CN103681717B

CN103681717B - α‑IGZO薄膜传感阵列的影像传感器及其制备方法

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Publication number: CN103681717B
Application number: CN201310437965.2A
Authority: CN
Inventors: 徐开文; 钟凡
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: CN103681717A

Abstract

α‑IGZO薄膜传感阵列的影像传感器及其制备方法，属于半导体器件及其制备方法技术领域，包括呈交叉排列的一组栅极线和一组数据线、以及由所述栅极线和数据线所界定的呈阵列状排布的像素单元，所述像素单元包括一个薄膜晶体管器件和一个光电二极管器件，所述薄膜晶体管器件，包括相对形成沟道的源极和漏极，所述源极和漏极之间设置有α‑IGZO薄膜岛，所述漏极与数据线连接。通过用α‑IGZO TFT制成α‑Si:H PIN传感器，应用于实时X射线医疗影像（荧光透视）系统和/或无损测试系统，进而改进系统性能。使用α‑IGZO TFT后的迁移率要比目前商用非晶硅TFT的高出10~15倍,具有较低的截止电流，其信噪比也降低了约30%。大幅提高了实时医疗X射线影像品质。

Description

α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件及其制备方法技术领域，具体涉及α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器及其制备方法。

背景技术

随着人们自我保健意识的逐渐增强，各种无损伤医疗检测方法医学影像（如X光胸透）受到人们的青睐。TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶体管）平板X 射线传感器是数字影像技术中至关重要的元件。由于用非晶硅制作PIN光电二极管传感器成本低和平板工业中读取信号的主动矩阵非晶硅TFT的技术成熟，非晶硅技术在大型医疗影像应用中很广泛。

目前，传感器通常采用薄膜晶体管平板结构。非晶硅TFT迁移率很低，0.5~1 cm² /Vs，为了能为实时荧光透视应用提供高品质的影像，要求系统要有很高的帧率（＞30Hz），低的截止电流和信噪比。

上个世纪末，工业界尝试用低温多晶硅TFT解决以上问题。低温多晶硅TFT有较高的迁移率，大约50~150 cm²/Vs ，并且可以整合成α-Si PIN 传感器。然而因为激光结晶的复杂工艺以及相应的均匀性问题，使得它难以应用于大平板制作。同时高的漏电流造成TFT开关比低于6，这也增大了读取时的本底噪声。表1把α-IGZO TFT技术与现有的应用于医疗影像系统的TFT技术作了对比（表1: 非晶硅TFT，多晶硅TFT以及α-IGZO TFT技术的对比）。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷不足，本发明的目的在于提供α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，通过用α-IGZO TFT制成α-Si:H PIN传感器，应用于实时X射线医疗影像（荧光透视）系统和/或无损测试系统，进而改进系统性能。使用α-IGZO TFT后的迁移率要比目前商用非晶硅TFT的高出10~15倍, 具有较低的截止电流，其信噪比也降低了约30%。大幅提高了实时医疗X射线影像品质。

α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，包括呈交叉排列的一组栅极线和一组数据线、以及由所述栅极线和数据线所界定的呈阵列状排布的像素单元，所述像素单元包括一个薄膜晶体管器件和一个光电二极管器件，每个薄膜晶体管器件连接相应的栅极线和数据线，每个光电二极管器件连接偏压线和薄膜晶体管器件相应的漏极；

所述薄膜晶体管器件，包括相对形成沟道的源极和漏极，所述源极和漏极之间设置有α-IGZO薄膜岛，所述漏极与数据线连接。

所述数据线连接电荷放大器，所述电荷放大器连接多路选择器，所述多路选择器连接模数转换器。

所述上半的栅极线连接第一栅极驱动器，所述下半的栅极线连接第二栅极驱动器。

所述上半的栅极线两侧分别连接第一栅极驱动器和第三栅极驱动器，所述下半的栅极线两侧分别连接第二栅极驱动器和第四栅极驱动器。

所述数据线上侧连接第一电荷放大器，下侧连接第二电荷放大器。

α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，还包括位于衬底之上的栅电极、覆盖衬底和栅电极上的栅极绝缘层、位于栅极绝缘层上方且在源极和漏极之间的α-IGZO薄膜岛和刻蚀台阶岛、位于源极上设置有PIN台阶、以及位于PIN台阶上的透明电极，所述透明电极连接偏压线。

本发明的另一目的在于提供上述影像传感器的制备方法，包括以下步骤：

（一）.在衬底上沉积栅电极并构造出栅极线和间距；

（二）.依次沉积栅极绝缘层、α-IGZO薄膜层和刻蚀台阶层；

（三）.构造出刻蚀台阶岛；

（四）.构造出α-IGZO薄膜岛；

（五）.沉积源-漏电极层；

（六）.沉淀并刻蚀出PIN台阶和透明电极；

（七）.构造出源极和漏极；

（八）.沉积第一保护层；

（九）.构造出连接TFT的漏极和数据线间的孔、连接PIN传感器和偏压线间的孔和预开边缘接触片的孔；

（十）.沉积并构造出数据线、偏压线和接触片；

α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器的制备方法，其特征在于，还包括：

（十一）.沉积第二保护层，打开接触片；

（十二）.平面化涂覆SOG或BCB形成平面层，沉积CsI形成闪烁层；

（十三）.带式自动键合出栅极驱动器和电荷放大器。

所述栅电极为由1500~2500Å的Al和500~1500Å的Mo构成的双层结构或者由500~1000Å的Mo、1500~2500Å的Al和500~1000 Å 的Mo构成的三层结构；所述α-IGZO薄膜层厚度为500~1000 Å；所述PIN台阶为由500~1000 Å 的N- α-Si: H、 1~2.0um 的I α-Si: H和300~1000Å的P+ α-Si: H构成的三层结构；所述数据线，栅极线和接触片均为由500~1000Å的Mo、1.0~2.0um的Al和500~1000Å的Mo构成的三层结构。

本发明与现有技术相比，通过集成α-IGZO TFT到α-Si基PIN传感器，应用于实时X光荧光透视，具有如下优点：

1.帧频从30Hz增大到40Hz，增大了31.6%；

2.可以驱动更多的像素，面板也从45cm x 45cm增大到60cm x 60cm，增加了77.8%；

3.降低本底噪声：降低34.5% Johnson噪音、 34.8% KTC切换噪音以及 31.6% TFT陷扰噪音，小于一个数量级的截止电流I_off；

4.改进了系统的动态范围，CT动态范围将改善25%；

5.应用于大规模玻璃沉底上，制作成本低；

6.像素尺寸可100um以下，但仍有50%以上的DQE。因此，它可以用来制作X光乳线机。

附图说明

图1为本发明的阵列基板的结构示意图；

图2为本发明双侧读取方案的采用双栅极驱动的结构示意图；

图3为本发明双侧读取方案的采用四栅极驱动的结构示意图；

图4为本发明像素单元连接到电荷放大器的通道结构示意图；

图5A—5M为本发明制备流程中的剖面结构示意图；

图中：1-栅极线、2-数据线、3-像素单元、4-薄膜晶体管器件、5-光电二极管器件、6-电荷放大器、6a-第一电荷放大器、6b-第二电荷放大器、7-多路选择器、8-模数转换器、9-偏压线、10-栅极驱动器、10a-第一栅极驱动器、10b-第二栅极驱动器、10c-第三栅极驱动器、10d-第四栅极驱动器、11-衬底、12-栅电极、13-栅极绝缘层、14-α-IGZO薄膜层、15-刻蚀台阶层、16-刻蚀台阶岛、17-α-IGZO薄膜岛、18-源-漏电极层、19-PIN台阶、20-透明电极、21-源极、22-漏极、23-第一保护层、24-接触片、25-第二保护层、26-平面层、27-闪烁层。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，包括呈交叉排列的一组栅极线1和一组数据线2、以及由所述栅极线1和数据线2所界定的呈阵列状排布的像素单元3，所述像素单元3包括一个薄膜晶体管器件4和一个光电二极管器件5。

每行薄膜晶体管器件4连接相应的栅极线1，由受栅极线1控制。所述栅极线1连接栅极驱动器10。每列薄膜晶体管器件4连接相应的数据线2。所述数据线2连接电荷放大器6。薄膜晶体管器件4由栅极线1控制，每个光电二极管器件5连接偏压线9和薄膜晶体管器件4相应的漏极。

影像传感器，包括m条栅极线1和n条数据线2。n和m由平板的有效面积和像素单元3的间距 (像素大小+两个像素单元间的间距) 决定的。对于一个有效面积为45cm x 45cm的影像传感器平板，像素尺寸为148um，两个相邻像素间的间距为8um，像素间距为156um。

所述栅极驱动器10按顺序给阵列中每行指定地址。当一行被指定后，这行中的薄膜晶体管器件4会转移存储的电荷到所有的数据线2上，这些电荷平行的被读取，并通过电荷放大器6转变成电压信号。电荷放大器6输出的电压信号通过多路选择器7传送到模数转换器8，模数转换器8发送数字输出信号到计算机进行图像信号处理。

作为一种优选，为了得到大尺寸传感器阵列的最大帧频，使用了双侧读取方案的双栅极驱动, 如图2。所述上半的栅极线1连接第一栅极驱动器10a，所述下半的栅极线1连接第二栅极驱动器10b，所述数据线2上侧连接第一电荷放大器6a，下侧连接第二电荷放大器6b。双栅极驱动时，当顺序指定上半栅极线1和下半栅极线1的地址，可以减少一半的每帧时间。

作为另一种优选，或者双侧读取方案的采用四栅极驱动，如图3。所述上半的栅极线1两侧分别连接第一栅极驱动器10a和第三栅极驱动器10c，所述下半的栅极线1两侧分别连接第二栅极驱动器10b和第四栅极驱动器10d，所述数据线2上侧连接第一电荷放大器6a，下侧连接第二电荷放大器6b。四栅级驱动时，因为栅极线1的有效长度减小了一半，栅极RC时间常数也减小了50%。

另外，采用双栅极驱动或四栅极驱动，对于数据线2的长度，双侧读取端的数据线RC常数和单侧的两倍一样小，通过使用双侧读取方案后合成的数据线阻抗减小了一半。

为了减少栅极线1和数据线2的RC时间延迟，这就需要降低栅极线路电阻R_G和数据线路电阻R_D，以及减小栅极-数据交叉电容（C_Data）和其他寄生电容（如C_GS），如图4所示。通过增大栅极线1和数据线2的厚度，减少TFT G-D重叠和G-S重叠，可减少总的RC延迟时间。对于α-Si TFT，总的RC延迟时间少于0.5us。

对于α-Si TFT，光电二极管电容C_PD和TFT上电阻R_ON-TFT控制读取时间。读取完成的时间由τ_READ =m *τ_PIXEL 决定，其中τ_PIXEL= R_ON-TFT *C_PIXEL是这个像素传感器的时间常数，m=3时可以确保像素单元电容C_PIXEL的99.3%电荷可以被读取。C_PIXEL= C_PD + C_GD，其中，C_PIXEL是像素单元电容，C_PD是光电二极管电容，C_GD是寄生TFT重叠电容。对于t_a-Si=1.5um, ε_a-Si=11和像素面积大小为(148um)²填充因子70%的有效面积A_PD的PIN光电二极管, 可以估算出其电容C_PD为1pF。C_GD是寄生TFT重叠电容，对于α-Si TFT，约为32fF。如此小的C_GD可以忽略不计，因而C_PIXEL= C_PD。

对于α-Si TFT，R_ON-TFT 约为2Mohms。则τ_PIXEL= 2.08 Mohm*1pF = 2.07us。因此τ_READ= 2.07 x 3 = 6.22us。假设电荷放大器6的积分时间τ_INT为16.5us，对输出电压V₀可以得到清晰的灰度值，总的读取时间τ_{READ/GATELINE}，即从开始制定栅极线地址到最后输出电压信号，等于τ_READ与τ_INT的和。因此τ_{READ/GATE LINE} = τ_READ + τ_INT = 22.72 us 。这用去了22.72us x1442 =32.8ms来读取整个架构，意味着每秒能得到30.5个框架。

为了得到相同的像素大小和面板尺寸而帧率大于30Hz，或者保持相同的帧率而增大面板尺寸(增大相同像素间距大小的栅极线和数据线)，我们必须减少TFT上的电阻R_ON-TFT来得到小的τ_PIXEL和τ_READ。

当α-IGZO TFT取代α-Si TFT，因为它的迁移率约为10~15 cm²/Vs，这使得R_ON-TFT降至大约为0.25 Mohms。则对于单栅极线τ_PIXEL= 0.25Mohm*1pF = 0.25us, τ_READ = 0.25x3 =0.76us。假设电荷放大器6的积分时间τ_INT为16.5us，每条栅极线1总的读取时间τ_{READ/GATE LINE}大概为17.26us。读取整个架构用去17.26us x 1442 = 24.9ms，通过用α-IGZO TFT代替α-Si TFT可以将帧率从30.52Hz增大到40.17Hz。

如果保持30Hz相同的帧率，α-IGZO TFT能驱动更大面积平板上更多的像素点。这样，60cm x 60cm大小的面板是可驱动的，其中有效面积增了77.7% (3600cm² vs.2025cm²)，栅极线增加了33.3% (3864 vs. 2885)和像素数目增加了77.7% (14,791,716vs. 8,323,225)。

表二为a-Si TFT 开关与a-IGZO TFT 开关的性能参数对比

同时α-IGZO TFT较α-Si TFT具有较低的截止电流和较大的开关电流比，这可以帮助保持TFT中关闭态的电荷和降低本底噪声，还可以改进系统的动态范围。

α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器的制备方法，包括以下步骤：

1. 如图5A所示，在衬底11上沉积栅电极12并构造出栅极线1和间距。进一步，所述衬底11为玻璃衬底，栅电极12为双层(1500~2500Å Al +500~1500 Å Mo)或三层(500~1000Å Mo + 1500~2500 Å Al +500~1000 Å Mo)结构。Al是为了减小栅极线1的电阻，Mo为了阻止Al形成丘状而沉积覆盖在Al上。使用标准的光刻工艺和干/湿法刻蚀工艺来形成栅极线1和间距；

2. 如图5B所示，依次沉积栅极绝缘层13、α-IGZO薄膜层14和刻蚀台阶层15。进一步，PECVD沉积1500~2500 Å SiO₂的栅极绝缘层13，PVD沉积500~1000 Å α-IGZO薄膜层14，在真空炉中进行200℃ ~350℃后期退火，PECVD沉积1500~2500 Å的SiO₂的刻蚀台阶层15；

3. 如图5C所示，构造出刻蚀台阶岛16。进一步，用光刻和干法刻蚀构造出TFT的刻蚀台阶岛16；

4. 如图5D所示，构造出α-IGZO薄膜岛17。进一步，用光刻和湿法刻蚀出α-IGZO薄膜岛17，在真空炉中进行200℃~300℃后期退火，α-IGZO薄膜岛17是α-IGZO薄膜层（14）的主动区域；

5. 如图5E所示，沉积源-漏电极层18。进一步，PVD沉积500~1500 Å的Cr做源-漏极22；

6. 如图5F所示，沉淀并刻蚀出PIN台阶19和透明电极20。进一步，PECVD沉积出三层PIN，即500~1000 Å N- α-Si: H, 1~2.0um I α-Si: H, 300~1000 Å P+ α-Si: H，PVD沉积出500~1000 Å的ITO用作透明电极20，用光刻和干法刻蚀ITO和Cr的三层PIN台阶19来形成PIN像素；

7. 如图5G所示，构造出源极21和漏极22。进一步，用光刻和干法刻蚀构造出α-IGZO TFT的源极21和漏极22，随后在真空炉中进行200℃~300℃退火；

8. 如图5H所示，沉积第一保护层23。进一步，用PECVD沉积0.5~1.5um的SiON的第一保护层（23）；

9. 如图5I所示，构造出连接TFT的漏极22和数据线2间的孔、连接PIN传感器和偏压线9间的孔和预开边缘接触片24的孔。进一步，用光刻和干法刻蚀出连接TFT的漏极22和数据线2间的孔、连接PIN像素和偏压线9间的孔和预开边缘接触片24的孔；

10. 如图5J所示，沉积并构造出数据线2、偏压线9和接触片24。进一步，PVD沉积500~1000 Å Mo, 1.0~2.0um Al, 500~1000 Å Mo三层数据电极，随后用光刻和干法刻蚀构造出数据线2，栅极线1和接触片24；

11. 如图5K所示，沉积第二保护层25，打开接触片24。进一步，PECVD沉积0.5~1.5umSiON的第二保护层25，随后用光刻和干法刻蚀打开接触片24；

12. 如图5L所示，平面化涂覆SOG或BCB形成平面层26，沉积CsI形成闪烁层27；

13. 如图5M所示，带式自动键合出栅极驱动器10和电荷放大器6。

至此，α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，包括衬底11，位于衬底11之上的栅电极12，覆盖衬底11和栅电极12上的栅极绝缘层13，位于栅极绝缘层13上方且在源极21和漏极22之间的α-IGZO薄膜岛17和刻蚀台阶岛16，位于漏极22上的数据线2，相对形成沟道的源极21和漏极22，与漏极22连接的数据线2，位于源极21上设置有PIN台阶19，以及位于PIN台阶19上的透明电极20，位于源极21和漏极22上方的第一保护层23，贯通第一保护层23和栅极绝缘层13的接触片24，位于第一保护层23、数据线2和偏压线9上方的第二保护层25，位于第二保护层25上方的平面层26和闪烁层27。

表三为本传感器特性表格

表四为本传感器与非晶硅TFT的性能参数对照表

从上表中可以看出，对于相同的像素大小、相同的帧速率，本传感器门开关行数提高了33.3%，像素数量提升了77.7%，优势明显。

以上所述及图中所示，仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的构思原则内作出的等同替换、修改或改进，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，其特征在于，包括呈交叉排列的一组栅极线（1）和一组数据线（2）、以及由所述栅极线（1）和数据线（2）所界定的呈阵列状排布的像素单元（3），所述像素单元（3）包括一个薄膜晶体管器件（4）和一个光电二极管器件（5），每个薄膜晶体管器件（4）连接相应的栅极线（1）和数据线（2），每个光电二极管器件（5）连接偏压线（9）和薄膜晶体管器件（4）相应的漏极（22）；

所述薄膜晶体管器件（4），包括相对形成沟道的源极（21）和漏极（22），所述源极（21）和漏极（22）之间设置有α-IGZO薄膜岛（17）和刻蚀台阶岛（16），且α-IGZO薄膜岛（17）和刻蚀台阶岛（16）均位于栅极绝缘层（13）上方，刻蚀台阶岛（16）沉积于α-IGZO薄膜岛（17）上方；所述漏极（22）与数据线（2）连接；

上半的所述栅极线（1）连接第一栅极驱动器（10a），下半的所述栅极线（1）连接第二栅极驱动器（10b）；所述数据线（2）上侧连接第一电荷放大器（6a），下侧连接第二电荷放大器（6b）。

2.如权利要求1所述的α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，其特征在于，所述数据线（2）连接电荷放大器（6），所述电荷放大器（6）连接多路选择器（7），所述多路选择器（7）连接模数转换器（8）。

3.如权利要求1所述的α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，其特征在于，上半的栅极线（1）两侧分别连接第一栅极驱动器（10a）和第三栅极驱动器（10c），下半的栅极线（1）两侧分别连接第二栅极驱动器（10b）和第四栅极驱动器（10d）。

4.如权利要求1所述的α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器，其特征在于，还包括位于衬底（11）之上的栅电极（12）、覆盖衬底（11）和栅电极（12）上的栅极绝缘层（13）、位于栅极绝缘层（13）上方且在源极（21）和漏极（22）之间的α-IGZO薄膜岛（17）和刻蚀台阶岛（16）、位于源极（21）上设置有PIN台阶（19）、以及位于PIN台阶（19）上的透明电极（20），所述透明电极（20）连接偏压线（9）。

5.制备如权利要求1所述的α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（一）.在衬底（11）上沉积栅电极（12）并构造出栅极线（1）和间距；

（二）.依次沉积栅极绝缘层（13）、α-IGZO薄膜层（14）和刻蚀台阶层（15）；

（三）.构造出刻蚀台阶岛（16）；

（四）.构造出α-IGZO薄膜岛（17）；

（五）.沉积源-漏电极层（18）；

（六）.沉淀并刻蚀出PIN台阶（19）和透明电极（20）；

（七）.构造出源极（21）和漏极（22）；

（八）.沉积第一保护层（23）；

（九）.构造出连接TFT的漏极（22）和数据线（2）间的孔、连接PIN传感器和偏压线（9）间的孔和预开边缘接触片（24）的孔；

（十）.沉积并构造出数据线（2）、偏压线（9）和接触片（24）。

6.如权利要求5所述的α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器的制备方法，其特征在于，还包括：

（十一）.沉积第二保护层（25），打开接触片（24）；

（十二）.平面化涂覆SOG或BCB形成平面层（26），沉积CsI形成闪烁层（27）；

（十三）.带式自动键合出栅极驱动器（10）和电荷放大器（6）。

7.如权利要求5所述的α-IGZO薄膜传感阵列的影像传感器的制备方法，其特征在于，所述栅电极（12）为由1500~2500Å的Al和500~1500Å的Mo构成的双层结构或者由500~1000Å的Mo、1500~2500Å的Al和500~1000Å的Mo构成的三层结构；所述α-IGZO薄膜层（14）厚度为500~1000Å；所述PIN台阶（19）为由500~1000Å的N-α-Si:H、1~2.0um的Iα-Si:H和300~1000Å的P+α-Si:H构成的三层结构；所述数据线（2），栅极线（1）和接触片（24）均为由500~1000Å的Mo、1.0~2.0um的Al和500~1000Å的Mo构成的三层结构。