JP2006005077A - 放射線検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 配線ノイズを低減し、センサ感度を向上させることが可能な放射線検出装置を提供する。
【解決手段】 複数の光電変換素子101と複数のスイッチ素子102を有し、スイッチ素子102の上に光電変換素子101と蛍光体層135が積層された積層型の放射線検出装置において、スイッチ素子102の信号配線に銅合金を使用する。また、複数の光電変換素子101とスイッチ素子102を同一プロセスで作製する放射線検出装置において、スイッチ素子102の駆動配線に銅合金を使用する。銅合金の配線を用いることにより、配線ノイズを低減し、センサ感度を向上させる。
【選択図】 図3
【解決手段】 複数の光電変換素子101と複数のスイッチ素子102を有し、スイッチ素子102の上に光電変換素子101と蛍光体層135が積層された積層型の放射線検出装置において、スイッチ素子102の信号配線に銅合金を使用する。また、複数の光電変換素子101とスイッチ素子102を同一プロセスで作製する放射線検出装置において、スイッチ素子102の駆動配線に銅合金を使用する。銅合金の配線を用いることにより、配線ノイズを低減し、センサ感度を向上させる。
【選択図】 図3
Description
本発明は、医療画像診断装置、非破壊検査装置、分析装置等の分野に使用される放射線検出装置に関し、特に、非単結晶シリコン、例えば、非晶質シリコン(以下、a−Siと略記)を用いたセンサ素子とTFT素子により構成されたセンサアレイと、放射線を可視光等に変換する蛍光体とを組み合わせたフラットパネル検出器(以下、FPDと略記)に好適な放射線検出装置に関するものである。
近年の液晶ディスプレイ用TFT技術の進歩、情報インフラの整備が充実した現在では、FPDが提案され、医療画像分野においても大面積、且つ、デジタル化が達成されている。このFPDは、放射線画像を瞬時に読み取り、瞬時にディスプレイ上に表示できるものであり、また、画像はデジタル情報として直接取り出すことが可能であるため、データの保管、或いは、加工、転送等取り扱いが便利であると言った特徴がある。また、感度等の諸特性は、撮影条件に依存するが、従来のスクリーンフィルム系撮影法、コンピューティッドラジオグラフィ撮影法に比較して、同等又はそれ以上である事が確認されている。
また、FPDの製品化が達成されている一方、更なる感度向上を目指して種々の提案がなされている。例えば、米国特許第5498880号公報(特許文献1)には、開口率を向上させるため、TFT素子上にセンサ素子を積層する構造が示されている。本従来例では、TFTのソース・ドレイン電極に接続された電極がTFT素子上を被覆し、且つ、センサ個別電極となっている構造である。ソース・ドレイン電極層としては、金、銀、銅、クロム、チタン、プラチナ、アルミ、ITO等が使用されている。
また、米国特許第6034725号公報(特許文献2)、或いは米国特許第5619033号公報(特許文献3)には、同様に、TFT素子上にセンサ素子を積層する構造が示されている。特許文献2のものでは、ソース・ドレイン電極層として、クロム、アルミがn+層上に積層されている。特許文献3のものでは、ソース・ドレイン電極層として、TiW、アルミがn+層上に積層されている。
更に、特開2001−68679号公報(特許文献4)には、信号線としてバリヤメタル(Mo、Ti)と銅の積層構造が開示されている。
米国特許第5498880号公報
米国特許第6034725号公報
米国特許第5619033号公報
特開2001−68679号公報
FPDでは、センサ感度を向上させる為、配線ノイズを低減する必要がある。ノイズを低減する為、低抵抗な金属配線材料として、アルミ(Al)またはAl−Nd等のアルミ合金がソース・ドレイン電極層及び信号配線、駆動配線等に使用されている。
一方、配線抵抗を下げる為に、配線幅を広げると開口率が低下する。膜厚を厚くすると、段差が大きくなり、上部に積層するセンサ部のリーク電流を増大させ、センサ特性が劣化して歩留まりを低下させる。
そこで、Alより低抵抗な配線材料、例えば、銅(Cu)を使用すると、加工が難しい、ガラス基板との密着性が悪く剥がれやすい、銅がa−Si中に拡散しTFT特性を劣化させる等の問題がある。また、銅の拡散を防止する為、Mo、Ti等のバリアメタルを使用する方法もあるが、バリアメタル自身の抵抗が高い為、配線抵抗が増加し、低抵抗な銅を使用する効果がなくなってしまう課題があった。
センサ感度を向上させる為、センサ部の絶縁膜(SiN)を薄膜化する方法もある。しかし、積層タイプの場合は、下に形成したTFT部の段差の為、薄膜化には限界がある。平坦化膜を使用し、平坦化してからセンサ部を積層する方法もあるが、工程が増え、コストアップの要因となる。
センサ部とTFT部を同一プロセスで形成する場合は、配線段差を低減する為、ゲート配線層を薄くするとゲート配線抵抗が増大する、ゲート配線幅を広げると開口率が低下することになる。
本発明は、上記課題を解決するため、複数の光電変換素子と複数のスイッチ素子を有し、前記スイッチ素子上に光電変換素子と波長変換部材を積層した放射線検出装置において、前記スイッチ素子の信号配線は銅合金であることを特徴とする。
また、本発明は、複数の光電変換素子と複数のスイッチ素子とを同一プロセスにて形成する放射線検出装置において、前記スイッチ素子の駆動配線は銅合金であることを特徴とする。
また、本発明は、放射線を電気信号に変換する複数の変換素子と複数のスイッチ素子を有し、前記スイッチ素子上に前記変換素子を積層した放射線検出装置において、前記スイッチ素子の信号配線は銅合金であることを特徴とする。
本発明によれば、銅合金を配線材料として用いることにより、信号配線抵抗を低減できるためノイズの低減が可能となり、センサ感度を向上できる。また、配線段差を低減できる為、その上部に積層されたセンサ部のリーク電流を低減できるので絶縁膜116を薄膜化することが可能となり、センサ感度と歩留まりの向上を図ることができる。更に、ゲート配線段差を低減できる為、ゲート絶縁膜を薄く形成することができ、TFTの高速駆動とセンサ部の高感度化を同時に達成できる。
次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施形態)
第1の実施形態では、MIS型フォトダイオード(以下、PDと略記)を用いた放射線検出装置について説明する。
第1の実施形態では、MIS型フォトダイオード(以下、PDと略記)を用いた放射線検出装置について説明する。
図1は第1の実施形態による3×3画素の場合の放射線検出装置の模式的等価回路図、図2はその1画素の模式的平面図である。また、図3、図4は1画素の模式的断面図であり、図3は転送用TFTソース・ドレイン電極層、センサ下電極層、ゲート電極層等の配線厚さを従来と同じにして低抵抗化をした場合の形態、図4は配線厚さを従来より薄くして抵抗値は同等とし、配線段差を低減した場合の形態を示す。なお、全ての図面において同一部分には同一符号を付している。また、放射線としては、X線、α線、β線、γ線等が使用される。これは、全ての実施形態において同様である。
図1において、101は光電変換素子(センサ素子)であるMIS型PD、102はスイッチ素子である転送用TFT(薄膜トランジスタ)、103は転送用TFT駆動配線(ゲート配線)、104は信号線、105はセンサバイアス配線である。また、201は転送用TFT102を駆動するTFT駆動回路、202は光電変換素子101から読み出した信号を処理する信号処理回路、203はA/D変換回路である。
なお、図2のゲート配線103、信号線104、センサバイアス線105は図1のものと同じである。また、図2の107は転送用TFTソース・ドレイン電極層、108はコンタクトホール(接続孔)、109はセンサ下部電極層、117・118は第2のアモルファス半導体層及びリンドープされた第2のn+層、119は透明電極層(ITO・SnO2等)である。
また、図3、図4において、110はガラス等の絶縁性基板、115はゲート電極層、111はSIN・SIO2等のゲート絶縁膜、112はa−Si等の第1のアモルファス半導体層、113はリンドープされた第1のn+層(オ−ミックコンタクト層)、114はSIN・SIO2・BCB・PI等の絶縁膜、108はコンタクトホール、109はセンサ下電極層である。
更に、116はSIN・SIO2等の絶縁膜、117はa−Si等の第2のアモルファス半導体層、118はリンドープされたマイクロクリスタルシリコンまたはリンドープされたa−Si等から成る第2のn+層(ホールブロッキング層)、119はITO・SnO2等の透明電極層、105はセンサバイアス電極層、132はSiN・PI(ポリイミド)等の保護層、134は接着層、135は波長変換体としての蛍光体層(GOS,CsI等)、106は銅拡散防止用のシリサイド層である。
絶縁膜116、a−Si等のアモルファス半導体層117及びn+層118はMIS型PD101の光電変換層を構成している。また、ゲート電極層115、SIN・SIO2等のゲート絶縁膜111、a−Si等のアモルファス半導体層112、第1のn+層(オ−ミックコンタクト層)113、転送用TFTソース・ドレイン電極層107は、転送用TFT102を構成している。そして、光電変換素子であるMIS型PD101は転送用TFT102の上部に積層された積層型の構成となっている。
また、本実施形態では、ゲート電極層115(ゲート配線103)、転送用TFTソース・ドレイン電極層107、センサ下電極層109、バイアス配線105等には、銅合金配線が使用されている。
ここで、従来は、代表的な配線構成として、Mo/Al、Mo/Al−Nd、Mo/Al/Mo、Mo/Al−Nd/Mo、Ti/Al/Ti等の積層構造等が使用されているが、本実施形態によれば、積層構造にする必要がなく銅合金の単層配線が可能となる。また、固溶限界以上に銅合金層の中に含まれる添加物がa−Siやn+層との間でシリサイド層106を形成し、銅合金中の銅がa−Si層112中に拡散するのを防止する。この際、銅合金は固溶限界以上のMo、Be、Mg、Zn、Au、Ag等を添加物とする合金であり、これらの添加物を1wt%以上含んでいる。
X線等の放射線は図2の紙面上部より入射し、蛍光体層135により可視光に変換される。変換光はMIS型PD101により電荷に変換され、MIS型PD101内に蓄積される。その後、TFT駆動回路201の駆動により転送用TFT駆動配線103を介して転送用TFT102を動作させ、この蓄積電荷を転送用TFT102のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線104に転送する。そして、信号処理回路202にて処理され、更に、A/D変換回路203にてA/D変換され出力される。
次に、本実施形態のMIS型PDを用いたFPDの製造方法について説明する。第1工程は、絶縁性基板110上に、第1の金属層(銅合金層等)をスパッタ法により成膜する。この時、ウエットエッチングにより転送用TFT駆動配線103、TFTゲート電極115を形成する。
第2工程は、ゲート絶縁膜111、a−Si等の第1のアモルファス半導体層112、第1のオーミックコンタクト層113をプラズマCVD法により順次積層する。アモルファス半導体層は500Å以上積層する。オーミックコンタクト層(n+層)は500Å成膜する。また、オーミックコンタクト層(n+層)、a−Si膜をドライエッチングし、TFTの島状領域を形成する。
第3工程は、第2の金属層(銅合金層)をスパッタ法により積層し、スイッチTFTのSD電極107、信号線104をウエットエッチングにより形成する。この時、銅合金用のエッチャントとしては、従来Crエッチャントとして使用される硝酸第2セリウムアンモニウムと過塩素酸の混合液が使用される。
次いで、同一レジストによりn+半導体層を除去する。即ち、スイッチTFTのSD電極間のギャップ部が形成される。この時、第1のアモルファス半導体層も200〜600Å程度エッチングされる。
第4工程は、SIN・SIO2・BCB・PI等の絶縁膜114を形成し、センサ下電極109と接合するためのコンタクトホール(接続孔)108を形成する。
第5工程は、第3の金属層(銅合金層等)をスパッタ法により積層し、ウエットエッチング法によりセンサ下電極109を形成する。
第6工程は、絶縁膜116、a-Si等の第2のアモルファス半導体層117、及び第2のn+層118をプラズマCVD法により順次積層する。
第7工程は、第4の金属層(銅合金層等)をスパッタ法により積層し、ウエットエッチング法によりバイアス配線105を形成する。
第8工程は、ITO・SnO2等の透明電極層をスパッタ法により積層し、ウエットエッチング法によりセンサ上電極を形成する。
第9工程は、a-Si等の第2のアモルファス半導体層117、及び第2のn+層118をドライエッチングし、素子間分離を行う。
第10工程は、保護層132を積層し、配線引き出し部等必要な領域を除去する。その後、GOS、CsI等の蛍光体135を有機樹脂等の接着層134で貼り合わせる。
このような構成にすると、オーミックコンタクト層(n+層)113とソース・ドレイン電極107間のシリサイド層106により銅の拡散を防止することができる為、バリアメタルが不要となる。また、信号配線抵抗の低減によりノイズ低減が可能となり、センサ感度が向上できる。更には、配線段差を低減できる為、その上部に積層されたセンサ部のリーク電流を低減できるので絶縁膜116を薄膜化することが可能となり、センサ感度と歩留まりの向上を図ることができる。
なお、本実施形態では、銅合金配線をゲート電極層115、センサ下電極層109、TFTソース・ドレイン電極層107等に使用すると説明したが、本発明は、これに限ることなく、センサバイアス電極層105等を含む全ての配線に適用することも可能である。そうすることにより、配線構造をMo/Al、Mo/Al−Nd、Mo/Al/Mo、Mo/Al−Nd/Mo、Ti/Al/Ti等の積層構造にする必要がなく、銅合金単層配線層で形成できる為、プロセスの簡略化が可能となる。
また、本発明は、MIS型PDだけでなく、PIN型PDについても適用可能である。更に、本実施形態では間接型蛍光体について示したが、a−Se等の放射線を直接電気信号に変換する変換素子を用いた直接型の放射線検出装置にも使用可能である。また、図1では説明の便宜上3×3画素の場合の構成を示したが、それ以上の画素を2次元に配列しても良いことは勿論である。
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、同様にMIS型フォトダイオード(以下、PDと略記)を用いた放射線検出装置について説明する。第2の実施形態の3×3画素の模式的等価回路図は図1と同一である。図5は第2の実施形態の1画素の模式的断面図であり、TFT(薄膜トランジスタ)とセンサ部を同一プロセスで形成する場合を示している。
第2の実施形態では、同様にMIS型フォトダイオード(以下、PDと略記)を用いた放射線検出装置について説明する。第2の実施形態の3×3画素の模式的等価回路図は図1と同一である。図5は第2の実施形態の1画素の模式的断面図であり、TFT(薄膜トランジスタ)とセンサ部を同一プロセスで形成する場合を示している。
図5において、110はガラス等の絶縁性基板、115はゲート電極層、109はセンサ下電極層、111はSIN・SIO2等のゲート絶縁膜、112、117はa−Si等のアモルファス半導体層、113、118はリンドープされたn+層(オ−ミックコンタクト層)、108はコンタクトホールである。また、119はITO・SnO2等の透明電極層、105はセンサバイアス電極層、107は転送用TFTソース・ドレイン電極層、104は信号線、132はSiN・PI(ポリイミド)等の保護層、134は接着層、135は波長変換体としての蛍光体層(GOS,CsI等)である。
また、本実施形態では、ゲート電極層115(ゲート配線103)、TFTソース・ドレイン電極層107、センサ下電極層109等には、銅合金配線が使用されている。銅合金は固溶限界以上のMo、Be、Mg、Zn、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co、Siを添加物として、1又は複数の元素を含む合金であり、これらの添加物を0.1wt%〜3.0wt%含んでいる。
ここで、従来は、代表的な配線構成としては、Mo/Al、Mo/Al−Nd、Mo/Al/Mo、Mo/Al−Nd/Mo、Ti/Al/Tiの積層構造等が使用されているが、本実施形態によれば、配線を積層構造にする必要がなく銅合金の単層配線が可能となる。
X線等の放射線は図面上部より入射し、蛍光体層135により可視光に変換される。変換光はMIS型PD101により電荷に変換され、MIS型PD101内に蓄積される。その後、TFT駆動回路201により転送用TFT駆動配線103を介して転送用TFT102を動作させ、この蓄積電荷を転送用TFT102のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線104に転送する。そして、信号処理回路202にて処理され、更に、A/D変換回路203にてA/D変換され出力される。
次に、第2の実施形態におけるMIS型PDを用いたFPDの製造方法について説明する。第1工程は、絶縁性基板110上に、第1の金属層(銅合金層)をスパッタ法により成膜する。この時、ウエットエッチングによりスイッチTFT駆動配線103、スイッチTFTゲート電極115、センサ下電極層109を形成する。エッチャントとしては、従来Crエッチャントとして使用される硝酸第2セリウムアンモニウムと過塩素酸の混合液が使用される。
第2工程は、ゲート絶縁膜111、a−Si等のアモルファス半導体層112、117、オーミックコンタクト層113、118をプラズマCVD法により順次積層する。アモルファス半導体層は1000Å以上積層する。オーミックコンタクト層(n+層)は500Å成膜する。
第3工程は、オーミックコンタクト層(n+層)、a−Si膜をドライエッチングし、TFTの島状領域及びセンサ部を形成する。
第4工程は、第2の金属層をスパッタ法により積層し、スイッチTFTのSD電極107、信号線104、バイアス配線105をウエットエッチングにより形成する。次いで、同一レジストによりn+半導体層を除去する。即ち、スイッチTFTのSD電極間のギャップ部が形成される。この時、アモルファス半導体層も200〜600Å程度エッチングされる。
第5工程は、ITO・SnO2等の透明電極層をスパッタ法により積層し、ウエットエッチング法によりセンサ上電極を形成する。
第6工程は、保護層132を積層し、配線引き出し部等、必要な領域を除去する。その後、GOS、CsI等の蛍光体135を有機樹脂等の接着層134で貼り合わせる。
このような構成にすると、ゲート配線(駆動配線)抵抗の低減によりノイズ低減が可能となる。また、ゲート配線段差を低減できる為、ゲート絶縁膜111を薄く形成することができ、TFTの高速駆動とセンサ部の高感度化を同時に達成できる。
なお、本実施形態では、銅合金配線をゲート電極層115(ゲート配線103)、センサ下電極層109等に使用する場合を示したが、信号配線104やセンサバイアス電極層105、TFTソース・ドレイン電極層107等を含む全ての配線に使用することも可能である。そうすることにより、配線構造をMo/Al、Mo/Al−Nd、Mo/Al/Mo、Mo/Al−Nd/Mo、Ti/Al/Ti等の積層構造にする必要がなく、銅合金単層膜で形成できる為、プロセスの簡略化が可能となる。
また、センサバイアス電極層105やTFTソース・ドレイン電極層107等に銅合金配線を適用した場合、固溶限界以上に銅合金層の中に含まれる添加物がa−Siやn+層との間でシリサイド層(図示せず)を形成し、銅合金中の銅がa−Si層112中に拡散するのを防止する。この際、銅合金は固溶限界以上のMo、Be、Mg、Zn、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co、Si等を添加物とする合金であり、これらの添加物を0.1wt%〜3.0wt%含んでいる。
また、本実施形態ではMIS型PDを用いた例を示したが、本発明は、PIN型PDを用いた場合にも適用可能である。
101 光電変換素子(MIS型PD)
102 転送用TFT
103 転送用TFT駆動配線(ゲート配線)
104 信号線
105 センサバイアス配線
106 銅拡散防止用シリサイド層
107 転送用TFTソース・ドレイン電極層
108 コンタクトホール
109 センサ下部電極層
110 絶縁性基板
111 ゲート絶縁膜
112 第1のアモルファス半導体層
113 第1のn+層
114 絶縁膜
116 絶縁膜
117 第2のアモルファス半導体層
118 第2のn+層
119 透明電極層
132 保護層
134 接着層
135 蛍光体層
201 TFT駆動回路
202 信号処理回路
203 A/D変換回路
102 転送用TFT
103 転送用TFT駆動配線(ゲート配線)
104 信号線
105 センサバイアス配線
106 銅拡散防止用シリサイド層
107 転送用TFTソース・ドレイン電極層
108 コンタクトホール
109 センサ下部電極層
110 絶縁性基板
111 ゲート絶縁膜
112 第1のアモルファス半導体層
113 第1のn+層
114 絶縁膜
116 絶縁膜
117 第2のアモルファス半導体層
118 第2のn+層
119 透明電極層
132 保護層
134 接着層
135 蛍光体層
201 TFT駆動回路
202 信号処理回路
203 A/D変換回路
Claims (6)
- 複数の光電変換素子と複数のスイッチ素子を有し、前記スイッチ素子上に光電変換素子と波長変換部材を積層した放射線検出装置において、前記スイッチ素子の信号配線は銅合金であることを特徴とする放射線検出装置。
- 複数の光電変換素子と複数のスイッチ素子とを同一プロセスにて形成する放射線検出装置において、前記スイッチ素子の駆動配線は銅合金であることを特徴とする放射線検出装置。
- 放射線を電気信号に変換する複数の変換素子と複数のスイッチ素子を有し、前記スイッチ素子上に前記変換素子を積層した放射線検出装置において、前記スイッチ素子の信号配線は銅合金であることを特徴とする放射線検出装置。
- 前記スイッチ素子のゲート配線、前記光電変換素子のセンサ下部電極、信号配線及びバイアス配線を含むすべての金属配線層が銅合金配線であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の放射線検出装置。
- 前記銅合金は、固溶限界以上のMo、Be、Mg、Zn、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co、Siを添加物として、1又は複数の元素を含む合金であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の放射線検出装置。
- 前記添加物を0.1wt%〜3.0wt%含むことを特徴とする請求項5に記載の放射線検出装置。
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JP2009128185A (ja) * | 2007-11-22 | 2009-06-11 | Toshiba Corp | 放射線検出器およびその製造方法 |
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JP2011228733A (ja) * | 2011-06-29 | 2011-11-10 | Mitsubishi Electric Corp | フォトセンサー及びその製造方法 |
CN109671729A (zh) * | 2017-10-17 | 2019-04-23 | 京东方科技集团股份有限公司 | 探测单元及其制作方法、平板探测器 |
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2004
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