CN105977340B - 一种x射线探测仪及其薄膜晶体管制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种X射线探测仪及其薄膜晶体管制备方法，制备方法包括：在衬底上淀积一层电极层；光刻和刻蚀电极层，形成相隔预定距离的两个栅电极；在栅电极上淀积覆盖两个栅电极的栅介质层；在栅介质层上淀积金属氧化物半导体层；在栅介质层上生成分别与两个栅电极对应的有源区图形；淀积一连续的导电层覆盖两个有源区；光刻和刻蚀导电层，使得一个有源区的源区和另一个有源区的漏区电性相连；淀积钝化层；穿过钝化层制备用于将两个有源区的源漏区与外界电性连接的接触电极；在钝化层生长闪烁体层。该方案暗电流小，可提高探测的灵敏度；由于薄膜晶体管开关器件可以同时形成，因此能减少掩膜板的数量和简化工艺。

Description

一种X射线探测仪及其薄膜晶体管制备方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管的制备方法，具体涉及一种可探测X射线的薄膜晶体管制备方法。
背景技术
数字X射线探测技术主要分为直接探测和间接探测，其中直接探测由于需要加很高的电压驱动，吸收层厚度较高，暗电流较大，只能探测较长波长的X射线。而间接探测通过闪烁体转换成荧光，再由探测单元进行探测。其中探测单元主要由非晶硅光电二级管或CCD/CMOS图像传感器组成。非晶硅光电二级管虽然具有结构紧凑、成像面积大的优点，但和薄膜晶体管开关做在同一平面上，需要12-15块掩膜板。而CCD/CMOS图像传感器由单晶硅技术制成，具有较高的灵敏度和空间分辨率，但为了解决荧光侧向扩散问题，需要通过透镜或光锥把可见荧光耦合到芯片上。
发明内容
本申请提供一种X射线探测仪及其薄膜晶体管制备方法，其具有暗电流小，灵敏度高，能减少掩膜板的使用数量的优点。
根据本发明的第一方面，一种实施例中公开了一种可探测X射线的薄膜晶体管制备方法，包括：
在衬底上淀积一层电极层；
光刻和刻蚀电极层，形成相隔预定距离的两个栅电极；
在栅电极上淀积覆盖两个栅电极的栅介质层；
在栅介质层上淀积金属氧化物半导体层；
在栅介质层上生成分别与两个栅电极对应的有源区图形，有源区的中部为沟道区，两边为源漏区；
淀积一连续的导电层覆盖两个有源区；
光刻和刻蚀导电层，去除沟道区上方的导电层，并保留两个有源区之间的导电层，使得一个有源区的源区和另一个有源区的漏区电性相连；
淀积覆盖两个有源区和导电层的钝化层；
穿过钝化层制备用于将两个有源区的源漏区与外界电性连接的接触电极；
在钝化层生长闪烁体层。
进一步地，闪烁体的材料为铊掺杂碘化钠、铊掺杂碘化铯、铪酸盐系列、铈激活闪烁体或镥基闪烁体。
进一步地，闪烁体的生长包括由溶液凝胶法、液相外延生长或水热法生长。
进一步地，闪烁体在X射线照射下其发射波长的能量大于沟道的禁带宽度。
进一步地，两个有源区的材料相同，在栅介质层上生成分别与两个栅电极对应的有源区图形包括：
在栅介质层上淀积金属氧化物半导体层；
采用光刻技术，光刻和蚀刻金属氧化物半导体层，形成分别与两个栅电极对应的有源区图形。
进一步地，两个有源区的材料不同，在栅介质层上生成分别与两个栅电极对应的有源区图形包括：
在栅介质层上淀积第一金属氧化物半导体层；
采用光刻技术，光刻和蚀刻第一金属氧化物半导体层，形成与两个栅电极中的一个栅电极对应的第一有源区图形；
在栅介质层和第一有源区图形上磁控溅射生长第二金属氧化物半导体层，第二金属氧化物半导体层与第一金属氧化物半导体层为不同的材料；
采用光刻技术，光刻和蚀刻第二金属氧化物半导体层，形成与两个栅电极中的另一个栅电极对应的第二有源区图形。
根据本发明的第二方面，一种实施例中公开了一种X射线探测仪，包括开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管，开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管上覆盖有闪烁体层，其中开关薄膜晶体管的漏极和探测薄膜晶体管的源极相连。
与现有技术相比较，本申请采用了闪烁体及金属氧化物的配套使用来间接探测X射线，X射线照射到闪烁体上，闪烁体价带中的电子运动使得闪烁体发光，薄膜晶体器件将闪烁体发出的光转化为电信号从而实现检测，该方案暗电流小，可提高探测的灵敏度；由于薄膜晶体管开关器件可以同时形成，因此能减少掩膜板的数量和简化工艺。
附图说明
图1～10依次示出了本发明实施例一中的薄膜晶体管X射线探测器的主要制作工艺步骤，其中：
图1为淀积电极层的示意图；
图2为光刻刻蚀得到栅电极的示意图；
图3为淀积栅介质和金属氧化物半导体层的示意图；
图4为光刻刻蚀得到有源区的示意图；
图5为源、漏电极淀积的示意图；
图6为源、漏电极光刻刻蚀的示意图；
图7为形成钝化层的示意图；
图8为光刻刻蚀接触孔的示意图；
图9为形成接触电极的示意图；
图10为形成闪烁体层的示意图；
图11～22图依次示出了本发明实施例二中的薄膜晶体管X射线探测器的主要制作工艺步骤，其中：
图11为淀积电极层的示意图；
图12为光刻刻蚀得到栅电极的示意图；
图13为淀积栅介质和探测薄膜晶体管沟道的示意图；
图14为光刻刻蚀得到探测薄膜晶体管有源区的示意图；
图15为淀积开关薄膜晶体管沟道的示意图；
图16为光刻刻蚀得到开关薄膜晶体管有源区的示意图；
图17为淀积源、漏电极的示意图；
图18为光刻刻蚀源、漏电极的示意图；
图19示为形成钝化层的示意图；
图20为光刻刻蚀得到接触孔的示意图；
图21为形成接触电极的示意图；
图22为形成闪烁体层的示意图。
具体实施方式
在研发过程中，金属氧化物薄膜晶体管(薄膜晶体管s:thin-film transistors)除了具有优良的开关特性外，其还具有光电特性，即：当入射光能量大于金属氧化物薄膜的禁带宽度时，会激发出电子-空穴对，空穴被氧空位俘获，因此电子具有较长的载流子寿命。
根据上述认识，在本发明实施例中，X射线探测仪包括两个薄膜晶体管，一个是开关薄膜晶体管，另一个是探测薄膜晶体管，在开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管上覆盖闪烁体层，并使开关薄膜晶体管的漏极和探测薄膜晶体管的源极相连。闪烁体在X射线照射下其发射波长的能量大于沟道的禁带宽度。
当X射线照射在闪烁体上时，价带中的电子被激发到导带中的激发态，电子由激发态向基态退激的过程中发出可见或紫外光。所发出的可见或紫外光照射到薄膜晶体管器件上，在沟道中激发出电子-空穴对，空穴被氧空位俘获，电子具有较长的载流子寿命；在加负栅压下和正的漏端电压下，探测薄膜晶体管工作在耗尽区，被俘获的空穴聚集在源端，使源端与沟道之间势垒降低，源端电子进入沟道参与导电，因此光照下产生较大的光生电流，电信号由开关薄膜晶体管读出，从而完成X射线的探测。
在制作开关薄膜晶体管的漏极和探测薄膜晶体管时，两个薄膜晶体管可以同时形成，掩膜板数量只需要6-7块，工艺简单。先在玻璃衬底上依次淀积金属栅电极、绝缘介质层、金属氧化物薄膜、源漏金属电极并图形化后，利用射频磁控溅射淀积一层钝化层，如Al2O3钝化层。光刻刻蚀接触孔引出电极。再通过溶液凝胶法或液相外延生长，水热法等生长1-2mm左右的闪烁体材料，如LuAP:Ce，CdWO4等。
本发明的优势是暗电流小，灵敏度高，和薄膜晶体管开关器件可以同时形成。其中，闪烁体及金属氧化物的选取要配套使用。闪烁体的发射波长能量要大于探测所用金属氧化物的禁带宽度。
下面通过具体实施方式结合附图对两个薄膜晶体管的制备作进一步详细说明。
实施例一：
请参考图1至图10，图1至图10示出了一种可探测X射线的薄膜晶体管制备方法的工艺步骤，包括：
如图1，在衬底101上淀积一层电极层102。衬底101为玻璃衬底。电极层102一般为金属或者金属氧化物导电薄膜。其中，金属包括钼、铬、钛、铝等，并采用磁控溅射、电子束蒸发或者热蒸发方法形成；金属氧化物导电薄膜一般包括氧化铟锡(ITO)、铝掺杂氧化锌(AZO)、硼掺杂氧化锌(BZO)等，并采用磁控溅射或光学镀膜等方法形成。电极层102可以是单层材料，也可以是双层或多层导电材料组成的复合电极层材料。
如图2，旋涂光刻胶103，光刻和刻蚀电极层102，形成相隔预定距离的两个栅电极102a，分别为探测薄膜晶体管栅电极和开关薄膜晶体管栅电极。
如图3，在栅电极102a上淀积覆盖两个栅电极102a的栅介质层104。栅介质层104可为氮化硅和/或氧化硅等，并由等离子体增强化学气相淀积方法(PECVD)形成；栅介质层104也可以为氧化铝和/或氧化铪等高介电常数金属氧化物介质，并由原子层淀积、射频磁控溅射或反应溅射等方法形成；栅介质层104也可以为有机介质材料，由旋涂等方法形成。栅介质层104可以是上述材料组成的单层栅介质层，也可以由两种或两种以上介质材料组成的复合栅介质层。
探测薄膜晶体管和开关薄膜晶体管所用的金属氧化物半导体层材料可以为同一材料，也可为不同材料。在本实施例中，探测薄膜晶体管和开关薄膜晶体管所用的金属氧化物半导体层材料为同一材料，具体步骤为：
在栅介质层104上淀积金属氧化物半导体层105。金属氧化物半导体层105的材料为非晶或多晶的金属氧化物半导体薄膜，厚度为通常为50nm。材料为氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、铝参杂氧化锌(AZO)、铟掺杂氧化锌(IZO)、硼掺杂氧化锌(BZO)、镁掺杂氧化锌(MZO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化镓锌(GZO)、氧化铟锡(ITO)等，并采用直流或射频磁控溅射或反应溅射技术生长。
如图4，旋涂光刻胶106，光刻和刻蚀金属氧化物半导体层105，再采用丙酮超声去除光刻胶106后，在栅介质层104上得到分别与两个栅电极102a对应的有源区105a图形，分别为探测薄膜晶体管有源区图形和开关薄膜晶体管有源区图形。有源区105a的中部为沟道区，两边为源、漏区。
如图5，淀积一连续的导电层107覆盖两个有源区105a。导电层107为金属或者金属氧化物导电薄膜。其中金属包括钼、铬、钛、铝等，并由磁控溅射、电子束蒸发或者热蒸发方法形成；金属氧化物导电薄膜包括氧化铟锡、铝掺杂氧化锌、硼掺杂氧化锌等，并由磁控溅射或光学镀膜等方法形成。导电层107可以采用单层材料，也可以采用双层或多层导电材料组成的复合导电层材料。
如图6，旋涂光刻胶108，光刻和刻蚀导电层107(如图5)，去除沟道区上方的导电层107，并保留两个有源区之间的导电层107，使得开关薄膜晶体管的漏极107a和探测薄膜晶体管的源极107b相连。
如图7，淀积覆盖两个有源区105a和导电层107(如图5)的钝化层111。钝化层111采用氮化硅和/或氧化硅等，并由等离子体增强化学气相淀积方法形成，也可以为氧化铝和/或氧化铪等高介电常数金属氧化物介质，并由原子层淀积、射频磁控溅射或反应溅射等方法形成，钝化层111也可以为有机介质材料，并由旋涂等方法形成。钝化层111可以是上述材料组成的单层钝化层，也可以是两种或两种以上介质材料组成的复合钝化层。
穿过钝化层111制备用于将两个有源区105a的源、漏区与外界电性连接的接触电极。步骤包括：
如图8，旋涂光刻胶112，光刻和刻蚀钝化层111(如图7)，形成第一至第三接触孔113/114/115，第一至第三接触孔113/114/115分别位于开关薄膜晶体管的源极107c、探测薄膜晶体管的漏极107d和位于两个有源区105a图形中间的连接区，采用丙酮超声去除光刻胶112；
如图9，淀积导电层，并光刻刻蚀，分别形成第一至第三接触电极116/117/118。
如图10，在钝化层111(如图7)和露出的第一至第三接触电极116/117/118上生长闪烁体层119。闪烁体材料为铊掺杂碘化钠、铊掺杂碘化铯、铪酸盐系列、铈激活闪烁体或镥基闪烁体。闪烁体的生长方法包括溶液凝胶法、液相外延生长或水热法。
本申请还公开了一种X射线探测仪，包括开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管，开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管上覆盖有闪烁体层，其中开关薄膜晶体管的漏极和探测薄膜晶体管的源极相连,开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管所用的金属氧化物半导体层材料为同一材料。
实施例二：
本实施例与实施例一的不同之处在于探测薄膜晶体管和开关薄膜晶体管所用的金属氧化物半导体层材料为不同材料，因此不能同时制作，需要增加制作步骤。
请参考图11至图22，图11至图22示出了一种可探测X射线的薄膜晶体管制备方法的工艺步骤，包括：
如图11，在衬底201上淀积一层电极层202。衬底201为玻璃衬底。电极层202为金属或者金属氧化物导电薄膜。
如图12，旋涂光刻胶203，光刻和刻蚀电极层202，形成相隔预定距离的两个栅电极202a，分别为探测薄膜晶体管栅电极和开关薄膜晶体管栅电极。
如图13，在栅电极202a上淀积覆盖两个栅电极202a的栅介质层204。
在本实施例中，探测薄膜晶体管和开关薄膜晶体管所用的金属氧化物半导体层材料为不同材料，具体步骤包括：
在栅介质层204上淀积第一金属氧化物半导体层205。第一金属氧化物半导体层205的材料为非晶或多晶的金属氧化物半导体薄膜，厚度为50nm。材料为氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、铝参杂氧化锌(AZO)、铟掺杂氧化锌(IZO)、硼掺杂氧化锌(BZO)、镁掺杂氧化锌(MZO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化镓锌(GZO)、氧化铟锡(ITO)等，并采用直流或射频磁控溅射或反应溅射技术生长。
如图14，旋涂光刻胶206，光刻和刻蚀第一金属氧化物半导体层205，再采用丙酮超声去除光刻胶206后，在栅介质层204上得到与两个栅电极202a中的一个栅电极202a对应的有源区图形，为第一有源区205a图形。第一有源区205a图形为开关薄膜晶体管有源区图形或者探测薄膜晶体管有源区图形。在本实施例中为探测薄膜晶体管有源区图形。有源区的中部为沟道区，两边为源、漏区。
如图15，在栅介质层204和第一有源区205a图形上磁控溅射生长第二金属氧化物半导体层220，第二金属氧化物半导体层220与第一金属氧化物半导体层205为不同的材料。第二金属氧化物半导体层220的材料为非晶或多晶的金属氧化物半导体薄膜，厚度为50nm。材料为氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、铝参杂氧化锌(AZO)、铟掺杂氧化锌(IZO)、硼掺杂氧化锌(BZO)、镁掺杂氧化锌(MZO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化镓锌(GZO)、氧化铟锡(ITO)等，并采用直流或射频磁控溅射或反应溅射技术生长。
如图16，采用光刻技术，光刻和蚀刻第二金属氧化物半导体层220，形成与两个栅电极202a中的另一个栅电极202a对应的第二有源区220a图形。第二有源区220a图形为探测薄膜晶体管有源区图形或者开关薄膜晶体管有源区图形。在本实施例中为开关薄膜晶体管有源区图形。
如图17，淀积一连续的导电层207覆盖第一有源区205a和第二有源区220a。
如图18，旋涂光刻胶208，光刻和刻蚀导电层207(如图17)，去除沟道区上方的导电层207，并保留第一有源区205a和第二有源区220a之间的导电层207，使得开关薄膜晶体管的漏极207a和探测薄膜晶体管的源极207b相连。
如图19，淀积覆盖第一有源区205a和第二有源区220a和导电层207的钝化层211。
穿过钝化层制备用于将两个有源区的源、漏区与外界电性连接的接触电极。步骤包括：
如图20，旋涂光刻胶212，光刻和刻蚀钝化层211(如图19)，形成第一至第三接触孔213/214/215，第一至第三接触孔213/214/215分别位于开关薄膜晶体管的源极207c、探测薄膜晶体管的漏极207d和位于第一有源区205a和第二有源区220a中间的连接区，采用丙酮超声去除光刻胶212；
如图21，淀积导电层，并光刻刻蚀，分别形成第一至第三接触电极216/217/218。
如图22，在钝化层211和露出的第一至第三接触电极216/217/218上生长闪烁体层219。
本申请还公开了一种X射线探测仪，包括开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管，开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管上覆盖有闪烁体层，其中开关薄膜晶体管的漏极和探测薄膜晶体管的源极相连,开关薄膜晶体管和探测薄膜晶体管所用的金属氧化物半导体层材料为不同材料。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种可探测X射线的薄膜晶体管制备方法,其特征在于，包括：
在衬底上淀积一层电极层；
光刻和刻蚀所述电极层，形成相隔预定距离的两个栅电极；
在所述栅电极上淀积覆盖两个所述栅电极的栅介质层；
在所述栅介质层上淀积金属氧化物半导体层；
在所述栅介质层上生成分别与两个所述栅电极对应的有源区图形，所述有源区的中部为沟道区，两边为源漏区；
淀积一连续的导电层覆盖两个所述有源区；
光刻和刻蚀所述导电层，去除沟道区上方的所述导电层，并保留两个有源区之间的所述导电层，使得一个有源区的源区和另一个有源区的漏区电性相连；
淀积覆盖两个所述有源区和所述导电层的钝化层；
穿过所述钝化层制备用于将两个所述有源区的源漏区与外界电性连接的接触电极；
在所述钝化层生长闪烁体层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闪烁体的材料为铊掺杂碘化钠、铊掺杂碘化铯、铪酸盐系列、铈激活闪烁体或镥基闪烁体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闪烁体的生长包括由溶液凝胶法、液相外延生长或水热法生长。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闪烁体在X射线照射下其发射波长的能量大于沟道的禁带宽度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个有源区的材料相同，所述在栅介质层上生成分别与两个栅电极对应的有源区图形包括：
在所述栅介质层上淀积金属氧化物半导体层；
采用光刻技术，光刻和蚀刻所述金属氧化物半导体层，形成分别与两个栅电极对应的有源区图形。
6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个有源区的材料不同，所述在栅介质层上生成分别与两个栅电极对应的有源区图形包括：
在所述栅介质层上淀积第一金属氧化物半导体层；
采用光刻技术，光刻和蚀刻所述第一金属氧化物半导体层，形成与两个栅电极中的一个栅电极对应的第一有源区图形；
在所述栅介质层和第一有源区图形上磁控溅射生长第二金属氧化物半导体层，所述第二金属氧化物半导体层与第一金属氧化物半导体层为不同的材料；
采用光刻技术，光刻和蚀刻所述第二金属氧化物半导体层，形成与两个栅电极中的另一个栅电极对应的第二有源区图形。
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