CN114026692A - 摄像装置以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种可以进行图像处理的摄像装置。提供一种低功耗的摄像装置。提供一种可靠性高的摄像装置。提供一种像素的集成度得到提高的摄像装置。提供一种成本低的摄像装置。该摄像装置包括光电转换器件、形成在第一层中且在沟道形成区域中包含硅的第一晶体管以及形成在贴合于第一层的第二层中的电容器，其中第一晶体管的源极和漏极中的一个与光电转换器件的一个电极电连接，另一个与电容器的一个电极电连接，包括具有生成第一数据的功能以及将第一数据乘以任意倍率而生成第二数据的功能的像素，并且第一数据及第二数据为模拟值。

Description

摄像装置以及电子设备
技术领域
本发明的一个方式涉及一种摄像装置。
注意，本发明的一个方式不局限于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的一个方式的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。另外，本发明的一个方式涉及一种程序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或者组合物(composition of matter)。因此，更具体而言，作为本说明书所公开的本发明的一个方式的技术领域的例子，可以举出半导体装置、显示装置、液晶显示装置、发光装置、照明装置、蓄电装置、存储装置、摄像装置、它们的驱动方法或者它们的制造方法。
注意，在本说明书等中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置。晶体管、半导体电路为半导体装置的一个方式。另外，存储装置、显示装置、摄像装置、电子设备有时包含半导体装置。
背景技术
使用形成在衬底上的氧化物半导体薄膜构成晶体管的技术受到关注。例如，专利文献1公开了将包括氧化物半导体的关态电流非常低的晶体管用于像素电路的结构的摄像装置。
另外，专利文献2公开了对摄像装置赋予运算功能的技术。
专利文献3公开了包括多个传感器芯片的摄像元件。
[先行技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开第2011-119711号公报
[专利文献2]日本专利申请公开第2016-123087号公报
[专利文献3]日本专利申请公开第2018-117027号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
随着技术的发展，在包括CMOS图像传感器等固态摄像元件的摄像装置中，能够容易拍摄高品质的图像。需要在下一代摄像装置中还安装更高智能性的功能。
作为现有技术，在将图像数据(模拟数据)转换为数字数据而取出到摄像装置的外部之后进行如图像数据的压缩、图像识别等处理。在能够在摄像装置内进行该处理时，可以以更高速与外部设备联动，并且使用者的方便性提高。另外，也可以减少***装置等的负载及功耗。另外，只要能够以模拟数据的状态进行复杂的数据处理，就可以缩短数据转换所需要的时间。
因此，本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够进行图像处理的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种低功耗的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可靠性高的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的摄像装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种上述摄像装置的驱动方法。
另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可以抑制模拟数据的变动来进行数据处理的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可以抑制功耗来进行模拟数据处理的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种电路面积得到缩小的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种光电转换器件的面积得到增大的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种像素的集成度得到提高的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种成本低的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的半导体装置等。
注意，这些课题的记载不妨碍其他课题的存在。注意，本发明的一个方式并不需要实现所有上述课题。上述课题以外的课题可以显而易见地从说明书、附图、权利要求书等的描述中看出，并且可以从该描述中抽取上述课题以外的课题。
解决技术问题的手段
本发明的一个方式涉及一种能够在像素内保持数据的同时对该数据进行运算处理的摄像装置。
本发明的一个方式是一种摄像装置，包括像素区块以及第一电路，像素区块包括以矩阵状配置的多个像素，像素区块与第一电路电连接，多个像素各自包括光电转换器件、第一晶体管、第二晶体管以及电容器，光电转换器件及第一晶体管形成在第一层中，电容器形成在第二层中，第二层接合于第一层，第一晶体管及第二晶体管都在沟道形成区域中包含硅，第一晶体管的源极和漏极中的一个与光电转换器件的一个电极电连接，另一个与电容器的一个电极电连接，第二晶体管的源极和漏极中的一个与电容器的另一个电极电连接，多个像素各自具有生成第一数据的功能以及将第一数据乘以任意倍率而生成第二数据的功能，第一电路具有生成相当于多个像素的每一个所生成的第一数据的总和的第三数据的功能以及通过电容耦合将相当于多个像素的每一个所生成的第二数据的总和的电位加到第三数据而生成第四数据的功能，第一数据及第二数据为模拟值。像素区块所包括的多个像素与第一电路电连接。
另外，本发明的一个方式是一种摄像装置，包括像素区块以及第一电路，像素区块包括以矩阵状配置的多个像素，多个像素与第一电路电连接，多个像素各自包括光电转换器件、第一晶体管、第二晶体管以及电容器，光电转换器件及第一晶体管形成在第一层中，电容器及第二晶体管形成在第二层中，第二层通过贴合工序接合于第一层，第一晶体管及第二晶体管都在沟道形成区域中包含硅，第一晶体管的源极和漏极中的一个与光电转换器件的一个电极电连接，另一个与电容器的一个电极电连接，第二晶体管的源极和漏极中的一个与电容器的另一个电极电连接，多个像素各自具有生成第一数据的功能以及将第一数据乘以任意倍率而生成第二数据的功能，第一电路具有生成相当于多个像素的每一个所生成的第一数据的总和的第三数据的功能以及通过电容耦合将相当于多个像素的每一个所生成的第二数据的总和的电位加到第三数据而生成第四数据的功能，第一数据及第二数据为模拟值。
另外，在上述结构中，优选的是，第一层形成在第一硅衬底上，并且光电转换器件所具有的n型区域被用作第一晶体管的源极和漏极中的一个。
另外，在上述结构中，电容器优选为沟槽电容器。
另外，本发明的一个方式是一种电子设备，包括上述摄像装置以及显示装置。
发明效果
通过采用本发明的一个方式可以提供一种能够进行图像处理的摄像装置。另外，可以提供一种低功耗的摄像装置。另外，可以提供一种可靠性高的摄像装置。另外，可以提供一种新颖的摄像装置等。另外，可以提供一种上述摄像装置的驱动方法。
另外，通过采用本发明的一个方式可以提供一种可以抑制模拟数据的变动来进行数据处理的摄像装置。另外，可以提供一种可以抑制功耗来进行模拟数据处理的摄像装置。另外，可以提供一种电路面积得到缩小的摄像装置。另外，可以提供一种光电转换器件的面积得到提高的摄像装置。另外，可以提供一种像素的集成度得到提高的摄像装置。另外，可以提供一种成本低的摄像装置。另外，可以提供一种新颖的半导体装置等。
附图说明
图1是说明摄像装置的方框图。
图2是说明像素区块200及电路201的图。
图3A及图3B是说明像素100的图。
图4A及图4B是说明像素区块200及电路201的工作的时序图。
图5A及图5B是说明电路301及电路302的图。
图6是说明电路302所包括的像素的图。
图7A及图7B是说明神经网络的结构例子的图。
图8是说明电路304的图。
图9是说明电路304的工作的时序图。
图10是说明电路304的工作的时序图。
图11A是说明卷帘快门的工作的图。图11B是说明全局快门的工作的图。图11C是像素的一个例子。
图12A至图12F是说明摄像装置的像素的结构的图。
图13A是说明像素的截面图。图13B是说明像素的截面图。
图14是说明像素的截面图。
图15是说明像素的截面图。
图16A是说明像素的截面图。图16B是说明像素的截面图。
图17A是说明像素的截面图。图17B是说明像素的截面图。
图18A至图18C是说明Si晶体管的图。
图19A至图19F是收纳摄像装置的封装及模块的立体图。
图20A至图20F是说明电子设备的图。
具体实施方式
参照附图对实施方式进行详细说明。注意，本发明不局限于下面说明，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式及详细内容在不脱离本发明的宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。另外，在下面所说明的发明的结构中，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。另外，有时在不同的附图中适当地省略或改变相同构成要素的阴影。
另外，即使在电路图上为一个要素，如果在功能上没有问题，该要素也可以使用多个要素构成。例如，有时被用作开关的多个晶体管可以串联或并联连接。此外，有时对电容器进行分割并将其配置在多个位置上。
此外，有时一个导电体具有布线、电极及端子等多个功能，在本说明书中，有时对同一要素使用多个名称。另外，即使在电路图上示出要素之间直接连接的情况，有时实际上该要素之间通过多个导电体连接，本说明书中这种结构也包括在直接连接的范畴内。
(实施方式1)
在本实施方式中，参照附图说明本发明的一个方式的摄像装置。
本发明的一个方式是一种具备图像识别等附加功能的摄像装置。该摄像装置可以将在摄像工作中获取的模拟数据(图像数据)保持在像素中而取出该模拟数据乘以任意权系数的数据。
通过将该数据引入神经网络等，可以进行图像识别等处理。由于可以将庞大的图像数据以模拟数据的状态保持在像素，所以可以高效地进行处理。
图1是说明本发明的一个方式的摄像装置的方框图。摄像装置包括像素阵列300、电路201、电路301、电路302、电路303、电路304和电路305。注意，电路201及电路301至电路305不局限于由单个电路构成，有时由多个电路构成。或者，也可以统合上述任意多个电路。像素阵列300具有摄像功能及运算功能。电路201、301具有运算功能。电路302具有运算功能或数据转换功能。电路303、304具有选择功能。电路305具有向像素供应电位的功能。
像素阵列300包括多个像素区块200。像素区块200如图2所示包括配置为矩阵状的多个像素100，各像素100与电路201电连接。注意，电路201也可以设置在像素区块200内。
像素100可以取得图像数据。注意，图2中作为一个例子示出像素数为2×2，但是不局限于此。
像素区块200用作积和运算电路。另外，与像素区块200电连接的电路201具有从像素100抽出图像数据与权系数的积的功能。另外，电路201还作为相关双采样电路(CDS电路)而工作。
像素100如图3A所示可以包括光电转换器件101、晶体管102、晶体管103、电容器104、晶体管105、晶体管106、晶体管108及电容器150。
光电转换器件101的一个电极与晶体管102的源极和漏极中的一个电连接。晶体管102的源极和漏极中的另一个与晶体管103的源极和漏极中的一个电连接。晶体管103的源极和漏极中的一个与电容器104的一个电极电连接。电容器104的一个电极与晶体管105的栅极电连接。晶体管105的源极和漏极中的一个与晶体管108的源极和漏极中的一个电连接。电容器104的另一个电极与晶体管106的源极和漏极中的一个电连接。
电容器150的一个电极与晶体管105的栅极电连接。电容器150的另一个电极与接地电位电连接。另外，电容器150的另一个电极例如也可以与硅衬底的衬底电位电连接。虽然图3A示出晶体管105的源极和漏极中的另一个电连接于电容器150的另一个电极的例子，但它们也可以分别连接于不同电位的布线等。另外，虽然图3A示出晶体管105的源极和漏极中的另一个电连接于接地电位的例子，但晶体管105的源极和漏极中的另一个也可以电连接于信号线等。
在此，将晶体管102的源极和漏极中的另一个、晶体管103的源极和漏极中的一个、电容器104的一个电极和晶体管105的栅极电连接的部分记作节点N。
通过增大电容器104及电容器150的电容，可以抑制节点N的电位变动。注意，像素100也可以不包括电容器104和电容器150中的任一方。
通过增大电容器104和电容器150中的一方或双方的电容，例如可以增大累积于节点N的电荷量，而可以抑制由泄漏导致的电位变动。另外，通过增大电容，例如可以降低供应到布线111的信号的电压。因此，有时可以降低电路305的功耗。
光电转换器件101的另一个电极与布线114电连接。晶体管102的栅极与布线116电连接。晶体管103的源极和漏极中的另一个与布线115电连接。晶体管103的栅极与布线117电连接。晶体管105的源极和漏极中的另一个与GND布线等电连接。晶体管108的源极和漏极中的另一个与布线113电连接。晶体管106的源极和漏极中的另一个与布线111电连接。晶体管106的栅极与布线112电连接。晶体管108的栅极与布线122电连接。
布线114、115可以用作电源线。例如，布线114可以用作高电位电源线，布线115可以用作低电位电源线。布线112、116、117、122可以用作控制各晶体管的导通的信号线。布线111可以用作对像素100供应相当于权系数的电位的布线。布线113可以用作使像素100与电路201电连接的布线。
电路303具有向布线112供应信号的功能。电路304具有向布线122供应信号的功能。电路305具有向布线111供应信号的功能。
另外，布线113也可以与放大电路、增益可调电路电连接。
作为光电转换器件101可以使用光电二极管。当想要提高低照度时的光检测灵敏度时，优选使用雪崩光电二极管。
晶体管102能够控制节点N的电位。晶体管103能够使节点N的电位初始化。晶体管105可以根据节点N的电位控制流过电路201的电流。晶体管108能够选择像素。晶体管106能够对节点N供应相当于权系数的电位。
另外，晶体管105及晶体管108也可以采用图3B所示的结构，即：晶体管105的源极和漏极中的一个与晶体管108的源极和漏极中的一个电连接，晶体管105的源极和漏极中的另一个与布线113连接，晶体管108的源极和漏极中的另一个与GND布线等电连接。
在本发明的一个方式的摄像装置中，通过增大电容器104的电容值，可以使能够在节点N保持电荷的期间极长。因此，可以采用在所有像素中同时进行电荷的积累工作的全局快门方式而不使电路结构、工作方法复杂。另外，也可以在将图像数据保持在节点N的同时进行用该图像数据的多次运算。
另外，例如，在第一时间，将图像数据保持在所希望的像素中的节点N，在从第一时间经过所希望的时间之后的第二时间，读出保持在节点N的图像数据(以下，第一数据)，对所希望的像素进行曝光，且将对应于曝光的数据(以下，第二数据)累积于节点N，由此可以对第一数据与第二数据进行比较。
作为用于像素100的晶体管，可以使用各种晶体管。本发明的一个方式的晶体管例如优选在沟道形成区域中包含硅。另外，该晶体管可以在沟道形成区域中除了硅之外还包含锗。
作为用于像素100的晶体管，例如可以使用将硅用于沟道形成区域的晶体管(以下，Si晶体管)。作为Si晶体管，可以举出包含非晶硅的晶体管、包含结晶硅(微晶硅、低温多晶硅、单晶硅)的晶体管等。
优选晶体管105的放大特性良好。另外，由于晶体管106、108有时频繁地切换开启/关闭，所以优选为能够高速工作的迁移率高的晶体管。因此，晶体管105、106、108尤其优选使用Si晶体管。
另外，作为用于本发明的一个方式的摄像装置的晶体管，也可以使用在沟道形成区域包含金属氧化物的晶体管(以下，OS晶体管)，其中该金属氧化物为In、Zn及M(M为Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd或Hf)。OS晶体管例如优选在设置在衬底上的绝缘层上形成。另外，OS晶体管例如可以与Si晶体管层叠地设置。OS晶体管的栅极、源区域及漏区域例如与设置在硅衬底上的晶体管、电容器等夹着绝缘层隔离并经过设置在该绝缘层内的导电层电连接。
像素100中的节点N的电位根据将从布线115供应的复位电位和由光电转换器件101的光电转换生成的电位(图像数据)合并的电位与从布线111供应的相当于权系数的电位被电容耦合而决定。就是说，在晶体管105中流过基于包括图像数据与任意权系数的积的数据的电流。
如图2所示，各像素100通过布线113彼此电连接。电路201可以利用各像素100的晶体管105中流过的电流的和进行运算。
电路201包括电容器202、晶体管203、晶体管204、晶体管205、晶体管206和电阻器207。
电容器202的一个电极与晶体管203的源极和漏极中的一个电连接。晶体管203的源极和漏极中的一个与晶体管204的栅极电连接。晶体管204的源极和漏极中的一个与晶体管205的源极和漏极中的一个电连接。晶体管205的源极和漏极中的一个与晶体管206的源极和漏极中的一个电连接。电阻器207的一个电极与电容器202的另一个电极电连接。
电容器202的另一个电极与布线113电连接。晶体管203的源极和漏极中的另一个与布线218电连接。晶体管204的源极和漏极中的另一个与布线219电连接。晶体管205的源极和漏极中的另一个与GND布线等基准电源线电连接。晶体管206的源极和漏极中的另一个与布线212电连接。电阻器207的另一个电极与布线217电连接。晶体管203的栅极与布线216电连接。晶体管205的栅极与布线215电连接。晶体管206的栅极与布线213电连接。
布线217、218、219可以用作电源线。例如，布线218可以用作供应读出用专用电位的布线。布线217、219可以用作高电位电源线。布线213、215、216可以用作控制各晶体管的导通的信号线。布线212为输出线，例如，可以与图1所示的电路301电连接。
晶体管203可以具有将布线211的电位复位到布线218的电位的功能。晶体管204、205可以具有作为源极跟随电路的功能。晶体管206可以具有控制读出的功能。
在本发明的一个方式中，去除图像数据(电位X)与权系数(电位W)的积以外的偏置成分抽出想要的数据的WX。WX可以利用同一像素的进行了拍摄的数据、没进行拍摄的数据以及分别对其加权的数据来算出。
进行了拍摄时流过像素100的电流(Ip)总和为kΣ(X-Vth)2，加权后流过像素100的电流(Ip)总和为kΣ(W+X-Vth)2。另外，没有进行拍摄时流过像素100的电流(Iref)总和为kΣ(0-Vth)2，加权后流过像素100的电流(Iref)总和为kΣ(W-Vth)2。在此，k为常数，Vth为晶体管105的阈值电压。
首先，算出进行了拍摄的数据与对该数据进行了加权的数据之差分(数据A)。即，kΣ((X-Vth)2-(W+X-Vth)2)＝kΣ(-W2-2W·X+2W·Vth)。
接着，算出没有进行拍摄的数据与对该数据进行了加权的数据之差分(数据B)。即，kΣ((0-Vth)2-(W-Vth)2)＝kΣ(-W2+2W·Vth)。
然后，获取数据A与数据B之差分。即，kΣ(-W2-2W·X+2W·Vth-(-W2+2W·Vth))＝kΣ(-2W·X)。也就是说，可以去除图像数据(X)与权系数(W)的积以外的偏置成分。
电路201可以读出数据A及数据B。数据A与数据B的差分运算可以利用电路301进行。
图4A是说明在像素区块200及电路201中计算进行了拍摄的数据和对该数据加权而得的数据之差分(数据A)的工作的时序图。注意，为了方便起见，使信号所转换的时机一致而图示，但是实际上优选考虑电路内部的延迟使信号所转换的时机不一致。
首先，在期间T1使布线117的电位处于“H”、使布线116的电位处于“H”，来使像素100的节点N处于复位电位。另外，使布线111的电位处于“L”、使布线112_1及112_2(第一行及第二行的布线112)处于“H”，写入权系数0。
通过到期间T2使布线116的电位保持为“H”且使布线117的电位处于”L”，由光电转换器件101的光电转换对节点N写入电位X(图像数据)。
在期间T3，使布线122_1、122_2的电位处于“H”而选择像素区块内的所有像素100。此时，在各像素100的晶体管105中流过根据电位X的电流。另外，通过使布线216处于“H”，对布线211写入布线218的电位Vr。期间T1至T3的工作相当于进行了拍摄的数据的取得，该数据被表示为布线211的电位Vr。
通过在期间T4使布线111的电位成为相当于权系数W111(对第一行的像素加上的权重)的电位而使布线112_1的电位处于“H”，利用电容器104的电容耦合将权系数W111加到第一行的像素100的节点N。
通过在期间T5使布线111的电位成为相当于权系数W112(对第二行的像素加上的权重)的电位而使布线112_2的电位处于“H”，利用电容器104的电容耦合将权系数W112加到第二行的像素100的节点N。期间T4及期间T5的工作相当于对进行了拍摄的数据加权的数据的生成。
在期间T6，使布线122_1、122_2的电位处于“H”而选择像素区块内的所有像素100。此时，在第一行的像素100的晶体管105中流过根据电位W111+X的电流。另外，在第二行的像素100的晶体管105中流过根据电位W112+X的电流。在此，电容器202的另一个电极的电位根据流过布线113的电流变化，其变化量Y因电容耦合被加到布线211的电位Vr。因此，布线211的电位变为“Vr+Y”。在此，当Vr＝0时，Y即是差分，数据A被计算出来。
另外，通过使布线213、布线215处于“H”，电路201通过源跟随工作可以输出对应第一行的像素区块200的数据A的信号电位。
图4B是说明在像素区块200及电路201中计算没有进行拍摄的数据和对该数据加权而得的数据之差分(数据B)的工作的时序图。注意，虽然在此说明从像素区块200连续取得数据B的工作，但是数据B的取得也可以与图4所示的数据A的取得交替地进行。另外，也可以在取得数据B之后取得数据A。
首先，在期间T1至T2，使布线117的电位处于“H”且使布线116的电位处于“H”，使像素100的节点N成为复位电位(0)。在期间T2结束时，使布线117的电位处于“L”且使布线116的电位处于“L”。就是说，在该期间，无论光电转换器件101的工作如何节点N的电位都成为复位电位。
另外，在期间T1，使布线111的电位处于“L”且使布线112_1、112_2处于“H”而写入权系数0。该工作在节点N的电位成为复位电位期间进行即可。
在期间T3，使布线122_1、122_2的电位处于“H”而选择像素区块内的所有像素100。此时，在各像素100的晶体管105中流过根据复位电位的电流。另外，通过使布线216处于“H”，对布线211写入布线218的电位Vr。期间T1至T3的工作相当于没有进行拍摄的数据的取得，该数据被表示为布线211的电位Vr。
通过在期间T4使布线111的电位成为相当于权系数W111(对第一行的像素加上的权重)的电位而使布线112_1的电位处于“H”，利用电容器104的电容耦合将权系数W111加到第一行的像素100的节点N。
通过在期间T5使布线111的电位成为相当于权系数W112(对第二行的像素加上的权重)的电位而使布线112_2的电位处于“H”，利用电容器104的电容耦合将权系数W112加到第二行的像素100的节点N。期间T4及期间T5的工作相当于对没有进行拍摄的数据加权的数据的生成。
在期间T6，使布线122_1、122_2的电位处于“H”而选择像素区块内的所有像素100。此时，在第一行的像素100的晶体管105中流过根据电位W111+0的电流。另外，在第一行的像素100的晶体管105中流过根据电位W112+0的电流。在此，电容器202的另一个电极的电位根据流过布线113的电流变化，其变化量Y被加到布线211的电位Vr。因此，布线211的电位变为“Vr+Y”。在此，当Vr＝0时，Y即是差分，数据B被计算出来。
另外，通过使布线213、布线215处于“H”，电路201通过源跟随工作可以输出对应第一行的像素区块200的数据B的信号电位。
通过上述工作，从电路201输出的数据A及数据B被输入到电路301。在电路301中，进行获取数据A与数据B之差分的运算可以去除图像数据(电位X)与权系数(电位W)的积以外的不需要的偏置成分。作为电路301，除了可以采用电路201那样的包括运算电路的结构之外，还可以采用利用存储电路及软件处理计算差分的结构。
另外，电路301也可以包括模拟数字转换电路。例如，也可以将供应到电路301的数据，这里例如将数据A及数据B转换为数字值并储存于存储器电路中，来进行运算。
注意，在不进行图像数据(电位X)与权系数(电位W)的积运算的情况下，在摄像装置中并不需要进行图4A及图4B中的期间T4及期间T5的工作。例如，将布线111保持为“L”即可。
图5A是说明与电路201连接的电路301及电路302的图。电路201输出的积和运算结果的数据依次输入到电路301。电路301除了上述的数据A与数据B之差分的运算功能之外还可以具有各种各样的运算功能。例如，电路301可以采用与电路201相同的结构。或者，软件处理也可以替代电路301的功能。
另外，电路301也可以包括进行激活函数运算的电路。该电路例如可以使用比较器电路。该电路例如可以使用比较器电路。比较器电路将对被输入的数据与设定的阈值进行比较的结果以2值数据的形式输出。也就是说，像素区块200、电路201及电路301可以用作神经网络的部分要素。
另外，像素区块200所输出的数据相当于多个位的图像数据，但是在电路301被2值化时，可以说使图像数据压缩。
电路301输出的数据被依次输入到电路302。电路302例如可以具有包括锁存电路及移位寄存器等的结构。通过采用该结构，可以进行并串转换，并可以将并行被输入的数据作为串行数据输出到布线311。布线311的连接对象没有限制。例如，可以与神经网络、存储装置、通信装置等连接。
另外，如图5B所示，电路302也可以包括神经网络。该神经网络包括配置为矩阵状的存储单元，在各存储单元保持有权系数。从电路301输出的数据被分别输入到存储单元320可以进行积和运算。注意，图5B所示的存储单元的数量是一个例子而没有限制。
图5B所示的神经网络包括配置为矩阵状的存储单元320及参考存储单元325、电路330、电路350、电路360及电路370。
图6示出存储单元320及参考存储单元325的一个例子。参考存储单元325设置在任意一个列上。存储单元320及参考存储单元325具有彼此相同结构，都包括晶体管161、晶体管162及电容器163。
晶体管161的源极和漏极中的一个与晶体管162的栅极电连接。晶体管162的栅极与电容器163的一个电极电连接。在此，将晶体管161的源极和漏极中的一个、晶体管162的栅极与电容器163的一个电极连接的点记为节点NM。
晶体管161的栅极与布线WL电连接。电容器163的另一个电极与布线RW电连接。晶体管162的源极和漏极中的一个与GND布线等参考电位布线电连接。
在存储单元320中，晶体管161的源极和漏极中的另一个与布线WD电连接。晶体管162的源极和漏极中的另一个与布线BL电连接。
在参考存储单元325中，晶体管161的源极和漏极中的另一个与布线WDref电连接。晶体管162的源极和漏极中的另一个与布线BLref电连接。
布线WL与电路330电连接。作为电路330可以使用解码器或移位寄存器等。
布线RW与电路301电连接。各存储单元被写入电路301输出的2值数据。
布线WD及布线WDref与电路350电连接。作为电路350可以使用解码器或移位寄存器等。另外，电路350也可以包括D/A转换器或SRAM。电路350可以输出写入到节点NM的权系数。
布线BL及布线BLref与电路360及电路370电连接。电路360为电流源电路，电路370可以具有与电路201相同的结构。由电路360及电路370可以得到从积和运算结果去除偏置成分的信号。
电路360与电路370电连接。另外，也可以将电路370称为激活函数电路。激活函数电路具有进行运算以根据预定义的激活函数变换从电路360输入的信号的功能。作为激活函数，例如可以使用sigmoid函数、tanh函数、softmax函数、ReLU函数及阈值函数等。由激活函数电路转换的信号作为输出数据输出到外部。
如图7A所示，神经网络NN可以由输入层IL、输出层OL及中间层(隐藏层)HL构成。输入层IL、输出层OL及中间层HL都包括一个或多个神经元(单元)。注意，中间层HL可以为一层或两层以上。包括具有两层以上的中间层HL的神经网络可以称为DNN(深度神经网络)。另外，利用深度神经网络的学习可以称为深度学习。
对输入层IL的各神经元输入输入数据。对中间层HL的各神经元输入前一层或后一层的神经元的输出信号。对输出层OL的各神经元输入前一层的神经元的输出信号。注意，各神经元既可以与前一层和后一层的所有神经元连结(全连结)，又可以与部分神经元连结。
图7B示出利用神经元的运算的例子。在此，示出神经元Ne及向神经元Ne输出信号的前一层的两个神经元。神经元Ne被输入前一层的神经元的输出x1及前一层的神经元的输出x2。在神经元Ne中，算出输出x1与权重w1的乘法结果(x1w1)和输出x2与权重w2的乘法结果(x2w2)之总和x1w1+x2w2，然后根据需要对其加偏压b，从而得到值a＝x1w1+x2w2+b。值a被激活函数h变换，从神经元Ne输出信号y＝h(a+b)。
如此，利用神经元的运算包括对前一层的神经元的输出与权重之积进行加法的运算，即，积和运算(上述x1w1+x2w2)。该积和运算既可以使用程序以软件进行，又可以以硬件进行。
在本发明的一个方式中，作为硬件使用模拟电路进行积和运算。在作为积和运算电路使用模拟电路时，可以缩小积和运算电路的电路规模或因向存储器访问的次数的减少而实现处理速度的提高及功耗的降低。
图8是能够用于电路304的电路的一个例子。该电路是移位寄存器电路，其中多个逻辑电路(SR)彼此电连接。各逻辑电路(SR)与布线RES、布线VSS_RDRS、布线RPWC_SE[0：3]、布线RCLK[0：3]、布线RSP等信号线连接，通过对各信号线输入适当的信号电位，可以从该逻辑电路(SR)依次进行选择信号电位的输出。
另外，逻辑电路(SR)与电路170电连接。电路170中设置有多个晶体管，并与布线SE_SW[0：2]、布线SX[0：2]等信号线连接，通过对各信号线输入适当的信号电位可以控制晶体管的导通。通过电路170的控制可以切换选择像素的行数。
一个逻辑电路(SR)的输出端子与一个晶体管的源极和漏极中的一个电连接，该晶体管的源极和漏极中的另一个与布线SE连接。布线SE与选择像素100的布线122电连接。
与布线SE[0]连接的晶体管的栅极可以被输入布线SE_SW[0]供应的信号电位。与布线SE[1]连接的晶体管的栅极可以被输入布线SE_SW[1]供应的信号电位。与布线SE[2]连接的晶体管的栅极可以被输入布线SE_SW[2]供应的信号电位。与布线SE[3]及其之后的布线连接的晶体管的栅极可以以同样的顺序被输入布线SE_SW[0：2]中的任意个供应的信号电位。
另外，相邻布线SE间通过一个晶体管电连接，布线SE[0]通过一个晶体管与电源线(VSS)电连接。
电连接电源线(VSS)与布线SE[0]的晶体管的栅极可以被输入布线SX[0]供应的信号电位。电连接布线SE[0]与布线SE[1]的晶体管的栅极可以被输入布线SX[1]供应的信号电位。电连接布线SE[1]与布线SE[2]的晶体管的栅极可以被输入布线SX[2]供应的信号电位。使那以后的布线SE电连接的晶体管的栅极可以以同样的顺序被输入布线SE_SX[0：2]供应的信号电位中的任意个。
图9是说明利用图8所示的电路同时选择多个行(3行)的工作的时序图。(0)至(161)相当于逻辑电路(SR)对布线SE输出信号电位的时序。
在时序(0)，当布线SX[0]的电位为“L”、布线SX[1]的电位为“H”、布线SX[2]的电位为“H”、布线SE_SW[0]的电位为“H”、布线SE_SW[1]的电位为“L”、布线SE_SW[2]的电位为“L”时，各晶体管的导通被控制，向布线SE[0]输出“H”、向布线SE[1]输出“H”、向布线SE[2]输出“H”。向其他的布线SE输出“L”。
由此，可以同时选择3行，例如可以进行3行3列像素的积和运算。
在时序(1)，当布线SX[0]的电位为“H”、布线SX[1]的电位为“L”、布线SX[2]的电位为“H”、布线SE_SW[0]的电位为“L”、布线SE_SW[1]的电位为“H”、布线SE_SW[2]的电位为“L”时，各晶体管的导通被控制，布线SE[0]输出“L”、布线SE[1]输出“H”、布线SE[2]输出“H”、布线SE[3]输出“H”。其他的布线SE输出“L”。
也就是说，在时序(1)可以进行从时序(0)偏移1行的步长1的积和运算。
图10是说明利用图8所示的电路进行选择一个行的工作的时序图。
按照该时序图的工作中，布线SE_SW[0：2]的电位一直为“H”、布线SX[0：2]的电位一直为“L”。所以，逻辑电路(SR)的输出原样出现在各布线SE，由此可以按每1行进行选择。
作为可用于本发明的一个方式的摄像装置的摄像方式的一个例子，说明卷帘快门方式及全局快门方式。
图11A示意性地示出卷帘快门方式的工作方法，图11B示意性地示出全局快门方式。En表示第n列(n为自然数)的曝光(积累工作)、Rn表示第n列的读出工作。图11A、图11B示出第1行至第M行(M为自然数)的工作。
卷帘快门方式是依次进行曝光及数据读出的工作方法，其中一个行的读出期间与其他行的曝光期间重叠。曝光后立刻进行读出工作，所以即使使用数据的保持期间较短的电路结构也可以进行摄像。由于由没有摄像的同时性的数据构成1个帧的图像，所以在拍摄动体时图像中容易产生歪曲。
全局快门方式是在所有像素中同时进行曝光而在各像素保持数据，按每个行读出数据的工作方法。因此，在动体的摄像中也可以得到没有歪曲的图像。
在本发明的一个方式的摄像装置中，通过增大图3A及图3B所示的电容器104等电容器的电容值，可以使通过曝光累积于像素中的数据电位的变动极小。由于可以使数据的保持时间变长，因此可以容易实现全局快门方式。另外，本发明的一个方式的摄像装置也可以通过卷帘快门方式工作。
另外，在图11A及图11B中，Line[m](m为1以上且M以下的自然数)、En及Rn分别可以是指像素100的第m行、像素100的第n列的曝光及像素100的第n列的读出工作，分别也可以是指像素区块200的第m行、像素区块200的第n列的曝光及像素区块200的第n列的读出工作。
本发明的一个方式的摄像装置也可以包括图11C所示的像素。
图11C所示的像素包括光电转换器件101、晶体管102、晶体管103、电容器171、电容器150、晶体管105、晶体管108及晶体管172。来自光电转换器件101的信号被供应到晶体管102的源极和漏极中的一个，晶体管102的源极和漏极中的另一个与晶体管103的源极和漏极中的一个及节点N2电连接，晶体管103的源极和漏极中的另一个与布线115电连接，节点N2与电容器171的一个电极电连接，并且电容器171的另一个电极与节点N电连接。晶体管102的栅极与布线116电连接，晶体管103的栅极与布线117电连接，晶体管105的栅极与节点N电连接，晶体管108的栅极与布线122电连接，并且晶体管172的栅极与布线173电连接。
在图11C中，节点N与电容器150的一个电极、晶体管105的栅极及晶体管172的源极和漏极中的一个电连接。
在第一时间，从布线116向晶体管102的栅极供应使晶体管102成为开启状态的信号，而向节点N2供应来自光电转换器件101的信号。节点N2的电位根据被供应的信号变化，成为电位V1[V]。另外，从布线173向晶体管172的栅极供应使晶体管172成为开启状态的信号，而向节点N供应参考电位。在此，作为参考电位供应0[V]。
在第二时间，从布线116向晶体管102的栅极供应使晶体管102成为关闭状态的信号，从布线173向晶体管172的栅极供应使晶体管172成为关闭状态的信号，从布线117向晶体管103的栅极供应使晶体管103成为开启状态的信号，而向节点N2供应参考电位。在此，作为参考电位供应VDD[V]，而节点N2的电位从电位V1[V]上升至VDD[V]。随着节点N2的电位变化，通过电容耦合而节点N的电位也从0[V]上升至VDD-V1[V]。
在第三时间，从布线117向晶体管103的栅极供应使晶体管103成为关闭状态的信号，从布线173向晶体管172的栅极供应使晶体管172成为关闭状态的信号，从布线116向晶体管102的栅极供应使晶体管102成为开启状态的信号，而向节点N2供应来自光电转换器件101的信号。节点N2的电位成为电位V2[V]。通过电容耦合，节点N的电位降低到(V2-V1)[V]。就是说，节点N被供应第一时间的来自光电转换器件101的信号与第三时间的来自光电转换器件101的信号之差分。
由此，可以在图11C所示的像素中对两个时间的信号之差分进行运算并将其输出。通过将在第一时间拍摄的图像作为参考图像并将在第三时间拍摄的图像作为比较图像而比较这两个图像，可以进行动作检测。
本实施方式可以与其他实施方式或实施例的记载适当地组合而实施。
(实施方式2)
在本实施方式中对本发明的一个方式的摄像装置的结构例子等进行说明。
图12A和图12B例示出摄像装置所具有的像素的结构。图12A示出像素具有层502及层503的叠层结构的例子。
层502包括像素100及光电转换器件101。另外，层503包括光学转换层及微透镜阵列。
如图12C所示，光电转换器件101可以为层565a与层565b的叠层。
图12C所示的光电转换器件101是pn结型光电二极管，例如，作为层565a可以使用p型半导体，作为层565b可以使用n型半导体。或者，作为层565a可以使用n型半导体，作为层565b可以使用p型半导体。
另外，如图12D所示，光电转换器件101可以为层565a、层565b与层565c的叠层。
图12D所示的光电转换器件101是pn结型光电二极管，例如，作为层565a可以使用p型半导体，作为层565b可以使用n型半导体。通过层叠层565a与层565b可以形成pn结型光电二极管。另外，层565c可以使用p型半导体。通过作为层565c使用p型半导体，有时例如可以抑制表面散射。
或者，作为层565a也可以使用n型半导体，作为层565b也可以使用p型半导体，作为层565c也可以使用n型半导体。
或者，如图12E所示，光电转换器件也可以是在层565a与层565b之间设置i型半导体的层565d的pin结型光电二极管。
上述pn结型光电二极管或pin结型光电二极管可以使用单晶硅而形成。另外，pin结型光电二极管可以使用非晶硅、微晶硅、多晶硅等的薄膜而形成。
另外，层502中的光电转换器件101可以如图12F所示地采用层566a、层566b、层566c和层566d的叠层。图12F所示的光电转换器件101是雪崩光电二极管的一个例子，层566a、层566d相当于电极，层566b、层566c相当于光电转换部。
层566a优选为低电阻金属层等。例如，可以使用铝、钛、钨、钽、银或其叠层。
层566d优选使用对可见光具有高透光性的导电层。例如，可以使用铟氧化物、锡氧化物、锌氧化物、铟锡氧化物、镓锌氧化物、铟镓锌氧化物或石墨烯等。另外，可以省略层566d。
图12A所示的层502例如可以使用硅衬底。该硅衬底包括Si晶体管等。通过使用该Si晶体管除了可以形成像素电路之外还可以形成驱动该像素电路的电路、图像信号的读出电路、图像处理电路、存储电路等。具体而言，可以将实施方式1所说明的电路201、301、302、303、304及305所包括的晶体管的一部分或全部设置在层502中。
另外，像素也可以如图12B所示地采用层501、层502及层503的叠层结构。
层501可以包括像素100所包括的电容器。
当在层501中设置像素100所包括的电容器104或电容器150时，即使增大电容器104的电容值也通过重叠该电容器与层502可以减小摄像装置的面积。另外，当可以分别进行电容器104的制造工序及像素100所包括的晶体管的制造工序时，有时可以以更低的成本制造摄像装置。
另外，层501除了电容器104以外还可以包括像素100所包括的晶体管、电容器等半导体元件的一部分。
当在层501中除了电容器104以外还设置像素100所包括的晶体管的一部分时，可以提高层502的像素的面积中所占的光电转换器件101的面积比率。由此，有时可以进一步提高摄像装置的灵敏度。另外，有时可以提高摄像装置的分辨率。
另外，层501也可以包括电路201、301、302、303、304及305所包括的部分或全部的晶体管。
通过采用该结构，可以使构成像素电路的构成要素及***电路分散到多个层，将该构成要素彼此重叠或者该构成要素与该***电路重叠而设置，所以可以减小摄像装置的面积。另外，在图12B的结构中，也可以将层501作为支撑衬底且在层502中设置***电路。
[叠层结构1]
接着，使用截面图说明摄像装置的叠层结构。
图13A是包括层502及层503的叠层体的截面图的一个例子。
<层502>
层502包括形成在硅衬底中的像素100。在此，作为像素100的一部分示出晶体管102、晶体管103、电容器104、电容器150及光电转换器件101。
光电转换器件101是形成在硅衬底中的pn结型光电二极管，包括p型区域243及n型区域244。光电转换器件101是嵌入式光电二极管，通过设置在n型区域244的表面一侧的p型区域241可以抑制暗电流，从而可以减少噪声。作为p型区域241也可以使用p型区域243。p型区域241的电阻优选比p型区域243低。另外，n型区域244的电阻优选比p型区域243低。另外，在p型区域243、p型区域241及n型区域244中也可以调换p型区域和n型区域。
晶体管102及晶体管103是形成在硅衬底中的晶体管。晶体管102及晶体管103包括被用作栅极的导电层、形成在硅衬底中的源极、漏极、位于源极与漏极间的沟道形成区域以及设置在被用作栅极的导电层与沟道形成区域间的栅极绝缘层。注意，在图13A所示的例子中，晶体管102及晶体管103的源区域及漏区域由n型区域形成。
层502设置有绝缘层242及绝缘层245。绝缘层242具有作为元件分离层的功能。绝缘层245具有抑制载流子的流出的功能。
硅衬底中设置有使像素分离的槽，绝缘层245设置在硅衬底顶面及该槽。通过设置绝缘层245可以抑制光电转换器件101内产生的载流子流入到相邻的像素。另外，绝缘层245还具有抑制杂散光的进入的功能。例如，因绝缘层245具有槽而有时从相邻的像素进入杂散光得到抑制。因此，可以由绝缘层245抑制混色。另外，也可以在硅衬底的顶面与绝缘层245间设置反射防止膜。
元件分离层可以使用LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon：硅局部氧化)法或STI(Shallow Trench Isolation：浅沟槽隔离)法等形成。绝缘层245例如可以使用氧化硅膜、氮化硅等无机绝缘膜、聚酰亚胺、丙烯酸等有机绝缘膜。绝缘层245也可以为多层。
在图13A所示的例子中，光电转换器件101的n型区域244(相当于阴极)也可以被用作晶体管102的源极和漏极中的一个。
另外，层502设置有绝缘层222、223、226、227及布线121。绝缘层222被用作保护膜。绝缘层223、227被用作层间绝缘膜及平坦化膜。绝缘层226被用作电容器150的介电层。布线121被用作电源线。p型区域243(阳极)与布线121电连接。
作为保护膜，例如可以使用氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜等。作为层间绝缘膜及平坦化膜，例如可以使用氧化硅膜等的无机绝缘膜、丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂等的有机绝缘膜。作为电容器的介电质层，可以使用氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜等。
图13A所示的Si晶体管是在硅衬底中具有沟道形成区域的平面型晶体管。另外，Si晶体管也可以是图18A所示的鳍型晶体管。图18B示出图18A所示的A1-A2的截面(沟道宽度方向的截面)。
另外，如图18C所示，也可以采用包括硅薄膜的半导体层545的晶体管。例如，半导体层545可以使用在硅衬底210上的绝缘层546上形成的单晶硅(SOI(Silicon onInsulator：绝缘体上硅))。
作为可以作为用于器件间的电连接的布线、电极及插头使用的导电体，适当地选择选自铝、铬、铜、银、金、铂、钽、镍、钛、钼、钨、铪、钒、铌、锰、镁、锆、铍、铟、钌、铱、锶和镧等中的金属元素、以上述金属元素为成分的合金或者组合上述金属元素的合金等而使用即可。该导电体既可以为单层又可以为由不同材料构成的多个层。
电容器104是设置在硅衬底中的沟槽电容器。图13A所示的电容器104包括形成在硅衬底的p型区域243中的沟槽、以嵌入沟槽的方式形成的导电层151以及形成在p型区域243与导电层151间的绝缘层152。p型区域243及导电层151具有作为电容器104的电极的功能。
形成在硅衬底中的沟槽的纵横比例如优选为10以上，更优选为20以上。通过提高纵横比，可以提高相对于电路面积的电容值。沟槽的纵横比是沟槽深度除以沟槽顶部的直径而得的值。
绝缘层152的厚度例如优选为20nm以下，更优选为15nm以下，进一步优选为10nm以下。通过使绝缘层152的厚度变薄，可以提高电容器104的电容值。另一方面，有时由于绝缘层152具有一定程度的厚度，而元件间的不均匀得到减少。因此，绝缘层152的厚度例如为1nm以上或2nm以上。
导电层151例如可以采用上面作为可被用作布线、电极及插头的导电体举出的材料及结构等。另外，导电层151可以使用为了低电阻化对磷、硼等杂质进行掺杂的多晶硅。
绝缘层152可以被用作电容器104的介电质。绝缘层152例如优选使用使形成在硅衬底中的沟槽的表面氧化而得的热氧化膜。
电容器104和电容器150中的一方或双方的介电质优选包含选自氧化硅、氧化铝、氧化铪和氧化锆中的一种以上。另外，也可以具有上述材料的叠层结构。
电容器104和电容器150中的一方或双方的介电质也可以包含选自硅、铝、钛、铅、钡、锶、钡、锆和铋中的一种以上的氧化物。例如，也可以包含钛酸锶、钛酸钡、钛酸钡锶等。另外，也可以具有上述氧化物的叠层结构。
图13B示出电容器104的结构与图13A不同的例子。注意，为了简化起见，图13B没有示出层503的详细结构。图13B示出在电容器104中的设置在硅衬底中的沟槽表面设置n型区域的例子。在图13B所示的电容器104中，设置在沟槽表面的n型区域及导电层151具有作为电容器104的电极的功能。设置在沟槽表面的n型区域的电阻优选比p型区域243低。
电容器150包括夹着绝缘层226设置的导电层123及导电层124。导电层123及导电层124具有作为电容器150的电极的功能。
另外，导电层123通过形成在绝缘层223内的导电层电连接于晶体管102的源极和漏极中的另一个及晶体管103的源极和漏极中的一个。
注意，在图13A、图13B及下述图14中也可以调换电容器104与电容器150。
<层503>
层503形成在层502上。层503包括遮光层251、光学转换层250及微透镜阵列255。
遮光层251可以抑制光入射到相邻的像素。作为遮光层251可以使用铝、钨等的金属层。另外，也可以层叠该金属层与具有作为反射防止膜的功能的介电质膜。
作为光学转换层250可以使用滤色片。通过按每个像素使各滤色片具有R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)、Y(黄色)、C(青色)和M(品红色)等的颜色，可以获得彩色图像。
另外，在作为光学转换层250使用波长截止滤波器时，可以实现能够获得各种波长区域的图像的摄像装置。
例如，当作为光学转换层250使用阻挡可见光线的波长以下的光的滤光片时，可以获得红外线摄像装置。另外，通过作为光学转换层250使用阻挡近红外线的波长以下的光的滤光片，可以形成远红外线摄像装置。另外，通过作为光学转换层250使用阻挡可见光线的波长以上的光的滤光片，可以形成紫外线摄像装置。
另外，通过将闪烁体用于光学转换层250，可以形成用于X射线摄像装置等的获得使辐射强度可视化的图像的摄像装置。当透过拍摄对象的X射线等辐射入射到闪烁体时，由于光致发光现象而转换为可见光线或紫外光线等的光(荧光)。通过由光电转换器件101检测该光来获得图像数据。另外，也可以将该结构的摄像装置用于辐射探测器等。
闪烁体含有如下物质：当闪烁体被照射X射线或伽马射线等辐射时吸收辐射的能量而发射可见光或紫外线的物质。例如，可以使用将Gd2O2S：Tb、Gd2O2S：Pr、Gd2O2S：Eu、BaFCl：Eu、NaI、CsI、CaF2、BaF2、CeF3、LiF、LiI、ZnO等分散到树脂或陶瓷中的材料。
在光学转换层250上设置微透镜阵列255。透过微透镜阵列255所包括的各透镜的光穿过正下方的光学转换层250而照射到光电转换器件101。通过设置微透镜阵列255，可以将所集聚的光入射到光电转换器件101，所以可以高效地进行光电转换。微透镜阵列255优选由对可见光具有高透光性的树脂或玻璃等形成。
[叠层结构2]
图14示出与图13B不同的结构例子。
图14所示的叠层结构是包括层501至层503并在层501与层502间具有贴合面的叠层体的截面图的一个例子。
图14的与图13B不同之处是：包括绝缘层231及导电层132；包括层501；以及电容器104设置在与图13B不同的层中。图13示出电容器104设置在层502中的例子，而图14示出电容器104设置在层501中的例子。
图14所示的层502包括绝缘层231及导电层132。
绝缘层231及导电层132具有作为贴合层的功能。
导电层132与导电层123电连接。
<层501>
图14所示的层501包括硅衬底153及电容器104。电容器104是设置在硅衬底中的沟槽电容器。图14所示的电容器104包括在硅衬底153中的沟槽的表层附近形成的n型区域154、以嵌入沟槽中的方式形成的导电层155以及形成在n型区域与导电层155间的绝缘层156。n型区域154及导电层155具有作为电容器104的电极的功能。绝缘层156具有作为电容器104的介电层的功能。注意，图14所示的电容器104也可以没有设置n型区域154。可用于导电层155及绝缘层156的材料、结构等可以参照导电层151及绝缘层152的记载。
绝缘层156例如可以以硅热氧化形成。通过形成硅热氧化而得的绝缘膜，可以得到致密且厚度均匀的薄膜。通过采用硅热氧化，可以简单并稳定地制造更薄的绝缘膜，适合于具有高电容值的电容器104的制造。
另外，层501包括形成在硅衬底153及导电层155上的绝缘层222b、绝缘层223b、绝缘层227b、绝缘层229、导电层158及导电层131。绝缘层222b、223b、227b具有作为层间绝缘膜及平坦化膜的功能。
绝缘层229及导电层131具有作为贴合层的功能。导电层131经过形成在绝缘层227b内的导电层158以及形成在绝缘层223b内的导电层与导电层155电连接。
[叠层结构3]
图15示出层501包括晶体管的例子。
图15所示的叠层结构包括层501至层503，并在层501与层502间具有贴合面。
在图15中，层501包括电容器104及晶体管106，层502包括晶体管102、晶体管103、光电转换器件101及电容器150，层503包括光学转换层250。另外，在本发明的一个方式的摄像装置所包括的像素中，层502也可以不包括电容器150。图16A示出图15中不包括电容器150的例子。
图15所示的晶体管106包括可被用作栅极的导电层263、以及n型区域264和n型区域265，该区域中的一方可被用作源区域，另一方可被用作漏区域。
图15所示的电容器104除了图14所示的电容器104之外还包括导电层155上的导电层261。导电层155与导电层261电连接。另外，导电层261及导电层263也可以以相同工序形成。
电流流过n型区域154与n型区域264间。
n型区域265经过以嵌入于绝缘层222b及绝缘层223b中的方式形成的导电层电连接于绝缘层223b上的导电层262。导电层262例如被用作布线111。或者，例如，导电层262与布线111电连接。
作为晶体管106的沟道形成区域等，例如可以采用p型区域。n型区域264、265及154的电阻优选比该p型区域低。另外，也可以将用作晶体管106的沟道区域等的p型区域调换为n型区域，并且也可以将n型区域264、265及154调换为p型区域。
与图14的结构相比，通过采用图15及图16A的结构，可以减少配置在层502中的晶体管个数，而可以提高像素面积所示的光电转换器件101的面积比率。由此，可以提高本发明的一个方式的摄像装置的灵敏度。另外，可以提高摄像装置的分辨率。
另外，在图15及图16A的结构中，n型区域264与n型区域154接触，由此它们可以具有连续的结构。由此，可以减小晶体管106与电容器104的元件间距离，而可以使电路集成化。
另外，作为电容器104的结构也可以采用图16B所示的结构。在图16B所示的电容器104中，在沟槽浅的区域中电容器104所包括的导电层155与晶体管106所包括的n型区域264接触。另外，图16B所示的电容器104也可以不设置n型区域154。在图16B中，导电层158优选与硅衬底153的衬底电位电连接。
图17A示出除了图16A所示的结构之外还包括层501中的晶体管105的例子。在图17A中，晶体管105是形成在硅衬底153中的晶体管。晶体管105所包括的导电层266可以被用作晶体管105的栅极。导电层266经过导电层158与导电层261电连接。
图17B示出除了图16A所示的结构之外还包括层502中的晶体管105的例子。晶体管105是形成在硅衬底中的晶体管。晶体管105所包括的导电层267可以被用作晶体管105的栅极。导电层267通过形成在绝缘层223内的导电层等电连接于晶体管102的源极和漏极中的另一个及晶体管103的源极和漏极中的一个。
注意，为了简化起见，在图16A、图16B、图17A及图17B中省略层503的详细内容。
图13A、图13B、图14、图15、图16A、图16B、图17A及图17B所示的结构也可以用于图11C所示的像素所包括的晶体管及电容器。例如，可以将电容器104的结构用于电容器171。另外，也可以将晶体管106的结构用于晶体管172。
[贴合]
接着，参照图14等说明层501与层502的贴合。
层501中设置有绝缘层229及导电层131。导电层131具有埋设于绝缘层229的区域。另外，绝缘层229及导电层131的表面以高度彼此一致的方式被平坦化。
层501中设置有绝缘层231及导电层132。导电层132具有嵌入绝缘层231中的区域。另外，绝缘层231及导电层132的表面以高度彼此一致的方式被平坦化。
在此，导电层131及导电层132的主要成分优选为相同的金属元素。另外，绝缘层229及绝缘层231优选由相同的成分构成。
例如，作为导电层131、132可以使用Cu、Al、Sn、Zn、W、Ag、Pt或Au等。从接合的容易性的观点来看，优选使用Cu、Al、W或Au。另外，绝缘层229、231可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氮化钛等。
换言之，优选的是，作为导电层131和导电层132都使用在上面所示的相同金属材料。另外，优选的是，作为绝缘层229及绝缘层231都使用与上述绝缘材料相同的绝缘材料。通过采用上述结构，可以以高成品率进行以层501和层502的边界为贴合位置的贴合。
注意，导电层131及导电层132也可以具有多个层的多层结构，此时表面层(接合面)使用相同金属材料即可。另外，绝缘层229及绝缘层231也可以具有多个层的多层结构，此时表面层(接合面)为相同的绝缘材料即可。
通过进行该贴合，可以获得导电层131与导电层132的优异的电连接。另外，可以以足够的机械强度使绝缘层229及绝缘层231连接。
当接合金属层时，可以利用表面活化接合法。在该方法中，通过溅射处理等去除表面的氧化膜及杂质吸附层等并使清洁化且活化了的表面接触而接合。或者，可以利用并用温度及压力使表面接合的扩散接合法等。上述方法都可以发生原子级的结合，因此可以获得电气上和机械上都优异的接合。
另外，当接合绝缘层时，可以利用亲水性接合法等。在该方法中，在通过抛光等获得高平坦性之后，使利用氧等离子体等进行过亲水性处理的表面接触而暂时接合，利用热处理进行脱水，由此进行正式接合。亲水性接合法也发生原子级的结合，因此可以获得机械上优异的接合。
在贴合层501与层502的情况下，由于在各接合面绝缘层与金属层是混合的，所以，例如，组合表面活化接合法及亲水性接合法即可。
例如，可以采用在进行抛光之后使表面清洁化，对金属层的表面进行防氧处理，然后进行亲水性处理来进行接合的方法等。另外，也可以作为金属层的表面使用Au等难氧化性金属，进行亲水性处理。另外，也可以使用上述以外的接合方法。
通过上述贴合可以使层502中的晶体管102、晶体管103、电容器150等与层501中的电容器104电连接。
本实施方式可以与其他实施方式或实施例的记载适当地组合而实施。
(实施方式3)
在本实施方式中，说明收纳图像传感器芯片的封装及相机模块的一个例子。作为该图像传感器芯片可以使用本发明的一个方式的摄像装置的结构。
图19A是收纳图像传感器芯片的封装的顶面一侧的外观立体图。该封装包括使图像传感器芯片650固定的封装衬底610、玻璃盖板620及贴合它们的粘合剂630等。
图19B是该封装的底面一侧的外观立体图。在封装的底面包括以焊球为凸块640的BGA(Ball grid array：球栅阵列)。注意，不局限于BGA，也可以包括LGA(Land grid array：地栅阵列)、PGA(Pin Grid Array：针栅阵列)等。
图19C是省略玻璃盖板620及粘合剂630的一部分而图示的封装的立体图。在封装衬底610上形成电极焊盘660，电极焊盘660通过通孔与凸块640电连接。电极焊盘660通过引线670与图像传感器芯片650电连接。
另外，图19D是将图像传感器芯片收纳在透镜一体型封装的相机模块的顶面一侧的外观立体图。该相机模块包括使图像传感器芯片651固定的封装衬底611、透镜盖621及透镜635等。另外，在封装衬底611与图像传感器芯片651之间设置有具有摄像装置的驱动电路及信号转换电路等的功能的IC芯片690，具有作为SiP(System in package：***封装)的结构。
图19E是该相机模块的底面一侧的外观立体图。封装衬底611的底面及侧面具有设置有收纳用连接盘641的QFN(Quad flat no-lead package：四侧无引脚扁平封装)的结构。注意，该结构是一个例子，也可以设置QFP(Quad flat package：四侧引脚扁平封装)或上述BGA。
图19F是省略透镜盖621及透镜635的一部分而图示的模块的立体图。连接盘641与电极焊盘661电连接，电极焊盘661通过引线671与图像传感器芯片651或IC芯片690电连接。
通过将图像传感器芯片收纳在上述那样的方式的封装，容易安装在印刷电路板等，由此可以将图像传感器芯片组装在各种半导体装置、电子设备。
本实施方式可以与其他实施方式或实施例的记载适当地组合而实施。
(实施方式4)
作为可以使用根据本发明的一个方式的摄像装置的电子设备，可以举出显示装置、个人计算机、具备记录媒体的图像存储装置及图像再现装置、移动电话机、包括便携式的游戏机、便携式数据终端、电子书阅读器、拍摄装置诸如视频摄像机或数码照相机等、护目镜型显示器(头戴式显示器)、导航***、音频再现装置(汽车音响***、数字音频播放器等)、复印机、传真机、打印机、多功能打印机、自动柜员机(ATM)以及自动售货机等。图20A至图20F示出这些电子设备的具体例子。
图20A是移动电话机的一个例子，该移动电话机包括外壳981、显示部982、操作按钮983、外部连接接口984、扬声器985、麦克风986、摄像头987等。该移动电话机在显示部982具有触摸传感器。通过用手指或触屏笔等触摸显示部982可以进行打电话或输入文字等各种操作。本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法可以适用于在该移动电话机中用来获取图像的构成要素。
图20B是便携式数据终端，该便携式数据终端包括外壳911、显示部912、扬声器913、摄像头919等。通过显示部912所具有的触摸面板功能可以输入且输出信息。另外，可以从由摄像头919获取的图像中识别出文字等，并可以使用扬声器913以语音输出该文字。本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法可以适用于在该便携式数据终端中用来获取图像的构成要素。
图20C是监控摄像机，该监控摄像机包括支架951、照相单元952及保护罩953等。在照相单元952中设置旋转机构等，通过设置在天花板可以拍摄周围。本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法可以适用于在该照相单元中用来获取图像的构成要素。注意，“监控摄像机”是一般名称，不局限于其用途。例如，具有作为监控摄像机的功能的装置被称为摄影机或视频摄像机。
图20D是视频摄像机，该视频摄像机包括第一外壳971、第二外壳972、显示部973、操作键974、透镜975、连接部976、扬声器977、麦克风978等。操作键974及透镜975设置在第一外壳971中，显示部973设置在第二外壳972中。本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法可以适用于在该视频摄像机中用来获取图像的构成要素。
图20E是数码照相机，该数码照相机包括外壳961、快门按钮962、麦克风963、发光部967以及透镜965等。本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法可以适用于在该数码照相机中用来获取图像的构成要素。
图20F是手表型信息终端，该手表型信息终端包括显示部932、外壳兼腕带933以及摄像头939等。显示部932也可以包括用来进行信息终端的操作的触摸面板。显示部932及外壳兼腕带933具有柔性，并且适合佩戴于身体。本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法可以适用于在该信息终端中用来获取图像的构成要素。
本实施方式可以与其他实施方式或实施例的记载适当地组合而实施。
[符号说明]
：100：像素、101：光电转换器件、102：晶体管、103：晶体管、104：电容器、105：晶体管、106：晶体管、108：晶体管、111：布线、112：布线、112_1：布线、112_2：布线、113：布线、114：布线、115：布线、116：布线、117：布线、121：布线、122：布线、122_1：布线、122_2：布线、123：导电层、124：导电层、131：导电层、132：导电层、150：电容器、151：导电层、152：绝缘层、153：硅衬底、154：n型区域、155：导电层、156：绝缘层、158：导电层、161：晶体管、162：晶体管、163：电容器、170：电路、171：电容器、172：晶体管、173：布线、200：像素区块、201：电路、202：电容器、203：晶体管、204：晶体管、205：晶体管、206：晶体管、207：电阻、210：硅衬底、211：布线、212：布线、213：布线、215：布线、216：布线、217：布线、218：布线、219：布线、222：绝缘层、222b：绝缘层、223：绝缘层、223b：绝缘层、226：绝缘层、227：绝缘层、227b：绝缘层、229：绝缘层、231：绝缘层、241：p型区域、242：绝缘层、243：p型区域、244：n型区域、245：绝缘层、250：光学转换层、251：遮光层、255：微透镜阵列、261：导电层、262：导电层、263：导电层、264：n型区域、265：n型区域、266：导电层、267：导电层、300：像素阵列、301：电路、302：电路、303：电路、304：电路、305：电路、311：布线、320：存储单元、325：参考存储单元、330：电路、350：电路、360：电路、370：电路、501：层、502：层、503：层、545：半导体层、546：绝缘层、565a：层、565b：层、565c：层、565d：层、566a：层、566b：层、566c：层、566d：层、610：封装衬底、611：封装衬底、620：玻璃盖板、621：透镜盖、630：粘合剂、635：透镜、640：凸块、641：连接盘、650：图像传感器芯片、651：图像传感器芯片、660：电极焊盘、661：电极焊盘、670：引线、671：引线、690：IC芯片、911：外壳、912：显示部、913：扬声器、919：摄像头、932：显示部、933：外壳兼腕带、939：摄像头、951：支架、952：照相单元、953：保护罩、961：外壳、962：快门按钮、963：麦克风、965：透镜、967：发光部、971：外壳、972：外壳、973：显示部、974：操作键、975：透镜、976：连接部、977：扬声器、978：麦克风、981：外壳、982：显示部、983：操作按钮、984：外部连接端口、985：扬声器、986：麦克风、987：摄像头

Claims (9)

1.一种摄像装置，包括：
像素区块；以及
第一电路，
其中，所述像素区块包括以矩阵状配置的多个像素，
所述像素区块与所述第一电路电连接，
所述多个像素各自包括光电转换器件、第一晶体管、第二晶体管以及电容器，
所述光电转换器件及所述第一晶体管形成在第一层中，
所述电容器形成在第二层中，
所述第二层接合于所述第一层，
所述第一晶体管的源极和漏极中的一个与所述光电转换器件的一个电极电连接，另一个与所述电容器的一个电极电连接，
所述第二晶体管的源极和漏极中的一个与所述电容器的另一个电极电连接，
所述多个像素各自具有生成第一数据的功能以及将所述第一数据乘以任意倍率而生成第二数据的功能，
所述第一电路具有生成相当于所述多个像素的每一个所生成的所述第一数据的总和的第三数据的功能以及通过电容耦合将相当于所述多个像素的每一个所生成的所述第二数据的总和的电位加到所述第三数据而生成第四数据的功能，
并且，所述第一数据及所述第二数据为模拟值。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，
其中所述第一晶体管及所述第二晶体管都在沟道形成区域中包含硅。
3.根据权利要求1或2所述的摄像装置，
其中所述第一层形成在第一硅衬底上，
并且所述光电转换器件所具有的n型区域被用作所述第一晶体管的源极和漏极中的一个。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像装置，
其中所述电容器为沟槽电容器。
5.一种摄像装置，包括：
像素区块；以及
第一电路，
其中，所述像素区块包括以矩阵状配置的多个像素，
所述像素区块与所述第一电路电连接，
所述多个像素各自包括光电转换器件、第一晶体管、第二晶体管以及电容器，
所述光电转换器件及所述第一晶体管形成在第一层中，
所述电容器及所述第二晶体管形成在第二层中，
所述第二层接合于所述第一层，
所述第一晶体管的源极和漏极中的一个与所述光电转换器件的一个电极电连接，另一个与所述电容器的一个电极电连接，
所述第二晶体管的源极和漏极中的一个与所述电容器的另一个电极电连接，
所述多个像素各自具有生成第一数据的功能以及将所述第一数据乘以任意倍率而生成第二数据的功能，
所述第一电路具有生成相当于所述多个像素的每一个所生成的所述第一数据的总和的第三数据的功能以及通过电容耦合将相当于所述多个像素的每一个所生成的所述第二数据的总和的电位加到所述第三数据而生成第四数据的功能，
并且，所述第一数据及所述第二数据为模拟值。
6.根据权利要求5所述的摄像装置，
其中所述第一晶体管及所述第二晶体管都在沟道形成区域中包含硅。
7.根据权利要求5或6所述的摄像装置，
其中所述第一层形成在第一硅衬底上，
并且所述光电转换器件所具有的n型区域被用作所述第一晶体管的源极和漏极中的一个。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的摄像装置，
其中所述电容器为沟槽电容器。
9.一种电子设备，包括：
权利要求1至8中任一项所述的摄像装置；以及
显示装置。
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