JP4298081B2

JP4298081B2 - 半導体装置及びそれを備えた放射線撮像システム

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Publication number: JP4298081B2
Application number: JP24793299A
Authority: JP
Inventors: 岡田　　聡; 千織望月
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: US6600158B1; JP2001074846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、保護層とシンチレータとの間に、これらの分離を防止するための分離防止層を形成した半導体装置及びそれを備えた放射線撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レントゲン撮影のフィルムレス化の流れの中、各社からＸ線エリアセンサーが発表されており、その方式もダイレクト方式（Ｘ線を直接電気信号に変換して読み取るタイプ）とインダイレクト方式（Ｘ線を一旦可視光に変換して可視光を電気信号に変換して読み取るタイプ）の２つに大別される。
【０００３】
図６は、実用化が間近なインダイレクト方式の代表的なＸ線エリアセンサーの断面図である。図６において、４０１はガラス基板、４０２はアモルファスシリコンを用いたＭＩＳ型フォトセンサー部、４０３はＴＦＴスイッチ部、４１１は窒化物等よりなる保護層、４２１は沃化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）などからなるシンチレータ、４２２はアルミニウム等よりなる反射膜である。
【０００４】
図６に示すＸ線エリアセンサーは、通常、ガラス基板４０１上にフォトセンサー部４０２と、ＴＦＴスイッチ部４０３と、保護膜４１１とを形成し、保護膜４１１上に直接沃化セシウムなどからなるシンチレータ４２１を蒸着し、更に、シンチレータ４２１上に反射膜４２２を直接蒸着又は接着（接着層は図示せず）して完成する。
【０００５】
こうして完成されたＸ線エリアセンサーに、図６の上方からＸ線を入射すると、Ｘ線は反射膜４２２を透過し、シンチレータ４２１で吸収される。Ｘ線を吸収したシンチレータ４２１は、バルク中で可視光を全方向に発光する。この時、シンチレータ４２１は、図６に示すように柱状に結晶成長しているため、バルク中で発光した光は結局、結晶粒界で反射しながら柱状の方向に光ファイバーの原理のように進むこととなり、ほとんどが図６の下方のフォトセンサー部４０２、ＴＦＴスイッチ部４０３に集光される。このため、光感度と分解能を向上することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＸ線エリアセンサーは、保護層に直接シンチレータを蒸着しているが、シンチレータの材料となる沃化セシウムは、熱伝導率の低い物質との接合力が弱く、このような物質と接合しても剥離により分離しやすい。ここで、保護層は熱伝導率の低い物質であり、したがって、シンチレータと第１の保護層とは接合力が弱いため、剥離して分離しやすく、Ｘ線エリアセンサーを備えた半導体装置は、耐衝撃性や信頼性に不安があった。
【０００７】
また、デバイス特性を維持したり、沃化セシウムからの不純物の拡散をブロックしたり、外部からの水分の進入を防ぐために保護層を設けているが、保護層とシンチレータとの接合力が弱いと、保護層の材料の選択の幅を狭めることになり、Ｘ線エリアセンサーの設計、製造に当たり制約を受けることが多かった。
【０００８】
そこで、本発明は、保護層とシンチレータとが分離しにくい半導体装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、基板上に配置された光電変換素子と、該光電変換素子を保護する保護層と、前記保護層の上部に配置されたシンチレータとを有する半導体装置において、前記保護層と前記シンチレータとの間に金属層又は金属化合物層からなる分離防止層が配置されている。
【００１０】
また、本発明の放射線撮像システムは、上記半導体装置と、前記半導体装置からの信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、前記半導体装置に放射線を照射するための放射線源とを具備する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１のＸ線エリアセンサーパネルを平面方向に複数貼り合わせて形成した半導体装置の断面図の一部であり、Ｘ線エリアセンサーパネルを貼り合わせ部分を拡大して図示している。図１において、１０４はガラスなどからなる基台、１０５は基台１０４とガラス基板１０１とを貼り合わせるための接着層、１０２はアモルファスシリコンを用いたＭＩＳ型フォトセンサー部、１０３はＴＦＴスイッチ部、１１１は窒化物等よりなりＴＦＴスイッチ部１０３を電気的に保護する及び不純物から保護する第１の保護層、１１２はシンチレータ１２１を平坦に形成するために形成したＰＩ等の有機材料からなる第２の保護層、１２１は沃化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）などからなるシンチレータ、１２２はＡｌ等よりなる反射膜、１１０はＩＴＯなどの透明導電層からなる分離防止層である。
【００１２】
ここで、沃化セシウムは、熱伝導率の低い第１の保護層との接合力が弱く、そのため、このような物質と接合しても剥離により分離しやすい。一方、金属は熱伝導率が高く、そのため、沃化セシウムとの接合力は強い。そのため、本実施形態では、シンチレータ１２１と第１の保護層とが剥がれて分離することを防止するため、これらの間に、分離防止層１１０を備えている。
【００１３】
分離防止層１１０を形成する方法としては、一般的なスパッタ等を用い、基板温度を素子の劣化が抑えられる２００℃以内の範囲で蒸着する。また、分離防止層１１０として金属化合物を用いてもよい。これらの材料は、熱伝導率が２．０ｗ／ｍ・ｋ以上のものを採用する。
【００１４】
具体的には、硫化アンチモン（Ｓｂ₂Ｓ₃）、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、塩化鉛（ＰｂＣｌ₂）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）、酸化タングステン（ＷＯ₃）、酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、弗化カルシウム（ＣａＦ₂）、弗化リチウム（ＬｉＦ）、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、弗化ナトリウム（ＮａＦ）、弗化アルミニウム（ＡｌＦ₃）等の透明材料のうち、いずれかの材料を選択するのが望ましい。
【００１５】
シンチレータ１２１も２００℃以内の条件で、柱状構造に成長させる。このようにシンチレータ１２１を分離防止層１１０上に蒸着すれば、そのまま第２の保護層１１２上に蒸着した時に比べ、接合力が向上する。光学的にも、分離防止層１１０は透明であるため、シンチレータ１２１で発生した光はフォトセンサー部１０２に到達する。
【００１６】
このような構造であれば、小さなセンサーパネルを平面方向に複数貼り合わせた後に、第２の保護層１１２により平坦とした面にシンチレータ１２１を均一に蒸着することが可能になると同時に、第２の保護層１１２とシンチレータ１２１との接合力を強化することができる。
【００１７】
また、本実施形態によると、第２の保護層１１２とシンチレータ１２１との接合力を向上することができるため、第２の保護層１１２の材料の選択幅を広げることができる。さらに、シンチレータ１２１の材料である沃化セシウムとの結合力にとらわれることなく、保護膜を選択することができるため、第１の保護層１１１の材料の選択幅も広げることができる。したがって、たとえば熱伝導率の低い有機樹脂なども第１の保護層１１１の材料として選択することができる。
【００１８】
［実施形態２］
図２は、好適な実施形態の断面を示したものである。２１１はシリコンリッチな窒化物等よりなる第１の保護層、２１２はストイキオメトリーライクな窒化物よりなる第２の保護層、２１０はクロムからなる分離防止層である。なお、図１に示した部材と同様の部材には同一の符号を付している。
【００１９】
分離防止層２１０の形成方法としては、一般的なスパッタ等を用い、基板温度を素子の劣化を抑えられる２００℃以内の範囲で蒸着するが、光の透過率を下げてはならないので、層厚はできるだけ薄くする。本実施形態のように、金属材料により層を形成する場合には、光の透過率を確保するため、金属層の層厚を、蒸着初期段階のクラスターがつながりあう最低限の層厚以上かつ、できる限り薄くしておくことが理想的である。
【００２０】
シンチレータ１２１も２００℃以内の条件で、柱状構造に成長させる。ここで、第１の保護層２１１はＴＦＴスイッチ部１０３を電気的に保護するために形成されているが、耐湿性や不純物のブロッキング性が弱い。
【００２１】
一方、第２の保護層２１２は、ほぼストイキオメトリーな結合であるため、耐湿性や不純物のブロッキング性が強い。そして、第２の保護層２１２上には分離防止層２１０を挟んでシンチレータ１２１が蒸着されているため、実施形態１と同様、シンチレータ１２１と第２の保護層とが剥がれることがなくなる。
【００２２】
［実施形態３］
図３（ａ）、図３（ｂ）は、実施形態３のＸ線エリアセンサーパネルを平面方向に複数貼り合わせて形成した半導体装置の製造工程図である。図３（ａ）は、沃化セシウムなどを蒸着してシンチレータ１２１を形成した直後の断面図である。図３（ｂ）は、シンチレータ１２１のうち分離防止層１１０の上部以外を除去し、そこに充填剤３２３を流し込み、その後、シンチレータ１２１及び充填剤３２３の上部に反射膜１２２を形成して完成させた半導体装置の断面図である。なお、図１で示した部材と同様の部材には、同一の符号を付している。
【００２３】
分離防止層１１０の形成方法としては、一般的なスパッタ等を用い、基板温度をフォトセンサー部１０２及びＴＦＴスイッチ部１０３の劣化が抑えられる２００℃以内の範囲で蒸着し、フォトリソグラフィー工程を経てパターニングされる。シンチレータ１２１も２００℃以内の条件で、柱状構造に成長させるが、分離防止層１１０上に成長したシンチレータ１２１は、第２の保護層１１２上に成長した時に比べ、接合力が向上するため、この後シンチレータ１２１に物理的な力を加えることによって接合力の弱い第２の保護層１１２上のシンチレータ１２１を除去することができる。
【００２４】
そして、シンチレータ１２１を除去した部分に充填材３２３を流し込み、その後、シンチレータ１２１及び充填剤３２３の上部に反射膜１２２を形成して、図３（ｂ）に示すように半導体装置を完成させる。光学的には分離防止層１１０が透明であるため、シンチレータ１２１で発生した光はフォトセンサー部１０２に到達する。
【００２５】
図３（ｂ）に示すように、第２の保護層１１２上だけにシンチレータ１２１を形成すると、ＴＦＴスイッチ部１０３には光が入射しないため、オフ電流の上昇が抑えられる。このように、本実施形態では、小さなセンサーパネルを平面方向に複数貼り合わせた後に、第２の保護層１１２によりシンチレータ１２１を平坦にしつつ、さらにシンチレータ１２１を必要な部分に形成している。
【００２６】
［実施形態４］
つづいて、実施形態１〜３のいずれかに記載の半導体装置を備えたＸ線撮像システムについて説明する。
【００２７】
図４（ａ）、図４（ｂ）は、上記半導体装置を搭載したＸ線撮像システムの模式的構成図及び模式的断面図である。まず、Ｘ線撮像システムの構成について説明する。光電変換素子とトランジスタは、ａ−Ｓｉセンサ基板６０１１内に複数個形成されている。そして、ドライバＳＲ１と検出用集積回路ＩＣが実装されたフレキシブル回路基板６０１０が接続されている。
【００２８】
フレキシブル回路基板６０１０の逆側は、回路基板ＰＣＢ１、ＰＣＢ２に接続されている。前記ａ−Ｓｉセンサ基板６０１１の複数枚が、基台６０１２の上に接着されている。また、大型の半導体装置を構成する基台６０１２の下には、処理回路６０１８内のメモリ６０１４をＸ線から保護するため鉛板６０１３が実装されている。
【００２９】
ａ−Ｓｉセンサ基板６０１１上には、たとえばＸ線を可視光に変換するためのシンチレータ６０３０、たとえば、ＣｓＩが蒸着されている。図１で説明した半導体装置を用いてＸ線を検出する。本実施形態では図４（ｂ）に示されるように全体をカーボンファイバー製のケース６０２０に収納している。
【００３０】
図５は、上記半導体装置を備えたＸ線診断システムを示す図である。Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、半導体装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には被験者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応してシンチレータは発光し、これを光電変換して電気的情報を得る。この情報は、ディジタルに変換されイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室のディスプレイ６０８０で観察できる。
【００３１】
また、この情報は電話回線６０９０等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなどディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。またフィルムプロセッサ６１００によりフィルム６１１０に記録することもできる。
【００３２】
なお、本実施形態では、Ｘ線診断システムなどのＸ線撮像システムを例に説明したが、Ｘ線以外のα，β，γ線等の放射線を撮像する撮像システムにも適用することができる。この場合、シンチレータは、放射線を光電変換素子により検出可能な波長領域の電磁波であって、可視光を含むものに変換できればよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、保護層とシンチレータとが分離しにくい半導体装置を提供することができる。これにより、保護層の材料の選択の幅が広くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の半導体装置の断面図である。
【図２】実施形態２の半導体装置の断面図である。
【図３】実施形態３の半導体装置の断面図である。
【図４】実施形態４のＸ線撮像システムの模式的構成図及び模式的断面図である。
【図５】実施形態４のＸ線診断システムを示す図である。
【図６】従来例の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１０１、４０１ガラス基板
１０２、４０２アモルファスシリコンを用いたＭＩＳ型フォトセンサー部
１０３、４０３ＴＦＴスイッチ部
１０４ガラスなどの基台
１０５基台とガラス基板を貼り合わせるための接着層
１１０ＩＴＯ等からなる分離防止層
１１１、４１１ＳｉＮ：Ｈ等よりなる第１の保護層
１１２ＰＩ等よりなる第２の保護層
１２１、４２１沃化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）などからなるシンチレータ
１２２、４２２Ａｌ等よりなる反射膜
２１０クロム等からなる分離防止層
２１１シリコンリッチは窒化物等よりなる第１の保護層
２１２ストイキオメトリーライクな窒化物等よりなる第２の保護層
３２３充填材
６０１０フレキシブル回路基板
６０１１ａ−Ｓｉセンサ基板
６０１２基台
６０１３鉛板
６０１４メモリ
６０１８処理回路
６０２０ケース
６０３０シンチレータ
６０４０半導体装置
６０５０Ｘ線チューブ
６０６０Ｘ線
６０６１被験者
６０６２胸部
６０７０イメージプロセッサ
６０８０ディスプレイ
６０８１ディスプレイ
６０９０電話回線
６１００フィルムプロセッサ
６１１０フィルム

Claims

基板上に配置された光電変換素子と、該光電変換素子を保護する保護層と、前記保護層の上部に配置されたシンチレータとを有する半導体装置において、
前記保護層と前記シンチレータとの間に金属層又は金属化合物層からなる分離防止層が配置されていることを特徴とする半導体装置。
前記保護層は、平坦な表面を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記金属層又は前記金属化合物層は、熱伝導率が２．０ｗ／ｍ・ｋ以上の金属材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記金属層は、クロム、アルミニウム、モリブデン、チタン、タンタルのうち、少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記金属化合物層は、透明導電層、硫化アンチモン（Ｓｂ_２Ｓ_３）層、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）層、酸化チタン（ＴｉＯ_２）層、硫化カドミウム（ＣｄＳ）層、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）層、硫化亜鉛（ＺｎＳ）層、塩化鉛（ＰｂＣｌ_２）層、酸化カドミウム（ＣｄＯ）層、酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）層、酸化タングステン（ＷＯ_３）層、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）層、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層、酸化カルシウム（ＣａＯ）層、弗化カルシウム（ＣａＦ_２）層、弗化リチウム（ＬｉＦ）層、弗化マグネシウム（ＭｇＦ_２）層、弗化ナトリウム（ＮａＦ）層、弗化アルミニウム（ＡｌＦ_３）層のうち少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記シンチレータが、柱状結晶構造のＣｓＩであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記分離防止層が、パターニングされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
さらにスイッチ素子を有し、該スイッチ素子の上部には前記シンチレータが配置されていないことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記保護層は、前記光電変換素子上に配置される第１の保護層と、該第１の保護層上に配置される第２の保護層とを有し、
前記第２の保護層が平坦な表面を有し、
前記第２の保護層の平坦な表面と前記シンチレータとの間に前記分離防止層が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置と、
前記半導体装置からの信号を処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、
前記半導体装置に放射線を照射するための放射線源とを具備することを特徴とする放射線撮像システム。