JP4323827B2 - 固体撮像装置及び放射線撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療画像診断装置、非破壊検査装置、分析装置等に応用されているＸ線、α線、β線、γ線等の放射線を検出する放射線撮像装置、特に、非単結晶シリコン、例えば、非晶質シリコン（以下、ａ−Ｓｉと略記）を用いたセンサ素子とＴＦＴ素子により構成されたセンサアレイと、放射線を可視光等に変換する蛍光体とを組み合わせたフラットパネル検出器（以下、ＦＰＤと略記）に利用される固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の液晶ディスプレイ用ＴＦＴ技術の進歩、情報インフラの整備が充実した現在では、ＦＰＤが提案され、医療画像分野においても大面積、且つ、デジタル化が達成されている。
【０００３】
このＦＰＤは、放射線画像を瞬時に読み取り、瞬時にディスプレイ上に表示できるものであり、また、画像は、デジタル情報として直接取り出すことが可能であるため、データの保管、或いは、加工、転送等取り扱いが便利であると言った特徴がある。また、感度等の諸特性は、撮影条件に依存するが、従来のスクリーンフィルム系撮影法、コンピューティッドラジオグラフィ撮影法に比較して、同等又はそれ以上である事が確認されている。
【０００４】
ＦＰＤの製品化が達成されている一方、更なる感度向上を目指して種々の提案がなされている。例えば、下記非特許文献１による報告では、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層した構造が開示されている。本従来例は、前記構造を採用することでセンサ素子の開口率を向上させ、感度向上が可能としている。また、この時、ＴＦＴはセンサ素子の直下に配置されているため、不要な寄生容量を形成し、故に、接地されたプレーンを配置することが記載されている。
【０００５】
また、下記特許文献１による提案においては、同様に、開口率を向上させるため、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造が示されている。本従来例では、ＴＦＴのソース・ドレイン電極に接続された電極がＴＦＴ素子上を被覆し、且つ、センサ個別電極となっている構造である。
【０００６】
一方、下記特許文献２による提案においても、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層し、開口率の向上を目的とした構造が示されている。本従来例では、ＴＦＴ素子上に層間膜を介して、センサ素子が積層されている構造である。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５４９８８８０号明細書、Du Pont
【特許文献２】
特開２０００−１５６５２２号公報、Canon
【非特許文献１】
SPIE Medical Imaging VI,February 23-27,1992,L.E Antonuk等
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造のＦＰＤにおいては、センサ素子の個別電極がＴＦＴ素子のバックゲート電極として作用し、個別電極の電位変動により、ＴＦＴ素子のリークと言った問題を発生させ、画像品位の劣化となって現れる。
【０００９】
例えば、センサ出力が大きい領域と小さい領域が隣接した場合、境界がにじむ様なクロストークが現れる。また、センサ飽和出力が低下し、ダイナミックレンジが低下するといった問題が生じる。
【００１０】
［発明の目的］
そこで、本発明の目的は、スイッチ素子（ＴＦＴ素子）とその上部に積層されたセンサ部の間に、シールド層を設ける事により、スイッチ素子上に配置したセンサ素子の個別電極が電位変動を起こした場合においても、スイッチ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、基板と、
前記基板上に配置された薄膜トランジスタ及び前記薄膜トランジスタ上に少なくともチャネル部を覆って配置された光電変換素子を有する画素と、
前記薄膜トランジスタと前記光電変換素子との間に配置されたシールド電極層と、を有する固体撮像装置であって、
前記薄膜トランジスタは、前記基板側に配置されたゲート電極を有し、
前記シールド電極層は、前記チャネル部を覆い、かつ、信号配線上と、ソース及びドレイン電極のうち信号配線に接続された一方の電極上とを除いて配置されていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の固体撮像装置は、基板と、
前記基板上に配置された薄膜トランジスタと、
前記薄膜トランジスタ上に少なくともチャネル部を覆って配置された放射線を直接電荷に変換する放射線変換層と、を有する放射線撮像装置であって、
前記薄膜トランジスタと前記放射線変換層との間に配置されたシールド電極層を有し、
前記薄膜トランジスタは、前記基板側に配置されたゲート電極を有し、
前記シールド電極層は、前記チャネル部を覆い、かつ、信号配線上と、ソース及びドレイン電極のうち信号配線に接続された一方の電極上とを除いて配置されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
［実施形態１］
本発明の実施形態１におけるＭＩＳ型フォトダイオード（以下、ＰＤと略記）を用いた固体撮像装置について述べる。
【００１５】
図１は実施形態１の３×３画素の模式的等価回路図、図２は同じく１画素の模式的平面図、図３は同じく４画素の模式的平面図、図４は同じく模式的断面図である。
【００１６】
図１、図２において、１０１は光電変換素子（センサ素子）であるＭＩＳ型ＰＤ、１０２はスイッチ素子である転送用ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、１０３は転送用ＴＦＴ駆動配線、１０４は信号線、１０５はセンサバイアス配線、１０６はシールド配線（ＧＮＤ配線）、１０７は転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１０８はコンタクトホール、１０９はセンサ下部電極層である。
【００１７】
図４において、１１０はガラス等の絶縁性基板、１１１はＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜、１１２はａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層、１１３は第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）、１１４，１１５はＳＩＮ・ＳＩＯ2・ＢＣＢ・ＰＩ等の層間絶縁膜、１１６はＳＩＮ・ＳＩＯ2等の絶縁膜、１１７はａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層、１１８はマイクロクリスタルシリコンまたはａ−Ｓｉ等から成る第２のｎ+層（ホールブロッキング層）、１１９はＩＴＯ・ＳｎＯ2等の透明電極層、１３２はＳｉＮ・ＰＩ（ポリイミド）等の保護層、１３４は接着層、１３５は波長変換体としての蛍光体層である。
【００１８】
なお、図４では、１０３、１０５、１０６はそれぞれゲート電極層、センサバイアス電極層、シールド電極層として示されている。
【００１９】
絶縁膜１１６、ａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層１１７、及び第２のｎ+層１１８はＭＩＳ型ＰＤ１０１の光電変換層を構成する。ゲート電極層１０３、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１０７は、転送用ＴＦＴ１０２を構成する。転送用ＴＦＴ１０２上に、光電変換層が積層されて、転送用ＴＦＴ１０２は光電変換層に覆われている。
【００２０】
シールド電極層１０６は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１と転送用ＴＦＴ１０２との間に配置されている。
【００２１】
Ｘ線等の放射線は図２の紙面上部より入射し、蛍光体層１３５により可視光に変換される。変換光は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１により電荷に変換され、ＭＩＳ型ＰＤ１０１内に蓄積される。その後、ＴＦＴ駆動回路により転送用ＴＦＴ駆動配線１０３により転送用ＴＦＴ１０２を動作させ、この蓄積電荷を転送用ＴＦＴ１０２のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線１０４に転送し、信号処理回路にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換され出力される。このとき、シールド配線１０６は、常にＧＮＤ等の定電位に固定されている。
【００２２】
本実施形態では、センサ素子下に配置されたシールド配線１０６がＧＮＤに接続されており、センサ素子の個別電極が電位変動を起こしても、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成できる。また、信号線１０４とオーバーラップしない為、シールド配線と信号線との間で寄生容量を形成せずセンサ感度の劣化も抑えられる。
【００２３】
本実施形態では、シールド配線幅は、ＴＦＴのチャネル幅と同一である場合を示したが、転送用ＴＦＴ駆動配線１０３とのクロス部容量を減らす為に、転送ＴＦＴ用駆動配線１０３とのクロス部にてチャネル幅より細い配線幅を使用することも可能である。
【００２４】
また、シールド配線１０６は、一定電位であれば良く、ＧＮＤ以外の定電圧とすることも可能である。シールド配線抵抗は高くでもかまわないので、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等の高融点金属配線が使用でき、製造プロセス上の制約が軽減される。さらに、ゲート電極を含む層、ソース・ドレイン電極を含む層、シールド電極を含む層、センサバイアス電極を含む層の中では、シールド電極層を最も薄い配線として段差を低減し、その上部に積層されるセンサ部の段差を低減し、歩留まりの向上を図ることもできる。これは、シールド電極層はその他の電極層に比べて、電気抵抗値が大きくてもよいためである。
【００２５】
［実施形態２］
本発明の実施形態２におけるＭＩＳ型ＰＤを用いた固体撮像装置について述べる。
【００２６】
図５は実施形態２の３×３画素の模式的等価回路図、図６は同じく１画素の模式的平面図、図７は同じく４画素の模式的平面図、図８は同じく模式的断面図である。
【００２７】
実施形態１と同一の符号は同一の構成要素である。
【００２８】
図５、図６において、１０１はＭＩＳ型ＰＤ、１０２は転送用ＴＦＴ、１０３は転送用ＴＦＴ駆動配線、１０４は信号線、１０５はセンサバイアス配線、１０６はシールド配線（ＧＮＤ配線）、１０８はコンタクトホール、１０９はセンサ下部電極層、１２０はスイッチ素子であるリセット用ＴＦＴ、１２１はリセット用ＴＦＴ駆動配線、１２６はリセット配線である。
【００２９】
図８において、１１０はガラス等の絶縁性基板、１１１はＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜、１１２はａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層、１１３は第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）、１１４，１１５はＳＩＮ・ＳＩＯ2・ＢＣＢ・ＰＩ等の層間絶縁膜、１１６はＳＩＮ・ＳＩＯ2等の絶縁膜、１１７はａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層、１１８はマイクロクリスタルシリコンまたはａ−Ｓｉ等から成る第２のｎ+層（ホールブロッキング層）、１１９はＩＴＯ・ＳｎＯ2等の透明電極層、１０７は転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１２２はリセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３２はＳｉＮ・ＰＩ（ポリイミド）等の保護層、１３４は接着層、１３５は蛍光体層である。
【００３０】
なお、図８では、１０３、１２１はゲート電極層、１０５はセンサバイアス電極層、１０６はシールド電極層として示されている。
【００３１】
絶縁膜１１６、ａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層１１７、及び第２のｎ+層１１８は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１の光電変換層を構成する。ゲート電極層１０３、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１０７は、転送用ＴＦＴ１０２を構成する。ゲート電極層１２１、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、リセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１２２は、リセット用ＴＦＴ１２０を構成する。転送用ＴＦＴ１０２及びリセット用ＴＦＴ１２０上に、光電変換層が積層されて、両ＴＦＴは光電変換層に覆われている。
【００３２】
シールド電極層１０６は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１と転送用ＴＦＴ１０２との間、及びＭＩＳ型ＰＤ１０１とリセット用ＴＦＴ１２０との間に配置されている。
【００３３】
Ｘ線等の放射線は図６の紙面上部より入射し、蛍光体層１３５により可視光に変換される。変換光は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１により電荷に変換され、ＭＩＳ型ＰＤ１０１内に蓄積される。その後、ＴＦＴ駆動回路に接続された転送用ＴＦＴ駆動配線１０３により転送用ＴＦＴ１０２を動作させ、この蓄積電荷を転送用ＴＦＴ１０２のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線１０４に転送し、信号処理回路にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換され出力される。その後、信号処理回路に接続されたリセット用ＴＦＴ駆動配線１２１によりリセット用ＴＦＴ１２０を動作させ、ＭＩＳ型ＰＤ１０１をリセットする。このとき、シールド配線１０６は、常にＧＮＤ等の定電位に固定されている。
【００３４】
本実施形態では、センサ素子下に配置されたシールド配線１０６がＧＮＤに接続されており、センサ素子の個別電極が電位変動を起こしても、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成できる。また、信号線１０４とオーバーラップしない為、シールド線と信号線で寄生容量を形成せずセンサ感度の劣化も抑えられる。
【００３５】
本実施形態では、シールド配線幅は、各ＴＦＴのチャネル幅と同一である場合を示したが、各ＴＦＴ駆動配線とのクロス部容量を減らす為に、各ＴＦＴ駆動配線とのクロス部にてチャネル幅より細い配線幅を使用することも可能である。
【００３６】
［実施形態３］
本発明の実施形態３におけるＭＩＳ型ＰＤを用いた固体撮像装置について述べる。
【００３７】
図９は実施形態３の３×３画素の模式的等価回路図、図１０は同じく１画素の模式的平面図、図１１は同じく４画素の模式的平面図、図１２は同じく模式的断面図である。
【００３８】
実施形態１と同一の符号は同一の構成要素である。
【００３９】
図９、図１０において、１０１はＭＩＳ型ＰＤ、１０４は信号線、１０５はセンサバイアス配線、１０６はシールド配線（ＧＮＤ配線）、１０８はコンタクトホール、１０９はセンサ下部電極、１２０はリセット用ＴＦＴ、１２１はリセット用ＴＦＴ駆動配線、１２３は蓄積容量、１２４，１２５はソースフォロア（ＳＦＡ）を形成するスイッチ用、読み出し用ＴＦＴ、１２６はリセット配線、１２７は蓄積容量１２３とシールド配線１０６を結ぶコンタクトホール、１２８はスイッチ用ＴＦＴ駆動配線、１３０は読み出し用ＴＦＴ駆動電極である。
【００４０】
図１２は、図１０中の矢印で示した部分の模式的断面図である。１１０はガラス等の絶縁性基板、１１１はＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜、１１２はａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層、１１３は第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）、１１４，１１５はＳＩＮ・ＳＩＯ2・ＢＣＢ・ＰＩ等の層間絶縁膜、１１６はＳＩＮ・ＳＩＯ2等の絶縁膜、１１７はａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層、１１８はマイクロクリスタルシリコンまたはａ−Ｓｉ等から成る第２のｎ+層（ホールブロッキング層）、１１９はＩＴＯ・ＳｎＯ2等の透明電極層、１２２はリセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１２９はスイッチ用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３１は読み出し用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３２はＳｉＮ・ＰＩ（ポリイミド）等の保護層、１３３はコンタクトホール、１３４は接着層、１３５は蛍光体層である。
【００４１】
なお、図１２では、１２１、１２８、１３０はゲート電極層、１０５はセンサバイアス電極層、１０６はシールド電極層として示されている。
【００４２】
絶縁膜１１６、第２のアモルファス半導体層１１７、及び第２のｎ+層１１８は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１の光電変換層を構成する。ゲート電極層１２１、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、リセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１２２は、リセット用ＴＦＴ１２０を構成する。ゲート電極層１２８、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、スイッチ用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１２９は、スイッチ用ＴＦＴ１２４を構成する。リセット用ＴＦＴ１２０及びスイッチ用ＴＦＴ１２４上に、光電変換層が積層されて、両ＴＦＴは光電変換層に覆われている。
【００４３】
シールド電極層１０６は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１とリセット用ＴＦＴ１２０との間、及びＭＩＳ型ＰＤ１０１とスイッチ用ＴＦＴ１２４との間に配置されている。
【００４４】
Ｘ線等の放射線は図１０の紙面上部より入射し、蛍光体層１３５により可視光に変換される。変換光は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１により電荷に変換され、コンタクトホール１０８、１３３を介して、蓄積容量１２３内に蓄積される。この蓄積電荷に見合った電位変動を読み出し用ＴＦＴ１２５のゲート電極に発生させる。その後、スイッチ用ＴＦＴ駆動配線１２８によりスイッチ用ＴＦＴ１２４を動作させ、読み出し用ＴＦＴ１２５のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線１０４を通して読み出し、信号処理回路にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換され出力される。その後、信号処理回路に接続されたリセット用ＴＦＴ駆動配線１２１によりリセット用ＴＦＴ１２０を動作させ、蓄積容量１２３をリセットする。このとき、シールド配線１０６は、常にＧＮＤ等の定電位に固定されている。
【００４５】
本実施形態では、センサ素子下に配置されたシールド配線１０６がＧＮＤに接続されており、センサ素子の個別電極が電位変動を起こしても、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成できる。また、信号線１０４とオーバーラップしない為、シールド線と信号線で寄生容量を形成せずセンサ感度の劣化も抑えられる。
【００４６】
本実施形態では、シールド配線部は、２つのＴＦＴ部と蓄積容量部上に配置する場合を示したが、３つのＴＦＴ部と蓄積容量部上に配置することも可能である。
【００４７】
以上説明した本発明の実施形態１〜３の間接型については、光電変換素子としてＭＩＳ型ＰＤを用いた場合を示したが、ＰＩＮ型ＰＤを用いることも可能である。ＰＩＮ型ＰＤの場合、光電変換層は、絶縁膜１１６、第２のアモルファス半導体層１１７、第２のｎ+層１１８の代わりにｐ+層、第２のアモルファス半導体層、第２のｎ+層となる。
【００４８】
［実施形態４］
本発明の実施形態４における直接型の放射線撮像装置について述べる。
【００４９】
図１３は、直接型の放射線変換層を用いた場合の模式的断面図である。１１０はガラス等の絶縁性基板、１１１はＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜、１１２はａ−Ｓｉ等のアモルファス半導体層、１１３はｎ+層（オ−ミックコンタクト層）、１１４，１１５はＳＩＮ・ＳＩＯ2・ＢＣＢ・ＰＩ等の層間絶縁膜、１２０はリセット用ＴＦＴ、１２３は蓄積容量、１２４，１２５はソースフォロア（ＳＦＡ）を形成するスイッチ用、読み出し用ＴＦＴ、１２１はリセット用ＴＦＴ駆動配線、１２２はリセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１２８はスイッチ用ＴＦＴ駆動配線、１２９はスイッチ用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３０は読み出し用ＴＦＴ駆動電極、１３１は読み出し用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３２はＳｉＮ・ＰＩ（ポリイミド）等の保護層、１３３はコンタクトホール、１４５は放射線を直接電荷に変換する放射線変換層である。
【００５０】
回路図は、１０１のＭＩＳ型フォトダイオードの代わりに放射線変換層１４５が用いられる以外は、図９と同一である。放射線変換層としては、直接型のａ−Ｓｅ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等が用いられる。
【００５１】
なお、図１３では、１２１、１２８、１３０はゲート電極層、１０５はセンサバイアス電極層、１０６はシールド電極層として示されている。
【００５２】
リセット用ＴＦＴ１２０、及び読み出し用ＴＦＴ１２４の層構成は、実施形態３と同様である。リセット用ＴＦＴ１２０、及び読み出し用ＴＦＴ１２４上に放射線変換層１４５が積層されて、両ＴＦＴは放射線変換層１４５に覆われている。
【００５３】
また、シールド電極層１０６は、放射線変換層１４５とリセット用ＴＦＴ１２０との間、及び放射線変換層１４５とスイッチ用ＴＦＴ１２４との間に配置されている。
【００５４】
Ｘ線等の放射線は図１３の放射線変換層上部より入射し、放射線変換層１４５により直接電荷に変換される。コンタクトホール１０８、１３３を介して、蓄積容量部１２３内に蓄積される。この蓄積電荷に見合った電位変動を読み出し用ＴＦＴ１２５のゲート電極に発生させる。その後、スイッチ用駆動配線１２８によりスイッチ用ＴＦＴ１２４を動作させ、読み出し用ＴＦＴ１２５のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線１０４を通して読み出し、信号処理回路にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換され出力される。その後、信号処理回路に接続されたリセット用ＴＦＴ駆動配線１２１によりリセット用ＴＦＴ１２０を動作させ、蓄積容量１２３をリセットする。このとき、シールド配線１０６は、常にＧＮＤ等の定電位に固定されている。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様を以下のとおり列挙する。
【００５６】
［実施態様１］ 複数の光電変換素子と複数のスイッチ素子を有する固体撮像装置において、１つ以上のスイッチ素子の上に光電変換素子が積層され、前記スイッチ素子と前記光電変換素子との間にシールド電極層を配置したことを特徴とする固体撮像装置。
【００５７】
［実施態様２］１つの光電変換素子と１つ以上のスイッチ素子を１画素に配置したことを特徴とする実施態様１に記載の固体撮像装置。
【００５８】
［実施態様３］ 前記光電変換素子は光電変換層を有し、前記光電変換層は、絶縁層、半導体層、高不純物濃度の半導体層で構成されされていることを特徴とする実施態様１又は２に記載の固体撮像装置。
【００５９】
［実施態様４］ 前記光電変換素子は光電変換層を有し、前記光電変換層は、第１の高不純物濃度の半導体層、半導体層、前記第１の高不純物濃度の半導体層とは反対導電型の第２の高不純物濃度の半導体層で構成されていることを特徴とする実施態様１又は２に記載の固体撮像装置。
【００６０】
［実施態様５］ 前記シールド電極層は、前記スイッチ素子のソース・ドレイン電極の一方に接続された信号線上に積層されていないことを特徴とする実施態様１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【００６１】
［実施態様６］ 前記第シールド電極層は、一定電位に保持されていることを特徴とする実施態様１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【００６２】
［実施態様７］ 前記第シールド電極層は、ＧＮＤに接続されていることを特徴とする実施態様６に記載の固体撮像装置。
【００６３】
［実施態様８］ 前記スイッチ素子はＴＦＴで構成され、シールド電極層は前記ＴＦＴのチャネル上部を覆うよう配置されていることを特徴とする実施態様１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【００６４】
［実施態様９］ 前記シールド電極層は、前記ＴＦＴのチャネル幅以下でＴＦＴ駆動配線とクロスするよう配置されていることを特徴とする実施態様８に記載の固体撮像装置。
【００６５】
［実施態様１０］ 前記シールド電極層は、高融点金属で形成されていることを特徴とする実施態様１〜９のいずれかに記載の固体撮像装置。
【００６６】
［実施態様１１］ 前記シールド電極層は、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、またはチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデンタングステン（ＭｏＷ）で形成されていることを特徴とする実施態様１０に記載の固体撮像装置。
【００６７】
［実施態様１２］ 前記シールド電極層は、ゲート電極層、ソース・ドレイン電極層、センサバイアス電極層よりも薄い電極層であることを特徴とする実施態様１に記載の固体撮像装置。
【００６８】
［実施態様１３］ 前記固体撮像装置は、ゲート電極層、ゲート絶縁層、第１のアモルファス半導体層、第１ｎ型半導体層、ソース・ドレイン電極層、第１層間絶縁層、シールド電極層、第２層間絶縁層、センサ下電極層、絶縁層、第２のアモルファス半導体層、第２ｎ型半導体層、透明電極層、センサバイアス電極層で構成されていることを特徴とする実施態様１に記載の固体撮像装置。
【００６９】
［実施態様１４］１つの光電変換素子と１つ以上のＴＦＴを１画素に配置したことを特徴とする実施態様１３に記載の固体撮像装置。
【００７０】
［実施態様１５］ 実施態様１〜９のいずれかに記載の固体撮像装置における光電変換素子上に波長変換体を配置したことを特徴とする放射線撮像装置。
【００７１】
［実施態様１６］１つの光電変換素子と１つ以上のスイッチ素子を１画素に配置したことを特徴とする実施態様１５に記載の放射線撮像装置。
【００７２】
［実施態様１７］ 放射線を直接電荷に変換する放射線変換層と複数のスイッチ素子を有する放射線撮像装置において、１つ以上のスイッチ素子の上に放射線変換層が積層され、前記スイッチ素子と前記放射線変換層との間にシールド電極層を配置したことを特徴とする固体撮像装置。
【００７３】
［実施態様１８］前記放射線撮像装置は、ゲート電極層、ゲート絶縁層、第１のアモルファス半導体層、第１ｎ型半導体層、ソース・ドレイン電極層、第１層間絶縁層、シールド電極層、第２層間絶縁層、センサ下電極層、放射線変換層、センサバイアス電極層で構成されていることを特徴とする実施態様１７に記載の放射線撮像装置。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、センサ素子下に配置されたシールド配線により、センサ素子の個別電極が電位変動を起こしても、スイッチ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成できる。さらに、信号線とオーバーラップしない為、シールド配線と信号線の寄生容量が低減でき、センサ感度の劣化も抑えられる。
【００７５】
また、スイッチ素子の駆動配線とのクロス部にてチャネル幅より細い配線幅を使用することにより、ゲート配線容量の低減も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１における固体撮像装置の３×３画素の模式的等価回路図
【図２】 同じく１画素の模式的平面図
【図３】 同じく４画素の模式的平面図
【図４】 同じく模式的断面図
【図５】 本発明の実施形態２における固体撮像装置の３×３画素の模式的等価回路図
【図６】 同じく１画素の模式的平面図
【図７】 同じく４画素の模式的平面図
【図８】 同じく模式的断面図
【図９】 本発明の実施形態３における固体撮像装置の３×３画素の模式的等価回路図
【図１０】 同じく１画素の模式的平面図
【図１１】 同じく４画素の模式的平面図
【図１２】 同じく模式的断面図
【図１３】 本発明の実施形態４における放射線撮像装置の模式的断面図
【符号の説明】
１０１ フォトダイオード
１０２ 転送用ＴＦＴ
１０３ 転送用ＴＦＴ駆動配線（ゲート電極層）
１０４ 信号線
１０５ センサバイアス配線（センサバイアス電極層）
１０６ シールド配線（シールド電極層）
１０７ 転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極
１０８ コンタクトホール
１０９ センサ下部電極
１１０ 絶縁性基板
１１１ ゲート絶縁膜
１１２ 第１のアモルファス半導体層
１１３ 第１のｎ+層
１１４，１１５ 層間絶縁膜
１１６ 絶縁膜
１１７ 第２のアモルファス半導体層
１１８ 第２のｎ+層
１１９ 透明電極層
１２０ リセット用ＴＦＴ
１２１ リセット用ＴＦＴ駆動配線（ゲート電極層）
１２２ リセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極
１２３ 蓄積容量
１２４ スイッチ用ＴＦＴ
１２５ 読み出し用ＴＦＴ
１２８ スイッチ用ＴＦＴ駆動配線（ゲート電極層）
１２９ スイッチ用ＴＦＴソース・ドレイン電極
１３０ 読み出し用ＴＦＴ駆動電極（ゲート電極層）
１３１ 読み出し用ＴＦＴソース・ドレイン電極
１３５ 蛍光体層
１４５ 放射線変換層
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療画像診断装置、非破壊検査装置、分析装置等に応用されているＸ線、α線、β線、γ線等の放射線を検出する放射線撮像装置、特に、非単結晶シリコン、例えば、非晶質シリコン（以下、ａ−Ｓｉと略記）を用いたセンサ素子とＴＦＴ素子により構成されたセンサアレイと、放射線を可視光等に変換する蛍光体とを組み合わせたフラットパネル検出器（以下、ＦＰＤと略記）に利用される固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の液晶ディスプレイ用ＴＦＴ技術の進歩、情報インフラの整備が充実した現在では、ＦＰＤが提案され、医療画像分野においても大面積、且つ、デジタル化が達成されている。
【０００３】
このＦＰＤは、放射線画像を瞬時に読み取り、瞬時にディスプレイ上に表示できるものであり、また、画像は、デジタル情報として直接取り出すことが可能であるため、データの保管、或いは、加工、転送等取り扱いが便利であると言った特徴がある。また、感度等の諸特性は、撮影条件に依存するが、従来のスクリーンフィルム系撮影法、コンピューティッドラジオグラフィ撮影法に比較して、同等又はそれ以上である事が確認されている。
【０００４】
ＦＰＤの製品化が達成されている一方、更なる感度向上を目指して種々の提案がなされている。例えば、下記非特許文献１による報告では、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層した構造が開示されている。本従来例は、前記構造を採用することでセンサ素子の開口率を向上させ、感度向上が可能としている。また、この時、ＴＦＴはセンサ素子の直下に配置されているため、不要な寄生容量を形成し、故に、接地されたプレーンを配置することが記載されている。
【０００５】
また、下記特許文献１による提案においては、同様に、開口率を向上させるため、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造が示されている。本従来例では、ＴＦＴのソース・ドレイン電極に接続された電極がＴＦＴ素子上を被覆し、且つ、センサ個別電極となっている構造である。
【０００６】
一方、下記特許文献２による提案においても、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層し、開口率の向上を目的とした構造が示されている。本従来例では、ＴＦＴ素子上に層間膜を介して、センサ素子が積層されている構造である。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５４９８８８０号明細書、Du Pont
【特許文献２】
特開２０００−１５６５２２号公報、Canon
【非特許文献１】
SPIE Medical Imaging VI,February 23-27,1992,L.E Antonuk等
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造のＦＰＤにおいては、センサ素子の個別電極がＴＦＴ素子のバックゲート電極として作用し、個別電極の電位変動により、ＴＦＴ素子のリークと言った問題を発生させ、画像品位の劣化となって現れる。
【０００９】
例えば、センサ出力が大きい領域と小さい領域が隣接した場合、境界がにじむ様なクロストークが現れる。また、センサ飽和出力が低下し、ダイナミックレンジが低下するといった問題が生じる。
【００１０】
［発明の目的］
そこで、本発明の目的は、スイッチ素子（ＴＦＴ素子）とその上部に積層されたセンサ部の間に、シールド層を設ける事により、スイッチ素子上に配置したセンサ素子の個別電極が電位変動を起こした場合においても、スイッチ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、基板と、
前記基板上に配置された薄膜トランジスタ及び前記薄膜トランジスタ上に少なくともチャネル部を覆って配置された光電変換素子を有する画素と、
前記薄膜トランジスタと前記光電変換素子との間に配置されたシールド電極層と、を有する固体撮像装置であって、
前記薄膜トランジスタは、前記基板側に配置されたゲート電極を有し、
前記シールド電極層は、前記チャネル部を覆い、かつ、信号配線上と、ソース及びドレイン電極のうち信号配線に接続された一方の電極上とを除いて配置されていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の固体撮像装置は、基板と、
前記基板上に配置された薄膜トランジスタと、
前記薄膜トランジスタ上に少なくともチャネル部を覆って配置された放射線を直接電荷に変換する放射線変換層と、を有する放射線撮像装置であって、
前記薄膜トランジスタと前記放射線変換層との間に配置されたシールド電極層を有し、
前記薄膜トランジスタは、前記基板側に配置されたゲート電極を有し、
前記シールド電極層は、前記チャネル部を覆い、かつ、信号配線上と、ソース及びドレイン電極のうち信号配線に接続された一方の電極上とを除いて配置されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
［実施形態１］
本発明の実施形態１におけるＭＩＳ型フォトダイオード（以下、ＰＤと略記）を用いた固体撮像装置について述べる。
【００１５】
図１は実施形態１の３×３画素の模式的等価回路図、図２は同じく１画素の模式的平面図、図３は同じく４画素の模式的平面図、図４は同じく模式的断面図である。
【００１６】
図１、図２において、１０１は光電変換素子（センサ素子）であるＭＩＳ型ＰＤ、１０２はスイッチ素子である転送用ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、１０３は転送用ＴＦＴ駆動配線、１０４は信号線、１０５はセンサバイアス配線、１０６はシールド配線（ＧＮＤ配線）、１０７は転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１０８はコンタクトホール、１０９はセンサ下部電極層である。
【００１７】
図４において、１１０はガラス等の絶縁性基板、１１１はＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜、１１２はａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層、１１３は第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）、１１４，１１５はＳＩＮ・ＳＩＯ2・ＢＣＢ・ＰＩ等の層間絶縁膜、１１６はＳＩＮ・ＳＩＯ2等の絶縁膜、１１７はａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層、１１８はマイクロクリスタルシリコンまたはａ−Ｓｉ等から成る第２のｎ+層（ホールブロッキング層）、１１９はＩＴＯ・ＳｎＯ2等の透明電極層、１３２はＳｉＮ・ＰＩ（ポリイミド）等の保護層、１３４は接着層、１３５は波長変換体としての蛍光体層である。
【００１８】
なお、図４では、１０３、１０５、１０６はそれぞれゲート電極層、センサバイアス電極層、シールド電極層として示されている。
【００１９】
絶縁膜１１６、ａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層１１７、及び第２のｎ+層１１８はＭＩＳ型ＰＤ１０１の光電変換層を構成する。ゲート電極層１０３、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１０７は、転送用ＴＦＴ１０２を構成する。転送用ＴＦＴ１０２上に、光電変換層が積層されて、転送用ＴＦＴ１０２は光電変換層に覆われている。
【００２０】
シールド電極層１０６は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１と転送用ＴＦＴ１０２との間に配置されている。
【００２１】
Ｘ線等の放射線は図２の紙面上部より入射し、蛍光体層１３５により可視光に変換される。変換光は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１により電荷に変換され、ＭＩＳ型ＰＤ１０１内に蓄積される。その後、ＴＦＴ駆動回路により転送用ＴＦＴ駆動配線１０３により転送用ＴＦＴ１０２を動作させ、この蓄積電荷を転送用ＴＦＴ１０２のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線１０４に転送し、信号処理回路にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換され出力される。このとき、シールド配線１０６は、常にＧＮＤ等の定電位に固定されている。
【００２２】
本実施形態では、センサ素子下に配置されたシールド配線１０６がＧＮＤに接続されており、センサ素子の個別電極が電位変動を起こしても、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成できる。また、信号線１０４とオーバーラップしない為、シールド配線と信号線との間で寄生容量を形成せずセンサ感度の劣化も抑えられる。
【００２３】
本実施形態では、シールド配線幅は、ＴＦＴのチャネル幅と同一である場合を示したが、転送用ＴＦＴ駆動配線１０３とのクロス部容量を減らす為に、転送ＴＦＴ用駆動配線１０３とのクロス部にてチャネル幅より細い配線幅を使用することも可能である。
【００２４】
また、シールド配線１０６は、一定電位であれば良く、ＧＮＤ以外の定電圧とすることも可能である。シールド配線抵抗は高くでもかまわないので、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等の高融点金属配線が使用でき、製造プロセス上の制約が軽減される。さらに、ゲート電極を含む層、ソース・ドレイン電極を含む層、シールド電極を含む層、センサバイアス電極を含む層の中では、シールド電極層を最も薄い配線として段差を低減し、その上部に積層されるセンサ部の段差を低減し、歩留まりの向上を図ることもできる。これは、シールド電極層はその他の電極層に比べて、電気抵抗値が大きくてもよいためである。
【００２５】
［実施形態２］
本発明の実施形態２におけるＭＩＳ型ＰＤを用いた固体撮像装置について述べる。
【００２６】
図５は実施形態２の３×３画素の模式的等価回路図、図６は同じく１画素の模式的平面図、図７は同じく４画素の模式的平面図、図８は同じく模式的断面図である。
【００２７】
実施形態１と同一の符号は同一の構成要素である。
【００２８】
図５、図６において、１０１はＭＩＳ型ＰＤ、１０２は転送用ＴＦＴ、１０３は転送用ＴＦＴ駆動配線、１０４は信号線、１０５はセンサバイアス配線、１０６はシールド配線（ＧＮＤ配線）、１０８はコンタクトホール、１０９はセンサ下部電極層、１２０はスイッチ素子であるリセット用ＴＦＴ、１２１はリセット用ＴＦＴ駆動配線、１２６はリセット配線である。
【００２９】
図８において、１１０はガラス等の絶縁性基板、１１１はＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜、１１２はａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層、１１３は第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）、１１４，１１５はＳＩＮ・ＳＩＯ2・ＢＣＢ・ＰＩ等の層間絶縁膜、１１６はＳＩＮ・ＳＩＯ2等の絶縁膜、１１７はａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層、１１８はマイクロクリスタルシリコンまたはａ−Ｓｉ等から成る第２のｎ+層（ホールブロッキング層）、１１９はＩＴＯ・ＳｎＯ2等の透明電極層、１０７は転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１２２はリセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３２はＳｉＮ・ＰＩ（ポリイミド）等の保護層、１３４は接着層、１３５は蛍光体層である。
【００３０】
なお、図８では、１０３、１２１はゲート電極層、１０５はセンサバイアス電極層、１０６はシールド電極層として示されている。
【００３１】
絶縁膜１１６、ａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層１１７、及び第２のｎ+層１１８は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１の光電変換層を構成する。ゲート電極層１０３、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１０７は、転送用ＴＦＴ１０２を構成する。ゲート電極層１２１、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、リセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１２２は、リセット用ＴＦＴ１２０を構成する。転送用ＴＦＴ１０２及びリセット用ＴＦＴ１２０上に、光電変換層が積層されて、両ＴＦＴは光電変換層に覆われている。
【００３２】
シールド電極層１０６は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１と転送用ＴＦＴ１０２との間、及びＭＩＳ型ＰＤ１０１とリセット用ＴＦＴ１２０との間に配置されている。
【００３３】
Ｘ線等の放射線は図６の紙面上部より入射し、蛍光体層１３５により可視光に変換される。変換光は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１により電荷に変換され、ＭＩＳ型ＰＤ１０１内に蓄積される。その後、ＴＦＴ駆動回路に接続された転送用ＴＦＴ駆動配線１０３により転送用ＴＦＴ１０２を動作させ、この蓄積電荷を転送用ＴＦＴ１０２のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線１０４に転送し、信号処理回路にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換され出力される。その後、信号処理回路に接続されたリセット用ＴＦＴ駆動配線１２１によりリセット用ＴＦＴ１２０を動作させ、ＭＩＳ型ＰＤ１０１をリセットする。このとき、シールド配線１０６は、常にＧＮＤ等の定電位に固定されている。
【００３４】
本実施形態では、センサ素子下に配置されたシールド配線１０６がＧＮＤに接続されており、センサ素子の個別電極が電位変動を起こしても、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成できる。また、信号線１０４とオーバーラップしない為、シールド線と信号線で寄生容量を形成せずセンサ感度の劣化も抑えられる。
【００３５】
本実施形態では、シールド配線幅は、各ＴＦＴのチャネル幅と同一である場合を示したが、各ＴＦＴ駆動配線とのクロス部容量を減らす為に、各ＴＦＴ駆動配線とのクロス部にてチャネル幅より細い配線幅を使用することも可能である。
【００３６】
［実施形態３］
本発明の実施形態３におけるＭＩＳ型ＰＤを用いた固体撮像装置について述べる。
【００３７】
図９は実施形態３の３×３画素の模式的等価回路図、図１０は同じく１画素の模式的平面図、図１１は同じく４画素の模式的平面図、図１２は同じく模式的断面図である。
【００３８】
実施形態１と同一の符号は同一の構成要素である。
【００３９】
図９、図１０において、１０１はＭＩＳ型ＰＤ、１０４は信号線、１０５はセンサバイアス配線、１０６はシールド配線（ＧＮＤ配線）、１０８はコンタクトホール、１０９はセンサ下部電極、１２０はリセット用ＴＦＴ、１２１はリセット用ＴＦＴ駆動配線、１２３は蓄積容量、１２４，１２５はソースフォロア（ＳＦＡ）を形成するスイッチ用、読み出し用ＴＦＴ、１２６はリセット配線、１２７は蓄積容量１２３とシールド配線１０６を結ぶコンタクトホール、１２８はスイッチ用ＴＦＴ駆動配線、１３０は読み出し用ＴＦＴ駆動電極である。
【００４０】
図１２は、図１０中の矢印で示した部分の模式的断面図である。１１０はガラス等の絶縁性基板、１１１はＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜、１１２はａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層、１１３は第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）、１１４，１１５はＳＩＮ・ＳＩＯ2・ＢＣＢ・ＰＩ等の層間絶縁膜、１１６はＳＩＮ・ＳＩＯ2等の絶縁膜、１１７はａ−Ｓｉ等の第２のアモルファス半導体層、１１８はマイクロクリスタルシリコンまたはａ−Ｓｉ等から成る第２のｎ+層（ホールブロッキング層）、１１９はＩＴＯ・ＳｎＯ2等の透明電極層、１２２はリセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１２９はスイッチ用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３１は読み出し用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３２はＳｉＮ・ＰＩ（ポリイミド）等の保護層、１３３はコンタクトホール、１３４は接着層、１３５は蛍光体層である。
【００４１】
なお、図１２では、１２１、１２８、１３０はゲート電極層、１０５はセンサバイアス電極層、１０６はシールド電極層として示されている。
【００４２】
絶縁膜１１６、第２のアモルファス半導体層１１７、及び第２のｎ+層１１８は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１の光電変換層を構成する。ゲート電極層１２１、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、リセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１２２は、リセット用ＴＦＴ１２０を構成する。ゲート電極層１２８、ＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜１１１、ａ−Ｓｉ等の第１のアモルファス半導体層１１２、第１のｎ+層（オ−ミックコンタクト層）１１３、スイッチ用ＴＦＴソース・ドレイン電極層１２９は、スイッチ用ＴＦＴ１２４を構成する。リセット用ＴＦＴ１２０及びスイッチ用ＴＦＴ１２４上に、光電変換層が積層されて、両ＴＦＴは光電変換層に覆われている。
【００４３】
シールド電極層１０６は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１とリセット用ＴＦＴ１２０との間、及びＭＩＳ型ＰＤ１０１とスイッチ用ＴＦＴ１２４との間に配置されている。
【００４４】
Ｘ線等の放射線は図１０の紙面上部より入射し、蛍光体層１３５により可視光に変換される。変換光は、ＭＩＳ型ＰＤ１０１により電荷に変換され、コンタクトホール１０８、１３３を介して、蓄積容量１２３内に蓄積される。この蓄積電荷に見合った電位変動を読み出し用ＴＦＴ１２５のゲート電極に発生させる。その後、スイッチ用ＴＦＴ駆動配線１２８によりスイッチ用ＴＦＴ１２４を動作させ、読み出し用ＴＦＴ１２５のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線１０４を通して読み出し、信号処理回路にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換され出力される。その後、信号処理回路に接続されたリセット用ＴＦＴ駆動配線１２１によりリセット用ＴＦＴ１２０を動作させ、蓄積容量１２３をリセットする。このとき、シールド配線１０６は、常にＧＮＤ等の定電位に固定されている。
【００４５】
本実施形態では、センサ素子下に配置されたシールド配線１０６がＧＮＤに接続されており、センサ素子の個別電極が電位変動を起こしても、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成できる。また、信号線１０４とオーバーラップしない為、シールド線と信号線で寄生容量を形成せずセンサ感度の劣化も抑えられる。
【００４６】
本実施形態では、シールド配線部は、２つのＴＦＴ部と蓄積容量部上に配置する場合を示したが、３つのＴＦＴ部と蓄積容量部上に配置することも可能である。
【００４７】
以上説明した本発明の実施形態１〜３の間接型については、光電変換素子としてＭＩＳ型ＰＤを用いた場合を示したが、ＰＩＮ型ＰＤを用いることも可能である。ＰＩＮ型ＰＤの場合、光電変換層は、絶縁膜１１６、第２のアモルファス半導体層１１７、第２のｎ+層１１８の代わりにｐ+層、第２のアモルファス半導体層、第２のｎ+層となる。
【００４８】
［実施形態４］
本発明の実施形態４における直接型の放射線撮像装置について述べる。
【００４９】
図１３は、直接型の放射線変換層を用いた場合の模式的断面図である。１１０はガラス等の絶縁性基板、１１１はＳＩＮ・ＳＩＯ2等のゲート絶縁膜、１１２はａ−Ｓｉ等のアモルファス半導体層、１１３はｎ+層（オ−ミックコンタクト層）、１１４，１１５はＳＩＮ・ＳＩＯ2・ＢＣＢ・ＰＩ等の層間絶縁膜、１２０はリセット用ＴＦＴ、１２３は蓄積容量、１２４，１２５はソースフォロア（ＳＦＡ）を形成するスイッチ用、読み出し用ＴＦＴ、１２１はリセット用ＴＦＴ駆動配線、１２２はリセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１２８はスイッチ用ＴＦＴ駆動配線、１２９はスイッチ用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３０は読み出し用ＴＦＴ駆動電極、１３１は読み出し用ＴＦＴソース・ドレイン電極層、１３２はＳｉＮ・ＰＩ（ポリイミド）等の保護層、１３３はコンタクトホール、１４５は放射線を直接電荷に変換する放射線変換層である。
【００５０】
回路図は、１０１のＭＩＳ型フォトダイオードの代わりに放射線変換層１４５が用いられる以外は、図９と同一である。放射線変換層としては、直接型のａ−Ｓｅ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等が用いられる。
【００５１】
なお、図１３では、１２１、１２８、１３０はゲート電極層、１０５はセンサバイアス電極層、１０６はシールド電極層として示されている。
【００５２】
リセット用ＴＦＴ１２０、及び読み出し用ＴＦＴ１２４の層構成は、実施形態３と同様である。リセット用ＴＦＴ１２０、及び読み出し用ＴＦＴ１２４上に放射線変換層１４５が積層されて、両ＴＦＴは放射線変換層１４５に覆われている。
【００５３】
また、シールド電極層１０６は、放射線変換層１４５とリセット用ＴＦＴ１２０との間、及び放射線変換層１４５とスイッチ用ＴＦＴ１２４との間に配置されている。
【００５４】
Ｘ線等の放射線は図１３の放射線変換層上部より入射し、放射線変換層１４５により直接電荷に変換される。コンタクトホール１０８、１３３を介して、蓄積容量部１２３内に蓄積される。この蓄積電荷に見合った電位変動を読み出し用ＴＦＴ１２５のゲート電極に発生させる。その後、スイッチ用駆動配線１２８によりスイッチ用ＴＦＴ１２４を動作させ、読み出し用ＴＦＴ１２５のソース・ドレイン電極の一方と接続された信号線１０４を通して読み出し、信号処理回路にて処理され、更に、Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換され出力される。その後、信号処理回路に接続されたリセット用ＴＦＴ駆動配線１２１によりリセット用ＴＦＴ１２０を動作させ、蓄積容量１２３をリセットする。このとき、シールド配線１０６は、常にＧＮＤ等の定電位に固定されている。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様を以下のとおり列挙する。
【００５６】
［実施態様１］ 複数の光電変換素子と複数のスイッチ素子を有する固体撮像装置において、１つ以上のスイッチ素子の上に光電変換素子が積層され、前記スイッチ素子と前記光電変換素子との間にシールド電極層を配置したことを特徴とする固体撮像装置。
【００５７】
［実施態様２］１つの光電変換素子と１つ以上のスイッチ素子を１画素に配置したことを特徴とする実施態様１に記載の固体撮像装置。
【００５８】
［実施態様３］ 前記光電変換素子は光電変換層を有し、前記光電変換層は、絶縁層、半導体層、高不純物濃度の半導体層で構成されされていることを特徴とする実施態様１又は２に記載の固体撮像装置。
【００５９】
［実施態様４］ 前記光電変換素子は光電変換層を有し、前記光電変換層は、第１の高不純物濃度の半導体層、半導体層、前記第１の高不純物濃度の半導体層とは反対導電型の第２の高不純物濃度の半導体層で構成されていることを特徴とする実施態様１又は２に記載の固体撮像装置。
【００６０】
［実施態様５］ 前記シールド電極層は、前記スイッチ素子のソース・ドレイン電極の一方に接続された信号線上に積層されていないことを特徴とする実施態様１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【００６１】
［実施態様６］ 前記第シールド電極層は、一定電位に保持されていることを特徴とする実施態様１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【００６２】
［実施態様７］ 前記第シールド電極層は、ＧＮＤに接続されていることを特徴とする実施態様６に記載の固体撮像装置。
【００６３】
［実施態様８］ 前記スイッチ素子はＴＦＴで構成され、シールド電極層は前記ＴＦＴのチャネル上部を覆うよう配置されていることを特徴とする実施態様１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【００６４】
［実施態様９］ 前記シールド電極層は、前記ＴＦＴのチャネル幅以下でＴＦＴ駆動配線とクロスするよう配置されていることを特徴とする実施態様８に記載の固体撮像装置。
【００６５】
［実施態様１０］ 前記シールド電極層は、高融点金属で形成されていることを特徴とする実施態様１〜９のいずれかに記載の固体撮像装置。
【００６６】
［実施態様１１］ 前記シールド電極層は、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、またはチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデンタングステン（ＭｏＷ）で形成されていることを特徴とする実施態様１０に記載の固体撮像装置。
【００６７】
［実施態様１２］ 前記シールド電極層は、ゲート電極層、ソース・ドレイン電極層、センサバイアス電極層よりも薄い電極層であることを特徴とする実施態様１に記載の固体撮像装置。
【００６８】
［実施態様１３］ 前記固体撮像装置は、ゲート電極層、ゲート絶縁層、第１のアモルファス半導体層、第１ｎ型半導体層、ソース・ドレイン電極層、第１層間絶縁層、シールド電極層、第２層間絶縁層、センサ下電極層、絶縁層、第２のアモルファス半導体層、第２ｎ型半導体層、透明電極層、センサバイアス電極層で構成されていることを特徴とする実施態様１に記載の固体撮像装置。
【００６９】
［実施態様１４］１つの光電変換素子と１つ以上のＴＦＴを１画素に配置したことを特徴とする実施態様１３に記載の固体撮像装置。
【００７０】
［実施態様１５］ 実施態様１〜９のいずれかに記載の固体撮像装置における光電変換素子上に波長変換体を配置したことを特徴とする放射線撮像装置。
【００７１】
［実施態様１６］１つの光電変換素子と１つ以上のスイッチ素子を１画素に配置したことを特徴とする実施態様１５に記載の放射線撮像装置。
【００７２】
［実施態様１７］ 放射線を直接電荷に変換する放射線変換層と複数のスイッチ素子を有する放射線撮像装置において、１つ以上のスイッチ素子の上に放射線変換層が積層され、前記スイッチ素子と前記放射線変換層との間にシールド電極層を配置したことを特徴とする固体撮像装置。
【００７３】
［実施態様１８］前記放射線撮像装置は、ゲート電極層、ゲート絶縁層、第１のアモルファス半導体層、第１ｎ型半導体層、ソース・ドレイン電極層、第１層間絶縁層、シールド電極層、第２層間絶縁層、センサ下電極層、放射線変換層、センサバイアス電極層で構成されていることを特徴とする実施態様１７に記載の放射線撮像装置。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、センサ素子下に配置されたシールド配線により、センサ素子の個別電極が電位変動を起こしても、スイッチ素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成できる。さらに、信号線とオーバーラップしない為、シールド配線と信号線の寄生容量が低減でき、センサ感度の劣化も抑えられる。
【００７５】
また、スイッチ素子の駆動配線とのクロス部にてチャネル幅より細い配線幅を使用することにより、ゲート配線容量の低減も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１における固体撮像装置の３×３画素の模式的等価回路図
【図２】 同じく１画素の模式的平面図
【図３】 同じく４画素の模式的平面図
【図４】 同じく模式的断面図
【図５】 本発明の実施形態２における固体撮像装置の３×３画素の模式的等価回路図
【図６】 同じく１画素の模式的平面図
【図７】 同じく４画素の模式的平面図
【図８】 同じく模式的断面図
【図９】 本発明の実施形態３における固体撮像装置の３×３画素の模式的等価回路図
【図１０】 同じく１画素の模式的平面図
【図１１】 同じく４画素の模式的平面図
【図１２】 同じく模式的断面図
【図１３】 本発明の実施形態４における放射線撮像装置の模式的断面図
【符号の説明】
１０１ フォトダイオード
１０２ 転送用ＴＦＴ
１０３ 転送用ＴＦＴ駆動配線（ゲート電極層）
１０４ 信号線
１０５ センサバイアス配線（センサバイアス電極層）
１０６ シールド配線（シールド電極層）
１０７ 転送用ＴＦＴソース・ドレイン電極
１０８ コンタクトホール
１０９ センサ下部電極
１１０ 絶縁性基板
１１１ ゲート絶縁膜
１１２ 第１のアモルファス半導体層
１１３ 第１のｎ+層
１１４，１１５ 層間絶縁膜
１１６ 絶縁膜
１１７ 第２のアモルファス半導体層
１１８ 第２のｎ+層
１１９ 透明電極層
１２０ リセット用ＴＦＴ
１２１ リセット用ＴＦＴ駆動配線（ゲート電極層）
１２２ リセット用ＴＦＴソース・ドレイン電極
１２３ 蓄積容量
１２４ スイッチ用ＴＦＴ
１２５ 読み出し用ＴＦＴ
１２８ スイッチ用ＴＦＴ駆動配線（ゲート電極層）
１２９ スイッチ用ＴＦＴソース・ドレイン電極
１３０ 読み出し用ＴＦＴ駆動電極（ゲート電極層）
１３１ 読み出し用ＴＦＴソース・ドレイン電極
１３５ 蛍光体層
１４５ 放射線変換層
Claims (14)
- 基板と、
前記基板上に配置された薄膜トランジスタ及び前記薄膜トランジスタ上に少なくともチャネル部を覆って配置された光電変換素子を有する画素と、
前記薄膜トランジスタと前記光電変換素子との間に配置されたシールド電極層と、を有する固体撮像装置であって、
前記薄膜トランジスタは、前記基板側に配置されたゲート電極を有し、
前記シールド電極層は、前記チャネル部を覆い、かつ、信号配線上と、ソース及びドレイン電極のうち信号配線に接続された一方の電極上とを除いて配置されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記画素は、複数の薄膜トランジスタを有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換素子は光電変換層を有し、前記光電変換層は、絶縁層、半導体層、高不純物濃度の半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換素子は光電変換層を有し、前記光電変換層は、第１の高不純物濃度の半導体層、半導体層、前記第１の高不純物濃度の半導体層とは反対導電型の第２の高不純物濃度の半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
- 前記シールド電極層は、一定電位に保持されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記シールド電極層は、ＧＮＤに接続されていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
- 前記シールド電極層は、前記薄膜トランジスタの前記チャネル部のチャネル長以下の幅で、前記薄膜トランジスタを動作させるための駆動配線とクロスして配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記シールド電極層は、高融点金属で形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記シールド電極層は、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデンタングステン（ＭｏＷ）で形成されていることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
- 前記光電変換素子はセンサバイアス電極層を含み、前記シールド電極層は、前記ゲート電極、前記ソース及びドレイン電極、前記センサバイアス電極層よりも薄い電極層であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記薄膜トランジスタは、前記基板側から前記ゲート電極、ゲート絶縁層、前記チャネル部を有する第１のアモルファス半導体層、第１ｎ型半導体層、前記ソース及びドレイン電極の順で構成され、前記薄膜トランジスタ上に第１層間絶縁層、前記シールド電極層、第２層間絶縁層の順に配置され、前記光電変換素子は、前記第２層間絶縁層上にセンサ下電極層、絶縁層、第２のアモルファス半導体層、第２ｎ型半導体層、透明電極層、センサバイアス電極層の順で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 請求項１から７のいずれかに記載の固体撮像装置における前記光電変換素子上に波長変換体が配置されていることを特徴とする放射線撮像装置。
- 基板と、
前記基板上に配置された薄膜トランジスタと、
前記薄膜トランジスタ上に少なくともチャネル部を覆って配置された放射線を直接電荷に変換する放射線変換層と、を有する放射線撮像装置であって、
前記薄膜トランジスタと前記放射線変換層との間に配置されたシールド電極層を有し、
前記薄膜トランジスタは、前記基板側に配置されたゲート電極を有し、
前記シールド電極層は、前記チャネル部を覆い、かつ、信号配線上と、ソース及びドレイン電極のうち信号配線に接続された一方の電極上とを除いて配置されていることを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記薄膜トランジスタは、前記基板側から前記ゲート電極、ゲート絶縁層、前記チャネル部を有する第１のアモルファス半導体層、第１ｎ型半導体層、前記ソース及びドレイン電極の順で構成され、前記薄膜トランジスタ上に第１層間絶縁層、シールド電極層、第２層間絶縁層の順に配置され、放射線を直接電荷に変換するために、前記第２層間絶縁層上にセンサ下電極層、放射線変換層、センサバイアス電極層がこの順で構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の放射線撮像装置。
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