JP7121840B2 - 画像検出モジュール - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、画像検出モジュール、情報管理システムに関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、又は、製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法に関する。
なお、本明細書等において、半導体装置は、半導体特性を利用することで機能しうる素子、回路、又は装置等を指す。一例としては、トランジスタ、ダイオード等の半導体素子は半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路は、半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路を備えた装置は、半導体装置である。
ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ ｔｈｉｎｇｓ）、ＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）などの情報技術の発展により、扱われるデータ量が増大の傾向を示している。電子機器がＩｏＴ、ＡＩなどの情報技術を利用するためには、大量のデータを分散して管理することが求められている。
空間内の環境情報を管理することで、品質の管理、及び生産性の向上の検討が行われている。例えば特許文献１では、気象検出装置を用いて植物の育成、収穫を管理するための管理装置が提案されている。
特開２０１２－１７５９２０号公報
空間内の環境情報は、センサを用いて管理されている。センサは、設置された場所の環境情報を収集することができるが、空間内の環境状況は、気流の流れ、障害物、もしくは空間内外に存在する熱源などにより空間内の環境が均一に変化しない課題がある。
植物を育成する植物工場などでは、環境情報と、植物の育成状況とが密接な相関関係にあることが知られている。例えばトマトなどの野菜や、ブドウなどの果物では、対象の生産物固有の環境情報が設けられ管理されている。例えばトマトで説明すると、トマトの育成には積算温度は重要な管理情報である。トマトは、実をつける位置、葉などの障害物等により同じ植物工場内であっても、熟成度が異なる課題がある。
品質の安定性を確保するためには、環境情報の経時的な把握が重要であるが、センサが近傍に設置されていない位置の環境情報を把握することが難しい課題がある。
上記問題に鑑み、本発明の一態様は、新規な構成の情報管理システムを提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、ニューラルネットワークを有する情報管理システムを提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、位置情報に基づく環境情報を提供する情報管理システムを提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、新規な構成の画像検出モジュールを提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、ニューラルネットワークを有する画像検出モジュール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。
なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、及び／又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。
本発明の一態様は、画像検出モジュールであって、画像検出モジュールは、第１のニューラルネットワークと、第１の通信モジュールと、第１の位置センサと、第１のプロセッサと、受動素子と、を有している。第１のニューラルネットワークは、撮像装置を有し、撮像装置は、画像を取得するステップを有し、第１の位置センサは、画像が取得された第１の位置情報を検出するステップを有し、第１のニューラルネットワークは、画像が学習された特徴を有するか判断するステップを有し、第１のプロセッサは、画像が取得された第１の位置情報を第１の通信モジュールを介して送信するステップを有し、第１のプロセッサは、第１の通信モジュールを介して検出結果を受信するステップを有し、第１のプロセッサは、検出結果に応じて受動素子を動作させるステップを有する画像検出モジュールである。
本発明の一態様は、データサーバと、第１の環境モニタモジュールと、第２の環境モニタモジュールと、を有する情報管理システムであって、データサーバは、第２のニューラルネットワークと、第２の通信モジュールと、第２のプロセッサと、を有している。第１の環境モニタモジュールは、第１の環境センサモジュールと、第２の位置センサと、第３の通信モジュールと、第３のプロセッサと、を有している。第２の環境モニタモジュールは、第２の環境センサモジュールと、第３の位置センサと、第４の通信モジュールと、第４のプロセッサと、を有している。第１又は第２の環境センサモジュールは、それぞれが温度センサ、湿度センサ、照度センサ、風量計のいずれか一もしくは複数を有している。第２の位置センサは、第２の位置情報を検出するステップを有し、第３の位置センサは、第３の位置情報を検出するステップを有し、第１の前記環境センサモジュールは、第１の環境情報を検出するステップを有し、第２の環境センサモジュールは、第２の環境情報を検出するステップを有し、第３のプロセッサは、第１の環境情報と、第２の位置情報と、を、第３の通信モジュールを介してデータサーバに送信するステップを有し、第４のプロセッサは、第２の環境情報と、第３の位置情報と、を、第４の通信モジュールを介してデータサーバに送信するステップを有し、第２のプロセッサは、第２の通信モジュールを介して第１の環境モニタモジュールから受信する第１の環境情報、及び第２の位置情報を記録するステップを有し、第２のプロセッサは、第２の通信モジュールを介して第２の環境モニタモジュールから受信する第２の環境情報、及び第３の位置情報を記録するステップを有し、第２のニューラルネットワークは、第１の環境センサモジュール、第２の環境センサモジュールと、に挟まれた空間のいずれか一の位置の環境情報を算出するステップを有する情報管理システムである。
本発明の一態様は、画像検出モジュールと、環境モニタモジュールと、データサーバと、を有する情報管理システムであって、画像検出モジュールは、第１のニューラルネットワークと、第１の通信モジュールと、第１の位置センサと、第１のプロセッサと、受動素子と、を有している。第１のニューラルネットワークは、撮像装置を有している。データサーバは、第２のニューラルネットワークと、第２の通信モジュールと、第２のプロセッサと、を有している。環境モニタモジュールは、それぞれが複数の環境センサモジュールと、第２の位置センサと、第３の通信モジュールと、第３のプロセッサと、を有している。環境センサモジュールは、温度センサ、湿度センサ、照度センサ、風量計のいずれか一もしくは複数を有している。環境センサモジュールは、それぞれの環境情報を検出するステップを有し、第１の位置センサは、第１の位置情報を検出するステップを有し、第２の位置センサは、第２の位置情報を検出するステップを有し、データサーバは、それぞれの環境情報及び第２の位置情報を第２の通信モジュールを介して収集し記憶する機能を有し、第２のニューラルネットワークは、それぞれの環境センサモジュールが検出する環境情報及び第２の位置情報を用いて、それぞれの環境センサモジュールに挟まれた空間のいずれか一の位置の環境情報を算出する機能を有している。撮像装置は、画像を取得するステップを有し、第１の位置センサは、画像が取得された第１の位置情報を検出するステップを有し、第１のニューラルネットワークは、画像が学習済の特徴を有するか判断するステップを有し、第１のプロセッサは、画像が検出された第１の位置情報を第１の通信モジュールを介してデータサーバに送信するステップを有し、データサーバは、第２のニューラルネットワークによって第１の位置情報から環境情報の積算値を算出するステップを有し、第２のプロセッサは、環境情報の積算値を第２の通信モジュールを介して画像検出モジュールに送信するステップを有し、第１のプロセッサは、第１の通信モジュールを介して受信した環境情報の積算値を判断するステップを有し、第１のプロセッサは、検出結果に応じて受動素子を動作させるステップを有する情報管理システムである。
上記各構成において、第１のニューラルネットワークは、第１の通信モジュールを介して受信する学習用画像で学習するステップを有する情報管理システムが好ましい。
上記各構成において、受動素子が、発光素子である情報管理システムが好ましい。
上記各構成において、受動素子が、振動素子である情報管理システムが好ましい。
上記各構成において、環境センサモジュールが、土の中に位置する情報管理システムが好ましい。
上記各構成において、環境センサモジュールが、水の中に位置する情報管理システムが好ましい。
上記各構成において、植物工場の、収穫対象の収穫時期を判断する情報管理システム
が好ましい。
上記各構成において、室内環境を判断する情報管理システムが好ましい。
本発明の一態様は、第１のニューラルネットワークを有する画像検出モジュールであって、第１のニューラルネットワークは、撮像装置を有し、撮像装置は、複数の画素、第１の信号線（６５）、第２の信号線（６６）、第３の信号線（６７）、第４の信号線（６８）、第５の信号線（６９）、第１の配線（７５）、第２の配線（７６）、第３の配線（７７）、及び第４の配線（２１ａ）を有し、画素は、第１のトランジスタ（５１）、第２のトランジスタ（５２）、第３のトランジスタ（５３）、第４のトランジスタ（５４）、第５のトランジスタ（５５）、第１の容量素子（３３）、第２の容量素子（３４）、及びフォトダイオードを有し、第１のトランジスタ（５１）のゲートは、第１の信号線（６５）と電気的に接続され、第１のトランジスタ（５１）のソース又はドレインの一方は、第１の配線（７５）と電気的に接続され、第１のトランジスタ（５１）のソース又はドレインの他方は、第２のトランジスタ（５２）のソース又はドレインの一方と、フォトダイオードの電極の一方とが電気的に接続され、フォトダイオードの電極の他方は、第２の配線（７６）と電気的に接続され、第２のトランジスタ（５２）のゲートは、第２の信号線（６６）と電気的に接続され、第２のトランジスタ（５２）のソース又はドレインの他方は、第３のトランジスタ（５３）のゲートと、第１の容量素子の電極の一方とが電気的に接続され、第３のトランジスタ（５３）のソース又はドレインの一方は、第１の配線（７５）と電気的に接続され、第３のトランジスタ（５３）のソース又はドレインの他方は、第４のトランジスタ（５４）のソース又はドレインの一方と電気的に接続され、第４のトランジスタ（５４）のゲートは、第３の信号線（６７）と電気的に接続され、第４のトランジスタ（５４）のソース又はドレインの他方は、第４の配線（２１ａ）と電気的に接続され、第１の容量素子の電極の他方は、第２の容量素子の電極の一方と、第５のトランジスタ（５５）のソース又はドレインの一方とが電気的に接続され、第５のトランジスタ（５５）のゲートは、第４の信号線（６８）と電気的に接続され、第５のトランジスタ（５５）のソース又はドレインの他方は、第５の信号線（６９）と電気的に接続され、第２の容量素子の電極の他方は、第３の配線（７７）と電気的に接続され、第１のノードは、第２のトランジスタ（５２）のソース又はドレインの他方と、第３のトランジスタ（５３）のゲートと、第１の容量素子の電極の一方とが接続されることで形成され、第２のノードは、第１の容量素子の電極の他方と、第２の容量素子の電極の一方と、第５のトランジスタ（５５）のソース又はドレインの一方とが接続されることで形成されることを特徴とする画像検出モジュールである。
上記各構成において、撮像装置は、さらに、ゲートドライバ（２２）と、複数の加算回路（２３）と、複数のアナログデジタル変換回路（１３ｂ）と、第６の信号線（６１）、第７の信号線（６２）、第５の配線（７１）、第６の配線（７２）、第７の配線（７３）、及び第８の配線（７４）を有し、加算回路（２３）は、第６のトランジスタ（５６）、第７のトランジスタ（５７）、第８のトランジスタ（５８）、第３の容量素子（３１）、及び第４の容量素子（３２）を有し、ゲートドライバは、第３の信号線（６７）を介して複数の画素（２１）と電気的に接続され、加算回路（２３）は、第４の配線（２１ａ）を介して複数の画素と電気的に接続され、第４の配線（２１ａ）は、加算回路（２３）を介してアナログデジタル変換回路（１３ｂ）と電気的に接続され、第４の配線（２１ａ）は、第３の容量素子の電極の一方と、第６のトランジスタ（５６）のソース又はドレインの一方と、第８のトランジスタ（５８）のソース又はドレインの一方とが電気的に接続され、第６のトランジスタ（５６）のゲートは、第６の信号線（６１）と電気的に接続され、第６のトランジスタ（５６）のソース又はドレインの他方は、第５の配線（７１）と電気的に接続され、第３の容量素子の電極の他方は、第４の容量素子の電極の一方と、第７のトランジスタ（５７）のソース又はドレインの一方とが電気的に接続され、第７のトランジスタ（５７）のゲートは、第７の信号線（６２）と電気的に接続され、第７のトランジスタ（５７）のソース又はドレインの他方は、第６の配線（７２）と電気的に接続され、第４の容量素子の電極の他方は、第８の配線（７４）と電気的に接続され、第８のトランジスタ（５８）のゲートは、第８のトランジスタ（５８）のソース又はドレインの他方と、第７の配線（７３）とが電気的に接続され、第３のノードは、第３の容量素子の電極の一方と、第６のトランジスタ（５６）のソース又はドレインの一方と、第８のトランジスタ（５８）のソース又はドレインの一方と、アナログデジタル変換回路と、第４の配線（２１ａ）とが接続されることで形成され、第４のノードは、第３の容量素子の電極の他方と、第４の容量素子の電極の一方と、第７のトランジスタ（５７）のソース又はドレインの一方とが接続されることで形成されることを特徴とする画像検出モジュールが好ましい。
上記各構成において、第２の容量素子の電極の一方には、第５の信号線（６９）から第５のトランジスタ（５５）を介して第１の電圧が与えられ、第２の容量素子の電極の他方には、第３の配線（７７）から第１の電圧が与えられ、第２の容量素子は、第１の電圧を有する電極としての機能を有し、第４の容量素子の電極の一方には、第６の配線（７２）から第７のトランジスタ（５７）を介して第１の電圧が与えられ、第４の容量素子の電極の他方には、第８の配線（７４）から第１の電圧が与えられ、第４の容量素子は、第１の電圧を有する電極としての機能を有し、第１の信号線（６５）に与えられる信号が、第１のトランジスタ（５１）をオン状態にし、第２の信号線（６６）に与えられる信号が、第２のトランジスタ（５２）をオン状態にし、第１のノードを、第１の配線７５に与えられたリセット電圧で更新し、第１の信号線（６５）に与えられる信号が、第１のトランジスタ（５１）をオフ状態にし、第１のノードでは、フォトダイオードに流れる光電流によって撮像データが更新され、第２の信号線（６６）に与えられる信号が、第２のトランジスタ（５２）をオフ状態にし、第１のノードには、第１の容量素子に保持された撮像データが保持され、撮像データは、第３のトランジスタ（５３）のゲートに与えられ、ゲートドライバ（２２）は、第３の信号線（６７）に走査信号を与える機能を有し、走査信号は、第４のトランジスタ（５４）を制御し、撮像データは、第３のトランジスタによって第１の電流に変換され、第１の電流は、第４のトランジスタを介して第４の配線（２１ａ）に与えられ、第１の電流は、第４の配線（２１ａ）を介して加算回路（２３）の第３の容量素子に与えられ、第３の容量素子は、第１の電流を第１の出力電圧に変換し、第３のノードの電位を変化させ、第１の出力電圧を、アナログデジタル変換回路に与えることで撮像素子として機能する画像検出モジュールが好ましい。
上記各構成において、第３のノードには、第５の配線（７１）から第６のトランジスタ（５６）を介してオフセット電位が与えられ、第４のノードには、第６の配線（７２）から第７のトランジスタ（５７）を介してオフセット電位が与えられ、第４の容量素子の電極の他方には、第８の配線（７４）から第１の電圧が与えられ、第１の信号線（６５）に与えられる信号が、第１のトランジスタ（５１）をオン状態にし、第２の信号線（６６）に与えられる信号が、第２のトランジスタ（５２）をオン状態にし、第１のノードは、第１のトランジスタ（５１）を介して第１の配線（７５）に与えられたリセット電圧で更新され、第２のノードは、第５のトランジスタ（５５）を介して第５の信号線（６９）に与えられた第１の電圧で更新され、第２の容量素子の電極の他方には、第３の配線（７７）から重み係数として第２の電圧が与えられ、第１の信号線（６５）に与えられる信号が、第１のトランジスタ（５１）をオフ状態にし、第４の信号線（６８）に与えられる信号が、第５のトランジスタ（５５）をオフ状態にし、第１のノードでは、フォトダイオードに流れる光電流によって撮像データが更新され、第２の信号線（６６）に与えられる信号が、第２のトランジスタ（５２）をオフ状態にし、第１のノードには、第１の容量素子に保持された撮像データが保持され、第３の配線（７７）を、第２の電圧から第１の電圧に更新し、第１のノードは、第１の容量素子と、第２の容量素子との容量結合により撮像データに第２の電圧が加算された第３の電圧を生成し、第３の電圧は、第３のトランジスタ（５３）のゲートに与えられることで、第２の電圧との差分に応じた乗算機能を有し、ゲートドライバ（２２）は、複数の第３の信号線（６７）に走査信号を与える機能を有し、走査信号は、複数の画素の第４のトランジスタ（５４）を制御し、それぞれの画素の撮像データは、第３のトランジスタによって第１の電流に変換され、第１の電流は、第４のトランジスタを介して第４の配線（２１ａ）に与えられ、第４の配線（２１ａ）には、それぞれの画素が出力する第１の電流が加算された第２の電流を生成し、第２の電流は、第４の配線（２１ａ）を介して加算回路（２３）の第３の容量素子に与えられ、第３の容量素子は、オフセット電位を基準として第２の電流を第２の出力電圧に変換し、第３のノードの電位を変化させ、第２の出力電圧を、アナログデジタル変換回路に与えることで撮像装置が積和演算機能を有するニューロンとして機能する画像検出モジュールが好ましい。
上記各構成において、第８のトランジスタ（５８）は、ダイオードの機能を有し、第２の出力電圧は、第７の配線（７３）に与えられる判定電圧以上がクリップされて出力する機能を有し、アナログデジタル変換回路は、第７の配線（７３）に与えられる判定電圧をアナログ入力電圧の最大値に設定する機能を有し、第２の出力電圧が判定電圧と同じときは、アナログデジタル変換回路が最大値を検出し、アナログデジタル変換回路が最大値を検出するときは、第１のニューラルネットワークのニューロンが発火と判断する機能を有する画像検出モジュールが好ましい。
上記各構成において、第２のノードには、第５のトランジスタ（５５）を介して第５の信号線（６９）から学習用の画素データ電位が与えられ、第２の容量素子の電極の他方には、第３の配線（７７）から重み係数として第２の電圧が与えられ、第１の信号線（６５）に与えられる信号が、第１のトランジスタ（５１）をオフ状態にし、第２の信号線（６６）に与えられる信号が、第２のトランジスタ（５２）をオフ状態にし、第４の信号線（６８）に与えられる信号が、第５のトランジスタ（５５）をオフ状態にし、第１のノードは、リセット電圧を保持し、第３の配線（７７）を、第２の電圧から学習用の画素データ電位に更新し、第１のノードは、容量結合によりリセット電圧と、学習用の画素データ電位と、第２の電圧と、が加算された第４の電圧を生成する機能を有することで、第１のニューラルネットワークが学習機能を有する画像検出モジュールが好ましい。
上記各構成において、画像検出モジュールは、トランジスタを有し、前記トランジスタは、半導体層に金属酸化物を有する画像検出モジュールが好ましい。
上記各構成において、半導体層に金属酸化物を有する前記トランジスタは、バックゲートを有することを特徴とする画像検出モジュールが好ましい。
本発明の一態様は、新規な構成の情報管理システムを提供することができる。又は、本発明の一態様は、ニューラルネットワークを有する情報管理システムを提供することができる。又は、本発明の一態様は、位置情報に基づく環境情報を提供する情報管理システムを提供することができる。又は、本発明の一態様は、新規な構成の画像検出モジュールを提供することができる。又は、本発明の一態様は、ニューラルネットワークを有する画像検出モジュールを提供することができる。
なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び／又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。したがって本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
画像検出モジュールを説明するブロック図、及び使用例。 画像検出モジュールの構成を説明する図。 画像検出モジュールを説明するブロック図。 画像検出モジュールを説明するブロック図。 画像検出モジュールを説明する回路図。 画像検出モジュールの動作を説明するタイミングチャート。 画像検出モジュールの動作を説明するタイミングチャート。 画像検出モジュールを説明する回路図。 情報管理システムを説明するブロック図。 情報管理システムを説明する図。 情報管理システムを説明する図。 情報管理システムの処理を説明するフローチャート。 半導体装置の構成例を示す断面図。 半導体装置の構成例を示す断面図。 トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。 トランジスタの構成例を示す断面図。 金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図。 トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。 撮像装置の画素の構成を示す図。 撮像装置の構成を示す断面図。 撮像装置の構成を示す断面図。 撮像装置の構成を示す断面図。 撮像装置を収めたパッケージの斜視図。 電子機器の構成例を示す図。 電子機器の構成例を示す図。
（実施の形態１）
本実施の形態では、画像検出モジュールについて、図１乃至図８を用いて説明する。
図１（Ａ）は、画像検出モジュール１０のブロック図を示している。画像検出モジュール１０は、プロセッサ１１、記憶装置１２、第１のニューラルネットワーク１３、発光素子１４、位置センサ１５、バッテリ１６、受動素子１７、通信モジュール１８、筐体１０ａ、及び固定具１０ｃを有している。
第１のニューラルネットワーク１３は、撮像装置１３ａ、アナログデジタル変換回路１３ｂ、及びグラフィックスプロセッシングユニット（以下ＧＰＵ）１３ｃを有している。発光素子１４は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）であることが好ましいが、発光を制御できる素子であればよい。例えば、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＱＬＥＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ－ｄｏｔ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などを用いてもよい。バッテリ１６は、再生可能エネルギー（太陽光、振動、熱）、無線給電、もしくはＤＣ電源から充電できることが好ましい。
図１（Ｂ）は、画像検出モジュール１０を指に装着した例を示している。固定具１０ｃは、画像検出モジュール１０の筐体１０ａを指、腕、又は頭などに固定するため使用される。固定具１０ｃは、樹脂、金属、布などを用いることができる。さらに異なる装着例として、固定具１０ｃは、ロボットの指先などの先端部分に組み込まれる機構を有していてもよい。
図１（Ｂ）では、筐体１０ａが指の示す方向に対して開口部１０ｂを有している。開口部１０ｂの開口方向は、撮像装置１３ａが画像を取得する方向を示すことが好ましい。例えば、筐体１０ａを指に装着したときは、対象物をつかむとき、指先が対象物を示すことが知られている。したがって、撮像装置１３ａは、指の示す方向にある対象物を撮像することができる。また、画像検出モジュール１０は、発光素子１４又は受動素子１７が利用者に対し通知機能を有していることが好ましい。受動素子１７には、振動モータなどを用いることができる。したがって、画像検出モジュール１０は、撮像装置１３ａが検出した対象物に応じて通知の種類又は方法を変えることができる。
位置センサ１５は、撮像装置１３ａが対象物を撮像するときの位置情報を検出することができる。画像検出モジュール１０は、撮像装置１３ａが指定された対象物を撮像したときの位置情報を把握することができる。また、画像検出モジュール１０は、可搬性に優れた小型の筐体であることが好ましく、低消費電力で動作することが好ましい。
しかし、撮像装置１３ａは、常に指先の示す対象物を撮像し、さらにプロセッサ１１が撮像画像から指定された対象物の検出処理を行うことで使用する電力が大きくなる。よって、撮像装置１３ａは、撮像機能だけでなく、撮像画像から簡便に対象物を検出する機能を有することが好ましい。
第１のニューラルネットワーク１３は、撮像装置１３ａの機能を有することで撮像機能と、撮像された画像から指定された対象物の検出処理を状況により簡便に切り替えて処理することができる。第１のニューラルネットワーク１３は、学習済の対象物を撮像された画像から容易に検出することができるため、画像検出モジュール１０の消費電力を小さくすることができる。
図２では、画像検出モジュール１０の構造を説明する。図２（Ａ）は、筐体１０ａに撮像装置１３ａが配置された例を示している。撮像装置１３ａの露光面は、開口部１０ｂからの入射光が垂直に入射するように配置されている。図２（Ａ）が有する撮像装置１３ａはカラーフィルタを備えていることが好ましい。撮像装置１３ａは、カラーフィルタを備えることでフルカラー画像を撮像することができる。フルカラー画像は、検出対象物を正しく認識することができる。検出対象物が、小さい、又は細いなど特徴を有するときはフルカラー画像であることが好ましい。例えば針や、糸などのときには、フルカラー画像で判断することが好ましい。ただし、フルカラー画像は、画像データが大きくなることが知られている。画像検出モジュール１０は、処理する画像データが大きくなることで消費電力が大きくなる。
図２（Ｂ）では、図２（Ａ）と異なり撮像装置１３ｄがグレースケールの撮像が可能である。さらに、撮像装置１３ｄと、開口部１０ｂとの間に、カラーフィルタＣＦを挿入することができる挿入スロットＣＦＳを有していることが好ましい。挿入するカラーフィルタＣＦは、検出対象物の色に合わせることが好ましい。検出対象物が有する色のカラーフィルタＣＦは、検出対象物を明確化することができる。よって、第１のニューラルネットワーク１３は、画像データから容易に検出対象物を検出することができる。カラーフィルタＣＦは、開口部１０ｂと撮像装置１３ｄとの間に配置されることに限定されず、対象物と開口部１０ｂの間に配置されてもよい。
任意のカラーフィルタＣＦを選択できるメリットは、撮像装置１３ａのように検出される色情報が三原色（ＲＧＢ、又はＣＭＹなど）に限定されず、検出対象物が有する中間色などを設定することができる点である。第１のニューラルネットワーク１３は、任意のカラーフィルタＣＦと撮像装置１３ｄを組み合わせることで対象物を容易に認識することができる。さらに、カラーフィルタＣＦには、赤外線を透過するフィルタを用いてもよい。赤外線を検出することで、温度、糖度などを検出することができる。
図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）と異なり、カラーフィルタＣＦ２が、モータＣＦＭａ及びモータＣＦＭｂにより変更できる機構を有している。図２（Ｃ）では、モータＣＦＭａ及びモータＣＦＭｂにより検出したい対象物の有する色を変更することができる。ただし、カラーフィルタＣＦ２を変更する機構は、モータＣＦＭａ及びモータＣＦＭｂに限定されるものではなく、シャッター機構を用いてもよい。さらに、図２（Ｃ）では、撮像装置１３ｄがグレースケールの撮像ができることが好ましい。
図３では、第１のニューラルネットワーク１３について説明する。ニューラルネットワークの代表的な構成は、入力層、中間層、及び出力層を有している。入力層、中間層、及び出力層は、それぞれがパーセプトロンと呼ばれている。それぞれのパーセプトロンは、複数のニューロンを有している。ただし、入力層は、ニューロンの代わりに、入力データ又はセンサが検出する検出データなどであってもよい。
ニューロンは、入力データに対して重み係数を与えることで入力データの特徴を顕在化させることができる。さらにニューロンは、重み係数を加えた複数の入力データを加算することで特徴を識別することができる。ニューロンは、重み係数を加えた複数の入力データを加算した結果が、学習した判定閾値を超えると発火と判断し、任意の値を出力することができる。任意の値は、デジタル的に“１”を出力することが好ましいが限定はされない。最大値を“１”としたときの、１以下の値を出力することもできる。また、出力値には、オフセットを加えてもよい。発火の判定は、オフセットを加えることで容易になる。
図３（Ａ）は、第１のニューラルネットワーク１３のブロック図を示している。第１のニューラルネットワーク１３は、上述した入力層及び中間層の機能を有している。出力層は、ＧＰＵ１３ｃによって演算される例を示している。もしくは、出力層がプロセッサ１１によって演算されてもよい。
図３（Ａ）は、第１のニューラルネットワーク１３がニューロン９１を有した例を示している。入力層は、入力素子９１ａが相当し、中間層は、ニューロン９１が相当し、出力層は、ＧＰＵ１３ｃが相当している。ニューロン９１は、シナプス回路９１ｂと、シグモイド関数回路９１ｃとを有している。シナプス回路９１ｂは、加算回路２３を有している。シグモイド関数回路９１ｃは、アナログデジタル変換回路１３ｂを有している。
シナプス回路９１ｂは、入力素子９１ａから入力データが与えられ、入力データに重み係数を加える乗算機能を有している。本実施の形態では、入力素子９１ａが撮像装置１３ｄの画素が有するフォトダイオードを示している。以下、説明を簡便にするために、カラーフィルタＣＦを有さない撮像装置１３ｄを用いて説明する。シナプス回路９１ｂでは、入力データに重み係数が加えられた乗算結果を加算回路２３によって加算する。加算回路２３の加算結果は、アナログデジタル変換回路１３ｂに与えられる。アナログデジタル変換回路１３ｂの出力データは、ＧＰＵ１３ｃに与えられ、学習済の特徴を有する画像を検出することができる。
つまり、第１のニューラルネットワーク１３は、撮像装置１３ｄの回路を共有して機能することができる。第１のニューラルネットワーク１３としての機能を有する撮像装置１３ｄについては、図４で詳細に説明する。
図３（Ｂ）では、ニューロン９１を説明する。入力層の入力データＰ１乃至ＰＬは、撮像装置１３ｄが有するそれぞれの画素が出力する画像データに相当している。シナプス回路９１ｂは、それぞれの入力データＰ１乃至ＰＬに重み係数ｗ１乃至ｗＬを乗算することができる。さらに、シナプス回路９１ｂは、入力データのそれぞれの乗算結果を加算することができる。シグモイド関数は、判定閾値θによって加算結果が発火しているか判定することができる。判定結果は、アナログデジタル変換回路に与えられる。判定結果は、デジタル的に“１”を出力することが好ましいが、アナログ的に階調値を出力してもよい。
ニューロン９１は、撮像装置１３ｄの有する画素数と同じ数のニューロン９１を有していることが好ましい。ただし、撮像装置１３ｄの画素数が多くなると、必要なニューロン９１の数も比例して増大するため、消費電力及び回路面積も増大する。したがって、撮像装置は、撮像装置１３ｄのようにカラーフィルタＣＦを有しない構成が好ましい。さらに図４では、撮像装置１３ｄを複数のエリアに分割し、ニューロン９１は、分割されたエリアごとに処理することで消費電力の低減する例について説明する。
図４は、第１のニューラルネットワーク１３のブロック図を示している。第１のニューラルネットワーク１３は、撮像装置１３ｄ、複数の加算回路２３、複数のアナログデジタル変換回路１３ｂ、及びＧＰＵ１３ｃを有している。撮像装置１３ｄは、ゲートドライバ２２と、撮像部１３ｅとを有している。なお、撮像装置１３ｄは、図１の撮像装置１３ａに相当する。撮像部１３ｅは、行方向にｍ個（ｍは１以上の整数）、列方向にｎ個（ｎは１以上の整数）、合計ｍ×ｎの画素回路と、複数の信号線６７と、複数の信号線６９と、複数の配線２１ａとを有している。加算回路２３は、トランジスタ５６、トランジスタ５７、トランジスタ５８、容量素子３１、及び容量素子３２を有している。
ゲートドライバ２２は、複数の信号線６７と電気的に接続されている。信号線６７は、列方向にｎ個の画素と電気的に接続されている。信号線６９は、行方向にｍ個の画素と電気的に接続されている。配線２１ａは、行方向にｍ個の画素が電気的に接続されている。
ゲートドライバ２２は、信号線６７に走査信号を与え、走査信号によって選択された画素は、配線２１ａに出力信号を出力することができる。ゲートドライバ２２は、複数の信号線６７のいずれか一又は複数に対して走査信号を与える機能と、全ての信号線６７に走査信号を与える機能とを有していることが好ましい。信号線６９は、信号線６９に接続された画素に対し、第１の電圧を与えることができる。
配線２１ａに接続された複数の画素は、加算回路２３を介してアナログデジタル変換回路１３ｂと電気的に接続されている。複数のアナログデジタル変換回路１３ｂは、ＧＰＵ１３ｃと電気的に接続されている。さらに、複数のアナログデジタル変換回路１３ｂは、プロセッサ１１と電気的に接続されていることが好ましい。
配線２１ａは、容量素子３１の電極の一方と、トランジスタ５６のソース又はドレインの一方と、トランジスタ５８のソース又はドレインの一方とが電気的に接続されている。トランジスタ５６のゲートは、信号線６１と電気的に接続され、トランジスタ５６のソース又はドレインの他方は、配線７１と電気的に接続されている。容量素子３１の電極の他方は、容量素子３２の電極の一方と、トランジスタ５７のソース又はドレインの一方とが電気的に接続されている。トランジスタ５７のゲートは、信号線６２と電気的に接続され、トランジスタ５７のソース又はドレインの他方は、配線７２と電気的に接続されている。容量素子３２の電極の他方は、配線７４と電気的に接続されている。トランジスタ５８のゲートは、トランジスタ５８のソース又はドレインの他方と、配線７３とが電気的に接続されている。
ノードＮＤ３は、配線２１ａと、容量素子３１の電極の一方と、トランジスタ５６のソース又はドレインの一方と、トランジスタ５８のソース又はドレインの一方と、アナログデジタル変換回路１３ｂとが接続されることで形成されている。ノードＮＤ４は、容量素子３１の電極の他方と、容量素子３２の電極の一方と、トランジスタ５７のソース又はドレインの一方とが接続されることで形成されている。
次に、画素２１について説明する。図５（Ａ）は、画素２１の回路図を示している。画素２１は、トランジスタ５１、トランジスタ５２、トランジスタ５３、トランジスタ５４、トランジスタ５５、容量素子３３、容量素子３４、フォトダイオードＰＤ、信号線６５、信号線６６、信号線６７、信号線６８、信号線６９、配線７５、配線７６、及び配線７７を有している。
トランジスタ５１のゲートは、信号線６５と電気的に接続され、トランジスタ５１のソース又はドレインの一方は、配線７５と電気的に接続されている。トランジスタ５１のソース又はドレインの他方は、トランジスタ５２のソース又はドレインの一方と、フォトダイオードＰＤの電極の一方とが電気的に接続され、フォトダイオードＰＤの電極の他方は、配線７６と電気的に接続されている。
トランジスタ５２のゲートは、信号線６６と電気的に接続され、トランジスタ５２のソース又はドレインの他方は、トランジスタ５３のゲートと、容量素子３３の電極の一方とが電気的に接続されている。
トランジスタ５３のソース又はドレインの一方は、配線７５と電気的に接続され、トランジスタ５３のソース又はドレインの他方は、トランジスタ５４のソース又はドレインの一方と電気的に接続されている。
トランジスタ５４のゲートは、信号線６７と電気的に接続され、トランジスタ５４のソース又はドレインの他方は、配線２１ａと電気的に接続されている。容量素子３３の電極の他方は、容量素子３４の電極の一方と、トランジスタ５５のソース又はドレインの一方とが電気的に接続されている。
トランジスタ５５のゲートは、信号線６８と電気的に接続され、トランジスタ５５のソース又はドレインの他方は、信号線６９と電気的に接続され、容量素子３４の電極の他方は、配線７７と電気的に接続されている。
ノードＮＤ１は、トランジスタ５２のソース又はドレインの他方と、トランジスタ５３のゲートと、容量素子３３の電極の一方とが接続されることで形成されている。ノードＮＤ２は、容量素子３３の電極の他方と、容量素子３４の電極の一方と、トランジスタ５５のソース又はドレインの一方とが接続されることで形成されている。
撮像装置１３ｄは、ニューロン９１の機能、及び撮像素子としての機能を有していることが好ましい。撮像装置１３ｄは、ニューロン９１の機能、及び撮像素子としての機能を有していることで、状況に応じて機能を切り替えることができる。
まず、撮像装置１３ｄが、撮像素子として機能する動作方法について説明する。図４及び図５を用いて説明する。
画素２１の容量素子３４の電極の一方には、信号線６９からトランジスタ５５を介して第１の電圧が与えられる。容量素子３４の電極の他方には、配線７７から第１の電圧が与えられることで容量素子３４を第１の電圧を有する電極とすることができる。
加算回路２３の容量素子３２の電極の一方には、配線７２からトランジスタ５７を介して第１の電位が与えられる。容量素子３２の電極の他方には、配線７４から第１の電圧が与えられることで容量素子３２を第１の電圧を有する電極とすることができる。
画素２１の信号線６５に与えられる信号が、トランジスタ５１をオン状態にし、さらに、信号線６６に与えられる信号が、トランジスタ５２をオン状態にする。よって、ノードＮＤ１を、配線７５に与えられたリセット電圧で更新することができる。配線７５に与えらえるリセット電圧は、電源電圧が与えられることが好ましい。さらに、配線７５に与えらえるリセット電圧は、トランジスタ５３のソース又はドレインの一方に与えられることが好ましい。
ノードＮＤ１では、信号線６５に与えられる信号によってトランジスタ５１をオフ状態にすることで、フォトダイオードＰＤに流れる光電流によって撮像データが更新される。
ノードＮＤ１では、信号線６６に与えられる信号によってトランジスタ５２をオフ状態にすることで撮像データが容量素子３３に保持される。
よって、撮像データがトランジスタ５３のゲートに与えられる。撮像データは、トランジスタ５３によって第１の電流に変換され、第１の電流は、トランジスタ５４を介して配線２１ａに与えられる。トランジスタ５４は、信号線６７に与えられた走査信号によってトランジスタ５３の出力を制御することができる。
第１の電流は、配線２１ａを介して加算回路２３の容量素子３１に与えられ、容量素子３１は、第１の電流を第１の出力電圧に変換しノードＮＤ３の電位を変化させることができる。したがって、フォトダイオードＰＤが検出した撮像データは、第１の出力電圧としてアナログデジタル変換回路１３ｂに与えられ、プロセッサ１１は、デジタルデータに変換されて受け取ることができる。つまり、撮像素子として機能することができる。
次に、撮像装置１３ｄが、ニューロン９１として機能する動作方法について説明する。図４及び図５を用いて説明する。
加算回路２３のノードＮＤ３には、配線７１からトランジスタ５６を介してオフセット電位が与えられる。ノードＮＤ４には、配線７２からトランジスタ５７を介してオフセット電位が与えられ、容量素子３２の電極の他方には、配線７４から第１の電圧が与えられる。
信号線６５に与えられる信号が、トランジスタ５１をオン状態にし、さらに、信号線６６に与えられる信号が、トランジスタ５２をオン状態にする。ノードＮＤ１は、トランジスタ５１を介して配線７５に与えられたリセット電圧で更新される。
ノードＮＤ２は、トランジスタ５５を介して信号線６９に与えられた第１の電圧で更新される。さらに、容量素子３４の電極の他方には、配線７７から重み係数として第２の電圧が与えられる。
信号線６５に与えられる信号が、トランジスタ５１をオフ状態にし、信号線６８に与えられる信号が、トランジスタ５５をオフ状態にする。ノードＮＤ１では、フォトダイオードＰＤに流れる光電流によって撮像データが更新される。
ノードＮＤ１では、信号線６６に与えられる信号によってトランジスタ５２をオフ状態にすることで、撮像データが容量素子３３に保持される。
配線７７を、第２の電圧から第１の電圧に更新する。
ノードＮＤ１は、容量素子３３と、容量素子３４との容量結合により撮像データに第２の電圧が加算された第３の電圧を生成することができる。よって、第３の電圧は、トランジスタ５３のゲートに与えられる。したがって容量素子３３と、容量素子３４との容量結合は、重み係数に応じた乗算機能を有している。
ゲートドライバ２２は、一つもしくは複数の信号線６７に同時に走査信号を与えることができる。走査信号は、複数の画素の第４のトランジスタ５４を制御することができる。それぞれの画素の撮像データは、トランジスタ５３によって第１の電流に変換され、第１の電流は、トランジスタ５４を介して配線２１ａに与えられる。
図４で示す配線２１ａには、それぞれの画素２１が出力する第１の電流が加算された第２の電流が生成される。第２の電流は、配線２１ａを介して加算回路２３の容量素子３１に与えられる。容量素子３１は、オフセット電位を基準として第２の電流を第２の出力電圧に変換し、ノードＮＤ３の電位を変化させることができる。第２の出力電圧は、アナログデジタル変換回路１３ｂに与えられる。したがって、撮像装置１３ｄは、積和演算機能を有するニューロンとして機能することができる。
ただし、第２の電流は、複数の第１の電流が加算されているため、容量素子３１によって第２の出力電圧に変換されると、大きな電圧を生成することがある。したがって、加算回路２３には、配線２１ａにダイオードを接続することが好ましい。図４のトランジスタ５８がダイオードに相当する。ダイオードは、必ずしもトランジスタで形成しなくてもよく、ｐｎ接合ダイオードを用いてもよい。ダイオードは、カソードを配線７３に接続し、アノードを配線２１ａに接続する。配線７３には、判定電圧が与えられる。
ダイオードは、第２の出力電圧が配線７３に与えられる判定電圧以上になると、出力が配線７３に与えられた判定電圧にクリップされる。これは、図３（Ｂ）で説明したシグモイド関数と同じ機能を有していることを示している。つまり、第２の出力電圧（積和演算結果）が判定電圧（判定閾値θ）より大きいと、加算結果が発火していると判断することができる。図４では、判定電圧が複数の加算回路２３で同じ判定電圧が与えられる例を示したが、それぞれの加算回路２３は、異なる判定電圧を有してもよい。
また、アナログデジタル変換回路１３ｂにおいては、配線７３に与えられる判定電圧をアナログ入力電圧の最大値に設定することが好ましい。第２の出力電圧が判定電圧と同じときは、アナログデジタル変換回路１３ｂが最大値を検出するため、容易にニューロンが発火しているか判断することができる。
次に、撮像装置１３ｄが、ニューロン９１として機能し、さらに、ニューラルネットワーク１３として学習させる方法について説明する。図１、図４、及び図５を用いて説明する。
撮像装置１３ｄが、ニューロン９１として機能し、さらに画像から学習する動作について説明する。他の動作と異なる点は、画像検出モジュール１０は、通信モジュール１８を介して学習用の画像データを受信する。プロセッサ１１は、受信した画像データを撮像装置１３ｄに与えることで、ニューラルネットワーク１３のニューロンとして機能する撮像装置１３ｄに学習させることができる。ニューラルネットワーク１３が、特徴検出と、学習を同じ撮像装置１３ｄで行うことで、素子ごとのばらつき等を含めた学習動作が可能になる。また、ニューラルネットワーク１３は、撮像データを用いて、特徴抽出を行い、さらに学習させることができる。撮像装置１３ｄが、ニューロン９１として機能するときと同じ動作については、説明を省略する。
まず、ノードＮＤ１には、配線７５からトランジスタ５１及びトランジスタ５２を介してリセット電圧が与えられる。第２のノードＮＤ２には、トランジスタ５５を介して信号線６９から学習用の画素データ電位が与えられる。容量素子３４の電極の他方には、配線７７から重み係数として第２の電圧が与えられる。
次に、信号線６５に与えられる信号が、トランジスタ５１をオフ状態にし、信号線６６に与えられる信号が、トランジスタ５２をオフ状態にし、信号線６８に与えられる信号が、トランジスタ５５をオフ状態にする。学習中のときは、フォトダイオードＰＤからの撮像データは遮断することが好ましい。したがってトランジスタ５２は、オフリークの小さなトランジスタが好ましい。オフリークの小さなトランジスタについては、実施の形態５で詳細な説明をする。
ノードＮＤ１は、リセット電圧を保持している。配線７７を、第２の電圧から学習用の画素データ電位に更新する。ノードＮＤ１は、容量素子３３と、容量素子３４との容量結合によりリセット電圧と、学習用の画素データ電位と、第２の電圧と、が加算された第４の電圧を生成することができる。したがって、トランジスタ５３のゲートには、学習用の画像データが与えられる。なお、配線７７に与えられる電位は、任意の電位でもよい。
トランジスタ５３のゲートに与えられた第４の電圧によって、撮像装置１３ｄはニューロン９１の積和演算処理を行い、ニューラルネットワーク１３が学習することができる。
なお、図５では表示をしていないが、配線７７と、容量素子３４の電極の他方の間にスイッチを設けてもよい。スイッチを設けることで、それぞれの画素２１は、容量素子３４の他方の電極から重み係数を与えたときに容量素子３４にデータを保持するのに好ましい。スイッチは、トランジスタを用いて構成することが好ましい。
なお、図５（Ｂ）では、容量素子３５及び容量素子３６は、トランジスタのゲート容量を用いた構成例を示している。また、図４の容量素子３１及び容量素子３２は、同じ大きさの容量にすることで容量結合による演算を容易にすることができる。また、図５（Ａ）の容量素子３３及び容量素子３４は、同じ大きさの容量にすることで容量結合による演算を容易にすることができる。
図６は、画像検出モジュール１０の撮像装置１３ｄが撮像素子として機能するときのタイミングチャートの一例を示している。
Ｔ０では、信号線６８が“Ｈ”になりトランジスタ５５がオン状態になる。ノードＮＤ２には、信号線６９から第１の電圧を与える。配線７７には、第１の電圧が与えられる。
Ｔ１では、信号線６５が“Ｈ”になりトランジスタ５１がオン状態になる。また信号線６６が“Ｈ”になりトランジスタ５２がオン状態になる。ノードＮＤ１には、配線７５から、リセット電圧が与えられる。リセット電圧は、容量素子３３に電荷として保持される。リセット電圧は、ノードＮＤ１のトランジスタ５３のゲートに与えられる。リセット電圧は、高い電位であることが好ましい。
Ｔ２では、信号線６５が“Ｌ”になりトランジスタ５１がオフ状態になる。容量素子３３に保持された電荷は、フォトダイオードＰＤが光を検出すると発生する光電流によって配線７６に対して流れる。よって、ノードＮＤ１の電位は、光電流の大きさにより更新される。
Ｔ３では、信号線６１が“Ｈ”になり、図４の加算回路２３のトランジスタ５６がオン状態になる。配線２１ａ（ノードＮＤ３）には、配線７１によって第１の電圧が与えられる。さらに、信号線６２が“Ｈ”になり、トランジスタ５７がオン状態になる。ノードＮＤ４には、配線７２によって第１の電圧が与えられる。容量素子３１の両方の電極には、同じ第１の電圧が与えられるため、容量素子３１が第１の電圧を有した電極とみなすことができる。配線７４には、ノードＮＤ３及びノードＮＤ４と同じ第１の電圧が与えられていることが好ましい。なお、ノードＮＤ３及びノードＮＤ４への第１の電圧の書き込みは、Ｔ１乃至Ｔ３のいずれでもよくＴ３に限定されない。
Ｔ４では、信号線６６が“Ｌ”になり、トランジスタ５２がオフ状態になる。信号線６６に与えられる信号によってトランジスタ５２をオフ状態にすることができる。よって、ノードＮＤ１には、撮像データが保持される。よって、撮像データは、トランジスタ５３のゲートに与えられる。撮像データは、トランジスタ５３によって第１の電流に変換される。よってトランジスタ５３は、ノードＮＤ１に保持された撮像データに応じた第１の電流を流すことができる。
さらに、Ｔ４では、信号線６７（ｍ）が“Ｈ”になり、トランジスタ５４がオン状態になる。したがって、撮像データに応じた第１の電流は、トランジスタ５４を介して配線２１ａに与えられる。配線２１ａに与えられた電流は、容量素子３１に与えられ保持される。つまり、容量素子３１に与えられた電荷は、ノードＮＤ３に保持される。容量素子３１に与えられた電荷は、容量素子３１によって電流電圧変換され、アナログデジタル変換回路１３ｂによって、デジタルデータに変換される。したがって撮像装置１３ｄは、撮像素子として機能することができる。
図７は、画像検出モジュール１０の撮像装置１３ｄがニューロンとして機能するときのタイミングチャートの一例を示している。
Ｔ００では、信号線６８が“Ｈ”になりトランジスタ５５がオン状態になる。ノードＮＤ２には、信号線６９から第１の電圧を与える。配線７７には、重み係数ａとして第２の電圧が与えられる。また、配線７３には、判定電圧ｃが加算回路２３の出力信号のクリップ電圧として与えられる。なお、判定電圧ｃは、シグモイド関数の判定閾値の機能を有している。
Ｔ０１では、信号線６５が“Ｈ”になりトランジスタ５１がオン状態になる。また信号線６６が“Ｈ”になりトランジスタ５２がオン状態になる。ノードＮＤ１には、配線７５から、リセット電圧が与えられる。リセット電圧は、容量素子３３に電荷が保持される。リセット電圧は、ノードＮＤ１のトランジスタ５３のゲートに与えられる。リセット電圧は、高い電位であることが好ましい。
Ｔ０２では、信号線６５が“Ｌ”になりトランジスタ５１がオフ状態になる。容量素子３３に保持された電荷は、フォトダイオードＰＤが光を検出すると発生する光電流によって配線７６に対して流れる。よって、ノードＮＤ１の電位は、光電流の大きさにより更新される。
Ｔ０３では、信号線６１が“Ｈ”になり、加算回路２３のトランジスタ５６がオン状態になり、さらに、信号線６２が“Ｈ”になり、加算回路２３のトランジスタ５７がオン状態になる。配線２１ａ（ノードＮＤ３）には、配線７１によってオフセット電位ｂが与えられ、ノードＮＤ４には、配線７２によってオフセット電位ｂが与えられる。容量素子３１は、配線２１ａ（ノードＮＤ３）に与えられる電流を容量素子３１で加算し、さらに、容量素子３２を介してオフセット電位ｂを加算することができる。配線７４には、第１の電圧が与えられていることが好ましい。ノードＮＤ３及びノードＮＤ４へのオフセット電位ｂの書き込みは、Ｔ０１乃至Ｔ０３のいずれでもよくＴ０３に限定されない。
Ｔ０４では、信号線６６が“Ｌ”になり、トランジスタ５２がオフ状態になる。信号線６６に与えられる信号によってトランジスタ５２をオフ状態にすることができる。よってノードＮＤ１には、撮像データが保持される。よって、撮像データは、トランジスタ５３のゲートに与えられる。撮像データは、トランジスタ５３によって第１の電流に変換される。よってトランジスタ５３は、ノードＮＤ１に保持された撮像データに応じた第１の電流を流すことができる。
また、Ｔ０４では、トランジスタ５５がオフ状態になることでノードＮＤ２がフローティングになる。したがって、容量素子３３は、容量素子３４と容量結合する。配線７７を第２の電圧から第１の電圧に更新することによって、ノードＮＤ１は、撮像データに重み係数ａの電圧を加えた第３の電圧Ａ（ａ×撮像データ）を生成する。よって、トランジスタ５３のゲートは、第３の電圧Ａが与えられることで、第２の電圧との差分に応じた乗算結果を第１の電流として出力することができる。
さらに、Ｔ０４では、信号線６７（１）乃至６７（ｍ）が“Ｈ”になり、それぞれの画素２１のトランジスタ５４がオン状態になる。撮像装置１３ｄがニューロンとして機能するときには、複数の信号線６７に同時に走査信号が与えられることが好ましい。走査信号が与えられた画素２１の出力は、加算回路２３で加算される。
配線２１ａには、それぞれの画素が出力する第１の電流が加算された第２の電流が生成される。第２の電流は、配線２１ａを介して加算回路２３の容量素子３１に与えられる。容量素子３１は、オフセット電位を基準として第２の電流を第２の出力電圧ＡＷ（Σ（Ａ）＋ｂ）に変換し、ノードＮＤ３の電位を変化させることができる。第２の出力電圧ＡＷを、アナログデジタル変換回路１３ｂに与えることで、撮像装置１３ｄが積和演算機能を有するニューロンとして機能することができる。
ただし、第２の電流は、複数の画素２１に流れる第１の電流が加算されているため、容量素子３１によって第２の出力電圧ＡＷに変換されると、大きな電圧を生成することがある。したがって、加算回路２３には、配線２１ａにダイオードが接続されることが好ましい。なお、第２の出力電圧ＡＷは、ダイオードによって判定電圧ｃでクリップされることが好ましい。したがって、判定電圧ｃは、ニューロン９１の積和演算結果を判定することができるため、シグモイド関数の判定閾値の機能を有している。
図７では、信号線６７（１）乃至信号線６７（ｍ）に同時に走査信号が与えられた例を示している。よって、撮像装置１３ｄが有する全ての画素２１の出力がそれぞれの加算回路２３（１）乃至加算回路２３（ｎ）によって同時に処理される。つまり、加算回路２３に接続される画素が一つのニューロン９１の機能を有し、撮像情報を同時に積和演算処理するグローバルシャッタ方式のニューロン９１である。なお、走査信号を与える信号線６７の範囲を変えることで、積和演算する選択範囲を変えることができる。つまり、ニューロン９１は、演算する入力範囲を最適化することができる。
特に、各画素に酸化物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）を用いた場合、ＯＳトランジスタはオフ電流が非常に小さい。図８（Ａ）及び（Ｂ）では、ＯＳトランジスタを用いたときの例を示している。
図８（Ａ）では、画素２１のトランジスタ５１、トランジスタ５２、トランジスタ５４、及びトランジスタ５５にＯＳトランジスタを用いた例を示している。それぞれのＯＳトランジスタは、バックゲートを有していることが好ましい。図８（Ａ）では、バックゲートがそれぞれのＯＳトランジスタのゲートと電気的に接続された例を示している。
図８（Ｂ）では、それぞれのＯＳトランジスタのバックゲートが共通の配線ＢＧに接続された例を示している。
画素２１は、トランジスタのオフ電流を小さくすることで撮像データの劣化を抑えることができるため、撮像データの検出精度を向上させることができる。したがって、画素２１は、ＯＳトランジスタを用いることが好ましい。ＯＳトランジスタについては、実施の形態５で詳細な説明をする。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、ニューラルネットワークを有する情報管理システムについて、図９及び図１０を用いて説明する。
図９（Ａ）は、ニューラルネットワークを有する情報管理システムのブロック図を示している。情報管理システムは、データサーバ８０と、複数の環境モニタモジュール４０と、を有している。データサーバ８０は、プロセッサ８１、記憶装置８２、ニューラルネットワーク８３、及び通信モジュール８８を有している。
環境モニタモジュール４０は、制御部４０ａと、複数の環境センサモジュール４３ａ乃至４３ｄとを有している。制御部４０ａは、プロセッサ４１、記憶装置４２、発光素子４４、位置センサ４５、バッテリ４６、第２のバッテリ４７、及び通信モジュール４８を有している。環境センサモジュール４３ａ乃至４３ｄ（位置を限定しないときは、環境センサモジュール４３として説明する）は、温度センサ、湿度センサ、照度センサ、風量計のいずれか一もしくは複数を有している。
第２のバッテリ４７は、補助バッテリの機能を有し、太陽光から発電するソーラバッテリ、温度差から発電する温度差発電、無線充電などの機能を備えていることが好ましい。
環境センサモジュール４３は、温度センサ、湿度センサ、照度センサ、風量計のいずれか一もしくは複数によって環境情報を検出することができる。制御部４０ａは、環境センサモジュール４３からの環境情報を管理することができる。また、位置センサ４５は、環境モニタモジュール４０の第１の位置情報を有している。制御部４０ａが有するプロセッサ４１は、環境情報及び第１の位置情報を、通信モジュール４８を介してデータサーバ８０に送信することができる。
データサーバ８０は、ネットワーク（Ｎｅｔｗｏｒｋ）を介してそれぞれの環境モニタモジュール４０から、第１の位置情報に関係付けられた環境情報を受信し、記憶装置８２に記憶することができる。
ニューラルネットワーク８３は、それぞれの環境センサモジュール４３の第１の位置情報と、環境情報とを用いて、環境センサモジュール４３間の環境情報を算出することができる。
図９（Ｂ）は、環境モニタモジュール４０の構成例を示している。環境モニタモジュール４０は、筐体４０ｂを有している。筐体４０ｂの異なる位置に環境センサモジュール４３ａ乃至４３ｄが配置されている。
図９（Ｂ）では、環境モニタモジュール４０の制御部４０ａが端部に配置されている例を示している。制御部４０ａは、筐体４０ｂに収納されていればよく、制御部４０ａが収納される位置は、限定されない。ただし、通信モジュール４８の通信機能が阻害されない位置であることが好ましい。また、第２のバッテリが太陽光発電を備えるときは、十分な光を得られる位置であることが好ましい。図９（Ｂ）では、環境モニタモジュール４０が環境センサモジュール４３ａ乃至４３ｄを設けた例を示しているが環境センサモジュール４３の数は限定はされない。
図１０では、空間ＰＡに複数の環境モニタモジュール４０が配置された例を斜視図で示している。空間ＰＡは、複数の環境モニタモジュール４０が配置されることで、空間ＰＡ内の環境情報を管理することができる。
図１０（Ｂ）では、空間ＰＡに複数の環境モニタモジュール４０が千鳥配置された例を上面図で示している。環境モニタモジュール４０は、実線で示したＰ（１，１）、Ｐ（１，３）、Ｐ（２，２）、Ｐ（２，４）、Ｐ（３，１）、Ｐ（３，３）、Ｐ（４，２）、Ｐ（４，４）に配置されている。
図１０（Ｃ）では、空間ＰＡに複数の環境モニタモジュール４０が千鳥配置された例を側面図で示している。環境センサモジュール４３ａ乃至４３ｄは、縦方向に４か所配置されることで、空間ＰＡの中の任意の位置ＰＸの環境情報をニューラルネットワーク８３によって計算することで補完することができる。つまり環境情報には、それぞれの環境センサモジュールの高さ情報が含まれていることが好ましい。
詳細な説明は省略するが、空間ＰＡの中の任意の位置ＰＸの環境情報は、複数の位置に配置された環境センサモジュール４３の第１の位置情報と環境情報とから算出することが好ましい。一例として、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）では、任意の位置ＰＸの環境情報を算出するために使用する環境センサモジュール４３間に補助線を示している。
例えば温度情報は、均一に空間内に分布せず層になって存在することが知られている。したがって、温度の高い層と、温度の低い層との境目は、環境センサモジュール４３からの環境情報を第１の位置情報によって線形補完するだけでは管理が難しい。環境センサモジュール４３の検出した温度情報に重み係数を加えて計算することが好ましい。空間ＰＡの中の任意の位置ＰＸの環境情報を算出するためには、ニューラルネットワーク８３を用いて算出することが好ましい。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した画像検出モジュールと連携して動作する実施の形態２で説明したニューラルネットワークを有する情報管理システムについて図１１乃至図１２を用いて説明する。
図１１では、ニューラルネットワークを有する情報管理システムが植物工場に適用された例を示している。図１１（Ａ）で示す植物工場は、ハウスＰＨによって収穫対象物である野菜の栽培が行われている例を示している。ハウスＰＨ内の空間ＰＡを、情報管理システムで管理する例について説明をする。ただし、情報管理システムは、ハウスＰＨのように閉ざされた空間に限定されない。露天の農園などにも適用することができる。また収穫対象物は、野菜、果物などに適用することができる。水温管理を要する魚貝類、藻類の養殖にも適用することができる。
果物や野菜は、受粉してからの積算温度によって熟成度が管理されることが知られている。野菜や果実の熟成度には、他に水分、日射量なども重要な管理パラメータである。したがって、葉などの障害物、又は太陽の位置によっても温度、湿度、照度量などの環境情報が変わってくる。風や、気流による変動も考慮することが好ましい。環境情報の差は、野菜や果実の熟成ばらつきに影響し、出荷物の品質ばらつきに影響する。
ハウスＰＨは、データサーバ８０と、複数の環境モニタモジュール４０によって管理されている。データサーバ８０は、通信モジュール８８、及びニューラルネットワーク８３を有している。図１１では、データサーバ８０が有する通信モジュール８８を表示している。なお、データサーバ８０は、ネットワークを介して接続されていればよく、図中では表示していない。
環境モニタモジュール４０は、環境センサモジュール４３ａ乃至４３ｄ、制御部４０ａを有している。環境センサモジュール４３は、温度センサ、湿度センサ、照度センサ、風量計のいずれか一もしくは複数を有している。さらに、環境センサモジュール４３は、においセンサ、イオンセンサ、ガス濃度センサなどを有していてもよい。
通信モジュール８８は、環境モニタモジュール４０が有する環境センサモジュール４３が検出する環境情報及び第１の位置情報を通信モジュールを介して収集し記憶する機能を有している。図１１（Ａ）では、一例として環境モニタモジュール４０の第１の位置情報をＰ（ｉ，ｊ）、Ｐ（ｉ＋１，ｊ＋１）、Ｐ（ｉ＋２，ｊ）、Ｐ（ｉ＋３，ｊ＋１）などで示している。
さらに、環境センサモジュール４３は、高さの異なる位置に配置され環境情報を収集することができる。例えば、Ｐ（ｉ，ｊ）に位置する環境モニタモジュール４０は、環境センサモジュール４３ａがＰａ（ｉ，ｊ）の環境情報を取得し、環境センサモジュール４３ｂがＰｂ（ｉ，ｊ）の環境情報を取得し、環境センサモジュール４３ｃがＰｃ（ｉ，ｊ）の環境情報を取得し、環境センサモジュール４３ｄがＰｄ（ｉ，ｊ）の環境情報を取得することができる。制御部４０ａは、環境情報に高さ情報を付加し、環境モニタモジュール４０の第１の位置情報と共にデータサーバ８０に送信することができる。
このとき、環境センサモジュール４３のいずれか一が、土の中又は水の中であってもよい。植物は、根を張る土の温度、水の温度によっても発育が異なることが知られているため、管理することが好ましい。検出された土の温度、水の温度などの環境情報は、ニューラルネットワーク８３においてオフセット変数として扱われる。
データサーバ８０は、通信モジュール８８を介して受信した環境モニタモジュール４０の第１の位置情報と環境情報を受信し、記憶することができる。そして、ニューラルネットワーク８３は、第１の位置情報と環境情報を用いて、環境センサモジュール間の環境情報を算出することができる。
果物や野菜は、受粉してからの積算温度が収穫に適した時期を判別する指標の一つである。したがって、利用者は、実施の形態１で説明した画像検出モジュール１０を用いて収穫に適した時期であるかの情報を得ることができる。
図１１（Ｂ）では、利用者が指に実施の形態１で示した画像検出モジュール１０を装着した例を示している。画像検出モジュール１０は、筐体１０ａ、固定具１０ｃとを有している。画像検出モジュール１０は、図示していないがニューラルネットワーク１３と、通信モジュール１８と、位置センサ１５と、プロセッサ１１と、発光素子１４と、受動素子１７とを有している。ニューラルネットワーク１３は、撮像装置１３ｄの機能を有している。
撮像装置１３ｄは、画像を取得することができる。取得される画像は、指の動きに合わせて動作し、指先が向く方向を撮像することができる。撮像装置１３ｄは、収穫対象物に応じてカラーフィルターの設定を変えることが好ましい。図１１（Ｂ）では、一例としてトマト９９を収穫対象物として示している。
収穫対象物の色に合わせたカラーフィルタＣＦを使用することで、ニューラルネットワーク１３は、撮像された画像から学習済の特徴を有した収穫対象物を容易に検出することができる。撮像装置１３ｄは、撮像データから一括で特徴抽出することができる。プロセッサ１１は、ニューラルネットワーク１３によって画像から収穫対象物が検出されたときの第２の位置情報を通信モジュール１８を介してデータサーバ８０に送信することができる。
データサーバ８０は、ニューラルネットワーク８３によって第２の位置情報から環境情報の積算値を算出することができる。プロセッサ８１は、第２の位置情報における環境情報の積算値を通信モジュール８８を介して画像検出モジュール１０に送信することができる。
プロセッサ１１は、通信モジュール１８を介して受信した環境情報の積算値によって収穫対象物の熟成度を判断することができる。プロセッサ１１は、判断結果に応じて受動素子１７を動作させる、もしくは発光素子１４を点灯させることで、利用者に対し収穫対象物が収穫時期であるかを通知することができる。
さらに、収穫対象物が積算温度などの環境情報によって管理されているとき、初期値の設定が重要になる。初期値は、受粉するときが好ましいが、受粉するタイミングを管理することは難しい。したがって、受粉後の収穫対象物がある大きさに成長するときの大きさ、色、及び位置情報を初期値として登録してもよい。又は、ドローンもしくは無人航空機に画像検出モジュールを搭載し、ハウス内を巡回させ受粉後の収穫対象物がある大きさに成長したときの大きさ及び位置情報を初期値として登録してもよい。又は、利用者によって初期値が設定されてもよい。
図１２では、環境管理システムと、画像検出モジュール１０との動作をフローチャートで示している。環境管理システムは、データサーバ８０と、環境モニタモジュール４０とに分けて示している。画像検出モジュール１０は、ニューラルネットワークＮＮ１を有し、データサーバ８０は、ニューラルネットワークＮＮ２を有している。
ＳＴ１１は、画像検出モジュール１０がニューラルネットワークＮＮ１によって対象画像を検出するステップである。データサーバ８０で管理する初期値を登録するために対象画像を検出する。対象画像は、画像検出モジュール１０を有したドローン又は無人飛行体によって検出されてもよい。
ＳＴ１２は、画像検出モジュール１０が検出した対象画像の第２の位置情報を検出するステップである。
ＳＴ１３は、検出した第２の位置情報をデータサーバ８０に送信するステップである。
ＳＴ８１は、環境情報マップに第２の位置情報を登録し、第２の位置情報の初期値を設定するステップである。初期値は、日時を管理することが好ましい。
ＳＴ４１は、環境モニタモジュール４０が位置情報を検出するステップである。
ＳＴ４２は、環境モニタモジュール４０が定期的に環境センサモジュール４３から環境情報を収集するステップである。環境モニタモジュール４０は、収集した環境情報と、第１の位置情報をデータサーバ８０に送信することができる。
ＳＴ８２は、データサーバ８０が有するニューラルネットワークＮＮ２によって環境モニタモジュール４０から受信した環境情報及び第１の位置情報を用いて環境情報マップを生成するステップである。データサーバ８０は、環境情報マップに異常を検出したときは、利用者に対してディスプレイ表示、又はメール等で異常を通知することができる。
ＳＴ４３は、環境モニタモジュール４０がデータサーバ８０から異常情報を受け取るステップである。環境モニタモジュール４０は、発光素子４４などを点灯させることで異常を検出した環境モニタモジュール４０を知らせることができる。
ＳＴ８３は、環境モニタモジュール４０から受信した環境情報と、第１の位置情報を記録するステップである。
ＳＴ１４は、画像検出モジュール１０がニューラルネットワークＮＮ１によって対象画像を検出するステップである。
ＳＴ１５は、画像検出モジュール１０が第２の位置情報を検出するステップである。
ＳＴ１６は、検出した第２の位置情報をデータサーバ８０に送信するステップである。
ＳＴ８４は、データサーバ８０が有するニューラルネットワークＮＮ２によって画像検出モジュール１０から受信した第２の位置情報の積算環境情報を生成し、画像検出モジュール１０に送信するステップである。もしくは、データサーバ８０は、第２の位置の積算環境情報の判定まで行い、画像検出モジュール１０には、判定結果を通知してもよい。
ＳＴ１７は、データサーバ８０から受信した積算環境情報により収穫対象物の状態を判定するステップである。
ＳＴ１８は、判定結果によって、ＬＥＤの点灯、又は振動モータによる振動による通知をするステップである。利用者は通知を受け取ることで、収穫対象物が収穫できる熟成度であることを認識することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態に記載の画像検出モジュールが有する半導体装置の一形態を、図１３及び図１４を用いて説明する。なお、本明細書で説明する半導体装置１００としては、例えば、プロセッサ１１、記憶装置１２、撮像装置１３ａ、アナログデジタル変換回路１３ｂ、ＧＰＵ１３ｃ、発光素子１４、位置センサ１５、バッテリ１６、受動素子１７、及び通信モジュール１８を指すことができる。
＜半導体装置１００の断面構造＞
図１３は半導体装置１００の一例を示す断面模式図である。半導体装置１００は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、及び容量素子１４０を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１４０はトランジスタ３００、及びトランジスタ２００の上方に設けられている。
トランジスタ２００はチャネル形成領域に酸化物半導体を有するＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタは微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを半導体装置に用いることで、半導体装置の微細化又は高集積化を図ることができる。ＯＳトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを半導体装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、半導体装置の消費電力を十分に低減することができる。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、及びソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂを有する。
トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、又はドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。又は、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、又はホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することでしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
図１３に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面及び上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
なお、図１３に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６として、例えば、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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。また、本明細書中において、酸化窒化アルミニウムとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化アルミニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、又はトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６には導電体３２８、及び導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、及び導電体３３０はプラグ、又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、及び導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、及び配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を、単層又は積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。又は、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体３２６、及び導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１３において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、絶縁体３５４、絶縁体３６０、絶縁体３６２、絶縁体３６４、絶縁体３７０、絶縁体３７２、絶縁体３７４、絶縁体３８０、絶縁体３８２及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、これら絶縁体には、導電体３５６、導電体３６６、導電体３７６及び導電体３８６が形成されている。これら導電体は、プラグ、又は配線としての機能を有する。なおこれら導電体は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、絶縁体３５０、絶縁体３６０、絶縁体３７０及び絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６、導電体３６６、導電体３７６及び導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。例えば、絶縁体３５０と導電体３５６に着目した場合、絶縁体３５０が有する開口部に導電体３５６が形成されることで、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。他の絶縁体と導電体についても同じことが言える。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３８４上には絶縁体２１４及び絶縁体２１６が積層して設けられている。絶縁体２１４及び絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１４には、例えば、基板３１１又はトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
また、例えば、絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体２１４及び絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（例えばバックゲートとして機能する電極）等が埋め込まれている。導電体２１８は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
導電体２１８は、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００としては、ＯＳトランジスタを用いればよい。トランジスタ２００の詳細は後述する実施の形態５で説明を行う。
トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。絶縁体２８０には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ２００に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ２００が有する酸化物半導体の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。なお、絶縁体２８０は、トランジスタ２００の上部に形成される絶縁体２２５に接して設けられる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、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以上である酸化物膜である。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、又は１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
例えばこのような材料として、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。又は、金属酸化物を用いることもできる。
絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を設ける構成にしてもよい。絶縁体２８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体２８２をスパッタリング法によって、酸素を含むプラズマを用いて成膜すると該絶縁体の下地層となる絶縁体２８０へ酸素を添加することができる。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８６が設けられている。絶縁体２８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２２５、絶縁体２８０、絶縁体２８２、及び絶縁体２８６には、導電体２４６、及び導電体２４８等が埋め込まれている。
導電体２４６、及び導電体２４８は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１４０が設けられている。容量素子１４０は、導電体１１０と、導電体１２０、及び絶縁体１３０とを有する。
また、導電体２４６、及び導電体２４８上に、導電体１１２を設けてもよい。なお、導電体１１２、及び導電体１１０は、同時に形成することができる。
導電体１１２、及び導電体１１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、又は上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、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導電性材料を適用することもできる。
図１３では、導電体１１２、及び導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、及び導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
また、導電体１１２、及び導電体１１０上に、容量素子１４０の誘電体として、絶縁体１３０を設ける。絶縁体１３０は、例えば、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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層又は単層で設けることができる。
例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１４０は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１４０の静電破壊を抑制することができる。
絶縁体１３０上に、導電体１１０と重畳するように、導電体１２０を設ける。なお、導電体１２０は、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
導電体１２０、及び絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
また、絶縁体１５０には、導電体１５６が埋め込まれている。なお、導電体１５６は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
また、導電体１５６上に、導電体１６６が設けられている。また、導電体１６６、及び絶縁体１５０上に、絶縁体１６０が設けられている。また、絶縁体１６０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、ＯＳトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。又は、ＯＳトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。又は、ＯＳトランジスタを用いた半導体装置において、微細化又は高集積化を図ることができる。又は、微細化又は高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
＜半導体装置１００の変形例＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図１４に示す。
図１４は、図１３のトランジスタ２００をトランジスタ２０１に置き替えた場合の断面模式図である。トランジスタ２００と同様、トランジスタ２０１はＯＳトランジスタである。なお、トランジスタ２０１の詳細は後述する実施の形態５で説明を行う。
図１４のその他の構成例の詳細は、図１３の記載を参酌すればよい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態４に示すトランジスタ２００及びトランジスタ２０１の詳細について、図１５乃至図１８を用いて説明を行う。
＜＜トランジスタ２００＞＞
まず、図１３に示すトランジスタ２００の詳細について説明を行う。
図１５（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１５（Ｃ）は、図１５（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。図１５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図１５（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された金属酸化物４０６ａと、金属酸化物４０６ａの上面の少なくとも一部に接して配置された金属酸化物４０６ｂと、金属酸化物４０６ｂの上に配置された絶縁体４１２と、絶縁体４１２の上に配置された導電体４０４ａと、導電体４０４ａの上に配置された導電体４０４ｂと、導電体４０４ｂの上に配置された絶縁体４１９と、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂ、及び絶縁体４１９の側面に接して配置された絶縁体４１８と、金属酸化物４０６ｂの上面に接し、かつ絶縁体４１８の側面に接して配置された絶縁体２２５と、を有する。ここで、図１５（Ｂ）に示すように、絶縁体４１８の上面は、絶縁体４１９の上面と略一致することが好ましい。また、絶縁体２２５は、絶縁体４１９、導電体４０４、絶縁体４１８、及び金属酸化物４０６を覆って設けられることが好ましい。
以下において、金属酸化物４０６ａと金属酸化物４０６ｂをまとめて金属酸化物４０６という場合がある。なお、トランジスタ２００では、金属酸化物４０６ａ及び金属酸化物４０６ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、金属酸化物４０６ｂのみを設ける構成にしてもよい。また、導電体４０４ａと導電体４０４ｂをまとめて導電体４０４という場合がある。なお、トランジスタ２００では、導電体４０４ａ及び導電体４０４ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体４０４ｂのみを設ける構成にしてもよい。
導電体４４０は、絶縁体３８４の開口の内壁に接して導電体４４０ａが形成され、さらに内側に導電体４４０ｂが形成されている。ここで、導電体４４０ａ及び導電体４４０ｂの上面の高さと、絶縁体３８４の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体４４０ａ及び導電体４４０ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体４４０ｂのみを設ける構成にしてもよい。
導電体３１０は、導電体３１０ａ、導電体３１０ｂを有する。導電体３１０ａは、絶縁体２１４及び絶縁体２１６の開口の内壁に接して形成され、さらに内側に導電体３１０ｂが形成されている。よって、導電体３１０ａは導電体４４０ｂに接する構成が好ましい。ここで、導電体３１０ａ及び導電体３１０ｂの上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体３１０ａ及び導電体３１０ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体３１０ｂのみを設ける構成にしてもよい。
導電体４０４は、トップゲートとして機能でき、導電体３１０は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲート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。
導電体４４０は、導電体４０４と同様にチャネル幅方向に延伸されており、導電体３１０、すなわちバックゲートに電位を印加する配線として機能する。ここで、バックゲートの配線として機能する導電体４４０の上に積層して、絶縁体２１４及び絶縁体２１６に埋め込まれた導電体３１０を設けることにより、導電体４４０と導電体４０４の間に絶縁体２１４及び絶縁体２１６などが設けられ、導電体４４０と導電体４０４の間の寄生容量を低減し、絶縁耐圧を高めることができる。導電体４４０と導電体４０４の間の寄生容量を低減することで、トランジスタのスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体４４０と導電体４０４の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体２１４及び絶縁体２１６の膜厚を大きくすることが好ましい。なお、導電体４４０の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ２００のチャネル長方向に延伸されてもよい。
ここで、導電体３１０ａ及び導電体４４０ａは、水又は水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する（透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム又は酸化ルテニウムなどを用いることが好ましく、単層又は積層とすればよい。これにより、下層から水素、水などの不純物が導電体４４０及び導電体３１０を通じて上層に拡散するのを抑制することができる。なお、導電体３１０ａ及び導電体４４０ａは、水素原子、水素分子、水分子、酸素原子、酸素分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料について記載する場合も同様である。導電体３１０ａ及び導電体４４０ａが酸素の透過を抑制する機能を持つことにより、導電体３１０ｂ及び導電体４４０ｂが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。
また、導電体３１０ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体３１０ｂは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、導電体４４０ｂは、配線として機能するため、導電体３１０ｂより導電性が高い導電体を用いることが好ましく、例えば、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、図示しないが、導電体４４０ｂは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体２１４は、下層から水又は水素などの不純物がトランジスタに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体２１４は、水又は水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１４より上層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料について記載する場合も同様である。
また、絶縁体２１４は、酸素（例えば、酸素原子または酸素分子など）の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体２２４などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。
また、導電体４４０の上に導電体３１０を積層して設ける構成にすることにより、導電体４４０と導電体３１０の間に絶縁体２１４を設けることができる。ここで、導電体４４０ｂに銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを防ぐことができる。
また、絶縁体２２２は、水又は水素などの不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２２２より下層から水素、水などの不純物が絶縁体２２２より上層に拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体２２４などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。
また、絶縁体２２４中の水、水素又は窒素酸化物などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体２２４の水素の脱離量は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体２２４の面積当たりに換算して、２×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下、好ましくは１×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下、より好ましくは５×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下であればよい。また、絶縁体２２４は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。
絶縁体４１２は、第１のゲート絶縁膜として機能でき、絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４は、第２のゲート絶縁膜として機能できる。なお、トランジスタ２００では、絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４のうちいずれか２層を積層した構造にしてもよいし、いずれか１層を用いる構造にしてもよい。
金属酸化物４０６は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物としては、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、金属酸化物は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
金属酸化物４０６は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム又はスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物４０６が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム又はスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
ここで、金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。
以上のような金属酸化物を金属酸化物４０６ａとして用いて、金属酸化物４０６ａの伝導帯下端のエネルギーが、金属酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における、伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、金属酸化物４０６ａの電子親和力が、金属酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、金属酸化物４０６ａ及び金属酸化物４０６ｂにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化又は連続接合するともいうことができる。このようにするためには、金属酸化物４０６ａと金属酸化物４０６ｂとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、金属酸化物４０６ａと金属酸化物４０６ｂが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、金属酸化物４０６ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、金属酸化物４０６ａとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は金属酸化物４０６ｂに形成されるナローギャップ部分となる。金属酸化物４０６ａと金属酸化物４０６ｂとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
また、金属酸化物４０６は、領域４２６ａ、領域４２６ｂ、及び領域４２６ｃを有する。領域４２６ａは、図１５（Ｂ）に示すように、領域４２６ｂと領域４２６ｃに挟まれる。領域４２６ｂ及び領域４２６ｃは、絶縁体２２５の成膜により低抵抗化された領域であり、領域４２６ａより導電性が高い領域となる。領域４２６ｂ及び領域４２６ｃは、絶縁体２２５の成膜雰囲気に含まれる、水素又は窒素などの不純物元素が添加される。これにより、金属酸化物４０６ｂの絶縁体２２５と重なる領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。
よって、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃは、領域４２６ａより、水素及び窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素又は窒素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。ここで、領域４２６ａの水素又は窒素の濃度としては、金属酸化物４０６ｂの絶縁体４１２と重なる領域の中央近傍（例えば、金属酸化物４０６ｂの絶縁体４１２のチャネル長方向の両側面からの距離が概略等しい部分）の水素又は窒素の濃度を測定すればよい。
なお、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃは、酸素欠損を形成する元素、又は酸素欠損と結合する元素を添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。よって、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃは、上記元素の一つ又は複数を含む構成にすればよい。
また、金属酸化物４０６ａは、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃにおいて、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、金属酸化物４０６ｂの元素Ｍに対するＩｎの原子数比と同程度になることが好ましい。言い換えると、金属酸化物４０６ａは、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃにおける元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、領域４２６ａにおける元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。ここで、金属酸化物４０６は、インジウムの含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。このような構成にすることにより、トランジスタ２００の作製工程において、金属酸化物４０６ｂの膜厚が薄くなり、金属酸化物４０６ｂの電気抵抗が大きくなった場合でも、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃにおいて、金属酸化物４０６ａが十分低抵抗化されており、金属酸化物４０６の領域４２６ｂ及び領域４２６ｃはソース領域及びドレイン領域として機能させることができる。
図１５（Ｂ）に示す領域４２６ａ近傍の拡大図を、図１６（Ａ）に示す。図１６（Ａ）に示すように、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃは、金属酸化物４０６の少なくとも絶縁体２２５と重なる領域に形成される。ここで、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ｂ及び領域４２６ｃの一方は、ソース領域として機能でき、他方はドレイン領域として機能できる。また、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａはチャネル形成領域として機能できる。
なお、図１５（Ｂ）及び図１６（Ａ）では、領域４２６ａ、領域４２６ｂ、及び領域４２６ｃが、金属酸化物４０６ｂ及び金属酸化物４０６ａに形成されているが、これらの領域は少なくとも金属酸化物４０６ｂに形成されていればよい。また、図１５（Ｂ）などでは、領域４２６ａと領域４２６ｂの境界、及び領域４２６ａと領域４２６ｃの境界を金属酸化物４０６の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃが金属酸化物４０６ｂの表面近傍では導電体４０４側に張り出し、金属酸化物４０６ａの下面近傍では、絶縁体２２５側に後退する形状になる場合がある。
トランジスタ２００では、図１６（Ａ）に示すように、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃが、金属酸化物４０６の絶縁体２２５と接する領域と、絶縁体４１８、及び絶縁体４１２の両端部近傍と重なる領域に形成される。このとき、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃの導電体４０４と重なる部分は、所謂オーバーラップ領域（Ｌｏｖ領域ともいう）として機能する。Ｌｏｖ領域を有する構造とすることで、金属酸化物４０６のチャネル形成領域と、ソース領域及びドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流及び移動度を大きくすることができる。
ただし、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図１６（Ｂ）に示すように、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃが、金属酸化物４０６の絶縁体２２５及び絶縁体４１８と重なる領域に形成される構成にしてもよい。なお、図１６（Ｂ）に示す構成を別言すると、導電体４０４のチャネル長方向の幅と、領域４２６ａとの幅と、が概略一致している構成である。図１６（Ｂ）に示す構成とすることで、ソース領域及びドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。また、図１６（Ｂ）に示す構成とすることで、チャネル長方向において、ソース領域及びドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。
このように、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃの範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
絶縁体４１２は、金属酸化物４０６ｂの上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体４１２は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような絶縁体４１２を金属酸化物４０６ｂの上面に接して設けることにより、金属酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体４１２中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体４１２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましく、例えば、１ｎｍ程度の膜厚にすればよい。
絶縁体４１２は酸素を含むことが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、１００℃以上７００℃以下又は１００℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量を絶縁体４１２の面積当たりに換算して、１×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以上、好ましくは２×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以上、より好ましくは４×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以上であればよい。
絶縁体４１２、導電体４０４、及び絶縁体４１９は、金属酸化物４０６ｂと重なる領域を有する。また、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、及び絶縁体４１９の側面は略一致することが好ましい。
導電体４０４ａとして、導電性酸化物を用いることが好ましい。例えば、金属酸化物４０６ａ又は金属酸化物４０６ｂとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及びその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体４０４ａを設けることで、導電体４０４ｂへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体４０４ｂの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。
また、このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体４１２に酸素を添加し、金属酸化物４０６ｂに酸素を供給することが可能となる。これにより、金属酸化物４０６の領域４２６ａの酸素欠損を低減することができる。
導電体４０４ｂは、例えばタングステンなどの金属を用いることができる。また、導電体４０４ｂとして、導電体４０４ａに窒素などの不純物を添加して導電体４０４ａの導電性を向上できる導電体を用いてもよい。例えば導電体４０４ｂは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。また、導電体４０４ｂを、窒化チタンなどの金属窒化物と、その上にタングステンなどの金属を積層した構造にしてもよい。
ここで、ゲート電極の機能を有する導電体４０４が、絶縁体４１２を介して、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面及びチャネル幅方向の側面を覆うように設けられる。したがって、ゲート電極としての機能を有する導電体４０４の電界によって、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面及びチャネル幅方向の側面を電気的に取り囲むことができる。導電体４０４の電界によって、チャネル形成領域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。そのため、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面及びチャネル幅方向の側面にチャネルを形成することができるので、ソース－ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。また、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面及びチャネル幅方向の側面が、導電体４０４の電界によって取り囲まれていることから、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。
導電体４０４ｂの上に絶縁体４１９が配置されることが好ましい。また、絶縁体４１９、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、及び絶縁体４１２の側面は略一致することが好ましい。絶縁体４１９は、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体４１９の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下程度で成膜することができる。ここで、絶縁体４１９は、絶縁体４１８と同様に、水又は水素などの不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。
このような絶縁体４１９を設けることにより、水又は水素などの不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体４１９と絶縁体４１８で導電体４０４の上面と側面を覆うことができる。これにより、導電体４０４を介して、水又は水素などの不純物が金属酸化物４０６に混入することを防ぐことができる。このように、絶縁体４１８と絶縁体４１９はゲートを保護するゲートキャップとしての機能を有する。
絶縁体４１８は、絶縁体４１２、導電体４０４、及び絶縁体４１９の側面に接して設けられる。また、絶縁体４１８の上面は、絶縁体４１９の上面に略一致することが好ましい。絶縁体４１８は、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体４１８の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度、好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度、例えば１ｎｍで成膜することができる。
上記の通り、金属酸化物４０６の領域４２６ｂ及び領域４２６ｃは、絶縁体２２５の成膜で添加された不純物元素によって形成される。トランジスタが微細化され、チャネル長が１０ｎｍ乃至３０ｎｍ程度に形成されている場合、ソース領域又はドレイン領域に含まれる不純物元素が拡散し、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通する恐れがある。これに対して、本実施の形態に示すように、絶縁体４１８を形成することにより、金属酸化物４０６の絶縁体２２５と接する領域どうしの間の距離を大きくすることができるので、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通することを防ぐことができる。さらに、ＡＬＤ法を用いて、絶縁体４１８を形成することで、微細化されたチャネル長と同程度以下の膜厚にし、必要以上にソース領域とドレイン領域の距離が広がって、抵抗が増大することをふせぐことができる。
ここで、絶縁体４１８は、水又は水素などの不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体４１２中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体４１２の端部などから金属酸化物４０６に水素、水などの不純物が浸入するのを抑制することができる。
絶縁体４１８は、ＡＬＤ法を用いて絶縁膜を成膜してから、異方性エッチングを行って、当該絶縁膜のうち、絶縁体４１２、導電体４０４、及び絶縁体４１９の側面に接する部分を残存させて形成することが好ましい。これにより、上記のように膜厚の薄い絶縁体を容易に形成することができる。また、このとき、導電体４０４の上に、絶縁体４１９を設けておくことで、当該異方性エッチングで絶縁体４１９が一部除去されても、絶縁体４１８の絶縁体４１２及び導電体４０４に接する部分を十分残存させることができる。
絶縁体２２５は、絶縁体４１９、絶縁体４１８、金属酸化物４０６及び絶縁体２２４を覆って設けられる。ここで、絶縁体２２５は、絶縁体４１９及び絶縁体４１８の上面に接し、かつ絶縁体４１８の側面に接して設けられる。絶縁体２２５は、上述の通り、水素又は窒素などの不純物を金属酸化物４０６に添加して、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃを形成する。このため、絶縁体２２５は、水素及び窒素の少なくとも一方を有することが好ましい。
また、絶縁体２２５は、金属酸化物４０６ｂの上面に加えて、金属酸化物４０６ｂの側面及び金属酸化物４０６ａの側面に接して設けられることが好ましい。これにより、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃにおいて、金属酸化物４０６ｂの側面及び金属酸化物４０６ａの側面まで低抵抗化することができる。
また、絶縁体２２５は、水又は水素などの不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２２５として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。このような絶縁体２２５を形成することで、絶縁体２２５を透過して酸素が浸入し、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃの酸素欠損に酸素を供給して、キャリア密度が低下するのを防ぐことができる。また、絶縁体２２５を透過して水又は水素などの不純物が浸入し、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃが過剰に領域４２６ａ側に拡張するのを防ぐことができる。
絶縁体２２５の上に絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
絶縁体２８０及び絶縁体２２５に形成された開口に導電体４５０ａ及び導電体４５１ａと、導電体４５０ｂ及び導電体４５１ｂと、が配置される。導電体４５０ａ及び導電体４５１ａと、導電体４５０ｂ及び導電体４５１ｂと、は、導電体４０４を挟んで対向して設けられることが好ましい。
ここで、絶縁体２８０及び絶縁体２２５の開口の内壁に接して導電体４５０ａが形成され、さらに内側に導電体４５１ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には金属酸化物４０６の領域４２６ｂが位置しており、導電体４５０ａは領域４２６ｂと接する。同様に、絶縁体２８０及び絶縁体２２５の開口の内壁に接して導電体４５０ｂが形成され、さらに内側に導電体４５１ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には金属酸化物４０６の領域４２６ｃが位置しており、導電体４５０ｂは領域４２６ｃと接する。
導電体４５０ａ及び導電体４５１ａはソース電極及びドレイン電極の一方として機能し、導電体４５０ｂ及び導電体４５１ｂはソース電極及びドレイン電極の他方として機能する。
導電体４５０ａ及び導電体４５０ｂは、導電体３１０ａなどと同様に、水又は水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム又は酸化ルテニウムなどを用いることが好ましく、単層又は積層とすればよい。これにより、絶縁体２８０より上層から水素、水などの不純物が導電体４５１ａ及び導電体４５１ｂを通じて金属酸化物４０６に混入するのを抑制することができる。
また、導電体４５１ａ及び導電体４５１ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体４５１ａ及び導電体４５１ｂは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
次に、トランジスタ２００の構成材料について説明する。
＜基板＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板又は導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、又は炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。又は、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体又は半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体又は絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体又は絶縁体が設けられた基板などがある。又は、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルム又は箔などを用いてもよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。又は、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、又はそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０－３／Ｋ以下、５×１０－５／Ｋ以下、または１×１０－５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板として好適である。
＜絶縁体＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
トランジスタを、水素などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２１４として、水素などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
水素などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム又はタンタルを含む絶縁体を、単層で、又は積層で用いればよい。
また、例えば、絶縁体２２２及び絶縁体２１４としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウム又は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなどを用いればよい。なお、絶縁体２２２及び絶縁体２１４は、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどを有することが好ましい。
絶縁体３８４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２４及び絶縁体４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム又はタンタルを含む絶縁体を、単層、又は積層で用いればよい。例えば、絶縁体３８４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２４及び絶縁体４１２としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン又は、窒化シリコンを有することが好ましい。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び／又は絶縁体４１２は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び／又は絶縁体４１２は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化物、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化窒化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化窒化物又はシリコン及びハフニウムを有する窒化物などを有することが好ましい。又は、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び／又は絶縁体４１２は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、絶縁体２２４及び絶縁体４１２において、酸化アルミニウム、酸化ガリウム又は酸化ハフニウムを金属酸化物４０６と接する構造とすることで、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、金属酸化物４０６に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体２２４及び絶縁体４１２において、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンを金属酸化物４０６と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウム又は酸化ハフニウムと、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
絶縁体３８４、絶縁体２１６、及び絶縁体２８０は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体３８４、絶縁体２１６、及び絶縁体２８０は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン又は樹脂などを有することが好ましい。又は、絶縁体３８４、絶縁体２１６、及び絶縁体２８０は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン又は空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート又はアクリルなどがある。
絶縁体４１８及び絶縁体４１９としては、水素などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体４１８及び絶縁体４１９としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジム又は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなどを用いればよい。
＜導電体＞
導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、導電体３１０ａ、導電体３１０ｂ、導電体４５０ａ、導電体４５０ｂ、導電体４５１ａ及び導電体４５１ｂとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、上記導電体、特に導電体４０４ａ、導電体３１０ａ、導電体４５０ａ、及び導電体４５０ｂとして、金属酸化物４０６に適用可能な金属酸化物に含まれる金属元素及び酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素及び窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、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、インジウム錫酸化物、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、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、金属酸化物４０６に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。又は、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。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と、を組み合わせた積層構造としてもよい。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と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合は、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
＜金属酸化物４０６に適用可能な金属酸化物＞
以下に、本発明に係る金属酸化物４０６について説明する。金属酸化物４０６として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。
金属酸化物４０６は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム又はスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種が含まれていてもよい。
ここで、金属酸化物４０６が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する場合を考える。なお、金属酸化物４０６が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、及び［Ｚｎ］とする。
以下に、図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）、及び図１７（Ｃ）を用いて、金属酸化物４０６が有するインジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）、及び図１７（Ｃ）には、酸素の原子数比については記載しない。また、金属酸化物４０６が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、及び［Ｚｎ］とする。
図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）、及び図１７（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：１の原子数比（－１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：４の原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：５の原子数比となるラインを表す。
また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるラインを表す。
また、図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）、及び図１７（Ｃ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、及びその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。
図１７（Ａ）に示す領域Ａは、金属酸化物４０６が有する、インジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。したがって、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。
一方、金属酸化物中のインジウム及び亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。したがって、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、及びその近傍値である場合（例えば図１７（Ｃ）に示す領域Ｃ）は、絶縁性が高くなる。
例えば、金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図１７（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物は、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３から４．１、及びその近傍値程度になるようにすればよい。一方、金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物は、絶縁性が比較的高い、図１７（Ｃ）の領域Ｃで示される原子数比を有することが好ましい。金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物は、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４程度になるようにすればよい。
特に、図１７（Ｂ）に示す領域Ｂでは、領域Ａの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。
なお、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及びその近傍値を含む。近傍値には、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、及びその近傍値、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７、及びその近傍値を含む。
また、金属酸化物４０６として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を用いる場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成膜される金属酸化物の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、金属酸化物４０６に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の近傍となる場合がある。また、金属酸化物４０６に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６［原子数比］の近傍となる場合がある。
なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物４０６をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。したがって、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。
＜金属酸化物の構成＞
以下では、ＯＳトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、又は材料の構成の一例を表す。
ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
また、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
また、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
また、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
すなわち、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、又は金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
＜金属酸化物の構造＞
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及び非晶質酸化物半導体などがある。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、及び七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、及び酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
＜金属酸化物を有するトランジスタ＞
続いて、上記金属酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。
なお、上記金属酸化物をトランジスタに用いることで、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。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、トランジスタは、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおけるキャリア密度が低いことが好ましい。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。例えば、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおけるキャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０－９／ｃｍ３以上とすればよい。
また、高純度真性又は実質的に高純度真性である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失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、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ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。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
＜不純物＞
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおけるシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳにより得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、金属酸化物にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおいて、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａに窒素が含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の窒素濃度は、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、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａに水素が多く含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の不純物を十分に低減することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
＜＜トランジスタ２０１＞＞
次に、図１４に示すトランジスタ２０１の詳細について説明を行う。
図１８（Ａ）は、トランジスタ２０１の上面図である。また、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２０１のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２０１のチャネル幅方向の断面図でもある。図１８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、トランジスタ２０１の構成要素のうち、トランジスタ２００と共通のものについては、符号を同じくする。
図１８（Ａ）から（Ｃ）に示すように、トランジスタ２０１は、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された金属酸化物４０６ａと、金属酸化物４０６ａの上面の少なくとも一部に接して配置された金属酸化物４０６ｂと、金属酸化物４０６ｂの上面の少なくとも一部に接して配置された導電体４５２ａ及び導電体４５２ｂと、金属酸化物４０６ｂの上面の少なくとも一部に接し且つ導電体４５２ａ及び導電体４５２ｂの上に配置された金属酸化物４０６ｃと、金属酸化物４０６ｃの上に配置された絶縁体４１３と、絶縁体４１３の上に配置された導電体４０５ａと、導電体４０５ａの上に配置された導電体４０５ｂと、導電体４０５ｂの上に配置された絶縁体４２０と、を有する。
導電体４０５（導電体４０５ａおよび導電体４０５ｂ）は、トップゲートとして機能でき、導電体３１０は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲート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。
導電体４０５ａは、図１５の導電体４０４ａと同様の材料を用いて設けることができる。導電体４０５ｂは、図１５の導電体４０４ｂと同様の材料を用いて設けることができる。
導電体４５２ａはソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体４５２ｂはソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する。
導電体４５２ａ、４５２ｂ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、銀、タンタル、又はタングステンなどの金属、又はこれを主成分とする合金を用いることができる。また、図では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。また、酸化インジウム、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
トランジスタ２０１において、チャネルは金属酸化物４０６ｂに形成されることが好ましい。そのため、金属酸化物４０６ｃは金属酸化物４０６ｂよりも絶縁性が比較的高い材料を用いることが好ましい。金属酸化物４０６ｃは、金属酸化物４０６ａと同様の材料を用いればよい。
トランジスタ２０１は、金属酸化物４０６ｃを設けることで、トランジスタ２０１を埋め込みチャネル型のトランジスタとすることができる。また、導電体４５２ａ及び導電体４５２ｂの端部の酸化を防ぐことができる。また、導電体４０５と導電体４５２ａ（または導電体４０５と導電体４５２ｂ）との間のリーク電流を防ぐことができる。なお、金属酸化物４０６ｃは、場合によっては省略してもよい。
絶縁体４２０は、水又は水素などの不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体４２０として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウム又は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなどを用いればよい。
トランジスタ２０１は、絶縁体４２０を設けることで、導電体４０５が酸化することを防ぐことができる。また、水又は水素などの不純物が、金属酸化物４０６へ侵入することを防ぐことができる。
トランジスタ２０１は、トランジスタ２００と比べて、金属酸化物４０６ｂと電極（ソース電極またはドレイン電極）との接触面積を大きくすることができる。また、図１５に示す領域４２６ｂ及び領域４２６ｃを作製する工程が不要になる。そのため、トランジスタ２０１は、トランジスタ２００よりもオン電流を大きくすることができる。また製造工程を簡略化することができる。
トランジスタ２０１のその他の構成要素の詳細は、トランジスタ２００の記載を参照すればよい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様の撮像装置の一例について、図面を参照して説明する。
図１９に、上述した画素回路を有する撮像装置の画素の構成の一例を示す。当該画素は、層１０６１、層１０６２及び層１０６３を有し、それぞれが互いに重なる領域を有する構成とすることができる。
層１０６１は、光電変換素子１０５０の構成を有する。光電変換素子１０５０は、画素電極に相当する電極１０６５と、光電変換部１０６６と、共通電極に相当する電極１０６７を有する。
電極１０６５には、低抵抗の金属層などを用いることが好ましい。例えば、アルミニウム、チタン、タングステン、タンタル、銀又はそれらの積層を用いることができる。
電極１０６７には、可視光（Ｌｉｇｈｔ）に対して高い透光性を有する導電層を用いることが好ましい。例えば、インジウム酸化物、錫酸化物、亜鉛酸化物、インジウム錫酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、インジウムガリウム亜鉛酸化物、又はグラフェンなどを用いることができる。なお、電極１０６７を省く構成とすることもできる。
光電変換部１０６６には、例えばセレン系材料を光電変換層としたｐｎ接合型フォトダイオードなどを用いることができる。層１０６６ａとしてはｐ型半導体であるセレン系材料を用い、層１０６６ｂとしてはｎ型半導体であるガリウム酸化物などを用いることが好ましい。
セレン系材料を用いた光電変換素子は、可視光に対する外部量子効率が高い特性を有する。当該光電変換素子では、アバランシェ増倍効果を利用することにより、入射される光量に対する電子の増幅が大きい高感度のセンサとすることができる。また、セレン系材料は光吸収係数が高いため、光電変換層を薄膜で作製できるなどの生産上の利点を有する。セレン系材料の薄膜は、真空蒸着法又はスパッタ法などを用いて形成することができる。
セレン系材料としては、単結晶セレンや多結晶セレンなどの結晶性セレン、非晶質セレン、銅、インジウム、セレンの化合物（ＣＩＳ）、又は、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物（ＣＩＧＳ）などを用いることができる。
ｎ型半導体は、バンドギャップが広く、可視光に対して透光性を有する材料で形成することが好ましい。例えば、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、インジウム酸化物、錫酸化物、又はそれらが混在した酸化物などを用いることができる。また、これらの材料は正孔注入阻止層としての機能も有し、暗電流を小さくすることもできる。
なお、層１０６１は上記構成に限らず、層１０６６ａにｐ型シリコン半導体又はｎ型シリコン半導体の一方を用い、層１０６６ｂにｐ型シリコン半導体又はｎ型シリコン半導体の他方を用いたｐｎ接合型フォトダイオードであってもよい。又は、層１０６６ａと層１０６６ｂとの間にｉ型シリコン半導体層を設けたｐｉｎ接合型フォトダイオードであってもよい。
上記ｐｎ接合型フォトダイオード又はｐｉｎ接合型フォトダイオードは、単結晶シリコンを用いて形成することができる。このとき、層１０６１と層１０６２とは、貼り合わせ工程を用いて電気的な接合を得ることが好ましい。また、ｐｉｎ接合型フォトダイオードとしては、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどの薄膜を用いて形成することもできる。
層１０６２は、例えば、ＯＳトランジスタ（トランジスタ５１、トランジスタ５２）を有する層とすることができる。図８（Ａ）に示す画素の回路構成では、光電変換素子１０５０に入射される光の強度が小さいときに電荷検出部の電位が小さくなる。ＯＳトランジスタは極めてオフ電流が低いため、ゲート電位が極めて小さい場合においても当該ゲート電位に応じた電流を正確に出力することができる。したがって、検出することのできる照度のレンジ、すなわちダイナミックレンジを広げることができる。
また、トランジスタ５１及びトランジスタ５２の低いオフ電流特性によって、電荷蓄積部（ノードＮＤ１）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。そのため、回路構成や動作方法を複雑にすることなく、全画素で同時に電荷の蓄積動作を行うグローバルシャッタ方式を適用することができる。
層１０６３は、支持基板又はＳｉトランジスタ（トランジスタ５３、トランジスタ５４）を有する層とすることができる。当該Ｓｉトランジスタは、単結晶シリコン基板に活性領域を有する構成のほか、絶縁表面上に結晶系のシリコン活性層を有する構成とすることができる。なお、層１０６３に単結晶シリコン基板を用いる場合は、当該単結晶シリコン基板にｐｎ接合型フォトダイオード又はｐｉｎ接合型フォトダイオードを形成してもよい。この場合、層１０６１を省くことができる。
図２０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１９に示す撮像装置の具体的な構成を説明する図である。例えば、図８（Ａ）に示したトランジスタ５１、５２、５３、５４は、順に図２０のトランジスタ１０５１、１０５２、１０５３、１０５４に対応する。図２０（Ａ）は、トランジスタ１０５１、１０５２、１０５３、１０５４のチャネル長方向を示す断面図である。図２０（Ｂ）は一点鎖線Ａ１－Ａ２の断面図であり、トランジスタ１０５１のチャネル幅方向の断面を示している。図２０（Ｃ）は一点鎖線Ｂ１－Ｂ２の断面図であり、トランジスタ１０５４のチャネル幅方向の断面を示している。ここでは、紙面の都合上、図８（Ａ）の示したトランジスタ５５、容量素子３３、及び容量素子３４は図示していない。
撮像装置は、層１０６１乃至層１０６３の積層とすることができる。層１０６１は、セレン層を有する光電変換素子１０５０の他、隔壁１０９２を有する構成とすることができる。隔壁１０９２は、電極１０６５の段差を覆うように設けられる。光電変換素子１０５０に用いるセレン層は高抵抗であり、画素間で分離しない構成とすることができる。
層１０６２にはＯＳトランジスタであるトランジスタ１０５１、１０５２が設けられる。トランジスタ１０５１、１０５２はともにバックゲート１０９１を有する構成を示しているが、いずれかがバックゲートを有する形態であってもよい。バックゲート１０９１は、図２０（Ｂ）に示すように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。又は、バックゲート１０９１にフロントゲートとは異なる固定電位を供給することができる構成であってもよい。
また、図２０（Ａ）では、ＯＳトランジスタとしてセルフアラインのトップゲート型トランジスタを例示しているが、図２１（Ａ）に示すように、ノンセルフアライン型のトランジスタであってもよい。
層１０６３には、Ｓｉトランジスタであるトランジスタ１０５３及びトランジスタ１０５４が設けられる。図２０（Ａ）においてＳｉトランジスタはシリコン基板１２００に設けられたフィン型の半導体層を有する構成を例示しているが、図２１（Ｂ）に示すように、シリコン基板１２０１に活性領域を有するプレーナー型であってもよい。又は、図２１（Ｃ）に示すようにシリコン薄膜の半導体層１２１０を有するトランジスタであってもよい。半導体層１２１０は、例えば、シリコン基板１２０２上の絶縁層１２２０上に形成された単結晶シリコン（ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ））とすることができる。又は、ガラス基板などの絶縁表面上に形成された多結晶シリコンであってもよい。この他、層１０６３には画素を駆動するための回路を設けることができる。
ＯＳトランジスタが形成される領域とＳｉトランジスタが形成される領域との間には、水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層１０９３が設けられる。トランジスタ１０５３、１０５４の活性領域近傍に設けられる絶縁層中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端する。一方、トランジスタ１０５１、１０５２の活性層である酸化物半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体層中にキャリアを生成する要因の一つとなる。
絶縁層１０９３により、一方の層に水素を閉じ込めることでトランジスタ１０５３、１０５４の信頼性を向上させることができる。また、一方の層から他方の層への水素の拡散が抑制されることでトランジスタ１０５１、１０５２の信頼性も向上させることができる。
絶縁層１０９３としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等を用いることができる。
図２２（Ａ）は、本発明の一態様の撮像装置にカラーフィルタ等を付加した例を示す断面図である。当該断面図では、３画素分の画素回路を有する領域の一部を示している。光電変換素子１０５０が形成される層１０６１上には、絶縁層１３００が形成される。絶縁層１３００は可視光に対して透光性の高い酸化シリコン膜などを用いることができる。また、パッシベーション膜として窒化シリコン膜を積層してもよい。また、反射防止膜として、酸化ハフニウムなどの誘電体膜を積層してもよい。
絶縁層１３００上には、遮光層１３１０が形成されてもよい。遮光層１３１０は、上部のカラーフィルタを通る光の混色を防止する機能を有する。遮光層１３１０には、アルミニウム、タングステンなどの金属層を用いることができる。また、当該金属層と反射防止膜としての機能を有する誘電体膜を積層してもよい。
絶縁層１３００及び遮光層１３１０上には、平坦化膜として有機樹脂層１３２０を設けることができる。また、画素別にカラーフィルタ１３３０（カラーフィルタ１３３０ａ、カラーフィルタ１３３０ｂ、カラーフィルタ１３３０ｃ）が形成される。例えば、カラーフィルタ１３３０ａ、カラーフィルタ１３３０ｂ及びカラーフィルタ１３３０ｃに、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｙ（黄）、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）などの色を割り当てることにより、カラー画像を得ることができる。
カラーフィルタ１３３０上には、可視光に対して透光性を有する絶縁層１３６０などを設けることができる。
また、図２２（Ｂ）に示すように、カラーフィルタ１３３０の代わりに光学変換層１３５０を用いてもよい。このような構成とすることで、様々な波長領域における画像が得られる撮像装置とすることができる。
例えば、光学変換層１３５０に可視光線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層１３５０に近赤外線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば遠赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層１３５０に可視光線の波長以上の光を遮るフィルタを用いれば紫外線撮像装置とすることができる。
また、光学変換層１３５０にシンチレータを用いれば、Ｘ線撮像装置などに用いる、放射線の強弱を可視化した画像を得る撮像装置とすることができる。被写体を透過したＸ線等の放射線がシンチレータに入射されると、フォトルミネッセンス現象により可視光線や紫外光線などの光（蛍光）に変換される。そして、当該光を光電変換素子１０５０で検知することにより画像データを取得する。また、放射線検出器などに当該構成の撮像装置を用いてもよい。
シンチレータは、Ｘ線やガンマ線などの放射線が照射されると、そのエネルギーを吸収して可視光や紫外光を発する物質を含む。例えば、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｔｂ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｐｒ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＦＣｌ：Ｅｕ、ＮａＩ、ＣｓＩ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＣｅＦ３、ＬｉＦ、ＬｉＩ、ＺｎＯなどを樹脂やセラミクスに分散させたものを用いることができる。
なお、セレン系材料を用いた光電変換素子１０５０においては、Ｘ線等の放射線を電荷に直接変換することができるため、シンチレータを不要とする構成とすることもできる。
また、図２２（Ｃ）に示すように、カラーフィルタ１３３０ａ、カラーフィルタ１３３０ｂ及びカラーフィルタ１３３０ｃ上にマイクロレンズアレイ１３４０を設けてもよい。マイクロレンズアレイ１３４０が有する個々のレンズを通る光が直下のカラーフィルタを通り、光電変換素子１０５０に照射されるようになる。また、図２２（Ｂ）に示す光学変換層１３５０上にマイクロレンズアレイ１３４０を設けてもよい。
以下では、イメージセンサチップを収めたパッケージ及びカメラモジュールの一例について説明する。当該イメージセンサチップには、上記撮像装置の構成を用いることができる。
図２３（Ａ１）は、イメージセンサチップを収めたパッケージの上面側の外観斜視図である。当該パッケージは、イメージセンサチップ１４５０を固定するパッケージ基板１４１０、カバーガラス１４２０及び両者を接着する接着剤１４３０等を有する。
図２３（Ａ２）は、当該パッケージの下面側の外観斜視図である。パッケージの下面には、半田ボールをバンプ１４４０としたＢＧＡ（Ｂａｌｌ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）の構成を有する。なお、ＢＧＡに限らず、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）やＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）などであってもよい。
図２３（Ａ３）は、カバーガラス１４２０及び接着剤１４３０の一部を省いて図示したパッケージの斜視図である。パッケージ基板１４１０上には電極パッド１４６０が形成され、電極パッド１４６０及びバンプ１４４０はスルーホールを介して電気的に接続されている。電極パッド１４６０は、イメージセンサチップ１４５０とワイヤ１４７０によって電気的に接続されている。
また、図２３（Ｂ１）は、イメージセンサチップをレンズ一体型のパッケージに収めたカメラモジュールの上面側の外観斜視図である。当該カメラモジュールは、イメージセンサチップ１４５１を固定するパッケージ基板１４１１、レンズカバー１４２１、及びレンズ１４３５等を有する。また、パッケージ基板１４１１及びイメージセンサチップ１４５１の間には撮像装置の駆動回路及び信号変換回路などの機能を有するＩＣチップ１４９０も設けられており、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐａｃｋａｇｅ）としての構成を有している。
図２３（Ｂ２）は、当該カメラモジュールの下面側の外観斜視図である。パッケージ基板１４１１の下面及び側面には、実装用のランド１４４１が設けられるＱＦＮ（Ｑｕａｄ ｆｌａｔ ｎｏ－ｌｅａｄ ｐａｃｋａｇｅ）の構成を有する。なお、当該構成は一例であり、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ ｆｌａｔ ｐａｃｋａｇｅ）や前述したＢＧＡ等であってもよい。
図２３（Ｂ３）は、レンズカバー１４２１及びレンズ１４３５の一部を省いて図示したモジュールの斜視図である。ランド１４４１は電極パッド１４６１と電気的に接続され、電極パッド１４６１はイメージセンサチップ１４５１又はＩＣチップ１４９０とワイヤ１４７１によって電気的に接続されている。
イメージセンサチップを上述したような形態のパッケージに収めることでプリント基板等への実装が容易になり、イメージセンサチップを様々な半導体装置、電子機器に組み込むことができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態７）
本発明の一態様に係る撮像装置を用いることができる電子機器として、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像記憶装置又は画像再生装置、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、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。これら電子機器の具体例を図２４に示す。図２４に示す電子機器では、本発明の一態様の画像検出モジュールを用いることで、ニューラルネットワークで顔認証を行い、撮像装置によって対象物にフォーカスすることで品質の高い画像を得ることができる。
図２４（Ａ）は監視カメラであり、筐体９５１、レンズ９５２、支持部９５３等を有する。当該監視カメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。なお、監視カメラとは慣用的な名称であり、用途を限定するものではない。例えば監視カメラとしての機能を有する機器はカメラ、又はビデオカメラとも呼ばれる。
図２４（Ｂ）はビデオカメラであり、第１筐体９７１、第２筐体９７２、表示部９７３、操作キー９７４、レンズ９７５、接続部９７６等を有する。操作キー９７４及びレンズ９７５は第１筐体９７１に設けられており、表示部９７３は第２筐体９７２に設けられている。当該ビデオカメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図２４（Ｃ）はデジタルカメラであり、筐体９６１、シャッターボタン９６２、マイク９６３、発光部９６７、レンズ９６５等を有する。当該デジタルカメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図２４（Ｄ）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、操作用のボタン９３５、竜頭９３６、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。当該情報端末における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図２４（Ｅ）は携帯電話機の一例であり、筐体９８１、表示部９８２、操作ボタン９８３、外部接続ポート９８４、スピーカ９８５、マイク９８６、カメラ９８７等を有する。当該携帯電話機は、表示部９８２にタッチセンサを備える。電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指やスタイラスなどで表示部９８２に触れることで行うことができる。当該携帯電話機における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図２４（Ｆ）は携帯データ端末であり、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。当該携帯データ端末における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
図２５（Ａ）に示すロボット２１００は、演算装置２１１０、照度センサ２１０１、マイクロフォン２１０２、画像検出モジュール２１０３、スピーカ２１０４、ディスプレイ２１０５、画像検出モジュール２１０６及び障害物センサ２１０７、移動機構２１０８を備える。
ロボット２１００において、演算装置２１１０、照度センサ２１０１、画像検出モジュール２１０３、ディスプレイ２１０５、画像検出モジュール２１０６及び障害物センサ２１０７等に、上記電子部品を使用することができる。
マイクロフォン２１０２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２１０４は、音声を発する機能を有する。ロボット２１００は、マイクロフォン２１０２及びスピーカ２１０４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。
ディスプレイ２１０５は、種々の情報の表示を行う機能を有する。ロボット２１００は、使用者の望みの情報をディスプレイ２１０５に表示することが可能である。ディスプレイ２１０５は、タッチパネルを搭載していてもよい。
画像検出モジュール２１０３及び画像検出モジュール２１０６は、ロボット２１００の周囲を撮像する機能を有する。また、障害物センサ２１０７は、移動機構２１０８を用いてロボット２１００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２１００は、画像検出モジュール２１０３、画像検出モジュール２１０６及び障害物センサ２１０７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。
図２５（Ｂ）に示す飛行体２１２０は、演算装置２１２１と、プロペラ２１２３と、画像検出モジュール２１２２と、を有し、自立して飛行する機能を有する。
飛行体２１２０は、画像検出モジュール２１２２によって指定された空間内の学習済の画像の特徴を有する対象物を検索し、検出した対象物の位置情報をデータサーバに送信することができる。
図２５（Ｃ）は、自動車の一例を示す外観図である。自動車２１３０は、画像検出モジュール２１３１及び画像検出モジュール２１３２を有する。図示はしていないが複数の画像検出モジュールを備えていることが好ましい。例えば、後方の画像を取得するために、後方位置に画像検出モジュールを有していることが好ましい。また、自動車２１３０は、赤外線レーダー、ミリ波レーダー、レーザーレーダーなど各種センサなどを備える。自動車２１３０は、画像検出モジュール２１３１及び画像検出モジュール２１３２が撮影した画像を解析し、歩行者の有無など、周囲の交通状況を判断し、自動運転を行うことができる。
図２５（Ｄ）は、ロボットの一例を示している。ロボット２１４０は、それぞれの指先に画像検出モジュール２１４１ａ乃至２１４１ｅを有する。ロボット２１４０は、画像検出モジュール２１４１ａ乃至２１４１ｅのニューラルネットワークを用いて、複数ある対象物から指定された対象物を選択し、つかむ、よけるなどの動作に対して応答性を向上させることができる。対象物を選択するときは、学習しながら、選別をすることが重要である。つまり撮像された画像は、データサーバに送信したのち、ニューラルネットワークは撮像された画像を用いて再度学習をすることができる。
図２５（Ｅ）は、産業用ロボットの一例を示している。産業用ロボットは、駆動範囲を細かく制御するために複数の駆動軸を有することが好ましい。産業用ロボット２１５０は、機能部２１５１、制御部２１５２、駆動軸２１５３、駆動軸２１５４、及び駆動軸２１５５を備えた例を示している。機能部２１５１は画像検出モジュールを有していることが好ましい。
また、機能部２１５１は、対象物をつかむ、切る、溶接する、塗布する、貼付するなどの機能のいずれか一もしくは複数の機能を有していることが好ましい。産業用ロボット２１５０は、応答性が向上すると、生産性が比例して向上する。したがって、対象物の認識を早くするためには、画像検出モジュールを用いることが好ましい。
また、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、及び発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、又は様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子又は発光装置は、例えば、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤチップ（白色ＬＥＤチップ、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、電子放出素子、カーボンナノチューブを用いた表示素子、液晶素子、電子インク、エレクトロウェッティング素子、電気泳動素子、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子（例えば、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェロメトリック・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、圧電セラミックディスプレイなど）、又は、量子ドットなどの少なくとも一つを有している。これらの他にも、表示素子、表示装置、発光素子又は発光装置は、電気的又は磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）又はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク、電子粉流体（登録商標）、又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。量子ドットを各画素に用いた表示装置の一例としては、量子ドットディスプレイなどがある。なお、量子ドットは、表示素子としてではなく、バックライトの一部に設けてもよい。量子ドットを用いることにより、色純度の高い表示を行うことができる。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、又は、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、又は、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。なお、ＬＥＤチップを用いる場合、ＬＥＤチップの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体層などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体層などを設けて、ＬＥＤチップを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体層との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤチップが有するＧａＮ半導体層は、ＭＯＣＶＤで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤチップが有するＧａＮ半導体層は、スパッタ法で成膜することも可能である。また、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子においては、表示素子が封止されている空間（例えば、表示素子が配置されている素子基板と、素子基板に対向して配置されている対向基板との間）に、乾燥剤を配置してもよい。乾燥剤を配置することにより、ＭＥＭＳなどが水分によって動きにくくなることや、劣化しやすくなることを防止することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（本明細書等の記載に関する付記）
以上の実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
＜実施の形態で述べた本発明の一態様に関する付記＞
各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、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）と、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）との少なくとも一つの内容に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことができる。
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）と、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）との少なくとも一つの図に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることができる。
＜序数詞に関する付記＞
本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。したがって、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
＜図面を説明する記載に関する付記＞
実施の形態について図面を参照しながら説明している。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなく、その形態及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。したがって、本発明は、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、実施の形態の発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上又は直下で、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、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
また、図面において、斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。
また、図面において、同一の要素又は同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
＜言い換え可能な記載に関する付記＞
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。また、本明細書等では、ゲート以外の２つの端子を第１端子、第２端子と呼ぶ場合や、第３端子、第４端子と呼ぶ場合がある。また、本明細書等に記載するトランジスタが２つ以上のゲートを有するとき（この構成をデュアルゲート構造という場合がある）、それらのゲートを第１ゲート、第２ゲートと呼ぶ場合や、フロントゲート、バックゲートと呼ぶ場合がある。特に、「フロントゲート」という語句は、単に「ゲート」という語句に互いに言い換えることができる。また、「バックゲート」という語句は、単に「ゲート」という語句に互いに言い換えることができる。なお、ボトムゲートとは、トランジスタの作製時において、チャネル形成領域よりも先に形成される端子のことをいい、「トップゲート」とは、トランジスタの作製時において、チャネル形成領域よりも後に形成される端子のことをいう。
トランジスタは、ゲート、ソース、及びドレインと呼ばれる３つの端子を有する。ゲートは、トランジスタの導通状態を制御する制御端子として機能する端子である。ソース又はドレインとして機能する２つの入出力端子は、トランジスタの型及び各端子に与えられる電位の高低によって、一方がソースとなり他方がドレインとなる。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、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。
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位（接地電位）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、又は、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。又は、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。又は、場合によっては、又は、状況に応じて、「膜」、「層」などの語句を使わずに、別の用語に入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」又は「導電膜」という用語を、「導電体」という用語に変更することが可能な場合がある。又は、例えば、「絶縁層」「絶縁膜」という用語を、「絶縁体」という用語に変更することが可能な場合がある。
なお本明細書等において、「配線」、「信号線」、「電源線」などの用語は、場合によっては、又は、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、「配線」という用語を、「信号線」という用語に変更することが可能な場合がある。また、例えば、「配線」という用語を、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号線」「電源線」などの用語を、「配線」という用語に変更することが可能な場合がある。「電源線」などの用語は、「信号線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で「信号線」などの用語は、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、配線に印加されている「電位」という用語を、場合によっては、又は、状況に応じて、「信号」などという用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号」などの用語は、「電位」という用語に変更することが可能な場合がある。
＜語句の定義に関する付記＞
以下では、上記実施の形態中で言及した語句の定義について説明する。
＜＜半導体の不純物について＞＞
半導体の不純物とは、例えば、半導体層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である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、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。
＜＜トランジスタについて＞＞
本明細書において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域又はドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域又はソース電極）の間にチャネル形成領域を有する。ゲート－ソース間にしきい値電圧を超える電圧を与えることによって、チャネル形成領域にチャネルが形成され、ソース‐ドレイン間に電流を流すことができる。
また、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、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
＜＜スイッチについて＞＞
本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、又は、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するものをいう。又は、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。
電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタなど）、ダイオード（例えば、ＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、ショットキーダイオード、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）ダイオード、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど）、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。
なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性（導電型）は特に限定されない。
機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。
＜＜接続について＞＞
本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と記載する場合は、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を含むものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも含むものとする。
ここで使用するＸ、Ｙなどは、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）、又は、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。
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（信号振幅又は電流量などを大きくできる回路、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とが電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、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）とを含むものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、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じであるとする。
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できる。
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。又は、「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。又は、「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。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。
＜＜平行、垂直について＞＞
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。
ＣＦ２：カラーフィルタ、ＮＤ１：ノード、ＮＤ２：ノード、ＮＤ３：ノード、ＮＤ４：ノード、ＮＮ１：ニューラルネットワーク、ＮＮ２：ニューラルネットワーク、１０：画像検出モジュール、１０ａ：筐体、１０ｂ：開口部、１０ｃ：固定具、１１：プロセッサ、１２：記憶装置、１３：ニューラルネットワーク、１３ａ：撮像装置、１３ｂ：アナログデジタル変換回路、１３ｃ：ＧＰＵ、１３ｄ：撮像装置、１３ｅ：撮像部、１４：発光素子、１５：位置センサ、１６：バッテリ、１７：受動素子、１８：通信モジュール、２１：画素、２１ａ：配線、２２：ゲートドライバ、２３：加算回路、３１：容量素子、３２：容量素子、３３：容量素子、３４：容量素子、３５：容量素子、３６：容量素子、４０：環境モニタモジュール、４０ａ：制御部、４０ｂ：筐体、４１：プロセッサ、４２：記憶装置、４３：環境センサモジュール、４３ａ：環境センサモジュール、４３ｂ：環境センサモジュール、４３ｃ：環境センサモジュール、４３ｄ：環境センサモジュール、４４：発光素子、４５：位置センサ、４６：バッテリ、４７：バッテリ、４８：通信モジュール、５１：トランジスタ、５２：トランジスタ、５３：トランジスタ、５４：トランジスタ、５５：トランジスタ、５６：トランジスタ、５７：トランジスタ、５８：トランジスタ、６１：信号線、６２：信号線、６５：信号線、６６：信号線、６７：信号線、６８：信号線、６９：信号線、７１：配線、７２：配線、７３：配線、７４：配線、７５：配線、７６：配線、７７：配線、８０：データサーバ、８１：プロセッサ、８２：記憶装置、８３：ニューラルネットワーク、８８：通信モジュール、９１：ニューロン、９１ａ：入力素子、９１ｂ：シナプス回路、９１ｃ：シグモイド関数回路、１００：半導体装置、１１０：導電体、１１２：導電体、１２０：導電体、１３０：絶縁体、１４０：容量素子、１５０：絶縁体、１５６：導電体、１６０：絶縁体、１６６：導電体、２００：トランジスタ、２０１：トランジスタ、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２０：絶縁体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２２５：絶縁体、２４６：導電体、２４８：導電体、２８０：絶縁体、２８２：絶縁体、２８６：絶縁体、３００：トランジスタ、３１０：導電体、３１０ａ：導電体、３１０ｂ：導電体、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４０４：導電体、４０４ａ：導電体、４０４ｂ：導電体、４０５：導電体、４０５ａ：導電体、４０５ｂ：導電体、４０６：金属酸化物、４０６ａ：金属酸化物、４０６ｂ：金属酸化物、４０６ｃ：金属酸化物、４１２：絶縁体、４１３：絶縁体、４１８：絶縁体、４１９：絶縁体、４２０：絶縁体、４２６ａ：領域、４２６ｂ：領域、４２６ｃ：領域、４４０：導電体、４４０ａ：導電体、４４０ｂ：導電体、４５０ａ：導電体、４５０ｂ：導電体、４５１ａ：導電体、４５１ｂ：導電体、４５２ａ：導電体、４５２ｂ：導電体、９１１：筐体、９１２：表示部、９１９：カメラ、９３１：筐体、９３２：表示部、９３３：リストバンド、９３５：ボタン、９３６：竜頭、９３９：カメラ、９５１：筐体、９５２：レンズ、９５３：支持部、９６１：筐体、９６２：シャッターボタン、９６３：マイク、９６５：レンズ、９６７：発光部、９７１：筐体、９７２：筐体、９７３：表示部、９７４：操作キー、９７５：レンズ、９７６：接続部、９８１：筐体、９８２：表示部、９８３：操作ボタン、９８４：外部接続ポート、９８５：スピーカ、９８６：マイク、９８７：カメラ、１０５０：光電変換素子、１０５２：トランジスタ、１０５４：トランジスタ、１０６１：層、１０６２：層、１０６３：層、１０６５：電極、１０６６：光電変換部、１０６６ａ：層、１０６６ｂ：層、１０６７：電極、１０９１：バックゲート、１０９２：隔壁、１０９３：絶縁層、１２００：シリコン基板、１２０１：シリコン基板、１２０２：シリコン基板、１２１０：半導体層、１２２０：絶縁層、１３００：絶縁層、１３１０：遮光層、１３２０：有機樹脂層、１３３０：カラーフィルタ、１３３０ａ：カラーフィルタ、１３３０ｂ：カラーフィルタ、１３３０ｃ：カラーフィルタ、１３４０：マイクロレンズアレイ、１３５０：光学変換層、１３６０：絶縁層、１４１０：パッケージ基板、１４１１：パッケージ基板、１４２０：カバーガラス、１４２１：レンズカバー、１４３０：接着剤、１４３５：レンズ、１４４０：バンプ、１４４１：ランド、１４５０：イメージセンサチップ、１４５１：イメージセンサチップ、１４６０：電極パッド、１４６１：電極パッド、１４７０：ワイヤ、１４７１：ワイヤ、１４９０：ＩＣチップ、２１００：ロボット、２１０１：照度センサ、２１０２：マイクロフォン、２１０３：画像検出モジュール、２１０４：スピーカ、２１０５：ディスプレイ、２１０６：画像検出モジュール、２１０７：障害物センサ、２１０８：移動機構、２１１０：演算装置、２１２０：飛行体、２１２１：演算装置、２１２２：画像検出モジュール、２１２３：プロペラ、２１３０：自動車、２１３１：画像検出モジュール、２１３２：画像検出モジュール、２１４０：ロボット、２１４１ａ：画像検出モジュール、２１４１ｅ：画像検出モジュール、２１５０：産業用ロボット、２１５１：機能部、２１５２：制御部、２１５３：駆動軸、２１５４：駆動軸、２１５５：駆動軸

Claims (4)

  1. ニューロンの機能と撮像素子の機能とを有する画素を複数有し、
    前記画素は、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、第１の容量、第２の容量、及び光電変換素子を有し、
    前記光電変換素子は、前記第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのゲートは、前記第１の容量の電極の一方と電気的に接続され、
    前記第１の容量の電極の他方は、前記第２の容量の電極の一方と電気的に接続され、
    前記第１の容量の電極の他方は、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電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのゲートには、前記光電変換素子で生じた光電流に対応した電荷が保持され、
    前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方には、学習用のデータ電位が入力され、
    前記第２の容量の電極の他方には、重み係数に対応する電位が入力される、画像検出モジュールであって、
    前記光電変換素子は、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタと重なるように配置されている、画像検出モジュール。
  2. 複数の画素を有し、
    前記画素は、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、第１の容量、第２の容量、及び光電変換素子を有し、
    前記光電変換素子は、前記第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのゲートは、前記第１の容量の電極の一方と電気的に接続され、
    前記第１の容量の電極の他方は、前記第２の容量の電極の一方と電気的に接続され、
    前記第１の容量の電極の他方は、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電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのゲートには、前記光電変換素子で生じた光電流に対応した電荷が保持され、
    前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方には、学習用のデータ電位が入力され、
    前記第２の容量の電極の他方には、重み係数に対応する電位が入力される、画像検出モジュールであって、
    前記光電変換素子は、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタと重なるように配置されている、画像検出モジュール。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記第２のトランジスタのチャネル形成領域は酸化物半導体を有する、画像検出モジュール。
  4. 請求項１又は請求項２において、
    前記第１のトランジスタのチャネル形成領域はシリコンを有し、
    前記第２のトランジスタのチャネル形成領域は酸化物半導体を有する、画像検出モジュール。
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