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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiter-Bildaufnehmer und spezieller auf einen Speicherkondensatorentwurf
für Halbleiter-Bildaufnehmer.
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Halbleiter-Strahlungsbildaufnehmer
weisen typischerweise eine Bildaufnehmereinrichtung in Form einer
großen
flachen Platte auf, die eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten
angeordneten Pixeln enthält.
Jedes Pixel weist typischerweise einen über einen Schalttransistor
(z.B. einen Dünnschichtfeldeffekttransistor)
mit zwei getrennten Adressleitungen, einer Abtastleitung und einer
Datenleitung, gekoppelten Fotosensor, wie z.B. eine Fotodiode auf.
In jeder Pixelzeile ist jeder entsprechende Schalttransistor über die
Gate-Elektrode dieses Transistors mit einer gemeinsamen Abtastleitung
verbunden. In jeder Pixelspalte ist die Ausleseelektrode des Transistors (z.B.
die Source-Elektrode
des Transistors) mit einer Datenleitung verbunden. Während des
Nennbetriebs wird Strahlung (wie z.B. ein Röntgenstrahlenfluss) eingeschaltet
und die Röntgenstrahlen,
die durch das zu untersuchende Objekt laufen, fallen auf dem Bildaufnehmerfeld
ein. Die Strahlung fällt
auf ein Szintillatormaterial ein und die Fotosensoren der Pixel
messen (über
eine Änderung
der Ladung über
der Diode) die durch Wechselwirkung des Röntgenstrahls mit dem Szintillator
erzeugte Lichtmenge. Alternativ können die Röntgenstrahlen in dem Fotosensor
direkt Elektron-Loch-Paare er zeugen (gewöhnlich als „direkte Erfassung" bezeichnet). Die
Ladungsdaten des Fotosensors werden ausgelesen, indem die Pixelzeilen
(durch Anlegen eines Signals an die Abtastleitung, das die an die
Abtastleitung angeschlossenen Schalttransistoren leitend werden
lässt)
sequentiell aktiviert werden und das Signal von den entsprechenden
so aktivierten Pixeln über
die entsprechenden Datenleitungen (das über den leitenden Schalttransistor
und die zugehörige,
an die Datenleitung angeschlossene Ausleseelektrode an die Datenleitung
angeschlossene Fotodiodenladungssignal) gelesen wird. Auf diesem
Wege kann ein gegebenes Pixel durch eine Kombination aus der Aktivierung
einer mit dem Pixel verbundenen Abtastleitung und dem Auslesen an
der mit dem Pixel verbundenen Datenleitung angesprochen werden.
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Ein
Problem bei solchen Halbleiter-Strahlungsbildaufnehmern ist der
begrenzte dynamische Bereich. Typischerweise kann der dynamische
Bereich durch Vergrößern der
Diodenvorspannung und der Diodenkapazität vergrößert werden. Ein Vergrößern der
Diodenvorspannung führt
allgemein zu einem erhöhten
Diodenleckstrom und FET-Leckstrom, wenn die Diode nahe bei oder
oberhalb der Sättigung betrieben
wird und kann eine hohe Transistorgate-Steuerspannung erfordern,
um den Leckstrom zu verringern. Eine andere typische Lösung, um
den dynamischen Bereich zu erhöhen
ist es, die Diodenkapazität
zu erhöhen.
Eine Erhöhung
der Diodenkapazität
kann eine dünnere
Eigenleitungsschicht der Diode erfordern, weil die Diodenkapazität umgekehrt proportional
zur Dicke der Diode ist. Das Reduzieren der Dicke der i-Schicht der Diode
führt zu
höheren Leckströmen, was
unerwünscht
ist.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
einen vergrößerten dyna mischen
Bereich für
den Detektor zu schaffen, ohne den Diodenleckstrom, den FET-Leckstrom
und die Zahl der Pixelkurzschlüsse
zu erhöhen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
einer Ausführungsform
schafft die vorliegende Erfindung einen Speicherkondensator zur
Erhöhung
des dynamischen Bereichs eines Bildaufnehmers. Der Bildaufnehmer
weist eine Vielzahl von auf einem Substrat in einem Zeilen und Spalten
aufweisenden Bildaufnehmerfeldmuster angeordneten Pixeln auf, wobei
jedes Pixel einen entsprechenden, an einen entsprechenden Dünnschichtschalttransistor gekoppelten
Fotosensor aufweist. Der Bildaufnehmer weist ferner eine Vielzahl
von auf einer ersten Ebene im Bezug auf das Substrat entlang einer
ersten Achse des Bildaufnehmerfeldmusters angeordneten Abtastleitungen
auf, wobei jede Pixelzeile in dem Bildaufnehmerfeldmuster eine entsprechende Abtastleitung
aufweist, wobei jede der entsprechenden Abtastleitungen für jedes
entlang der entsprechenden Pixelzeile in dem Bildaufnehmerfeldmuster angeordnete
Pixel an die entsprechende Gate-Elektrode eines Dünnschichtschalttransistors
gekoppelt ist. Eine Vielzahl von Datenleitungen ist auf einer zweiten
Ebene im Bezug auf das Substrat entlang einer zweiten Achse des
Bildaufnehmerfeldmusters angeordnet, wobei jede Pixelspalte in dem
Bildaufnehmerfeldmuster eine zugehörige Datenleitung aufweist,
wobei jede der entsprechenden Datenleitungen für jedes entlang der entsprechenden
Pixelspalte in dem Bildaufnehmerfeldmuster angeordnete Pixel an
eine entsprechende Source-Elektrode
in den Dünnschichtschalttransistoren
gekoppelt ist. Jedes Pixel weist ferner einen parallel zu dem Fotosensor angeschlossenen
Speicherkondensator auf, wobei der Speicherkondensator eine Signalelektrode,
eine gemeinsame Kondensatorelektrode und ein zwischen der Kondensatorsignalelektrode
und der gemeinsamen Kondensatorelektrode angeordnetes Dielektrikum
aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen gelesen wird, in denen die gleichen Zeichen überall in
den Zeichnungen die gleichen Teile bezeichnen, wobei:
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1A eine
ebene Ansicht eines Teils eines Bildaufnehmers nach dem Stand der
Technik darstellt,
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1B eine
teilweise Schnittansicht eines Beispielpixels entlang der Linie
I-I in 1A zeigt,
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2 eine
teilweise Schnittansicht eines gemäß einem Aspekt der Erfindung
ausgeführten
Pixels zeigt und
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3 eine
teilweise Schnittansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgeführten
Pixels zeigt, die eine Vielzahl von Durchkontaktierungen und eine
Vielzahl von Ausnehmungen zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Halbleiter-Strahlungsbildaufnehmer 100 weist eine Vielzahl
von Pixeln 110 (ein Beispiel dafür ist in Figur 1A dargestellt)
auf, die in einem matrixartigen, Zeilen und Spalten von Pixeln 110 aufweisenden
Bildaufnehmerfeldmuster angeordnet sind. In einer Ausführungsform
ist der Bildaufnehmer ein Röntgenbildaufnehmer,
jedoch sind die Prinzipien der Erfindung für die Benutzung in anderen
Arten von Strahlungsbildaufnehmern geeignet.
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Zum
Zweck der Darstellung und nicht der Begrenzung weist der Bildaufnehmer 100 eine
erste Achse 101, an der die Pixelzeilen ausgerichtet sind, und
eine zweite Achse 102 auf, an der die Pixelspalten ausgerichtet
sind. Jedes Pixel 110 weist einen Fotosensor 120 und
einen Dünnschichtschalttransistor 130 auf.
Der Fotosensor 120 weist typischerweise eine Fotodiode
auf, die zum Teil aus einer unteren Pixelelektrode 122 zusammengesetzt
ist, die im Wesentlichen dem aktiven (d.h. lichtempfindlichen) Teil der
Einrichtung entspricht. Der Schalttransistor 130 weist
typischerweise einen Dünnschichtfeldeffekttransistor
(FET) auf, der eine Gate-Elektrode 132, eine Drain-Elektrode 134 und
eine Source-Elektrode (oder Ausleseelektrode) 136 aufweist.
Der Bildaufnehmer 100 weist ferner eine Vielzahl von Datenleitungen 140 und
Abtastleitungen 150 (zusammen als Adressleitungen bezeichnet)
auf. Für
jede Pixelzeile in dem Bildaufnehmerfeldmuster ist wenigstens eine Abtastleitung 150 entlang
einer ersten Achse 101 angeordnet. Jede Abtastleitung ist
an die entsprechenden Gate-Elektroden 132 der Pixel in
dieser Pixelreihe angeschlossen. Für jede Pixelspalte in dem Bildaufnehmerfeldmuster
ist wenigstens eine Datenleitung 140 entlang einer zweiten
Achse 102 angeordnet und an die entsprechenden Ausleseelektroden 136 der
Pixel in dieser Pixelspalte angeschlossen.
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Eine
teilweise Schnittansicht eines Pixels 110, das in 1A gezeigt
worden ist, ist in 1B dargestellt. Die Fotodiode 120 weist
eine erste Schicht 121 aus dielektrischem Material, eine
Pixelelektrode 122 und einen Körper 124 aus lichtempfindlichem
Material auf. Die Fotodiode 120 ist über einem Substrat 105 angeordnet.
Die erste Schicht 121 aus dielektrischem Material ist typischerweise
zwischen der Pixelelektrode 122 und dem Substrat 105 angeordnet.
Der Körper 124 aus
lichtempfindlichem Material (typischerweise amorphes Silizium enthaltend)
ist elektrisch mit der gemeinsamen Diodenelektrode 126 verbunden,
die über
dem Bildaufnehmerfeld angeordnet ist. Die gemeinsame Diodenelektrode 126 weist
ein optisch durchlässiges
und elektrisch leitfähiges
Material, wie z.B. Indiumzinnoxid oder ähnliches, auf oder kann alternativ
ein schmaler Streifen eines undurchsichtigen Metalls sein. Eine
zweite Schicht 123 eines dielektrischen Materials, die
typischerweise Siliziumnitrid oder ähnliches enthält, erstreckt
sich über
einen Teil der Seitenwand des Körpers 124 aus
lichtempfindlichem Material und eine dritte dielektrische Schicht 125,
die Polyimid oder ähnliches
enthält,
ist zwischen der gemeinsamen Diodenelektrode 126 und anderen
Komponenten in dem Bildaufnehmerfeld angeordnet (außer für die Kontaktstelle
zum Körper 124 aus
lichtempfindlichem Material durch eine Durchkontaktierung in der
zweiten Schicht 123 aus dielektrischem Material und der dritten
dielektrischen Schicht 125).
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2 ist
eine teilweise Schnittansicht eines Pixels 210 eines Bildaufnehmers
(nicht dargestellt) gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung. Der Bildaufnehmer ist dem in den 1A und 1B dargestellten
Bildaufnehmer 100 ähnlich,
außer
dass der Bildaufnehmer in 2 Pixel
aufweist, die einen parallel zum Fotosensor 205 angeschlossenen
Speicherkondensator 211 aufweisen. Der Speicherkondensator
erhöht
den dynamischen Bereich des Bildaufnehmers. Der Bildaufnehmer weist
eine Vielzahl von auf einem Substrat in einem Bildaufnehmerfeldmuster
angeordneten Pixeln 210 auf, die Zeilen und Spalten aufweisen.
In einer Ausführungsform
ist das Substrat Glas. Jedes Pixel weist einen entsprechenden Fotosensor 205 auf,
der an einen entsprechenden Dünnschichtschalttransistor 230 angeschlossen ist.
Eine dielektrische Schicht 225 ist zwischen dem Fotosensor
und anderen Komponenten des Pixels angeordnet. Der Dünnschichttransistor
ist an die Datenleitung 140 angeschlossen.
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Wie
oben erwähnt,
weist das Pixel 110 einen mit dem Fotosensor 205 parallel
geschalteten Speicherkondensator 211 auf. Der Speicherkondensator weist
eine Kondensatorsignalelektrode 216, eine gemeinsame Kondensatorelektrode 212 und
ein Kondensatordielektrikum 214 auf, das zwischen der Signalelektrode
und der gemeinsamen Kondensatorelektrode, wie in 2 gezeigt,
angeordnet ist. In einer Ausführungsform
besteht die Kondensatorsignalelektrode 216 auf dem selben
Material wie die Gate-Elektrode 217 des Dünnschichttransistors (TFT) 230 und
ist mit dieser gemeinsam produziert worden. In einer weiteren Ausführungsform
weist die Kondensatorsignalelektrode wenigstens zwei leitfähige Schichten
auf. Die leitfähigen
Schichten sind kurzgeschlossen, wobei die Durchkontaktierung 218 zwischen
Source und Metallbeschichtung benutzt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die leitfähige
Schicht 219 verwendet, um sowohl die untere Pixelelektrode
des Fotosensors als auch die Source-Elektrode des TFT 230 zu
bilden. In der dargestellten Ausführungsform sind die Kondensatorsignalelektrode 216 und
die leitfähige
Schicht 219 durch eine Durchkontaktierung 218 zwischen
Source und Metallbeschichtung zusammen geschaltet. Mit anderen Worten,
wird die Kondensatorsignalelektrode mit der Source-Elektrode des Dünnschichtschalttransistors
und der unteren Pixelelektrode des Fotosensors verbunden, wobei
die Durchkontaktierung zwischen Source und Metallbeschichtung benutzt
wird. In der dargestellten Ausführungsform
ist die Source-Gate-Metalldurchkontaktierung nicht unter der Fotodiode 120 oder über der
gemeinsamen Elektrode 212 des Speicherkondensators angeordnet
und die Größe der Durchkontaktierung 218 wird
minimiert, um einen Füllfaktor
des Speicherkondensators und des Fotosensors zu maximinieren. In
einer anderen Ausführungsform
wird die Durchkontaktierung 218 unter der Fotodiode oder über der
Elektrode 212 gebildet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die untere Pixelelektrode 219 kleiner als die Kondensatorsignalelektrode 216,
was sicherstellt, dass die Speicherkapazität durch die Überlappungsfläche von
gemeinsamer Kondensatorelektrode 212, Kondensatorsignalelektrode 216 und
der Dicke des einzelnen Kondensatordielektrikums 214 bestimmt
wird.
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Außerdem wird
das Kondensatordielektrikum 214 sofort durch die aufgebrachte
Kondensatorsignalelektrode 216 bedeckt und ist auf diese
Weise während
der folgenden Verarbeitungsvorgänge
vor Beschädigung
geschützt,
die unter Umständen
Kurzschlüsse
verursachen könnte.
In einer beispielhaften Ausführungsform
enthalten die für
die Signalelektrode 216 und die gemeinsame Kondensatorelektrode 212 verwendeten
Materialien einfache oder mehrfache Schichten aus Molybdän, Chrom,
Tantal, Wolfram, Aluminium oder Titan. Geeignete Dielektrika für die Schicht 214 enthalten
Siliziumnitrid, Siliziumoxid und Siliziumoxinitrid.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist die Kondensatorsignalelektrode 216 größer als
die gemeinsame Kondensatorelektrode 212 des Speicherkondensators.
Indem die größere Kondensatorsignalelektrode 216 benutzt
wird, ist der Speicherkondensator während der anschließenden Verarbeitung vollständiger geschützt und
es ist sichergestellt, dass die Kapazität durch die Fläche der
gemeinsamen Kondensatorelektrode 212 und das dielektrische
Material 214 bestimmt ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Pixels 210 (wie in 2 dargestellt)
ist das Material der gemeinsamen Kondensatorelektrode 212 unter
dem Durchkontaktierungsbereich 220 entfernt worden. Durch
das Entfernen des Materials aus dem Bereich 220 wird die
Gefahr von Kondensatorkurzschlüssen wesentlich
verringert.
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In
einer weiteren, in 3 dargestellten, Ausführungsform
weist das Pixel 210 außerdem
eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 222 zum Verbinden
des Fotosensors 205 mit den Kondensatorsignalelektrode 216 auf.
Die Durchkontaktierungen 222 sind aus der oben auf der
leitfähigen
Schicht 219 aufgebrachten dielektrischen Schicht 225 herausgeätzt worden.
Die Anzahl und der Abstand der Durchkontaktierungen wird auf Grundlage
der Zeitkonstante des Fotosensors bestimmt. Die Ladung wird über die dotierte
Halbleiterschicht (nicht dargestellt) an der Unterseite des Fotosensors 205 in
den Fotosensor hinein und aus diesem heraus transportiert. Der Widerstand
dieser Schicht ist ein zu der RC-Zeitkonstante des Fotosensors beitragender
Faktor. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen 222 gewählt, um
den Widerstand zu bestimmen. Für
medizinische Anwendungen sind Zeitkonstanten gleich oder kleiner
als 10 Mikrosekunden wünschens wert,
und die Zeitkonstante wird durch das RC-Produkt der Bereiche zwischen
den Durchkontaktierungen bestimmt. In einer Ausführungsform sind Abständen zwischen
20 und 40 Mikrometer angemessen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind in den Bereichen unter der Vielzahl von Durchkontaktierungen 222 eine
Vielzahl von Ausnehmungen 224 in die gemeinsame Kondensatorelektrode 212 geätzt worden.
Durch das Einsickern von Ätzmittel
durch Pinöffnungen
in der Kondensatorsignalelektrode verursachte Kondensatorkurzschlüsse werden
vermieden, indem die Ausnehmungen in die gemeinsame Kondensatorelektrode
geätzt
werden. In einer Ausführungsform
ist die Anzahl der kurzgeschlossenen Kondensatoren von über 1000
pro 20 × 20
cm Platte auf weniger als 10 pro Platte verringert worden.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
des Pixels 210 ist der Speicherkondensator unter dem Fotosensor 120 angeordnet.
Der Aufbau des Speicherkondensators unter dem Fotosensor maximiert die
Kondensatorfläche
und dadurch die Kapazität
der Vorrichtung. In einer weiteren Ausführungsform ist der Fotosensor
größer als
die leitfähige
Schicht.
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Die
zuvor beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung haben zahlreiche Vorteile wie maximierte Kondensatorfläche und
maximale Fotosensorfläche,
minimalen Diodenleckstrom und weniger Kondensatorkurzschlüsse.
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Während nur
bestimmte Eigenschaften der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben
worden sind, werden Fachleuten viele Modifikationen und Veränderungen
einfallen. Es versteht sich daher, dass die angefügten Ansprüche alle
solche Modifikationen und Änderungen
umfassen sollen, soweit sie unter den wahren Geist der Erfindung
fallen.
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- 100
- Bildaufnehmer
- 101
- erste
Achse
- 102
- zweite
Achse
- 110
- Pixel
- 120
- Fotosensor
- 123
- zweite
dielektrische Materialschicht
- 125
- dritte
dielektrische Schicht
- 130
- Dünnschichtschalttransistor
- 132
- Gate-Elektrode
- 134
- Drain-Elektrode
- 136
- Source-Elektrode
- 140
- Datenleitung
- 150
- Abtastleitung
- 205
- Fotosensor
- 210
- Pixel
- 211
- Speicherkondensator
- 212
- Kondensatorelektrode
- 214
- Dielektrikum
- 216
- Kondensatorsignalelektrode
- 217
- Gate-Elektrode
- 218
- Durchkontaktierung
- 219
- Leitfähige Schicht
- 220
- Ausnehmung
- 222
- Durchkontaktierung
- 224
- Ausnehmung
- 225
- Dielektrische
Schicht
- 230
- Dünnschichtschalttransistor