TWI643323B - Radiation camera and radiographic display system - Google Patents

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TWI643323B TW103120375A TW103120375A TWI643323B TW I643323 B TWI643323 B TW I643323B TW 103120375 A TW103120375 A TW 103120375A TW 103120375 A TW103120375 A TW 103120375A TW I643323 B TWI643323 B TW I643323B
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Abstract

本發明之放射線攝像裝置包含：複數個像素，其等產生基於放射線之信號電荷；及場效型之電晶體，其用以自複數個像素讀出信號電荷；且電晶體包含：自基板側依序積層之第1矽氧化物膜、包含活性層之半導體層及第2矽氧化物膜；及第1閘極電極，其係隔著第1或第2氧化矽膜而與半導體層對向配置。第2矽氧化物膜之厚度大於等於第1矽氧化物膜之厚度。

Description

放射線攝像裝置及放射線攝像顯示系統
本揭示係關於一種基於例如放射線獲取圖像之放射線攝像裝置、及具備此種放射線攝像裝置之放射線攝像顯示系統。
有人提出一種獲取基於例如X射線等放射線之圖像信號之放射線攝像裝置(例如專利文獻1、2)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2008-252074號公報
[專利文獻2]日本特開2004-265935號公報
於上述放射線攝像裝置中，作為用以自各像素讀出基於放射線之信號電荷之開關元件，使用薄膜電晶體(TFT：Thin Film Transistor)。於該TFT中，期望實現對放射線具有高可靠性之元件構造。
因此，較理想為提供一種可實現具有高可靠性之元件構造之放射線攝像裝置、及具備此種放射線攝像裝置之放射線攝像顯示系統。
本揭示之一實施形態之放射線攝像裝置包含：複數個像素，其等產生基於放射線之信號電荷；及場效型之電晶體，其用以自複數個像素讀出信號電荷；且電晶體包含：自基板側依序積層之第1矽氧化物膜、包含活性層之半導體層及第2矽氧化物膜；及第1閘極電極，其 係隔著第1或第2氧化矽膜而與半導體層對向配置。第2矽氧化物膜之厚度大於等於第1矽氧化物膜之厚度。
本揭示之一實施形態之放射線攝像顯示系統係包含如下構件者：上述本揭示之放射線攝像裝置；及顯示裝置，其係進行基於藉由該放射線攝像裝置獲得之攝像信號之圖像顯示。
於本揭示之一實施形態之放射線攝像裝置及放射線攝像顯示系統中，用以自各像素讀出信號電荷之電晶體包含：自基板側依序積層之第1矽氧化物膜、半導體層及第2矽氧化物膜；及第1閘極電極，其係隔著第1或第2氧化矽膜而與半導體層對向配置。此處，藉由使第2矽氧化物膜之厚度大於等於第1矽氧化物膜之厚度，於製造過程中，可抑制半導體層之第2矽氧化物膜側之界面劣化，使電晶體特性較為良好。
根據本揭示之一實施形態之放射線攝像裝置及放射線攝像顯示系統，用以自各像素讀出基於放射線之信號電荷之電晶體包含：自基板側依序積層之第1矽氧化物膜、半導體層及第2矽氧化物膜；及第1閘極電極，其係隔著第1或第2氧化矽膜而與半導體層對向配置。此處，由於使第2矽氧化物膜之厚度大於等於第1矽氧化物膜之厚度，故電晶體特性較為良好。因此，可實現具有高可靠性之元件構造。
1‧‧‧放射線攝像裝置
4‧‧‧顯示裝置
5‧‧‧放射線攝像顯示系統
11‧‧‧像素部
13‧‧‧列掃描部
14‧‧‧A/D轉換部
15‧‧‧行掃描部
16‧‧‧系統控制部
17‧‧‧行選擇部
20‧‧‧像素
20A‧‧‧像素
20B‧‧‧像素
20C‧‧‧像素
20D‧‧‧像素
21‧‧‧光電轉換元件
22‧‧‧電晶體
23‧‧‧電晶體
24‧‧‧電晶體
40‧‧‧監控畫面
50‧‧‧被攝體
51‧‧‧放射線源
52‧‧‧圖像處理部
110‧‧‧基板
111A‧‧‧光電轉換層
111B‧‧‧直接轉換層
112‧‧‧波長轉換層
120A‧‧‧第1閘極電極
120B‧‧‧第2閘極電極
126‧‧‧半導體層
126a‧‧‧通道層(活性層)
126b‧‧‧LDD層
126c‧‧‧N+層
1260‧‧‧多晶矽層
128‧‧‧源極/汲極電極
129‧‧‧第1閘極絕緣膜
129A‧‧‧氮化矽膜
129B‧‧‧氧化矽膜
130A‧‧‧氧化矽膜
130B‧‧‧氮化矽膜
130C‧‧‧氧化矽膜
130a1‧‧‧擋止膜
130a2‧‧‧氧化矽膜
131‧‧‧層間絕緣膜
131A‧‧‧氧化矽膜
131B‧‧‧氮化矽膜
131C‧‧‧氧化矽膜
132‧‧‧層間絕緣膜
132A‧‧‧氮化矽膜
132B‧‧‧氧化矽膜
133‧‧‧層間絕緣膜
133A‧‧‧氧化矽膜
133B‧‧‧氮化矽膜
133C‧‧‧氧化矽膜
134‧‧‧第2閘極絕緣膜
134A‧‧‧氧化矽膜
134B‧‧‧氮化矽膜
171‧‧‧電荷放大器電路
171A‧‧‧電荷放大器電路
172‧‧‧電荷放大器
173‧‧‧取樣保持電路
174‧‧‧多工器電路(選擇電路)
175‧‧‧A/D轉換器
176‧‧‧放大器
177‧‧‧恆定電流源
A‧‧‧平坦部
C1‧‧‧電容元件
D1‧‧‧圖像資料
Dout‧‧‧輸出資料
H‧‧‧方向
H1‧‧‧接觸孔
Id‧‧‧電流
Lcarst‧‧‧放大器重設控制線
Lread‧‧‧讀出控制線
Lrst‧‧‧重設控制線
Lsig‧‧‧信號線
N‧‧‧累積節點
Rrad‧‧‧放射線
SW1‧‧‧開關
SW2‧‧‧開關
t‧‧‧厚度
V‧‧‧方向
Vca‧‧‧輸出電壓
VDD‧‧‧電源
Vg‧‧‧閘極電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vrst‧‧‧重設電壓
VSS‧‧‧電源
X‧‧‧突起
ΔVth‧‧‧移位量
圖1係表示本揭示之一實施形態之放射線攝像裝置之整體構成之方塊圖。
圖2A係表示間接轉換型之情形時之像素部之概略構成之模式圖。
圖2B係表示直接轉換型之情形時之像素部之概略構成之模式圖。
圖3係表示圖1所示之像素等之詳細構成例之電路圖。
圖4係表示圖2所示之電晶體之構成之剖面圖。
圖5A係用以對氧化矽膜之膜厚進行說明之TEM(Transmission Electron Microscope：穿透式電子顯微鏡)照片(相當於圖12所示之構造)。
圖5B係示意性表示圖5A之一部分之剖面圖。
圖6係表示圖1所示之行選擇部之詳細構成例之方塊圖。
圖7A係用以說明由X射線造成之對電晶體之電流電壓特性之影響之特性圖。
圖7B係用以說明包含半導體層之形成步驟之製造過程之剖面圖。
圖7C係表示緊接圖7B之步驟之剖面圖。
圖7D係表示緊接圖7C之步驟之剖面圖。
圖7E係表示緊接圖7D之步驟之剖面圖。
圖7F係表示氧化矽膜之膜厚之合計與閾值電壓移位之關係之特性圖。
圖8係表示變化例1之電晶體之構成之剖面圖。
圖9A係表示實施例1之電晶體之X射線照射前後之電流電壓特性之圖。
圖9B係表示實施例2之電晶體之X射線照射前後之電流電壓特性之圖。
圖10係表示實施例1、2之各情形時之閾值電壓之移位量之特性圖。
圖11係表示變化例2之電晶體之構成之剖面圖。
圖12係表示變化例3-1之電晶體之構成之剖面圖。
圖13係表示變化例3-2之電晶體之構成之剖面圖。
圖14係表示變化例4之像素等之構成之電路圖。
圖15係表示變化例5之像素等之構成之電路圖。
圖16係表示變化例6-1之像素等之構成之電路圖。
圖17係表示變化例6-2之像素等之構成之電路圖。
圖18係表示應用例之攝像顯示系統之概略構成之模式圖。
以下，對本揭示之實施形態，參照圖式進行詳細說明。另，說明係按以下之順序進行。
1.實施形態(包含將鄰接於半導體層之上側之矽氧化物膜之厚度設為 大於鄰接於下側之矽氧化物膜之頂閘極型TFT之放射線攝像裝置之例)
2.變化例1(頂閘極型電晶體之其他例)
3.變化例2(底閘極型電晶體之例)
4.變化例3-1(雙閘極型電晶體之例)
5.變化例3-2(雙閘極型電晶體之其他例)
6.變化例4(被動型之其他像素電路之例)
7.變化例5(被動型之其他像素電路之例)
8.變化例6-1、6-2(主動型之像素電路之例)
9.應用例(放射線攝像顯示系統之例)
<實施形態> [構成]
圖1係表示本揭示之一實施形態之放射線攝像裝置(放射線攝像裝置1)之整體之區塊構成者。放射線攝像裝置1係基於例如入射之放射線Rrad(例如α射線、β射線、γ射線、X射線等)讀取被攝體之資訊(攝像被攝體)者。該放射線攝像裝置1具備像素部11，且作為該像素部11之驅動電路，具備列掃描部13、A/D轉換部14、行掃描部15及系統控制部16。
(像素部11)
像素部11係具備基於放射線產生信號電荷之複數個像素(攝像像素、單位像素)20者。複數個像素20係2維配置成列行狀(矩陣狀)。另，如圖1中所示，以下，將像素部11內之水平方向(列方向)設為「H」方向，將垂直方向(行方向)設為「V」方向進行說明。放射線攝像裝置1若為使用後述之電晶體22作為用以讀出來自該像素部11之信號電荷之開關元件者，則可為所謂之間接轉換型及直接轉換型之任一類型。分別於圖2A中顯示間接轉換型之情形時之像素部11之構成，於圖2B中顯示直接轉換型之情形時之像素部11之構成。
於間接轉換型(圖2A)之情形時，像素部11係於光電轉換層111A上(受光面側)具有波長轉換層112。波長轉換層112係將放射線Rrad轉換成光電轉換層111之感度域之波長(例如可視光)者。該波長轉換層112包含將例如X射線轉換成可視光之螢光體(例如CsI(添加Tl)、Gd2O2S、BaFX(X為Cl、Br、I等)、NaI或CaF2等之閃爍器)。此種波長轉換層112係於光電轉換層111A上介隔包含例如有機材料或旋塗玻璃材料等之平坦化膜而形成。光電轉換層111A係包含光電二極體等之光電轉換元件(後述之光電轉換元件21)而構成。
於直接轉換型(圖2B)之情形時，像素部11具有吸收入射之放射線Rrad產生電性信號(電洞及電子)之轉換層(直接轉換層111B)。直接轉換層111B係藉由例如非晶硒(a-Se)半導體、或碲化鎘(CdTe)半導體等構成。
如此，放射線攝像裝置1可為間接轉換型及直接轉換型之任一類型，於以下實施形態等中，主要舉出間接轉換型之情形為例進行說明。即，於像素部11中，細節將予以後述，將放射線Rrad於波長轉換層112中轉換成可視光之後，將該可視光於光電轉換層111A(光電轉換元件21)中轉換成電性信號，且作為信號電荷讀出。
圖3係與A/D轉換部14內之後述之電荷放大器電路171之電路構成 一併例示像素20之電路構成(所謂之被動型之電路構成)者。於該被動型之像素20，設置有1個光電轉換元件21、與1個電晶體22。於該像素20，又連接有沿著H方向延伸之讀出控制線Lread、與沿著V方向延伸之信號線Lsig。
光電轉換元件21包含例如PIN(Positive Intrinsic Negative：正本征負)型之光電二極體或MIS(Metal-Insulator-Semiconductor：金屬絕緣半導體)型感測器，如上所述，產生與入射光量相應之電荷量之信號電荷。另，此處該光電轉換元件21之陰極係連接於累積節點N。
電晶體22係藉由根據自讀出控制線Lread供給之列掃描信號成為接通狀態，而將藉由光電轉換元件21獲得之信號電荷(輸入電壓Vin)輸出於信號線Lsig之電晶體(讀出用電晶體)。此處該電晶體22係由N通道型(N型)之場效電晶體(FET；Field Effect Transistor)構成。但，電晶體22亦可由P通道型(P型)之FET等構成。
圖4係表示電晶體22之剖面構造者。於本實施形態中，電晶體22具有所謂之頂閘極型之薄膜電晶體之元件構造。電晶體22係例如於基板110上，依序具有第1閘極絕緣膜129(第1個閘極絕緣膜)、半導體層126、第2閘極絕緣膜130(第2個閘極絕緣膜)、第1閘極電極120A。於第1閘極電極120A上，形成有層間絕緣膜131，形成有貫通該層間絕緣膜131與第2閘極絕緣膜130之接觸孔H1。於層間絕緣膜131上，以嵌入接觸孔H1之方式設置有源極/汲極電極128。
半導體層126包含例如通道層(活性層)126a、LDD(Lightly Doped Drain：輕摻雜汲極)層126b及N+層126c，係由例如非晶質矽(非晶矽)、微結晶矽或多結晶矽(多晶矽)等之矽系半導體、較佳為低溫多結晶矽(LTPS：Low Temperature Poly-silicon)構成。或，亦可由氧化銦鎵鋅(InGaZnO)或氧化鋅(ZnO)等之氧化物半導體構成。LDD層126b係以降低洩漏電流之目的形成於通道層126a與N+層126c之間。
源極/汲極電極128係作為源極或汲極發揮功能，係由例如鈦(Ti)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鎢(W)及鉻(Cr)等中之任一者形成之單層膜、或包含其等中之2種以上之積層膜。
第1閘極電極120A係由例如鉬、鈦、鋁、鎢及鉻等中之任一者形成之單層膜、或包含其等中之2種以上之積層膜。該第1閘極電極120A係隔著第2閘極絕緣膜130而與半導體層126(詳細而言為通道層126a)對向設置(半導體層126中與第1閘極電極120A對向之區域成為通道層126a)。
(閘極絕緣膜之構成)
第1閘極絕緣膜129及第2閘極絕緣膜130係分別包含例如氧化矽(SiOx)或氮氧化矽(SiON)等之矽氧化物膜(包含氧之矽化合物膜)而構成。具體而言，第1閘極絕緣膜129及第2閘極絕緣膜130分別為包含例如氧化矽或氮氧化矽等之單層膜，或為包含此種矽氧化物膜與氮化矽(SiNx)膜等之矽氮化物膜之積層膜。於該等第1閘極絕緣膜129及第2閘極絕緣膜130之任一者中，上述矽氧化物膜係設置於半導體層126側(鄰接於半導體層126)。於半導體層126包含例如低溫多結晶矽之情形時，根據製造過程上之理由，鄰接於半導體層126，形成矽氧化物膜。
較理想為第1閘極絕緣膜129及第2閘極絕緣膜130分別為包含上述矽氧化物膜及矽氮化物膜之積層膜。此處，第1閘極絕緣膜129及第2閘極絕緣膜130分別為積層膜。具體而言，第1閘極絕緣膜129係自基板110側依序積層有例如氮化矽膜129A及氧化矽膜129B者。第2閘極絕緣膜130係自半導體層126側依序積層有例如氧化矽膜130A、氮化矽膜130B及氧化矽膜130C者。另，本實施形態之氧化矽膜129B相當於本揭示之「第1矽氧化物膜」之一具體例，氧化矽膜130A相當於本揭示之「第2矽氧化物膜」之一具體例。
於本實施形態中，鄰接於半導體層126之上側(上表面)之第2閘極絕緣膜130之氧化矽膜130A之厚度，大於等於鄰接於半導體層126之下側(下表面)之第1閘極絕緣膜129之氧化矽膜129B成為同等或其以上。又，較理想為該等氧化矽膜129B及氧化矽膜130A之厚度之總和為例如65nm以下。其理由在於，可減輕電晶體22之閾值電壓向負側之移位而抑制特性劣化。
舉出第1閘極絕緣膜129及第2閘極絕緣膜130之各厚度之一例，例如於第1閘極絕緣膜129中，氮化矽膜129A之厚度為例如30nm~120nm，氧化矽膜129B之厚度為例如5nm~60nm。於第2閘極絕緣膜130中，氧化矽膜130A之厚度為例如5nm~60nm，氮化矽膜130B之厚度為例如10nm~120nm，氧化矽膜130C之厚度為例如5nm~60nm。於該等膜厚範圍中，氧化矽膜129B、130A之各厚度係以滿足上述大小關係之方式設定，較理想為以總厚度成為65nm以下之方式設定。
此處，半導體層126及第1閘極電極120A間之靜電電容(閘極電容)係根據構成第2閘極絕緣膜130之各膜之介電常數及厚度等而決定。另一方面，如上所述，於半導體層126，雖根據製造過程上之理由使氧化矽膜129B、130A鄰接，但以電晶體特性之觀點(細節將予以後述)而言，較理想為該等氧化矽膜129B、130A之厚度之總和相對較薄(為例如65nm以下)。因此，於第2閘極絕緣膜130中，於上述積層構造中，藉由主要調整氮化矽膜130B之厚度，可設定閘極電容。
氮化矽膜130B之厚度較理想為大於氧化矽膜130A之厚度，為例如10nm以上。藉此，可一面將氧化矽膜129A及氧化矽膜130B之厚度之總和保持為例如65nm以下，一面容易形成期望之閘極電容。
另，較理想為上述第2閘極絕緣膜130之各膜(尤其是氧化矽膜130A)之厚度係於例如以下所述之特定之部位測定。即，如圖5A所 示，於電晶體22之積層構造中，於包含例如多結晶矽之半導體層126(通道層126a)之表面，容易產生微小之突起X。其結果，於較半導體層126更上層之各膜、尤其是氧化矽膜130A中，難以於突起X附近獲得良好之覆蓋率(容易局部性變薄)。因此，如圖5B中示意性所示，作為第2閘極絕緣膜130之至少氧化矽膜130A之厚度，較理想為使用突起X間之平坦部A之厚度(t)。
層間絕緣膜131係由例如氧化矽、氮氧化矽及氮化矽中之任一者形成之單層膜、或包含其等中之2種以上之積層膜。例如，層間絕緣膜131係自第1閘極電極120A之側依序積層有氧化矽膜131A、氮化矽膜131B及氧化矽膜131C者。另，亦可覆蓋該層間絕緣膜131及源極/汲極電極128進而形成其他層間絕緣膜。
(列掃描部13)
列掃描部13係包含後述之移位暫存器電路或特定之邏輯電路等而構成，係相對於像素部11內之複數個像素20進行列單位(水平線單位)之驅動(線序掃描)之像素驅動部(列掃描電路)。具體而言，藉由例如線序掃描進行各像素20之讀出動作或重設動作等之攝像動作。另，該線序掃描係藉由經由讀出控制線Lread將上述之列掃描信號供給於各像素20而進行。
(A/D轉換部14)
A/D轉換部14係具有於複數個(此處為4個)信號線Lsig之每個設置有1個之複數個行選擇部17，且基於經由信號線Lsig輸入之信號電壓(與信號電荷相應之電壓)進行A/D轉換(類比/數位轉換)者。藉此，產生包含數位信號之輸出資料Dout(攝像信號)，並向外部輸出。
各行選擇部17係例如如圖6所示，具有電荷放大器172、電容元件(電容器或反饋電容元件等)C1、開關SW1、取樣保持(S/H)電路173、包含4個開關SW2之多工器電路(選擇電路)174、及A/D轉換器 175。其等中之電荷放大器172、電容元件C1、開關SW1、S/H電路173及開關SW2係分別設置於每條信號線Lsig。多工器電路174及A/D轉換器175係設置於每個行選擇部17。另，電荷放大器172、電容元件C1及開關SW1係構成圖3之電荷放大器電路171者。
電荷放大器172係用以將自信號線Lsig讀出之信號電荷轉換成電壓(Q-V轉換)之放大器(amplifier)。於該電荷放大器172中，於負側(-側)之輸入端子連接信號線Lsig之一端，對正側(+側)之輸入端子輸入特定之重設電壓Vrst。電荷放大器172之輸出端子與負側之輸入端子之間係經由電容元件C1與開關SW1之並聯連接電路而反饋連接(feedback連接)。即，電容元件C1之一端子連接於電荷放大器172之負側之輸入端子，另一端子連接於電荷放大器172之輸出端子。同樣地，開關SW1之一端子連接於電荷放大器172之負側之輸入端子，另一端子連接於電荷放大器172之輸出端子。另，該開關SW1之接通/斷開狀態係藉由自系統控制部16經由放大器重設控制線Lcarst供給之控制信號(放大器重設控制信號)控制。
S/H電路173係配置於電荷放大器172與多工器電路174(開關SW2)之間，係用以暫時保持來自電荷放大器172之輸出電壓Vca之電路。
多工器電路174係藉由根據行掃描部15之掃描驅動使4個開關SW2中之1個依序成為接通狀態，而選擇性連接或阻斷各S/H電路173與A/D轉換器175之間之電路。
A/D轉換器175係藉由對經由開關SW2輸入之來自S/H電路173之輸出電壓進行A/D轉換，而產生上述輸出資料Dout並輸出之電路。
(行掃描部15)
行掃描部15係包含例如未圖示之移位暫存器或位址解碼器等而構成，且一面掃描上述行選擇部17內之各開關SW2一面依序驅動者。藉由此種行掃描部15之選擇掃描，將經由信號線Lsig之各者讀出之各 像素20之信號(上述輸出資料Dout)依序向外部輸出。
(系統控制部16)
系統控制部16係控制列掃描部13、A/D轉換部14及行掃描部15之各動作者。具體而言，系統控制部16具有產生上述之各種時序信號(控制信號)之時序產生器，基於該時序產生器所產生之各種時序信號，進行列掃描部13、A/D轉換部14及行掃描部15之驅動控制。基於該系統控制部16之控制，列掃描部13、A/D轉換部14及行掃描部15分別進行對像素部11內之複數個像素20之攝像驅動(線序攝像驅動)，藉此自像素部11獲取輸出資料Dout。
[作用、效果]
於本實施形態之放射線攝像裝置1中，例如X射線等放射線Rrad入射於像素部11時，於各像素20(此處為光電轉換元件21)中，產生基於入射光之信號電荷。此時，詳細而言，於圖3所示之累積節點N，藉由產生之信號電荷之累積，發生與節點電容相應之電壓變化。藉此，對電晶體22之汲極供給輸入電壓Vin(與信號電荷對應之電壓)。此後，根據自讀出控制線Lread供給之列掃描信號使電晶體22成為接通狀態時，上述信號電荷被讀出至信號線Lsig。
以此方式讀出之信號電荷係經由信號線Lsig於複數個(此處為4個)像素行之每行，輸入於A/D轉換部14內之行選擇部17。於行選擇部17中，首先，對自各信號線Lsig輸入之每個信號電荷，於包含電荷放大器172等之電荷放大器電路中進行Q-V轉換(自信號電荷轉換成信號電壓)。接著，對所轉換之每個信號電壓(來自電荷放大器172之輸出電壓Vca)，經由S/H電路173及多工器電路174於A/D轉換器175中進行A/D轉換，而產生包含數位信號之輸出資料Dout(攝像信號)。如此，自各行選擇部17依序輸出輸出資料Dout，傳送於外部(或輸入於未圖示之內部記憶體)。
此處，於入射至放射線攝像裝置1之放射線Rrad中，有於上述波長轉換層112(或直接轉換層111B)中未被吸收，而洩漏至其下層者，若藉由此種放射線將電晶體22輻射曝光，則產生如下所述之不佳狀況。即，電晶體22於第1閘極絕緣膜129及第2閘極絕緣膜130中，具有矽氧化物膜(氧化矽膜129B、130A)。若放射線入射於該等矽氧化物膜中，則藉由所謂之光電效應、康普頓散射或電子對產生等激發膜中之電子。其結果，於第1閘極絕緣膜129及第2閘極絕緣膜130內捕獲電洞而積存，又，於其與通道層126a之界面亦捕獲電洞而積存。因此，例如，電晶體22之閾值電壓Vth向負側(minus側)移位，或產生S(門限)值之惡化等，而成為斷開電流之增大或接通電流之減少等之產生原因。
圖7A中以每個X射線照射線量顯示汲極電流(源極及汲極間之電流)Id相對於電晶體22之閘極電壓Vg之關係(電流電壓特性)。照射條件係設為管電壓80kV、線量率3.2mGy/秒，分別顯示照射線量為0Gy(初始值)、54Gy、79Gy、104Gy、129Gy、154Gy、254Gy、354Gy之各情形之特性。另，對半導體層126使用低溫多結晶矽，源極及汲極間之電壓Vds為0.1V。如此，可知隨著X射線照射量增加，閾值電壓Vth(例如Id=1.0×10-13A之閘極電壓Vg)向負側移位，且S值惡化。
此處，於電晶體22中，如上述般，半導體層126之表面容易粗糙(容易產生突起X)，氧化矽膜130A容易局部變薄。如本實施形態般，藉由使第2閘極絕緣膜130之氧化矽膜130A之厚度為第1閘極絕緣膜129之氧化矽膜129B之厚度以上，可獲得例如氧化矽膜130A之良好之覆蓋率，成為電晶體特性(閾值電壓特性或S值)良好者。又，亦可抑制於每個元件之特性產生不均。
詳細而言，其係基於如下所述之理由。即，其理由在於，於電晶體22之製造過程中，於形成半導體層126時，使用包含例如氧化矽 (SiO2)之擋止膜(擋止膜130a1)。但，以下對使用擋止膜130a1作為用以獲得如上所述之良好之覆蓋率之技術之一例進行說明，亦可不必形成擋止膜130a1。
具體而言，如圖7B所示，於第1閘極絕緣膜129上形成多晶矽層1260之後(藉由ELA進行之結晶化步驟之後)，於多晶矽層1260上將擋止膜130a1成膜。接著，如圖7C所示，隔著該擋止膜130a1對多晶矽層1260進行雜質摻雜，而形成半導體層126。如此，藉由於形成半導體層126時使用擋止膜130a1，可不露出半導體層126(尤其是通道層126a)之界面(不外露)，而推進步驟。因此，不易產生半導體層126之界面劣化(污染等)，而可抑制特性劣化。另一方面，於結晶化步驟之前，即氮化矽膜129A、氧化矽膜129B及非晶矽層(結晶化前之半導體層126)之前之各成膜步驟可連續(於真空腔室內不露出於大氣中等)進行。因此，半導體層126之下側之界面不易劣化。
其後，如圖7D所示，將半導體層126及擋止膜130a1圖案化成特定之形狀。藉由該圖案化，半導體層126之端面(N+層126c之側面)露出，若以該狀態將例如氮化矽膜130B成膜，則容易因界面態位之影響使閾值電壓向負側移位。因此，如圖7E所示，以覆蓋半導體層126之端面及擋止膜130a1之方式，進而形成另1層之氧化矽膜130a2。其後，較理想為於氧化矽膜130a2上，形成氮化矽膜130B。即，於製造過程中，為了保持良好之電晶體特性，較理想為上述氧化矽膜130A係包含擋止膜130a1與氧化矽膜130a2而構成(藉由多階段之成膜步驟成膜)。
根據如上所述之理由，使上側之氧化矽膜130A之厚度大於等於半導體層126之下側之氧化矽膜129B之厚度，藉此可抑制電晶體特性之劣化。
因此，成為電晶體22之特性良好者。又，此係於如後述般將鄰 接於半導體層126之氧化矽膜129B、130A之厚度之總和設為65nm以下(薄膜化)之情形時尤為有效。對如上所述之由電洞捕獲引起之特性劣化亦可抑制，而可更加提高可靠性。
圖7F中對氧化矽(SiO2)膜之厚度之合計(總厚)與閾值電壓之移位量(ΔVth)之關係進行顯示。另，圖中縱軸之-(負)之符號表示閾值電壓向負側移位。如此，於矽氧化物膜之厚度與閾值電壓之間存在相關關係，具有線形性。藉由將例如氧化矽膜129B、130A之厚度之合計設為65nm以下，可將移位量維持於2V以下，可確保充分之電晶體壽命。
如以上所述般，於本實施形態中，用以自各像素20讀出基於放射線Rrad之信號電荷之電晶體22具有自基板110側依序包含氧化矽膜129B、半導體層126、氧化矽膜130A及第1閘極電極之元件構造。由於使氧化矽膜130A之厚度為氧化矽膜129B之厚度以上，故電晶體22之製造良率較為良好。因此，可實現具有高可靠性之元件構造。
接著，對上述實施形態之變化例進行說明。另，對與上述實施形態之構成要素相同者標註相同符號，並適當省略說明。
<變化例1>
圖8係表示變化例1之電晶體之剖面構成者。於上述實施形態(圖3之例)中，雖將第2閘極絕緣膜(第2閘極絕緣膜130)設為自半導體層126之側依序積層有氧化矽膜130A、氮化矽膜130B及氧化矽膜130C之3層構造，但第2閘極絕緣膜之積層構造並不限定於此。例如，如本變化例般，如第2閘極絕緣膜(第2閘極絕緣膜134)般，亦可為自半導體層126之側依序積層有氧化矽膜134A及氮化矽膜134B之2層構造。
圖9A與圖9B係分別表示上述實施形態之電晶體22(設為實施例1)之X射線照射前後之電流電壓特性、本變化例之電晶體(設為實施例2)之X射線照射前後之電流電壓特性者。X射線照射條件設為與圖7F之 情形相同，對X射線照射線量為0Gy與25Gy之各情形進行顯示。又，於圖10中，顯示於實施例1、2之各電流電壓特性中，X射線照射後(25Gy)之閾值電壓偏移量(ΔVth)者。作為閾值電壓Vth，使用電流Id為1.0×10-13(A)之情形時之閘極電壓。根據該等結果，本變化例之元件構造之電流電壓特性與上述實施形態之情形相同，且成為由X射線照射引起之行為亦相同者。因此，於本變化例中，亦可獲得與上述實施形態同等之效果。如此，若鄰接於半導體層126之氧化矽膜130A係以氧化矽膜129B之厚度以上之厚度形成，則第2閘極絕緣膜130可為3層構造亦可為2層構造。或，雖未圖示，但第2閘極絕緣膜130亦可包含例如氧化矽膜130A之單層膜。
<變化例2>
圖11係表示變化例2之電晶體之剖面構成者。於上述實施形態中，雖例示頂閘極型之元件構造，但本揭示之電晶體亦可如本變化例般為所謂之底閘極型之元件構造。本變化例之元件構造係自例如基板110側依序具有第1閘極電極120A、第1閘極絕緣膜129、半導體層126及氧化矽膜130A。又，於氧化矽膜130A上，形成有層間絕緣膜132，形成有貫通該層間絕緣膜132與氧化矽膜130A之接觸孔H1。於層間絕緣膜132上，以嵌入接觸孔H1之方式設置有源極/汲極電極128。層間絕緣膜132係自氧化矽膜130A之側依序具有例如氮化矽膜132A及氧化矽膜132B之積層膜。
於本變化例中，藉由使氧化矽膜130A之厚度為氧化矽膜129B之厚度以上，亦可獲得與上述實施形態同等之效果。又，較理想為使層間絕緣膜132之氮化矽膜132A之厚度大於氧化矽膜130A之厚度(為例如10nm以上)。再者，根據與上述實施形態相同之理由，較理想為鄰接於半導體層126之氧化矽膜129B、130a之厚度之合計為65nm以下。
<變化例3-1>
圖12係表示變化例3-1之電晶體之剖面構成者。於上述實施形態中，雖例示頂閘極型之元件構造，但本揭示之電晶體亦可如本變化例般為所謂之雙閘極型之元件構造。本變化例之元件構造係自例如基板110側依序具有第1閘極電極120A、第1閘極絕緣膜129、半導體層126、第2閘極絕緣膜130及第2閘極電極120B。又，於第2閘極絕緣膜130及第2閘極電極120B上，形成有層間絕緣膜133，形成有貫通該層間絕緣膜133與第2閘極絕緣膜130之接觸孔H1。於層間絕緣膜133上，以嵌入接觸孔H1之方式設置有源極/汲極電極128。層間絕緣膜133係自氧化矽膜130A之側依序具有例如氧化矽膜133A、氮化矽膜133B及氧化矽膜133C之積層膜。
於本變化例中，藉由使氧化矽膜130A之厚度為氧化矽膜129B之厚度以上，亦可獲得與上述實施形態同等之效果。又，根據與上述實施形態相同之理由，較理想為使層間絕緣膜132之氮化矽膜132A之厚度大於氧化矽膜130A之厚度(為例如10nm以上)。再者，根據與上述實施形態相同之理由，較理想為鄰接於半導體層126之氧化矽膜129B、130a之厚度之合計為65nm以下。
<變化例3-2>
圖13係表示變化例3-2之電晶體之剖面構成者。於上述變化例3-1之雙閘極型之元件構造中，第2閘極絕緣膜之積層構造並非特別限定，亦可使用上述變化例1所說明之2層構造之第2閘極絕緣膜134。
<變化例4>
圖14係與上述實施形態所說明之電荷放大器電路171之電路構成例一併表示變化例4之像素(像素20A)之電路構成者。本變化例之像素20A與實施形態之像素20相同，採用所謂之被動型之電路構成，具有1個光電轉換元件21與1個電晶體22。又，於該像素20A連接有沿著H 方向延伸之讀出控制線Lread與沿著V方向延伸之信號線Lsig。
但，於本變化例之像素20A中，與上述實施形態之像素20不同，光電轉換元件21之陽極連接於累積節點N，陰極連接於接地(Ground)。如此，可於像素20A中於光電轉換元件21之陽極連接累積節點N，即便為以此方式構成之情形，亦可獲得與上述實施形態之放射線攝像裝置1相同之效果。
<變化例5>
圖15係與上述實施形態所說明之電荷放大器電路171之電路構成例一併表示變化例5之像素(像素20B)之電路構成者。本變化例之像素20B與實施形態之像素20相同，具有所謂之被動型之電路構成，具有1個光電轉換元件21，且連接於沿著H方向延伸之讀出控制線Lread與沿著V方向延伸之信號線Lsig。
但，於本變化例中，像素20B具有2個電晶體22。該等2個電晶體22係彼此串聯連接(一者之源極或汲極與另一者之源極或汲極係電性連接)。藉由以此方式於1個像素20B設置2個電晶體22，可降低斷開洩漏。
如此，可於像素20B內設置串聯連接之2個電晶體22，於該情形時，亦可獲得與上述實施形態同等之效果。另，亦可串聯連接3個以上之電晶體。
<變化例6-1、6-2>
圖16係與以下說明之電荷放大器電路171A之電路構成例一併表示變化例6-1之像素(像素20C)之電路構成者。又，圖17係與電荷放大器電路171A之電路構成例一併表示變化例6-2之像素(像素20D)之電路構成者。該等變化例6-1、6-2之像素20C、20D係分別與至目前為止說明之像素20、20A、20B不同，具有所謂之主動型之像素電路。
於該主動型之像素20C、20D，設置有1個光電轉換元件21與3個電晶體22、23、24。於該等像素20C、20D，又連接有沿著H方向延伸之讀出控制線Lread及重設控制線Lrst、與沿著V方向延伸之信號線Lsig。
於像素20C、20D中，分別將電晶體22之閘極連接於讀出控制線Lread，將源極連接於信號線Lsig，將汲極連接於構成源極跟隨器電路之電晶體23之汲極。電晶體23之源極連接於電源VDD，閘極係經由累積節點N連接於光電轉換元件21之陰極(圖16之例)或陽極(圖17之例)、與作為重設用電晶體發揮功能之電晶體24之汲極。電晶體24之閘極係連接於重設控制線Lrst，對源極施加重設電壓Vrst。於變化例6-1中，光電轉換元件21之陽極連接於接地，於變化例6-2中，光電轉換元件21之陰極連接於接地。
又，於該等變化例6-1、6-2中，電荷放大器電路171A係設置放大器176及恆定電流源177以替代上述之電荷放大器電路171之電荷放大器172、電容元件C1及開關SW1者。於放大器176中，於正側之輸入端子連接信號線Lsig，且負側之輸入端子與輸出端子係彼此連接，形成有電壓跟隨器電路。另，於信號線Lsig之一端側連接有恆定電流源177之一端子，於該恆定電流源177之另一端子連接有電源VSS。
如上所述之間接轉換型或直接轉換型之放射線攝像裝置係作為基於放射線Rrad可獲得電性信號之各種種類之放射線攝像裝置而利用。例如，可應用於醫療用之X射線攝像裝置(Digital Radiography(數位放射線攝影)等)、機場等所使用之攜帶物檢查用之X射線攝影裝置、工業用X射線攝像裝置(例如進行集裝箱內之危險物等之檢查之裝置)等。
<應用例>
接著，上述實施形態及變化例之放射線攝像裝置亦可應用於如 以下說明之放射線攝像顯示系統。
圖18係示意性表示應用例之放射線攝像顯示系統(放射線攝像顯示系統5)之概略構成例者。放射線攝像顯示系統5具備具有上述實施形態等之像素部11等之放射線攝像裝置1、圖像處理部52、及顯示裝置4，且於該例中成為使用放射線之放射線攝像顯示系統。
圖像處理部52係藉由對自放射線攝像裝置1輸出之輸出資料Dout(攝像信號)實施特定之圖像處理，而產生圖像資料D1者。顯示裝置4係於特定之監控畫面40上進行基於圖像處理部52中所產生之圖像資料D1之圖像顯示者。
於該放射線攝像顯示系統5中，放射線攝像裝置1係基於自X射線源等之放射線源51向被攝體50照射之放射線Rrad，獲取被攝體50之圖像資料Dout，並輸出於圖像處理部52。圖像處理部52係對輸入之圖像資料Dout實施上述特定之圖像處理，並將該圖像處理後之圖像資料(顯示資料)D1輸出於顯示裝置4。顯示裝置4係基於輸入之圖像資料D1，將圖像資訊(攝像圖像)顯示於監控畫面40上。
如此，於本應用例之放射線攝像顯示系統5中，由於可於放射線攝像裝置1中獲取被攝體50之圖像作為電性信號，故可藉由將獲取之電性信號傳送於顯示裝置4而進行圖像顯示。即，不使用照片膠片而可觀察被攝體50之圖像，又，亦可與動態圖像攝影及動態圖像顯示對應。
以上，雖舉出實施形態、變化例及應用例，但本揭示內容並不限定於該等實施形態等，可進行各種變化。例如，於上述實施形態等中，雖例示積層有1~3個絕緣膜者作為第1、第2閘極絕緣膜，但第1、第2閘極絕緣膜亦可為積層有4個以上之絕緣膜者。無論為何種積層構造，只要於第2閘極絕緣膜中之半導體層側設置矽氧化物膜，且該矽氧化物膜係藉由第1閘極絕緣膜之矽氧化膜之厚度以上之厚度形 成，即可獲得本揭示之效果。
又，上述實施形態等之像素部之像素之電路構成並不限於上述實施形態等所說明者(像素20、20A~20D之電路構成)，亦可為其他電路構成。同樣地，關於列掃描部或行選擇部等之電路構成，亦不限於上述實施形態等所說明者，亦可為其他電路構成。
再者，上述實施形態等所說明之像素部、列掃描部、A/D轉換部(行選擇部)及行掃描部等亦可分別形成於例如同一基板上。具體而言，藉由使用例如低溫多結晶矽等之多結晶半導體，該等電路部分之開關等亦可形成於同一基板上。因此，基於來自例如外部之系統控制部之控制信號，可進行同一基板上之驅動動作，可實現窄框架化(3邊自由之框架構造)或配線連接時之可靠性提高。
另，本揭示亦可採取如以下所述之構成。
(1)一種放射線攝像裝置，其包含：複數個像素，其等產生基於放射線之信號電荷；及場效型之電晶體，其用以自上述複數個像素讀出上述信號電荷；且上述電晶體包含：自基板側依序積層之第1矽氧化物膜、包含活性層之半導體層及第2矽氧化物膜；及第1閘極電極，其係隔著上述第1或第2氧化矽膜而與上述半導體層對向配置；且上述第2矽氧化物膜之厚度大於等於上述第1矽氧化物膜之厚度。
(2)如上述技術方案(1)之放射線攝像裝置，其中 上述電晶體係自上述基板側依序包含上述第1矽氧化物膜、上述半導體層、上述第2矽氧化物膜及上述第1閘極電極。
(3)如上述技術方案(2)之放射線攝像裝置，其中於上述第2矽氧化物膜與上述第1閘極電極之間，包含厚度大於等於上述第2矽氧化物膜之矽氮化物膜。
(4)如上述技術方案(3)之放射線攝像裝置，其中上述矽氮化物膜之厚度係10nm以上。
(5)如上述技術方案(1)至(4)中任一項之放射線攝像裝置，其中上述第1及第2矽氧化物膜之厚度之總和係65nm以下。
(6)如上述技術方案(1)之放射線攝像裝置，其中上述電晶體係自上述基板側依序包含上述第1閘極電極、上述第1矽氧化物膜、上述半導體層及上述第2矽氧化物膜。
(7)如上述技術方案(6)之放射線攝像裝置，其中於上述第2矽氧化物膜上，包含厚度大於等於上述第2矽氧化物膜之矽氮化物膜。
(8)如上述技術方案(7)之放射線攝像裝置，其中上述矽氮化物膜之厚度係10nm以上。
(9)如上述技術方案(1)之放射線攝像裝置，其中上述電晶體係自上述基板側依序包含上述第1閘極電極、上述第 1矽氧化物膜、上述半導體層及上述第2矽氧化物膜；且於上述第2矽氧化物膜上與上述第1閘極電極對向而包含第2閘極電極。
(10)如上述技術方案(9)之放射線攝像裝置，其中於上述第2矽氧化物膜與上述第1閘極電極之間，包含厚度大於等於上述第2矽氧化物膜之矽氮化物膜。
(11)如上述技術方案(10)之放射線攝像裝置，其中上述矽氮化物膜之厚度係10nm以上。
(12)如上述技術方案(1)至(11)之放射線攝像裝置，其中上述半導體層包含多結晶矽、微結晶矽、非結晶矽或氧化物半導體。
(13)如上述技術方案(12)之放射線攝像裝置，其中上述半導體層包含低溫多結晶矽。
(14)如上述技術方案(1)至(13)之放射線攝像裝置，其中上述複數個像素各自包含光電轉換元件；且於上述複數個像素之光入射側，包含將上述放射線轉換成上述光電轉換元件之感度域之波長之波長轉換層。
(15)如上述技術方案(14)之放射線攝像裝置，其中上述光電轉換元件包含PIN型之光電二極體或MIS型感測器。
(16) 如上述技術方案(1)至(13)之放射線攝像裝置，其中上述複數個像素各自包含吸收上述放射線而產生上述信號電荷之轉換層。
(17)如上述技術方案(1)至(16)之放射線攝像裝置，其中上述放射線係X射線。
(18)一種放射線攝像顯示系統，其包含：放射線攝像裝置；及顯示裝置，其係進行基於藉由該放射線攝像裝置獲得之攝像信號之圖像顯示；且上述放射線攝像裝置包含：複數個像素，其等產生基於放射線之信號電荷；及場效型之電晶體，其用以自上述複數個像素讀出上述信號電荷；且上述電晶體包含：自基板側依序積層之第1矽氧化物膜、包含活性層之半導體層及第2矽氧化物膜；及第1閘極電極，其係隔著上述第1或第2矽氧化膜而與上述半導體層對向配置；且上述第2矽氧化物膜之厚度大於等於上述第1矽氧化物膜之厚度。
本申請案係以日本專利局於2013年7月17日申請之日本專利申請案第2013-148271號為基礎而主張優先權者，將該申請案之全部內容以引用之方式併入本申請案。
若為本領域技術人員，則應理解，可根據設計上之條件或其他因素，想到各種修正、組合、子組合、及變更，該等為包含在附加之 申請專利範圍或其均等物之範圍者。

Claims (18)

  1. 一種放射線攝像裝置，其包含：複數個像素，其等產生基於第1放射線(first radiation)之信號；及場效型電晶體，其用以自上述複數個像素讀出上述信號；且上述電晶體包含：基板；自上述基板之第1面依序積層之第1矽氮化物膜、第1矽氧化物膜、半導體層、第2矽氧化物膜及第2矽氮化物膜；及第1閘極電極，其係直接位於上述第2矽氮化物膜；且上述第1矽氮化物膜係與上述基板之上述第1面直接接觸；上述第2矽氧化物膜係位於上述半導體層與上述第1閘極電極之間；上述第2矽氧化物膜具有第1厚度，其大於等於上述第1矽氧化物膜之第2厚度；且上述第1矽氮化物膜之第3厚度與上述第2矽氮化物膜之第4厚度之總和係小於等於65nm。
  2. 如請求項1之放射線攝像裝置，其中上述電晶體係進一步包含自上述基板之上述第1面依序積層之上述第1矽氮化物膜、第1矽氧化物膜、上述半導體層、上述第2矽氧化物膜、上述第2矽氮化物膜及上述第1閘極電極。
  3. 如請求項2之放射線攝像裝置，其中上述第2矽氮化物膜之上述第4厚度多於上述第2矽氧化物膜之上述第1厚度。
  4. 如請求項3之放射線攝像裝置，其中 上述第2矽氮化物膜之上述第4厚度係10nm至25nm之間。
  5. 如請求項1之放射線攝像裝置，其中上述第1厚度及上述第2厚度之總和係65nm以下。
  6. 如請求項1之放射線攝像裝置，其中上述電晶體係自上述基板側依序包含上述第1閘極電極、上述第1矽氧化物膜、上述半導體層及上述第2矽氧化物膜。
  7. 如請求項6之放射線攝像裝置，其中於上述第2矽氧化物膜上，包含厚度大於等於上述第2矽氧化物膜之矽氮化物膜。
  8. 如請求項7之放射線攝像裝置，其中上述矽氮化物膜之厚度係10nm以上。
  9. 如請求項1之放射線攝像裝置，其中上述電晶體係自上述基板側依序包含上述第1閘極電極、上述第1矽氧化物膜、上述半導體層及上述第2矽氧化物膜；且於上述第2矽氧化物膜上與上述第1閘極電極對向而包含第2閘極電極。
  10. 如請求項9之放射線攝像裝置，其中於上述第2矽氧化物膜與上述第1閘極電極之間，包含厚度大於上述第2矽氧化物膜之矽氮化物膜。
  11. 如請求項10之放射線攝像裝置，其中上述矽氮化物膜之厚度係10nm以上。
  12. 如請求項1之放射線攝像裝置，其中上述半導體層包含多結晶矽、微結晶矽、非結晶矽或氧化物半導體之一者。
  13. 如請求項12之放射線攝像裝置，其中上述半導體層包含低溫多結晶矽。
  14. 如請求項1之放射線攝像裝置，其中上述複數個像素各自包含：波長轉換層，其位於上述複數個像素之各個之光入射側；及光電轉換元件；且波長轉換層係：將上述第1放射線轉換成上述光電轉換元件之感度域中之相較於上述第1放射線為不同波長之第2放射線。
  15. 如請求項14之放射線攝像裝置，其中上述光電轉換元件係PIN型之光電二極體或MIS型感測器之一者。
  16. 如請求項1之放射線攝像裝置，其中上述複數個像素各自包含吸收上述第1放射線而產生上述信號之轉換層。
  17. 如請求項1之放射線攝像裝置，其中上述第1放射線包含X射線。
  18. 一種放射線攝像顯示系統，其包含：放射線攝像裝置，其係獲得攝像信號；及顯示裝置，其係基於前述攝像信號而顯示圖像；且上述放射線攝像裝置包含：複數個像素，其等產生基於放射線之信號；及場效型之電晶體，其用以自上述複數個像素讀出上述信號；且上述電晶體包含：基板；自上述基板之第1面依序積層之第1矽氮化物膜、第1矽氧化物膜、半導體層、第2矽氧化物膜及第2矽氮化物膜；及第1閘極電極，其係直接位於上述第2矽氮化物膜；且 上述第1矽氮化物膜係與上述基板之上述第1面直接接觸；上述第2矽氧化物膜係位於上述半導體層與上述第1閘極電極之間；上述第2矽氧化物膜具有第1厚度，其大於等於上述第1矽氧化物膜之第2厚度；且上述第1矽氮化物膜之第3厚度與上述第2矽氮化物膜之第4厚度之總和係小於等於65nm。
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