TW202143499A - 攝像裝置、電子裝置及移動體 - Google Patents

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米田誠一
井上広樹
根来雄介
池田𨺓之
山崎舜平
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日商半導體能源研究所股份有限公司
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Abstract

提供一種小型且高功能的攝像裝置。本發明是一種攝像裝置，包括設置在矽基板上的光電轉換器件以及在設置在該矽基板上的矽磊晶生長層中具有通道形成區域的電晶體。設置在磊晶生長層中的電晶體的電特性良好，所以可以形成雜訊較少的攝像裝置。另外，該電晶體可以以具有與光電轉換器件重疊的區域的方式形成，所以可以使攝像裝置小型化。

Description

攝像裝置、電子裝置及移動體
本發明的一個實施方式係關於一種攝像裝置。
注意，本發明的一個實施方式不侷限於上述技術領域。本說明書等所公開的發明的一個實施方式的技術領域係關於一種物體、方法或製造方法。另外，本發明的一個實施方式係關於一種製程(process)、機器(machine)、產品(manufacture)或者組合物(composition of matter)。由此，更明確而言，作為本說明書所公開的本發明的一個實施方式的技術領域的一個例子可以舉出半導體裝置、顯示裝置、液晶顯示裝置、發光裝置、照明設備、蓄電裝置、記憶體裝置、攝像裝置、這些裝置的工作方法或者這些裝置的製造方法。
注意，在本說明書等中，半導體裝置是指能夠藉由利用半導體特性而工作的所有裝置。電晶體和半導體電路為半導體裝置的一個實施方式。另外，記憶體裝置、顯示裝置、攝像裝置、電子裝置有時包含半導體裝置。
使用形成在基板上的氧化物半導體薄膜構成電晶體的技術受到關注。例如，專利文獻1公開了將包括氧化物半導體的關態電流非常低的電晶體用於像素電路的結構的攝像裝置。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2011-119711號公報
安裝於行動電話機等的攝像裝置通常具有能夠取得高解析度的影像的功能。需要在下一代使攝像裝置進一步高功能化。
另一方面，攝像裝置安裝於各種設備，所以需要被小型化。因此，在使攝像裝置高功能化時，較佳為層疊配置所需要的組件。
然而，在層疊多個使用矽基板的器件等的情況下，需要進行拋光工程及貼合工程等多次。因此，仍有良率的提高的課題。
因此，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種高功能的攝像裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種小型的攝像裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種能夠進行高速工作的攝像裝置等。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種高可靠性的攝像裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種新穎攝像裝置等。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種上述撮像裝置的驅動方法。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種新穎半導體裝置等。
注意，這些課題的記載不妨礙其他課題的存在。注意，本發明的一個實施方式並不需要實現所有上述課題。上述課題以外的課題可以顯而易見地從說明書、圖式、申請專利範圍等的描述中看出，並且可以從這些描述中抽取上述課題以外的課題。
本發明的一個實施方式係關於一種具有層疊有多個器件的結構的攝像裝置。
本發明的一個實施方式是一種攝像裝置，包括第一層及第二層，第一層具有與第二層重疊的區域，第一層包括半導體基板以及在半導體基板的第一面具有受光面的光電轉換器件，第二層包括半導體層以及在半導體層中具有通道形成區域的第一電晶體，半導體層接觸於與半導體基板的第一面相反一側的第二面，光電轉換器件與第一電晶體電連接，光電轉換器件及第一電晶體具有彼此重疊的區域。
作為半導體基板可以使用單晶矽基板，作為半導體層可以使用設置在單晶矽基板上的矽磊晶生長層。
第一電晶體可以被用作像素電路或者像素電路的驅動電路的組件。
上述攝像裝置可以還包括第三層，第三層可以具有隔著第二層與第一層重疊的區域，第三層可以包括在通道形成區域包含金屬氧化物的第二電晶體，第二電晶體可以與光電轉換器件及/或第一電晶體電連接，第二電晶體可以具有與光電轉換器件及/或第一電晶體彼此重疊的區域。
金屬氧化物較佳為包含In、Zn、M(M是Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一個或多個)。
第二電晶體可以被用作像素電路或者像素電路的驅動電路的組件。
上述攝像裝置可以還包括第四層，第四層可以具有隔著第一層與第二層重疊的區域，第四層可以包括濾色片，濾色片可以具有與光電轉換器件彼此重疊的區域。
藉由使用本發明的一個實施方式，可以提供一種高功能的攝像裝置。另外，藉由使用本發明的一個實施方式，可以提供一種小型攝像裝置。另外，藉由使用本發明的一個實施方式，可以提供一種能夠進行高速工作的攝像裝置等。另外，藉由使用本發明的一個實施方式，可以提供一種可靠性高的攝像裝置。此外，藉由使用本發明的一個實施方式，可以提供一種新穎攝像裝置等。另外，藉由使用本發明的一個實施方式，可以提供一種上述攝像裝置的驅動方法。另外，藉由使用本發明的一個實施方式，可以提供一種新穎半導體裝置等。
參照圖式對實施方式進行詳細說明。注意，本發明不侷限於下面說明，所屬技術領域的通常知識者可以很容易地理解一個事實就是其方式及詳細內容在不脫離本發明的精神及其範圍的情況下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發明不應該被解釋為僅限定在以下所示的實施方式所記載的內容中。注意，在下面所說明的發明的結構中，在不同的圖式中共同使用相同的元件符號來表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略其重複說明。此外，有時在不同的圖式中適當地省略或改變相同組件的陰影。
另外，即使在電路圖上為一個要素，如果在功能上沒有問題，該要素也可以使用多個要素構成。例如，有時被用作開關的多個電晶體可以串聯或並聯連接。此外，有時對電容器進行分割並將其配置在多個位置上。
此外，有時一個導電體具有佈線、電極及端子等多個功能，在本說明書中，有時對同一要素使用多個名稱。另外，即使在電路圖上示出要素之間直接連接的情況，有時實際上該要素之間藉由一個或多個導電體連接，本說明書中這種結構也包括在直接連接的範疇內。
實施方式1 在本實施方式中，參照圖式說明本發明的一個實施方式的攝像裝置。
本發明的一個實施方式是一種層疊有多個包括矽半導體的器件的攝像裝置。攝像裝置包括在矽基板具有光電轉換層的光電轉換器件(也稱為光電轉換元件)以及在設置在該矽基板上的矽層中具有通道形成區域的電晶體。該矽層是形成在該矽基板上的磊晶生長層。
上述電晶體形成在結晶缺陷少的磊晶生長層中，所以可以形成電特性良好且雜訊較少的攝像裝置。另外，該電晶體可以以具有與光電轉換器件重疊的區域的方式形成，所以藉由使用該電晶體形成像素電路及驅動電路等，可以使攝像裝置小型化。
另外，可以在矽層上形成在通道形成區域包含金屬氧化物的電晶體(以下，OS電晶體)。藉由使用該OS電晶體形成合適的電路，可以不藉由貼合製程等而形成高功能的攝像裝置。
＜疊層結構＞ 圖1是包括本發明的一個實施方式的攝像裝置的像素的剖面的立體圖。像素具有疊層結構，包括層21、層22、層23、層24、層25、層26。層21包括支撐基板等。層22包括佈線等。另外，層22也可以包括電晶體等。層23包括電晶體等。層24包括光電轉換器件等。層25包括光學轉換層等。層26包括微透鏡陣列等。
可以由設置在層22及層23中的電晶體等構成像素電路(光電轉換器件以外)以及像素電路的驅動電路、讀出電路、記憶體電路、運算電路等。注意，在以下說明中將上述電路統稱為功能電路。
使用圖2說明各層的詳細結構。圖2是使圖1所示的疊層結構分離為各層的圖。注意，各層所包括的組件不侷限於圖2所示的組件，也可以包括其他組件。另外，在兩個層彼此接觸的結構中，為了方便起見，配置在兩個層的邊界附近的絕緣層等組件圖示為作為一方層的組件，也可以圖示為另一方層的組件。
另外，在圖2中省略層21的圖示。層21是支撐基板，較佳為硬並具有表面平坦性。例如，可以使用矽等半導體基板、玻璃基板、陶瓷基板、金屬基板、樹脂基板等。另外，也可以採用不設置層21的結構。以下，以合適的順序進行各層的說明。
＜層24＞ 層24包括設置在單晶矽基板441上的光電轉換器件101、絕緣層442及元件分離層443等。以與單晶矽基板441的第一面接觸的方式設置絕緣層442，在與第一面相反一側的第二面上設置具有與單晶矽基板441的導電型相反的導電型的層。光電轉換器件101是pn接面型光電二極體，將單晶矽基板441的第一面設定為受光面。多個光電轉換器件101被元件分離層443分離，並且藉由組合各光電轉換器件101及層25所包括的濾色片進行工作來可以取得用來構成彩色影像的資料。
＜層23＞ 層23包括電路432。另外，也可以包括電路433。在此，電路432可以用作像素電路的組件。另外，電路433可以用作像素電路以外的功能電路的組件。電路432及電路433可以包括在半導體層431中具有通道形成區域的電晶體作為組件。
在此，半導體層431是形成在層24所包括的單晶矽基板441的第二面上的磊晶生長層。矽的磊晶生長層(單晶矽層)例如可以藉由在1150℃至1200℃左右的高溫下使四氯化矽或三氯化矽烷進行氫還原來在單晶矽基板上生長。
習知的構成光電轉換器件及像素電路等的電晶體形成在同一單晶矽基板上。但是，在單晶矽基板中，經過製程而存在有多個氧等雜質，並且在形成光電轉換器件的製程等中產生的結晶缺陷也多。該雜質及結晶缺陷有時對電晶體的電特性等帶來不好影響。
在本發明的一個實施方式中，將電晶體形成在藉由磊晶生長形成的氧等雜質及結晶缺陷少的半導體層431中，所以可以形成電特性良好且雜訊較少的電路。另外，可以以具有與光電轉換器件101重疊的區域的方式形成電路432及電路433，所以可以使攝像裝置小型化。另外，不需要在層24中設置電晶體，所以可以擴大光電轉換器件101的面積而可以提高光敏性。另外，不使用貼合製程等複雜的製程，所以可以提供一種高良率且廉價的攝像裝置。磊晶生長層是從矽單晶基板連續的單晶層，藉由使用二次離子質譜分析法(SIMS)測量氧等雜質的量，可以判定其介面。
＜層22＞ 層22具有設置有佈線及絕緣層等組件的多層結構，包括佈線424、絕緣層421、絕緣層422等。另外，也可以設置有電路423。注意，為了容易理解，以虛線表示在層22與層21間設置的絕緣層422。
電路423是功能電路的組件，其整體或一部分可以使用OS電晶體。OS電晶體可以由薄膜疊層形成，使用與佈線製程等相同的製程形成在Si器件上等。因此，可以不使用貼合製程等而容易層疊電路等。
多個佈線424配置在絕緣層421中或絕緣層421表面等。絕緣層421也可以具有多個層的疊層。佈線424可以用作與層23所包括的電路432及電路433等電連接的佈線。
＜層25＞ 層25是設置有光學轉換層的層，在此示出層25設置有對應於彩色拍攝的濾色片452R、452G1、452G2、452B的例子。另外，層25包括遮光層451。
濾色片452R著色為紅色，濾色片452G1、G2著色為綠色，濾色片452B著色為藍色。濾色片452R、452G1、452G2、452B設置在與分別對應的光電轉換器件101重疊的區域。
遮光層451設置在與各濾色片的邊界重疊的位置上且可以防止透過濾色片的光侵入相鄰像素中。
＜層26＞ 層26包括微透鏡陣列462及絕緣層461。微透鏡陣列462具有藉由集聚所入射的光而高效地使光入射到光電轉換器件101的功能。
＜像素電路1＞
圖3A是說明像素10的一個例子的電路圖。像素10包括光電轉換器件101、電晶體102、電晶體103、電晶體104、電晶體105及電容器106。例如，電晶體102、電晶體103、電晶體104、電晶體105及電容器106可以用作圖2所示的電路432所包括的組件。
光電轉換器件101的一方電極與電晶體102的源極和汲極中一方電連接。電晶體102的源極和汲極中的另一方與電晶體103的源極和汲極中的一方、電晶體104的閘極及電容器106的一方電極電連接。電晶體104的源極和汲極中的一方與電晶體105的源極和汲極中的另一方電連接。
在此，電晶體102的源極和汲極中的另一方、電晶體103的源極和汲極中的一方、電晶體104的閘極與電容器106的一方電極電連接的點記為節點FD。節點FD可以被用作電荷檢測部。
光電轉換器件101的另一方電極與佈線121電連接。電晶體103的源極和汲極中的另一方與佈線122電連接。電晶體104的源極和汲極中的另一方與佈線122電連接。電晶體105的源極和汲極中的另一方與佈線123電連接。
電晶體102的閘極與佈線131電連接。電晶體103的閘極與佈線132電連接。電晶體105的閘極與佈線133電連接。
佈線121及122可以被用作電源線。在圖3A所示的結構中，佈線121可以被用作低電位電源線，佈線122可以被用作高電位電源線。
佈線131、132、133可以被用作用來控制各電晶體的導通的信號線。佈線123可以被用作輸出線，例如與包括相關二次取樣電路(CDS電路)、A/D轉換電路等的讀出電路電連接。
電晶體102具有從光電轉換器件101讀出電荷且控制節點FD的電位的功能。電晶體103具有使節點FD的電位重設的功能。電晶體104被用作源極隨耦電路的組件。電晶體105具有選擇像素的輸出的功能。
另外，如圖3B所示，在像素10的電路中光電轉換器件101的陰極和陽極的連接關係也可以與圖3A所示的連接關係相反。此時，使電晶體103的源極和汲極中的另一方與佈線124電連接且將佈線121、122設為高電位電源線、將佈線124設為低電位電源線即可。
＜佈局1＞ 圖5示出圖3A、圖3B所示的像素10的組件的簡單的佈局的立體圖。圖5示出設置在層23中的電晶體藉由插頭電連接於設置在層22中的佈線或設置在層24中的光電轉換器件的例子。
明確而言，電晶體102的源極和汲極中的一方透過插頭101P與光電轉換器件101的一方電極電連接。電晶體103的源極和汲極中的另一方及電晶體104的源極和汲極中的另一方透過插頭122P與佈線122電連接。電晶體105的源極和汲極中的另一方透過插頭123P與佈線123電連接。電晶體102的閘極透過插頭131P與佈線131電連接。電晶體103的閘極透過插頭132P與佈線132電連接。電晶體105的閘極透過插頭133P與佈線133電連接。
注意，設置在層22中的佈線122、123、131、132、133是多層佈線，不侷限於以彼此平行的方式配置，也可以以有些佈線直交的方式配置。另外，各組件間的電連接也可以用多個插頭進行。另外，各組件間的電連接也可以用插頭及佈線的組合進行。
＜佈局2＞ 圖6示出與圖5不同的佈局的像素10的例子。在圖6所示的佈局中，與圖5不同之處在於：電晶體102及電晶體103設置在層22中。在該佈局中，電晶體102的源極和汲極中的另一方及電晶體103的源極和汲極中的一方透過插頭103P與電晶體104的閘極電連接。
在此，電晶體102及電晶體103可以使用OS電晶體。OS電晶體具有關態電流極低的特性。藉由作為電晶體102、103使用關態電流較低的電晶體，可以使節點FD能夠保持電荷的期間非常長，由此可以讀出劣化少的影像資料。就是說，可以實現在所有像素同時進行拍攝工作的全局快門方式的工作。另外，也可以進行滾動快門方式的工作。
＜像素電路2＞
本發明的一個實施方式的像素10也可以具有圖4A、圖4B所示的電路結構。圖4A、圖4B所示的像素10是對圖3A、圖3B所示的電路追加電晶體107的結構。電晶體107的源極和汲極中的一方與電晶體102的源極和汲極中的一方及電晶體103的源極和汲極中的一方電連接。電晶體107的源極和汲極中的另一方與電晶體104的閘極和電容器106的一方電極電連接。
在此，作為電晶體107可以使用OS電晶體。OS電晶體的關態電流較小，所以藉由在該位置連接OS電晶體，即使電晶體102及電晶體103的關態電流較大也可以長期間地保持節點FD的電荷。
在電晶體102及電晶體103使用OS電晶體時也可以獲得上述效果，也可以不透過佈線直接連接電晶體102與光電轉換器件101，所以可以實現雜訊少的結構。
＜佈局3＞ 圖7示出圖4A所示的像素10的組件的簡單的佈局的立體圖。在此，將電晶體102設為n通道型、將與電晶體102電連接的光電轉換器件101的一方電極的導電型設為n型、將使電晶體102與光電轉換器件101電連接的低電阻區域102n的導電型設為n型。另外，低電阻區域102n可以設置在半導體層431中。
在上述佈局中，電晶體102的源極和汲極中的一方透過低電阻區域102n與光電轉換器件101的一方電極電連接。在此，低電阻區域102n也可以說是電晶體102的源極和汲極中的一方的一個區域。或者，低電阻區域102n也可以說是光電轉換器件101的一方電極的一個區域。
電晶體102的源極和汲極中的另一方及電晶體103的源極和汲極中的一方透過插頭102P與電晶體107的源極和汲極中的一方電連接。電晶體107的源極和汲極中的另一方透過插頭107P與電晶體104的閘極電連接。
另外，使用設置在半導體層431中的低電阻區域102n使電晶體102與光電轉換器件101電連接的結構也可以應用於圖5的結構。
＜像素的工作＞ 圖8是說明像素的工作的一個例子的時序圖。可以根據該時序圖使圖3A所示的像素電路工作。另外，圖4A所示的像素電路也可以藉由對佈線131及佈線134供應相同信號電位來進行工作。注意，圖4A所示的像素電路也可以藉由對佈線131及佈線134供應不同信號電位來進行工作。
在以下說明中，將使電晶體導通的電位記為“H”，將使電晶體非導通的電位記為“L”。另外，假設佈線122一直被供應高電位(例如，VDD)、佈線121一直被供應低電位(例如，VSS)的狀態。
藉由在時刻T1使佈線131的電位處於“H”且使佈線132的電位處於“H”，電晶體102及電晶體103導通而節點FD及光電轉換器件101的陰極的電位重設至高電位。
藉由在時刻T2使佈線131的電位處於“L”且使佈線132的電位處於“L”，電晶體102非導通而根據所照射的光的強度電荷開始儲存在光電轉換器件101中。另外，電晶體103非導通而節點FD的電位被保持。
藉由在時刻T3使佈線131的電位處於“H”，電晶體102導通而積累在光電轉換器件101的陰極的電荷傳送到節點FD。此時，節點FD的電位根據所傳送的電荷量下降。
藉由在時刻T4使佈線131的電位處於“L”，電晶體102非導通，節點FD的電位被確定而保持。
藉由在時刻T5使佈線133的電位處於“H”，電晶體105導通而根據節點FD的電位電晶體104進行工作，佈線123被輸出資料。在時刻T6使佈線133的電位處於“L”而使電晶體105非導通。以上是像素的撮像工作的說明。
＜攝像裝置的結構＞ 圖9是說明本發明的一個實施方式的攝像裝置的方塊圖。該攝像裝置包括具有以矩陣狀排列的像素10的像素陣列31、具有選擇像素陣列31的行的功能的電路32(行驅動器)、具有從像素10讀出資料的功能的電路33以及供應電源電位的電路38。在圖9中，簡化了連接各組件的佈線個數。此外，也可以包括多個電路32、電路33及電路38。
電路33可以包括用來對像素10的輸出資料進行相關雙取樣處理的電路34(CDS電路)、具有將從電路34輸出的類比資料轉換為數位資料的功能的電路35(A/D轉換電路等)以及具有選擇輸出資料的列的功能的電路36(列驅動器)等。
此外，在本發明的一個實施方式中，如圖10A、10B所示，電晶體也可以採用設置有背閘極的結構。圖10A示出背閘極與前閘極電連接的結構，該結構具有提高通態電流的效果。此外，如圖10B所示，也可以採用背閘極能夠被供應恆電位的結構。在該結構中，可以控制電晶體的臨界電壓。此外，也可以在一個電路中混合存在圖10A及圖10B的結構。此外，也可以包括不設置有背閘極的電晶體。
本實施方式可以與其他實施方式的記載適當地組合。
實施方式2 在本實施方式中，參照圖式說明本發明的一個實施方式的包括運算裝置的攝像裝置。作為在本實施方式中說明的攝像裝置，可以使用在實施方式1中說明的具有疊層結構的攝像裝置。注意，與實施方式1不同的部分隨時進行說明。另外，與實施方式1相同的組件使用相同符號進行說明。
本發明的一個實施方式是一種具備影像識別等附加功能的攝像裝置。該攝像裝置具有將在攝像工作中獲取的類比資料(影像資料)保持在像素而從該類比資料乘以任意權重係數的資料取出資料的功能。另外，該攝像裝置具有對從多個像素輸出的該資料進行加法運算的功能(積和運算功能)。
另外，藉由將從像素取出的該資料引入設置在攝像裝置的內部或外部的神經網路等，可以進行影像識別等處理。在本發明的一個實施方式中，由於可以將龐大的影像資料以類比資料的狀態保持在像素且在像素內進行運算，所以可以高效地進行處理。
＜攝像裝置＞ 圖11是說明本發明的一個實施方式的攝像裝置的方塊圖。攝像裝置包括像素陣列300、電路201、電路301、電路302、電路303、電路304和電路305。注意，電路201、電路301、電路302、電路303、電路304和電路305中的一個以上也可以具有與像素陣列300重疊的區域。藉由採用上述結構，可以減小攝像裝置的面積。
另外，在本發明的一個實施方式的攝像裝置中，也可以代替使用具有電路201及電路301至電路305所具有的功能中的兩個以上的功能的電路。另外，也可以使用電路201及電路301至電路305以外的電路。另外，也可以使用軟體的工作代替電路201及電路301至電路305所具有的功能中的一個以上。另外，電路201及電路301至電路305中的一部分電路也可以設置在攝像裝置的外部。
像素陣列300可以具有拍攝功能及運算功能。電路201、301可以具有運算功能。電路302可以具有運算功能或資料轉換功能，並且可以將資料輸出到佈線311。電路303、304可以具有選擇功能。電路305可以具有對像素提供電位(權重等)的功能。具有選擇功能的電路可以使用移位暫存器或解碼器等。
像素陣列300包括多個像素方塊200。像素方塊200如圖12所示包括配置為矩陣狀的多個像素100，各像素100透過佈線124與電路201電連接。注意，電路201也可以設置在像素方塊200內。
像素100可以取得影像資料並生成附加影像資料及權重係數的資料。注意，圖12中作為一個例子示出像素方塊200所具有的像素數為3×3，但是不侷限於此。例如，也可以為2×2、4×4等。或者，水平方向與垂直方向的像素數也可以不同。另外，也可以使相鄰的像素方塊共有部分像素。
像素方塊200及電路201可以用作積和運算電路。
＜像素電路＞ 像素100如圖13A所示可以包括光電轉換器件101、電晶體102、電晶體103、電晶體104、電晶體105、電容器106和電晶體108。
上述像素電路與實施方式1中的圖3A、圖3B所示的像素電路不同之處在於：包括電晶體108；電容器106的另一方電極與電晶體108的源極和汲極中的一方電連接；與電晶體104電連接的佈線；以及與電晶體105電連接的佈線。
光電轉換器件101的一方電極與電晶體102的源極和汲極中的一方電連接。電晶體102的源極和汲極中的另一方與電晶體103的源極和汲極中的一方及電容器106的一方電極以及電晶體104的閘極電連接。電晶體104的源極和汲極中的一方與電晶體105的源極和汲極中的一方電連接。電容器106的另一方電極與電晶體108的源極和汲極中的一方電連接。
光電轉換器件101的另一方電極與佈線121電連接。電晶體102的閘極與佈線131電連接。電晶體103的源極和汲極中的另一方與佈線122電連接。電晶體103的閘極與佈線132電連接。電晶體104的源極和汲極中的另一方與GND佈線等電連接。電晶體105的源極和汲極中的另一方與佈線124電連接。電晶體105的閘極與佈線133電連接。電晶體108的源極和汲極中的另一方與佈線125電連接。電晶體108的閘極與佈線135電連接。
在此，將電晶體102的源極和汲極中的另一方與電晶體103的源極和汲極中的一方、電容器106的一方電極及電晶體104的閘極電連接的點記作節點N。
佈線121、122可以用作電源線。例如，佈線121可以用作高電位電源線，佈線122可以用作低電位電源線。佈線131、132、133、135可以用作控制各電晶體的導通的信號線。佈線125可以用作對像素100提供相當於權重係數的電位的佈線。佈線124可以用作使像素100與電路201電連接的佈線。
另外，佈線124也可以與放大電路或增益可調電路電連接。
作為光電轉換器件101可以使用光電二極體。當想要提高低照度時的光檢測靈敏度時，較佳為使用突崩光電二極體。
電晶體102能夠控制節點N的電位。電晶體103能夠使節點N的電位初始化。電晶體104能夠可以根據節點N的電位控制流過電路201的電流。電晶體105能夠選擇像素。電晶體108能夠對節點N提供相當於權重係數的電位。
另外，電晶體104及電晶體105也可以採用圖13B所示的結構，亦即：電晶體104的源極和汲極中的一方與電晶體105的源極和汲極中的一方電連接，電晶體104的源極和汲極中的另一方與佈線124連接，電晶體105的源極和汲極中的另一方與GND佈線等電連接。
另外，在圖13A、圖13B中，也可以使光電轉換器件101所包括的一對電極的連接方向相反。在該情況下，佈線121可以用作低電位電源線，佈線122可以用作高電位電源線。
作為電晶體102、103較佳為使用在通道形成區域使用金屬氧化物的電晶體(OS電晶體)。OS電晶體也具有關態電流極低的特性。藉由作為電晶體102、103使用OS電晶體，可以使節點N能夠保持電荷的期間極長。另外，可以採用在所有的像素中同時進行電荷儲存工作的全局快門方式而無需採用複雜的電路結構及工作方式。另外，也可以在將影像資料保持在節點N的同時進行用該影像資料的多次運算。
另一方面，有時較佳為電晶體104的放大特性良好。另外，由於電晶體105、108有時較佳為使用能夠高速工作的移動率高的電晶體。由此，作為電晶體104、105、108可以使用將矽用於通道形成區域的電晶體(Si電晶體)。
注意，不侷限於上述結構，也可以任意地組合OS電晶體及Si電晶體而使用。另外，也可以作為所有電晶體都使用OS電晶體。或者，所有電晶體也都可以使用Si電晶體。作為Si電晶體，可以舉出含有非晶矽的電晶體、含有結晶矽(微晶矽、低溫多晶矽、單晶矽)的電晶體等。
像素100中的節點N的電位根據附加從佈線122提供的重設電位與由光電轉換器件101的光電轉換生成的電位(影像資料)的電位決定。或者，像素100中的節點N的電位根據由佈線125提供的相當於權重係數的電位被電容耦合而決定。因此，電晶體104可以使相當於對影像資料加算任意權重係數而得到的資料的電流流過。
＜電路201＞ 如圖12所示，各像素100藉由佈線124彼此電連接。電路201可以利用各像素100的電晶體104中流過的電流的總和進行運算。
電路201包括電容器202、電晶體203、電晶體204、電晶體205、電晶體206和作為電壓轉換電路的電晶體207。電晶體207的閘極被施加適當的類比電位(Bias)。
電容器202的一方電極與電晶體203的源極和汲極中的一方及電晶體204的閘極電連接。電晶體204的源極和汲極中的一方與電晶體205的源極和汲極中的一方及電晶體206的源極和汲極中的一方電連接。電容器202的另一方電極與佈線124及電晶體207的源極和汲極中的一方電連接。
電晶體203的源極和汲極中的另一方與佈線218電連接。電晶體204的源極和汲極中的另一方與佈線219電連接。電晶體205的源極和汲極中的另一方與GND佈線等基準電源線電連接。電晶體206的源極和汲極中的另一方與佈線212電連接。電晶體207的源極和汲極中的另一方與佈線217電連接。電晶體203的閘極與佈線216電連接。電晶體205的閘極與佈線215電連接。電晶體206的閘極與佈線213電連接。
佈線217、218、219可以用作電源線。例如，佈線218可以用作提供讀出用重設電位(Vr)的佈線。佈線217、219可以用作高電位電源線。佈線213、215、216可以用作控制各電晶體的導通的信號線。佈線212為輸出線，例如，可以與圖11所示的電路301電連接。
電晶體203可以具有將佈線211的電位重設到佈線218的電位的功能。電晶體204、205可以具有作為源極隨耦電路的功能。電晶體206可以具有控制讀出的功能。另外，電路201也可以用作相關雙取樣電路(CDS電路)，也可以換用具有該功能的其他結構的電路。
在本發明的一個實施方式中，去除影像資料(X)與權重係數(W)的積以外的偏置成分抽出想要的WX。WX可以利用對在同一像素中取得的進行了曝光(進行了拍攝)的資料、沒進行曝光(沒進行拍攝)的資料的每一個加權的資料來算出。
進行了曝光時流過像素100的電流(Ip )總和為kΣ(X-Vth )2 ，加權後流過像素100的電流(Ip )總和為kΣ(W+X-Vth )2 。另外，沒進行曝光時流過像素100的電流(Iref )總和為kΣ(0-Vth )2 ，加權後流過像素100的電流(Iref )總和為kΣ(W-Vth )2 。在此，k為常數，Vth 為電晶體104的臨界電壓。
首先，算出進行曝光的資料與對該資料進行了加權的資料之差分(資料A)。亦即，kΣ((X-Vth )2 -(W+X-Vth )2 )= kΣ(-W2 -2W･X+2W･Vth )。
接著，算出沒有進行曝光的資料與對該資料進行了加權的資料之差分(資料B)。亦即，kΣ((0-Vth )2 -(W-Vth )2 )=kΣ(-W2 +2W･Vth )。
然後，獲取資料A與資料B的差分。亦即，  kΣ(-W2 -2W･X+2W･Vth -(-W2 +2W･Vth ))=kΣ(-2W･X)。也就是說，可以去除影像資料(X)與權重係數(W)的積以外的偏置成分。
電路201可以讀出資料A及資料B。資料A與資料B的差分運算例如可以利用電路301進行。
＜撮像工作＞ 圖14A是說明在像素方塊200及電路201中計算進行曝光的資料和對該資料加權而得的資料之差分(資料A)的工作的時序圖。注意，為了方便起見，使信號所轉換的時機一致而圖示，但是實際上較佳為考慮電路內部的延遲使信號所轉換的時機不一致。另外，在以下說明中，“H”表示高電位，“L”表示低電位。
首先，在期間T1使佈線132的電位處於“H”、使佈線131的電位處於“H”，來使像素100的節點N處於重設電位。另外，使佈線125的電位處於“L”、使佈線135_1至135_3(第1行至第3行的佈線135)的電位處於“H”，寫入權係數0。
藉由到期間T2使佈線131的電位保持為“H”且在期間T2使佈線132的電位處於”L”，由光電轉換器件101的光電轉換對節點N寫入電位X(影像資料)。
在期間T3，使佈線133_1、133_2、133_3的電位處於“H”而選擇像素方塊內的所有像素100。此時，在各像素100的電晶體104中流過根據電位X的電流。另外，藉由使佈線216的電位處於“H”，對佈線211寫入佈線218的電位Vr。期間T1至T3的工作相當於進行曝光的資料的取得，該資料被初始化為佈線211的電位Vr。
藉由在期間T4使佈線125的電位成為相當於權係數W11(對第1行的像素加上的權重)的電位而使佈線135_1的電位處於“H”，利用電容器106的電容耦合將權係數W11加算到第1行的像素100的節點N。
藉由在期間T5使佈線125的電位成為相當於權係數W12(對第2行的像素加上的權重)的電位而使佈線135_2的電位處於“H”，利用電容器106的電容耦合將權係數W12加算到第2行的像素100的節點N。
藉由在期間T6使佈線125的電位成為相當於權係數W13(對第3行的像素加上的權重)的電位而使佈線135_3的電位處於“H”，利用電容器106的電容耦合將權係數W13加算到第3行的像素100的節點N。期間T4至期間T6的工作相當於對進行拍攝的資料加權的資料的生成。
在期間T7，使佈線133_1、133_2、133_3的電位處於“H”而選擇像素方塊內的所有像素100。此時，在第1行的像素100的電晶體104中流過根據電位W11+X的電流。另外，在第2行的像素100的電晶體104中流過根據電位W12+X的電流。另外，在第3行的像素100的電晶體104中流過根據電位W13+X的電流。
在此，電容器202的另一方電極的電位根據流過佈線124的電流變化，其變化量Y因電容耦合被加算到佈線211的電位Vr。因此，佈線211的電位變為“Vr+Y”。在此，當Vr=0時，Y即是差分，資料A被計算出來。
另外，藉由使佈線213的電位為“H”、佈線215的電位為“Vbias ”等適當的類比電位，電路201藉由源跟隨工作可以輸出對應第1行的像素方塊200的資料A的信號電位。
圖14B是說明在像素方塊200及電路201中計算進行曝光的資料和對該資料加權而得的資料之差分(資料B)的工作的時序圖。資料B根據需要取得即可。例如，在所輸入的權重沒有變化時，也可以將所取得的資料B儲存於記憶體而從該記憶體讀出資料B。另外，也可以將對應於多個權重的多個資料B儲存於該記憶體。另外，既可以先取得資料A，又可以先取得資料B。
首先，在期間T1至T2，使佈線132的電位處於“H”且使佈線131的電位處於“H”，使像素100的節點N成為重設電位(0)。在期間T2結束時，使佈線132的電位處於“L”且使佈線131的電位處於“L”。就是說，在該期間，無論光電轉換器件101的工作如何節點N的電位都成為重設電位。
另外，在期間T1，使佈線125的電位處於“L”且使佈線135_1、135_2、135_3處於“H”而寫入權係數0。該工作在節點N的電位成為重設電位期間進行即可。
在期間T3，使佈線133_1、133_2、133_3的電位處於“H”而選擇像素方塊內的所有像素100。此時，在各像素100的電晶體104中流過根據重設電位的電流。另外，藉由使佈線216的電位處於“H”，對佈線211寫入佈線218的電位Vr。期間T1至T3的工作相當於沒進行曝光的資料的取得，該資料被初始化為佈線211的電位Vr。
藉由在期間T4使佈線125的電位成為相當於權係數W11(對第1行的像素加上的權重)的電位而使佈線135_1的電位處於“H”，利用電容器106的電容耦合將權係數W11加算到第1行的像素100的節點N。
藉由在期間T5使佈線125的電位成為相當於權係數W12(對第2行的像素加上的權重)的電位而使佈線135_2的電位處於“H”，利用電容器106的電容耦合將權係數W12加算到第2行的像素100的節點N。
藉由在期間T6使佈線125的電位成為相當於權係數W13(對第3行的像素加上的權重)的電位而使佈線135_3的電位處於“H”，利用電容器106的電容耦合將權係數W13加算到第3行的像素100的節點N。期間T4至期間T6的工作相當於對沒進行拍攝的資料加權的資料的生成。
在期間T7，使佈線133_1、133_2、133_3的電位處於“H”而選擇像素方塊內的所有像素100。此時，在第1行的像素100的電晶體104中流過根據電位W11+0的電流。另外，在第2行的像素100的電晶體104中流過根據電位W12+0的電流。另外，在第3行的像素100的電晶體104中流過根據電位W13+0的電流。
在此，電容器202的另一方電極的電位根據流過佈線124的電流變化，其變化量Z被加算到佈線211的電位Vr。因此，佈線211的電位變為“Vr+Z”。在此，當Vr=0時，Z即是差分，資料B被計算出來。
另外，藉由使佈線213的電位為“H”、佈線215的電位為適當的類比電位(Vbias )，電路201藉由源跟隨器工作可以輸出對應第1行的像素方塊200的資料B的信號電位。
藉由上述工作，從電路201輸出的資料A及資料B被輸入到電路301。在電路301中，進行獲取資料A與資料B之差分的運算可以去除影像資料(電位X)與權重係數(電位W)的積以外的不需要的偏置成分。作為電路301，除了可以採用電路201那樣的包括運算電路的結構之外，還可以採用利用記憶體電路及軟體處理計算差分的結構。
在上述工作中的資料A的取得工作和資料B的取得工作中，電路201的佈線211的電位都被初始化為同一電位“Vr”。並且，電路201的佈線211的電位藉由之後的差分運算而成為“(Vr+Y)-(Vr+Z)”=“Y-Z”，電位“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，所以可以抽出影像資料(電位X)與權係數(電位W)之積。
該工作相當於進行推論等的神經網路的第一工作。因此，可以在將龐大影像資料去除到外部之前在攝像裝置內進行至少一個運算，從而可以減少在外部進行的運算及資料的輸入輸出等的次數。另外，可以提高整體處理而降低功耗。
另外，作為與上述不同的工作，也可以採用：在資料A的取得工作及資料B的取得工作中，使電路201的佈線211的電位初始化為不同電位。例如，假設電路201的佈線211的電位在資料A的取得工作中被初始化為電位“Vr1”且在資料B的取得工作中被初始化為電位“Vr2”。在此情況下，藉由之後的差分運算，電路201的佈線211的電位成為“(Vr1+Y)-(Vr2+Z)”=“(Vr1-Vr2)+(Y-Z)”。與上述工作同樣，“Y-Z”作為影像資料(電位X)與權係數(電位W)之積被抽出，並且被追加“Vr1-Vr2”。在此，“Vr1-Vr2”相當於在神經網路的中間層的運算中用來調整臨界值的偏壓。
另外，例如權重被用作卷積神經網路(CNN：Convolutional Neural Network)的濾波器，除了上述以外也可以具有進行資料的放大或衰減的功能。例如，藉由將資料A的取得工作中的權係數(W)設為進行濾波處理的量與所放大的量之積，可以放大影像資料與進行濾波處理的量的權係數之積而抽出被校正為明亮影像的資料。另外，資料B是沒進行拍攝的資料，也可以說是黑色位準的資料。因此，取得資料A與資料B之差分的工作可以說是有助於實現在暗處拍攝的影像的視覺化的工作。也就是說，可以進行利用神經網路的亮度校正。
如上所述，在本發明的一個實施方式中，可以在攝像裝置內的工作中生成偏壓。另外，可以在攝像裝置內施加具有功能性的權重。因此，可以減輕外部的運算等的負載，而且可以用於各種用途。例如，可以在進行如下處理時在攝像裝置內進行其一部分處理，該處理包括：拍攝對象的推論；影像資料的解析度校正、亮度校正；從黑白影像生成彩色影像；從二維影像生成三維影像；缺陷資訊的恢復；從靜態影像生成動態影像；焦點不準的影像的修正；等。
＜電路301、302＞ 圖15A是說明與電路201連接的電路301及電路302的圖。從電路201輸出的積和運算結果的資料依次輸入到電路301。電路301除了具有進行之前所述的資料A與資料B的差分的運算功能之外還可以具有各種各樣的運算功能。例如，電路301可以採用與電路201相同的結構。或者，軟體處理也可以替代電路301的功能。
另外，電路301也可以包括進行活化函數運算的電路。該電路例如可以使用比較器電路。比較器電路將對被輸入的資料與設定的臨界值進行比較的結果以2值資料的形式輸出。也就是說，像素方塊200及電路301可以用作神經網路的部分要素。
另外，電路301也可以包括A/D轉換器。當將影像資料從像素方塊200輸出到外部時，不考慮積和運算的有無可以利用電路301將類比資料轉換為數位資料。
例如，在包括3×3個像素100的像素方塊200中，藉由對所有像素100供應同一權重(例如，0)而使要輸出資料的像素所包括的電晶體108導通，可以從像素方塊200輸出像素方塊200整體的影像資料的總和、每個行的影像資料的總和或者每一個像素的資料等。
另外，像素方塊200所輸出的資料相當於多個位元的影像資料，但是在電路301被2值化時，可以說使影像資料壓縮。
從電路301輸出的資料被依次輸入到電路302。電路302例如可以具有包括閂鎖電路及移位暫存器等的結構。藉由採用該結構，可以進行並串轉換，並可以將並行被輸入的資料作為串列資料輸出到佈線311。
另外，如圖15B所示，電路302也可以包括神經網路。該神經網路包括配置為矩陣狀的記憶單元，在各記憶單元保持有權係數。從電路301輸出的資料被分別輸入到記憶單元320可以進行積和運算。注意，圖15B所示的記憶單元的數量是一個例子而不侷限於此。進行積和運算後的資料可以被輸出到佈線311。
另外，在圖15A、圖15B中，佈線311的連接對象沒有限制。例如，可以與神經網路、記憶體裝置、通訊裝置等連接。
圖15B所示的神經網路包括配置為矩陣狀的記憶單元320及參照記憶單元325、電路330、電路350、電路360及電路370。
圖16示出記憶單元320及參照記憶單元325的一個例子。參照記憶單元325設置在任意一個列上。記憶單元320及參照記憶單元325具有彼此相同結構，都包括電晶體161、電晶體162及電容器163。
電晶體161的源極和汲極中的一個與電晶體162的閘極電連接。電晶體162的閘極與電容器163的一方電極電連接。在此，將電晶體161的源極和汲極中的一個、電晶體162的閘極與電容器163的一方電極連接的點記為節點NM。
電晶體161的閘極與佈線WL電連接。電容器163的另一方電極與佈線RW電連接。電晶體162的源極和汲極中的一個與GND佈線等參考電位佈線電連接。
在記憶單元320中，電晶體161的源極和汲極中的另一個與佈線WD電連接。電晶體162的源極和汲極中的另一個與佈線BL電連接。
在參照記憶單元325中，電晶體161的源極和汲極中的另一個與佈線WDref電連接。電晶體162的源極和汲極中的另一個與佈線BLref電連接。
佈線WL與電路330電連接。作為電路330可以使用解碼器或移位暫存器等。
佈線RW與電路301電連接。各記憶單元被寫入從電路301輸出的2值資料。此外，電路301與各記憶單元間也可以具有移位暫存器等時序電路。
佈線WD及佈線WDref與電路350電連接。作為電路350可以使用解碼器或移位暫存器等。另外，電路350也可以包括D/A轉換器及SRAM。電路350可以輸出寫入到節點NM的權係數。
佈線BL及佈線BLref與電路360電連接。電路360可以具有與電路201相同的結構。由電路360可以得到從積和運算結果去除偏置成分的信號。
電路360與電路370電連接。另外，也可以將電路370稱為活化函數電路。活化函數電路具有進行運算以根據預定的活化函數變換從電路360輸入的信號的功能。作為活化函數，例如可以使用sigmoid函數、tanh函數、softmax函數、ReLU函數及定限函數等。由活化函數電路轉換的信號作為輸出資料輸出到外部。
如圖17A所示，神經網路NN可以由輸入層IL、輸出層OL及中間層(隱藏層)HL構成。輸入層IL、輸出層OL及中間層HL都包括一個或多個神經元(單元)。注意，中間層HL可以為一層或兩層以上。包括具有兩層以上的中間層HL的神經網路可以稱為DNN(深度神經網路)。另外，利用深度神經網路的學習可以稱為深度學習。
對輸入層IL的各神經元輸入輸入資料。對中間層HL的各神經元輸入前一層或後一層的神經元的輸出信號。對輸出層OL的各神經元輸入前一層的神經元的輸出信號。注意，各神經元既可以與前一層的所有神經元連結(全連結)，又可以與部分神經元連結。
圖17B示出利用神經元的運算的例子。在此，示出神經元N及向神經元N輸出信號的前一層的兩個神經元。神經元N被輸入前一層的神經元的輸出x1 及前一層的神經元的輸出x2 。在神經元N中，算出輸出x1 與權重w1 的乘法結果(x1 w1 )和輸出x2 與權重w2 的乘法結果(x2 w2 )之總和x1 w1 +x2 w2 ，然後根據需要對其加偏壓b，從而得到值a=x1 w1 +x2 w2 +b。值a被活化函數h變換，從神經元N輸出信號y=ah。
如此，利用神經元的運算包括對前一層的神經元的輸出與權重之積進行加法的運算，亦即，積和運算(上述x1 w1 +x2 w2 )。該積和運算既可以使用程式以軟體進行，又可以以硬體進行。
在本發明的一個實施方式中，作為硬體使用類比電路進行積和運算。在作為積和運算電路使用類比電路時，可以縮小積和運算電路的電路規模或因向記憶體訪問的次數的減少而實現處理速度的提高及功耗的降低。
積和運算電路較佳為採用包括OS電晶體的結構。因為OS電晶體具有極小的關態電流，所以較佳為用作構成積和運算電路的類比記憶體的電晶體。另外，也可以使用Si電晶體和OS電晶體構成積和運算電路。
本實施方式可以與其他實施方式的記載適當地組合。
實施方式3 在本實施方式中對本發明的一個實施方式的攝像裝置的結構例子等進行說明。
＜光電轉換器件＞ 圖18A所示的光電轉換器件101C是可用於在實施方式1中所示的層24所包括的光電轉換器件101的結構的一個例子。光電轉換器件101C可以包括層565a和層565b。注意，根據情況也可以將層稱為區域。
光電轉換器件101C是pn接面型光電二極體，例如層565a可以使用p型半導體，層565b可以使用n型半導體。或者，層565a可以使用n型半導體，層565b使用p型半導體。
另外，也可以將圖18B所示的光電轉換器件101D的結構用於光電轉換器件101。光電轉換器件101D是pin接面型光電二極體，例如層565a可以使用p型半導體，層565c可以使用i型半導體，層565b可以使用n型半導體。或者，層565a可以使用n型半導體，層565b可以使用p型半導體。
上述pn接面型光電二極體及pin接面型光電二極體典型地可以使用單晶矽形成。
＜OS電晶體＞ 在實施方式1中說明的像素電路及電路423可以包括OS電晶體。
作為用於OS電晶體的半導體材料，可以使用能隙為2eV以上，較佳為2.5eV以上，更佳為3eV以上的金屬氧化物。典型的有含有銦的氧化物半導體等，例如，可以使用後面提到的CAAC-OS或CAC-OS等。CAAC-OS中構成晶體的原子穩定，適用於重視可靠性的電晶體等。CAC-OS呈現高移動率特性，適用於進行高速驅動的電晶體等。
由於OS電晶體的半導體層具有大能隙，所以呈現極低的關態電流特性，僅為幾yA/μm(每通道寬度1μm的電流值)。與Si電晶體不同，OS電晶體不會發生碰撞電離、突崩潰、短通道效應等，因此能夠形成高耐壓性和高可靠性的電路。此外，Si電晶體所引起的起因於結晶性的不均勻的電特性不均勻不容易產生在OS電晶體中。
作為OS電晶體中的半導體層，例如可以採用包含銦、鋅及M(選自鋁、鈦、鎵、鍺、釔、鋯、鑭、鈰、錫、釹和鉿等金屬中的一個或多個)的以“In-M-Zn類氧化物”表示的膜。例如，In-M-Zn類氧化物可以藉由濺射法、ALD (Atomic layer deposition：原子層沉積)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金屬化學氣相沉積)法等形成。
當利用濺射法形成In-M-Zn類氧化物膜時，較佳為用來形成In-M-Zn類氧化物膜的濺射靶材的金屬元素的原子數比滿足In≥M及Zn≥M。這種濺射靶材的金屬元素的原子數比較佳為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，所形成的半導體層的原子數比分別有可能在上述濺射靶材中的金屬元素的原子數比的±40%的範圍內變動。
作為半導體層，可以使用載子密度低的氧化物半導體。例如，作為半導體層可以使用載子密度為1×1017 /cm3 以下，較佳為1×1015 /cm3 以下，更佳為1×1013 /cm3 以下，進一步較佳為1×1011 /cm3 以下，更進一步較佳為小於1×1010 /cm3 ，1×10-9 /cm3 以上的氧化物半導體。將這樣的氧化物半導體稱為高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體。該氧化物半導體的缺陷態密度低，因此可以說是具有穩定的特性的氧化物半導體。
注意，本發明不侷限於上述記載，可以根據所需的電晶體的半導體特性及電特性(場效移動率、臨界電壓等)來使用具有適當的組成的材料。此外，較佳為適當地設定半導體層的載子密度、雜質濃度、缺陷密度、金屬元素與氧的原子數比、原子間距離、密度等，以得到所需的電晶體的半導體特性。
當構成半導體層的氧化物半導體包含第14族元素之一的矽或碳時，氧空位增加，會使該半導體層變為n型。因此，將半導體層中的矽或碳的濃度(藉由二次離子質譜分析法測得的濃度)設定為2×1018 atoms/cm3 以下，較佳為2×1017 atoms/cm3 以下。
此外，有時當鹼金屬及鹼土金屬與氧化物半導體鍵合時生成載子，而使電晶體的關態電流增大。因此，將半導體層的鹼金屬或鹼土金屬的濃度(藉由二次離子質譜分析法測得的濃度)設定為1×1018 atoms/cm3 以下，較佳為2×1016 atoms/cm3 以下。
此外，當構成半導體層的氧化物半導體含有氮時生成作為載子的電子，載子密度增加而容易n型化。其結果是，使用含有氮的氧化物半導體的電晶體容易變為常開啟特性。因此，半導體層的氮濃度(藉由二次離子質譜分析法測得的濃度)較佳為5×1018 atoms/cm3 以下。
此外，當構成半導體層的氧化物半導體包含氫時，氫與鍵合於金屬原子的氧起反應生成水，因此有時在氧化物半導體中形成氧空位。在氧化物半導體中的通道形成區域包含氧空位的情況下，電晶體有可能具有常開啟特性。再者，有時氫進入氧空位中而成的缺陷被用作施體而生成作為載子的電子。此外，氫的一部分鍵合到與金屬原子鍵合的氧而生成作為載子的電子。因此，使用包含較多的氫的氧化物半導體的電晶體容易具有常開啟特性。
氫進入氧空位中的缺陷會被用作氧化物半導體的施體。然而，定量地評價該缺陷是困難的。於是，在氧化物半導體中，有時不是根據施體濃度而是根據載子濃度進行評價。由此，在本說明書等中，有時作為氧化物半導體的參數，不採用施體濃度而採用假定為不被施加電場的狀態的載子濃度。也就是說，本說明書等所記載的“載子濃度”有時可以稱為“施體濃度”。
由此，較佳為儘可能減少氧化物半導體中的氫。明確而言，在氧化物半導體膜中，利用二次離子質譜(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)測得的氫濃度低於1×1020 atoms/cm3 ，較佳為低於1×1019 atoms/cm3 ，更佳為低於5×1018 atoms/cm3 ，進一步較佳為低於1×1018 atoms/cm3 。藉由將氫等雜質被充分減少的氧化物半導體用於電晶體的通道形成區域，可以賦予穩定的電特性。
此外，半導體層例如也可以具有非單晶結構。非單晶結構例如包括具有c軸配向的結晶的CAAC-OS (C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多晶結構、微晶結構或非晶結構。在非單晶結構中，非晶結構的缺陷態密度最高，而CAAC-OS的缺陷態密度最低。
非晶結構的氧化物半導體膜例如具有無秩序的原子排列且不具有結晶成分。或者，非晶結構的氧化物膜例如是完全的非晶結構且不具有結晶部。
此外，半導體層也可以為具有非晶結構的區域、微晶結構的區域、多晶結構的區域、CAAC-OS的區域和單晶結構的區域中的兩種以上的混合膜。混合膜有時例如具有包括上述區域中的兩種以上的區域的單層結構或疊層結構。
下面，對非單晶半導體層的一個實施方式的CAC(Cloud-Aligned Composite)-OS的構成進行說明。
CAC-OS例如是指包含在氧化物半導體中的元素不均勻地分佈的構成，其中包含不均勻地分佈的元素的材料的尺寸為0.5nm以上且10nm以下，較佳為1nm以上且2nm以下或近似的尺寸。注意，在下面也將在氧化物半導體中一個或多個金屬元素不均勻地分佈且包含該金屬元素的區域以0.5nm以上且10nm以下，較佳為1nm以上且2nm以下或近似的尺寸混合的狀態稱為馬賽克(mosaic)狀或補丁(patch)狀。
氧化物半導體較佳為至少包含銦。尤其較佳為包含銦及鋅。除此之外，也可以還包含選自鋁、鎵、釔、銅、釩、鈹、硼、矽、鈦、鐵、鎳、鍺、鋯、鉬、鑭、鈰、釹、鉿、鉭、鎢和鎂等中的一種或多種。
例如，In-Ga-Zn氧化物中的CAC-OS(在CAC-OS中，尤其可以將In-Ga-Zn氧化物稱為CAC-IGZO)是指材料分成銦氧化物(以下，稱為InOX1 (X1為大於0的實數))或銦鋅氧化物(以下，稱為InX2 ZnY2 OZ2 (X2、Y2及Z2為大於0的實數))以及鎵氧化物(以下，稱為GaOX3 (X3為大於0的實數))或鎵鋅氧化物(以下，稱為GaX4 ZnY4 OZ4 (X4、Y4及Z4為大於0的實數))等而成為馬賽克狀，且馬賽克狀的InOX1 或InX2 ZnY2 OZ2 均勻地分佈在膜中的構成(以下，也稱為雲狀)。
換言之，CAC-OS是具有以GaOX3 為主要成分的區域和以InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 為主要成分的區域混在一起的構成的複合氧化物半導體。在本說明書中，例如，當第一區域的In與元素M的原子數比大於第二區域的In與元素M的原子數比時，第一區域的In濃度高於第二區域。
注意，IGZO是通稱，有時是指包含In、Ga、Zn及O的化合物。作為典型例子，可以舉出以InGaO3 (ZnO)m1 (m1為自然數)或In(1+x0) Ga(1-x0) O3 (ZnO)m0 (-1≤x0≤1，m0為任意數)表示的結晶性化合物。
上述結晶性化合物具有單晶結構、多晶結構或CAAC結構。CAAC結構是多個IGZO的奈米晶具有c軸配向性且在a-b面上以不配向的方式連接的結晶結構。
另一方面，CAC-OS與氧化物半導體的材料構成有關。CAC-OS是指如下構成：在包含In、Ga、Zn及O的材料構成中，一部分中觀察到以Ga為主要成分的奈米粒子狀區域，一部分中觀察到以In為主要成分的奈米粒子狀區域，並且，這些區域以馬賽克狀無規律地分散。因此，在CAC-OS中，結晶結構是次要因素。
CAC-OS不包含組成不同的兩種以上的膜的疊層結構。例如，不包含由以In為主要成分的膜與以Ga為主要成分的膜的兩層構成的結構。
注意，有時觀察不到以GaOX3 為主要成分的區域與以InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 為主要成分的區域之間的明確的邊界。
在CAC-OS中包含選自鋁、釔、銅、釩、鈹、硼、矽、鈦、鐵、鎳、鍺、鋯、鉬、鑭、鈰、釹、鉿、鉭、鎢和鎂等中的一種或多種以代替鎵的情況下，CAC-OS是指如下構成：一部分中觀察到以該金屬元素為主要成分的奈米粒子狀區域以及一部分中觀察到以In為主要成分的奈米粒子狀區域以馬賽克狀無規律地分散。
CAC-OS例如可以藉由在對基板不進行意圖性的加熱的條件下利用濺射法來形成。在利用濺射法形成CAC-OS的情況下，作為沉積氣體，可以使用選自惰性氣體(典型的是氬)、氧氣體和氮氣體中的一種或多種。此外，成膜時的沉積氣體的總流量中的氧氣體的流量比越低越好，例如，將氧氣體的流量比設定為0%以上且低於30%，較佳為0%以上且10%以下。
CAC-OS具有如下特徵：藉由根據X射線繞射(XRD：X-ray diffraction)測定法之一的Out-of-plane法利用θ/2θ掃描進行測定時，觀察不到明確的峰值。也就是說，根據X射線繞射，可知在測定區域中沒有a-b面方向及c軸方向上的配向。
此外，在藉由照射束徑為1nm的電子束(也稱為奈米束)而取得的CAC-OS的電子繞射圖案中，觀察到環狀的亮度高的區域(環狀區域)以及在該環狀區域內的多個亮點。由此，根據電子繞射圖案，可知CAC-OS的結晶結構具有在平面方向及剖面方向上沒有配向的nc(nano-crystal)結構。
此外，例如在In-Ga-Zn氧化物的CAC-OS中，根據藉由能量色散型X射線分析法(EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy)取得的EDX面分析(mapping)影像，可確認到：具有以GaOX3 為主要成分的區域及以InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 為主要成分的區域不均勻地分佈而混合的構成。
CAC-OS的結構與金屬元素均勻地分佈的IGZO化合物不同，具有與IGZO化合物不同的性質。換言之，CAC-OS具有以GaOX3 等為主要成分的區域及以InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 為主要成分的區域互相分離且以各元素為主要成分的區域為馬賽克狀的構成。
在此，以InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 為主要成分的區域的導電性高於以GaOX3 等為主要成分的區域。換言之，當載子流過以InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 為主要成分的區域時，呈現氧化物半導體的導電性。因此，當以InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 為主要成分的區域在氧化物半導體中以雲狀分佈時，可以實現高場效移動率(μ)。
另一方面，以GaOX3 等為主要成分的區域的絕緣性高於以InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 為主要成分的區域。換言之，當以GaOX3 等為主要成分的區域在氧化物半導體中分佈時，可以抑制洩漏電流而實現良好的切換工作。
因此，當將CAC-OS用於半導體元件時，藉由起因於GaOX3 等的絕緣性及起因於InX2 ZnY2 OZ2 或InOX1 的導電性的互補作用可以實現高通態電流(Ion )及高場效移動率(μ)。
此外，使用CAC-OS的半導體元件具有高可靠性。因此，CAC-OS適用於各種半導體裝置的構成材料。
接著，參照剖面圖對攝像裝置的疊層結構進行說明。該剖面相當於包括圖2的層23所示的點劃線A1-A2的高度方向的面。注意，以下所示的絕緣層及導電層等組件只是一個例子，也可以含有其他的組件。或者，也可以省略以下所示的組件的一部分。此外，以下所示的疊層結構可以根據需要利用貼合製程、拋光製程等形成。
＜疊層結構1＞ 圖19是採用圖5所示的佈局的攝像裝置的剖面圖。層23所示的電晶體102、103、104、105是在作為矽磊晶生長層的半導體層431中具有通道形成區域的電晶體(以下，Si電晶體)。
在圖19中，將該電晶體表示為平面型電晶體，但是如圖20A、圖20B所示，也可以採用鰭型電晶體。圖20A是通道長度方向的剖面圖，圖20B是圖20A所示的點劃線B1-B2的面的通道寬度方向的剖面圖。
此外，也可以採用如圖20C所示的包括矽薄膜的半導體層417的電晶體。例如，半導體層417可以使用在層24所包括的單晶矽基板441上的絕緣層416上形成的單晶矽(SOI(Silicon on Insulator：絕緣層上覆矽))。
層22是疊層結構，具有包括與各電晶體連接的主要佈線埋入於多層的絕緣層421中的結構。另外，該些佈線間或者該佈線與電晶體間藉由插頭連接。
作為疊層結構中的絕緣層(絕緣層412、421、442、461等)，例如可以使用氧化矽膜等的無機絕緣膜、丙烯酸樹脂、聚醯亞胺樹脂等的有機絕緣膜。另外，也可以層疊氮化矽膜、氧化矽膜、氧化鋁膜等。
作為可以作為用於器件間的電連接的佈線、電極及插頭使用的導電體，適當地選擇選自鋁、鉻、銅、銀、金、鉑、鉭、鎳、鈦、鉬、鎢、鉿、釩、鈮、錳、鎂、鋯、鈹、銦、釕、銥、鍶和鑭等中的金屬元素、以上述金屬元素為成分的合金或者組合上述金屬元素的合金等而使用即可。該導電體既可以為單層又可以為由不同材料構成的多個層。
層24所示的光電轉換器件101具有圖18A所示的pn接面型光電二極體的結構，由層441n(n型區域)及層441p(p型區域，單晶矽基板441的一部分)構成。
一個像素所包括的光電轉換器件101被元件分離層443圍繞，與相鄰的像素的光電轉換器件101分離。藉由設置元件分離層443，可以抑制因光電轉換而發生的載子向相鄰像素的擴散。元件分離層443也可以被用作遮光層或反射層。
作為元件分離層443，可以使用無機絕緣層、有機絕緣層等。例如，元件分離層443可以由與接觸於單晶矽基板441的絕緣層442相同的材料形成。另外，也可以在元件分離層443的一部分設置空間。該空間也可以包含空氣或惰性氣體等氣體。另外，該空間也可以處於減壓狀態。
相當於光電轉換器件101的陰極的層441n透過設置在層23的半導體層431中的插頭101P與電晶體102的源極和汲極中的一方電連接。在插頭101P與設置在半導體層431中的開口部間較佳為設置絕緣體434。
另外，如圖21所示，光電轉換器件101與電晶體102也可以透過設置在半導體層431中的低電阻區域102n電連接。在此，在電晶體102為n通道型，低電阻區域102n的導電型為n型，並且層441n的導電型為n型時，電晶體102的源極和汲極中的一方直接與光電轉換器件101連接。在這些結構中，由於光電轉換器件101的完全空乏化而可以完全傳送電荷，從而可以減少雜訊。
另外，也可以使用圖22所示的結構使光電轉換器件101與電晶體102電連接。圖22所示的結構是將電晶體102的閘極設置在半導體層431中的溝槽中的結構，藉由對閘極施加電壓而可以使所形成的通道與層441n導通。
在層25設置遮光層451及光學轉換層。在此，作為光學轉換層示出濾色片452G1。
遮光層451可以抑制光入射到相鄰的像素。作為遮光層451可以使用鋁、鎢等的金屬層等。此外，也可以層疊該金屬層與介電質膜。該介電質膜具有作為反射防止膜的功能。
在光電轉換器件101對可見光具有靈敏度時，作為光學轉換層可以使用濾色片。藉由按每個像素使各濾色片具有R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)、Y(黃色)、C(青色)和M(洋紅色)等的顏色，可以獲得彩色影像。
例如，如圖29A的立體圖(包括剖面)所示，作為光學轉換層452可以將濾色片452R(紅色)、濾色片452G1(綠色)、濾色片452G2(綠色)、濾色片452B(藍色)分別配置在不同的像素中。
此外，在作為光學轉換層452使用波長截止濾波器時，可以實現能夠獲得各種波長區域的影像的攝像裝置。
例如，當作為光學轉換層452使用阻擋可見光線的波長以下的光的紅外濾光片時，可以獲得紅外線攝像裝置。此外，藉由作為光學轉換層452使用阻擋近紅外線的波長以下的光的濾光片，可以形成遠紅外線攝像裝置。此外，藉由作為光學轉換層452使用阻擋可見光線的波長以上的光的紫外濾光片，可以形成紫外線攝像裝置。
此外，也可以在一個攝像裝置內混合地配置功能不同的多個光學轉換層。例如，如圖29B所示，可以將濾色片452R(紅色)、濾色片452G(綠色)、濾色片452B(藍色)、紅外濾光片452IR分別配置在不同的像素中。藉由採用這種結構，可以同時獲取可見光影像及紅外光影像。
此外，例如，如圖29C所示，可以將濾色片452R(紅色)、濾色片452G(綠色)、濾色片452B(藍色)、紫外濾光片452UV分別配置在不同的像素中。藉由採用這種結構，可以同時獲取可見光影像及紫外光影像。
此外，藉由將閃爍體用於光學轉換層452，可以形成用於X射線攝像裝置等的獲得使輻射強度視覺化的影像的攝像裝置。當透過拍攝對象的X射線等輻射入射到閃爍體時，由於光致發光現象而轉換為可見光線或紫外光線等的光(螢光)。藉由由光電轉換器件101檢測該光來獲得影像資料。此外，也可以將該結構的攝像裝置用於輻射探測器等。
閃爍體含有如下物質：當閃爍體被照射X射線或伽瑪射線等輻射時吸收輻射的能量而發射可見光或紫外線的物質。例如，可以使用將Gd2 O2 S：Tb、Gd2 O2 S：Pr、Gd2 O2 S：Eu、BaFCl：Eu、NaI、CsI、CaF2 、BaF2 、CeF3 、LiF、LiI、ZnO等分散到樹脂或陶瓷中的材料。
藉由進行利用紅外線或紫外線的拍攝，可以對攝像裝置賦予檢測功能、安全功能、感測器功能等。例如，藉由進行利用紅外線的拍攝，可以進行如下檢測：產品的無損檢測、農產品的挑選(糖量計的功能等)、靜脈識別、醫療檢測等。另外，藉由進行利用紫外線的拍攝，可以檢測從光源或火焰放出的紫外光，而可以進行光源、熱源、生產裝置等的管理等。
層26包括微透鏡陣列462。透過微透鏡陣列462所包括的各透鏡的光穿過正下方的光學轉換層而照射到光電轉換器件101。藉由設置微透鏡陣列462，可以將所集聚的光入射到光電轉換器件101，所以可以高效地進行光電轉換。微透鏡陣列462較佳為由對目的波長的光具有高透光性的樹脂或玻璃等形成。
＜疊層結構2＞ 圖23是採用圖6所示的佈局的攝像裝置的剖面圖。層23所示的電晶體104、105是在半導體層431中具有通道形成區域的Si電晶體。層22所示的電晶體102、103是在通道形成區域中包含金屬氧化物的OS電晶體。
圖24A示出詳細的OS電晶體。圖24A所示的OS電晶體具有藉由在氧化物半導體層及導電層的疊層上設置絕緣層而設置到達該氧化物半導體層的開口部來形成源極電極705及汲極電極706的自對準型的結構。
除了形成在氧化物半導體層的通道形成區域708、源極區域703及汲極區域704以外，OS電晶體還可以包括閘極電極701、閘極絕緣膜702。在上述開口部中至少設置閘極絕緣膜702及閘極電極701。在上述開口部中也可以還設置氧化物半導體層707。
如圖24B所示，OS電晶體也可以採用使用閘極電極701作為遮罩在半導體層形成源極區域703及汲極區域704的自對準型的結構。
或者，如圖24C所示，可以採用具有源極電極705或汲極電極706與閘極電極701重疊的區域的非自對準型的頂閘極型電晶體。
OS電晶體包括背閘極735，但也可以不包括背閘極。如圖24D所示的電晶體的通道寬度方向的剖面圖那樣，背閘極735也可以與相對的電晶體的前閘極電連接。作為一個例子，圖24D示出圖24A所示的電晶體的C1-C2的剖面，其他結構的電晶體也是同樣的。此外，也可以採用能夠對背閘極735供應與前閘極不同的固定電位的結構。
在設置有OS電晶體的層與設置有Si電晶體的層間較佳為設置絕緣層425。絕緣層425被用作障壁層。
障壁層較佳為使用能夠防止氫擴散的膜。在Si器件中，為了使懸空鍵終結需要氫，但是OS電晶體附近的氫成為在氧化物半導體層中產生載子的原因之一而降低可靠性。因此，在形成Si器件的層與形成OS電晶體的層間較佳為設置氫的障壁膜。
作為該障壁膜，例如可以使用氧化鋁、氧氮化鋁、氧化鎵、氧氮化鎵、氧化釔、氧氮化釔、氧化鉿、氧氮化鉿、釔安定氧化鋯(YSZ)等。
＜疊層結構3＞ 圖25是採用圖7所示的佈局的攝像裝置的剖面圖。層23所示的電晶體102、103、104、105是在半導體層431中具有通道形成區域的Si電晶體。層22所示的電晶體107是在通道形成區域中包含金屬氧化物的OS電晶體。
與圖21的結構同樣，在上述結構中電晶體102的源極和汲極中的一方直接與光電轉換器件101連接，所以由於光電轉換器件101的完全空乏化而可以完全傳送電荷，從而可以減少雜訊。
＜疊層結構4＞ 圖26示出由設置在層22中的OS電晶體形成像素電路的方式。層23所示的電晶體191、192是在半導體層431中具有通道形成區域的Si電晶體。層22所示的電晶體102、104、105是在通道形成區域中包含金屬氧化物的OS電晶體。
電晶體191、192相當於圖2的層23所示的電路433的組件，也是像素電路以外的功能電路的組件。
＜疊層結構5＞ 圖27示出由設置在層23中的Si電晶體形成像素電路而由OS電晶體形成功能電路的方式。層23所示的電晶體102、103、104、105是在半導體層431中具有通道形成區域的Si電晶體。層22所示的電晶體193、194、195是在通道形成區域中包含金屬氧化物的OS電晶體。
電晶體193、194、195相當於圖2的層22所示的電路423的組件，也是像素電路以外的功能電路的組件。
如疊層結構2至疊層結構5所示，OS電晶體可以具有與Si電晶體重疊的區域，所以可以層疊配置用來對攝像裝置賦予功能的電路或組件。因此，對攝像裝置的小型化很有效。
＜貼合＞ 注意，示出在疊層結構2至疊層結構5中在Si電晶體上藉由佈線製程等相同製程形成OS電晶體的例子，但是也可以藉由貼合製程使Si電晶體與OS電晶體電連接。
圖28示出藉由貼合製程進行圖23所示的Si電晶體與OS電晶體的電連接的例子。
在圖28所示的結構中，在層22中設置絕緣層426、絕緣層427、導電層428a、428b、428c、導電層429a、429b、429c。絕緣層426、427也可以說是絕緣層421的一部分。
導電層428a與光電轉換器件101的陰極電連接。導電層428b與電晶體104的閘極電連接。導電層428c與佈線122電連接。導電層429a與電晶體102的源極和汲極中的一方電連接。導電層429b與電晶體102的源極和汲極中的另一方以及電晶體103的源極和汲極中的一方電連接。導電層429c與電晶體103的源極和汲極中的另一方電連接。
對絕緣層426與絕緣層427、導電層428a與導電層429a、導電層428b與導電層429b以及導電層428c與導電層429c的貼合進行說明。
導電層428a、428b、428c具有嵌入絕緣層426中的區域。此外，導電層428a、428b、428c及絕緣層426的表面以高度一致的方式被平坦化。
導電層429a、429b、429c具有嵌入絕緣層427中的區域。此外，導電層429a、429b、429c及絕緣層427的表面以高度一致的方式被平坦化。
在此，導電層428a、428b、428c以及導電層429a、429b、429c的主要成分較佳為相同的金屬元素。此外，絕緣層426及絕緣層427較佳為由相同的成分構成。
例如，作為導電層428a、428b、428c以及導電層429a、429b、429c可以使用Cu、Al、Sn、Zn、W、Ag、Pt或Au等。從接合的容易性的觀點來看，較佳為使用Cu、Al、W或Au。此外，絕緣層426、427可以使用氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氮化鈦等。
換言之，較佳的是，作為導電層428a和導電層429a、導電層428b和導電層429b以及導電層428c和導電層429c的組合都使用與上述金屬材料相同的金屬材料。此外，較佳的是，作為絕緣層426及絕緣層427都使用與上述絕緣材料相同的絕緣材料。
注意，導電層428a、428b、428c以及導電層429a、429b、429c也可以具有多個層的多層結構。此時，在導電層428a和導電層429a、導電層428b和導電層429b以及導電層428c和導電層429c的各組合中表面層(接合面)使用相同金屬材料即可。此外，絕緣層426及絕緣層427也可以具有多個層的多層結構，此時表面層(接合面)為相同的絕緣材料即可。
藉由進行該貼合，可以獲得導電層428a和導電層429a、導電層428b和導電層429b以及導電層428c和導電層429c的各組合的電連接。此外，可以以足夠的機械強度使絕緣層426及絕緣層427連接。
當接合金屬層時，可以利用表面活化接合法。在該方法中，藉由濺射處理等去除表面的氧化膜及雜質吸附層等並使清潔化且活化了的表面接觸而接合。或者，可以利用並用溫度及壓力使表面接合的擴散接合法等。上述方法都可以發生原子級的結合，因此可以獲得電氣上和機械上都優異的接合。
此外，當接合絕緣層時，可以利用親水性接合法等。在該方法中，在藉由拋光等獲得高平坦性之後，使利用氧電漿等進行過親水性處理的表面接觸而暫時接合，利用熱處理進行脫水，由此進行正式接合。親水性接合法也發生原子級的結合，因此可以獲得機械上優異的接合。
當在各接合面混合有絕緣層與金屬層時，例如，組合表面活化接合法及親水性接合法即可。
例如，可以採用在進行拋光之後使表面清潔化，對金屬層的表面進行防氧處理，然後進行親水性處理來進行接合的方法等。此外，也可以作為金屬層的表面使用Au等難氧化性金屬，進行親水性處理。此外，也可以使用上述以外的接合方法。
藉由上述貼合可以形成圖28所示的疊層結構。
＜封裝、模組＞ 圖30A1是收納影像感測器晶片的封裝的頂面一側的外觀立體圖。該封裝包括使影像感測器晶片550(參照圖30A3)固定的封裝基板510、玻璃蓋板520及貼合它們的黏合劑530等。
圖30A2是該封裝的底面一側的外觀立體圖。在封裝的底面包括以焊球為凸塊540的BGA(Ball grid array：球柵陣列)。注意，不侷限於BGA，也可以包括LGA(Land grid array：地柵陣列)或PGA(Pin Grid Array：針柵陣列)等。
圖30A3是省略玻璃蓋板520及黏合劑530的一部分而圖示的封裝的立體圖。在封裝基板510上形成電極焊盤560，電極焊盤560與凸塊540透過通孔電連接。電極焊盤560透過引線570與影像感測器晶片550電連接。
此外，圖30B1是將影像感測器晶片收納在透鏡一體型封裝內的相機模組的頂面一側的外觀立體圖。該相機模組包括使影像感測器晶片551(參照圖30B3)固定的封裝基板511、透鏡蓋521及透鏡535等。此外，在封裝基板511及影像感測器晶片551之間設置有用作攝像裝置的驅動電路及信號轉換電路等的IC晶片590(參照圖30B3)，具有SiP(System in package：系統封裝)的結構。
圖30B2是該相機模組的底面一側的外觀立體圖。封裝基板511的底面及側面具有設置有安裝用連接盤541的QFN(Quad flat no-lead package：四側無引腳扁平封裝)的結構。注意，該結構是一個例子，也可以設置QFP(Quad flat package：四面扁平封裝)或上述BGA。
圖30B3是省略透鏡蓋521及透鏡535的一部分而圖示的模組的立體圖。連接盤541與電極焊盤561電連接，電極焊盤561透過引線571與影像感測器晶片551或IC晶片590電連接。
藉由將影像感測器晶片容納於上述方式的封裝中，可以容易實現安裝於印刷電路板等，將影像感測器晶片安裝在各種半導體裝置及電子裝置中。
本實施方式可以與其他實施方式的記載適當地組合。
實施方式4 作為可以使用根據本發明的一個實施方式的攝像裝置的電子裝置，可以舉出顯示裝置、個人電腦、具備儲存媒體的影像記憶體裝置及影像再現裝置、行動電話機、包括可攜式的遊戲機、可攜式資料終端、電子書閱讀器、拍攝裝置諸如視頻攝影機或數位相機等、護目鏡型顯示器(頭戴式顯示器)、導航系統、音頻再生裝置(汽車音響系統、數位聲訊播放機等)、影印機、傳真機、印表機、多功能印表機、自動櫃員機(ATM)以及自動販賣機等。圖31A至圖31F示出這些電子裝置的具體例子。
圖31A是行動電話機的一個例子，該行動電話機包括外殼981、顯示部982、操作按鈕983、外部連接介面984、揚聲器985、麥克風986、攝像頭987等。該行動電話機在顯示部982具有觸控感測器。藉由用手指或觸控筆等觸摸顯示部982可以進行打電話或輸入文字等各種操作。此外，也可以將本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法用於該行動電話機。由此除了彩色影像以外還可以取得紅外線影像。
圖31B是可攜式資料終端，該可攜式資料終端包括外殼911、顯示部912、揚聲器913、攝像頭919等。藉由顯示部912所具有的觸控面板功能可以輸入且輸出資訊。此外，可以從由攝像頭919獲取的影像中識別出文字等，並可以使用揚聲器913以語音輸出該文字。可以將本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法用於該可攜式資料終端。由此除了彩色影像以外還可以取得紅外線影像。
圖31C是監控攝影機，該監控攝影機包括支架951、攝像單元952及保護罩953等。在攝像單元952中設置旋轉機構等，藉由設置在天花板可以拍攝周圍。可以將本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法用於該攝像單元。由此除了彩色影像以外還可以取得紅外線影像。注意，“監控攝影機”是一般名稱，不侷限於其用途。例如，具有作為監控攝影機的功能的裝置被稱為攝影機或視頻攝影機。
圖31D是視頻攝影機，該視頻攝影機包括第一外殼971、第二外殼972、顯示部973、操作鍵974、透鏡975、連接部976、揚聲器977、麥克風978等。操作鍵974及透鏡975設置在第一外殼971中，顯示部973設置在第二外殼972中。可以將本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法用於該視頻攝影機。由此除了彩色影像以外還可以取得紅外線影像。
圖31E是數位相機，該數位相機包括外殼961、快門按鈕962、麥克風963、發光部967以及透鏡965等。可以將本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法用於該數位相機。由此除了彩色影像以外還可以取得紅外線影像。
圖31F是手錶型資訊終端，該手錶型資訊終端包括顯示部932、外殼兼腕帶933以及攝像頭939等。顯示部932也可以包括用來進行資訊終端的操作的觸控面板。顯示部932及外殼兼腕帶933具有撓性，並且適合佩戴於身體。可以將本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法用於該資訊終端。由此除了彩色影像以外還可以取得紅外線影像。
圖32是示出作為移動體的一個例子的汽車的外觀圖。汽車890包括多個照相機891等，可以取得汽車890的前後左右的資訊。本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法可以應用於照相機891。另外，汽車890包括紅外線雷達、毫米波雷達、雷射雷達等各種感測器(未圖示)等。汽車890分析照相機891所取得的多個撮像方向892的影像，判斷護欄或行人的有無等周圍的交通狀況，而可以進行自動駕駛。另外，還可以將本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法用於進行導航、危險預測等的系統。
藉由對照相機891所得到的影像資料進行神經網路等的運算處理，例如可以進行影像的高解析度化、影像雜訊的減少、人臉識別(安全目的等)、物體識別(自動駕駛的目的等)、影像壓縮、影像校正(寬動態範圍化)、無透鏡影像感測器的影像恢復、位置對準、文字識別、反射眩光等的降低等處理。
注意，在上面作為移動體的一個例子說明汽車，汽車可以為包括內燃機的汽車、電動汽車、氫能汽車等中的任意個。另外，移動體不侷限於汽車。例如，作為移動體，也可以舉出電車、單軌鐵路、船舶、飛行物(直升機、無人駕駛飛機(無人機)、飛機、火箭)等，可以對這些移動體應用本發明的一個實施方式的電腦，以提供利用人工智慧的系統。
本實施方式可以與其他實施方式的記載適當地組合。
10:像素 21:層 22:層 23:層 24:層 25:層 26:層 31:像素陣列 32:電路 33:電路 34:電路 35:電路 36:電路 38:電路 100:像素 101:光電轉換器件 101C:光電轉換器件 101D:光電轉換器件 101P:插頭 102:電晶體 102n:低電阻區域 102P:插頭 103:電晶體 103P:插頭 104:電晶體 105:電晶體 106:電容器 107:電晶體 107P:插頭 108:電晶體 121:佈線 122:佈線 122P:插頭 123:佈線 123P:插頭 124:佈線 125:佈線 131:佈線 131P:插頭 132:佈線 132P:插頭 133:佈線 133_1:佈線 133_2:佈線 133_3:佈線 133P:插頭 134:佈線 135:佈線 135_1:佈線 135_2:佈線 135_3:佈線 161:電晶體 162:電晶體 163:電容器 191:電晶體 192:電晶體 193:電晶體 194:電晶體 195:電晶體 200:像素方塊 201:電路 202:電容器 203:電晶體 204:電晶體 205:電晶體 206:電晶體 207:電晶體 211:佈線 212:佈線 213:佈線 215:佈線 216:佈線 217:佈線 218:佈線 219:佈線 300:像素陣列 301:電路 302:電路 303:電路 304:電路 305:電路 311:佈線 320:記憶單元 325:參照記憶單元 330:電路 350:電路 360:電路 370:電路 412:絕緣層 416:絕緣層 417:半導體層 421:絕緣層 422:絕緣層 423:電路 424:佈線 425:絕緣層 426:絕緣層 427:絕緣層 428a:導電層 428b:導電層 428c:導電層 429a:導電層 429b:導電層 429c:導電層 431:半導體層 432:電路 433:電路 434:絕緣體 441:單晶矽基板 441n:層 441p:層 442:絕緣層 443:元件分離層 451:遮光層 452:光學轉換層 452B:濾色片 452G:濾色片 452G1:濾色片 452G2:濾色片 452IR:紅外線濾光片 452R:濾色片 452UV:紫外線濾光片 461:絕緣層 462:微透鏡陣列 510:封裝基板 511:封裝基板 520:玻璃蓋板 521:透鏡蓋 530:黏合劑 535:透鏡 540:凸塊 541:連接盤 550:影像感測器晶片 551:影像感測器晶片 560:電極焊盤 561:電極焊盤 565a:層 565b:層 565c:層 570:引線 571:引線 590:IC晶片 701:閘極電極 702:閘極絕緣膜 703:源極區域 704:汲極區域 705:源極電極 706:汲極電極 707:氧化物半導體層 708:通道形成區域 735:背閘極 890:汽車 891:照相機 892:撮像方向 911:外殼 912:顯示部 913:揚聲器 919:照相機 932:顯示部 933:外殼兼腕帶 939:照相機 951:支架 952:照相機單元 953:保護罩 961:外殼 962:快門按鈕 963:麥克風 965:透鏡 967:發光部 971:外殼 972:外殼 973:顯示部 974:操作鍵 975:透鏡 976:連接部 977:揚聲器 978:麥克風 981:外殼 982:顯示部 983:操作按鈕 984:外部連接埠 985:揚聲器 986:麥克風 987:照相機
[圖1]是說明像素的圖。 [圖2]是說明像素的圖。 [圖3A]、[圖3B]是說明像素電路的圖。 [圖4A]、[圖4B]是說明像素電路的圖。 [圖5]是說明像素電路的佈局的圖。 [圖6]是說明像素電路的佈局的圖。 [圖7]是說明像素電路的佈局的圖。 [圖8]是說明像素的工作的時序圖。 [圖9]是說明攝像裝置的方塊圖。 [圖10A]、[圖10B]是說明像素電路的圖。 [圖11]是說明攝像裝置的方塊圖。 [圖12]是說明像素方塊200及電路201的圖。 [圖13A]、[圖13B]是說明像素100的圖。 [圖14A]、[圖14B]是說明像素方塊200及電路201的工作的時序圖。 [圖15A]、[圖15B]是說明電路301及電路302的圖。 [圖16]是說明記憶單元的圖。 [圖17A]、[圖17B]是示出神經網路的構成例子的圖。 [圖18A]、[圖18B]是說明光電轉換器件的結構的圖。 [圖19]是說明像素的圖。 [圖20A]至[圖20C]是說明Si電晶體的圖。 [圖21]是說明像素的圖。 [圖22]是說明像素的圖。 [圖23]是說明像素的圖。 [圖24A]至[圖24D]是說明OS電晶體的圖。 [圖25]是說明像素的圖。 [圖26]是說明像素的圖。 [圖27]是說明像素的圖。 [圖28]是說明像素的圖。 [圖29A]至[圖29C]是說明像素的圖。 [圖30A1]至[圖30A3]、[圖30B1]至[圖30B3]是安裝有攝像裝置的封裝、模組的立體圖。 [圖31A]至[圖31F]是說明電子裝置的圖。 [圖32]是說明汽車的圖。
21:層
22:層
23:層
24:層
25:層
26:層

Claims (9)

  1. 一種攝像裝置，包括： 第一層；以及 第二層， 其中，該第一層具有與該第二層重疊的區域， 該第一層包括半導體基板以及在該半導體基板的第一面具有受光面的光電轉換器件， 該第二層包括半導體層以及在該半導體層中具有通道形成區域的第一電晶體， 該半導體層以接觸於與該半導體基板的第一面相反一側的第二面的方式設置， 該光電轉換器件與該第一電晶體電連接， 並且，該光電轉換器件及該第一電晶體具有彼此重疊的區域。
  2. 如請求項1之攝像裝置， 其中作為該半導體基板使用單晶矽基板， 並且作為該半導體層使用設置在該單晶矽基板上的矽磊晶生長層。
  3. 如請求項1或2之攝像裝置， 其中該第一電晶體用作像素電路或者該像素電路的驅動電路的組件。
  4. 如請求項1至3中任一項之攝像裝置，還包括第三層， 其中該第三層具有隔著該第二層與該第一層重疊的區域， 該第三層包括在通道形成區域包含金屬氧化物的第二電晶體， 該第二電晶體與該光電轉換器件及/或該第一電晶體電連接， 並且該第二電晶體具有與該光電轉換器件及/或該第一電晶體彼此重疊的區域。
  5. 如請求項4之攝像裝置， 其中該金屬氧化物包含In、Zn、M(M是Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一個或多個)。
  6. 如請求項4或5之攝像裝置， 其中該第二電晶體用作像素電路或者該像素電路的驅動電路的組件。
  7. 如請求項1至6中任一項之攝像裝置，還包括第四層， 其中該第四層具有隔著該第一層與該第二層重疊的區域， 該第四層包括濾色片， 並且該濾色片具有與該光電轉換器件彼此重疊的區域。
  8. 一種電子裝置，包括： 請求項1至7中任一項之攝像裝置；以及 顯示裝置。
  9. 一種包括請求項1至7中任一項之攝像裝置的移動體。
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