KR101834927B1 - 엑스선 영상감지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다수의 화소를 포함하는 엑스선 영상감지장치에 있어서, 상기 다수의 화소 각각은, 엑스선을 감지하여 전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드의 양단에 각각 연결되는 전원단말 및 화소단말; 및 상기 포토다이오드와 감지단말 사이에 연결되고, 채널 및 게이트를 포함하고, 상기 포토다이오드의 상기 전하를 상기 채널에 저장하는 커패시터를 포함하는 엑스선 영상감지장치를 제공한다.

Description

엑스선 영상감지장치 {X-Ray Image Sensing Device}
본 발명은 엑스선 영상감지장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다수의 화소 각각에 포토다이오드 및 커패시터가 형성된 엑스선 영상감지장치에 관한 것이다.
엑스선 영상감지장치는 피사체를 통과한 엑스선을 감지하여 영상을 검출하는 장치로서, 의료용이나 산업용으로 널리 사용되고 있다.
구체적으로, 엑스선 영상감지장치는 피사체를 통과하는 엑스선의 영역별 투과량에 따라 서로 다른 전기신호를 출력함으로써 피사체의 내부 영상을 재구성 할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소에 대한 등가회로도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소는 포토다이오드(BPD), 트랜지스터(NMT), 커패시터(GC)를 포함한다.
포토다이오드(BPD)는 전원단말(VEE) 및 화소단말(VPIX1) 사이에 연결되며, 입사된 엑스선의 광량에 비례하는 홀(hole)과 전자(electron)의 전하(charge)를 생성한다.
구체적으로, 포토다이오드(BPD)의 양극 및 음극은 각각 전원단말(VEE) 및 화소단말(VPIX1)에 연결된다.
트랜지스터(NMT)는 포토다이오드(BPD), 커패시터(GC) 및 감지단말(SENS) 사이에 연결되며, 포토다이오드(BPD)에서 생성된 전하를 커패시터(GC)에 전달한다.
구체적으로, 트랜지스터(NMT)의 게이트는 감지단말(SENS)에 연결되고, 드레인은 화소단말(VPIX1) 및 포토다이오드(BPD)의 음극에 연결되고, 소스는 커패시터(GC)의 일 전극에 연결된다.
커패시터(GC)는 트랜지스터(NMT) 및 전원단말(VEE) 사이에 연결되며, 트랜지스터(NMT)를 통하여 전달받은 전하를 저장한다.
구체적으로, 커패시터(GC)의 일 전극은 트랜지스터(NMT)의 소스에 연결되고, 타 전극은 전원단말(VEE)에 연결된다.
이러한 종래의 엑스선 영상감지장치의 단면 구성을 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 종래의 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 엑스선 영상감지장치용 기판(wafer)의 하나의 화소에는 포토다이오드(BPD), 트랜지스터(NMT), 커패시터(GC)가 형성된다.
포토다이오드(BPD)는 하부의 N영역(PDN)과 상부의 P영역(PDP)을 포함하고, 트랜지스터(NMT)는 하부의 액티브, 액티브 양단 상부의 소스 및 드레인, 소스 및 드레인 상부의 절연층, 절연층 상부의 게이트(GATE)를 포함하고, 커패시터(GC)는 하부의 채널, 채널 상부의 절연층, 절연층 상부의 게이트(GATE)를 포함한다.
트랜지스터(NMT)의 드레인은 도핑영역(NSD)에 연결되고, 도핑영역(NSD)은 도전배선(M1)을 통하여 커패시터(GC)의 게이트(GATE)에 연결된다.
여기서, 포토다이오드(BPD)에서 생성된 전하는 트랜지스터(NMT)와 도전배선(M1)을 통하여 커패시터(GC)의 게이트(GATE)에 저장된다.
이러한 종래의 엑스선 영상감지장치는 다음과 같은 단점을 갖는다.
먼저, 포토다이오드(BPD)의 전하를 커패시터(GC)에 전달하기 위해서는 포토다이오드(BPD)와 커패시터(GC)를 연결하는 추가적인 도전배선(M1)을 형성하여야 하는데, 이러한 도전배선(M1)의 형성은 수율(yield) 및 충전율(fill-factor) 저하의 원인이 된다.
그리고, 커패시터(GC)의 게이트(GATE)가 외부로 노출되어 있으므로, 일 화소에서 생성되어 커패시터(GC)의 게이트(GATE)에 저장된 전하가 인접 화소에 조사되는 엑스선에 의하여 영향을 받게 되어 크로스 토크(cross-talk)가 발생한다.
또한, 포토다이오드(BPD)가 커패시터(GC)가 절연층을 통한 도전배선(M1)으로 연결되므로, 포토다이오드(BPD)와 커패시터(GC) 사이에 누설전류(leakage current)가 발생할 확률이 높다.
그리고, 포토다이오드(BPD)의 일단과 커패시터(GC)의 일단이 도전배선(M1)을 통하여 연결되므로, 리셋잡음(kTC noise)이 상대적으로 높고 열잡음 전류(thermal noise current)가 존재한다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다수의 화소 각각에 포토다이오드 및 커패시터가 형성된 엑스선 영상감지장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다수의 화소를 포함하는 엑스선 영상감지장치에 있어서, 상기 다수의 화소 각각은, 엑스선을 감지하여 전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드의 양단에 각각 연결되는 전원단말 및 화소단말; 및 상기 포토다이오드와 감지단말 사이에 연결되고, 채널 및 게이트를 포함하고, 상기 포토다이오드의 상기 전하를 상기 채널에 저장하는 커패시터를 포함하는 엑스선 영상감지장치를 제공한다.
여기서, 상기 커패시터의 상기 채널은 다수의 함몰부를 포함하고, 상기 커패시터의 상기 게이트는 수평부와 상기 수평부로부터 하부로 돌출되는 다수의 돌출부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 엑스선 영상감지장치의 각 화소에 포토다이오드와 채널이 직접 접촉하는 커패시터를 형성함으로써, 포토다이오드 및 커패시터의 연결을 위한 별도의 도전배선을 생략하여 수율(yield) 및 충전율(fill-factor)을 개선할 수 있으며, 누설전류(leakage current) 발생 확률을 저감할 수 있다.
그리고, 커패시터의 채널이 게이트에 의하여 차폐되므로, 크로스 토크(cross-talk)를 방지할 수 있다.
또한, 포토다이오드가 커패시터를 둘러싸면서 커패시터에 연결되므로, 리셋잡음(kTC noise) 및 열잡음 전류(thermal noise current)를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소에 대한 등가회로도.
도 2는 종래의 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 등가회로도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 평면도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 단면도.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 잡음전류를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 등가회로도.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 단면도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 본 명세서의 도면은 설명의 편의를 위하여 축척을 무시하고 다소 과장되게 도시 되었음을 미리 밝혀둔다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 등가회로도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소는 포토다이오드(BPD) 및 P형 커패시터(PCC)를 포함한다.
포토다이오드(BPD)는 전원단말(VEE) 및 화소단말(VPIX1) 사이에 연결되며, 입사된 엑스선의 광량에 비례하는 홀(hole)과 전자(electron)의 전하(charge)를 생성한다.
구체적으로, 포토다이오드(BPD)의 양극 및 음극은 각각 전원단말(VEE) 및 화소단말(VPIX1)에 연결된다.
P형 커패시터(PCC)는 포토다이오드(BPD), 화소단말(VPIX1) 및 감지단말(SENS) 사이에 연결되며, 포토다이오드(BPD)에서 생성된 전하를 전달받아 저장한다.
구체적으로, P형 커패시터(PCC)의 일 전극은 감지단말(SENS)에 연결되고, 타 전극은 포토다이오드(BPD)의 음극 및 화소단말(VPIX1)에 연결된다.
이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 평면 및 단면 구성을 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 단면도로서 도 4의 절단선 V-V에 따라 절단한 단면에 대응된다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 엑스선 영상감지장치용 기판(wafer)의 하나의 화소에는 포토다이오드(BPD) 및 P형 커패시터(PCC)가 형성된다.
포토다이오드(BPD)는 일 화소의 중앙부에 배치되고, P형 커패시터(PCC)는 포토다이오드(BPD) 내부의 일측에 배치될 수 있다. 즉, P형 커패시터(PCC)는 포토다이오드(BPD)에 의하여 둘러싸인 구조이다.
포토다이오드(BPD)는 하부의 N영역(PDN)과 상부의 P영역(PDP)을 포함하고, P형 커패시터(PCC)는 하부의 채널, 채널상부의 절연층, 절연층 상부의 게이트(GT)를 포함한다.
P형 커패시터(PCC)의 채널은 문턱전압(threshold voltage)를 조절하기 위하여 도핑되어 있으며, 포토다이오드(BPD)에 의하여 둘러싸여 포토다이오드(BPD)의 P영역(PDP)과 접촉한다.
그리고, P형 커패시터(PCC)의 게이트(GT)는 다결정실리콘(polycrystalline silicon)으로 이루어질 수 있으며 감지단자(SENS)의 신호를 인가 받는다.
여기서, 포토다이오드(BPD)에서 생성된 전하는 P형 커패시터(PCC)의 채널에 저장되며, P형 커패시터(PCC)는 단면으로 볼 때 포토다이오드(BPD)의 P영역(PDP)을 소스 및 드레인으로 사용하고 채널을 액티브로 사용하는 트랜지스터와 유사한 구조를 갖는다.
이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치는 다음과 같은 장점을 갖는다.
먼저, 포토다이오드(BPD)의 음극(예를 들어, P영역(PDP))이 직접 P형 커패시터(PCC)의 채널과 접촉하므로, 별도의 도전배선 없이 포토다이오드(BPD)와 P형 커패시터(PCC)를 연결할 수 있으며, 그 결과 수율(yield) 및 충전율(fill-factor)이 개선된다.
그리고, P형 커패시터(PCC)의 채널이 다결정실리콘의 게이트(GT)에 의하여 차폐되므로, 일 화소에서 생성되어 P형 커패시터(PCC)의 채널에 저장된 전하가 인접 화소에 조사되는 엑스선에 의하여 영향을 받지 않으며, 그 결과 크로스 토크(cross-talk)가 방지된다.
또한, 포토다이오드(BPD)가 직접 P형 커패시터(PCC)에 연결되므로, 포토다이오드(BPD)와 P형 커패시터(PCC) 사이에 누설전류(leakage current)가 발생할 확률이 낮다.
그리고, 포토다이오드(BPD)가 P형 커패시터(PCC)를 둘러싸면서 P형 커패시터(PCC)에 연결되므로, 리셋잡음(kTC noise)이 상대적으로 낮고 열잡음 전류(thermal noise current)가 최소화된다.
이러한 잡음전류에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 잡음전류를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 포토다이오드(BPD)가 P형 커패시터(PCC)를 둘러싸면서 포토다이오드(BPD)의 음극이 P형 커패시터(PCC)의 채널과 연결되는 구조이므로, P형 커패시터(PCC)의 채널의 일단에 양의 잡음전류(Ich)가 발생할 경우에도 P형 커패시터(PCC)의 채널의 타단에서 동일한 크기의 음의 잡음전류(-Ich)가 발생하여 전체 잡음전류는 상쇄된다.
따라서, 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치는 잡음전류가 자동적으로 상쇄되는 구조를 갖는다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 등가회로도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 엑스선 영상감지장치는 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 영상감지장치에서 P형 커패시터(PCC) 대신 N형 커패시터(NCC)를 사용하는 구조로서, 본 발명의 제2실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소는 포토다이오드(BPD) 및 N형 커패시터(NCC)를 포함한다.
포토다이오드(BPD)는 전원단말(VEE) 및 화소단말(VPIX1) 사이에 연결되며, 입사된 엑스선의 광량에 비례하는 홀(hole)과 전자(electron)의 전하(charge)를 생성한다.
구체적으로, 포토다이오드(BPD)의 양극 및 음극은 각각 전원단말(VEE) 및 화소단말(VPIX1)에 연결된다.
N형 커패시터(NCC)는 포토다이오드(BPD), 화소단말(VPIX1) 및 감지단말(SENS) 사이에 연결되며, 포토다이오드(BPD)에서 생성된 전하를 전달받아 저장한다.
구체적으로, N형 커패시터(NCC)의 일 전극은 감지단말(SENS)에 연결되고, 타 전극은 포토다이오드(BPD)의 음극 및 화소단말(VPIX1)에 연결된다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 엑스선 영상감지장치의 하나의 화소의 단면도이다.
본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 엑스선 영상감지장치에서는 P형 및 N형 커패시터(PCC, NCC)의 채널이 평탄한 상면을 가지고, 게이트(GT)가 평탄한 저면을 가지고, 절연층이 평탄한 층으로 형성되는 반면, 본 발명의 제3실시예에 따른 엑스선 영상감지장치에서는, 도 8에 도시한 바와 같이, P형 커패시터(PCC)의 채널에는 다수의 함몰부(trench)가 형성되고, 게이트(GT)는 수평부와 수평부로부터 하부로 돌출되는 다수의 돌출부로 이루어진다.
여기서, P형 커패시터(PCC)의 채널의 다수의 함몰부와 P형 커패시터(PCC)의 게이트(GT)의 다수의 돌출부는 일대일 대응되어 서로 끼워지는 형태로 형성되고, 절연층은 다수의 함몰부와 다수의 돌출부 사이에 균일한 두께로 형성된다.
이와 같이 P형 커패시터(PCC)를 형성함으로써, 동일한 면적에 더 큰 용량(capacitance)의 P형 커패시터(PCC)를 형성하거나, 특정 용량의 P형 커패시터(PCC)를 더 작은 면적에 형성할 있으며, 그 결과 수율(yield) 및 충전율(fill-factor)이 더 개선된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 한하여 설명하였으나, 이 밖에도 당업자에 의해 다양하게 수정 내지 변형되어 실시될 수 있는 것이며, 그러한 실시내용도 후술하는 특허청구범위에 기술된 본 발명의 기술적 사상을 포함하는 것이라면 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.
BPD: 포토다이오드 PCC: P형 커패시터
VEE: 전원단말 VPIX1: 화소단말
SENS: 감지단말

Claims (5)

  1. 다수의 화소를 포함하는 엑스선 영상감지장치에 있어서,
    상기 화소는,
    엑스선을 감지하여 전하를 생성하는 포토다이오드;
    상기 포토다이오드의 제1 및 제2단자에 각각 연결되는 전원단말 및 화소단말;
    상기 포토다이오드의 상기 제2단자에 연결되는 제1전극과, 감지단말에 연결되는 제2전극과, 상기 포토다이오드의 상기 제2단자에 접촉되는 채널을 포함하는 커패시터
    를 포함하고,
    상기 포토다이오드의 상기 전하는 상기 커패시터의 상기 채널에 저장되는 엑스선 영상감지장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터는,
    상기 감지단말과 연결되고 상기 채널을 차폐하는 게이트;
    상기 게이트와 상기 채널 사이에 개재되는 절연층
    을 더 포함하는 엑스선 영상감지장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 게이트는 다결정실리콘인 엑스선 영상감지장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 포토다이오드의 내부에 배치되어 상기 포토다이오드에 의해 둘러싸인 구조인 엑스선 영상감지장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널은 다수의 함몰부를 포함하고, 상기 게이트는 수평부 및 상기 수평부로부터 하부로 돌출되어 상기 함몰부에 삽입되는 다수의 돌출부를 포함하는 엑스선 영상감지장치.
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