JP4960587B2 - 固体イメージャ用蓄電キャパシタ設計 - Google Patents

Description

本発明は一般的には、固体イメージャに関し、さらに具体的には、固体イメージャ用蓄電キャパシタ設計に関する。

固体放射線イメージャは典型的には、横列及び縦列を成して配列されている複数のピクセルを含む大面積フラット・パネル撮像装置を含んでいる。各々のピクセルは典型的には、切り換えトランジスタ（例えば薄膜電界効果トランジスタ）を介して２本の別個のアドレス線すなわち走査線及びデータ線に結合されているフォトダイオードのような光センサを有する。各々のピクセル横列では、それぞれの切り換えトランジスタの各々が、当該トランジスタのゲート電極を介して共通の走査線に結合されている。各々のピクセル縦列では、トランジスタの読み出し電極（例えばトランジスタのソース電極）がデータ線に結合されている。ノミナル動作の際には、放射線（Ｘ線束等）のパルスが開始すると、被検体を透過したＸ線が撮像アレイに入射する。放射線はシンチレータ物質に入射し、ピクセルの光センサがＸ線とシンチレータとの相互作用によって発生される光の量を測定する（ダイオードに跨がる電荷の変化によって）。代替的には、Ｘ線が光センサにおいて電子−正孔対を直接発生することもできる（一般に「直接検出」と呼ぶ）。ピクセルの横列を相次いでイネーブルにし（走査線に信号を印加して、この走査線に結合されている切り換えトランジスタを通電状態にすることにより）、それぞれのデータ線を介してこのようにイネーブルにされたそれぞれのピクセルからの信号を読み取ることにより、光センサ電荷データが読み取られる（フォトダイオード電荷信号は、データ線に結合されている通電状態の切り換えトランジスタ及び関連する読み出し電極を介してデータ線に結合される）。このようにして、所与のピクセルを、該ピクセルに結合されている走査線をイネーブルにすることと、該ピクセルに結合されているデータ線で読み出しを行なうこととの組み合わせによってアドレス指定することができる。
米国特許５６４８６５４号

かかる固体放射線イメージャに関連する一つの問題点は、ダイナミック・レンジが限定されていることである。典型的には、ダイナミック・レンジは、ダイオードのバイアス及びダイオードのキャパシタンスを増大させることにより拡大することができる。ダイオードのバイアスを増大させると、一般的には、ダイオードが飽和に近い又は飽和を超えているときにダイオード漏れ及びＦＥＴ漏れが増大し、漏れを減少させるためには大きなトランジスタ・ゲート制御電圧が必要になる場合がある。ダイナミック・レンジを拡大するもう一つの典型的な解決方法は、ダイオードのキャパシタンスを増大させることである。ダイオードのキャパシタンスを増大させるためには、ダイオードのキャパシタンスはダイオード厚みに反比例するためダイオードのｉ層を薄くする必要があり得る。ダイオードのｉ層の厚みを薄くすると漏れ電流がさらに大きくなり、望ましくない。

従って、ダイオード漏れ、ＦＥＴ漏れ及びピクセルの短絡を増大させずに検出器のダイナミック・レンジを拡大できると望ましい。

一実施形態では、本発明は、イメージャのダイナミック・レンジを拡大する蓄電キャパシタを提供する。イメージャは、横列及び縦列で構成されている撮像用アレイ・パターンを成して基材上に配設されている複数のピクセルを含んでおり、ピクセルの各々がそれぞれの薄膜切り換えトランジスタに結合されているそれぞれの光センサを含んでいる。イメージャはさらに、撮像用アレイ・パターンの第一の軸に沿って基材に関して第一の階層に配設されている複数の走査線を含んでおり、撮像用アレイ・パターンの各々のピクセル横列がそれぞれの走査線を有し、それぞれの走査線の各々が、撮像用アレイ・パターンのそれぞれのピクセル横列に沿って配設されている各々のピクセルの薄膜切り換えトランジスタのそれぞれのゲート電極に結合されている。また、複数のデータ線が、撮像用アレイ・パターンの第二の軸に沿って基材に関して第二の階層に配設されており、撮像用アレイ・パターンの各々のピクセル縦列が、対応するデータ線を有しており、それぞれのデータ線の各々が、撮像用アレイ・パターンのそれぞれのピクセル縦列に沿って配設されている各々のピクセルの薄膜切り換えトランジスタのそれぞれのソース電極に結合されている。各々のピクセルはさらに、光センサに並列に結合されている蓄電キャパシタを含んでおり、蓄電キャパシタは、信号電極、キャパシタ共通電極、及びキャパシタ信号電極とキャパシタ共通電極との間に配設されている誘電体を含んでいる。

本発明のこれらの特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を吟味するとさらによく理解されよう。各図面を通じて類似の参照番号で類似の部材を表わす。

固体放射線イメージャ１００が、ピクセル１１０の横列及び縦列を含むマトリクス状撮像用アレイ・パターンを成して配列されている複数のピクセル１１０で構成されている（図１（Ａ）には複数のピクセルの代表ピクセル１個を示す）。一実施形態では、イメージャはＸ線イメージャであるが、本発明の原理は、他の形式の放射線イメージャでの利用にも適している。

制限でなく説明の目的のために述べると、イメージャ１００は、ピクセルの横列が並ぶ軸である第一の軸１０１と、ピクセルの縦列が並ぶ軸である第二の軸１０２とを有する。各々のピクセル１１０が光センサ１２０と薄膜切り換えトランジスタ１３０とを含んでいる。光センサ１２０は典型的には、素子の作用域（すなわち感光域）に実質的に対応している下方のピクセル電極１２２を一部として構成されているフォトダイオードを含んでいる。切り換えトランジスタ１３０は典型的には、ゲート電極１３２と、ドレイン電極１３４と、ソース電極（又は読み出し電極）１３６とを有する薄膜電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含んでいる。イメージャ１００はさらに、複数のデータ線１４０と走査線１５０とを含んでいる（まとめてアドレス線と呼ぶ）。撮像用アレイ・パターンの各々のピクセル横列毎に第一の軸１０１に沿って少なくとも１本ずつの走査線１５０が配設されている。各々の走査線は、当該ピクセル横列のピクセルのそれぞれのゲート電極１３２に結合されている。また、撮像用アレイ・パターンの各々のピクセル縦列毎に第二の軸１０２に沿って少なくとも１本ずつのデータ線１４０が配設されており、当該ピクセル縦列のピクセルのそれぞれの読み出し電極１３６に結合されている。

図１（Ａ）に示す１個のピクセル１１０の部分断面図を図１（Ｂ）に示す。フォトダイオード１２０は、第一の誘電材料層１２１と、ピクセル電極１２２と、感光性材料本体１２４とを含んでいる。フォトダイオード１２０は基材１０５の上に配設されている。第一の誘電材料層１２１は典型的には、ピクセル電極１２２と基材１０５との間に配設されている。感光性材料本体１２４（典型的にはアモルファス・シリコンを含む）は、撮像用アレイを覆って配設されているダイオード共通電極１２６に電気的に結合されている。ダイオード共通電極１２６は、光学的に透過性であり電気的に伝導性である酸化インジウムスズ等のような材料を含んでおり、又は代替的には、不透明の細長い金属片であってもよい。典型的には窒化ケイ素等を含む第二の誘電材料層１２３が感光性材料本体１２４の側壁の一部を覆って延在しており、ポリイミド等を含む第三の誘電層１２５が、ダイオード共通電極１２６と撮像用アレイの他の構成要素との間に配設されている（但し、第二の誘電材料層１２３及び第三の誘電層１２５のバイアを貫通する感光性材料本体１２４への接点を除く）。

図２は、本発明の一実施形態によるイメージャ（図示されていない）の１個のピクセル２１０の部分断面図である。イメージャは、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すイメージャ１００と同様のものであるが、図２のイメージャは、光センサ２０５に並列に結合されている蓄電キャパシタ２１１を有するピクセルを含んでいる点が異なる。蓄電キャパシタはイメージャのダイナミック・レンジを拡大する。イメージャは、横列及び縦列で構成されている撮像用アレイ・パターンを成して基材上に配設されている複数のピクセル２１０を含んでいる。一実施形態では、基材はガラスである。各々のピクセルは、それぞれの薄膜切り換えトランジスタ２３０に結合されているそれぞれの光センサ２０５を含んでいる。光センサとピクセルのその他構成要素との間に誘電層２２５が配設されている。薄膜トランジスタはデータ線１４０に結合されている。

前述のように、ピクセル２１０は、光センサ２０５に並列に結合されている蓄電キャパシタ２１１を含んでいる。蓄電キャパシタは図２に示すように、キャパシタ信号電極２１６、キャパシタ共通電極２１２、及び信号電極とキャパシタ共通電極との間に配設されているキャパシタ誘電体２１４を含んでいる。一実施形態では、キャパシタ信号電極２１６は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２３０のゲート電極２１７と同じ材料を用いて構成され同時製造されている。さらにもう一つの実施形態では、キャパシタ信号電極は少なくとも２層の導電層を含んでいる。これらの導電層はソース金属バイア２１８を用いて短絡される。

さらにもう一つの実施形態では、導電層２１９を用いて、光センサの下層ピクセル電極及びＴＦＴ２３０のソース電極の両方を形成する。図示の実施形態では、キャパシタ信号電極２１６及び導電層２１９は、ソース金属バイア２１８によって共に結合されている。換言すると、キャパシタ信号電極は、ソース金属バイアを用いて薄膜切り換えトランジスタのソース電極及び光センサの下層ピクセル電極に結合されている。図示の実施形態では、ソースからゲートへの金属バイアはフォトダイオード１２０の下層にも蓄電キャパシタ共通電極２１２の上層にも位置せず、バイア２１８の寸法を最小にして蓄電キャパシタ及び光センサのフィル・ファクタを最大にしている。もう一つの実施形態では、バイア２１８はフォトダイオードの下層又は電極２１２の上層に形成される。

さらにもう一つの実施形態では、下層ピクセル電極２１９はキャパシタ信号電極２１６よりも小さく、これにより、蓄電キャパシタンスが、キャパシタ共通電極２１２とキャパシタ信号電極２１６との重なり面積並びに単一のキャパシタ誘電体２１４の厚みによって画定されることを保証する。

加えて、キャパシタ誘電体２１４は、堆積したキャパシタ信号電極２１６によって直に被覆されており、従って、短絡を招く可能性のあるような後に行なわれる加工操作時の損傷から保護される。実施形態の一例では、信号電極２１６及びキャパシタ共通電極２１２に用いられる材料としては、モリブデン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、又はチタンの単一層又は多重層がある。層２１４に適した誘電体としては、窒化ケイ素、酸化ケイ素及び酸窒化ケイ素がある。

図示の実施形態では、キャパシタ信号電極２１６は蓄電キャパシタのキャパシタ共通電極２１２よりも大きい。より大きいキャパシタ信号電極２１６を用いることにより、蓄電キャパシタは後に行なわれる工程時にさらに完全に保護されて、キャパシタンスがキャパシタ共通電極２１２及び誘電材料２１４の面積によって画定されることを保証する。

ピクセル２１０のさらにもう一つの実施形態では、（図２に示すように）キャパシタ共通電極材料２１２をバイア領域２２０の下層から取り除く。領域２２０から材料を取り除くことにより、キャパシタ短絡の潜在的可能性が大幅に低下する。

図３に示すさらにもう一つの実施形態では、ピクセル２１０は、光センサ２０５をキャパシタ信号電極２１６に結合する複数のバイア２２２をさらに含んでいる。バイア２２２は、導電層２１９の最上層に堆積している誘電層２２５を貫通して蝕刻される。バイアの数及び間隔は、光センサの時定数に基づいて決定される。電荷は、光センサ２０５の底面に設けられているドープされた半導体層（図示されていない）によって光センサの内外に運ばれる。この層の抵抗は、光センサのＲＣ時定数への寄与因子である。このため、バイア２２２同士の間の距離は、抵抗を制御するように選択される。医療応用では、１０マイクロ秒以下の時定数が望ましく、時定数はバイア間の領域のＲＣ積によって決定される。一実施形態では、２０ミクロン〜４０ミクロンの距離が適当である。

さらにもう一つの実施形態では、キャパシタ共通電極２１２において上述の複数のバイア２２２の下方領域に複数の孔２２４を蝕刻する。キャパシタ共通電極に孔を蝕刻することにより、キャパシタ信号電極のピン・ホールを介した腐蝕液の滲出に起因するキャパシタ短絡が解消される。一実施形態では、短絡したキャパシタの数は、２０ｃｍ×２０ｃｍパネル当たり１０００超からパネル当たり１０未満まで減少する。

ピクセル２１０の図示の実施形態では、蓄電キャパシタは光センサ１２０の下方に配設されている。蓄電キャパシタを光センサの下方に構築すると、キャパシタ面積が最大になり、従って素子キャパシタンスが最大になる。さらにもう一つの実施形態では、光センサは導電層よりも大きい。

本発明の以上に述べた実施形態は、多くの利点、すなわちキャパシタ面積の最大化及び光センサ面積の最大化、ダイオード漏れの最小化、並びにキャパシタ短絡の減少等の利点を有する。

本発明の幾つかの特徴のみを図示して本書で説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は本発明の真意に含まれるような全ての改変及び変形を網羅しているものと理解されたい。

従来技術によるイメージャの一部の平面図である。 図１（Ａ）の線Ｉ−Ｉに沿って見た代表ピクセルの部分断面図である。 本発明の一観点に従って具現化されているピクセルの部分断面図である。 本発明の一観点に従って具現化されており複数のバイア及び複数の孔を示すピクセルの部分断面図である。

符号の説明

１００ 固体放射線イメージャ
１０１ 横列軸
１０２ 縦列軸
１０５ 基材
１１０ ピクセル
１２０ 光センサ
１２１ 第一の誘電材料層
１２２ ピクセル電極
１２３ 第二の誘電材料層
１２４ 感光性材料本体
１２５ 第三の誘電層
１２６ ダイオード共通電極
１３０ 薄膜切り換えトランジスタ
１３２ ゲート電極
１３４ ドレイン電極
１３６ ソース電極
１４０ データ線
１５０ 走査線
２０５ 光センサ
２１０ ピクセル
２１１ 蓄電キャパシタ
２１２ キャパシタ共通電極
２１４ キャパシタ誘電体
２１６ キャパシタ信号電極
２１７ ゲート電極
２１８ ソース電極バイア
２１９ 導電層（下層ピクセル電極）
２２０ バイア領域
２２２ バイア
２２４ 孔
２２５ 誘電層
２３０ 薄膜切り換えトランジスタ

Claims (8)

1. 横列及び縦列で構成されている撮像用アレイ・パターンを成して基材上に配設されている複数のピクセル（２１０）であって、当該ピクセルの各々が、それぞれの薄膜切り換えトランジスタ（２３０）に結合されているそれぞれの光センサ（２０５）を含んでいる、複数のピクセル（２１０）と、
   前記撮像用アレイ・パターンの第一の軸に沿って前記基材に関して第一の階層に配設されている複数の走査線（１５０）であって、前記撮像用アレイ・パターンの各々のピクセル横列がそれぞれの走査線を有しており、当該それぞれの走査線の各々が、前記撮像用アレイ・パターンの前記それぞれのピクセル横列に沿って配設されている各々のピクセルの前記薄膜切り換えトランジスタのそれぞれのゲート電極（２１７）に結合されている、複数の走査線（１５０）と、
   前記撮像用アレイ・パターンの第二の軸に沿って前記基材に関して第二の階層に配設されている複数のデータ線（１４０）であって、前記撮像用アレイ・パターンの各々のピクセル縦列が、対応するデータ線を有しており、当該それぞれのデータ線の各々が、前記撮像用アレイ・パターンの前記それぞれのピクセル縦列に沿って配設されている各々のピクセルの前記薄膜切り換えトランジスタのそれぞれのソース電極（２３６）に結合されている、複数のデータ線（１４０）と、
   と、を備えたイメージャであって、
   各々のピクセルが、前記光センサに並列に結合されている蓄電キャパシタ（２１１）を含んでおり、該蓄電キャパシタは、キャパシタ信号電極（２１６）、キャパシタ共通電極（２１２）、及び前記キャパシタ信号電極と前記キャパシタ共通電極との間に配設されているキャパシタ誘電体（２１４）とを含んでおり、
   前記光センサ（２０５）の下層ピクセル電極及び前記薄膜切り換えトランジスタ（２３０）の前記ソース電極の両方が導電層（２１９）により形成され、
   前記イメージャが、前記導電層（２１９）と前記キャパシタ信号電極（２１６）との間に配設された誘電材料層（１２３）を備え、
   前記導電層（２１９）及び前記キャパシタ信号電極（２１６）はソース金属バイア（２１８）により結合されており、
   前記ソース金属バイア（２１８）が、前記キャパシタ共通電極（２１２）の上方領域から離れて配置され、
   前記薄膜切り換えトランジスタ（２３０）の前記ゲート電極及び前記キャパシタ信号電極は同じ材料で構成され、前記ゲート電極が前記キャパシタ誘電体（２１４）の上に配設されている、
   イメージャ（１００）。
2. 前記キャパシタ信号電極は前記蓄電キャパシタの前記共通電極よりも大きく、
   前記光センサ（２０５）が、前記ゲート電極の上方領域から離れて配置され、
   前記導電層（２１９）と前記キャパシタ信号電極（２１６）との間に配設された誘電材料層（１２３）が前記光センサ（２０５）の両端を越えて延びている、請求項１に記載のイメージャ。
3. 前記キャパシタ信号電極（２１６）及び前記キャパシタ共通電極（２１２）が、モリブデン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、又はチタンの単一層又は多重層により形成されている、請求項１又は２に記載のイメージャ。
4. 前記キャパシタ誘電体（２１４）が、窒化ケイ素、酸化ケイ素及び酸窒化ケイ素により形成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のイメージャ。
5. 前記キャパシタ信号電極（２１６）の下方領域において前記キャパシタ共通電極に蝕刻されている孔（２２４）をさらに含んでいる、請求項１乃至４のいずれかに記載のイメージャ。
6. 前記導電層（２１９）の最上層に堆積している誘電層（２２５）を貫通して蝕刻されることにより形成される複数のバイア（２２２）であって、前記導電層（２１９）を前記光センサに結合する前記複数のバイア（２２２）をさらに含んでいる請求項１乃至５のいずれかに記載のイメージャ。
7. 前記複数のバイアの下方領域において前記キャパシタ共通電極に蝕刻されている複数の孔（２２４）をさらに含んでいる請求項６に記載のイメージャ。
8. 前記イメージャはＸ線イメージャである、請求項１乃至７のいずれかに記載のイメージャ。
   
   

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