JP5155696B2

JP5155696B2 - 撮像素子

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Publication number: JP5155696B2
Application number: JP2008055222A
Authority: JP
Inventors: 正史乾谷; 秀介茂木
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-03-05
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Description

本発明は、Ｘ線に応じた電荷を発生する光電変換層を含む画素部を複数有する撮像素子に関する。

従来、Ｘ線イメージセンサには、（１）TFT読出し直接法、（２）TFT読出し間接法、（３）CCD又はCMOS読出し間接法がある。図９は、この３つの方法を模式的に示した図である。

TFT読出し直接法は、a-Se（アモルファスセレン）等のX線を直接吸収し信号電荷に変換する材料からなる光電変換層でX線を受光し、ここで発生した信号電荷を、TFT（スイッチ）パネルで順次選択的に読み出す方式である。

TFT読出し間接法は、X線シンチレータによりX線を可視光に変換した後、a-Si（アモルファスシリコン）等の可視光を吸収し信号電荷に変換する材料からなる光電変換層で該可視光を受光し、この可視光によって光電変換層で発生した信号電荷を、TFTパネルで順次選択的に読み出す方式である。

CCD又はCMOS読出し間接法は、X線シンチレータによりX線を可視光に変換した後、ファイバープレートによりこの可視光をCCD型又はCMOS型のイメージセンサに導き、ここで可視光を光電変換して、可視光に応じた信号を読み出す方式である。

ここで、a-Seやa-Si等の多結晶材料で作られた光電変換層、X線シンチレータ、a-Si製TFTパネル、及びファイバープレートは、X線照射による特性劣化や損傷がない。しかし、単結晶シリコンで作られたCCD型やCMOS型のイメージセンサのフォトダイオード部やCCD転送部、MOSトランジスタ部は、X線照射により、トランジスタの閾値電圧Vthの変化や暗電流増等の特性劣化、白傷・黒傷（結晶の損傷）を生じる。その為、CCD又はCMOS読出し間接法では、鉛ガラス等のX線吸収ガラスで作られたファイバープレートをX線シンチレータとCCD型又はCMOS型イメージセンサの間に挿入し、CCD型又はCMOS型イメージセンサへのX線の影響を防止している。

CCD又はCMOS読出し間接法に関しては、上記ファイバープレートを用いる以外に、下記特許文献１，２のようなX線遮蔽部材を設けることが公知である。

特許文献１，２に記載のイメージセンサは、光電変換素子が形成された基板と、その光電変換素子で発生した信号電荷に応じた電圧信号を出力する回路を形成した電荷転送基板とを、X線を吸収するX線遮蔽部材で接続し、このX線遮蔽部材で、電荷転送基板のシリコン素子領域を覆うことで、素子の損傷を防いでいる。

特開２００３−２８２８４９号公報特開２００４−７１６３８号公報

信号読出しにTFTパネルを用いたTFT読出し直接法やTFT読出し間接法は、X線遮蔽を必要としないというメリットがある。しかし、TFTパネルに用いられているa-Siトランジスタは、多結晶である為、単結晶Siに比べて電子移動度が数桁以上低く、又、製造での特性（Vth等）のバラツキが大きい為、特に、高感度、高S/N、高速読出しが必要な高画質撮像や動画撮像には適さない。

一方、単結晶Siで作られたCCD型やCMOS型のイメージセンサは、高画質・動画撮像に適するが、X線を遮蔽するために鉛ガラスで作られたファイバープレート等が必要となる。このファイバープレートは高価で重く、また大面積化が困難である。

特許文献１，２の構造では、光電変換素子を形成した基板と電荷転送基板との間にX線遮蔽部材を設ける必要があるため、このX線遮蔽部材によりイメージセンサ全体が厚くなると共に、製造コストが高くなるという欠点がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、安価且つ小型化を実現しながら、X線耐性が高く且つ高画質撮像や動画撮像が可能な撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の撮像素子は、Ｘ線に応じた電荷を発生する光電変換層を含む画素部を複数有する撮像素子であって、前記画素部が、前記光電変換層で発生した電荷に応じた信号を外部に出力する信号出力手段が形成された基板と、前記基板上方に形成された前記画素部毎に分離された下部電極と、前記下部電極上方に形成された上部電極とを備え、前記下部電極と前記上部電極の間に全ての画素部で共通の一枚構成の前記光電変換層が形成され、前記信号出力手段が、単結晶の半導体を用いたトランジスタを含んで構成され、前記下部電極が、少なくともＸ線を吸収する導電性材料で構成され、前記トランジスタが、前記下部電極によって覆われるように配置され、隣接する前記下部電極同士の隙間と前記基板との間に設けられた遮光層と、隣接する前記下部電極同士の隙間を埋める可視光に対して不透明な絶縁層と、を備え、前記遮光層が、前記隙間を透過してくる光のうち少なくともＸ線を吸収する材料で構成されている。

本発明の撮像素子は、前記トランジスタが、前記下部電極によって覆われるように配置されている。

本発明の撮像素子は、前記下部電極が前記画素部毎に分離されており、隣接する前記下部電極同士の隙間と前記基板との間に設けられた遮光層を備え、前記遮光層が、前記隙間を透過してくる光のうち少なくともＸ線を吸収する材料で構成されている。

本発明の撮像素子は、前記画素部が、前記下部電極と前記光電変換層との間に設けられ、前記下部電極とは仕事関数の異なる導電性材料からなる電極を備える。

本発明の撮像素子は、前記下部電極を構成する導電性材料が可視光も吸収する。

本発明の撮像素子は、前記下部電極を構成する導電性材料が原子番号７３以上の重金属である。

本発明の撮像素子は、前記光電変換層が、Ｘ線を吸収してこれに応じた電荷を発生するものである。

本発明の撮像素子は、前記光電変換層がアモルファスセレンを含んで構成されている。

本発明の撮像素子は、前記上部電極の上方に設けられ、Ｘ線を可視光に変換するシンチレータを備え、前記光電変換層が、可視光を吸収してこれに応じた電荷を発生するものである。

本発明の撮像素子は、前記光電変換層が有機材料を含んで構成されている。

本発明の撮像素子は、前記光電変換層が無機材料を含んで構成されている。

本発明の撮像素子は、前記無機材料がアモルファスシリコンである。

本発明の撮像素子の製造方法は、Ｘ線に応じた電荷を発生する光電変換層を含む画素部を複数有する撮像素子の製造方法であって、単結晶の半導体を用いたトランジスタを含む、前記光電変換層で発生した電荷に応じた信号を外部に出力する信号出力手段を前記画素部毎に基板に形成する第一のステップと、前記基板上方に、少なくともＸ線を吸収する導電性材料で構成される下部電極を、前記画素部毎に絶縁層を介して分離して形成する第二のステップと、前記下部電極上方に前記光電変換層を形成する第三のステップと、前記光電変換層上方に上部電極を形成する第四のステップとを有する。

本発明の撮像素子の製造方法は、前記第二のステップでは、前記絶縁層を、可視光を吸収する材料で構成する。

本発明によれば、安価且つ小型化を実現しながら、X線耐性が高く且つ高画質撮像や動画撮像が可能な撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の撮像素子の実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態で説明する撮像素子は、例えば医療用のX線撮影装置に搭載して用いられるものである。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態である撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。
図１に示す撮像素子は、複数の画素部を二次元状に配列した構成となっており、各画素部から出力される信号により、画像データの生成が可能となっている。

図１に示す撮像素子は、単結晶の半導体であるシリコンの基板及びこの基板上に形成された絶縁層からなる信号出力層１と、信号出力層１上に複数の画素部毎に分離して形成された下部電極２と、下部電極２上に形成された複数の画素部で共通の一枚構成の光電変換層３と、光電変換層３上に形成された複数の画素部で共通の一枚構成の上部電極４と、上部電極４上に形成されたX線シンチレータ５とを備える。

X線シンチレータ５は、その上方から入射されてきたX線を可視光に変換するものであり、例えばGOS（Gd₂O₂S:Pr）からなるGOSシンチレータ等を用いることができる。

画素部に含まれる下部電極２と、この下部電極２と平面視上重なる位置にある光電変換層３及び上部電極４とにより、光電変換素子が構成される。この光電変換素子では、下部電極２及び上部電極４間にバイアス電圧を印加することで、光電変換層３で発生した信号電荷を下部電極２まで移動させ、ここから該信号電荷を信号出力層１に取り出すことができるようになっている。

上部電極４には、その上方より、X線シンチレータ５で変換された可視光が入射される。上部電極４は、そこに入射された光（本実施形態では可視光）を光電変換層３に入射させる必要があるため、入射光に対して透明な導電性材料（例えばITO）で構成される。上部電極４は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。

光電変換層３は、X線シンチレータ５と組み合わせて用いることにより、X線に応じた信号電荷を発生することができるものである。光電変換層３は、可視光を吸収して、吸収した光量に応じた信号電荷を発生する有機又は無機の光電変換材料で構成される。このような有機の光電変換材料としては、例えばキナクリドンが挙げられる。キナクリドンを用いることで、モノクロ撮像が可能となる。又、無機の光電変換材料としては、例えばアモルファスシリコンが挙げられる。尚、高画質撮像及び動画撮像を可能にするためには、光電変換層３の材料として電子移動度の速く且つ製造バラつきの少ない有機の光電変換材料を用いることが好ましい。

尚、光電変換層３は、X線を吸収して、吸収した光量に応じた信号電荷を発生する光電変換材料（例えば、アモルファスセレン）で構成されたものであっても良い。このような材料で構成した場合には、X線シンチレータ５と組み合わせなくても、それ単体でX線に応じた信号電荷を発生することができる。このため、X線シンチレータ５は不要となる。又、この場合には、上部電極４を、X線を透過する導電性材料（例えばアルミニウムやITO）で構成しておく必要がある。

信号出力層１内には、信号出力部６が各光電変換素子に対応して設けられている。信号出力部６は、対応する光電変換素子の光電変換層３で発生して下部電極２に移動した信号電荷を、その信号電荷量に応じた電圧信号に変換して外部に出力するものであり、例えば公知のCMOS回路が用いられる。以下、信号出力部６のことをCMOS回路６という。

CMOS回路６には、X線によって損傷を受けてしまう単結晶のシリコンで構成された構成要素であるMOSトランジスタが含まれる。このため、CMOS回路６に含まれるMOSトランジスタは、対応する光電変換素子の下部電極２によって完全に覆われるように、その配置が決められている。

更に、信号出力層１内には、導電性材料からなるコンタクト配線７が設けられている。コンタクト配線７は、下部電極２とCMOS回路６とを電気的に接続し、下部電極２で捕集された信号電荷をCMOS回路６に移動させる役割を果たす。

下部電極２は、可視光及びX線を吸収する導電性材料で構成されている。このような材料としては、タンタル、タングステン、金、及び鉛等の原子番号７３以上の重金属がある。尚、下部電極２は、少なくともX線を吸収することができれば良く、可視光は透過してしまっても良い。

CMOS回路６に含まれるMOSトランジスタはシリコンを用いて形成されているため、通常は、このMOSトランジスタをタングステン等の遮光層によって遮光しておく必要がある。本実施形態では、下部電極２がCMOS回路６のMOSトランジスタを完全に覆っており、又、下部電極２が可視光及びX線を吸収するものであるため、このような遮光層は不要となっている。しかし、下部電極２として可視光を透過してしまう導電性材料を用いた場合には、CMOS回路６のMOSトランジスタに可視光が入射するのを防ぐためのタングステン等の遮光層を、信号出力層１内に別途設ける必要がある。

隣接する下部電極２同士の隙間の下方の信号出力層１内には、この隙間を透過した可視光が信号出力層１の深くまで侵入して迷光となってしまうのを防ぐために、遮光層８が設けられている。

以上のような構成の固体撮像素子の動作について説明する。
X線が入射すると、このX線がX線シンチレータ５によって可視光に変換される。但し、X線シンチレータ５の厚さには制限があるため、X線が充分に吸収されない。その結果、入射X線の数%がX線シンチレータ５を透過する。

Xシンチレータ５で変換された可視光は、上部電極４を透過して光電変換層３に入射し、ここで信号電荷に変換される。但し、全ての可視光が信号電荷に変換されるわけではないので、光電変換層３に入射した可視光の一部は、光電変換層３を透過する。又、Xシンチレータ５を透過したX線も、光電変換層３に入射され、ここを透過する。

光電変換層３を透過した可視光及びX線は、その一部が下部電極２に入射し、ここで吸収されると共に、残りが下部電極２同士の隙間を透過して遮光層８に入射し、ここで可視光が反射及び吸収されると共に、X線が遮光層８を透過し、信号出力層１を貫通して外部に出射される。

露光終了後、光電変換層３で発生した信号電荷がCMOS回路６によって電圧信号に変換され、この電圧信号が各画素から順次出力される。そして出力された電圧信号に信号処理が施されることで、例えば人体の内部画像をモノクロ画像データとして得ることができる。

又、X線シンチレータ５を省略し、光電変換層３を、X線を吸収する光電変換材料で構成した場合の固体撮像素子の動作について説明する。
X線が入射すると、このX線が上部電極４を透過して光電変換層３に入射し、ここで信号電荷に変換される。但し、全てのX線が信号電荷に変換されるわけではないので、光電変換層３に入射したX線の一部は、光電変換層３を透過する。又、入射光には可視光も含まれるため、この可視光も光電変換層３に入射され、ここを透過する。

このように、本実施形態の固体撮像素子によれば、光電変換層３を透過したX線が下部電極２で吸収されるため、CMOS回路６のMOSトランジスタにX線が入射されることがなくなり、このMOSトランジスタをX線損傷から保護して、X線耐性を向上させることができる。又、下部電極２は可視光も吸収するため、下部電極２自体をCMOS回路６の遮光層としても機能させることができ、遮光層を別途設ける必要がなく、信号出力層１の厚さ縮小及びコスト削減が可能となる。

又、本実施形態の固体撮像素子によれば、光電変換素子の構成要素である下部電極２を、CMOS回路６のMOSトランジスタの保護部材として兼用しているため、従来のように、X線遮蔽部材を別途設ける必要がない。又、下部電極２の材料としてタンタル、タングステン、鉛等を用いた場合、いずれの材料も厚さ５０〜１００μｍで入射X線の９０％以上を吸収させることができる。X線シンチレータ５でも入射X線の８０〜９０％が吸収されているため、下部電極２の厚さを５０〜１００μｍ程度にするだけで、CMOS回路６のMOSトランジスタへの影響を充分に阻止することができる。つまり、従来のX線遮蔽部材を別途設ける代わりに、下部電極２の厚さを５０〜１００μｍ程度にするだけでCMOS回路６の損傷を防ぐことができるようになるため、固体撮像素子の小型化及び低コスト化が可能となる。
尚、X線イメージセンサの画素サイズ（下部電極２のサイズに相当）は一般に１００〜１５０μｍであるため、下部電極２の５０〜１００μｍといった厚みは製造上特に問題とならない。

このように、本実施形態の固体撮像素子は、アモルファスシリコンTFTを用いたX線イメージセンサと比較して、単結晶シリコンを用いたCMOS回路を用いて信号を出力しているため、感度,S/N,高速読出しに優れている。又、ファイバープレートとCMOSイメージセンサを組み合わせたX線イメージセンサと比較して、ファイバープレート不要のため、廉価及び軽量化を実現することができる。

（第二実施形態）
図２は、本発明の第二実施形態である撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。図２において図１と同様の構成には同一符号を付してある。
図２に示す固体撮像素子は、図１に示す固体撮像素子の遮光層８を遮光層９に変更した構成となっている。

遮光層９は、可視光とX線を吸収する材料で構成されている。このような材料としては、下部電極２と同じ材料を用いることができる。

図２に示す固体撮像素子の動作で、図１に示した固体撮像素子と異なるのは、下部電極２同士の隙間を透過したX線及び可視光が、共に遮光層９に吸収されて、他の部分には透過及び反射しない点だけである。

第二実施形態の固体撮像素子によれば、下部電極２同士の隙間を透過したX線も遮光層９によって吸収させることができるため、CMOS回路６にX線が入射されてしまう確率を第一実施形態よりも下げることができ、固体撮像素子のX線耐性をより向上させることができる。

尚、第二実施形態の固体撮像素子によれば、CMOS回路６のMOSトランジスタが下部電極２に完全に覆われていなくとも、下部電極２と遮光層９とによりX線をほぼカットできる。このため、CMOS回路６のMOSトランジスタを下部電極２によって完全に覆うように配置しなくても良く、CMOS回路６の設計自由度を向上させることができる。

又、遮光層９は可視光も吸収するため、図１の遮光層８と遮光層９を兼用することができ、余分なスペースが不要となる。又、遮光層９は、ファイバープレートよりは軽量且つ微小面積であるため、小型軽量化や低コスト化には反しない。

尚、遮光層９は可視光を吸収しない材料で構成しても良い。この場合には、遮光層９を透過した可視光がCMOS回路６に入射しないようにする遮光層を別途設けておけば良い。仮に遮光層を別途設ける場合でも、その遮光層はファイバープレートよりは軽量且つ微小面積であるため、小型軽量化や低コスト化には反しない。

（第三実施形態）
図３は、本発明の第三実施形態である撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。図３において図２と同様の構成には同一符号を付してある。
図３に示す固体撮像素子は、図２に示す固体撮像素子の下部電極２と光電変換層３との間に電極１０を追加した構成となっている。

電極１０は、下部電極２と光電変換層３との界面で電子又は正孔を電位障壁なく移動させるために設けられたものであり、下部電極２とは仕事関数の異なる導電性材料で構成されている。下部電極２の仕事関数と電極１０の仕事関数を異ならせることで、電子又は正孔が光電変換層３から下部電極２へ移動する際の電位障壁が低くなり、その結果として光電変換層３からの信号電荷の取り出し効率を上げることができる。

図３に示す固体撮像素子の動作で、図２に示した固体撮像素子と異なるのは、光電変換層３を透過したX線及び可視光が、電極１０を透過後、下部電極２に入射する点だけである。

第三実施形態の固体撮像素子によれば、下部電極２と光電変換層３との間に、下部電極２とは仕事関数の異なる電極１０が設けられているため、光電変換層３からの信号電荷の取り出し効率を上げることができ、感度を向上させることができる。尚、電極１０と下部電極２の面積は同じであっても異なっていてもよい。

（第四実施形態）
第四実施形態では、図３に示した固体撮像素子の画素部の構成をより詳細に説明する。
図４は、本発明の第四実施形態である撮像素子の１画素部の概略構成を示す断面模式図である。図４において図３と同様の構成には同一符号を付してある。図５は、図４に示すCMOS６の等価回路図である。

信号出力層１は、ｐ型シリコン基板２０と、この上に形成されたゲート絶縁層２１と、その上に形成された絶縁層２２とから構成されている。

ｐ型シリコン基板２０内には、CMOS回路６を構成するMOSトランジスタのソース領域やドレイン領域となるｎ型の不純物領域（以下、ｎ領域という）２３〜２６が形成されている。

ｎ領域２４は電源Vddに接続され、ｎ領域２６は列信号線Sに接続されている。ｎ領域２３上にはゲート絶縁層２１を介して電極２７ｂが形成され、この電極２７ｂにコンタクト配線７が接続されている。そして、電極２７ｂとｎ領域２３が、ゲート絶縁層２１に埋設された配線２７aによって電気的に接続されている。これにより、下部電極２で捕集された信号電荷が、コンタクト配線７、電極２７ｂ、配線２７ａを通って、ｎ領域２３に蓄積される。

図５に示すように、CMOS回路６は、ｎ領域２３に蓄積された信号電荷をリセットするためのMOSトランジスタであるリセットトランジスタ３１と、ｎ領域２３に蓄積された信号電荷を電圧信号に変換して出力するためのMOSトランジスタである出力トランジスタ３２と、出力トランジスタ３２から出力される電圧信号を列信号線Ｓに選択的に出力するためのMOSトランジスタである行選択トランジスタ３３と、それらを駆動するための配線（リセット線R、行選択線L、列信号線S）等を含む。

CMOS回路６のうち、リセット線R、行選択線L、列信号線Sは一般にアルミニウムで形成されるためX線の影響を受けないが、リセットトランジスタ３１、出力トランジスタ３２、及び行選択トランジスタ３３は、単結晶のシリコンで形成されるためX線によって損傷を受けてしまう。このため、CMOS回路６のうち少なくともリセットトランジスタ３１、出力トランジスタ３２、及び行選択トランジスタ３３は、下部電極２によって完全に覆われるように、下部電極２下方に配置されている。

リセットトランジスタ３１のゲートにはリセット線Ｒが接続され、行選択トランジスタ３３のゲートには行選択線Ｌが接続されている。

図示しない走査回路から行選択信号が行選択線Ｌに供給されると、出力トランジスタ３２から出力される電圧信号が列信号線Ｓへと出力される。又、リセット信号φＲがリセット信号線Ｒに供給されると、このリセット信号φＲにより、ｎ領域２３にある信号電荷がリセットされる。

図１に戻り、ｎ領域２３とｎ領域２４の間の上にはゲート絶縁層２１を介してリセットトランジスタ３１のゲート電極２８が形成されている。ｎ領域２４とｎ領域２５の間の上にはゲート絶縁層２１を介して出力トランジスタ３３のゲート電極２９が形成されている。ｎ領域２５とｎ領域２６の間の上にはゲート絶縁層２１を介して行選択トランジスタ３３のゲート電極３０が形成されている。

信号出力層１の絶縁層２２内には、更に、CMOS型イメージセンサで一般的に用いられる３層配線（M1,M2,M3）が形成されている。３層目の配線M３は、下部電極２同士の隙間の下方に、この隙間を平面視において完全に埋めるように形成されている。配線M３は可視光及びX線を吸収する導電性材料で形成されており、この隙間下方にある配線M3は図３の遮光層９として機能する。

絶縁層２２上には、下部電極２が酸化珪素等の透明な絶縁層２８を介して画素部毎に分離して形成されている。下部電極２上には画素毎に分離された電極１０が形成され、電極１０の上に光電変換層３が形成されている。

光電変換層３上には上部電極４が形成され、上部電極４上には光電変換素子を保護するための保護層２９を介してX線シンチレータ５が形成されている。X線シンチレータ５上にはアルミニウムからなる反射層３０が形成されている。

以上のような構成の固体撮像素子によれば、光電変換層３を透過したX線がCMOS回路６のリセットトランジスタ３１、出力トランジスタ３２、及び行選択トランジスタ３３に入射してしまうのを防ぐことができるため、CMOS回路６の特性劣化を防ぐことができ、素子の信頼性を向上させることができる。

又、CMOS回路で一般的に用いる３層配線のうちの配線M３を、図３に示す遮光層９として機能させることができる。つまり、遮光層９を別途設ける必要がないため、コスト削減や小型化が可能となる。

又、本実施形態の固体撮像素子によれば、X線シンチレータ５で変換された可視光のうち、X線が入射してきた方向に出射されてしまう可視光を、反射層３０で反射させることができるため、この可視光を有効に利用することができ、光利用効率を上げることができる。

尚、配線M３は可視光を透過する材料であっても良い。この場合は、下部電極２同士の隙間を埋めている絶縁層２８を、可視光に対して不透明な絶縁材料（例えば、液晶パネルのカラーフィルタのブラックマトリクスに用いられるような、レジスト材に黒色の染料や顔料を分散させたもの）にしておくことで、可視光がCMOS回路６に入射されるのを防ぐことができる。

以下、図４に示した固体撮像素子の製造方法について説明する。
図６〜図８は、図４に示す固体撮像素子の製造方法の各工程における断面模式図である。
まず、図６に示すように、信号出力層１内の構成要素を公知のCMOSプロセスにより形成する。このとき、平面視において下部電極２を形成すべき領域内に、CMOS回路６のMOSトランジスタを配置する。又、平面視において下部電極２同士の隙間を形成すべき領域を埋めるように配線M３を配置する。

次に、図７に示すように、絶縁層２２上に、絶縁層２８を介して画素部毎に分離させた下部電極２を形成する。

例えばWNｘ（タングステンに約５％の窒素を混ぜた非晶質材料）やTa（タンタル）等の重金属を絶縁層２２上にスパッタリングで成膜し、これをフォトリソでパターニングして下部電極２を形成後、その上から絶縁材料を成膜し、これをCMPにより平坦化して下部電極２同士の隙間に絶縁材料を埋め込んで絶縁層２８を形成する。下部電極２同士の隙間に埋め込む絶縁材料は、上述したような可視光を吸収する材料とすることが好ましい。

又は、絶縁層２２上に絶縁材料を成膜し、これをフォトリソでパターニングして絶縁層２８を形成後、その上から下部電極２の材料を成膜し、これをCMPにより平坦化して絶縁層２８同士の隙間に上記重金属を埋め込んで下部電極２を形成する。絶縁層２８は、上述したような可視光を吸収する材料で形成することが好ましい。

次に、絶縁層２８及び下部電極２上にアルミニウムを蒸着によって成膜し、これをフォトリソでパターニングして電極１０を形成後、その上に絶縁材料を成膜し、これをCMPにより平坦化して、電極１０同士の隙間に絶縁材料を埋めて、図８に示す状態とする。

その後は、光電変換層３、上部電極４、保護層２９を順番に形成する。光電変換層３は、下部電極２上に、電子ブロッキング層、光電変換材料層、正孔ブロッキング層を積層形成した構造としても良い。

次に、保護層２９上にGOSを塗布してX線シンチレータ５を形成し、その上にアルミニウムを蒸着して反射層３０を形成し、素子を完成させる。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子は、信号出力層１と光電変換素子とを別々に製造し、これらを貼り合わせて素子を完成させるのではなく、信号出力層１上に光電変換素子を形成して素子を完成させているため、貼り合わせ精度が求められる従来と比較して、その製造を容易に行うことができる。

本発明の第一実施形態である撮像素子の概略構成を示す断面模式図本発明の第二実施形態である撮像素子の概略構成を示す断面模式図本発明の第三実施形態である撮像素子の概略構成を示す断面模式図本発明の第四実施形態である撮像素子の１画素部の概略構成を示す断面模式図図４に示す信号出力部６の等価回路図図４に示す固体撮像素子の製造方法の各工程における断面模式図図４に示す固体撮像素子の製造方法の各工程における断面模式図図４に示す固体撮像素子の製造方法の各工程における断面模式図 X線イメージセンサの読み出し方式を説明するための図

符号の説明

１信号出力層
２下部電極
３光電変換層
４上部電極
６信号出力部

Claims

Ｘ線に応じた電荷を発生する光電変換層を含む画素部を複数有する撮像素子であって、
前記画素部が、前記光電変換層で発生した電荷に応じた信号を外部に出力する信号出力手段が形成された基板と、前記基板上方に形成された前記画素部毎に分離された下部電極と、前記下部電極上方に形成された上部電極とを備え、
前記下部電極と前記上部電極の間に全ての画素部で共通の一枚構成の前記光電変換層が形成され、
前記信号出力手段が、単結晶の半導体を用いたトランジスタを含んで構成され、
前記下部電極が、少なくともＸ線を吸収する導電性材料で構成され、
前記トランジスタが、前記下部電極によって覆われるように配置され、
隣接する前記下部電極同士の隙間と前記基板との間に設けられた遮光層と、
隣接する前記下部電極同士の隙間を埋める可視光に対して不透明な絶縁層と、を備え、
前記遮光層が、前記隙間を透過してくる光のうち少なくともＸ線を吸収する材料で構成されている撮像素子。
請求項１記載の撮像素子であって、
前記下部電極を構成する導電性材料が可視光も吸収する撮像素子。
請求項１又は２記載の撮像素子であって、
前記画素部が、前記下部電極と前記光電変換層との間に設けられ、前記下部電極とは仕事関数の異なる導電性材料からなる電極を備える撮像素子。
請求項１〜３のいずれか１項記載の撮像素子であって、
前記下部電極を構成する導電性材料が原子番号７３以上の重金属である撮像素子。
請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像素子であって、
前記光電変換層が、Ｘ線を吸収してこれに応じた電荷を発生するものである撮像素子。
請求項５記載の撮像素子であって、
前記光電変換層がアモルファスセレンを含んで構成されている撮像素子。
請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像素子であって、
前記上部電極の上方に設けられ、Ｘ線を可視光に変換するシンチレータを備え、
前記光電変換層が、可視光を吸収してこれに応じた電荷を発生するものである撮像素子。
請求項７記載の撮像素子であって、
前記光電変換層が有機材料を含んで構成されている撮像素子。
請求項７記載の撮像素子であって、
前記光電変換層が無機材料を含んで構成されている撮像素子。
請求項９記載の撮像素子であって、
前記無機材料がアモルファスシリコンである撮像素子。