JP5489542B2 - 放射線検出装置及び放射線撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、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等に使用されうる放射線検出装置及び放射線撮像システムに関するものである。

近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた液晶ディスプレイパネルの製造技術が進展し、パネルの大型化と共に表示部の大画面化が進んでいる。この製造技術は、光電変換素子やＸ線のような放射線を直接電荷に変換する直接変換型変換素子とＴＦＴ等のスイッチ素子を有する大面積エリアセンサに応用されている。光電変換素子の場合、Ｘ線等の放射線を可視光等の光に変換するシンチレータと組み合わせて、医療用Ｘ線検出装置のような放射線検出装置の分野で利用されている。

一般に放射線検出装置の画素構造は、変換素子とスイッチ素子とを同一平面上に配置する平面型と、スイッチ素子の上部に変換素子を配置する積層型の２つに分類される。前者は、変換素子とスイッチ素子を同じ半導体製造プロセスで形成可能なため、製造プロセスを簡略化できる。

一方、後者は変換素子をスイッチ素子の上方に配置するため、平面型と比べて１画素における変換素子の面積を大きく形成できる。よって、大きな信号を得ることが可能であり、高Ｓ／Ｎ、即ち、高感度となる。このような積層型の放射線検出装置は、特許文献１や特許文献２に記載されている。

特開平１０−１２３２５３号公報 特表平１０−５１１８１７号公報

放射線検出装置は、信号線の寄生容量が大きくなると、ノイズ量が増加するため、積層型の放射線検出装置においても、感度向上のためには開口率の向上だけでなく、ノイズの低減、即ち、信号線に付加される容量の低減が重要である。このため、層間絶縁層の膜厚が厚いことが望ましい。特許文献１及び特許文献２には、層間絶縁層の膜厚を厚くすることが記載されている。

一方、センサ膜のカバレッジの観点から変換素子とスイッチ素子を接続するための接続ホールの高さ、すなわち層間絶縁層の膜厚は薄い方が良い。そして、各素子及び配線のレイアウトに十分なマージンを設けるためには、層間絶縁層の膜厚を薄くし、ホール径を小さくすることが望ましい。しかしながら、このような構成において、例えば、層間絶縁層の膜厚を５００ｎｍ等の薄い膜厚とした場合には、厚い膜厚の場合に比べて画像品位を損なう画像ムラを生じることがあった。

本発明の目的は、層間絶縁層の膜厚の面内分布による画像ムラを低減できると共に、層間絶縁層上のセンサ素子の特性の安定化により良好な画像を得ることが可能な放射線検出装置を提供することにある。

本発明の１つの側面に係る放射線検出装置は、入射した放射線を電荷に変換する変換素子と、前記変換素子の電荷を転送するスイッチ素子と、を備えた複数の画素と、前記スイッチ素子のゲートに接続されたゲート線と、前記ゲート線と交差して配置され、前記スイッチ素子のソース又はドレインに電気的に接続された信号線と、前記変換素子と前記スイッチ素子との間、及び、前記変換素子と前記信号線との間に配置された層間絶縁層と、を有する放射線検出装置であって、１画素における前記信号線と前記ゲート線との重なり容量をＣｃ、１画素における前記スイッチ素子のゲートと前記スイッチ素子のソース又はドレインとの間の容量をＣｔ、１画素における前記信号線と前記変換素子との重なり面積をＳ、前記層間絶縁層の膜厚をｄ、前記層間絶縁層の比誘電率をε、前記層間絶縁層の真空誘電率をε０とした場合に、Ｃｃ＋Ｃｔ≧ε０×ε×Ｓ／ｄを満たすように、Ｃｃ、Ｃｔ、ε、Ｓ、ｄが決定されている。

本発明の第２の側面に係る放射線検出装置は、入射した放射線を電荷に変換する変換素子と、前記変換素子の電荷を転送する転送用スイッチ素子と、前記変換素子をリセットするためのバイアス電圧を印加するリセット用スイッチ素子と、を備えた複数の画素と、前記転送用スイッチ素子のゲートに電気的に接続された第１のゲート線と、前記リセット用スイッチ素子のゲートに電気的に接続された第２のゲート線と、前記第１及び第２のゲート線と交差して配置され、前記転送用スイッチ素子のソース又はドレインに電気的に接続された信号線と、前記転送用スイッチ素子と前記変換素子との間、前記リセット用スイッチ素子と前記変換素子との間、及び、前記信号線と前記変換素子との間に配置された層間絶縁層と、を有する放射線検出装置であって、１画素における前記信号線と前記第１のゲート線および第２のゲート線との重なり容量のそれぞれをＣｃ、１画素における前記転送用スイッチ素子のゲートと前記転送用スイッチ素子のソース又はドレインとの間の容量をＣｔ、１画素における前記信号線と前記変換素子との重なり面積をＳ、前記層間絶縁層の膜厚をｄ、前記層間絶縁層の比誘電率をε、前記層間絶縁層の真空誘電率をε０とした場合に、２×Ｃｃ＋Ｃｔ≧ε０×ε×Ｓ／ｄを満たすように、Ｃｃ、Ｃｔ、ε、Ｓ、ｄが決定されている。

本発明によれば、層間絶縁層の膜厚の面内分布による画像の面内のムラを低減できると共に、層間絶縁層上のセンサ素子の特性の安定化を実現できる。よって、良好な画像を得ることが可能な放射線検出装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置を示す構成図である。 図１の放射線検出装置の１画素の平面図である。 図２のＡ−Ａ’線における断面図である。 第１の実施形態の層間絶縁層の膜厚と信号線に付加される容量の関係を示す相間図である。 第１の実施形態の接続ホールを詳細に示す断面図である。 画素サイズを１００μｍ×１００μｍとした場合の１画素の平面図である。 本発明の第２の実施形態を示す構成図である。 第２の実施形態の１画素の平面図である。 図８のＢ−Ｂ’線における断面図である。 第２の実施形態の層間絶縁層の膜厚と信号線に付加される容量の関係を示す層間図である。 第３の実施形態の１画素の平面図である。 図１１のＣ−Ｃ’線における断面図である。 本発明の放射線検出装置を用いた放射線撮像システムの一実施形態を示す構成図である。

本願発明者らは、層間絶縁層が５００ｎｍ等の薄い膜厚の場合に見られる画像品位を損なう画像ムラは、層間絶縁層の膜厚の面内分布によって信号線に付加される容量の面内分布が大きく変化することに起因すると考えた。また、層間絶縁層が厚い場合のセンサ素子の特性の不安定さは、センサ膜のカバレッジに起因すると考えた。

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つつ詳細に説明する。なお、本願明細書において、放射線とは可視光、赤外線、Ｘ線、γ線、或いはα線、β線等の粒子線を含むものをいう。また、変換素子とは少なくとも光信号又は放射線のうちＸ線、γ線、或いはα線、β線を電気信号に変換する半導体素子をいう。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置を示す構成図、図２は１画素の平面図、図３は図２のＡ−Ａ’線における断面図である。また、図４は層間絶縁層の膜厚と信号線に付加される容量の関係、図５は変換素子とスイッチ素子を接続するための接続ホールの断面図を示す。

図１に示すように、放射線検出装置としての放射線検出パネル１内には、それぞれ変換素子２およびスイッチ素子３を含む複数の画素がマトリクス状に配置されている。変換素子２としては、例えば、ＭＩＳ型光電変換素子が用いられる。スイッチ素子３は変換素子２の信号を転送する信号転送用スイッチ素子である。スイッチ素子３のゲートはゲート線（Ｖｇ線）に接続され、ゲート駆動装置４からの信号によって駆動される。スイッチ素子３としては、ドレイン、ソースおよびゲートを有するＴＦＴが用いられる。

信号転送用スイッチ素子３の一方の端子（ドレイン又はソース）は信号線（Ｓｉｇ線）に接続され、変換素子２からの信号はスイッチ素子３によって信号線（Ｓｉｇ線）に転送され、読み出し装置５によって読み出される。読出し装置５は、バイアス線（Ｖｓ）を通して変換素子２にバイアス電圧を印加する。

次に、図１を用いて本実施形態の動作原理について説明する。まず、変換素子２であるＭＩＳ型の光電変換素子の光電変換層が空乏化するように読み出し装置５からバイアス線（Ｖｓ線）にバイアスが印加される。例えば、信号線（Ｓｉｇ線）に基準電位（ＧＮＤ）を、Ｖｓ線に１０Ｖが印加される。

この状態で、被検体（図示せず）に向けて曝射されたＸ線は被検体により減衰を受けて透過し、図示しないシンチレータ層で可視光に変換され、この可視光が放射線検出パネル１の変換素子２に入射し、電荷に変換される。すなわち、変換素子２は、入射した放射線を電荷に変換する。この電荷はゲート駆動装置４からゲート線（Ｖｇ線）に印加されるゲート駆動パルスによりスイッチ素子３を介して信号線（Ｓｉｇ線）に転送され、読み出し装置５により外部に読み出される。なお、放射線としてＸ線を用いるものとする。以下の実施形態でも同様である。

その後、Ｖｓ線の電位変化により、変換素子２で発生したがスイッチ素子３によって転送されなかった残留電荷が除去される。この時、Ｖｓ線は、例えば、１０Ｖから−５Ｖに変化する。残留電荷の除去は、ＴＦＴを用いて行ってもよい。

次に、図２を用いて１画素の構成を説明する。放射線検出パネル１の１画素内には、変換素子２である光電変換素子と、スイッチ素子３であるＴＦＴが配置されている。また、画素内には、Ｓｉｇ線と、Ｖｇ線と、Ｖｓ線とが配置されている。図２では画素ピッチが１５０μｍの例が示されている。Ｃｃ、Ｃｔについては後述する。

次に、図３を用いて放射線検出パネル１の層構成を説明する。図３は図２のＡ−Ａ’線における断面図である。図３において１０は絶縁基板である。信号転送用スイッチ素子３であるＴＦＴは、絶縁基板１０上に形成された第１の導電層１１、第１の絶縁層１２、第１の半導体層１３、第１の不純物半導体層１４、第２の導電層１５から構成されている。第１の不純物半導体層１４は、ｎ型の半導体層である。

第１の導電層１１はスイッチ素子３のゲート電極及びゲート線（Ｖｇ線）として、第１の絶縁層１２はスイッチ素子３のゲート絶縁膜として用いられている。第１の半導体層１３はスイッチ素子３のチャネルとして、第１の不純物半導体層１４はオーミックコンタクト層として用いられる。第２の導電層１５はスイッチ素子３のソース若しくはドレイン電極、信号線（Ｓｉｇ線）として用いられている。信号線（Ｓｉｇ線）は、ゲート線（Ｖｇ線）と交差している。換言すると、信号線（Ｓｉｇ線）は、ゲート線（Ｖｇ線）と部分的に重なり合っている。

第２の導電層１５の上層には層間絶縁層１６が配置され、層間絶縁層１６上に変換素子２を構成するＭＩＳ型の光電変換素子が積層されている。すなわち、スイッチ素子３と変換素子２との間に層間絶縁層１６が配置されている。変換素子２は、第３の導電層１７、第２の絶縁層１８、第２の半導体層（光電変換層）１９から構成されている。更に、第２の不純物半導体層２０、第４の導電層２１、第５の導電層２２から構成されている。第２の不純物半導体層２０は、ｎ型の半導体層である。

第３の導電層１７は変換素子２の下電極として用いられ、第２の絶縁層１８は変換素子２の絶縁層として用いられている。第２の半導体層１９は変換素子２の光電変換層として、第２の不純物半導体層２０は変換素子２のホールブロッキング層として用いられている。第４の導電層２１は変換素子２の上電極またはバイアス線（Ｖｓ線）として用いられ、第５の導電層２２はバイアス線（Ｖｓ線）から供給されるバイアス電圧を変換素子２の全体に印加するための電極として用いられている。

第５の導電層２２の上層には、第３の絶縁層２３、保護層２４、接着層２５、Ｘ線を可視光に波長変換するためのシンチレータ層（蛍光体層）２６が順次形成されている。接続ホール２７は変換素子２とスイッチ素子３を接続する。接続ホール２７については後述する。

ここで、従来の放射線検出装置において画像ムラが生じる原因について説明する。図２に示すように１画素におけるＳｉｇ線（第２の導電層１５）とそれに交差する第１の導電層１１との重なり容量の総和をＣａとする。

容量Ｃａは図２及び図３に示すように第１の絶縁層１２を間に有するＳｉｇ線（第２の導電層１５）とＶｇ線（第１の導電層１１）から形成される重なり容量Ｃｃを含んでいる。また、容量Ｃａは第１の絶縁層１２と第１の半導体層１３から形成されるスイッチ素子（ＴＦＴ）３のソース若しくはドレイン電極（第２の導電層１５）とゲート電極（第１の導電層１１）の重なり容量Ｃｔを含んでいる。即ち、容量Ｃａ＝Ｃｃ＋Ｃｔである。図２にＣｃ、Ｃｔの領域が斜線で示されている。

例えば、Ｃｃの面積を１００μｍ^２、Ｃｔの面積を２５μｍ^２、第１の絶縁層１２の比誘電率を６、第１の絶縁層１２の膜厚を３００ｎｍ、第１の半導体層１３の比誘電率を１２、第１の半導体層１３の膜厚を２００ｎｍとする。

一方、１画素におけるＳｉｇ線と変換素子２との重なり面積をＳ、層間絶縁層１６の膜厚をｄ、層間絶縁層１６の比誘電率をε、真空誘電率をε_０とする。この場合、Ｓｉｇ線と変換素子２の下電極層（第３の導電層）との重なり容量Ｃｓは、
Ｃｓ＝ε_０×ε×Ｓ／ｄとなる。

例えば、Ｓ＝９５０μｍ^２、ε＝３とすると、膜厚ｄと容量Ｃａ及び膜厚ｄと容量Ｃｓの関係は図４に示す通りとなる。

図４に示すように、従来の放射線撮像装置と同様に、例えば、層間絶縁層１６の膜厚ｄを５００ｎｍとした場合、Ｃａに比べＣｓが非常に大きい。また、層間絶縁層１６の膜厚によりＣｓが大きく変化することが分かる。よって、基板の面内において層間絶縁層１６の膜厚がばらつくことにより、Ｓｉｇ線に寄生する容量の総和Ｃａ＋Ｃｓがばらつく。その結果、基板内でノイズ量がばらつき、画像ムラが生じる。

このことから、層間絶縁層１６の膜厚はＣｓがＣａと同等若しくはそれ以下となるように設定することが好ましい。よって、本実施形態では、層間絶縁層１６の膜厚が、
Ｃａ≧ε_０×ε×Ｓ／ｄ
の関係を満たす膜厚に、一例では１．５μｍ以上に設定されており、この点が従来例と大きく異なる。即ち、基板内において層間絶縁層１６の膜厚がばらついた場合でも各Ｓｉｇ線の寄生容量はほぼ同等となり、画像ムラを低減することが可能となる。

実際には、Ｃａを構成する各層の膜厚も基板内で１０％程度はばらつきうる。即ち、Ｃａも基板内で１０％程度ばらつきうる。このため、絶縁基板１０の上においてＣｓがＣａの最小値以下になるように層間絶縁層１６の膜厚の最小値を設定することが望ましい。

一方、加工性についても考慮が必要である。図５は接続ホール２７およびその付近の断面図である。図５では図３と同一部分には同一符号を付している。図５を用いて変換素子２とスイッチ素子３とを接続するための接続ホール２７の加工性について説明する。

図５に示すように接続ホール２７内には、変換素子２を構成する各層が配置されている。接続ホール２７のテーパー角度が急峻な場合、第２の絶縁層１８による変換素子２の下電極（第３の導電層１７）のカバレッジが不安定となり、変換素子２の下電極（第３の導電層１７）と光電変換層（第２の半導体層１９）とが導通する可能性がある。

このため、接続ホール２７の形状は、例えば、層間絶縁層１６のテーパー角度が４５°以下の緩やかな形状にするとよい。特に、感光性を有する材料で層間絶縁層１６を形成する場合、接続ホールのボトムからフラットな面までの横方向（基板の面に沿った方向）の距離（図５中のＬｆ）は、膜厚の約２倍程度、即ち、２ｄ程度以上であることが好ましい。

また、接続ホール２７の寸法精度を向上させるためには、十分な露光量と十分な現像時間を確保し、基板の面内または基板間における層間絶縁層１６の膜厚や材料の感度といった種々のばらつきの影響を小さくしなければならない。このため、寸法精度の観点から接続ホール２７のボトム径（図５中のＬｂ）は層間絶縁層１６の膜厚の約３倍以上、即ち、３ｄ以上であることが好ましい。

よって、接続ホール２７の直径は７ｄ程度であることが好ましい。更に、センサ特有の構造として、Ｖｓ線を最上部に配置する必要があり、また、画素領域外での配線の取り出し等を考慮すると、望ましくはＶｓ線を画素中央部に配置する構成がよい。

図６に示すように、例えば、画素ピッチが１００μｍの場合、スイッチ素子（ＴＦＴ）や配線が１画素に占める割合が大きくなる。その結果、接続ホールは少なくとも画素ピッチの１／２に配置できるサイズにすることが好ましい。これは、画素ピッチが小さくなればなるほど重要なポイントとなる。

図６において、例えば、層間絶縁層の膜厚を６．０μｍとした場合、接続ホールのトップの直径（図６中の破線）は、７×６．０μｍ＝４２．０μｍとなる。即ち、実質、接続ホールを配置可能な領域は画素ピッチの半分程度となる。よって、画素ピッチをＰとした場合、層間絶縁層の膜厚が、
２Ｌｆ＋Ｌｂ＝７ｄ≦Ｐ／２
を満たすことにより、層間絶縁層の加工安定性の確保が可能となる。

実際には、接続ホール内にＶｓ線を配置した場合、Ｖｓ線を形成する際に接続ホール内とそうでない部分（層間絶縁層がフラットな部分）とではレジスト膜厚（Ｖｓ線をパタニングするためのエッチングマスクを形成するために塗布されるレジスト膜の厚さのこと。）が異なり、結果、Ｖｓ線の線幅が異なることになる。このため、Ｖｓ線は接続ホールの外側のフラットな面に配置するべきであり、更にパターンズレ等を考慮すると、Ｖｓ線と接続ホールの間には一定の間隔を設ける必要がある。よって、上述のように層間絶縁層の膜厚が６．０μｍ程度であれば、Ｖｓ線と接続ホールの間に間隔を設けることも可能である。図６では、バイアス線（Ｖｓ線）は、放射線入射側からみてスイッチ素子（ＴＦＴ）と接続ホールとの間に配置されている。

以上のことから、本実施形態においては、層間絶縁層の膜厚を１．５μｍから６．０μｍ程度に設定することにより、積層型の放射線検出装置において、層間絶縁層の加工安定性を確保することが可能となる。更に、層間絶縁層の膜厚ばらつきによる画像ムラを低減することが可能となる。

なお、図１には３×３画素がマトリクス状に配置されているが、実際には、例えば、２０００×２０００の画素がマトリクス状に配置されている。また、光電変換素子とシンチレータ層を組み合わせた間接型の放射線検出装置を示したが、本発明はこれに限ることはない。即ち、光電変換素子に代えて、Ｘ線、γ線、或いはα線、β線等の粒子線を直接電荷に変換するアモルファスセレン等の半導体層を電極間に挟んだ変換素子を用いた直接型の放射線検出装置においても同様の効果が得られる。

また、間接型の放射線検出パネルの変換素子は、ＭＩＳ型光電変換素子とは別の光電変換素子、例えば、ＰＩＮ型の光電変換素子を用いても構わない。更に、保護層上に接着層を介してシンチレータ層を積層させた例を示したが、保護層上に直接ＣｓＩ等のシンチレータ層を設けた放射線検出装置でもよい。

上記のように、本実施形態では、入射放射線がＸ線、γ線、或いはα線、β線等の粒子線の場合を説明したが、入射放射線が可視光、赤外線の場合はシンチレータ層を含まずに光電変換素子で変換する検出装置となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は本実施形態の構成図、図８は１画素の平面図、図９は図８のＢ−Ｂ’線における断面図である。図１０は層間絶縁層の膜厚と信号線に付加される容量の関係を示す。図７〜図９では図１〜図３と同一部分には同一符号を付している。

本実施形態では、１画素は変換素子（光電変換素子）２、信号転送用スイッチ素子である信号転送用ＴＦＴ３、リセット用スイッチ素子であるリセット用ＴＦＴ６を含む。また、１画素はバイアス線（Ｖｓ線）、ゲート線（Ｖｇ線）、信号線（Ｓｉｇ線）の他に、ゲート線（Ｖｒ線）、リセット線（Ｖｔ線）を含む。

放射線検出パネル１内には、上記のような複数の画素がマトリクス状に配置されている。変換素子２には、例えば、ＭＩＳ型の光電変換素子が用いられる。信号転送用ＴＦＴ３のゲートはゲート駆動装置４によって駆動される第１のゲート線（Ｖｇ線）に接続され、ゲート駆動装置４からの信号によって駆動される。リセット用スイッチ素子であるリセット用ＴＦＴ６のゲートはゲート駆動装置４によって駆動される第２のゲート線（Ｖｒ線）に接続され、ゲート駆動装置４からの信号によって駆動される。リセット用ＴＦＴ６は光電変換素子２の残留電荷を除去するのに用いられる。

信号転送用ＴＦＴ３の一方の端子（ドレイン又はソース）は信号線（Ｓｉｇ線）に接続され、変換素子２からの信号は信号転送用ＴＦＴ３によって信号線（Ｓｉｇ線）に転送され、信号線（Ｓｉｇ線）を通して読み出し装置５によって読み出される。また、リセット用ＴＦＴ６の一方の端子（ドレイン又はソース）はリセット線（Ｖｔ線）に接続されていて、リセット線（Ｖｔ線）からリセット用ＴＦＴ６を介してバイアス電圧を光電変換素子２に印加することで残留電荷が除去される。

次に、図７を用いて動作原理について説明する。まず、変換素子２であるＭＩＳ型の光電変換素子の第２の半導体層が空乏化するようにバイアス線（Ｖｓ線）から光電変換素子２にバイアスが印加される。この状態で、被検体（図示せず）に向けて曝射されたＸ線は被検体により減衰を受けて透過し、図示しないシンチレータ層で可視光に変換され、この可視光が変換素子２に入射し、電荷に変換される。

この電荷は、ゲート駆動装置４からゲート線（Ｖｇ線）に印加されるゲート駆動パルスにより信号転送用スイッチ素子である信号転送用ＴＦＴを導通状態にすることにより信号線（Ｓｉｇ線）に転送され、読み出し装置５により外部に読み出される。その後、ゲート駆動装置４からゲート線（Ｖｒ線）にゲート駆動パルスが印加され、リセット用スイッチ素子であるリセット用ＴＦＴ６を導通状態にする。

この間にリセット線（Ｖｔ線）に光電変換素子２をリセットするためのバイアスが印加され、光電変換素子２で発生し転送しきれなかった残留電荷が除去される。以上の動作を繰り返すことにより、１画像の画像信号が得られ、更に繰り返し１画像の画像信号を取得することにより動画像が得られる。

次に、図８を用いて本実施形態の１画素の構成を説明する。図８に示すように１画素内には、変換素子２である光電変換素子と、信号転送用スイッチ素子である信号転送用ＴＦＴ３と、リセット用スイッチ素子であるリセット用ＴＦＴ６が配置されている。また、信号線（Ｓｉｇ線）、ゲート線（Ｖｇ線）、ゲート線（Ｖｒ線）、リセット線（Ｖｔ線）、及びバイアス線（Ｖｓ線）が配置されている。図８は図２と同様に画素ピッチが１５０μｍの例を示す。

次に、図９を用いて放射線検出パネルの層構成を説明する。図９は図８のＢ−Ｂ’線における断面図である。図９において１０は絶縁基板である。信号転送用ＴＦＴ３とリセット用ＴＦＴ６は、絶縁基板１０上に形成された第１の導電層１１、第１の絶縁層１２、第１の半導体層１３、第１の不純物半導体層（オーミックコンタクト層）１４、第２の導電層１５から構成されている。

第１の導電層１１は信号転送用ＴＦＴ３のゲート電極、ゲート線（Ｖｇ線）、リセット用ＴＦＴ６のゲート電極、ゲート線（Ｖｒ線）として用いられ、第１の絶縁層１２はゲート絶縁膜として用いられている。第１の半導体層１３は信号転送用ＴＦＴ３及びリセット用ＴＦＴ６のチャネルとして用いられている。第１の不純物半導体層１４はオーミックコンタクト層として用いられている。

第２の導電層１５は信号転送用ＴＦＴ３及びリセット用ＴＦＴ６のソース若しくはドレイン電極、信号線（Ｓｉｇ線）、リセット線（Ｖｔ線）として用いられている。第２の導電層１５の上層には層間絶縁層１６が形成され、その層間絶縁層１６上に変換素子２を構成するＭＩＳ型光電変換素子が積層されている。

変換素子２は、第３の導電層１７、第２の絶縁層１８、第２の半導体層（光電変換層）１９、第２の不純物半導体層（ホールブロッキング層）２０、第４の導電層２１、第５の導電層２２から構成されている。

第３の導電層１７は光電変換素子２の下電極として用いられ、第２の絶縁層１８は光電変換素子の絶縁層として用いられている。第２の半導体層１９は光電変換素子の光電変換層として用いられ、第２の不純物半導体層２０は光電変換素子のホールブロッキング層として用いられている。

第４の導電層２１は光電変換素子の上電極またはＶｓ線として用いられ、第５の導電層２２はＶｓ線から供給されるバイアス電圧を変換素子全体に印加するための電極として用いられている。更に、その上層に第３の絶縁層２３、保護層２４、接着層２５、Ｘ線を可視光に波長変換するシンチレータ層（蛍光体層）２６が順次形成されている。

次に、信号線（Ｓｉｇ線）の寄生容量について説明する。１画素におけるＳｉｇ線と第１の導電層１１との重なり容量の総和をＣａとする。この場合、容量Ｃａは図８及び図９に示すように第１の絶縁層１２を間に有するＳｉｇ線（第２の導電層）とＶｇ線（第１の導電層）から形成される重なり容量Ｃｃを含んでいる。

また、容量Ｃａは第１の絶縁層１２を間に有するＳｉｇ線（第２の導電層）とＶｒ線（第１の導電層）から形成される重なり容量Ｃｃを含んでいる。更に、容量Ｃａは第１の絶縁層１２と第１の半導体層１３から形成されるＴＦＴ（信号転送用ＴＦＴ）のソース若しくはドレイン電極（第２の導電層）と、ゲート電極（第１の導電層）との重なり容量Ｃｔを含んでいる。即ち、Ｃａ＝２×Ｃｃ＋Ｃｔである。図８中にＣｃ、Ｃｔの領域が斜線で示されている。

一方、Ｓｉｇ線と光電変換素子の下電極層（第３の導電層）との重なり容量Ｃｓは、第１の実施形態と同様に、Ｃｓ＝ε_０×ε×Ｓ／ｄとなる。
εは層間絶縁層１６の比誘電率、ε_０は真空誘電率である。

ここで、層間絶縁層１６に第１の絶縁層１２と同様の膜を使用した場合、ε＝６となる。その他、各部の面積及び各層の膜厚及び各層の比誘電率は第１の実施形態と同じとすると、膜厚ｄと容量Ｃａ及び膜厚ｄと容量Ｃｓの関係は図１０に示す通りとなる。

図１０に示すように、従来の放射線撮像装置と同様に、例えば、層間絶縁層１６の膜厚ｄを５００ｎｍとした場合、Ｃａに比べＣｓが非常に大きく、層間絶縁層の膜厚によりＣｓが大きく変化することが分かる。よって、基板の面内において層間絶縁層の膜厚がばらつくことにより、Ｓｉｇに寄生する容量の総和Ｃａ＋Ｃｓがばらつく。その結果、従来の放射線撮像装置においては基板内でノイズ量がばらつき、画像ムラが生じる。

このことから、第１の実施形態と同様に層間絶縁層１６の膜厚は、ＣｓがＣａと同等若しくはそれ以下となるように設定することが好ましい。よって、本実施形態においては、層間絶縁層の膜厚が、
Ｃａ≧ε_０×ε×Ｓ／ｄ
の関係を満たす膜厚に、一例では２．５μｍ以上に設定されており、この点が従来例と大きく異なる。即ち、基板内において層間絶縁層の膜厚がばらついた場合でも、各Ｓｉｇ線の寄生容量はほぼ同等となり、画像ムラを低減することが可能となる。

一方、第１の実施形態と同様に層間絶縁層１６の膜厚が、
２Ｌｆ＋Ｌｂ＝７ｄ≦Ｐ／２
を満たすことにより、層間絶縁層の加工安定性の確保が可能となる。

以上のことから、画素ピッチを１００μｍ程度まで考慮した場合、層間絶縁層の膜厚を２．５μｍから６．０μｍ程度に設定することにより、積層型の放射線検出装置において層間絶縁層の加工安定性を確保することが可能となる。また、層間絶縁層の膜厚ばらつきによる画像ムラを低減させることが可能となる。当然、画素ピッチが１００μｍより小さくなる場合には、層間絶縁層の膜厚は６．０μｍより薄くする必要がある。

なお、図７には３×３画素を示しているが、実際には、例えば、２０００×２０００画素が配置されている。また、本実施形態では光電変換素子とシンチレータを組み合わせた間接型の放射線検出装置を示したが、本発明はこれに限ることはない。即ち、光電変換素子に代えて、Ｘ線、γ線、或いはα線、β線等の粒子線を直接電荷に変換するアモルファスセレン等の半導体層を電極間に挟んだ変換素子を用いた直接型の放射線検出装置においても同様の効果が得られる。

また、間接型の放射線検出パネルの変換素子は、ＭＩＳ型光電変換素子とは別の光電変換素子、例えば、ＰＩＮ型の光電変換素子を用いても構わない。更に、本実施形態では保護層上に接着層を介してシンチレータ層を積層させた例を示したが、保護層上に直接ＣｓＩ等のシンチレータ層を設けた放射線検出装置でもよい。上記の各実施形態では、入射放射線がＸ線、γ線、或いはα線、β線等の粒子線の場合を説明したが、入射放射線が可視光、赤外線の場合はシンチレータ層は含まずに光電変換素子で変換する放射線検出装置となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１１は１画素の平面図、図１２は図１１のＣ−Ｃ’線における断面図である。図１１、図１２では図１〜図３と同一部分には同一符号を付している。
まず、図１１を用いて１画素の構成を説明する。放射線検出パネルの１画素内には、実施形態１と同様に変換素子２である光電変換素子と、スイッチ素子３であるＴＦＴが配置されている。また、１画素内には、Ｓｉｇ線と、Ｖｇ線と、Ｖｓ線とが配置されている。本実施形態においては、光電変換素子とＴＦＴを接続する接続ホールが長方形、若しくは楕円形である点が、実施形態１と異なる点である。

次に、図１２を用いて本実施形態の１画素の構成を説明する。図１２は図１１のＣ−Ｃ’線における断面図である。図１２において１０は絶縁基板である。信号転送用スイッチ素子３であるＴＦＴは、絶縁基板１０の上に形成されており、ＴＦＴのソース若しくはドレイン電極、Ｓｉｇ線を形成する第２の導電層１５の上層には第１の層間絶縁層１６と第２の層間絶縁層２８が配置されている。この２種類の層間絶縁層が配置されている点が、実施形態１と異なる点である。具体的には、第１の層間絶縁層１６に第１の絶縁層１２と同様のε＝６の膜を、また第２の層間絶縁層２８にε＝３の膜を使用している。更に、第２の層間絶縁層２８上には、変換素子２を構成するＭＩＳの型光電変換素子が積層されている。

ここで、信号線（Ｓｉｇ線）の寄生容量について説明する。図１１に示すように１画素におけるＳｉｇ線（第２の導電層）と第１の導電層１１との重なり容量の総和をＣａとする。この場合、容量Ｃａは図１１及び図１２に示すように第１の絶縁層１２を間に有するＳｉｇ線（第２の導電層）とＶｇ線（第１の導電層）から形成される重なり容量Ｃｃを含んでいる。また、容量Ｃａは第１の絶縁層１２と第１の半導体層１３から形成されるＴＦＴのソース若しくはドレイン電極（第２の導電層）とゲート電極（第１の導電層）の重なり容量Ｃｔとの総和となる。即ち、容量Ｃａ＝Ｃｃ＋Ｃｔである。図１１にＣｃ、Ｃｔの領域が斜線で示されている。

一方、１画素におけるＳｉｇ線と変換素子２の重なった部分において、第１の層間絶縁層１６の容量をＣ_１６、第２の層間絶縁層２８の容量をＣ_２８とする。この場合、Ｓｉｇ線と変換素子２の下電極層（第３の導電層）との重なり容量Ｃｓは、
Ｃｓ＝（Ｃ_１６×Ｃ_２８）／（Ｃ_１６＋Ｃ_２８）となる。
上述したように、基板の面内において第１の層間絶縁層１６、または第２の層間絶縁層２８の膜厚がばらつくことにより、Ｓｉｇ容量の総和Ｃａ＋Ｃｓがばらつく。その結果、基板内でノイズ量がばらつき、画像ムラが生じる場合がある。

このことから、第１の層間絶縁層１６、及び第２の層間絶縁層２８の膜厚は、実施形態１、及び実施形態２と同様に、ＣｓがＣａと同等若しくはそれ以下となるように設定することが好ましい。よって、本実施形態では、第１の層間絶縁層１６、及び第２の層間絶縁層２８の膜厚が、
Ｃａ≧（Ｃ_１６×Ｃ_２８）／（Ｃ_１６＋Ｃ_２８）
の関係を満たす膜厚に設定される。即ち、基板の面内において第１の層間絶縁層１６、または第２の層間絶縁層２８の膜厚がばらついた場合でも各Ｓｉｇ線の寄生容量はほぼ同等となり、画像ムラを低減することが可能となる。

なお、層間絶縁層が３層以上配置される場合には、上記考え方と同様に、Ｃａ≧Ｃｓの関係を満たすよう各層間絶縁層の膜厚を設定することが望ましい。

また、接続ホールの加工形状については、実施形態１において説明したように、テーパー角度が４５°以下の緩やかな形状にするとよい。本実施形態においては、第２の層間絶縁層２８が感光性を有するため、接続ホールのボトムからフラットな面までの距離（図５中のＬｆ）は、層間絶縁層の膜厚をｄ_２８とした場合、２ｄ_２８程度となる。

一方、Ｓｉｇ線、及びＶｇ線は第１の層間絶縁層１６、及び第２の層間絶縁層２８を介して変換素子２と容量を形成する。このため、層間絶縁層の下層に配置される各配線の容量を一定に保つために、各配線上の層間絶縁層の膜厚は一定であることが望ましい。即ち、Ｓｉｇ線と接続ホールの間隔、及びＶｇ線と接続ホールの間隔は２ｄ_２８以上であることが望ましい。

また、実施形態１で説明したように、接続ホールより上層に配置される配線、特にＶｓ線は加工精度の安定性の観点から、接続ホールの外側のフラットな面に配置する必要がある。即ち、Ｖｓ線と接続ホールとの間隔は２ｄ_２８以上であることが望ましい。画素ピッチが小さい場合には、図１１のように接続ホールとＳｉｇ線の間にＶｓ線を配置することにより、Ｓｉｇ線とＶｓ線の間隔を十分確保することが可能となる。

また、本実施形態のように接続ホールの形状が長方形、又は楕円形の場合には、寸法精度向上の観点から接続ホールのボトム径（図５中のＬｂ）は、図１１のように接続ホールの短辺にて３ｄ_２８以上を確保すればよい。即ち、実施形態１、及び実施形態２と同様に第２の層間絶縁層２８の膜厚が、２Ｌｆ＋Ｌｂ＝ｄ_２８≦Ｐ／２を満たすことにより、第２の層間絶縁層の加工精度の安定性の確保が可能となる。

（第４の実施形態）
図１３は本発明の放射線検出装置を用いた放射線撮像システムの一実施形態を示す構成図である。本実施形態において放射線とはＸ線、α線、β線、γ線をいうが、特にＸ線の場合を説明する。図１３に示すように放射線源である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、シンチレータを有する放射線検出装置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、放射線検出装置６０４０からの信号を処理する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。

この情報は電話回線６０９０等の伝送処理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等に設置された表示手段となるディスプレイ６０８１に表示又は光ディスク等の記録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、記録手段となるフィルムプロセッサ６１００により記録媒体となるフィルム６１１０に記録することもできる。

なお、本発明に係る放射線撮像システムは、放射線検出装置６０４０と、以下の手段のうち１つ又２以上の手段を具備することで構成しても良い。即ち、信号処理手段（イメージプロセッサ６０７０）、記録手段（フィルムプロセッサ６１００等）、表示手段（ディスプレイ６０８０）、伝送処理手段（電話回線６０９０等）、放射線源（Ｘ線チューブ６０５０）のうち１つ又は２以上を具備しても良い。

Claims (6)

1. 入射した放射線を電荷に変換する変換素子と、前記変換素子の電荷を転送するスイッチ素子と、を備えた複数の画素と、
   前記スイッチ素子のゲートに接続されたゲート線と、
   前記ゲート線と交差して配置され、前記スイッチ素子のソース又はドレインに電気的に接続された信号線と、前記変換素子と前記スイッチ素子との間、及び、前記変換素子と前記信号線との間に配置された層間絶縁層と、
   を有する放射線検出装置であって、
   １画素における前記信号線と前記ゲート線との重なり容量をＣｃ、１画素における前記スイッチ素子のゲートと前記スイッチ素子のソース又はドレインとの間の容量をＣｔ、１画素における前記信号線と前記変換素子との重なり面積をＳ、前記層間絶縁層の膜厚をｄ、前記層間絶縁層の比誘電率をε、前記層間絶縁層の真空誘電率をε０とした場合に、
   Ｃｃ＋Ｃｔ≧ε０×ε×Ｓ／ｄ
   を満たすように、Ｃｃ、Ｃｔ、ε、Ｓ、ｄが決定されていることを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記複数の画素の画素ピッチをＰとした場合に、７ｄ≦Ｐ／２を満たし、
   前記変換素子と前記スイッチ素子とを電気的に接続するための前記層間絶縁層の接続ホールのテーパー角度は４５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 前記変換素子にバイアス電圧を印加するためのバイアス線を更に有し、
   前記バイアス線は、放射線入射側から見て、前記変換素子と前記スイッチ素子とを電気的に接続するための前記層間絶縁層の接続ホールと前記スイッチ素子との間に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
4. 前記変換素子は光電変換素子であり、前記光電変換素子の上にシンチレータ層が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
5. 入射した放射線を電荷に変換する変換素子と、前記変換素子の電荷を転送する転送用スイッチ素子と、前記変換素子をリセットするためのバイアス電圧を印加するリセット用スイッチ素子と、を備えた複数の画素と、
   前記転送用スイッチ素子のゲートに電気的に接続された第１のゲート線と、
   前記リセット用スイッチ素子のゲートに電気的に接続された第２のゲート線と、
   前記第１及び第２のゲート線と交差して配置され、前記転送用スイッチ素子のソース又はドレインに電気的に接続された信号線と、
   前記転送用スイッチ素子と前記変換素子との間、前記リセット用スイッチ素子と前記変換素子との間、及び、前記信号線と前記変換素子との間に配置された層間絶縁層と、
   を有する放射線検出装置であって、
   １画素における前記信号線と前記第１のゲート線および第２のゲート線との重なり容量のそれぞれをＣｃ、１画素における前記転送用スイッチ素子のゲートと前記転送用スイッチ素子のソース又はドレインとの間の容量をＣｔ、１画素における前記信号線と前記変換素子との重なり面積をＳ、前記層間絶縁層の膜厚をｄ、前記層間絶縁層の比誘電率をε、前記層間絶縁層の真空誘電率をε０とした場合に、
   ２×Ｃｃ＋Ｃｔ≧ε０×ε×Ｓ／ｄ
   を満たすように、Ｃｃ、Ｃｔ、ε、Ｓ、ｄが決定されていることを特徴とする放射線検出装置。
6. 請求項１又は５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、
   を具備することを特徴とする放射線撮像システム。

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