JP6218760B2 - Photoelectric conversion element and imaging apparatus - Google Patents
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本開示は、光電変換素子、及び、係る光電変換素子を用いた撮像装置に関する。 The present disclosure relates to a photoelectric conversion element and an imaging apparatus using the photoelectric conversion element.
α線、β線、γ線、X線に代表される放射線を波長変換体で光電変換素子の感度域に波長変換して放射線に基づく情報を読み取る撮像装置が、例えば、特開2011−014752から公知である。この特許公開公報に開示された光電変換素子は、
第1の半導体層、
第1の半導体層と逆導電型の第2の半導体層、及び、
第1の半導体層及び第2の半導体層の各導電型の間の導電型から成り、第1の半導体層と第2の半導体層との間に介在する第3の半導体層、
を含む。そして、第1の半導体層と第3の半導体層との間に形成された絶縁層、及び、第2の半導体層の面積よりも小さい面積で絶縁層に形成されたコンタクトホールを更に含み、第1の半導体層と第3の半導体層とは、コンタクトホールを介して接している(図8A参照)。あるいは又、第1の半導体層は、そのエッジが第2の半導体層のエッジよりも内側になるように形成されている(図8B参照)。
An imaging device that reads information based on radiation by converting the wavelength of radiation represented by α-rays, β-rays, γ-rays, and X-rays into a sensitivity range of a photoelectric conversion element with a wavelength converter is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-014752. It is known. The photoelectric conversion element disclosed in this patent publication is
A first semiconductor layer;
A second semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the first semiconductor layer; and
A third semiconductor layer composed of a conductivity type between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and interposed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
including. And an insulating layer formed between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer, and a contact hole formed in the insulating layer with an area smaller than the area of the second semiconductor layer, The first semiconductor layer and the third semiconductor layer are in contact with each other through a contact hole (see FIG. 8A). Alternatively, the first semiconductor layer is formed so that the edge is inside the edge of the second semiconductor layer (see FIG. 8B).
ところで、この特許公開公報に開示された光電変換素子にあっては、第3の半導体層及び第2の半導体層をパターニングするとき、屡々、第3の半導体層及び第2の半導体層の端部に順テーパー状の斜面が形成され、第3の半導体層の端部が第2の半導体層で覆われない状態となる(図8A、図8Bを参照)。そして、このような状態になると、第2の半導体層への電圧の印加によって形成される電界が第3の半導体層の端部に十分に端部に達せず、第3の半導体層の端部において発生したキャリアが第2の半導体層に達するまでに時間を要する。その結果、残像特性が悪化し、撮像装置によって短時間の間に複数の画像を撮像したとき、画像に残像ムラが生じる。
By the way, in the photoelectric conversion element disclosed in this patent publication, when patterning the third semiconductor layer and the second semiconductor layer, the end portions of the third semiconductor layer and the second semiconductor layer are often used. A forward tapered slope is formed, and the end of the third semiconductor layer is not covered with the second semiconductor layer (see FIGS. 8A and 8B). In such a state, the electric field formed by applying the voltage to the second semiconductor layer does not sufficiently reach the end of the third semiconductor layer, and the end of the third semiconductor layer. It takes time for the carriers generated in
従って、本開示の目的は、画像に残像ムラが生じ難い構成、構造を有する光電変換素子、及び、係る光電変換素子を用いた撮像装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present disclosure is to provide a photoelectric conversion element having a configuration and structure that hardly causes afterimage unevenness in an image, and an imaging apparatus using the photoelectric conversion element.
上記の目的を達成するための本開示の第1の態様に係る光電変換素子は、
基板、
基板上に形成された、第1導電型を有する第1半導体層、
基板及び第1半導体層を覆い、底部に第1半導体層が露出した開口部を有する層間絶縁層、
層間絶縁層上から開口部の底部に露出した第1半導体層上に亙り形成された第3半導体層、及び、
第3半導体層上に形成され、第1導電型と逆の第2導電型を有する第2半導体層、
を備えており、
第3半導体層は、第1導電型と第2導電型の間の導電型を有し、
第2半導体層及び第3半導体層の端部には、順テーパー状の斜面が形成されており、
少なくとも順テーパー状の斜面には、第2導電型を有する第4半導体層が形成されている。
The photoelectric conversion element according to the first aspect of the present disclosure for achieving the above object is:
substrate,
A first semiconductor layer having a first conductivity type formed on a substrate;
An interlayer insulating layer that covers the substrate and the first semiconductor layer and has an opening at the bottom where the first semiconductor layer is exposed;
A third semiconductor layer formed over the first semiconductor layer exposed from the interlayer insulating layer to the bottom of the opening; and
A second semiconductor layer formed on the third semiconductor layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
With
The third semiconductor layer has a conductivity type between the first conductivity type and the second conductivity type,
A forward tapered slope is formed at the ends of the second and third semiconductor layers,
A fourth semiconductor layer having the second conductivity type is formed on at least the forward tapered slope.
上記の目的を達成するための本開示の第2の態様に係る光電変換素子は、
基板、
基板を覆い、底部に基板が露出した開口部を有する層間絶縁層、
層間絶縁層上から開口部の底部に露出した基板上に亙り形成された第1半導体層、
第1半導体層を覆う第3半導体層、及び、
第3半導体層上に形成され、第1導電型と逆の第2導電型を有する第2半導体層、
を備えており、
第3半導体層は、第1導電型と第2導電型の間の導電型を有し、
第2半導体層及び第3半導体層の端部には、順テーパー状の斜面が形成されており、
少なくとも順テーパー状の斜面には、第2導電型を有する第4半導体層が形成されている。
The photoelectric conversion element according to the second aspect of the present disclosure for achieving the above object is
substrate,
An interlayer insulating layer covering the substrate and having an opening in which the substrate is exposed at the bottom;
A first semiconductor layer formed over the substrate exposed from the interlayer insulating layer to the bottom of the opening;
A third semiconductor layer covering the first semiconductor layer; and
A second semiconductor layer formed on the third semiconductor layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
With
The third semiconductor layer has a conductivity type between the first conductivity type and the second conductivity type,
A forward tapered slope is formed at the ends of the second and third semiconductor layers,
A fourth semiconductor layer having the second conductivity type is formed on at least the forward tapered slope.
上記の目的を達成するための本開示の撮像装置は、本開示の第1の態様あるいは第2の態様に係る光電変換素子が、第1の方向、及び、第1の方向とは異なる第2の方向に、2次元マトリクス状に配列されて成る。 In order to achieve the above object, the imaging apparatus according to the present disclosure includes a photoelectric conversion element according to the first aspect or the second aspect of the present disclosure in which the second direction is different from the first direction and the first direction. Are arranged in a two-dimensional matrix in this direction.
本開示の第1の態様及び第2の態様に係る光電変換素子において、少なくとも順テーパー状の斜面に第2導電型を有する第4半導体層が形成されているので、第2半導体層への電圧の印加によって形成される電界内に第3半導体層の端部が確実に含まれる結果、第3の半導体層の端部において発生したキャリアが直ちに第2半導体層に達する。それ故、残像特性が悪化し、撮像装置によって短時間の間に複数の画像を撮像したとき、画像に残像ムラが生じるといった問題の発生を確実に抑制することができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。 In the photoelectric conversion element according to the first aspect and the second aspect of the present disclosure, the fourth semiconductor layer having the second conductivity type is formed on at least the forward tapered slope, so that the voltage to the second semiconductor layer As a result of surely including the end of the third semiconductor layer in the electric field formed by the application of, the carriers generated at the end of the third semiconductor layer immediately reach the second semiconductor layer. Therefore, afterimage characteristics are deteriorated, and when a plurality of images are captured in a short time by the imaging apparatus, it is possible to reliably suppress the occurrence of a problem that afterimage unevenness occurs in the images. Note that the effects described in the present specification are merely examples and are not limited, and may have additional effects.
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
1.本開示の第1の態様〜第2の態様に係る光電変換素子及び本開示の撮像装置、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の第1の態様に係る光電変換素子、第1の構成の光電変換素子及び本開示の撮像装置)
3.実施例2(本開示の第1の態様に係る光電変換素子、第2の構成の光電変換素子及び本開示の撮像装置)
4.実施例3(本開示の第2の態様に係る光電変換素子、第1の構成の光電変換素子及び本開示の撮像装置)
5.実施例4(本開示の第2の態様に係る光電変換素子、第2の構成の光電変換素子及び本開示の撮像装置)
6.実施例5(撮像装置のシステム構成)
7.その他
Hereinafter, although this indication is explained based on an example with reference to drawings, this indication is not limited to an example and various numerical values and materials in an example are illustrations. The description will be given in the following order.
1. 1. Description of the photoelectric conversion element according to the first aspect to the second aspect of the present disclosure and the imaging apparatus of the present disclosure in general. Example 1 (a photoelectric conversion element according to the first aspect of the present disclosure, a photoelectric conversion element having the first configuration, and an imaging apparatus according to the present disclosure)
3. Example 2 (a photoelectric conversion element according to the first aspect of the present disclosure, a photoelectric conversion element having the second configuration, and an imaging apparatus according to the present disclosure)
4). Example 3 (a photoelectric conversion element according to the second aspect of the present disclosure, a photoelectric conversion element having the first configuration, and an imaging apparatus according to the present disclosure)
5. Example 4 (a photoelectric conversion element according to the second aspect of the present disclosure, a photoelectric conversion element having the second configuration, and an imaging apparatus according to the present disclosure)
6). Example 5 (system configuration of imaging apparatus)
7). Other
〈本開示の第1の態様〜第2の態様に係る光電変換素子及び本開示の撮像装置、全般に関する説明〉
本開示の第1の態様あるいは第2の態様に係る光電変換素子、本開示の撮像装置を構成する本開示の第1の態様あるいは第2の態様に係る光電変換素子(以下、これらの光電変換素子を総称して、『本開示の光電変換素子等』と呼ぶ場合がある)において、第4半導体層は、少なくとも順テーパー状の斜面を覆っている構成とすることができる。尚、このような本開示の光電変換素子等を、便宜上、『第1の構成の光電変換素子』と呼ぶ場合がある。具体的には、第1の構成の光電変換素子にあっては、第2半導体層及び第3半導体層の端部、並びに、第2半導体層を覆うように、第4半導体層を形成(成膜)すればよいし、あるいは、第2半導体層の延在部から第4半導体層を構成し、このような第4半導体層によって第3半導体層の端部を覆えばよい。あるいは又、本開示の光電変換素子等において、第4半導体層は、順テーパー状の斜面を構成する第2半導体層の表層部分及び第3半導体層の表層部分に形成されている構成とすることができる。尚、このような本開示の光電変換素子等を、便宜上、『第2の構成の光電変換素子』と呼ぶ場合がある。具体的には、第2の構成の光電変換素子にあっては、第2半導体層及び第3半導体層の端部に第2導電型を有する不純物をイオン注入することで、第2半導体層の表層部分及び第3半導体層の表層部分に第4半導体層(イオン注入領域)を形成することができる。
<Explanation Regarding Photoelectric Conversion Element According to First to Second Aspects of Present Disclosure and Imaging Device of Present Disclosure, General>
The photoelectric conversion element according to the first aspect or the second aspect of the present disclosure, the photoelectric conversion element according to the first aspect or the second aspect of the present disclosure that constitutes the imaging device of the present disclosure (hereinafter, these photoelectric conversions) In some cases, the elements may be collectively referred to as “a photoelectric conversion element or the like of the present disclosure”), and the fourth semiconductor layer may be configured to cover at least a forward tapered slope. Note that such a photoelectric conversion element of the present disclosure may be referred to as a “first configuration photoelectric conversion element” for convenience. Specifically, in the photoelectric conversion element having the first structure, the fourth semiconductor layer is formed (formed) so as to cover the end portions of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer and the second semiconductor layer. The fourth semiconductor layer may be formed from the extended portion of the second semiconductor layer, and the end portion of the third semiconductor layer may be covered with such a fourth semiconductor layer. Alternatively, in the photoelectric conversion element or the like of the present disclosure, the fourth semiconductor layer is configured to be formed on the surface layer portion of the second semiconductor layer and the surface layer portion of the third semiconductor layer that form a forward tapered slope. Can do. Note that such a photoelectric conversion element of the present disclosure may be referred to as a “second configuration photoelectric conversion element” for convenience. Specifically, in the photoelectric conversion element having the second structure, an impurity having the second conductivity type is ion-implanted into end portions of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, so that the second semiconductor layer A fourth semiconductor layer (ion implantation region) can be formed in the surface layer portion and the surface layer portion of the third semiconductor layer.
上記の好ましい構成を含む本開示の光電変換素子等において、
第1導電型はp型又はn型であり、
第2導電型はn型又はp型であり、
第3半導体層の導電型はi型である形態とすることができる。即ち、第1半導体層/第3半導体層/第2半導体層によって、PIN(Positive Intrinsic Negative)フォトダイオードを構成することができる。
In the photoelectric conversion element and the like of the present disclosure including the above preferable configuration,
The first conductivity type is p-type or n-type,
The second conductivity type is n-type or p-type,
The conductivity type of the third semiconductor layer may be i-type. That is, a PIN (Positive Intrinsic Negative) photodiode can be configured by the first semiconductor layer / the third semiconductor layer / the second semiconductor layer.
更には、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本開示の第1の態様に係る光電変換素子において、限定するものではないが、第1半導体層は多結晶シリコンから成り、第2半導体層及び第3半導体層は多結晶シリコン又は非晶質シリコンから成る形態とすることができる。第1半導体層を多結晶シリコンから構成することで、十分に低抵抗な半導体層を得ることができ、撮像装置内での光電変換素子において得られる信号電荷のバラツキをより小さくすることができる。また、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本開示の第2の態様に係る光電変換素子において、限定するものではないが、第1半導体層は非晶質シリコンから成り、第2半導体層及び第3半導体層は多結晶シリコン又は非晶質シリコンから成る形態とすることができる。 Furthermore, in the photoelectric conversion element according to the first aspect of the present disclosure including the various preferable configurations and forms described above, the first semiconductor layer is made of polycrystalline silicon, and the second semiconductor is not limited thereto. The layer and the third semiconductor layer may be made of polycrystalline silicon or amorphous silicon. By configuring the first semiconductor layer from polycrystalline silicon, a sufficiently low-resistance semiconductor layer can be obtained, and variation in signal charge obtained in the photoelectric conversion element in the imaging device can be further reduced. Further, in the photoelectric conversion element according to the second aspect of the present disclosure including the various preferable configurations and forms described above, the first semiconductor layer is made of amorphous silicon, and the second semiconductor is not limited thereto. The layer and the third semiconductor layer may be made of polycrystalline silicon or amorphous silicon.
また、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本開示の撮像装置において、光電変換素子の光入射側には、入射するエネルギー線を光電変換素子の感度領域の波長に変換する波長変換体が備えられている形態とすることができる。 Further, in the imaging device of the present disclosure including the various preferable configurations and forms described above, a wavelength converter that converts an incident energy ray into a wavelength in a sensitivity region of the photoelectric conversion element on the light incident side of the photoelectric conversion element It can be set as the form provided with.
更には、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本開示の撮像装置にあっては、第2の方向に沿って、光電変換素子と光電変換素子との間に、第2半導体層から第3半導体層を経由して層間絶縁層に至る分離溝が形成されている形態とすることができ、この場合、第1の方向に沿って、第2半導体層及び第3半導体層は、隣接する光電変換素子の間で連続して形成されている形態とすることができ、更には、第1の方向に沿って隣接する光電変換素子の間には遮光層が形成されている形態とすることができる。更には、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本開示の撮像装置において、各光電変換素子は、ソースフォロワ型の読出し用トランジスタに接続されている形態とすることができる。即ち、光電変換素子によって得られた信号電荷は、ソースフォロワ型の読出し用トランジスタのゲート電極に入力され、ソースフォロワ型の読出し用トランジスタは、信号電荷に応じた電気信号を出力する。 Furthermore, in the imaging device of the present disclosure including the various preferable configurations and forms described above, the second semiconductor layer is disposed between the photoelectric conversion element and the photoelectric conversion element along the second direction. A separation groove reaching the interlayer insulating layer via the third semiconductor layer can be formed. In this case, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are adjacent to each other along the first direction. The photoelectric conversion elements can be formed continuously between the photoelectric conversion elements, and further, the light shielding layer is formed between the photoelectric conversion elements adjacent in the first direction. be able to. Furthermore, in the imaging device of the present disclosure including the various preferable configurations and forms described above, each photoelectric conversion element may be connected to a source follower type read transistor. That is, the signal charge obtained by the photoelectric conversion element is input to the gate electrode of the source follower type read transistor, and the source follower type read transistor outputs an electric signal corresponding to the signal charge.
以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本開示の光電変換素子における基板として、各種ガラス基板や、表面に絶縁膜が形成された各種ガラス基板、石英基板、表面に絶縁膜が形成された石英基板、シリコン半導体基板、表面に絶縁膜が形成されたシリコン半導体基板、ステンレス鋼等の各種合金や各種金属から成る金属基板;ポリメチルメタクリレート(ポリメタクリル酸メチル,PMMA)やポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルフェノール(PVP)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリイミド、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)に例示される有機ポリマー(高分子材料から構成された可撓性を有するプラスチック・フィルムやプラスチック・シート、プラスチック基板といった高分子材料の形態を有する)を挙げることができる。 As a substrate in the photoelectric conversion element of the present disclosure including the various preferable configurations and forms described above, various glass substrates, various glass substrates having an insulating film formed on the surface, a quartz substrate, and an insulating film formed on the surface Quartz substrate, silicon semiconductor substrate, silicon semiconductor substrate with an insulating film formed on the surface, metal substrate made of various alloys and various metals such as stainless steel; polymethyl methacrylate (polymethyl methacrylate, PMMA) and polyvinyl alcohol (PVA) , Organic polymers exemplified by polyvinylphenol (PVP), polyethersulfone (PES), polyimide, polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN) (flexibility composed of polymer materials) Plastic film and plastic Click sheet has the form of a polymeric material such as a plastic substrate) may be mentioned.
また、層間絶縁層を構成する材料として、SiOX、SiNY、SiOXNY、SOG(Spin On Glass)、BPSG、PSG、BSG、AsSG、PbSG、NSG、LTO(Low Temperature Oxide、低温CVD−SiO2)、SiOF、SiC、低融点ガラス、ガラスペースト、酸化チタン(TiO2)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化クロム(CrOx)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化スズ(SnO2)、酸化バナジウム(VOx)といった無機絶縁材料;ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、有機SOG、フッ素系樹脂といった有機絶縁材料(例えば、フルオロカーボン、アモルファス・テトラフルオロエチレン、ポリアリールエーテル、フッ化アリールエーテル、フッ化ポリイミド、パリレン、ベンゾシクロブテン、アモルファス・カーボン、シクロパーフルオロカーボンポリマー、フッ化フラーレン)を例示することができる。層間絶縁層の形成方法として、各種CVD法、各種塗布法、スパッタリング法や真空蒸着法等の各種PVD法、スクリーン印刷法、メッキ法、電着法、浸漬法等の公知のプロセスを挙げることができる。 Further, as the material constituting the interlayer insulating layer, SiO X, SiN Y, SiO X N Y, SOG (Spin On Glass), BPSG, PSG, BSG, AsSG, PbSG, NSG, LTO (Low Temperature Oxide, cold CVD- SiO 2 ), SiOF, SiC, low melting glass, glass paste, titanium oxide (TiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), chromium oxide (CrO x ), inorganic insulating materials such as zirconium oxide (ZrO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tin oxide (SnO 2 ), vanadium oxide (VO x ); polyimide resin, epoxy resin, acrylic resin, organic Organic insulating materials such as SOG and fluorine-based resin (eg, fluorocarbon, amorphous tetrafluoroethylene, poly Aryl ether, fluorinated aryl ether, fluorinated polyimide, parylene, benzocyclobutene, amorphous carbon, cycloperfluorocarbon polymer, and fluorinated fullerene). Examples of the method for forming the interlayer insulating layer include various processes such as various CVD methods, various coating methods, various PVD methods such as sputtering and vacuum deposition, screen printing methods, plating methods, electrodeposition methods, and dipping methods. it can.
本開示の撮像装置として、具体的には、α線、β線、γ線、X線に代表される放射線に基づく画像を撮像するための放射線撮像装置(放射線読取装置あるいはX線平面検出器,Flat Panel Detector とも呼ばれる)を挙げることができ、この場合、前述した波長変換体として、具体的には、放射線の入射により蛍光(シンチレーション光)を発する物質の総称であるシンチレーター(scintillator)から成るシンチレーター層あるいは蛍光体材料から成る蛍光体材料層を挙げることができる。シンチレーターあるいは蛍光体材料として、アントラセン、スチルベンといった有機物、有機発光物質が含有されたプラスチック材料、ヨウ化セシウム(CsI)、タリウム活性化ヨウ化セシウム(CsI:Tl)、ナトリウム活性化ヨウ化セシウム(CsI:Na)、ケイ酸ガドリニウム、Ce添加のケイ酸ガドリニウム、ゲルマニウム酸ビスマス、Gd2O2S:Tb、ケイ酸ルテチウム、Ce添加のケイ酸ルテチウム、タリウム活性化ヨウ化ナトリウム(NaI:Tl)、フッ化セリウム、フッ化カルシウム、タングステン酸鉛、タングステン酸カルシウム、タングステン酸カドミウム、フッ化バリウム、フッ化鉛、ZnS:Ag、ユーロピウム活性化ヨウ化リチウム、コランダム、(Gd,M,Eu)2O3を例示することができる。ここで、「M」は希土類元素である。電磁波(例えば、具体的には、X線)は、例えば、300nm乃至800nmの紫外線、可視光、赤外線に変換される。波長変換体(シンチレーター層、蛍光体材料層)を通過して光電変換素子に入射する光を光電変換素子に集光させるためのレンズが備えられていてもよい。 Specifically, as an imaging apparatus of the present disclosure, a radiation imaging apparatus (a radiation reading apparatus or an X-ray flat panel detector, for capturing an image based on radiation represented by α rays, β rays, γ rays, and X rays) In this case, the wavelength converter mentioned above is specifically a scintillator composed of a scintillator, which is a generic term for substances that emit fluorescence (scintillation light) upon incidence of radiation. Examples thereof include a phosphor material layer made of a layer or a phosphor material. As scintillators or phosphor materials, organic materials such as anthracene and stilbene, plastic materials containing organic light-emitting substances, cesium iodide (CsI), thallium activated cesium iodide (CsI: Tl), sodium activated cesium iodide (CsI) : Na), gadolinium silicate, Ce-added gadolinium silicate, bismuth germanate, Gd 2 O 2 S: Tb, lutetium silicate, Ce-added lutetium silicate, thallium activated sodium iodide (NaI: Tl), Cerium fluoride, calcium fluoride, lead tungstate, calcium tungstate, cadmium tungstate, barium fluoride, lead fluoride, ZnS: Ag, europium activated lithium iodide, corundum, (Gd, M, Eu) 2 O it can be exemplified 3 Here, “M” is a rare earth element. Electromagnetic waves (for example, specifically, X-rays) are converted into, for example, 300 nm to 800 nm ultraviolet rays, visible light, and infrared rays. A lens for condensing the light that passes through the wavelength converter (scintillator layer, phosphor material layer) and enters the photoelectric conversion element may be provided.
第2半導体層や第4半導体層を覆うように、全面に、所謂平坦化膜を形成してもよいし、全面に絶縁材料層(例えば、SiOX膜やSiNY膜、SiOX膜/SiNY膜の積層膜)を形成し、その上に平坦化膜を形成してもよい。また、第2半導体層や第4半導体層に接続されたITO等から成る透明導電材料層を形成してもよい。平坦化膜の上に保護膜(例えば、SiNYから成る)を形成し、その上に波長変換体(シンチレーター層、蛍光体材料層)を形成してもよい。第1半導体層は、例えば、基板上に形成された薄膜トランジスタのゲート電極に接続されている。光電変換素子において、第1半導体層あるいは第2半導体層であってカソードを構成する半導体層に、例えば3ボルト乃至10ボルト程度の基準電位を印加することで、入射光の光量に応じた電荷量の信号電荷を得ることができる。 A so-called flattening film may be formed on the entire surface so as to cover the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer, or an insulating material layer (for example, a SiO x film, a SiN y film, a SiO x film / SiN, for example). A Y film laminate film) may be formed, and a planarization film may be formed thereon. Moreover, you may form the transparent conductive material layer which consists of ITO etc. which were connected to the 2nd semiconductor layer and the 4th semiconductor layer. Protective film on the planarizing film (e.g., made of SiN Y) is formed, the wavelength converter thereon (scintillator layer, the phosphor material layer) may be formed. The first semiconductor layer is connected to, for example, a gate electrode of a thin film transistor formed on the substrate. In the photoelectric conversion element, by applying a reference potential of, for example, about 3 to 10 volts to the first semiconductor layer or the second semiconductor layer and constituting the cathode, the amount of charge corresponding to the amount of incident light Can be obtained.
本開示の撮像装置は、光電変換素子が、第1の方向、及び、第1の方向とは異なる第2の方向に、M×N個の2次元マトリクス状に配列されて成るが、ここで、(M,N)の値として、(4096,4096)、(3072,3072)、(2048,2048)を例示することができる。また、撮像装置(あるいは、後述する画素アレイ部)の外形寸法として、43cm×43cm、32cm×32cm、27cm×22cm、21cm×21cmを例示することができる。 The imaging device according to the present disclosure includes photoelectric conversion elements arranged in an M × N two-dimensional matrix in a first direction and a second direction different from the first direction. , (M, N) can be exemplified by (4096, 4096), (3072, 3072), and (2048, 2048). Moreover, 43 cm x 43 cm, 32 cm x 32 cm, 27 cm x 22 cm, and 21 cm x 21 cm can be exemplified as the external dimensions of the imaging device (or a pixel array section described later).
実施例1は、本開示の第1の態様に係る光電変換素子、第1の構成の光電変換素子、及び、係る光電変換素子を備えた撮像装置に関する。実施例1の光電変換素子の模式的な一部端面図を図1Aに示す。 Example 1 relates to a photoelectric conversion element according to the first aspect of the present disclosure, a photoelectric conversion element having a first configuration, and an imaging apparatus including the photoelectric conversion element. A schematic partial end view of the photoelectric conversion element of Example 1 is shown in FIG. 1A.
実施例1あるいは後述する実施例2の光電変換素子は、
基板11、
基板11上に形成された、第1導電型を有する第1半導体層31、
基板11及び第1半導体層31を覆い、底部に第1半導体層31が露出した開口部15を有する層間絶縁層12,13、
層間絶縁層12,13上から開口部15の底部に露出した第1半導体層31上に亙り形成された第3半導体層33、及び、
第3半導体層33上に形成され、第1導電型と逆の第2導電型を有する第2半導体層32、
を備えており、
第3半導体層33は、第1導電型と第2導電型の間の導電型を有し、
第2半導体層32及び第3半導体層33の端部には、順テーパー状の斜面35が形成されている。
The photoelectric conversion element of Example 1 or Example 2 to be described later is
A
A
A
With
The
A forward tapered
そして、実施例1あるいは後述する実施例2の光電変換素子において、少なくとも順テーパー状の斜面35には、第2導電型を有する第4半導体層34,37が形成されている。実施例1の光電変換素子にあっては、具体的には、第4半導体層34は、少なくとも順テーパー状の斜面35を覆っている。より具体的には、第2半導体層32及び第3半導体層33の端部、並びに、第2半導体層32を覆うように、第4半導体層34が形成(成膜)されている。
In the photoelectric conversion element of Example 1 or Example 2 described later, fourth semiconductor layers 34 and 37 having the second conductivity type are formed on at least the forward tapered
ここで、実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4において、具体的には、第1導電型はp型(より具体的には、p+)であり、第2導電型はn型(より具体的にはn+)であり、第3半導体層33の導電型はi型である。即ち、第1半導体層31/第3半導体層33/第2半導体層32によって、PINフォトダイオードが構成される。また、実施例1あるいは後述する実施例2において、第1半導体層31は多結晶シリコン(ポリシリコン)から成り、実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4において、第2半導体層32、第3半導体層33は非晶質シリコン(アモルファスシリコン)から成る。更には、実施例1あるいは後述する実施例3において、第4半導体層34は非晶質シリコン(アモルファスシリコン)から成る。半導体層を構成するシリコン層にゲルマニウムや炭素等の材料を導入して、分光感度を変えてもよい。第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とすることもできる。ところで、後述するリセットトランジスタ112(図6参照)によるリセット動作後にも微弱な電流が流れることに起因して第1半導体層31に電荷が蓄積され、この電荷に応じて第1半導体層31から取り出される電流に基づく画像が残像となる虞がある。信号電荷を収集・蓄積する蓄積層として機能する第1半導体層31の導電型をp型とすることで、リセット動作後の残像を、第1半導体層31の導電型をn型とするよりも、一層減少させることができる。
Here, in Example 1 or Examples 2 to 4 to be described later, specifically, the first conductivity type is p-type (more specifically, p + ), and the second conductivity type is n-type. (More specifically, n + ), and the conductivity type of the
実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4において、光電変換素子は、光電変換素子の作動を制御するための薄膜トランジスタ(TFT)に接続されている。尚、図示した薄膜トランジスタによって、後述する読出し用トランジスタ113が構成される。具体的には、薄膜トランジスタは、ガラス基板から成る基板11の上に形成されたゲート電極21、ゲート電極21及び基板11を覆うゲート絶縁層22、ゲート絶縁層22の上に形成されたチャネル形成領域24及びソース/ドレイン領域25A,25Bを備えている。ゲート電極21はTi、Al、Mo、W、Cr等のいずれかから成る単層膜、あるいは、これらの内の2種類以上を積層した積層膜によって構成されている。尚、図示した例では、チャネル形成領域24の上下にゲート電極21を配置した構成としているが、チャネル形成領域24の上方にゲート電極21を配置した構成とすることもできるし、チャネル形成領域24の下方にゲート電極21を配置した構成とすることもできる。また、チャネル形成領域24及びソース/ドレイン領域25A,25Bは、ポリシリコン層23によって構成されており、ソース/ドレイン領域25A,25Bはn+−ポリシリコンから成る。リーク電流を低減するために、チャネル形成領域24とソース/ドレイン領域25A,25Bとの間にLDD(Lightly Doped Drain)を形成してもよい。層間絶縁層12,13(下層層間絶縁層12及び上層層間絶縁層13)は、それぞれ、例えば、SiNY及びSiOXから成る。下層層間絶縁層12上には、配線層14A、14B,14Cが形成されている。薄膜トランジスタを構成するゲート電極21は、配線層14Aを介して第1半導体層31に接続されている。第1半導体層31は、PINフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す電極を兼ねている。薄膜トランジスタを構成するソース/ドレイン領域25A,25Bは、配線層14B,14Cを介して回路(後述する)に接続されている。
In Example 1 or Example 2 to Example 4 described later, the photoelectric conversion element is connected to a thin film transistor (TFT) for controlling the operation of the photoelectric conversion element. Note that a
また、実施例1あるいは後述する実施例2の光電変換素子において、ゲート絶縁層22の上には、ポリシリコン層23によって構成された(具体的には、p+ポリシリコン層から成る)第1半導体層31が形成されている。
In the photoelectric conversion element of Example 1 or Example 2 described later, a first layer made of a polysilicon layer 23 (specifically, a p + polysilicon layer) is formed on the
実施例1あるいは後述する実施例3において第4半導体層34の上には、また、後述する実施例2あるいは後述する実施例4において第2半導体層32の上には、電極として機能する透明導電材料層36が形成されており、透明導電材料層36は回路(後述する)に接続されている。即ち、透明導電材料層36の上には、透明導電材料層36に電圧を印加(供給)する電源配線層(図示せず)が、透明導電材料層36を構成する材料よりも低抵抗の材料、例えば、Ti、Al、Mo、W、Cr等のいずれかから成る単層膜、あるいは、これらの内の2種類以上を積層した積層膜から形成されている。電源配線層は、光電変換素子を囲むようにメッシュ状に、後述する画素アレイ部102の全面に亙り形成されている。
A transparent conductive material serving as an electrode is formed on the
実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4において、撮像装置は、実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4の光電変換素子が、第1の方向、及び、第1の方向とは異なる第2の方向に、2次元マトリクス状に配列されて成る。また、実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4において、光電変換素子の光入射側には、入射するエネルギー線を光電変換素子の感度領域の波長に変換する波長変換体が備えられている。即ち、実施例1〜実施例4の撮像装置(X線平面検出器,FPD)における光電変換素子にあっては、第2半導体層32や第4半導体層34,37は、有機材料(有機絶縁材料)やスピンオングラス材料等から成る平坦化膜によって覆われており、平坦化膜の上には、例えばSiNYから成る保護膜が形成されており、保護膜の上に波長変換体(シンチレーター層あるいは蛍光体材料層)が形成されている。但し、これらの平坦化膜、保護膜及び波長変換体の図示は省略している。例えば、X線発生装置(図示せず)から放射されたX線は、生体等の被検体(図示せず)を透過した後、波長変換体に入射する。波長変換体において、入射X線は光信号に変換される。そして、光電変換素子によって、光信号の強弱は電荷の大小を表す電気信号に変換され、電気信号は各種トランジスタを介して後述するアンプ121に送出される。
In Example 1 or Example 2 to Example 4 to be described later, the imaging device is configured so that the photoelectric conversion elements of Example 1 or Example 2 to Example 4 to be described later are in the first direction and the first direction. Are arranged in a two-dimensional matrix in different second directions. Moreover, in Example 1 or Example 2 to Example 4 described later, the light incident side of the photoelectric conversion element is provided with a wavelength converter that converts incident energy rays into the wavelength of the sensitivity region of the photoelectric conversion element. Yes. That is, in the photoelectric conversion element in the imaging apparatus (X-ray flat panel detector, FPD) of the first to fourth embodiments, the
以下、実施例1の光電変換素子の製造方法の概略を説明する。 Hereinafter, the outline of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of Example 1 is demonstrated.
[工程−100]
先ず、基板11の上に、周知の方法に基づき、ゲート電極21、ゲート絶縁層22、チャネル形成領域24、ソース/ドレイン領域25A,25Bを有する薄膜トランジスタを形成する。また、ゲート絶縁層22上に第1半導体層31を形成する。
[Step-100]
First, a thin film transistor having a
[工程−110]
その後、周知の方法に基づき全面に下層層間絶縁層12を形成(成膜)した後、下層層間絶縁層12上に、第1半導体層31とゲート電極21とを接続する配線層14A、ソース/ドレイン領域25A,25Bに接続された配線層14B,14Cを形成する。そして、全面に上層層間絶縁層13を形成(成膜)した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき、底部に第1半導体層31が露出した開口部15を層間絶縁層12,13に設ける。その後、層間絶縁層12,13上から開口部15の底部に露出した第1半導体層31上に亙り第3半導体層33(厚さ0.6μm)を形成し、更に、第3半導体層33上に第2半導体層32(厚さ25nm)を形成する。こうして、図3Aに示す状態を得ることができる。
[Step-110]
Thereafter, after forming (depositing) the lower
[工程−120]
その後、第3半導体層33及び第2半導体層32をパターニングするためのレジスト層38を周知の方法で形成し、レジスト層38をエッチング用マスクとして用いて第2半導体層32及び第3半導体層33をエッチングした後(図4参照)、レジスト層38を除去する。第2半導体層32及び第3半導体層33の端部には、順テーパー状の斜面35が形成される。即ち、第2半導体層32の縁部の基板11への射影像は、第3半導体層33の基板11への射影像に含まれる。
[Step-120]
Thereafter, a resist
[工程−130]
その後、全面に第4半導体層34(厚さ25nm)を形成し、次いで、周知の方法に基づき第4半導体層34をパターニングし、更に、第4半導体層34の上に透明導電材料層36を形成することで、図1Aに示した実施例1の光電変換素子を得ることができる。
[Step-130]
Thereafter, a fourth semiconductor layer 34 (thickness 25 nm) is formed on the entire surface, and then the
こうして、入射光又は入射エネルギーにより励起された電荷を収集する光電変換素子(具体的には、PINフォトダイオード)が形成され、透明導電材料層36及び電源配線層を介して基準電位Vxrefが印加されることによって光電変換が行われる。この光電変換によって発生した電荷は、第1半導体層31を蓄積層として収集され、第1半導体層31から電流として読み出され、例えば、後述するソースフォロワ型の読出し用トランジスタ113のゲート電極21に電圧として印加される。
Thus, a photoelectric conversion element (specifically, a PIN photodiode) that collects charges excited by incident light or incident energy is formed, and a reference potential V xref is applied via the transparent
実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例4の光電変換素子にあっては、少なくとも順テーパー状の斜面に第2導電型を有する第4半導体層が形成されているので、第2半導体層への電圧の印加によって形成される電界内に第3半導体層の端部が確実に含まれ、第3の半導体層の端部において発生したキャリアが直ちに第2半導体層に達する。その結果、残像特性が悪化し、撮像装置によって短時間の間に複数の画像を撮像したとき、画像に残像ムラが生じるといった問題の発生を確実に抑制することができる。それ故、複数の画像の合成を容易に行うことができるし、動画を得ることが可能となる。また、例えば、X線の被曝量の低減を図ることができる。 In the photoelectric conversion elements of Example 1 or Examples 2 to 4 to be described later, since the fourth semiconductor layer having the second conductivity type is formed on at least the forward tapered slope, the second semiconductor layer The end portion of the third semiconductor layer is surely included in the electric field formed by the application of the voltage to, and the carriers generated at the end portion of the third semiconductor layer immediately reach the second semiconductor layer. As a result, afterimage characteristics are deteriorated, and it is possible to reliably suppress the occurrence of a problem that afterimage unevenness occurs in an image when a plurality of images are captured in a short time by the imaging device. Therefore, a plurality of images can be easily combined and a moving image can be obtained. In addition, for example, the amount of X-ray exposure can be reduced.
光電変換素子にX線を照射したときに得られる信号量をL1、光電変換素子にX線を照射する前の暗電流をD0、光電変換素子にX線を照射した後の暗電流をD1としたとき、残像特性は、
(D1−D0)/(L1−D0)
で表すことができる。尚、暗電流D0は、光電変換素子にX線を照射した後、充分に時間が経過した後の暗電流の値であり、X線照射の影響が無くなったときの暗電流である。一方、暗電流D1は、光電変換素子にX線を照射した後の第1撮像フレームにおける信号値である。実施例1の光電変換素子にあっては、残像特性の値は約2%であった。一方、図8Aに示した構成の光電変換素子(比較例の光電変換素子)にあっては、残像特性の値は約4%であった。即ち、実施例1の光電変換素子にあっては、比較例の光電変換素子に比べて、残像特性が約2倍向上していることが判った。
The signal amount obtained when the photoelectric conversion element is irradiated with X-rays is L 1 , the dark current before the photoelectric conversion element is irradiated with X-rays is D 0 , and the dark current after the photoelectric conversion element is irradiated with X-rays When D 1 is assumed, the afterimage characteristic is
(D 1 -D 0 ) / (L 1 -D 0 )
Can be expressed as The dark current D 0 is a value of dark current after a sufficient time has elapsed after irradiating the photoelectric conversion element with X-rays, and is a dark current when there is no influence of X-ray irradiation. On the other hand, the dark current D 1 is the signal value in the first image pickup frame after irradiation with X-ray to the photoelectric conversion element. In the photoelectric conversion element of Example 1, the value of the afterimage characteristic was about 2%. On the other hand, in the photoelectric conversion element having the configuration shown in FIG. 8A (the photoelectric conversion element of the comparative example), the value of the afterimage characteristic was about 4%. That is, in the photoelectric conversion element of Example 1, it was found that the afterimage characteristics were improved about twice as compared with the photoelectric conversion element of the comparative example.
実施例2は、実施例1の変形であるが、第2の構成の光電変換素子に関する。実施例2の光電変換素子の模式的な一部端面図を図1Bに示す。 Example 2 is a modification of Example 1, but relates to a photoelectric conversion element having a second configuration. A schematic partial end view of the photoelectric conversion element of Example 2 is shown in FIG. 1B.
実施例2の光電変換素子において、第4半導体層37は、順テーパー状の斜面35を構成する第2半導体層32の表層部分及び第3半導体層33の表層部分に形成されている。具体的には、実施例2の光電変換素子にあっては、第2半導体層32及び第3半導体層33の端部に第2導電型を有する不純物(具体的には、例えば、リンやヒ素)をイオン注入することで、第2半導体層32の表層部分及び第3半導体層33の表層部分に第4半導体層(イオン注入領域)37を形成する。即ち、図4に示した状態において、レジスト層38によって覆われておらず、露出した第2半導体層32及び第3半導体層33の端部に第2導電型を有する不純物をイオン注入した後、活性化処理を行えばよい。第2半導体層32の厚さを50nm、第3半導体層33の厚さを0.6μmとした。
In the photoelectric conversion element of Example 2, the
以上の点を除き、実施例2の光電変換素子、撮像装置は、実施例1において説明した光電変換素子、撮像装置と同様の構成、構造とすることができるので、詳細な説明は省略する。 Except for the above points, the photoelectric conversion element and the imaging apparatus of Example 2 can be configured and structured in the same manner as the photoelectric conversion element and the imaging apparatus described in Example 1, and thus detailed description thereof is omitted.
実施例3は、本開示の第2の態様に係る光電変換素子、第1の構成の光電変換素子、及び、係る光電変換素子を備えた撮像装置に関する。実施例3の光電変換素子の模式的な一部端面図を図2Aに示す。 Example 3 relates to a photoelectric conversion element according to the second aspect of the present disclosure, a photoelectric conversion element having the first configuration, and an imaging apparatus including the photoelectric conversion element. A schematic partial end view of the photoelectric conversion element of Example 3 is shown in FIG. 2A.
実施例3あるいは後述する実施例4の光電変換素子は、
基板11、
基板11を覆い、底部に基板11が露出した開口部15を有する層間絶縁層12,13、
層間絶縁層12,13上から開口部15の底部に露出した基板11上に亙り形成された第1半導体層31、
第1半導体層31を覆う第3半導体層33、及び、
第3半導体層33上に形成され、第1導電型と逆の第2導電型を有する第2半導体層32、
を備えており、
第3半導体層33は、第1導電型と第2導電型の間の導電型を有し、
第2半導体層32及び第3半導体層33の端部には、順テーパー状の斜面35が形成されている。
The photoelectric conversion element of Example 3 or Example 4 to be described later is
A
A
A
With
The
A forward tapered
そして、実施例3あるいは後述する実施例4の光電変換素子において、少なくとも順テーパー状の斜面35には、第2導電型を有する第4半導体層34,37が形成されている。実施例3にあっては、具体的には、実施例1と同様に、第4半導体層34は、少なくとも順テーパー状の斜面35を覆っている。より具体的には、第2半導体層32及び第3半導体層33の端部、並びに、第2半導体層32を覆うように、第4半導体層34が形成(成膜)されている。尚、第1半導体層31は、具体的には、非晶質シリコン層、より具体的には、p+非晶質シリコン層(アモルファスシリコン層)から成る。
In the photoelectric conversion element of Example 3 or Example 4 described later, fourth semiconductor layers 34 and 37 having the second conductivity type are formed on at least the forward tapered
また、実施例3あるいは後述する実施例4の光電変換素子において、ゲート絶縁層22の上にはp+ポリシリコン層16が形成されており、薄膜トランジスタを構成するゲート電極21は、配線層14A及びp+ポリシリコン層16を介して第1半導体層31に接続されている。即ち、第1半導体層31は、層間絶縁層12,13上から開口部15の底部に露出した基板11上に亙り形成されているが、具体的には、層間絶縁層12,13上から開口部15の底部に露出したp+ポリシリコン層16上に亙り形成されている。p+ポリシリコン層16は、PINフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す電極に相当する。層間絶縁層12,13上における第1半導体層31の端部は第3半導体層33によって覆われている。
In the photoelectric conversion element of Example 3 or Example 4 to be described later, the p + polysilicon layer 16 is formed on the
以下、実施例3の光電変換素子の製造方法の概略を説明する。 Hereafter, the outline of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of Example 3 is demonstrated.
[工程−300]
先ず、基板11の上に、周知の方法に基づき、ゲート電極21、ゲート絶縁層22、チャネル形成領域24、ソース/ドレイン領域25A,25Bを有する薄膜トランジスタを形成する。また、ゲート絶縁層22上にp+ポリシリコン層16を形成する。
[Step-300]
First, a thin film transistor having a
[工程−310]
その後、周知の方法に基づき、全面に下層層間絶縁層12を形成(成膜)した後、下層層間絶縁層12上に、p+ポリシリコン層16とゲート電極21とを接続する配線層14A、ソース/ドレイン領域25A,25Bに接続された配線層14B,14Cを形成する。そして、全面に上層層間絶縁層13を形成(成膜)した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき、底部にp+ポリシリコン層16が露出した開口部15を層間絶縁層12,13に設ける。その後、層間絶縁層12,13上から底部に露出したp+ポリシリコン層16上に亙り第1半導体層31を形成し、第1半導体層31をパターニングする。次いで、全面に第3半導体層33を形成し、更に、第3半導体層33上に第2半導体層32を形成する。
[Step-310]
Thereafter, after forming (depositing) the lower
[工程−320]
その後、第3半導体層33及び第2半導体層32をパターニングするためのレジスト層を周知の方法で形成し、レジスト層をエッチング用マスクとして用いて第2半導体層32及び第3半導体層33をエッチングした後、レジスト層を除去する。第2半導体層32及び第3半導体層33の端部には、順テーパー状の斜面35が形成される。
[Step-320]
Thereafter, a resist layer for patterning the
[工程−330]
その後、全面に第4半導体層34を形成し、次いで、周知の方法に基づき第4半導体層34をパターニングし、更に、第2半導体層32の上に透明導電材料層36を形成することで、図2Aに示した実施例3の光電変換素子を得ることができる。
[Step-330]
Thereafter, the
以上の点を除き、実施例3の光電変換素子、撮像装置は、実施例1において説明した光電変換素子、撮像装置と同様の構成、構造とすることができるので、詳細な説明は省略する。 Except for the above points, the photoelectric conversion element and the imaging apparatus of Example 3 can have the same configuration and structure as the photoelectric conversion element and the imaging apparatus described in Example 1, and thus detailed description thereof is omitted.
実施例4は、実施例3の変形であるが、第2の構成の光電変換素子に関する。実施例4の光電変換素子の模式的な一部端面図を図2Bに示す。 Example 4 is a modification of Example 3, but relates to a photoelectric conversion element having a second configuration. A schematic partial end view of the photoelectric conversion element of Example 4 is shown in FIG. 2B.
実施例2と同様に、実施例4の光電変換素子において、第4半導体層37は、順テーパー状の斜面35を構成する第2半導体層32の表層部分及び第3半導体層33の表層部分に形成されている。具体的には、実施例4の光電変換素子にあっては、第2半導体層32及び第3半導体層33の端部に第2導電型を有する不純物(具体的には、例えば、リンやヒ素)をイオン注入することで、第2半導体層32の表層部分及び第3半導体層33の表層部分に第4半導体層(イオン注入領域)37を形成する。即ち、図4に示した状態において、レジスト層38によって覆われておらず、露出した第2半導体層32及び第3半導体層33の端部に第2導電型を有する不純物をイオン注入した後、活性化処理を行えばよい。
As in the second embodiment, in the photoelectric conversion element of the fourth embodiment, the
以上の点を除き、実施例4の光電変換素子、撮像装置は、実施例3、実施例2において説明した光電変換素子、撮像装置と同様の構成、構造とすることができるので、詳細な説明は省略する。 Except for the above points, the photoelectric conversion element and the imaging apparatus of Example 4 can have the same configuration and structure as the photoelectric conversion element and the imaging apparatus described in Example 3 and Example 2. Is omitted.
実施例5においては、実施例1〜実施例4において説明した光電変換素子を備えた撮像装置のシステム構成を説明する。ここで、本開示の撮像装置のシステム構成の概略を示すシステム構成図を図5に示し、1つの光電変換素子から成る単位画素の回路構成の一例を示す回路図を図6に示す。 In the fifth embodiment, a system configuration of an imaging apparatus including the photoelectric conversion element described in the first to fourth embodiments will be described. Here, a system configuration diagram illustrating an outline of a system configuration of the imaging apparatus according to the present disclosure is illustrated in FIG. 5, and a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration of a unit pixel including one photoelectric conversion element is illustrated in FIG. 6.
撮像装置100は画素アレイ部102及び周辺回路部を備えており、画素アレイ部102及び周辺回路部は基板11上に形成されている。周辺回路部は、例えば、行走査部(垂直駆動部)103、水平選択部104、列走査部(水平駆動部)105、及び、システム制御部106を備えている。
The
画素アレイ部102には、入射光の光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する実施例1〜実施例4の光電変換素子を有する単位画素が、第1の方向、及び、第1の方向とは異なる第2の方向に、2次元マトリクス状に配置されている。
In the
画素アレイ部102には、更に、画素行毎に画素駆動線107が第1の方向(行方向)に沿って設けられており、画素列毎に垂直信号線108が第2の方向(列方向)に沿って設けられている。画素駆動線107は、単位画素から信号を読み出す駆動を行う駆動信号を伝送する。画素駆動線107の一端は、行走査部103の各行に対応した出力端に接続されている。
In the
行走査部103は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成されており、画素アレイ部102の各単位画素を、例えば行単位で駆動する画素駆動部である。行走査部103によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、垂直信号線108の各々を介して水平選択部104に送出される。水平選択部104は、垂直信号線108毎に設けられたアンプや水平選択スイッチ等によって構成されている。列走査部105は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、水平選択部104の各水平選択スイッチを走査しつつ、順次、駆動する。列走査部105による選択走査によって、垂直信号線108の各々を介して伝送された各単位画素の信号が、順次、水平信号線109に出力され、水平信号線109を介して基板11の外部へ出力される。尚、水平選択部104、列走査部105及び水平信号線109から成る回路部分は、基板11上に形成された回路若しくは外部制御ICあるいはその両方を併用して構成される。
The
システム制御部106は、基板11の外部から与えられるクロックや、動作モードを指示するデータ等を受け取り、また、撮像装置100の内部情報等のデータを出力する。システム制御部106は、更に、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有しており、タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号に基づき、行走査部103、水平選択部104及び列走査部105等の周辺回路部の駆動・制御を行う。
The
単位画素110は、実施例1〜実施例4において説明した光電変換素子111、リセットトランジスタ112、読出し用トランジスタ113、及び、行選択用トランジスタ114を有する。単位画素110に対して、画素駆動線107として例えば2本の配線、具体的には行選択線107A及びリセット制御線107Bが画素行毎に設けられている。
The
リセットトランジスタ112、読出し用トランジスタ113及び行選択用トランジスタ114は、例えば、nチャネル型の電界効果トランジスタから構成されている。但し、リセットトランジスタ112、読出し用トランジスタ113及び行選択用トランジスタ114の導電型の組み合わせは一例に過ぎず、これらの組み合わせに限られるものではない。
The
光電変換素子111は、上述したとおり、PINフォトダイオードから構成されており、カソードに相当する半導体層(具体的には、第2半導体層32)に、例えば3ボルト乃至10ボルト程度の基準電位Vxrefが印加されることで、入射光の光量に応じた電荷量の信号電荷を発生する。第1半導体層31は光電変換素子111のアノードに相当し、第1半導体層31は蓄積ノードNDとしても機能する。蓄積ノードNDには容量成分115が存在し、光電変換素子111で発生した信号電荷は蓄積ノードNDに蓄積される。
As described above, the
リセットトランジスタ112は、参照電位Vrefが与えられる端子116と蓄積ノードNDとの間に接続されており、例えば−5ボルト〜5ボルトの振幅のリセット信号Vrstに応答して導通状態となることによって、蓄積ノードNDの電位を参照電位Vrefにリセットする。
The
読出し用トランジスタ113は、ゲート電極21が蓄積ノードND(第1半導体層31)に、一方のソース/ドレイン領域25Aが電源VDDに、それぞれ、接続されており、光電変換素子111で発生した信号電荷をゲート電極21で受け、この信号電荷に応じた信号電圧を出力する。
In the
行選択用トランジスタ114は、読出し用トランジスタ113の他方のソース/ドレイン領域25Bと垂直信号線108との間に接続されており、行走査信号Vreadに応答して導通状態となることによって、読出し用トランジスタ113から出力される信号を垂直信号線108に出力する。この行選択用トランジスタ114に関しては、読出し用トランジスタ113の一方のソース/ドレイン領域25Aと電源VDDとの間に配置する構成を採ることも可能である。
The
垂直信号線108の一端には定電流源120が接続されている。ここで、読出し用トランジスタ113と、行選択用トランジスタ114及び垂直信号線108を介して読出し用トランジスタ113の他方のソース/ドレイン領域25Bに接続された定電流源120とによってソースフォロワ回路が形成されている。このソースフォロワ回路によれば、垂直信号線108に形成される容量が大きな場合でも高速の信号読み出しが可能になるというメリットがある。
A constant
ソースフォロワ型の読出し用トランジスタ113によって読み出された信号は、垂直信号線108を介して画素列毎に、水平選択部104の入力部を構成するアンプ121に入力される。
The signal read by the source follower type read
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した光電変換素子、撮像装置の構成、構造、撮像装置のシステム構成、単位画素の回路構成は例示であり、適宜、変更することができるし、実施例の光電変換素子の製造方法も、適宜、変更することができる。実施例1あるいは実施例3の光電変換素子において、第2半導体層の延在部から第4半導体層を構成し、このような第4半導体層によって第3半導体層の端部を覆ってもよい。 Although the present disclosure has been described based on the preferred embodiments, the present disclosure is not limited to these embodiments. The photoelectric conversion element, the configuration of the imaging device, the structure, the system configuration of the imaging device, and the circuit configuration of the unit pixel described in the embodiments are examples, and can be changed as appropriate. The method for manufacturing the photoelectric conversion device of the embodiment Also, it can be changed as appropriate. In the photoelectric conversion element of Example 1 or Example 3, the fourth semiconductor layer may be configured from the extending portion of the second semiconductor layer, and the end portion of the third semiconductor layer may be covered with such a fourth semiconductor layer. .
画素回路は、図6に示したようなアクティブ型に限定されず、図7に示すように、パッシブ型の画素回路構成を採用することもできる。即ち、単位画素130は、実施例1〜実施例4において説明した光電変換素子111、及び、例えば、nチャネル型の電界効果トランジスタ(TFT)から構成された読出し用トランジスタ133を有する。単位画素130に、信号線DTL、バイアス線BSL及びゲート線GTLが接続されている。光電変換素子111は、上述したとおり、PINフォトダイオードから構成されている。第2半導体層32は光電変換素子111のアノードに相当し、p+アモルファスシリコン層から成り、第1半導体層31は光電変換素子111のカソードに相当し、n+ポリシリコン層又はn+アモルファスシリコン層から成る。第1半導体層31は、読出し用トランジスタ133の一方のソース/ドレイン領域に接続されている。読出し用トランジスタ133の他方のソース/ドレイン領域は信号線DTLに接続されており、読出し用トランジスタ133のゲート電極はゲート線GTLに接続されている。第1半導体層31は蓄積ノードNDとしても機能する。蓄積ノードNDには容量成分が存在し、光電変換素子111で発生した信号電荷は蓄積ノードNDに蓄積される。そして、読出し用トランジスタ133がゲート線GTLからのリセット信号に応答して導通状態となることによって、蓄積ノードNDの電位が、信号線DTLを介してリセットされる。また、アノードに相当する半導体層(具体的には、第2半導体層32)に、バイアス線BSLからバイアス電圧が印加されることで、入射光の光量に応じた電荷量の信号電荷を発生する。そして、読出し用トランジスタ133がゲート線GTLからの読出し信号に応答して導通状態となることによって、信号電荷に応じた信号電圧が信号線DTLに出力される。
The pixel circuit is not limited to the active type as shown in FIG. 6, and a passive type pixel circuit configuration may be adopted as shown in FIG. That is, the
単位画素を駆動する行走査部103を含む周辺回路部を、画素アレイ部102と同じ基板11上に設ける構成を採用する代わりに、周辺回路部を基板11の外部に設ける構成を採用することも可能である。但し、例えば行走査部103を基板11上に設ける構成を採用すれば、基板11の外部に設けた複数の駆動用ICからタイミング制御を行う場合に発生する駆動用IC間の同期バラツキが発生しなくなるため、駆動用IC間の同期制御系やその調整作業が不要になる。また、複数の駆動用ICと基板11とを接続する作業が不要となるため、大幅なコストダウンが可能となる。更には、ハンディタイプの放射線撮像装置とすることができるし、移動時の振動等による故障の可能性が減り、信頼性を大幅に向上させることが可能となる。また、複数の駆動用ICと基板11とをフレキシブルケーブル等によって接続する場合に比べて、撮像装置の小型化が可能となる。
Instead of adopting a configuration in which the peripheral circuit unit including the
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
[A01]《光電変換素子:第1の態様》
基板、
基板上に形成された、第1導電型を有する第1半導体層、
基板及び第1半導体層を覆い、底部に第1半導体層が露出した開口部を有する層間絶縁層、
層間絶縁層上から開口部の底部に露出した第1半導体層上に亙り形成された第3半導体層、及び、
第3半導体層上に形成され、第1導電型と逆の第2導電型を有する第2半導体層、
を備えており、
第3半導体層は、第1導電型と第2導電型の間の導電型を有し、
第2半導体層及び第3半導体層の端部には、順テーパー状の斜面が形成されており、
少なくとも順テーパー状の斜面には、第2導電型を有する第4半導体層が形成されている光電変換素子。
[A02]《光電変換素子:第2の態様》
基板、
基板を覆い、底部に基板が露出した開口部を有する層間絶縁層、
層間絶縁層上から開口部の底部に露出した基板上に亙り形成された第1半導体層、
第1半導体層を覆う第3半導体層、及び、
第3半導体層上に形成され、第1導電型と逆の第2導電型を有する第2半導体層、
を備えており、
第3半導体層は、第1導電型と第2導電型の間の導電型を有し、
第2半導体層及び第3半導体層の端部には、順テーパー状の斜面が形成されており、
少なくとも順テーパー状の斜面には、第2導電型を有する第4半導体層が形成されている光電変換素子。
[A03]《光電変換素子:第1の構成》
第4半導体層は、少なくとも順テーパー状の斜面を覆っている[A01]又は[A02]に記載の光電変換素子。
[A04]《光電変換素子:第2の構成》
第4半導体層は、順テーパー状の斜面を構成する第2半導体層の表層部分及び第3半導体層の表層部分に形成されている[A01]又は[A02]に記載の光電変換素子。
[A05]第1導電型はp型又はn型であり、
第2導電型はn型又はp型であり、
第3半導体層の導電型はi型である[A01]乃至[A04]のいずれか1項に記載の光電変換素子。
[A06]第1半導体層は多結晶シリコンから成り、
第2半導体層及び第3半導体層は多結晶シリコン又は非晶質シリコンから成る[A01]、及び、[A01]を引用する[A03]乃至[A05]のいずれか1項に記載の光電変換素子。
[A07]第1半導体層は非晶質シリコンから成り、
第2半導体層及び第3半導体層は多結晶シリコン又は非晶質シリコンから成る[A02]、及び、[A02]を引用する[A03]乃至[A05]のいずれか1項に記載の光電変換素子。
[B01]《撮像装置》
[A01]乃至[A07]の光電変換素子が、第1の方向、及び、第1の方向とは異なる第2の方向に、2次元マトリクス状に配列されて成る撮像装置。
[B02]光電変換素子の光入射側には、入射するエネルギー線を光電変換素子の感度領域の波長に変換する波長変換体が備えられている[B01]に記載の撮像装置。
In addition, this indication can also take the following structures.
[A01] << Photoelectric conversion element: first embodiment >>
substrate,
A first semiconductor layer having a first conductivity type formed on a substrate;
An interlayer insulating layer that covers the substrate and the first semiconductor layer and has an opening at the bottom where the first semiconductor layer is exposed;
A third semiconductor layer formed over the first semiconductor layer exposed from the interlayer insulating layer to the bottom of the opening; and
A second semiconductor layer formed on the third semiconductor layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
With
The third semiconductor layer has a conductivity type between the first conductivity type and the second conductivity type,
A forward tapered slope is formed at the ends of the second and third semiconductor layers,
A photoelectric conversion element in which a fourth semiconductor layer having a second conductivity type is formed on at least a forward tapered slope.
[A02] << Photoelectric conversion element: second embodiment >>
substrate,
An interlayer insulating layer covering the substrate and having an opening in which the substrate is exposed at the bottom;
A first semiconductor layer formed over the substrate exposed from the interlayer insulating layer to the bottom of the opening;
A third semiconductor layer covering the first semiconductor layer; and
A second semiconductor layer formed on the third semiconductor layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
With
The third semiconductor layer has a conductivity type between the first conductivity type and the second conductivity type,
A forward tapered slope is formed at the ends of the second and third semiconductor layers,
A photoelectric conversion element in which a fourth semiconductor layer having a second conductivity type is formed on at least a forward tapered slope.
[A03] << Photoelectric conversion element: first configuration >>
The fourth semiconductor layer is the photoelectric conversion element according to [A01] or [A02], which covers at least a forward tapered slope.
[A04] << Photoelectric conversion element: Second configuration >>
The fourth semiconductor layer is the photoelectric conversion element according to [A01] or [A02], which is formed on a surface layer portion of the second semiconductor layer and a surface layer portion of the third semiconductor layer constituting a forward tapered slope.
[A05] The first conductivity type is p-type or n-type,
The second conductivity type is n-type or p-type,
The photoelectric conversion element according to any one of [A01] to [A04], wherein the conductivity type of the third semiconductor layer is i-type.
[A06] The first semiconductor layer is made of polycrystalline silicon,
The photoelectric conversion element according to any one of [A01] and [A05], in which the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are made of polycrystalline silicon or amorphous silicon, and [A01] is cited from [A01]. .
[A07] The first semiconductor layer is made of amorphous silicon,
The photoelectric conversion element according to any one of [A02] and [A05], in which the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are made of polycrystalline silicon or amorphous silicon, and [A02] is cited. .
[B01] << Imaging device >>
An imaging device in which the photoelectric conversion elements [A01] to [A07] are arranged in a two-dimensional matrix in a first direction and a second direction different from the first direction.
[B02] The imaging device according to [B01], wherein a wavelength conversion body that converts incident energy rays into wavelengths in a sensitivity region of the photoelectric conversion element is provided on a light incident side of the photoelectric conversion element.
11・・・基板、12,13・・・層間絶縁層、14A,14B,14C・・・配線層、15・・・開口部、16・・・p+ポリシリコン層、21・・・ゲート電極、22・・・ゲート絶縁層、23・・・ポリシリコン層、24・・・チャネル形成領域、25A,25B・・・ソース/ドレイン領域、31・・・第1半導体層、32・・・第2半導体層、33・・・第3半導体層、34・・・第4半導体層、35・・・順テーパー状の斜面、36・・・透明導電材料層、37・・・第4半導体層(イオン注入領域)、38・・・レジスト層、100・・・撮像装置、102・・・画素アレイ部、103・・・行走査部(垂直駆動部)、104・・・水平選択部、105・・・列走査部(水平駆動部)、106・・・システム制御部、107・・・画素駆動線、107A・・・行選択線、107B・・・リセット制御線、108・・・垂直信号線、109・・・水平信号線、110・・・単位画素、111・・・光電変換素子、112・・・リセットトランジスタ、113・・・読出し用トランジスタ、114・・・行選択用トランジスタ、115・・・容量成分、116・・・端子、120・・・定電流源、121・・・アンプ、ND・・・蓄積ノード
DESCRIPTION OF
Claims (9)
基板上に形成された、第1導電型を有する第1半導体層、
基板及び第1半導体層を覆い、底部に第1半導体層が露出した開口部を有する層間絶縁層、
層間絶縁層上から開口部の底部に露出した第1半導体層上に亙り形成された第3半導体層、及び、
第3半導体層上に形成され、第1導電型と逆の第2導電型を有する第2半導体層、
を備えており、
第3半導体層は、第1導電型と第2導電型の間の導電型を有し、
第2半導体層及び第3半導体層の端部には、順テーパー状の斜面が形成されており、
少なくとも順テーパー状の斜面には、第2導電型を有する第4半導体層が形成されている光電変換素子。 substrate,
A first semiconductor layer having a first conductivity type formed on a substrate;
An interlayer insulating layer that covers the substrate and the first semiconductor layer and has an opening at the bottom where the first semiconductor layer is exposed;
A third semiconductor layer formed over the first semiconductor layer exposed from the interlayer insulating layer to the bottom of the opening; and
A second semiconductor layer formed on the third semiconductor layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
With
The third semiconductor layer has a conductivity type between the first conductivity type and the second conductivity type,
A forward tapered slope is formed at the ends of the second and third semiconductor layers,
A photoelectric conversion element in which a fourth semiconductor layer having a second conductivity type is formed on at least a forward tapered slope.
基板を覆い、底部に基板が露出した開口部を有する層間絶縁層、
層間絶縁層上から開口部の底部に露出した基板上に亙り形成された第1半導体層、
第1半導体層を覆う第3半導体層、及び、
第3半導体層上に形成され、第1導電型と逆の第2導電型を有する第2半導体層、
を備えており、
第3半導体層は、第1導電型と第2導電型の間の導電型を有し、
第2半導体層及び第3半導体層の端部には、順テーパー状の斜面が形成されており、
少なくとも順テーパー状の斜面には、第2導電型を有する第4半導体層が形成されている光電変換素子。 substrate,
An interlayer insulating layer covering the substrate and having an opening in which the substrate is exposed at the bottom;
A first semiconductor layer formed over the substrate exposed from the interlayer insulating layer to the bottom of the opening;
A third semiconductor layer covering the first semiconductor layer; and
A second semiconductor layer formed on the third semiconductor layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
With
The third semiconductor layer has a conductivity type between the first conductivity type and the second conductivity type,
A forward tapered slope is formed at the ends of the second and third semiconductor layers,
A photoelectric conversion element in which a fourth semiconductor layer having a second conductivity type is formed on at least a forward tapered slope.
第2導電型はn型又はp型であり、
第3半導体層の導電型はi型である請求項1又は請求項2に記載の光電変換素子。 The first conductivity type is p-type or n-type,
The second conductivity type is n-type or p-type,
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the conductivity type of the third semiconductor layer is i-type.
第2半導体層及び第3半導体層は多結晶シリコン又は非晶質シリコンから成る請求項1に記載の光電変換素子。 The first semiconductor layer is made of polycrystalline silicon,
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are made of polycrystalline silicon or amorphous silicon.
第2半導体層及び第3半導体層は多結晶シリコン又は非晶質シリコンから成る請求項2に記載の光電変換素子。 The first semiconductor layer is made of amorphous silicon,
The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are made of polycrystalline silicon or amorphous silicon.
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