JP4458750B2 - 放射線撮像装置、その駆動方法及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）及び光電変換素子を有する放射線撮像装置、その駆動方法及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、絶縁基板上にＴＦＴを作りこむＴＦＴマトリックスパネルの大判化や駆動速度の高速化が急速に進められている。ＴＦＴを用いた液晶パネルの製造技術は、可視光を電気信号に変換する光電変換素子を有するエリアセンサ（例えば、Ｘ線撮像装置）へと利用されており、表面にＸ線（放射線）から可視光線への変換層を配置することで放射線撮像装置としても活用されている。このようなパネルが放射線撮像装置として使用される場合、放射線撮像装置の中に、以下の３つの機能を備えた放射線モニタ基板を別に配置する必要がある。
（１）照射された放射線をモニタする。
（２）モニタした放射線量が設定値となったときに、放射線発生器に放射線照射を停止させる信号を送る。
（３）放射線の照射が終了したことをモニタし、放射線撮像装置を駆動させる信号を送り、画像を取り込む。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このため、従来の放射線撮像装置は、大型で厚く重量も重いものとなっている。しかしながら、放射線撮像装置には、携帯して使用することができるような小型で薄型の装置の要求が高い。例えば、病院内に設置されたＸ線撮影用の放射線撮像装置を持ってベッドとベッドとの間を移動したり、人が手で持ったまま撮影したりするようなときに、放射線撮像装置が小型であることが要求される。また、病院では女性の看護師が撮影装置の準備をする場合があり、このような場合にも、更なる軽量化が求められている。
【０００４】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、小型かつ軽量で、容易に持ち運びすることができる放射線撮像装置、その駆動方法及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る放射線撮像装置は、基板と、前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されていることを特徴とする。
【０００６】
第２の発明に係る放射線撮像装置の駆動方法は、放射線源と、基板と、前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されている放射線撮像装置を駆動する方法であって、前記第２の半導体変換素子を用いて前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために、前記第２の半導体変換素子の制御電極に前記薄膜トランジスタのオフ電圧を印加する工程と、前記放射線源から放射線を前記変換部に向けて照射する工程と、前記照射量がある値に到達した時に、前記放射線源からの放射線の照射を停止させる工程と、前記第１の半導体変換素子に蓄積された電荷を読み出すために、前記薄膜トランジスタの制御電極に動作電圧を印加する工程と、前記第２の半導体変換素子内の残存電荷を除去するために、前記第２の半導体変換素子の半導体層に順方向バイアスを印加する工程と、を有し、前記薄膜トランジスタの制御電極に動作電圧を印加する工程の一部と前記第２の半導体変換素子の半導体層に順方向バイアスを印加する工程とを同時に行うことを特徴とする。
【０００７】
第３の発明に係る放射線撮像装置の製造方法は、基板と、前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されている放射線撮像装置の製造方法であって、前記基板上に、同一の層から前記第１の半導体変換素子のセンサ電極、前記薄膜トランジスタの制御電極及び前記第２の半導体変換素子の制御電極を形成する工程と、前記基板の上方に、前記第１の半導体変換素子の共通電極、前記薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに前記第２の半導体変換素子のソース電極及びドレイン電極用の導電膜を形成する工程と、前記導電膜をパターニングすることにより、前記共通電極を形成する工程と、前記導電膜を更にパターニングすることにより、前記薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに前記第２の半導体変換素子のソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【０００８】
これらの本発明においては、第２の半導体変換素子を介して検出された放射線量に基づいてＡＥＣ制御を行うことが可能である。このとき、第２の半導体変換素子が、第１の半導体変換素子と同一の基板上に形成されているので、第２の半導体変換素子による放射線の減衰は生じない。また、一部の薄膜トランジスタと第２の半導体変換素子との間で両者の制御電極が互いに接続されているので、後述のように、第２の半導体変換素子の制御電極用の配線が不要となり、第１及び第２の半導体変換素子の受光面積を大きく確保することが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置、その駆動方法及びその製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１０】
（参考例）
先ず、参考例について説明する。この参考例は、本願発明者が本願発明に想到する過程で創作したものである。図１は、参考例に係る放射線撮像装置の回路構成を示す等価回路図である。図２は、参考例に係る放射線撮像装置の全体的な構成を示すレイアウト図である。図１には、画素エリアに４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、その数はこれに限定されるものではない。
【００１１】
本参考例においては、画素毎に、撮像用光電変換素子（第１の光電変換素子）とスイッチング用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）との組み合わせ、又は撮像用光電変換素子とスイッチング用ＴＦＴとＡＥＣ制御用のモニタ用光電変換素子（第２の光電変換素子）との組み合わせが設けられている。具体的には、図１中の上から第ａ行、第ｂ列の画素には、１個の撮像用光電変換素子Ｍｂａと１個のスイッチング用薄膜トランジスタＴｂａとが設けられている（ａ、ｂ＝１、２、３、４）。更に、第４列で第３行及び第４行の画素には、夫々、１個のモニタ用光電変換素子ＭＡ４３、ＭＡ４４が設けられている。また、第４列で第１行及び第２行の画素には、夫々、モニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられている。
【００１２】
また、第ｂ列に配置された４個の撮像用光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓｂに接続されており、撮像用信号処理回路部５１から一定バイアスが印加されている。第ａ行に配置された４個のスイッチング用ＴＦＴのゲート電極（制御電極）は、共通のゲート線Ｖｇａに接続されており、ゲートドライバ回路部５２によりゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。更に、第ｂ列に配置された４個のスイッチング用ＴＦＴのソース電極又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇｂに接続されている。信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、撮像用信号処理回路部５１に接続されている。
【００１３】
モニタ用光電変換素子ＭＡ４３及びＭＡ４４はＴＦＴ型のセンサであり、その各ソース電極は電源５３に接続され、各ドレイン電極はモニタ用信号処理回路部５４に接続され、各ゲート電極（制御電極）はゲートドライバ回路部５２に接続されている。電源５３からソース電極に電圧を印加することによって、ソース・ドレイン間に電位を与えると、電極間の受光部に光が照射されて発生したエレクトロン及びホールがソース・ドレイン間の電位差により各電極に輸送される。この電荷をモニタ用信号処理回路５４でリアルタイムに読み取ることで、光照射量を測定することができる。
【００１４】
図１に示すような構成の回路を、多数の画素を備えた放射線撮像装置に適用すると、例えば、図２に示すように、変換部（画素エリア）Ｔ内に、撮像用光電変換素子及びスイッチング用ＴＦＴが設けられた複数の画素が集合した領域Ｒ１、撮像用光電変換素子、スイッチング用ＴＦＴ及びモニタ用光電変換素子が設けられた複数の画素が集合した領域Ｒ２、並びに撮像用光電変換素子、スイッチング用ＴＦＴ及びモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた複数の画素が集合した領域Ｒ３が存在することとなる。
【００１５】
次に、参考例における３種類の画素の平面構成について説明する。図３は、参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子及びその引き回し配線のいずれもが設けられていない画素の平面構成を示すレイアウト図である。図４は、参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。図５は、参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。また、図６は、図３中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図７は、図４中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。なお、図３乃至図５では、半導体層をその下方に存在する制御電極等よりも内側に示しているが、これは、便宜上のものであり、この参考例では、図６及び図７に示すように、半導体層や光電変換層はその下方に存在する制御電極等よりも拡がって形成されており、また、半導体層や光電変換層の下には第１の絶縁膜が存在する。このことは、他のレイアウト図においても同様である。
【００１６】
モニタ用光電変換素子及びその引き回し配線のいずれもが設けられていない画素には、図３及び図６に示すように、絶縁基板１０上に、撮像用光電変換素子１のセンサ電極１１及びスイッチング用ＴＦＴ３の制御電極（ゲート電極）１２並びにこれらを覆う第１の絶縁膜１３が形成されている。
【００１７】
第１の絶縁膜１３上には、センサ電極１１と整合するようにして半導体層（光電変換層）１４ａ及びオーミックコンタクト層１５ａが順次積層されている。更に、オーミックコンタクト層１５ａ上に、共通電極バイアスライン１６が形成されている。この共通電極バイアスライン１６は、図１中のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４に相当する。
【００１８】
第１の絶縁膜１３上には、更に、制御電極１２と整合するようにして半導体層１４ｂが形成され、この半導体層１４ｂ上の２箇所に、オーミックコンタクト層１５ｂが形成されている。一方のオーミックコンタクト層１５ｂは、センサ電極１１の上方まで拡がっている。そして、このセンサ電極１１の上方まで拡がったオーミックコンタクト層１５ｂ上にドレイン電極１７ｄが形成され、他方のオーミックコンタクト層１５ｂ上にソース電極１７ｓが形成されている。前記一方のオーミックコンタクト層１５ｂ、半導体層１４ｂ及び第１の絶縁膜１３には、スルーホール２７が形成されており、ドレイン電極１７ｄはセンサ電極１１と電気的に接続されている。
【００１９】
そして、これらを覆う第２の絶縁膜１８が形成されている。また、図示しないが、第２の絶縁膜１８上には、Ｘ線を可視光線に変換する蛍光体層が形成されている。
【００２０】
なお、ソース電極１７ｓは信号線１９に接続されており、制御電極１２はゲート配線２０に接続されている。信号線１９は、図１中のＳｉｇ１〜Ｓｉｇ４に相当し、ゲート配線２０は、図１中のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に相当する。
【００２１】
このように構成された画素は、少なくとも領域Ｒ１に存在し、領域Ｒ２及びＲ３に存在していてもよい。
【００２２】
次に、モニタ用光電変換素子が設けられた画素の構成について説明する。この画素では、図４及び図７に示すように、絶縁基板１０上に、撮像用光電変換素子１のセンサ電極１１及びスイッチング用ＴＦＴ３の制御電極（ゲート電極）１２の他に、モニタ用光電変換素子２の制御電極２１が形成されており、第１の絶縁膜１３によりこれらの電極が覆われている。この画素と図３及び図６に示す画素と比較すると、画素の形状及び面積は同一であり、図４及び図７に示す画素では、制御電極２１が形成されているために、センサ電極１１等が小さくなっている。撮像用光電変換素子１及びスイッチング用ＴＦＴ３の構成は、撮像用光電変換素子１が小さくなっていることを除いて、図３及び図６に示す画素と同様である。
【００２３】
モニタ用光電変換素子２では、第１の絶縁膜１３上に、制御電極２１と整合するようにして半導体層（光電変換層）１４ｃが形成され、この半導体層１４ｃ上の２箇所に、オーミックコンタクト層１５ｃが形成されている。そして、２個のオーミックコンタクト層１５ｃ上に、夫々ドレイン電極２２ｄ、ソース電極２２ｓが形成されている。ドレイン電極２２ｄ、ソース電極２２ｓは、第２の絶縁膜１８に覆われている。
【００２４】
なお、図４に示すように、制御電極２１は、半導体層１４ｃよりも長く延びて形成されており、第１の絶縁膜１３の制御電極２１の両端部に整合する位置には、スルーホール２８が形成されている。そして、このスルーホール２８を介してゲート配線２０を跨ぎ、ゲート配線２０を挟んで隣り合う画素の制御電極２１同士を電気的に接続する上部配線２３が形成されている。
【００２５】
このように構成された画素は、領域Ｒ２に存在する。
【００２６】
モニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素には、図５に示すように、ドレイン電極２２ｄ用の配線２４、制御電極２１用の配線２５及びソース電極２２ｓ用の配線２６が形成されている。この画素と図３及び図６に示す画素と比較すると、画素の形状及び面積は同一であり、図５に示す画素では、配線２４乃至２６が形成されているために、センサ電極１１等が小さくなっている。撮像用光電変換素子１及びスイッチング用ＴＦＴ３の構成は、撮像用光電変換素子１が小さくなっていることを除いて、図３及び図６に示す画素と同様である。
【００２７】
このように構成された画素は、領域Ｒ３に存在する。
【００２８】
また、図６及び図７には示さないが、第２の絶縁膜１８の上方には、Ｘ線を可視光線に変換する蛍光体層が形成されている。
【００２９】
このように構成された参考例によれば、絶縁基板１０上にモニタ用光電変換素子２を撮像用光電変換素子１とは別に設けているため、放射線モニタ基板を別に配置する必要がなく、装置全体を小型化及び軽量化することが可能である。
【００３０】
しかし、この参考例では、図４に示すように、制御電極２１と上部配線２３とを接続するために、スルーホール２８を設ける必要があり、モニタ用光電変換素子２の受光面積は十分とはいい難い。また、図５に示すように、引き回し配線２４乃至２６が設けられた画素では、撮像用光電変換素子１の受光面積が、図３に示す画素と比較すると、極端に小さくなっている。従って、この参考例では、両光電変換素子１及び２の開口率が十分であるとはいえない。
【００３１】
そこで、本願発明者が更に鋭意検討を重ねた結果、制御電極２１を隣接するゲート配線２０に接続し、制御電極２１用の引き回し配線２５を除くことで、モニタ用光電変換素子２の受光面積（開口率）、及び引き回し配線が設けられた画素内の撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）を上げ、特性を向上させることができることを見出した。以下、本発明の実施形態について説明する。
【００３２】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図８は、本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。図９は、第１の実施形態に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。また、図１０は、図８中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【００３３】
第１の実施形態においては、モニタ用光電変換素子が設けられた画素では、図８及び図１０に示すように、制御電極２１がゲート配線２０に接続されている。このゲート配線２０には、同一画素内に設けられたスイッチング用ＴＦＴ３の制御電極１２も接続されている。
【００３４】
このように構成された画素は、参考例における領域Ｒ２のように、集合して配置されており、例えば、ドレイン電極２２ｄ、ソース電極２２ｓ、共通電極バイアスライン１６及び信号線１９がこれらの画素間で共有されている。
【００３５】
また、モニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素には、図９に示すように、ドレイン電極２２ｄ用の配線２４及びソース電極２２ｓ用の配線２６が形成されているが、参考例とは異なり、制御電極２１用の配線は形成されていない。これは制御電極２１がゲート配線２０に接続されているためである。ソース電極２２ｓ及びドレイン電極２２ｄは、夫々パネル外部まで配線２４、２６により引き回されている。
【００３６】
また、モニタ用光電変換素子及びその引き回し配線のいずれもが設けられていない画素の構成は、図３及び図６に示す画素（参考例の画素）と同様である。
【００３７】
図８及び図１０に示す画素と図３及び図６に示す画素と比較すると、画素の形状及び面積は同一であり、図８及び図１０に示す画素では、モニタ用光電変換素子２が形成されているために、その分だけ撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）が小さくなっている。また、図９に示す画素と図３及び図６に示す画素と比較すると、画素の形状及び面積は同一であり、配線２４及び２６が形成されているために、その分だけ撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）が小さくなっている。
【００３８】
これらの画素は、例えば参考例と同様に、図２に示すようにして配置される。つまり、四角形の二次元に形成された変換部Ｔの中の４隅と中央付近に、モニタ用光電変換素子及び撮像用光電変換素子が対になって形成された複数の画素が設けられた領域Ｒ２が配置されている。本実施形態では、領域Ｒ２内の２０行×３列の画素に、モニタ用光電変換素子が設けられている。
【００３９】
次に、上述のように構成された第１の実施形態に係る放射線撮像装置を駆動する方法について説明する。
【００４０】
先ず、前述のように、モニタ用光電変換素子２のソース電極２２ｓに電源５３から電圧を印加し、ソース・ドレイン間に電位を与えておく。また、制御電極２１には、ゲート配線２０からＴＦＴ３のオフ電圧である半導体層の空乏化電圧を印加することにより、ダークカレントの防止とエレクトロン及びホールの収集効率を高めておく。
【００４１】
このような状態で、蛍光体層（図示せず）にＸ線が照射され、蛍光体層から可視光線が光電変換部に照射されると、モニタ用光電変換素子２により吸収された可視光線が電荷に変換され、ドレイン電極２２ｄを通じてモニタ用信号処理回路５４へ輸送される。このため、この電荷量をＸ線照射量としてリアルタイムで測定することができる。
【００４２】
その後、モニタ用信号処理回路５４で測定されたＸ線照射量が設定値に到達すると、Ｘ線発生器に信号を送り、Ｘ線の照射を停止させる。また、その直後に、ＴＦＴ３のゲート配線２０に順次ＴＦＴ３の動作電圧を印加することにより、撮像用光電変換素子１の容量に蓄積された電荷を信号線１９から読み取る。
【００４３】
また、この時、動作電圧を印加したゲート配線２０に接続された制御電極２１から、モニタ用光電変換素子３の半導体層１４ｃに順方向電圧（ＴＦＴ３の動作電圧）が印加されるため、モニタ用光電変換素子２内の絶縁膜１３と半導体層１４ｃとの界面にＸ線照射量に対応して蓄積された電荷を除去することができる。
【００４４】
このような第１の実施形態によれば、参考例と比較すると、モニタ用光電変換素子２に、上部配線用のスルーホールが設けられていないため、その受光面積（開口率）が大きくなっている。また、引き回し配線が設けられた画素について、参考例では、３本の引き回し配線２４乃至２６が設けられているが、第１の実施形態では、制御電極用の引き回し配線２５が設けられておらず、２本の引き回し配線２４及び２６が設けられているのみである。従って、第１の実施形態によれば、この画素での撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）が大きくなっている。更に、第１の実施形態では、制御電極２１の電位を駆動するための回路が不要であるため、回路が簡素化される。
【００４５】
なお、ある画素に、撮像用光電変換画素１が設けられておらず、モニタ用光電変換素子２及びそれに隣接する画素内のモニタ用光電変換素子２用の引き回し配線のみが設けられていてもよい。
【００４６】
また、例えば領域Ｒ２内の２０行×１列の画素又は１行×３列の画素のように、領域Ｒ２内の１ライン内の画素のみに、モニタ用光電変換素子が設けられていてもよい。
【００４７】
次に、第１の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法について説明する。図１１（ａ）乃至（ｄ）及び図１２（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【００４８】
先ず、図１１（ａ）に示すように、絶縁基板１０上に、第１の金属層としてＡｌＮｄ膜３１を、例えばスパッタリングにより５００〜４０００Å成膜する。第１の金属層として、Ｍｏ膜又はＴａ膜を形成してもよく、また、複数の膜を順次成膜した積層膜を形成してもよい。次に、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３２をマスクとして、ＡｌＮｄ膜３１をパターニングすることにより、センサ電極１１、制御電極１２及び２１並びにゲート配線２０を形成する。ＡｌＮｄ膜３１のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。パターニング後、レジスト膜３２を除去する。
【００４９】
次いで、図１１（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜１３を１５００〜４０００Å、半導体層３３を２０００〜１５０００Å、ＣＶＤ法により連続して成膜する。半導体層３３が、撮像用光電変換素子１の半導体層（光電変換層）１４ａ、ＴＦＴ３の半導体層１４ｂ、モニタ用光電変換素子２の半導体層（光電変換層）１４ｃになる。第１の絶縁膜１３としては、例えばＳｉＮ膜を用いる。
【００５０】
その後、フォトリソグラフィ法により、ＴＦＴ３の制御電極１２上が開口されたレジスト膜３４をマスクとして、半導体層３３を５００〜５０００Åだけエッチングする。この工程は、撮像用光電変換素子１及びモニタ用光電変換素子２で光吸収率を高めるために半導体層３３を２０００〜１５０００Åと厚く積層しているため、このままでは、ＴＦＴ３のソース・ドレイン間の直列抵抗が高くなるので、半導体層３３を薄膜化することでＴＦＴ３のオン抵抗を低減することを目的としている。この際、エッチングは、例えばドライエッチングにより行う。また、ドライエッチングとしては、半導体層３３のダメージを少なく、高い加工精度を得るために、プラズマエッチングが好ましいが、同様に半導体層３３のダメージが少ないケミカルドライエッチングでも良いし、低パワー（例えば０．１〜０．２Ｗ／ｃｍ2程度）、高圧力（例えば１０〜３０Ｐａ程度）で行う反応性エッチングでも良い。パターニング後、レジスト膜３４を除去する。
【００５１】
次に、図１１（ｃ）に示すように、オーミックコンタクト層３５を１００〜１０００Å、ＣＶＤ法により成膜する。半導体層３３とオーミックコンタクト層３５との界面に酸化シリコンが介在している場合は、前処理としてフッ化水素酸（例えば０．１〜１０質量％程度）で処理をしてもよく、有機膜が介在している場合は、酸素プラズマを照射し除去してもよい。また、オーミックコンタクト層３５の成膜直前に、ＣＶＤ装置内で水素プラズマによる最終処理をしても良い。
【００５２】
次いで、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３６をマスクとして、スルーホール２７を形成する。スルーホール２７はＴＦＴ３のドレイン電極１７ｄと撮像用光電変換素子１のセンサ電極１１とを電気的に接続しており、可視光線を受光部で吸収した際に発生した電荷は、受光部と容量結合しているセンサ電極１１からドレイン電極１７ｄを通じて読み取られる。
【００５３】
なお、後から成膜する金属膜のカバレッジを良くするため、エッチングとして、ケミカルドライエッチングを行い、ホール部の断面をテーパーエッチングすることが好ましい。金属膜のカバレッジを考慮する必要がない良い場合は、反応性イオンエッチングで加工精度を上げても良いし、プラズマエッチングで形成しても良い。パターニング後、レジスト膜３６を除去する。
【００５４】
次に、図１１（ｄ）に示すように、第２の金属層としてＡｌ膜３７を、例えばスパッタリングにより１０００〜４０００Å成膜する。第２の金属層として、Ｍｏ膜又はＴａ膜を形成してもよく、また、複数の膜を順次成膜した積層膜を形成してもよい。また、スルーホール２７の表面に酸化膜が形成されて、スルーホール２７との接続が悪い場合には、Ａｌ膜３７の成膜前に、逆スパッタリングにより酸化膜を除去するプロセスを入れると良い。
【００５５】
次いで、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３８をマスクとして、Ａｌ膜３７をパターニングすることにより、共通電極バイアスライン１６を形成する。Ａｌ膜３７のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。従って、Ａｌ膜３７はレジスト膜３８よりも若干内側に後退する。このパターニングの際に、ソース電極１７ｓ及び２２ｓ、ドレイン電極１７ｄ及び２２ｄ並びに信号線１９が形成される予定の領域のＡｌ膜３７は、本工程でエッチングされないようにレジスト膜３８でマスクしておく。パターニング後、レジスト膜３８を除去する。
【００５６】
その後、図１２（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、新たなレジスト膜３９をマスクとして、Ａｌ膜３７をパターニングすることにより、ソース電極１７ｓ及び２２ｓ、ドレイン電極１７ｄ及び２２ｄ並びに信号線１９を形成する。Ａｌ膜３７のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。従って、Ａｌ膜３７はレジスト膜３８よりも若干内側に後退する。
【００５７】
この際に、既に形成されている共通電極バイアスライン１６は、本工程でエッチングされないようにレジスト膜３９でマスクしておく。また、次工程で行うドライエッチングの際に、撮像用光電変換素子１の開口領域内のオーミックコンタクト層３５が除去されないよう、共通電極バイアスライン１６だけでなく、撮像用光電変換素子１の開口領域全体をレジスト膜３９によりマスクしておく。
【００５８】
次に、図１２（ａ）に示すように、レジスト膜３９をマスクとして、ドライエッチングを行うことにより、ＴＦＴ３のギャップ部、即ち、ソース−ドレイン間のオーミックコンタクト層３５を除去することにより、オーミックコンタクト層１５ａ乃至１５ｃを形成する。
【００５９】
次いで、図１２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜４０をマスクとして、半導体層３３やオーミックコンタクト層３５の不要な部分を除去することにより、撮像用光電変換素子１の開口領域を区画し、半導体層１４ａ乃至１４ｃを形成する。パターニング後、レジスト膜４０を除去する。
【００６０】
なお、第１の絶縁膜１３の不要な部分は、本実施形態では除去しないが、除去してもよい。第１の絶縁膜１３を除去せずに残存させる場合には、加工精度を確保するために、半導体層３３やオーミックコンタクト層３５の不要な部分を除去するためのエッチングは、半導体層３３と第１の絶縁膜１３を構成するＳｉＮ膜との選択比を確保しやすいプラズマエッチングで行うことが好ましい。
【００６１】
その後、図１２（ｃ）に示すように、第２の絶縁膜１８を保護膜として２０００〜１００００Å、ＣＶＤ法により成膜する。第２の絶縁膜１８としては、例えばＳｉＮ膜を形成することができる。このようにして、撮像用光電変換素子１、モニタ用光電変換素子２及びＴＦＴ３を形成することができる。
【００６２】
そして、蛍光体層（図示せず）を形成し、電気接続を確保するために、周辺部の保護膜を、フォトリソグラフィ法を用いてパターニング及びドライエッチングを行って除去することにより、放射線撮像装置を完成させることができる。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。参考例及び第１の実施形態では、モニタ用光電変換素子２が変換部Ｔの内部に設けられているのに対し、第２の実施形態では、モニタ用光電変換素子２が変換部Ｔの近傍に設けられている。図１３は、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置に設けられたＴＦＴマトリックスパネルの擬似等価回路図である。
【００６４】
この放射線撮像装置には、例えば１２行×９列の撮像用光電変換素子１を備えた光電変換部、及び３つのモニタ用光電変換素子２が設けられている。各撮像用光電変換素子１は、スイッチング用ＴＦＴ３と対になって１個の画素を構成している。撮像用光電変換素子１、モニタ用光電変換素子２及びスイッチング用ＴＦＴ３の断面構成は、夫々第１の実施形態におけるものと同様である。
【００６５】
撮像用光電変換素子１の制御電極１２はゲート配線ｇ１〜ｇ１２を通じてゲートドライバ回路部５２に接続され、ソース電極１７ｓは信号線ｓ１〜ｓ９を通じて撮像用信号処理回路部５１に接続されている。
【００６６】
モニタ用光電変換素子２は、例えばＴＦＴ型のセンサであり、そのソース電極１７ｓは電源に接続され、ドレイン電極１７ｄは一つの配線にまとめられてモニタ用信号処理回路部５４に共通接続されている。３つのモニタ用光電変換素子２は、夫々基板の左端、中央部、右端に配置されている。モニタ用光電変換素子２の各制御電極２１は、撮像用光電変換画素１の第１２行目のゲート配線ｇ１２と接続されている。
【００６７】
このように構成された第２の実施形態においては、ソース電極１７ｓに電源５３から電圧を印加することによって、ソース・ドレイン間に電位を与えると、電極間の受光部に光が照射されて発生したエレクトロン及びホールをソース・ドレイン間の電位差により各電極に輸送される。この電荷をモニタ用信号処理回路５４でリアルタイムに読み取ることで、光照射量をモニタすることができる。このモニタ時は、第１２行目のゲート配線ｇ１２に、ＴＦＴ３のオフ電圧である半導体層の空乏化電圧を印加し、ダークカレントの防止とエレクトロン及びホールの収集効率を高める。また、モニタ用光電変換素子２内の絶縁膜１３と半導体層１４ｃとの界面に蓄積されたホールは、第１２行目の画素から電荷を読み出す時にゲート配線ｇ１２に印加するＴＦＴの動作電圧を利用して除去することができる。
【００６８】
図１４は、第２の実施形態においてゲートドライバ回路部５２から各ゲート配線に与えられる電圧及びそのタイミングを示すタイミングチャートである。
【００６９】
先ず、時間Ｔｘｏｎ〜Ｔｘｏｆｆで放射線をパネルに照射する。この放射線が、基板上に配置された蛍光体層により可視光線に変換され、各光電変換素子１及び２に照射される。光電変換部に照射された可視光線は二次元的に配置された撮像用光電変換素子１で吸収され、電荷として各素子の容量に蓄積される。また、モニタ用光電変換素子２で吸収された可視光線は、同じく電荷に変換され、ドレイン電極１７ｄを通じてモニタ用信号処理回路５４へ輸送される。これにより、Ｘ線照射量をリアルタイムでモニタすることができる。
【００７０】
そして、モニタ用信号処理回路５４で測定されたＸ線照射量が設定値に到達すると、Ｘ線発生器に信号を送り、Ｘ線の照射を停止させる。また、その直後に、ゲート配線ｇ１〜ｇ１２に順次ＴＦＴ３の動作電圧を印加することにより、撮像用光電変換素子１の容量に蓄積された電荷を信号線ｓ１〜ｓ９から読み取る。
【００７１】
また、ゲート配線ｇ１２にＴＦＴ３の動作電圧を印加すると（時間Ｔｒｏｎ〜Ｔｒｏｆｆ）、ゲート配線ｇ１２に接続された３つの制御電極２１から、モニタ用光電変換素子２の各半導体層１４ｃに順方向電圧（ＴＦＴ３の動作電圧）が印加されるため、モニタ用光電変換素子２内の絶縁膜１３と半導体層１４ｃとの界面にＸ線照射量に対応した蓄積された電荷が除去される（リフレッシュ動作）。
【００７２】
このような第２の実施形態によれば、光電変換部内にモニタ用光電変換素子２自体及びその引き回し配線を設ける必要がないため、全ての画素において撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）を第１の実施形態よりも向上させることができる。また、モニタ用光電変換素子２の大きさは、画素の大きさに拘わらず、パネルの大きさに応じて設定することができるので、モニタ用光電変換素子２の受光面積（開口率）を第１の実施形態よりも向上させることが可能である。
【００７３】
次に、第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法について説明する。図１５乃至図２０は、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。ここで、図１５（ａ）乃至図２０（ａ）は、モニタ用光電変換素子２に相当する部分を示し、図１５（ｂ）乃至図２０（ｂ）は、撮像用光電変換素子１に相当する部分を示す。
【００７４】
先ず、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、絶縁基板１０上に、第１の金属層としてＡｌＮｄ膜３１を、例えばスパッタリングにより５００〜４０００Å成膜する。第１の金属層として、Ｍｏ膜又はＴａ膜を形成してもよく、また、複数の膜を順次成膜した積層膜を形成してもよい。次に、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３２をマスクとして、ＡｌＮｄ膜３１をパターニングすることにより、センサ電極１１、制御電極１２及び２１並びにゲート配線２０を形成する。ＡｌＮｄ膜３１のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。パターニング後、レジスト膜３２を除去する。
【００７５】
次いで、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜１３を１５００〜４０００Å、半導体層３３を２０００〜１５０００Å、オーミックコンタクト層３５を１００〜１０００Å、ＣＶＤ法により連続して成膜する。半導体層３３が、撮像用光電変換素子１の半導体層（光電変換層）１４ａ、ＴＦＴ３の半導体層１４ｂ、モニタ用光電変換素子２の半導体層（光電変換層）１４ｃになる。第１の絶縁膜１３としては、例えばＳｉＮ膜を用いる。
【００７６】
次いで、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３６をマスクとして、スルーホール２７を形成する。スルーホール２７はＴＦＴ３のドレイン電極１７ｄと撮像用光電変換素子１のセンサ電極１１とを電気的に接続しており、可視光線を受光部で吸収した際に発生した電荷は、受光部と容量結合しているセンサ電極１１からドレイン電極１７ｄを通じて読み取られる。
【００７７】
なお、後から成膜する金属膜のカバレッジを良くするため、エッチングとして、ケミカルドライエッチングを行い、ホール部の断面をテーパーエッチングすることが好ましい。金属膜のカバレッジを考慮する必要がない良い場合は、反応性イオンエッチングで加工精度を上げても良いし、プラズマエッチングで形成しても良い。パターニング後、レジスト膜３６を除去する。
【００７８】
次に、図１７（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の金属層としてＡｌ膜３７を、例えばスパッタリングにより１０００〜４０００Å成膜する。第２の金属層として、Ｍｏ膜又はＴａ膜を形成してもよく、また、複数の膜を順次成膜した積層膜を形成してもよい。また、スルーホール２７の表面に酸化膜が形成されて、スルーホール２７との接続が悪い場合には、Ａｌ膜３７の成膜前に、逆スパッタリングにより酸化膜を除去するプロセスを入れると良い。
【００７９】
次いで、図１７（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３８をマスクとして、Ａｌ膜３７をパターニングすることにより、共通電極バイアスライン１６を形成する。Ａｌ膜３７のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。従って、Ａｌ膜３７はレジスト膜３８よりも若干内側に後退する。このパターニングの際に、ソース電極１７ｓ及び２２ｓ、ドレイン電極１７ｄ及び２２ｄ並びに信号線１９が形成される予定の領域のＡｌ膜３７は、本工程でエッチングされないようにレジスト膜３８でマスクしておく。パターニング後、レジスト膜３８を除去する。
【００８０】
その後、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、新たなレジスト膜３９をマスクとして、Ａｌ膜３７をパターニングすることにより、ソース電極１７ｓ及び２２ｓ、ドレイン電極１７ｄ及び２２ｄ並びに信号線１９を形成する。Ａｌ膜３７のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。従って、Ａｌ膜３７はレジスト膜３８よりも若干内側に後退する。
【００８１】
この際に、既に形成されている共通電極バイアスライン１６は、本工程でエッチングされないようにレジスト膜３９でマスクしておく。また、次工程で行うドライエッチングの際に、撮像用光電変換素子１の開口領域内のオーミックコンタクト層３５が除去されないよう、共通電極バイアスライン１６だけでなく、撮像用光電変換素子１の開口領域全体をレジスト膜３９によりマスクしておく。
【００８２】
次に、図１８（ａ）及び（ｂ）に示すように、レジスト膜３９をマスクとして、ドライエッチングを行うことにより、ＴＦＴ３のギャップ部、即ち、ソース−ドレイン間のオーミックコンタクト層３５を除去する。
【００８３】
次いで、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜４０をマスクとして、半導体層３３やオーミックコンタクト層３５の不要な部分を除去することにより、撮像用光電変換素子１の開口領域を区画する。パターニング後、レジスト膜４０を除去する。
【００８４】
なお、第１の絶縁膜１３の不要な部分は、本実施形態では除去しないが、除去してもよい。第１の絶縁膜１３を除去せずに残存させる場合には、加工精度を確保するために、半導体層３３やオーミックコンタクト層３５の不要な部分を除去するためのエッチングは、半導体層３３と第１の絶縁膜１３を構成するＳｉＮ膜との選択比を確保しやすいプラズマエッチングで行うことが好ましい。
【００８５】
その後、図２０（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の絶縁膜１８を保護膜として２０００〜１００００Å、ＣＶＤ法により成膜する。第２の絶縁膜１８としては、例えばＳｉＮ膜を形成することができる。このようにして、撮像用光電変換素子１、モニタ用光電変換素子２及びＴＦＴ３を形成することができる。図２１は、第２の実施形態におけるモニタ用光電変換素子２の平面構成を示す断面図である。図１５乃至図２０は、図２１中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示している。
【００８６】
そして、蛍光体層（図示せず）を形成し、電気接続を確保するために、周辺部の保護膜を、フォトリソグラフィ法を用いてパターニング及びドライエッチングを行って除去することにより、放射線撮像装置を完成させることができる。
【００８７】
なお、第２の実施形態では、モニタ用光電変換素子２のゲート電極がゲート配線ｇ１２に接続されているが、ゲートドライバ回路部５２にゲート配線ｇ１〜ｇ１２とは独立して接続されたゲート配線に接続されていてもよい。この場合、このゲート配線には、ゲート配線ｇ１〜ｇ１２に動作電圧を順次印加した後、又はゲート配線ｇ１２に動作電圧を印加すると同時に、モニタ用光電変換素子２の各半導体層１４ｃに順方向電圧を印加することにより、リフレッシュ動作として、蓄積された電荷を除去すればよい。
【００８８】
この場合、モニタ用光電変換素子２のゲート電極を駆動するための回路部を、ＴＦＴのゲートドライバ回路部５２と共通化することができる。
【００８９】
ここで、上述の第１又は第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法の説明では、オーミックコンタクト層を形成した後に第２の金属膜を形成しているが、第２の金属膜を形成する前に、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）等からなる透明電極膜をオーミックコンタクト層上に形成してもよい。このような透明電極膜を形成することにより、オーミックコンタクト層の膜厚を薄くしても問題が生ずることはなくなるため、オーミックコンタクト層の膜厚を薄膜化することが可能となり、これによって入射光量自体を増大させることができる。また、モニタ用光電変換素子２においても、ソース電極２２ｓ及びドレイン電極２２ｄに透明電極膜を使用すれば、入射光量を増大させることができるため、その感度が向上する。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第２の半導体変換素子が、第１の半導体変換素子と同一の基板上に形成されているので、装置全体を小型化及び軽量化することができる。また、第２の半導体変換素子を介して検出された放射線量に基づいてＡＥＣ制御を行うことができ、このとき、第２の半導体変換素子による放射線の減衰が生じないため、良好な画質の撮像画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例に係る放射線撮像装置の回路構成を示す等価回路図である。
【図２】参考例に係る放射線撮像装置の全体的な構成を示すレイアウト図である。
【図３】参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子及びその引き回し配線のいずれもが設けられていない画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図４】参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図５】参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図６】図３中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図７】図４中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図９】第１の実施形態に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図１０】図８中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図１２】同じく、本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を工程順に示す断面図であり、図１１に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置に設けられたＴＦＴマトリックスパネルの擬似等価回路図である。
【図１４】第２の実施形態においてゲートドライバ回路部５２から各ゲート配線に与えられる電圧及びそのタイミングを示すタイミングチャートである。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図である。
【図１６】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１５に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図１７】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１６に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図１８】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１７に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図１９】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１８に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図２０】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１９に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図２１】第２の実施形態におけるモニタ用光電変換素子２の平面構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１；撮像用光電変換素子（第１の半導体変換素子）
２；モニタ用光電変換素子（第２の半導体変換素子）
３；ＴＦＴ
５１；撮像用信号処理回路部
５２；ゲートドライバ回路部
５３；電源
５４；モニタ用信号処理回路部
Ｒ１〜Ｒ３；領域
Ｔ；変換部
Ｍ１１〜Ｍ１４、Ｍ２１〜Ｍ２４、Ｍ３１〜Ｍ３４、Ｍ４１〜Ｍ４４；ＭＩＳ型光電変換素子
Ｐ１１〜Ｐ１４、Ｐ２１〜Ｐ２４、Ｐ３１〜Ｐ３４、Ｐ４１〜Ｐ４４；ＰＩＮ型光電変換素子
ＭＡ４１〜ＭＡ４４；ＴＦＴ型センサ
Ｔ１１〜Ｔ１４、Ｔ２１〜Ｔ２４、Ｔ３１〜Ｔ３４、Ｔ４１〜Ｔ４４；スイッチング用ＴＦＴ
Ｖｓ１〜Ｖｓ４；バイアス線
Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４；信号線
Ｖｇ１〜Ｖｇ４；ゲート線
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）及び光電変換素子を有する放射線撮像装置、その駆動方法及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、絶縁基板上にＴＦＴを作りこむＴＦＴマトリックスパネルの大判化や駆動速度の高速化が急速に進められている。ＴＦＴを用いた液晶パネルの製造技術は、可視光を電気信号に変換する光電変換素子を有するエリアセンサ（例えば、Ｘ線撮像装置）へと利用されており、表面にＸ線（放射線）から可視光線への変換層を配置することで放射線撮像装置としても活用されている。このようなパネルが放射線撮像装置として使用される場合、放射線撮像装置の中に、以下の３つの機能を備えた放射線モニタ基板を別に配置する必要がある。
（１）照射された放射線をモニタする。
（２）モニタした放射線量が設定値となったときに、放射線発生器に放射線照射を停止させる信号を送る。
（３）放射線の照射が終了したことをモニタし、放射線撮像装置を駆動させる信号を送り、画像を取り込む。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このため、従来の放射線撮像装置は、大型で厚く重量も重いものとなっている。しかしながら、放射線撮像装置には、携帯して使用することができるような小型で薄型の装置の要求が高い。例えば、病院内に設置されたＸ線撮影用の放射線撮像装置を持ってベッドとベッドとの間を移動したり、人が手で持ったまま撮影したりするようなときに、放射線撮像装置が小型であることが要求される。また、病院では女性の看護師が撮影装置の準備をする場合があり、このような場合にも、更なる軽量化が求められている。
【０００４】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、小型かつ軽量で、容易に持ち運びすることができる放射線撮像装置、その駆動方法及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る放射線撮像装置は、基板と、前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されていることを特徴とする。
【０００６】
第２の発明に係る放射線撮像装置の駆動方法は、放射線源と、基板と、前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されている放射線撮像装置を駆動する方法であって、前記第２の半導体変換素子を用いて前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために、前記第２の半導体変換素子の制御電極に前記薄膜トランジスタのオフ電圧を印加する工程と、前記放射線源から放射線を前記変換部に向けて照射する工程と、前記照射量がある値に到達した時に、前記放射線源からの放射線の照射を停止させる工程と、前記第１の半導体変換素子に蓄積された電荷を読み出すために、前記薄膜トランジスタの制御電極に動作電圧を印加する工程と、前記第２の半導体変換素子内の残存電荷を除去するために、前記第２の半導体変換素子の半導体層に順方向バイアスを印加する工程と、を有し、前記薄膜トランジスタの制御電極に動作電圧を印加する工程の一部と前記第２の半導体変換素子の半導体層に順方向バイアスを印加する工程とを同時に行うことを特徴とする。
【０００７】
第３の発明に係る放射線撮像装置の製造方法は、基板と、前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されている放射線撮像装置の製造方法であって、前記基板上に、同一の層から前記第１の半導体変換素子のセンサ電極、前記薄膜トランジスタの制御電極及び前記第２の半導体変換素子の制御電極を形成する工程と、前記基板の上方に、前記第１の半導体変換素子の共通電極、前記薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに前記第２の半導体変換素子のソース電極及びドレイン電極用の導電膜を形成する工程と、前記導電膜をパターニングすることにより、前記共通電極を形成する工程と、前記導電膜を更にパターニングすることにより、前記薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに前記第２の半導体変換素子のソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【０００８】
これらの本発明においては、第２の半導体変換素子を介して検出された放射線量に基づいてＡＥＣ制御を行うことが可能である。このとき、第２の半導体変換素子が、第１の半導体変換素子と同一の基板上に形成されているので、第２の半導体変換素子による放射線の減衰は生じない。また、一部の薄膜トランジスタと第２の半導体変換素子との間で両者の制御電極が互いに接続されているので、後述のように、第２の半導体変換素子の制御電極用の配線が不要となり、第１及び第２の半導体変換素子の受光面積を大きく確保することが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置、その駆動方法及びその製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１０】
（参考例）
先ず、参考例について説明する。この参考例は、本願発明者が本願発明に想到する過程で創作したものである。図１は、参考例に係る放射線撮像装置の回路構成を示す等価回路図である。図２は、参考例に係る放射線撮像装置の全体的な構成を示すレイアウト図である。図１には、画素エリアに４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、その数はこれに限定されるものではない。
【００１１】
本参考例においては、画素毎に、撮像用光電変換素子（第１の光電変換素子）とスイッチング用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）との組み合わせ、又は撮像用光電変換素子とスイッチング用ＴＦＴとＡＥＣ制御用のモニタ用光電変換素子（第２の光電変換素子）との組み合わせが設けられている。具体的には、図１中の上から第ａ行、第ｂ列の画素には、１個の撮像用光電変換素子Ｍｂａと１個のスイッチング用薄膜トランジスタＴｂａとが設けられている（ａ、ｂ＝１、２、３、４）。更に、第４列で第３行及び第４行の画素には、夫々、１個のモニタ用光電変換素子ＭＡ４３、ＭＡ４４が設けられている。また、第４列で第１行及び第２行の画素には、夫々、モニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられている。
【００１２】
また、第ｂ列に配置された４個の撮像用光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓｂに接続されており、撮像用信号処理回路部５１から一定バイアスが印加されている。第ａ行に配置された４個のスイッチング用ＴＦＴのゲート電極（制御電極）は、共通のゲート線Ｖｇａに接続されており、ゲートドライバ回路部５２によりゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。更に、第ｂ列に配置された４個のスイッチング用ＴＦＴのソース電極又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇｂに接続されている。信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、撮像用信号処理回路部５１に接続されている。
【００１３】
モニタ用光電変換素子ＭＡ４３及びＭＡ４４はＴＦＴ型のセンサであり、その各ソース電極は電源５３に接続され、各ドレイン電極はモニタ用信号処理回路部５４に接続され、各ゲート電極（制御電極）はゲートドライバ回路部５２に接続されている。電源５３からソース電極に電圧を印加することによって、ソース・ドレイン間に電位を与えると、電極間の受光部に光が照射されて発生したエレクトロン及びホールがソース・ドレイン間の電位差により各電極に輸送される。この電荷をモニタ用信号処理回路５４でリアルタイムに読み取ることで、光照射量を測定することができる。
【００１４】
図１に示すような構成の回路を、多数の画素を備えた放射線撮像装置に適用すると、例えば、図２に示すように、変換部（画素エリア）Ｔ内に、撮像用光電変換素子及びスイッチング用ＴＦＴが設けられた複数の画素が集合した領域Ｒ１、撮像用光電変換素子、スイッチング用ＴＦＴ及びモニタ用光電変換素子が設けられた複数の画素が集合した領域Ｒ２、並びに撮像用光電変換素子、スイッチング用ＴＦＴ及びモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた複数の画素が集合した領域Ｒ３が存在することとなる。
【００１５】
次に、参考例における３種類の画素の平面構成について説明する。図３は、参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子及びその引き回し配線のいずれもが設けられていない画素の平面構成を示すレイアウト図である。図４は、参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。図５は、参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。また、図６は、図３中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図７は、図４中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。なお、図３乃至図５では、半導体層をその下方に存在する制御電極等よりも内側に示しているが、これは、便宜上のものであり、この参考例では、図６及び図７に示すように、半導体層や光電変換層はその下方に存在する制御電極等よりも拡がって形成されており、また、半導体層や光電変換層の下には第１の絶縁膜が存在する。このことは、他のレイアウト図においても同様である。
【００１６】
モニタ用光電変換素子及びその引き回し配線のいずれもが設けられていない画素には、図３及び図６に示すように、絶縁基板１０上に、撮像用光電変換素子１のセンサ電極１１及びスイッチング用ＴＦＴ３の制御電極（ゲート電極）１２並びにこれらを覆う第１の絶縁膜１３が形成されている。
【００１７】
第１の絶縁膜１３上には、センサ電極１１と整合するようにして半導体層（光電変換層）１４ａ及びオーミックコンタクト層１５ａが順次積層されている。更に、オーミックコンタクト層１５ａ上に、共通電極バイアスライン１６が形成されている。この共通電極バイアスライン１６は、図１中のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４に相当する。
【００１８】
第１の絶縁膜１３上には、更に、制御電極１２と整合するようにして半導体層１４ｂが形成され、この半導体層１４ｂ上の２箇所に、オーミックコンタクト層１５ｂが形成されている。一方のオーミックコンタクト層１５ｂは、センサ電極１１の上方まで拡がっている。そして、このセンサ電極１１の上方まで拡がったオーミックコンタクト層１５ｂ上にドレイン電極１７ｄが形成され、他方のオーミックコンタクト層１５ｂ上にソース電極１７ｓが形成されている。前記一方のオーミックコンタクト層１５ｂ、半導体層１４ｂ及び第１の絶縁膜１３には、スルーホール２７が形成されており、ドレイン電極１７ｄはセンサ電極１１と電気的に接続されている。
【００１９】
そして、これらを覆う第２の絶縁膜１８が形成されている。また、図示しないが、第２の絶縁膜１８上には、Ｘ線を可視光線に変換する蛍光体層が形成されている。
【００２０】
なお、ソース電極１７ｓは信号線１９に接続されており、制御電極１２はゲート配線２０に接続されている。信号線１９は、図１中のＳｉｇ１〜Ｓｉｇ４に相当し、ゲート配線２０は、図１中のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に相当する。
【００２１】
このように構成された画素は、少なくとも領域Ｒ１に存在し、領域Ｒ２及びＲ３に存在していてもよい。
【００２２】
次に、モニタ用光電変換素子が設けられた画素の構成について説明する。この画素では、図４及び図７に示すように、絶縁基板１０上に、撮像用光電変換素子１のセンサ電極１１及びスイッチング用ＴＦＴ３の制御電極（ゲート電極）１２の他に、モニタ用光電変換素子２の制御電極２１が形成されており、第１の絶縁膜１３によりこれらの電極が覆われている。この画素と図３及び図６に示す画素と比較すると、画素の形状及び面積は同一であり、図４及び図７に示す画素では、制御電極２１が形成されているために、センサ電極１１等が小さくなっている。撮像用光電変換素子１及びスイッチング用ＴＦＴ３の構成は、撮像用光電変換素子１が小さくなっていることを除いて、図３及び図６に示す画素と同様である。
【００２３】
モニタ用光電変換素子２では、第１の絶縁膜１３上に、制御電極２１と整合するようにして半導体層（光電変換層）１４ｃが形成され、この半導体層１４ｃ上の２箇所に、オーミックコンタクト層１５ｃが形成されている。そして、２個のオーミックコンタクト層１５ｃ上に、夫々ドレイン電極２２ｄ、ソース電極２２ｓが形成されている。ドレイン電極２２ｄ、ソース電極２２ｓは、第２の絶縁膜１８に覆われている。
【００２４】
なお、図４に示すように、制御電極２１は、半導体層１４ｃよりも長く延びて形成されており、第１の絶縁膜１３の制御電極２１の両端部に整合する位置には、スルーホール２８が形成されている。そして、このスルーホール２８を介してゲート配線２０を跨ぎ、ゲート配線２０を挟んで隣り合う画素の制御電極２１同士を電気的に接続する上部配線２３が形成されている。
【００２５】
このように構成された画素は、領域Ｒ２に存在する。
【００２６】
モニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素には、図５に示すように、ドレイン電極２２ｄ用の配線２４、制御電極２１用の配線２５及びソース電極２２ｓ用の配線２６が形成されている。この画素と図３及び図６に示す画素と比較すると、画素の形状及び面積は同一であり、図５に示す画素では、配線２４乃至２６が形成されているために、センサ電極１１等が小さくなっている。撮像用光電変換素子１及びスイッチング用ＴＦＴ３の構成は、撮像用光電変換素子１が小さくなっていることを除いて、図３及び図６に示す画素と同様である。
【００２７】
このように構成された画素は、領域Ｒ３に存在する。
【００２８】
また、図６及び図７には示さないが、第２の絶縁膜１８の上方には、Ｘ線を可視光線に変換する蛍光体層が形成されている。
【００２９】
このように構成された参考例によれば、絶縁基板１０上にモニタ用光電変換素子２を撮像用光電変換素子１とは別に設けているため、放射線モニタ基板を別に配置する必要がなく、装置全体を小型化及び軽量化することが可能である。
【００３０】
しかし、この参考例では、図４に示すように、制御電極２１と上部配線２３とを接続するために、スルーホール２８を設ける必要があり、モニタ用光電変換素子２の受光面積は十分とはいい難い。また、図５に示すように、引き回し配線２４乃至２６が設けられた画素では、撮像用光電変換素子１の受光面積が、図３に示す画素と比較すると、極端に小さくなっている。従って、この参考例では、両光電変換素子１及び２の開口率が十分であるとはいえない。
【００３１】
そこで、本願発明者が更に鋭意検討を重ねた結果、制御電極２１を隣接するゲート配線２０に接続し、制御電極２１用の引き回し配線２５を除くことで、モニタ用光電変換素子２の受光面積（開口率）、及び引き回し配線が設けられた画素内の撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）を上げ、特性を向上させることができることを見出した。以下、本発明の実施形態について説明する。
【００３２】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図８は、本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。図９は、第１の実施形態に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。また、図１０は、図８中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【００３３】
第１の実施形態においては、モニタ用光電変換素子が設けられた画素では、図８及び図１０に示すように、制御電極２１がゲート配線２０に接続されている。このゲート配線２０には、同一画素内に設けられたスイッチング用ＴＦＴ３の制御電極１２も接続されている。
【００３４】
このように構成された画素は、参考例における領域Ｒ２のように、集合して配置されており、例えば、ドレイン電極２２ｄ、ソース電極２２ｓ、共通電極バイアスライン１６及び信号線１９がこれらの画素間で共有されている。
【００３５】
また、モニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素には、図９に示すように、ドレイン電極２２ｄ用の配線２４及びソース電極２２ｓ用の配線２６が形成されているが、参考例とは異なり、制御電極２１用の配線は形成されていない。これは制御電極２１がゲート配線２０に接続されているためである。ソース電極２２ｓ及びドレイン電極２２ｄは、夫々パネル外部まで配線２４、２６により引き回されている。
【００３６】
また、モニタ用光電変換素子及びその引き回し配線のいずれもが設けられていない画素の構成は、図３及び図６に示す画素（参考例の画素）と同様である。
【００３７】
図８及び図１０に示す画素と図３及び図６に示す画素と比較すると、画素の形状及び面積は同一であり、図８及び図１０に示す画素では、モニタ用光電変換素子２が形成されているために、その分だけ撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）が小さくなっている。また、図９に示す画素と図３及び図６に示す画素と比較すると、画素の形状及び面積は同一であり、配線２４及び２６が形成されているために、その分だけ撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）が小さくなっている。
【００３８】
これらの画素は、例えば参考例と同様に、図２に示すようにして配置される。つまり、四角形の二次元に形成された変換部Ｔの中の４隅と中央付近に、モニタ用光電変換素子及び撮像用光電変換素子が対になって形成された複数の画素が設けられた領域Ｒ２が配置されている。本実施形態では、領域Ｒ２内の２０行×３列の画素に、モニタ用光電変換素子が設けられている。
【００３９】
次に、上述のように構成された第１の実施形態に係る放射線撮像装置を駆動する方法について説明する。
【００４０】
先ず、前述のように、モニタ用光電変換素子２のソース電極２２ｓに電源５３から電圧を印加し、ソース・ドレイン間に電位を与えておく。また、制御電極２１には、ゲート配線２０からＴＦＴ３のオフ電圧である半導体層の空乏化電圧を印加することにより、ダークカレントの防止とエレクトロン及びホールの収集効率を高めておく。
【００４１】
このような状態で、蛍光体層（図示せず）にＸ線が照射され、蛍光体層から可視光線が光電変換部に照射されると、モニタ用光電変換素子２により吸収された可視光線が電荷に変換され、ドレイン電極２２ｄを通じてモニタ用信号処理回路５４へ輸送される。このため、この電荷量をＸ線照射量としてリアルタイムで測定することができる。
【００４２】
その後、モニタ用信号処理回路５４で測定されたＸ線照射量が設定値に到達すると、Ｘ線発生器に信号を送り、Ｘ線の照射を停止させる。また、その直後に、ＴＦＴ３のゲート配線２０に順次ＴＦＴ３の動作電圧を印加することにより、撮像用光電変換素子１の容量に蓄積された電荷を信号線１９から読み取る。
【００４３】
また、この時、動作電圧を印加したゲート配線２０に接続された制御電極２１から、モニタ用光電変換素子３の半導体層１４ｃに順方向電圧（ＴＦＴ３の動作電圧）が印加されるため、モニタ用光電変換素子２内の絶縁膜１３と半導体層１４ｃとの界面にＸ線照射量に対応して蓄積された電荷を除去することができる。
【００４４】
このような第１の実施形態によれば、参考例と比較すると、モニタ用光電変換素子２に、上部配線用のスルーホールが設けられていないため、その受光面積（開口率）が大きくなっている。また、引き回し配線が設けられた画素について、参考例では、３本の引き回し配線２４乃至２６が設けられているが、第１の実施形態では、制御電極用の引き回し配線２５が設けられておらず、２本の引き回し配線２４及び２６が設けられているのみである。従って、第１の実施形態によれば、この画素での撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）が大きくなっている。更に、第１の実施形態では、制御電極２１の電位を駆動するための回路が不要であるため、回路が簡素化される。
【００４５】
なお、ある画素に、撮像用光電変換画素１が設けられておらず、モニタ用光電変換素子２及びそれに隣接する画素内のモニタ用光電変換素子２用の引き回し配線のみが設けられていてもよい。
【００４６】
また、例えば領域Ｒ２内の２０行×１列の画素又は１行×３列の画素のように、領域Ｒ２内の１ライン内の画素のみに、モニタ用光電変換素子が設けられていてもよい。
【００４７】
次に、第１の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法について説明する。図１１（ａ）乃至（ｄ）及び図１２（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【００４８】
先ず、図１１（ａ）に示すように、絶縁基板１０上に、第１の金属層としてＡｌＮｄ膜３１を、例えばスパッタリングにより５００〜４０００Å成膜する。第１の金属層として、Ｍｏ膜又はＴａ膜を形成してもよく、また、複数の膜を順次成膜した積層膜を形成してもよい。次に、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３２をマスクとして、ＡｌＮｄ膜３１をパターニングすることにより、センサ電極１１、制御電極１２及び２１並びにゲート配線２０を形成する。ＡｌＮｄ膜３１のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。パターニング後、レジスト膜３２を除去する。
【００４９】
次いで、図１１（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜１３を１５００〜４０００Å、半導体層３３を２０００〜１５０００Å、ＣＶＤ法により連続して成膜する。半導体層３３が、撮像用光電変換素子１の半導体層（光電変換層）１４ａ、ＴＦＴ３の半導体層１４ｂ、モニタ用光電変換素子２の半導体層（光電変換層）１４ｃになる。第１の絶縁膜１３としては、例えばＳｉＮ膜を用いる。
【００５０】
その後、フォトリソグラフィ法により、ＴＦＴ３の制御電極１２上が開口されたレジスト膜３４をマスクとして、半導体層３３を５００〜５０００Åだけエッチングする。この工程は、撮像用光電変換素子１及びモニタ用光電変換素子２で光吸収率を高めるために半導体層３３を２０００〜１５０００Åと厚く積層しているため、このままでは、ＴＦＴ３のソース・ドレイン間の直列抵抗が高くなるので、半導体層３３を薄膜化することでＴＦＴ３のオン抵抗を低減することを目的としている。この際、エッチングは、例えばドライエッチングにより行う。また、ドライエッチングとしては、半導体層３３のダメージを少なく、高い加工精度を得るために、プラズマエッチングが好ましいが、同様に半導体層３３のダメージが少ないケミカルドライエッチングでも良いし、低パワー（例えば０．１〜０．２Ｗ／ｃｍ2程度）、高圧力（例えば１０〜３０Ｐａ程度）で行う反応性エッチングでも良い。パターニング後、レジスト膜３４を除去する。
【００５１】
次に、図１１（ｃ）に示すように、オーミックコンタクト層３５を１００〜１０００Å、ＣＶＤ法により成膜する。半導体層３３とオーミックコンタクト層３５との界面に酸化シリコンが介在している場合は、前処理としてフッ化水素酸（例えば０．１〜１０質量％程度）で処理をしてもよく、有機膜が介在している場合は、酸素プラズマを照射し除去してもよい。また、オーミックコンタクト層３５の成膜直前に、ＣＶＤ装置内で水素プラズマによる最終処理をしても良い。
【００５２】
次いで、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３６をマスクとして、スルーホール２７を形成する。スルーホール２７はＴＦＴ３のドレイン電極１７ｄと撮像用光電変換素子１のセンサ電極１１とを電気的に接続しており、可視光線を受光部で吸収した際に発生した電荷は、受光部と容量結合しているセンサ電極１１からドレイン電極１７ｄを通じて読み取られる。
【００５３】
なお、後から成膜する金属膜のカバレッジを良くするため、エッチングとして、ケミカルドライエッチングを行い、ホール部の断面をテーパーエッチングすることが好ましい。金属膜のカバレッジを考慮する必要がない良い場合は、反応性イオンエッチングで加工精度を上げても良いし、プラズマエッチングで形成しても良い。パターニング後、レジスト膜３６を除去する。
【００５４】
次に、図１１（ｄ）に示すように、第２の金属層としてＡｌ膜３７を、例えばスパッタリングにより１０００〜４０００Å成膜する。第２の金属層として、Ｍｏ膜又はＴａ膜を形成してもよく、また、複数の膜を順次成膜した積層膜を形成してもよい。また、スルーホール２７の表面に酸化膜が形成されて、スルーホール２７との接続が悪い場合には、Ａｌ膜３７の成膜前に、逆スパッタリングにより酸化膜を除去するプロセスを入れると良い。
【００５５】
次いで、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３８をマスクとして、Ａｌ膜３７をパターニングすることにより、共通電極バイアスライン１６を形成する。Ａｌ膜３７のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。従って、Ａｌ膜３７はレジスト膜３８よりも若干内側に後退する。このパターニングの際に、ソース電極１７ｓ及び２２ｓ、ドレイン電極１７ｄ及び２２ｄ並びに信号線１９が形成される予定の領域のＡｌ膜３７は、本工程でエッチングされないようにレジスト膜３８でマスクしておく。パターニング後、レジスト膜３８を除去する。
【００５６】
その後、図１２（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、新たなレジスト膜３９をマスクとして、Ａｌ膜３７をパターニングすることにより、ソース電極１７ｓ及び２２ｓ、ドレイン電極１７ｄ及び２２ｄ並びに信号線１９を形成する。Ａｌ膜３７のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。従って、Ａｌ膜３７はレジスト膜３８よりも若干内側に後退する。
【００５７】
この際に、既に形成されている共通電極バイアスライン１６は、本工程でエッチングされないようにレジスト膜３９でマスクしておく。また、次工程で行うドライエッチングの際に、撮像用光電変換素子１の開口領域内のオーミックコンタクト層３５が除去されないよう、共通電極バイアスライン１６だけでなく、撮像用光電変換素子１の開口領域全体をレジスト膜３９によりマスクしておく。
【００５８】
次に、図１２（ａ）に示すように、レジスト膜３９をマスクとして、ドライエッチングを行うことにより、ＴＦＴ３のギャップ部、即ち、ソース−ドレイン間のオーミックコンタクト層３５を除去することにより、オーミックコンタクト層１５ａ乃至１５ｃを形成する。
【００５９】
次いで、図１２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜４０をマスクとして、半導体層３３やオーミックコンタクト層３５の不要な部分を除去することにより、撮像用光電変換素子１の開口領域を区画し、半導体層１４ａ乃至１４ｃを形成する。パターニング後、レジスト膜４０を除去する。
【００６０】
なお、第１の絶縁膜１３の不要な部分は、本実施形態では除去しないが、除去してもよい。第１の絶縁膜１３を除去せずに残存させる場合には、加工精度を確保するために、半導体層３３やオーミックコンタクト層３５の不要な部分を除去するためのエッチングは、半導体層３３と第１の絶縁膜１３を構成するＳｉＮ膜との選択比を確保しやすいプラズマエッチングで行うことが好ましい。
【００６１】
その後、図１２（ｃ）に示すように、第２の絶縁膜１８を保護膜として２０００〜１００００Å、ＣＶＤ法により成膜する。第２の絶縁膜１８としては、例えばＳｉＮ膜を形成することができる。このようにして、撮像用光電変換素子１、モニタ用光電変換素子２及びＴＦＴ３を形成することができる。
【００６２】
そして、蛍光体層（図示せず）を形成し、電気接続を確保するために、周辺部の保護膜を、フォトリソグラフィ法を用いてパターニング及びドライエッチングを行って除去することにより、放射線撮像装置を完成させることができる。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。参考例及び第１の実施形態では、モニタ用光電変換素子２が変換部Ｔの内部に設けられているのに対し、第２の実施形態では、モニタ用光電変換素子２が変換部Ｔの近傍に設けられている。図１３は、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置に設けられたＴＦＴマトリックスパネルの擬似等価回路図である。
【００６４】
この放射線撮像装置には、例えば１２行×９列の撮像用光電変換素子１を備えた光電変換部、及び３つのモニタ用光電変換素子２が設けられている。各撮像用光電変換素子１は、スイッチング用ＴＦＴ３と対になって１個の画素を構成している。撮像用光電変換素子１、モニタ用光電変換素子２及びスイッチング用ＴＦＴ３の断面構成は、夫々第１の実施形態におけるものと同様である。
【００６５】
撮像用光電変換素子１の制御電極１２はゲート配線ｇ１〜ｇ１２を通じてゲートドライバ回路部５２に接続され、ソース電極１７ｓは信号線ｓ１〜ｓ９を通じて撮像用信号処理回路部５１に接続されている。
【００６６】
モニタ用光電変換素子２は、例えばＴＦＴ型のセンサであり、そのソース電極１７ｓは電源に接続され、ドレイン電極１７ｄは一つの配線にまとめられてモニタ用信号処理回路部５４に共通接続されている。３つのモニタ用光電変換素子２は、夫々基板の左端、中央部、右端に配置されている。モニタ用光電変換素子２の各制御電極２１は、撮像用光電変換画素１の第１２行目のゲート配線ｇ１２と接続されている。
【００６７】
このように構成された第２の実施形態においては、ソース電極１７ｓに電源５３から電圧を印加することによって、ソース・ドレイン間に電位を与えると、電極間の受光部に光が照射されて発生したエレクトロン及びホールをソース・ドレイン間の電位差により各電極に輸送される。この電荷をモニタ用信号処理回路５４でリアルタイムに読み取ることで、光照射量をモニタすることができる。このモニタ時は、第１２行目のゲート配線ｇ１２に、ＴＦＴ３のオフ電圧である半導体層の空乏化電圧を印加し、ダークカレントの防止とエレクトロン及びホールの収集効率を高める。また、モニタ用光電変換素子２内の絶縁膜１３と半導体層１４ｃとの界面に蓄積されたホールは、第１２行目の画素から電荷を読み出す時にゲート配線ｇ１２に印加するＴＦＴの動作電圧を利用して除去することができる。
【００６８】
図１４は、第２の実施形態においてゲートドライバ回路部５２から各ゲート配線に与えられる電圧及びそのタイミングを示すタイミングチャートである。
【００６９】
先ず、時間Ｔｘｏｎ〜Ｔｘｏｆｆで放射線をパネルに照射する。この放射線が、基板上に配置された蛍光体層により可視光線に変換され、各光電変換素子１及び２に照射される。光電変換部に照射された可視光線は二次元的に配置された撮像用光電変換素子１で吸収され、電荷として各素子の容量に蓄積される。また、モニタ用光電変換素子２で吸収された可視光線は、同じく電荷に変換され、ドレイン電極１７ｄを通じてモニタ用信号処理回路５４へ輸送される。これにより、Ｘ線照射量をリアルタイムでモニタすることができる。
【００７０】
そして、モニタ用信号処理回路５４で測定されたＸ線照射量が設定値に到達すると、Ｘ線発生器に信号を送り、Ｘ線の照射を停止させる。また、その直後に、ゲート配線ｇ１〜ｇ１２に順次ＴＦＴ３の動作電圧を印加することにより、撮像用光電変換素子１の容量に蓄積された電荷を信号線ｓ１〜ｓ９から読み取る。
【００７１】
また、ゲート配線ｇ１２にＴＦＴ３の動作電圧を印加すると（時間Ｔｒｏｎ〜Ｔｒｏｆｆ）、ゲート配線ｇ１２に接続された３つの制御電極２１から、モニタ用光電変換素子２の各半導体層１４ｃに順方向電圧（ＴＦＴ３の動作電圧）が印加されるため、モニタ用光電変換素子２内の絶縁膜１３と半導体層１４ｃとの界面にＸ線照射量に対応した蓄積された電荷が除去される（リフレッシュ動作）。
【００７２】
このような第２の実施形態によれば、光電変換部内にモニタ用光電変換素子２自体及びその引き回し配線を設ける必要がないため、全ての画素において撮像用光電変換素子１の受光面積（開口率）を第１の実施形態よりも向上させることができる。また、モニタ用光電変換素子２の大きさは、画素の大きさに拘わらず、パネルの大きさに応じて設定することができるので、モニタ用光電変換素子２の受光面積（開口率）を第１の実施形態よりも向上させることが可能である。
【００７３】
次に、第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法について説明する。図１５乃至図２０は、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。ここで、図１５（ａ）乃至図２０（ａ）は、モニタ用光電変換素子２に相当する部分を示し、図１５（ｂ）乃至図２０（ｂ）は、撮像用光電変換素子１に相当する部分を示す。
【００７４】
先ず、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、絶縁基板１０上に、第１の金属層としてＡｌＮｄ膜３１を、例えばスパッタリングにより５００〜４０００Å成膜する。第１の金属層として、Ｍｏ膜又はＴａ膜を形成してもよく、また、複数の膜を順次成膜した積層膜を形成してもよい。次に、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３２をマスクとして、ＡｌＮｄ膜３１をパターニングすることにより、センサ電極１１、制御電極１２及び２１並びにゲート配線２０を形成する。ＡｌＮｄ膜３１のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。パターニング後、レジスト膜３２を除去する。
【００７５】
次いで、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜１３を１５００〜４０００Å、半導体層３３を２０００〜１５０００Å、オーミックコンタクト層３５を１００〜１０００Å、ＣＶＤ法により連続して成膜する。半導体層３３が、撮像用光電変換素子１の半導体層（光電変換層）１４ａ、ＴＦＴ３の半導体層１４ｂ、モニタ用光電変換素子２の半導体層（光電変換層）１４ｃになる。第１の絶縁膜１３としては、例えばＳｉＮ膜を用いる。
【００７６】
次いで、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３６をマスクとして、スルーホール２７を形成する。スルーホール２７はＴＦＴ３のドレイン電極１７ｄと撮像用光電変換素子１のセンサ電極１１とを電気的に接続しており、可視光線を受光部で吸収した際に発生した電荷は、受光部と容量結合しているセンサ電極１１からドレイン電極１７ｄを通じて読み取られる。
【００７７】
なお、後から成膜する金属膜のカバレッジを良くするため、エッチングとして、ケミカルドライエッチングを行い、ホール部の断面をテーパーエッチングすることが好ましい。金属膜のカバレッジを考慮する必要がない良い場合は、反応性イオンエッチングで加工精度を上げても良いし、プラズマエッチングで形成しても良い。パターニング後、レジスト膜３６を除去する。
【００７８】
次に、図１７（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の金属層としてＡｌ膜３７を、例えばスパッタリングにより１０００〜４０００Å成膜する。第２の金属層として、Ｍｏ膜又はＴａ膜を形成してもよく、また、複数の膜を順次成膜した積層膜を形成してもよい。また、スルーホール２７の表面に酸化膜が形成されて、スルーホール２７との接続が悪い場合には、Ａｌ膜３７の成膜前に、逆スパッタリングにより酸化膜を除去するプロセスを入れると良い。
【００７９】
次いで、図１７（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３８をマスクとして、Ａｌ膜３７をパターニングすることにより、共通電極バイアスライン１６を形成する。Ａｌ膜３７のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。従って、Ａｌ膜３７はレジスト膜３８よりも若干内側に後退する。このパターニングの際に、ソース電極１７ｓ及び２２ｓ、ドレイン電極１７ｄ及び２２ｄ並びに信号線１９が形成される予定の領域のＡｌ膜３７は、本工程でエッチングされないようにレジスト膜３８でマスクしておく。パターニング後、レジスト膜３８を除去する。
【００８０】
その後、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、新たなレジスト膜３９をマスクとして、Ａｌ膜３７をパターニングすることにより、ソース電極１７ｓ及び２２ｓ、ドレイン電極１７ｄ及び２２ｄ並びに信号線１９を形成する。Ａｌ膜３７のエッチングは、例えば硝酸、リン酸及び酢酸を含有するエッチング液を使用したウェットプロセスにより行う。従って、Ａｌ膜３７はレジスト膜３８よりも若干内側に後退する。
【００８１】
この際に、既に形成されている共通電極バイアスライン１６は、本工程でエッチングされないようにレジスト膜３９でマスクしておく。また、次工程で行うドライエッチングの際に、撮像用光電変換素子１の開口領域内のオーミックコンタクト層３５が除去されないよう、共通電極バイアスライン１６だけでなく、撮像用光電変換素子１の開口領域全体をレジスト膜３９によりマスクしておく。
【００８２】
次に、図１８（ａ）及び（ｂ）に示すように、レジスト膜３９をマスクとして、ドライエッチングを行うことにより、ＴＦＴ３のギャップ部、即ち、ソース−ドレイン間のオーミックコンタクト層３５を除去する。
【００８３】
次いで、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜４０をマスクとして、半導体層３３やオーミックコンタクト層３５の不要な部分を除去することにより、撮像用光電変換素子１の開口領域を区画する。パターニング後、レジスト膜４０を除去する。
【００８４】
なお、第１の絶縁膜１３の不要な部分は、本実施形態では除去しないが、除去してもよい。第１の絶縁膜１３を除去せずに残存させる場合には、加工精度を確保するために、半導体層３３やオーミックコンタクト層３５の不要な部分を除去するためのエッチングは、半導体層３３と第１の絶縁膜１３を構成するＳｉＮ膜との選択比を確保しやすいプラズマエッチングで行うことが好ましい。
【００８５】
その後、図２０（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の絶縁膜１８を保護膜として２０００〜１００００Å、ＣＶＤ法により成膜する。第２の絶縁膜１８としては、例えばＳｉＮ膜を形成することができる。このようにして、撮像用光電変換素子１、モニタ用光電変換素子２及びＴＦＴ３を形成することができる。図２１は、第２の実施形態におけるモニタ用光電変換素子２の平面構成を示す断面図である。図１５乃至図２０は、図２１中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示している。
【００８６】
そして、蛍光体層（図示せず）を形成し、電気接続を確保するために、周辺部の保護膜を、フォトリソグラフィ法を用いてパターニング及びドライエッチングを行って除去することにより、放射線撮像装置を完成させることができる。
【００８７】
なお、第２の実施形態では、モニタ用光電変換素子２のゲート電極がゲート配線ｇ１２に接続されているが、ゲートドライバ回路部５２にゲート配線ｇ１〜ｇ１２とは独立して接続されたゲート配線に接続されていてもよい。この場合、このゲート配線には、ゲート配線ｇ１〜ｇ１２に動作電圧を順次印加した後、又はゲート配線ｇ１２に動作電圧を印加すると同時に、モニタ用光電変換素子２の各半導体層１４ｃに順方向電圧を印加することにより、リフレッシュ動作として、蓄積された電荷を除去すればよい。
【００８８】
この場合、モニタ用光電変換素子２のゲート電極を駆動するための回路部を、ＴＦＴのゲートドライバ回路部５２と共通化することができる。
【００８９】
ここで、上述の第１又は第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法の説明では、オーミックコンタクト層を形成した後に第２の金属膜を形成しているが、第２の金属膜を形成する前に、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）等からなる透明電極膜をオーミックコンタクト層上に形成してもよい。このような透明電極膜を形成することにより、オーミックコンタクト層の膜厚を薄くしても問題が生ずることはなくなるため、オーミックコンタクト層の膜厚を薄膜化することが可能となり、これによって入射光量自体を増大させることができる。また、モニタ用光電変換素子２においても、ソース電極２２ｓ及びドレイン電極２２ｄに透明電極膜を使用すれば、入射光量を増大させることができるため、その感度が向上する。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第２の半導体変換素子が、第１の半導体変換素子と同一の基板上に形成されているので、装置全体を小型化及び軽量化することができる。また、第２の半導体変換素子を介して検出された放射線量に基づいてＡＥＣ制御を行うことができ、このとき、第２の半導体変換素子による放射線の減衰が生じないため、良好な画質の撮像画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例に係る放射線撮像装置の回路構成を示す等価回路図である。
【図２】参考例に係る放射線撮像装置の全体的な構成を示すレイアウト図である。
【図３】参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子及びその引き回し配線のいずれもが設けられていない画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図４】参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図５】参考例に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図６】図３中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図７】図４中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図９】第１の実施形態に係る放射線撮像装置においてモニタ用光電変換素子用の引き回し配線が設けられた画素の平面構成を示すレイアウト図である。
【図１０】図８中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図１２】同じく、本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を工程順に示す断面図であり、図１１に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置に設けられたＴＦＴマトリックスパネルの擬似等価回路図である。
【図１４】第２の実施形態においてゲートドライバ回路部５２から各ゲート配線に与えられる電圧及びそのタイミングを示すタイミングチャートである。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図である。
【図１６】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１５に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図１７】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１６に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図１８】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１７に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図１９】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１８に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図２０】同じく、本発明の第２の実施形態に係る放射線撮像装置を製造する方法を示す断面図であり、図１９に示す工程の次工程を示す断面図である。
【図２１】第２の実施形態におけるモニタ用光電変換素子２の平面構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１；撮像用光電変換素子（第１の半導体変換素子）
２；モニタ用光電変換素子（第２の半導体変換素子）
３；ＴＦＴ
５１；撮像用信号処理回路部
５２；ゲートドライバ回路部
５３；電源
５４；モニタ用信号処理回路部
Ｒ１〜Ｒ３；領域
Ｔ；変換部
Ｍ１１〜Ｍ１４、Ｍ２１〜Ｍ２４、Ｍ３１〜Ｍ３４、Ｍ４１〜Ｍ４４；ＭＩＳ型光電変換素子
Ｐ１１〜Ｐ１４、Ｐ２１〜Ｐ２４、Ｐ３１〜Ｐ３４、Ｐ４１〜Ｐ４４；ＰＩＮ型光電変換素子
ＭＡ４１〜ＭＡ４４；ＴＦＴ型センサ
Ｔ１１〜Ｔ１４、Ｔ２１〜Ｔ２４、Ｔ３１〜Ｔ３４、Ｔ４１〜Ｔ４４；スイッチング用ＴＦＴ
Ｖｓ１〜Ｖｓ４；バイアス線
Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４；信号線
Ｖｇ１〜Ｖｇ４；ゲート線
Claims (8)
- 基板と、
前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、
前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、
前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されていることを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記第１の半導体変換素子及び前記薄膜トランジスタは、前記基板上にマトリクス状に配設され、
前記薄膜トランジスタの制御電極は、互いに並行に配設された複数本のゲート配線のいずれか１本に接続されており、
前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数本のゲート配線が延びる方向において当該第２の半導体変換素子が隣接する薄膜トランジスタの制御電極が接続されたゲート配線に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。 - 前記第１の半導体変換素子及び前記第２の半導体変換素子を含む第１の画素と、前記第１の半導体変換素子を含み、前記第２の半導体変換素子を含まない第２の画素と、が存在し、
前記第１の画素と前記第２の画素とでは、面積が実質的に等しく、
前記第１の画素内の前記第１の半導体変換素子の受光面積は、前記第２の画素内の前記第１の半導体変換素子の受光面積よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。 - 前記第２の半導体変換素子は、前記変換部内に複数設けられており、
前記複数本のゲート配線が延びる方向に並ぶ前記第１及び第２の画素の配列を行、それに直交する方向に並ぶ前記第１及び第２の画素の配列を列と定義したとき、前記複数の第２の半導体変換素子の少なくとも一部は、同一の行又は列を構成する複数の第２の画素内に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の放射線撮像装置。 - 前記第１の半導体変換素子の構造は、センサ電極を備えたＭＩＳ型の構造となっており、
前記センサ電極、前記薄膜トランジスタの制御電極及び前記第２の半導体変換素子の制御電極は、同一の層に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。 - 前記第２の半導体変換素子は、前記変換部の周囲に配設されていることを特徴とする請求項１又は５に記載の放射線撮像装置。
- 放射線源と、
基板と、
前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、
前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、
前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されている放射線撮像装置を駆動する方法であって、
前記第２の半導体変換素子を用いて前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために、前記第２の半導体変換素子の制御電極に前記薄膜トランジスタのオフ電圧を印加する工程と、
前記放射線源から放射線を前記変換部に向けて照射する工程と、
前記照射量がある値に到達した時に、前記放射線源からの放射線の照射を停止させる工程と、
前記第１の半導体変換素子に蓄積された電荷を読み出すために、前記薄膜トランジスタの制御電極に動作電圧を印加する工程と、
前記第２の半導体変換素子内の残存電荷を除去するために、前記第２の半導体変換素子の半導体層に順方向バイアスを印加する工程と、
を有し、
前記薄膜トランジスタの制御電極に動作電圧を印加する工程の一部と前記第２の半導体変換素子の半導体層に順方向バイアスを印加する工程とを同時に行うことを特徴とする放射線撮像装置の駆動方法。 - 基板と、
前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する複数の第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続された複数の薄膜トランジスタとを備えた変換部と、
前記変換部内に入射した放射線の照射量を検出するために前記基板上に配設され、放射線を電気信号に変換する電界効果トランジスタ型の第２の半導体変換素子と、を有し、
前記第２の半導体変換素子の制御電極は、前記複数の薄膜トランジスタのうちから選択された少なくとも１個の薄膜トランジスタの制御電極に接続されている放射線撮像装置の製造方法であって、
前記基板上に、同一の層から前記第１の半導体変換素子のセンサ電極、前記薄膜トランジスタの制御電極及び前記第２の半導体変換素子の制御電極を形成する工程と、
前記基板の上方に、前記第１の半導体変換素子の共通電極、前記薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに前記第２の半導体変換素子のソース電極及びドレイン電極用の導電膜を形成する工程と、
前記導電膜をパターニングすることにより、前記共通電極を形成する工程と、
前記導電膜を更にパターニングすることにより、前記薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに前記第２の半導体変換素子のソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする放射線撮像装置の製造方法。
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