CN115136311A - 摄像装置、电子设备及移动体 - Google Patents

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池田隆之
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Abstract

提供一种小型且高功能的摄像装置。本发明是一种摄像装置，包括设置在硅衬底上的光电转换器件以及在设置在该硅衬底上的硅外延生长层中具有沟道形成区域的晶体管。设置在外延生长层中的晶体管的电特性良好，所以可以形成噪声较少的摄像装置。另外，该晶体管可以以具有与光电转换器件重叠的区域的方式形成，所以可以使摄像装置小型化。

Description

摄像装置、电子设备及移动体
技术领域
本发明的一个方式涉及一种摄像装置。
注意，本发明的一个方式不局限于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的一个方式的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。另外，本发明的一个方式涉及一种工序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或者组合物(composition of matter)。由此，更具体而言，作为本说明书所公开的本发明的一个方式的技术领域的一个例子可以举出半导体装置、显示装置、液晶显示装置、发光装置、照明装置、蓄电装置、存储装置、摄像装置、这些装置的工作方法或者这些装置的制造方法。
注意，在本说明书等中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置。晶体管和半导体电路为半导体装置的一个方式。另外,存储装置、显示装置、摄像装置、电子设备有时包含半导体装置。
背景技术
使用形成在衬底上的氧化物半导体薄膜构成晶体管的技术受到关注。例如，专利文献1公开了将包括氧化物半导体的关态电流非常低的晶体管用于像素电路的结构的摄像装置。
[先行技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开第2011-119711号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
安装于移动电话机等的摄像装置通常具有能够取得高分辨率的图像的功能。需要在下一代使摄像装置进一步高功能化。
另一方面，摄像装置安装于各种设备，所以需要被小型化。因此，在使摄像装置高功能化时，优选层叠配置所需要的构成要素。
然而，在层叠多个使用硅衬底的器件等的情况下，需要进行抛光工程及贴合工程等多次。因此，仍有成品率的提高的课题。
因此，本发明的一个方式的目的之一是提供一种高功能的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种小型的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够进行高速工作的摄像装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种高可靠性的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖摄像装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种上述摄像装置的驱动方法。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖半导体装置等。
注意，这些课题的记载不妨碍其他课题的存在。注意，本发明的一个方式并不需要实现所有上述课题。上述课题以外的课题可以显而易见地从说明书、附图、权利要求书等的描述中看出，并且可以从这些描述中抽取上述课题以外的课题。
解决技术问题的手段
本发明的一个方式涉及一种具有层叠有多个器件的结构的摄像装置。
本发明的一个方式是一种摄像装置，包括第一层及第二层，第一层具有与第二层重叠的区域，第一层包括半导体衬底以及在半导体衬底的第一面具有受光面的光电转换器件，第二层包括半导体层以及在半导体层中具有沟道形成区域的第一晶体管，半导体层接触于与半导体衬底的第一面相反一侧的第二面，光电转换器件与第一晶体管电连接，光电转换器件及第一晶体管具有彼此重叠的区域。
作为半导体衬底可以使用单晶硅衬底，作为半导体层可以使用设置在单晶硅衬底上的硅外延生长层。
第一晶体管可以被用作像素电路或者像素电路的驱动电路的构成要素。
上述摄像装置可以还包括第三层，第三层可以具有隔着第二层与第一层重叠的区域，第三层可以包括在沟道形成区域包含金属氧化物的第二晶体管，第二晶体管可以与光电转换器件及/或第一晶体管电连接，第二晶体管可以具有与光电转换器件及/或第一晶体管彼此重叠的区域。
金属氧化物优选包含In、Zn、M(M是Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一个或多个)。
第二晶体管可以被用作像素电路或者像素电路的驱动电路的构成要素。
上述摄像装置可以还包括第四层,第四层可以具有隔着第一层与第二层重叠的区域，第四层可以包括滤色片，滤色片可以具有与光电转换器件彼此重叠的区域。
发明效果
通过使用本发明的一个方式，可以提供一种高功能的摄像装置。另外，通过使用本发明的一个方式，可以提供一种小型摄像装置。另外，通过使用本发明的一个方式，可以提供一种能够进行高速工作的摄像装置等。另外，通过使用本发明的一个方式，可以提供一种可靠性高的摄像装置。此外，通过使用本发明的一个方式，可以提供一种新颖摄像装置等。另外，通过使用本发明的一个方式，可以提供一种上述摄像装置的驱动方法。另外，通过使用本发明的一个方式，可以提供一种新颖半导体装置等。
附图说明
图1是说明像素的图。
图2是说明像素的图。
图3A、图3B是说明像素电路的图。
图4A、图4B是说明像素电路的图。
图5是说明像素电路的布局的图。
图6是说明像素电路的布局的图。
图7是说明像素电路的布局的图。
图8是说明像素的工作的时序图。
图9是说明摄像装置的方框图。
图10A、图10B是说明像素电路的图。
图11是说明摄像装置的方框图。
图12是说明像素区块200及电路201的图。
图13A、图13B是说明像素100的图。
图14A、图14B是说明像素区块200及电路201的工作的时序图。
图15A、图15B是说明电路301及电路302的图。
图16是说明存储单元的图。
图17A、图17B是示出神经网络的构成例子的图。
图18A、图18B是说明光电转换器件的结构的图。
图19是说明像素的图。
图20A至图20C是说明Si晶体管的图。
图21是说明像素的图。
图22是说明像素的图。
图23是说明像素的图。
图24A至图24D是说明OS晶体管的图。
图25是说明像素的图。
图26是说明像素的图。
图27是说明像素的图。
图28是说明像素的图。
图29A至图29C是说明像素的图。
图30A1至图30A3、图30B1至图30B3是安装有摄像装置的封装、模块的立体图。
图31A至图31F是说明电子设备的图。
图32是说明汽车的图。
具体实施方式
参照附图对实施方式进行详细说明。注意，本发明不局限于下面说明，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式及详细内容在不脱离本发明的宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。注意，在下面所说明的发明的结构中，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。此外，有时在不同的附图中适当地省略或改变相同构成要素的阴影。
另外，即使在电路图上为一个要素，如果在功能上没有问题，该要素也可以使用多个要素构成。例如，有时被用作开关的多个晶体管可以串联或并联连接。此外，有时对电容器进行分割并将其配置在多个位置上。
此外，有时一个导电体具有布线、电极及端子等多个功能，在本说明书中，有时对同一要素使用多个名称。另外，即使在电路图上示出要素之间直接连接的情况，有时实际上该要素之间通过一个或多个导电体连接，本说明书中这种结构也包括在直接连接的范畴内。
(实施方式1)
在本实施方式中，参照附图说明本发明的一个方式的摄像装置。
本发明的一个方式是一种层叠有多个包括硅半导体的器件的摄像装置。摄像装置包括在硅衬底具有光电转换层的光电转换器件(也称为光电转换元件)以及在设置在该硅衬底上的硅层中具有沟道形成区域的晶体管。该硅层是形成在该硅衬底上的外延生长层。
上述晶体管形成在结晶缺陷少的外延生长层中，所以可以形成电特性良好且噪声较少的摄像装置。另外，该晶体管可以以具有与光电转换器件重叠的区域的方式形成，所以通过使用该晶体管形成像素电路及驱动电路等，可以使摄像装置小型化。
另外，可以在硅层上形成在沟道形成区域包含金属氧化物的晶体管(以下，OS晶体管)。通过使用该OS晶体管形成合适的电路，可以不通过贴合工序等而形成高功能的摄像装置。
<叠层结构>
图1是包括本发明的一个方式的摄像装置的像素的截面的立体图。像素具有叠层结构，包括层21、层22、层23、层24、层25、层26。层21包括支撑衬底等。层22包括布线等。另外，层22也可以包括晶体管等。层23包括晶体管等。层24包括光电转换器件等。层25包括光学转换层等。层26包括微透镜阵列等。
可以由设置在层22及层23中的晶体管等构成像素电路(光电转换器件以外)以及像素电路的驱动电路、读出电路、存储电路、运算电路等。注意，在以下说明中将上述电路统称为功能电路。
使用图2说明各层的详细结构。图2是使图1所示的叠层结构分离为各层的图。注意，各层所包括的构成要素不局限于图2所示的构成要素，也可以包括其他构成要素。另外，在两个层彼此接触的结构中，为了方便起见，配置在两个层的边界附近的绝缘层等构成要素图示为作为一方层的构成要素，也可以图示为另一方层的构成要素。
另外，在图2中省略层21的图示。层21是支撑衬底，优选硬并具有表面平坦性。例如，可以使用硅等半导体衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底、金属衬底、树脂衬底等。另外，也可以采用不设置层21的结构。以下，以合适的顺序进行各层的说明。
<层24>
层24包括设置在单晶硅衬底441上的光电转换器件101、绝缘层442及元件分离层443等。以与单晶硅衬底441的第一面接触的方式设置绝缘层442，在与第一面相反一侧的第二面上设置具有与单晶硅衬底441的导电型相反的导电型的层。光电转换器件101是pn结型光电二极管，将单晶硅衬底441的第一面设定为受光面。多个光电转换器件101被元件分离层443分离，并且通过组合各光电转换器件101及层25所包括的滤色片进行工作来可以取得用来构成彩色图像的数据。
<层23>
层23包括电路432。另外，也可以包括电路433。在此，电路432可以用作像素电路的构成要素。另外，电路433可以用作像素电路以外的功能电路的构成要素。电路432及电路433可以包括在半导体层431中具有沟道形成区域的晶体管作为构成要素。
在此，半导体层431是形成在层24所包括的单晶硅衬底441的第二面上的外延生长层。硅的外延生长层(单晶硅层)例如可以通过在1150℃至1200℃左右的高温下使四氯化硅或三氯化硅烷进行氢还原来在单晶硅衬底上生长。
现有的构成光电转换器件及像素电路等的晶体管形成在同一单晶硅衬底上。但是，在单晶硅衬底中，经过制造工序而存在有多个氧等杂质，并且在形成光电转换器件的工序等中产生的结晶缺陷也多。该杂质及结晶缺陷有时对晶体管的电特性等带来不好影响。
在本发明的一个方式中，将晶体管形成在通过外延生长形成的氧等杂质及结晶缺陷少的半导体层431中，所以可以形成电特性良好且噪声较少的电路。另外，可以以具有与光电转换器件101重叠的区域的方式形成电路432及电路433，所以可以使摄像装置小型化。另外，不需要在层24中设置晶体管，所以可以扩大光电转换器件101的面积而可以提高光敏性。另外，不使用贴合工序等复杂的工序，所以可以提供一种高成品率且廉价的摄像装置。外延生长层是从硅单晶衬底连续的单晶层，通过使用二次离子质谱分析法(SIMS)测量氧等杂质的量，可以判定其界面。
<层22>
层22具有设置有布线及绝缘层等构成要素的多层结构，包括布线424、绝缘层421、绝缘层422等。另外，也可以设置有电路423。注意，为了容易理解，以虚线表示在层22与层21间设置的绝缘层422。
电路423是功能电路的构成要素，其整体或一部分可以使用OS晶体管。OS晶体管可以由薄膜叠层形成，使用与布线工序等相同的工序形成在Si器件上等。因此，可以不使用贴合工序等而容易层叠电路等。
多个布线424配置在绝缘层421中或绝缘层421表面等。绝缘层421也可以具有多个层的叠层。布线424可以用作与层23所包括的电路432及电路433等电连接的布线。
<层25>
层25是设置有光学转换层的层，在此示出层25设置有对应于彩色拍摄的滤色片452R、452G1、452G2、452B的例子。另外，层25包括遮光层451。
滤色片452R着色为红色，滤色片452G1、G2着色为绿色，滤色片452B着色为蓝色。滤色片452R、452G1、452G2、452B设置在与分别对应的光电转换器件101重叠的区域。
遮光层451设置在与各滤色片的边界重叠的位置上且可以防止透过滤色片的光侵入相邻像素中。
<层26>
层26包括微透镜阵列462及绝缘层461。微透镜阵列462具有通过集聚所入射的光而高效地使光入射到光电转换器件101的功能。
<像素电路1>
图3A是说明像素10的一个例子的电路图。像素10包括光电转换器件101、晶体管102、晶体管103、晶体管104、晶体管105及电容器106。例如，晶体管102、晶体管103、晶体管104、晶体管105及电容器106可以用作图2所示的电路432所包括的构成要素。
光电转换器件101的一方电极与晶体管102的源极和漏极中一方电连接。晶体管102的源极和漏极中的另一方与晶体管103的源极和漏极中的一方、晶体管104的栅极及电容器106的一方电极电连接。晶体管104的源极和漏极中的一方与晶体管105的源极和漏极中的另一方电连接。
在此，晶体管102的源极和漏极中的另一方、晶体管103的源极和漏极中的一方、晶体管104的栅极与电容器106的一方电极电连接的点记为节点FD。节点FD可以被用作电荷检测部。
光电转换器件101的另一方电极与布线121电连接。晶体管103的源极和漏极中的另一方与布线122电连接。晶体管104的源极和漏极中的另一方与布线122电连接。晶体管105的源极和漏极中的另一方与布线123电连接。
晶体管102的栅极与布线131电连接。晶体管103的栅极与布线132电连接。晶体管105的栅极与布线133电连接。
布线121及122可以被用作电源线。在图3A所示的结构中，布线121可以被用作低电位电源线，布线122可以被用作高电位电源线。
布线131、132、133可以被用作用来控制各晶体管的导通的信号线。布线123可以被用作输出线，例如与包括相关双采样电路(CDS电路)、A/D转换电路等的读出电路电连接。
晶体管102具有从光电转换器件101读出电荷且控制节点FD的电位的功能。晶体管103具有使节点FD的电位复位的功能。晶体管104被用作源极跟随电路的构成要素。晶体管105具有选择像素的输出的功能。
另外，如图3B所示，在像素10的电路中光电转换器件101的阴极和阳极的连接关系也可以与图3A所示的连接关系相反。此时，使晶体管103的源极和漏极中的另一方与布线124电连接且将布线121、122设为高电位电源线、将布线124设为低电位电源线即可。
<布局1>
图5示出图3A、图3B所示的像素10的构成要素的简单的布局的立体图。图5示出设置在层23中的晶体管通过插头电连接于设置在层22中的布线或设置在层24中的光电转换器件的例子。
具体而言，晶体管102的源极和漏极中的一方通过插头101P与光电转换器件101的一方电极电连接。晶体管103的源极和漏极中的另一方及晶体管104的源极和漏极中的另一方通过插头122P与布线122电连接。晶体管105的源极和漏极中的另一方通过插头123P与布线123电连接。晶体管102的栅极通过插头131P与布线131电连接。晶体管103的栅极通过插头132P与布线132电连接。晶体管105的栅极通过插头133P与布线133电连接。
注意，设置在层22中的布线122、123、131、132、133是多层布线，不局限于以彼此平行的方式配置，也可以以有些布线直交的方式配置。另外，各构成要素间的电连接也可以用多个插头进行。另外，各构成要素间的电连接也可以用插头及布线的组合进行。
<布局2>
图6示出与图5不同的布局的像素10的例子。在图6所示的布局中，与图5不同之处在于：晶体管102及晶体管103设置在层22中。在该布局中，晶体管102的源极和漏极中的另一方及晶体管103的源极和漏极中的一方通过插头103P与晶体管104的栅极电连接。
在此，晶体管102及晶体管103可以使用OS晶体管。OS晶体管具有关态电流极低的特性。通过作为晶体管102、103使用关态电流较低的晶体管，可以使节点FD能够保持电荷的期间非常长，由此可以读出劣化少的图像数据。就是说，可以实现在所有像素同时进行拍摄工作的全局快门方式的工作。另外，也可以进行卷帘快门方式的工作。
<像素电路2>
本发明的一个方式的像素10也可以具有图4A、图4B所示的电路结构。图4A、图4B所示的像素10是对图3A、图3B所示的电路追加晶体管107的结构。晶体管107的源极和漏极中的一方与晶体管102的源极和漏极中的一方及晶体管103的源极和漏极中的一方电连接。晶体管107的源极和漏极中的另一方与晶体管104的栅极和电容器106的一方电极电连接。
在此，作为晶体管107可以使用OS晶体管。OS晶体管的关态电流较小，所以通过在该位置连接OS晶体管，即使晶体管102及晶体管103的关态电流较大也可以长期间地保持节点FD的电荷。
在晶体管102及晶体管103使用OS晶体管时也可以获得上述效果，也可以不通过布线直接连接晶体管102与光电转换器件101，所以可以实现噪声少的结构。
<布局3>
图7示出图4A所示的像素10的构成要素的简单的布局的立体图。在此，将晶体管102设为n沟道型、将与晶体管102电连接的光电转换器件101的一方电极的导电型设为n型、将使晶体管102与光电转换器件101电连接的低电阻区域102n的导电型设为n型。另外，低电阻区域102n可以设置在半导体层431中。
在上述布局中，晶体管102的源极和漏极中的一方通过低电阻区域102n与光电转换器件101的一方电极电连接。在此，低电阻区域102n也可以说是晶体管102的源极和漏极中的一方的一个区域。或者，低电阻区域102n也可以说是光电转换器件101的一方电极的一个区域。
晶体管102的源极和漏极中的另一方及晶体管103的源极和漏极中的一方通过插头102P与晶体管107的源极和漏极中的一方电连接。晶体管107的源极和漏极中的另一方通过插头107P与晶体管104的栅极电连接。
另外，使用设置在半导体层431中的低电阻区域102n使晶体管102与光电转换器件101电连接的结构也可以应用于图5的结构。
<像素的工作>
图8是说明像素的工作的一个例子的时序图。可以根据该时序图使图3A所示的像素电路工作。另外，图4A所示的像素电路也可以通过对布线131及布线134供应相同信号电位来进行工作。注意，图4A所示的像素电路也可以通过对布线131及布线134供应不同信号电位来进行工作。
在以下说明中，将使晶体管导通的电位记为“H”，将使晶体管非导通的电位记为“L”。另外，假设布线122一直被供应高电位(例如，VDD)、布线121一直被供应低电位(例如，VSS)的状态。
通过在时刻T1使布线131的电位处于“H”且使布线132的电位处于“H”，晶体管102及晶体管103导通而节点FD及光电转换器件101的阴极的电位复位至高电位。
通过在时刻T2使布线131的电位处于“L”且使布线132的电位处于“L”，晶体管102非导通而根据所照射的光的强度电荷开始储存在光电转换器件101中。另外，晶体管103非导通而节点FD的电位被保持。
通过在时刻T3使布线131的电位处于“H”，晶体管102导通而积累在光电转换器件101的阴极的电荷传送到节点FD。此时，节点FD的电位根据所传送的电荷量下降。
通过在时刻T4使布线131的电位处于“L”，晶体管102非导通，节点FD的电位被确定而保持。
通过在时刻T5使布线133的电位处于“H”，晶体管105导通而根据节点FD的电位晶体管104进行工作，布线123被输出数据。在时刻T6使布线133的电位处于“L”而使晶体管105非导通。以上是像素的摄像工作的说明。
<摄像装置的结构>
图9是说明本发明的一个方式的摄像装置的方框图。该摄像装置包括具有以矩阵状排列的像素10的像素阵列31、具有选择像素阵列31的行的功能的电路32(行驱动器)、具有从像素10读出数据的功能的电路33以及供应电源电位的电路38。在图9中，简化了连接各构成要素的布线个数。此外，也可以包括多个电路32、电路33及电路38。
电路33可以包括用来对像素10的输出数据进行相关双采样处理的电路34(CDS电路)、具有将从电路34输出的模拟数据转换为数字数据的功能的电路35(A/D转换电路等)以及具有选择输出数据的列的功能的电路36(列驱动器)等。
此外，在本发明的一个方式中，如图10A、10B所示，晶体管也可以采用设置有背栅极的结构。图10A示出背栅极与前栅极电连接的结构，该结构具有提高通态电流的效果。此外，如图10B所示，也可以采用背栅极能够被供应恒电位的结构。在该结构中，可以控制晶体管的阈值电压。此外，也可以在一个电路中混合存在图10A及图10B的结构。此外，也可以包括不设置有背栅极的晶体管。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式2)
在本实施方式中，参照附图说明本发明的一个方式的包括运算装置的摄像装置。作为在本实施方式中说明的摄像装置，可以使用在实施方式1中说明的具有叠层结构的摄像装置。注意，与实施方式1不同的部分随时进行说明。另外，与实施方式1相同的构成要素使用相同符号进行说明。
本发明的一个方式是一种具备图像识别等附加功能的摄像装置。该摄像装置具有将在摄像工作中获取的模拟数据(图像数据)保持在像素而从该模拟数据乘以任意权重系数的数据取出数据的功能。另外，该摄像装置具有对从多个像素输出的该数据进行加法运算的功能(积和运算功能)。
另外，通过将从像素取出的该数据引入设置在摄像装置的内部或外部的神经网络等，可以进行图像识别等处理。在本发明的一个方式中，由于可以将庞大的图像数据以模拟数据的状态保持在像素且在像素内进行运算，所以可以高效地进行处理。
<摄像装置>
图11是说明本发明的一个方式的摄像装置的方框图。摄像装置包括像素阵列300、电路201、电路301、电路302、电路303、电路304和电路305。注意，电路201、电路301、电路302、电路303、电路304和电路305中的一个以上也可以具有与像素阵列300重叠的区域。通过采用上述结构，可以减小摄像装置的面积。
另外，在本发明的一个方式的摄像装置中，也可以代替使用具有电路201及电路301至电路305所具有的功能中的两个以上的功能的电路。另外，也可以使用电路201及电路301至电路305以外的电路。另外，也可以使用软件的工作代替电路201及电路301至电路305所具有的功能中的一个以上。另外，电路201及电路301至电路305中的一部分电路也可以设置在摄像装置的外部。
像素阵列300可以具有拍摄功能及运算功能。电路201、301可以具有运算功能。电路302可以具有运算功能或数据转换功能，并且可以将数据输出到布线311。电路303、304可以具有选择功能。电路305可以具有对像素提供电位(权重等)的功能。具有选择功能的电路可以使用移位寄存器或解码器等。
像素阵列300包括多个像素区块200。像素区块200如图12所示包括配置为矩阵状的多个像素100，各像素100通过布线124与电路201电连接。注意，电路201也可以设置在像素区块200内。
像素100可以取得图像数据并生成附加图像数据及权重系数的数据。注意，图12中作为一个例子示出像素区块200所具有的像素数为3×3，但是不局限于此。例如，也可以为2×2、4×4等。或者，水平方向与垂直方向的像素数也可以不同。另外，也可以使相邻的像素区块共有部分像素。
像素区块200及电路201可以用作积和运算电路。
<像素电路>
像素100如图13A所示可以包括光电转换器件101、晶体管102、晶体管103、晶体管104、晶体管105、电容器106和晶体管108。
上述像素电路与实施方式1中的图3A、图3B所示的像素电路不同之处在于：包括晶体管108；电容器106的另一方电极与晶体管108的源极和漏极中的一方电连接；与晶体管104电连接的布线；以及与晶体管105电连接的布线。
光电转换器件101的一方电极与晶体管102的源极和漏极中的一方电连接。晶体管102的源极和漏极中的另一方与晶体管103的源极和漏极中的一方及电容器106的一方电极以及晶体管104的栅极电连接。晶体管104的源极和漏极中的一方与晶体管105的源极和漏极中的一方电连接。电容器106的另一方电极与晶体管108的源极和漏极中的一方电连接。
光电转换器件101的另一方电极与布线121电连接。晶体管102的栅极与布线131电连接。晶体管103的源极和漏极中的另一方与布线122电连接。晶体管103的栅极与布线132电连接。晶体管104的源极和漏极中的另一方与GND布线等电连接。晶体管105的源极和漏极中的另一方与布线124电连接。晶体管105的栅极与布线133电连接。晶体管108的源极和漏极中的另一方与布线125电连接。晶体管108的栅极与布线135电连接。
在此，将晶体管102的源极和漏极中的另一方与晶体管103的源极和漏极中的一方、电容器106的一方电极及晶体管104的栅极电连接的点记作节点N。
布线121、122可以用作电源线。例如，布线121可以用作高电位电源线，布线122可以用作低电位电源线。布线131、132、133、135可以用作控制各晶体管的导通的信号线。布线125可以用作对像素100提供相当于权重系数的电位的布线。布线124可以用作使像素100与电路201电连接的布线。
另外，布线124也可以与放大电路或增益可调电路电连接。
作为光电转换器件101可以使用光电二极管。当想要提高低照度时的光检测灵敏度时，优选使用雪崩光电二极管。
晶体管102能够控制节点N的电位。晶体管103能够使节点N的电位初始化。晶体管104能够可以根据节点N的电位控制流过电路201的电流。晶体管105能够选择像素。晶体管108能够对节点N提供相当于权重系数的电位。
另外，晶体管104及晶体管105也可以采用图13B所示的结构，即：晶体管104的源极和漏极中的一方与晶体管105的源极和漏极中的一方电连接，晶体管104的源极和漏极中的另一方与布线124连接，晶体管105的源极和漏极中的另一方与GND布线等电连接。
另外，在图13A、图13B中，也可以使光电转换器件101所包括的一对电极的连接方向相反。在该情况下，布线121可以用作低电位电源线，布线122可以用作高电位电源线。
作为晶体管102、103优选使用在沟道形成区域使用金属氧化物的晶体管(OS晶体管)。OS晶体管也具有关态电流极低的特性。通过作为晶体管102、103使用OS晶体管，可以使节点N能够保持电荷的期间极长。另外，可以采用在所有的像素中同时进行电荷储存工作的全局快门方式而无需采用复杂的电路结构及工作方式。另外，也可以在将图像数据保持在节点N的同时进行用该图像数据的多次运算。
另一方面，有时优选晶体管104的放大特性良好。另外，由于晶体管105、108有时优选使用能够高速工作的迁移率高的晶体管。由此，作为晶体管104、105、108可以使用将硅用于沟道形成区域的晶体管(Si晶体管)。
注意，不局限于上述结构，也可以任意地组合OS晶体管及Si晶体管而使用。另外，也可以作为所有晶体管都使用OS晶体管。或者，所有晶体管也都可以使用Si晶体管。作为Si晶体管，可以举出含有非晶硅的晶体管、含有结晶硅(微晶硅、低温多晶硅、单晶硅)的晶体管等。
像素100中的节点N的电位根据附加从布线122提供的复位电位与由光电转换器件101的光电转换生成的电位(图像数据)的电位决定。或者，像素100中的节点N的电位根据由布线125提供的相当于权重系数的电位被电容耦合而决定。因此，晶体管104可以使相当于对图像数据加算任意权重系数而得到的数据的电流流过。
<电路201>
如图12所示，各像素100通过布线124彼此电连接。电路201可以利用各像素100的晶体管104中流过的电流的总和进行运算。
电路201包括电容器202、晶体管203、晶体管204、晶体管205、晶体管206和作为电压转换电路的晶体管207。晶体管207的栅极被施加适当的模拟电位(Bias)。
电容器202的一方电极与晶体管203的源极和漏极中的一方及晶体管204的栅极电连接。晶体管204的源极和漏极中的一方与晶体管205的源极和漏极中的一方及晶体管206的源极和漏极中的一方电连接。电容器202的另一方电极与布线124及晶体管207的源极和漏极中的一方电连接。
晶体管203的源极和漏极中的另一方与布线218电连接。晶体管204的源极和漏极中的另一方与布线219电连接。晶体管205的源极和漏极中的另一方与GND布线等基准电源线电连接。晶体管206的源极和漏极中的另一方与布线212电连接。晶体管207的源极和漏极中的另一方与布线217电连接。晶体管203的栅极与布线216电连接。晶体管205的栅极与布线215电连接。晶体管206的栅极与布线213电连接。
布线217、218、219可以用作电源线。例如，布线218可以用作提供读出用复位电位(Vr)的布线。布线217、219可以用作高电位电源线。布线213、215、216可以用作控制各晶体管的导通的信号线。布线212为输出线，例如，可以与图11所示的电路301电连接。
晶体管203可以具有将布线211的电位复位到布线218的电位的功能。晶体管204、205可以具有作为源极跟随电路的功能。晶体管206可以具有控制读出的功能。另外，电路201也可以用作相关双采样电路(CDS电路)，也可以换用具有该功能的其他结构的电路。
在本发明的一个方式中，去除图像数据(X)与权重系数(W)的积以外的偏置成分抽出想要的WX。WX可以利用对在同一像素中取得的进行了曝光(进行了拍摄)的数据、没进行曝光(没进行拍摄)的数据的每一个加权的数据来算出。
进行了曝光时流过像素100的电流(Ip)总和为kΣ(X-Vth)2，加权后流过像素100的电流(Ip)总和为kΣ(W+X-Vth)2。另外，没进行曝光时流过像素100的电流(Iref)总和为kΣ(0-Vth)2，加权后流过像素100的电流(Iref)总和为kΣ(W-Vth)2。在此，k为常数，Vth为晶体管104的阈值电压。
首先，算出进行曝光的数据与对该数据进行了加权的数据之差分(数据A)。即，kΣ((X-Vth)2-(W+X-Vth)2)＝kΣ(-W2-2W·X+2W·Vth)。
接着，算出没有进行曝光的数据与对该数据进行了加权的数据之差分(数据B)。即，kΣ((0-Vth)2-(W-Vth)2)＝kΣ(-W2+2W·Vth)。
然后，获取数据A与数据B的差分。即，kΣ(-W2-2W·X+2W·Vth-(-W2+2W·Vth))＝kΣ(-2W·X)。也就是说，可以去除图像数据(X)与权重系数(W)的积以外的偏置成分。
电路201可以读出数据A及数据B。数据A与数据B的差分运算例如可以利用电路301进行。
<摄像工作>
图14A是说明在像素区块200及电路201中计算进行曝光的数据和对该数据加权而得的数据之差分(数据A)的工作的时序图。注意，为了方便起见，使信号所转换的时机一致而图示，但是实际上优选考虑电路内部的延迟使信号所转换的时机不一致。另外，在以下说明中，“H”表示高电位，“L”表示低电位。
首先，在期间T1使布线132的电位处于“H”、使布线131的电位处于“H”，来使像素100的节点N处于复位电位。另外，使布线125的电位处于“L”、使布线135_1至135_3(第1行至第3行的布线135)的电位处于“H”，写入权系数0。
通过到期间T2使布线131的电位保持为“H”且在期间T2使布线132的电位处于”L”，由光电转换器件101的光电转换对节点N写入电位X(图像数据)。
在期间T3，使布线133_1、133_2、133_3的电位处于“H”而选择像素区块内的所有像素100。此时，在各像素100的晶体管104中流过根据电位X的电流。另外，通过使布线216的电位处于“H”，对布线211写入布线218的电位Vr。期间T1至T3的工作相当于进行曝光的数据的取得，该数据被初始化为布线211的电位Vr。
通过在期间T4使布线125的电位成为相当于权系数W11(对第1行的像素加上的权重)的电位而使布线135_1的电位处于“H”，利用电容器106的电容耦合将权系数W11加算到第1行的像素100的节点N。
通过在期间T5使布线125的电位成为相当于权系数W12(对第2行的像素加上的权重)的电位而使布线135_2的电位处于“H”，利用电容器106的电容耦合将权系数W12加算到第2行的像素100的节点N。
通过在期间T6使布线125的电位成为相当于权系数W13(对第3行的像素加上的权重)的电位而使布线135_3的电位处于“H”，利用电容器106的电容耦合将权系数W13加算到第3行的像素100的节点N。期间T4至期间T6的工作相当于对进行拍摄的数据加权的数据的生成。
在期间T7，使布线133_1、133_2、133_3的电位处于“H”而选择像素区块内的所有像素100。此时，在第1行的像素100的晶体管104中流过根据电位W11+X的电流。另外，在第2行的像素100的晶体管104中流过根据电位W12+X的电流。另外，在第3行的像素100的晶体管104中流过根据电位W13+X的电流。
在此，电容器202的另一方电极的电位根据流过布线124的电流变化，其变化量Y因电容耦合被加算到布线211的电位Vr。因此，布线211的电位变为“Vr+Y”。在此，当Vr＝0时，Y即是差分，数据A被计算出来。
另外，通过使布线213的电位为“H”、布线215的电位为“Vbias”等适当的模拟电位，电路201通过源跟随工作可以输出对应第1行的像素区块200的数据A的信号电位。
图14B是说明在像素区块200及电路201中计算进行曝光的数据和对该数据加权而得的数据之差分(数据B)的工作的时序图。数据B根据需要取得即可。例如，在所输入的权重没有变化时，也可以将所取得的数据B储存于存储器而从该存储器读出数据B。另外，也可以将对应于多个权重的多个数据B储存于该存储器。另外，既可以先取得数据A，又可以先取得数据B。
首先，在期间T1至T2，使布线132的电位处于“H”且使布线131的电位处于“H”，使像素100的节点N成为复位电位(0)。在期间T2结束时，使布线132的电位处于“L”且使布线131的电位处于“L”。就是说，在该期间，无论光电转换器件101的工作如何节点N的电位都成为复位电位。
另外，在期间T1，使布线125的电位处于“L”且使布线135_1、135_2、135_3处于“H”而写入权系数0。该工作在节点N的电位成为复位电位期间进行即可。
在期间T3，使布线133_1、133_2、133_3的电位处于“H”而选择像素区块内的所有像素100。此时，在各像素100的晶体管104中流过根据复位电位的电流。另外，通过使布线216的电位处于“H”，对布线211写入布线218的电位Vr。期间T1至T3的工作相当于没进行曝光的数据的取得，该数据被初始化为布线211的电位Vr。
通过在期间T4使布线125的电位成为相当于权系数W11(对第1行的像素加上的权重)的电位而使布线135_1的电位处于“H”，利用电容器106的电容耦合将权系数W11加算到第1行的像素100的节点N。
通过在期间T5使布线125的电位成为相当于权系数W12(对第2行的像素加上的权重)的电位而使布线135_2的电位处于“H”，利用电容器106的电容耦合将权系数W12加算到第2行的像素100的节点N。
通过在期间T6使布线125的电位成为相当于权系数W13(对第3行的像素加上的权重)的电位而使布线135_3的电位处于“H”，利用电容器106的电容耦合将权系数W13加算到第3行的像素100的节点N。期间T4至期间T6的工作相当于对没进行拍摄的数据加权的数据的生成。
在期间T7，使布线133_1、133_2、133_3的电位处于“H”而选择像素区块内的所有像素100。此时，在第1行的像素100的晶体管104中流过根据电位W11+0的电流。另外，在第2行的像素100的晶体管104中流过根据电位W12+0的电流。另外，在第3行的像素100的晶体管104中流过根据电位W13+0的电流。
在此，电容器202的另一方电极的电位根据流过布线124的电流变化，其变化量Z被加算到布线211的电位Vr。因此，布线211的电位变为“Vr+Z”。在此，当Vr＝0时，Z即是差分，数据B被计算出来。
另外，通过使布线213的电位为“H”、布线215的电位为适当的模拟电位(Vbias)，电路201通过源跟随器工作可以输出对应第1行的像素区块200的数据B的信号电位。
通过上述工作，从电路201输出的数据A及数据B被输入到电路301。在电路301中，进行获取数据A与数据B之差分的运算可以去除图像数据(电位X)与权重系数(电位W)的积以外的不需要的偏置成分。作为电路301，除了可以采用电路201那样的包括运算电路的结构之外，还可以采用利用存储电路及软件处理计算差分的结构。
在上述工作中的数据A的取得工作和数据B的取得工作中，电路201的布线211的电位都被初始化为同一电位“Vr”。并且，电路201的布线211的电位通过之后的差分运算而成为“(Vr+Y)-(Vr+Z)”＝“Y-Z”，电位“Vr”的成分被去除。另外，如上所述，其他不需要的偏置成分也被去除，所以可以抽出图像数据(电位X)与权系数(电位W)之积。
该工作相当于进行推论等的神经网络的第一工作。因此，可以在将庞大图像数据去除到外部之前在摄像装置内进行至少一个运算，从而可以减少在外部进行的运算及数据的输入输出等的次数。另外，可以提高整体处理而降低功耗。
另外，作为与上述不同的工作，也可以采用：在数据A的取得工作及数据B的取得工作中，使电路201的布线211的电位初始化为不同电位。例如，假设电路201的布线211的电位在数据A的取得工作中被初始化为电位“Vr1”且在数据B的取得工作中被初始化为电位“Vr2”。在此情况下，通过之后的差分运算，电路201的布线211的电位成为“(Vr1+Y)-(Vr2+Z)”＝“(Vr1-Vr2)+(Y-Z)”。与上述工作同样，“Y-Z”作为图像数据(电位X)与权系数(电位W)之积被抽出，并且被追加“Vr1-Vr2”。在此，“Vr1-Vr2”相当于在神经网络的中间层的运算中用来调整阈值的偏压。
另外，例如权重被用作卷积神经网络(CNN：Convolutional Neural Network)的滤波器，除了上述以外也可以具有进行数据的放大或衰减的功能。例如，通过将数据A的取得工作中的权系数(W)设为进行滤波处理的量与所放大的量之积，可以放大图像数据与进行滤波处理的量的权系数之积而抽出被校正为明亮图像的数据。另外，数据B是没进行拍摄的数据，也可以说是黑电平的数据。因此，取得数据A与数据B之差分的工作可以说是有助于实现在暗处拍摄的图像的可视化的工作。也就是说，可以进行利用神经网络的亮度校正。
如上所述，在本发明的一个方式中，可以在摄像装置内的工作中生成偏压。另外，可以在摄像装置内施加具有功能性的权重。因此，可以减轻外部的运算等的负荷，而且可以用于各种用途。例如，可以在进行如下处理时在摄像装置内进行其一部分处理，该处理包括：拍摄对象的推论；图像数据的分辨率校正、亮度校正；从黑白图像生成彩色图像；从二维图像生成三维图像；缺陷信息的恢复；从静态图像生成动态图像；焦点不准的图像的修正；等。
<电路301、302>
图15A是说明与电路201连接的电路301及电路302的图。从电路201输出的积和运算结果的数据依次输入到电路301。电路301除了具有进行之前所述的数据A与数据B的差分的运算功能之外还可以具有各种各样的运算功能。例如，电路301可以采用与电路201相同的结构。或者，软件处理也可以替代电路301的功能。
另外，电路301也可以包括进行激活函数运算的电路。该电路例如可以使用比较器电路。比较器电路将对被输入的数据与设定的阈值进行比较的结果以2值数据的形式输出。也就是说，像素区块200及电路301可以用作神经网络的部分要素。
另外，电路301也可以包括A/D转换器。当将图像数据从像素区块200输出到外部时，不考虑积和运算的有无可以利用电路301将模拟数据转换为数字数据。
例如，在包括3×3个像素100的像素区块200中，通过对所有像素100供应同一权重(例如，0)而使要输出数据的像素所包括的晶体管108导通，可以从像素区块200输出像素区块200整体的图像数据的总和、每个行的图像数据的总和或者每一个像素的数据等。
另外，像素区块200所输出的数据相当于多个位的图像数据，但是在电路301被2值化时，可以说使图像数据压缩。
从电路301输出的数据被依次输入到电路302。电路302例如可以具有包括锁存电路及移位寄存器等的结构。通过采用该结构，可以进行并串转换，并可以将并行被输入的数据作为串行数据输出到布线311。
另外，如图15B所示，电路302也可以包括神经网络。该神经网络包括配置为矩阵状的存储单元，在各存储单元保持有权系数。从电路301输出的数据被分别输入到存储单元320可以进行积和运算。注意，图15B所示的存储单元的数量是一个例子而不局限于此。进行积和运算后的数据可以被输出到布线311。
另外，在图15A、图15B中，布线311的连接对象没有限制。例如，可以与神经网络、存储装置、通信装置等连接。
图15B所示的神经网络包括配置为矩阵状的存储单元320及参照存储单元325、电路330、电路350、电路360及电路370。
图16示出存储单元320及参照存储单元325的一个例子。参照存储单元325设置在任意一个列上。存储单元320及参照存储单元325具有彼此相同结构，都包括晶体管161、晶体管162及电容器163。
晶体管161的源极和漏极中的一个与晶体管162的栅极电连接。晶体管162的栅极与电容器163的一方电极电连接。在此，将晶体管161的源极和漏极中的一个、晶体管162的栅极与电容器163的一方电极连接的点记为节点NM。
晶体管161的栅极与布线WL电连接。电容器163的另一方电极与布线RW电连接。晶体管162的源极和漏极中的一个与GND布线等基准电位布线电连接。
在存储单元320中，晶体管161的源极和漏极中的另一个与布线WD电连接。晶体管162的源极和漏极中的另一个与布线BL电连接。
在参照存储单元325中，晶体管161的源极和漏极中的另一个与布线WDref电连接。晶体管162的源极和漏极中的另一个与布线BLref电连接。
布线WL与电路330电连接。作为电路330可以使用解码器或移位寄存器等。
布线RW与电路301电连接。各存储单元被写入从电路301输出的2值数据。此外，电路301与各存储单元间也可以具有移位寄存器等时序电路。
布线WD及布线WDref与电路350电连接。作为电路350可以使用解码器或移位寄存器等。另外，电路350也可以包括D/A转换器及SRAM。电路350可以输出写入到节点NM的权系数。
布线BL及布线BLref与电路360电连接。电路360可以具有与电路201相同的结构。由电路360可以得到从积和运算结果去除偏置成分的信号。
电路360与电路370电连接。另外，也可以将电路370称为激活函数电路。激活函数电路具有进行运算以根据预定义的激活函数变换从电路360输入的信号的功能。作为激活函数，例如可以使用sigmoid函数、tanh函数、softmax函数、ReLU函数及阈值函数等。由激活函数电路转换的信号作为输出数据输出到外部。
如图17A所示，神经网络NN可以由输入层IL、输出层OL及中间层(隐藏层)HL构成。输入层IL、输出层OL及中间层HL都包括一个或多个神经元(单元)。注意，中间层HL可以为一层或两层以上。包括具有两层以上的中间层HL的神经网络可以称为DNN(深度神经网络)。另外，利用深度神经网络的学习可以称为深度学习。
对输入层IL的各神经元输入输入数据。对中间层HL的各神经元输入前一层或后一层的神经元的输出信号。对输出层OL的各神经元输入前一层的神经元的输出信号。注意，各神经元既可以与前一层和后一层的所有神经元连结(全连结)，又可以与部分神经元连结。
图17B示出利用神经元的运算的例子。在此，示出神经元N及向神经元N输出信号的前一层的两个神经元。神经元N被输入前一层的神经元的输出x1及前一层的神经元的输出x2。在神经元N中，算出输出x1与权重w1的乘法结果(x1w1)和输出x2与权重w2的乘法结果(x2w2)之总和x1w1+x2w2，然后根据需要对其加偏压b，从而得到值a＝x1w1+x2w2+b。值a被激活函数h变换，从神经元N输出信号y＝ah。
如此，利用神经元的运算包括对前一层的神经元的输出与权重之积进行加法的运算，即，积和运算(上述x1w1+x2w2)。该积和运算既可以使用程序以软件进行，又可以以硬件进行。
在本发明的一个方式中，作为硬件使用模拟电路进行积和运算。在作为积和运算电路使用模拟电路时，可以缩小积和运算电路的电路规模或因向存储器访问的次数的减少而实现处理速度的提高及功耗的降低。
积和运算电路优选采用包括OS晶体管的结构。因为OS晶体管具有极小的关态电流，所以优选用作构成积和运算电路的模拟存储器的晶体管。另外，也可以使用Si晶体管和OS晶体管构成积和运算电路。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式3)
在本实施方式中对本发明的一个方式的摄像装置的结构例子等进行说明。
<光电转换器件>
图18A所示的光电转换器件101C是可用于在实施方式1中所示的层24所包括的光电转换器件101的结构的一个例子。光电转换器件101C可以包括层565a和层565b。注意，根据情况也可以将层称为区域。
光电转换器件101C是pn结型光电二极管，例如层565a可以使用p型半导体，层565b可以使用n型半导体。或者，层565a可以使用n型半导体，层565b使用p型半导体。
另外，也可以将图18B所示的光电转换器件101D的结构用于光电转换器件101。光电转换器件101D是pin结型光电二极管，例如层565a可以使用p型半导体，层565c可以使用i型半导体，层565b可以使用n型半导体。或者，层565a可以使用n型半导体，层565b可以使用p型半导体。
上述pn结型光电二极管及pin结型光电二极管典型地可以使用单晶硅形成。
<OS晶体管>
在实施方式1中说明的像素电路及电路423可以包括OS晶体管。
作为用于OS晶体管的半导体材料，可以使用能隙为2eV以上，优选为2.5eV以上，更优选为3eV以上的金属氧化物。典型的有含有铟的氧化物半导体等，例如，可以使用后面提到的CAAC-OS或CAC-OS等。CAAC-OS中构成晶体的原子稳定，适用于重视可靠性的晶体管等。CAC-OS呈现高迁移率特性，适用于进行高速驱动的晶体管等。
由于OS晶体管的半导体层具有大能隙，所以呈现极低的关态电流特性，仅为几yA/μm(每沟道宽度1μm的电流值)。与Si晶体管不同，OS晶体管不会发生碰撞电离、雪崩击穿、短沟道效应等，因此能够形成高耐压性和高可靠性的电路。此外，Si晶体管所引起的起因于结晶性的不均匀的电特性不均匀不容易产生在OS晶体管中。
作为OS晶体管中的半导体层，例如可以采用包含铟、锌及M(选自铝、钛、镓、锗、钇、锆、镧、铈、锡、钕和铪等金属中的一个或多个)的以“In-M-Zn类氧化物”表示的膜。例如，In-M-Zn类氧化物可以通过溅射法、ALD(Atomic layer deposition：原子层沉积)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有机金属化学气相沉积)法等形成。
当利用溅射法形成In-M-Zn类氧化物膜时，优选用来形成In-M-Zn类氧化物膜的溅射靶材的金属元素的原子数比满足In≥M及Zn≥M。这种溅射靶材的金属元素的原子数比优选为In:M:Zn＝1:1:1、In:M:Zn＝1:1:1.2、In:M:Zn＝3:1:2、In:M:Zn＝4:2:3、In:M:Zn＝4:2:4.1、In:M:Zn＝5:1:3、In:M:Zn＝5:1:6、In:M:Zn＝5:1:7、In:M:Zn＝5:1:8、In:M:Zn＝10:1:3等。注意，所形成的半导体层的原子数比分别有可能在上述溅射靶材中的金属元素的原子数比的±40％的范围内变动。
作为半导体层，可以使用载流子密度低的氧化物半导体。例如，作为半导体层可以使用载流子密度为1×1017/cm3以下，优选为1×1015/cm3以下，更优选为1×1013/cm3以下，进一步优选为1×1011/cm3以下，更进一步优选为小于1×1010/cm3，1×10-9/cm3以上的氧化物半导体。将这样的氧化物半导体称为高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体。该氧化物半导体的缺陷态密度低，因此可以说是具有稳定的特性的氧化物半导体。
注意，本发明不局限于上述记载，可以根据所需的晶体管的半导体特性及电特性(场效应迁移率、阈值电压等)来使用具有适当的组成的材料。此外，优选适当地设定半导体层的载流子密度、杂质浓度、缺陷密度、金属元素与氧的原子数比、原子间距离、密度等，以得到所需的晶体管的半导体特性。
当构成半导体层的氧化物半导体包含第14族元素之一的硅或碳时，氧空位增加，会使该半导体层变为n型。因此，将半导体层中的硅或碳的浓度(通过二次离子质谱分析法测得的浓度)设定为2×1018atoms/cm3以下，优选为2×1017atoms/cm3以下。
此外，有时当碱金属及碱土金属与氧化物半导体键合时生成载流子，而使晶体管的关态电流增大。因此，将半导体层的碱金属或碱土金属的浓度(通过二次离子质谱分析法测得的浓度)设定为1×1018atoms/cm3以下，优选为2×1016atoms/cm3以下。
此外，当构成半导体层的氧化物半导体含有氮时生成作为载流子的电子，载流子密度增加而容易n型化。其结果是，使用含有氮的氧化物半导体的晶体管容易变为常开启特性。因此，半导体层的氮浓度(通过二次离子质谱分析法测得的浓度)优选为5×1018atoms/cm3以下。
此外，当构成半导体层的氧化物半导体包含氢时，氢与键合于金属原子的氧起反应生成水，因此有时在氧化物半导体中形成氧空位。在氧化物半导体中的沟道形成区域包含氧空位的情况下，晶体管有可能具有常开启特性。再者，有时氢进入氧空位中而成的缺陷被用作供体而生成作为载流子的电子。此外，有时氢的一部分键合到与金属原子键合的氧而生成作为载流子的电子。因此，使用包含较多的氢的氧化物半导体的晶体管容易具有常开启特性。
氢进入氧空位中的缺陷会被用作氧化物半导体的供体。然而，定量地评价该缺陷是困难的。于是，在氧化物半导体中，有时不是根据供体浓度而是根据载流子浓度进行评价。由此，在本说明书等中，有时作为氧化物半导体的参数，不采用供体浓度而采用假定为不被施加电场的状态的载流子浓度。也就是说，本说明书等所记载的“载流子浓度”有时可以称为“供体浓度”。
由此，优选尽可能减少氧化物半导体中的氢。具体而言，在氧化物半导体膜中，利用二次离子质谱(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)测得的氢浓度低于1×1020atoms/cm3，优选低于1×1019atoms/cm3，更优选低于5×1018atoms/cm3，进一步优选低于1×1018atoms/cm3。通过将氢等杂质被充分减少的氧化物半导体用于晶体管的沟道形成区域，可以赋予稳定的电特性。
此外，半导体层例如也可以具有非单晶结构。非单晶结构例如包括具有c轴取向的结晶的CAAC-OS(C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多晶结构、微晶结构或非晶结构。在非单晶结构中，非晶结构的缺陷态密度最高，而CAAC-OS的缺陷态密度最低。
非晶结构的氧化物半导体膜例如具有无秩序的原子排列且不具有结晶成分。或者，非晶结构的氧化物膜例如是完全的非晶结构且不具有结晶部。
此外，半导体层也可以为具有非晶结构的区域、微晶结构的区域、多晶结构的区域、CAAC-OS的区域和单晶结构的区域中的两种以上的混合膜。混合膜有时例如具有包括上述区域中的两种以上的区域的单层结构或叠层结构。
下面，对非单晶半导体层的一个方式的CAC(Cloud-Aligned Composite)-OS的构成进行说明。
CAC-OS例如是指包含在氧化物半导体中的元素不均匀地分布的构成，其中包含不均匀地分布的元素的材料的尺寸为0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且2nm以下或近似的尺寸。注意，在下面也将在氧化物半导体中一个或多个金属元素不均匀地分布且包含该金属元素的区域以0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且2nm以下或近似的尺寸混合的状态称为马赛克(mosaic)状或补丁(patch)状。
氧化物半导体优选至少包含铟。尤其优选包含铟及锌。除此之外，也可以还包含选自铝、镓、钇、铜、钒、铍、硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种。
例如，In-Ga-Zn氧化物中的CAC-OS(在CAC-OS中，尤其可以将In-Ga-Zn氧化物称为CAC-IGZO)是指材料分成铟氧化物(以下，称为InOX1(X1为大于0的实数))或铟锌氧化物(以下，称为InX2ZnY2OZ2(X2、Y2及Z2为大于0的实数))以及镓氧化物(以下，称为GaOX3(X3为大于0的实数))或镓锌氧化物(以下，称为GaX4ZnY4OZ4(X4、Y4及Z4为大于0的实数))等而成为马赛克状，且马赛克状的InOX1或InX2ZnY2OZ2均匀地分布在膜中的构成(以下，也称为云状)。
换言之，CAC-OS是具有以GaOX3为主要成分的区域和以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域混在一起的构成的复合氧化物半导体。在本说明书中，例如，当第一区域的In与元素M的原子数比大于第二区域的In与元素M的原子数比时，第一区域的In浓度高于第二区域。
注意，IGZO是通称，有时是指包含In、Ga、Zn及O的化合物。作为典型例子，可以举出以InGaO3(ZnO)m1(m1为自然数)或In(1+x0)Ga(1-x0)O3(ZnO)m0(-1≤x0≤1，m0为任意数)表示的结晶性化合物。
上述结晶性化合物具有单晶结构、多晶结构或CAAC结构。CAAC结构是多个IGZO的纳米晶具有c轴取向性且在a-b面上以不取向的方式连接的结晶结构。
另一方面，CAC-OS与氧化物半导体的材料构成有关。CAC-OS是指如下构成：在包含In、Ga、Zn及O的材料构成中，一部分中观察到以Ga为主要成分的纳米粒子状区域，一部分中观察到以In为主要成分的纳米粒子状区域，并且，这些区域以马赛克状无规律地分散。因此，在CAC-OS中，结晶结构是次要因素。
CAC-OS不包含组成不同的两种以上的膜的叠层结构。例如，不包含由以In为主要成分的膜与以Ga为主要成分的膜的两层构成的结构。
注意，有时观察不到以GaOX3为主要成分的区域与以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域之间的明确的边界。
在CAC-OS中包含选自铝、钇、铜、钒、铍、硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种以代替镓的情况下，CAC-OS是指如下构成：一部分中观察到以该金属元素为主要成分的纳米粒子状区域以及一部分中观察到以In为主要成分的纳米粒子状区域以马赛克状无规律地分散。
CAC-OS例如可以通过在对衬底不进行意图性的加热的条件下利用溅射法来形成。在利用溅射法形成CAC-OS的情况下，作为成膜气体，可以使用选自惰性气体(典型的是氩)、氧气体和氮气体中的一种或多种。此外，成膜时的成膜气体的总流量中的氧气体的流量比越低越好，例如，将氧气体的流量比设定为0％以上且低于30％，优选为0％以上且10％以下。
CAC-OS具有如下特征：通过根据X射线衍射(XRD：X-ray diffraction)测定法之一的Out-of-plane法利用θ/2θ扫描进行测定时，观察不到明确的峰值。也就是说，根据X射线衍射，可知在测定区域中没有a-b面方向及c轴方向上的取向。
此外，在通过照射束径为1nm的电子束(也称为纳米束)而取得的CAC-OS的电子衍射图案中，观察到环状的亮度高的区域(环状区域)以及在该环状区域内的多个亮点。由此，根据电子衍射图案，可知CAC-OS的结晶结构具有在平面方向及截面方向上没有取向的nc(nano-crystal)结构。
此外，例如在In-Ga-Zn氧化物的CAC-OS中，根据通过能量分散型X射线分析法(EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy)取得的EDX面分析(mapping)图像，可确认到：具有以GaOX3为主要成分的区域及以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域不均匀地分布而混合的构成。
CAC-OS的结构与金属元素均匀地分布的IGZO化合物不同，具有与IGZO化合物不同的性质。换言之，CAC-OS具有以GaOX3等为主要成分的区域及以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域互相分离且以各元素为主要成分的区域为马赛克状的构成。
在此，以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域的导电性高于以GaOX3等为主要成分的区域。换言之，当载流子流过以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域时，呈现氧化物半导体的导电性。因此，当以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域在氧化物半导体中以云状分布时，可以实现高场效应迁移率(μ)。
另一方面，以GaOX3等为主要成分的区域的绝缘性高于以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域。换言之，当以GaOX3等为主要成分的区域在氧化物半导体中分布时，可以抑制泄漏电流而实现良好的开关工作。
因此，当将CAC-OS用于半导体元件时，通过起因于GaOX3等的绝缘性及起因于InX2ZnY2OZ2或InOX1的导电性的互补作用可以实现高通态电流(Ion)及高场效应迁移率(μ)。
此外，使用CAC-OS的半导体元件具有高可靠性。因此，CAC-OS适用于各种半导体装置的构成材料。
接着，参照截面图对摄像装置的叠层结构进行说明。该截面相当于包括图2的层23所示的点划线A1-A2的高度方向的面。注意，以下所示的绝缘层及导电层等构成要素只是一个例子，也可以含有其他的构成要素。或者，也可以省略以下所示的构成要素的一部分。此外，以下所示的叠层结构可以根据需要利用贴合工序、抛光工序等形成。
<叠层结构1>
图19是采用图5所示的布局的摄像装置的截面图。层23所示的晶体管102、103、104、105是在作为硅外延生长层的半导体层431中具有沟道形成区域的晶体管(以下，Si晶体管)。
在图19中，将该晶体管表示为平面型晶体管，但是如图20A、图20B所示，也可以采用鳍型晶体管。图20A是沟道长度方向的截面图，图20B是图20A所示的点划线B1-B2的面的沟道宽度方向的截面图。
此外，也可以采用如图20C所示的包括硅薄膜的半导体层417的晶体管。例如，半导体层417可以使用在层24所包括的单晶硅衬底441上的绝缘层416上形成的单晶硅(SOI(Silicon on Insulator：绝缘体上硅))。
层22是叠层结构，具有包括与各晶体管连接的主要布线埋入于多层的绝缘层421中的结构。另外，该些布线间或者该布线与晶体管间通过插头连接。
作为叠层结构中的绝缘层(绝缘层412、421、442、461等)，例如可以使用氧化硅膜等的无机绝缘膜、丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂等的有机绝缘膜。另外，也可以层叠氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜等。
作为可以作为用于器件间的电连接的布线、电极及插头使用的导电体，适当地选择选自铝、铬、铜、银、金、铂、钽、镍、钛、钼、钨、铪、钒、铌、锰、镁、锆、铍、铟、钌、铱、锶和镧等中的金属元素、以上述金属元素为成分的合金或者组合上述金属元素的合金等而使用即可。该导电体既可以为单层又可以为由不同材料构成的多个层。
层24所示的光电转换器件101具有图18A所示的pn结型光电二极管的结构，由层441n(n型区域)及层441p(p型区域，单晶硅衬底441的一部分)构成。
一个像素所包括的光电转换器件101被元件分离层443围绕，与相邻的像素的光电转换器件101分离。通过设置元件分离层443，可以抑制因光电转换而发生的载流子向相邻像素的扩散。元件分离层443也可以被用作遮光层或反射层。
作为元件分离层443，可以使用无机绝缘层、有机绝缘层等。例如，元件分离层443可以由与接触于单晶硅衬底441的绝缘层442相同的材料形成。另外，也可以在元件分离层443的一部分设置空间。该空间也可以包含空气或惰性气体等气体。另外，该空间也可以处于减压状态。
相当于光电转换器件101的阴极的层441n通过设置在层23的半导体层431中的插头101P与晶体管102的源极和漏极中的一方电连接。在插头101P与设置在半导体层431中的开口部间优选设置绝缘体434。
另外，如图21所示，光电转换器件101与晶体管102也可以通过设置在半导体层431中的低电阻区域102n电连接。在此，在晶体管102为n沟道型，低电阻区域102n的导电型为n型，并且层441n的导电型为n型时，晶体管102的源极和漏极中的一方直接与光电转换器件101连接。在这些结构中，由于光电转换器件101的完全耗尽化而可以完全传送电荷，从而可以减少噪声。
另外，也可以使用图22所示的结构使光电转换器件101与晶体管102电连接。图22所示的结构是将晶体管102的栅极设置在半导体层431中的沟槽中的结构，通过对栅极施加电压而可以使所形成的沟道与层441n导通。
在层25设置遮光层451及光学转换层。在此，作为光学转换层示出滤色片452G1。
遮光层451可以抑制光入射到相邻的像素。作为遮光层451可以使用铝、钨等的金属层等。此外，也可以层叠该金属层与介电质膜。该介电质膜具有作为反射防止膜的功能。
在光电转换器件101对可见光具有灵敏度时，作为光学转换层可以使用滤色片。通过按每个像素使各滤色片具有R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)、Y(黄色)、C(青色)和M(品红色)等的颜色，可以获得彩色图像。
例如，如图29A的立体图(包括截面)所示，作为光学转换层452可以将滤色片452R(红色)、滤色片452G1(绿色)、滤色片452G2(绿色)、滤色片452B(蓝色)分别配置在不同的像素中。
此外，在作为光学转换层452使用波长截止滤波器时，可以实现能够获得各种波长区域的图像的摄像装置。
例如，当作为光学转换层452使用阻挡可见光线的波长以下的光的红外滤光片时，可以获得红外线摄像装置。此外，通过作为光学转换层452使用阻挡近红外线的波长以下的光的滤光片，可以形成远红外线摄像装置。此外，通过作为光学转换层452使用阻挡可见光线的波长以上的光的紫外滤光片，可以形成紫外线摄像装置。
此外，也可以在一个摄像装置内混合地配置功能不同的多个光学转换层。例如，如图29B所示，可以将滤色片452R(红色)、滤色片452G(绿色)、滤色片452B(蓝色)、红外滤光片452IR分别配置在不同的像素中。通过采用这种结构，可以同时获取可见光图像及红外光图像。
此外，例如，如图29C所示，可以将滤色片452R(红色)、滤色片452G(绿色)、滤色片452B(蓝色)、紫外滤光片452UV分别配置在不同的像素中。通过采用这种结构，可以同时获取可见光图像及紫外光图像。
此外，通过将闪烁体用于光学转换层452，可以形成用于X射线摄像装置等的获得使辐射强度可视化的图像的摄像装置。当透过拍摄对象的X射线等辐射入射到闪烁体时，由于光致发光现象而转换为可见光线或紫外光线等的光(荧光)。通过由光电转换器件101检测该光来获得图像数据。此外，也可以将该结构的摄像装置用于辐射探测器等。
闪烁体含有如下物质：当闪烁体被照射X射线或伽马射线等辐射时吸收辐射的能量而发射可见光或紫外线的物质。例如，可以使用将Gd2O2S：Tb、Gd2O2S：Pr、Gd2O2S：Eu、BaFCl：Eu、NaI、CsI、CaF2、BaF2、CeF3、LiF、LiI、ZnO等分散到树脂或陶瓷中的材料。
通过进行利用红外线或紫外线的拍摄，可以对摄像装置赋予检测功能、安全功能、传感器功能等。例如，通过进行利用红外线的拍摄，可以进行如下检测：产品的无损检测、农产品的挑选(糖量计的功能等)、静脉识别、医疗检测等。另外，通过进行利用紫外线的拍摄，可以检测从光源或火焰放出的紫外光，而可以进行光源、热源、生产装置等的管理等。
层26包括微透镜阵列462。透过微透镜阵列462所包括的各透镜的光穿过正下方的光学转换层而照射到光电转换器件101。通过设置微透镜阵列462，可以将所集聚的光入射到光电转换器件101，所以可以高效地进行光电转换。微透镜阵列462优选由对目的波长的光具有高透光性的树脂或玻璃等形成。
<叠层结构2>
图23是采用图6所示的布局的摄像装置的截面图。层23所示的晶体管104、105是在半导体层431中具有沟道形成区域的Si晶体管。层22所示的晶体管102、103是在沟道形成区域中包含金属氧化物的OS晶体管。
图24A示出详细的OS晶体管。图24A所示的OS晶体管具有通过在氧化物半导体层及导电层的叠层上设置绝缘层而设置到达该氧化物半导体层的开口部来形成源电极705及漏电极706的自对准型的结构。
除了形成在氧化物半导体层的沟道形成区域708、源极区域703及漏极区域704以外，OS晶体管还可以包括栅电极701、栅极绝缘膜702。在上述开口部中至少设置栅极绝缘膜702及栅电极701。在上述开口部中也可以还设置氧化物半导体层707。
如图24B所示，OS晶体管也可以采用使用栅电极701作为掩模在半导体层形成源极区域703及漏极区域704的自对准型的结构。
或者，如图24C所示，可以采用具有源电极705或漏电极706与栅电极701重叠的区域的非自对准型的顶栅极型晶体管。
OS晶体管包括背栅极735，但也可以不包括背栅极。如图24D所示的晶体管的沟道宽度方向的截面图那样，背栅极735也可以与相对的晶体管的前栅极电连接。作为一个例子，图24D示出图24A所示的晶体管的C1-C2的截面，其他结构的晶体管也是同样的。此外，也可以采用能够对背栅极735供应与前栅极不同的固定电位的结构。
在设置有OS晶体管的层与设置有Si晶体管的层间优选设置绝缘层425。绝缘层425被用作阻挡层。
阻挡层优选使用能够防止氢扩散的膜。在Si器件中，为了使悬空键终结需要氢，但是OS晶体管附近的氢成为在氧化物半导体层中产生载流子的原因之一而降低可靠性。因此，在形成Si器件的层与形成OS晶体管的层间优选设置氢的阻挡膜。
作为该阻挡膜，例如可以使用氧化铝、氧氮化铝、氧化镓、氧氮化镓、氧化钇、氧氮化钇、氧化铪、氧氮化铪、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)等。
<叠层结构3>
图25是采用图7所示的布局的摄像装置的截面图。层23所示的晶体管102、103、104、105是在半导体层431中具有沟道形成区域的Si晶体管。层22所示的晶体管107是在沟道形成区域中包含金属氧化物的OS晶体管。
与图21的结构同样，在上述结构中晶体管102的源极和漏极中的一方直接与光电转换器件101连接，所以由于光电转换器件101的完全耗尽化而可以完全传送电荷，从而可以减少噪声。
<叠层结构4>
图26示出由设置在层22中的OS晶体管形成像素电路的方式。层23所示的晶体管191、192是在半导体层431中具有沟道形成区域的Si晶体管。层22所示的晶体管102、104、105是在沟道形成区域中包含金属氧化物的OS晶体管。
晶体管191、192相当于图2的层23所示的电路433的构成要素，也是像素电路以外的功能电路的构成要素。
<叠层结构5>
图27示出由设置在层23中的Si晶体管形成像素电路而由OS晶体管形成功能电路的方式。层23所示的晶体管102、103、104、105是在半导体层431中具有沟道形成区域的Si晶体管。层22所示的晶体管193、194、195是在沟道形成区域中包含金属氧化物的OS晶体管。
晶体管193、194、195相当于图2的层22所示的电路423的构成要素，也是像素电路以外的功能电路的构成要素。
如叠层结构2至叠层结构5所示，OS晶体管可以具有与Si晶体管重叠的区域，所以可以层叠配置用来对摄像装置赋予功能的电路或构成要素。因此，对摄像装置的小型化很有效。
<贴合>
注意，示出在叠层结构2至叠层结构5中在Si晶体管上通过布线工序等相同工序形成OS晶体管的例子，但是也可以通过贴合工序使Si晶体管与OS晶体管电连接。
图28示出通过贴合工序进行图23所示的Si晶体管与OS晶体管的电连接的例子。
在图28所示的结构中，在层22中设置绝缘层426、绝缘层427、导电层428a、428b、428c、导电层429a、429b、429c。绝缘层426、427也可以说是绝缘层421的一部分。
导电层428a与光电转换器件101的阴极电连接。导电层428b与晶体管104的栅极电连接。导电层428c与布线122电连接。导电层429a与晶体管102的源极和漏极中的一方电连接。导电层429b与晶体管102的源极和漏极中的另一方以及晶体管103的源极和漏极中的一方电连接。导电层429c与晶体管103的源极和漏极中的另一方电连接。
对绝缘层426与绝缘层427、导电层428a与导电层429a、导电层428b与导电层429b以及导电层428c与导电层429c的贴合进行说明。
导电层428a、428b、428c具有嵌入绝缘层426中的区域。此外，导电层428a、428b、428c及绝缘层426的表面以高度一致的方式被平坦化。
导电层429a、429b、429c具有嵌入绝缘层427中的区域。此外，导电层429a、429b、429c及绝缘层427的表面以高度一致的方式被平坦化。
在此，导电层428a、428b、428c以及导电层429a、429b、429c的主要成分优选为相同的金属元素。此外，绝缘层426及绝缘层427优选由相同的成分构成。
例如，作为导电层428a、428b、428c以及导电层429a、429b、429c可以使用Cu、Al、Sn、Zn、W、Ag、Pt或Au等。从接合的容易性的观点来看，优选使用Cu、Al、W或Au。此外，绝缘层426、427可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氮化钛等。
换言之，优选的是，作为导电层428a和导电层429a、导电层428b和导电层429b以及导电层428c和导电层429c的组合都使用与上述金属材料相同的金属材料。此外，优选的是，作为绝缘层426及绝缘层427都使用与上述绝缘材料相同的绝缘材料。
注意，导电层428a、428b、428c以及导电层429a、429b、429c也可以具有多个层的多层结构。此时，在导电层428a和导电层429a、导电层428b和导电层429b以及导电层428c和导电层429c的各组合中表面层(接合面)使用相同金属材料即可。此外，绝缘层426及绝缘层427也可以具有多个层的多层结构，此时表面层(接合面)为相同的绝缘材料即可。
通过进行该贴合，可以获得导电层428a和导电层429a、导电层428b和导电层429b以及导电层428c和导电层429c的各组合的电连接。此外，可以以足够的机械强度使绝缘层426及绝缘层427连接。
当接合金属层时，可以利用表面活化接合法。在该方法中，通过溅射处理等去除表面的氧化膜及杂质吸附层等并使清洁化且活化了的表面接触而接合。或者，可以利用并用温度及压力使表面接合的扩散接合法等。上述方法都可以发生原子级的结合，因此可以获得电气上和机械上都优异的接合。
此外，当接合绝缘层时，可以利用亲水性接合法等。在该方法中，在通过抛光等获得高平坦性之后，使利用氧等离子体等进行过亲水性处理的表面接触而暂时接合，利用热处理进行脱水，由此进行正式接合。亲水性接合法也发生原子级的结合，因此可以获得机械上优异的接合。
当在各接合面混合有绝缘层与金属层时，例如，组合表面活化接合法及亲水性接合法即可。
例如，可以采用在进行抛光之后使表面清洁化，对金属层的表面进行防氧处理，然后进行亲水性处理来进行接合的方法等。此外，也可以作为金属层的表面使用Au等难氧化性金属，进行亲水性处理。此外，也可以使用上述以外的接合方法。
通过上述贴合可以形成图28所示的叠层结构。
<封装、模块>
图30A1是收纳图像传感器芯片的封装的顶面一侧的外观立体图。该封装包括使图像传感器芯片550(参照图30A3)固定的封装衬底510、玻璃盖板520及贴合它们的粘合剂530等。
图30A2是该封装的底面一侧的外观立体图。在封装的底面包括以焊球为凸块540的BGA(Ball grid array：球栅阵列)。注意，不局限于BGA，也可以包括LGA(Land gridarray：地栅阵列)或PGA(Pin Grid Array：针栅阵列)等。
图30A3是省略玻璃盖板520及粘合剂530的一部分而图示的封装的立体图。在封装衬底510上形成电极焊盘560，电极焊盘560与凸块540通过通孔电连接。电极焊盘560通过引线570与图像传感器芯片550电连接。
此外，图30B1是将图像传感器芯片收纳在透镜一体型封装内的相机模块的顶面一侧的外观立体图。该相机模块包括使图像传感器芯片551(参照图30B3)固定的封装衬底511、透镜盖521及透镜535等。此外，在封装衬底511及图像传感器芯片551之间设置有用作摄像装置的驱动电路及信号转换电路等的IC芯片590(参照图30B3)，具有SiP(System inpackage：系统封装)的结构。
图30B2是该相机模块的底面一侧的外观立体图。封装衬底511的底面及侧面具有设置有安装用连接盘541的QFN(Quad flat no-lead package：四侧无引脚扁平封装)的结构。注意，该结构是一个例子，也可以设置QFP(Quad flat package：四侧引脚扁平封装)或上述BGA。
图30B3是省略透镜盖521及透镜535的一部分而图示的模块的立体图。连接盘541与电极焊盘561电连接，电极焊盘561通过引线571与图像传感器芯片551或IC芯片590电连接。
通过将图像传感器芯片容纳于上述方式的封装中，可以容易实现安装于印刷电路板等，将图像传感器芯片安装在各种半导体装置及电子设备中。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式4)
作为可以使用根据本发明的一个方式的摄像装置的电子设备，可以举出显示装置、个人计算机、具备记录媒体的图像存储装置及图像再现装置、移动电话机、包括便携式的游戏机、便携式数据终端、电子书阅读器、拍摄装置诸如视频摄像机或数码静态相机等、护目镜型显示器(头戴式显示器)、导航系统、音频再现装置(汽车音响系统、数字音频播放器等)、复印机、传真机、打印机、多功能打印机、自动柜员机(ATM)以及自动售货机等。图31A至图31F示出这些电子设备的具体例子。
图31A是移动电话机的一个例子，该移动电话机包括外壳981、显示部982、操作按钮983、外部连接接口984、扬声器985、麦克风986、摄像头987等。该移动电话机在显示部982具有触摸传感器。通过用手指或触屏笔等触摸显示部982可以进行打电话或输入文字等各种操作。此外，也可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该移动电话机。由此除了彩色图像以外还可以取得红外线图像。
图31B是便携式数据终端，该便携式数据终端包括外壳911、显示部912、扬声器913、摄像头919等。通过显示部912所具有的触摸面板功能可以输入且输出信息。此外，可以从由摄像头919获取的图像中识别出文字等，并可以使用扬声器913以语音输出该文字。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该便携式数据终端。由此除了彩色图像以外还可以取得红外线图像。
图31C是监控摄像机，该监控摄像机包括支架951、摄像单元952及保护罩953等。在摄像单元952中设置旋转机构等，通过设置在天花板可以拍摄周围。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该摄像单元。由此除了彩色图像以外还可以取得红外线图像。注意，“监控摄像机”是一般名称，不局限于其用途。例如，具有作为监控摄像机的功能的装置被称为摄影机或视频摄像机。
图31D是视频摄像机，该视频摄像机包括第一外壳971、第二外壳972、显示部973、操作键974、透镜975、连接部976、扬声器977、麦克风978等。操作键974及透镜975设置在第一外壳971中，显示部973设置在第二外壳972中。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该视频摄像机。由此除了彩色图像以外还可以取得红外线图像。
图31E是数码相机，该数码相机包括外壳961、快门按钮962、麦克风963、发光部967以及透镜965等。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该数码相机。由此除了彩色图像以外还可以取得红外线图像。
图31F是手表型信息终端，该手表型信息终端包括显示部932、外壳兼腕带933以及摄像头939等。显示部932也可以包括用来进行信息终端的操作的触摸面板。显示部932及外壳兼腕带933具有柔性，并且适合佩戴于身体。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该信息终端。由此除了彩色图像以外还可以取得红外线图像。
图32是示出作为移动体的一个例子的汽车的外观图。汽车890包括多个照相机891等，可以取得汽车890的前后左右的信息。本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法可以应用于照相机891。另外，汽车890包括红外线雷达、毫米波雷达、激光雷达等各种传感器(未图示)等。汽车890分析照相机891所取得的多个摄像方向892的图像，判断护栏或行人的有无等周围的交通状况，而可以进行自动驾驶。另外，还可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于进行导航、危险预测等的系统。
通过对照相机891所得到的图像数据进行神经网络等的运算处理，例如可以进行图像的高分辨率化、图像噪声的减少、人脸识别(安全目的等)、物体识别(自动驾驶的目的等)、图像压缩、图像校正(宽动态范围化)、无透镜图像传感器的图像恢复、位置对准、文字识别、反射眩光等的降低等处理。
注意，在上面作为移动体的一个例子说明汽车，汽车可以为包括内燃机的汽车、电动汽车、氢能汽车等中的任意个。另外，移动体不局限于汽车。例如，作为移动体，也可以举出电车、单轨铁路、船舶、飞行物(直升机、无人驾驶飞机(无人机)、飞机、火箭)等，可以对这些移动体应用本发明的一个方式的计算机，以提供利用人工智能的系统。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
[符号说明]
10：像素、21：层、22：层、23：层、24：层、25：层、26：层、31：像素阵列、32：电路、33：电路、34：电路、35：电路、36：电路、38：电路、100：像素、101：光电转换器件、101C：光电转换器件、101D：光电转换器件、101P：插头、102：晶体管、102n：低电阻区域、102P：插头、103：晶体管、103P：插头、104：晶体管、105：晶体管、106：电容器、107：晶体管、107P：插头、108：晶体管、121：布线、122：布线、122P：插头、123：布线、123P：插头、124：布线、125：布线、131：布线、131P：插头、132：布线、132P：插头、133：布线、133_1：布线、133_2：布线、133_3：布线、133P：插头、134：布线、135：布线、135_1：布线、135_2：布线、135_3：布线、161：晶体管、162：晶体管、163：电容器、191：晶体管、192：晶体管、193：晶体管、194：晶体管、195：晶体管、200：像素区块、201：电路、202：电容器、203：晶体管、204：晶体管、205：晶体管、206：晶体管、207：晶体管、211：布线、212：布线、213：布线、215：布线、216：布线、217：布线、218：布线、219：布线、300：像素阵列、301：电路、302：电路、303：电路、304：电路、305：电路、311：布线、320：存储单元、325：参照存储单元、330：电路、350：电路、360：电路、370：电路、412：绝缘层、416：绝缘层、417：半导体层、421：绝缘层、422：绝缘层、423：电路、424：布线、425：绝缘层、426：绝缘层、427：绝缘层、428a：导电层、428b：导电层、428c：导电层、429a：导电层、429b：导电层、429c：导电层、431：半导体层、432：电路、433：电路、434：绝缘体、441：单晶硅衬底、441n：层、441p：层、442：绝缘层、443：元件分离层、451：遮光层、452：光学转换层、452B：滤色片、452G：滤色片、452G1：滤色片、452G2：滤色片、452IR：红外线滤光片、452R：滤色片、452UV：紫外线滤光片、461：绝缘层、462：微透镜阵列、510：封装衬底、511：封装衬底、520：玻璃盖板、521：透镜盖、530：粘合剂、535：透镜、540：凸块、541：连接盘、550：图像传感器芯片、551：图像传感器芯片、560：电极焊盘、561：电极焊盘、565a：层、565b：层、565c：层、570：引线、571：引线、590：IC芯片、701：栅电极、702：栅极绝缘膜、703：源极区域、704：漏极区域、705：源电极、706：漏电极、707：氧化物半导体层、708：沟道形成区域、735：背栅极、890：汽车、891：照相机、892：摄像方向、911：外壳、912：显示部、913：扬声器、919：照相机、932：显示部、933：外壳兼腕带、939：照相机、951：支架、952：照相机单元、953：保护罩、961：外壳、962：快门按钮、963：麦克风、965：透镜、967：发光部、971：外壳、972：外壳、973：显示部、974：操作键、975：透镜、976：连接部、977：扬声器、978：麦克风、981：外壳、982：显示部、983：操作按钮、984：外部连接端口、985：扬声器、986：麦克风、987：照相机

Claims (9)

1.一种摄像装置，包括：
第一层；以及
第二层，
其中，所述第一层具有与所述第二层重叠的区域，
所述第一层包括半导体衬底以及在所述半导体衬底的第一面具有受光面的光电转换器件，
所述第二层包括半导体层以及在所述半导体层中具有沟道形成区域的第一晶体管，
所述半导体层以接触于与所述半导体衬底的第一面相反一侧的第二面的方式设置，
所述光电转换器件与所述第一晶体管电连接，
并且，所述光电转换器件及所述第一晶体管具有彼此重叠的区域。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，
其中作为所述半导体衬底使用单晶硅衬底，
并且作为所述半导体层使用设置在所述单晶硅衬底上的硅外延生长层。
3.根据权利要求1或2所述的摄像装置，
其中所述第一晶体管用作像素电路或者所述像素电路的驱动电路的构成要素。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像装置，还包括第三层，
其中所述第三层具有隔着所述第二层与所述第一层重叠的区域，
所述第三层包括在沟道形成区域包含金属氧化物的第二晶体管，
所述第二晶体管与所述光电转换器件及/或所述第一晶体管电连接，
并且所述第二晶体管具有与所述光电转换器件及/或所述第一晶体管彼此重叠的区域。
5.根据权利要求4所述的摄像装置，
其中所述金属氧化物包含In、Zn、M(M是Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一个或多个)。
6.根据权利要求4或5所述的摄像装置，
其中所述第二晶体管用作像素电路或者所述像素电路的驱动电路的构成要素。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的摄像装置，还包括第四层,
其中所述第四层具有隔着所述第一层与所述第二层重叠的区域，
所述第四层包括滤色片，
并且所述滤色片具有与所述光电转换器件彼此重叠的区域。
8.一种电子设备，包括：
权利要求1至7中任一项所述的摄像装置；以及
显示装置。
9.一种包括权利要求1至7中任一项所述的摄像装置的移动体。
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