JP2015023054A - 放射線撮像装置および放射線撮像表示システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放射線撮像装置は、放射線に基づく信号電荷を発生する複数の画素と、複数の画素から信号電荷を読み出すための電界効果型のトランジスタとを備え、トランジスタは、活性層を含む半導体層と、半導体層に対向配置された第1ゲート電極と、半導体層と第1ゲート電極との間に設けられ、第1のシリコン酸化物膜を含む第1のゲート絶縁膜と、半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、第1のゲート絶縁膜とは異なる層に設けられた第2のシリコン酸化物膜とを有する。ここで、第1のゲート絶縁膜の第1のシリコン酸化物膜は、第2のシリコン酸化物膜よりも膜密度の小さい多孔質膜である。
【選択図】図1
Description
1.実施の形態(第1ゲート絶縁膜のシリコン酸化物膜を多孔質膜としたデュアルゲート型トランジスタを備えた放射線撮像装置の例)
2.変形例1(他の積層構造の第1ゲート絶縁膜を有するトランジスタの例)
3.変形例2(他の積層構造の第1ゲート絶縁膜を有するトランジスタの例)
4.変形例3(トップゲート型トランジスタの例)
5.変形例4(ボトムゲート型トランジスタの例)
6.変形例5(パッシブ型の他の画素回路の例)
7.変形例6(パッシブ型の他の画素回路の例)
8.変形例7−1,7−2(アクティブ型の画素回路の例)
9.適用例(放射線撮像表示システムの例)
[構成]
図1は、本開示の第1の実施の形態に係る放射線撮像装置(放射線撮像装置1)の全体のブロック構成を表すものである。放射線撮像装置1は、入射する放射線Rrad(例えばα線,β線,γ線,X線等)に基づいて被写体の情報を読み取る(被写体を撮像する)ものである。この放射線撮像装置1は、画素部11を備えると共に、この画素部11の駆動回路として、行走査部13、A/D変換部14、列走査部15およびシステム制御部16を備えている。
画素部11は、放射線に基づいて信号電荷を発生させる複数の画素(撮像画素,単位画素)20を備えたものである。複数の画素20は、行列状(マトリクス状)に2次元配置されている。尚、図1中に示したように、以下、画素部11内における水平方向(行方向)を「H」方向とし、垂直方向(列方向)を「V」方向として説明する。放射線撮像装置1は、この画素部11からの信号電荷の読み出しのためのスイッチング素子として後述のトランジスタ22を用いるものであれば、いわゆる間接変換型および直接変換型のいずれのタイプであってもよい。図2Aに、間接変換型の場合の画素部11の構成、図2Bに、直接変換型の場合の画素部11の構成をそれぞれ示す。
第2ゲート絶縁膜129および第1ゲート絶縁膜130はそれぞれ、例えば酸化シリコン(SiOx)または酸窒化シリコン(SiON)等のシリコン酸化物膜(酸素を含むシリコン化合物膜)を含んで構成されている。具体的には、第2ゲート絶縁膜129および第1ゲート絶縁膜130はそれぞれ、例えば酸化シリコンまたは酸窒化シリコン等からなる単層膜であるか、あるいはこのようなシリコン酸化物膜と、窒化シリコン(SiNx)膜等のシリコン窒化物膜とを含む積層膜である。これらの第2ゲート絶縁膜129および第1ゲート絶縁膜130のいずれにおいても、上記シリコン酸化物膜が、半導体層126側に(半導体層126に隣接して)設けられている。半導体層126が例えば上述したような材料(非晶質シリコン、微結晶シリコン,多結晶シリコンおよび酸化物半導体)からなる場合には、製造プロセス上の理由から、半導体層126に隣接して、シリコン酸化物膜が形成される。
行走査部13は、後述のシフトレジスタ回路や所定の論理回路等を含んで構成されており、画素部11内の複数の画素20に対して行単位(水平ライン単位)での駆動(線順次走査)を行う画素駆動部(行走査回路)である。具体的には、各画素20の読み出し動作やリセット動作等の撮像動作を例えば線順次走査により行う。尚、この線順次走査は、読み出し制御線Lreadを介して前述した行走査信号を各画素20へ供給することによって行われる。
A/D変換部14は、複数(ここでは4つ)の信号線Lsigごとに1つ設けられた複数の列選択部17を有しており、信号線Lsigを介して入力された信号電圧(信号電荷に応じた電圧)に基づいてA/D変換(アナログ/デジタル変換)を行うものである。これにより、デジタル信号からなる出力データDout(撮像信号)が生成され、外部へ出力される。
列走査部15は、例えば図示しないシフトレジスタやアドレスデコーダ等を含んで構成されており、上記した列選択部17内の各スイッチSW2を走査しつつ順番に駆動するものである。このような列走査部15による選択走査によって、信号線Lsigの各々を介して読み出された各画素20の信号(上記出力データDout)が、順番に外部へ出力されるようになっている。
システム制御部16は、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15の各動作を制御するものである。具体的には、システム制御部16は、前述した各種のタイミング信号(制御信号)を生成するタイミングジェネレータを有しており、このタイミングジェネレータにおいて生成される各種のタイミング信号を基に、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15の駆動制御を行う。このシステム制御部16の制御に基づいて、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15がそれぞれ画素部11内の複数の画素20に対する撮像駆動(線順次撮像駆動)を行うことにより、画素部11から出力データDoutが取得されるようになっている。
本実施の形態の放射線撮像装置1では、放射線Rradが画素部11へ入射すると、各画素20(ここでは、光電変換素子21)において、入射光に基づく信号電荷が発生する。このとき、詳細には、図3に示した蓄積ノードNにおいて、発生した信号電荷の蓄積により、ノード容量に応じた電圧変化が生じる。これにより、トランジスタ22のドレインには入力電圧Vin(信号電荷に対応した電圧)が供給される。この後、読み出し制御線Lread(Lread1,Lread2)から供給される行走査信号に応じてトランジスタ22がオン状態になると、上記した信号電荷が信号線Lsigへ読み出される。
図8は、変形例1に係るトランジスタ(トランジスタ22A)の断面構成を表したものである。上記実施の形態では、第1ゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜130)を、酸化シリコン膜130A、窒化シリコン膜130Bおよび酸化シリコン膜130Cを含む3層積層膜としたが、第1ゲート絶縁膜の積層構造はこれに限定されるものではない。例えば、本変形例のトランジスタ22Aの第1ゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜230)のように、半導体層126の側から順に酸化シリコン膜130Aおよび窒化シリコン膜130Bを積層した2層構造であってもよい。このような構造において、第1ゲート絶縁膜230に含まれる酸化シリコン膜130Aが多孔質膜となっていれば、上記実施の形態と同等の効果を得ることができる。
図9は、変形例2に係るトランジスタ(トランジスタ22B)の断面構成を表したものである。上記実施の形態では、第1ゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜130)を3層積層膜としたが、本変形例のように、第1ゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜230A)が酸化シリコン膜の単層膜から構成されていてもよい。このように、第1ゲート絶縁膜230Aを酸化シリコン膜の単層構造とした場合であっても、第1ゲート絶縁膜230Aが多孔質膜であれば、上記実施の形態と同等の効果を得ることができる。
図10は、変形例3に係るトランジスタの断面構成を表したものである。上記実施の形態では、デュアルゲート型の素子構造を例示したが、本開示のトランジスタは、本変形例のようなトップゲート型の素子構造であってもよい。本変形例の素子構造は、例えば基板110側から順に、窒化シリコン膜129A、酸化シリコン膜129B、半導体層126、第1ゲート絶縁膜134(第1のゲート絶縁膜)および第1ゲート電極120Aを有している。第1ゲート絶縁膜134は、例えば上記実施の形態の第2ゲート絶縁膜130と同様の積層構造を有している。また、第1ゲート絶縁膜134および第1ゲート電極120A上には、第1層間絶縁膜133が形成されており、この第1層間絶縁膜133と第1ゲート絶縁膜134とを貫通するコンタクトホールH1が形成されている。第1層間絶縁膜133上には、コンタクトホールH1を埋め込むようにソース・ドレイン電極128が設けられている。第1層間絶縁膜133は、第1ゲート電極120Aの側から順に、例えば酸化シリコン膜133A、窒化シリコン膜133Bおよび酸化シリコン膜133Cを有する積層膜である。第1層間絶縁膜133およびソース・ドレイン電極128を覆うように、第2層間絶縁膜132が形成されている。
図11は、変形例4に係るトランジスタの断面構成を表したものである。上記実施の形態では、デュアルゲート型の素子構造を例示したが、本開示のトランジスタは、本変形例のようなボトムゲート型の素子構造であってもよい。本変形例の素子構造は、例えば基板110側から順に、第1ゲート電極120A、第1ゲート絶縁膜129、半導体層126および酸化シリコン膜130Aを有している。また、酸化シリコン膜130A上には、第1層間絶縁膜135が形成されており、この第1層間絶縁膜135と、酸化シリコン膜130Aとを貫通するコンタクトホールH1が形成されている。第1層間絶縁膜135上には、コンタクトホールH1を埋め込むようにソース・ドレイン電極128が設けられている。第1層間絶縁膜135は、酸化シリコン膜130Aの側から順に、例えば窒化シリコン膜135Aおよび酸化シリコン膜135Bを有する積層膜である。
図12は、変形例5に係る画素(画素20A)の回路構成を、上記実施の形態で説明したチャージアンプ回路171の回路構成例と共に表したものである。本変形例の画素20Aは、実施の形態の画素20と同様にいわゆるパッシブ型の回路構成となっており、1つの光電変換素子21と1つのトランジスタ22とを有している。また、この画素20AにはH方向に沿って延在する読み出し制御線Lread(Lread1,Lread2)と、V方向に沿って延在する信号線Lsigとが接続されている。
図13は、変形例6に係る画素(画素20B)の回路構成を、上記実施の形態で説明したチャージアンプ回路171の回路構成例と共に表したものである。本変形例の画素20Bは、実施の形態の画素20と同様にいわゆるパッシブ型の回路構成を有し、1つの光電変換素子21を有すると共に、H方向に沿って延在する読み出し制御線Lread1,Lread2と、V方向に沿って延在する信号線Lsigとに接続されている。
図14は、変形例7−1に係る画素(画素20C)の回路構成を、以下説明するチャージアンプ回路171Aの回路構成例とともに表したものである。また、図15は、変形例7−2に係る画素(画素20D)の回路構成を、チャージアンプ回路171Aの回路構成例とともに表したものである。これらの変形例7−1,7−2に係る画素20C,20Dはそれぞれ、これまで説明した画素20,20A,20Bとは異なり、いわゆるアクティブ型の画素回路を有している。
続いて、上記実施の形態および変形例に係る放射線撮像装置は、以下に説明するような放射線撮像表示システムへ適用することも可能である。
(1)
放射線に基づく信号電荷を発生する複数の画素と、
前記複数の画素から前記信号電荷を読み出すための電界効果型のトランジスタとを備え、
前記トランジスタは、
活性層を含む半導体層と、
前記半導体層に対向配置された第1ゲート電極と、
前記半導体層と前記第1ゲート電極との間に設けられ、第1のシリコン酸化物膜を含む第1のゲート絶縁膜と、
前記半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
前記第1のゲート絶縁膜とは異なる層に設けられた第2のシリコン酸化物膜と
を有し、
前記第1のゲート絶縁膜の前記第1のシリコン酸化物膜は、前記第2のシリコン酸化物膜よりも膜密度の小さい多孔質膜である
放射線撮像装置。
(2)
前記トランジスタは、
前記半導体層を間にして前記第1ゲート電極と対向配置された第2ゲート電極と、
前記半導体層と前記第2ゲート電極との間に設けられ、第3のシリコン酸化物膜を含む第2のゲート絶縁膜と
を更に有する
上記(1)に記載の放射線撮像装置。
(3)
前記トランジスタは、前記第2ゲート電極上に、前記第2のゲート絶縁膜、前記半導体層、前記第1のゲート絶縁膜および前記第1ゲート電極をこの順に有し、
前記第3のシリコン酸化物膜が前記第2のシリコン酸化物膜に相当する
上記(2)に記載の放射線撮像装置。
(4)
前記トランジスタは、前記第2ゲート電極上に、前記第2のゲート絶縁膜、前記半導体層、前記第1のゲート絶縁膜および前記第1ゲート電極をこの順に有し、
前記トランジスタの前記第1ゲート電極上に、前記第2のシリコン酸化物膜を含む第1の層間絶縁膜を備え、
前記第1および第3のシリコン酸化物膜の両方が前記多孔質膜である
上記(2)に記載の放射線撮像装置。
(5)
前記多孔質膜の膜密度は、2.55g/cm3以下である
上記(1)〜(4)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(6)
前記第1のシリコン酸化物膜は、前記半導体層に隣接して形成されている
上記(1)〜(5)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(7)
前記トランジスタは、前記第2ゲート電極上に、前記第2のゲート絶縁膜、前記半導体層、前記第1のゲート絶縁膜および前記第1ゲート電極をこの順に有し、
前記トランジスタの前記第1ゲート電極上に設けられ、前記第2のシリコン酸化物膜を含む第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜、前記ソース電極および前記ドレイン電極を覆って設けられた第2の層間絶縁膜と
を更に備え、
前記第2の層間絶縁膜は前記多孔質膜となっている
上記(1)〜(6)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(8)
前記トランジスタは、前記半導体層上に、前記第1のゲート絶縁膜および前記第1ゲート電極をこの順に有する
上記(1)に記載の放射線撮像装置。
(9)
前記トランジスタは、前記第1ゲート電極上に、前記第1のゲート絶縁膜および前記半導体層をこの順に有する
上記(1)に記載の放射線撮像装置。
(10)
前記半導体層は、多結晶シリコン、微結晶シリコン、非結晶シリコンまたは酸化物半導体を含む
上記(1)〜(9)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(11)
前記半導体層は、低温多結晶シリコンを含む
上記(10)に記載の放射線撮像装置。
(12)
前記複数の画素がそれぞれ光電変換素子を有し、
前記複数の画素の光入射側に、前記放射線を前記光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換層を備えた
上記(1)〜(11)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(13)
前記光電変換素子が、PIN型のフォトダイオードまたはMIS型センサからなる
上記(12)に記載の放射線撮像装置。
(14)
前記複数の画素はそれぞれ、前記放射線を吸収して前記信号電荷を発生させるものである
上記(1)〜(11)のいずれかにに記載の放射線撮像装置。
(15)
前記放射線はX線である
上記(1)〜(14)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(16)
放射線撮像装置と、この放射線撮像装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行う表示装置とを備え、
放射線に基づく信号電荷を発生する複数の画素と、
前記複数の画素から前記信号電荷を読み出すための電界効果型のトランジスタとを備え、
前記トランジスタは、
活性層を含む半導体層と、
前記半導体層に対向配置された第1ゲート電極と、
前記半導体層と前記第1ゲート電極との間に設けられ、第1のシリコン酸化物膜を含む第1のゲート絶縁膜と、
前記半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
前記第1のゲート絶縁膜とは異なる層に設けられた第2のシリコン酸化物膜と
を有し、
前記第1のゲート絶縁膜の前記第1のシリコン酸化物膜は、前記第2のシリコン酸化物膜よりも膜密度の小さい多孔質膜である
放射線撮像表示システム。
Claims (16)
- 放射線に基づく信号電荷を発生する複数の画素と、
前記複数の画素から前記信号電荷を読み出すための電界効果型のトランジスタとを備え、
前記トランジスタは、
活性層を含む半導体層と、
前記半導体層に対向配置された第1ゲート電極と、
前記半導体層と前記第1ゲート電極との間に設けられ、第1のシリコン酸化物膜を含む第1のゲート絶縁膜と、
前記半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
前記第1のゲート絶縁膜とは異なる層に設けられた第2のシリコン酸化物膜と
を有し、
前記第1のゲート絶縁膜の前記第1のシリコン酸化物膜は、前記第2のシリコン酸化物膜よりも膜密度の小さい多孔質膜である
放射線撮像装置。 - 前記トランジスタは、
前記半導体層を間にして前記第1ゲート電極と対向配置された第2ゲート電極と、
前記半導体層と前記第2ゲート電極との間に設けられ、第3のシリコン酸化物膜を含む第2のゲート絶縁膜と
を更に有する
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記トランジスタは、前記第2ゲート電極上に、前記第2のゲート絶縁膜、前記半導体層、前記第1のゲート絶縁膜および前記第1ゲート電極をこの順に有し、
前記第3のシリコン酸化物膜が前記第2のシリコン酸化物膜に相当する
請求項2に記載の放射線撮像装置。 - 前記トランジスタは、前記第2ゲート電極上に、前記第2のゲート絶縁膜、前記半導体層、前記第1のゲート絶縁膜および前記第1ゲート電極をこの順に有し、
前記トランジスタの前記第1ゲート電極上に、前記第2のシリコン酸化物膜を含む第1の層間絶縁膜を備え、
前記第1および第3のシリコン酸化物膜の両方が前記多孔質膜である
請求項2に記載の放射線撮像装置。 - 前記多孔質膜の膜密度は、2.55g/cm3以下である
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記第1のシリコン酸化物膜は、前記半導体層に隣接して形成されている
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記トランジスタは、前記第2ゲート電極上に、前記第2のゲート絶縁膜、前記半導体層、前記第1のゲート絶縁膜および前記第1ゲート電極をこの順に有し、
前記トランジスタの前記第1ゲート電極上に設けられ、前記第2のシリコン酸化物膜を含む第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜、前記ソース電極および前記ドレイン電極を覆って設けられた第2の層間絶縁膜と
を更に備え、
前記第2の層間絶縁膜は前記多孔質膜となっている
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記トランジスタは、前記半導体層上に、前記第1のゲート絶縁膜および前記第1ゲート電極をこの順に有する
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記トランジスタは、前記第1ゲート電極上に、前記第1のゲート絶縁膜および前記半導体層をこの順に有する
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記半導体層は、多結晶シリコン、微結晶シリコン、非結晶シリコンまたは酸化物半導体を含む
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記半導体層は、低温多結晶シリコンを含む
請求項10に記載の放射線撮像装置。 - 前記複数の画素がそれぞれ光電変換素子を有し、
前記複数の画素の光入射側に、前記放射線を前記光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換層を備えた
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記光電変換素子が、PIN型のフォトダイオードまたはMIS型センサからなる
請求項12に記載の放射線撮像装置。 - 前記複数の画素はそれぞれ、前記放射線を吸収して前記信号電荷を発生させるものである
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記放射線はX線である
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 放射線撮像装置と、この放射線撮像装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行う表示装置とを備え、
放射線に基づく信号電荷を発生する複数の画素と、
前記複数の画素から前記信号電荷を読み出すための電界効果型のトランジスタとを備え、
前記トランジスタは、
活性層を含む半導体層と、
前記半導体層に対向配置された第1ゲート電極と、
前記半導体層と前記第1ゲート電極との間に設けられ、第1のシリコン酸化物膜を含む第1のゲート絶縁膜と、
前記半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
前記第1のゲート絶縁膜とは異なる層に設けられた第2のシリコン酸化物膜と
を有し、
前記第1のゲート絶縁膜の前記第1のシリコン酸化物膜は、前記第2のシリコン酸化物膜よりも膜密度の小さい多孔質膜である
放射線撮像表示システム。
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