JP2004006780A - 撮像アレイ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】撮像アレイを含む放射線検出器を提供する。
【解決手段】放射線検出器（１８）はトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（２８）を含み、該ＴＦＴはソース電極（５０）、ドレイン電極（５２）、ゲート電極（６６）、第１の誘電体層（５８）及び第２の誘電体層（６２）を含む。第２の誘電体層は第１の誘電体層の表面を覆うように延在する。放射線検出器はまた、少なくとも２つの電極（５４，６８）及び誘電体層を含むキャパシタ（２４）を含んでいる。キャパシタの誘電体層（６４）はＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成される。
【選択図】 図３
【解決手段】放射線検出器（１８）はトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（２８）を含み、該ＴＦＴはソース電極（５０）、ドレイン電極（５２）、ゲート電極（６６）、第１の誘電体層（５８）及び第２の誘電体層（６２）を含む。第２の誘電体層は第１の誘電体層の表面を覆うように延在する。放射線検出器はまた、少なくとも２つの電極（５４，６８）及び誘電体層を含むキャパシタ（２４）を含んでいる。キャパシタの誘電体層（６４）はＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成される。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には撮像アレイに関するものであり、より具体的には撮像アレイ用のピクセルの形成に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
撮像アレイは典型的にはシンチレーション媒体に結合された光センサ・アレイを含んでいる。放射線はシンチレーション媒体に吸収されて光学的な光子を生成し、これらの光子は次いでフォトダイオードのような光センサへ進む。光子は光センサで吸収され、入射光子束に対応する電気信号が発生される。水素化アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）の有利な光電特性により且つこのような装置の製造が比較的容易なことにより、水素化アモルファス・シリコンが光センサの製造に普通使用されている。特に、フォトダイオードのような光検知素子は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のような必要な制御又はスイッチング素子と共に、比較的大きなアレイ（配列体）に形成することができる。放射線検出器及び表示アレイは典型的には大きな基板上に製作され、該基板上には、ＴＦＴ、アドレス線、キャパシタ、及び光センサのような装置を含む多数の構成部品が、導電材料層、半導体材料層及び絶縁材料層の堆積及びパターン形成を用いて形成される。
【０００３】
このようなＴＦＴアレイを製造するための少なくとも１つの公知の製造法は典型的には、ボトム・ゲートＴＦＴとデータ及び走査アドレス線とを製造することを含む。幾種類かの公知のボトム・ゲートＴＦＴでは、底部のゲート金属がチャンネル領域を遮蔽し、すなわち、バック・ライトからの光を阻止する光阻止要素として作用する。ＴＦＴにおいては望ましくない光子の漏れを生じることがあるので、この光阻止層は望ましい。例えば、ディジタルＸ線パネルにおいて、装置の頂部に配置されたシンチレータから光が生成され、従ってＴＦＴ領域は光子に直接に露出される。このため、ＴＦＴチャンネル領域を不所望な光から遮蔽するために余分な光阻止層が必要になり、それに伴って余分なフォトリソグラフィ工程が必要になる。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の一面ににおいては、トップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む放射線検出器が提供され、このトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）はソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、第１の誘電体層及び第２の誘電体層を含む。第２の誘電体層は第１の誘電体層の表面の上に延在する。放射線検出器はまた、少なくとも２つの電極及び誘電体層を含むキャパシタを含んでいる。キャパシタの誘電体層はＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成されている。
【０００５】
本発明の別の面においては、放射線検出器を製造する方法が提供され、本方法は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、第１の誘電体層及び第２の誘電体層を含むトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する工程を含む。第２の誘電体層は第１の誘電体層の表面の上に延在する。本方法はまた、少なくとも２つの電極及び誘電体層を含むキャパシタを形成する工程を含んでいる。キャパシタの誘電体層はＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成する。
【０００６】
本発明の別の面においては、放射線源及び放射線検出器を含む撮像システムが提供される。放射線検出器はトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含み、このこのトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）はソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、第１の誘電体層及び第２の誘電体層を含む。第２の誘電体層は第１の誘電体層の表面の上に延在する。放射線検出器はまた、少なくとも２つの電極及び誘電体層を含むキャパシタを含んでいる。キャパシタの誘電体層はＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成されている。
【０００７】
【発明の詳しい説明】
図１は撮像システム１０の絵画図である。一実施形態では、撮像システム１０
は、そ
れに限定されるものではないが、米国ウイスコンシン州ミルウォーキの所在のゼネラル・エレクトリック社のＧＥメディカル・システムズ事業部から市販されているセノビジョン（Ｓｅｎｎｏｖｉｓｉｏｎ）２００Ｄ（商標）のような医用撮像システムである。撮像システム１０は、円錐形ビームを投射する放射線源１２を含んでいる。一実施形態では、放射線源１２はＸ線源であり、円錐形ビームはＸ線ビームである。Ｘ線ビームは、患者のような撮像しようとする対象物１４を通過する。Ｘ線ビームは、対象物１４によって減弱された後、放射線検出器１６に入射する。
【０００８】
図２は、（図１に示した）撮像システム１０に用いることのできる放射線検出器１８である。放射線検出器１８は、ピクセル・アレイ２２（場合によっては「光センサ・アレイ」とも呼ぶ）が配置される基板２０を含む。光センサ・アレイ２２は、キャパシタ２４、フォトダイオード２６及びスイッチング装置（例えば、ＴＦＴ）２８のような複数の電子部品を含んでいる。ＴＦＴ２８はアレイ２２上に配置されていて、それぞれのキャパシタ２４及びフォトダイオード２６をそれぞれのデータ線３０に選択的に結合する。光センサ・アレイ２２はまた、複数の個々のピクセル３４をアドレス指定するための複数の走査線３２を含んでいる。データ線３０はピクセル・アレイ２２の第１の軸３６に沿って配向されており、走査線３２はピクセル・アレイ２２の第２の軸３８に沿って配向されている。ピクセル・アレイ２２の第１及び第２の軸３６及び３８は互いに対してほぼ直角である。
【０００９】
図２で例示し易くするために、フォトセンサ・アレイ２２を横切って延在する数本のデータ線３０、走査線３２及び共通線４０しか図示していない。データ線３０、走査線３２及び共通線４０は、フォトセンサ・アレイ２２内の個々のピクセル３４を１つのデータ線３０と１つの走査線３２と１つの共通線４０とによってアドレス指定できるように、行及び列に配列されている。一実施形態では、データ線３０、走査線３２及び共通線４０は、モリブデン、クロム及び／又はアルミニウムのような導電材料を含んでいる。キャパシタ２４はフォトダイオード２６に電気的に並列に接続されていると共に、ＴＦＴ２８を介してデータ線３０に電気的に結合されている。フォトダイオード２６は、入射光子に応答して、検出した入射光に対応する電荷を生成するアレイ２２の部分を形成する。Ｘ線エネルギが、フォトダイオード２６の表面近くに配置されたヨウ化セシュウムのような蛍光体の層（図示せず）中で、吸収によって可視光エネルギへ変換される。キャパシタ２４はフォトダイオード２６内で発生された電荷を蓄積し、この蓄積された電荷を、走査線３２がアドレス指定されたときにＴＦＴ２８を介して放電する。幾分かの電荷がまたフォトダイオードの自己容量にも蓄積される。
【００１０】
図３は基板２０上に形成されたピクセル３４の一部分の断面図である。ピクセル３４は、基板２０の表面の上に延在するソース電極５０、ドレイン電極５２及び第１のキャパシタ電極５４を含み、ソース電極５０、ドレイン電極５２及び第１のキャパシタ電極５４は厚さがほぼ等しくなるようにしてある。
【００１１】
ＴＦＴ堆積体５６が基板２０上に形成されている。本書で用いる用語「ＴＦＴ堆積体」とは、第１の誘電体層５８を真性アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）のような半導体材料の層６０の表面の上に延在させたものを表す。真性ａ−Ｓｉ層６０はソース／ドレイン電極５０及び５２上と、それらの電極の間とに形成される。第１の誘電体層５８はａ−Ｓｉ層６０を覆うように形成される。本書で用いる用語「形成」とは、ピクセル３４の各構成部品を製造するための処理を含み、例えば、これらに限定されないが、パターン形成、マスク形成、堆積及びエッチングを含む。一実施形態では、ｎ＋型半導体層（図示せず）がソース及びドレイン電極５０及び５２に隣接してこれらの電極上に形成される。ｎ＋型半導体層は本書で述べる幾つかの方法の内の１つによって形成することができる。ｎ＋型にドープした半導体層は堆積し、パターン形成し、エッチングすることにより、所望の形状にする。別の実施形態では、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）のような適当な材料を使用して、ソース及びドレイン電極５０及び５２を形成する。次いで、ほぼ真性のアモルファス・シリコン層６０を堆積する前に、ＩＴＯをリン・プラズマ又は他の活性リン含有ガスに露出させる。ＴＦＴ堆積体５６のパターン形成及びエッチングの後、第２の誘電体層６２が第１の誘電体層５８、ソース電極５０、ドレイン電極５２及び第１のキャパシタ電極５４の上に形成される。第２の誘電体層６２は蓄積キャパシタ誘電体層６４と一体に形成される。ゲート電極６６が走査線３２（図２に示す）及び第２のキャパシタ電極６８と一体に形成される。ダイオード堆積体７０が第２のキャパシタ電極６８上に堆積される。一実施形態では、ダイオード堆積体７０はＰＩＮダイオード（図示せず）を含む。ＰＩＮダイオードは、ｎ＋型材料層上に堆積した真性ａ−Ｓｉ層の上に堆積したｐ＋型材料層を含んでいる。ダイオード頂部コンタクト７２がダイオード堆積体７０上に堆積され、パターン形成され、エッチングされる。不動態化層７４がダイオード頂部コンタクト７２と、ダイオード堆積体７０と、第２の誘電体層６２、ゲート電極６６及び第２のキャパシタ電極６８の露出部分とを覆うように形成される。次いで複数のコンタクト・バイアが誘電体の所望の位置に開けられる。共通バイア７６がダイオード頂部コンタクト７２に電気接続され、ドレイン・バイア８０がドレイン電極５２に電気接続され、またソース・バイア７８がソース電極５０及びキャパシタ電極６８に電気接続されるように、共通バイア７６、ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０が形成される。コンタクト・バイアは、下側の導体を露出させる誘電体中の孔と定義される。バイアは、金属層と下側導体に接触するコンタクト・バイア・ホールとを含む構造全体として定義される。
【００１２】
図４及び図５は、図３に示したピクセル３４の一部分の初期製造段階及びその後の第１の製造段階でのそれぞれの断面図である。半導体及び誘電体層をプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）によって堆積する。一実施形態では、ｎ＋型ａ−Ｓｉ（図示せず）の薄層を堆積しパターン形成しエッチングし、又は共堆積パターン形成しエッチングすることにより、ソース／ドレイン電極５０及び５２の頂部上にｎ＋型半導体層を形成する。ｎ＋型半導体層はオーミック電子コンタクトを形成し、正孔について阻止すなわち非注入コンタクトを形成する。オーミック・コンタクトは、コンタクト特性自体ではなく半導体を介しての電荷移動によって決定される速度で電子電荷坦体を半導体へ供給するのに役立ち、従って、電流はコンタクトではなく半導体電子チャンネルの導電率によって制限される。ＩＴＯ層９０をパターン形成しエッチングすることにより、ソース／ドレイン電極５０，５２及び第１のキャパシタ電極５４を露出させる。パターン形成処理は、これに限定されないが、フォトレジストを堆積し、所望のパターンに従ってフォトレジストを露出させ、フォトレジストを処理してその部分を除去し、所望の寸法に対応する選択したパターンを持つマスクを残すことを含む。
【００１３】
模範的な実施形態では、ＩＴＯ層９０を使用して、ソース及びドレイン電極５０及び５２を形成する。ソース電極５０及びドレイン電極５２は、これに限定されないが、ホスフィン・プラズマのようなシリコン・ドーパント（図示せず）を用いて選択的に処理し、その後でａ−Ｓｉ層６０を堆積する。シリコン・ドーパントはソース電極５０及びドレイン電極５２と反応して、ソース電極５０及びドレイン電極５２の表面にリン材料（図示せず）を選択的に取り入れ、これによってＴＦＴ２８（図２に示す）の電気的挙動を修正し、且つソース／ドレイン電極５０，５２とａ−Ｓｉ層６０との間のオーミック・コンタクトを改善する。ＩＴＯは幾分かのリンを吸収し、その後このリンを層６０の隣接領域の中へ解放して、ｎ＋型にドープした半導体層を生成する。
【００１４】
一実施形態では、ソース電極５０及びドレイン電極５２上にａ−Ｓｉ層６０を堆積する。一実施形態では、ａ−Ｓｉ層６０の厚さはほぼ１００Å（オングストローム）とほぼ３０００Åとの間の厚さにする。別の実施形態では、ａ−Ｓｉ層６０はほぼ４００Åである。代替例では、ａ−Ｓｉ層６０はほぼ２００Åとほぼ６００Åとの間の厚さにする。ａ−Ｓｉ層６０上に第１の誘電体層５８を堆積する。一実施形態では、第１の誘電体層５８の厚さはほぼ１００Åとほぼ５００Åとの間の厚さにする。別の実施形態では、誘電体層５８はほぼ４００Åの厚さである。代替例では、誘電体層５８はほぼ５０Åとほぼ７００Åとの間の厚さにする。第１の誘電体層５８は、これに限定されないが、ＳｉＮを含む。第１の誘電体層５８及びａ−Ｓｉ層６０をパターン形成しエッチングすることにより、ＴＦＴ堆積体５６を形成する。エッチング処理は、ＩＴＯ層９０に接触したときに停止する。
【００１５】
図６は、図３に示したピクセル３４の一部分のその後の第２の製造段階での断面図である。製造の際、第１の誘電体層５８上に第２の誘電体層６２を堆積する。第２の誘電体層６２は、これに限定されないが、窒化シリコン（ＳｉＮ）などで構成し、第２の誘電体層６２は、蓄積キャパシタ誘電体層６４を形成すると共に、ゲート誘電体９２を完成するために付加的な厚さを追加する。一実施形態では、第２の誘電体層６２はほぼ５００Åとほぼ３０００Åとの間の厚さにする。別の実施形態では、第２の誘電体層６２はほぼ２１００Åの厚さである。代替例では、第２の誘電体層６２はほぼ１５００Åとほぼ２５００Åとの間の厚さにする。第２の誘電体層６２は、ゲート金属化及びそれに続くダイオード・エッチングの際にＴＦＴ堆積体５６を保護するのに役立つ。第２の誘電体層６２はこの時点ではエッチングしない。
【００１６】
活性ＴＦＴ領域９６から光を阻止するのに役立つ第１の金属層９４を第２の誘電体層６２上に単一の金属化工程で堆積する。金属化（メタライゼーション）は、選択した要素同士を接続して、複数の回路素子の相互接続を行う処理である。金属化の際、スパッタリングによって又は金属材料の薄層を蒸発させることによって金属材料が堆積される。この代わりに、金属材料はスパッタリング又は蒸発以外の方法で堆積する。第１の金属層９４は、これらに限定されないが、アルミニウム、クロム及び／又はモリブデンを含んでいてよい。
【００１７】
図７は、図３に示したピクセル３４の一部分のその後の第３の製造段階での断面図である。製造の際、第１の金属層９４のパターン形成及びエッチングを行って、走査線３２（図２に示す）及び第２のキャパシタ電極６８と一体に形成されたゲート電極６６を形成する。エッチング処理は第２の誘電体層６２に接触したときに停止する。ゲート誘電体９２はまた、ゲート電極６６を走査線３２と一体に形成できるようにする層間誘電体として機能することができる。第２のキャパシタ電極６８はまたダイオード底部コンタクトとしても機能する。ゲート電極６６及び第２のキャパシタ電極６８は、これらに限定されないが、モリブデン、アルミニウム及び／又はクロムを含んでいてよく、スパッタリング処理でほぼ２０００Åの厚さに堆積する。一実施形態では、走査線３２はモリブデン／クロム（Ｍｏ／Ｃｒ）堆積体であり、この場合、Ｃｒの比較的薄い層（ほぼ３００Å）がダイオード堆積体７０の反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）のための食刻停止体となる。ＲＩＥは、非常に方向性があり且つ寸法精度を保持するエッチング処理である。
【００１８】
ゲート金属のエッチングの後、ダイオード堆積体７０を第２のキャパシタ電極６８上に、何らパターン形成工程を介在させることなく堆積する。ダイオード堆積体７０上には、ＩＴＯのような透明な導体から形成されるダイオード頂部コンタクト７２を堆積する。ダイオード堆積体７０をパターン形成しエッチングする。同じマスクを使用して、先ずダイオード頂部コンタクト７２を湿式エッチングし、或いは乾式エッチングし、次いでダイオード堆積体７０を乾式エッチングしてもよい。この代わりに、２つの別個のマスク工程を使用して、ダイオード堆積体７０より小さいダイオード頂部コンタクト７２を定め、次いでダイオード堆積体７０をパターン形成しエッチングすることもできる。
【００１９】
図８は、図３に示したピクセル３４の一部分のその後の第４の製造段階での断面図である。製造の際、ピクセル３４を覆うように不動態化層７４を堆積する。不動態化層７４をエッチングすることにより、ダイオード頂部コンタクト７２、第２のキャパシタ電極６８、ソース電極５０、ドレイン電極５２及びゲート電極６６を露出させる。不動態化層７４は比較的厚く、０．２ミクロン（μ）〜１．０μであり、また、これらに限定されないが、窒化シリコン及び酸化シリコンのような材料から形成することができる。不動態化層７４は、複数のダイオード側壁９７（図７に示す）を、その後の処理における機械的及び化学的損傷から保護するのに役立つ。不動態化層７４の中に共通バイア７６、ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０を形成するために、ピクセル３４上に第２の金属層９８を堆積する。ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０は２つの異なる厚さの誘電体材料をエッチングすることにより形成される。共通バイア７６、ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０は１回のエッチング工程で形成されて、下側に位置する構成部品に電気接続を行うことができるようにする通路を不動態化層７４の一部分に提供する（すなわち、共通バイア７６、ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０はそれらの全ての側面が共通の不動態化層７４の残りの部分によって囲まれている）。
【００２０】
模範的実施形態では、ピクセル３４は本書で述べた処理工程で製造することができ、また低抵抗の線のために望ましいアルミニウムによる金属化を可能にする。金属ゲート６６はａ−Ｓｉ層６０に直接接触しないので、その加工には何ら特別な処理又は障壁金属を使用しない。更に、第２の金属層９８はデータ線３０（図２に示す）及び共通電極７６を形成すると共に、アルミニウムから形成することができる。第２の金属層９８はまたａ−Ｓｉ層６０に接触していず、このため何ら特別な処理又は障壁金属が必要とされない。また、アルミニウム堆積処理の後に何ら高温の処理がないので、短絡を引き起こすことのあるアルミニウムの小丘陵状物（図示せず）を形成する機会が低減する。最後に、ピクセル３４を覆うように障壁誘電体層（図示せず）を堆積し、次いでパターン形成しエッチングすることにより、コンタクト・パッド（図示せず）が露出される。障壁誘電体層は、これに限定されないが、窒化シリコンを含んでいてよい。
【００２１】
本書で述べたように、ＴＦＴ構造を反転してトップ・ゲート食い違い形構造を形成することは、ゲート金属がＴＦＴのゲートとして作用すると共にチャンネル領域に対する光阻止層としても作用するので、活性ＴＦＴ領域から光を阻止するのに役立つ。
【００２２】
本発明を様々な特定の実施形態について説明してきたが、当業者には、本発明を特許請求の範囲に記載の精神及び範囲内で修正して実施し得ることが認められよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】撮像システムの絵画図である。
【図２】光センサ・アレイ内の代表的なピクセルの概略図である。
【図３】放射線検出器の一ピクセルの一部分の断面図である。
【図４】図３に示したピクセルの一部分の初期製造段階での断面図である。
【図５】図３に示したピクセルの一部分のその後の第１の製造段階での断面図である。
【図６】図３に示したピクセルの一部分のその後の第２の製造段階での断面図である。
【図７】図３に示したピクセルの一部分のその後の第３の製造段階での断面図である。
【図８】図３に示したピクセルの一部分のその後の第４の製造段階での断面図である。
【符号の説明】
１０ 撮像システム
１２ 放射線源
１４ 対象物
１６ 放射線検出器
１８ 放射線検出器
２０ 基板
２２ ピクセル・アレイ
２４ キャパシタ
２６ フォトダイオード
２８ ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
３０ データ線
３２ 走査線
３４ ピクセル
３６ 第１の軸
３８ 第２の軸
４０ 共通線
５０ ソース電極
５２ ドレイン電極
５４ 第１のキャパシタ電極
５６ ＴＦＴ堆積体
５８ 第１の誘電体層
６０ アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）層
６２ 第２の誘電体層
６４ 蓄積キャパシタ誘電体層
６６ ゲート電極
６８ 第２のキャパシタ電極
７０ ダイオード堆積体
７２ ダイオード頂部コンタクト
７４ 不動態化層
７６ 共通バイア
７８ ソース・バイア
８０ ドレイン・バイア
９０ ＩＴＯ層
９２ ゲート誘電体
９４ 第１の金属層
９６ 活性ＴＦＴ領域
９８ 第２の金属層
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には撮像アレイに関するものであり、より具体的には撮像アレイ用のピクセルの形成に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
撮像アレイは典型的にはシンチレーション媒体に結合された光センサ・アレイを含んでいる。放射線はシンチレーション媒体に吸収されて光学的な光子を生成し、これらの光子は次いでフォトダイオードのような光センサへ進む。光子は光センサで吸収され、入射光子束に対応する電気信号が発生される。水素化アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）の有利な光電特性により且つこのような装置の製造が比較的容易なことにより、水素化アモルファス・シリコンが光センサの製造に普通使用されている。特に、フォトダイオードのような光検知素子は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のような必要な制御又はスイッチング素子と共に、比較的大きなアレイ（配列体）に形成することができる。放射線検出器及び表示アレイは典型的には大きな基板上に製作され、該基板上には、ＴＦＴ、アドレス線、キャパシタ、及び光センサのような装置を含む多数の構成部品が、導電材料層、半導体材料層及び絶縁材料層の堆積及びパターン形成を用いて形成される。
【０００３】
このようなＴＦＴアレイを製造するための少なくとも１つの公知の製造法は典型的には、ボトム・ゲートＴＦＴとデータ及び走査アドレス線とを製造することを含む。幾種類かの公知のボトム・ゲートＴＦＴでは、底部のゲート金属がチャンネル領域を遮蔽し、すなわち、バック・ライトからの光を阻止する光阻止要素として作用する。ＴＦＴにおいては望ましくない光子の漏れを生じることがあるので、この光阻止層は望ましい。例えば、ディジタルＸ線パネルにおいて、装置の頂部に配置されたシンチレータから光が生成され、従ってＴＦＴ領域は光子に直接に露出される。このため、ＴＦＴチャンネル領域を不所望な光から遮蔽するために余分な光阻止層が必要になり、それに伴って余分なフォトリソグラフィ工程が必要になる。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の一面ににおいては、トップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む放射線検出器が提供され、このトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）はソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、第１の誘電体層及び第２の誘電体層を含む。第２の誘電体層は第１の誘電体層の表面の上に延在する。放射線検出器はまた、少なくとも２つの電極及び誘電体層を含むキャパシタを含んでいる。キャパシタの誘電体層はＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成されている。
【０００５】
本発明の別の面においては、放射線検出器を製造する方法が提供され、本方法は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、第１の誘電体層及び第２の誘電体層を含むトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する工程を含む。第２の誘電体層は第１の誘電体層の表面の上に延在する。本方法はまた、少なくとも２つの電極及び誘電体層を含むキャパシタを形成する工程を含んでいる。キャパシタの誘電体層はＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成する。
【０００６】
本発明の別の面においては、放射線源及び放射線検出器を含む撮像システムが提供される。放射線検出器はトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含み、このこのトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）はソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、第１の誘電体層及び第２の誘電体層を含む。第２の誘電体層は第１の誘電体層の表面の上に延在する。放射線検出器はまた、少なくとも２つの電極及び誘電体層を含むキャパシタを含んでいる。キャパシタの誘電体層はＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成されている。
【０００７】
【発明の詳しい説明】
図１は撮像システム１０の絵画図である。一実施形態では、撮像システム１０
れに限定されるものではないが、米国ウイスコンシン州ミルウォーキの所在のゼネラル・エレクトリック社のＧＥメディカル・システムズ事業部から市販されているセノビジョン（Ｓｅｎｎｏｖｉｓｉｏｎ）２００Ｄ（商標）のような医用撮像システムである。撮像システム１０は、円錐形ビームを投射する放射線源１２を含んでいる。一実施形態では、放射線源１２はＸ線源であり、円錐形ビームはＸ線ビームである。Ｘ線ビームは、患者のような撮像しようとする対象物１４を通過する。Ｘ線ビームは、対象物１４によって減弱された後、放射線検出器１６に入射する。
【０００８】
図２は、（図１に示した）撮像システム１０に用いることのできる放射線検出器１８である。放射線検出器１８は、ピクセル・アレイ２２（場合によっては「光センサ・アレイ」とも呼ぶ）が配置される基板２０を含む。光センサ・アレイ２２は、キャパシタ２４、フォトダイオード２６及びスイッチング装置（例えば、ＴＦＴ）２８のような複数の電子部品を含んでいる。ＴＦＴ２８はアレイ２２上に配置されていて、それぞれのキャパシタ２４及びフォトダイオード２６をそれぞれのデータ線３０に選択的に結合する。光センサ・アレイ２２はまた、複数の個々のピクセル３４をアドレス指定するための複数の走査線３２を含んでいる。データ線３０はピクセル・アレイ２２の第１の軸３６に沿って配向されており、走査線３２はピクセル・アレイ２２の第２の軸３８に沿って配向されている。ピクセル・アレイ２２の第１及び第２の軸３６及び３８は互いに対してほぼ直角である。
【０００９】
図２で例示し易くするために、フォトセンサ・アレイ２２を横切って延在する数本のデータ線３０、走査線３２及び共通線４０しか図示していない。データ線３０、走査線３２及び共通線４０は、フォトセンサ・アレイ２２内の個々のピクセル３４を１つのデータ線３０と１つの走査線３２と１つの共通線４０とによってアドレス指定できるように、行及び列に配列されている。一実施形態では、データ線３０、走査線３２及び共通線４０は、モリブデン、クロム及び／又はアルミニウムのような導電材料を含んでいる。キャパシタ２４はフォトダイオード２６に電気的に並列に接続されていると共に、ＴＦＴ２８を介してデータ線３０に電気的に結合されている。フォトダイオード２６は、入射光子に応答して、検出した入射光に対応する電荷を生成するアレイ２２の部分を形成する。Ｘ線エネルギが、フォトダイオード２６の表面近くに配置されたヨウ化セシュウムのような蛍光体の層（図示せず）中で、吸収によって可視光エネルギへ変換される。キャパシタ２４はフォトダイオード２６内で発生された電荷を蓄積し、この蓄積された電荷を、走査線３２がアドレス指定されたときにＴＦＴ２８を介して放電する。幾分かの電荷がまたフォトダイオードの自己容量にも蓄積される。
【００１０】
図３は基板２０上に形成されたピクセル３４の一部分の断面図である。ピクセル３４は、基板２０の表面の上に延在するソース電極５０、ドレイン電極５２及び第１のキャパシタ電極５４を含み、ソース電極５０、ドレイン電極５２及び第１のキャパシタ電極５４は厚さがほぼ等しくなるようにしてある。
【００１１】
ＴＦＴ堆積体５６が基板２０上に形成されている。本書で用いる用語「ＴＦＴ堆積体」とは、第１の誘電体層５８を真性アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）のような半導体材料の層６０の表面の上に延在させたものを表す。真性ａ−Ｓｉ層６０はソース／ドレイン電極５０及び５２上と、それらの電極の間とに形成される。第１の誘電体層５８はａ−Ｓｉ層６０を覆うように形成される。本書で用いる用語「形成」とは、ピクセル３４の各構成部品を製造するための処理を含み、例えば、これらに限定されないが、パターン形成、マスク形成、堆積及びエッチングを含む。一実施形態では、ｎ＋型半導体層（図示せず）がソース及びドレイン電極５０及び５２に隣接してこれらの電極上に形成される。ｎ＋型半導体層は本書で述べる幾つかの方法の内の１つによって形成することができる。ｎ＋型にドープした半導体層は堆積し、パターン形成し、エッチングすることにより、所望の形状にする。別の実施形態では、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）のような適当な材料を使用して、ソース及びドレイン電極５０及び５２を形成する。次いで、ほぼ真性のアモルファス・シリコン層６０を堆積する前に、ＩＴＯをリン・プラズマ又は他の活性リン含有ガスに露出させる。ＴＦＴ堆積体５６のパターン形成及びエッチングの後、第２の誘電体層６２が第１の誘電体層５８、ソース電極５０、ドレイン電極５２及び第１のキャパシタ電極５４の上に形成される。第２の誘電体層６２は蓄積キャパシタ誘電体層６４と一体に形成される。ゲート電極６６が走査線３２（図２に示す）及び第２のキャパシタ電極６８と一体に形成される。ダイオード堆積体７０が第２のキャパシタ電極６８上に堆積される。一実施形態では、ダイオード堆積体７０はＰＩＮダイオード（図示せず）を含む。ＰＩＮダイオードは、ｎ＋型材料層上に堆積した真性ａ−Ｓｉ層の上に堆積したｐ＋型材料層を含んでいる。ダイオード頂部コンタクト７２がダイオード堆積体７０上に堆積され、パターン形成され、エッチングされる。不動態化層７４がダイオード頂部コンタクト７２と、ダイオード堆積体７０と、第２の誘電体層６２、ゲート電極６６及び第２のキャパシタ電極６８の露出部分とを覆うように形成される。次いで複数のコンタクト・バイアが誘電体の所望の位置に開けられる。共通バイア７６がダイオード頂部コンタクト７２に電気接続され、ドレイン・バイア８０がドレイン電極５２に電気接続され、またソース・バイア７８がソース電極５０及びキャパシタ電極６８に電気接続されるように、共通バイア７６、ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０が形成される。コンタクト・バイアは、下側の導体を露出させる誘電体中の孔と定義される。バイアは、金属層と下側導体に接触するコンタクト・バイア・ホールとを含む構造全体として定義される。
【００１２】
図４及び図５は、図３に示したピクセル３４の一部分の初期製造段階及びその後の第１の製造段階でのそれぞれの断面図である。半導体及び誘電体層をプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）によって堆積する。一実施形態では、ｎ＋型ａ−Ｓｉ（図示せず）の薄層を堆積しパターン形成しエッチングし、又は共堆積パターン形成しエッチングすることにより、ソース／ドレイン電極５０及び５２の頂部上にｎ＋型半導体層を形成する。ｎ＋型半導体層はオーミック電子コンタクトを形成し、正孔について阻止すなわち非注入コンタクトを形成する。オーミック・コンタクトは、コンタクト特性自体ではなく半導体を介しての電荷移動によって決定される速度で電子電荷坦体を半導体へ供給するのに役立ち、従って、電流はコンタクトではなく半導体電子チャンネルの導電率によって制限される。ＩＴＯ層９０をパターン形成しエッチングすることにより、ソース／ドレイン電極５０，５２及び第１のキャパシタ電極５４を露出させる。パターン形成処理は、これに限定されないが、フォトレジストを堆積し、所望のパターンに従ってフォトレジストを露出させ、フォトレジストを処理してその部分を除去し、所望の寸法に対応する選択したパターンを持つマスクを残すことを含む。
【００１３】
模範的な実施形態では、ＩＴＯ層９０を使用して、ソース及びドレイン電極５０及び５２を形成する。ソース電極５０及びドレイン電極５２は、これに限定されないが、ホスフィン・プラズマのようなシリコン・ドーパント（図示せず）を用いて選択的に処理し、その後でａ−Ｓｉ層６０を堆積する。シリコン・ドーパントはソース電極５０及びドレイン電極５２と反応して、ソース電極５０及びドレイン電極５２の表面にリン材料（図示せず）を選択的に取り入れ、これによってＴＦＴ２８（図２に示す）の電気的挙動を修正し、且つソース／ドレイン電極５０，５２とａ−Ｓｉ層６０との間のオーミック・コンタクトを改善する。ＩＴＯは幾分かのリンを吸収し、その後このリンを層６０の隣接領域の中へ解放して、ｎ＋型にドープした半導体層を生成する。
【００１４】
一実施形態では、ソース電極５０及びドレイン電極５２上にａ−Ｓｉ層６０を堆積する。一実施形態では、ａ−Ｓｉ層６０の厚さはほぼ１００Å（オングストローム）とほぼ３０００Åとの間の厚さにする。別の実施形態では、ａ−Ｓｉ層６０はほぼ４００Åである。代替例では、ａ−Ｓｉ層６０はほぼ２００Åとほぼ６００Åとの間の厚さにする。ａ−Ｓｉ層６０上に第１の誘電体層５８を堆積する。一実施形態では、第１の誘電体層５８の厚さはほぼ１００Åとほぼ５００Åとの間の厚さにする。別の実施形態では、誘電体層５８はほぼ４００Åの厚さである。代替例では、誘電体層５８はほぼ５０Åとほぼ７００Åとの間の厚さにする。第１の誘電体層５８は、これに限定されないが、ＳｉＮを含む。第１の誘電体層５８及びａ−Ｓｉ層６０をパターン形成しエッチングすることにより、ＴＦＴ堆積体５６を形成する。エッチング処理は、ＩＴＯ層９０に接触したときに停止する。
【００１５】
図６は、図３に示したピクセル３４の一部分のその後の第２の製造段階での断面図である。製造の際、第１の誘電体層５８上に第２の誘電体層６２を堆積する。第２の誘電体層６２は、これに限定されないが、窒化シリコン（ＳｉＮ）などで構成し、第２の誘電体層６２は、蓄積キャパシタ誘電体層６４を形成すると共に、ゲート誘電体９２を完成するために付加的な厚さを追加する。一実施形態では、第２の誘電体層６２はほぼ５００Åとほぼ３０００Åとの間の厚さにする。別の実施形態では、第２の誘電体層６２はほぼ２１００Åの厚さである。代替例では、第２の誘電体層６２はほぼ１５００Åとほぼ２５００Åとの間の厚さにする。第２の誘電体層６２は、ゲート金属化及びそれに続くダイオード・エッチングの際にＴＦＴ堆積体５６を保護するのに役立つ。第２の誘電体層６２はこの時点ではエッチングしない。
【００１６】
活性ＴＦＴ領域９６から光を阻止するのに役立つ第１の金属層９４を第２の誘電体層６２上に単一の金属化工程で堆積する。金属化（メタライゼーション）は、選択した要素同士を接続して、複数の回路素子の相互接続を行う処理である。金属化の際、スパッタリングによって又は金属材料の薄層を蒸発させることによって金属材料が堆積される。この代わりに、金属材料はスパッタリング又は蒸発以外の方法で堆積する。第１の金属層９４は、これらに限定されないが、アルミニウム、クロム及び／又はモリブデンを含んでいてよい。
【００１７】
図７は、図３に示したピクセル３４の一部分のその後の第３の製造段階での断面図である。製造の際、第１の金属層９４のパターン形成及びエッチングを行って、走査線３２（図２に示す）及び第２のキャパシタ電極６８と一体に形成されたゲート電極６６を形成する。エッチング処理は第２の誘電体層６２に接触したときに停止する。ゲート誘電体９２はまた、ゲート電極６６を走査線３２と一体に形成できるようにする層間誘電体として機能することができる。第２のキャパシタ電極６８はまたダイオード底部コンタクトとしても機能する。ゲート電極６６及び第２のキャパシタ電極６８は、これらに限定されないが、モリブデン、アルミニウム及び／又はクロムを含んでいてよく、スパッタリング処理でほぼ２０００Åの厚さに堆積する。一実施形態では、走査線３２はモリブデン／クロム（Ｍｏ／Ｃｒ）堆積体であり、この場合、Ｃｒの比較的薄い層（ほぼ３００Å）がダイオード堆積体７０の反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）のための食刻停止体となる。ＲＩＥは、非常に方向性があり且つ寸法精度を保持するエッチング処理である。
【００１８】
ゲート金属のエッチングの後、ダイオード堆積体７０を第２のキャパシタ電極６８上に、何らパターン形成工程を介在させることなく堆積する。ダイオード堆積体７０上には、ＩＴＯのような透明な導体から形成されるダイオード頂部コンタクト７２を堆積する。ダイオード堆積体７０をパターン形成しエッチングする。同じマスクを使用して、先ずダイオード頂部コンタクト７２を湿式エッチングし、或いは乾式エッチングし、次いでダイオード堆積体７０を乾式エッチングしてもよい。この代わりに、２つの別個のマスク工程を使用して、ダイオード堆積体７０より小さいダイオード頂部コンタクト７２を定め、次いでダイオード堆積体７０をパターン形成しエッチングすることもできる。
【００１９】
図８は、図３に示したピクセル３４の一部分のその後の第４の製造段階での断面図である。製造の際、ピクセル３４を覆うように不動態化層７４を堆積する。不動態化層７４をエッチングすることにより、ダイオード頂部コンタクト７２、第２のキャパシタ電極６８、ソース電極５０、ドレイン電極５２及びゲート電極６６を露出させる。不動態化層７４は比較的厚く、０．２ミクロン（μ）〜１．０μであり、また、これらに限定されないが、窒化シリコン及び酸化シリコンのような材料から形成することができる。不動態化層７４は、複数のダイオード側壁９７（図７に示す）を、その後の処理における機械的及び化学的損傷から保護するのに役立つ。不動態化層７４の中に共通バイア７６、ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０を形成するために、ピクセル３４上に第２の金属層９８を堆積する。ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０は２つの異なる厚さの誘電体材料をエッチングすることにより形成される。共通バイア７６、ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０は１回のエッチング工程で形成されて、下側に位置する構成部品に電気接続を行うことができるようにする通路を不動態化層７４の一部分に提供する（すなわち、共通バイア７６、ソース・バイア７８及びドレイン・バイア８０はそれらの全ての側面が共通の不動態化層７４の残りの部分によって囲まれている）。
【００２０】
模範的実施形態では、ピクセル３４は本書で述べた処理工程で製造することができ、また低抵抗の線のために望ましいアルミニウムによる金属化を可能にする。金属ゲート６６はａ−Ｓｉ層６０に直接接触しないので、その加工には何ら特別な処理又は障壁金属を使用しない。更に、第２の金属層９８はデータ線３０（図２に示す）及び共通電極７６を形成すると共に、アルミニウムから形成することができる。第２の金属層９８はまたａ−Ｓｉ層６０に接触していず、このため何ら特別な処理又は障壁金属が必要とされない。また、アルミニウム堆積処理の後に何ら高温の処理がないので、短絡を引き起こすことのあるアルミニウムの小丘陵状物（図示せず）を形成する機会が低減する。最後に、ピクセル３４を覆うように障壁誘電体層（図示せず）を堆積し、次いでパターン形成しエッチングすることにより、コンタクト・パッド（図示せず）が露出される。障壁誘電体層は、これに限定されないが、窒化シリコンを含んでいてよい。
【００２１】
本書で述べたように、ＴＦＴ構造を反転してトップ・ゲート食い違い形構造を形成することは、ゲート金属がＴＦＴのゲートとして作用すると共にチャンネル領域に対する光阻止層としても作用するので、活性ＴＦＴ領域から光を阻止するのに役立つ。
【００２２】
本発明を様々な特定の実施形態について説明してきたが、当業者には、本発明を特許請求の範囲に記載の精神及び範囲内で修正して実施し得ることが認められよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】撮像システムの絵画図である。
【図２】光センサ・アレイ内の代表的なピクセルの概略図である。
【図３】放射線検出器の一ピクセルの一部分の断面図である。
【図４】図３に示したピクセルの一部分の初期製造段階での断面図である。
【図５】図３に示したピクセルの一部分のその後の第１の製造段階での断面図である。
【図６】図３に示したピクセルの一部分のその後の第２の製造段階での断面図である。
【図７】図３に示したピクセルの一部分のその後の第３の製造段階での断面図である。
【図８】図３に示したピクセルの一部分のその後の第４の製造段階での断面図である。
【符号の説明】
１０ 撮像システム
１２ 放射線源
１４ 対象物
１６ 放射線検出器
１８ 放射線検出器
２０ 基板
２２ ピクセル・アレイ
２４ キャパシタ
２６ フォトダイオード
２８ ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
３０ データ線
３２ 走査線
３４ ピクセル
３６ 第１の軸
３８ 第２の軸
４０ 共通線
５０ ソース電極
５２ ドレイン電極
５４ 第１のキャパシタ電極
５６ ＴＦＴ堆積体
５８ 第１の誘電体層
６０ アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）層
６２ 第２の誘電体層
６４ 蓄積キャパシタ誘電体層
６６ ゲート電極
６８ 第２のキャパシタ電極
７０ ダイオード堆積体
７２ ダイオード頂部コンタクト
７４ 不動態化層
７６ 共通バイア
７８ ソース・バイア
８０ ドレイン・バイア
９０ ＩＴＯ層
９２ ゲート誘電体
９４ 第１の金属層
９６ 活性ＴＦＴ領域
９８ 第２の金属層
Claims (10)
- ソース電極（５０）、ドレイン電極（５２）、ゲート電極（６６）、第１の誘電体層（５８）及び第２の誘電体層（６２）を有するトップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（２８）であって、前記第２の誘電体層が前記第１の誘電体層の表面の上に延在している、トップ・ゲート薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（２８）と、
少なくとも２つの電極（５４，６８）及び誘電体層（６４）を有するキャパシタ（２４）であって、前記キャパシタの誘電体層が前記ＴＦＴの第２の誘電体層と一体に形成されている、キャパシタ（２４）と、
を含んでいる放射線検出器（１８）。 - 前記放射線検出器は更に、前記キャパシタ（２４）に電気的に結合されたダイオード（２６）を含み、前記ダイオードはダイオード堆積体（７０）及びダイオード頂部コンタクト（７２）を含んでいる、請求項１記載の放射線検出器（１８）。
- 前記ＴＦＴ（２８）は更に、前記ソース電極（５０）に電気的に結合されたソース・バイア（７８）、前記ダイオード頂部コンタクト（７２）に電気的に結合された共通バイア（７６）、及び前記ドレイン電極（５２）に電気的に結合されたドレイン・バイア（８０）を含んでいる、請求項２記載の放射線検出器（１８）。
- 前記ドレイン・バイア（８０）とデータ線（３０）が一体に形成されている、請求項３記載の放射線検出器（１８）。
- 前記ゲート電極（６６）と走査線（３２）が一体に形成されている、請求項１記載の放射線検出器（１８）。
- 前記共通バイア（７６）と共通線（４０）が一体に形成されている、請求項３記載の放射線検出器（１８）。
- 前記ソース電極（５０）、前記ドレイン電極（５２）、前記キャパシタ電極（５４，６８）の少なくとも１つ、及び前記ダイオード頂部コンタクト（７２）はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）で構成されている、請求項２記載の放射線検出器（１８）。
- 前記放射線検出器は更にアモルファス・シリコン層（６０）を含んでおり、前記第１の誘電体層（５８）は前記アモルファス・シリコン層の表面の上に延在しており、前記ゲート電極（６６）は前記第２の誘電体層（６２）の表面の上に延在している、請求項１記載の放射線検出器（１８）。
- 前記第２の誘電体層（６２）は前記第１の誘電体層（５８）よりも実質的に厚い、請求項１記載の放射線検出器（１８）。
- 前記第１の誘電体層（５８）及び前記第２の誘電体層（６２）は窒化シリコンで構成されている、請求項１記載の放射線検出器（１８）。
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