(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正孔の移動度が電子の移動度よりも大きい素材からなり、入射するＸ線により感光され信号電荷を発生するＸ線感光膜と、
前記Ｘ線感光膜に接して二次元的に配置された複数の画素電極と、
前記Ｘ線感光膜において発生する信号電荷としての正孔及び電子のうち、移動度の高い方を前記複数の画素電極に収集されるように、前記Ｘ線感光膜にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、
前記画素電極毎に設けられ、前記Ｘ線感光膜が発生する電荷を蓄積する複数のキャパシタと、
前記画素電極毎に設けられる単結晶シリコン又は多結晶シリコンのｐチャネル薄膜トランジスタであって、前記Ｘ線感光膜において発生する信号電荷としての正孔及び電子のうち、移動度の高い方をキャリアとし、前記キャパシタが蓄積する電荷を読み出す複数のスイッチング用薄膜トランジスタと、
前記複数のスイッチング用薄膜トランジスタを開閉制御するための制御信号を供給する複数の走査線と、
前記複数のスイッチング用薄膜トランジスタがオンのときに前記信号電荷を読み出し、前記スイッチング用薄膜トランジスタにゲートパルスのオフ電圧が印加されているときに過剰電荷を流出するための複数の信号線と、
を具備することを特徴とするＸ線平面検出器。
【請求項２】
前記Ｘ線感光膜はｎｉｐ構造であり、
ｐ側に設けられる前記画素電極と、
ｎ側に設けられる電極と、を有すること、
を特徴とする請求項１記載のＸ線平面検出器。
【請求項３】
正孔の移動度が電子の移動度よりも大きい素材からなり、入射するＸ線により感光され信号電荷を発生するＸ線感光膜と、
前記Ｘ線感光膜に接して二次元的に配置された複数の画素電極と、
前記Ｘ線感光膜において発生する信号電荷としての正孔が前記複数の画素電極に収集されるように、前記Ｘ線感光膜にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、
前記画素電極毎に設けられ、前記Ｘ線感光膜が発生する電荷を蓄積する複数のキャパシタと、
絶縁基板上に前記画素電極毎に設けられ、前記絶縁基板上に島状に設けられた多結晶シリコン膜を有し、前記キャパシタが蓄積する信号電荷を読み出す複数のｐチャネル薄膜トランジスタと、
前記複数のｐチャネル薄膜トランジスタを開閉制御するための制御信号を供給する複数の走査線と、
前記複数のｐチャネル薄膜トランジスタがオンのときに前記信号電荷を読み出し、前記ｐチャネル薄膜トランジスタにゲートパルスのオフ電圧が印加されているときに過剰電荷を流出するための複数の信号線と、
を具備することを特徴とするＸ線平面検出器。
【請求項４】
前記複数のｐチャネル薄膜トランジスタは、ＬＤＤ構造を有することを特徴とする請求項３記載のＸ線平面検出器。
【請求項５】
前記Ｘ線感光膜、ｐチャネル薄膜トランジスタ、及び前記キャパシタが配置された撮像領域の周辺領域に設けられた島状の多結晶シリコン膜に形成され、前記複数のｐチャネル薄膜トランジスタを駆動する複数の駆動回路をさらに具備することを特徴とする請求項４記載のＸ線平面検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医用Ｘ線診断装置等に使用されるＸ線平面検出器に係わり、特に２次元配置されたＸ線検出画素内に設けるスイッチング素子として薄膜トランジスタを用いたＸ線平面検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｘ線診断装置の一つとして、Ｘ線像を電気的に検出するＸ線平面検出器が開発されている。このＸ線平面検出器では、Ｘ線の照射により信号電荷を発生するＸ線感光画素が２次元配置されている。入射したＸ線により各感光画素で発生した信号電荷を信号電荷蓄積部に蓄積し、スイッチング素子としての薄膜トランジスタにより信号電荷を読み出すようになっている。
【０００３】
図１３は、このＸ線平面検出器の１画素の回路構成を示している。図１３に示すように、アレイ状に配列された複数の画素１０１を有し、各画素１０１は、スイッチング素子として用いられるアモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉと記す）からなる薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと記す）１０２、ＳｅからなるＸ線感光膜１０３、画素容量（以下、Ｃｓｔと記す）１０４、及び保護用ＴＦＴ１１１から構成されている。Ｃｓｔ１０４は、Ｃｓｔバイアス線１０５に接続されている。
【０００４】
スイッチング用ＴＦＴ１０２は、ゲートが走査線１０７に接続され、ソースは信号線１０８に接続される。スイッチング用ＴＦＴ１０２は、走査線駆動回路１０９によってオン／オフ制御される。信号線１０８の終端は、信号検出用の増幅器１１０に接続されている。保護用ＴＦＴ１１１のソースとゲートはスイッチング用ＴＦＴ１０２のドレインに接続され、ドレインがバイアス線１１２を通り電源１１３に接続されている。なお、保護用ＴＦＴ１１１は、設けられない場合もある。
【０００５】
Ｘ線が入射すると、Ｘ線はＸ線感光膜１０３によって電荷に変換され、Ｃｓｔ１０４に電荷が蓄積される。走査線駆動回路１０９によって走査線１０７が駆動され、１つの走査線１０７に接続している１列のスイッチング用ＴＦＴ１０２がオン状態になると、Ｃｓｔ１０４に蓄積された電荷は信号線１０８を通って増幅器１１０側に転送される。増幅器１１０側に転送された電荷は、増幅器１１０によって増幅され、所定の処理を受けた後ＣＲＴ等に表示できるような点順次信号に変換される。なお、画素１０１に入射するＸ線の量によって電荷量が異なることから、増幅器１１０の出力振幅には変動がある。また、Ｃｓｔ１０４に過度に電荷が蓄積されるのを防止するために、バイアス電圧以上の電荷は、保護用ＴＦＴ１１１によりバイアス線１１２から逃がされる。
しかしながら、このような保護用ＴＦＴ１１１等の保護するための保護回路の存在により、例えば次のような問題が発生する。第１に、画素回路が複雑化し、ＴＦＴアレイ基板の良品歩留まりが減少してしまう。第２に、解像度を増すために画素数を増加させ、画素サイズを微細化すると、保護用ＴＦＴ１１１やスイッチング用ＴＦＴ１０２等からの配線を十分狭いピッチで引き出すことが困難となる。第３に、微細化した画素内に占める保護用ＴＦＴ１１１の面積が大きいため、Ｃｓｔ１０４の面積を十分に確保できない。
【０００６】
また、解像度を増すために画素数を増加させ、画素サイズを微細化すると、以下のような問題が発生することが分かった。先のスイッチング用ＴＦＴ１０２，Ｘ線感光膜１０３，Ｃｓｔ１０４，及び保護用ＴＦＴ１１１等を配置したＴＦＴアレイ基板には、検出画素エリア外にスイッチング用ＴＦＴを駆動するための駆動回路や信号を読み出すためのＬＳＩを実装したＴＡＢを外付けするために、これらの配線を接続する必要がある。このとき、画素サイズを微細化すると、十分狭いピッチで配線を接続することが困難となる。また、微細化した画素内に占めるＴＦＴの面積割合が大きすぎて信号蓄積容量の面積を十分に取れなくなる。さらに、画素数が増加すると１ライン当たりの信号読み取り時間が短くなるが、ａ−Ｓｉに設けたＴＦＴではこの短いアドレス時間に十分に信号を読み出すことができない。このため、従来のＸ線平面検出器、特にａ−ＳｉＴＦＴを用いたＸ線平面検出器においては、解像度を上げるために画素を微細化し、画素数を増やすとＴＦＴの駆動能力の不足により良好な検出画像が得られないと言う問題がある。
【０００７】
また、医療用のＸ線検出器では人体への影響を低く抑えるためになるべく低いＸ線量で診断できることが重要である。このためには、低いＸ線量で生成された微少な電荷を検出可能とするためにスイッチング用ＴＦＴのオフ電流を低くすることが重要である。一方で、正確な診断のためには良好が画質が必要である。この場合には、強いＸ線量でＳＮ比の良い画像を撮像することが必要である。従って、微弱なＸ線から強いＸ線量までの画像を撮像できることが好ましい。このためには、大きな電荷に対応する高い画素電圧に対してもスイッチング用ＴＦＴが正常に動作することが必要であり、さらにスイッチング用ＴＦＴのオフ電流は小さくする必要がある。また、このようなＸ線平面検出器に用いられるスイッチング用ＴＦＴはＸ線の照射により欠陥が生成され特性が劣化することが多いが、スイッチング用ＴＦＴが劣化後でも動作できるようなＴＦＴ特性が必要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高電圧に対する保護作用のために画素回路が複雑化するのを防止し、画素を微細化して画素数や種々の配線数が増加した場合であっても、良好な画像を取得できるＸ線平面検出器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。
【００１０】
請求項１に記載の発明は、正孔の移動度が電子の移動度よりも大きい素材からなり、入射するＸ線により感光され信号電荷を発生するＸ線感光膜と、前記Ｘ線感光膜に接して二次元的に配置された複数の画素電極と、前記Ｘ線感光膜において発生する信号電荷としての正孔及び電子のうち、移動度の高い方を前記複数の画素電極に収集されるように、前記Ｘ線感光膜にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、前記画素電極毎に設けられ、前記Ｘ線感光膜が発生する電荷を蓄積する複数のキャパシタと、前記画素電極毎に設けられる単結晶シリコン又は多結晶シリコンのｐチャネル薄膜トランジスタであって、前記Ｘ線感光膜において発生する信号電荷としての正孔及び電子のうち、移動度の高い方をキャリアとし、前記キャパシタが蓄積する電荷を読み出す複数のスイッチング用薄膜トランジスタと、前記複数のスイッチング用薄膜トランジスタを開閉制御するための制御信号を供給する複数の走査線と、前記複数のスイッチング用薄膜トランジスタがオンのときに前記信号電荷を読み出し、前記スイッチング用薄膜トランジスタにゲートパルスのオフ電圧が印加されているときに過剰電荷を流出するための複数の信号線と、を具備することを特徴とするＸ線平面検出器である。
請求項３に記載の発明は、正孔の移動度が電子の移動度よりも大きい素材からなり、入射するＸ線により感光され信号電荷を発生するＸ線感光膜と、前記Ｘ線感光膜に接して二次元的に配置された複数の画素電極と、前記Ｘ線感光膜において発生する信号電荷としての正孔が前記複数の画素電極に収集されるように、前記Ｘ線感光膜にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、前記画素電極毎に設けられ、前記Ｘ線感光膜が発生する電荷を蓄積する複数のキャパシタと、絶縁基板上に前記画素電極毎に設けられ、前記絶縁基板上に島状に設けられた多結晶シリコン膜を有し、前記キャパシタが蓄積する信号電荷を読み出す複数のｐチャネル薄膜トランジスタと、前記複数のｐチャネル薄膜トランジスタを開閉制御するための制御信号を供給する複数の走査線と、前記複数のｐチャネル薄膜トランジスタがオンのときに前記信号電荷を読み出し、前記ｐチャネル薄膜トランジスタにゲートパルスのオフ電圧が印加されているときに過剰電荷を流出するための複数の信号線と、を具備することを特徴とするＸ線平面検出器である。
【００１５】
このような構成によれば、高電圧に対する保護作用のために画素回路が複雑化するのを防止し、画素を微細化しても良好な画像を取得できるＸ線平面検出器を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態〜第３実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるＸ線平面検出器の基本構成を示す回路図である。図１に示すように、入射Ｘ線を電気信号に変換するＸ線検出画素１が２次元に配置されて撮像領域２を構成している。画素１は、入射Ｘ線を電気信号に変換するＸ線感光膜１ａ、このＸ線感光膜１ａに接続された画素電極１ｂ、画素電極１ｂに接続された蓄積容量１ｃ、画素電極１ｂにソースが接続されたスイッチング用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１ｄを具備している。図１では、簡略化して２×２の画素構成を示しているが、実際はより多数行、多数列のｍ×ｎの画素構成となっている。
【００１８】
本発明の重要な点の一つは、Ｘ線感光膜１ａの種類に応じて、当該Ｘ線感光膜１ａに印加するバイアス電圧の方向を選択することである。すなわち、正孔の移動度が電子の移動度よりも高いＸ線感光膜１ａを使用する場合には、当該Ｘ線感光膜１ａに対し、画素電極に正孔が収集される方向でバイアス電圧を印加する。一方、電子の移動度が正孔の移動度よりも高いＸ線感光膜を使用する場合には、当該Ｘ線感光膜１ａに対し、画素電極に電子が収集される方向でバイアス電圧を印加する。以下の各実施形態においては、説明を具体的にするため、Ｘ線感光膜１ａは、正孔の移動度が電子の移動度よりも高いものを使用するＸ線平面検出器を例とする。
【００１９】
撮像領域２には、複数本の走査線３と複数本の信号線４が、互いに直交する関係で配置されている。走査線３は、撮像領域２内でスイッチング用ＴＦＴ１ｄのゲートに接続され、撮像領域２外で画素を選択的に駆動するためのゲートドライバ５に接続されている。また、信号線４は、撮像領域２内でスイッチング用ＴＦＴ１ｄのドレインに接続され、撮像領域２外で読み出し回路７により読み出されて出力されるようになっている。
【００２０】
図２は画素１の構成を示す平面図であり、図３は、画素１の構成を示す断面図（図２の３Ｂ−３Ｂに沿った断面）である。ガラス基板１０上にアンダーコート絶縁膜１１として、ＳｉＮｘ（５０ｎｍ）／ＳｉＯ2 （１００ｎｍ）を形成し、その上にアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）膜を５０ｎｍの膜厚で形成する。
【００２１】
続いて、ＥＬＡ（エキシマレーザアニール；Excimer Ｌaser Ａnneal）でａ−Ｓｉ膜を多結晶化して５０ｎｍの多結晶Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）膜１２を形成する。次いで、ｐ−Ｓｉ膜１２をエッチングして、トランジスタ領域の島１２−１とキャパシタ領域の島１２−２を形成する。次いで、ＰＣＶＤ又は熱ＣＶＤによりゲートＳｉＯ2 膜１３を１５０ｎｍ成膜する。次いで、トランジスタ領域の島１２−１にゲート電極１４−１を、キャパシタ領域の島１２−２にゲート電極１４−２を、ＭｏＷのゲートとして３００ｎｍの厚さで形成する。
【００２２】
次いで、ゲート電極又はレジストをマスクとしてイオン注入により、Ｂを１×１０14ｃｍ-2〜５×１０16ｃｍ-2、好ましくは１×１０15ｃｍ-2〜１×１０16ｃｍ-2、本実施形態では３×１０15ｃｍ-2の高濃度ドープして、ｐ+ 領域１５を形成する。即ち、トランジスタ領域にｐ+ 領域からなるドレイン１５−１とソース１５−２を形成し、キャパシタ領域にｐ+ 領域１５−３を形成する。ここでは、ゲート幅Ｗとゲート長Ｌを例えばＷ／Ｌ＝１０／５μｍとしている。
【００２３】
次いで、層間絶縁膜としてＳｉＯ2 膜１６をＰＣＶＤで５００ｎｍ形成する。次いで、ＳｉＯ2 膜１６のソース・ドレインコンタクト部に穴を開け、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ膜１７によりＴＦＴ１ｄのドレイン１５−１に接続される信号線１７−１、ＴＦＴ１ｄのソース１５−２及び蓄積容量１ｃのｐ+ 領域１５−３に接続されるＣｓ線１７−２及び蓄積容量を接続する容量線１７−３を形成する。次いで、パシベーション用のＳｉＮｘ膜（図示せず）をＰＣＶＤにより４００ｎｍの厚さに形成する。その後、アクリル系樹脂を２〜５μｍ、好ましくは３μｍコートして保護膜１８を形成する。そして、アクリル系感光性樹脂を用いコンタクト部を露光、現像して形成する。次いで、ＩＴＯを１００ｎｍ成膜し、これを所望形状にパターニングしてＩＴＯの画素電極１９を形成する。
【００２４】
次いで、Ｘ線感光膜１ａとして、ｐ型のＳｅ層２１，ｉ型のＳｅ層２２，ｎ型のＳｅ層２３を上記順に形成する。具体的には、ＴＦＴアレイ基板上にｐ型Ｓｅ又はｐ型Ａｓ2 Ｓｅ3 膜２１を５〜１００μｍ、好ましくは１０μｍ蒸着により形成する。この上に無添加の高抵抗Ｓｅ膜２２を９００μｍ形成する。続いて、この上にｎ型Ｓｅ膜２３を５〜１００μｍ、好ましくは１０μｍ形成する。そして、最上部にＣｒを１００ｎｍ、Ａｌを３００ｎｍ蒸着して、上部電極２５を形成する。ガラス基板上に形成するために全ての製造工程は５００℃以下で形成し、ＴＦＴアレイとして最適化されている。このため、高温度ではバリケードされたＬＳＩで用いられるｐ−Ｓｉとは異なる特性を持つ。
【００２５】
なお、Ｘ線感光膜１ａは、正孔の移動度が電子の移動度よりも高い感光材料からなるものであれば、どのようなものであってもよい。代表例としては、ＧａＰ、ＡｌＳｂ、ａ−Ｓｅ等の感光材料が挙げられる。一方、電子の移動度が正孔の移動度よりも高いＸ線感光膜の素材としては、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＨｇＩ２、ＰｂＩ２、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ等が挙げられる。
【００２６】
また、Ｘ線感光膜１ａには、上部電極２５を介して、正孔及び電子のうち移動度の高い方が画素電極１ｂに収集されるようにバイアス電圧が印加される。今の場合、Ｘ線感光膜１ａは、正孔の移動度が電子の移動度よりも高い感光材料を使用しているから、正孔が画素電極１ｂに収集されるように、上部電極２５が正極となるようにバイアス電圧が印加される。
【００２７】
スイッチング用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１ｄは、Ｘ線感光膜１ａの種類に応じた極性を有する。すなわち、Ｘ線感光膜１ａにおいて正孔の移動度が電子の移動度よりも高い場合には、スイッチング用薄膜トランジスタ１ｄとしてｐ−チャネルＴＦＴを使用する。一方、Ｘ線感光膜１ａにおいて電子の移動度が正孔の移動度よりも高い場合には、スイッチング用薄膜トランジスタ１ｄとしてｎ−チャネルＴＦＴを使用する。本実施形態においては、正孔の移動度が電子の移動度よりも高いＸ線感光膜１ａを使用しているから、スイッチング用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１ｄはｐ−チャネルＴＦＴである。
【００２８】
また、スイッチング用薄膜トランジスタ１ｄは、多結晶ＳｉＴＦＴ（以下、「ｐ−ＳｉＴＦＴ」と表記する。）である。このようにｐ−ＳｉＴＦＴを使用するのは、例えば次の理由による。
【００２９】
すなわち、高精細、多画素のＸ線平面検出器を駆動するためにはスイッチ速度の速いＴＦＴが必要であるが、従来の非晶質ＳｉＴＦＴ（以下、「ａ−ＳｉＴＦＴ」と表記する。）では電子の移動度が小さいために駆動が十分にできない。このため、従来では、スイッチ速度の速いＴＦＴとして移動度の高いｐ−ＳｉのＴＦＴを用いている。ｐ−Ｓｉの電子の移動度と正孔の移動度は、ａ−Ｓｉのそれよりもオーダーにして二つほど高い。具体的には、ｐ−Ｓｉの電子の移動度は１００〜４００であり、ｐ−Ｓｉの正孔の移動度は５０〜２００である。
【００３０】
また、単結晶のＳｉを用いることも可能であるが、単結晶Ｓｉの基板のサイズは小さいためＸ線検出器で必要とされる大面積のＴＦＴアレイを形成することは困難である。これに対してｐ−Ｓｉはガラス基板等に形成できるため大面積のＴＦＴアレイが形成できる。
【００３１】
しかしながら、発明者らは、ｎ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴでは、図４に示すようにＸ線照射によりスイッチ特性の立ち上がりが大きく劣化することを見出した。このスイッチ特性の立ち上がりの劣化は、ａ−ＳｉＴＦＴには見られず、ｐ−ＳｉＴＦＴに特に顕著な問題である。従って、この劣化により、ｎ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴは、必ずしもＸ線平面検出器に好適ではないことを見出した。また、保護ダイオードとして作用させるためには、大きなドレイン電圧Ｖｄで駆動することが必要であることが考えられる。
【００３２】
そこで、発明者らは、鋭意研究の結果、ｐ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴはドレイン電圧Ｖｄの耐性が大きく、Ｘ線耐性も大きいため、スイッチング用薄膜トランジスタ１ｄに好適であることを見出した。このｐ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴを使用したことによる顕著な効果は、後で詳しく説明する。従来、ｐ−ＳｉＴＦＴは液晶表示装置（ＴＦＴ−ＬＣＤ）に使用されているが、ＬＣＤではＸ線耐性は必要でないため移動度の高いｎ−ｃｈ  ｐ−ＳｉＴＦＴが従来は用いられていた。Ｘ線照射に対してはｐ−ｃｈＴＦＴが優れていることを初めて見出した。
【００３３】
このような構成によれば、上部電極２５に正電圧を印加することで、正孔が画素電極１ｂに収集されるようなバイアス電圧をＸ線感光膜１ａに印加することができる。このバイアス電圧により、Ｘ線感光膜１ａにおいてＸ線の入射量に応じて発生した正孔を、蓄積容量１ｃに信号電荷として蓄積することができる。そして、走査線３を介して、ｐ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴであるスイッチング用ＴＦＴ１ｄをオンすることにより、蓄積された信号電荷を高速且つ高いＳＮ比によって信号線４に読み出すことができる。より具体的には、本Ｘ線平面検出器は、次のように動作する。
【００３４】
図５は、本実施形態に係るＸ線平面検出器の動作について説明するための図である。図５において、上部電極２５から１０ｋＶの正電圧を印加することにより、Ｘ線感光膜１ａにバイアス電圧を印加する。そして、スイッチング用ＴＦＴ１ｄを図５のように駆動する。即ち、ゲートオフ時には例えば１０Ｖを印加しておき、ゲートパルスとして例えば−２５Ｖを印加することによりスイッチング用ＴＦＴをオンする。なお、撮影を行う場合には、ゲートパルス印加時においてＸ線照射は停止される。また、連続透視を行う場合には、Ｘ線照射中においてゲートパルスは適宜印加され、信号電荷の読み出し操作が行われる。
【００３５】
このようにすることにより、非常に強いＸ線が照射されて画素電位が非常に大きくなり、ゲートパルスのオフ電圧とスイッチング用ＴＦＴのしきい値の和以上の電圧になると、スイッチング用ＴＦＴがオン状態になり、画素の電荷（蓄積容量の過剰電荷）は信号線に流出する。
【００３６】
また、画素電位はゲートパルスのオフ電圧とスイッチング用ＴＦＴのしきい値の和以上にはならないため、高電圧によりスイッチング用ＴＦＴのゲート絶縁膜が絶縁破壊されることはない。このため、スイッチング用ＴＦＴを高電圧から保護することができる。図６に、ｐチャネルＴＦＴの本来のＴＦＴ特性と共に、ゲートオフ時に１０Ｖを印加した場合のダイオード特性を示す。なお、ダイオード特性においては、横軸はゲート電位ではなく画素電極の電位である。
【００３７】
すなわち、本実施形態に係るＸ線平面検出器によれば、スイッチング用ＴＦＴ１ｄに保護回路の機能を持たせることができるため、別途蓄積容量１ｃに過度に電荷が蓄積されるのを防止するための保護回路を設ける必要がなくなる。従って、従来のＸ線平面検出器の様に、スイッチング用ＴＦＴ，Ｘ線感光膜，Ｃｓｔ，及び保護用ＴＦＴ等を配置したＴＦＴアレイ基板において、保護用ＴＦＴ用のバイアス線を実装したＴＡＢを外付けするための配線を接続する必要がない。その結果、画素サイズを微細化した場合であっても、十分狭いピッチで配線を接続することができる。さらに、別途保護回路を必要としないから、微細化した画素内でも蓄積容量の面積を十分に確保することができる。
【００３８】
また、本実施形態に係るＸ線平面検出器は、スイッチング用ＴＦＴ１ｄとして、ｐ−ＳｉからなるｐチャネルＴＦＴを用いている。当該構成により、以下の効果を得ることが出来る。
【００３９】
第１に、電子の移動度に比較してホールの移動度が高いＳｅをＸ線感光膜として使用するＸ線平面検出器において、電荷として移動度の高いホールを検出するから、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。すなわち、Ｘ線感光膜としてのＳｅでは、仮に蓄積容量に蓄積する電荷として移動度の低い電子を用いると、欠陥領域で捕獲された低移動度の電子によって空間電荷が形成され易いために、クーロン力により電子が曲げられ隣接画素に電子が到達することになる。このために蓄積した空間電荷により焼き付きが発生するという可能性が生じる。これに対して本実施形態では、移動度の高く空間電荷が形成されにくいホールを蓄積電荷に溜めるため、解像度の劣化は殆ど無く、焼き付きも殆ど見られない。
【００４０】
第２に、スイッチング用ＴＦＴ１ｄのドレイン電圧による破壊に対する耐圧を十分に高くすることができる。発明者らの実験によれば、本実施形態で説明した手法により製造されたｐチャネルＴＦＴは、Ｌ長が２μｍでも２５Ｖ程度のＶｄまで動作可能である。これに対し、従来のＸ線平面検出器が有するｎチャネルＴＦＴでは、ドレイン耐圧は約１／２の１５Ｖである。このドレイン電圧によるＴＦＴ特性劣化は、ドレイン電界により加速された高エネルギのキャリアがゲート絶縁膜に飛び込み欠陥を生成して劣化させることに起因する。
【００４１】
本実施形態に係るＸ線平面検出器は、ｐ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴをスイッチング用ＴＦＴ１ｄに用いている。従って、正孔は電子より移動度が低くドレインでのエネルギが小さいため、ドレイン電圧によるＴＦＴ特性劣化を小さくすることができる。また、このＴＦＴ特性劣化の原因となる欠陥電荷は、プラス電荷を有する。従って、スイッチング用ＴＦＴ１ｄのキャリアとしての正孔は、この欠陥の存在するゲート絶縁膜との界面から少し離れて走行することになり、当該欠陥電荷からの影響を小さいくすることができる。
【００４２】
第３に、本実施形態に係るＸ線平面検出器は、スイッチング用ＴＦＴ１ｄとしてｐチャネルＴＦＴを使用しているから、高いＸ線耐性を有している。すなわち、一般に、Ｘ線平面検出器に用いられるスイッチング用ＴＦＴは、Ｘ線の照射により欠陥が生成され、その特性が劣化する。この特性の劣化により、従来のＸ線平面検出器は、正常に動作しない場合がある。しかしながら、我々は後述のように、この劣化がｎ−ｃｈ  ｐ−ＳｉＴＦＴでは平面検出器として動作が困難な程度に大きいが、ｐ−ｃｈ  ｐ−ＳｉＴＦＴではＸ線照射によるＴＦＴのＶｔｈやＳ−ファクタの劣化がｐ−ｃｈ  ｐ−ＳｉＴＦＴより小さいため使用可能なことを見出した。このことは、単結晶ＳｉのＭＯＳトランジスタの結果、例えばＬ．Ｋ．Ｗａｎｇ著「Ｘ−ｒａｙ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｄａｍａｇｅ  ｉｎ  ＣＭＯＳ  ａｎｄ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」（Ｊｏｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｖｏｌ．２１，  Ｎｏ．７，１９９２）中テーブル１からわかるように、Ｘ線照射による劣化、即ちＶｔｈの変動とスイッチ領域での特性の傾きＳ−ファクタの変動が、ｐチャネルＳｉＭＯＳトランジスタの方がｎ−ｃｈＳｉＭＯＳトランジスタよりも小さいことと同様な効果と考えられるが、多結晶Ｓｉの方が顕著である。
【００４３】
第４に、オフリーク電流を小さくすることができ、低いＸ線量で生成された微少な電荷を高いＳ／Ｎ比で検出することができる。図７は、本実施形態のようにして作製したｐ−ＳｉからなるｐチャネルＴＦＴ１ｄのオフリーク電流を示した図である。なお、同図に示すように、スイッチング用ＴＦＴ１ｄがＬＤＤ構造をもつ場合には、オフリーク電流をより小さくすることができる。この内容については、第２の実施形態において詳しく説明する。
【００４４】
図８は、本実施形態におけるｐチャネルＴＦＴのＸ線照射前後の特性を示した図である。図中の◇印が照射前、□印が照射後の特性を示している。Ｘ線照射前に対してＸ線照射後では、ＴＦＴのしきい値Ｖｔｈが変化しサブスレッショールドの傾きが緩やかになる。このX線照射による劣化はｐ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴの方がｎ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴよりも小さい。従って、電流駆動能力を保つためには、より大きなＶｄが必要である。Ｖｄ電圧の上昇によりＴＦＴ特性は劣化するが、上述の如くＶｄ耐圧及びＸ線耐性がｎチャネルＴＦＴよりもｐチャネルＴＦＴの方が大きいために、より大きなＶｄ電圧でも駆動できることになる。これにより、蓄積容量に蓄積できる信号電荷を大きくできるため、より強いＸ線に対しても飽和せずに信号を高いＳ／Ｎ比で検出できる。
【００４５】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係わるＸ線平面検出器の１画素構成を示す平面図である。また、図１０は、本Ｘ線平面検出器の１画素構成を示す断面図（図９の６Ｂ−６Ｂに沿った断面）である。なお、図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４６】
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、スイッチング用ＴＦＴをＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造にしたことにある。本Ｘ線平面検出器の製造工程において、ガラス基板１０上にアンダーコート絶縁膜１１、ｐ−Ｓｉ膜１２、ゲートＳｉＯ2 膜１３、ゲート電極１４を形成するまでは、先の第１の実施形態と同様である。
【００４７】
次いで、ゲート電極又はレジストをマスクとしてイオン注入により、Ｂを１×１０11ｃｍ-2から５×１０14ｃｍ-2、好ましくは３×１０12ｃｍ-2から５×１０13ｃｍ-2、本実施形態では２×１０13ｃｍ-2ドープしてＬＤＤのｐ- 領域３５−１，３５−２を形成する。これはほぼ１×１０17ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3の不純物濃度に相当する。ＬＤＤ長は０．５〜５μｍ、好ましくは１μｍから４μｍを選択する。本実施形態では２μｍのＬＤＤ長とした。また、Ｗ／Ｌ＝１０／５μｍとした。
【００４８】
次いで、レジストをマスクにしてイオン注入により、Ｂを１×１０14〜５×１０16ｃｍ-2、好ましくは１×１０15ｃｍ-2〜１×１０16ｃｍ-2、本実施形態では３×１０15ｃｍ-2の高濃度ドープしてソース・ドレイン電極のｐ+ 領域１５−１，１５−２を形成する。
【００４９】
これ以降は第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜のＳｉＯ2 膜１６を形成した後、ソース・ドレインコンタクト部に穴を開け、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏにより信号線１７−１とＣｓ線１７−２を形成する。さらに、パシベーション用のＳｉＮｘ膜、アクリル系樹脂からなる保護膜１８を形成した後、コンタクト部を形成し、ＩＴＯからなる画素電極１９を形成する。そして、Ｘ線感光膜１ａを形成し、最上部に電極２５を形成する。
【００５０】
このようにして作製したｐ−ＳｉからなるｐチャネルＴＦＴのオフリーク電流を、前記図７にＬＤＤ無しの場合と比較して示す。ＬＤＤが無い場合に比べて、ＬＤＤを形成することによりオフ電流を低下させることができる。Ｘ線検出器の画素駆動用のＴＦＴのオフ電流は１×１０-12 Ａ以下であることが必要であるが、ＬＤＤを形成することにより、オフ電流を３×１０-14 Ａ以下と十分に小さくすることができる。液晶用ＴＦＴではＸ線検出器より大きな信号を取り扱うためにオフ電流は１ｘ１０−１０Ａ程度で使用可能であるため、ｐ−ｃｈ  ｐ−ＳｉＴＦＴのＬＤＤ構造は用いられておらず、Ｘ線平面検出器で特に有効な構造である。
【００５１】
Ｘ線感光膜としてＳｅを用いる場合には、Ｓｅは特に高抵抗で非常に小さなリーク電流のフォトダイオードとして作用する。このため、スイッチ用ＴＦＴのオフ時のリーク電流を小さくすることにより微弱Ｘ線による微弱な信号も取り扱うことができ、高感度のＸ線検出器を実現することができる。なお、発明者らの研究によれば、ｐ−ＳｉＴＦＴの中でＬＤＤ付きのｐ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴが最もオフ時の電流を下げられることが分かった。このため、非常に小さな暗電流特性を有するＳｅをＸ線感光膜とし、ｐ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴをスイッチング素子として使用すれば、従来に比して、より高感度なＸ線平面検出器を実現することができる。
【００５２】
また、ｐチャネルＴＦＴは、ｎチャネルＴＦＴに比べドレイン電圧の耐性が高いため、より大きいＸ線信号を取り扱うことができ、これによりダイナミックレンジが拡大できる。
【００５３】
さらに、本Ｘ線平面検出器のＸ線照射前後のＴＦＴ特性は、第１の実施形態で説明した図８の場合と同様に、Ｘ線照射後ではＶｔｈが変化しサブスレッショールドの傾きが緩やかになる。しかし、ｐチャネルＴＦＴを用いたことにより、より大きなＶｄ電圧でも駆動でき、蓄積容量に蓄積できる信号電荷を大きくできる。従って、より強いＸ線に対しても飽和せずに信号を検出でき、ダイナミックレンジを拡大することができる。またサブスレッショールドのＸ線照射による劣化が少ないため信号処理できる信号電荷の量を大きくできる。
【００５４】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係わるＸ線平面検出器におけるドライバ回路を示す回路構成図である。また。図１２は、同ドライバ回路の断面図である。なお、図１２において、図３と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００５５】
第３の実施形態は、スイッチング用ＴＦＴを駆動するために周辺回路に設けるドライバ回路であり、このドライバ回路をｐチャネルＴＦＴとｎチャネルＴＦＴを用いて構成している。各々のＴＦＴの製造は、撮像領域におけるＴＦＴの製造と同時に行われる。
【００５６】
撮像領域と同様に、ガラス基板１０上にアンダーコート絶縁膜１１としてのＳｉＮｘ（５０ｎｍ）／ＳｉＯ2 （１００ｎｍ）を形成し、その上にａ−Ｓｉ膜を５０ｎｍの膜厚で形成する。続いて、ＥＬＡでａ−Ｓｉ膜を多結晶化して５０ｎｍのｐ−Ｓｉ膜を形成する。次いで、ｐ−Ｓｉ膜１２をエッチングして、前記したトランジスタ領域の島１２−１及びキャパシタ領域の島１２−２と共に、周辺回路の島１２−３，１２−４を形成する。次いで、ＰＣＶＤ又は熱ＣＶＤによりゲートＳｉＯ2 膜１３を１５０ｎｍ成膜する。
【００５７】
次いで、ＭｏＷのゲート１４を３００ｎｍの厚さに形成する。ここでは、撮像領域におけるトランジスタ領域のゲート電極１４−１及びキャパシタ領域のゲート電極１４−２と共に、周辺回路におけるＣＭＯＳトランジスタのゲート電極１４−３，１４−４を形成する。
【００５８】
次いで、撮像領域と同様に、ゲート電極又はレジストをマスクとしてＢを２×１０13ｃｍ-2ドープしてＬＤＤのｐ- 領域３５−４，３５−５を形成する。これは、ほぼ１×１０17ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3の不純物濃度に相当する。ここでは、ＬＤＤ長は、例えば２μｍとし、また、Ｗ／Ｌ＝１０／５μｍとしている。次いで、レジストをマスクにしてＢを３×１０15ｃｍ-2の高濃度ドープしてソース・ドレイン電極のｐ+ 領域１５−４，１５−５を形成する。
【００５９】
次いで、撮像領域とは別に、ゲート電極又はレジストをマスクとしてイオン注入により、Ｐを１×１０11ｃｍ-2から５×１０14ｃｍ-2、好ましくは３×１０12ｃｍ-2から５×１０14ｃｍ-2、本実施形態では２×１０13ｃｍ-2ドープしてＬＤＤのｎ- 領域５５−４，５５−５を形成する。これは、ほぼ３×１０16ｃｍ-3から２×１０21ｃｍ-3の不純物濃度に相当する。ＬＤＤ長は０．５〜５μｍ、好ましくは１μｍから４μｍを選択する。本実施形態では、例えば２μｍのＬＤＤ長とし、Ｗ／Ｌ＝１０／５μｍとする。次いで、レジストをマスクにしてＰを１が１０14ｃｍ-2〜５×１０16ｃｍ-2、好ましくは３×１０14ｃｍ-3〜５×１０15ｃｍ-2、本実施形態では２×１０15ｃｍ-2の高濃度ドープしてソース・ドレイン電極のｎ+ 領域４５−４，４５−５を形成する。
【００６０】
次いで、撮像領域と同様に、層間絶縁膜のＳｉＯ2 膜１６をＰＣＶＤで５００ｎｍ形成する。次いで、ソース・ドレインコンタクト部に穴を開け、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏにより前記した信号線１７−１とＣｓ線１７−２を形成すると共に、ゲート電極１４−４，１４−５に接続される配線５４−１，５４−２を形成する。その後、パシベーション用のＳｉＮｘ膜をＰＣＶＤにより形成し、さらにアクリル系感光樹脂を２〜５μｍ好ましくは３μｍコートして保護膜１８を形成する。保護膜１８は感光樹脂であるために、露光及び現像のみによりコンタクトホールが形成できる。
【００６１】
このようなプロセスにより、画素回路はｐチャネルＴＦＴで、周辺の駆動回路はｐチャネルＴＦＴとｎチャネルＴＦＴのＣＭＯＳで作製する。
【００６２】
本実施形態に係るＸ線平面検出器によれば、周辺回路の回路特性を改善し、消費電力を低減することができる。また、本実施形態により作製したｐ−ＳｉからなるＴＦＴのＣＭＯＳ構造の駆動回路を用いることにより、短いアドレス時間であっても信号電荷を十分に読み出すことができるため、微細なピッチの画素を駆動することができる。本構成は、例えば画素サイズが６０μｍ□の乳房検査用のＸ線平面検出器に適用することができる。なお、従来の技術では、６０μｍピッチの実装ができなかったため、このような微細な画素のＸ線平面検出器の製造が困難である。
【００６３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。高感度Ｘ線感光膜としては、既述のＳｅ等に限らず、ＰｂＴｅ，ＨｇＴｅ，ＺｎＳ等の多結晶又は単結晶の高効率のＸ線感光材料及びこれらの混晶であれば何でもよい。高感度Ｘ線感光膜の膜厚はＸ線を十分に吸収できる膜厚とすればよい。また、高抵抗半導体膜の膜厚は、光キャリア（電子又は正孔）がアドレス時間の１／１０程度の時間に高抵抗膜を走行できるように選べばよい。
【００６４】
基板としては、ガラス基板に限るものではなく、ＴＦＴが形成されるものならは何でもよい。実施形態で用いたＸ線感光膜は低温で塗布形成可能であるため、基板として耐熱性の低いプラスチック等を用いてもよい。この場合、Ｘ線平面検出器全体に可塑性を持たせることが可能となる。また、ＴＦＴの構造としては、ゲート上置きでもゲート下置きでもよい。
【００６５】
また、保護膜としては、無機のＳｉＮx やＳｉＯ2 、更には有機のポリイミド類（ε＝約３．３、耐圧約３００Ｖ／ｍｍ）や、ベンゾシクロブテン（ε＝約２．７、耐圧約４００Ｖ／ｍｍ）、ＪＳＲ（株）製アクリル系感光樹脂ＨＲＣ（ε＝約３．２）、黒レジスト等を用いればよく、これらを必要に応じて積層してもよい。保護膜としては、弗素系樹脂も比誘電率が小さい（ε＝約２．１）ために有効である。また、保護膜は感光性でなくてもよいが、感光性の材料の方がパターニングが容易であるために有効である。
【００６６】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、上記実施形態では、入射したＸ線を光電変換膜によって電子正孔対に変換する直接変換方式のＸ線平面検出器を例に説明した。しかしながら、本発明の技術的思想は、入射したＸ線を蛍光体によって一旦光に変換し、当該光は光電変換膜によって電子正孔対に変換する間接変換方式のＸ線平面検出器ついても、適用可能である。
【００６７】
また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００６８】
【発明の効果】
以上本発明によれば、高電圧に対する保護作用のために画素回路が複雑化するのを防止し、画素を微細化しても良好な画像を取得できるＸ線平面検出器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係わるＸ線平面検出器の基本構成を示す回路図である。
【図２】図２は、画素１の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、画素１の構成を示す断面（図２のの３Ｂ−３Ｂに沿った断面）図である。
【図４】図４は、従来のＸ線平面検出器に使用されるｎ−ｃｈのｐ−ＳｉＴＦＴの、Ｘ線照射前後のスイッチ特性の立ち上がり変化を示した図である。
【図５】図５は、第１の実施形態に係るＸ線平面検出器の動作について説明するための図である。
【図６】図６は、ｐチャネルｐ−ＳｉＴＦＴの本来のＴＦＴ特性と、ゲートオフ時に１０Ｖを印加した場合の従来のダイオードの特性を示した図である。
【図７】図７は、第１の実施形態のようにして作製したｐ−ＳｉからなるｐチャネルＴＦＴ１ｄのオフリーク電流を示した図である。
【図８】図８は、第１の実施形態におけるｐチャネルＴＦＴのＸ線照射前後の特性を示した図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施形態に係わるＸ線平面検出器の１画素構成を示す平面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施形態に係わるＸ線平面検出器の１画素構成を示す断面図（図９の６Ｂ−６Ｂに沿った断面）である。
【図１１】図１１は、本発明の第３の実施形態に係わるＸ線平面検出器におけるドライバ回路を示す回路構成図である。
【図１２】図１２は、図１１に示したドライバ回路の断面図である。
【図１３】図１３は、従来のＸ線平面検出器の１画素の回路構成を示している。
【符号の説明】
１ａ…Ｘ線感光膜
１ｂ、１９…画素電極
１ｃ…蓄積容量
１ｄ…スイッチング用薄膜トランジスタ
２…撮像領域
３…走査線
４、１７−１…信号線
５…ゲートドライバ
１０…ガラス基板
１１…アンダーコート絶縁膜
１２…ｐ−Ｓｉ膜
１３…ゲートＳｉＯ2 膜
１４…ゲート電極
１５−２…ソース
１５−１…ドレイン
１５−３…ｐ+ 領域
１７…Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ膜
１８…保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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