CN102222675B - 检测装置、制造该检测装置的方法和检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及检测装置、制造该检测装置的方法和检测系统。提供了一种检测装置，其包括：衬底；开关元件，布置在衬底上方并且包括多个电极；导电线，布置在衬底上方并且与开关元件的多个电极中的第一电极电连接；和转换元件，包括布置在开关元件和导电线上方并且布置在两个电极之间的半导体层，所述两个电极中的一个电极与开关元件的多个电极中的第二电极电连接。所述转换元件的所述一个电极通过在所述一个电极和开关元件的第一电极之间或在所述一个电极和导电线之间形成的空间而被布置在开关元件和导电线上方。
Description
技术领域
本发明涉及检测装置、制造该检测装置的方法和检测系统。
背景技术
传统上，已经使用了平板检测器，在该平板检测器中充当转换元件的光电二极管和充当开关元件的TFT被形成在同一层上。然而，此布置已经达到了开口率增大的限度。关于此问题，美国专利申请公开No.2003/0226974已经提出了一种通过将每个光电二极管的下电极与相应的TFT的两个主电极中的一个主电极电连接并且将光电二极管和TFT彼此堆叠来增大开口率的技术。当每个光电二极管和相应的TFT彼此堆叠时，在光电二极管的下电极和与TFT的两个主电极中的另一个主电极电连接的信号线之间产生寄生电容。在光电二极管的下电极和TFT的两个主电极中的另一个主电极之间也产生寄生电容。此外，在光电二极管的下电极和TFT的控制电极之间以及在光电二极管的下电极和与TFT的控制电极电连接的控制线之间产生寄生电容。这增大了与控制电极、控制线、TFT的两个主电极中的另一个主电极、和信号线有关的时间常数，导致影响经由信号线对电信号的读取。关于此问题，美国专利申请公开No.2003/0226974已经提出了对于每个光电二极管和相应的开关TFT之间的层间绝缘层使用具有低介电常数的苯并环丁烯。
发明内容
当光电二极管和TFT彼此堆叠时，考虑到工艺容易性以及层间绝缘层上的应力，优选的是减小光电二极管和TFT之间的间隔。然而，当光电二极管和TFT之间的间隔减小时，上述寄生电容的影响增大。为此，期望进一步减小光电二极管和TFT之间的介电常数。因此，根据本发明的一方面，在衬底和转换元件之间包括开关元件和导电线的检测装置中，减小了在转换元件和开关元件或导电线之间产生的寄生电容。
本发明在它的第一方面中提供了一种检测装置，其包括：衬底；开关元件，布置在衬底上方并且包括多个电极；导电线，布置在衬底上方并且与开关元件的多个电极中的第一电极电连接；和转换元件，包括布置在开关元件和导电线上方并且布置在两个电极之间的半导体层，该两个电极中的一个电极与开关元件的多个电极中的第二电极电连接，第二电极不同于第一电极，其中转换元件的该一个电极通过在该一个电极和开关元件的第一电极之间或在该一个电极和导电线之间形成的空间而被布置在开关元件和导电线上方。
本发明在它的第二方面中提供一种检测系统，其包括：上述的检测装置；以及信号处理单元，被配置为处理由该检测装置获得的信号。
本发明在它的第三方面中提供一种制造检测装置的方法，该方法包括：形成覆盖布置在衬底上方的开关元件和导电线的膜，其中开关元件包括多个电极，并且导电线与多个电极中的第一电极电连接；经由该膜在开关元件和导电线上方形成转换元件，其中转换元件包括在两个电极之间的半导体层，并且该两个电极中的一个电极与开关元件的多个电极中的第二电极电连接，第二电极不同于第一电极；以及通过除去该膜的至少一部分来在转换元件的该一个电极和开关元件的第一电极之间或在转换元件的该一个电极和导电线之间形成空间。
通过以下(参考附图)对示例性实施例的描述，本发明的更多特征将变得明显。
附图描述
图1A～1E是说明根据第一实施例的检测装置100的示例性布置的视图；
图2A～2C是说明制造根据第一实施例的检测装置100的示例性方法的视图；
图3A和图3B是说明根据第一实施例的检测装置100的变型的视图；
图4是说明根据第一实施例的检测装置100的变型的视图；
图5是说明根据第一实施例的检测装置100的变型的视图；
图6是说明根据第二实施例的检测装置600的布置的示例的视图；
图7A～7C是说明根据第三实施例的检测装置700的示例性布置的视图；
图8A和图8B是说明根据第四实施例的检测装置800的示例性布置的视图；
图9是说明根据第五实施例的检测装置900的示例性布置的视图；和
图10是说明使用根据每个实施例的检测装置的示例性检测系统的视图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。
<第一实施例>
此实施例举例说明了本发明被应用于使用PIN型光电二极管的光电转换元件的情况。将参考图1A～1E描述根据本实施例的检测装置100的布置的示例。图1A是包括多个像素的检测装置100的平面图，其中关注一个像素。图1B是沿着线A-A获得的像素的示意性截面图。图1C是沿着线B-B获得的示意性截面图。图1D是沿着线C-C获得的像素的示意性截面图。图1E是沿着线D-D获得的示意性截面图。为了可视性起见，图1A仅仅示出了部分组件。
检测装置100包括作为开关元件的晶体管109以及作为转换元件的光电转换元件117。形成在衬底101上方的每个晶体管109被布置在相应的光电转换元件117和衬底101之间。晶体管109包括栅极电极(控制电极)102、栅极绝缘膜104、第一半导体层105、源极电极(主电极中的一个)106和漏极电极(主电极中的另一个)107。光电转换元件117包括下电极(一个电极)114、PIN型第二半导体层115、和上电极(另一个电极)116。下电极114与源极电极106电连接。栅极电极102与栅极线(控制线)103电连接。漏极电极107与信号线108电连接。上电极116还与偏置线(未示出)电连接。在第二半导体层115中，入射光被转换为电荷。当经由栅极线103将电压施加于栅极电极102时，经由晶体管109将与电荷对应的电信号输出到信号线108。晶体管109、栅极线103和信号线108位于它们与光电转换元件117重叠的位置处。也就是说，光电转换元件117位于衬底101上方并且被布置在栅极线103、信号线108和晶体管109上方。
第一保护膜110覆盖除与下电极114连接的部分之外的晶体管109。第二保护膜112的上表面与除与晶体管109连接的部分之外的光电转换元件117的下表面接触。第三保护膜118覆盖光电转换元件117的上表面和侧表面。第一保护膜110和第二保护膜112在下电极114和源极电极106之间的连接部分附近彼此接触。第二保护膜112和第三保护膜118在光电转换元件117的侧表面附近彼此接触。也就是说，第一保护膜110、第二保护膜112和第三保护膜118包围晶体管109和光电转换元件117。
在第一保护膜110和第二保护膜112之间形成空间(space)120。空间120通常由空气层形成，但是也可以混合有在制造检测装置100的过程中产生的气体或者可以是真空。利用此布置，在检测装置100中，空间120存在于下电极114和栅极线103之间以及下电极114和信号线108之间的间隔的至少一部分中。另外，空间120存在于下电极114和栅极电极102之间以及下电极114和漏极电极107之间的间隔的至少一部分中。也就是说，下电极114通过下电极114和漏极电极107或信号线108之间的空间120而被布置在晶体管109和信号线108上方。下电极114通过下电极114和栅极电极102或栅极线103之间的空间120而被布置在晶体管109和栅极线103上方。这使得可以减小下电极114和晶体管109的电极(图1A～1E中的栅极电极和漏极电极)之间以及下电极114和导电线(图1A～1E中的栅极线和信号线)之间的寄生电容。
接着将参考图2A～2C描述制造根据此实施例的检测装置100的方法的示例。尽管图2A～2C参考沿着图1A中的线A-A获得的示意性截面图来说明制造步骤，但是其它像素用相同的步骤制造。
首先，如图2A所示，金属薄膜被沉积在衬底101上，并且通过光刻方法等被图案化以形成栅极电极102和栅极线103。衬底101由例如玻璃形成，并且金属薄膜由例如Al形成。随后，通过等离子体CVD方法等将栅极绝缘膜104形成在栅极电极102上。栅极绝缘膜104由例如硅氮化物形成。随后，通过等离子体CVD方法等形成第一半导体层105以覆盖栅极电极102。第一半导体层105由例如非晶硅形成。然后金属薄膜被沉积在第一半导体层105上，并且通过光刻方法等被图案化以形成源极电极106、漏极电极107和信号线108。利用上述过程，形成晶体管109。
随后，通过等离子体CVD方法等将第一保护膜110沉积在源极电极106、漏极电极107和信号线108上。第一保护膜110由例如硅氮化物形成。第一保护膜110的厚度可以是例如300nm或以上。通过诸如喷涂或旋涂之类的涂敷将层间绝缘膜111形成在第一保护膜110上。利用此过程，形成层间绝缘膜111以覆盖栅极线103、信号线108和晶体管109。层间绝缘膜111由具有200℃或以上的耐热温度的有机树脂(诸如丙烯酸类树脂)形成。层间绝缘膜111的厚度可以是例如300nm或以上。层间绝缘膜111的厚度可以是例如10μm或以下、或者6μm或以下。随后，层间绝缘膜111被图案化以暴露源极电极106上的第一保护膜110的一部分。由于第一保护膜110和层间绝缘膜111由不同的材料形成，因此可以仅仅除去第一保护膜110上的层间绝缘膜111而不除去第一保护膜110。然后将第二保护膜112沉积在结果得到的结构上。第二保护膜112由例如硅氮化物形成。第二保护膜112的厚度可以是例如100nm或以上。结果，在源极电极106上方，第一保护膜110与第二保护膜112接触。随后，通过使第一保护膜110与第二保护膜112接触的区域121的一部分连续地图案化来暴露源极电极106的一部分。这形成接触孔113。由于第一保护膜110和第二保护膜112由相同的材料形成，因此可以使这些保护膜连续地图案化。执行此图案化以留下第一保护膜110与第二保护膜112接触的区域121的外周部分。这留下了第一保护膜110与第二保护膜112接触的区域121的在接触孔113附近的一部分。也就是说，层间绝缘膜111在接触孔113附近被包封(package)。
随后，如图2B所示，金属薄膜通过溅射方法等被沉积在第二保护膜112和接触孔113上，并且通过光刻方法等被图案化以形成下电极114。此图案化形成了对于检测装置100的每个像素分割开的下电极114。结果，第二保护膜112的一部分被暴露在一个像素的下电极114和相邻像素的下电极之间。随后，通过等离子体CVD方法等形成PIN型第二半导体层115以便安置(fit)于下电极114内侧。如果对于下电极114的台阶覆盖是良好的，则第二半导体层115可以从下电极114伸出。此外，金属薄膜通过溅射方法等被沉积在第二半导体层115上，并且被图案化以便安置于第二半导体层115内侧，从而形成上电极116。利用上述过程，形成光电转换元件117。随后，通过溅射方法等将第三保护膜118沉积在光电转换元件117上。第三保护膜118由例如硅氮化物形成。第三保护膜118的厚度可以是例如500nm或以上。结果，在相邻像素之间，第二保护膜112与第三保护膜118接触。也就是说，在此结构中，层间绝缘膜111在它们附近被包封。
如图2C所示，通过使第二保护膜112与第三保护膜118接触的区域122的一部分连续地图案化来暴露层间绝缘膜111。由于第二保护膜112和第三保护膜118由相同的材料形成，因此可以使这些保护膜连续地图案化。执行此图案化以留下第二保护膜112与第三保护膜118接触的区域122的外周部分。这留下第二保护膜112与第三保护膜118接触的区域122的在光电转换元件117的侧表面附近的一部分。随后，通过对暴露的层间绝缘膜111执行诸如干法刻蚀之类的各向同性刻蚀来除去层间绝缘膜111，由此形成空间120。利用上述过程，制造根据此实施例的检测装置100。对层间绝缘膜111的干法刻蚀使用例如O2。对每个保护膜的干法刻蚀使用例如基于氟的气体(诸如CF4+O2)。根据形成每个膜所需的刻蚀速率和在刻蚀后每个膜的必要形状来选择刻蚀气体。
根据此实施例的检测装置100，减小了在光电转换元件117和晶体管109之间产生的寄生电容。此外，减小了在光电转换元件117、栅极线和信号线之间产生的寄生电容。
根据此实施例的检测装置100可以具有以下布置。作为变型，将描述图3A和图3B所示的检测装置300以及图4所示的检测装置400。相同的附图标记表示与参考图1A～1E描述的检测装置100中相同的部分，并且将略去对它们的描述。
图3A和图3B所示的检测装置300没有完全除去层间绝缘膜111，而是留下它的一部分。参考图3A，当在下电极114和栅极线103之间以及下电极114和信号线108之间的间隔的至少一部分中形成空间120时，刻蚀结束。这使得可以减小栅极线103和信号线108的寄生电容并且使得留下而未被除去的层间绝缘膜111支撑光电转换元件117。参考图3B，当在下电极114和栅极线103之间、下电极114和TFT的沟道之间、以及下电极114和信号线108之间的间隔的至少一部分中形成空间120时，刻蚀结束。可以减小栅极线103、TFT的沟道和信号线108之间的寄生电容并且使得留下而未被除去的层间绝缘膜111支撑光电转换元件117。
检测装置400不使用第二保护膜112。也就是说，下电极114与空间120接触。这可以简化制造过程。在检测装置400中，下电极114可以由具有环境稳定性的材料形成。例如，下电极114由氧化铟锡(ITO)形成。此外，检测装置400也可以被配置为留下参考图3A或图3B描述的层间绝缘膜111的一部分。
像图5所示的检测装置500一样，每个实施例可以在每个像素的光电转换元件117上堆叠闪烁体(scintillator)层。例如，将掺杂Tl的CsI柱状晶体501沉积在光电转换元件117上。第四保护膜502覆盖柱状晶体501。
尽管上面已经描述了通过除去层间绝缘膜111形成空间120的方法，但是本发明不限于此。可以使用任何种类的膜，例如导电膜，只要它在形成光电转换元件117之后可以被有选择地除去即可。例如，可以在由第一保护膜110和第二保护膜112在接触孔113附近包封它的结构中使用导电膜。此外，可以除去栅极电极102、栅极线103、漏极电极107、信号线108和沟道中的每一个与下电极114之间的导电膜。相反，导电膜可以留在漏极电极和下电极114之间。考虑到工艺容易性以及整个装置中的寄生电容和应力，可以选择使用有机树脂的层间绝缘膜。
<第二实施例>
此实施例举例说明了本发明被应用于使用MIS型光电转换元件的光电转换元件的情况。将参考图6描述根据此实施例的检测装置600的布置的示例。图6与第一实施例中描述的图1B对应。相同的附图标记表示相同的部分，并且将略去对它们的描述。
MIS型光电转换元件604包括下电极601、绝缘层602和第二半导体层603。下电极601与源极电极106连接。经由晶体管109将由MIS型光电转换元件604转换后的电信号输出到信号线108。绝缘层602在第二半导体层603的侧表面附近与第三保护膜118接触。
此外，在此实施例中，空间120存在于下电极601和栅极线103之间以及下电极601和信号线108之间的间隔的至少一部分中。此外，空间120存在于下电极601和栅极电极102之间以及下电极601和漏极电极107之间的间隔的至少一部分中。这使得可以减小下电极601和晶体管109的电极之间以及下电极601和导电线之间的寄生电容。
此外，在第一实施例中描述的每个变型可以被应用于在第二实施例中描述的检测装置600。
<第三实施例>
将参考图7A～7C描述根据此实施例的检测装置700的布置的示例，检测装置700包括多个像素，每个像素包括作为光电转换元件的MIS型光电转换元件以及作为开关元件的晶体管。图7A～7C中的每个像素与第二实施例中描述的图6中的像素对应。相同的附图标记表示相同的部分，并且将略去对它们的描述。栅极线103和信号线108的布置与图1A中所示的相同。
图7A是此实施例的平面图。图7B是沿着图7A中的线E-E获得的截面图。图7C是沿着图7A中的线F-F获得的截面图。图7A示出3×3像素组作为多个像素的示例。注意，实际上，布置了许多像素，例如2000×2000个像素。
如图7A和图7B所示，每个像素的光电转换元件与其它像素部分地耦接，并且绝缘层602和半导体层603部分地延伸跨过多个像素。第三保护膜118覆盖所有的多个像素。根据此实施例的检测装置利用上述结构提高它的机械强度，从而提高可靠性。
此外，在此实施例中，空间120存在于下电极601和栅极线103之间以及下电极601和信号线108之间的间隔的至少一部分中。此外，空间120存在于下电极601和栅极电极102之间以及下电极601和漏极电极107之间的间隔的至少一部分中。这使得可以减小下电极601和晶体管109的电极之间以及下电极601和导电线之间的寄生电容。
此外，在第一实施例中描述的每个变型可以被应用于在此实施例中描述的检测装置700。
<第四实施例>
此实施例是根据第三实施例的检测装置的变型。下面将参考图8A和图8B描述根据此实施例的检测装置800的布置的示例，检测装置800包括多个像素，每个像素包括作为光电转换元件的MIS型光电转换元件以及作为开关元件的晶体管。图8A是沿着图7A中的线E-E获得的截面图。图8B是沿着图7A中的线G-G获得的截面图。
如图8A和图8B所示，信号线108被布置在光电转换元件和晶体管109之间的空间120中，并且具有与部分地从晶体管109延伸的导电部分801连接的支撑部分。空间120存在于下电极601、栅极线103和信号线108之间的间隔中的每个间隔的至少一部分中。此外，空间120存在于下电极601和栅极电极102之间以及下电极601和漏极电极107之间的间隔的至少一部分中。这使得可以减小下电极601和晶体管109的电极之间以及下电极601和导电线之间的寄生电容。这可以减小导电线(即栅极线103和信号线108)的寄生电容。
以下是在制造检测装置800的方法中将晶体管与光电转换元件连接的过程的描述，其不同于上述制造过程。在形成晶体管109之后，形成第一保护膜110，并且形成第一层间绝缘膜(未示出)。在第一保护膜110和第一层间绝缘膜中形成接触开口。形成用于连接信号线108、光电转换元件的下电极和晶体管109的导电部分。在第一层间绝缘膜和导电部分上形成第二层间绝缘膜(未示出)。在第二层间绝缘膜中形成接触开口。如图8A和图8B所示，此过程形成用于将晶体管与光电转换元件连接的两级接触部分。
此外，覆盖光电转换元件的第三保护膜118提高了可靠性。将第二保护膜112放置在下电极601的晶体管109侧可以进一步提高可靠性。可以使用MIS型或PIN型光电转换元件作为光电转换元件。
第一实施例中描述的每个变型可以被应用于在第四实施例中描述的检测装置800。
<第五实施例>
此实施例是被配置为使得每个光电转换元件在偏置线的放置方向上延伸以进一步提高机械强度并且减小偏置线的电阻的检测装置。
图9是检测装置900的平面图，检测装置900包括3×3像素组作为示例，其中每个光电转换元件在偏置线701的放置方向上延伸。在PIN型光电转换元件的情况下，半导体层和上电极116在偏置线701的放置方向上延伸。尽管未示出，但是第三保护膜118按类似方式延伸。
此结构可以通过耦接各个像素来提高机械强度并且减小每个偏置线的电阻。减小每个偏置线的电阻可以提高检测装置的驱动速度，从而提高图像质量。
在第一实施例中描述的每个变型可以被应用于在第五实施例中描述的检测装置900。
<其它实施例>
图10是示出根据本发明的用于放射线的检测装置被应用于X射线诊断系统(放射线检测系统)的示例的视图。作为由X射线管6050(放射线源)产生的放射线的X射线6060透过要被检查的对象或病人6061的胸部6062，并且到达通过在本发明的检测装置上放置包括柱状晶体501的闪烁体而获得的检测装置6040。在这种情况下，其上布置有闪烁体的检测转换装置形成用于放射线的检测装置。此入射的X射线包括病人6061的身体内部的信息。闪烁体响应于X射线的入射而发出光，并且对光进行光电转换，从而获得电信息。将此信息转换为数字信号。作为信号处理单元的图像处理器6070执行信息的图像处理。操作员可以在控制室中观察作为显示单元的显示器6080上的信息。注意，放射线检测系统至少包括检测装置和用于处理来自检测装置的信号的信号处理单元。
可以将此信息经由诸如电话线6090等之类的传输处理单元而传送到遥远的地方。在不同的地方中的医生室中充当显示单元的显示器6081可以显示该信息。可替换地，诸如光盘之类的记录单元可以存储该信息。这使得遥远的地方中的医生可以执行诊断。此外，作为记录单元的胶片(film)处理器6100可以将信息记录在作为记录介质的胶片6110上。
以上描述已经举例说明了使用光电转换元件作为转换元件的检测装置以及使用许多单元(每个单元包括作为转换元件的光电转换元件以及闪烁体)的用于放射线的检测装置。然而，本发明不限于此。用于放射线的检测装置可以使用将放射线直接转换成电荷的转换元件。将放射线直接转换成电荷的每个转换元件可以通过使用将入射的放射线转换成电荷的第二半导体层代替将入射光转换成电荷的第二半导体层115或第二半导体层603来形成。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应当被赋予最宽泛的解释，以便涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。
Claims (11)
1.一种检测装置，包括：
衬底；
开关元件，布置在所述衬底上方并且包括多个电极；
导电线，布置在所述衬底上方并且与所述开关元件的多个电极中的第一电极电连接；和
转换元件，包括两个电极、以及布置在所述两个电极之间且布置在所述开关元件和所述导电线上方的半导体层，所述两个电极中的一个电极与所述开关元件的多个电极中的第二电极电连接，第二电极不同于第一电极，
其中，所述转换元件的所述一个电极通过在所述一个电极和所述开关元件的第一电极之间或在所述一个电极和所述导电线之间形成的空间而被布置在所述开关元件和所述导电线上方，以及
其中所述空间是通过除去膜的布置在转换元件的所述一个电极与开关元件的第一电极之间或者在转换元件的所述一个电极与导电线之间的至少一部分而形成的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述空间是通过除去所述膜而形成的。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述膜包括层间绝缘膜。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括布置在所述空间和所述导电线之间的第一保护膜、布置在所述转换元件的所述一个电极和所述空间之间的第二保护膜、以及被布置为覆盖所述转换元件的上表面和侧表面的第三保护膜，
其中第二保护膜和第三保护膜在所述转换元件的侧表面附近彼此接触。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括布置在所述空间和所述导电线之间的第一保护膜，
其中所述转换元件的所述一个电极与所述空间接触，并且由ITO形成。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述转换元件包括PIN型或MIS型光电转换元件。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述转换元件包括布置在所述光电转换元件上方的闪烁体。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关元件包括晶体管，所述开关元件的第一电极包括控制电极，以及所述导电线包括控制线。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关元件包括晶体管，所述开关元件的第一电极包括所述晶体管的主电极之一，以及所述导电线包括信号线。
10.一种检测系统，包括：
根据权利要求1所述的检测装置；和
信号处理单元，被配置为处理由所述检测装置获得的信号。
11.一种制造检测装置的方法，所述方法包括：
形成覆盖布置在衬底上方的开关元件和导电线的膜，其中所述开关元件包括多个电极，并且所述导电线与所述多个电极中的第一电极电连接；
经由所述膜在所述开关元件和所述导电线上方形成转换元件的两个电极中的一个电极，其中所述转换元件包括所述两个电极之间的半导体层，所述一个电极与所述开关元件的多个电极中的第二电极电连接，第二电极不同于第一电极；和
通过除去所述膜的布置在转换元件的所述一个电极与开关元件的第一电极之间或者在转换元件的所述一个电极与导电线之间的至少一部分来在所述转换元件的所述一个电极和所述开关元件的第一电极之间或在所述转换元件的所述一个电极和所述导电线之间形成空间。
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