CN115692435A - X光侦测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一X光侦测装置，其包括一基板、一第一晶体管设置在该基板上且包括一硅半导体层、一第二晶体管设置在该基板上且包括一金属氧化物半导体层、一感测元件设置在该第一晶体管与该第二晶体管上且电连接到该第一晶体管与该第二晶体管、一第一阻挡层设置在该第一晶体管与该第二晶体管之间以及一第二阻挡层设置在该第二晶体管与该感测元件之间。本发明的X光侦测装置还可包括一闪烁器，设置在该感测元件上。

Description

X光侦测装置
技术领域
本发明涉及一种X光侦测装置(X-ray detection device)，特别涉及一种包括不同材料的半导体层的X光侦测装置。
背景技术
随着科技日新月异，各种可见光及不可见光的成像技术也广泛地应用于日常生活中。例如，医疗人员常用X光传感器读取影像以进行医疗行为或是企业将X光传感器用于检测商品质量等。现行平板式X光传感器常以晶体管(transistor)所构成的像素阵列当作主要元件。然而，晶体管中的半导体层可能因后续其他制程或之后所制作的膜层特性而受到影响，进而影响X光传感器的准确度。因此，如何设计元件结构以提供具有较佳感测效果的X光传感器，仍为业界需持续研究的议题。
发明内容
本发明提供一种X光侦测装置，其具有两个晶体管与一个感测元件，且X光侦测装置还包括第一阻挡层和第二阻挡层。通过阻挡层的设置可以改善晶体管的半导体层的质量，进而提高晶体管的电性表现，以此以改善X光侦测装置的侦测效果与准确度。
本发明实施例所提供的X光侦测装置包括一基板、一第一晶体管设置在该基板上且包括一硅半导体层、一第二晶体管设置在该基板上且包括一金属氧化物半导体层、一感测元件设置在该第一晶体管与该第二晶体管上且电连接到该第一晶体管与该第二晶体管、一第一阻挡层设置在该第一晶体管与该第二晶体管之间以及一第二阻挡层设置在该第二晶体管与该感测元件之间。本发明的X光侦测装置还可包括一闪烁器，设置在该感测元件上。
附图说明
图1为本发明电子装置的局部元件配置示意图。
图2为本发明X光侦测装置的第一实施例的局部剖面示意图。
图3为本发明X光侦测装置的第二实施例的局部剖面示意图。
图4为本发明X光侦测装置的第三实施例的局部剖面示意图。
图5为本发明X光侦测装置的第四实施例的局部剖面示意图。
图6为本发明X光侦测装置的第五实施例的局部剖面示意图。
图7为本发明X光侦测装置的第六实施例的局部剖面示意图。
图8为本发明X光侦测装置的第七实施例的局部剖面示意图。
图9(A)为本发明X光侦测装置的第八实施例的局部剖面示意图。
图9(B)为图9(A)所示X光侦测装置的一个感侧像素的等效电路图。
图10为本发明X光侦测装置的制程示意图。
附图标记说明：100-X光侦测装置；102-基板；104-第一绝缘层；105-第三绝缘层；106-第二绝缘层；108、116、118-连接元件；110-PIN光电二极管；110a-N型半导体层；110b-本征层；110c-P型半导体层；112-下电极；114-上电极；120、121-平坦层；120a-上表面；122、124、126、128-绝缘层；130、131、132-遮光元件；136-电容电极；140、GE1、GE2、GE3-闸极；150-等效电路；152-信号读取线；502～512-步骤；BL1-第一阻挡层；BL2-第二阻挡层；CH1、CH2、CH3-通道区；D1-第一方向；D2-第二方向；DE1、DE2、DE3-汲极电极；DR1、DR2、DR3-汲极区；ED-电子装置；GI1-第一闸极绝缘层；GI2-第二闸极绝缘层；GL-闸极线；LT、LT’-光线；ML1-第一导电层；ML2-第二导电层；ML3-第三导电层；ML4-第四导电层；ML5-遮光层；PD-光电二极管；PX-感测像素；SCI-闪烁器；SCIa-前表面；SE1、SE2、SE3-源极电极；SR1、SR2、SR3-源极区；SER-感测元件；SL-信号线；SM1-硅半导体层；SM2-金属氧化物半导体层；SM3-半导体层；SW-开关元件；T1-第一晶体管；T2-第二晶体管；T3-第三晶体管；Vcom-共用电压；Vres-重置电压。
具体实施方式
下文结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述，须注意的是，为了使读者能容易了解及图式的简洁，本发明中的多张图式只绘出装置或结构的一部分，且图式中的特定元件并非依照实际比例绘图。此外，图中各元件的数量及尺寸仅作为示意，并非用来限制本发明的范围。
本发明通篇说明书与权利要求中会使用某些词汇来指称特定元件。本领域技术人员应理解，电子设备制造商可能会以不同的名称来指称相同的元件。本文并不意在区分那些功能相同但名称不同的元件。在下文说明书与权利要求书中，“包含”、“具有”与“包括”等词为开放式词语，因此其应被解释为“包括但不限定为…”之意。当在本说明书中使用术语“包含”、“包括”和/或“具有”时，其指定了所述特征、区域、步骤、操作和/或元件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、区域、步骤、操作、元件和/或其组合的存在或增加。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”等的用词，以修饰权利要求的元件，其本身并不意含及代表所述要求元件有任何之前的序数，也不代表某一要求元件与另一要求元件的顺序或是制造方法上的顺序，所述序数的使用仅用来使具有某命名的一要求元件得以和另一具有相同命名的要求元件能作出清楚区分。
以下实施例中所提到的方向用语，例如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前或“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。必需了解的是，为特别描述或图标的元件可以此技术人士所熟知的各种形式存在。此外，当元件或膜层被称为在另一元件或另一膜层上，或是被称为与另一元件或另一膜层连接时，应被了解为所述的元件或膜层是直接位于另一元件或另一膜层上，或是直接与另一元件或另一膜层连接，也可以是两者之间存在有其他的元件或膜层(非直接)。但相反地，当元件或膜层被称为“直接”在另一元件或另一膜层“上”或“直接连接到”另一元件或另一膜层时，则应被了解两者之间不存在有插入的元件或膜层。若文中描述电路上的一第一装置电连接至一第二装置，则代表第一装置可直接电连接第二装置，或第一装置可非直接电连接第二装置。当第一装置直接电连接第二装置时，第一装置与第二装置之间只通过导线或被动元件(例如电阻、电容等)连接，没有其他电子元件连接于第一装置与第二装置之间。
当述及“上”或“之上”时，包括直接接触的情形，或者两者之间亦可能间隔一或更多其它元件，在此情形中，两者之间可能不直接接触。
在本发明中，厚度、长度与宽度的测量方式可以是采用光学显微镜(opticalmicroscopy,OM)测量而得，厚度或长度可以由扫描式电子显微镜(scanning electronmicroscope,SEM)中的剖面影像测量而得，但不以此为限。另外，任两个用来比较的数值或方向，可存在着一定的误差。
于文中，“约”、“实质上”、“大致”的用语通常表示在一给定值或范围的10％内，或5％内、或3％之内、或2％之内、或1％之内、或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”、“实质上”、“大致”的情况下，仍可隐含“约”、“实质上”、“大致”的含义。
须知悉的是，在以下所举实施例中，可以在不脱离本发明的精神下，可将数个不同实施例中的技术特征进行拆解、替换、重组、混合以完成其他实施例。
请参考图1，图1为本发明电子装置的局部元件配置示意图。如图1所示，本发明电子装置ED包括一X光侦测装置100，其中X光侦测装置100可包括多个感测像素所组成的感测阵列，而图1绘示出一个感测像素PX的配置情况。一个感测像素PX可以包括一个开关元件SW与一个感测元件SER，其中感测元件SER电连接于开关元件SW，而开关元件SW举例为晶体管，例如为薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)，包括有闸极(gate)、汲极(drain)与源极(source)，其闸极与汲极可分别电连接于闸极线GL与信号线SL。需注意的是，单一感测像素PX中不限于只包括一个晶体管，例如单一感测像素PX可以包括两个或三个晶体管，但本发明不以此为限。根据本发明，图1所示出的包括X光侦测装置100的电子装置ED可例如为医用X光摄影机，但不以此为限。在变化实施例中，电子装置ED可例如为用以检测产品质量的检测器。感测元件SER举例为光电二极管(photo diode)，但不限于此。
请参考图2，图2为本发明X光侦测装置的第一实施例的局部剖面示意图。本发明X光侦测装置100可以应用于一电子装置ED中，图2示出的X光侦测装置100的局部元件例如对应于图1所示的一个感测像素PX，但不以此为限。图3到图9(A)所示出的本发明其他实施例的X光侦测装置的局部元件也可视为对应于一个感测像素PX，不再赘述。本发明X光侦测装置100包括一基板102以及设置在基板102上的一第一晶体管T1、一第二晶体管T2、一感测元件SER、一闪烁器(scintillator)SCI、一第一阻挡层BL1以及一第二阻挡层BL2。基板102可例如包括硬质基板、可挠曲基板或上述基板的组合，但不以此为限。硬质基板的材料可例如包括玻璃、陶瓷、石英、蓝宝石或上述材料的组合。可挠曲基板的材料可例如包括聚酰亚胺(polyimide，PI)、聚碳酸(polycarbonate，PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate，PET)、其他适合的材料或上述材料的组合。须注意的是，虽然图2示出的基板102为单层结构，但本实施例并不以此为限。在一些实施例中，基板102可包括多层结构，例如包括由有机层/无机层/有机层所形成的堆叠结构。第一晶体管T1与第二晶体管T2各自包括闸极(gate，GE)、通道区(channel region，CH)、源极区(source region，SR)及汲极区(drain region，DR)，而源极区SR及汲极区DR可分别为晶体管的源极与汲极。通道区CH、源极区SR及汲极区DR可由半导体层(semiconductor layer)形成。通道区CH与闸极GE重叠。在一实施例中，可有导体层透过孔洞而电连接于源极区SR与汲极区DR以形成源极电极(SE)与汲极电极(DE)。半导体层可包括硅半导体(Silicon semiconductor)、金属氧化物半导体(Metal oxide semiconductor)、其他合适的材料或前述材料的组合，本发明不限于此。硅半导体可包括非晶硅(Amorphous silicon)半导体、单晶硅(Single crystallinesilicon)半导体、多晶硅(Poly-silicon)半导体或其他合适的材料，本发明不限于此。金属氧化物半导体包括氧化铟镓锌(indium gallium zinc oxide,IGZO)半导体或其他合适的材料，本发明不限于此。于本实施例中，第一晶体管T1的半导体层例如为硅半导体层SM1(例如为低温多晶硅(low-temperature polysilicon,LTPS)半导体层)，第二晶体管T2的半导体层例如为金属氧化物半导体层SM2(例如为氧化铟镓锌半导体层)，本发明不限于此。其中晶体管可以包括底闸极(bottom gate)晶体管、顶闸极(top gate)晶体管、双闸极(doublegate)晶体管或前述晶体管的组合，本发明不限于此。此外，当晶体管包含不同的半导体层时，其源极以及汲极可以互换，本发明不限于此。在图2所示实施例中，硅半导体层SM1位于金属氧化物半导体层SM2与基板102之间，第一晶体管T1的闸极GE1位于第二晶体管T2的闸极GE2与基板102之间，且闸极GE1与闸极GE2分别由第一导电层ML1与第二导电层ML2所构成，而第一晶体管T1的源极区SR1和汲极区DR1位于通道区CH1的两侧并分别电连接于源极电极SE1与汲极电极DE1，第二晶体管T2的源极区SR2和汲极区DR2位于通道区CH2的两侧并分别电连接于源极电极SE2与汲极电极DE2，其中源极电极SE1、源极电极SE2、汲极电极DE1及汲极电极DE2可由相同的第三导电层ML3所构成，但不以为限，例如在变化实施例中，源极电极SE1、源极电极SE2、汲极电极DE1及汲极电极DE2可以由不只一种导电层所构成，或是闸极GE1与闸极GE2由相同的导电层所构成。第一导电层ML1、第二导电层ML2与第三导电层ML3可以包括金属材料，例如分别为一金属层，但不以此为限。源极电极SE1与汲极电极DE1可贯穿第一闸极绝缘层GI1、第一绝缘层104、第一阻挡层BL1、第二闸极绝缘层GI2与第二绝缘层106，以连接硅半导体层SM1的源极区SR1与汲极区DR1。源极电极SE2与汲极电极DE2可贯穿第二绝缘层106与第二闸极绝缘层GI2以连接金属氧化物半导体层SM2的源极区SR2与汲极区DR2，并且汲极电极DE2的一部分还可进一步穿过第一阻挡层BL1与第一绝缘层104而连接一连接元件108，并通过连接元件108而电连接第一晶体管T1的闸极GE1。连接元件108与闸极GE1可由相同的第一导电层ML1所构成。在一些实施例中，连接元件108可与闸极GE1直接连接，但不以此为限。在图2中，第一晶体管T1与第二晶体管T2在平行基板102表面法线方向的第一方向D1上可不互相重叠，也可以说第一晶体管T1与第二晶体管T2为沿着垂直于基板102法线的第一方向D1的一第二方向D2并排，然而本发明的第一晶体管T1与第二晶体管T2的各元件以及两个晶体管之间的相对设置位置并不以上述为限。例如在变化实施例中，第一晶体管T1与第二晶体管T2在第一方向D1上可至少部分重叠。
第一闸极绝缘层GI1、第一绝缘层104、第二闸极绝缘层GI2及第二绝缘层106的材料举例可包含氧化硅，但不以此为限，任何适合的绝缘材料都可应用于上述膜层中。在变化实施例中，第一绝缘层104可包含氮化硅，其优点是氮化硅中包含氢离子，而氢离子可扩散到硅半导体层SM1中，改善第一晶体管T1的电性表现。
感测元件SER设置在第一晶体管T1与第二晶体管T2上，且感测元件SER电连接到第一晶体管T1与第二晶体管T2。需注意的是，虽然图2所示的感测元件SER在剖面图或是基板102的第一方向D1上没有与第一晶体管T1或第二晶体管T2重叠，但本发明的结构并不以图2为限，“感测元件SER设置在第一晶体管T1与第二晶体管T2上”可以包括在第一方向D1上感测元件SER分别与第一晶体管T1或第二晶体管T2至少部分重叠或不重叠的情况。此外，感测元件SER举例可包括PIN光电二极管110，例如为非晶硅光电二极管、多晶硅光电二极管、单晶硅光电二极管或其他适合的感测元件，但不以此为限。PIN光电二极管110可包括N型半导体层110a、本征层110b及P型半导体层110c，感测元件SER的下电极112位于PIN光电二极管110下侧，且可以通过连接元件116而电连接于第二晶体管T2的汲极电极DE2，如图2中所示，其中下电极112与连接元件116可由相同的第四导电层ML4所构成，但本发明不以上述为限，下电极112也可以其他形式或结构而电连接于第二晶体管T2。感测元件SER的上电极114位于PIN光电二极管110上侧，可以电连接于连接元件118。X光侦测装置100还可选择性地包括覆盖感测元件SER的平坦层120，其中连接元件118的一部分可位于平坦层120上，另一部分可穿过部分的平坦层120而与感测元件SER的上电极114电连接，但不以此为限。平坦层120的材料可以包含丙烯酸基聚合物(acrylic-based polymer)、硅氧烷基聚合物(Siloxane-based polymer)及环氧基聚合物(Epoxy-based polymer)或其他合适的材料或前述材料的组合，但本发明不限于此。闪烁器SCI设置在感测元件SER上，例如可设置于平坦层120上。闪烁器SCI能将射入X光侦测装置100的X光转换成可见光或是其他能使感测元件SER产生光电流的光线，如图2所示，例如闪烁器SCI可将X光转换成可见光，表示X光的光线LT可以从闪烁器SCI的前表面SCIa进入闪烁器SCI，经闪烁器SCI转换成表示可见光的光线LT’，而感测元件SER能接收到至少部分的光线LT’。闪烁器SCI举例为包括铊掺杂碘化铯微柱状结构(microcoluminar thallium doped caesium iodide(CsI:Tl))，但不以此为限。此外，闪烁器SCI与感测元件SER之间也可设置其他层叠，例如绝缘层、介电层或金属薄膜等，但本发明不限于此。在变化实施例中，X光侦测装置100也可不包括闪烁器SCI，由感测元件SER直接接收由外部入射的光线。本发明感测元件SER与闪烁器SCI的结构和相对设置关系不以上述为限，且可应用于本发明其他各实施例，不再赘述。
再者，如图2所示，第一阻挡层BL1设置在第一晶体管T1与第二晶体管T2之间，第二阻挡层BL2设置在第二晶体管T2与感测元件SER之间，其中第一晶体管T1与第二晶体管T2在第一方向D1上可以重叠或不重叠。第一阻挡层BL1与第二阻挡层BL2包含绝缘材料，例如第一阻挡层BL1可包含氧化硅(SiOx)，而第二阻挡层BL2可包含氧化硅、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅或上述的组合，但不以此为限。须注意的是，第一阻挡层BL1与第二阻挡层BL2在膜层材料、密度、厚度、制程条件(例如制程温度)及氢浓度等参数中至少其中一者会彼此不相同，本发明通过此些参数的变化设计，能使第一阻挡层BL1与第二阻挡层BL2分别具有不同的特性，以改善X光侦测装置100的感测表现。以下将详述第一阻挡层BL1与第二阻挡层BL2各参数范围及设计原因。
根据本发明，由于第一晶体管T1包括硅半导体层SM1，当第一绝缘层104有较高的氢浓度时，可让第一绝缘层104中的氢离子扩散至硅半导体层SM1，而可改善硅半导体层SM1的特性。例如第一绝缘层104可包括氮化硅或有较高氢浓度的氧化硅。然而，因为需减少第一绝缘层104中的氢离子因扩散而进入第二晶体管T1的金属氧化物半导体层SM2，影响其半导体特性，因此本发明设计在第一晶体管T1与第二晶体管T2之间设置第一阻挡层BL1，例如使第一阻挡层BL1设置在硅半导体层SM1与金属氧化物半导体层SM2之间，或是设置在第一绝缘层104与金属氧化物半导体层SM2(或第二晶体管T2)之间，以减少第一绝缘层104的氢离子扩散进入金属氧化物半导体层SM2的情况。因此，第一阻挡层BL1相较第一绝缘层104应具有较低氢浓度且成膜密度较高等特性。举例而言，第一阻挡层BL1的制程温度较高，其范围为约摄氏300度到360度，氢浓度的重量百分比范围为约2％到5％，例如为2％、2.5％、3％、4％或5％，而厚度范围为约80纳米(nm)到200纳米，例如为80纳米、120纳米或150纳米，但第一阻挡层BL1的膜层参数不以上述为限。
另一方面，在感测元件SER的制程中会通入硅甲烷(silane,SiH4)气体，为了降低金属氧化物半导体层SM2受到影响，本发明的第二阻挡层BL2也具有参数条件，例如相较于第一阻挡层BL1而言，第二阻挡层BL2应具有较低的制程温度、较低的密度、较大的厚度及/或较高的氢浓度等特性。换言之，第二阻挡层BL2的氢浓度大于第一阻挡层BL1的氢浓度，第一阻挡层BL1的密度大于该第二阻挡层BL2的密度，第一阻挡层BL1的厚度小于第二阻挡层BL2的厚度。举例而言，第二阻挡层BL2的制程温度范围为摄氏约180度到240度，第二阻挡层BL2的密度较第一阻挡层BL1的密度低约0.1-1.0g/cm3，第二阻挡层BL2的氢浓度范围为约5％到11％，例如为5％、6％、7％、8％、9％、10％或11％，其膜层的厚度范围为约200纳米到500纳米，例如为200纳米、250纳米、300纳米、400纳米或500纳米，但本发明的第二阻挡层BL2的各参数并不以上述举例为限。
上述膜层的密度例如可以X光反射(X-ray reflection,XRR)方法或穿透式电子显微镜(Transmission Electron microscopy,TEM)测量，但本发明不限于此。X光反射方法可使用高解析X光绕射分析仪进行测量，例如使用机台(但不限于)Bruker Discover，其利用X光全反射的特性可以测量多/单层膜层样品的厚度、接口粗糙度与电子密度。举例而言，进行膜层的密度测量时，试片的厚度可在300纳米或300纳米以下，并且在试片剖面的情况下，从膜层中间取一点测量而可得该膜层的密度。上述膜层的厚度也可使用TEM测量，例如直接从TEM剖面摄影图测量膜层的厚度。测量点可以由阻挡层对应半导体层的任一位置来测量。上述的膜层中氢浓度测量举例为使用X射线光电子能谱(X-ray photoelectronspectroscopy，XPS)、化学分析用电子能谱(Electron Spectroscopy for ChemicalAnalysis,ESCA)、Time of Flight-secondary ion mass spectrometry(TOF-SIMS)或Hydrogen Forward Scattering(HFS)方法测量。在TOF-SIMS方法中，例如使用机台(但不限于)nanoTOF II，可先对膜层提供铋(Bi)3+离子束，再分析测量样品因离子束所产生的二级离子。在HFS方法中，机台举例(但不限于)ERDA，例如先对膜层提供氦(He)++离子束，再分析测量样品被离子束轰击所产生的扩散氢离子或氦离子。在XPS/ESCA分析方法中，例如使用机台(但不限于)ESCALAB Xi+，使X光入射到样品表面，再从样品表面捕捉逃逸的电子能量，以计算氢浓度。本发明测量膜层的密度、厚度与氢浓度的方法并不以上述为限。
此外，本发明X光侦测装置100还可包括绝缘层122设置在基板102与第一晶体管T1之间。绝缘层122的氢浓度可大于第二阻挡层BL2的氢浓度，也可大于第一阻挡层BL1的氢浓度。绝缘层122的密度可小于第一阻挡层BL1的密度。绝缘层122可用来作为缓冲层，在制作硅半导体层SM1时，可降低由基板102渗透而入的水气或氧气持续扩散的情形，降低水气或氧气影响晶体管的特性。绝缘层122可以为单层或多层结构，不限于图2所示的一层结构。若绝缘层122为单层结构时，绝缘层122的材料例如包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或上述的组合，但不以上述为限。若绝缘层122为多层结构时，可以不同材料交互堆叠而成，但本发明不限于此。
根据本发明，第一阻挡层BL1的设置可减少其下方膜层的氢离子扩散至金属氧化物半导体层SM2中，降低金属氧化物半导体层SM2受到影响。第二阻挡层BL2的设置也可降低在制作感测元件SER时氢离子扩散到金属氧化物半导体层SM2的问题。因此，在第一阻挡层BL1与第二阻挡层BL2的设置下，能改善不同晶体管的电性表现。另一方面，本发明X光侦测装置100包含不同半导体材料的晶体管，因此可依据其特性而作为感测像素中不同的电子元件，以提高感测像素的感测效果。
须注意的是，图2仅示例性地示出本发明X光侦测装置第一实施例的局部元件的剖面结构，而本发明的X光侦测装置并不以图2所示为限，下文中将介绍本发明X光侦测装置的其他实施例或变化实施例。为了简化说明，下述实施例中相同的膜层或元件会使用相同的标注，且其特征不再赘述，而各实施例之间的差异将会于下文中详细描述。
请参考图3，图3为本发明X光侦测装置的第二实施例的局部剖面示意图。本实施例与第一实施例的不同处主要在于，图3的X光侦测装置100包括两层绝缘层位于硅半导体层SM1与金属氧化物半导体层SM2之间，以及包括两层缓冲层位于基板102与硅半导体层SM1之间。如图3所示，第一绝缘层104与第三绝缘层105依序设置在硅半导体层SM1上，可以作为层间介电层，由第三导电层ML3所形成的源极电极SE1与汲极电极DE1可贯穿第一绝缘层104与第三绝缘层105。举例而言，第一绝缘层104的材料可包含氧化硅，第三绝缘层105的材料可包含氮化硅，但不此为限，第一绝缘层104与第三绝缘层105的材料也可以互换。当第一绝缘层104或第三绝缘层105包含氮化硅时，其氢离子可以往下扩散到硅半导体层SM1中，而能改善第一晶体管T1的电性表现。此外，绝缘层122和绝缘层124位于第一晶体管T1与基板102之间，可提供缓冲功能而可减少由基板102下方渗透进来的水气及/或氧气。绝缘层122和绝缘层124的材料例如包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或上述的组合，但不以上述为限。绝缘层122和绝缘层124可包括不同的材料，例如绝缘层122包括氮化硅，绝缘层124包括氧化硅，但不以此为限。绝缘层124的氢浓度可大于第二阻挡层BL2的氢浓度。本实施例中关于第一绝缘层104、第三绝缘层105、绝缘层122和绝缘层124的设置与材料可应用在其他实施例中，不再赘述。再者，图3所示的X光侦测装置100的感测元件SER上侧可省略闪烁器SCI(图未示)，光线LT可从平坦层120的上表面120a进入感测元件SER，此处光线LT可以为可见光或任何能使感测元件SER产生光电流的光线。需注意的是，本实施例的变化实施例仍可以包括设置在感测元件SER上侧的闪烁器SCI及/或位于闪烁器SCI与感测元件SER之间的绝缘层。上述闪烁器SCI以及位于闪烁器SCI与感测元件SER之间的绝缘层可以应用在本发明后续其他实施例中，其功能与材料可参考第一实施例，不再赘述。
请参考图4，图4为本发明X光侦测装置的第三实施例的局部剖面示意图。相较于图3所示实施例，图4所示的X光侦测装置还包括一平坦层121设置在感测元件SER与第二阻挡层BL2之间。平坦层121的设置可以提供较平坦的表面，可改善感测元件SER的制程及/或特性。并且，虽然图4所示的各绝缘层和阻挡层具有平坦的上、下表面，但实际上这些绝缘层或阻挡层的膜层可能会随着其下侧的图案化膜层或电性元件的图案而有高低起伏，因而上表面将可能不平坦。本实施例中设置在第二阻挡层BL2上的平坦层121可以提供一个较平坦的上表面，以使感测元件SER设置在较平坦的平面上。平坦层121的材料可包含如前所述的平坦层120，且其材料可以相同或不同于平坦层120。
请参考图5，图5为本发明X光侦测装置的第四实施例的局部剖面示意图。与图2和图3相较，图5所示X光侦测装置100包含一绝缘层126设置在绝缘层122与硅半导体层SM1之间，其材料例如包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或上述的组合，但不以此为限。绝缘层126可以降低从X光侦测装置100的下侧(即背侧)或基板102渗透的水气及/或氧气，降低水气及/或氧气对元件的损害。根据本实施例，绝缘层126的氢浓度大于第一阻挡层BL1的氢浓度，绝缘层126的密度低于第一阻挡层BL1的密度，当绝缘层126的氢浓度大于第一阻挡层BL1的氢浓度且绝缘层126的密度小于第一阻挡层BL1的密度时，可减少由基板102渗透进来的水气及/或氧气，另可减少制程时间(tact time)，降低制造成本。本实施例中的绝缘层126可以应用在本发明的其他实施例中，不再赘述。再者，图5所示X光侦测装置100还可包含一绝缘层128设置在感光元件SER上，绝缘层128可包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或上述的组合，但不以此为限。绝缘层128可以当作第三阻挡层，以降低水氧及/或氧气从外部渗透，亦即可减少从X光侦测装置100的外部(例如上侧)渗透的水气及/或氧气。根据本实施例，当绝缘层128的氢浓度小于第二阻挡层BL2的氢浓度，绝缘层128的密度大于第二阻挡层BL2的密度时，绝缘层128可降低水气及/或氧气的渗透情形。本实施例中的绝缘层128可以应用在本发明的其他实施例中，不再赘述。
请参考图6，图6为本发明X光侦测装置的第五实施例的局部剖面示意图。与图3所示实施例相较，图6中的X光侦测装置100还包括一遮光元件130设置在平坦层120和第二阻挡层BL2之间，遮光元件130例如在第一方向D1上可与第一晶体管T1至少部分重叠或是与第一晶体管T1全部重叠，而可减少光线从X光侦测装置100上方入射进入第一晶体管T1，改善第一晶体管T1的电性表现。遮光元件130可以与感测元件SER的下电极112由相同的第四导电层ML4所构成，亦即可以由同一道图案化制程，一起形成感测元件SER的下电极112与遮光元件130，但本发明不限于此。在图6中，遮光元件130可与连接元件116直接电连接，但本发明不以此为限，在变化实施例中，遮光元件130也可不与连接元件116电连接，例如(但不限于)遮光元件130可为浮接状态(floating)。由于第四导电层ML4与第一晶体管T1的距离较远，因此使用第四导电层ML4形成遮光元件130时，遮光元件130与第一晶体管T1之间的耦合(coupling)效应较小，形成较小的耦合电容，较不会影响第一晶体管T1特性。本实施例的遮光元件130可应用于本发明其他实施例中，不再赘述。
请参考图7，图7为本发明X光侦测装置的第六实施例的局部剖面示意图。与图4所示实施例相较，图7的X光侦测装置100还包括一遮光层ML5设置在平坦层121与第二阻挡层BL2之间，其中图案化的遮光层ML5可包括遮光元件131与遮光元件132，分别在第一方向D1上与第二晶体管T2和第一晶体管T1至少部分重叠，例如遮光元件131可在第一方向D1上与金属氧化物半导体层SM2至少部分重叠，遮光元件132可在第一方向D1上与硅半导体层SM1至少部分重叠。遮光元件131与遮光元件132可以降低或减少从X光侦测装置100上方入射的光线，减少第二晶体管T2和第一晶体管T1因照光而受到的影响。遮光层ML5可以包括导电材料，例如为金属层，此时遮光元件131与遮光元件132可以为浮接状态而不电连接到其他元件。遮光层ML5也可以为绝缘材料，例如为高分子材料或是包含黑色素的有机材料。在某些实施例中，遮光层ML5例如可以为黑色矩阵层。遮光层ML5的材料不以上述为限。本实施例的遮光层ML5可应用于本发明其他实施例中，不再赘述。
请参考图8，图8为本发明X光侦测装置的第七实施例的局部剖面示意图。与图6所示的结构相较，图8的X光侦测装置100包括一电容电极136，位于感测元件SER的下电极112的下侧，且第二阻挡层BL2设置于下电极112与电容电极136之间，因此电容电极136、下电极112以及介于电容电极136与下电极112之间的第二阻挡层BL2可以形成电容。本实施例中的电容电极136可以由第三导电层ML3所构成，在形成源极电极SE1、源极电极SE2、汲极电极DE1和汲极电极DE2时一并形成电容电极136，但不以此为限。电容电极136可应用于本发明其他实施例中，不再赘述。
请参考图9(A)与图9(B)，图9(A)为本发明X光侦测装置的第八实施例的局部剖面示意图，图9(B)为图9(A)所示X光侦测装置的一个感测像素PX的等效电路图。与图3相比，图9(A)所示的X光侦测装置100还包括一第三晶体管T3。第三晶体管T3包括闸极GE3、通道区CH3、源极区SR3及汲极区DR3，源极区SR3与汲极区DR3可分别为第三晶体管的源极与汲极。通道区CH3、源极区SR3及汲极区DR3可由半导体层SM3形成，其中通道区CH3与闸极GE3重叠。例如图9(A)所示的实施例，第三导电层ML3的一部分可通过孔洞而电连接于源极区SR3与汲极区DR3以形成源极电极SE3与汲极电极DE3。换言之，源极电极SE3与汲极电极DE3可贯穿第二闸极绝缘层GI2与第二绝缘层106，以连接半导体层SM3的源极区SR3与汲极区DR3。第三晶体管T3的半导体层SM3可包括硅半导体、金属氧化物半导体、其他合适的材料或前述材料的组合，本发明不限于此，其中硅半导体与金属氧化物半导体的材料举例请参考前述有关第一晶体管T1与第二晶体管T2的叙述，不再赘述。在本实施例中，第三晶体管T3的半导体层SM3例如为金属氧化物半导体层，但不以此为限。第三晶体管T3可以包括底闸极晶体管、顶闸极晶体管、双闸极晶体管或前述晶体管的组合，本发明不限于此。第三晶体管T3的闸极GE3和第二晶体管T2的闸极GE2可皆由第二导电层ML2所构成，第三晶体管T3和第二晶体管T2的半导体层(即半导体层SM3与金属氧化物半导体层SM2)可由同一制程步骤所构成，第三晶体管T3所对应的源极电极SE3和汲极电极DE3可以和第二晶体管T2所对应的源极电极SE2和汲极电极DE2或第一晶体管T1所对应的源极电极SE1和汲极电极DE1由相同的第三导电层ML2所构成，但不限于此。源极电极SE3可直接电连接汲极电极DE1，但不以为限。再者，第一导电层ML1还可选择性的包含闸极140设置在闸极GE3与基板102之间，闸极140可电连接于闸极GE3，且闸极140可与闸极GE3同时作为第三晶体管T3的闸极，例如闸极140为下闸极，闸极GE3为上闸极，且闸极140与闸极GE3的其中一个可电连接到控制线以开启/关闭第三晶体管T3。本实施例中的闸极140可以和闸极GE1一同由第一导电层ML1所构成，且当闸极140包含不透明材料时，还可以作为遮光元件，降低或减少从基板102下侧入射的光线，降低光线对半导体层SM3的影响。然而，本发明的闸极140的设置位置与形成膜层不以图9(A)所示为限，在变化实施例中，闸极140例如可以设置在第一阻挡层BL1与第三绝缘层105之间或是设置在第三绝缘层105与第一绝缘层104之间，并以其他导电层所构成，但本发明不以上述为限。
图9(B)所示的一个感测像素PX的等效电路150，大致对应于图9(A)所示的元件，其中第二晶体管T2可作为感测像素PX中的重置(reset)元件，其源极可被提供一重置电压Vres，而汲极与感测元件SER的下电极和第一晶体管T1的闸极电连接。第一晶体管T1可作为感测像素PX中的放大(amplify)元件，作为放大器使用，其源极可被提供一共用电压Vcom或工作电压，第一晶体管T1的汲极可电连接第三晶体管T3的源极。第三晶体管T3可作为感测像素PX中的读取(readout)元件，其中第三晶体管T3的汲极可电连接信号读取线152或信号读取单元(图未示)，由信号读取线152输出经第一晶体管T1放大的输出信号，亦即输出电流Id供信号读取单元进行信号解析。
根据本发明，作为重置元件的第二晶体管T2可包含金属氧化物半导体层，其优点是低漏电及/或归零准确，因此可以提高感测像素PX其侦测光线强度的准确度，如图9(A)所示的金属氧化物半导体层SM2。另一方面，第一晶体管T1可包括硅半导体层，而第三晶体管T3可包括金属氧化物半导体层或是硅半导体层。在图9(A)所示结构中，第一晶体管T1的主动层例如为硅半导体层SM1，由于硅半导体层SM1的电子迁移率(mobility)较高，因此能提高信噪比，进而提高侦测光线的灵敏度；而第三晶体管T3的主动层(即半导体层SM3)例如为金属氧化物半导体层，可以形成低漏电的晶体管，能降低读取信号的错误率。
请参考图10，图10为本发明X光侦测装置的制程示意图。根据本发明，X光侦测装置100的制作方法大致可包括以下步骤：
步骤502：提供一基板。例如提供如前述实施例中的基板102。
步骤504：形成一半导体层。例如在基板102上形成图案化的硅半导体层SM1，其中硅半导体层SM1的图案可至少对应于预定制作的第一晶体管T1的主动区。
步骤506：在半导体层上形成一第一阻挡层。例如在硅半导体层SM1上形成第一阻挡层BL1，其中在形成第一阻挡层BL1之前，可以在硅半导体层SM1上先形成第一闸极绝缘层GI1、图案化的第一导电层ML1和第一绝缘层104，但不以此为限。
步骤508：在基板上形成一半导体层。例如在形成第一阻挡层BL1之后，于基板102上形成图案化的金属氧化物半导体层SM2，其中金属氧化物半导体层SM2的图案可至少对应于预定制作的第二晶体管T2的主动区。在一些实施例中，本步骤的金属氧化物半导体层SM2可形成在步骤506中形成的第一阻挡层BL1之上，但不以此为限。
步骤510：在步骤508形成的半导体层上形成一第二阻挡层。例如在金属氧化物半导体层SM2上形成第二阻挡层BL2，其中在形成第二阻挡层BL2之前，可以在金属氧化物半导体层SM2上先形成第二闸极绝缘层GI2、图案化的第二导电层ML2和第二绝缘层106及第三导电层ML3，但不以此为限。
步骤512：形成一感测元件。例如在第二晶体管T2上形成感测元件SER，而感测元件SER可以包括光电二极管，但不以此为限。
在上述步骤中，可利用电浆增强化学气相沉积(PECVD)、电浆增强原子层沉积(PEALD)或金属有机原子层沉积(MOALD)制程来制作第一阻挡层和第二阻挡层，且在制程中可通入SiH4气体，并可使用射频(radio frequency,RF)功率产生器(power generator)作为电浆源。在一些实施例中，第一阻挡层制程中的一第一SiH4参数可小于第二阻挡层制程中的一第二SiH4参数，上述的SiH4参数例如包括SiH4的单位时间气体流量，其中SiH4的单位时间气体流量越大时，所形成膜层的氢浓度越高。举例而言，第一阻挡层的SiH4的流量的范围为200～800每分钟标准立方厘米(standard cubic centimeter per minute，sccm)，例如200每分钟标准立方厘米、300每分钟标准立方厘米、400每分钟标准立方厘米、600每分钟标准立方厘米或800每分钟标准立方厘米；第二阻挡层的SiH4的流量的范围为801～2400每分钟标准立方厘米，例如1000每分钟标准立方厘米、1200每分钟标准立方厘米、1600每分钟标准立方厘米或2400每分钟标准立方厘米，但本发明不以上述为限。在一些实施例中，第一阻挡层制程中的一第一RF功率参数可大于第二阻挡层制程中的一第二RF功率参数，上述的RF功率参数与电浆强度成正比，当电浆强度越强时，所形成的膜层的致密性越高，则形成的膜层的密度越高。
由上述可知，本发明X光侦测装置包括两个晶体管和一感测元件，其中两个晶体管可分别包括不同材料的半导体层，例如一个为硅半导体层，而另一个为金属氧化物半导体层，且此两种不同材料的半导体层之间设有一阻挡层，而感测元件与晶体管之间也可设有另一阻挡层。通过阻挡层的设置以及调整两个阻挡层的制程参数及/或膜层参数，可以对半导体层提供保护功能或改善半导体层的电性表现，例如能减少氢离子扩散至金属氧化物半导体层，或是改善硅半导体层的特性，进而分别改善不同晶体管的电性表现。另一方面，包含不同半导体材料的晶体管可依据其特性被选择作为感测像素中的重置元件、放大元件或读取元件或是其他功能的晶体管，以提高感测像素的准确度。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种X光侦测装置，其特征在于，包括：
一基板；
一第一晶体管，设置在该基板上且包括一硅半导体层；
一第二晶体管，设置在该基板上且包括一金属氧化物半导体层；
一感测元件，设置在该第一晶体管与该第二晶体管上，且电连接到该第一晶体管与该第二晶体管；
一闪烁器，设置在该感测元件上；
一第一阻挡层，设置在该第一晶体管与该第二晶体管之间；以及
一第二阻挡层设置在该第二晶体管与该感测元件之间。
2.根据权利要求1所述的X光侦测装置，其特征在于，该第二阻挡层的氢浓度大于该第一阻挡层的氢浓度。
3.根据权利要求2所述的X光侦测装置，其特征在于，还包括一绝缘层设置在该第一晶体管与该基板之间，且该绝缘层的氢浓度大于该第二阻挡层的氢浓度。
4.根据权利要求1所述的X光侦测装置，其特征在于，该第一阻挡层的密度大于该第二阻挡层的密度。
5.根据权利要求1所述的X光侦测装置，其特征在于，该第一阻挡层的厚度小于该第二阻挡层的厚度。
6.根据权利要求1所述的X光侦测装置，其特征在于，该第一阻挡层的材料包括氧化硅。
7.根据权利要求1所述的X光侦测装置，其特征在于，该第二阻挡层的材料包括氧化硅、氮化硅或氧化硅与氮化硅的组合。
8.根据权利要求1所述的X光侦测装置，其特征在于，该感测元件为PIN光电二极管。
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