CN102593164B - 放射线摄像装置、放射线摄像显示系统以及晶体管 - Google Patents

放射线摄像装置、放射线摄像显示系统以及晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了能够抑制由于暴露于放射线下而导致的阈值电压的偏移的晶体管、放射线摄像装置和放射线摄像显示系统。所述晶体管包括在基板上依次设置的第一栅极电极、第一栅极绝缘体、半导体层、第二栅极绝缘体和第二栅极电极。所述第一栅极绝缘体和所述第二栅极绝缘体每一者均包括一层或多层含有氧的硅化合物膜，且所述硅化合物膜的厚度总和为65nm以下。所述放射线摄像装置包括像素部，所述像素部包括光电转换元件和上述晶体管。所述放射线摄像显示系统包括上述摄像装置和显示装置，所述摄像装置基于放射线来获取图像，所述显示装置显示由所述摄像装置获取的图像。本发明通过将所述硅化合物膜的厚度总和设定为65nm以下，能够抑制阈值电压的偏移。

Description

放射线摄像装置、放射线摄像显示系统以及晶体管
相关申请的交叉参考
本申请包含与2011年1月12日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2011-003742所公开的内容相关的主题，因此将该日本优先权申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及适合于例如医疗用和非破坏检查用的X射线照相术的放射线摄像装置以及放射线摄像显示系统，并且还涉及在这种放射线摄像装置中使用的晶体管。
背景技术
近年来，对于获取图像以作为电信号的技术(采用了光电转换的摄像技术)而言，已经成为主流的是使用电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice；CCD)图像传感器或者互补型金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor；CMOS)图像传感器的技术。这些图像传感器中的摄像区域受到晶体基板(硅晶片)的尺寸的限制。然而，特别是在使用X射线进行摄像的医学领域等领域中，期望增大摄像区域，并且对移动图像性能的需求也日益提高。
例如，对于人体用的胸部X射线机器而言，使用了下述的放射线摄像装置：这种装置不借助射线照相胶片(radiographicfilm)的媒介作用而是基于放射线来获得作为电信号的图像。这就是所谓的间接转换型放射线摄像装置，在这种装置中，在包含诸如光电二极管等光电转换元件和薄膜晶体管(TFT)的电路板上设置有波长转换层。利用这样的结构，进入到该装置中的放射线在波长转换层中被转换成可见光，并且该可见光被光电转换元件接收。通过包含TFT的上述电路来进行对光电转换元件的读取，并且由此获得电信号。
此外，除了如上所述的使用了波长转换层的间接转换型放射线摄像装置之外，还有一种所谓的直接转换型放射线摄像装置，这种装置设有直接将放射线转换成电信号的功能层(例如，由a-Se或Cd-Te制成的直接转换层)。在这种直接转换型放射线摄像装置中，允许放射线进入到直接转换层中，并且与入射量对应的电荷被累积到设置于电路板中的电容器中，通过晶体管来读取上述电荷，从而获得基于进入的放射线量的电信号。在这些放射线摄像装置(间接转换型放射线摄像装置和直接转换型放射线摄像装置)中使用的晶体管例如具有栅极绝缘体，该栅极绝缘体位于栅极电极和形成沟道的半导体层之间，并且该栅极绝缘体被形成得包含氧化硅膜。
这里，在使用氧化硅膜作为晶体管的栅极绝缘体的情况下(或者在使用包含氧化硅的层叠膜作为晶体管的栅极绝缘体的情况下)，当放射线进入这样的栅极绝缘体时，该膜中的电子利用光电效应、康普顿散射(Comptonscattering)或电子对生成(electronpairproduction)等而被激发。已知的是，作为该激发的结果，正空穴在界面或缺陷处被捕获而保留下来，并且由于该正电荷的充电，使得阈值电压(Vth)向负侧偏移(例如，参见日本专利申请公开公报特开第08-8426号)。
另一方面，在如上所述的直接转换型放射线摄像装置中，上述晶体管被暴露在放射线下，并且易于发生就像上面所述的那种情况下因正空穴的充电而导致的阈值电压的偏移。此外，即使在间接转换型放射线摄像装置中，进入波长转换层的放射线的一部分会直接穿过该波长转换层(没有被转换成可见光)。因此，可能会出现这样的情况：晶体管很大程度上被暴露在放射线下，并且阈值电压发生了偏移。
因此，为了减小阈值电压的偏移而进行了这样的尝试：通过采用把要成为沟道的半导体层夹在一对栅极电极之间的结构(即所谓的双栅极结构)，来消除光电转换元件中所产生的正空穴和电子的背沟道效应(backchanneleffect)的影响(参见日本专利申请公开公报第2004-265935号)。
然而，在如上所述的双栅极结构中，当使用氧化硅膜作为栅极绝缘体时，阈值电压的偏移量会随着氧化硅膜的膜厚度而增大，这就使得难以保持可靠性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是期望提供能够抑制由于暴露于放射线下而导致的阈值电压的偏移的晶体管、放射线摄像装置和放射线摄像显示系统。
本发明一个实施方式提供了一种晶体管，所述晶体管包括在基板上依次设置的第一栅极电极、第一栅极绝缘体、半导体层、第二栅极绝缘体和第二栅极电极，所述第一栅极绝缘体和所述第二栅极绝缘体每一者均包括一层或多层含有氧的硅化合物膜，并且所述硅化合物膜的厚度总和为65nm以下。
本发明另一实施方式提供了一种放射线摄像装置，所述放射线摄像装置包括像素部，所述像素部包括光电转换元件和上述实施方式的晶体管，并且所述像素部基于放射线来获取电信号。
在上述各实施方式的晶体管和放射线摄像装置中，在所述基板上依次设置有所述第一栅极电极、所述第一栅极绝缘体、所述半导体层、所述第二栅极绝缘体和所述第二栅极电极，所述第一栅极绝缘体和所述第二栅极绝缘体每一者均包括一层或多层含有氧的硅化合物膜。在这样的第一栅极绝缘体和第二栅极绝缘体中，当放射线进入时，正空穴倾向于以使阈值电压向负侧偏移的方式进行充电。当所述含有氧的硅化合物膜的厚度总和为65nm以下时，该偏移的量是微小的；但是在S值的变化等的影响下，当所述硅化合物膜的厚度总和超过65nm时，该偏移的量迅速增大。换言之，由于所述硅化合物膜的厚度总和为65nm以下，因此减小了阈值电压的这种偏移。
本发明又一实施方式提供了一种放射线摄像显示系统，所述放射线摄像显示系统包括：基于放射线来获取图像的摄像装置(上述实施方式的放射线摄像装置)；以及显示装置，所述显示装置显示由所述摄像装置获取的图像。
根据上述各实施方式中的晶体管、放射线摄像装置和放射线摄像显示系统，在所述基板上依次设置有所述第一栅极电极、所述第一栅极绝缘体、所述半导体层、所述第二栅极绝缘体和所述第二栅极电极，所述第一栅极绝缘体和所述第二栅极绝缘体每一者均包括一层或多层含有氧的硅化合物膜。在这样的结构中，通过将所述硅化合物膜的厚度总和设定为65nm以下，能够抑制阈值电压的偏移。
应当理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都是示例性的，并且旨在对本发明权利要求中的技术方案提供进一步的解释。
附图说明
随附的附图提供了对本发明的进一步理解，这些附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了各实施方式，并与说明书一起用来解释本发明的原理。
图1是图示了本发明实施方式的放射线摄像装置的总体结构的功能框图。
图2是图示了图1中所示的像素部(间接转换型)的截面结构的示意图。
图3是图2中所示的光电转换部中的像素驱动电路(有源驱动电路)的示例。
图4是图示了图3中所示的晶体管的截面结构的示意图。
图5是用于解释在图4中所示的晶体管的半导体层附近的层叠结构的示意图。
图6A至图6C是按照工艺顺序解释图4中所示的晶体管的制造方法的截面示意图。
图7A至图7C是图示了在图6A至图6C后面的工序的截面图。
图8A和图8B是图示了在图7A至图7C后面的工序的截面图。
图9是图示了在图8A和图8B后面的工序的截面图。
图10是示出了图3中所示的光电二极管的截面结构的示意图。
图11是用于解释比较例的晶体管中正空穴的电荷量的示意图。
图12是用于解释由于放射线的照射而导致的晶体管特性劣化的特性图。
图13是用于解释图5中所示的晶体管中正空穴的电荷量的示意图。
图14是图示了实施例1至实施例5以及比较例1至比较例3中的膜厚度条件的表。
图15是图示了实施例1至实施例5以及比较例1至比较例3中的阈值电压的偏移量的特性图。
图16是图示了实施例1至实施例5以及比较例1至比较例3中的X射线照射量与电流电压特性之间的关系的特性图。
图17图示了实施例1至实施例5以及比较例1至比较例3的电流电压特性中的S值。
图18是变形例1的像素驱动电路(无源驱动电路)的示例。
图19是用于解释变形例2的直接转换型放射线摄像装置的示意图。
图20是图示了应用例的放射线摄像显示系统的总体结构的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来详细说明本发明的实施方式。顺便提及地，将按照下面的顺序进行说明。
1.实施方式(间接转换型放射线摄像装置的示例，该间接转换型放射线摄像装置包含如下晶体管：该晶体管中的栅极绝缘体中的氧化硅膜的厚度总和为65nm以下)
2.变形例1(像素驱动电路是无源驱动电路的示例)
3.变形例2(直接转换型放射线摄像装置的示例)
4.应用例(放射线摄像显示系统的示例)
1.实施方式
放射线摄像装置的总体结构
图1图示了本发明一个实施方式的放射线摄像装置(放射线摄像装置1)的总体结构。放射线摄像装置1是所谓的间接转换型平板探测器(FlatPanelDetector；FPD)，其接收经过波长转换之后的以α射线、β射线、γ射线和X射线为代表的放射线，并且基于上述放射线来读取图像信息。该放射线摄像装置1适合用作医疗用以及诸如行李检查等其他非破坏检查用的X射线摄像装置。
放射线摄像装置1在基板11上设置有像素部12，并且在该像素部12的周围设置有周边电路(驱动电路)，该周边电路包括例如行扫描部13、水平选择部14、列扫描部15和系统控制部16。
像素部12是放射线摄像装置1中的摄像区域。在该像素部12中，呈二维地布置有多个包含光电转换部(稍后将要说明的光电转换层112)的单位像素12a(下文中可以简称为“像素”)，上述光电转换部生成具有与入射光量相对应的电荷量的光电荷并将这些光电荷累积在该光电转换部的内部。对于单位像素12a而言，例如，为每个像素行设置有两根配线(具体地，行选择线和复位控制线)以作为像素驱动线17。
此外，在像素部12中，对于呈现为行和列的方式的像素阵列而言，像素驱动线17是沿着行方向(像素行中像素的布置方向)与每个像素行相对应地布置着，而垂直信号线18是沿着列方向(像素列中像素的布置方向)与每个像素列相对应地布置着。像素驱动线17传送用于从像素读取信号的驱动信号。在图1中，像素驱动线17被图示为一条线，但是并不限于该一条线。各像素驱动线17的一端连接至与行扫描部13的各行对应的输出端。稍后将说明该像素部12的结构。
行扫描部13是使用例如移位寄存器和地址解码器等予以构成的，并且例如是对像素部12中的各像素12a进行逐行驱动的像素驱动部。通过各条垂直信号线18把从由行扫描部13进行选择并扫描的各像素行的各个单位像素输出的信号提供给水平选择部14。水平选择部14是使用与每条垂直信号线18相对应地设置着的放大器和水平选择开关等予以构成的。
列扫描部15是使用例如移位寄存器和地址解码器等予以构成的，并对水平选择部14的各水平选择开关依次进行扫描和驱动。通过该列扫描部15的选择扫描，由各条垂直信号线18传送来的各像素的信号依次被输出至垂直信号线19，然后经由垂直信号线19而被传送至基板11的外部。
含有行扫描部13、水平选择部14、列扫描部15和垂直信号线19的电路部分可以是直接形成在基板11上的电路，或者可以被布置在外部控制IC(集成电路)中。此外，这些电路部分可以被形成在通过电缆等予以连接的其他基板上。
系统控制部16接收从基板11外部提供的时钟以及用于指示操作模式的数据等，并且输出诸如放射线摄像装置1的内部信息等数据。此外，系统控制部16具有用于生成各种时序信号的时序发生器，并且基于由该时序发生器生成的各种时序信号对诸如行扫描部13、水平选择部14和列扫描部15等周边电路的驱动进行控制。
像素部12的具体结构
图2图示了像素部12的截面结构。像素部12在基板11上设置有光电转换层112，该光电转换层112包括稍后将要说明的光电二极管111A和晶体管111B。在该光电转换层112上例如设置有平坦化膜113。需要注意的是，在平坦化膜113上可以设置有保护膜(未图示)，或者可以将平坦化膜113兼用作保护膜。
在平坦化膜113上，布置有闪烁体层114(波长转换层)，并且在该闪烁体层114上覆盖有保护膜115。下面将说明像素部12的主要部分的具体结构。
光电转换层112中的像素电路结构
图3是光电转换层112中的单位像素12a的电路结构的示例。单位像素12a包括光电二极管111A(光电转换元件)以及晶体管Tr1、Tr2和Tr3(相当于稍后将要说明的晶体管111B)，还包括上述垂直信号线18以及用作像素驱动线17的行选择线171和复位控制线171。
光电二极管111A例如是PIN(PositiveIntrinsicNegativeDiode；正-本征-负二极管)光电二极管，并且该光电二极管111A的感光范围例如是可见范围(受光波长带域是可见范围)。当向阴极(端子133)施加基准电位Vxref时，该光电二极管111A生成具有与入射光量(所接收到的光量)相对应的电荷量的信号电荷。光电二极管111A的阳极与存储节点N相连接。在存储节点N处设置有电容元件136，并且在光电二极管111A处生成的信号电荷被累积到存储节点N处。需要注意的是，光电二极管111A也可以被设置成连接在存储节点N与地(GND)之间。稍后将说明该光电二极管的截面结构。
晶体管Tr1、Tr2和Tr3每一者例如是N沟道场效应晶体管，并且形成沟道的半导体层(稍后将要说明的半导体层126)例如是使用诸如非晶硅、微晶硅或多晶硅等硅系半导体来予以构成的，或者优选是使用低温多晶硅来予以构成的。可供选择地，该半导体层可以是使用诸如铟镓锌氧化物(InGaZnO)或者氧化锌(ZnO)等氧化物半导体来予以构成的。
晶体管Tr1是复位晶体管，它连接在存储节点N与被施加有基准电位Vref的端子137之间。该晶体管Tr1响应于复位信号Vrst而导通，由此将存储节点N的电位复位至基准电位Vref。晶体管Tr2是读出晶体管，并且具有与存储节点N相连接的栅极以及与电源VDD相连接的端子134(漏极)。该晶体管Tr2在栅极处接收由光电二极管111A生成的信号电荷，并输出与所接收到的信号电荷相对应的信号电压。晶体管Tr3是行选择晶体管，它连接在晶体管Tr2的源极与垂直信号线18之间，并且响应于行扫描信号Vread而导通，由此把从晶体管Tr2输出的信号输出至垂直信号线18。该晶体管Tr3也可被配置成连接在晶体管Tr2的漏极与电源VDD之间。下面将说明这些晶体管(下文中统称为晶体管111B)的截面结构。
晶体管111B的截面结构
图4是晶体管111B的截面结构的示例，并且相当于光电转换层112的截面结构的一部分。图5示意性地图示了在图4中的半导体层126附近的部分的层叠结构。
晶体管111B具有所谓的双栅极结构，在该双栅极结构中，设置有两个栅极电极且它们将半导体层126夹在中间。具体地，晶体管111B在基板11上设有第一栅极电极120A和被形成得覆盖着该第一栅极电极120A的第一栅极绝缘体129。在第一栅极绝缘体129上，设置有包含沟道层126a、轻掺杂漏极(LDD)层126b和N+层126c的半导体层126。第二栅极绝缘体130被形成得覆盖着该半导体层126，并且在该第二栅极绝缘体130上的与第一栅极电极120A相面对的区域中布置有第二栅极电极120B。
在第二栅极电极120B上，形成有第一层间绝缘体131，并且将源极漏极电极128形成得填充在形成于该第一层间绝缘体131中的接触孔H1内。在第一层间绝缘体131及源极漏极电极128上形成有第二层间绝缘体132。下面将说明晶体管111B中的主要部分的具体结构。
第一栅极电极120A和第二栅极电极120B每一者例如是由Ti、Al、Mo、W和Cr等中的任意元素制成的单层膜，或者是由上述元素制成的层叠膜。这样的第一栅极电极120A和第二栅极电极120B被布置成相互面对着，并且将如上所述的第一栅极绝缘体129、半导体层126和第二栅极绝缘体130夹在二者中间。第一栅极电极120A和第二栅极电极120B每一者的厚度例如是30nm～150nm，并且例如第一栅极电极120A的厚度为65nm而第二栅极电极120B的厚度为90nm。
第一栅极绝缘体129和第二栅极绝缘体130每一者是由诸如氧化硅(SiO2)膜或氧氮化硅(SiON)膜等含有氧的硅化合物膜制成的单层膜，或者是包括这种含有氧的硅化合物膜和氮化硅(SiNX)膜的层叠膜。这里，如图5所示，第一栅极绝缘体129是从基板11侧依次层叠氮化硅膜129A和氧化硅膜129B而构成的膜，第二栅极绝缘体130是从基板11侧依次层叠氧化硅膜130A、氮化硅膜130B和氧化硅膜130C而构成的膜。以这样的方式，在半导体层126附近，氧化硅膜129B和氧化硅膜130A被设置成将半导体层126夹在中间。这就防止了由于半导体层126受到界面态的影响而使阈值电压发生偏移。
以这样的方式，第一栅极绝缘体129和第二栅极绝缘体130每一者中包含有氧化硅膜(129B、130A、130C)，但是在本实施方式中，这些氧化硅膜129B、130A和130C的膜厚度的总和为65nm以下。
然而，氧化硅膜129B、130A和130C的膜厚度的大小关系(膜厚度的组合)是任选的(详见稍后说明的实施例)。此外，第一栅极绝缘体129和第二栅极绝缘体130每一者中所包含的氧化硅膜的数量(层的数量)可以是一层或多于一层。另外，例如当在上述含有氧的硅化合物膜中设置有氧氮化硅膜时，可将涵盖了该氧氮化硅膜的膜厚度在内的总和设定为65nm以下。
另外，在第一栅极绝缘体129和第二栅极绝缘体130中，除了含有氧化硅膜129B、130A和130C之外还有一些层(氮化硅膜129A和130B)，但是上述膜厚度的设定与这些氮化硅膜129A和130B的膜厚度及层数无关。然而，形成于第一栅极电极120A与第二栅极电极120B之间的电容器是由层叠在第一栅极电极120A与第二栅极电极120B之间的绝缘膜的材料或膜厚度来确定的，因此将氧化硅膜129B、130A和130C以及氮化硅膜129A和130B每一者的膜厚度设定成使得能够形成所需的电容器。换言之，在氧化硅膜129B、130A和130C的膜厚度总和被设定为65nm以下的结构中，可以将氮化硅膜129A和130B每一者的膜厚度设定成使得能够形成所需的位于第一栅极电极120A与第二栅极电极120B之间的电容器。
半导体层126例如是由多晶硅、低温多晶硅、微晶硅或非晶硅等制成的，并且优选是由低温多晶硅制成的。可供选择地，半导体层126可以由诸如铟镓锌氧化物(IGZO)等氧化物半导体制成。在该半导体层126中，出于减小漏电流的目的，将LDD层126b形成在沟道层126a与N+层126c之间。源极漏极电极128是由Ti、Al、Mo、W或Cr等制成的单层膜，或者是由上述元素制成的层叠膜，并且源极漏极电极128与用于信号读取的布线相连接。
第一层间绝缘体131和第二层间绝缘体132每一者是使用例如选自氧化硅膜、氧氮化硅膜和氮化硅膜中的单层膜来构成的，或者是使用它们的层叠膜来构成的。这里，第一层间绝缘体131是从基板11侧依次层叠氧化硅膜131a和氮化硅膜131b而构成的膜，而第二层间绝缘体132是氧化硅膜。
晶体管111B的制造方法
例如，可以按照下面的方式来制造如上所述的晶体管111B。图6A至图9是按照工艺顺序解释晶体管111B的制造方法的截面图。
首先，如图6A所示，在基板11上形成第一栅极电极120A。具体地，通过例如溅射法在基板11上形成诸如Mo等高熔点金属的膜，随后通过使用例如光刻法将该膜图形化得就像岛一样(岛状)。
接着，如图6B所示，形成第一栅极绝缘体129。具体地，以覆盖基板11上的第一栅极电极120A的方式，通过例如CVD法按顺序依次形成分别具有预定厚度的氮化硅膜129A和氧化硅膜129B。接着，在所形成的第一栅极绝缘体129上，例如，通过CVD法来形成将要成为半导体层126的非晶硅层(α-Si层)1260。
随后，如图6C所示，使所形成的α-Si层1260成为多晶态，由此形成半导体层126。具体地，首先，例如在400℃～450℃的温度下对α-Si层1260进行脱氢处理(退火)，从而使氢含量变为1％以下。接着，借助于例如准分子激光器(excimerlaser；ELA)，通过例如波长为308nm的激光束的照射，使α-Si层1260变为多晶态。然后，通过掺杂例如硼来调整阈值电压，从而形成半导体层126。
接着，如图7A所示，在多晶半导体层126的预定区域中，通过离子注入来分别形成LDD层126b和N+层126c。
随后，如图7B所示，形成第二栅极绝缘体130。具体地，以覆盖半导体层126的方式，通过例如CVD法按顺序依次形成分别具有预定膜厚度的氧化硅膜130A、氮化硅膜130B和氧化硅膜130C。需要注意的是，各膜的膜厚度是这样设定的：氧化硅膜130A和氧化硅膜130C以及上述第一栅极绝缘体129中的氧化硅膜129B的膜厚度总和为65nm以下。顺便提及地，在形成该第二栅极绝缘体130之后，虽然未图示，但形成了用于将上述第一栅极电极120A电连接至在稍后工序中将要形成的第二栅极电极120B的接触孔。
接着，如图7C所示，在第二栅极绝缘体130上形成第二栅极电极120B。具体地，通过例如溅射法在第二栅极绝缘体130上形成诸如Mo等高熔点金属的膜，然后通过使用光刻法将该膜图形化得就像岛一样的形状。
随后，如图8A所示，通过例如CVD法按顺序依次形成氧化硅膜131a和氮化硅膜131b，从而形成了第一层间绝缘体131。
接着，如图8B所示，通过例如干式蚀刻法，形成从已形成的第一层间绝缘体131和第二栅极绝缘体130中穿透的接触孔H1。
随后，如图9所示，通过例如溅射法来沉积源极漏极电极128以填充接触孔H1，并将该源极漏极电极128图形化为具有预定的形状。最后，在该源极漏极电极128及第一层间绝缘体131上，通过例如CVD法形成氧化硅膜作为第二层间绝缘体132，从而完成了图4中所示的晶体管111B。
光电二极管111A的截面结构
图10是光电二极管111A的截面结构的示例，并且图10相当于图2中所示的光电转换层112的一部分。该光电二极管111A被布置在具有上述晶体管111B的基板11上。光电二极管111A的层叠结构的一部分与晶体管111B是共用的，并通过同一成膜工序予以形成。下面将说明光电二极管111A的具体结构。
光电二极管111A在基板11上的所选区域中具有p型半导体层122，且基板11与该p型半导体层122之间设有栅极绝缘体121a。在基板11上(具体地，在栅极绝缘体121a上)，设置有第一层间绝缘体121b，该第一层间绝缘体121b具有与p型半导体层122相面对的接触孔H2。在位于第一层间绝缘体121b的接触孔H2中的p型半导体层122上，设置有i型半导体层123，并且在该i型半导体层123上形成有n型半导体层124。在n型半导体层124上设置有具有接触孔H3的第二层间绝缘体121c，并且n型半导体层124和上部电极125利用接触孔H3而被连接起来。
这里需要注意的是，所例举的是将p型半导体层122设置在基板侧(下侧)而将n型半导体层124设置在上侧的示例。然而，也可以采用相反的结构，即，将n型设置在下侧(基板侧)而将p型设置在上侧的结构。此外，栅极绝缘体121a、第一层间绝缘体121b和第二层间绝缘体121c中的一部分或全部具有与晶体管111B中的第一栅极绝缘体129、第二栅极绝缘体130和第一层间绝缘体131各自的层结构相同的层结构。可以通过与晶体管111B的成膜工艺为同一工艺的成膜工艺来形成该光电二极管111A。
p型半导体层122是p+区域，在该p+区域中，例如，在多晶硅(polycrystallinesilicon或polysilicon)中掺杂有硼(B)等，并且该p型半导体层122的厚度例如为40nm～50nm。该p型半导体层122例如还兼作读取信号电荷用的下部电极(阳极)，并且与上述存储节点N(图3)相连接(或者，p型半导体层122成为存储节点N，并且允许对电荷进行累积)。
i型半导体层123是呈现出在p型与n型之间的中间导电性的半导体层(例如非掺杂的本征半导体层)，并且例如是由非结晶硅(非晶硅)制成的。i型半导体层123的厚度例如为400nm～1000nm，但是该厚度越大，感光性就可能越高。n型半导体层124例如是由非结晶硅(非晶硅)制成的，并且形成了n+区域。该n型半导体层124的厚度例如是10nm～50nm。
上部电极125(阴极)是用来提供光电转换用的基准电位的电极，并且例如是使用诸如ITO(铟锡氧化物)等透明导电膜来予以构成的。该上部电极125与向该上部电极125提供电压的电源线127相连接。电源线127是由诸如Ti、Al、Mo、W或Cr等电阻低于上部电极125的材料制成的。
平坦化膜113
平坦化膜113被形成得用于使基板11上的形成有上述光电二极管111A和晶体管111B(光电转换层112)的那一部分平坦化，并且平坦化膜113是使用有机膜构成的。
闪烁体层114
闪烁体层114进行波长转换，使放射线转换为光电二极管111A的感光范围内的光。在该闪烁体层114中，例如使用了将X射线转换成可见光的荧光物质。作为这样的荧光物质，例如是：添加有铊(Tl)的碘化铯(CsI)；添加有铽(Tb)的二氧硫化二钆(Gd2O2S)；或者BaFX(X为Cl、Br或I等)，等等。闪烁体层114的厚度优选为100μm～600μm，并且例如为600μm。通过使用例如真空沉积法，可以在平坦化膜113上形成这样的闪烁体层114。
保护膜115
保护膜115例如是由聚一氯对二甲苯(paryleneC)制成的有机膜。像上面所述那样的用于闪烁体层114的荧光物质材料(特别是CsI)容易因水而劣化。因此，优选在闪烁体层114上设置保护膜115作为阻水层。
作用和效果
将参照图1至图5以及图10至图13来说明本实施方式的作用和效果。在放射线摄像装置1中，从照射源(未图示)发出放射线(例如，X射线)，获取已经透过物体(被检测体)的该放射线，并且在经过波长转换之后对该放射线进行光电转换，从而获得上述物体的图像作为电信号。具体地，进入放射线摄像装置1的放射线首先在设置于像素部12上的闪烁体层114中被转换成光电二极管111A的感光范围(这里为可视范围)内的波长。随后，上述经过波长转换之后的光离开闪烁体层114，透过平坦化膜113，然后进入光电转换层112。
在光电转换层112中，当从电源线(未图示)通过上部电极125向光电二极管111A施加预定电位时，从上部电极125侧进入的光被转换成具有与所接收到的光量相对应的电荷量的信号电荷(实施了光电转换)。通过这样的光电转换而生成的信号电荷从p型半导体层122侧被获取而作为光电流。
具体地，在光电二极管111A中经过光电转换而生成的电荷被累积层(p型半导体层122、存储节点N)收集起来，并作为电流从该累积层中被读取出来，并且被施加至晶体管Tr2(读出晶体管)的栅极。晶体管Tr2输出与该信号电荷相对应的信号电压。当晶体管Tr3响应于行扫描信号Vread而被导通时，从晶体管Tr2输出过来的信号就被输出至垂直信号线18(被读出)。所读出的信号通过与各像素列相对应的垂直信号线18而被输出至水平选择部14。
在本实施方式中，以上述方式，通过对入射的放射线(X射线)的波长转换和光电转换，获得了电信号(所拍摄到的图像数据)。然而，另一方面，也有未经过闪烁体层114中的波长转换而透过闪烁体层114的光。当这样的放射线进入光电转换层112时，特别是在晶体管111B中就会发生下面的故障。换言之，晶体管111B包含第一栅极绝缘体129中的氧化硅膜和第二栅极绝缘体130中的氧化硅膜，但是在包含这样的含氧膜的情况下，当放射线进入上述膜中时，利用光电效应、康普顿散射或电子对生成而使该膜中的电子被激发。结果，正空穴在界面或缺陷处被捕获从而保留下来(发生充电)，而由于这样的“正”充电，阈值电压(Vth)向负侧偏移。
比较例
这里，图11图示了本实施方式的比较例中的晶体管(晶体管100)的截面结构。晶体管100包括在基板101上依次设置的栅极电极102、栅极绝缘体103、包含沟道层104a的半导体层104、以及第一层间绝缘体105。第一层间绝缘体105具有接触孔，并且源极漏极电极106通过该接触孔与半导体层104相连接。在源极漏极电极106及第一层间绝缘体105上，形成有第二层间绝缘体107。在这样的结构中，栅极绝缘体103是从基板101侧依次层叠氮化硅膜103A和氧化硅膜103B而形成的膜。第一层间绝缘体105是从基板101侧依次层叠氧化硅膜105A、氮化硅膜105B和氧化硅膜105C而形成的膜。
换言之，在该比较例的晶体管100(其是所谓的底栅极结构而不是本实施方式中的双栅极结构)中，通过一个栅极电极102来施加栅极电压。在这样的结构中，正空穴在氧化硅层103B、105A和105C的宽广区域中进行充电(电荷量很大)，这对沟道层104a的影响很大。因此，阈值电压在很大程度上向负侧偏移。
图12图示了当使用低温多晶硅的晶体管被放射线照射时，漏极电流与栅极电压的关系(电流电压特性)。如图所示，可以发现，当发出放射线时，阈值电压向负侧偏移，并且阈值电压的偏移量随着照射量的增大(像0Gy、46Gy、397Gy和639Gy那样)而变大。此外，显然，当照射量增大(397Gy、639Gy)时，S(亚阈值摆幅；subthresholdswing)值劣化。另外，偏移量的这种增大导致了导通状态电流和断开状态电流的变化。例如，断开状态电流可能增大从而导致电流泄漏，导通状态电流可能减小从而导致无法读出，或者可能出现类似的问题，因此难以保持晶体管的可靠性。
相反地，在本实施方式中，设置了双栅极结构，并且实现了这样的设计：在把半导体层126夹在中间的第一栅极绝缘体129和第二栅极绝缘体130中，氧化硅膜的膜厚度总和为65nm以下。因此，氧化硅膜的膜厚度是最优化的，并且例如如图13所示当X射线入射时，会影响沟道层126a的区域落入在第一栅极电极120A与第二栅极电极120B之间的狭小范围内。于是，减少了正空穴的电荷量，并且抑制了阈值电压的偏移。需要注意的是，大约65nm的膜厚度是偏移量变化的拐点，但是这在很大程度上也受到如下事实的影响：S值随着膜厚度的增大而劣化(增大)。
如上所述，在本实施方式中，晶体管111B具有在基板11上依次设置的第一栅极电极120A、第一栅极绝缘体129、半导体层126、第二栅极绝缘体130和第二栅极电极120B，并且实现了这样的设计：第一栅极绝缘体129和第二栅极绝缘体130中的各SiO2膜的膜厚度总和(合计值)为65nm以下。通过对SiO2膜的膜厚度的这种最优化，有效地减小了正空穴的电荷量，并且能够抑制由于暴露于放射线下而导致的阈值电压的偏移。
实施例
这里，作为各实施例，在图4所示的晶体管结构中，改变了第一栅极绝缘体129和第二栅极绝缘体130中各层的膜厚度，然后测量阈值电压的偏移量(ΔVth)。具体地，如图14所示，作为实施例1至实施例5，在SiO2膜的膜厚度总和(SiO2合计值)分别为10nm、40nm、55nm、55nm和65nm的各个情况下对阈值电压进行了测量。
具体地，在实施例1中，第一栅极绝缘体129中的SiO2膜129B为5nm；在第二栅极绝缘体130中，SiO2膜130A为5nm并且SiO2膜130C为0nm。在实施例2中，SiO2膜129B、SiO2膜130A和SiO2膜130C分别为35nm、5nm和0nm。在实施例3和实施例4每一者中，SiO2膜的膜厚度总和都为55nm，但是改变了各膜的含量并进行测量。在实施例3中，SiO2膜129B、SiO2膜130A和SiO2膜130C分别为5nm、30nm和20nm；而在实施例4中，SiO2膜129B、SiO2膜130A和SiO2膜130C分别为35nm、20nm和0nm。在实施例5中，SiO2膜129B、SiO2膜130A和SiO2膜130C分别为5nm、40nm和20nm。
应当注意的是，使用膜厚度为65nm的Mo作为第一栅极电极120A，使用膜厚度为90nm或120nm的Mo作为第二栅极电极120B，并且使用膜厚度为43nm的低温多晶硅(p-Si)作为沟道层126a。此外，在上述测量的情况下，将管压设定为140kV，并将X射线照射量设定为180Gy。作为阈值电压的偏移量ΔVth，以X射线照射量为0Gy的情况为参照，列出了当漏极电流Ids(A)为1E-10A时栅极电压Vg(V)向负侧的变化量。
此外，作为相对于上述实施例1～实施例5的比较例(比较例1～比较例3)，除了膜厚度之外(各个比较例情况中SiO2膜的膜厚度的总和分别为70nm、85nm和95nm之外)在相同的条件下测量阈值电压。在比较例1中，SiO2膜129B、SiO2膜130A和SiO2膜130C分别为35nm、20nm和15nm。此外，在比较例2中，SiO2膜129B、SiO2膜130A和SiO2膜130C分别为35nm、30nm和20nm，而在比较例3中，SiO2膜129B、SiO2膜130A和SiO2膜130C分别为35nm、40nm和20nm。
结果，在SiO2膜的膜厚度总和全都为65nm以下的实施例1～实施例5中，阈值电压的偏移量ΔVth分别为1.07、1.20、1.41、1.41和1.34。另一方面，在比较例1～比较例3中，偏移量ΔVth分别为1.49、2.74和2.88。图15图示了膜厚度总和与偏移量ΔVth之间的关系。
如图15所示，可以发现，对于65nm以下的总膜厚度而言，偏移量ΔVth相对较小，并且即使随着该总膜厚度的增大，偏移量ΔVth也不会发生很大变化。然而，当总膜厚度超过65nm时，偏移量ΔVth突然增大。根据此结果显然可知，在作为拐点(边界)P的总膜厚度65nm处，阈值电压开始发生明显变化。换言之，找到了栅极绝缘体中最佳的SiO2总膜厚度的范围，并且通过满足该膜厚度范围就能够有效地抑制阈值电压的偏移。
需要注意的是，只要上述SiO2膜129B、SiO2膜130A和SiO2膜130C的膜厚度总和为65nm以下，就可以实现对阈值电压偏移的抑制，而与各个膜的细分情形(比例)没有关系。这是因为，阈值电压偏移是由于栅极绝缘体中所设置的全部SiO2膜的总的正空穴电荷数而发生的。另外，从实施例3和实施例4的结果(即：当总膜厚度相同(55nm)时，即使改变各SiO2膜的细分情形，偏移量也是相同的(1.41))来看，这也是显而易见的。
此外，图16图示了在上述实施例1～实施例5以及比较例1～比较例3每一者中的电流电压特性(X射线照射量：180Gy)。需要注意的是，还示出了0Gy(无X射线照射)作为初始值的情况。图17图示了如下曲线图：该曲线图中，绘出了上述实施例1～实施例5以及比较例1～比较例3每一者中的S值(这里，漏极电流为1E-10A时的栅极电压Vg与漏极电流为1E-9A时的栅极电压Vg的差分)。如图16和图17所示，可以发现，在膜厚度全都为65nm以下的各实施例1～实施例5中，S值的劣化与比较例1～比较例3相比有所减小。膜厚度为65nm之前和之后的S值的这种变化也会在很大程度上影响上述阈值电压偏移的拐点P的形成。
2.变形例1
上述实施方式已经说明了像素的驱动电路是通过使用有源驱动电路来予以构成的示例，但是该驱动电路也可以是图18所示的无源驱动电路。需要注意的是，与上述实施方式中的那些元件相同的元件将使用相同的附图标记，并将省略说明。在本变形例中，单位像素12b被配置成包括光电二极管111A、电容元件138和晶体管Tr(相当于读取用晶体管Tr3)。晶体管Tr被连接在存储节点N与垂直信号线18之间，并且在响应于行扫描信号Vread而被导通时，把基于光电二极管111A中所接收到的光量而累积在存储节点N处的信号电荷输出至垂直信号线18。以这样的方式，像素的驱动方式不限于上述实施方式的有源驱动方式，并且也可以是本变形例中的无源驱动方式。
3.变形例2
在上述实施方式中，已经采用了在像素部12上设置有闪烁体层114的间接转换型FPD来作为放射线摄像装置的示例，但是该实施方式的放射线摄像装置也适用于直接转换型FPD。换言之，可以不设置用于进行波长转换从而将放射线转换成可见光的闪烁体层114(以及保护膜115)，并且像素部12可以具有将放射线直接转换成电信号的功能。图19图示了这样的像素部12的示例(这里，所采用的示例是使用了变形例1中所述的无源驱动电路的像素部)。在本变形例中，像素部12包括光电转换元件111C、电容元件141和晶体管Tr(相当于读取用晶体管Tr3)，并且在光电转换元件111C中进行将放射线转换为电信号的操作。光电转换元件111C例如具有位于上部电极139A与像素电极139B之间的直接转换层140，并且该直接转换层140是使用例如非晶硒半导体(a-Se)或镉碲半导体(CdTe)来予以构成的。
在这种直接转换型FPD中，像上述实施方式那样，也可以通过在晶体管中采用双栅极结构并将栅极绝缘体中的SiO2膜的厚度总和设为65nm以下来减少正空穴的电荷量，从而抑制阈值电压的偏移。因此，可以获得与上述实施方式的效果相同的效果。特别地，在本变形例中，与上述实施方式不同的是，允许放射线直接进入像素部12，因此相比于上述实施方式而言，晶体管更容易暴露于放射线下。所以，在本变形例的直接转换型放射线摄像装置中，对于如上所述因暴露于放射线下而导致的阈值电压偏移的抑制效果是特别有效的。
4.应用例
在上述实施方式以及变形例1和变形例2每一者中说明的放射线摄像装置1例如适用于图20所示的放射线摄像显示系统2。放射线摄像显示系统2包括放射线摄像装置1、图像处理单元25和显示单元28。利用这样的结构，在放射线摄像显示系统2中，放射线摄像装置1基于从X射线源26向物体27发出的放射线来获取物体27的图像数据Dout，并且将该图像数据Dout输出至图像处理单元25。图像处理单元25对输入进来的该图像数据Dout进行预定的图像处理，并把经过图像处理之后的图像数据(显示数据D1)输出至显示单元28。显示单元28具有监控屏28a，并且把基于从图像处理单元25输入的显示数据D1的图像显示在该监控屏28a上。
以这样的方式，在放射线摄像显示系统2中，放射线摄像装置1可以获得物体27的图像作为电信号，且因此可以通过将所获得的电信号传送至显示单元28来进行图像显示。换言之，在不使用射线照相胶片的情况下就能够观察到物体27的图像，并且能够支持移动图像摄影和移动图像显示。
至此，已经利用实施方式和变形例对本发明进行了说明，但是可以对本发明进行各种修改，而不限于上述实施方式等。例如，上述实施方式中说明的闪烁体层114所用的波长转换材料不限于上述那些材料，而是也可以使用其他各种荧光物质材料。
另外，在上述实施方式中，光电二极管111A具有从基板侧依次层叠有p型半导体层、i型半导体层和n型半导体层的结构，但也可以从基板侧按顺序层叠n型半导体层、i型半导体层和p型半导体层。
此外，本发明的放射线摄像装置不是必须设有上述实施方式中的所有元件，且也可以包括其他层。例如，在上部电极125上还可以形成有由诸如SiN等制成的保护膜。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。

Claims (6)

1.一种晶体管，其包括在基板上依次设置的第一栅极电极、第一栅极绝缘体、半导体层、第二栅极绝缘体和第二栅极电极，
其中，所述第一栅极绝缘体和所述第二栅极绝缘体每一者均包括一层或多层含有氧的硅化合物膜，并且所述含有氧的硅化合物膜的厚度总和为65nm以下，
其中，所述第一栅极绝缘体是由从所述基板侧依次层叠的氮化硅膜和氧化硅膜构成的层叠体，并且
所述第二栅极绝缘体是由从所述第一栅极电极侧依次层叠的氧化硅膜、氮化硅膜和氧化硅膜构成的层叠体，
其中，所述半导体层是由低温多晶硅、非晶硅或氧化物半导体制成的。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述含有氧的硅化合物膜为氧化硅膜。
3.一种放射线摄像装置，其包括像素部，所述像素部包括光电转换元件和如权利要求1或2所述的晶体管。
4.根据权利要求3所述的放射线摄像装置，还包括：
波长转换层，所述波长转换层被设置在所述像素部上，并且用于将放射线的波长转换成在所述光电转换元件的感光范围内的波长。
5.根据权利要求3所述的放射线摄像装置，其中，所述光电转换元件具有吸收放射线并将所述放射线转换成电信号的功能。
6.一种放射线摄像显示系统，其包括摄像装置和显示装置，所述摄像装置基于放射线来获取图像，所述显示装置显示由所述摄像装置获取的图像，
其中，所述摄像装置是如权利要求3至5任一项所述的放射线摄像装置。
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