JP4009759B2 - 画像処理装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
以下、各構成について、簡単に説明する。
従来技術における画像読取装置は、例えば、図22(a)に示すように、読取画素(フォトセンサ等)RDをマトリクス状に配列した画素アレイ110Pを備え、読取画素RDにおけるリセット動作や画像読取動作の際に、各行の読取画素RDを順次駆動状態にするための走査ドライバ120P、130Pや、各読取画素RDにより読み取られた電気信号を読み出すためのデータドライバ140P等が、画素アレイ110Pの周辺領域に設けられた構成を有している。なお、図22(a)においては、走査ドライバとして、画素アレイ110Pを挟んで対向する領域に一対設けられた構成を示したが、いずれか一方のみに走査ドライバが設けられているものであってもよい。また、走査ドライバを一対備えた画像読取装置については、詳しく後述する。
このような画像読取装置におけるドライバチップの実装構造については、例えば、特許文献1等に詳しく記載されている。
従来技術における画像表示装置は、例えば、図23(a)に示すように、表示画素(液晶画素等)EMをマトリクス状に配列した画素アレイ210Pを備え、表示画素EMにおける画像表示動作の際に、各行の表示画素EMを順次選択状態にするための走査ドライバ220Pや、各表示画素EMに表示する表示データの階調信号を生成、出力するためのデータドライバ230P、走査ドライバ220Pやデータドライバ230Pにおける動作状態を制御して画素アレイ210Pに所望の画像情報を表示させるためのシステムコントローラ240P等が、画素アレイ210Pの周辺領域に設けられた構成を有している。
このような画像表示装置におけるドライバチップの実装構造については、例えば、特許文献2等に詳しく記載されている。
すなわち、図22に示したような画像読取装置を指紋読取装置として適用した場合、画素アレイ110Pの撮像エリアARPに被写体である指が直接載置されることになるが、このとき、図24に示すように、指の載置面(画素アレイ110Pの上面)よりもドライバチップ(ここでは、走査ドライバ120P、130P)の上端部や、該ドライバチップを保護するための保護ケースCASが突出することになるため、図中、POT1、POT2に示すように、ドライバチップ又は保護ケースCASに指FGが当接してしまい、画素アレイ110Pの撮像エリアARPに指FGを良好に密着させて載置することができなくなるという問題を有している。そのため、適切な指紋読取動作が実行されず、指紋認証処理の誤動作等の不具合が生じる可能性があった。
請求項4記載の発明は、請求項1又は3記載の画像処理装置において、前記画素アレイと前記ドライバ回路との間に配線接続領域を有し、前記画素と前記ドライバ回路とを接続する層間配線のうち、特定の層間配線を共用した構成を有していることを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の画像処理装置路において、前記出力回路部は、前記薄膜トランジスタとして前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタのみを有して構成され、前記駆動制御信号を前記画素に印加するための信号線に直接接続される回路部分を有することを特徴とする。
請求項7記載の発明は、請求項5記載の画像処理装置において、前記画素は、前記駆動制御信号に基づいて、所定の輝度階調を表示する表示画素であることを特徴とする。
また、上記画素は、アモルファスシリコンからなる半導体層を用いた薄膜トランジスタ構造を有し、例えば、読取画素として、アモルファスシリコンからなる半導体層の上方に第1のゲート電極(トップゲート電極)が、また、同下方に第2のゲート電極(ボトムゲート電極)が設けられた、いわゆる、ダブルゲート型の薄膜トランジスタ構造を有するフォトセンサ(ダブルゲート型フォトセンサ)を適用することができる。
この場合、単一の絶縁性基板上に画素アレイ及び周辺回路が一体的に形成された状態で、機能検査を実行することができるので、当該検査の精度や信頼性を向上させることができる。
まず、本発明に係る画像処理装置として画像読取装置を示して、その全体構成について説明する。
図1は、本発明に係る画像処理装置(画像読取装置)の一実施形態を示す概略構成図である。ここで、上述した従来技術(図22参照)と同等の構成については、同一又は同等の符号を付して説明する。
なお、フォトセンサアレイ110において、114は、各フォトセンサPSのドレイン端子Dを所定の低電位電圧(例えば、接地電位)Vssに共通に接続するドレインライン(コモンライン)である。
(フォトセンサ)
図2は、本実施形態に係るフォトセンサアレイに適用可能なフォトセンサの素子構造を示す概略断面図である。
上述したフォトセンサアレイ110に適用可能なフォトセンサPSは、具体的には、図2に示すように、概略、励起光(ここでは、可視光)の入射により電子−正孔対が生成されるアモルファスシリコンからなる半導体層(チャネル領域)11と、半導体層11の両端に、各々n+シリコンからなる不純物層(オーミックコンタクト層)17、18を介して形成され、クロム、クロム合金、アルミ、アルミ合金等から選択された導電性材料からなり、可視光に対して不透明なソース電極12(ソース端子S)及びドレイン電極13(ドレイン端子D)と、半導体層11の上方(図面上方)にブロック絶縁膜(ストッパ膜)14及び上部ゲート絶縁膜15を介して形成され、酸化スズ膜やITO膜(インジウム−スズ酸化膜)等の透明電極層からなり、可視光に対して透過性を示すトップゲート電極TGx(第1のゲート電極;トップゲート端子TG)と、半導体層11の下方(図面下方)に下部ゲート絶縁膜16を介して形成され、クロム、クロム合金、アルミ、アルミ合金等から選択された導電性材料からなり、可視光に対して不透明なボトムゲート電極BGx(第2のゲート電極;ボトムゲート端子BG)と、を有して構成されている。
上述したフォトセンサアレイ110は、このようなフォトセンサPSを透明な基板SUB上に二次元配列することにより構成されている。
図3は、上述したフォトセンサアレイにおける基本的な駆動制御方法を示すタイミングチャートである。ここでは、フォトセンサアレイの駆動制御方法として、指紋を読み取る場合について説明する。また、図4は、本実施形態に係る画像読取装置を指紋読取装置に適用した場合の要部断面図である。ここで、図4においては、図示の都合上、フォトセンサアレイの断面部分を表すハッチングの一部を省略する。
図3に示すように、まず、リセット期間Trstにおいては、トップゲートドライバ120Aによりトップゲートライン111を介して、i行目のフォトセンサPSのトップゲート端子TGにリセットパルス(例えば、トップゲート電圧(=リセットパルス電圧)Vtg=+15Vのハイレベル)φTiを印加して、半導体層11に蓄積されているキャリヤ(ここでは、正孔)を放出するリセット動作(初期化動作)を実行する。
ここで、電荷蓄積期間Taにおいては、図4に示すように、図2に示したフォトセンサPSが形成された透明な絶縁性基板SUBの下方に設けられたバックライト(光源)BLから、検知面(フォトセンサアレイ110の上面)DTCに密着して載置された被写体(例えば、指)FGに対して照射光Laが照射され、その反射光Lbが透明電極層からなるトップゲート電極TGxを通過して半導体層11に入射する。これにより、電荷蓄積期間Ta中に半導体層11に入射した光量に応じて、半導体層11の入射有効領域(キャリヤ発生領域)で電子−正孔対が生成され、半導体層11とブロック絶縁膜14との界面近傍(チャネル領域周辺)に正孔が蓄積される。
次いで、読み出し期間Treadにおいては、上記プリチャージ期間Tprchを経過した後、ボトムゲートドライバ130によりボトムゲートライン112を介して、ボトムゲート端子BGに読み出しパルス(例えば、ボトムゲート電圧(=読み出しパルス電圧)Vbg=+10Vのハイレベル)φBiを印加することにより、電荷蓄積期間Taにチャネル領域に蓄積されたキャリヤ(正孔)に応じたソースライン電圧VD(データ電圧Vrd;電圧信号)をソースドライバ140により読み出す読み出し動作が実行される。
なお、本実施形態においては、上記画像読取装置に適用されるフォトセンサアレイとして、ダブルゲート型の薄膜トランジスタ構造を有するフォトセンサを備えた構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、周知のフォトトランジスタやフォトダイオード等を二次元配列したフォトセンサアレイを適用するものであってもよい。
図5は、本実施形態に係る画像読取装置に適用可能なトップゲートドライバの一構成例を示す概略ブロック図であり、図6は、本実施形態に係る画像読取装置に適用可能なボトムゲートドライバの一構成例を示す概略ブロック図である。
図7は、本実施形態に係るトップゲートドライバ又はボトムゲートドライバに適用可能なシフトレジスタ回路部の具体例を示す回路構成図であり、図8は、本実施形態に係るトップゲートドライバに適用可能な出力バッファ部及びレベルシフト回路部の具体例を示す回路構成図である。また、図9は、本実施形態に係るトップゲートドライバ又はボトムゲートドライバを構成する各回路部に適用される論理素子の回路構成を示す図である。
図10は、本実施形態に係るトップゲートドライバに適用可能なレベルシフト回路部の各端子及び接点における信号電圧の変化を示すシミュレーション結果である。ここで、上述したトップゲートドライバ120においては、図10に示すように、少なくとも、レベルシフト回路部123(123i)に供給される電源電圧として、高電位電圧Vapdが+15V、低電位電圧Vapsが−18Vに設定され、出力バッファ部122(122i)により0〜15Vの電圧振幅(第1の電圧振幅)を有する増幅信号AMS、AMSbを、上記レベルシフト回路部123(123i)により、−15〜+15Vの電圧振幅(第2の電圧振幅)を有する信号に変換して走査信号(リセットパルス)φTiとしてi行目のトップゲートライン111に出力する場合について説明する。また、ボトムゲートドライバ130においては、図6に示すように、出力バッファ部132により生成された0〜15Vの電圧振幅を有する増幅信号を、レベルシフト回路を用いることなく、走査信号(読み出しパルス)φBiとしてi行目のボトムゲートライン112にそのまま出力する場合について説明する。
図11は、本実施形態に係る画像読取装置に適用可能なソースドライバの一構成例を示す概略ブロック図であり、図12は、本構成例に係るソースドライバに適用可能なシフトレジスタ回路部の一例を示す回路構成図であり、図13は、本構成例に係るソースドライバに適用可能なプリチャージ回路部、サンプリング回路部、ソースフォロワ回路部及びパラレル−シリアル変換回路部の具体例を示す回路構成図である。
ここで、ラッチ回路群LCA及び出力論理回路群NANDAは、各々、上述したトップゲートドライバ120又はボトムゲートドライバ130に適用可能なシフトレジスタ回路部121、131を構成するラッチ回路群LC及び出力論理回路群NANDと同等の構成(図7、図9参照)を有しているので、具体的な回路構成についての説明を省略する。
次いで、本実施形態に係る画像読取装置(特に、ドライバ回路)の素子構造及びその製造方法について、図面を参照して説明する。
(第1の素子構造)
図14は、本実施形態に係る画像読取装置の素子構造の第1の例を示す概略断面図である。ここで、上述したフォトセンサ(図2参照)と同等の構成については、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略化又は省略する。なお、図14では、説明の簡略化のため、フォトセンサ及び電界効果型トランジスタ(薄膜トランジスタ)を各々1乃至数個のみ図示し、また、これら相互を接続する配線層や、装置外部と接続するための引き出し配線等については図示を省略した。
また、上述した絶縁膜(絶縁層)31〜38は、各々窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等の透光性を有する透明な絶縁膜により形成されている。また、最上層の絶縁膜38は、上述した保護絶縁膜19(図2参照)に相当し、フォトセンサアレイ110の所定の領域においては、この絶縁膜38の上面である検知面DTCに被写体が載置される。
次いで、上述したような素子構造を有する画像読取装置の製造方法について、図面を参照して説明する。
図15、図16、図17は、本素子構造に係る画像読取装置の製造方法を示すプロセス断面図である。なお、以下の説明において、「第1の工程」乃至「第11の工程」の表記は、説明の都合上、便宜的に用いたものであって、その間に任意の付加工程があってもよく、また、置換可能な他の工程に変更してもよいものであって、実際の製造プロセスに直接関連付けられたものではない。また、ここでは、上述した素子構造(図14(a)、(b))のうち、図14(b)に示した素子構造(ボトムゲートドライバ130、ソースドライバ140)については、図14(a)に示した素子構造と共通である(包含される)ので、その説明を省略する。
ここで、この第3の工程において形成されるp+シリコン層22pa、n−シリコン層23na及びn+シリコン層22naの形成順序は特に制約されるものではなく、任意の順序を設定して形成するものであってもよい。
これにより、少なくとも、トップゲートドライバ120のレベルシフト回路部123を構成する複数の電界効果型トランジスタ(アモルファスシリコン薄膜トランジスタ)FETxが形成される。
これにより、少なくとも、フォトセンサアレイ110を構成する複数のフォトセンサ(ダブルゲート型フォトセンサ)PSが形成される。
そして、基板SUBの一面側全域に、プラズマCVD法等を用いて、窒化シリコンからなる絶縁膜(保護絶縁膜)38を積層形成することにより、図14(a)、(b)に示したような、フォトセンサアレイ110及びドライバ群の最上面が平坦化された素子構造を有する画像読取装置が完成する。
次いで、本実施形態に係る画像読取装置の素子構造及びその製造方法の第2の例について、図面を参照して説明する。
図18は、本実施形態に係る画像読取装置の素子構造の第2の例を示す概略断面図である。ここで、上述した第1の素子構造(図14参照)と同等の構成については、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略化又は省略する。なお、図18では、説明の簡略化のため、フォトセンサ及び電界効果型トランジスタを各々1乃至数個のみを図示する。
次いで、上述したような素子構造を有する画像読取装置の製造方法について、図面を参照して説明する。
図19、図20は、本素子構造に係る画像読取装置の製造方法を示すプロセス断面図である。なお、上述した第1の製造方法と同等の工程については、その説明を簡略化又は省略する。また、以下の説明において、「第1の工程」乃至「第9の工程」の表記は、説明の都合上、便宜的に用いたものであって、その間に任意の付加工程があってもよく、また、置換可能な他の工程と変更してもよいものであって、実際の製造プロセスに関連付けられたものではない。また、ここでは、上述した素子構造(図18(a)、(b))のうち、図18(b)に示した素子構造(ボトムゲートドライバ130、ソースドライバ140)については、図18(a)に示した素子構造と共通である(包含される)ので、その説明を省略する。
そして、電界効果型トランジスタFETp、FETnの各々の形成領域に対応する半導体層21p及びp+シリコンからなる不純物層22p、並びに、半導体層21n及びn−シリコンからなる不純物層23n、n+シリコンからなる不純物層22nのみを残すようにパターニング(エッチング)する。
これにより、少なくとも、トップゲートドライバ120のレベルシフト回路部123を構成する複数の電界効果型トランジスタ(アモルファスシリコン薄膜トランジスタ)FETxが形成される。
これにより、少なくとも、フォトセンサアレイ110を構成する複数のフォトセンサ(ダブルゲート型フォトセンサ)PSが形成される。
その後、基板SUBの一面側全域に、絶縁膜(保護絶縁膜)47を積層形成することにより、図18(a)、(b)に示した素子構造を有する画像読取装置が完成する。
上述した第1及び第2の素子構造においては、図示を省略したが、図1に示したように、フォトセンサアレイ110(フォトセンサPS群)とドライバ群(トップゲートドライバ120、ボトムゲートドライバ130、ソースドライバ140)とは、各々、トップゲートライン111やボトムゲートライン112、ソースライン113を介して相互に接続された構成を有し、また、図7〜図9、図12、図13に示したように、各ドライバごとに電界効果型トランジスタFETp、FETn、FETxが内部配線により相互に接続された構成を有している。
FETp、FETn、FETx 電界効果型トランジスタ
Gp、Gn、Gx ゲート電極
BGx ボトムゲート電極
TGx トップゲート電極
11、51 半導体層
100 画像読取装置
110 フォトセンサアレイ
120 トップゲートドライバ
121 シフトレジスタ回路部
122 出力バッファ部
123 レベルシフト回路部
130 ボトムゲートドライバ
140 ソースドライバ
Claims (14)
- 画素アレイに2次元配列された複数の画素の各々を、所望の駆動状態で動作させるドライバ回路を有する画像処理装置において、
少なくとも、前記ドライバ回路は、ポリシリコンからなる第1の半導体層を用いたポリシリコン薄膜トランジスタ、及び、アモルファスシリコンからなる第2の半導体層を用いたアモルファスシリコン薄膜トランジスタを含む複数の薄膜トランジスタを有して構成され、前記薄膜トランジスタとして前記ポリシリコン薄膜トランジスタのみを有して構成される回路部分と前記薄膜トランジスタとして前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタのみを有して構成される回路部分とを有して単一の絶縁性の基板上に前記画素と一体的に形成され、前記ドライバ回路における前記第2の半導体層は、前記基板を基準にして、前記第1の半導体層よりも上層側に設けられていることを特徴とする画像処理装置。 - 前記ドライバ回路を構成する、前記ポリシリコン薄膜トランジスタ、及び、前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタは、各々複数の導電層を有し、
前記ポリシリコン薄膜トランジスタの少なくとも1つの導電層は、前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタの何れか1つの導電層と共通の電極形成層に設けられていることを特徴とする請求項1記載の画像処理装置。 - 前記複数の画素の各々は、前記第2の半導体層を用いた薄膜トランジスタ構造を有していることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
- 前記画素アレイと前記ドライバ回路との間に配線接続領域を有し、
前記画素と前記ドライバ回路とを接続する層間配線のうち、特定の層間配線を共用した構成を有していることを特徴とする請求項1又は3記載の画像処理装置。 - 前記ドライバ回路は、少なくとも、
前記画素に所定の信号レベルを有する駆動制御信号を生成して出力する出力回路部を備え、
前記出力回路部は、前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタを含んで構成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の画像処理装置。 - 前記出力回路部は、前記薄膜トランジスタとして前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタのみを有して構成され、前記駆動制御信号を前記画素に印加するための信号線に直接接続される回路部分を有することを特徴とする請求項5記載の画像処理装置。
- 前記画素は、前記駆動制御信号に基づいて、所定の輝度階調を表示する表示画素であることを特徴とする請求項5記載の画像処理装置。
- 前記出力回路部は、少なくとも、
第1の電圧振幅を有する第1の入力信号、及び、前記第1の入力信号の反転信号となる第2の入力信号が個別に入力され、前記第1の入力信号の反転信号となる第3の入力信号を生成する入力段のインバータ回路と、
前記第1の入力信号に基づく信号電圧、及び、前記第3の入力信号が個別に入力され、前記第1の電圧振幅よりも大きい第2の電圧振幅を有する出力信号を生成する出力段のインバータ回路と、
前記第1の入力信号及び前記出力信号の電位差を電圧成分として保持し、前記出力段のインバータ回路に入力される前記信号電圧を昇圧するブートストラップ回路部と、
を有し、
前記入力段及び前記出力段のインバータ回路、並びに、前記ブートストラップ回路部は、前記薄膜トランジスタとして、単一のチャネル極性を有する前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタのみを有して構成されていることを特徴とする請求項5に記載の画像処理装置。 - 前記複数の画素の各々は、前記第2の半導体層により構成されるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、を備えたダブルゲート型の薄膜トランジスタ構造を有するフォトセンサであることを特徴とする請求項5記載の画像処理装置。
- 前記ドライバ回路は、前記画素の前記第1のゲート電極に、前記第1のゲート電極に印加して前記フォトセンサを初期化するリセットパルスを出力する第1の走査駆動手段と、前記画素の前記第2のゲート電極に、電荷蓄積期間に前記チャネル領域に入射した光の量に応じて蓄積された電荷の量に対応する電圧信号を出力する読み出しパルスを出力する第2の走査駆動手段と、を備え、
前記第1の走査駆動手段は、前記出力回路部のうち、少なくとも前記第1のゲート電極に直接接続される回路部分が、前記薄膜トランジスタとして前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタのみを有して構成されるとともに、前記出力回路部以外が、前記薄膜トランジスタとして前記ポリシリコン薄膜トランジスタのみを有して構成され、
前記第2の走査駆動手段は、前記薄膜トランジスタとして前記ポリシリコン薄膜トランジスタのみを有して構成されていることを特徴とする請求項9記載の画像処理装置。 - 複数の画素が2次元配列された画素アレイとともに、単一の絶縁性の基板上に設けられ、前記複数の画素の各々を、所望の駆動状態で動作させるドライバ回路を有する画像処理装置の製造方法において、
前記ドライバ回路は、ポリシリコンからなる第1の半導体層を用いたポリシリコン薄膜トランジスタ及びアモルファスシリコンからなる第2の半導体層を用いたアモルファスシリコン薄膜トランジスタを含んで構成され、前記複数の画素の各々は、前記第2の半導体層を用いた薄膜トランジスタ構造を有して構成され、
少なくとも、前記基板上に、
ポリシリコンからなる第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層を用いて、前記ドライバ回路に適用される前記ポリシリコン薄膜トランジスタを形成する工程と、
前記第1の半導体層よりも上層側に、アモルファスシリコンからなる第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層を用いて、前記ドライバ回路に適用される前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタ、及び、前記画素に適用される薄膜トランジスタ構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とする画像処理装置の製造方法。 - 前記第1の半導体層を形成する工程は、第1の温度条件の下で施され、前記第2の半導体層を形成する工程は、最高温度が前記第1の温度条件よりも低い第2の温度条件の下で施されることを特徴とする請求項11記載の画像処理装置の製造方法。
- 前記ドライバ回路に適用される前記ポリシリコン薄膜トランジスタを形成する工程、及び、前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタを形成する工程は、各々、複数の導電層を形成する工程を含み、
前記複数の導電層を形成する工程は、前記ポリシリコン薄膜トランジスタの少なくとも何れか1つの導電層と、前記アモルファスシリコン薄膜トランジスタの少なくとも何れか1つの導電層とを、共通の電極形成層として同時に形成する工程を含むことを特徴とする請求項11記載の画像処理装置の製造方法。 - 前記複数の画素の各々は、前記第2の半導体層により構成されるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第2の半導体層の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、を備えたダブルゲート型の薄膜トランジスタ構造を有し、
前記導電層を共通の電極形成層として同時に形成する工程は、さらに、前記第2のゲート電極を、前記ポリシリコン薄膜トランジスタのゲート電極と、共通の電極形成層に同時に形成する工程を含むことを特徴とする請求項13記載の画像処理装置の製造方法。
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