JP5043373B2 - 変換装置、放射線検出装置、及び放射線検出システム - Google Patents
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Description
本発明は、医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに応用される光電変換用基板及び光電変換装置、放射線検出用基板及び放射線検出装置に関するものである。なお、本明細書では、可視光等の電磁波やＸ線、α線、β線、γ線なども、放射線に含まれるものとする。
従来、医療画像診断で用いられる撮影としては、レントゲン撮影などの静止画像を取得する一般撮影と、動画像を取得する透視撮影とに分類される。それぞれの撮影は、必要に応じて撮像装置を含めて選択される。
従来の一般撮影においては、主に以下に示す２つの方式により行われていた。ひとつは蛍光板とフィルムを組み合わせたスクリーンフィルムを用いてフィルムの露光、現像、及び定着により撮影するスクリーンフィルム撮影（以下ＳＦ撮影と略記する）方式である。もうひとつは、放射線画像を輝尽性蛍光体に潜像として記録し、その輝尽性蛍光体にレーザを走査して潜像に応じた光情報を出力し、出力された光情報をセンサーで読み取るコンピューティドラジオグラフィ撮影（以下ＣＲ撮影と略記する）方式である。しかしながら、従来の一般撮影では、放射線画像を取得するための工程が煩雑であるといった課題があった。また、取得された放射線画像をデジタルデータとすることは可能であるが、間接的にデジタル化することとなり、デジタル化された放射線画像データを取得するまでに多くの時間を必要とするといった課題もあった。
次に、従来の透視撮影においては、蛍光体と電子管を用いたイメージインテンシファイア撮影（以下Ｉ．Ｉ．撮影と略記する）方式が主に行われていた。しかしながら、従来の透視撮影では、電子管を用いているため装置が大規模になってしまうといった課題があった。また、電子管を用いるために視野領域（検出面積）が小さく、大きな領域の画像を取得するのが困難であるといった課題もあった。また更に、電子管を用いているため得られた画像は解像度が低いといった課題もあった。
そこで近年、基板上に放射線もしくは蛍光体からの光を電荷に変換する変換素子とスイッチ素子とを有する画素が２次元マトリクス状に複数配置されて構成されたセンサーパネルが注目されている。変換素子は、絶縁基板上にアモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉと略記する）等の非単結晶半導体によって準備されている。スイッチ素子は、非単結晶半導体によって準備された薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと略記する）である。これらの変換素子とＴＦＴとを有する画素が２次元マトリクス状に複数配置されて構成されたフラットパネル検出器（以下ＦＰＤと略記する）が注目されている。
このＦＰＤは、画像情報を有する放射線を変換素子により電荷に変換し、この電荷をスイッチ素子によって読み出すことにより画像情報に基づいた電気信号を取得することができるものである。このことにより画像情報をデジタル信号情報として直接ＦＰＤから取り出すことが可能であるため、画像データの保管や加工、転送などの取り扱いが簡便となり、放射線画像情報の更なる利用が可能となる。また、ＦＰＤにおいて感度などの諸特性は、撮影条件に依存するが、従来のＳＦ撮影方式やＣＲ撮影方式と比較して、同等又はそれ以上である事が確認されている。更に、ＦＰＤから直接画像情報を有する電気信号を取得することが可能であるため、従来のＳＦ撮影方式やＣＲ撮影方式と比較して、画像取得に要する時間が短くなるという利点がある。
このようなＦＰＤとしては、特許文献１に記載されているような、ａ−Ｓｉにより形成されたＰＩＮ型フォトダイオードとＴＦＴとからなる画素が２次元マトリクス状に複数配置されて構成されたセンサーパネルを用いたＰＩＮ型ＦＰＤが知られている。このようなＰＩＮ型ＦＰＤは、基板上のＴＦＴを構成する層の上にＰＩＮ型フォトダイオードを構成する層を設けた積層構造となっている。また、特許文献２に記載されているような、ａ−Ｓｉにより形成されたＭＩＳ型フォトセンサとＴＦＴとからなる画素が２次元マトリクス状に複数配置されて構成されたセンサーパネルを用いたＭＩＳ型ＦＰＤも知られている。このようなＭＩＳ型ＦＰＤは、基板上のＴＦＴを構成する層と同一層構成によりＭＩＳ型フォトセンサを設けた平面構造となっている。また更に、特許文献３に記載されているような、基板上のＴＦＴを構成する層の上にＭＩＳ型フォトセンサを構成する層を設けた積層構造のＭＩＳ型ＦＰＤも知られている。
ここで、上述のＦＰＤについて特許文献３を例に図を用いて以下に説明する。ここでは、説明の簡略化のために３×３の２次元マトリクス状に配列されたＦＰＤを例にして説明する。
図１０は、特許文献３に記載された、従来のＦＰＤの等価回路を示す模式的等価回路図である。図１１は、特許文献３に記載された、従来のＦＰＤの１画素の模式的平面図である。図１２は、図１１のＸ−Ｘ’における模式的断面図である。
上述のような積層構造を有するＦＰＤにおいては、それぞれの交差部において、それぞれの配線間で絶縁層が介在してそれぞれ絶縁されている。しかしながらそれぞれの交差部における信頼性が製造歩留まりや画像品位に大きく影響するため、それぞれの配線間での絶縁性がより求められている。特に信号配線には、光電変換素子で発生しスイッチング素子によって転送された信号電荷が流れる。そのため、信号線と他の配線間でのリークはＦＰＤの品質を致命的に低下させる。更に、その信号配線にかかる寄生容量や配線抵抗の影響が出力される画像信号のノイズの原因となり、画像信号に悪影響を及ぼす可能性がある。特に、少ない曝射線量による信号電荷を出力する、高い感度が求められる放射線検出装置では、光電変換素子によって発生する信号電荷が小さいためにノイズの影響を大きく受ける。そこで、信号配線にかかる寄生容量や配線抵抗の影響をより小さくすることが求められている。そのため、信号配線にかかる寄生容量の原因となる、信号配線と駆動配線の交差部における絶縁性の確保、及び信号配線とバイアス配線の交差部における絶縁性の確保が求められている。特に信号配線とバイアス配線との間の絶縁性の確保がより求められている。その上で、更に、寄生容量や配線抵抗を小さくすることが求められている。以下にその理由を説明する。
上述のように、信号配線と駆動配線との交差部の配線間にはスイッチング素子に用いられる層と同様の第１の絶縁層、第１の半導体層、及び第１の不純物半導体層が介在している。これらの層はスイッチング素子を形成する工程において形成されるため、層の質は良好で、第１の絶縁層の絶縁性はスイッチング素子のゲート絶縁膜に用いられるため非常に高い絶縁性を有している。そのため交差部における信号配線と駆動配線の間の絶縁性が高いため、駆動配線を厚膜化し配線幅を細くして、寄生容量の影響を小さくすることができ、それによるノイズの影響も小さく抑えることが可能である。一方で、交差部における信号配線とバイアス配線の間には層間絶縁層、第２の絶縁層、第２の半導体層、第２の不純物半導体層が介在されている。これらの層はスイッチング素子を形成した後に形成されるため、その形成温度がスイッチング素子の耐久温度より低くなければならない。一般にスイッチング素子の耐久温度はその形成温度よりも低いため、その上層に形成される層間絶縁層は第１の絶縁層よりも低い温度で形成されることとなる。層間絶縁層として第１の絶縁層と同様の無機材料を用いても、形成される温度が低いためその絶縁性は低くなる。また、層間絶縁層として第１の絶縁層と異なり平坦化膜を兼ねる有機材料を用いて形成しても、有機材料自体が無機材料よりも往々にして絶縁性が低いため、その絶縁性は低くなってしまう。ここで、ＭＩＳ型フォトセンサを用いた場合には、第１の絶縁層と同様の材料で構成可能な第２の絶縁層が設けられるが、層間絶縁層と同様に第１の絶縁層よりも低い温度で形成されることとなる。そのため、第２の絶縁層の絶縁性は第１の絶縁層の絶縁性よりも低くなる。以上のように、信号配線とバイアス配線の交差部における絶縁性は、信号配線と駆動配線の交差部における絶縁性よりも低くなってしまう。
一方、信号配線のノイズの原因となる配線抵抗の低減も求められる。このような配線抵抗の低減をその形状によって解決する場合には、一般的に配線の膜厚を厚くする、もしくは配線の線幅を太くすることが行われる。しかしながら各配線がマトリクス状に配置されているＦＰＤにおいては、配線の線幅を太くすると配線間の交差部における面積が大きくなり、寄生容量を増大させる要因となるため、極端に配線の線幅を太くすることは行わない。そのため、配線抵抗の低減は主に配線の膜厚を厚くすることにより図られる。
しかしながら、信号配線を厚く形成すると、それに伴う段差が大きくなる。信号配線による段差が大きくなると、信号配線を被覆して設けられる層間絶縁層の均一な形成が難しくなる。層間絶縁層の材料として無機材料を用いた場合においては、厚い膜厚で形成することが困難なため、信号配線の側面を被覆する層間絶縁層の膜厚が表面の膜厚と同程度の厚さに形成することが難しくなる。そのため信号配線とバイアス配線の交差部において、信号配線の側面とバイアス配線との間で絶縁性が低下することによりリークが発生する可能性が大きくなり、ライン状の画像ムラが発生する可能性が大きくなる。即ち、ノイズ低減を目指して各配線を厚膜化すると、各配線間でリークが発生する。また、リークを防止するとノイズ改善が十分できないと言った関係がある。
特表平０７−５０２８６５号
特開平０８−１１６０４４号公報
特開２００４−０１５００２号公報
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、スイッチング素子を含むスイッチング素子層上に光電変換素子を含む変換素子層が積層された構成を有する変換装置及び放射線検出装置において、各配線間の交差部に起因するリークを防止する。更に、ノイズを抑制し、高いＳ／Ｎ比の取得が可能となり、それにより良好な画像品位の画像情報を取得可能な変換装置及び放射線検出装置を提供するところである。
本発明に係る変換装置及び放射線検出装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置された絶縁層と、第１の半導体層と、第２の金属層と、を含むスイッチング素子と、前記スイッチング素子上に配置された第３の金属層からなる下部電極と、前記下部電極上に配置された第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に配置された第４の金属層と、を含み、前記錘ちっちそしに接続された変換素子と、を含む複数の画素が行列状に配置された画素領域と、を有する変換装置であって、前記第２の金属層により形成され、列方向の複数の前記スイッチング素子が列毎に接続された複数の信号配線と、前記第４の金属層により形成され、複数の前記変換素子に接続されたバイアス配線と、前記第４の金属層により前記画素領域外に形成され、前記複数の信号配線と接続された外部信号配線と、前記第１の金属層により前記画素領域外に形成され、前記バイアス配線の複数と接続された外部バイアス配線と、を有し、前記外部信号配線と前記外部バイアス配線とが交差することを特徴とするものである。
また、本発明に係る変換装置及び放射線検出装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に配置された第１の半導体層と、前記第１半導体層上に配置された第２の金属層と、を含むスイッチング素子と、前記スイッチング素子上に配置された第３の金属層からなる下部電極と、前記下部電極上に配置された第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に配置された第４の金属層と、を含み、前記スイッチング素子に接続された変換素子と、を有する画素が行方向及び列方向に複数配置された画素領域と、前記第２の金属層により形成され、各々が前記列方向の複数のスイッチング素子に接続された複数の信号配線と、前記第４の金属層により形成され、各々が前記列方向の複数の前記変換素子に接続された複数のバイアス配線と、を備えた変換装置であって、前記第４の金属層により前記画素領域外に形成され、前記複数の信号配線に接続された複数の信号配線引き出し部と、前記第１の金属層により前記画素領域外に形成され、前記複数のバイアス配線に接続された第１のバイアス配線引き出し部と、前記第４の金属層により前記画素領域外に形成され、前記第１のバイアス配線引き出し部と接続された第２のバイアス配線引き出し部と、を更に有し、前記複数の信号配線引き出し部と前記第１のバイアス配線引き出し部とが交差して配置されることを特徴とするものである。
本発明により、画素領域外にある信号配線とバイアス配線の交差部において高い絶縁性が確保される。それにより信号配線の寄生容量となる信号配線とバイアス配線との間の容量が低減され、信号電荷に付加されるノイズの抑制とそれに伴う高いＳ／Ｎ比の画像信号の取得が可能となり、良好な画像品位の画像情報が取得可能となる。更に、厚い膜厚の信号配線を設けることが可能となり、信号配線の配線抵抗の低減が図られ、それにより変換装置及び放射線検出装置の感度の向上が可能となる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１〜３を用いて、本発明の第１の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における光電変換装置及び放射線検出装置を説明する概念的平面図である。図２は、図１のＡの領域を拡大した概念的平面図である。図３（Ａ）は、図２のＢ−Ｂ’における模式的断面図であり、また図３（Ｂ）は、図２のＣ−Ｃ’における模式的断面図である。また、図１〜３において、図１０〜１２で示した従来のＦＰＤと同様の構成要素は同一の番号で示し、その詳細な説明は割愛する。
図１〜３を用いて、本発明の第１の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における光電変換装置及び放射線検出装置を説明する概念的平面図である。図２は、図１のＡの領域を拡大した概念的平面図である。図３（Ａ）は、図２のＢ−Ｂ’における模式的断面図であり、また図３（Ｂ）は、図２のＣ−Ｃ’における模式的断面図である。また、図１〜３において、図１０〜１２で示した従来のＦＰＤと同様の構成要素は同一の番号で示し、その詳細な説明は割愛する。
図１〜３において、１００は絶縁性基板、１０１は変換素子である光電変換素子、１０２はスイッチング素子、１０３は駆動配線、１０４は信号配線、１０５はバイアス配線である。絶縁性基板１００は、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板などが好適に用いられる。光電変換素子１０１はａ−ＳｉからなるＭＩＳ型フォトセンサであり、スイッチング素子はａ−ＳｉからなるＴＦＴであり、この光電変換素子１０１とスイッチング素子１０２により１つの画素が構成されている。これらの画素が２次元マトリクス状に配置され、画素領域Ｐを構成している。駆動配線１０３は行方向に配列された複数のスイッチング素子１０２のゲート電極１１０に接続されており、スイッチング素子１０２のゲート電極１１０と同一の層である第１の金属層Ｍ１によって形成された配線である。信号配線１０４は列方向に配列された複数のスイッチング素子１０２のソース又はドレイン電極１１４に接続されており、スイッチング素子のソース又はドレイン電極１１４と同一の層である第２の金属層Ｍ２によって形成された配線である。バイアス配線１０５は光電変換素子１０１にバイアスを印加するために上部電極層１２０に接続されてセンサ上部電極を構成しており、Ａｌなどの金属材料により形成された第４の金属層Ｍ４によって形成された配線である。ここで、図２では図面の簡略化のために第１の絶縁層１１１〜第２の絶縁層１１７は省略されている。
本発明の第１の実施形態において、１０３ａは駆動配線引き出し部であり、画素領域Ｐの外側（外部）でコンタクトホール１２６を介して各駆動配線１０３と接続されている。また、駆動配線引き出し部１０３ａには、駆動回路１０７と電気的に接続するための駆動配線端子部１２３が設けられている。これら駆動配線引き出し部１０３ａ及び駆動配線端子部１２３は、積層構造のＦＰＤにおいて最も上層の金属層であるバイアス配線１０５と同一の層である第４の金属層Ｍ４によって形成されている。そのため、駆動配線端子部１２３上には保護層１２１があるだけの構造となるため、駆動回路１０７との電気的接続のために設けられる開口の形成が容易である。また、駆動配線引き出し部１０３ａ及び駆動配線端子部１２３がバイアス配線１０５と同じ第４の金属層Ｍ４で形成されているため、バイアス配線１０５と同様に、その表面が上部電極層１２０により被覆される。そのため、駆動配線端子部１２３において第４の金属層Ｍ４の腐食を防止することが可能となる。
また、１０４ａは信号配線引き出し部であり、画素領域Ｐの外側（外部）でコンタクトホール１２７を介して各信号配線１０４と接続されている。また、信号配線引き出し部１０４ａには、信号処理回路１０６と電気的に接続するための信号配線端子部１２４が設けられている。これら信号配線引き出し部１０４ａ及び信号配線端子部１２４は、積層構造のＦＰＤにおいて最も上層の金属層であるバイアス配線１０５と同一の層である第４の金属層Ｍ４によって形成されている。そのため、信号配線端子部１２４の上には保護層１２１があるだけの構造となるため、信号処理回路１０６との電気的接続のために設けられる開口の形成が容易である。また、信号配線引き出し部１０４ａ及び信号配線端子部１２４がバイアス配線１０５と同じ第４の金属層Ｍ４で形成されているため、バイアス配線１０５と同様に、その表面が上部電極層１２０により被覆される。そのため、信号配線端子部１２４において第４の金属層Ｍ４の腐食を防止することが可能となる。
次に、１０５ａは第１のバイアス配線引き出し部であり、画素領域Ｐの外側（外部）でコンタクトホール１２８を介して各バイアス配線１０５と接続されている。この第１のバイアス配線引き出し部１０５ａは積層構造のＦＰＤにおいて最も下層の金属層である駆動配線１０３と同一の層である第１の金属層Ｍ１によって形成されている。また、第１のバイアス配線引き出し部１０５ａはコンタクトホール１２９を介して第２のバイアス配線引き出し部１０５ｂと接続されている。更に第２のバイアス配線引き出し部１０５ｂには、バイアス電源部１０９と電気的に接続するためのバイアス配線端子部１２５が設けられている。ここで、これらバイアス配線引き出し部１０５ｂ及びバイアス配線端子部１２５は、積層構造のＦＰＤにおいて最も上層の金属層であるバイアス配線１０５と同一の層である第４の金属層Ｍ４によって形成されている。そのため、バイアス配線端子部１２５の上には保護層１２１があるだけの構造となるため、バイアス電源部１０９との電気的接続のために設けられる開口の形成が容易である。また、バイアス配線引き出し部１０５ｂ及びバイアス配線端子部１２５がバイアス配線１０５と同じ第４の金属層Ｍ４で形成されているため、バイアス配線１０５と同様に、その表面が上部電極層１２０により被覆される。そのため、バイアス配線端子部１２５において第４の金属層Ｍ４の腐食を防止することが可能となる。
次に、図３（Ａ）を用いてバイアス配線１０５と第１のバイアス配線引き出し部１０５ａとのコンタクト１２８における断面構造及び第１のバイアス引き出し配線１０５ａと信号配線引き出し部１０４ａとの交差部Ｃ３における断面構造を詳細に説明する。また、図３（Ｂ）を用いて信号配線１０４と信号配線引き出し部１０４ａとのコンタクト１２７における断面構造を詳細に説明する。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）において、１１１は第１の絶縁層である。１１２はスイッチング素子１０２の活性層と同一な層である第１の半導体層である。１１３はスイッチング素子１０２のオーミックコンタクト層と同一の層である第１の不純物半導体層である。１１５は層間絶縁層である。１１６はセンサ下部電極と同一の層である第３の金属層Ｍ３である。１１７はＭＩＳ型フォトセンサの絶縁層と同一の層である第２の絶縁層である。１１８はＭＩＳ型フォトセンサの光電変換層と同一の層である第２の半導体層である。１１９はＭＩＳ型フォトセンサのオーミックコンタクト層と同一の層である第２の不純物半導体層である。１２０はＭＩＳ型フォトセンサの上部電極層と同一の層である透明電極層、１２１は保護層である。ここでは、波長変換体１２２は省略する。
図３（Ａ）において、コンタクト１２８は第１の絶縁層１１１、第１の半導体層１１２、第１の不純物半導体層１１３、層間絶縁層１１５、第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９に開口を設けている。そして、コンタクト１２８は、第３の金属層１１６を介して構成されている。このようにして、第１の金属層Ｍ１によって形成されている第１のバイアス配線引き出し部１０５ａと、第４の金属層Ｍ４によって形成されているバイアス配線１０５とが電気的に接続されている。また、交差部Ｃ３は、第１の金属層Ｍ１によって形成されている第１のバイアス配線引き出し部１０５ａと、第４の金属層Ｍ４によって形成されている信号配線引き出し部１０４ａとの間に、複数の層を介して絶縁されている。この複数の層は、第１の絶縁層１１１、第１の半導体層１１２、第１の不純物半導体層１１３、層間絶縁層１１５、第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９である。ここで、本発明の第１の実施形態における交差部Ｃ３では、他の交差部Ｃ１、Ｃ２と同様に、スイッチング素子１０２のゲート絶縁膜となる第１の絶縁層１１１を介して絶縁されている。この第１の絶縁層１１１はスイッチング素子１０２のゲート絶縁膜として用いられるため、誘電率が非常に低く、抵抗率が大きく絶縁性が高いものが用いられる。このように交差部Ｃ３において低誘電率で且つ高い絶縁性を有する第１の絶縁層１１１が介在することにより、寄生容量の低減及び配線間でのリークの防止を達成することが可能となる。また、従来の交差部Ｃ３に比べて介在する層構成が多く、その分第１のバイアス配線引き出し部１０５ａと信号配線引き出し部１０４ａとの間の距離を大きくすることができる。そのため、寄生容量の更なる低減が達成される。
次に、図３（Ｂ）において、コンタクト１２７は層間絶縁層１１５、第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９に開口を設け、第３の金属層１１６を介して構成されている。このようにして、第４の金属層Ｍ４によって形成されている信号配線引き出し部１０４ａと、第２の金属層Ｍ２によって形成されている信号配線１０４とが電気的に接続されている。
また、コンタクト１２９は、コンタクト１２８と同様に第１の絶縁層１１１、第１の半導体層１１２、第１の不純物半導体層１１３、層間絶縁層１１５、第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９に開口を設けている。コンタクト１２９は、更に、第３の金属層１１６を介して構成されている。このようにして、第１の金属層Ｍ１によって形成されている第１のバイアス配線引き出し部１０５ａと、第４の金属層Ｍ４によって形成されている第２のバイアス配線引き出し部１０５ｂ及びバイアス配線端子部１２５とが電気的に接続される。
ここで、本実施形態では、光電変換素子１０１としてＭＩＳ型フォトセンサを用いた積層構造のＭＩＳ型ＦＰＤについて説明したが、図４に示すような光電変換素子としてＰＩＮ型フォトダイオード１３１を用いたＰＩＮ型ＦＰＤを用いてもよい。ここで、１３０は第２の不純物半導体層１１９と異なる導電型の不純物が導入された第３の不純物半導体層である。ＰＩＮ型フォトダイオードにおいては第２の不純物半導体層１１９はｎ型のａ−Ｓｉ層が、第３の不純物半導体層１３０はＰ型のａ−Ｓｉ層が好適に用いられる。また、本実施の形態では、スイッチング素子１０２であるＴＦＴとしてギャップエッチング型のＴＦＴを用いて説明した。しかし、本発明はそれに限られるものではなく、たとえばギャップストッパー型のＴＦＴやｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴで採用されるプレイナー型のＴＦＴを用いてもよい。即ち、スイッチング素子１０２と光電変換素子１０１との組み合わせで、少なくとも駆動配線１０３、信号配線１０４、バイアス配線１０５の３層以上の金属層を使用した場合には、本発明に従って改良可能なものである。また、本実施の形態では、信号配線１０４やソース又はドレイン電極１１４を第２の金属層Ｍ２で、センサ下部電極を第３の金属層Ｍ３でそれぞれ別の金属層を用いて形成している。しかしながら本発明はそれに限られるものではなく、信号配線１０４やソース又はドレイン電極１１４とセンサ下部電極（第３の金属層）１１６とを同一の金属層を用いて形成してもよい。ただし、その場合には信号配線１０４とセンサ下部電極とを重ねて配置することができず、また、光電変換素子をスイッチング素子上には完全に重ねることができないため、ＦＰＤの開口率は異なる金属層を用いて形成されたものに比べると低下してしまう。また本実施形態では、変換素子としてａ−Ｓｉからなる第２の半導体層１１８を用いたＭＩＳ型フォトセンサ１０１及びＰＩＮ型フォトダイオードを用いたＦＰＤを用いて説明した。しかしながら本発明はこれに限定されるものでなく、変換素子としてａ−ＳｅやＣｄＴｅを第２の半導体層として用いた、放射線を直接電荷に変換する変換素子を用いたＦＰＤを用いてもよい。
（第２の実施形態）
図５〜６を用いて、本発明の第２の実施形態を詳細に説明する。図５は、図１のＡの領域を拡大した概念的平面図である。図６（Ａ）は、図５のＤ−Ｄ’における模式的断面図であり、また図６（Ｂ）は、図５のＥ−Ｅ’における模式的断面図である。また、図５〜６において、図１０〜１２で示した従来のＦＰＤ及び図１〜３で示した第１の実施形態と同様の構成要素は同一の番号で示し、その詳細な説明は割愛する。
図５〜６を用いて、本発明の第２の実施形態を詳細に説明する。図５は、図１のＡの領域を拡大した概念的平面図である。図６（Ａ）は、図５のＤ−Ｄ’における模式的断面図であり、また図６（Ｂ）は、図５のＥ−Ｅ’における模式的断面図である。また、図５〜６において、図１０〜１２で示した従来のＦＰＤ及び図１〜３で示した第１の実施形態と同様の構成要素は同一の番号で示し、その詳細な説明は割愛する。
第１の実施形態のコンタクト１２８は第１のバイアス配線取り出し部１０５ａ上に設けられた開口において第３の金属層１１６を介して構成されている。第２の実施形態は、コンタクト１２８’が第１のバイアス配線取り出し部１０５ａ上に設けられた２つの開口において第３の金属層１１６を介して構成されている。この点が第２の実施形態の第１の実施形態との相違点である。また、第１の実施形態のコンタクト１２７が信号配線１０４上に設けられた開口において第３の金属層１１６を介して構成されている。これに対して、第２の実施形態のコンタクト１２７’は信号配線１０４上に設けられた開口と信号配線１０４上ではない位置に設けられた開口において第３の金属層１１６を介して構成されている点も相違している。
本実施形態において、図６（Ａ）に示すように第１のバイアス配線取り出し部１０５ａ上の第１の絶縁層１１１、第１の半導体層１１２、第１の不純物半導体層１１３、層間絶縁層１１５に第１の開口１３２を設けている。この第１の開口１３２において第１のバイアス配線取り出し部１０５ａと第３の金属層１１６を電気的に接続する。また、第３の金属層１１６上の第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９に第２の開口１３３を設け、この第２の開口１３３において第３の金属層１１６とバイアス配線１０５を電気的に接続する。このようにして第１のバイアス配線取り出し部１０５ａとバイアス配線１０５とのコンタクト１２８’を構成している。
本実施形態における交差部Ｃ３は、第１の実施形態と同様に、第１の金属層Ｍ１によって形成されている第１のバイアス配線引き出し部１０５ａと、第４の金属層Ｍ４によって形成されている信号配線引き出し部１０４ａとの間に、複数の層を介して絶縁している。複数の層は、第１の絶縁層１１１、第１の半導体層１１２、第１の不純物半導体層１１３、層間絶縁層１１５、第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９である。よって、第１の実施形態と同様に、寄生容量の低減及び配線間でのリークの防止を達成することが可能となる。
次に、図６（Ｂ）に示すように、信号配線１０４上の層間絶縁層１１５に第３の開口１３４を設け、この第３の開口１３４において信号配線１０４と第３の金属層１１６を電気的に接続する。また、第３の金属層１１６上の第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９に第４の開口１３５を設け、この第４の開口１３５において第３の金属層１１６と信号配線引き出し部１０４ａを電気的に接続する。このようにして信号配線１０４と信号配線引き出し部１０４ａとのコンタクト１２７’を構成している。
本実施形態は、開口およびコンタクトにおける段差が大きくなってしまった場合に、有効である。例えば層間絶縁層１１５として有機絶縁材料を用いたりすることによって層間絶縁層１１５の厚さが大きくなる、または光電変換効率の向上のために第２の半導体層１１８の膜厚を大きく構成する、などの場合である。開口およびコンタクトにおける段差が大きくなると、その分開口及びコンタクトの面積が大きくなってしまう。そこで本実施形態のように開口及びコンタクトを分けて構成することによって、一つ一つの開口及びコンタクトの段差が小さくなり、それによって開口及びコンタクトの形成面積を抑制することが可能となる。
（第３の実施形態）
図７〜８を用いて、本発明の第３の実施形態を詳細に説明する。図７は、図１のＡの領域を拡大した概念的平面図である。図８（Ａ）は、図７のＦ−Ｆ’における模式的断面図であり、また図８（Ｂ）は、図７のＧ−Ｇ’における模式的断面図である。また、図７〜８において、図１０〜１２で示した従来のＦＰＤ、図１〜３で示した第１の実施形態、及び図５〜６で示した第２の実施形態と同様の構成要素は同一の番号で示し、その詳細な説明は割愛する。
図７〜８を用いて、本発明の第３の実施形態を詳細に説明する。図７は、図１のＡの領域を拡大した概念的平面図である。図８（Ａ）は、図７のＦ−Ｆ’における模式的断面図であり、また図８（Ｂ）は、図７のＧ−Ｇ’における模式的断面図である。また、図７〜８において、図１０〜１２で示した従来のＦＰＤ、図１〜３で示した第１の実施形態、及び図５〜６で示した第２の実施形態と同様の構成要素は同一の番号で示し、その詳細な説明は割愛する。
第２の実施形態のコンタクト１２８’は第１のバイアス配線取り出し部１０５ａ上に設けられた２つの開口において第３の金属層１１６を介して構成されている。第３の実施形態は、コンタクト１２８”が第１のバイアス配線取り出し部１０５ａ上に設けられた開口と第１のバイアス配線取り出し部１０５ａ上ではない位置に設けられた開口において第３の金属層１１６を介して構成されている。この点が第３の実施形態と第２の実施形態との相違点である。また、第２の実施形態のコンタクト１２７’は信号配線１０４上に設けられた開口と信号配線１０４上ではない位置に設けられた開口において第３の金属層１１６を介して構成されている点は第２の実施形態と同様であるが、そのレイアウトが異なっている。
本実施形態において、図８（Ａ）に示すように第１のバイアス配線取り出し部１０５ａ上の第１の絶縁層１１１、第１の半導体層１１２、第１の不純物半導体層１１３、層間絶縁層１１５に第５の開口１３６を設けている。この第５の開口１３６において第１のバイアス配線取り出し部１０５ａと第３の金属層１１６を電気的に接続する。また、第３の金属層１１６上の第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９に第６の開口（不図示）を設け、この第６の開口において第３の金属層１１６とバイアス配線１０５を電気的に接続する。このようにして第１のバイアス配線取り出し部１０５ａとバイアス配線１０５とのコンタクト１２８”を構成している。
本実施形態における交差部Ｃ３は、第１及び第２の実施形態と同様に、第１の金属層Ｍ１からなる第１のバイアス配線引き出し部１０５ａと、第４の金属層Ｍ４からなる信号配線引き出し部１０４ａとの間に、複数の層を介して絶縁されている。この複数の層は、第１の絶縁層１１１、第１の半導体層１１２、第１の不純物半導体層１１３、層間絶縁層１１５、第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１９である。よって、第１及び第２の実施形態と同様に、寄生容量の低減及び配線間でのリークの防止を達成することが可能となる。
次に、図８（Ｂ）に示すように、信号配線１０４上の層間絶縁層１１５に第７の開口１３７を設け、この第７の開口１３７において信号配線１０４と第３の金属層１１６を電気的に接続する。また、第３の金属層１１６上の第２の絶縁層１１７、第２の半導体層１１８、第２の不純物半導体層１１８に第８の開口１３８を設け、この第８の開口１３８において第３の金属層１１６と信号配線引き出し部１０４ａを電気的に接続する。このようにして信号配線１０４と信号配線引き出し部１０４ａとのコンタクト１２７”を構成している。
本実施形態においても第２の実施形態と同様に、開口及びコンタクトを分けて構成することによって、一つ一つの開口及びコンタクトの段差が小さくなり、それによって開口及びコンタクトの形成面積を抑制することが可能となる。
（応用例）
図９は、本発明によるＦＰＤ型の放射線検出装置を用いたＸ線診断システムへの応用例を示したものである。
図９は、本発明によるＦＰＤ型の放射線検出装置を用いたＸ線診断システムへの応用例を示したものである。
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、シンチレータ（蛍光体）を上部に実装した放射線検出装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者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信号処理手段となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室の表示手段となるディスプレイ６０８０で観察できる。
また、イメージプロセッサ６０７０は、イメージセンサ６０４０から出力された電気信号を電話回線６０９０等の伝送処理手段を介して遠隔地へ転送し、ドクタールーム等の別の場所にある表示手段（ディスプレイ）６０８１に表示することもできる。また、イメージセンサ６０４０から出力された電気信号を光ディスク等の記録手段に保存し、この記録手段を用いて遠隔地の医師が診断することも可能である。また、記録手段となる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。
本発明は、医療診断機器、非破壊検査機器等に用いられる、光電変換装置、放射線検出用基板及び放射線検出装置に用いられるものである。
１００ 絶縁性基板
１０１ 光電変換素子（ＭＩＳ型フォトセンサ）
１０２ スイッチング素子
１０３ 駆動配線
１０３ａ 駆動配線引き出し部
１０４ 信号配線
１０４ａ 信号配線引き出し部
１０５ バイアス配線
１０５ａ 第１のバイアス配線引き出し部
１０５ｂ 第２のバイアス配線引き出し部
１０６ 信号処理回路
１０７ 駆動回路
１０８ Ａ／Ｄ変換部
１０９ バイアス電源部
１１０ 第１の金属層Ｍ１（スイッチング素子１０２のゲート電極）
１１１ 第１の絶縁層
１１２ 第１の半導体層
１１３ 第１の不純物半導体層
１１４ 第２の金属層Ｍ２（スイッチング素子１０２のソース又はドレイン電極）
１１５ 層間絶縁層
１１６ 第３の金属層Ｍ３（センサ下部電極）
１１７ 第２の絶縁層
１１８ 第２の半導体層
１１９ 第２の不純物半導体層
１２０ 上部電極層（透明電極層）
１２１ 保護層
１２２ 波長変換体
１２３ 駆動配線端子部
１２４ 信号配線端子部
１２５ バイアス配線端子部
１２６〜１２９ コンタクト
１３０ 第３の不純物半導体層
１３１ 光電変換素子（ＰＩＮ型フォトダイオード）
１３２〜１３８ 開口
１０１ 光電変換素子（ＭＩＳ型フォトセンサ）
１０２ スイッチング素子
１０３ 駆動配線
１０３ａ 駆動配線引き出し部
１０４ 信号配線
１０４ａ 信号配線引き出し部
１０５ バイアス配線
１０５ａ 第１のバイアス配線引き出し部
１０５ｂ 第２のバイアス配線引き出し部
１０６ 信号処理回路
１０７ 駆動回路
１０８ Ａ／Ｄ変換部
１０９ バイアス電源部
１１０ 第１の金属層Ｍ１（スイッチング素子１０２のゲート電極）
１１１ 第１の絶縁層
１１２ 第１の半導体層
１１３ 第１の不純物半導体層
１１４ 第２の金属層Ｍ２（スイッチング素子１０２のソース又はドレイン電極）
１１５ 層間絶縁層
１１６ 第３の金属層Ｍ３（センサ下部電極）
１１７ 第２の絶縁層
１１８ 第２の半導体層
１１９ 第２の不純物半導体層
１２０ 上部電極層（透明電極層）
１２１ 保護層
１２２ 波長変換体
１２３ 駆動配線端子部
１２４ 信号配線端子部
１２５ バイアス配線端子部
１２６〜１２９ コンタクト
１３０ 第３の不純物半導体層
１３１ 光電変換素子（ＰＩＮ型フォトダイオード）
１３２〜１３８ 開口
Claims (15)
- 絶縁基板と、
前記絶縁基板上に配置された第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置された絶縁層と、第１の半導体層と、第２の金属層と、を含むスイッチング素子と、前記スイッチング素子上に配置された第３の金属層からなる下部電極と、前記下部電極上に配置された第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に配置された第４の金属層と、を含み、前記スイッチ素子に接続された変換素子と、を含む複数の画素が行列状に配置された画素領域と、を有する変換装置であって、
前記第２の金属層により形成され、列方向の複数の前記スイッチング素子が列毎に接続された複数の信号配線と、
前記第４の金属層により形成され、複数の前記変換素子に接続されたバイアス配線と、
前記第４の金属層により前記画素領域外に形成され、前記複数の信号配線と接続された外部信号配線と、
前記第１の金属層により前記画素領域外に形成され、前記バイアス配線の複数と接続された外部バイアス配線と、を有し、
前記外部信号配線と前記外部バイアス配線とは交差して配置されていることを特徴とする変換装置。 - 前記スイッチング素子は、前記絶縁基板上に配置された前記第１の金属層からなる駆動電極と、前記駆動電極上に配置された前記絶縁層と、前記絶縁層上に配置された前記第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に配置された前記第２の金属層からなるソース又はドレイン電極と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の変換装置。
- 前記バイアス配線は列方向の複数の前記変換素子に接続され、前記外部バイアス配線部は行方向に並列して配された前記バイアス配線の複数と接続され、前記外部信号配線部と前記外部バイアス配線部とが少なくとも前記絶縁層を挟んで交差することを特徴とする請求項１または２に記載の変換装置。
- 前記スイッチング素子と前記変換素子との間に配された層間絶縁層を更に有し、前記外部信号配線部と前記外部バイアス配線部とが更に前記層間絶縁層を挟んで交差することを特徴とする請求項３に記載の変換装置。
- 前記第２の金属層と前記第３の金属層とが同一の金属層により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の変換装置。
- 前記第４の金属層により前記画素領域外に形成され、前記外部バイアス配線部と接続された第２の外部バイアス配線部と、を更に含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の変換装置。
- 前記第１の金属層により形成され、行方向の複数の前記スイッチング素子が行毎に接続された複数の駆動配線と、前記第４の金属層により前記画素領域外に形成され、前記駆動配線と接続された外部駆動配線部と、を更に含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の変換装置。
- 前記外部駆動配線部は第１端子部を、前記外部信号配線部は第２端子部を、前記第２の外部バイアス配線部は第３端子部をそれぞれ有し、前記第１端子部には前記スイッチング素子を駆動するための駆動回路が、前記第２端子部には前記変換素子によって変換された電気信号を処理するための信号処理回路が、前記第３端子部には前記変換素子にバイアスを印加するためのバイアス電源部がそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項７に記載の変換装置。
- 前記変換素子は、光電変換素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の変換装置。
- 前記光電変換素子は、前記下部電極と前記第２の半導体層との間に配された第２の絶縁層と、前記第２の半導体層と前記上部電極との間に配された第２の不純物半導体層と、を更に含む光電変換素子であることを特徴とする請求項９に記載の変換装置。
- 前記光電変換素子は、前記下部電極と前記第２の半導体層との間に配された第２の不純物半導体層と、前記第２の半導体層と前記上部電極との間に配された第３の不純物半導体層と、を更に含む光電変換素子であることを特徴とする請求項９に記載の変換装置。
- 前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層は、非晶質シリコンからなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の変換装置。
- 請求項１から１２のいずれか１項に記載の変換装置と、
前記変換素子層上に配され、入射した放射線を該変換素子が感知可能な波長領域の光に変換する波長変換体と、
を有することを特徴とする放射線検出装置。 - 請求項１３に記載の放射線検出装置と、
前記放射線検出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、
前記放射線を発生させ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検出システム。 - 絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に配置された第１の半導体層と、前記第１半導体層上に配置された第２の金属層と、を含むスイッチング素子と、前記スイッチング素子上に配置された第３の金属層からなる下部電極と、前記下部電極上に配置された第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に配置された第４の金属層と、を含み、前記スイッチング素子に接続された変換素子と、を有する画素が行方向及び列方向に複数配置された画素領域と、
前記第２の金属層により形成され、各々が前記列方向の複数のスイッチング素子に接続された複数の信号配線と、
前記第４の金属層により形成され、各々が前記列方向の複数の前記変換素子に接続された複数のバイアス配線と、
を備えた変換装置であって、
前記第４の金属層により前記画素領域外に形成され、前記複数の信号配線に接続された複数の信号配線引き出し部と、
前記第１の金属層により前記画素領域外に形成され、前記複数のバイアス配線に接続された第１のバイアス配線引き出し部と、
前記第４の金属層により前記画素領域外に形成され、前記第１のバイアス配線引き出し部と接続された第２のバイアス配線引き出し部と、
を更に有し、
前記複数の信号配線引き出し部と前記第１のバイアス配線引き出し部とが交差して配置されることを特徴とする変換装置。
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