TW202209659A - 攝像裝置及電子裝置 - Google Patents

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佐藤駿介
米田誠一
根来雄介
廣瀬丈也
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

提供一種具有影像處理功能並可以進行高速工作的攝像裝置。本發明是一種具有影像處理等附加功能的攝像裝置，在像素部中對藉由攝像工作取得的影像資料進行二值化，使用該二值化資料進行積和運算。像素部中設置有記憶體電路，保持用於積和運算的權係數。因此，可以進行運算而無需隨時從外部讀取權係數，可以降低功耗。另外，藉由層疊形成像素電路及記憶體電路等與積和運算電路等，可以縮短電路間的佈線長度，可以進行低功耗工作及高速工作。

Description

攝像裝置及電子裝置
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、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。
另外，專利文獻2公開了對攝像裝置賦予運算功能的技術。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2011-119711號公報 [專利文獻2]日本專利申請公開第2016-123087號公報
安裝於移動設備等的攝像裝置通常具有能夠取得高解析度的影像的功能。需要下一代攝像裝置具有更高智慧性的功能。
利用攝像裝置取得的影像資料(類比資料)被轉換為數位資料且被提取到外部，然後根據需要被進行影像處理。當能夠在攝像裝置內進行該處理時，可以以更高速與外部設備聯動，並且使用者的方便性提高。另外，也可以減少週邊裝置等的負載及功耗。
另外，在對攝像裝置賦予功能時，較佳為層疊增加的電路等組件。例如，藉由以與像素電路重疊的方式設置多個電路，可以抑制面積增大，可以形成高性能小型攝像裝置。另外，可以縮短層疊的電路間的佈線長度，可以實現高速且功耗低的工作。
因此，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種能夠進行影像處理的攝像裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種高性能小型攝像裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種可以進行高速工作的攝像裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種低功耗的攝像裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種可靠性高的攝像裝置。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上述攝像裝置的驅動方法。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種新穎的半導體裝置等。
注意，這些目的的記載不妨礙其他目的的存在。注意，本發明的一個實施方式並不需要實現所有上述目的。除上述目的外的目的從說明書、圖式、申請專利範圍等的描述中是顯而易見的，並且可以從所述描述中衍生。
本發明的一個實施方式係關於一種具有影像處理功能並可以進行高速工作的攝像裝置。
本發明的一個實施方式是一種包括多個方塊的攝像裝置，方塊包括第一層及第二層，第一層具有與第二層重疊的區域，在方塊中第一層包括多個像素電路及多個第一記憶體電路，第二層包括多個積和運算電路、多個第一二值化電路及多個第二二值化電路，像素電路及第一記憶體電路包括在通道形成區域中包含金屬氧化物的電晶體。
本發明的另一個實施方式是一種包括多個方塊的攝像裝置，方塊包括第一層、第二層及第三層，第一層位於第二層和第三層之間或者第三層位於第一層和第二層之間，第一層至第三層具有互相重疊的區域，在方塊中第一層包括多個像素電路，第二層包括多個積和運算電路、多個第一二值化電路及多個第二二值化電路，第三層包括多個第一記憶體電路，像素電路及第一記憶體電路包括在通道形成區域中包含金屬氧化物的電晶體。
積和運算電路、第一二值化電路及第二二值化電路較佳為包括在通道形成區域中包含矽的電晶體。
像素電路和第一二值化電路的數量相同，像素電路可以與第一二值化電路中的一個電連接。
第一二值化電路中的一個可以與多個積和運算電路電連接。
第一記憶體電路中的一個可以與多個積和運算電路電連接。
積和運算電路和第二二值化電路的數量相同，積和運算電路中的一個可以與第二二值化電路中的一個電連接。
像素電路的驅動電路及第一記憶體電路的驅動電路可以設置在第二層中。
另外，也可以還包括第二記憶體電路，第二記憶體電路的輸入端子可以與多個第二二值化電路電連接，第二記憶體電路的輸出端子可以與積和運算電路中的多個電連接。
另外，也可以還包括第三記憶體電路及第三二值化電路，第三記憶體電路也可以藉由第三二值化電路與多個積和運算電路電連接。
第二記憶體電路、第三記憶體電路及第三二值化電路也可以設置在第二層中。
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)。
藉由採用本發明的一個實施方式可以提供一種能夠進行影像處理的攝像裝置。另外，可以提供一種高性能小型攝像裝置。另外，可以提供一種可以進行高速工作的攝像裝置。另外，可以提供一種低功耗的攝像裝置。另外，可以提供一種可靠性高的攝像裝置。另外，可以提供一種新穎的攝像裝置等。另外，可以提供一種上述攝像裝置的工作方法。另外，可以提供一種新穎的半導體裝置等。
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。另外，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。另外，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組件，如果在功能上沒有問題，該組件也可以使用多個組件構成。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，有時對同一組件使用多個名稱。另外，即使在電路圖上示出組件之間直接連接的情況，有時實際上該組件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具有影像處理等附加功能的攝像裝置。在該攝像裝置中，在像素部中對藉由攝像工作取得的類比資料(影像資料)進行二值化，利用該二值化資料進行積和運算。像素部中設置有記憶體電路，保持用於積和運算的權係數(也稱為權重資料、濾波器)。因此，可以進行運算而無需隨時從外部讀取權係數，可以降低功耗。
另外，在本發明的一個實施方式的攝像裝置中，藉由層疊形成像素電路及記憶體電路等與積和運算電路等，可以縮短電路間的佈線長度，可以進行低功耗工作及高速工作。另外，可以提供一種高性能小型攝像裝置。
＜攝像裝置＞ 圖1是說明本發明的一個實施方式的攝像裝置的立體圖。攝像裝置包括層10及層20。層10也可以設置在層20上。攝像裝置包括設置有像素電路及記憶體電路等的像素部11。像素部11包括設置在層10中的組件及設置在層20中的組件。
在層10中可以設置像素電路及記憶體電路。在層20中可以設置層10所包括的電路的驅動電路、層10所包括的電路取得的資料的運算電路、資料轉換電路以及記憶體電路等。例如，在層20中可以設置運算部21、驅動像素電路的行驅動器31及列驅動器32、驅動記憶體電路的行驅動器33及列驅動器34等。另外，根據需要，在層20中也可以設置具有資料的選擇功能、保持功能、轉換功能、讀出功能等的電路35及電路36等。
可以利用貫通層10的電極或佈線等電連接層10所包括的電路和層20所包括的電路。注意，上述部分電路可以設置在與上述說明相反的層中或攝像裝置的外部。
圖2A是詳細地說明像素部11的圖。像素部11包括配置為矩陣狀的多個方塊12。另外，方塊12包括配置為3×3個的方塊13。另外，方塊13包括3×3個像素14。換言之，方塊12包括9×9個像素14。像素14包括像素電路15及記憶體電路16。
在本發明的一個實施方式中，在方塊13包括3×3個像素14的結構的前提下進行各種運算等，但是像素數不侷限於上述數量，例如可以採用2×2、4×4、5×5、25×25等。或者，水平方向上和垂直方向上的像素14的數量可以不同。另外，相鄰的方塊12可以共同使用部分方塊13。另外，相鄰的方塊13可以共同使用部分像素14。此外，也可以適當地改變方塊12所包括的方塊13的數量。
圖2A所示的像素14是像素電路15及記憶體電路16排列設置在層10中的例子，但是，如圖2B所示，也可以在記憶體電路16上重疊設置像素電路15。或者，如圖2C所示，也可以在像素電路15上重疊設置記憶體電路16。
圖3是說明方塊13的組件的圖。方塊13包括3×3個像素14。因此，方塊13在層10中包括九個像素電路15及九個記憶體電路16。另外，與像素電路15或記憶體電路16重疊的區域(層20)中作為運算部21設置有多個二值化電路22、多個積和運算電路23及多個二值化電路24。
二值化電路22的數量與像素電路15相同，亦即設置有九個二值化電路22。二值化電路22設置在具有與像素電路15重疊的區域的位置上。圖4是示出像素電路15與二值化電路22的連接關係的圖，一個像素電路15電連接到具有與其重疊的區域的一個二值化電路22。
二值化電路22是利用預先設定的臨界值對利用像素電路15取得的影像資料(類比資料)進行判定並進行二值化的電路，例如可以使用比較器。
多個積和運算電路23設置在一個方塊13中，在本實施方式中示出設置六個積和運算電路23的例子。注意，根據目的可以適當地增加或減少積和運算電路23的數量。積和運算電路23的輸入端子與記憶體電路16及二值化電路22電連接。
圖5是示出積和運算電路23、記憶體電路16及二值化電路22的連接關係的圖。為了明確示出該連接關係，提取並示出九個二值化電路22。
方塊13包括九個記憶體電路16，該九個記憶體電路16各自包括多個記憶單元。可以對該多個記憶單元的每一個預先寫入1bit權係數。九個記憶體電路16的每一個與六個積和運算電路23的每一個電連接。因此，可以將總共9bit的權係數提供給積和運算電路23的每一個。因為可以從一個記憶體電路16給六個積和運算電路23提供權係數，所以在此只要一個記憶體電路16至少被寫入1bit的權係數，就可以進行該工作。
二值化電路22各自可以輸出被轉換為1bit的影像資料。九個二值化電路22的每一個與六個積和運算電路23的每一個電連接。因為可以從一個二值化電路22給六個積和運算電路23提供影像資料，所以積和運算電路23的每一個被提供總共9bit的影像資料。
圖6A是簡單說明積和運算電路23的結構及運算工作的圖。積和運算電路23例如可以具有包括九個乘法器23a以及一個加法器23b的結構。各乘法器23a被輸入在二值化電路22中被轉換為1bit的影像資料(X1至X9)以及從記憶體電路16讀出的1bit權係數(W1至W9)，進行乘法運算且將1bit資料輸出到加法器23b。在加法器23b中對從各乘法器23a輸入的資料進行加法運算，將其輸出到二值化電路24。在此，從加法器23b(積和運算電路23)輸出的資料會是0至9，因此是4bit資料。
設置與積和運算電路23相同數量的，亦即六個二值化電路24。如圖6A、圖6B及圖7所示，一個二值化電路24與一個積和運算電路23電連接。如圖6A及圖6B所示，輸入到二值化電路24的資料是相當於0至9的4bit數位資料。二值化電路24在判定為輸入資料是5以上時輸出1，在判定為輸入資料是4以下時輸出0。換言之，二值化電路24是具有將4bit資料轉換為1bit的功能的電路。
如圖7所示，可以從一個方塊13輸出總共6bit的運算資料。圖8是說明從方塊12(方塊13[1,1]至方塊13[3,3])的運算資料讀出的圖。
方塊13所包括的六個二值化電路24各自包括控制輸出的選擇電晶體24S。六個選擇電晶體24S的閘極與佈線RSEL(佈線RSEL[0]、佈線RSEL[1]、佈線RSEL[2])電連接。設置在行方向上的方塊13共同使用佈線RSEL。另外，設置在列方向上的方塊13共同使用與六個二值化電路24電連接的六個輸出線OUT(OUT[0]至OUT[5])。
六個輸出線OUT電連接有讀出電路40。讀出電路40包括與各列的六個輸出線OUT電連接的開關40S、開關41S及開關42S。
開關40S至開關42S包括多個電晶體。開關40S所包括的電晶體的閘極與佈線CSEL[0]電連接。開關42S所包括的電晶體的閘極與佈線CSEL[1]電連接。開關42S所包括的電晶體的閘極與佈線CSEL[2]電連接。
開關40S至開關42S的各輸出一側的佈線與一個輸出線OUT電連接，亦即三個佈線電連接到一個輸出線OUT。藉由採用該結構，可以輸出按每方塊13的資料。
可以將讀出電路40作為圖1所示的電路35或電路36的組件設置在層20中。
圖9是說明從方塊12(方塊13[1,1]至方塊13[3,3])的運算資料讀出的時序圖。假設在時間T1之前各方塊13中所有運算完成且二值化電路24保持運算資料的狀態。另外，在以下的說明中，使電晶體處於導通狀態的電位(高電位)被記載為“H”，使電晶體處於非導通狀態的電位(低電位)被記載為“L”。
在時間T1，將佈線RSEL[0]的電位設定為“H”，此時配置在第0行上的方塊13的所有二值化電路24所包括的選擇電晶體24S導通，運算資料被輸出到讀出電路40。
另外，在時間T1將佈線CSEL[0]的電位設定為“H”，此時其閘極電連接到佈線CSEL[0]的開關40S導通，方塊13[1,1]的運算資料被輸出到輸出線OUT[0]至輸出線OUT[5]。
在時間T2，將佈線CSEL[0]的電位設定為“L”且將佈線CSEL[1]的電位設定為“H”，此時開關40S變為不導通，其閘極電連接到佈線CSEL[1]的開關41S導通，方塊13[1,2]的運算資料被輸出到輸出線OUT[0]至輸出線OUT[5]。
在時間T3，將佈線CSEL[1]的電位設定為“L”且將佈線CSEL[2]的電位設定為“H”，此時開關41S變為不導通，其閘極電連接到佈線CSEL[2]的開關42S導通，方塊13[1,3]的運算資料被輸出到輸出線OUT[0]至輸出線OUT[5]。
在時間T4，將佈線RSEL[0]的電位設定為“L”且將佈線CSEL[2]的電位設定為“L”，結束第0行方塊13(方塊13[1,1]至方塊13[1,3]的運算資料的輸出。
在時間T4至時間T7，將佈線RSEL[1]的電位設定為“H”，進行與上述同樣的工作，由此輸出第1行方塊13(方塊13[2,1]至方塊13[2,3])的運算資料。
另外，在時間T7至時間T10，將佈線RSEL[2]的電位設定為“H”，進行與上述同樣的工作，由此輸出第2行方塊13(方塊13[3,1]至方塊13[3,3])的運算資料。
在此，藉由以一個時脈結束運算工作且以一個時脈進行一個方塊13的讀出工作，可以以總共十個時脈進行一個方塊12的讀出。另外，藉由設置與方塊12的列相同數量的讀出電路40，可以並行進行一個行的方塊12的讀出。
＜像素電路＞ 如圖10A所示，像素電路15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以及電容器106。
光電轉換器件101的一個電極與電晶體102的源極和汲極中的一個電連接。電晶體102的源極和汲極中的另一個與電晶體103的源極和汲極中的一個、電容器106的一個電極及電晶體104的閘極電連接。電晶體104的源極和汲極中的一個與電晶體105的源極和汲極中的一個電連接。
光電轉換器件101的另一個電極與佈線111電連接。電晶體102的閘極與佈線114電連接。電晶體103的源極和汲極中的另一個與佈線112電連接。電晶體103的閘極與佈線115電連接。電晶體104的源極和汲極中的另一個與佈線113電連接。電晶體105的源極和汲極中的另一個與佈線117電連接。電晶體105的閘極與佈線116電連接。
在此，將電晶體102的源極和汲極中的另一個與電晶體103的源極和汲極中的一個、電容器106的一個電極以及電晶體104的閘極電連接的點(佈線)記作節點N。
可以將佈線111、112及113用作電源線。例如，可以將佈線111用作低電位電源線且將佈線112及佈線113用作高電位電源線。此外，佈線112及佈線113可以互相電連接。可以將佈線114、115及116用作控制各電晶體的導通的信號線。可以將佈線117用作電連接像素電路15和二值化電路22的佈線。
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可以具有控制節點N的電位的功能。電晶體103可以具有使節點N的電位初始化的功能。電晶體104可以具有根據節點N的電位使電流流過的功能。電晶體105可以具有選擇像素的功能。
另外，也可以使光電轉換器件101的一對電極的連接方向相反。在該情況下，可以將佈線111用作高電位電源線且將佈線112及佈線113用作低電位電源線。
作為電晶體102及103較佳為使用在通道形成區域中使用金屬氧化物的電晶體(OS電晶體)。另外，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。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。
另一方面，有時較佳為電晶體104的放大特性良好。另外，電晶體105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，也可以任意組合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，作為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。
另外，如圖10B所示，也可以採用電晶體設置有背閘極(第二閘極)的結構。藉由電連接該背閘極與前閘極，可以增大電晶體的通態電流。另外，藉由對該背閘極供應適當的恆電位，可以控制電晶體的臨界電壓。注意，可以將電晶體設置有背閘極的結構用於本說明書的其他電路。另外，也可以將有背閘極的電晶體和無背閘極的電晶體混在一起來構成電路。
另外，如圖10C所示，也可以採用對圖10A的結構追加電晶體107及電晶體108的結構。電晶體107的閘極與電晶體104的閘極電連接。電晶體107的源極和汲極中的一個與電晶體108的源極和汲極中的一個電連接。電晶體107的源極和汲極中的另一個與佈線113電連接。電晶體108的閘極與佈線118電連接。電晶體108的源極和汲極中的另一個與佈線119電連接。
在此，可以將佈線118用作控制電晶體108的導通的信號線。另外，佈線119可以與電路60電連接。電路60是影像讀出電路，例如可以使用CDS電路(相關雙取樣電路)等。藉由使用該結構，可以將影像資料輸出到佈線117及佈線119。輸出到佈線117的影像資料被輸入到二值化電路22，然後被進行積和運算。輸出到佈線119的影像資料藉由電路60讀出到外部。可以並行進行這些工作。另外，可以只進行運算(影像處理)，也可以只進行影像資料的讀出。
此外，可以將電路60作為圖1所示的電路35或電路36的組件設置在層20中。
＜記憶體電路＞ 如圖2所示，記憶體電路16設置在像素14中。另外，記憶體電路16包括多個記憶單元，該記憶單元中保存相當於權係數的1bit資料。
圖11A是示出記憶單元150、行驅動器33及列驅動器34的連接關係的圖。作為構成記憶單元150的電晶體較佳為使用OS電晶體。多個記憶單元150作為記憶體電路16設置在層10中。行驅動器33及列驅動器34是記憶單元150的驅動電路，可以設置在層20中。
記憶體電路16包括在一個列上m(m為1以上的整數)個且在一個行上n(n為1以上的整數)個，共m×n個記憶單元150，記憶單元150以矩陣狀配置。
圖11B及圖11C是說明能夠用於記憶單元150的記憶單元150a及記憶單元150b的圖。注意，在以下說明中，位元線類可以連接到列驅動器34。另外，字線類可以連接到行驅動器33。注意，位元線類還電連接到積和運算電路23，但是在此未圖示。
作為行驅動器33及列驅動器34，例如可以使用解碼器或移位暫存器。另外，也可以設置多個行驅動器33及多個列驅動器34。
圖11B示出包括兩個電晶體和一個電容器的增益單元型(也稱為“2Tr1C型”)記憶單元150a的電路結構實例。記憶單元150a包括電晶體273、電晶體272及電容器274。
電晶體273的源極和汲極中的一個與電容器274的一個電極連接，電晶體273的源極和汲極中的另一個與佈線WBL連接，電晶體273的閘極與佈線WL連接，電晶體273的背閘極與佈線BGL連接。電容器274的另一個電極與佈線RL連接。電晶體272的源極和汲極中的一個與佈線RBL連接，電晶體272的源極和汲極中的另一個與佈線SL連接，電晶體272的閘極與電容器274的一個電極連接。
佈線WBL被用作寫入位元線。佈線RBL被用作讀出位元線。佈線WL被用作字線。佈線RL用作對電容器274的另一個電極施加預定電位的佈線。資料寫入時、正在進行資料保持時，較佳為對佈線RL施加參考電位。
佈線BGL用作對電晶體273的背閘極施加電位的佈線。藉由對佈線BGL施加任意電位，可以增減電晶體273的臨界電壓。
資料的寫入藉由對佈線WL施加高位準電位使電晶體273變為導通狀態以使佈線WBL與電容器274的一個電極電連接來進行。明確地說，在電晶體273為導通狀態時，對佈線WBL施加對應於要記錄的資訊的電位來對電容器274的一個電極及電晶體272的閘極寫入該電位。然後，對佈線WL施加低位準電位使電晶體273變為非導通狀態，由此儲存電容器274的一個電極的電位及電晶體272的閘極的電位。
資料的讀出藉由對佈線RL和佈線SL施加預定的電位來進行。由於電晶體272的源極-汲極間流過的電流及電晶體273的源極和汲極中的一個的電位由電晶體272的閘極的電位及電晶體273的源極和汲極中的另一個的電位決定，所以藉由讀出與電晶體272的源極和汲極中的一個連接的佈線RBL的電位，可以讀出電容器274的一個電極(或電晶體272的閘極)所保持的電位。也就是說，可以從電容器274的一個電極(或電晶體272的閘極)所保持的電位讀出該記憶單元中寫入的資訊。或者，可以知道該記憶單元是否被寫入資訊。
另外，如圖11C所示，也可以採用將佈線WBL與佈線RBL合為一個佈線BIL的結構。在圖11C所示的記憶單元150b中，將記憶單元150a的佈線WBL與佈線RBL合為一個佈線BIL，電晶體273的源極和汲極中的另一個及電晶體272的源極和汲極中的一個與佈線BIL連接。也就是說，記憶單元150b將寫入位元線和讀出位元線合為一個佈線BIL工作。
另外，記憶單元150a及記憶單元150b的電晶體273也較佳為使用OS電晶體。將使用記憶單元150a及記憶單元150b那樣的作為電晶體273使用OS電晶體的2Tr1C型記憶單元的記憶體裝置稱為NOSRAM(Non-volatile Oxide Semiconductor Random Access Memory：氧化物半導體非揮發性隨機存取記憶體)。
＜佈局＞ 圖12A及圖12B是可用於本發明的一個實施方式的像素電路的佈局(俯視圖)的例子。圖12A及圖12B是圖10B所示的像素電路的佈局，在圖12A中示出背閘極佈線170、金屬氧化物層175以及源極-汲極佈線180。在此，金屬氧化物層175是被設置OS電晶體的通道形成區域的層。
為了提高攝像裝置的解析度需要使像素電路微型化。在微型化製程中，相鄰的結構物互相影響，因此如果隨機配置結構物，則佈線寬度等的不均勻被助長。因此，如圖12A所示，較佳為將結構物以等間距配置在水平方向(X方向)及垂直方向(Y方向)上。
圖12B示出對圖12A追加閘極佈線185及與閘極佈線185電連接的佈線190的結構。如此，藉由重疊各組件，形成圖10B所示的電晶體102、電晶體103、電晶體104及電晶體105。除此之外，形成多個電晶體109。電晶體109是與電路工作無關的偽電晶體，但是藉由採用這樣的結構，可以提高佈線寬度等的均勻性，可以抑制電晶體特性的不均勻等。
藉由在本實施方式中說明的本發明的一個實施方式，可以提供一種具有影像處理功能並可以進行高速工作的攝像裝置。
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，參照圖式說明具有與實施方式1不同的結構的攝像裝置。在實施方式1中說明的攝像裝置中，對影像資料一次進行積和運算而提取運算資料，在本實施方式中說明的攝像裝置中，對影像資料多次進行積和運算而提取運算資料。
像素14及方塊(方塊12、方塊13)的基本結構是與實施方式1共通的，因此省略詳細說明。
攝像裝置作為用來多次進行積和運算而提取運算資料的組件包括兩個暫存器。圖13是說明方塊12與兩個暫存器(暫存器51、暫存器52)之一的暫存器51的連接關係的圖。注意，也可以在方塊13和暫存器51之間設置選擇電路以減少佈線數量。
在圖13中，示出使圖8所示的方塊12簡化的方塊12，並示出第一次積和運算後總共6bit(1bit×6)的運算資料從各方塊13輸出。從各方塊13輸出的總共6bit的運算資料被輸入到並保存在暫存器51中。在此，暫存器51被輸入從九個方塊13輸出的總共6bit的運算資料，因此保存總共54bit(總共6bit×9)的運算資料。
接著，如圖14所示，將保存在暫存器51中的總共54bit的運算資料再分配給各方塊13。各方塊13中設置有六個圖6A所示的能夠處理總共9bit的資料的積和運算電路23，將總共9bit的運算資料分配給各積和運算電路23。另外，從方塊13所包括的九個記憶體電路16給各積和運算電路23提供總共9bit的權係數。因此，各積和運算電路23可以進行第二次積和運算。
接著，如圖15A所示，各積和運算電路23所輸出的4bit運算資料被輸入到以與方塊13相同的數量設置的各電路25。在此，因為有六個積和運算電路23，所以輸入到電路25的運算資料總共為24bit(4bit×6)。
圖15B是說明電路25的圖。電路25包括加法電路26a及二值化電路26b。因為六個積和運算電路23的每一個向加法電路26a輸入4bit(相當於0至9)運算資料，所以加法電路26a的輸出是6bit(相當於0至54)運算資料。6bit資料被輸入到二值化電路26b。二值化電路26b可以將被輸入的資料轉換為1bit，在資料是28以上時輸出1且在資料是27以下時輸出0。注意，雖然在圖15中電路25位於方塊12內，但是電路25也可以設置在方塊12外。
各電路25所輸出的1bit運算資料(總共9bit的資料)被輸入到並保存在暫存器52中。在此，根據需要可以讀出總共9bit的運算資料。注意，也可以在電路25和暫存器52之間設置選擇電路以減少佈線數量。
在本實施方式中，說明再改變權係數而反復進行積和運算的工作。在上述工作之後，方塊13所包括的積和運算電路23保持從暫存器51再分配的總共54bit的運算資料，藉由改變從記憶體電路16提供的權係數再次進行積和運算，由此可以得到不同的運算資料。並且，該運算資料與在之前的積和運算中得到的運算資料同樣地被保存在暫存器52中。因此，總共18bit的運算資料被保存在暫存器52中。
圖16A是說明連接到暫存器52的輸出一側的讀出電路41的圖。暫存器52的輸出一側設置有六個輸出線以便以總共6bit的運算資料進行讀出。六個輸出線電連接有讀出電路41。讀出電路41包括與六個輸出線的每一個電連接的開關43S、開關44S及開關45S。
開關43S至開關45S包括多個電晶體。開關43S所包括的電晶體的閘極與佈線CSEL[0]電連接。開關44S所包括的電晶體的閘極與佈線CSEL[1]電連接。開關45S所包括的電晶體的閘極與佈線CSEL[2]電連接。
開關43S至開關45S的各輸出一側的佈線與一個輸出線OUT(OUT[0]至OUT[5])電連接，亦即三個佈線電連接到一個輸出線OUT。藉由採用該結構，可以以總共6bit的運算資料進行輸出。
可以將暫存器51、暫存器52及讀出電路41作為圖1所示的電路35或電路36的組件設置在層20中。
圖16B是說明保存在暫存器52中的運算資料讀出的時序圖。假設在時間T1之前所有運算資料(總共18bit)被保存在暫存器52中的狀態。另外，在以下的說明中，使電晶體處於導通狀態的電位(高電位)被記載為“H”，使電晶體處於非導通狀態的電位(低電位)被記載為“L”。
在時間T1，將佈線CSEL[0]的電位設定為“H”，此時其閘極電連接到佈線CSEL[0]的開關43S導通，第一次的總共6bit的運算資料被輸出到輸出線OUT[0]至輸出線OUT[5]。
在時間T2，將佈線CSEL[0]的電位設定為“L”且將佈線CSEL[1]的電位設定為“H”，此時開關43S變為不導通，其閘極電連接到佈線CSEL[1]的開關44S導通，與第一次的資料不同的第二次的總共6bit的運算資料被輸出到輸出線OUT[0]至輸出線OUT[5]。
在時間T3，將佈線CSEL[1]的電位設定為“L”且將佈線CSEL[2]的電位設定為“H”，此時開關44S變為不導通，其閘極電連接到佈線CSEL[2]的開關45S導通，與第一次及第二次的資料不同的第三次的總共6bit的運算資料被輸出到輸出線OUT[0]至輸出線OUT[5]。
在此，以第一時脈進行到將總共54bit的運算資料保存在暫存器51中的工作，以第二時脈進行到將第一次的總共9bit的運算資料保存在暫存器52中的工作，以第三時脈進行到將第二次的總共9bit的運算資料保存在暫存器52中的工作。然後，以第四時脈從暫存器52讀出第一次的總共6bit的運算資料，以第五時脈讀出第二次的總共6bit的運算資料，以第六時脈讀出第三次的總共6bit的運算資料，由此可以以六個時脈結束所有工作。
可以並行進行第一至第三時脈的工作與第四至第六時脈的工作，在圖16B所示的時序圖的時間T1至時間T2的期間對應於第四時脈，時間T2至時間T3的期間對應於第五時脈且時間T3至時間T4的期間對應於第六時脈時，在時間T4至時間T7可以讀出下一次的總共18bit的運算資料。另外，在時間T7至時間T10可以讀出下下次的總共18bit的運算資料。
注意，實施方式1及本實施方式中的從方塊12的運算資料的讀出工作相當於步長為3的工作，省略池化處理，但是也可以進行池化處理進一步壓縮運算資料。
藉由在本實施方式中說明的本發明的一個實施方式，可以提供一種具有影像處理功能並可以進行高速工作的攝像裝置。
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實例等進行說明。
＜結構實例＞ 圖17A是示出攝像裝置的像素結構的一個例子的圖，可以採用層561及層563的疊層結構。
層561包括光電轉換器件101。光電轉換器件101如圖18A所示可以包括層565a和層565b。注意，根據情況也可以將層稱為區域。
圖18A所示的光電轉換器件101是pn接面型光電二極體，例如作為層565a可以使用p型半導體，作為層565b可以使用n型半導體。或者，作為層565a可以使用n型半導體，作為層565b可以使用p型半導體。
上述pn接面型光電二極體典型地可以使用單晶矽形成。將單晶矽用於光電轉換層的光電二極體具有紫外光至近紅外光的較寬的分光靈敏度特性，藉由與後述的光學轉換層組合，可以檢測出各種波長的光。
此外，作為pn接面型光電二極體的光電轉換層也可以使用化合物半導體。作為該化合物半導體，例如，可以使用鎵-砷-磷化合物(GaAsP)、鎵-磷化合物(GaP)、銦-鎵-砷化合物(InGaAs)、鉛-硫化合物(PbS)、鉛-硒化合物(PbSe)、銦-砷化合物(InAs)、銦-銻化合物(InSb)、水銀-鎘-碲化合物(HgCdTe)等。
化合物半導體較佳為包含第13族元素(鋁、鎵、銦等)及第15族元素(氮、磷、砷、銻等)的化合物半導體(也稱為III-V族化合物半導體)或者包含第12族元素(鎂、鋅、鎘、水銀等)及第16族元素(氧、硫、硒、碲等)的化合物半導體(也稱為II-VI族化合物半導體)。
在化合物半導體中，根據構成元素的組合及其原子數比可以改變能帶間隙，因此可以形成在紫外光至近紅外光的各種波長範圍具有靈敏度的光電二極體。
注意，一般可以被定義為如下：紫外光的波長為0.01μm附近至0.38μm附近，可見光的波長為0.38μm附近至0.75μm附近，近紅外光的波長為0.75μm附近至2.5μm附近，中紅外光的波長為2.5μm附近至4μm附近，遠紅外光的波長為4μm附近至1000μm附近。
例如，為了形成對紫外光至可見光具有光靈敏度的光電二極體，可以將GaP等用於光電轉換層。另外，為了形成對紫外光至近紅外光具有光靈敏度的光電二極體，可以將矽或GaAsP等用於光電轉換層。另外，為了形成對可見光至中紅外光具有光靈敏度的光電二極體，可以將InGaAs等用於光電轉換層。另外，為了形成對近紅外光至中紅外光具有光靈敏度的光電二極體，可以將PbS或InAs等用於光電轉換層。另外，為了形成對中紅外光至遠紅外光具有光靈敏度的光電二極體，可以將PbSe、InSb或HgCdTe等用於光電轉換層。
注意，使用上述化合物半導體的光電二極體可以不是pn接面型光電二極體而是pin接面型光電二極體。pn接面及pin接面不侷限於同質接面結構，也可以採用異質接面結構。
例如，在是異質接面的情況下，可以將第一化合物半導體用於pn接面結構的一個層且將不同於第一化合物半導體的第二化合物半導體用於pn接面結構的另一個層。可以將第一化合物半導體用於pin接面結構的任一個層或任兩個層且將不同於第一化合物半導體的第二化合物半導體用於pin接面結構的其他層。此外，第一化合物半導體和第二化合物半導體中的一個也可以是矽等的單體半導體。
此外，也可以根據像素使用不同材料來形成光電二極體的光電轉換層。藉由採用該結構，可以形成包括檢測出紫外光的像素、檢測出可見光的像素和檢測出紅外光的像素等中的任兩種像素或三種像素的攝像裝置。
另外，層561中的光電轉換器件101可以如圖18B所示地採用層566a、層566b、層566c和層566d的疊層。圖18B所示的光電轉換器件101是突崩光電二極體的一個例子，層566a、層566d相當於電極，層566b、566c相當於光電轉換部。
層566a較佳為低電阻金屬層等。例如，可以使用鋁、鈦、鎢、鉭、銀或其疊層。
層566d較佳為使用對可見光具有高透光性的導電層。例如，可以使用銦氧化物、錫氧化物、鋅氧化物、銦錫氧化物、鎵鋅氧化物、銦鎵鋅氧化物或石墨烯等。另外，可以省略層566d。
光電轉換部的層566b、566c例如可以具有將硒類材料作為光電轉換層的pn接面型光電二極體的結構。較佳的是，作為層566b使用p型半導體的硒類材料，作為層566c使用n型半導體的鎵氧化物等。
使用硒類材料的光電轉換器件具有對可見光具有高外部量子效率的特性。該光電轉換器件可以利用突崩倍增而增加相對於入射光的量的電子放大量。另外，硒類材料具有高光吸收係數，所以例如可以以薄膜製造光電轉換層，因此使用硒類材料從製造的觀點來看有利。硒類材料的薄膜可以藉由真空蒸鍍法或濺射法等形成。
作為硒類材料，可以使用結晶硒(單晶硒、多晶硒)、非晶硒。這些硒對紫外光至可見光具有光靈敏度。另外，可以使用銅、銦、硒的化合物(CIS)或者銅、銦、鎵、硒的化合物(CIGS)等。這些化合物對紫外光至近紅外光具有光靈敏度。
n型半導體較佳為由能帶間隙寬且對可見光具有透光性的材料形成。例如，可以使用鋅氧化物、鎵氧化物、銦氧化物、錫氧化物或者上述物質混在一起的氧化物等。另外，這些材料也具有電洞注入障壁層的功能，可以減少暗電流。
另外，層561中的光電轉換器件101可以如圖18C所示地採用層567a、層567b、層567c、層567d和層567e的疊層。圖18C所示的光電轉換器件101是有機光導電膜的一個例子，層567a為下部電極，層567e是具有透光性的上部電極，層567b、567c、567d相當於光電轉換部。
光電轉換部的層567b、567d中的任一個可以為電洞傳輸層，另一個可以為電子傳輸層。另外，層567c可以為光電轉換層。
作為電洞傳輸層，例如可以使用氧化鉬等。作為電子傳輸層，例如可以使用C60 、C70 等富勒烯或其衍生物等。
作為光電轉換層，可以使用n型有機半導體和p型有機半導體的混合層(本體異質接面結構)。有機半導體有各種各樣的種類，作為光電轉換層選擇對目的波長具有光靈敏度的材料即可。
圖17A所示的層563例如可以使用矽基板。該矽基板包括Si電晶體等。藉由使用該Si電晶體除了可以形成像素電路之外還可以形成驅動該像素電路的電路、影像信號的讀出電路、影像處理電路、神經網路、通訊電路等。另外，也可以形成DRAM(Dynamic Random Access Memory：動態隨機存取記憶體)等記憶體電路、CPU (Central Processing Unit：中央處理器)、MCU(Micro Controller Unit：微控制單元)等。注意，在本實施方式中，將除了像素電路之外的上述電路稱為功能電路。
例如，可以將在實施方式1中說明的層20中設置的功能電路(運算部21、行驅動器31、列驅動器32、行驅動器33、列驅動器34、電路35、電路36等)所包括的部分電晶體或所有電晶體設置於層563中。
另外，層563也可以如圖17B所示地為多個層的疊層。圖17B示出層563a、563b、563c的三層的例子，也可以為兩層。或者，層563也可以為四層以上的疊層。這些層例如可以利用貼合製程等進行層疊。藉由採用該結構可以將像素電路和功能電路分散在多個層中而可以重疊地設置像素電路和功能電路，由此可以製造小型且高性能的攝像裝置。
另外，像素也可以如圖17C所示地採用層561、層562及層563的疊層結構。
層562相當於在實施方式1中說明的層10，並可以包括OS電晶體。上述功能電路中的一個以上可以使用OS電晶體形成。或者，也可以使用層563所包括的Si電晶體和層562所包括的OS電晶體形成功能電路中的一個以上。此外，也可以作為層563使用玻璃基板等支撐基板且用層562所包括的OS電晶體形成像素電路及功能電路。
例如，可以使用OS電晶體及Si電晶體實現常關閉CPU(也稱為“NoffCPU(註冊商標)”)。NoffCPU是指包括即使閘極電壓為0V也處於非導通狀態(也稱為關閉狀態)的常關閉型電晶體的積體電路。
在NoffCPU中，可以停止向NoffCPU中的不需要工作的電路的供電，使該電路處於待機狀態。在供電停止而處於待機狀態的電路中，沒有電力消耗。因此，NoffCPU可以將用電量抑制到最小限度。另外，即使供電停止，NoffCPU也可以長時間保持設定條件等工作所需要的資訊。當從待機狀態恢復時，只要再次開始向該電路的供電即可，而不需要設定條件等的再次寫入。就是說，可以高速從待機狀態恢復。如此，NoffCPU可以降低功耗，而無需大幅度降低工作速度。
另外，層562也可以如圖17D所示為多個層的疊層。圖17D中示出層562a、562b的兩層結構，但是可以採用三層以上的疊層。這些層例如可以以層疊在層563上的方式形成。或者，也可以藉由貼合形成在層563上的層與形成在層561上的層來形成。
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，因此能夠形成具有高耐壓性和高可靠性的電路。此外，Si電晶體中產生的起因於結晶性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。典型的是，In-M-Zn類氧化物可以藉由濺射法形成。或者，也可以藉由ALD(Atomic layer deposition：原子層沉積)法形成。
當利用濺射法形成In-M-Zn類氧化物時，較佳為用來形成In-M-Zn類氧化物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=5:1:6、In:M:Zn=5:1:7、In:M:Zn=5:1:8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。另外，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。
另外，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。
另外，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具有常開啟特性。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。
另外，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，電晶體趨於具有常開啟特性。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。
氫進入氧空位中而成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。
另外，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。另外，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。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。
另外，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。
另外，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(EDX-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)。
另外，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。
＜疊層結構1＞ 接著，參照剖面圖對攝像裝置的疊層結構進行說明。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。另外，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。
圖19是如下疊層體的剖面圖的一個例子，該疊層體包括層560、層561及層563，並在構成層563的層563a與層563b間具有接合平面。
＜層563b＞ 層563b可以包括設置在矽基板611中的功能電路。在此，作為功能電路所包括的部分電晶體示出電晶體223、電晶體224、電晶體225。注意，將電晶體225作為二值化電路22所包括的電晶體示出。
層563b設置有矽基板611、絕緣層612、613、614、616、617、618。絕緣層612用作保護膜。絕緣層613、614、616、617用作層間絕緣膜及平坦化膜。絕緣層618及導電層619用作貼合層。導電層619與電晶體225的閘極電連接。
作為保護膜，例如可以使用氮化矽膜、氧化矽膜、氧化鋁膜等。作為層間絕緣膜及平坦化膜，例如可以使用氧化矽膜等無機絕緣膜、丙烯酸樹脂、聚醯亞胺樹脂等有機絕緣膜。作為電容器的介電層，可以使用氮化矽膜、氧化矽膜、氧化鋁膜等。貼合層將在後面進行詳述。
作為可用作用於器件間的電連接的佈線、電極及插頭的導電體，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563a＞ 層563a包括像素14的組件。此外，也可以包括功能電路的組件。在此，作為像素14的組件的一部分示出像素電路15所包括的電晶體102及電晶體105。圖19所示的剖面圖中沒有示出兩者電連接的樣子。
層563a中設置有矽基板632、絕緣層631、633、634、635、637、638。另外，還設置有導電層636、639。
絕緣層631及導電層639可以用作貼合層。絕緣層634、635、637可以用作層間絕緣膜及平坦化膜。絕緣層633可以用作保護膜。絕緣層638可以使矽基板632與導電層639絕緣。絕緣層638可以使用與其他絕緣層同樣的材料形成。另外，絕緣層638可以使用與絕緣層631相同的材料形成。
導電層639與電晶體105的源極和汲極中的另一個及導電層619電連接。另外，導電層636與佈線111(參照圖10A)電連接。
圖19所示的Si電晶體是在矽基板(矽基板611、632)中具有通道形成區域的鰭型電晶體。圖20A示出通道寬度方向的剖面(圖19的層563a的A1-A2剖面)。另外，Si電晶體也可以是圖20B所示的平面型電晶體。
另外，如圖20C所示，也可以採用包括矽薄膜的半導體層545的電晶體。例如，半導體層545可以使用在矽基板632上的絕緣層546上形成的單晶矽(SOI(Silicon on Insulator：絕緣層上覆矽))。
＜層561＞ 層561包括光電轉換器件101。光電轉換器件101可以形成在層563a上。在圖19中，示出作為光電轉換器件101將圖18C所示的有機光導電膜用作光電轉換層的結構。這裡，層567a為陰極，層567e為陽極。
層561中設置有絕緣層651、652、653、654及導電層655。
絕緣層651、653、654用作層間絕緣膜及平坦化膜。另外，絕緣層654以覆蓋光電轉換器件101的端部的方式設置而具有防止層567e和層567a之間發生短路的功能。絕緣層652用作元件分離層。元件分離層較佳為使用有機絕緣膜等。
相當於光電轉換器件101的陰極的層567a與層563a中的電晶體102的源極和汲極中的一個電連接。相當於光電轉換器件101的陽極的層567e藉由導電層655與層563a中的導電層636電連接。
＜層560＞ 層560形成在層561上。層560包括遮光層671、光學轉換層672及微透鏡陣列673。
遮光層671可以抑制光入射到相鄰的像素。作為遮光層671可以使用鋁､鎢等的金屬層｡另外，也可以層疊該金屬層與具有作為反射防止膜的功能的介電膜。
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672可以使用濾色片。藉由按每個像素將R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)、Y(黃色)、C(青色)和M(洋紅色)等顏色分配給各濾色片，可以獲得彩色影像。例如，如圖28A的立體圖(包括剖面)所示，也可以將濾色片672R(紅色)、濾色片672G(綠色)、濾色片672B(藍色)分別分配給不同像素。
另外，在光電轉換器件101和光學轉換層672的適當的組合中，在作為光學轉換層672使用波長截止濾波片時，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672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。另外，藉由作為光學轉換層672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。另外，藉由作為光學轉換層672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配置不同的多個光學轉換層。例如，如圖28B所示，可以將濾色片672R(紅色)、濾色片672G(綠色)、濾色片672B(藍色)、紅外濾光片672IR分別分配給不同像素。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。
或者，如圖28C所示，可以將濾色片672R(紅色)、濾色片672G(綠色)、濾色片672B(藍色)、紫外濾光片672UV分別分配給不同像素。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。
另外，藉由將閃爍體用於光學轉換層672，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。當透過拍攝物件的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攝像，可以對攝像裝置賦予檢測功能、安全功能、感測功能等。例如，藉由進行利用紅外光的攝像，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，藉由進行利用紫外光的攝像，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。
在光學轉換層672上設置微透鏡陣列673。透過微透鏡陣列673所包括的各透鏡的光穿過正下方的光學轉換層672而照射到光電轉換器件101。藉由設置微透鏡陣列673，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673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。
＜貼合＞ 接著，說明層563b與層563a的貼合。
層563b中設置有絕緣層618及導電層619。導電層619具有嵌入絕緣層618中的區域。另外，絕緣層618及導電層619的表面以高度一致的方式被平坦化。
層563a中設置有絕緣層631及導電層639。導電層639具有嵌入絕緣層631中的區域。另外，絕緣層631及導電層639的表面以高度一致的方式被平坦化。
在此，導電層619及導電層639的主要成分較佳為相同的金屬元素。另外，絕緣層618及絕緣層631較佳為由相同的成分構成。
例如，作為導電層619、639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。另外，絕緣層618、631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619和導電層639都使用在上面所示的相同金屬材料。另外，較佳的是，作為絕緣層618及絕緣層631都使用與上述絕緣材料相同的絕緣材料。藉由採用上述結構，可以進行以層563b和層563a的邊界為貼合位置的貼合。
注意，導電層619及導電層639也可以具有多個層的多層結構，此時表面層(接合面)使用相同金屬材料即可。另外，絕緣層618及絕緣層631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619與導電層639的電連接。另外，可以以足夠的機械強度使絕緣層618及絕緣層631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，因此可以獲得電上和機械上都優異的接合。
另外，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。
在貼合層563b與層563a的情況下，由於在各接合面絕緣層與金屬層是混在一起的，所以，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。另外，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。另外，也可以使用上述以外的接合方法。
藉由上述貼合可以使層563b中的電路與層563a中的像素14的組件電連接。
＜疊層結構1的變形實例＞ 圖21是圖19所示的疊層結構的變形實例，層561中的光電轉換器件101的結構以及層563a的部分結構不同，層561與層563a間也有接合平面。
層561包括光電轉換器件101、絕緣層661、662、664、665及導電層685、686。
光電轉換器件101是pn接面型光電二極體，包括相當於p型區域的層565b及相當於n型區域的層565a。注意，這裡示出pn接面型光電二極體形成在矽基板中的例子。光電轉換器件101是嵌入式光電二極體，藉由設置在層565a的表面一側(取出電流側)的較薄的p型區域(層565b的一部分)抑制暗電流，從而減少雜訊。
絕緣層661、導電層685、686用作貼合層。絕緣層662用作層間絕緣膜及平坦化膜。絕緣層664用作元件分離層。
矽基板中設置有使像素分離的槽，絕緣層665設置在矽基板頂面及該槽中。藉由設置絕緣層665可以抑制光電轉換器件101內產生的載子流入到相鄰的像素。另外，絕緣層665還具有抑制雜散光的侵入的功能。因此，利用絕緣層665可以抑制混色。另外，也可以在矽基板的頂面與絕緣層665之間設置反射防止膜。
絕緣層664可以利用LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon：矽局部氧化)法形成。或者，也可以利用STI (Shallow Trench Isolation：淺溝槽隔離)法等形成。絕緣層665例如可以使用氧化矽、氮化矽等無機絕緣膜、聚醯亞胺樹脂、丙烯酸樹脂等有機絕緣膜。另外，絕緣層665也可以採用多層結構。此外，也可以在絕緣層665的一部分中設置空間。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。
光電轉換器件101的層565a(n型區域，相當於陰極)與導電層685電連接。層565b(p型區域，相當於陽極)與導電層686電連接。導電層685、686具有嵌入絕緣層661中的區域。另外，絕緣層661及導電層685、686的表面以高度一致的方式被平坦化。
在層563a中絕緣層637上形成有絕緣層638。此外，形成有與電晶體102的源極和汲極中的一個電連接的導電層683及與導電層636電連接的導電層684。
絕緣層638、導電層683、684用作貼合層。導電層683、684具有嵌入絕緣層638中的區域。另外，絕緣層638及導電層683、684的表面以高度一致的方式被平坦化。
在此，導電層683、684、685、686是與上述導電層619、639相同的貼合層。另外，絕緣層638、661是與上述絕緣層618、631相同的貼合層。
因此，藉由貼合導電層683和導電層685，可以使光電轉換器件101的層565a(n型區域，相當於陰極)與電晶體102的源極和汲極中的一個電連接。另外，藉由貼合導電層684與導電層686，可以使光電轉換器件101的層565b(p型區域，相當於陽極)與佈線111(參照圖10A)電連接。另外，藉由貼合絕緣層638與絕緣層661，可以進行層561與層563a的電接合及機械接合。
另外，圖22是與上述不同的變形實例，其中電晶體102設置在層561中。在該結構中，電晶體102的源極和汲極中的一個與光電轉換器件101直接連接，電晶體102的源極和汲極中的另一個被用作節點N。在該結構中，可以將儲存在光電轉換器件101中的電荷完全轉移，可以實現一種雜訊少的攝像裝置。
在此，層561所包括的電晶體102的源極和汲極中的另一個與導電層692電連接。另外，層563所包括的電晶體104的閘極與導電層691電連接。導電層691、692是與上述導電層619、639相同的貼合層。
＜疊層結構2＞ 圖23是包括層560、561、562、563而不具有接合平面的疊層體的剖面圖的一個例子。層563中設置有Si電晶體。層562中設置有OS電晶體。注意，層563、層561及層560的結構與圖19所示的結構相同，所以省略其說明。
＜層562＞ 層562形成在層563上。層562包括OS電晶體。在此，示出電晶體102及電晶體105。圖23所示的剖面圖中沒有示出兩者電連接的樣子。
層562中設置有絕緣層621、622、623、624、625、626、628。另外，還設置有導電層627。導電層627可以與佈線111(參照圖10A)電連接。
絕緣層621用作障壁層。絕緣層622、623、625、626、628用作層間絕緣膜及平坦化膜。絕緣層624用作保護膜。
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。
電晶體105的源極和汲極中的另一個藉由插頭與電晶體225的閘極電連接。導電層627與佈線111(參照圖10A)電連接。
電晶體102的源極和汲極中的一個與層561中的光電轉換器件101的陰極電連接。導電層627與層561中的光電轉換器件101的陽極電連接。
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。在該開口部中至少設置閘極絕緣膜702及閘極電極701。在該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中形成源極區域703及汲極區域704的自對準型結構。
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B1-B2的剖面，其他結構的電晶體也是同樣的。另外，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。
＜疊層結構2的變形實例＞ 圖25是圖23所示的疊層結構的變形實例，層561中的光電轉換器件101的結構以及層562的一部分結構不同，在層561與層562間具有接合平面。
層561中的光電轉換器件101是pn接面型光電二極體，與圖21所示的結構相同。
在層562中，絕緣層628上形成有絕緣層648。此外，形成有與電晶體102的源極和汲極中的一個電連接的導電層688以及與導電層627電連接的導電層689。
絕緣層648、導電層688、689用作貼合層。導電層688、689具有嵌入絕緣層648的區域。另外，絕緣層648及導電層688、689的表面以高度一致的方式被平坦化。
在此，導電層688、689是與上述導電層619、639相同的貼合層。另外，絕緣層648是與上述絕緣層618、631相同的貼合層。
因此，藉由貼合導電層688與導電層685，可以使光電轉換器件101的層565a(n型區域，相當於陰極)與電晶體102的源極和汲極中的一個電連接。另外，藉由貼合導電層689與導電層686，可以使光電轉換器件101的層565b(p型區域，相當於陽極)與佈線111(參照圖10A)電連接。另外，藉由貼合絕緣層648與絕緣層661，可以進行層561與層562的電接合及機械接合。
當層疊多個Si器件時，需要多次進行拋光製程及貼合製程。因此其存在製程數多、需要專用裝置、良率低等問題且製造成本高。由於OS電晶體可以以層疊在形成有器件的半導體基板上的方式形成，所以可以減少貼合製程。
此外，也可以將圖22所示的在層561中設置電晶體102的結構用於上述結構。
另外，記憶單元150例如可以設置在層562中。圖26示出將像素電路的組件的電晶體102、105等以及記憶單元150的組件的電晶體273等設置在層562的同一面上的結構。
另外，圖27示出在層562中以具有互相重疊的區域的方式層疊像素電路的組件的電晶體102、104、105等與記憶單元150的組件的電晶體272、273等的結構。藉由採用該結構，可以縮小電路面積，可以形成一種高性能小型攝像裝置。另外，可以縮短電連接層疊的組件的佈線的佈線長度，因此可以實現高速且功耗低的工作。
此外，也可以將圖22所示的在層561中設置電晶體102的結構用於圖26、圖27所示的結構。另外，也可以採用圖23所示的光電轉換器件101的結構。
＜封裝及模組＞ 圖29A是收納影像感測器晶片的封裝的外觀立體圖。該封裝是CSP(晶片尺寸封裝)，並包括影像感測器的裸晶片450、玻璃蓋板440及黏合它們的黏合劑430等。
設置在像素陣列455的外側的電極焊盤425藉由貫通電極420與背面電極415電連接。電極焊盤425藉由佈線或導線與構成影像感測器的電路電連接。裸晶片450也可以是與各種功能的電路層疊而成的疊層晶片。
圖29例示出具有使用焊球對裏面電極415形成凸塊410的結構的BGA(球柵陣列)。注意，不侷限於BGA，也可以使用LGA(地柵陣列)或PGA(針柵陣列)等。或者，也可以使用將裸晶片450安裝到QFN(四側無引腳扁平封裝)、QFP(四面扁平封裝)而成的封裝。
另外，圖29B是組合影像感測器晶片和透鏡而成的相機模組的頂面一側外觀立體圖。該相機模組在圖29A的結構上包括透鏡蓋460及多個透鏡470等。另外，根據需要，在透鏡470和玻璃蓋板440之間設置吸收特定波長的光的光學濾波片480。例如，在是以可見光的攝像為主的影像感測器的情況下，作為光學濾波片480可以使用紅外截止濾波片等。
藉由將影像感測器晶片收納於上述方式的封裝中，可以容易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或影像再現裝置、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碼靜態相機等、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30A至圖30F示出這些電子裝置的具體例子。
圖30A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。
圖30B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。
圖30C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在該照相單元中用來獲取影像的組件。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設備被稱為攝影機或視頻攝影機。
圖30D是行車記錄儀，該行車記錄儀包括框架941、攝像頭942、操作按鈕943以及安裝件944等。藉由利用安裝件944將行車記錄儀設置在汽車的前擋風玻璃等上，可以對開車時的前方景色進行錄影。注意，未圖示的背面設置有顯示錄影影像的顯示面板。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攝像頭942。
圖30E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。
圖30F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。
圖31A是移動體的一個例子的無人機，該無人機包括框架921、機臂922、轉子923、螺旋槳924、攝像頭925及電池926等，並具有自主飛行功能、懸停在空中的功能等。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攝像頭925。
圖31B是示出移動體的一個例子的汽車的外觀圖。汽車890包括多個攝像頭891等，可以取得汽車890的前後左右以及上方的資訊。本發明的一個實施方式的攝像裝置及其工作方法可以用於攝像頭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分析攝像頭891所取得的多個攝像方向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，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。
在本發明的一個實施方式的攝像裝置中，藉由對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，上面，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、飛機、火箭)等，可以對這些移動體使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。
10:層 11:像素部 12:方塊 13:方塊 14:像素 15:像素電路 16:記憶體電路 20:層 21:運算部 22:二值化電路 23:積和運算電路 23a:乘法器 23b:加法器 24:二值化電路 24S:選擇電晶體 25:電路 26a:加法電路 26b:二值化電路 31:行驅動器 32:列驅動器 33:行驅動器 34:列驅動器 35:電路 36:電路 40:電路 40S:開關 41:電路 41S:開關 42S:開關 43S:開關 44S:開關 45S:開關 51:暫存器 52:暫存器 60:電路 101:光電轉換器件 102:電晶體 103:電晶體 104:電晶體 105:電晶體 106:電容器 107:電晶體 108:電晶體 109:電晶體 111:佈線 112:佈線 113:佈線 114:佈線 115:佈線 116:佈線 117:佈線 118:佈線 119:佈線 150:記憶單元 150a:記憶單元 150b:記憶單元 170:背閘極佈線 175:金屬氧化物層 180:源極-汲極佈線 185:閘極佈線 190:佈線 223:電晶體 224:電晶體 225:電晶體 272:電晶體 273:電晶體 274:電容器 410:凸塊 415:背面電極 420:貫通電極 425:電極焊盤 430:黏合劑 440:玻璃蓋板 450:裸晶片 455:像素陣列 460:透鏡蓋 470:透鏡 480:光學濾波片 545:半導體層 546:絕緣層 560:層 561:層 562:層 562a:層 562b:層 563:層 563a:層 563b:層 563c:層 565a:層 565b:層 566a:層 566b:層 566c:層 566d:層 567a:層 567b:層 567c:層 567d:層 567e:層 611:矽基板 612:絕緣層 613:絕緣層 614:絕緣層 616:絕緣層 617:絕緣層 618:絕緣層 619:導電層 621:絕緣層 622:絕緣層 623:絕緣層 624:絕緣層 625:絕緣層 626:絕緣層 627:導電層 628:絕緣層 631:絕緣層 632:矽基板 633:絕緣層 634:絕緣層 635:絕緣層 636:導電層 637:絕緣層 638:絕緣層 639:導電層 648:絕緣層 651:絕緣層 652:絕緣層 653:絕緣層 654:絕緣層 655:導電層 661:絕緣層 662:絕緣層 664:絕緣層 665:絕緣層 671:遮光層 672:光學轉換層 672B:濾色片 672G:濾色片 672IR:紅外濾光片 672R:濾色片 672UV:紫外濾光片 673:微透鏡陣列 683:導電層 684:導電層 685:導電層 686:導電層 688:導電層 689:導電層 691:導電層 692:導電層 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:攝像頭 892:攝像方向 911:外殼 912:顯示部 913:揚聲器 919:攝像頭 921:框架 922:機臂 923:轉子 924:螺旋槳 925:攝像頭 926:電池 932:顯示部 933:外殼兼腕帶 939:攝像頭 941:框架 942:攝像頭 943:操作按鈕 944:件 951:支架 952:攝像單元 953:保護罩 961:外殼 962:快門按鈕 963:麥克風 965:透鏡 967:發光部 981:外殼 982:顯示部 983:操作按鈕 984:外部連接介面 985:揚聲器 986:麥克風 987:攝像頭
[圖1]是說明攝像裝置的圖。 [圖2A]至[圖2C]是說明像素部的圖。 [圖3]是說明方塊的圖。 [圖4]是說明方塊的圖。 [圖5]是說明方塊的圖。 [圖6A]是說明積和運算電路的圖，[圖6B]是說明二值化電路的圖。 [圖7]是說明方塊的圖。 [圖8]是說明方塊及讀出電路的圖。 [圖9]是說明讀出電路的工作的時序圖。 [圖10A]至[圖10C]是說明像素電路的圖。 [圖11A]是說明記憶體電路的圖，[圖11B]及[圖11C]是說明記憶單元的圖。 [圖12A]、[圖12B]是說明像素電路的佈局的圖。 [圖13]是說明從方塊讀出資料的工作的圖。 [圖14]是說明將資料分配給方塊的工作的圖。 [圖15A]是說明從方塊讀出資料的工作的圖，[圖15B]是說明電路25的圖。 [圖16A]是說明讀出電路的圖，[圖16B]是說明讀出電路的工作的時序圖。 [圖17A]至[圖17D]是說明攝像裝置的像素結構的圖。 [圖18A]至[圖18C]是說明光電轉換器件的結構的圖。 [圖19]是說明像素的剖面圖。 [圖20A]至[圖20C]是說明Si電晶體的圖。 [圖21]是說明像素的剖面圖。 [圖22]是說明像素的剖面圖。 [圖23]是說明像素的剖面圖。 [圖24A]至[圖24D]是說明OS電晶體的圖。 [圖25]是說明像素的剖面圖。 [圖26]是說明像素的剖面圖。 [圖27]是說明像素的剖面圖。 [圖28A]至[圖28C]是說明像素的立體圖(剖面圖)。 [圖29A]是說明收納攝像裝置的封裝的圖，[圖29B]是說明收納攝像裝置的模組的圖。 [圖30A]至[圖30F]是說明電子裝置的圖。 [圖31A]、[圖31B]是說明移動體的圖。
10:層
11:像素部
20:層
21:運算部
31:行驅動器
32:列驅動器
33:行驅動器
34:列驅動器
35:電路
36:電路

Claims (13)

  1. 一種包括多個方塊的攝像裝置， 其中，該方塊包括第一層及第二層， 該第一層具有與該第二層重疊的區域， 在該方塊中該第一層包括多個像素電路及多個第一記憶體電路，該第二層包括多個積和運算電路、多個第一二值化電路及多個第二二值化電路， 並且，該像素電路及該第一記憶體電路包括在通道形成區域中包含金屬氧化物的電晶體。
  2. 一種包括多個方塊的攝像裝置， 其中，該方塊包括第一層、第二層及第三層， 該第一層位於該第二層和該第三層之間或者該第三層位於該第一層和該第二層之間， 該第一層至該第三層具有互相重疊的區域， 在該方塊中該第一層包括多個像素電路，該第二層包括多個積和運算電路、多個第一二值化電路及多個第二二值化電路， 該第三層包括多個第一記憶體電路， 並且，該像素電路及該第一記憶體電路包括在通道形成區域中包含金屬氧化物的電晶體。
  3. 如請求項1或2之攝像裝置， 其中該積和運算電路、該第一二值化電路及該第二二值化電路包括在通道形成區域中包含矽的電晶體。
  4. 如請求項1至3中任一項之攝像裝置， 其中該像素電路和該第一二值化電路的數量相同， 並且該像素電路與該第一二值化電路中的一個電連接。
  5. 如請求項1至4中任一項之攝像裝置， 其中該第一二值化電路中的一個與該多個積和運算電路電連接。
  6. 如請求項1至5中任一項之攝像裝置， 其中該第一記憶體電路中的一個與該多個積和運算電路電連接。
  7. 如請求項1至6中任一項之攝像裝置， 其中該積和運算電路和該第二二值化電路的數量相同， 並且該積和運算電路中的一個與該第二二值化電路中的一個電連接。
  8. 如請求項1至7中任一項之攝像裝置， 其中該像素電路的驅動電路及該第一記憶體電路的驅動電路設置在該第二層中。
  9. 如請求項1至8中任一項之攝像裝置，還包括第二記憶體電路， 其中該第二記憶體電路的輸入端子與該第二二值化電路中的多個電連接， 並且該第二記憶體電路的輸出端子與該多個積和運算電路電連接。
  10. 如請求項9之攝像裝置， 還包括第三記憶體電路及第三二值化電路， 其中該第三記憶體電路藉由該第三二值化電路與該多個積和運算電路電連接。
  11. 如請求項10之攝像裝置， 其中該第二記憶體電路、該第三記憶體電路及該第三二值化電路設置在該第二層中。
  12. 如請求項1至11中任一項之攝像裝置， 其中該金屬氧化物包含In、Zn、M， 並且M是Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一個或多個。
  13. 一種包括請求項1至12中任一項之攝像裝置以及顯示裝置的電子裝置。
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