WO2004049447A1 - 固体撮像装置及び放射線撮像装置 - Google Patents

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WO2004049447A1
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photoelectric conversion
conversion elements
wiring
solid
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Harumichi Mori
Kazuki Fujita
Ryuji Kyushima
Masahiko Honda
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Hamamatsu Photonics K.K.
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Definitions

  • Solid-state imaging device and radiation imaging device are Solid-state imaging device and radiation imaging device
  • the present invention relates to a solid-state imaging device and a radiation imaging device.
  • the signal readout line (signal line) is made of a conductive material (for example, a gate switch connected to the signal line, which is connected between the adjacent photoelectric conversion elements). Electrical connection between the gate line connecting the terminal and the vertical shift register, metal wiring for applying a predetermined potential (including ground) to an isolation region formed between adjacent photoelectric conversion elements, and the like. It has capacitance (parasitic capacitance). The problem is that this parasitic capacitance causes noise. In particular, when the imaging surface is enlarged, the length of the signal line itself is increased, so that the parasitic capacitance is increased and noise is more likely to be generated.
  • a solid-state imaging device includes a plurality of two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements, and a plurality of photoelectric conversion elements electrically connected to the photoelectric conversion elements and configured to read outputs of the photoelectric conversion elements. And a signal line, wherein the signal line is provided above the photoelectric conversion element.
  • a signal line for reading an output of the photoelectric conversion element is provided above the photoelectric conversion element, and is provided between adjacent photoelectric conversion elements. It will be provided apart from the part. For this reason, the parasitic capacitance of the signal line is reduced, and generation of noise can be suppressed.
  • the signal line is provided so as to extend along each column direction for each column of the plurality of photoelectric conversion elements.
  • Each signal line is connected to each photoelectric conversion element for each column of the plurality of photoelectric conversion elements.
  • a switch group consisting of a plurality of switches for controlling electrical connection and disconnection with a line, and a switch connected to a control terminal of each switch constituting the switch group.
  • a wiring for inputting a scanning signal for blocking or conducting to a control terminal wherein the wiring is provided extending between adjacent photoelectric conversion elements along the row direction of the plurality of photoelectric conversion elements. preferable.
  • the solid-state imaging device includes a plurality of photoelectric conversion elements arranged in M rows and N columns, a first wiring provided for each column, and a photoelectric conversion element for each column.
  • a first switch group including a plurality of switches for connecting an element and a first wiring, and a vertical shift signal for outputting a vertical scan signal for opening and closing each switch constituting the first switch group for each row
  • a register for connecting a control terminal of each switch constituting the first switch group and a vertical shift register for each row
  • a plurality of switches for connecting each of the first wirings to a signal output line.
  • the second wiring is characterized in that is provided extending along connection between adjacent photoelectric conversion elements in the row direction.
  • a radiation imaging apparatus includes: the solid-state imaging apparatus; and a scintillator provided to cover the plurality of photoelectric conversion elements and converting radiation into visible light.
  • the parasitic capacitance of the signal line included in the solid-state imaging apparatus is reduced as described above, the generation of noise is similarly suppressed. it can.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration of the radiation imaging apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration of the radiation imaging apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view showing the radiation imaging apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a configuration diagram illustrating the radiation imaging apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a plan view showing a light-sensitive section included in the solid-state imaging device of the radiation imaging apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration along the line VI-VI in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration along the line VII-VII in FIG.
  • FIG. 8 is a view for explaining a cross-sectional configuration along the line VIII-VIII in FIG. FIG.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration along line IX-IX in FIG.
  • the radiation imaging apparatus includes the solid-state imaging device (solid-state imaging device) according to the embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 and 2 are cross-sectional views of the radiation imaging apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the configuration, and FIG. 3 is a plan view showing the radiation imaging apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a configuration diagram illustrating the radiation imaging apparatus according to the present embodiment. In FIG. 3, illustration of the bonding wires is omitted.
  • the radiation imaging apparatus 1 of the present embodiment includes a solid-state imaging element 11, a scintillator 21, a mount substrate 23, a frame 25, and the like.
  • the solid-state imaging device 11 is a MOS image sensor, and includes a light-sensitive portion 31, a shift register portion 41, and an amplification portion 51 formed on one surface side of a semiconductor substrate 12. .
  • the photosensitive section 31, the shift register section 41, and the amplification section 51 are formed on the same substrate (semiconductor substrate 12).
  • the photosensitive section 31 includes a plurality of photodiodes (photoelectric conversion elements) 33 that accumulate a charge amount according to the incident intensity of light and a semiconductor substrate. It is arranged on 1 2 in a two-dimensional array. More specifically, the photosensitive section 31 is composed of MXN photodiodes 33 arranged in M rows in the y-axis direction and N columns (M and N are natural numbers) in the X-axis direction. In FIG. 4, M and N are set to “4”.
  • each of the photodiodes 33 constituting the photosensitive section 31 is electrically connected to the photodiode 33, and the other end is electrically connected to a signal reading line described later.
  • a gate switch (a switch that constitutes the first switch group) 35 connected to the switch is provided. Therefore, when the gate switch 35 is open, electric charge is accumulated as light enters the photodiode 33, and when the gate switch 35 is closed, the electric charge accumulated in the photodiode 33 becomes a signal described later. Read to the read line.
  • the gate switch 35 can be constituted by a MOS FET (field effect transistor).
  • the shift register section 41 includes a vertical shift register 43, and is formed on the semiconductor substrate 12 and faces one side of the photosensitive section 31.
  • the vertical shift register 43 outputs a vertical scanning signal for opening and closing the gate switch 35.
  • each gate switch 35 and the vertical shift register 43 are electrically connected by a gate line (second wiring) 45.
  • each gate switch 35 can be opened and closed by the vertical scanning signal output from the vertical shift register 43.
  • the gate line 45 is extended in the X-axis direction by sewing between the rows of the photodiodes 33 arranged in the photosensitive section 31, and each of the gate switches 35 existing on the same row is Connected to control terminal. Therefore, the vertical shift register 43 and the control terminal of the gate switch 35 are connected for each row.
  • the amplification width section 55 11 is composed of a read / write switch 55 55 ((a switch constituting a 22nd switch group)) 55 77 Including horizontal and horizontal horizontal shift-registration stata 55 99 etc. .
  • the amplification width portion 55 11 is provided on the semi-conductor substrate substrate 11 22, and is provided in the light-sensitive portion 33 11.
  • the starter part 44 11 is formed so as to face one side adjacent to and adjacent to one side which is formed so as to face the side. It is being done. .
  • the charge signal amplifier 55 55 is read out and read out from the signal signal, and is provided for each La Rayn inn 55 33.
  • the electric charge amount ((current output power)) read out and read out to the Larayin 5533 is amplified.
  • the reading / reading switch 55 77 is provided for each signal reading / reading line 33 33, and is also provided with the default setting.
  • the electric charge amount ((electric current outflow output power)) read out and read out from the apparatus is output to the signal output / output line RAI INN 6600.
  • the horizontal horizontal shift register starter 55 99 outputs a horizontal horizontal scanning signal for reading / reading and opening / closing the switch 55 77. Rub. .
  • the semi-semiconductor substrate substrate 1122 is respectively provided with The padding section 66 11 formed electrically and electrically connected to the amplification section 55 11 It is formed in plural numbers. . These are the bobbons of the padding section 66 11
  • the semiconductor substrate 12 is provided with a plurality of bonding pad portions 67 formed so as to be electrically connected to the respective shift register portions 41 (particularly, see FIG. 3). These bonding pad portions 67 are electrically connected to bonding pad portions 69 formed on the mount substrate 23 by bonding wires (not shown). As a result, a signal from outside the imaging device 1 is sent to the shift register unit 41 through the mount substrate 23.
  • the scintillator 21 converts incident radiation (for example, X-rays) into visible light, and has a columnar structure. Scintillator 21 is also shown in Figure 3. As described above, the semiconductor substrate 12 is formed directly on one surface of the semiconductor substrate 12 so as to cover the region where the photosensitive portion 31, the shift register portion 41, and the amplification portion 51 are formed. As a result, the scintillator 21 is arranged in contact with a region on one surface of the semiconductor substrate 12 where the photosensitive section 31, the shift register section 41 and the amplifier section 51 are formed. Note that the region where the bonding pad portions 61 and 67 are formed on one surface of the semiconductor substrate 12 is not covered with the scintillator 21 and is exposed.
  • Various materials can be used for the scintillator 21, but T 1 (thallium) -doped C sI or the like having high light emission efficiency is preferable.
  • a protective film (not shown) is formed to cover the columnar structure of the scintillator 21, enter into the gap, and seal the scintillator 21.
  • the protective film is made of a material that transmits radiation and blocks water vapor, such as polyparaxylylene resin (manufactured by Three Bond, trade name Parylene), especially polyparachloroxylylene (manufactured by the company, trade name Parylene C). Is preferred.
  • the thickness of the scintillator 21 is about 300 ⁇ .
  • the scintillator 21 can be formed by growing columnar crystals of C si by an evaporation method.
  • the protective film can be formed by a CVD method. The method of forming the scintillator 21 and the protective film is disclosed in detail in International Publication No. WO98 / 36290 pamphlet or the like by the present applicant, and the description thereof will be omitted.
  • the frame 25 is fixed on the mount substrate 23 so as to surround the solid-state imaging device 11.
  • a rectangular opening 27 is formed in the frame 25 at a position corresponding to the light-sensitive portion 31, and radiation enters the scintillator 21 through the opening 27.
  • a space S is formed between the frame 25, the semiconductor substrate 12, and the mount substrate 23. In the space S, the shift register section 41 and the amplifying section 51 of the solid-state imaging device 11, the bonding pad sections 61, 65, 63 etc. are located.
  • the bonding wires 63 are disposed in the space S defined by the frame 25 and the semiconductor substrate 12 and the mount substrate 23, the bonding wires 63 are provided by the frame 25. It is protected from external physical stress without being held down.
  • the frame 25 is provided with a shielding material 29 made of a radiation shielding material (for example, lead or the like) on the side opposite to the amplification section 51 side, and the shielding material 29 sufficiently radiates radiation. Shielding. In the present embodiment, the thickness of the shielding material 29 is about 2.5 mm.
  • FIG. 5 is a plan view showing the photosensitive section.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration along the line VI-VI in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration along the line VII-VII in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration along the line VIII-VIII in FIG.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration along the line IX-IX in FIG.
  • illustration of the first to fourth insulating layers 13 and 15 to 17 and the gate switch 35 is omitted.
  • the semiconductor substrate 12 includes a P + type semiconductor substrate 12a, and a P— type epitaxial semiconductor layer 12b and a P ⁇ type epitaxial semiconductor layer 12b are formed on the P + type semiconductor substrate 12a.
  • the mold layer 1 2 c is formed.
  • the P + type semiconductor substrate 12a has a ground potential.
  • the solid-state imaging device 11 uses Si as a semiconductor. “High concentration” means that the impurity concentration is about lxl 0 17 cm 3 or more, and “+” is a conductive type. The term “low concentration” means that the impurity concentration is about lxl 0 15 cm 3 or less and “1” is attached to the conductivity type.
  • N + type semiconductor region 12 d is formed on the surface side of the P ⁇ type layer 12 c.
  • the photodiode (photoelectric conversion element) 33 is constituted by the n junction with the layer 12 c).
  • the N + type semiconductor region 12 d has a rectangular shape when viewed from the light incident direction, and is two-dimensionally arranged in M rows and N columns. This Thus, in the photosensitive section 31, the photodiodes 33 are two-dimensionally arranged in M rows and N columns.
  • the length of one side of the N + type semiconductor region 12 d is set to about 50 ⁇ .
  • an isolation region 12e made of a ⁇ + -type semiconductor is formed between the adjacent ⁇ + -type semiconductor regions 12d. ing. As shown in FIG. 5, the isolation region 12 e extends between the adjacent N + -type semiconductor regions 12 d along the row direction and the column direction. It has a shape.
  • a first insulating layer (for example, made of a silicon oxide film) 13 is formed on the P- type layer 12c, the N + type semiconductor region 12d, and the isolation region 12e. It has been.
  • a metal (for example, aluminum) wiring 14 is electrically connected to the isolation region 12 e through a through hole formed in the first insulating layer 13. As shown in FIG. 5, the metal wirings 14 are provided extending between the adjacent N + type semiconductor regions 12 d along the row direction and the column direction. It has a shape. In the present embodiment, the width of the metal wiring 14 is set to be larger than the distance between the adjacent N + type semiconductor regions 12 d, and a part of the metal wiring 14 is viewed from the light incident direction. And overlaps the end of the N + type semiconductor region 12d.
  • the metal wiring 14 is grounded, and the isolation region 12 e is at ground potential. Note that the metal wiring 14 may be connected to a fixed potential instead of being grounded.
  • a second insulating layer (for example, made of a silicon oxide film) 15 is formed on the first insulating layer 13.
  • the gate line 45 and the third insulating layer (for example, made of a silicon oxide film) 16 are formed on the second insulating layer 15.
  • the gate line 45 is made of a metal such as aluminum, and is provided extending between the adjacent N + -type semiconductor regions 12 d in the row direction.
  • the signal readout line 53 and the fourth An insulating layer (eg, made of a silicon oxide film) 17 is formed on the third insulating layer 16, the signal readout line 53 and the fourth An insulating layer (eg, made of a silicon oxide film) 17 is formed.
  • the signal readout line 53 is made of a metal such as aluminum, and as shown in FIGS. 5 and 6, is located above the N + type semiconductor region 12 d when viewed from the light incident direction, and is arranged in the column direction. It is provided to extend along.
  • the width of the signal read line 53 is set to about 0.5 / m.
  • the signal readout line 53 is arranged so as to be displaced from one side of the N + type semiconductor region 12 d on the N + type semiconductor region 12 d by about 1 to 20 m.
  • the signal readout line 53 is provided so as to be located above the N + type semiconductor region 12 d constituting the photodiode 33.
  • a portion between adjacent N + -type semiconductor regions 12 d that is, a portion separated from the metal wiring 14 is provided.
  • the parasitic capacitance of the signal readout line 53 is reduced, and the occurrence of noise can be suppressed to improve the SN ratio.
  • the signal readout line 53 is arranged between the adjacent N + type semiconductor regions 12d.
  • the light receiving sensitivity of the photodiode 33 is reduced as compared with that obtained by the above method (in the present embodiment, it is reduced by about 1.6%).
  • the decrease in the light receiving sensitivity can be compensated for by a method of increasing the amplification factor in the amplifying section 51, and as a result, a decrease in the imaging output can be prevented.
  • one side of the N + type semiconductor region 12d (the portion between the adjacent N + type semiconductor regions 12d) should be used. It is preferable to increase the shift amount, for example, to arrange the signal read line 53 at the center of the N + type semiconductor region 12 d when viewed from the light incident direction.
  • the signal readout line 53 needs to be connected to the gate switch 35 (MOSFET), it is not practical to make a large shift from one side of the N + type semiconductor region 12 d. For this reason, it is preferable that the above-mentioned shift amount is set in consideration of the reduction amount of the parasitic capacitance and the connectivity with the gate switch 35.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above.
  • the scintillator 21 is formed directly on the semiconductor substrate 12, but the present invention is not limited to this.
  • a scintillator substrate having a scintillator formed on a radiation-transmissive substrate is used.
  • the scintillator substrate may be arranged so as to be in contact with the scintillator.
  • the protective film comes into contact with the region where the photosensitive section 31, shift register section 41 and amplifying section 51 are formed. .
  • the solid-state imaging device and the radiation imaging device of the present invention can be used particularly for a large-area radiation imaging system used in medical and industrial X-ray imaging.

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Abstract

半導体基板１２のＰ−型層１２ｃの表面側には、Ｎ＋型半導体領域１２ｄが形成されており、このＮ＋型半導体とＰ−型半導体とでフォトダイオードが構成される。第１絶縁層１３の上には、アイソレーション領域１２ｅに接続される金属配線１４が形成されている。この金属配線１４は、隣接するＮ＋型半導体領域１２ｄの間を行方向及び列方向に沿って延びて設けられており、光入射方向から見て格子形状を呈している。第３絶縁層１６の上には、信号読み出しライン５３が形成されている。この信号読み出しライン５３は、アルミニウム等の金属からなり、光入射方向から見てＮ＋型半導体領域１２ｄの上方に位置し、列方向に沿って延びて設けられている。

Description

明細書
固体撮像装置及び放射線撮像装置
技術分野
【0 0 0 1】 本発明は、 固体撮像装置及び放射線撮像装置に関する。
背景技術
【0 0 0 2】 この種の固体撮像装置として、 基板上に M行 N列に配列された複 数の光電変換素子と、 各光電変換素子からの信号を読み出すための信号読み出し ライン （信号線） とを有したものが知られている （例えば、 特許文献 1参照。）。 この信号読み出しラインは、 隣接する光電変換素子の間を列方向に沿って延びて 設けられている。
【0 0 0 3】 【特許文献 1】 国際公開 WO O 0 Z 2 6 9 6 6号パンフ レット
発明の開示
【0 0 0 4】 しかしながら、 上記従来の技術における構成では、 信号読み出し ライン （信号線） は、 隣接する光電変換素子間に位置する導電性材料 （例えば、 信号線に接続されたゲートスィツチの制御端子と垂直シフトレジスタとを接続す るゲートライン、 隣接する光電変換素子の間に形成されるアイソレーション領域 に所定の電位 （接地も含む） を与えるための金属配線等） との間で電気的容量 （ 寄生容量） を持つようになる。 この寄生容量は、 ノイズ発生の原因になるという 問題がある。 特に、 撮像面を大面積化した場合、 信号線自体の長さも長くなるこ とから、 寄生容量も大きくなつてしまい、 ノイズがより一層発生しやすくなつて しまう。
【0 0 0 5】 本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、 光電変換素子の信号 出力を読み出すための信号線の寄生容量を低減して、 ノイズが発生するのを抑制 することが可能な固体撮像装置及び放射線撮像装置を提供することを目的とする 【0 0 0 6】 本発明に係る固体撮像装置は、 2次元状に配列された複数の光電 変換素子と、 光電変換素子に電気的に接続され、 当該光電変換素子の出力を読み 出すための信号線と、 を有しており、 信号線は、 光電変換素子の上方に位置して 設けられていることを特徴としている。
【0 0 0 7】 本発明に係る固体撮像装置では、 光電変換素子の出力を読み出す ための信号線が光電変換素子の上方に位置して設けられており、 隣接する光電変 換素子の間の部分から離されて設けられることとなる。 このため、 信号線の寄生 容量が低減され、 ノィズの発生を抑制することができる。
【0 0 0 8】 また、 信号線は、 複数の光電変換素子の列毎に当該各列方向に沿 つて延びて設けられており、 複数の光電変換素子の列毎に各光電変換素子と信号 線との間の電気的な接続及び遮断を制御する複数のスィツチからなるスィツチ群 と、 スィッチ群を構成する各スィッチの制御端子に接続され、 当該各スィッチを 複数の光電変換素子の行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を制御端子に入力 する配線と、 を更に有し、 配線は、 隣接する光電変換素子の間を複数の光電変換 素子の行方向に沿って延びて設けられていることが好ましい。
【0 0 0 9】 また、 本発明に係る固体撮像装置は、 M行 N列に配列された複数 の光電変換素子と、 列毎に設けられた第 1の配線と、 列毎に各光電変換素子と第 1の配線とを接続する複数のスィツチからなる第 1のスィッチ群と、 第 1のスィ ッチ群を構成する各スィッチを行毎に開閉させる垂直走查信号を出力する垂直シ フトレジスタと、 第 1のスィッチ群を構成する各スィッチの制御端子と垂直シフ トレジスタとを行毎に接続する第 2の配線と、 第 1の配線それぞれと信号出力線 とを接続する複数のスィツチからなる第 2のスィツチ群と、 第 2のスィツチ群を 構成する各スィツチを列毎に開閉させる水平走査信号を出力する水平シフトレジ スタと、 を有しており、 第 1の配線は、 光電変換素子の上方に位置し、 列方向に 沿って延びて設けられ、 第 2の配線は、 隣接する光電変換素子の間を行方向に沿 つて延びて設けられていることを特徴としている。 【0010】 本発明に係る固体撮像装置では、 光電変換素子の信号出力を読み 出すための信号線が光電変換素子の上方に位置して設けられており、 隣接する光 電変換素子の間の部分から離されて設けられることとなる。 このため、 信号線の 寄生容量が低減され、 ノィズの発生を抑制することができる。
【001 1】 本発明に係る放射線撮像装置は、 上記固体撮像装置と、 複数の光 電変換素子を覆うように設けられ、 放射線を可視光に変換するシンチレータと、 を有することを特徴としている。
【001 2】 本発明に係る放射線撮像装置では、 上述したように、 固体撮像装 置に含まれる信号線の寄生容量が低減されることとなるので、 同様にノイズの発 生を抑制することができる。
図面の簡単な説明
【001 3】 図 1は、 本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明す るための概略図である。
【0014】 図 2は、 本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を説明す るための概略図である。
【001 5】 図 3は、 本実施形態に係る放射線撮像装置を示す平面図である
【0016】 図 4は、 本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である
【001 7】 図 5は、 本実施形態に係る放射線撮像装置の固体撮像素子に含 まれる光感応部を示す平面図である。
【0018】 図 6は、 図 5の VI—VI線に沿った断面構成を説明するための概 略図である。
【001 9】 図 7は、 図 5の VII— VII線に沿った断面構成を説明するための 概略図である。
【0020】 図 8は、 図 5の VIII— VIII線に沿った断面構成を説明するため の概略図である。
【0021】 図 9は、 図 5の IX— IX線に沿った断面構成を説明するための概 略図である。
発明を実施するための最良の形態
【0022】 以下、 図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細 に説明する。 なお、 説明において、 同一要素又は同一機能を有する要素には、 同 一符号を用いることとし、 重複する説明は省略する。 本実施形態に係る放射線撮 像装置は、 本発明の実施形態に係る固体撮像装置 （固体撮像素子） を含んでいる 【0023】 図 1及び図 2は、 本実施形態に係る放射線撮像装置の断面構成を 説明するための概略図であり、 図 3は、 本実施形態に係る放射線撮像装置を示す 平面図である。 図 4は、 本実施形態に係る放射線撮像装置を示す構成図である。 なお、 図 3では、 ボンディングワイヤの図示を省略している。
【0024】 本実施形態の放射線撮像装置 1は、 図 1〜図 3に示されるように 、 固体撮像素子 1 1、 シンチレータ 21、 マウント基板 23、 枠体 25等を備え ている。
【0025】 固体撮像素子 1 1は、 MOS型イメージセンサであって、 半導体 基板 12の一方面側に形成された、 光感応部 3 1、 シフトレジスタ部 41及び増 幅部 51を有している。 このように、 光感応部 31、 シフトレジスタ部 41及び 増幅部 5 1は、 同一基板 （半導体基板 1 2) に形成されている。 半導体基板 12
(固体撮像素子 1 1) は、 マウント基板 23上に固定されている。 本実施形態に おいては、 半導体基板 12の面積は、 16900mm2 (= 13 Ommx 130m m) 程度であり、 光感応部 3 1の面積は、 1 5625 mm2 (= 1 25 mmx 1 2 5mm) 程度である。
【0026】 光感応部 31は、 図 4に示されるように、 光の入射強度に応じた 電荷量を蓄積する複数個のフォトダイオード （光電変換素子） 33を半導体基板 1 2上に 2次元状に配列して構成される。 より具体的には、 y軸方向に M行、 X 軸方向に N列 （M， Nは自然数） に配列された M X N個のフォトダイオード 3 3 によって光感応部 3 1が構成される。 なお、 図 4においては、 M及び Nが 「4」 に設定されている。
【0 0 2 7】 光感応部 3 1を構成するフォトダイオード 3 3のそれぞれには、 一端が当該フォトダイオード 3 3に電気的に接続され、 他端が後述の信号読み出 しラインに電気的に接続されたゲートスィツチ （第 1のスィツチ群を構成するス イッチ） 3 5が設けられている。 従って、 ゲートスィッチ 3 5が開のときには、 フォトダイォード 3 3への光の入射に伴って電荷が蓄積され、 ゲートスィッチ 3 5が閉になるとフォトダイオード 3 3に蓄積された電荷が後述の信号読み出しラ インに読み出される。 なお、 ゲートスィッチ 3 5は、 MO S F E T (電界効果ト ランジスタ） にて構成することができる。
【0 0 2 8】 シフトレジスタ部 4 1は、 垂直シフトレジスタ 4 3を含み、 半導 体基板 1 2上であって、 光感応部 3 1の一辺に面して形成されている。 この垂直 シフトレジスタ 4 3は、 ゲートスィッチ 3 5を開閉させるための垂直走査信号を 出力する。
【0 0 2 9】 各ゲートスィッチ 3 5の制御端子と垂直シフトレジスタ 4 3とは 、 ゲートライン （第 2の配線） 4 5によって電気的に接続されている。 これによ り、 垂直シフトレジスタ 4 3から出力された垂直走査信号によって各ゲートスィ ツチ 3 5を開閉させることができる。 ゲートライン 4 5は、 具体的には、 光感応 部 3 1に配列されたフォトダイオード 3 3の行間を縫って X軸方向に延線されて おり、 同一行に存在する各ゲートスィッチ 3 5の制御端子に接続されている。 従 つて、 垂直シフ トレジスタ 4 3とゲートスィッチ 3 5の制御端子とは、 行毎に接 続されていることになる。
【0 0 3 0】 光感応部 3 1に配列されたフォトダイオード 3 3の列間には、 さ らに、 上記ゲートスィッチ 3 5の他端が列毎に電気的に接続された N本の信号読 みみ出出ししラライインン （（第第 11のの配配線線；；信信号号線線）） 55 33がが設設けけらられれてていいるる。。 当当該該 NN本本のの信信号号読読 みみ出出ししラライインン 55 33はは、、 増増幅幅部部 55 11にに電電気気的的にに接接続続さされれてていいるる。。 増増幅幅部部 55 11はは、、 チチ ヤヤーージジアアンンププ 55 55、、 読読みみ出出ししススィィッッチチ （（第第 22ののススィィッッチチ群群をを構構成成すするるススィィッッチチ）） 55 77及及びび水水平平シシフフトトレレジジススタタ 55 99等等をを含含むむ。。 増増幅幅部部 55 11はは、、 半半導導体体基基板板 11 22上上でで ああっってて、、 光光感感応応部部 33 11ににおおけけるるシシフフトトレレジジススタタ部部 44 11がが面面ししてて形形成成さされれたた一一辺辺にに 隣隣接接すするる一一辺辺にに面面ししてて形形成成さされれてていいるる。。
【【00 00 33 11】】 チチャャーージジアアンンププ 55 55はは、、 信信号号読読みみ出出ししラライインン 55 33毎毎にに設設けけらられれてて おおりり、、 信信号号読読みみ出出ししラライインン 55 33にに読読みみ出出さされれたた電電荷荷量量 （（電電流流出出力力）） をを増増幅幅すするる。。 読読みみ出出ししススィィツツチチ 55 77はは、、 信信号号読読みみ出出ししラライインン 55 33毎毎にに設設けけらられれるるととととももににフフォォ トトダダイイオオーードド 33 33かからら読読みみ出出さされれたた電電荷荷量量 （（電電流流出出力力）） をを信信号号出出力力ラライインン 66 00にに 出出力力すするる。。 水水平平シシフフトトレレジジススタタ 55 99はは、、 読読みみ出出ししススィィッッチチ 55 77をを開開閉閉ささせせるるたためめ のの水水平平走走査査信信号号をを出出力力すするる。。
【【00 00 33 22】】 半半導導体体基基板板 11 22ににはは、、 図図 22及及びび図図 33にに示示さされれるるよよううにに、、 そそれれぞぞれれ のの増増幅幅部部 55 11とと電電気気的的にに接接続続さされれてて形形成成さされれたたボボンンデディィンンググパパッッドド部部 66 11がが複複数数 形形成成さされれてていいるる。。 ここれれららののボボンンデディィンンググパパッッドド部部 66 11
Figure imgf000008_0001
3により、 マウント基板 2 3に形成されたポンディングパッド部 6 5に電気的に 接続されている。 これにより、 増幅部 5 1からの出力は、 マウント基板 2 3を通 して撮像装置 1の外部に送られることとなる。 また、 半導体基板 1 2には、 それ ぞれのシフトレジスタ部 4 1と電気的に接続されて形成されたボンディングパッ ド部 6 7が複数形成されている （特に、 図 3参照）。 これらのボンディングパッド 部 6 7は、 ボンディングワイヤ (図示せず) により、 マウント基板 2 3に形成さ れたボンディングパッド部 6 9に電気的に接続されている。 これにより、 撮像装 置 1の外部からの信号は、 マウント基板 2 3を通してシフトレジスタ部 4 1に送 られることとなる。
【0 0 3 3】 シンチレータ 2 1は、 入射した放射線 （例えば、 X線） を可視光 に変換するもので、 柱状構造を呈している。 シンチレータ 2 1は、 図 3にも示さ れるように、 半導体基板 1 2の一方面における光感応部 3 1、 シフトレジスタ部 4 1及び増幅部 5 1が形成された領域を覆うように、 当該領域上に直接形成され ている。 これにより、 シンチレータ 2 1は、 半導体基板 1 2の一方面における光 感応部 3 1、 シフトレジスタ部 4 1及び増幅部 5 1が形成された領域に接触して 配置されることとなる。 なお、 半導体基板 1 2の一方面におけるボンディングパ ッド部 6 1 , 6 7が形成された領域は、 シンチレータ 2 1にて覆われておらず、 露出している。
【0 0 3 4】 シンチレータ 2 1には、 各種の材料を用いることができるが、 発 光効率が良い T 1 (タリウム） ドープの C s I等が好ましい。 シンチレータ 2 1 の上には、 シンチレータ 2 1の柱状構造を覆ってその間隙まで入り込み、 シンチ レータ 2 1を密閉する保護膜 （図示せず） が形成されている。 保護膜は、 放射線 を透過し、 水蒸気を遮断する材料、 例えばポリパラキシリレン樹脂 （スリーボン ド社製、 商品名パリレン）、特にポリパラクロロキシリレン （同社製、 商品名パリ レン C) を用いることが好ましい。 本実施形態においては、 シンチレータ 2 1の 厚みは、 3 0 0 μ πι程度である。
【0 0 3 5】 シンチレータ 2 1は、 蒸着法により、 C s iの柱状結晶を成長さ せることで形成することができる。 また、 保護膜は、 C V D法により形成するこ とができる。 なお、 シンチレータ 2 1及び保護膜の形成方法については、 本願出 願人による国際公開 WO 9 8 / 3 6 2 9 0号パンフレツト等において詳細に開示 されており、 ここでの説明を省略する。
【0 0 3 6】 枠体 2 5は、 固体撮像素子 1 1を囲むようにマウント基板 2 3上 に固定されている。 枠体 2 5には、 光感応部 3 1に対応する位置に、 矩形形状の 開口 2 7が形成されており、 放射線がこの開口 2 7を通ってシンチレータ 2 1に 入射することとなる。 枠体 2 5と、 半導体基板 1 2及びマウント基板 2 3との間 には空間 Sが形成されている。 空間 S内には、 固体撮像素子 1 1のシフトレジス タ部 4 1及び増幅部 5 1、 ボンディングパッド部 6 1， 6 5、 ボンディングワイ ャ 63等が位置する。 このように、 ボンディングワイヤ 63は、 枠体 25と、 半 導体基板 1 2及びマウント基板 23とで画成される空間 S内に配設されているの で、 当該ボンディングワイヤ 63は枠体 25によって押さえつけられることなく 、 外部からの物理的応力から保護される。 また、 枠体 25には、 その増幅部 51 側とは反対側に放射線遮蔽性の材料 （例えば、 鉛等） からなる遮蔽材 29が設け られており、 この遮蔽材 29にて放射線を十分に遮蔽している。 本実施形態にお いては、 遮蔽材 29の厚みは 2. 5mm程度である。
【0037】 次に、 図 5〜図 9に基づいて、 光感応部 3 1の構成について説明 する。 図 5は、 光感応部を示す平面図である。 図 6は、 図 5の VI— VI線に沿った 断面構成を説明するための概略図である。 図 7は、 図 5の VII— VII線に沿った断 面構成を説明するための概略図である。 図 8は、 図 5の VIII— VIII線に沿った断 面構成を説明するための概略図である。 図 9は、 図 5の IX— IX線に沿った断面構 成を説明するための概略図である。 なお、 図 5においては、 第 1〜第 4絶縁層 1 3， 15〜1 7、 ゲートスィッチ 35の図示を省略している。
【0038】 半導体基板 12は、 図 6〜図 9に示されるように、 P+型半導体 基板 12 aを含み、 この P+型半導体基板 1 2 a上に P—型ェピタキシャル半導体 層 1 2 bと P—型層 1 2 cが形成されている。 P+型半導体基板 1 2 aは、 接地電 位とされている。 なお、 この固体撮像素子 1 1は、 半導体として S iを用いるも のであり、 「高濃度」 とは不純物濃度が lxl 017ノ cm3程度以上のことであつ て、 「 +」 を導電型に付けて示し、 「低濃度」 とは不純物濃度が lxl 015 cm3 程度以下であって 「一」 を導電型に付けて示すものとする。
【0039】 P—型層 12 cの表面側には、 N+型半導体領域 1 2 dが形成され ており、 この N+型半導体 （N+型半導体領域 1 2 d) と P一型半導体 （P—型層 1 2 c) との; n接合によりフォトダイオード （光電変換素子） 33が構成される こととなる。 N+型半導体領域 1 2 dは、 図 5に示されるように、 光入射方向か ら見て矩形形状を呈しており、 M行 N列に 2次元状に配列されている。 これによ り、 光感応部 3 1においては、 フォトダイォード 3 3が M行 N列に 2次元状に配 列されることとなる。 本実施形態では、 N+型半導体領域 1 2 dの一辺の長さは 5 0 μ πι程度に設定されている。
【0 0 4 0】 また、 Ρ—型層 1 2 cの表面側には、 隣接する Ν+型半導体領域 1 2 dの間に、 Ρ +型半導体からなるアイソレーション領域 1 2 eが形成されてい る。 このアイソレーション領域 1 2 eは、 図 5に示されるように、 隣接する N + 型半導体領域 1 2 dの間を行方向及び列方向に沿って延びており、 光入射方向か ら見て格子形状を呈している。
【0 0 4 1】 P -型層 1 2 c、 N+型半導体領域 1 2 d、 ァイソレーション領域 1 2 eの上には第 1絶縁層 （例えば、 シリコン酸化膜からなる） 1 3が形成され ている。 この第 1絶縁層 1 3に形成されたスルーホールを通して、 金属 （例えば 、 アルミニウムからなる） 配線 1 4がアイソレーション領域 1 2 eに電気的に接 続されている。 この金属配線 1 4は、 図 5に示されるように、 隣接する N+型半 導体領域 1 2 dの間を行方向及び列方向に沿って延びて設けられており、 光入射 方向から見て格子形状を呈している。 本実施形態において、 金属配線 1 4の幅は 、 隣接する N+型半導体領域 1 2 dの間の距離よりも大きく設定されており、 金 属配線 1 4は、 その一部が光入射方向から見て N+型半導体領域 1 2 dの端部と 重なっている。 金属配線 1 4は接地されており、 アイソレーション領域 1 2 eは 接地電位とされる。 なお、 金属配線 1 4は、 接地する代わりに、 固定電位に接続 してもよい。
【0 0 4 2】 第 1絶縁層 1 3の上には第 2絶縁層 （例えば、 シリコン酸化膜か らなる） 1 5が形成されている。 この第 2絶縁層 1 5の上には、 上記ゲートライ ン 4 5及び第 3絶縁層 （例えば、 シリコン酸化膜からなる） 1 6が形成されてい る。 ゲートライン 4 5は、 アルミニウム等の金属からなり、 隣接する N+型半導 体領域 1 2 dの間を行方向に沿って延びて設けられている。
【0 0 4 3】 第 3絶縁層 1 6の上には、 上記信号読み出しライン 5 3及び第 4 絶縁層 （例えば、 シリコン酸化膜からなる） 1 7が形成されている。 信号読み出 しライン 5 3は、 アルミニウム等の金属からなり、 図 5及び図 6に示されるよう に、 光入射方向から見て N +型半導体領域 1 2 dの上方に位置し、 列方向に沿つ て延びて設けられている。 本実施形態では、 信号読み出しライン 5 3の幅は 0 . 5 / m程度に設定されている。 また、 信号読み出しライン 5 3は、 N +型半導体 領域 1 2 dの一辺から当該 N +型半導体領域 1 2 dの上に 1〜 2 0 m程度ずれ て配置されている。
【0 0 4 4】 以上のように、 本実施形態によれば、 信号読み出しライン 5 3は 、 フォトダイオード 3 3を構成する N +型半導体領域 1 2 dの上方に位置して設 けられており、 隣接する N +型半導体領域 1 2 dの間の部分、 すなわち金属配線 1 4から離されて設けられることとなる。 このため、 信号読み出しライン 5 3の 寄生容量が低減され、 ノイズの発生を抑制して S N比を向上することができる。 【0 0 4 5】 信号読み出しライン 5 3を N +型半導体領域 1 2 dの上方に位置 して設けることにより、 信号読み出しライン 5 3を隣接する N +型半導体領域 1 2 dの間に配置したものに比して、 フォトダイオード 3 3における受光感度が低 下することとなる （本実施形態においては、 1 . 6 %程度低下することとなる） 。 しカゝしながら、 この受光感度の低下分は、 増幅部 5 1での増幅率を高める手法 等によって補うことができ、 結果として撮像出力の低下を防ぐことができる。 【0 0 4 6】 なお、 信号読み出しライン 5 3の寄生容量を低減するためには、 N+型半導体領域 1 2 dの一辺 （隣接する N+型半導体領域 1 2 dの間の部分） か らのずれ量を大きくする、 たとえば、 信号読み出しライン 5 3を光入射方向から 見て N +型半導体領域 1 2 dの中央部分に配置することが好ましい。 しかしなが ら、 信号読み出しライン 5 3は、 ゲートスィッチ 3 5 (MO S F E T ) に接続す る必要があるため、 N +型半導体領域 1 2 dの一辺から大きくずらしてしまうの は現実的でない。 このため、 上記ずれ量は、 寄生容量の低減量とゲートスィッチ 3 5との接続性を勘案して設定することが好ましい。 【0 0 4 7】 本発明は、 前述した実施形態に限定されるものではない。 本実施 形態においては、 シンチレータ 2 1を半導体基板 1 2上に直接形成するようにし ているが、 これに限られるものではない。 例えば、 放射線透過性基板上にシンチ レータを形成したシンチレータ基板を用い、 半導体基板 1 2の一方面における光 感応部 3 1、 シフトレジスタ部 4 1及び増幅部 5 1が形成された領域とシンチレ ータとが接触するように、 シンチレータ基板を配置した構成としてもよい。 なお 、 シンチレータの上に保護膜が形成されている場合には、 上記光感応部 3 1、 シ フトレジスタ部 4 1及び増幅部 5 1が形成された領域と保護膜とが接触するよう になる。
産業上の利用可能性
【0 0 4 8】 本発明の固体撮像装置及び放射線撮像装置は、 特に医療、 工業用 の X線撮影で用いられる大面積の放射線ィメ一ジングシステムに利用できる。

Claims

請求の範囲
1 . 2次元状に配列された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子に電気的に接続され、 当該光電変換素子の出力を読み出すた めの信号線と、 を有しており、
前記信号線は、 前記光電変換素子の上方に位置して設けられていることを特徴 とする固体撮像装置。
2 . 前記信号線は、 前記複数の光電変換素子の列毎に当該各列方向に沿つ て延びて設けられており、
前記複数の光電変換素子の列毎に前記各光電変換素子と前記信号線との間の電 気的な接続及び遮断を制御する複数のスィツチからなるスィツチ群と、
前記スィツチ群を構成する各スィツチの制御端子に接続され、 当該各スィツチ を前記複数の光電変換素子の行毎に遮断あるいは導通させる走査信号を前記制御 端子に入力する配線と、 を更に有し、
前記配線は、 隣接する前記光電変換素子の間を前記複数の光電変換素子の行方 向に沿つて延びて設けられていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の固 体撮像装置。
3 . M行 N列に配列された複数の光電変換素子と、
前記列毎に設けられた第 1の配線と、
前記列毎に前記各光電変換素子と前記第 1の配線とを接続する複数のスィツチ からなる第 1のスィツチ群と、
前記第 1のスィツチ群を構成する各スィツチを前記行毎に開閉させる垂直走査 信号を出力する垂直シフトレジスタと、
前記第 1のスィツチ群を構成する各スィツチの制御端子と前記垂直シフトレジ スタとを前記行毎に接続する第 2の配線と、
前記第 1の配線それぞれと信号出力線とを接続する複数のスィツチからなる第 2のスィツチ群と、 前記第 2のスィツチ群を構成する各スィツチを前記列毎に開閉させる水平走査 信号を出力する水平シフトレジスタと、 を有しており、
前記第 1の配線は、 前記光電変換素子の上方に位置し、 前記列方向に沿って延 ぴて設けられ、
前記第 2の配線は、 隣接する前記光電変換素子の間を前記行方向に沿って延び て設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
4 . 請求の範囲第 1項〜第 3項のいずれか一項に記載の固体撮像装置と、 前記複数の光電変換素子を覆うように設けられ、 放射線を可視光に変換するシ ンチレータと、 を有することを特徴とする放射線撮像装置。
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