JP3893806B2 - 撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置及びその製造方法に関し、特に撮像素子とこれを駆動する駆動回路の構造及びそのような構造の装置を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、指紋センサ等に適用される撮像装置として、半導体層の上下にゲート絶縁膜を介しそれぞれゲート電極が設けられ、光の入射の有無を検出するいわゆるダブルゲートトランジスタをマトリクス状に配置した撮像素子を用い、画像を撮影する撮像装置が知られている。このような撮像装置では、ダブルゲートトランジスタのトップゲート電極上に形成された絶縁膜上に撮像対象物を載置し、トップゲート電極に所定の電圧を印加するトップゲートドライバ、ボトムゲート電極に所定の電圧を印加するボトムゲートドライバ、及びドレイン電極に接続されたドレインライン上の電圧を読み出すドライバという3つのドライバが、ダブルゲートトランジスタを配置した撮像素子を駆動する。
【0003】
ところで、このような撮像装置において、撮像素子を駆動するためのトップゲートドライバ及びボトムゲートドライバは、従来、信号の減衰を防ぐために撮像素子への出力電圧を一定のレベルまで増幅するアンプを備えていなければならなかった。一方、ドレインドライバは、従来、同時に読み出した1ライン分の信号をコントローラに順次転送するための回路を備えていなければならなかった。
【0004】
このため、従来の撮像装置では、トップゲートドライバ、ボトムゲートドライバ及びドレインドライバは、それぞれ撮像素子とは別個の半導体装置によって構成する必要があった。そして、図11に示すように、各ドライバを構成する半導体装置62〜64を、撮像素子61が形成された基板65上に実装しなければならなかった。これにより、従来の撮像装置は、次のような問題点を生じさせていた。
【0005】
第1に、撮像素子61の周辺に半導体装置62〜64が実装されているが、撮像対象物に合わせてマトリクス状に配置した撮像素子アレイの面積を小さくしてしまうと、撮像対象物が半導体装置62〜64に接触しやすくなり、撮像対象物を基板65を介さずに直接撮像素子61に密着させることが困難となる。これに対して、各ドライバを構成する半導体装置62〜64を基板65上の撮像素子61のエリアから離れたエリアに実装すれば、半導体装置62〜64が邪魔になることなく、撮像対象物を撮像素子61に密着させることができる。しかしながら、この場合には、撮像装置全体のサイズが大きくなってしまうという問題があった。
【0006】
第2に、撮像素子61の外部接続端子と半導体装置62〜64の端子とを、それぞれ接続しなければならない。このため、端子間の接続不良によって不良品が発生する比率が高くなり、撮像装置の製造コストを増加させる原因となっていた。さらに、製造後に撮像装置が故障してしまう原因ともなっていた。また、撮像素子61とは別に3つもの半導体装置62〜64を形成し、基板65上に実装すること自体が、そもそも撮像装置の製造コストを増加させる原因となっていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、撮像素子とこれを駆動するための駆動回路を同一の基板上に形成した撮像装置と、その製造方法とを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点にかかる撮像装置の製造方法は、
撮像素子と該撮像素子を駆動するための第1、第2の駆動回路を備える撮像装置を製造する方法であって、
前記撮像素子は、光の入射により内部にキャリアを蓄積すると共に電界に従ってチャネルを形成する半導体層と、前記半導体層に電界を生じさせるための電圧が印加される第1、第2ゲート電極と、前記半導体層に接続されたドレイン電極及びソース電極とを含むダブルゲートトランジスタを配置して構成され、
前記第1、第2の駆動回路は、それぞれ電界に従ってチャネルを形成する半導体層と、前記半導体層に電界を生じさせるための電圧が印加されるゲート電極と、前記半導体層に接続されたドレイン電極及びソース電極とを含むトランジスタの組み合わせによって構成され、外部からの制御信号に従ってそれぞれ前記ダブルゲートトランジスタの第1、第2ゲート電極に電圧を供給し、
前記撮像装置の製造方法は、
基板上に、前記ダブルゲートトランジスタの第1ゲート電極と、前記トランジスタのゲート電極とを形成する工程と、
形成された第1ゲート電極とゲート電極とを覆うように、前記基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、
第1絶縁膜上の第1ゲート電極と対向する位置に前記ダブルゲートトランジスタの半導体層を、第1絶縁膜上のゲート電極と対向する位置に前記トランジスタの半導体層をそれぞれ形成する工程と、
前記ダブルゲートトランジスタの半導体層に接続するように第1絶縁膜上に前記ダブルゲートトランジスタのドレイン電極及びソース電極を形成すると共に、前記トランジスタの半導体層に接続するように第1絶縁膜上に前記トランジスタのドレイン電極及びソース電極を形成する工程と、
形成された前記ダブルゲートトランジスタ及び前記トランジスタの半導体層、ドレイン電極及びソース電極を覆うように、第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、
第2絶縁膜上の前記ダブルゲートトランジスタの半導体層と対向する位置に第2ゲート電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする。
【0009】
上記の第1の観点にかかる撮像装置の製造方法によれば、ダブルゲートトランジスタを配置して構成された撮像素子と、トランジスタの組み合わせによって構成される第1、第2駆動回路とを、同一の基板上に、しかも同一のプロセスで形成することが可能となる。
【0012】
上記撮像素子において、行毎に前記第1のゲート電極を接続した第1ゲートラインと、行毎に前記第2のゲート電極を接続した第2ゲートラインと、を備え、前記第1、第2の駆動回路は、例えば、それぞれ第1、第2ゲートラインと同数の段から構成され、それぞれ順次所定の電圧を第1、第2ゲートラインに出力することによって、前記撮像素子の第1、第2のゲート電極に第1の状態の電圧と第2の状態の電圧とを順次印加するものとすることができる。
【0013】
上記撮像装置は、前記ダブルゲートトランジスタの第1または第2のゲート電極を除いた構造を有するトランジスタの組み合わせによって構成され、前記ダブルゲートトランジスタの前記ドレイン電極とソース電極との間が導通したことによって変化した前記撮像素子のデータライン上の電位を読み取る、前記撮像素子と同一の基板上に形成された第3の駆動回路をさらに備えるものとしてもよい。
【0014】
この場合には、さらに第3の駆動回路もダブルゲートトランジスタの第1または第2のゲート電極を除いた構造を有するトランジスタの組み合わせで構成されている。このため、さらに第3の駆動回路も撮像素子とは別モジュールとして形成することなく、撮像素子を基板上に形成するときに同時に基板上に形成することが可能となる。
【0015】
この場合において、前記第3の駆動回路は、例えば、前記撮像素子に形成されたデータラインにドレイン電極またはソース電極が接続され、外部からゲート電極に供給された制御信号によってグループ単位でドレイン電極とソース電極との間を導通させる複数のトランジスタから構成されるものとすることができる。
【0016】
上記撮像装置は、また、前記撮像素子と同一の基板上に形成され、前記撮像素子の列毎に形成されたデータラインをそれぞれドレインドライバと接続する外部接続端子をさらに備えるものとしてもよい。
【0017】
なお、上記撮像装置において、前記撮像素子に配されたダブルゲートトランジスタは、第1、第2のゲート電極の少なくとも一方が透明電極によって構成され、該透明電極を介して前記ダブルゲートトランジスタの半導体層にキャリアを蓄積するための光が入射するものとすることができる。
【0021】
上記目的を達成するため、本発明の第の観点にかかる撮像装置の製造方法は、
撮像素子と該撮像素子を駆動するための第1、第2の駆動回路を備える撮像装置を製造する方法であって、前記撮像素子は、光の入射により内部にキャリアを蓄積すると共に電界に従ってチャネルを形成する半導体層と、前記半導体層に電界を生じさせるための電圧が印加される第1、第2ゲート電極と、前記半導体層に接続されたドレイン電極及びソース電極とを含むダブルゲートトランジスタを配置して構成され、
前記第1、第2の駆動回路は、それぞれ電界に従ってチャネルを形成する半導体層と、前記半導体層に電界を生じさせるための電圧が印加されるゲート電極と、前記半導体層に接続されたドレイン電極及びソース電極とを含むトランジスタの組み合わせによって構成され、外部からの制御信号に従ってそれぞれ前記ダブルゲートトランジスタの第1、第2ゲート電極に電圧を供給し、
前記撮像装置の製造方法は、
基板上に、前記ダブルゲートトランジスタの第1ゲート電極を形成する工程と、
形成された第1ゲート電極を覆うように、前記基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、
第1絶縁膜上の第1ゲート電極と対向する位置に前記ダブルゲートトランジスタの半導体層を形成すると共に、前記トランジスタの半導体層を形成する工程と、
前記ダブルゲートトランジスタの半導体層に接続するように第1絶縁膜上に前記ダブルゲートトランジスタのドレイン電極及びソース電極を形成すると共に、前記トランジスタの半導体層に接続するように第1絶縁膜上に前記トランジスタのドレイン電極及びソース電極を形成する工程と、
形成された前記ダブルゲートトランジスタ及び前記トランジスタの半導体層、ドレイン電極及びソース電極を覆うように、第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、
第2絶縁膜上の前記ダブルゲートトランジスタの半導体層と対向する位置に第2ゲート電極を、第2絶縁膜上の前記トランジスタの半導体層と対向する位置にゲート電極をそれぞれ形成する工程と
を含むことを特徴とする。
【0022】
上記の第の観点にかかる撮像装置の製造方法によれば、ダブルゲートトランジスタを配置して構成された撮像素子と、トランジスタの組み合わせによって構成される第1、第2駆動回路とを、同一の基板上に、しかも同一のプロセスで形成することが可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【0024】
図1は、この実施の形態にかかる撮像装置の構成を示すブロック図である。図示するように、この撮像装置は、画像を撮影する撮像素子1、並びにコントローラからの制御信号に従って撮像素子1を駆動するためのトップゲートドライバ2、ボトムゲートドライバ3及びドレインドライバ4から構成されている。
【0025】
撮像素子1は、トップゲート電極がトップゲートラインTGLに、ボトムゲート電極がボトムゲートラインBGLに、ドレイン電極がドレインラインDLに、ソース電極がグラウンドラインGLにそれぞれ接続されたダブルゲートトランジスタ10がマトリクス状に配置されて構成される。ダブルゲートトランジスタ10のソース電極は、接地されている。
【0026】
図2は、撮像素子1に使用されているダブルゲートトランジスタ10の構造を示す断面図である。まず、透明のガラスやプラスチックプレートで構成される基板5上に、ボトムゲート電極11がボトムゲートラインBGLと一体で形成されている。ボトムゲート電極11は、Cr等の金属から構成され、100nm程度の厚さを有する。
【0027】
ボトムゲート電極11を覆うように、基板5上には、SiNからなり、250nm程度の厚さを有するボトムゲートゲート絶縁膜12が形成されている。ボトムゲート絶縁膜12上の、ボトムゲート電極11と対向する位置には、アモルファスシリコン(a−Si)またはポリシリコン(p−Si)からなり、50nm程度の厚さを有する半導体層13が形成されている。半導体層13の上には、SiNからなり、100nm程度の厚さを有するBL(BLocking)絶縁膜14が形成されている。さらにBL絶縁膜14を挟むようにして、n型の不純物が混在したn−Siからなり、25nm程度の厚さを有するコンタクト層15a、15bが形成されている。半導体層13は、励起光となる可視光が入射されるとキャリアとなる電子−正孔対を生成する性質を有する。
【0028】
また、ボトムゲート絶縁膜12上には、それぞれコンタクト層15a、15bを介して半導体層13に接続されるドレイン電極16aとソース電極16bとが、半導体層13を挟むようにして形成されている。ドレイン電極16a及びソース電極16bは、Cr等の金属から構成され、50nm程度の厚さを有する。ドレイン電極16aは、ドレインラインDLと一体で形成され、ソース電極16bは、接地されているグラウンドラインGLと一体で形成されている。
【0029】
そして、BL絶縁膜14、ドレイン電極16a及びソース電極16bを覆うようにして、SiNからなり、150nm程度の厚さを有するトップゲート絶縁膜17が形成されている。トップゲート絶縁膜17上の、半導体層13と対向する位置には、透明のITO(Indium Tin Oxide)からなり、50nm程度の厚さを有するトップゲート電極18がトップゲートラインTGLと一体で形成されている。
【0030】
以上示したボトムゲート電極11、半導体層13、ドレイン電極16a、ソース電極16b及びトップゲート電極18等により、ダブルゲートトランジスタ10が構成されている。そして、トップゲート電極18を覆うようにして、トップゲート絶縁膜17上にSiNからなる、200nm〜400nm程度の厚さを有する絶縁保護膜19が形成されている。
【0031】
次に、上記の構造を有するダブルゲートトランジスタ10の駆動原理について、図3(a)〜(f)の模式図を参照して説明する。
【0032】
ダブルゲートトランジスタ10の半導体層13は、そのチャネルの一部となる両端部が、ドレイン電極(D)16a及びソース電極(S)16b等を介してトップゲート電極(TG)18に重畳している。図3(a)に示すように、トップゲート電極(TG)18に印加されている電圧が+15(V)であり、ボトムゲート電極(BG)11に印加されている電圧が0(V)であるときは、半導体層13の端部に接続されたソース電極(S)16bに印加されている電圧0(V)によってトップゲート電極(TG)18から半導体層13の端部への電界を打ち消してしまうため、半導体層13にはnチャネルが形成されず、ドレイン電極16a(D)に+10(V)の電圧が供給されても、ドレイン電極(D)16aとソース電極(S)16bとの間に電流は流れない。また、この状態では、後述するように半導体層13に蓄積された正孔が吐出される。以下、この状態をリセット状態という。
【0033】
図3(b)に示すように、トップゲート電極(TG)18に印加されている電圧が−15(V)であり、ボトムゲート電極(BG)11に印加されている電圧が0(V)であるときは、半導体層13にはnチャネルが形成されず、ドレイン電極16a(D)に+10(V)の電圧が供給されても、ドレイン電極(D)16aとソース電極(S)16bとの間に電流は流れない。
【0034】
このように、ドレイン電極(D)16aとソース電極(S)16bとのそれぞれ下方の半導体層13は、トップゲート電極(TG)18との間に配置されているドレイン電極(D)16aとソース電極(S)16bとの電界に影響されるため、トップゲート電極(TG)18のみの電界では連続したチャネルを形成することができないので、ボトムゲート電極(BG)11に印加されている電圧が0(V)である場合には、トップゲート電極(TG)18に印加されている電圧の如何に関わらず、半導体層13にnチャネルが形成されることはない。
【0035】
図3(c)に示すように、トップゲート電極(TG)18に印加されている電圧が+15(V)であり、ボトムゲート電極(BG)11に印加されている電圧が+10(V)であるときは、半導体層13のボトムゲート電極(BG)11側にnチャネルが形成される。これにより、半導体層13が低抵抗化し、ドレイン電極16aに+10(V)の電圧が供給されると、ドレイン電極(D)16aとソース電極(S)16bとの間に電流が流れる。また、この状態でも、後述するように半導体層13に蓄積された正孔が吐出され、リセット状態となる。
【0036】
図3(d)に示すように、後述するように半導体層13内に十分な量の正孔が蓄積されず、トップゲート電極(TG)18に印加されている電圧が−15(V)であると、ボトムゲート電極(BG)11に印加されている電圧が+10(V)であっても、半導体層13の内部に空乏層が広がり、nチャネルがピンチオフされて、半導体層13が高抵抗化する。このため、ドレイン電極16aに+10(V)の電圧が供給されても、ドレイン電極(D)16aとソース電極(S)16bとの間に電流が流れない。
【0037】
図3(e)に示すように、トップゲート電極(TG)18に印加されている電圧が−15(V)であり、ボトムゲート電極(BG)11に印加されている電圧が0(V)で、かつ半導体層13に励起光が照射されている場合には、半導体層13に励起光の光量に応じた量の電子−正孔対が生じ、このうちの正孔がトップゲート電極(TG)の電界により半導体層13内部及びBL絶縁膜14内部の半導体層13の界面近傍に局在化する。以下、この状態をフォトセンス状態という。なお、こうしてトップゲート電極(TG)18の電界に応じて半導体層13内に蓄積された正孔は、リセット状態となるまで半導体層13から吐出されることはない。
【0038】
図3(f)に示すように、トップゲート電極(TG)18に印加されている電圧が−15(V)であり、ボトムゲート電極(BG)11に印加されている電圧が+10(V)であるが、半導体層13内に正孔が蓄積されている場合には、蓄積されている正孔が負電圧の印加されているトップゲート電極18に引き寄せられて保持され、トップゲート電極18に印加されている負電圧が半導体層13に及ぼす影響を緩和する方向に働く。このため、半導体層13のボトムゲート電極(BG)11側にnチャネルが形成され、半導体層13が低抵抗化して、ドレイン電極16aに+10(V)の電圧が供給されると、ドレイン電極(D)16aとソース電極(S)16bとの間に、正孔の量すなわち励起光の光量に応じた電流が流れる。
【0039】
図1に戻って説明を続けると、トップゲートドライバ2は、撮像素子1のトップゲートラインTGLに接続され、コントローラからの制御信号Tcntに従って、各トップゲートラインTGLに+15(V)または−15(V)の信号を出力する。トップゲートドライバ2は、コントローラから供給される信号に従って、+15(V)の信号を各トップゲートラインTGLに順次選択的に出力する。
【0040】
ボトムゲートドライバ3は、撮像素子1のボトムゲートラインBGLに接続され、コントローラからの制御信号Bcntに従って、各トップゲートラインTGLに+10(V)または0(V)の信号を出力する。トップゲートドライバ2は、コントローラから供給される信号に従って、+10(V)の信号を各トップゲートラインTGLに順次選択的に出力する。
【0041】
ドレインドライバ4は、撮像素子1のドレインラインDLに接続され、コントローラからの制御信号Dcntに従って、後述する所定の期間において全てのデータラインDLに定電圧(+10(V))を出力し、電荷をプリチャージさせる。ドレインドライバ4は、プリチャージの後の所定の期間においてダブルゲートトランジスタ10の半導体層13にチャネルが形成されているか否かによって変化する各データラインDLの電位を読み出し、画像データDATAとしてコントローラに供給する。
【0042】
次に、図1のトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3について、詳しく説明する。図4(a)は、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3の回路構成及びその回路レイアウトを示す図である。トップゲートドライバ2の場合、制御信号Tcntとしてスタート信号IN、信号Φ1、信号Φ2、信号CK1及び信号CK2と、定電圧Vss(−15(V))がコントローラから入力される。一方、ボトムゲートドライバ3の場合、制御信号Bcntとしてスタート信号in、信号φ1、信号φ2、信号ck1及び信号ck2と、定電圧vss(0(V))がコントローラから入力される。信号CK1及び信号CK2はハイレベルが+15(V)、ローレベルが−15(V)であり、信号ck1及び信号ck2はハイレベルが+10(V)、ローレベルが0(V)である。
【0043】
ここで、図4(a)に示す構成の回路を、トップゲートドライバ2として用いた場合とボトムゲートドライバ3として用いた場合の違いは、後述するように入力信号及び出力信号のタイミング及びレベルだけなので、以下ではこの図に示す構成の回路を、トップゲートドライバ2を例として説明する。
【0044】
トップゲートドライバ2は、撮像素子1に配されたダブルゲートトランジスタ10の行数、すなわちトップゲートラインTGLの数と同数の段RS(1),RS(2),・・・から構成されている。各段RS(1),RS(2),・・・は、それぞれ5つのTFT(Thin Film Transistor)21〜25から構成されている。TFT21〜25は、nチャネルMOS型電界効果トランジスタである。
【0045】
但し、奇数番目の段RS(1),RS(3),・・・と偶数番目の段RS(2),RS(4),・・・とでは、TFT21のゲート電極及びTFT24のドレイン電極への入力信号が互いに異なる。すなわち、奇数番目の段RS(1),RS(3),・・・においては、TFT21のゲート電極には信号Φ1が、TFT24のドレイン電極には信号CK1が入力する。一方、偶数番目の段RS(2),RS(4),・・・においては、TFT21のゲート電極には信号Φ2が、TFT24のドレイン電極には信号CK2が入力する。
【0046】
また、1番目の段RS(1)のTFT21のドレイン電極には、コントローラからのスタート信号INが入力する。一方、2番目以降の段RS(2),RS(3),・・・のTFT21のドレイン電極には、前の段RS(1),RS(2),・・・からの出力信号であるOUT1,OUT2,・・・が入力する。
【0047】
それ以外の構成は、各段RS(1),RS(2),・・・とも同じであり、次のように構成されている。TFT21は、コントローラからの信号Φ1または信号Φ2によってオンしているときに、コントローラからのスタート信号INまたは前の段からの出力信号OUT1,OUT2,・・・によって配線容量C2、C4に電荷をチャージする。
【0048】
TFT22は、配線容量C2に電荷がチャージされておらず、オフしているときに、負荷として用いられるTFT23を介して供給される電源電圧Vddによって配線容量C5に電荷をチャージする。TFT22は、また、配線容量C2に電荷がチャージされ、オンしているときに、配線容量C5に蓄積されている電荷をディスチャージする。
【0049】
TFT24は、配線容量C4に電荷がチャージされ、オンしているときに、コントローラから供給される信号CK1または信号CK2を出力信号OUT1,OUT2,・・・としてトップゲートラインTGLに出力する。TFT24では、入力された信号CK1または信号CK2によりゲート電極31及びソース電極36bとそれらの間のゲート絶縁膜32からなる寄生容量へのチャージアップや、オン電流によりチャージアップされるゲート電極31及びドレイン電極36aとそれらの間のゲート絶縁膜32による寄生容量により、配線容量C4の電位が上昇してゲート飽和電圧にまで達するとソース−ドレイン電流が飽和する。これにより、出力信号OUT1,OUT2,・・・は、実質的に信号CK1または信号CK2とほぼ同電位となる。なお、TFT24がオンしているときは、TFT22もオンしているので、TFT25はオフしており、コントローラから供給されている定電圧Vss(−15(V))は、出力信号OUT1,OUT2,・・・として出力されない。
【0050】
TFT25は、配線容量C5に電荷がチャージされ、オンしているときに、コントローラから供給されている定電圧Vss(−15(V))を出力信号OUT1,OUT2,・・・としてトップゲートラインTGLに出力する。なお、TFT25がオンしているときは、TFT24はオフしており、コントローラからの信号CK1または信号CK2は、出力信号OUT1,OUT2,・・・として出力されない。
【0051】
図4(b)は、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3に使用されているTFT21〜25の構造を示す断面図である。図示するように、TFT21〜25は、ゲート電極31、ゲート絶縁膜32、半導体層33、BL絶縁膜34、コンタクト層35a、35b、ドレイン電極36a及びソース電極36b、層間絶縁膜37(トップゲート絶縁膜17に対応)、並びに絶縁保護膜39が順に積層されて形成されている。
【0052】
つまり、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3に使用されているTFT21〜25は、それぞれ図2に示したダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18を除いた構造を有するものとなっており、ダブルゲートトランジスタ10と同一プロセスで形成することができる。従って、この実施の形態にかかる撮像装置は、図5に示すように、撮像素子1が形成されている基板5上にトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3を形成した構造とすることができる。
【0053】
また、図5に示すように、撮像素子1が形成されている基板5上には、撮像素子1のデータラインDLをドレインドライバ4と接続するための外部接続端子40が形成されている。そして、撮像素子1、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3とは別個の半導体装置で形成されたドレインドライバ4が、その端子を外部接続端子40と接続させるようにして、基板5上に実装されている。
【0054】
以下、図1の撮像素子1、トップゲートドライバ2、ボトムゲートドライバ3及びドレインドライバ4に接続するための外部接続端子40を同一の基板5上に形成する工程について説明する。図6(a)〜(h)は、撮像素子1、トップゲートドライバ2、ボトムゲートドライバ3及び外部接続端子40を基板5上に形成する工程を示す図である。
【0055】
ここで、図6(a)〜(h)に示すように、撮像素子1を形成する工程は、ダブルゲートトランジスタ10を形成する工程と、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3を形成する工程は、TFT21〜25を形成する工程とみることができる。また、トップゲートラインTGLをトップゲートドライバ2と接続する工程、及びボトムゲートラインBGLをボトムゲートドライバ3と接続する工程も必要となる。さらに、外部接続端子40と一体のドレインラインDLを形成する工程も必要となる。
【0056】
まず、図6(a)に示すように、用意した基板5の全域に、スパッタリング法を用いてCr等の金属からなる膜を形成する。そして、ボトムゲート電極11、ゲート電極31、ボトムゲートラインBGL及び外部接続端子40の下層部41を残して、フォトリソグラフィー法により基板5上に形成した金属膜を取り除く。なお、外部接続端子40の下層部41は、島状に形成されており、撮像素子1の位置に伸延しない。
【0057】
次に、図6(b)に示すように、基板5の全域にボトムゲート絶縁膜12及びゲート絶縁膜32となるSiNからなる膜をプラズマCVD法によって形成し、その上全体にa−Siまたはp−Siからなる膜をプラズマCVD法によって形成し、さらにその上全体にBL絶縁膜14、34となるSiNからなる膜をプラズマCVD法によって形成する。ここで3番目に形成されたSiNからなる膜は、BL絶縁膜14、34となる部分を残してフォトリソグラフィー法により取り除かれる。
【0058】
次に、図6(c)に示すように、基板5の全域に、プラズマCVD法を用いてn−Siからなる膜を形成する。そして、このn−Siからなる膜を、図6(b)の工程で2番目に形成されたa−Siまたはp−Siからなる膜と共に、半導体層13、33、コンタクト層15a、15b、35a、35bとなる部分を残して、フォトリソグラフィー法により取り除く。
【0059】
次に、図6(d)に示すように、ボトムゲートドライバ3内のTFT24、25のソース電極36bを、図6(a)の工程でボトムゲート電極11と共に形成されたボトムゲートラインBGLと接続するために、ボトムゲートドライバ3内のゲート絶縁膜32の所定の部分をフォトリソグラフィー法により取り除き、コンタクトホール32aを形成するとともに、ゲート絶縁膜32と同時形成されている下層部41上のSiNからなる膜を一括してフォトリソグラフィー法により取り除く。
【0060】
次に、図6(e)に示すように、基板5の全域にスパッタリング法を用いてCr等の金属からなる膜を形成する。そして、この金属膜を、ダブルゲートトランジスタ10のドレイン電極16a及びソース電極16b、並びにTFT21〜25のドレイン電極36a及びソース電極36b、並びにドレインラインDL及び外部接続端子40の中層部46となる部分を残して、フォトリソグラフィー法により取り除く。なお、外部接続端子40の中層部46は、ドレインラインDLの一部となり、ドレインラインDLを介してダブルゲートトランジスタ10のドレイン電極16aと接続される。
【0061】
次に、図6(f)に示すように、図6(e)までの工程で形成された全てのものを覆うように、基板5の全域にプラズマCVD法を用いて、トップゲート絶縁膜17及び層間絶縁膜37となるSiNからなる膜を形成する。そして、トップゲートラインTGLと接続するために、トップゲートドライバ2内の層間絶縁膜37の所定の部分をフォトリソグラフィー法により取り除き、コンタクトホール37aを形成するとともに、ゲート絶縁膜32と同時形成されている中層部46上のSiNからなる膜を一括してフォトリソグラフィー法により取り除き、コンタクトホール47を形成する。
【0062】
次に、図6(g)に示すように、基板5の全域にスパッタリング法を用いてITOからなる膜を形成する。そして、このITOからなる膜を、ダブルゲートトランジスタ10の半導体層13と対向するトップゲート電極18、トップゲートラインTGL、及び外部接続端子40の上層部48の部分を残してフォトリソグラフィー法により取り除く。ここで、トップゲートラインTGLは、図6(f)で形成されたコンタクトホール37aを介してトップゲートドライバ2内のTFT24、25のソース電極36bと接続される。なお、外部接続端子40の上層部48は、島状に形成されており、撮像素子1の位置に伸延しない。
【0063】
最後に、図6(h)に示すように、図6(g)までの工程で形成された全てのものを覆うように、基板5の全域にプラズマCVD法を用いて絶縁保護膜19、39となるSiNからなる膜を形成する。そして、この膜の上層部48上の位置をフォトリソグラフィー法により取り除き、ドレインドライバ4の端子と接続するための外部接続端子40を形成する。以上の工程を経て、撮像素子1、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3が、同一の基板5上に同一のプロセスで形成される。
【0064】
以下、この実施の形態にかかる撮像装置の動作について、図7のタイミングチャート及び図8(a)〜(i)の模式図を参照して、撮像素子1を駆動し、画像を撮影するための動作について説明する。図8(a)〜(i)のそれぞれにおいて、中央には模式的に1列×4行分の撮像素子1の状態を、左側に書かれている電圧は各行のトップゲート電極18に印加される電圧を、右側に書かれている電圧は各行のボトムゲート電極11に印加される電圧を意味しているものとする。
【0065】
1垂直期間がタイミングT0で開始すると、1水平期間であるタイミングT0からT1の期間、トップゲートドライバ2にコントローラから+15(V)のスタート信号INが供給される。このスタート信号INは、トップゲートドライバ2の1番目の段RS(1)のTFT21のドレインに供給される。
【0066】
このタイミングT0からT1の期間は、ボトムゲートドライバ3のいずれの段においてもTFT24がオフ、TFT25がオンしており、ボトムゲートドライバ3からボトムゲートラインBGLの全てに出力電圧out1,out2,・・・として定電圧vssによる0(V)の電圧が出力される。また、タイミングT0から中間タイミングT0.5の期間は、トップゲートドライバ2のいずれの段においてもTFT24がオフ、TFT25がオンしており、トップゲートドライバ2からトップゲートラインTGLの全てに、出力電圧OUT1,OUT2,・・・として定電圧Vssによる−15(V)の電圧が出力される。
【0067】
次に、中間タイミングT0.5からタイミングT1までの一定の期間、制御信号Φ1が立ち上がり、トップゲートドライバ2の奇数番目の段RS(1),RS(3),・・・のTFT21をオンする。これにより、トップゲートドライバ2の1番目の段RS(1)の配線容量C2、C4に電荷がチャージされる。
【0068】
これにより、TFT23を介して供給されている電源電圧Vddによってハイレベルとなっている1番目の段RS(1)の配線容量C5は、定電圧Vssとなる。これにより、トップゲートドライバ2の1番目の段RS(1)のTFT25は、ゲート電極31の電位がローレベルになってオフする。
【0069】
また、同時にトップゲートドライバ2の1番目の段RS(1)のTFT24も、ゲート電極31の電位がハイレベルになってオンする。これにより、中間タイミングT0.5からT1までの期間は、トップゲートドライバ2の1番目の段RS(1)の出力信号OUT1として、コントローラから供給された信号CK1の−15(V)が撮像素子1の1行目のトップゲートラインTGLに出力される。トップゲートドライバ2の2段目以降ではTFT24がオフ、TFT25がオンしており、トップゲートドライバ2から出力電圧OUT2,OUT3,・・・として2行目以降のトップゲートラインTGLの定電圧Vssによる−15(V)の電圧が出力される。
【0070】
なお、トップゲートドライバ2の1番目の段RS(1)の配線容量C2、C4の電位がハイレベル、配線容量C5の電位がローレベルとなっている状態は、次に中間タイミングT2.5からタイミングT3までの一定の期間で制御信号Φ1が再び立ち上がるまで続く。
【0071】
次に、タイミングT1からT2までの期間、コントローラから供給される信号CK1のレベルが+15(V)に変位する。この期間において、トップゲートドライバ2の1番目の段RS(1)のTFT24がオン、TFT25がオフしているため、信号CK1による+15(V)が出力信号OUT1として1行目のトップゲートラインTGLに出力され、また、トップゲートドライバ2の2番目の段RS(2)のTFT21のドレインに供給される。
【0072】
タイミングT1から中間タイミングT1.5までの間は、トップゲートドライバ2の2番目以降の段からは、TFT24がオフ、TFT25がオンしているため、定電圧Vssによる−15(V)が出力信号OUT2,OUT3,・・・として2行目以降のトップゲートラインTGLに出力される。一方、ボトムゲートドライバ3の全ての段からは、TFT24がオフ、TFT25がオンしているため、定電圧vssによる0(V)が出力信号out1,out2,・・・として全てのボトムゲートラインBGLに出力される。
【0073】
中間タイミングT1.5からタイミングT2までの一定の期間、コントローラからの信号Φ2が立ち上がると、1番目の段RS(1)と同様の動作により、トップゲートドライバ2の2番目の段RS(2)のTFT24がオン、TFT25がオフとなる。従って、中間タイミングT1.5からT2までの間は、トップゲートドライバ2の2番目の段RS(2)からは、信号CK2のローレベル電圧による−15(V)が出力信号OUT2として2行目のトップゲートラインTGLに出力される。
【0074】
さらにこの期間においては、トップゲートドライバ2の3番目以降の段からは、TFT24がオフ、TFT25がオンしているため、定電圧Vssによる−15(V)が出力信号OUT3,OUT4,・・・として3行目以降のトップゲートラインTGLに出力される。また、ボトムゲートドライバ3の全ての段からは、TFT24がオフ、TFT25がオンしているため、定電圧vssによる0(V)が出力信号out1,out2,・・・として全てのボトムゲートラインBGLに出力される。
【0075】
従って、タイミングT1からT2までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(a)に示すようになる。すなわち、図8(a)に示すように、この期間において1行目のダブルゲートトランジスタ10がリセットされる。なお、図8(a)において「済」とあるのは、当該行のデータの読み出しが終了してからリセットされる直前までの状態にあることを示している(以下、同じ)。
【0076】
次に、タイミングT2からT3までの期間では、同様にしてトップゲートドライバ2の2番目の段RS(2)から出力信号OUT2として+15(V)が、他の段から出力信号OUT1,OUT3,OUT4,・・・として−15(V)がそれぞれ対応するトップゲートラインTGLに出力される。また、ボトムゲートドライバ3の全ての段から出力信号out1,out2,・・・として0(V)が対応するボトムゲートラインBGLに出力される。
【0077】
従って、タイミングT2からT3までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(b)に示すようになる。すなわち、図8(b)に示すように、この期間において2行目のダブルゲートトランジスタ10がリセットされる。また、1行目のダブルゲートトランジスタ10は、図3(e)に示したフォトセンス状態となり、励起光の入射量によって内部にキャリア(正孔)を蓄積する。
【0078】
次に、タイミングT3からT4までの期間では、同様にしてトップゲートドライバ2の3番目の段RS(3)から出力信号OUT3として+15(V)が、他の段から出力信号OUT1,OUT2,OUT4,OUT5,・・・として−15(V)がそれぞれ対応するトップゲートラインTGLに出力される。
【0079】
また、タイミングT3から中間タイミングT3.5までの期間では、ボトムゲートドライバ3は、全ての段においてTFT24がオフ、TFT25がオンとなっており、ボトムゲートドライバ3の全ての段から出力信号out1,out2,・・・として定電圧vssによる0(V)が対応するボトムゲートラインBGLに出力される。中間タイミングT3.5からタイミングT4までの期間でも、ボトムゲートドライバ3の2段目以降は、TFT24がオフ、TFT25がオンとなっており、ボトムゲートドライバ3の2番目以降の段から出力信号out2,out3,・・・として定電圧vssによる0(V)が対応するボトムゲートラインBGLに出力される。
【0080】
また、中間タイミングT3.5からタイミングT4までの期間では、コントローラからボトムゲートドライバ3にスタート信号inが供給され、1番目の段のTFT21に供給される。この期間において、コントローラからの信号φ1も立ち上がる。これにより、ボトムゲートドライバ3の1番目の段のTFT21がオンし、トップゲートドライバ2の場合と同様に、1番目の段のTFT24がオン、TFT25がオフする。従って、この期間は、ボトムゲートドライバ3の1番目の段から出力信号out1として信号ck1による0(V)が1行目のボトムゲートラインBGLに出力される。
【0081】
従って、タイミングT3からT4までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(c)に示すようになる。すなわち、図8(c)に示すように、この期間において3行目のダブルゲートトランジスタ10がリセットされる。また、1行目及び2行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となり、励起光の入射量によって内部にキャリア(正孔)を蓄積する。
【0082】
次に、タイミングT4からT5までの期間では、同様にしてトップゲートドライバ2の4番目の段RS(4)から出力信号OUT4として+15(V)が、他の段から出力信号OUT1,OUT2,OUT3,OUT5,・・・として−15(V)がそれぞれ対応するトップゲートラインTGLに出力される。
【0083】
また、タイミングT4から中間タイミングT4.5までの期間では、ボトムゲートドライバ3は、2段目以降の段においてTFT24がオフ、TFT25がオンとなっており、ボトムゲートドライバ3の2段目以降の段から出力信号out2,out3,・・・として定電圧vssによる0(V)が対応するボトムゲートラインBGLに出力される。一方、1段目の段ではTFT24がオン、TFT25がオフとなっているが、この期間は、信号ck1が0(V)となっているので、1行目のボトムゲートラインBGLに出力信号out1として0(V)が出力される。
【0084】
次の中間タイミングT4.5からタイミングT5までの期間でも、ボトムゲートドライバ3の2段目以降は、TFT24がオフ、TFT25がオンとなっており、ボトムゲートドライバ3の2番目以降の段から出力信号out2,out3,・・・として定電圧vssによる0(V)が対応するボトムゲートラインBGLに出力される。一方、1段目の段ではTFT24がオン、TFT25がオフとなっており、また、信号ck1が+10(V)となることにより、1行目のボトムゲートラインBGLに出力信号out1として+10(V)が出力される。なお、この期間においては、同様にしてボトムゲートライン3の2段目のTFT24がオン、TFT25がオンされる。
【0085】
従って、タイミングT4から中間タイミングT4.5までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(d)に示すようになる。すなわち、図8(d)に示すように、この期間において4行目のダブルゲートトランジスタ10はリセットされる。また、1行目から3行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となり、励起光の入射量によって内部にキャリア(正孔)を蓄積する。さらに、各ドレインラインDLがプリチャージされて、その電位が+10(V)となる。
【0086】
また、中間タイミングT4.5からタイミングT5までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(e)に示すようになる。すなわち、図8(e)に示すように、この期間において4行目のダブルゲートトランジスタ10はリセットされる。また、2行目及び3行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となり、光の入射量によって内部にキャリアを蓄積する。
【0087】
1行目のダブルゲートトランジスタ10は、タイミングT2から中間タイミングT4.5までで十分な励起光が入射されていれば、ボトムゲート電極11に供給された電圧+10(V)により半導体層13にチャネルが形成され、ドレイン電流が流れることによって対応するドレインラインDLの電位を降下させる。一方、十分な励起光が入射されていなければ、半導体層13のチャネルがピンチオフされ、対応するドレインラインDLの電位は降下しない。ドレインドライバ4は、中間タイミングT4.5からタイミングT5までの期間において各ドレインラインDLの電位を読み出し、それを1行目の画素の画像データDATAとしてコントローラに供給する。
【0088】
次に、タイミングT5からT6までの期間では、同様にしてトップゲートドライバ2の5番目の段RS(5)から出力信号OUT5として+15(V)が、他の段から出力信号OUT1,OUT2,OUT3,OUT4,・・・として−15(V)がそれぞれ対応するトップゲートラインTGLに出力される。
【0089】
タイミングT5から中間タイミング5.5までの期間では、同様にしてボトムゲートドライバ3の全ての段から出力信号out1,out2,・・・として0(V)が対応するボトムゲートラインBGLに出力される。一方、中間タイミングT5.5からタイミングT6までの期間では、同様にしてボトムゲートドライバ3の2番目の段から出力信号out2として+10(V)が、それ以外の段から出力信号out1,out3,out4,・・・として0(V)がボトムゲートラインBGLに出力される。
【0090】
従って、タイミングT5から中間タイミングT5.5までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(f)に示すようになる。すなわち、図8(f)に示すように、2行目から4行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となり、励起光の入射量によって内部にキャリアを蓄積する。さらに、各ドレインラインDLがプリチャージされて、その電位が+10(V)となる。なお、1行目のダブルゲートトランジスタ10は、実際にはフォトセンス状態となっているが、次の垂直期間でリセットされるまで、ドレインドライバ4によって読み出される画像データDATAに影響を及ぼさない。
【0091】
また、中間タイミングT5.5からタイミングT6までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(g)に示すようになる。すなわち、図8(g)に示すように、3行目及び4行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となり、励起光の入射量によって内部にキャリアを蓄積する。
【0092】
2行目のダブルゲートトランジスタ10は、タイミングT3から中間タイミングT5.5までで十分な励起光が入射されていれば、半導体層13にチャネルが形成され、ドレイン電流が流れることによって対応するドレインラインDLの電位を降下させる。一方、十分な励起光が入射されていなければ、半導体層13のチャネルがピンチオフされ、対応するドレインラインDLの電位は降下しない。ドレインドライバ4は、中間タイミングT5.5からタイミングT6までの期間において各ドレインラインDLの電位を読み出し、それを2行目の画素の画像データDATAとしてコントローラに供給する。
【0093】
次に、タイミングT6からT7までの期間では、同様にしてトップゲートドライバ2の6番目の段RS(6)から出力信号OUT6として+15(V)が、他の段から出力信号OUT1,・・・,OUT5,・・・,OUT7,・・・として−15(V)がそれぞれ対応するトップゲートラインTGLに出力される。
【0094】
タイミングT6から中間タイミング6.5までの期間では、同様にしてボトムゲートドライバ3の全ての段から出力信号out1,out2,・・・として0(V)が対応するボトムゲートラインBGLに出力される。一方、中間タイミングT6.5からタイミングT7までの期間では、同様にしてボトムゲートドライバ3の3番目の段から出力信号out3として+10(V)が、それ以外の段から出力信号out1,out2,out3,・・・,out4,・・・として0(V)がボトムゲートラインBGLに出力される。
【0095】
従って、タイミングT6から中間タイミングT6.5までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(h)に示すようになる。すなわち、図8(h)に示すように、3行目及び4行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となり、励起光の入射量によって内部にキャリアを蓄積する。さらに、各ドレインラインDLがプリチャージされて、その電位が+10(V)となる。なお、1行目及び2行目のダブルゲートトランジスタ10は、実際にはフォトセンス状態となっているが、次の垂直期間でリセットされるまで、ドレインドライバ4によって読み出される画像データDATAに影響を及ぼさない。
【0096】
また、中間タイミングT6.5からタイミングT7までの期間において、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18及びボトムゲート電極11に供給される電圧は、それぞれ図8(i)に示すようになる。すなわち、図8(i)に示すように、4行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となり、光の入射量によって内部にキャリアを蓄積する。
【0097】
3行目のダブルゲートトランジスタ10は、タイミングT4から中間タイミングT6.5までで十分な励起光が入射されていれば、半導体層13にチャネルが形成され、ドレイン電流が流れることによって対応するドレインラインDLの電位を降下させる。一方、十分な励起光が入射されていなければ、半導体層13のチャネルがピンチオフされ、対応するドレインラインDLの電位は降下しない。ドレインドライバ4は、中間タイミングT6.5からタイミングT7までの期間において各ドレインラインDLの電位を読み出し、それを3行目の画素の画像データDATAとしてコントローラに供給する。
【0098】
以下、同様の動作によって、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10を最終行まで行毎に、リセットし、フォトセンスさせていき、フォトセンス時に半導体層13に蓄積されるキャリアの量によるドレインラインDLの電位の変化をドレインドライバ4が読み出していく。そして、最終行のダブルゲートトランジスタ10に関してドレインラインDLの電位の読み出しが終了すると、次の垂直期間におけるタイミングT0から同様の動作が繰り返される。
【0099】
以上説明したように、この実施の形態にかかる撮像装置では、撮像素子1がダブルゲートトランジスタ10をマトリクス状に配置して構成され、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3をTFT21〜25によって構成している。ここで、TFT21〜25は、ダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18を除いた構造とすることができる。このため、トップゲートドライバ2とボトムゲートドライバ3とを、撮像素子1を形成したのと同一の基板5上に、しかも撮像素子1を形成するのと同時に形成することができる。
【0100】
従って、トップゲートドライバ2とボトムゲートドライバ3とは、撮像素子1とほぼ同じ厚さで形成することができる。これにより、トップゲートドライバ2とボトムゲートドライバ3とが邪魔することなく、撮像対象物を容易に撮像素子1に密着させることができる。しかも、トップゲートドライバ2とボトムゲートドライバ3を撮像素子1と離れた位置に形成する必要がないので、撮像装置全体を小型に形成することができる。
【0101】
また、トップゲートドライバ2とボトムゲートドライバ3とが撮像素子1と同一の基板5上に形成されることにより、撮像素子1とトップゲートドライバ2またはボトムゲートドライバ3との間の接続不良が生じにくい。このため、不良品の発生を抑えることができ、撮像装置を低コストで製造することができる。しかも、製造後における故障の発生も抑えることができる。さらには、トップゲートドライバ2とボトムゲートドライバ3とを撮像素子1と同時に形成できることで、撮像装置全体の製造コストを低くすることができる。
【0102】
[第2の実施の形態]
この実施の形態にかかる撮像装置の構成は、第1の実施の形態のものとほぼ同じである。但し、この実施の形態にかかる撮像装置では、ドレインドライバ4の構成が第1の実施の形態のものと異なり、これにより撮像素子1、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3と同一の基板5上に形成することを可能としている。
【0103】
図9は、この実施の形態の撮像装置に適用されるドレインドライバ4の回路構成を示す図である。図示するように、このドレインドライバは、それぞれゲート電極にコントローラからの制御信号c1〜cnが供給されることでオンするグループ分けされたTFT51〜5nを備えている。TFT51〜5nは、同一の参照符号が付されているもの同士が同一のグループに分類される。
【0104】
TFT51〜5nの総数は、撮像素子1に形成されたドレインラインDLの数と同じであり、TFT51〜5nは、それぞれ各ドレインラインDLにソース電極が接続されている。TFT51〜5nは、各グループから1つずつ選ばれたもの同士で、ドレイン電極がそれぞれコントローラに接続された同一の信号線(以下、単位信号線という)に接続されている。
【0105】
ドレインドライバ4は、ドレインラインDLをプリチャージする場合には、その期間においてコントローラからの制御信号c1〜cnに従って全てのTFT51〜5nをオンし、ドレイン電極とソース電極との間が導通状態となっているときに、コントローラから供給された定電圧(+10(V))を各ドレインラインDLに出力する。
【0106】
ドレインドライバ4は、ドレインラインDL上の電位を読み出す場合には、コントローラから制御信号c1〜cnを順次供給してグループ毎にTFT51〜5nを順次オンする。ドレインドライバ4は、各データラインDLからのデータd1〜dm(データラインDL上の電位)を、オンすることでドレイン電極とソース電極との間が導通状態となっているTFT51〜5nを介して、グループ別の信号s1〜skとしてコントローラに供給する。なお、グループ別の信号s1〜skは、その供給タイミングによってどのデータラインDLから供給されたものであるかがコントローラ内で処理される。
【0107】
この実施の形態にかかる撮像装置では、ドレインドライバ4に使用されているTFT51〜5nも、図4(b)に示す構造を有し、ダブルゲートトランジスタ10と同一のプロセスで形成することができる。従って、この実施の形態にかかる撮像装置は、図10に示すように、撮像素子1が形成されている基板5上にトップゲートドライバ2、ボトムゲートドライバ3、さらにはドレインドライバ4を形成した構造とすることができる。
【0108】
なお、この実施の形態にかかる撮像装置において、ドレインドライバ4は、図4(b)に示す構造を有するTFT51〜5nによって構成されていることから、第1の実施の形態で説明したトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3を基板5上に形成するのと同様にして、撮像素子1を形成するプロセスで同時に基板5上に形成することができる。
【0109】
以下、この実施の形態にかかる撮像装置の動作について説明する。ここでは、ドレインドライバ4についての特有の動作である、ドレインラインDLに電荷をプリチャージさせるときの動作(図8(d)、(f)、(h))と、ドレインラインDL上の電位を読み出すときの動作(図8(e)、(g)、(i))についてのみ説明することとする。
【0110】
まず、ドレインラインDLをプリチャージさせるときは、コントローラから全てのTFT51〜5nのゲート電極に、制御信号c1〜cnが供給される。これにより、ドレインドライバ4内の全てのTFT51〜5nがオンし、ドレイン電極とソース電極との間が導通状態となる。
【0111】
次に、コントローラ内に設けられた定電圧発生回路から単位信号線に定電圧(+10(V))を出力する。これにより、オンしてドレイン電極とソース電極との間が導通状態となっているTFT51〜5nを介して、各データラインDLに+10(V)の定電圧が出力され、各データラインDLに電荷がチャージされる。なお、プリチャージの期間を終了すると、コントローラの定電圧発生回路は、単位信号線への定電圧の出力を停止する。
【0112】
一方、ドレインラインDL上の電位を読み出すときは、その読み出しの期間内において、コントローラからグループ毎のTFT51〜5nに順次制御信号c1〜cnが供給される。これにより、ドレインドライバ4内のTFT51〜5nは、グループ毎に所定の期間ずつ順次オンして、ドレイン電極とソース電極との間が導通状態となる。
【0113】
ドレイン電極とソース電極との間が導通状態となっているグループのTFT51〜5nは、対応するデータラインDL上のデータd1〜dm(電位)を各単位信号線にグループ別の信号s1〜skとして出力する。そして、各単位信号線に出力されたグループ別の信号s1〜skは、コントローラに供給される。こうして供給されたグループ別の信号s1〜skは、その供給タイミングによってどのデータラインDLからのものであるかがコントローラによって判断され、所定の信号処理が行われる。
【0114】
以上説明したように、この実施の形態にかかる撮像装置では、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3に加えて、さらにドレインドライバ4も撮像素子1を形成した基板5上に、しかも撮像素子1と同時に形成することができる。
【0115】
従って、この実施の形態にかかる撮像装置では、さらにドレインドライバ4も、撮像対象物を撮像素子1に密着させるために邪魔になることがない。また、撮像素子1とドレインドライバ4との間の接続不良も生じにくくなる。さらには、ドレインドライバ4も撮像素子1と同時に形成することができるため、第1の実施の形態の撮像装置に比べて、さらに低コストで製造することができるようになる。
【0116】
さらに、このドレインドライバ4では、コントローラと接続するための信号線を(単位信号線の数)+(グループの数)とすることができる。すなわち、コントローラと接続するための信号線の数は、(ドレインラインの数)÷(グループの数)+(グループの数)となる。このため、全てのデータラインDLから読み出したデータを並列にコントローラに送る場合に比べて、ドレインドライバ4とコントローラとの間の信号線の数を大幅に少なくすることができる。
【0117】
従来、信号線とコントローラとの間を接続するFPC(フレキシブルプリントサーキット)基板の配線ピッチは、高解像度のファインピッチの撮像素子1のピッチより大幅に長いため、撮像素子1の列数に合わせたFPC基板となると撮像素子アレイより幅広になってしまい、特により省スペース化が要求される指紋センサに適用した場合に大きな障害となっていた。これに対して、本実施形態ではFPC基板の配線数は、信号線の数mをグループの数nで分割した数kにグループの数nを加えた線の数だけでよいため、撮像装置自体をより縮小化することができる。
【0118】
一方、このドレインドライバ4は、データラインDLから読み出した各データを、(読み出し期間)÷(グループの数)の期間内でコントローラに転送すればよい。このため、読み出したデータを直列に変換してコントローラに送る場合ほど、高速でデータ転送をする必要がない。すなわち、このドレインドライバ4は、読み出したデータを直列に変換して送るもののように、複雑なタイミング制御のための回路が必要ない。
【0119】
[実施の形態の変形]
本発明は、上記の第1、第2の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記の実施の形態の変形態様について、説明する。
【0120】
上記の第1、第2の実施の形態では、ダブルゲートトランジスタ10は、トップゲート電極18を透明電極によって構成し、トップゲート電極18を介して半導体層13に励起光を入射させていた。しかしながら、ダブルゲートトランジスタ10は、ボトムゲート電極11が透明電極で構成されたものとしてもよく、この場合には、基板5及びトップゲート電極11を介して半導体層13に光を入射させればよい。
【0121】
上記の第1、第2の実施の形態では、トップゲートドライバ2、ボトムゲートドライバ3及びドレインドライバ4を構成するTFT21〜25、51〜5nは、ダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18を除いた構造のものであった。しかしながら、ダブルゲートトランジスタ10のボトムゲート電極11を除いた構造のTFTも、トップゲートドライバ2、ボトムゲートドライバ3及びドレインドライバ4に適用することができる。この場合は、ソース電極16bの端部がBL絶縁膜14の端部にかかる程度で形成すればよい。
【0122】
この場合には、図6(a)に示す工程で、TFT21〜25及びTFT51〜5nのゲート電極31を形成せず、図6(f)に示すダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極18を形成する工程で、層間絶縁膜37の上にTFT21〜25及びTFT51〜5nのゲート電極を形成するものとすればよい。
【0123】
上記の第1、第2の実施の形態では、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3は、各段が5つのTFT21〜25によって構成されるものとしていた。しかしながら、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3は、この構成に限られるものではなく、撮像素子1のトップゲートラインTGL及びボトムゲートラインBGLに、ダブルゲートトランジスタ10を駆動するための電圧を順次出力できるのであれば、これより多いまたは少ない数のTFTで各段が構成されるものとしてもよい。
【0124】
上記の第1、第2の実施の形態では、ダブルゲートトランジスタ10を基板5上にマトリクス状に配置して、撮像素子1を形成していた。しかしながら、ダブルゲートトランジスタの基板上への配置は、これに限られるものではなく、種々の配置のダブルゲートトランジスタを順次駆動して画像を撮影するドライバをダブルゲートトランジスタと同一の基板上に配置する場合にも適用することができる。
【0125】
上記の、第1、第2の実施の形態の撮像装置を指紋センサに応用した場合、指の凹凸での光の吸収、散乱による2階調でよい。が、a−Siからなる半導体層34を有する撮像素子1は可視光に対する感度がきわめて良好なため、コントローラがドレインラインDL上のプリチャージ電圧の降下すなわち可視光の輝度(光量)を多階調で識別することができる。また、撮像素子1の画素(ダブルゲートトランジスタ10)毎に、例えば、デルタ配列などで色分けされたRGBのカラーフィルタを設け、上記の撮像装置をフルカラーの光センサに応用することもできる
【0126】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、撮像素子を形成した基板と同一の基板上に、この撮像素子を駆動するための回路も形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態にかかる撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1の撮像素子に使用されているダブルゲートトランジスタの構造を示す断面図である。
【図3】(a)〜(f)は、図1の撮像素子を構成するダブルゲートトランジスタの駆動原理を説明する模式図である。
【図4】(a)は、図1のトップゲートドライバ及びボトムゲートドライバの回路構成及び回路レイアウトを示す図、(b)は、これらに使用されているTFTの構造を示す断面図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態にかかる撮像装置の構造を示す斜視図である。
【図6】(a)〜(h)は、図1の撮像装置における撮像素子、トップゲートドライバ及びボトムゲートドライバの製造工程を模式的に示す図である。
【図7】図1の撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図8】(a)〜(i)は、図1の撮像装置の動作を説明する模式図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態の撮像装置に適用されるデータドライバの回路構成を示す図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態にかかる撮像装置の構造を示す斜視図である。
【図11】従来例にかかる撮像装置の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…撮像素子、2…トップゲートドライバ、3…ボトムゲートドライバ、4…ドレインドライバ、5…基板、10…ダブルゲートトランジスタ、11…ボトムゲート電極、12…ボトムゲート絶縁膜、13…半導体層、14…BL絶縁膜、15a、15b…コンタクト層、16a…ドレイン電極、16b…ソース電極、17…トップゲート絶縁膜、18…トップゲート電極、19…絶縁保護膜、21〜25…TFT、31…ゲート電極、32…ゲート絶縁膜、33…a−Si半導体層、34…BL絶縁膜、35a、35b…コンタクト層、36a…ドレイン電極、36b…ソース電極、37…層間絶縁膜、39…絶縁保護膜、40…外部接続端子、51〜5n…TFT、TGL…トップゲートライン、BGL…ボトムゲートライン、DL…ドレインライン、GL…グラウンドライン

Claims (9)

  1. 撮像素子と該撮像素子を駆動するための第1、第2の駆動回路を備える撮像装置を製造する方法であって、
    前記撮像素子は、光の入射により内部にキャリアを蓄積すると共に電界に従ってチャネルを形成する半導体層と、前記半導体層に電界を生じさせるための電圧が印加される第1、第2ゲート電極と、前記半導体層に接続されたドレイン電極及びソース電極とを含むダブルゲートトランジスタを配置して構成され、
    前記第1、第2の駆動回路は、それぞれ電界に従ってチャネルを形成する半導体層と、前記半導体層に電界を生じさせるための電圧が印加されるゲート電極と、前記半導体層に接続されたドレイン電極及びソース電極とを含むトランジスタの組み合わせによって構成され、外部からの制御信号に従ってそれぞれ前記ダブルゲートトランジスタの第1、第2ゲート電極に電圧を供給し、
    前記撮像装置の製造方法は、
    基板上に、前記ダブルゲートトランジスタの第1ゲート電極と、前記トランジスタのゲート電極とを形成する工程と、
    形成された第1ゲート電極とゲート電極とを覆うように、前記基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、
    第1絶縁膜上の第1ゲート電極と対向する位置に前記ダブルゲートトランジスタの半導体層を、第1絶縁膜上のゲート電極と対向する位置に前記トランジスタの半導体層をそれぞれ形成する工程と、
    前記ダブルゲートトランジスタの半導体層に接続するように第1絶縁膜上に前記ダブルゲートトランジスタのドレイン電極及びソース電極を形成すると共に、前記トランジスタの半導体層に接続するように第1絶縁膜上に前記トランジスタのドレイン電極及びソース電極を形成する工程と、
    形成された前記ダブルゲートトランジスタ及び前記トランジスタの半導体層、ドレイン電極及びソース電極を覆うように、第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、
    第2絶縁膜上の前記ダブルゲートトランジスタの半導体層と対向する位置に第2ゲート電極を形成する工程と
    を含むことを特徴とする撮像装置の製造方法。
  2. 請求項1記載の撮像装置の製造方法によって製造されることを特徴とする撮像装置。
  3. 前記撮像素子は、行毎に前記第1のゲート電極を接続した第1ゲートラインと、行毎に前記第2のゲート電極を接続した第2ゲートラインと、を備え、
    前記第1、第2の駆動回路は、それぞれ前記第1、第2ゲートラインと同数の段から構成され、それぞれ順次所定の電圧を前記第1、第2ゲートラインに出力することによって、前記撮像素子の前記第1、第2のゲート電極に第1の状態の電圧と第2の状態の電圧とを順次印加する
    ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
  4. 前記ダブルゲートトランジスタの前記第1または第2のゲート電極を除いた構造を有するトランジスタの組み合わせによって構成され、前記ダブルゲートトランジスタの前記ドレイン電極と前記ソース電極との間が導通したことによって変化した前記撮像素子のデータライン上の電位を読み取る、前記撮像素子と同一の基板上に形成された第3の駆動回路をさらに備える
    ことを特徴とする請求項2又は3に記載の撮像装置。
  5. 前記第3の駆動回路は、前記撮像素子に形成されたデータラインにドレイン電極またはソース電極が接続され、外部からゲート電極に供給された制御信号によってグループ単位でドレイン電極とソース電極との間を導通させる複数のトランジスタから構成される
    ことを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
  6. 前記撮像素子と同一の基板上に形成され、前記撮像素子の列毎に形成されたデータラインをそれぞれドレインドライバと接続する外部接続端子をさらに備える
    ことを特徴とする請求項2又は3のいずれか1項に記載の撮像装置。
  7. 前記撮像素子に配されたダブルゲートトランジスタは、前記第1、第2のゲート電極の少なくとも一方が透明電極によって構成され、該透明電極を介して前記ダブルゲートトランジスタの半導体層にキャリアを蓄積するための光が入射する
    ことを特徴とする請求項乃至のいずれか1項に記載の撮像装置。
  8. 撮像素子と該撮像素子を駆動するための第1、第2の駆動回路を備える撮像装置を製造する方法であって、
    前記撮像素子は、光の入射により内部にキャリアを蓄積すると共に電界に従ってチャネルを形成する半導体層と、前記半導体層に電界を生じさせるための電圧が印加される第1、第2ゲート電極と、前記半導体層に接続されたドレイン電極及びソース電極とを含むダブルゲートトランジスタを配置して構成され、
    前記第1、第2の駆動回路は、それぞれ電界に従ってチャネルを形成する半導体層と、前記半導体層に電界を生じさせるための電圧が印加されるゲート電極と、前記半導体層に接続されたドレイン電極及びソース電極とを含むトランジスタの組み合わせによって構成され、外部からの制御信号に従ってそれぞれ前記ダブルゲートトランジスタの第1、第2ゲート電極に電圧を供給し、
    前記撮像装置の製造方法は、
    基板上に、前記ダブルゲートトランジスタの第1ゲート電極を形成する工程と、
    形成された第1ゲート電極を覆うように、前記基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、
    第1絶縁膜上の第1ゲート電極と対向する位置に前記ダブルゲートトランジスタの半導体層を形成すると共に、前記トランジスタの半導体層を形成する工程と、
    前記ダブルゲートトランジスタの半導体層に接続するように第1絶縁膜上に前記ダブルゲートトランジスタのドレイン電極及びソース電極を形成すると共に、前記トランジスタの半導体層に接続するように第1絶縁膜上に前記トランジスタのドレイン電極及びソース電極を形成する工程と、
    形成された前記ダブルゲートトランジスタ及び前記トランジスタの半導体層、ドレイン電極及びソース電極を覆うように、第1絶縁膜上に第2絶縁膜を形成する工程と、
    第2絶縁膜上の前記ダブルゲートトランジスタの半導体層と対向する位置に第2ゲート電極を、第2絶縁膜上の前記トランジスタの半導体層と対向する位置にゲート電極をそれぞれ形成する工程と
    を含むことを特徴とする撮像装置の製造方法。
  9. 請求項8記載の撮像装置の製造方法によって製造されることを特徴とする撮像装置。
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