(57)【要約】      （修正有）【課題】フォトセンサと薄膜トランジスタを備え信号／ノイズ比を改善する固体画像センサを提供する。【解決手段】フォトセンサで使用される多層構造１であり、該多層構造１は、基板２５と、金属酸化物半導体チャネルを含む薄膜トランジスタ１１と、アモルファスシリコンを含む感光素子３１と、を備える。薄膜トランジスタ１１は、感光素子３１に電気的に接続され、薄膜トランジスタ１１と感光素子３１は、基板２５上に配置され水素バリア構造３２、３７によって分離される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトセンサピクセルセルであって、
基板と、基板上にそれぞれ配置されるフォトセンサピクセル、ゲートラインおよびデータラインと、を備え、
フォトセンサピクセルは、ゲートラインおよびデータラインに接続された金属酸化物薄膜トランジスタを備え、
水素化アモルファスシリコンを含む感光素子と、金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造と、をさらに備え、
水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である、フォトセンサピクセルセル。
【請求項２】
フォトセンサピクセルを製造する方法であって、
基板上に水素化アモルファスを含む感光素子を形成するステップと、
基板上に金属酸化物薄膜トランジスタを形成するステップと、
金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造を形成するステップと、を含み、
水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である、方法。
【請求項３】
固体画像センサであって、
基板と、複数の行および複数の列にて配置されたフォトセンサピクセルの集合体を含むピクセルアレイと、ゲートラインと、データラインと、を備え、
ピクセルアレイ、ゲートラインおよびデータラインは、基板上に配置され、フォトセンサピクセルの集合体におけるそれぞれの要素は、ゲートラインおよびデータラインに接続された金属酸化物薄膜トランジスタを備え、
水素化アモルファスシリコンを含む感光素子と、金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造と、をさらに備え、
水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である、固体画像センサ。
【請求項４】
基板と、基板上にそれぞれ配置されるピクセルの集合体、ゲートラインおよびデータラインと、を備える固体フォトセンサを製造する方法であって、
基板上にゲートラインおよびデータラインを形成するステップと、
基板上にアモルファスシリコン層を含むフォトダイオードを形成するステップと、
基板上に金属酸化物薄膜トランジスタを形成するステップと、
金属酸化物薄膜トランジスタをゲートラインおよびデータラインに接続するステップと、
金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造を形成するステップと、を含み、
水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である、方法。
【請求項５】
金属酸化物薄膜トランジスタは、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート誘電体と、チャネルと、を備え、
チャネルは、元素周期表の第１２族および第１３族の金属の中の１つ又は複数の酸化物を含む、請求項１から４のいずれか１つに記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項６】
チャネルは、亜鉛-スズ酸化物、インジウム-亜鉛酸化物、亜鉛-ガリウム酸化物、カドミウム-ガリウム酸化物、カドミウム-インジウム酸化物からなるグループから選択される混合金属酸化物を含む、請求項５に記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項７】
チャネルは、ＡＸＢＸＣＸＯＸ（Ａは、ＺｎおよびＣｄのグループから選択され、Ｂは、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｃは、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｏは、酸素であり、ｘのそれぞれは、０ではない独立した整数であり、Ａ、ＢおよびＣのそれぞれは異なっている。）の式により表される混合金属酸化物を含む、請求項５に記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項８】
感光素子は、ドープアモルファスシリコン層が上方に形成された感光性真性シリコン層と、感光性真性シリコン層の下方に配置されたドープアモルファスシリコン層とを含む多層アモルファスシリコン構造を備える、請求項１から７のいずれか１つに記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項９】
感光素子は、水素化アモルファスシリコンを含むｐ型／真性シリコン／ｎ型（ＰＩＮ）フォトダイオード、アモルファスシリコンを含むｎ型／真性シリコン／ｐ型（ＮＩＰ）フォトダイオード、あるいは水素化アモルファスシリコン金属-絶縁体半導体（ＭＩＳ）センサである、請求項８に記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項１０】
感光素子における第１の側は、放射に曝される側であって、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化アンチモンスズ（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、又はその他の実質的に透明な導電性材料による層を含む、請求項１から９のいずれか１つに記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項１１】
感光素子は、抵抗接点のためのｎ＋水素化アモルファスシリコン層と、真性アモルファスシリコンによる厚い層と、ｐ型アモルファスシリコンによる層と、を含むＰＩＮダイオードである、請求項１から１０のいずれか１つに記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項１２】
ｎ＋水素化アモルファスシリコン層、真性アモルファスシリコン層、ｐ型アモルファスシリコン層の順に配置されるとともに、これらの層は、ｎ＋層が約３ｎｍ―約５０ｎｍの厚みを有し、真性層が約５００ｎｍ―約２０００ｎｍの厚みを有し、ｐ層が約３ｎｍ―約５０ｎｍの厚みを有するアイランドとなるように、パターン化される、請求項１１に記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項１３】
感光素子は、感光素子の真性シリコンまで光が通過するように、アモルファスシリコン積層体の上に透明な導電性材料で形成されるトップダイオードコンタクトを備える、請求項１１に記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項１４】
水素バリア構造は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ＮｄドープＡｌ、Ｔａ、ＴｉＮおよびそれらの組み合わせからなるグループから選択される金属による金属層を含み、当該金属層は、約２０ｎｍ―約３００ｎｍの範囲の厚みを有する、請求項１から１３のいずれか１つに記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【請求項１５】
水素バリア構造は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、窒化タンタル、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される誘電体による層を含む、請求項１から１４のいずれか１つに記載のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ、又は方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、半導体センサ装置に関し、特に、放射素子を検知するための撮像アレイなどのフォトセンサアレイおよびそれに関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルラジオグラフィーは、Ｘ線フィルムの代わりにデジタルＸ線センサを用いるＸ線撮影の形態である。デジタルラジオグラフィーの潜在的な利点として、画像のプレビューおよび画像の利用を即時に可能とし、フィルム処理のステップを排除し、より広いダイナミックレンジを提供し、さらに、画像の全体表示をより良くする特殊な画像処理技術を適用する機能を有することが挙げられる。
【０００３】
デジタル画像取込装置としては、フラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）が提案されており、アモルファスシリコン（α-Ｓｉ）は、今日まで提案されている商業用ＦＰＤを構築するための一般的な材料である。このようなＦＰＤは、二次元的に配列された、薄膜トランジスタなどのスイッチング素子とフォトダイオードなどの光電変換素子とを有するピクセルを含む。これに加えて、アレイ基板は一般的に、スイッチング素子に電圧を供給するゲートラインおよびバイアスラインと、光電変換素子の光起電力を読み取るデータラインとを有する。スイッチング素子は、ゲートラインとデータラインの交差部に設けられており、バイアスラインは、ゲートラインとデータラインの交差部によって画定されるピクセルと交差するように設けられている（例えば、米国特許出願第２０１２／００３３１６１号および米国特許出願第２０１３／０１４０５６８号を参照）。
【０００４】
デジタルＸ線検知器は典型的には、光子を電気信号に変換する光検知フォトダイオードとスイッチング薄膜電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とによるピクセルアレイを有する検出器パネルアレイを備える。フォトダイオードとＦＥＴによるピクセルアレイ上に配置されたシンチレータ材料は、その表面に受けられた入射Ｘ線放射光子を低エネルギーの光子に変換して出力する。フォトダイオードとＦＥＴによるピクセルアレイは、光子を電気信号に変換する。あるいは、検出器パネルアレイは、Ｘ線光子を直接的に電気信号に変換してもよい。画像データへの変換のためにプロセッサにデジタル信号を提供して、被検体内の特徴部分の画像へと再構築する検知器パネルアレイインタフェースによって、電気信号はアナログ信号からデジタル信号に変換される。
【０００５】
デジタルＸ線検知器の登場により、医療画像の分野において従前のアナログラジオグラフィー撮像システムに対してワークフローを改善するとともに、高画質を実現するだけでなく、フィルムには使用できない蛍光透視法などの画像取得モードを実現することができる。デジタルＸ線検知器によれば、より迅速な閲覧および診断を行うための画像データの取得および画像の再構築が可能となり、さらに、顧問医師、委託医師、放射線科医あるいはＣＲなどの専門家への送信や保存が容易になる。しかしながら、デジタルＸ線検知器における課題の１つは、スイッチング速度、すなわち、感知素子と統合される時の撮像ピクセルのオンとオフをスイッチングする速度である。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の種々の態様の中でも、フォトセンサレイの提供、より詳細には、放射素子を検知するためのフォトセンサおよびそれに関連する方法の提供がある。さらに、スイッチング素子として使用されるとともに、比較的速いスイッチングおよび高い可動性の読み出し操作を行うようにフォトセンサ素子に電気的に接続された金属酸化物薄膜トランジスタを備えるセンサ素子の製造方法が提供される。一般的に、フォトセンサは、金属酸化物半導体チャネルを有する薄膜トランジスタと、アモルファスシリコンを有する感光素子と、薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離して高温処理時における金属酸化物チャネルの水素被毒を緩和する水素バリア構造と、を備える。好都合にも、撮像ピクセル内の増幅回路に配置された複数の金属酸化物薄膜トランジスタは、ノイズを比較的低く維持する信号レベルを増加させる。これにより、信号／ノイズの比を改善することができるため、画像アレイの画質を向上させるとともに、患者への投与量を少なくすることができる。
【０００７】
したがって、簡潔に言えば、本発明の一態様は、フォトセンサで使用される多層構造であり、当該多層構造は、基板と、金属酸化物半導体チャネルを有する薄膜トランジスタと、水素化アモルファスシリコンを有する感光素子とを備える。薄膜トランジスタは、感光素子に電気的に接続され、薄膜トランジスタと感光素子は、基板上に配置されて水素バリア構造によって分離される。
【０００８】
したがって、簡潔に言えば、本発明の一態様は、基板と、基板上に配置されたピクセル、ゲートラインおよびデータラインとを備えるフォトセンサピクセルセルである。当該フォトセンサピクセルは、ゲートラインとデータラインに接続された金属酸化物半導体薄膜トランジスタを備え、感光素子は、水素化アモルファスシリコンを含み、水素バリア構造は、薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する。水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である。
【０００９】
本発明の別の態様は、フォトセンサピクセルを製造する方法である。当該方法は、基板上に水素化アモルファスを含む感光素子を形成するステップと、基板上に金属酸化物半導体チャネルを含む薄膜トランジスタを形成するステップと、薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造を形成するステップと、を含む。水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である。
【００１０】
本発明の別の態様は、基板と、基板上にそれぞれ配置されるピクセルアレイ、一連のゲートラインおよび一連のデータラインと、を備える固体画像センサである。ピクセルアレイは、複数の行および複数の列で配列されたフォトセンサピクセルの集合体を備え、フォトセンサピクセルの集合体におけるそれぞれの要素は、ゲートラインのうちの１つとデータラインのうちの１つに接続された金属酸化物薄膜トランジスタと、水素化アモルファスシリコンを含む感光素子と、薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造と、を備える。水素バリア構造の水素拡散率は典型的には、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である
【００１１】
本発明のさらなる態様は、基板と、基板上にそれぞれ配置されるピクセルアレイ、ゲートラインおよびデータラインと、を備える固体フォトセンサの製造方法である。当該方法は、基板上にゲートラインおよびデータラインを形成するステップと、基板上に水素化アモルファスシリコン層を含む感光素子を形成するステップと、基板上に金属酸化物薄膜トランジスタを形成するステップと、金属酸化物薄膜トランジスタをゲートラインとデータラインに接続するステップと、金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造を形成するステップと、を含む。水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である。
【００１２】
その他の目的および特徴について、以下の説明で一部は明らかであり一部は指摘される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のフォトセンサの一実施形態を示す模式的な平面図
【図２】図１のフォトセンサのピクセルの拡大図
【図３Ａ】本発明の多層構造の選択可能な一実施形態を示す模式的な断面図
【図３Ｂ】本発明の多層構造の選択可能な一実施形態を示す模式的な断面図
【図３Ｃ】本発明の多層構造の選択可能な一実施形態を示す模式的な断面図
【図４Ａ】本発明の多層構造における薄膜トランジスタコンポーネントの選択可能な一実施形態を示す断面図
【図４Ｂ】本発明の多層構造における薄膜トランジスタコンポーネントの選択可能な一実施形態を示す断面図
【図４Ｃ】本発明の多層構造における薄膜トランジスタコンポーネントの選択可能な一実施形態を示す断面図
【図４Ｄ】本発明の多層構造における薄膜トランジスタコンポーネントの選択可能な一実施形態を示す断面図
【図５】本発明の多層構造の選択可能な一実施形態を示す模式的な断面図
【図６】本発明の多層構造の選択可能な一実施形態を示す模式的な断面図
【図７】本発明の多層構造の選択可能な一実施形態を示す模式的な断面図
【図８Ａ】本発明の１ピクセルにおけるフォトセンサの一実施形態を示す模式的な平面図
【図８Ｂ】図８Ａのピクセルの模式的な断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
対応する参照符号は、図面全体を通じて対応するパーツを表す。異なる図面における層の相対的な厚みは、実際の寸法関係を表すものではない。例えば、基板の厚みは通常、他の層の厚みよりも大幅に厚い。数字は、接続の原理を説明する目的のために示されており、寸法の情報を表すものではない。
【００１５】
（略語および定義）
以下の定義および方法は、本発明をよりよく定義し、本発明の実施にあたって当業者をガイドするために設けられている。特に断りのない限り、用語は、本願の関連分野における当業者による従来の使用に従って解釈される。
【００１６】
また、エレメント又は層が別のエレメント又は層の「上に配置される」、又はそれらに「接続される」という場合、当該他のエレメント又は層に直接的に接触又は接続する場合も、間にエレメント又は層が介在する場合もある。対照的に、エレメントが別のエレメント又は層の「上に直接配置される」又はそれらに「直接接続される」という場合、間にエレメント又は層は介在しない。
【００１７】
本開示の目的のために、「少なくとも一つの〜」とは、〜で列挙したエレメントのうち、複数の組み合わせを含む、任意の組み合わせを意味するものと解釈される。例えば、「X、Y、およびZの少なくとも１つ」とは、Xのみ、Yのみ、Zのみ、又はX、Y、Zのうちの２つ以上の任意の組合せ（例えば、XYZ、XZ、YZ）を意味するものと解釈される。
【００１８】
本発明又はその実施形態に関するエレメントを説明するときに使用される、冠詞“a”、“an”、“the”、“said”とは、１つ又は複数のエレメントが存在することを意味する。また、“comprising”、“including”および“having”（備える、含む、有する、など）との用語は、非制限的なものであって、記載したエレメント以外の付加的なエレメントが存在し得ることを意味する。
【００１９】
特段の指示がない限り、明細書および特許請求の範囲において使用される量を表す全ての数字は、全ての例において“about”又は“approximatelｙ”（約、概ね、など）の用語により修飾されるものとして理解される。したがって、特段反対のことが示されない限り、以下の明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本発明によって得ようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値である。最低限でも、かつ、特許請求の範囲に対する均等論の適用を制限する試みとしてではなく、数値パラメータのそれぞれは少なくとも、報告される有効桁の数を考慮し通常の丸め操作技術を適用することによって解釈されるべきである。本発明の広い範囲を表す数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の実施例に示される数値はできるだけ正確に報告されている。技術的開示において、テストに関する具体的な結果が報告されている場合、数値には、それぞれの試験測定で見られる標準偏差から必然的に生じる誤差を含み得る。
【００２０】
値に関する範囲の列挙は、それぞれ別個の値がその範囲内に入ることを単に言及する簡便な方法を意図するものである。本明細書で特段の指示がない限り、個々の値は、本明細書において別個に列挙されるかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載される全ての方法は、特段の指示がない限り、又は、文脈に対して明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で行うことができる。本明細書に示される任意のおよび全ての例又は例示的な用語（例えば、「〜など（such as）」、「〜の場合（in the case）」、「例示として（by way of example）」）は、本発明の理解をより容易にすることを意図しており、本発明の範囲を限定するものではない。明細書中の用語は、本発明の実施に不可欠な、請求項に記載されていないエレメントとして解釈されるべきではない。
【００２１】
（詳細な説明）
一般的に、本開示は、Ｘ線検知器などのフォトセンサ装置に組み込むことができる多層構造を対象としている。多層構造は、薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタに電気的に接続された感光素子と、水素バリアと、を備え、これらは全て基板によって支持されている。薄膜トランジスタは、金属酸化物チャネルを備える。感光素子は、アモルファスシリコン層を備える。水素バリアは、薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する。機能的には、バリア構造は、多層デバイスの任意の熱処理中における薄膜トランジスタの水素被毒を緩和する。さらに、金属酸化物薄膜アレイは、大気雰囲気への長期曝露によってその性能が悪化し得る。本開示が取り組む戦略は、大気中の汚染物質が入らないようにするためのバリアに関するだけでなく、オペレーション中の電気的負荷においても安定した薄膜トランジスタを実現するために外方拡散を閉じ込めるバリアにも関する。例えば、一実施形態においては、バリア構造は、金属酸化物のＴＦＴ誘電体上に金属の「キャップ」を設けて、金属酸化物チャネル内への水分の拡散を最小限に抑える。
【００２２】
一実施形態では、多層構造は、二次元的に配列された複数のピクセルからなるピクセルアレイを備えたデジタルＸ線検知器のコンポーネントであってもよく、これらのピクセルのそれぞれは、感光素子とトランジスタとを含む。デジタルＸ線検知器はまた、２次元の画像をスキャンするためのゲートラインと、第２の次元（second dimension）において各ピクセルに接続されたデータラインと、各ピクセルのトランジスタに接続されて感光素子の読み出しを可能とするイネーブル回路と、各ピクセルのトランジスタを通じて感光素子に接続されて感光素子からのデータの読み出しを行う読み出し回路と、を備える。デジタルＸ線検知器は、イネーブル回路によって各トランジスタをオフ状態に維持しながら、Ｘ線照射の開始を自律的に決定するように構成される。
【００２３】
本明細書に記載の薄膜トランジスタ、感光素子および水素バリア構造を含む多層構造は、任意の広範囲の構造（アーキテクチャ）にてフォトセンサ内に組み込むことができる。例えば、一実施形態では、感光素子は、ピクセル化された電荷収集電極のアレイにおけるアクティブな表面領域にまたがる連続層であってもよい。別の実施形態では、当該アレイは、アプリケーションの解像度のニーズに応じて、寸法方向に延びる（ranging in dimension）個々のピクセル化された感光素子の集合体を含んでもよい。
【００２４】
図１を参照すると、本開示の一実施形態に係る積層構造を組み込んだ例示的なフォトセンサ３は、基板２５と、基板２５上に配置された二次元アレイによる複数のピクセルＰと、を備える。ピクセルＰは、一連のピクセル列Ｃおよび一連のピクセル行Ｒに沿って隣り合って配置されている。このとき、アレイ状の個々のピクセルＰは、ゲートライン６３およびデータライン６７の交差部によって区切られる領域により画定されている。図１に示すように、データライン６７は、ピクセルの複数の列に電気的に接続されるとともにそれらを互いに分離し、ゲートライン６３は、ピクセルの複数の行に電気的に接続されるとともにそれらを互いに分離する。両ラインは互いに直交して延びる。バイアスライン６５は、ピクセルの列に電気的に接続されるとともにデータライン６７に対して平行かつ交互に延びる。バイアスライン６５、データライン６７およびゲートライン６３は、ピクセルＰのアレイをターミナル（図示せず）に接続するためにパッドのそれぞれを相互接続する。説明を容易にするために、図１においてフォトセンサ３は１５行×１１列のピクセルを有しているが、いくつかの実施形態では、フォトセンサ３はフォトセンサ基板上において、数十、より一般的には数百〜数千の行および列のピクセルを有してもよい。一実施形態では、ピクセルのサイズは、デバイスの解像度のニーズに応じて、約２５〜約１０００マイクロメートルの範囲である。そのような一実施形態におけるピクセルのサイズは例えば、約３５〜約５００マイクロメートルの範囲である。さらなる例として、そのような一実施形態におけるピクセルのサイズは、約５０〜約４００マイクロメートルの範囲である。
【００２５】
図２に示すように、一実施形態では、それぞれのピクセルＰは、感光素子３１と、薄膜トランジスタ１１と、感光素子３１と薄膜トランジスタ１１の間に配置された水素バリア構造（図示せず）と、を備える。それぞれのピクセルＰは、ゲートライン６３とデータライン６７の交差部によって画定されるとともに、バイアスライン６５が横断する。薄膜トランジスタ１１は、本明細書に図示されるあるいは説明される任意の薄膜構造および構成材料を有する薄膜トランジスタを含んでいてもよい。感光素子３１は、本明細書に開示される任意の感光素子の種類および構成材料を含んでもよい。このような薄膜トランジスタ１１および感光素子３１は、ボトムビュー、トップビュー又はコープレーナーの形態にて配置してもよい。さらに、水素バリア構造は、薄膜トランジスタ、感光素子および水素バリア構造に関連して本明細書に既に記載された任意の構成材料又は任意の寸法を有してもよい。
【００２６】
動作中において、ゲート端子（図示せず）は、ゲートライン６３を通じて外部からピクセルＰに駆動信号を入力する。また、データ端子（図示せず）は、ピクセルＰで検出された電荷を、データライン６７を通じて外部に読み出す。また、バイアス端子（図示せず）は、外部から印加される電圧を、バイアスライン６５を通じてピクセルＰに入力する。例えば、薄膜トランジスタ１１は、シンチレータ光（図示せず）が感光素子３１によって吸収された後に感光素子３１からの電気信号をデータライン６７に伝達すべきか否かを制御するためのスイッチとして使用することができる。
【００２７】
本開示の多層構造は、あらゆる広範囲の構造（アーキテクチャ）による薄膜トランジスタおよび感光素子を備える。図３Ａ―図３Ｃは、基板２５上に感光素子３１および薄膜トランジスタ１１を備える多層構造１のいくつかの例示的な実施形態を示す。図３Ａにおいて、感光素子３１は、（基板２５に対して）薄膜トランジスタ１１の上方にあり、感光素子３１と薄膜トランジスタ１１の間には、電気的絶縁のための誘電体層４１が設けられている；この構造は、「トップビュー構造」と呼ばれることがある。図３Ｂにおいて、薄膜トランジスタ１１は、（基板２５に対して）感光素子３１の上方にあり、薄膜トランジスタ１１と感光素子３１の間には、電気的絶縁のための誘電体層４１が設けられている；この構造は、「ボトムビュー構造」と呼ばれることがあり、薄膜トランジスタの水素被毒を緩和するために有利である。図３Ｃにおいて、光検知素子３１と薄膜トランジスタ１１は、（基板２５に対して）同一平面上にあって誘電体層４１によって分離されており、図示しない共通の金属ルーティングを共有する； この構造は、「コープレーナー構造」と呼ばれることがあり、トップビュー構造やボトムビュー構造と比較して、製造時に必要なマスクや工程の数を減らすことができ、潜在的なコスト優位性を有する。
【００２８】
薄膜トランジスタは、あらゆる広範囲の構造（アーキテクチャ）を含んでもよい。例えばいくつかの実施形態では、薄膜トランジスタは、いくつか例を挙げると、水平電極、垂直電極、コープレーナー型電極、若しくはスタガード型電極による構造、又は、トップゲート、ボトムゲート、シングルゲート、若しくはダブルゲートによる構造を有してもよい。ある実施形態では、薄膜トランジスタは、インバーテッド・スタガード型又はコープレーナー型のデザインのいずれかを使用してトップゲート又はボトムゲートの構造を有してもよい。例えば、そのような実施形態の１つでは、薄膜トランジスタは、エッチストッパー型又はバックチャネルエッチ型の構造のいずれかを有するボトムゲート構造であってもよい。本明細書で使用する場合、コープレーナー型電極の構成は、トランジスタ構造においてソース電極およびドレイン電極がゲート電極と同様にチャネルの同じ側に配置されていることが意図される。スタガード型電極の構成は、トランジスタ構造においてソース電極およびドレイン電極がゲート電極と同様にチャネルの反対側に配置されていることが意図される。
【００２９】
図４Ａ−４Ｄには、薄膜トランジスタの例示的な実施形態が示されている。図４Ａは、ボトムゲートアイランドエッチストッパー型-の薄膜トランジスタ１１を図示している。図４Ａの薄膜トランジスタ１１は、金属酸化物半導体チャネル１３と、ゲート誘電体層１５と、ゲート電極１７と、ソース／ドレイン１９と、封止用誘電体層２３と、基板２５とを備える。図４Ｂは、ボトムゲートバックチャネルエッチ型の薄膜トランジスタ１１を図示している。図４Ｂの薄膜トランジスタ１１は、金属酸化物半導体チャネル１３と、ゲート誘電体層１５と、ゲート電極１７と、ソース／ドレイン１９と、封止用誘電体層２３と、基板２５とを備える。図４Ｃは、トップゲート型の薄膜トランジスタ１１を図示している。図４Ｃの薄膜トランジスタ１１は、金属酸化物半導体チャネル１３と、ゲート誘電体層１５と、ゲート電極１７と、ソース／ドレイン１９と、ドレイン保護膜２２と、封止用誘電体層２３と、基板２５とを備える。図４Ｄは、デュアルゲート型の薄膜トランジスタ１１を図示している。図４Ｄの薄膜トランジスタ１１は、金属酸化物半導体チャネル１３と、ゲート誘電体層１５Ａ、１５Ｂと、ゲート電極１７Ａ、１７Ｂと、ソース／ドレイン１９と、ドレイン保護膜２２と、封止用誘電体層２３と、基板２５とを備える。図４Ａ―図４Ｄのそれぞれにおいて、ゲート誘電体層１５は、ゲート電極１７、１７Ａ、１７Ｂとソース／ドレイン電極１９の間に配置されるとともに、ゲート誘電体層１５、１５Ａ、１５Ｂは、ゲート電極１７、１７Ａ、１７Ｂをソース／ドレイン電極１９から物理的に分離している。さらに、図４Ａ―図４Ｄのそれぞれにおいて、ソース／ドレイン電極１９は個別に配置されており、これにより、ソース／ドレイン電極１９の間にチャネル１３を介在させるための領域を形成する。このように、図４Ａ―図４Ｄは、ゲート誘電体層１５、１５Ａ、１５Ｂは、チャネル１３に隣接して配置されるとともに、ソース／ドレイン電極１９をゲート電極１７、１７Ａ、１７Ｂから物理的に分離している。さらに、図４Ａ−図４Ｄのそれぞれにおいて、チャネル１３は、ゲート誘電体層１５、１５Ａ、１５Ｂに隣接して配置されるとともに、ソース／ドレイン電極１９の間に介在している。
【００３０】
チャネル１３は、半導体金属酸化物材料を備える。一実施形態では、チャネル１３は、元素周期表の第１２族および第１３族からの１つ又は複数の金属の酸化物を含む。例えば、一実施形態では、チャネルは、酸化亜鉛などの第１２族又は第１３族の金属の酸化物を含む。さらなる例として、このような実施形態の１つにおいて、チャネルは、亜鉛-スズ酸化物、インジウム-亜鉛酸化物、亜鉛-ガリウム酸化物、カドミウム-ガリウム酸化物、カドミウム-インジウム酸化物、又はそれらの組合せなど、第１２族および／又は第１３族の２つの元素を含む混合金属酸化物を備える。さらなる例として、このような実施形態の１つにおいて、チャネルは、第１２族および／又は第１３族の３つの金属を含む混合金属酸化物を含む；このような実施形態の１つにおいて、混合金属酸化物は、ＡＸＢＸＣＸＯＸ（Ａは、ＺｎおよびＣｄのグループから選択され、Ｂは、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｃは、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｏは、酸素であり、ｘのそれぞれは、０ではない独立した整数であり、Ａ、ＢおよびＣのそれぞれは異なっている。）の式により表されてもよい。ＡＸＢＸＣＸＯＸの式により表される例示的な混合金属酸化物は、アルミニウム-インジウム-亜鉛酸化物、ハフニウム-インジウム-亜鉛酸化物、インジウム-ガリウム-亜鉛酸化物、カドミウム-ガリウム-インジウム酸化物、亜鉛-カドミウム-ガリウム酸化物、亜鉛-カドミウム-インジウム酸化物を含む。その他の実施形態では、チャネルは、第１２族および／又は第１３族の４つの金属を含む混合金属酸化物から形成されてもよい；そのような実施形態の１つにおいて、混合金属酸化物は、ＡＸＢＸＣＸＯＸ（Ａは、ＺｎおよびＣｄのグループから選択され、Ｂは、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｃは、Ｚｎ、Ｃｄ、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｄは、Ｚｎ、Ｃｄ、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｏは、酸素であり、ｘのそれぞれは、０ではない独立した整数であり、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤのそれぞれは異なっている。）の式により表されてもよい。つまり、構成元素のそれぞれの「ｘ」の値は異なってもよい。このように、この実施形態では、例示的な酸化物は、亜鉛-カドミウム-ガリウム-インジウムの酸化物を含む。前述した実施形態のそれぞれにおいて、金属酸化物の材料は、組成物、処理条件およびその他の要因に応じて、あらゆる範囲の形態を有してもよい。形態の各種状態として、アモルファス状態や多結晶状態が含まれてもよい。多結晶状態は、単相の結晶状態又は混合相の結晶状態を含んでもよい。
【００３１】
用途に応じて、チャネル１３は、組成物および構成に関する範囲を有してもよい。例えば、一実施形態では、チャネル１３は、当該チャネルにわたって実質的に均一な半導体金属酸化物成分を有する。別の実施形態では、チャネル１３は、多層構造である。例えば、そのような実施形態の１つにおいては、チャネル１３は、第１の半導体金属酸化組成物による第１の層と、第２の半導体金属酸化組成物による第２の層とを備える多層チャネルである（第１および第２の半導体金属酸化組成物はそれぞれ異なる）。さらなる例として、このような実施形態の１つにおいて、チャネル１３は、それぞれが異なる半導体金属酸化組成物を有する３つ以上の層を含んでもよい。さらに別の実施形態では、単層又は多層のチャネルにおける１つ又は複数の層は、段階的な酸素濃度（勾配の方向はチャネルの上から下に向かう方向）を有してもよい。例えば、第１の酸素濃度としては、インジウム１、ガリウム１および亜鉛１に対して酸素４であってもよく（すなわち、４：１：１：１）、第２の酸素濃度としては、インジウム１、ガリウム１および亜鉛１に対して酸素４よりも多い、であってもよい（すなわち、＞４：１：１：１）。
【００３２】
一般的に、チャネル１３は通常、少なくとも約５ｎｍの厚さを有する。チャネルの厚さは、チャネルの材料がアモルファスか多結晶かどうか、およびチャネルが組み込まれるデバイスなどの要因に応じて、変化し得る。通常の場合、チャネルは、約５ｎｍ―約２００ｎｍの範囲の厚みを有する。ある実施形態では、チャネルは例えば、約３０ｎｍ―約１００ｎｍの厚みを有する。さらなる例として、チャネルは、約４０―約６０ｎｍの範囲の厚みを有してもよい。
【００３３】
ソース／ドレイン電極１９は、従来から薄膜トランジスタ内のソース／ドレイン電極として使用される任意の範囲の材料を含んでもよい。例えば、一実施形態では、ソース／ドレイン電極は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、又はＮｉなどの金属を含んでもよい。さらなる例として、一実施形態では、ソース・ドレイン電極は、ｎ型ドープのＩｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、又は酸化亜鉛などの層を含んでもよい。本開示の様々な実施形態では、ソース・ドレイン電極が透明な材料を含むことで、様々な形態のトランジスタが実質的に透明となるようにしてもよい。さらに、ソース／ドレイン電極は、単層構造又は多層構造であってもよく、多層構造としては例えば、二層構造、三層構造、又は前述した材料による複数の層を含むその他の多層構造がある。
【００３４】
ゲート誘電体１５、１５Ａ、１５Ｂ（図４Ａ−図４Ｄ）は、ゲート誘電体に代表される絶縁特性を有する異なる材料による種々の層を含んでもよい。そのような材料は、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、チタン酸ストロンチウム（ＳＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、ジルコニウムチタン酸鉛（ＰＺＴ）、ストロンチウムビスマスタンタル（ＳＢＴ）、ビスマスジルコニウムチタン酸（ＢＺＴ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化マグネシウム（Ｍｇｏ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＩＶ）（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＩＶ）（ＺｒＯ２）、および各種の有機誘電体材料などを含んでもよい。
【００３５】
図２および図３Ａ―図３Ｃを再度参照すると、感光素子３１は、水素化非結晶シリコン（α-Ｓｉ）の層を含む。感光素子は例えば、ドープアモルファスシリコン層を上方に有する感光性真性シリコン層と、横方向の導電性および抵抗接点を促進するように感光性真性シリコン層の下方に配置されたドープアモルファスシリコン層と、を備える多層アモルファスシリコン構造であってもよい。例えば、一実施形態において、感光素子は、水素化アモルファスシリコンを備えるｐ型／真性シリコン／ｎ型（ＰＩＮ）フォトダイオード、アモルファスシリコンを備えるｎ型／真性シリコン／ｐ型（ＮＩＰ）フォトダイオード、あるいは水素化アモルファスシリコン金属-絶縁体半導体（ＭＩＳ）センサである。好ましくは、感光素子において放射に曝される側は、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化アンチモンスズ（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、又はその他の適切な透明導電性材料を含む。
【００３６】
一実施形態では、感光素子３１は、垂直型フォトダイオードを備え、当該垂直型フォトダイオードにおいて、水素化アモルファスシリコン層の上と下にそれぞれ電極が重ねられている。例えば、このような実施形態の１つにおいて、感光素子３１は、水素化アモルファスシリコンを含むＰＩＮダイオードである。さらなる例として、このような実施形態の１つにおける感光素子は、抵抗接点のためのｎ＋水素化アモルファスシリコン層を含むＰＩＮダイオードと、真性アモルファスシリコンによる厚い層と、ｐ型アモルファスシリコン層と、を備える。これらの層は連続して順番に配置されるとともに、ｎ層が約３ｎｍ―約５０ｎｍの厚みを有し、真性層が約５００ｎｍ―約２０００ｎｍの厚みを有し、ｐ層が約３ｎｍ―約５０ｎｍの厚みを有するアイランドとなるように、パターン化される。一般的には、ｎ型ドーパントは、リン（Ｐ）、その他の適切なｎ型ドーパント又はそれらの組合せであってもよい。ｐ型ドーパントは、ホウ素（Ｂ）、その他の適切なｐ型ドーパント又はそれらの組み合わせであってもよい。ｐ型層の厚みは、好ましくは、入射光子の減衰を最小化するのに十分に薄い。その後、アモルファスシリコンの積層体の上に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン、ｎドープ若しくはｐドープの酸化亜鉛若しくは亜鉛オキシフッ化物などの透明導電性材料を配置することで、感光素子の真性シリコンまで光が通過するようにトップダイオードコンタクトを形成してもよい。
【００３７】
一実施形態では、感光素子３１は、水素化アモルファスシリコンを含むＭＩＳ型センサを備える。例えば、そのような実施形態の１つでは、ＭＩＳセンサは、電荷収集電極の上に形成された誘電体層と、誘電体の上に形成された水素化アモルファスシリコン層と、アモルファスシリコン層の上に形成されたｎ＋半導体層とを含む。誘電体層は例えば、ＳｉＯＮ若しくはＳｉＮを含んでもよい、あるいは約５―約５０ｎｍの範囲の厚みを有してもよい。誘電体層は例えば、アモルファスシリコンを含んで、約５−約１０００ｎｍの範囲の厚みを有してもよく、半導体層は、ｎ＋ドープアモルファスシリコンを含んで、約５−約５０ｎｍの範囲の厚みを有してもよい。上部電極と下部電極のうちの少なくとも１つは、半導体層の真性シリコンまで光が通過することを可能とする酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明導電性材料で形成されている。
【００３８】
感光素子３１と薄膜トランジスタ１１は、基板２５の表面上にある。基板は、シリコン（又は他の半導体材料）、ガラス、プラスチック又は金属などの材料を含んでもよく、そのような材料のアセンブリであってもよい。これより、基板（又は基板アセンブリ）は、とりわけ、シート、フィルム、コーティングなどの物理的形態を含んでもよく、また、集積回路を形成するために用いられる層や構造（特に本明細書で記載される薄膜トランジスタ）が上に配置されても配置されなくても、不透明なもの又は実質的に透明なものであってもよい。その他の実施形態では、基板は、シリコンウエハなどの半導体ウェハや、例えばガリウム砒素でできた半導体ウェハなどその他の種類の半導体ウェハを含んでもよい。その他の実施形態では、本開示における多層構造および方法において、他の基板を使用することができる；これらには例えば、繊維、ワイヤなどが含まれる。一般的に、膜（フィルム）は、基板の上面（又は下面）に直接形成することができ、又は、例えばパターン化されたウェハに見られるような各種の層の上（すなわち表面）に形成することもできる。
【００３９】
この構造の選択は、薄膜トランジスタと感光素子の間の相互作用を最小化するためのアプリケーションおよび戦略によって影響され得る。薄膜トランジスタおよびα-Ｓｉ系感光素子による金属酸化物半導体チャネルは、その性能をダングリングボンドの酸素空孔および水素パッシベーションからそれぞれ引き出す。これらは、いくらか互換性のない要件であり、また、薄膜トランジスタおよびα-Ｓｉ系感光素子の間の水素バリア構造による統合により、それらの２つの統合・分離の最適化が促進される。
【００４０】
水素バリア構造は、多層構造の製造中の熱処理工程で薄膜トランジスタを水素の汚染からブロックする任意のフィルム又は層であってもよい。水素は例えば、感光素子の形成中に移動する場合がある、あるいは、感光素子の形成に続く熱処理工程において感光素子から脱着する場合がある。
【００４１】
一実施形態では、水素バリア構造は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ＮｄドープＡｌ、Ｔａ、ＴｉＮ、又はそれらの組み合わせなどの金属による金属層を含む。別の実施形態では、水素バリア構造は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、窒化タンタル、又はそれらの組み合わせなどの誘電体による層を含む。このような実施形態の１つでは、水素バリア金属層は、約２０ｎｍ―約３００ｎｍの範囲の厚みを有し、水素バリア誘電体層は、約１０００ｎｍ―約１００００ｎｍの範囲の厚みを有することになる。
【００４２】
水素バリア構造は、単層構造又はそのような単層を２つ以上積層した多層構造であってもよい。例えば、一実施形態では、水素バリア構造は、少なくとも二つの層による積層体を備え、当該積層体において、それぞれの層は他の層の上に直接的に配置されるとともに、１つの層は金属層である一方、その他の層は誘電体層である。さらなる例として、そのような実施形態の１つにおいては、水素バリア構造は、多層型積層体であって、１つの層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ＮｄドープＡｌ、Ｔａ又はそれらの組合せを備え、別の層は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、窒化チタン、窒化タンタル、又はそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、水素バリア構造は、誘電体層と、誘電体層上に直接配置された金属層とを含む多層型積層体である。ある実施形態では、金属層および誘電体層による多層型積層体は、デバイスの運転中に金属層が光シールドとして機能するという利点を有することで、薄膜トランジスタに到達する光を減少させることができるため好ましい。このような層は、金属層および誘電体層の堆積の技術分野で知られる方法によって堆積されてもよい。例えば、そのような実施形態の１つにおいて、水素バリア構造は、押出コーティングされた誘電体を備えるとともに、当該誘電体が備えるポリマーは、後続の水素含有プラズマ環境において水素のスポンジとして機能することにより金属酸化物ＴＦＴの水素被毒を防止することができる。
【００４３】
基板上に薄膜トランジスタおよび感光素子を備える多層構造の熱処理中において薄膜トランジスタの水素被毒を緩和するために、水素バリア構造の水素拡散率は、好ましくは３５０°Ｃにて５×１０−１５cm２/sec未満である。例えば、一実施形態では、水素バリア構造の水素拡散率は、好ましくは３５０°Ｃにて２．５×１０−１５cm２/sec未満である。このような実施形態におけるさらなる例として、水素バリア構造の水素拡散率は、好ましくは３５０°Ｃにて１×１０―１５cm２/sec未満である。
【００４４】
図５において、一実施形態では、多層構造１は、トップビュー構造を有し、薄膜トランジスタ１１と、感光素子３１と、誘電体層３７と、誘電体層４１と、保護層４３と、感光素子３１と薄膜トランジスタ１１の間に配置された水素バリア構造（層３２、３７を備えるもの）と、を備え、これらは全て基板２５によって支持されている。薄層トランジスタ１１は、金属酸化物半導体チャネル１３と、ゲート誘電体層１５と、ゲート電極１７と、ソース／ドレイン１９と、チャネル保護膜２１と、を有するボトムゲートアイランドエッチストッパー薄膜トランジスタである。感光素子３１は、ボトムダイオードコンタクト３２と、（前述した水素化アモルファスシリコンを含む）ＰＩＮダイオード３３と、トップダイオードコンタクト３４と、を備える。ボトムダイオードコンタクト３２は、ＰＩＮダイオード３３を薄膜トランジスタ１１に電気的に接続する。好ましくは、トップダイオードコンタクト３４は、ＰＩＮダイオード３３の中に光を通過させることを可能にする、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性材料で形成されており、ボトムダイオードコンタクト３２は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ＮｄドープＡｌ、Ｔａ又はそれらの組み合わせを含む金属層である。この実施形態では、ボトムダイオードコンタクト３２および誘電体層３７は協働して、３５０°Ｃにおける水素拡散率が５×１０−１５cm２/sec未満の多層水素バリア構造を構成する。好都合に、水素バリア金属層６５は、多層構造１を備えるセンサの動作中に薄膜トランジスタ１１を光からシールドする。薄層トランジスタ１１および感光素子３１は、多層構造１を端子（図示せず）に接続するためのゲートライン、バイアスラインおよびデータライン（図示せず）に電気的に接続されている。
【００４５】
図６を参照すると、一実施形態では、多層構造１は、ボトムビュー構造を有し、保護層４３と、薄膜トランジスタ１１と、感光素子３１と、感光素子３１と薄膜トランジスタ１１の間に配置された水素バリア構造（以降でより詳細に定義される）とを備え、これらは全て基板２５によって支持されている。薄層トランジスタ１１は、金属酸化物半導体チャネル１３と、ゲート誘電体層１５と、ゲート電極１７と、ソース／ドレイン層１９、２０と、チャネル保護膜２１と、を有するボトムゲートアイランドエッチストッパー薄膜トランジスタである。感光素子３１は、ボトムダイオードコンタクト３２と、（前述した水素化アモルファスシリコンを含む）ＰＩＮダイオード３３と、トップダイオードコンタクト３４と、を備える。トップダイオードコンタクト３４は、ソース／ドレイン層１９、２０を介して薄膜トランジスタ１１にＰＩＮダイオード３３を電気的に接続する。好ましくは、ボトムダイオードコンタクト３２は、ＰＩＮダイオード３３の中に光を通過させることを可能にする、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性材料で形成されている。この実施形態では、水素バリア構造は、ゲート誘電体１５と、ゲート電極１７と、誘電体層３７とを備える多層構造であり；これらの層は協働して、３５０°Ｃにおける水素拡散率が５×１０−１５cm２/sec未満である。薄層トランジスタ１１および感光素子３１は、多層構造１を端子（図示せず）に接続するためのゲートライン、バイアスラインおよびデータライン（図示せず）に電気的に接続されている。
【００４６】
図７を参照すると、一実施形態では、多層構造１は、コープレーナー構造を有し、薄膜トランジスタ１１と、感光素子３１と、感光素子３１と薄膜トランジスタ１１の間に配置された水素バリア構造（以降でより詳細に定義される）とを備え、これらは全て基板２５によって支持されている。薄層トランジスタ１１は、金属酸化物半導体チャネル１３と、ゲート誘電体層１５と、ゲート電極１７と、ソース／ドレイン層１９、２０と、チャネル保護膜２１と、を有するボトムゲートアイランドエッチストッパー薄膜トランジスタである。感光素子３１は、ボトムダイオードコンタクト３２と、ＰＩＮダイオード３３と、トップダイオードコンタクト３４と、を備える。ボトムダイオードコンタクト３２は、ソース／ドレイン層１９、２０を介して薄膜トランジスタ１１にＰＩＮダイオード３３を電気的に接続する。好ましくは、トップダイオードコンタクト３４は、ＰＩＮダイオード３３の中に光を通過させることを可能にする、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性材料で形成されている。この実施形態では、水素バリア構造は、ソース／ドレイン層１９、２０と、誘電体層３７と、チャネル保護膜２１とを備える多層構造であり；これらの層は協働して、３５０°Ｃにおける水素拡散率が５×１０−１５cm２/sec未満である。多層構造１はさらに、誘電体層４１と、保護層４３と、ゲートライン６３と、バイアスライン６５と、データライン６７と、を備える。好都合に、バイアスライン６５は、多層構造１を備えるセンサの動作中に薄膜トランジスタ１１を光からシールドする。
【００４７】
図５、図６および図７におけるトップビュー構造、ボトムビュー構造およびコープレーナー構造は、任意のガラス、ウェハ又は任意のフレキシブル基板２５上に、物理蒸着法、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、溶液ベース（solution-based）のプロセス又はその他の従来の技術を用いて形成することができる。ドープされた又は真性の誘電体フィルムとシリコンベースのフィルムは、化学蒸着技術や、印刷又は押出コーティングなどの溶液ベースのプロセスや、その他の従来技術によって堆積させることができる。一実施形態では、Ｈ２含有プロセス工程の後（例えば、水素化アモルファスシリコン堆積ステップや窒化シリコン堆積ステップなどの後）において、高温のアニール（例えば、２００°Ｃ―５００°Ｃ）が行われる。別の代替的又は追加の実施形態では、ＴＦＴの活性層は、プレアニーリングやプラズマコンディショニングなどの表面処理を受けることで、誘電体およびフォトセンサの堆積前にチャネル酸素状態を回復させる。基板上に膜が堆積されると、膜はその後表面洗浄プロセスを受ける。表面洗浄プロセスの後には、デバイスおよび回路を形成するためのフォトリソグラフィおよびエッチング工程が続く。
【００４８】
一実施形態では、本開示のフォトセンサアレイは、多層誘電体構造（例えば、図５参照）を備え、当該多層誘電体構造では、感光素子から金属酸化物ＴＦＴマトリックスへの水素の侵入を防止するためのバッファとして機能する水素バリア特性を上位層が有している。例示的な誘電体材料は、低密度／高密度のＳｉＯ２、低密度のＳｉＯ２／高密度のＳｉＮ、低密度のＳｉＯ２／ベンゾシクロブテン（「ＢＣＢ」）などの平坦化誘電体／高密度のＳｉＮを含む。
【００４９】
別の１つの実施形態では、感光素子は、水素化アモルファスシリコンを備えるＰＩＮダイオードであって、当該ＰＩＮダイオードは、フォトセンサアレイの活性表面領域にまたがる、水素化アモルファス真性シリコンの連続層を備える（図１参照）。図８Ａ、図８Ｂを参照すると、そのような例示的な実施形態の１つにおいては、フォトセンサアレイは、３つのブランケット層（すなわち、フォトセンサアレイの活性表面全体にわたって延在する層）と、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性材料で形成されたトップダイオードコンタクト３４（「ブランケットＩＴＯ」）と、ｐ＋層（「ブランケットｐ＋」）と、水素化アモルファス真性シリコン層（「ブランケットｉ層」）とを含む。ピクセル（図８Ａ参照）のそれぞれは、データライン６７と、ゲートライン６３と、バイアスラインと、パターン化されたｎ＋層と、ボトムダイオードコンタクト３２（「パターン化された金属層」）と、を含む。本実施形態では、パターン化されたｎ＋層、ブランケットｉ層およびブランケットｐ＋が組み合わさって、ＰＩＮダイオードを形成する。
【００５０】
一実施形態では、センサ撮像アレイは、以下の５つの別個の電気的機能のうちの１つ以上を発揮する導電性金属層を備える：（１）撮像アレイ中のＴＦＴに対処するためのグローバルゲートラインとして機能しかつ当該アレイの端部にある接触パッドにて終端するゲート金属；（２）信号を撮像アレイの読み出し電子部品に伝達するためのグローバルデータラインとして機能するゲート金属（トップビュー構造（図５）又はボトムビュー構造（図６）の場合は、データメタルは、ピクセルＴＦＴのＳＤコンタクトとして機能する）；（３）フォトダイオードに外部逆バイアス電荷を提供するグローバルラインかバックプレーンのいずれかとして機能するバイアス金属（コープレーナー構造の場合には、バイアス金属とデータ金属は同じになる場合がある）；（４）センサにおいてピクセル化された集電極として機能するピクセル電極金属；および／又は（５）ＴＦＴ活性チャネルに接触するＳＤコンタクト金属層。例えば、このような実施形態の１つにおけるセンサ撮像アレイは、本段落に列挙された５つの別個の電気的機能のうちの少なくとも２つの機能を発揮する導電性金属層を備える。さらなる例として、このような実施形態の１つにおけるセンサ撮像アレイは、本段落に列挙された５つの別個の電気的機能のうちの少なくとも３つの機能を発揮する導電性金属層を備える。さらなる例として、このような実施形態の１つにおけるセンサ撮像アレイは、本段落に列挙された５つの別個の電気的機能の少なくとも４つの機能を発揮する導電性金属層を備える。さらなる例として、このような実施形態の１つにおけるセンサ撮像アレイは、本段落に列挙された５つの別個の電気的機能のそれぞれを発揮する導電性金属層を備える。
【００５１】
本開示はさらに、以下に列挙した実施形態を含む。
【００５２】
実施形態１によれば、フォトセンサピクセルセルであって、基板と、基板上にそれぞれ配置されるフォトセンサピクセル、ゲートラインおよびデータラインと、を備え、フォトセンサピクセルは、ゲートラインおよびデータラインに接続された金属酸化物薄膜トランジスタを備え、水素化アモルファスシリコンを含む感光素子と、金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造と、をさらに備え、水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である。
【００５３】
実施形態２によれば、フォトセンサピクセルを製造する方法であって、基板上に水素化アモルファスを含む感光素子を形成するステップと、基板上に金属酸化物薄膜トランジスタを形成するステップと、金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造を形成するステップと、を含み、水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である。
【００５４】
実施形態３によれば、固体画像センサであって、基板と、複数の行および複数の列にて配置されたフォトセンサピクセルの集合体を含むピクセルアレイと、ゲートラインと、データラインと、を備え、ピクセルアレイ、ゲートラインおよびデータラインは、基板上に配置され、フォトセンサピクセルの集合体におけるそれぞれの要素は、ゲートラインおよびデータラインに接続された金属酸化物薄膜トランジスタを備える。固体画像センサは、水素化アモルファスシリコンを備える感光素子と、金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造と、をさらに備え、水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて５×１０−１５cm２/sec未満である。
【００５５】
実施形態４によれば、基板と、基板上にそれぞれ配置されるピクセルの集合体、ゲートラインおよびデータラインと、を備える固体フォトセンサを製造する方法であって、基板上にゲートラインおよびデータラインを形成するステップと、基板上にアモルファスシリコン層を含むフォトダイオードを形成するステップと、基板上に金属酸化物薄膜トランジスタを形成するステップと、金属酸化物薄膜トランジスタをゲートラインおよびデータラインに接続するステップと、金属酸化物薄膜トランジスタと感光素子を互いに分離する水素バリア構造を形成するステップと、を含み、水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃで５×１０−１５cm２/sec未満である。
【００５６】
実施形態５によれば、実施形態１から４のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、感光素子および金属酸化物薄膜トランジスタは、増幅回路（ピクセル増幅部）内に配置される。
【００５７】
実施形態６によれば、実施形態１から５のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、水素バリア構造は、水素親和性を有するポリマーを含む押出被覆誘電体を備える。
【００５８】
実施形態７によれば、実施形態１から６のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、金属酸化物薄膜トランジスタは、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート誘電体と、チャネルと、を備え、チャネルは、元素周期表の第１２族および第１３族の金属のうちの１つの酸化物を含む。
【００５９】
実施形態８によれば、実施形態７のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、チャネルは、混合金属酸化物を備える。
【００６０】
実施形態９によれば、実施形態７のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、チャネルは、亜鉛-スズ酸化物、インジウム-亜鉛酸化物、亜鉛-ガリウム酸化物、カドミウム-ガリウム酸化物、カドミウム-インジウム酸化物からなるグループから選択される混合金属酸化物を含む。
【００６１】
実施形態１０によれば、実施形態７のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、チャネルは、ＡＸＢＸＣＸＯＸ（Ａは、ＺｎおよびＣｄのグループから選択され、Ｂは、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｃは、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｏは、酸素であり、ｘのそれぞれは、０ではない独立した整数であり、Ａ、ＢおよびＣのそれぞれは異なっている。）の式により表される混合金属酸化物を含む。
【００６２】
実施形態１１によれば、実施形態１０のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、Ａは、ＺｎおよびＣｄのグループから選択され、Ｂは、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｃは、Ｚｎ、Ｃｄ、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｄは、Ｚｎ、Ｃｄ、ＧａおよびＩｎのグループから選択され、Ｏは、酸素であり、ｘのそれぞれは、０ではない独立した整数であり、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤのそれぞれは異なっている。
【００６３】
実施形態１２によれば、実施形態７から１１のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、混合金属酸化物は、単相の結晶状態を含む。
【００６４】
実施形態１３によれば、実施形態７から１１のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、混合金属酸化物は、混合相の結晶状態を含む。
【００６５】
実施形態１４によれば、実施形態７から１１のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、チャネルは、多層構造を有する。
【００６６】
実施形態１５によれば、実施形態１から１４のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、チャネルは、多層構造を有し、当該多層構造は、第１の半導体金属酸化組成物による第１の層と、第２の半導体金属酸化組成物による第２の層とを備え、第１および第２の半導体金属酸化組成物はそれぞれ異なる。
【００６７】
実施形態１６によれば、実施形態７から１５のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、チャネルは、少なくとも約５ｎｍの厚みを有する。
【００６８】
実施形態１７によれば、実施形態１から１６のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、感光素子は、ドープアモルファスシリコン層を上方に有する感光性真性シリコン層と、感光性真性シリコン層の下方に配置されたドープアモルファスシリコン層と、を含む多層アモルファスシリコン構造を備える。
【００６９】
実施形態１８によれば、実施形態１７のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、感光素子は、水素化アモルファスシリコンを備えるｐ型／真性シリコン／ｎ型（ＰＩＮ）フォトダイオード、アモルファスシリコンを備えるｎ型／真性シリコン／ｐ型（ＮＩＰ）フォトダイオード、あるいは水素化アモルファスシリコン金属-絶縁体半導体（ＭＩＳ）センサである。
【００７０】
実施形態１９によれば、実施形態１から１８のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、感光素子における第１の側は放射に曝される側として構成され、第１の側は、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化アンチモンスズ（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、又はその他の実質的に透明な導電性材料による層を含む。
【００７１】
実施形態２０によれば、実施形態１から１９のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、感光素子は、垂直型ダイオードであり、電極は、水素化アモルファスシリコン層の上と下にそれぞれ積層されている。
【００７２】
実施形態２１によれば、実施形態１から２０のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、感光素子は、抵抗接点のためのｎ＋水素化アモルファスシリコン層を含むＰＩＮダイオードと、真性アモルファスシリコンによる厚い層と、ｐ型アモルファスシリコン層とを備える。
【００７３】
実施形態２２によれば、実施形態２１のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、ｎ＋水素化アモルファスシリコン層、真性アモルファスシリコン層およびｐ型アモルファスシリコン層は連続して順番に配置されるとともに、ｎ＋層が約３ｎｍ―約５０ｎｍの厚みを有し、真性層が約５００ｎｍ―約２０００ｎｍの厚みを有し、ｐ層が約３ｎｍ―約５０ｎｍの厚みを有するアイランドとなるように、パターン化される。
【００７４】
実施形態２３によれば、実施形態２１のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、ｎ型ドーパントはリンを含み、ｐ型ドーパントはホウ素を含み、ｐ型層は好ましくは、入射光子の減衰を最小化するのに十分薄い。
【００７５】
実施形態２４によれば、実施形態２１のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、感光素子は、感光素子の真性シリコンまで光が通過するように、アモルファスシリコン積層体の上に透明な導電性材料で形成されるトップダイオードコンタクトを備える。
【００７６】
実施形態２５によれば、実施形態１から１６のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、感光素子は、水素化アモルファスシリコンを含むＭＩＳセンサを備える。
【００７７】
実施形態２６によれば、実施形態２５のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、ＭＩＳセンサは、電荷収集電極の上に形成された誘電体層と、誘電体層の上に形成された水素化アモルファスシリコン層と、アモルファスシリコン層の上に形成されたｎ＋半導体層とを含む。
【００７８】
実施形態２７によれば、実施形態２６のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、誘電体層は、ＳｉＯＮ若しくはＳｉＮを含み、約５―約５０ｎｍの範囲の厚みを有する。
【００７９】
実施形態２８によれば、実施形態２６のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、ＭＩＳセンサは、上部電極と下部電極とを備え、上部電極と下部電極のうちの少なくとも１つは、半導体層の真性シリコンまで光が通過することを可能とする実質的に透明な導電性材料で形成される。
【００８０】
実施形態２９によれば、実施形態１から２８のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、基板は、半導体材料、ガラス、プラスチック、金属又はそれらの組合せからなるグループから選択される材料を含む。
【００８１】
実施形態２９によれば、実施形態１から２８のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、基板は、シリコンを含む。
【００８２】
実施形態３０によれば、実施形態１から２９のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、水素バリア構造は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ＮｄドープＡｌ、Ｔａ、ＴｉＮおよびそれらの組み合わせからなるグループから選択される金属による金属層を含む。
【００８３】
実施形態３１によれば、実施形態３０のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、水素バリア金属層は、約２０ｎｍ―約３００ｎｍの範囲の厚みを有する。
【００８４】
実施形態３２によれば、実施形態１から３１のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、水素バリア構造は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、窒化タンタル、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される誘電体による層を含む。
【００８５】
実施形態３３によれば、実施形態３２のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、水素バリア誘電体層は、約１０００ｎｍ―約１００００ｎｍの範囲の厚みを有する。
【００８６】
実施形態３４によれば、実施形態１から３３のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて２．５×１０−１５cm２/sec未満である。
【００８７】
実施形態３５によれば、実施形態１から３４のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、水素バリア構造の水素拡散率は、３５０°Ｃにおいて１．０×１０−１５cm２/sec未満である。
【００８８】
実施形態３６によれば、実施形態１から３５のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、多層構造は、トップビュー構造を有する。
【００８９】
実施形態３７によれば、実施形態１から３５のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、多層構造は、ボトムビュー構造を有する。
【００９０】
実施形態３８によれば、実施形態１から３５のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、多層構造は、コープレーナー構造を有する。
【００９１】
実施形態３９によれば、実施形態１から３８のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、多層構造は、基板上に、物理蒸着法、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、又は溶液ベースのプロセスを用いて形成される。
【００９２】
実施形態４０によれば、実施形態３９のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、多層構造の形成は、Ｈ２含有プロセス工程を含み、Ｈ２含有プロセス工程の後において、約２００°Ｃ―約５００°Ｃの高温のアニール工程が行われる。
【００９３】
実施形態４１によれば、実施形態４０のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、Ｈ２含有プロセス工程は、水素化アモルファスシリコン堆積工程又は窒化ケイ素堆積工程である。
【００９４】
実施形態４２によれば、実施形態１から４１のいずれか１つのフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、多層構造の形成の間、金属酸化物薄膜トランジスタは、表面処理を受ける。
【００９５】
実施形態４３によれば、実施形態４２のフォトセンサピクセルセル、固体画像センサ又は方法において、多層構造の形成の間、金属酸化物薄膜トランジスタのチャネルの表面は、プレアニーリングおよびプラズマコンディショニングの処理を受けることで、誘電体およびフォトセンサの堆積前にチャネル酸素状態を回復させる。
【００９６】
発明について詳細に説明したが、特許請求の範囲で定義される発明の範囲から離れない範囲で修正や変形例を実施することが可能である。さらに、本開示における全ての例は非限定的な例として提供されるものである。
【図１】
2015170859.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
2015170859.tif 000015
【図８Ｂ】
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【外国語明細書】
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