方の電極と、前記第５のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第６のトランジスタのゲートと、電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第２の容量の一方の電極と、前記第７のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第８のトランジスタのゲートと、電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第３の容量の一方の電極と、前記第９のトランジスタのソース又はドレインの一方と、前記第１０のトランジスタのゲートと、電気的に接続される撮像装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードである撮像装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２において、
前記第１乃至第４のトランジスタ、前記第６のトランジスタ、前記第８のトランジスタ及び前記第１０のトランジスタのそれぞれのチャネル形成領域は、シリコンを有し、
前記第５のトランジスタ、前記第７のトランジスタ及び前記第９のトランジスタのそれぞれのチャネル形成領域は、酸化物半導体を有する撮像装置。

【請求項4】

請求項３において、
前記酸化物半導体は、酸化インジウムを有する撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

酸化物半導体を用いる半導体装置及びその作製方法に関する。または、本発明の一態様は撮像装置に関する。また、距離推定装置および距離推定方法に関する。

【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。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、又は、製造方法に関する。本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。そのため、より具体的に本明細書等で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又は、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。

【0003】

なお、本明細書中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装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。

【背景技術】

【0004】

近年、３次元情報を利用する様々な研究が多くなされている。２台以上のカメラを平行に配置して多視点画像から３次元情報を構築する方法が一般に知られている。この方法は、低コストで実施することが可能であるが、自動車の自動運転のためには不十分であり、高精度の距離計測などが困難である。

【0005】

距離を測る手段として、赤外線などの光を照射し、その反射光を用いて３次元情報を取得する方法（ＴＯＦ方式ともよぶ）が注目を集めている。ＴＯＦ方式の距離計測は、光源と光検出器（センサまたはカメラ）で構成される。このＴＯＦ方式で用いるカメラはタイムオブフライトカメラと呼び、ＴＯＦカメラとも呼ぶ。ＴＯＦカメラは、光を放出する光源から物体までの距離情報を、物体に照射された光の反射光の飛行時間（タイムオブフライト）に基づいて得ることができる。

【0006】

また、ＴＯＦを直接時間領域で計測する直接ＴＯＦ計測法と、ＴＯＦに依存した物理量の変化とそれを時間的変化に換算するための時間基準を用いて計測する間接ＴＯＦ計測法がある。ＴＯＦに関して、非特許文献１に記載されている。

【0007】

しかし、ＴＯＦカメラは、遠くのものから反射してきた弱い光を、ごく短時間しか受光することができないため、信号がノイズに埋もれやすい。

【0008】

特許文献１には、固体撮像素子のリセットトランジスタ及び転送トランジスタの両方に酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることが開示されている。

【0009】

また、機械学習を用いて暗い環境で撮られた画像を修正するためのデータセットと手法が非特許文献２に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１１－１１９７１１号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】ＶＬＳＩ２０１８， Ｐａｎａｓｏｎｉｃ， Ｓ Ｋｏｙａｍａ ｅｔ ａｌ．， “Ａ ２２０ｍ－Ｒａｎｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｉｍｅ－ ｏｆ－ ｆｌｉｇｈｔ ６８８×３８４ ＣＭＯＳ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｓｕｂ－ｐｈｏｔｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｉｘｅｌｓ Ｕｓｉｎｇ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ－Ｄｉｏｄｅｓ ａｎｄ ６ｋＨｚ Ｌｉｇｈｔ ｐｕｌｓｅ Ｃｏｕｎｔｅｒ”

【0012】

【非特許文献2】ＣＶＰＲ ２０１８， Ｃｈｅｎ Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．， “Ｌｅａｒｎｉｎｇ ｔｏ Ｓｅｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｄａｒｋ”

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

ノイズにより信号が埋もれてしまうと、反射率の低い測定対象物を画像認識することが困難になる。

【0014】

距離画像データは、光源からの光が対象物で反射し、その反射光を受光して受光素子で発生した電荷を用いて積算し、対象物までの距離を求める。分解能を向上させるために、測定を何度も繰り返し、積算し、平均値処理を行う場合もある。

【0015】

ノイズを除去することにより、正確な距離画像データを得ることを課題の一とする。また、積算回数を削減することで短時間での距離画像データ取得を実現することも課題の一とする。

【0016】

乗用車などの自動運転に利用するため、３次元の物体認識に用いることのできる固体撮像素子を含む距離画像処理システムを提供することも課題の一つである。

【0017】

ＴＯＦカメラの距離分解能を向上させるためには、時間分解能を上げる必要がある。時間分解能を上げようとすると、露光時間が短くなるので、信号強度が低くなる。この信号強度を高めるために複数回の測定を行って繰り返し電荷のため込みを行うことがあるが、単結晶シリコンを用いたトランジスタではリークの問題がある。また、単結晶シリコンを用いたトランジスタではオフ時のリーク電流のばらつきの問題もある。特にオフ電流は変化しやすい。従って、固体撮像素子など電荷保持型の半導体装置を構成する場合には、環境に左右されず十分な電位保持期間の確保が可能であり、よりオフ電流特性が低減されたデバイスの開発が望まれている。

【0018】

また、単結晶シリコンを用いたトランジスタのオフ時のリークによるノイズ問題がある。単結晶シリコンを用いたトランジスタのオフ時のリークを低減できないため、ノイズを除去できない課題がある。

【0019】

また、ＴＯＦカメラで用いられる半導体回路の集積化または小型化が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0020】

深層学習（ディープラーニング）を利用して、ＴＯＦ方式の固体撮像素子、いわゆるＴＯＦカメラで得られる距離情報を含む画像処理を行う。深層学習により、ノイズが低減され、精度の高い距離画像を得ることができる。

【0021】

距離情報は、複数の空間スライスからなり、空間スライスのそれぞれが認識したい空間全体にわたる複数の距離ごとの物体情報を重ね合わせた１枚の距離画像とすることができる。ＴＯＦ方式の場合、光源からの光が物体に照射され、その反射光を用いる。例えば、固体撮像素子からの距離１ｍ以上４５ｍ未満にある物体情報、４５ｍ以上９０ｍ未満にある物体情報、９０ｍ以上１３５ｍ未満の物体情報というように距離ごとに物体の画像を取得し、重ね合わせることで１ｍ以上１３５ｍ未満における１枚の距離画像が得られる。

【0022】

本明細書で開示する発明の構成は、測定空間の対象物に照射する光源と、対象物の反射光を受光する固体撮像素子の受光領域と、受光領域から発生するキャリアに基づいて第１の３次元画像データを生成する画像生成部と、第１の３次元画像データを入力する入力部と、教師データによって学習した学習モデルを用いて、第１の３次元画像データに対してプロセッサで画像処理を行う推定部と、第１の３次元画像データよりも精度の高い第２の３次元画像データを生成する出力部と、を有する距離推定装置である。

【0023】

上記構成において、学習モデルに用いる教師データは、第１の３次元画像データよりも積算回数が多いものを多数用いる。積算回数を多くおこなった３次元画像データを学習させ、出力部において精度が最も高くなるような学習モデルを用いる。

【0024】

予め、ＴＯＦカメラと対象物の３次元座標との位置関係を学習させ、学習モデルを構成してもよい。

【0025】

また、上記構成において、第２の３次元画像データは測定空間のデプスマップである。

【0026】

また、上記構成において、画像処理は、深層畳み込みニューラルネットワークによって行われる。具体的には、Ｕ字型ネットワーク、いわゆるＵ－Ｎｅｔ法を用いる。Ｕ－Ｎｅｔ法は２Ｄ画像に用いられる識別抽出方法の一つである。また、ＦＣＮ（Ｆｕｌｌｙ Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）法を用いることもできる。なお、Ｕ－Ｎｅｔ法はＦＣＮ法の改良版である。また、Ｕ－ｎｅｔ法の３次元拡張版である３Ｄ－Ｎｅｔ法やＶ－Ｎｅｔ法を用いることができる。

【0027】

なお、ニューラルネットワークとは、生体の脳における特性を計算機上のシミュレーションによって表現することを目指した数学モデルを指している。また、畳み込みニューラルネットワークとは、複数のユニットを持つ層が入力段から出力段へ向けて一方向に連結されており、出力側のユニットが隣接する入力側の特定のユニットに結合された畳み込み層を有する順伝搬型ネットワークを指している。

【0028】

また、上記構成において、対象物との距離は、光源からの距離に対応する時間範囲を複数の測定区間に分割し、光源から発した発光が対象物の存在する測定区間から反射して受光領域に到達するまでの時間に基づいて推定する。

【0029】

画像生成部は、固体撮像素子の受光光量に対応した電気出力の積算値または平均値を求め、この値を用いて距離を推定する。また、画像生成部は、複数の検出期間の電流を受光期間別に積算した電荷量を用いて距離を求め、その距離を距離画像の画素値とする。

【0030】

固体撮像素子の使用が、防犯のために用いられる固定したカメラ設置となる場合、積算回数を多くして得られた画像を学習データに用いることで、積算回数の少ない撮像データを用いて、積算回数を多くして得られた画像と同等の精度の距離画像を得ることができる。さらに積算回数を多くして得られた画像を画像処理してノイズを減らしたものを学習データに用いることで、積算回数の少ない撮像データを用いて、積算回数を多くして得られた画像以上の精度の距離画像を得ることができる。

【0031】

推定部には例えばマイコンが利用できる。なお、マイコンとは、演算などのアルゴリズムを実行できるプログラムをマイクロコンピュータもしくはマイクロプロセッサに移植したものを指している。マイクロコンピュータとは、マイクロプロセッサ、メモリ、周辺チップなどで構成した小さなコンピュータのことである。

【0032】

また、推定部は、１つのチップ上に集積して製造されたＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）から構成されているとしてもよい。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限らず、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。プロセッサは８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビット、１２８ビットなどのものを用いることができる。また、プロセッサにはマイクロプロセッサ、コプロセッサ、浮動小数点プロセッサなどがある。また、ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、或いはＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブルプロセッサを用いてもよい。

【0033】

重みづけパラメータや、画素値は、例えば推定部のメモリ、具体的にはＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に記憶させる。推定部は、より正確に距離画像を算出することができる。

【0034】

また、ニューラルネットワーク処理を含む複数の処理を順序立てて行い、複数のステップを構成する距離画像処理方法を実現することができる。また、距離画像処理方法に含まれる各ステップをコンピュータに実行させるコンピュータプログラムとして実現することもできる。また、そのようなコンピュータプログラムを記録媒体、或いはインターネットの通信ネットワークを介したクラウドに保存し、実行することもできる。

【0035】

また、本明細書で開示する発明の構成は、受光領域と、受光領域の周辺に複数の電荷蓄積領域と、電荷蓄積領域上に少なくとも一部重なる酸化物半導体を用いたトランジスタと、複数の電荷蓄積領域及びトランジスタと重なる遮光板と、を有する撮像装置である。

【0036】

また、他の発明の構成は、受光領域と、電荷蓄積領域と、第１のトランジスタが少なくとも埋め込まれた半導体ウェハーと、電荷蓄積領域の上方に少なくとも一部重なる第２のトランジスタと、を有し、前記第２のトランジスタは、酸化物半導体をチャネル形成領域に有する撮像装置である。

【0037】

上記構成において、さらに遮光板を有し、遮光板は、電荷蓄積領域、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタと重なる。

【0038】

１つの受光領域を一つの画素としてｎ行ｍ列（ｎ×ｍ）の画素のセンサを構成する。なお、ｎまたはｍは２以上の自然数、例えば、ｎは３２、ｍは３２としてもよい。ｎやｍの数が多くなると回路規模が膨大になりやすい。回路規模が膨大になると画素間の計測の同時性を維持することが困難となるため、高い時間分解能を実現することが困難となる。

【0039】

電荷蓄積領域上に酸化物半導体層を用いたトランジスタを積層し、一部を重ねることで、回路規模を変えることなく回路面積を縮小することができ、チップの小型化が図れる。また、積層することで、高い時間分解能を実現することができる。

【0040】

上記各構成において、受光領域は、埋め込みフォトダイオードの受光面積、或いはアバランシェフォトダイオードの受光面積に相当する。

【0041】

単一フォトンの検出を行うアバランシェフォトダイオードはＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ ａｖａｒａｎｃｈｅ ｄｉｏｄｅ）とも呼ばれ、カソードに大きな負電圧を加えておくと、１フォトンの入射で発生した電子がアバランシェ増倍を生じ大電流がながれる。１フォトンの到来時刻を開始点とする電子パルスが生成される。アバランシェ増倍の速度は非常に速いので、電子パルスの発生タイミングによりフォトンの到来時刻を知ることができ、光の飛行時間の測定に利用することができる。

【0042】

また、酸化物半導体層を用いたトランジスタを用いることでリークを低減し、ノイズの影響を低減することができる。

【0043】

酸化物半導体層は、例えば、インジウムを含むことが好ましく、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、ＳｎまたはＨｆ）を含むことがさらに好ましい。

【0044】

電界制御電極は、高速な電荷転送に用いられ、一対の電界制御電極に電圧を加えることによってフリンジング電界を生じさせ、受光領域で発生した光電子を電荷蓄積領域に移動させる。複数の電界制御電極の電位を制御することによって電位勾配を与え、受光領域で発生した光電子を所望の電荷蓄積領域に移動させる。電荷蓄積領域上には、絶縁層の積層を有し、絶縁層の積層は、受光領域と一部重なる開口を有する。絶縁層の積層は、酸化物半導体層を用いたトランジスタを形成する際に成膜され、受光領域上に重なる位置に積層されたままであると、入射される赤外線が屈折して受光領域に到達する光量が低減されるため、絶縁層の積層を除去する構成としてもよい。受光領域上に重なる絶縁層の積層に開口を形成することで受光領域に効率よく赤外線が入射されるようにすることができる。

【0045】

また、電荷蓄積領域のいずれかにはリセット用のトランジスタも接続され、電荷蓄積領域の電荷をリセットする。

【0046】

また、出力光パルスに対して受信した光パルスの遅延時間（光飛行時間）は、複数のフォトダイオードを用いて受光し、公知の方法により測定することができる。また、公知の方法により、遅延時間（光飛行時間）に対応する距離を測定することもできる。

【0047】

図１にＴＯＦカメラの概略図を示す。図１において照射ユニット１１は、ＬＥＤなどの光源であり、対象物Ａと対象物Ｂは光源からの距離が異なっており、照射ユニット１１の発光が照射される対象物である。また、対象物Ａと対象物Ｂからの反射光はそれぞれ固体撮像素子を有するセンサユニット１２でセンシングされる。センサユニット１２は、固体撮像素子を１画素として２次元平面上に複数を配列したセンサである。

【0048】

間接ＴＯＦ測定法は、光源により信号光として高周波、例えば１０ＭＨｚで変調した光（高周波変調光）を対象物Ａまたは対象物Ｂに照射して高周波変調光由来の反射光を信号としてとらえ、照射ユニット１１からの高周波変調光と、反射光との位相のずれから対象物Ａまたは対象物Ｂとセンサユニット１２及び照射ユニット１１との距離を計測するものである。

【0049】

位相のずれを判定し、計測する際には、相関及び評価ユニット１４を用いてセンサユニット１２で得られたデータと信号発生ユニット１３のデータを用いて行う。なお、照射ユニット１１は信号発生ユニット１３からの指示により発光させる。

【0050】

位相のずれ、即ち位相遅延は、周期長及び光速を使用して、測定される距離に変換される。１画素ごとに行われることにより、対象物Ａと対象物Ｂの距離の違いが算出できる。

【0051】

本明細書では、ＴＯＦカメラは、センサユニット１２だけでなく、照射ユニット１１、相関及び評価ユニット１４、信号発生ユニット１３などを含めたデバイスを指し、撮像装置と呼ぶこととする。

【発明の効果】

【0052】

深層学習を用いて、ノイズの多い距離画像から高精度の距離画像を得ることができる。従って、距離画像データを利用する無人走行車や、産業用ロボットなどの製造機械に用いる場合にも有用である。

【0053】

例えば、ＴＯＦカメラを車載する場合、ニューラルネットワークによる学習で得られたモデルとパラメータを車載のマイクロコンピュータもしくはマイクロプロセッサ（以下、マイコンとも呼ぶ）などに移植することで、車からの距離画像を推定し、その距離画像が出力可能になる。

【0054】

単結晶シリコンを用いたトランジスタのオフ時のリークによるノイズを低減し、高い時間分解能を実現することができる。

【0055】

ＴＯＦカメラで用いられる半導体回路の集積化または小型化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0056】

【図1】図１は本発明の一態様を示す概略図である。

【図2】図２Ａは本発明の一態様を示す回路図の一例であり、図２Ｂはタイミングチャートを示す図である。

【図3】図３は本発明の一態様を示すポテンシャル図の一例である。

【図4】図４は本発明の一態様を示す回路図の一例である。

【図5】図５は本発明の一態様を示すタイミングチャートを示す図の一例である。

【図6】図６Ａは、本発明の一態様を示す固体撮像素子の上面図であり、図６Ｂは断面図である。

【図7】図７は本発明の一態様を示す固体撮像素子の断面図である。

【図8】図８Ａは、本発明の一態様を示す固体撮像素子に用いるトランジスタを説明する上面図であり図８Ｂは断面図である。

【図9】図９Ａは本発明の一態様を示す固体撮像素子に用いるトランジスタの断面図であり、図９Ｂはトランジスタの酸化物半導体層１３０の上面図を示しており、図９Ｃ及び図９Ｄは断面図である。

【図10】図１０Ａ及び図１０Ｂは本発明の一態様を示すフロー図の一例である。

【図11】図１１は本発明の一態様を示すブロック図である。

【図12】図１２はＵ－Ｎｅｔネットワークアーキテクチャの模式図である。

【図13】図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、図１３Ｄ、図１３Ｅ、図１３Ｆは、本発明の使用形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0057】

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。

【0058】

（実施の形態１）
図２Ａに一つの画素構成を示す回路図を示す。図２Ａに示す画素回路は、フォトダイオードと複数のトランジスタと容量を少なくとも有する。フォトダイオードのカソードがトランジスタ２２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する。トランジスタ２２は、ゲートが配線ＴＸ１と電気的に接続し、ソースまたはドレインの他方が容量４１の一方の電極、トランジスタ２５のソースまたはドレインの一方、及びトランジスタ３１のゲートと電気的に接続する。トランジスタ２５のソースまたはドレインの一方は、配線ＶＲＳと電気的に接続される。

【0059】

一つの画素として、一つのフォトダイオード（ＰＤ）とリセット用の１つのトランジスタ（２１）と電荷転送用の３つのトランジスタ（２２、２３、２４）は、シリコンウェハーに作りこみ、その上の層に酸化物半導体を用いたトランジスタ（２５、２６、２７）を積層する。容量４１、４２、４３は、シリコンウェハーに作りこんでもよいし、その上の層に作製してもよい。

【0060】

電荷転送用の３つのトランジスタ（２２、２３、２４）は、それぞれ保持ノードＦＤが接続される。保持ノードにため込むタイミングを変えることで時間を測定する。保持ノードに電荷をため込みたいタイミング以外ではリセット用のトランジスタ２１でフォトダイオードＰＤをリセットする。また、図２Ｂに配線ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４に印加する信号のタイミングチャートの一例を示す。

【0061】

従来では、フォトダイオードと読み出し回路をシリコンウェハーに作りこむため、フォトダイオードの占有面積と読み出し回路の占有面積とを合計したチップの総面積となっている。なお、トランジスタ３１、３２、３３は、読み出し回路の一部である。本実施の形態では、トランジスタ３１、３２、３３及び容量４１、４２、４３は、受光領域と重ならない箇所のシリコンウェハーに作り、電気的に接続する。

【0062】

また、読み出し回路またはその一部を酸化物半導体を用いたトランジスタで構成することで、積層することによる占有面積の縮小が図れる。従って、埋め込みフォトダイオードの受光領域である占有面積の拡大や、チップ全体の縮小化を実現することもできる。

【0063】

また、Ｓｉの埋め込みフォトダイオードを使用する場合、ポテンシャル図を図３に示す。ポテンシャル図において、図の下方向（深さ方向）が電位（ポテンシャル）の正方向として表現している。ＦＤに電荷をためている場合のリークパスはフォトダイオードＰＤからトランジスタ２２を介して保持ノードＦＤまでの経路（図３中の点線矢印４５）と、保持ノードＦＤからトランジスタ２５を介して配線ＶＲＳまでの経路（図３中の点線矢印４６）の２か所である。トランジスタ２５のゲートＲＳによって配線ＶＲＳから保持ノードＦＤへの電荷の供給が制御される。フォトダイオードＰＤからの第１のリークパスは配線ＴＸ４にて、リセットしていればほとんど問題ないはずであるが、第２のリークパスである保持ノードＦＤから配線ＶＲＳへのリークは問題である。その解決のために本実施の形態では、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いている。酸化物半導体を用いたトランジスタ２５はリークが少ないので、リークによるノイズが低減し、高精度な測定が可能である。

【0064】

また、フォトダイオードＰＤに代えて、埋め込みフォトダイオードよりも強度が低いエネルギーでも検出できるアバランシェフォトダイオードを用いることもできる。

【0065】

また、本実施の形態では、電荷転送用のトランジスタ（２２、２３、２４）を３つとした例を示したが特に限定されず、２つ、または４つ以上のトランジスタとしてもよい。

【0066】

また、シリコンウェハーを用いる例を示しているが、特にシリコンに限定されない。例えば、化合物半導体基板を用いることもできる。

【0067】

（実施の形態２）
本実施の形態では、フォトダイオードとして、ＰＩＮフォトダイオードよりも小さい光エネルギーでも検出できるアバランシェフォトダイオードを用いる例を以下に示す。

【0068】

図４にアバランシェフォトダイオードＡＰＤを用いる画素回路の一例を示す。また、図５に配線ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４に印加する信号のタイミングチャートの一例を示す。アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、カソードに負電圧を加えることによって、素子内部に発生したキャリアの増倍機能を有し、印加バイアスに応じた増倍率を得ることができる。

【0069】

アバランシェフォトダイオードＡＰＤを使用する場合でも、入射フォトン数が少ない場合には、複数回測定して積算することで、ノイズを減らすことができる。積算する場合、保持ノードＦＤ側の容量がアバランシェフォトダイオードＡＰＤ側の容量に比べて十分に大きいなら繰り返しの蓄積が可能である。

【0070】

本実施の形態では、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ側の容量が大きい場合であるので、容量を減らすためにアバランシェフォトダイオードＡＰＤ側にトランジスタ４４を追加している。トランジスタ２２、２３、２４の配線（ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３のいずれか一）をＨｉｇｈにして電荷を転送する際にこのトランジスタ４４のゲートＴＲを制御してオフ状態にすることで、容量を低くできる。その場合、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに電荷が残ってしまうので、転送のたびにアバランシェフォトダイオードＡＰＤのリセットが必要である。

【0071】

本実施の形態では、トランジスタ４４は、電荷転送用の３つのトランジスタ（２２、２３、２４）と同様に、シリコンウェハーに作りこむ。また、酸化物半導体を用いたトランジスタ（２５、２６、２７）は、そのシリコンウェハーの上方に作製する。読み出し回路などの駆動回路の一部に酸化物半導体を用いたトランジスタで構成することにより、１つの画素サイズを小さくできる。また、読み出し回路などの駆動回路の一部を酸化物半導体を用いたトランジスタで構成することにより、同じ画素サイズで比較した場合、受光領域の面積を広くすることができる。

【0072】

このデバイスを用いることで、直接ＴＯＦ計測法を用いた距離画像センサを作製することができる。

【0073】

また、本実施の形態では、電荷転送用のトランジスタ（２２、２３、２４）を３つとした例を示したが特に限定されず、２つ、または４つ以上のトランジスタとしてもよい。

【0074】

（実施の形態３）
実施の形態１に示したシリコンウェハーに作りこまれたフォトダイオードを含む固体撮像素子の一例を示す。

【0075】

図６Ａは、ｐ型のシリコンシリコンウェハーに不純物元素などを添加し、形成されたｎ型領域である複数の電荷蓄積領域６４、電荷排出領域６５、フォトダイオードの受光領域９０、複数の転送ゲート対を配置したレイアウトの一例である。図６Ａには示していないが、点線で囲んだ受光領域の上方には受光領域９０と重なる領域が開口となる遮光板が配置され、固定されている。なお、図６Ａでは、簡略化のため、遮光板の下方であり、且つ、シリコンウェハー上に形成された酸化物半導体を用いたトランジスタのレイアウトは図示していない。遮光板の下方であれば、シリコンウェハー上に絶縁層を介して酸化物半導体を用いたトランジスタを設置することができ、集積化することができる。

【0076】

また、図６Ａ及び図６Ｂにおいて、複数の転送ゲート対や、配線ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４を島状に図示しているが、フローティング状態の電極ではなく、上方においてそれぞれ配線が接続されており、それぞれ所望の電圧を印加できるように配線がレイアウトされている。

【0077】

また、受光領域９０の上方、且つ、遮光板９１の開口と重なる位置にマイクロレンズを設けてもよい。マイクロレンズは、光源から離れた対象物からの反射光を集光して受光領域９０に照射させることができる。なお、図６Ａでは受光領域と重なる開口を有する遮光板は図示せず、省略している。

【0078】

また、図６Ｂは、図６Ａ中の一点鎖線で切断した断面模式図を示している。

【0079】

図６Ｂにおいて、受光領域９０は、受光しやすいように受光領域９０と重なる位置のいくつかの絶縁層（絶縁層の積層）を選択的に除去し、絶縁層の積層に開口を有している。絶縁層の積層に開口を形成するプロセスは、酸化物半導体を用いたトランジスタの作製プロセスと同一工程で形成できるため、工程数の増加はほとんどない。受光領域９０上方に本実施の形態では、受光領域９０と重なる位置の絶縁層の積層に起因する屈折率の影響を低減するため開口を設けたが、対象物からの反射した赤外線が十分に受光できるのであれば、開口は設けなくてもよい。図６Ｂにおいて、受光領域９０は、第１の絶縁層７０、第２の絶縁層７５の積層のみで覆われている。第１の絶縁層７０、第２の絶縁層７５は、透光性の高い絶縁無機材料、例えば酸化シリコンで作製される。また、第１の絶縁層７０は、フィールド酸化膜を用いることもできる。第１の絶縁層７０、第２の絶縁層７５の上面は、必要に応じてＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。

【0080】

また、各トランジスタを分離するため、ｐウェル領域６６によって素子分離を行う。また、ｐウェル領域６６はガードリングを形成することもできる。

【0081】

受光領域９０は、シリコンウェハーに埋め込まれている構造となっている。図６Ｂに示すようにウェハー自体のｐ型領域６０、その上にｐ－領域６１、ｎ型表面埋込領域６２、ｐ＋領域６３、第１の絶縁層７０、第２の絶縁層７５が積層されている。ｎ型表面埋込領域６２で多数キャリアが発生するフォトダイオード構造となっている。ｎ型表面埋込領域６２の空乏化電位を順次変化させることにより、多数キャリアの移動先を３箇所の電荷蓄積領域６４のいずれか一に設定するよう制御して距離画像が撮像される。制御は、配線ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４及び第１の転送ゲート対７１、第２の転送ゲート対７２、第３の転送ゲート対７３、第４の転送ゲート対７４にそれぞれ印加する電圧などを適宜調節して行う。

【0082】

なお、配線ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４で多数キャリアの移動を制御できるのであれば、特に第１の転送ゲート対７１、第２の転送ゲート対７２、第３の転送ゲート対７３、第４の転送ゲート対７４は、設けなくともよい。

【0083】

図６Ｂにおいては酸化物半導体を用いたトランジスタが配置されていないため、酸化物半導体を用いたトランジスタ２５が配置されて図６Ｂと一部対応する断面構造の一例を図７に示す。図７は、図６Ｂと用いている絶縁層と同一であり、同じ箇所には同じ符号を用いて説明する。

【0084】

図６Ａ、図６Ｂにおいて、第１の転送ゲート対７１、第２の転送ゲート対７２、第３の転送ゲート対７３、第４の転送ゲート対７４は、ポリシリコン配線または金属配線を用いる。

【0085】

第１の転送ゲート対７１、第２の転送ゲート対７２、第３の転送ゲート対７３、第４の転送ゲート対７４にそれぞれ電圧を加えることによって、受光領域９０で発生した光電子を電荷蓄積領域６４に高速に転送する補助を行う。

【0086】

リセット用のトランジスタは、受光領域９０の電位を初期化するリセットトランジスタとして機能させることができる。リセット用のトランジスタのゲートである配線ＴＸ４に電圧を加えることによって、電荷を高速に電荷排出領域６５に移動させ、電荷排出することでリセットが行われる。なお、配線ＴＸ４をゲートとするトランジスタは、公知のＣＭＯＳ作製工程により作製される。また、配線ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３をゲートとするトランジスタも公知のＣＭＯＳ作製工程により作製される。本実施の形態では１つの画素に３つの電荷蓄積領域６４と１つの電荷排出領域６５を示す構成を示したが特に限定されず、電荷排出領域を複数設けてもよい。また、電荷蓄積領域６４と電荷排出領域６５は同じ工程で作製されるｎ＋領域であり、電荷排出領域にリセット用トランジスタを接続しており、区別するために呼び名を変えているに過ぎない。

【0087】

図７では、シリコンウェハーに埋め込まれて形成されるトランジスタのうち、配線ＴＸ１をゲートとするトランジスタが図示されており、電荷蓄積領域６４がソース領域またはドレイン領域として機能している。また、配線ＴＸ１をゲートとするトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジスタ２５のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続し、その一方は、保持ノードＦＤとして機能し、他方は接続電極７６を介して配線ＶＲＳと電気的に接続する。また、酸化物半導体を用いたトランジスタ２５は、電荷蓄積領域６４と一部重なっている。電荷蓄積領域上に酸化物半導体層を用いたトランジスタを積層し、一部を重ねることで、回路面積を縮小することができ、チップの小型化が図れる。

【0088】

本実施の形態で示した固体撮像素子は、電荷転送用のトランジスタが３つある構造であり、電荷蓄積の保持ノードを３つもち、実施の形態１に示した図２に示す回路と対応する素子である。

【0089】

なお、図７において、トランジスタ２５はバックゲートを有する形態を例示しているが、バックゲートを有さない形態であってもよい。当該バックゲートは、対向して設けられるトランジスタのフロントゲートと電気的に接続する場合がある。または、当該バックゲートにフロントゲートとは異なる固定電位が供給される場合がある。

【0090】

トランジスタ２５には、活性層を酸化物半導体で形成したトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタ）を用いることができる。

【0091】

ＯＳトランジスタは極めて低いオフ電流特性を有するため、撮像のダイナミックレンジを拡大することができる。

【0092】

また、トランジスタ２５の低いオフ電流特性によって電荷蓄積領域６４で電荷を保持できる期間を極めて長くすることができる。また、リークを低減することができる。

【0093】

また、ＯＳトランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを用いたトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタ）よりも電気特性変動の温度依存性が小さいため、極めて広い温度範囲で使用することができる。したがって、ＯＳトランジスタを有する固体撮像素子および半導体装置は、自動車、航空機、宇宙機などへの搭載にも適している。

【0094】

（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体を有するトランジスタについて図面を用いて説明する。なお、本実施の形態における図面では、明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。

【0095】

図８Ａ、図８Ｂは、本発明の一態様の固体撮像素子に用いるトランジスタの上面図および断面図である。図８Ａは上面図であり、図８Ａに示す一点鎖線Ｂ１－Ｂ２方向の断面が図８Ｂに相当する。また、図８Ａに示す一点鎖線Ｂ３－Ｂ４方向の断面が図９Ａに相当する。また、一点鎖線Ｂ１－Ｂ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｂ３－Ｂ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。また、図９Ｂはトランジスタの酸化物半導体層１３０上面図を示しており、図９Ｃは、図９Ｂ中の一点鎖線Ａ１－Ａ２方向の断面に相当し、図９Ｄは、図９Ｂ中の一点鎖線Ａ３－Ａ４方向の断面に相当する図である。

【0096】

トランジスタ１０１は、基板１１５と接する絶縁層１２０と、絶縁層１２０と接する酸化物半導体層１３０と、酸化物半導体層１３０と電気的に接続する導電層１４０および導電層１５０と、酸化物半導体層１３０、導電層１４０および導電層１５０と接する絶縁層１６０と、絶縁層１６０と接する導電層１７０と、導電層１４０、導電層１５０、絶縁層１６０および導電層１７０と接する絶縁層１７５と、絶縁層１７５と接する絶縁層１８０と、を有する。また、必要に応じて絶縁層１８０に平坦化膜としての機能を付加してもよい。

【0097】

ここで、導電層１４０はソース電極層、導電層１５０はドレイン電極層、絶縁層１６０はゲート絶縁膜、導電層１７０はゲート電極層としてそれぞれ機能することができる。

【0098】

基板１１５には、半導体基板を用い、例えば単結晶シリコンをチャネル形成領域に有するトランジスタが形成されたシリコン基板、および当該シリコン基板上に絶縁層、配線、コンタクトプラグとしての機能を有する導電体等が形成されたものを用いることができる。

【0099】

絶縁層１２０は、基板１１５に含まれる要素からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体層１３０に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁層１２０は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である膜とする。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、上述のように基板１１５が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層１２０は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。

【0100】

例えば、絶縁層１２０には、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、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絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いることができる。また、上記材料の積層であってもよい。

【0101】

なお、本実施の形態では、トランジスタが有する酸化物半導体層１３０が酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃを絶縁層１２０側から順に積んだ三層構造である場合を主として詳細を説明する。

【0102】

なお、酸化物半導体層１３０が単層の場合は、本実施の形態に示す、酸化物半導体層１３０ｂに相当する層を用いればよい。

【0103】

また、酸化物半導体層１３０が二層の場合は、本実施の形態に示す、酸化物半導体層１３０ａに相当する層および酸化物半導体層１３０ｂに相当する層を絶縁層１２０側から順に積んだ積層を用いればよい。この構成の場合、酸化物半導体層１３０ａと酸化物半導体層１３０ｂとを入れ替えることもできる。

【0104】

また、酸化物半導体層１３０が四層以上である場合は、例えば、本実施の形態で説明する三層構造の酸化物半導体層１３０に対して他の酸化物半導体層を付加する構成とすることができる。

【0105】

一例としては、酸化物半導体層１３０ｂには、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃよりも電子親和力（真空準位から伝導帯下端までのエネルギー）が大きい酸化物半導体を用いる。電子親和力は、真空準位と価電子帯上端とのエネルギー差（イオン化ポテンシャル）から、伝導帯下端と価電子帯上端とのエネルギー差（エネルギーギャップ）を差し引いた値として求めることができる。

【0106】

酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂを構成する金属元素を一種以上含み、例えば、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層１３０ｂよりも、０．０５ｅＶ、０．０７ｅＶ、０．１ｅＶ、０．１５ｅＶのいずれか以上であって、２ｅＶ、１ｅＶ、０．５ｅＶ、０．４ｅＶのいずれか以下の範囲で真空準位に近い酸化物半導体で形成することが好ましい。

【0107】

このような構造において、導電層１７０に電界を印加すると、酸化物半導体層１３０のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体層１３０ｂにチャネルが形成される。

【0108】

また、酸化物半導体層１３０ａは、酸化物半導体層１３０ｂを構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、酸化物半導体層１３０ｂと絶縁層１２０が接した場合の界面と比較して、酸化物半導体層１３０ｂと酸化物半導体層１３０ａとの界面には界面準位が形成されにくくなる。該界面準位はチャネルを形成することがあるため、トランジスタのしきい値電圧が変動することがある。したがって、酸化物半導体層１３０ａを設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。また、当該トランジスタの信頼性を向上させることができる。

【0109】

また、酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂを構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、酸化物半導体層１３０ｂとゲート絶縁膜（絶縁層１６０）が接した場合の界面と比較して、酸化物半導体層１３０ｂと酸化物半導体層１３０ｃとの界面ではキャリアの散乱が起こりにくくなる。したがって、酸化物半導体層１３０ｃを設けることにより、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。

【0110】

酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃには、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆを酸化物半導体層１３０ｂよりも高い原子数比で含む材料を用いることができる。具体的には、当該原子数比を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物半導体層に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃは、酸化物半導体層１３０ｂよりも酸素欠損が生じにくいということができる。

【0111】

また、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃとして用いることのできる酸化物半導体は、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。

【0112】

スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等がある。

【0113】

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ガリウム、酸化亜鉛、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、Ｓｎ－Ｚｎ酸化物、Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｚｎ－Ｍｇ酸化物、Ｓｎ－Ｍｇ酸化物、Ｉｎ－Ｍｇ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ酸化物、Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ａｌ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｈｆ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｌａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｃｅ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｐｒ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｎｄ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｍ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｅｕ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇｄ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｔｂ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｄｙ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｈｏ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｅｒ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｔｍ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｙｂ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｌｕ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｈｆ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ａｌ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｈｆ－Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｈｆ－Ａｌ－Ｚｎ酸化物を用いることができる。

【0114】

なお、ここで、例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味である。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。また、本明細書においては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物で構成した膜をＩＧＺＯ膜とも呼ぶ。

【0115】

また、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄから選ばれた一つの金属元素または複数の金属元素を示す。また、Ｉｎ_２ＳｎＯ_５（ＺｎＯ）_ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。

【0116】

なお、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、酸化物半導体層１３０ｃが、少なくともインジウム、亜鉛およびＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）を含むＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物であるとき、酸化物半導体層１３０ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１［原子数比］、酸化物半導体層１３０ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_２：ｙ_２：ｚ_２［原子数比］、酸化物半導体層１３０ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_３：ｙ_３：ｚ_３［原子数比］とすると、ｙ_１／ｘ_１およびｙ_３／ｘ_３がｙ_２／ｘ_２よりも大きくなることが好ましい。ｙ_１／ｘ_１およびｙ_３／ｘ_３はｙ_２／ｘ_２よりも１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。このとき、酸化物半導体層１３０ｂにおいて、ｙ_２がｘ_２以上であるとトランジスタの電気特性を安定させることができる。ただし、ｙ_２がｘ_２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、ｙ_２はｘ_２の３倍未満であることが好ましい。

【0117】

酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃにおけるＺｎおよびＯを除いた場合において、ＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、酸化物半導体層１３０ｂのＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。

【0118】

また、酸化物半導体層１３０ｂは、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃよりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、ＩｎがＭよりも多い組成となる酸化物はＩｎがＭと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層１３０ｂにインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。

【0119】

酸化物半導体層１３０ａの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以上２５ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１３０ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１３０ｃの厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上３０ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上１５ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１３０ｂは、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃより厚い方が好ましい。

【0120】

なお、酸化物半導体層をチャネルとするトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体層を真性または実質的に真性にすることが有効である。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体層のキャリア密度が、１×１０^１７／ｃｍ^３未満であること、好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３未満であること、さらに好ましくは１×１０^１３／ｃｍ^３未満であることを指す。

【0121】

また、酸化物半導体層において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。また、シリコンは酸化物半導体層中で不純物準位の形成に寄与する。当該不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。したがって、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂおよび酸化物半導体層１３０ｃの層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。

【0122】

酸化物半導体層を真性または実質的に真性とするためには、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析において、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、シリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であって、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とする。また、水素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であって、１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とする。また、窒素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であって、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とする。

【0123】

また、酸化物半導体層が結晶を含む場合、シリコンや炭素が高濃度で含まれると、酸化物半導体層の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層の結晶性を低下させないためには、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、シリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であって、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とする部分を有していればよい。また、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、炭素濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であって、６×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とする部分を有していればよい。

【0124】

また、上述のように高純度化された酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を０．１Ｖ、５Ｖ、または、１０Ｖ程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数ｙＡ／μｍ乃至数ｚＡ／μｍにまで低減することが可能となる。

【0125】

例えば、酸化物半導体層１３０ａおよび酸化物半導体層１３０ｃにはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：３、１：３：４、１：３：６、１：４：５、１：６：４または１：９：６（原子数比）などのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物などを用いることができる。また、酸化物半導体層１３０ｂにはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、２：１：３、５：５：６、または３：１：２（原子数比）などのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物などを用いることができる。なお、酸化物半導体層１３０ａ、酸化物半導体層１３０ｂ、および酸化物半導体層１３０ｃ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。

【0126】

また、図８Ｂに示す領域２３１はソース領域、領域２３２はドレイン領域、領域２３３はチャネル形成領域として機能することができる。領域２３１および領域２３２は導電層１４０および導電層１５０とそれぞれ接しており、例えば導電層１４０および導電層１５０として酸素と結合しやすい導電材料を用いれば領域２３１および領域２３２を低抵抗化することができる。

【0127】

具体的には、酸化物半導体層１３０と導電層１４０および導電層１５０とが接することで酸化物半導体層１３０内に酸素欠損が生じ、当該酸素欠損と酸化物半導体層１３０内に残留または外部から拡散する水素との相互作用により、領域２３１および領域２３２は低抵抗のｎ型となる。

【0128】

ソース電極層として作用する導電層１４０およびドレイン電極層として作用する導電層１５０には、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｓｃ、および当該金属材料の合金から選ばれた材料の単層、または積層を用いることができる。代表的には、特に酸素と結合しやすいＴｉや、後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の高いＷを用いることがより好ましい。また、低抵抗のＣｕやＣｕ－Ｍｎなどの合金と上記材料との積層を用いてもよい。

【0129】

上記材料は酸化物半導体層から酸素を引き抜く性質を有する。そのため、上記材料と接した酸化物半導体層の一部の領域では酸化物半導体層中の酸素が脱離し、酸素欠損が形成される。膜中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域は顕著にｎ型化する。したがって、ｎ型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインとして作用させることができる。

【0130】

また、導電層１４０および導電層１５０にＷを用いる場合には、窒素をドーピングしてもよい。窒素をドーピングすることで酸素を引き抜く性質を適度に弱めることができ、ｎ型化した領域がチャネル形成領域まで拡大することを防ぐことができる。

【0131】

また、導電層１４０および導電層１５０をｎ型の半導体層との積層とし、ｎ型の半導体層と酸化物半導体層を接触させることによってもｎ型化した領域がチャネル形成領域まで拡大することを防ぐことができる。ｎ型の半導体層としては、窒素が添加されたＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズなどを用いることができる。

【0132】

なお、トランジスタの「ソース」や「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には入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。また、「電極層」は、「配線」と言い換えることもできる。

【0133】

また、導電層１７０は、導電層１７１および導電層１７２の二層で形成される例を図示しているが、一層または三層以上の積層であってもよい。

【0134】

また、導電層１４０および導電層１５０は単層で形成される例を図示しているが、二層以上の積層であってもよい。

【0135】

ゲート絶縁膜として作用する絶縁層１６０には、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、窒化酸化シリコン、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層１６０は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁層１６０に、ランタン（Ｌａ）、窒素、ジルコニウム（Ｚｒ）などを、不純物として含んでいてもよい。

【0136】

また、絶縁層１６０の積層構造の一例について説明する。絶縁層１６０は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。

【0137】

酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁層１６０の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。

【0138】

また、酸化物半導体層１３０と接する絶縁層１２０および絶縁層１６０は、窒素酸化物の放出量の少ない膜を用いることが好ましい。窒素酸化物の放出量の多い絶縁層と酸化物半導体が接した場合、窒素酸化物に起因する準位密度が高くなることがある。当該窒素酸化物に起因する準位密度は酸化物半導体のエネルギーギャップ内に形成されうる場合がある。絶縁層１２０および絶縁層１６０には、例えば、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜または酸化窒化アルミニウム膜等の酸化物絶縁層を用いることができる。

【0139】

なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、ＴＤＳ法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が１×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５０℃以上５５０℃以下の加熱処理による放出量とする。

【0140】

絶縁層１２０および絶縁層１６０として、上記酸化物絶縁層を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。

【0141】

ゲート電極層として作用する導電層１７０には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｓｃ、ＴａおよびＷなどの導電膜を用いることができる。また、上記材料の合金や上記材料の導電性窒化物を用いてもよい。また、上記材料、上記材料の合金、および上記材料の導電性窒化物から選ばれた複数の材料の積層であってもよい。代表的には、タングステン、タングステンと窒化チタンの積層、タングステンと窒化タンタルの積層などを用いることができる。また、低抵抗のＣｕまたはＣｕ－Ｍｎなどの合金や上記材料とＣｕまたはＣｕ－Ｍｎなどの合金との積層を用いてもよい。本実施の形態では、導電層１７１に窒化タンタル、導電層１７２にタングステンを用いて導電層１７０を形成する。

【0142】

絶縁層１７５には、水素を含む窒化シリコン膜または窒化アルミニウム膜などを用いることができる。また、窒化絶縁膜は水分などのブロッキング膜としての作用も有し、トランジスタの信頼性を向上させることができる。

【0143】

また、絶縁層１７５としては酸化アルミニウム膜を用いることもできる。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物の酸化物半導体層１３０への混入防止、酸素の酸化物半導体層からの放出防止、絶縁層１２０からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体層中に拡散させることもできる。

【0144】

また、絶縁層１７５上には絶縁層１８０が形成されていることが好ましい。当該絶縁層には、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、当該絶縁層は上記材料の積層であってもよい。

【0145】

ここで、絶縁層１８０は絶縁層１２０と同様に化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。絶縁層１８０から放出される酸素は絶縁層１６０を経由して酸化物半導体層１３０のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。

【0146】

半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタの微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、特にチャネル幅が微細になるとオン電流は著しく低下する。

【0147】

また、本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように酸化物半導体層１３０のチャネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層（導電層１７０）が形成されているため、酸化物半導体層１３０に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電界が印加される。すなわち、チャネル形成層に対して全体的にゲート電界が印加されることになり実効チャネル幅が拡大するため、さらにオン電流を高められる。

【0148】

また、本発明の一態様における酸化物半導体層１３０が二層または三層のトランジスタでは、チャネルが形成される酸化物半導体層１３０ｂを酸化物半導体層１３０ａ上に形成することで界面準位を形成しにくくする効果を有する。また、本発明の一態様における酸化物半導体層１３０が三層のトランジスタでは、酸化物半導体層１３０ｂを三層構造の中間に位置する層とすることで上下からの不純物混入の影響を排除できる効果などを併せて有する。そのため、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値電圧の安定化や、Ｓ値（サブスレッショルド値）を小さくすることができる。したがって、消費電力を低減させることができる。また、トランジスタのしきい値電圧が安定化することから、半導体装置の長期信頼性を向上させることができる。また、本発明の一態様のトランジスタは、微細化にともなう電気特性の劣化が抑えられることから、集積度の高い半導体装置の形成に適しているといえる。

【0149】

なお、本実施の形態で説明した金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜は、代表的に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法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としては、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などがある。

【0150】

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。

【0151】

また、熱ＣＶＤ法では、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。

【0152】

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。

【0153】

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、およびジメチル亜鉛を用いることができる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ｇａ（ＣＨ_３）_３である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Ｚｎ（ＣＨ_３）_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（Ｃ_２Ｈ_５）_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（Ｃ_２Ｈ_５）_２）を用いることもできる。

【0154】

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溶液や、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（Ｏ_３）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（ＣＨ_３）_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。

【0155】

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Ｈ_２Ｏ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（ＣＨ_３）_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。

【0156】

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（Ｏ_２、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。

【0157】

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、ＷＦ_６ガスとＢ_２Ｈ_６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、ＷＦ_６ガスとＨ_２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、Ｂ_２Ｈ_６ガスに代えてＳｉＨ_４ガスを用いてもよい。

【0158】

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（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ－Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスとＯ_３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（ＣＨ_３）_２ガスとＯ_３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、Ｏ_３ガスに替えてＡｒ等の不活性ガスで水をバブリングして得られたたＨ_２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ_３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ_３）_２ガスを用いても良い。

【0159】

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。

【0160】

（実施の形態５）
本実施の形態では、ＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）システムと、図１に示したＴＯＦカメラとを組み合わせる一例を図１０、図１１、及び図１２を用いて説明する。

【0161】

図１０Ａは、距離推定装置、具体的には推定部に学習モデルを構築するフローの一例を示している。

【0162】

まず、教師データを得るために、ＴＯＦカメラを用いて距離画像データを取得する。（ステップ１：Ｓ１）

【0163】

そして、積算回数の多い距離画像データと、少ない距離画像データを収集する。（ステップ２：Ｓ２）

【0164】

そして、積算回数の多い距離画像データを教師データとして学習させて学習モデルを推定部に構築する。（ステップ３：Ｓ３）

【0165】

予め、図１０Ａに示すフローで学習させた学習モデルを推定部に構築しておいた状態で、図１０Ｂに示すフローに従って所望の距離画像データを得る。

【0166】

まず、ＴＯＦカメラを用いて積算回数の少ない距離画像データを取得する。（ステップ４：Ｓ４）

【0167】

そして予め構築されている学習モデルを用いて推定値を得る。（ステップ５：Ｓ５）具体的には、入力された画像データの各画素の各ピクセルについての距離レベル（測定区間ともよべる）ごとの確率を生成する。例えば１ｍ以上４５ｍ未満の確率２０％、４５ｍ以上９０ｍ未満の確率７０％、９０ｍ以上１３５ｍ未満の確率１０％というように複数の距離レベルのそれぞれについての確率マップを作成することができる。

【0168】

最後に学習結果に基づき、積算回数の少ない距離画像データを加工する。（ステップ６：Ｓ６）出力結果として、確率の高いものが選択され、最終的には積算回数の多い距離画像データと同等またはそれ以上の距離画像データを得ることができる。

【0169】

また、ステップ６におけるデータの加工手順を示すブロック図が図１１である。

【0170】

従来のＴＯＦカメラは、分解能を向上させるために、測定を何度も繰り返し、積算し、平均値処理を行う場合もある。即ち、積算回数を多くして平均化することでノイズを低減しようとしている。本実施の形態では、ＴＯＦカメラの固体撮像素子の受光領域から発生するキャリアに基づいて受光期間別に積算した電荷量のデータを用いる。このデータを積算回数の少ない距離画像データ（入力データ）と呼ぶ。この積算回数の少ない距離画像データは、画像生成部で得られる。

【0171】

また、積算回数の少ない距離画像データに推定部で推定を行いやすくするために前処理を行ってもよい。

【0172】

図１１に示すように、この入力データを入力部１００で記憶し、推定部１０２で画像加工を行い、出力部１０３において精度が最も高くなるような学習モデルを用いる。さらに、ノイズが少なくなるような学習モデルを用いることが好ましい。

【0173】

本実施の形態では、学習モデルとして、Ｕ－ｎｅｔを用いて、学習させた内容を基に判別を行う。この場合、推定部１０２は、Ｕ－ｎｅｔに類似するＵ字型のショートカット構造（入れ子状構造）を有する。推定部１０２は、畳み込み層、プーリング層、及び活性化層によって、要素数を減少させながら特徴マップを作成する。そして、入力データ１１０を複数回ダウンサンプリングした後、複数回アップサンプリングしてデプスマップを得ている。

【0174】

図１２は、Ｕ－Ｎｅｔネットワークアーキテクチャの模式図である。図１２では、５段階の学習処理を一例に示したが、特に限定されず、必要に応じて２段階、３段階、４段階、６段階以上の学習処理を実行してもよい。

【0175】

入力データ１１０の特徴量（または注目領域）を抽出、いわゆる畳み込みを行い、複数のデプスマップ１１１を得ることができる。

【0176】

入力データ１１０またはデプスマップ１１１の特徴量（または注目領域）から、測定空間の物体の推定を行うこともできる。学習モデルを用いて抽出された特徴量から測定空間の対象物の形を推定し、対象物が何であるのかの確率が高ければ、対象物の形を推定し、距離の相対値の予測ができる。それによって距離画像の精度を上げることもできる。

【0177】

また、学習用のＴＯＦカメラの性能よりも解像度の低いＴＯＦカメラを用いることもできる。解像度の低いＴＯＦカメラであっても学習モデルに用いている学習データが、高精度のＴＯＦカメラによって得られていれば、出力結果は高精度のＴＯＦカメラを用いた場合の結果に近似させることができる。また、学習データのノイズを除去する画像処理を学習データに行うことで、よりよい出力結果を得ることができる。

【0178】

具体的には、高精度のＴＯＦカメラとは、画素数が多いだけでなく、１画素あたりの受光面積が大きい場合も指している。従って、１画素あたりの受光面積が小さいＴＯＦカメラであっても本実施の形態を用いれば、１画素あたりの受光面積が大きいＴＯＦカメラと同等またはそれ以上の出力結果である精度の高いデプスマップ１１２を得ることができる。

【0179】

また、本実施の形態は、静止画だけでなく、動画においても有用である。積算回数が少ないデータを入力データに用いることができるため、高いフレーム周波数でのデータ取得ができ、動画に適している。

【0180】

（実施の形態６）
本発明の一態様に係る距離推定装置または本発明の一態様に係る撮像装置を備えた電子機器の例について図１３を用いて説明を行う。

【0181】

本発明の一態様に係る距離推定装置または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、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、携帯可能な情報端末（「携帯情報端末」ともいう。）、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、チェーンソーなどの工具、煙感知器、透析装置などの医療機器などが挙げられる。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などの産業機器が挙げられる。

【0182】

また、蓄電装置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（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、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。

【0183】

電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）などを有していてもよい。

【0184】

図１３Ａ乃至図１３Ｆに、電子機器の一例を示す。

【0185】

図１３Ａに、腕時計型の携帯情報端末の一例を示す。携帯情報端末６１００は、筐体６１０１、表示部６１０２、バンド６１０３、操作ボタン６１０５などを備える。また、携帯情報端末６１００は、その内部に二次電池と、本発明の一態様に係る撮像装置または電子部品を備える。例えば、腕時計型の携帯情報端末の一部に本発明の一態様に係る距離推定装置または本発明の一態様に係る撮像装置を設置してＴＯＦカメラを内蔵することができる。

【0186】

図１３Ｂは、携帯電話機の一例を示している。携帯情報端末６２００は、筐体６２０１に組み込まれた表示部６２０２の他、操作ボタン６２０３、スピーカ６２０４、マイクロフォン６２０５などを備えている。

【0187】

また、携帯情報端末６２００は、表示部６２０２と重なる領域に指紋センサ６２０９を備える。指紋センサ６２０９は有機光センサであってもよい。指紋は個人によって異なるため、指紋センサ６２０９で指紋パターンを取得して、個人認証を行うことができる。指紋センサ６２０９で指紋パターンを取得するための光源として、表示部６２０２から発せられた光を用いることができる。

【0188】

また、携帯情報端末６２００は、その内部に二次電池と、本発明の一態様に係る撮像装置または電子部品を備える。例えば、携帯情報端末６２００の一部に本発明の一態様に係る撮像装置を設置してＴＯＦカメラを内蔵することができる。ＴＯＦカメラを用いて使用者の姿（顔などの凹凸を含む）に対応する情報を取得して、個人認証を行うことができる。

【0189】

図１３Ｃは、掃除ロボットの一例を示している。掃除ロボット６３００は、筐体６３０１上面に配置された表示部６３０２、側面に配置された複数のカメラ６３０３、ブラシ６３０４、操作ボタン６３０５、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット６３００には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット６３００は自走し、ゴミ６３１０を検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。

【0190】

例えば、掃除ロボット６３００は、カメラ６３０３が撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシ６３０４に絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシ６３０４の回転を止めることができる。カメラ６３０３は複数種類の方式の撮像装置を用いてもよく、本発明の一態様に係る距離推定装置または本発明の一態様に係る撮像装置をカメラ６３０３の一つに用いることで、撮像された情報から距離情報を取得し、掃除ロボット６３００の誤動作を低減できる。

【0191】

図１３Ｄは、ロボットの一例を示している。図１３Ｄに示すロボット６４００は、演算装置６４０９、照度センサ６４０１、マイクロフォン６４０２、上部カメラ６４０３、スピーカ６４０４、表示部６４０５、下部カメラ６４０６、障害物センサ６４０７、および移動機構６４０８を備える。

【0192】

マイクロフォン６４０２は、使用者の話し声及び環境音等を検知する機能を有する。また、スピーカ６４０４は、音声を発する機能を有する。ロボット６４００は、マイクロフォン６４０２およびスピーカ６４０４を用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。

【0193】

表示部６４０５は、種々の情報の表示を行う機能を有する。ロボット６４００は、使用者の望みの情報を表示部６４０５に表示することが可能である。表示部６４０５は、タッチパネルを搭載していてもよい。また、表示部６４０５は取り外しのできる情報端末であっても良く、ロボット６４００の定位置に設置することで、充電およびデータの受け渡しを可能とする。

【0194】

上部カメラ６４０３および下部カメラ６４０６は、ロボット６４００の周囲を撮像する機能を有する。上部カメラ６４０３および下部カメラ６４０６としては複数種類の方式の撮像装置を用いてもよく、本発明の一態様に係る距離推定装置または本発明の一態様に係る撮像装置を上部カメラ６４０３および下部カメラ６４０６の一つに用いることで、撮像された情報から距離情報を取得し、ロボット６４００の移動の際の誤動作を低減できる。また、障害物センサ６４０７は、移動機構６４０８を用いてロボット６４００が前進する際の進行方向における障害物の有無を察知することができる。ロボット６４００は、上部カメラ６４０３、下部カメラ６４０６および障害物センサ６４０７を用いて、周囲の環境を認識し、安全に移動することが可能である。

【0195】

図１３Ｅは、飛行体の一例を示している。図１３Ｅに示す飛行体６５００は、プロペラ６５０１、カメラ６５０２、およびバッテリ６５０３などを有し、自律して飛行する機能を有する。

【0196】

例えば、カメラ６５０２で撮影した画像データは、電子部品６５０４に記憶される。電子部品６５０４は、画像データを解析し、移動する際の障害物の有無などを察知することができる。カメラ６５０２としては複数種類の方式の撮像装置を用いてもよく、本発明の一態様に係る撮像装置をカメラ６５０２の一つに用いることで、撮像された情報から距離情報を取得し、飛行体６５００の移動の際の誤動作を低減できる。

【0197】

図１３Ｆは、自動車の一例を示している。自動車７１６０は、エンジン、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、複数のカメラなどを有する。自動車７１６０に設置する複数のカメラのうち、一つまたは複数を本発明の一態様に係る撮像装置を用いることで、撮像された情報から自動車と外界の対象物との距離情報を取得し、自動車７１６０の進行方向または自動車７１６０の周囲にある物体との位置関係を認識することができる。本発明の一態様に係る距離推定装置または本発明の一態様に係る撮像装置を自動車７１６０に用いることで、自動車７１６０の自動操縦機能を補助することができる。

【0198】

本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

【符号の説明】

【0199】

１１：照射ユニット、１２：センサユニット、１３：信号発生ユニット、１４：相関及び評価ユニット、２１：トランジスタ、２２：トランジスタ、２３：トランジスタ、２４：トランジスタ、２５：トランジスタ、３１：トランジスタ、３２：トランジスタ、３３：トランジスタ、４１：容量、４２：容量、４３：容量、４４：トランジスタ、４５：点線矢印、４６：点線矢印、６０：ｐ型領域、６１：ｐ－領域、６２：ｎ型表面埋込領域、６３：ｐ＋領域、６４：電荷蓄積領域、６５：電荷排出領域、６６：ｐウェル領域、７０：絶縁層、７１：転送ゲート対、７２：転送ゲート対、７３：転送ゲート対、７４：転送ゲート対、７５：絶縁層、７６：接続電極、９０：受光領域、９１：遮光板、１００：入力部、１０１：トランジスタ、１０２：推定部、１０３：出力部、１１０：入力データ、１１１：デプスマップ、１１２：精度の高いデプスマップ、１１５：基板、１２０：絶縁層、１３０：酸化物半導体層、１３０ａ：酸化物半導体層、１３０ｂ：酸化物半導体層、１３０ｃ：酸化物半導体層、１４０：導電層、１５０：導電層、１６０：絶縁層、１７０：導電層、１７１：導電層、１７２：導電層、１７５：絶縁層、１８０：絶縁層、２３１：領域、２３２：領域、２３３：領域、６１００：携帯情報端末、６１０１：筐体、６１０２：表示部、６１０３：バンド、６１０５：操作ボタン、６２００：携帯情報端末、６２０１：筐体、６２０２：表示部、６２０３：操作ボタン、６２０４：スピーカ、６２０５：マイクロフォン、６２０９：指紋センサ、６３００：掃除ロボット、６３０１：筐体、６３０２：表示部、６３０３：カメラ、６３０４：ブラシ、６３０５：操作ボタン、６３１０：ゴミ、６４００：ロボット、６４０１：照度センサ、６４０２：マイクロフォン、６４０３：上部カメラ、６４０４：スピーカ、６４０５：表示部、６４０６：下部カメラ、６４０７：障害物センサ、６４０８：移動機構、６４０９：演算装置、６５００：飛行体、６５０１：プロペラ、６５０２：カメラ、６５０３：バッテリ、６５０４：電子部品、７１６０：自動車

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】