軟Ｘ線検出装置、及び軟Ｘ線検出システム
【課題】 正確な軟Ｘ線の検出を行うことを目的とする。
【解決手段】 本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２には複数の検出ユニット１が配され、それぞれの検出ユニット１は変換部３と回路部４とを含む。変換部３は例えばフォトダイオードである。変換部３では軟Ｘ線によって発生した電荷が収集される。回路部４には例えば第１導電型（Ｎチャネル型）の増幅トランジスタ６が配される。増幅トランジスタ６は、変換部３からの信号を増幅して出力する増幅部である。隣接する変換部３の間には第１導電型のトランジスタが配されない。あるいは、隣接する検出ユニットに含まれるトランジスタが、互いに近接して配される。
【解決手段】 本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２には複数の検出ユニット１が配され、それぞれの検出ユニット１は変換部３と回路部４とを含む。変換部３は例えばフォトダイオードである。変換部３では軟Ｘ線によって発生した電荷が収集される。回路部４には例えば第１導電型（Ｎチャネル型）の増幅トランジスタ６が配される。増幅トランジスタ６は、変換部３からの信号を増幅して出力する増幅部である。隣接する変換部３の間には第１導電型のトランジスタが配されない。あるいは、隣接する検出ユニットに含まれるトランジスタが、互いに近接して配される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟Ｘ線検出装置に関し、とりわけ軟Ｘ線検出装置の検出ユニットの平面構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、画素ごとに増幅部を有する固体撮像装置が提案されている。特許文献１には複数の画素を備える固体撮像装置が記載されている。複数の画素のそれぞれが、フォトダイオードと、増幅回路の一部であるソースフォロアＭＯＳトランジスタとを含む。特許文献１に記載の固体撮像装置では、フォトダイオードとソースフォロアＭＯＳトランジスタは単一の半導体基板に配されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０２４９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、可視光による撮像について記載されている。しかし、特許文献１では、軟Ｘ線の検出に関しては検討されていない。したがって、上述したような固体撮像装置及びこれに類似する装置を軟Ｘ線検出に適用した場合において生じうる課題について十分に検討されていなかった。
【０００５】
これに対して、本発明者らは、軟Ｘ線を電荷に変換する変換部と、増幅部などの回路部とが配された半導体基板を備えた検出装置において、変換部及び回路部の配置次第で、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることが可能であることを見出した。
【０００６】
上述の課題に鑑み、本発明は、変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む軟Ｘ線検出装置において、正確性を高めた軟Ｘ線検出を行うことが可能な検出ユニットのレイアウトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、前記複数の検出ユニットのそれぞれが、前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、前記半導体領域のうち隣接して配された二つの半導体領域の間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記二つの半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、前記第１検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかと、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかとが、第１距離よりも近接して配されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも、第２距離より離間して配されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置によれば、軟Ｘ線を正確に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図２】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図３】二つのＭＯＳトランジスタのレイアウト図。
【図４】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の等価回路図。
【図５】本発明の実施例２の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図６】本発明の実施例３の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図７】本発明の実施例４の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図８】本発明の実施例４の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図９】本発明の実施例５の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図１０】本発明の実施例６の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図１１】本発明の実施例９の軟Ｘ線検出システムのブロック図。
【図１２】軟Ｘ線検出装置の検出ユニットの平面構造の概略図。
【図１３】本発明の実施例７の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図１４】本発明の実施例８の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００の要部を図１及び図２を用いて説明する。図１に示された軟Ｘ線検出装置１００は複数の検出ユニット１を含む。図１には６つの検出ユニット１ａ〜１ｆが示されている。複数の検出ユニット１は単一の半導体基板２（図２）に配される。
【００１３】
本明細書において、異なる検出ユニットに含まれる複数の素子が同様の機能を有する場合には、当該複数の素子に同じ数字を含む符号を付す。これらの同様の機能を有する複数の素子について、複数の検出ユニットに共通する事項を説明する場合には、数字のみの符号を用いる。これらの同様の機能を有する複数の素子を検出ユニットごとに区別して説明する場合には、数字の後にアルファベットを組み合わせた符号を用いる。
【００１４】
それぞれの検出ユニット１は変換部３と回路部４とを含む。変換部３は例えばフォトダイオードである。図２が示すように、変換部３には第１導電型（例えばＮ型）の半導体領域１１が配される。軟Ｘ線は主として半導体基板２の変換部３に入射し、軟Ｘ線が半導体基板２に入射したことによって発生した電荷が半導体領域１１に収集される。
【００１５】
回路部４には読み出し回路を構成する第１導電型（例えばＮチャネル型）のトランジスタが配される。図２に示すように、読み出し回路は、変換部３で生じた信号を増幅する増幅トランジスタ６を含む。増幅トランジスタ６は、変換部３で生じた電荷に基づく信号を出力する増幅部を構成する。
【００１６】
このように、本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は、第１導電型の半導体領域１１と増幅トランジスタ６とを含んで構成される検出ユニットを複数有する。そして、変換部３に配された第１導電型の半導体領域１１と、回路部４に配された第１導電型のトランジスタ（例えば増幅トランジスタ６）との位置関係が本発明の特徴部分である。具体的には、次の第１乃至第３の特徴のいずれか一つまたは複数の特徴を有している。
【００１７】
第１の特徴は、互いに隣接する第１導電型の半導体領域１１ａと第１導電型の半導体領域１１ｂとの間には第１導電型のトランジスタが配されず、それらの間に両者を電気的に分離する分離部が配されたことである。
【００１８】
第１の特徴について、まず、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとの間にトランジスタが配されていないことについて説明する。変換部３ａに含まれる半導体領域１１ａの内部の点Ｐと、変換部３ｂに含まれる半導体領域１１ｂの内部の点Ｑとを両端とする仮想的な線分ＰＱを考える。回路部４のうちトランジスタの配された領域が線分ＰＱの一部を含む場合は、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとの間にトランジスタが配されている。逆に、トランジスタの配された領域が線分ＰＱを含まない場合は、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとの間にはトランジスタが配されていない。
【００１９】
トランジスタの配された領域とは、トランジスタの電極を構成する半導体領域やチャネルを構成する半導体領域などが配された領域である。例えば、ＭＯＳトランジスタの配された領域は、ソース領域、ドレイン領域、及びチャネル領域である。別の例として、バイポーラトランジスタの配された領域は、コレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域である。さらに、トランジスタの電極となる半導体領域と配線を介して電気的に接続された別の半導体領域も、トランジスタの配された領域に含まれうる。例えば、電源電圧が供給される半導体領域がＭＯＳトランジスタのドレイン領域と電気的に接続されている場合などである。一方で、上記の半導体領域が配されず、ＭＯＳトランジスタのゲート電極や、トランジスタに接続された金属配線のみが配された領域は、トランジスタの配された領域には含まれない。
【００２０】
特に、第１導電型の半導体領域１１と同じ導電型の領域が、二つの半導体領域１１の間に配されないことが重要である。一般のトランジスタはＰ型半導体領域とＮ型半導体領域の両方を含んで構成される場合が多い。このうち、反対の導電型であるＰ型半導体領域だけであれば、二つのＮ型半導体領域１１の間に配されていてもよい。
【００２１】
半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとの間に配される分離部は、ＬＯＣＯＳやＳＴＩなどの絶縁膜による分離、半導体領域１１とは反対導電型（例えばＰ型）の半導体領域による分離、あるいは両者を組み合わせた分離である。他にも、公知の分離が用いられうる。
【００２２】
図１では、さらに変換部３ｂと変換部３ｃとの間、変換部３ｄと変換部３ｅとの間、及び変換部３ｅと変換部３ｆの間に回路部４が配されていないことが示されている。しかし、少なくとも一組の互いに隣接する変換部３の間において、回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、分離部が配されていればよい。
【００２３】
なお、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとが隣接していることに関して、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとが互いに隙間なく連続して配されている必要はない。
【００２４】
第２の特徴は、検出ユニット１ａの回路部４ａに含まれる複数の第１導電型のトランジスタのいずれかと、検出ユニット１ａに隣接する検出ユニット１ｂの回路部４ｂに含まれる複数の第１導電型のトランジスタのいずれかとが、第１の距離ｄよりも近接して配されたことである。
【００２５】
第１の距離ｄは、１つの軟Ｘ線のフォトンが入射したことによって電子が発生する領域（後述の電荷発生領域）１０２のサイズに基づいて決定される距離である。第１の距離ｄは、例えば１つの軟Ｘ線のフォトンが半導体基板２に入射したことによって電子が発生する領域１０２を内包する最小の球の直径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、第１の距離ｄは１．０マイクロメートルとすることができる。あるいは、第１の距離ｄが下記の式（１）を満たすものであってもよい（ｄの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（Ｅの単位はｋｅＶ）。
【００２６】
【数１】
【００２７】
第３の特徴は、検出ユニット１ａの変換部３に含まれる第１導電型の半導体領域１１ａが、検出ユニット１ａに隣接する検出ユニット１ｄの回路部４に含まれる複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも第２の距離ｒより離間して配されたことである。
【００２８】
第２の距離ｒは、１つの軟Ｘ線のフォトンが入射したことによって電子が発生する領域（後述の電荷発生領域）１０２のサイズに基づいて決定される距離である。第２の距離ｒは、例えば１つの軟Ｘ線のフォトンが半導体基板２に入射したことによって電子が発生する領域１０２を内包する最小の球の半径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、第２の距離ｒは０．５マイクロメートルとすることができる。あるいは、第２の距離ｒが下記の式（２）を満たすものであってもよい（ｄの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（Ｅの単位はｋｅＶ）。
【００２９】
【数２】
【００３０】
以上では、検出ユニット１が変換部３と回路部４を有し、変換部３に配される第１導電型の半導体領域１１を例に本発明の特徴を説明した。検出ユニット１がさらに電荷保持部を有していてもよい。電荷保持部には、変換部３で発生した電荷を収集し、保持する第１導電型（例えばＮ型）の半導体領域が含まれる。
【００３１】
このように検出ユニット１が電荷保持部を有する場合には、電荷保持部に含まれる第１導電型の半導体領域と、変換部３に含まれる第１導電型の半導体領域１１との間に、第１導電型のトランジスタが配されないことが好ましい。
【００３２】
次に本発明の課題と効果について説明する。本発明においては、軟Ｘ線が半導体基板２に入射したことによって発生した電荷を信号として読み出すことで、軟Ｘ線を検出することが可能である。例えば、１個の軟Ｘ線のフォトンによって発生した電荷の大部分、もしくは全部を信号として読み出すことによって、検出した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。
【００３３】
このとき、発生した電荷の一部のみが信号として読み出される可能性を低減することによって、軟Ｘ線のエネルギー測定の正確性を向上させることができる。この効果について以下に詳細に説明する。
【００３４】
なお、実際に信号として読み出すのは、変換部（例えばフォトダイオード）の導電型に応じた電子、あるいは正孔のいずれかのみであってもよい。以後の説明では電子を信号電荷として扱う場合について説明する。もちろん正孔を信号電荷として扱ってもよい。また、電子及び正孔の両方を信号電荷として読み出してもよい。
【００３５】
まず、軟Ｘ線のエネルギーを測定すること（フォトンカウンティング）について説明する。図２において、軟Ｘ線が半導体基板２に入射すると、複数の電子正孔対が発生する。このような現象の例として、半導体基板２に入射した軟Ｘ線が、半導体基板２を構成する原子（例えばシリコン原子）内の電子を電離させることが考えられる。
【００３６】
発生する電子正孔対の数は入射した軟Ｘ線のエネルギーに応じて変化する。例えば、半導体基板２がシリコン基板の場合、発生する電子正孔対の数は入射した軟Ｘ線のエネルギーをシリコンの平均電離エネルギーで除した数になると考えられている。シリコンの平均電離エネルギーが３．６５ｅＶ（エレクトロンボルト）であると仮定すると、１ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したことによって、約２７０対の電子正孔対が発生する。より大きなエネルギーの軟Ｘ線が入射すれば、より多数の電子正孔対が発生する。
【００３７】
そこで、１つの検出ユニットにつき平均１個以下の軟Ｘ線フォトンが入射するように検出ユニットを構成し、そして、発生した電子の数に応じた信号を読み出すことによって、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。具体的に、軟Ｘ線検出装置に１個の軟Ｘ線フォトンが入射した際に、１つの検出ユニット１から２７０個の電子に対応する信号が出力されたとする。上述の通り、１個の電子を発生するために３．６５ｅＶのエネルギーが必要である。したがって、入射した軟Ｘ線のエネルギーは約１ｋｅＶ（２７０個×３．６５ｅＶ／個）と計算できる。今度は、５４０個の電子に対応する信号が１つの検出ユニット１から出力された場合を考える。この場合には、入射した軟Ｘ線のエネルギーは約２ｋｅＶ（５４０個×３．６５ｅＶ／個）と計算できる。
【００３８】
これに対して、軟Ｘ線のエネルギーが正確に測定されない場合を説明する。例えば、２ｋｅＶのエネルギーを持つ１個の軟Ｘ線フォトンが１つの検出ユニット１に入射し、５４０個の電子を発生させた場合を考える。この５４０個の電子をすべて信号として読み出すことができれば、上述の通り、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。しかし、何らかの要因によって検出ユニット１から２７０個の電子に対応した信号が出力されると、出力信号に基づいて計算される軟Ｘ線のエネルギーは１ｋｅＶ（２７０個×３．６５ｅＶ／個）である。すなわち、２ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したにもかかわらず、１ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したことを示す測定結果が得られる。このように、軟Ｘ線のエネルギーが正確に測定されない場合がある。
【００３９】
発生した電子の一部のみに対応した信号が出力されることの原因として、例えば、発生した電荷の一部が検出ノード以外の領域に排出されることが考えられる。このような課題は、１個のフォトンの入射に対して複数の電子が発生するという軟Ｘ線検出に固有の課題である。以下では、軟Ｘ線検出において、発生した電子の一部が排出されるメカニズムについてさらに詳しく説明する。
【００４０】
軟Ｘ線が入射したことによって発生する複数の電子は、フォトンが入射した領域よりも空間的に広がった領域で発生する。入射する軟Ｘ線のエネルギーが数ｋｅＶの場合、電子が発生する領域は半導体基板２の内部で数マイクロメートルの範囲に広がりうる。別の言い方をすれば、複数の電子が半導体基板内の１点で発生するのではなく、複数の異なる位置で発生する。複数の電子が発生する三次元空間的な範囲を、便宜的に電荷発生領域と呼ぶ。
【００４１】
電荷発生領域の位置は、軟Ｘ線が入射した位置によって変わりうる。また、電荷発生領域の大きさは軟Ｘ線のエネルギーによって変わりうる。例えば、電荷発生領域は、上述の式（１）で表される長さｄを直径とする球に近似することができる。この場合、式（１）が示すように、軟Ｘ線のエネルギーＥが大きくなれば、直径ｄも大きくなる。このような電荷発生領域を、例えば図２の領域１０２、１０４によって例示する。
【００４２】
軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１における電荷発生領域の位置、つまり軟Ｘ線の入射した位置に応じて、信号として読み出される電子の量と排出される電子の量が決まる。この点について図１２を用いて説明する。
【００４３】
図１２（ａ）は、軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１を示している。検出ユニット１には、変換部３と回路部４とが配されている。図１２（ｂ）では、図１２（ａ）に示された検出ユニット１が、便宜的に３つの領域１２０１〜１２０３に区分けして示されている。
【００４４】
第１の領域１２０１は、変換部３の中心付近に対応する領域である。第１の領域１２０１に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子の全部が変換部３に収集される。軟Ｘ線が入射した位置から離れた位置に電荷が発生するが、そのような離れた位置であっても変換部３の内部だからである。つまり、電荷発生領域の全体が変換部３の内部に位置するため、発生したすべての電子を、変換部３に収集し、読み出すことができる。したがって、第１の領域１２０１に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。
【００４５】
第２の領域１２０２は、図１２（ｂ）においてハッチングで示された領域である。第２の領域１２０２は変換部３の外周部と、回路部４の一部に対応する領域である。第２の領域１２０２に軟Ｘ線が入射すると、一部の電子は変換部３に収集されるが、他の一部の電子は回路部４に排出される場合がある。これは、電荷発生領域が変換部３と回路部４の両方に渡って広がるからである。このような場合、読み出される信号は発生した電子の一部のみに対応したものとなる。したがって、第２の領域１２０２に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが困難である。
【００４６】
第３の領域１２０３は、変換部３から十分に離れた領域である。第３の領域１２０３に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子はすべて排出されうる。これは電荷発生領域が変換部３までは広がらないからである。したがって、第３の領域１２０３に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線が検出されないことがほとんどである。
【００４７】
ここで、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３のいずれの領域に軟Ｘ線が入射するかは、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３の面積の比率に応じた統計的な確率で決まる。具体的に、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３の面積の比率が、１：６：３であると仮定する。このような軟Ｘ線検出装置で、１回の検出において検出ユニット１に１個のフォトンが入射する軟Ｘ線検出を１０００回行う。そうすると、約１００回の検出においては、軟Ｘ線が第１の領域１２０１に入射し、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映した信号が出力される。約６００回の検出においては、軟Ｘ線が第２の領域１２０２に入射し、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される。約３００回の検出においては、軟Ｘ線が第３の領域１２０３に入射し、軟Ｘ線が入射したことが検出されない。
【００４８】
このように、１０００回のうち約７００回の検出において信号が出力される。しかし、出力された信号の約８５％は軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号である。しかも、出力された信号からは、それが第１の領域１２０１あるいは第２の領域１２０２のいずれの領域に入射した軟Ｘ線に対応するものかを特定することが困難である。
【００４９】
図１２において、第１の領域１２０１と第２の領域１２０２との境界は、電荷の排出部となる領域からの距離に基づいて決まる。電荷の排出部とは、第１導電型のトランジスタが配された領域である。
【００５０】
排出部から第２の距離ｒよりも離れた場所に軟Ｘ線が入射すれば、発生した電子が排出される可能性は小さい。第２の距離ｒは、例えば電荷発生領域を内包する最小の球の半径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、所定の距離ｒは０．５マイクロメートルとすることができる。あるいは、第２の距離Ｌが上述の式（２）で表される距離であってもよい。
【００５１】
なお、回路部４の全体が電荷の排出部であるとしてもよい。あるいは、回路部４のうち、電源電圧が供給される半導体領域や、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレインとなる半導体領域を電荷の排出部としてもよい。
【００５２】
以上に述べた通り、第２の領域１２０２の面積が大きいほど、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される確率が高くなる。したがって、変換部３と排出部となる第１導電型のトランジスタの配置を工夫して、第２の領域１２０２の面積をなるべく小さくすることによって、軟Ｘ線エネルギーを測定する正確性を向上させることができる。以下に、本発明の第１乃至第３の特徴のそれぞれによって、第２の領域１２０２の面積を小さくすることができることを説明する。
【００５３】
本発明の第１の特徴を有する軟Ｘ線検出装置１００は、図１に示される通り、互いに隣接する２つの変換部３の間に第１導電型のトランジスタが配されない。すなわち、互いに隣接する２つの変換部３の間に、前述の電荷の排出部となり得る半導体領域が配されない。これによって、互いに隣接する２つの変換部３の境界近傍に軟Ｘ線が入射しても、電荷が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることが可能となる。
【００５４】
第１の特徴によって、電荷が排出される可能性が低減されることについて具体的に説明する。図１には、検出ユニット１ｅの変換部３ｅの内部であって、隣接する変換部３ｆに近い領域に軟Ｘ線が入射した場合の電荷発生領域１０５が示されている。図１が示す通り、電荷発生領域１０５の一部は変換部３ｅの内部に位置し、また他の一部は隣接する変換部３ｆの内部に位置している。変換部３ｅの内部で発生した電子は、ほとんどが変換部３ｅに収集される。変換部３ｆの内部で発生した電子は、変換部３ｅに収集される可能性は低いが、代わりに変換部３ｆに収集される可能性が高い。そして、変換部３ｅと変換部３ｆとの間で発生した電子は、拡散やドリフトによって変換部３ｅまたは変換部３ｆのいずれかに収集される可能性が高い。なぜならば、変換部３ｅと変換部３ｆとの間には、電子の排出部となりうる領域がないからである。こうして、発生した電荷の全てあるいはほとんどを変換部３ｅまたは変換部３ｆのいずれかで収集することが可能となる。したがって、２つの変換部３ｅと変換部３ｆからの信号に基づいて、正確に軟Ｘ線を検出することが可能になる。
【００５５】
なお、このように複数の変換部３に電荷発生領域に広がった場合は、それぞれの変換部３にフォトンが１つずつ入射した場合との区別が必要になる。しかし、発生した電荷のほとんどを収集することができていれば情報が失われないため、後段の信号処理によって上記の場合を特定することが可能であり、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。例えば、入射する軟Ｘ線のエネルギーのおおよその範囲が分かっているときに、その範囲より極端に低いエネルギーを示す信号が出力された場合は、１つのフォトンによる電荷発生領域が複数の変換部に広がっていると判断できる。したがって、当該出力と隣接する検出ユニットの出力とを加算する信号処理によって、入射した軟Ｘ線の正確なエネルギーを測定することができる。このように、軟Ｘ線のエネルギー測定においては、情報が失われないこと、つまり発生した電荷の一部のみが排出されないことが重要である。
【００５６】
間に回路部４が配されていない変換部３のペアの数が増えれば増えるほど、より正確な軟Ｘ線検出が可能となる。例えば、変換部３ｅは変換部３ｂ、３ｄ、３ｆ、及び図示されていないが変換部３ｂとは反対側で隣接する変換部の４つの変換部３と隣接している。これらのうち、変換部３ｄと変換部３ｅとの間、及び変換部３ｆと変換部３ｅとの間には回路部４が配されていない。さらに、変換部３ｂと変換部３ｅとの間に、回路部４が配されていなければ、さらに軟Ｘ線検出の正確性を増すことが可能になる。もちろん、変換部３ｅと少なくとも一つの変換部３との間に回路部４が配されていなければ、本発明の効果を得ることができる。
【００５７】
本発明の第２の特徴を有する軟Ｘ線検出装置１００は、互いに隣接する２つの検出ユニット１ａ、１ｂにおいて、一方の検出ユニット１ａに含まれるトランジスタと、他方の検出ユニット１ｂに含まれるトランジスタとが、第１の距離ｄよりも近接して配される。これによって軟Ｘ線が入射したことによって発生した電子が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線検出の正確性を高めることが可能となる。
【００５８】
第２の特徴によって、電荷が排出される可能性が低減されることについて図３を用いて具体的に説明する。図３には２つのＭＯＳトランジスタ３０１、３０２が示されている。ＭＯＳトランジスタ３０１は第１の検出ユニットに含まれ、ＭＯＳトランジスタ３０２は第１の検出ユニットに隣接する第２の検出ユニットに含まれる。図３（ａ）では、ＭＯＳトランジスタ３０１とＭＯＳトランジスタ３０２とが互いに第１の距離ｄ以上に離間して配されている。図３（ｂ）では、ＭＯＳトランジスタ３０１とＭＯＳトランジスタ３０２とが互いに第１の距離ｄよりも近接して配されている。
【００５９】
ここで、第１の距離ｄは、電荷発生領域３１１を球に近似した時の直径を示している。この第１の距離ｄは例えば、上述の式（１）で表される。あるいは第１の距離ｄはシリコン基板においては１マイクロメートルとしてもよい。
【００６０】
ＭＯＳトランジスタ３０１及び３０２は、それぞれソース領域３０３、チャネル領域３０４、ドレイン領域３０５を含む。さらにＭＯＳトランジスタ３０１及び３０２は、ゲート電極３０６を含む。また、ＭＯＳトランジスタ３０２のドレイン領域はコンタクトプラグ３０８、３０９、及び配線３１０を介して電源部３０７と接続されている。
【００６１】
トランジスタが配された領域は、ソース領域３０３、チャネル領域３０４、ドレイン領域３０５、電源部３０７である。図３において、トランジスタが配された領域から、ｄ／２以内の範囲を点線３１２、３１３、３１４で示している。本明細書では、この領域を便宜的に排出領域と呼ぶ。図１２の第２の領域１２０２はこの排出領域に対応する。排出領域に軟Ｘ線が入射すると、電荷発生領域３１１の一部が、トランジスタが配された領域と重なる。そのため、発生した電子の一部が排出されやすい。
【００６２】
図３（ａ）では、ＭＯＳトランジスタ３０１の排出領域３１２と、ＭＯＳトランジスタ３０２の排出領域３１３、３１４とが重なっていない。そのため、排出領域の合計の面積が大きくなっている。つまり、軟Ｘ線が入射しても、発生した電子の一部が排出されてしまう可能性が高い。
【００６３】
これに対して、図３（ｂ）では、ＭＯＳトランジスタ３０１とＭＯＳトランジスタ３０２とが第１の距離ｄよりも近接して配されている。そのため、ＭＯＳトランジスタ３０１の排出領域３１３とＭＯＳトランジスタ３０２の排出領域３１４とが重なった領域３１５が存在する。図３（ｂ）の排出領域の合計の面積は、二つのトランジスタが第１の距離ｄより離間している場合に比べて、この重なった領域３１５の分だけ小さくなっている。つまり、電子の一部が排出されやすい位置に軟Ｘ線が入射する可能性が小さくなる。結果として、軟Ｘ線の検出の正確性を高めることが可能である。
【００６４】
また、排出領域３１２と排出領域３１４とが重なっていても同様の効果がある。あるいは、排出領域３１３と排出領域３１４とが重なっていても同様の効果がある。重なっている排出領域の面積が広いほど、軟Ｘ線検出の正確性は向上する。
【００６５】
なお、トランジスタ間の距離は、トランジスタが配された領域のうち最も近接した部分の距離としてよい。
【００６６】
本発明の第３の特徴を有する軟Ｘ線検出装置１００は、互いに隣接する検出ユニット１ａ、１ｄにおいて、第１の検出ユニット１ａに含まれる第１導電型の半導体領域１１ａが、第２の検出ユニット１ｄの回路部４に含まれる複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも第２の距離ｒより離間して配される。
【００６７】
第２の特徴によって、電荷が排出される可能性が低減されることについて説明する。図１２において、発生した電荷の一部が排出される可能性のある第２の領域１２０２は、電荷の排出部となる領域から第２の距離ｒ以内の領域である。そのため、変換部３を構成する第１導電型の半導体領域１１を、電荷の排出部である第１導電型のトランジスタから第２の距離ｒより離間して配置することで、第２の領域１２０２が変換部３と重なる部分を小さくする、あるいはゼロにすることができる。これによって、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることができる。
【実施例１】
【００６８】
本発明に係る第１の実施例の軟Ｘ線検出装置１００について図面を用いて説明する。本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、主として０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の波長帯の電磁波を検出可能である。この波長帯の電磁波が半導体基板に入射すると、上述の通り１つのフォトンに対して複数の電子が発生する。
【００６９】
また、本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、半導体基板に入射する段階での波長が主として０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の波長帯の電磁波を検出するものである。したがって例えば半導体基板に入射する前に上記波長範囲外の波長域（たとえば可視光域）に波長変換された電磁波のみを検出するものは発明に含まれない。しかし半導体基板に入射する前に波長変換部を設けていたとしても、変換後の波長が上記範囲内になる場合には本発明を適用可能である。
【００７０】
図１は軟Ｘ線検出装置１００の平面構造を示す概略図である。軟Ｘ線検出装置１００は複数の検出ユニット１を含む。図１には６つの検出ユニット１ａ〜１ｆが示されている。検出ユニット１ａ〜１ｃは第１方向に沿って並んでいる。また、検出ユニット１ｄ〜１ｆは第１方向に沿って並んでいる。一方、検出ユニット１ａと検出ユニット１ｄは第１方向と交差する第２方向に沿って並んでいる。検出ユニット１ｂと検出ユニット１ｅは第２方向に沿って並んでいる。検出ユニット１ｃと検出ユニット１ｆは第２方向に沿って並んでいる。実際には検出ユニット１ａ〜１ｆの配置が第１方向及び第２方向に沿って繰り返し配される。例えば第１方向に沿って２０００個以上の検出ユニット１が配列され、第２方向に沿って１５００個以上の検出ユニット１が配列されうる。図１では、第１方向と第２方向とは互いに直交する方向を示している。しかし第１方向と第２方向とは必ずしも直交する必要はなく、互いに交差していればよい。
【００７１】
それぞれの検出ユニット１は第１導電型の半導体領域を含む変換部３と第１導電型のトランジスタを含む回路部４とを含む。ここで第１導電型の半導体領域は信号電荷を収集可能な半導体領域である。言い換えると、その周囲に対して信号電荷に対するポテンシャルが低くなっている領域である。変換部３は例えばフォトダイオードである。回路部４には読み出し回路が配される。図２が示すように、読み出し回路は、変換部３で生じた信号を増幅する増幅トランジスタ６を含む。変換部３、及び回路部４とは分離部によって電気的に分離されている。隣接する２つの検出ユニットの変換部３の間も、分離部によって電気的に分離されている。
【００７２】
本実施例においては、第１方向に沿って並んだ変換部３の間には第１導電型のトランジスタが配されていない。そして、第１方向に沿って並んだ変換部３の間に分離部が配されている。具体的には、変換部３ａと変換部３ｂとの間、及び変換部３ｂと変換部３ｃとの間には第１導電型のトランジスタが配されていない。さらに、第１方向において検出ユニット１ｃと隣接する不図示の検出ユニットの変換部と、検出ユニット１ｃに含まれる変換部３ｃとの間にも、第１導電型のトランジスタが配されていない。
【００７３】
一方で、第２方向に沿って並んだ変換部３の間には回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタが配される。具体的には変換部３ｂと変換部３ｅとの間に回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタが配されている。さらに、第２方向において検出ユニット１ｅと隣接する不図示の検出ユニットの変換部と、検出ユニット１ｅに含まれる変換部３ｅとの間にも、回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタが配される。
【００７４】
図２は軟Ｘ線検出装置１００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図２は、図１のＡＢに沿った断面を示している。図２においては、検出ユニット１ｃの断面のみが示されている。他の検出ユニット１の断面も検出ユニット１ｃの断面と同様の構造となっていてもよい。
【００７５】
本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２は例えばＰ型のシリコン基板である。本実施例の検出ユニット１は、半導体基板２に配された変換部３及び回路部４を含む。
【００７６】
変換部３は例えばフォトダイオードである。本実施例では、変換部３に第１導電型の半導体領域としてＮ型半導体領域１１が配される。Ｎ型半導体領域１１より半導体基板２の表面（軟Ｘ線が入射する主面）側にはＰ型半導体領域１２が配される。Ｎ型半導体領域１１は、Ｐ型半導体領域１２及び半導体基板２のそれぞれとＰＮ接合を構成する。つまり、Ｐ型半導体領域１２、Ｎ型半導体領域１１、及び半導体基板２によって埋め込み型のフォトダイオードが構成される。半導体基板２をＮ型半導体基板とし、Ｎ型半導体基板にＰ型半導体領域（例えばＰ型ウェル）を設けて、このＰ型ウェルとＮ型半導体領域１１、Ｐ型半導体領域１２とにより埋め込み型のフォトダイオードを構成することもできる。Ｎ型半導体領域１１の電子に対するポテンシャルは周囲のＰ型半導体領域より低いので、入射した軟Ｘ線によって発生した電子がＮ型半導体領域１１に収集可能である。さらに、Ｎ型半導体領域１１に電子が蓄積されてもよい。Ｎ型半導体領域での収集あるいは蓄積を開始する前に、Ｎ型半導体領域１１に逆バイアスが印加されてもよい。印加された逆バイアスによって、Ｎ型半導体領域１１のポテンシャルをさらに下げることができる。また、この逆バイアスによって、Ｎ型半導体領域１１の全体が空乏化していてもよい。
【００７７】
回路部４には、転送トランジスタ５と増幅トランジスタ６とが配される。これらのトランジスタの一方もしくは両方を第１導電型つまりＮチャネル型のトランジスタとすることができる。転送トランジスタ５は転送ゲート電極１３とフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）１４を含んで構成される。ＦＤ１４はＮ型半導体領域によって構成される。転送ゲート電極１３には転送トランジスタ５のオンとオフに対応した少なくとも２つの電圧が印加される。転送ゲート電極に印加される電圧によって、変換部３のＮ型半導体領域１１とＦＤ１４との間のポテンシャルが制御される。その結果、変換部３で発生した電子をＦＤ１４に転送することが可能である。この時、変換部３の全ての電子がＦＤ１４に転送されてもよいし、一部の電子のみがＦＤ１４に転送されてもよい。変換部３の電荷がすべて転送されるとＮ型半導体領域１１の全体が空乏化するので、このような転送動作を完全空乏転送と呼ぶ。
【００７８】
ＦＤ１４は不図示の配線を介して増幅トランジスタ６のゲート電極１５と電気的に接続される。このように、ＦＤ１４が増幅部の入力部の一部を構成する。つまり、ＦＤ１４には軟Ｘ線の入射により生じた電子が転送され、その電子の量に応じた増幅信号が出力される。このため、ＦＤ１４を検出ノードと呼ぶこともできる。
【００７９】
増幅トランジスタ６は、ゲート電極１５、ソース領域１６、及びドレイン領域１７を含んで構成されるＭＯＳトランジスタである。ソース領域１６及びドレイン領域１７はＮ型半導体領域で構成される。すなわち、増幅トランジスタ６はＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。増幅トランジスタ６のゲート電極１５は、増幅部の入力部の一部を構成する。ドレイン領域１７は不図示の電源部に電気的に接続される。
【００８０】
本実施例では、分離部７は絶縁体分離である。分離部７は、変換部３と、隣接する検出ユニットの変換部（不図示）とを電気的に分離している。さらに分離部７は、変換部３と回路部４とを分離している。また、分離部７は回路部４において、複数のトランジスタを互いに電気的に分離してもよい。分離部７の下部にＰ型半導体領域が配されてもよい。分離部７は例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）である。
【００８１】
また、図２には示されていないが、半導体基板２に所定の電圧を供給するための半導体領域が配されてもよい。さらに、電源電圧を供給するための半導体領域が配されてもよい。電源電圧を供給するための半導体領域は増幅トランジスタのドレイン領域であってもよい。
【００８２】
図４は、本実施例の軟Ｘ線検出装置１００の検出ユニット１の等価回路を示す。図２と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００８３】
検出ユニット１は、さらにリセットトランジスタ８、選択トランジスタ９を含む。変換部３であるフォトダイオードのアノードが、転送トランジスタ５を介してノード２０１に接続される。検出ノード２０１は図２のＦＤ１４及び増幅トランジスタ６のゲート電極１５に対応するノードである。本実施例では、ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５とが互いに接続されているので、両方が同一の検出ノード２０１に対応する。つまり、検出ノード２０１は増幅部の入力ノードでもある。
【００８４】
リセットトランジスタ８のドレインには電源電圧ＶＤＤが供給され、リセットトランジスタ８のソースは検出ノード２０１に接続される。リセットトランジスタ８は、そのゲートに供給される電圧に応じて、検出ノード２０１の電圧をリセットする。リセットトランジスタ８は例えばＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。
【００８５】
選択トランジスタ９のドレインは増幅トランジスタ６のソースに接続され、選択トランジスタ９のソースは不図示の出力線に接続される。選択トランジスタ９のゲートに供給される電圧によって選択トランジスタ９がオンすると、検出ノード２０１の電圧に応じた信号が出力線に出力される。つまり、１つの出力線に複数の検出ユニット１からの信号が出力される場合に、選択トランジスタ９によって信号を出力する検出ユニットを選択することが可能である。
【００８６】
リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９は必要に応じて省略される。例えば、非選択とする検出ユニットの検出ノード２０１の電圧を制御することで増幅トランジスタ６をオフにすれば、選択トランジスタ９を省略することができる。あるいは、リニアセンサにおいては、選択トランジスタ９を省略することができる。あるいは、変換部３がフォトトランジスタであり、発生した電荷を光電流として読み出す場合には、リセットトランジスタ８は省略することができる。
【００８７】
続いて、各トランジスタの回路部４の内部での位置関係について説明する。本実施例において、検出ユニット１の回路部４には、転送トランジスタ５、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９が配される。
【００８８】
例えば図１に示された検出ユニット１ｂの回路部４ｂにおいて、増幅トランジスタ６ｂは検出ユニット１ｃに近い領域に配されている。また、検出ユニット１ｃの回路部４ｃにおいて、リセットトランジスタ８ｃは検出ユニット１ｂに近い領域に配されている。結果として、増幅トランジスタ６ｂと、リセットトランジスタとが１マイクロメートルより近接して配されている。このように、本実施例では、異なる検出ユニットに属する複数のトランジスタが、互いに第１の距離ｄより近接して配されている。第１の距離ｄは、電荷発生領域を内包する最小の球の直径、あるいは、上述の式（１）で表される距離である。
【００８９】
なお、検出ユニット１における変換部３及び回路部４は、検出ユニット１の平面構造に基づいて決まる。検出ユニット１において、転送トランジスタ５（転送ゲート電極１３及びＦＤ１４）、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９が配された領域が回路部４である。ここで、変換部３の境界は、例えばＮ型半導体領域１１の境界である。ただし、Ｎ型半導体領域１１が他の素子の下部に延在している場合には、当該他の素子の端が変換部３の境界である。そして、当該他の素子が配された領域は回路部４である。例えば、Ｎ型半導体領域１１が転送ゲート電極１３の下部に延在している場合には、転送ゲート電極１３の端が変換部３の境界である。そして転送ゲート電極１３が配された領域は回路部４である。
【００９０】
以上に述べた通り、本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、互いに隣接する２つの変換部３の間に第１導電型のトランジスタが配されず、そして、分離部７が配される。このような構成によれば、変換部３における排出領域（図１２の第２の領域１２０２に対応する領域）の面積を低減することができる。したがって、電荷が排出される可能性を低減することができるので、正確な軟Ｘ線検出が可能となる。
【００９１】
また、本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、互いに隣接する２つの検出ユニット１ａ、１ｂにおいて、一方の検出ユニット１ａに含まれるトランジスタと、他方の検出ユニット１ｂに含まれるトランジスタとが、第１の距離ｄよりも近接して配される。このような構成によれば、排出領域（図３の３１２〜３１４、あるいは図１２の第２の領域１２０２に対応する領域）の面積を低減することができる。したがって、電荷が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線の検出の正確性が向上する。
【００９２】
［実施例１の変形例］
次に、実施例１の各部位の変形例を説明する。以下で述べる変形例は、適宜組み合わせることができる。さらに、これらの変形例は後述の実施例２〜９についても適用可能である。
【００９３】
実施例１では、電子が信号電荷となる構成を例に説明したが、ホールが信号電荷となる構成としてもよい。ホールが信号電荷となる構成では、半導体領域の導電型が本実施例とは反対になる。例えば、埋め込み型のフォトダイオードは、表面側からＮ型半導体領域、Ｐ型半導体領域、Ｎ型半導体領域が順に配された構造となる。そして、軟Ｘ線によって発生した電荷がＰ型半導体領域に収集される。また、ＦＤ１４はＰ型半導体領域を含んで構成される。
【００９４】
また、この場合は、二つの隣接するＰ型半導体領域の間に、トランジスタを構成する半導体領域のうち、同じ導電型であるＰ型半導体領域が配されないことが重要である。信号電荷がホールの場合、Ｐ型半導体領域が排出部となりえるからである。
【００９５】
半導体基板２は、シリコン基板に限らず、ゲルマニウム基板、ガリウムヒ素基板などの各種の半導体基板が用いられる。半導体基板２はＰ型の基板、Ｎ型の基板のいずれでもよい。半導体基板２はエピタキシャル成長によって形成された基板であってもよい。あるいは、半導体基板２はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよい。また、必要に応じて半導体基板２にＰ型のウェル、またはＮ型のウェルが配されてもよい。ウェルが配された場合には、ウェルの内部に、変換部３や増幅トランジスタ６を構成する半導体領域が配される。
【００９６】
実施例１では、転送トランジスタ５の転送ゲート電極１３には、転送トランジスタ５のオンとオフに対応した少なくとも２つの電圧が印加される。さらに、オンに対応する電圧とオフに対応する電圧との中間の電圧が印加されてもよい。あるいは、Ｎ型半導体領域１１とＦＤ１４との間のポテンシャルを一定に制御するように固定の電圧が印加されるのみでもよい。なお、転送トランジスタ５は必須の構成ではなく、必要に応じて省略される。転送トランジスタ５が省略される場合には、例えば変換部３のＮ型半導体領域１１が増幅トランジスタ６のゲート電極と接続される構成となっていればよい。この場合ＦＤ１４を省略してもよい。
【００９７】
ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５との電気的な接続は、例えば、金属配線、金属配線とＦＤ１４とを接続するコンタクトプラグ、及び金属配線とゲート電極１５とを接続するコンタクトプラグによって構成される。あるいは、ゲート電極１５とＦＤ１４とが直接接触していてもよい。または、ＦＤ１４とゲート電極１５との両方に接続される共通のコンタクトプラグによって、ＦＤ１４とゲート電極１５とが接続されてもよい。コンタクトプラグは例えばタングステンで構成される。
【００９８】
また、ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５との間の電気的経路にスイッチが配されてもよい。このような構成においては、ＦＤ１４が電子を一時的に保持することが可能となる。すなわち、ＦＤ１４が検出ユニットごとに配された電荷保持部として機能してもよい。
【００９９】
実施例１では、増幅トランジスタ６としてＭＯＳトランジスタが用いられた。しかし、増幅トランジスタとしては、バイポーラトランジスタ、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）などの各種の能動素子を用いることができる。また、実施例１では、増幅トランジスタ６はソースフォロア回路を構成する。しかし、増幅部はこのような構成に限られない。例えば、ＭＯＳトランジスタを用いた反転増幅回路、演算増幅器を用いたボルテージフォロアなどが用いられる。
【０１００】
図２において、選択トランジスタ９は、増幅トランジスタ６のソースと不図示の出力線との間の電気的経路に配された。しかし、選択トランジスタ９が増幅トランジスタ６のドレインと電源との間に配されてもよい。選択トランジスタ９が省略されてもよい。
【０１０１】
ＦＤ１４、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９は、複数の検出ユニット１で共有されてもよい。例えば、複数の検出ユニット１の変換部３のそれぞれに対して転送ゲート電極１３が配され、各変換部３の電子が独立に共通のＦＤ１４に転送される構成であってもよい。この場合、複数の検出ユニット毎に、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９が１つずつ配されればよい。複数の検出ユニットがこれらの素子を共有することによって、変換部３に対する回路部４の割合を小さくできる。そのため、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１０２】
軟Ｘ線を吸収する吸収部が、半導体基板２の軟Ｘ線の入射する主面とは反対側の主面に配されていてもよい。吸収部は半導体基板２を透過した軟Ｘ線を吸収することによって、半導体基板２を透過した軟Ｘ線が軟Ｘ線検出装置の他の部分に及ぼす可能性を低減することができる。
【０１０３】
図２において、分離部７がＳＴＩである例を説明した。しかし、分離部７はＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）分離であってもよい。ＳＴＩやＬＯＣＯＳ分離などで用いられる酸化膜の下部に、変換部の電荷が蓄積される領域とは反対導電型の半導体領域が配されてもよい。あるいは、分離部７は、酸化膜を用いないＰＮ接合分離であってもよい。また、これらの素子分離構造が併用されてもよい。
【０１０４】
ＰＮ接合分離が用いられる場合や、酸化膜の下部に反対導電型の半導体領域が配される場合、Ｎ型半導体領域１１に接するようにＰ型半導体領域が配される。この構成では、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域との両方にわたって空乏層が伸びる。Ｐ型半導体領域のうち、空乏層が生じる部分は変換部３の一部であると考えてもよい。つまり、ある場所で発生した電荷が所定の領域に収集されるならば、その場所は変換部３の一部であってもよい。
【０１０５】
変換部３の上に、特定の波長の電磁波を遮蔽するフィルターが配されてもよい。これによって、変換部３に主として検出したい波長帯の軟Ｘ線が入射するので、より高精度に軟Ｘ線を検出することができる。
【０１０６】
実施例１では、トランジスタのゲート電極が配された側の主面から変換部に軟Ｘ線が入射する構成について説明した。しかし、トランジスタのゲート電極が配された側の主面とは反対側から変換部に軟Ｘ線が入射する構成、いわゆる裏面照射型の構成でもよい。
【実施例２】
【０１０７】
本発明に係る第２の実施例の軟Ｘ線検出装置５００について図面を用いて説明する。図５は軟Ｘ線検出装置５００の平面構造を示す概略図である。実施例１とは、検出ユニット５０１における変換部５０３と回路部５０４との配置が異なる。そのほかの部分については、実施例１あるいは実施例１の変形例と同様であるため、説明を省略する。
【０１０８】
本実施例においては、検出ユニット５０１ｂ及び検出ユニット５０１ｃが並ぶ方向と、検出ユニット５０１ｅ及び検出ユニット５０１ｆが並ぶ方向とが、いずれも第１方向に沿った方向である。そして、検出ユニット５０１ｂと検出ユニット５０１ｃとは、互いに隣接して配されている。また、検出ユニット５０１ｅと検出ユニット５０１ｆとは、互いに隣接して配されている。
【０１０９】
さらに、検出ユニット５０１ｂ及び検出ユニット５０１ｅが並ぶ方向と、検出ユニット５０１ｃ及び検出ユニット５０１ｆが並ぶ方向とが、いずれも第２方向に沿った方向である。そして、検出ユニット５０１ｂと検出ユニット５０１ｅとは、互いに隣接して配されている。また、検出ユニット５０１ｃと検出ユニット５０１ｆとは、互いに隣接して配されている。
【０１１０】
第１方向と第２方向とは互いに交差する方向である。本実施例では、第１方向と第２方向とが直交しているが、必ずしも直交している必要はない。
【０１１１】
このように、本実施例では検出ユニット５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｅ、５０１ｆが２行２列の行列を構成している。そして、これらの検出ユニット５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｅ、５０１ｆの変換部５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｅ、５０３ｆの間には第１導電型のトランジスタが配されず、分離部が配されている。一方で、回路部５０４ｂ、５０４ｃ、５０４ｅ、５０４ｆは、２行２列に配された変換部５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｅ、５０３ｆをとり囲むように配される。
【０１１２】
そして、検出ユニット５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｅ、５０１ｆのように２行２列に配列された検出ユニットのブロックが、さらに複数繰り返し配されている。例えば、検出ユニット５０１ａ及び検出ユニット５０１ｄは、隣のブロックに属する検出ユニットである。
【０１１３】
以上に述べた通り、本実施例の軟Ｘ線検出装置５００では、互いに隣接する２行２列の変換部の間に第１導電型のトランジスタが配されず、分離部が配される。このような構成によれば、電荷発生領域５１２が４つの変換部５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｅ、５０３ｆにわたって広がる場合でも、各変換部から電子を読み出すことができる。これによって、ほとんどの電子を読み出すことが可能になるため、正確な軟Ｘ線検出が可能となる。
【０１１４】
また、回路部５０４の内部でのトランジスタの配置は特に限定されない。例えば、回路部５０４ｂに含まれるトランジスタのそれぞれと、隣接する検出ユニットに含まれるトランジスタのいずれかとが、第１の距離ｄより近接して配されてもよい。外側に回路部が配された検出ユニットのブロックが繰り返し配されるために、上述のトランジスタの配置が可能である。
【０１１５】
このような構成によれば、より多くのトランジスタが、別のトランジスタと第１の距離ｄよりも近接して配される。このため、上述の排出領域の重なりが大きくなり、結果として全体の排出領域の面積を小さくすることができる。つまり、図１２の第１の領域１２０１に相当する領域の面積の比率を大きくし、第２の領域１２０２に相当する領域の面積の比率を小さくすることができる。したがって、電荷が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線の検出の正確性を向上させることができる。
【実施例３】
【０１１６】
本発明に係る第３の実施例の軟Ｘ線装置６００について図面を用いて説明する。図６は軟Ｘ線検出装置６００の平面構造を示す概略図である。実施例１とは検出ユニット６０１における変換部６０３と回路部６０４との配置が異なる。そのほかの部分については、実施例１または実施例１の変形例と同様であるため、説明を省略する。
【０１１７】
本実施例においては、検出ユニット６０１ａ〜６０１ｃが並ぶ方向と、検出ユニット６０１ｄ〜６０１ｆが並ぶ方向と、検出ユニット６０１ｇ〜６０３ｉが並ぶ方向とが、いずれも第１方向に沿った方向である。そして、第１方向に沿って並んだ複数の検出ユニット６０１においては、隣接する２つの変換部６０３の間に、トランジスタが配されず、分離部が配されている。
【０１１８】
第１方向と交差する第２方向においては、検出ユニット６０１ｂの変換部６０３ｂと検出ユニット６０１ｈの変換部６０３ｈとの間に検出ユニット６０１ｅの変換部６０３ｅが配される。このうち、変換部６０３ｅと変換部６０３ｈとの間には、回路部６０４ｅ及び回路部６０４ｈが配される。一方、変換部６０３ｅと変換部６０３ｂとの間には、トランジスタが配されず、分離部が配されている。この点が、実施例１と相違する部分である。
【０１１９】
変換部６０３ａ、６０３ｄ、６０３ｇの間も、変換部６０３ｂ、６０３ｅ、６０３ｈと同様になっている。さらに、変換部６０３ｃ、６０３ｆ、６０３ｉの間も、変換部６０３ｂ、６０３ｅ、６０３ｈと同様になっている。
【０１２０】
つまり、本実施例では、行列を構成するように配された複数の検出ユニット６０１ａ〜６０１ｉにおいて、行ごと（あるいは列ごと）に変換部６０３と回路部６０４の位置関係が反対になっている。そのため、ある検出ユニットに対して第２方向において隣接する２つの検出ユニットについて、一方とは変換部６０３同士が近接して配され、他方とは回路部６０４同士が近接して配される。例えば、６０３ｂと６０３ｅとが近接して配され、回路部６０４ｅと６０４ｈとが近接して配される。
【０１２１】
このような構成によれば、電荷発生領域６１２が４つの変換部６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｅ、６０３ｆにわたって広がる場合でも、各変換部から電子を読み出すことができる。したがって、ほとんどの電子を読み出すことが可能になるため、正確な軟Ｘ線検出が可能となる。
【０１２２】
さらに、本実施例では回路部６０４同士が近接して配される。そのため、回路部６０４に配されたトランジスタは、いずれも隣接する検出ユニットのトランジスタと第１の距離ｄよりも近接して配されうる。このような構成によれば、上述の排出領域の面積を小さくすることができるため、電荷が排出される可能性を低くし、正確な軟Ｘ線の検出を行うことができる。
【実施例４】
【０１２３】
本発明に係る第４の実施例の軟Ｘ線検出装置７００について図面を用いて説明する。図７は軟Ｘ線検出装置７００の平面構造を示す概略図である。図６において、図１と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例では、軟Ｘ線を遮蔽する遮蔽部７０１が回路部４と重なるように配された点が、実施例１〜３とは異なる。そのほかの点は、実施例１〜３のいずれか、または実施例１の変形例と同様であるので説明は省略する。
【０１２４】
図７が示す通り、回路部４の上に遮蔽部７０１が配される。半導体基板２の主面に対して垂直な方向に遮蔽部７０１が射影された場合に、遮蔽部７０１の一部または全部が回路部４の一部または全部に射影される。つまり、遮蔽部７０１は回路部４の一部または全部と重なって配される。別の言い方をすれば、遮蔽部７０１が回路部４の一部または全部を覆っている。以下、特に断りがない限り、「２つの部材が重なって配される」とは、半導体基板２の主面に対して垂直な方向に一方の部材が射影された場合に、当該一方の部材の少なくとも一部が他方の部材の少なくとも一部の領域に射影されることを言う。このとき、２つの部材が接触していてもよい。あるいは、２つの部材の間に別の部材が配されていてもよい。なお、本明細書において、半導体基板２の主面は、例えば、半導体材料で形成される層と他の材料（例えば絶縁体）との界面である。
【０１２５】
図８は、図７の線ＣＤに沿った断面の概略図である。図２と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１２６】
遮蔽部７０１は、増幅トランジスタ６のゲート電極１５よりも上の層に配された部分を含む。検出ユニットがトランジスタを含む場合、当該トランジスタのゲート電極を含む配線層は導電部材のレイアウトが制約される場合がある。そのため、ゲート電極を含む配線層だけでは遮蔽性能を向上させることが困難な場合が多い。
【０１２７】
そこで、本実施例においては、ゲート電極が配された配線層よりも上の層において、回路部４を遮蔽する遮蔽部７０１が配される。これによって、軟Ｘ線に対する遮蔽性能を向上させることが可能となる。なお、ゲート電極を含む配線層より上の層とは、ゲート電極を含む配線層より、半導体基板からの距離が遠い層である。
【０１２８】
遮蔽部７０１は、回路部４に入射し得る軟Ｘ線の一部もしくは全部を遮蔽する。遮蔽部７０１が回路部４に入射し得る軟Ｘ線の全てを遮蔽する必要はない。遮蔽部７０１によって、回路部４に入射し得る軟Ｘ線の少なくとも一部が遮蔽されればよい。例えば、所定の割合の軟Ｘ線が遮蔽部７０１を透過してもよい。また、回路部４の一部が遮蔽部７０１によって覆われなくてもよい。
【０１２９】
遮蔽部７０１を透過しない軟Ｘ線は必ずしも遮蔽部７０１に吸収される必要はない。たとえば、軟Ｘ線の一部が散乱、回折、あるいは反射された結果、軟Ｘ線の回路部４への入射が抑制されればよい。また散乱や回折、反射等によって、軟Ｘ線が変換部３へ入射してもよい。
【０１３０】
好適には、遮蔽部７０１を構成する材料の軟Ｘ線に対する遮蔽係数は、アルミニウム及び銅の軟Ｘ線に対する遮蔽係数よりも高い。または、好適には、遮蔽部７０１を構成する材料は原子番号が７０以上の元素を含む。一般には原子番号が大きい元素ほど、軟Ｘ線に対する遮蔽能力が高くなるからである。
【０１３１】
遮蔽係数は例えば以下の方法で測定することができる。まず測定対象となる材料で所定の厚さの膜を形成する。この膜に所定の量（強度）の軟Ｘ線を照射する。膜を透過した軟Ｘ線の量（強度）を測定することによって、膜に遮蔽された軟Ｘ線の量を測定する。そして、照射した軟Ｘ線の量に対する遮蔽された軟Ｘ線の量の比を遮蔽係数とする。つまり、透過する軟Ｘ線の量が多い材料ほど遮蔽係数が低く、逆に透過する軟Ｘ線の量が少ない材料ほど遮蔽係数が高い。異なる材料の間で比較する場合には、同じ厚さの膜を形成して透過する軟Ｘ線の量を比較する。あるいは遮蔽された軟Ｘ線の量を膜の厚さで規格化して比較してもよい。なお、膜に遮蔽された軟Ｘ線とは、膜を透過しない軟Ｘ線のことである。例えば、膜が軟Ｘ線を吸収し、反射させ、回折させ、あるいは散乱させることによって、軟Ｘ線が膜を透過しないことが考えられる。
【０１３２】
本実施例における遮蔽部７０１の構造をより詳細に説明する。遮蔽部７０１は転送トランジスタ５及び増幅トランジスタ６と重なるように配される。遮蔽部７０１は増幅トランジスタ６のゲート電極１５よりも上の層に配される。遮蔽部７０１は回路部４に向かって照射された軟Ｘ線を遮蔽する。遮蔽部７０１を構成する材料はタンタルである。遮蔽部７０１の膜厚は０．５〜１．０マイクロメートルであることが好ましい。遮蔽部７０１の膜厚が０．５マイクロメートルより小さいと、遮蔽性能が十分に得られない可能性がある。一方、遮蔽部７０１の膜厚が１．０マイクロメートルより大きいと、強い応力が生じるために遮蔽部７０１を形成することが困難になる。もちろん、必要に応じて、遮蔽部７０１の膜厚が０．５〜１．０マイクロメートルの範囲以外の膜厚となっていてもよい。なお、遮蔽部７０１が必ずしも照射された軟Ｘ線の全部を遮蔽する必要はなく、回路部に入射しうる軟Ｘ線の量を低減すればよい。
【０１３３】
続いて遮蔽部７０１を構成する材料の遮蔽性能について説明する。例としてタンタルとアルミニウムとの間で軟Ｘ線の透過率を比較する。１０ｋｅＶ以下のエネルギーの軟Ｘ線に対しては、アルミニウムの単位厚さあたりの透過率に対する、タンタルの単位厚さあたりの透過率の比が１００％よりも小さい。つまり、１０ｋｅＶ以下のエネルギーの軟Ｘ線に対しては、タンタルの透過率のほうがアルミニウムの透過率よりも低い。これは、タンタルの遮蔽係数がアルミニウムの遮蔽係数よりも高いことを示している。また、タンタルの遮蔽係数は銅の遮蔽係数よりも高い。タンタルのように、軟Ｘ線に対する遮蔽係数がアルミニウム及び銅よりも高い材料で遮蔽部７０１を構成することによって、軟Ｘ線に対して回路部４を十分に遮蔽することができる。
【０１３４】
特に、５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対するタンタルの遮蔽係数は、アルミニウムの遮蔽係数の２倍以上である。例えば、５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対して同等の遮蔽性能を得るために、タンタルで構成される遮蔽部７０１の厚さはアルミニウムで構成される場合に比べて半分でよい。遮蔽部７０１が厚いと大きな応力が生じるので、装置の信頼性が低下する可能性がある。したがって、遮蔽部７０１がアルミニウムに比べて遮蔽係数が高い材料で構成されることは、遮蔽性能と信頼性のバランスを最適化する上で有利である。
【０１３５】
遮蔽部７０１を構成する材料は、タンタルに限られない。遮蔽部７０１を構成する材料は、軟Ｘ線に対する遮蔽係数がアルミニウム及び銅よりも高い材料であれば好ましい。もしくは、遮蔽部７０１を構成する材料は、原子番号７０以上の元素であれば好ましい。半導体プロセスとの整合性を考慮すると、タンタル、タングステン、金などが挙げられる。または、タンタル、タングステン、または金が主成分となっている合金であってもよい。もちろん半導体プロセスとの整合性の面では、アルミニウムや銅で遮蔽部７０１を構成してもよい。なお、本明細書において、主成分とは化合物あるいは混合物に含まれる成分のうち組成比あるいは構成比が最も多い成分である。
【０１３６】
また、遮蔽部７０１は単層である必要はない。間にシリコン酸化膜等の絶縁膜を挟んだ多層構成でも構わない。多層構造の場合、応力を下げるために各層の膜厚を小さくしても高い遮蔽性能を達成できる。多層構造の場合に、回路部４の一部の上には第１層の遮蔽部７０１が配され、第１層とは別の第２層の遮蔽部７０１は配されず、一方で、回路部４の別の一部の上には第２層の遮蔽部７０１が配される構造でもよい。このように層ごとに回路部４の遮蔽される領域が異なることで、レイアウトの自由度が向上する。また、遮蔽部７０１を構成する材料が導電体である場合には、遮蔽部７０１が配線の機能を備えていてもよい。例えば、遮蔽部７０１が各トランジスタを接続したり、半導体基板２や回路部４に電源を供給したりしてもよい。
【０１３７】
図７において、遮蔽部７０１は回路部４の全部の領域に重なって配されている。しかし、遮蔽部７０１が回路部４の一部の領域だけの上に配されていてもよい。つまり、回路部４のうち、一部の領域の上には回路部４が配されていなくてもよい。例えば、遮蔽部７０１が、転送ゲート電極１３及びＦＤ１４の上には配されていなくてもよい。または、遮蔽部７０１が変換部３に隣接する分離部７の上には配されていなくてもよい。あるいは、遮蔽部７０１は増幅トランジスタ６のみを覆うように配されていてもよい。または、遮蔽部７０１はリセットトランジスタ８のみを覆うように配されていてもよい。
【０１３８】
遮蔽部７０１は回路部４のより多くの部分と重なって配されると、より正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。遮蔽部７０１が回路部４の全部と重なって配される場合には、さらに正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。
【０１３９】
また、回路部４のうち変換部３に近い領域の上にのみ遮蔽部７０１が配されていてもよい。回路部４のなかでも特に変換部３に近い領域と重なって遮蔽部７０１が配されていれば、正確性を十分に向上させることができる。これは、変換部３に近い領域に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子の一部が変換部３に収集され、他の一部が排出される可能性が高いからである。
【０１４０】
回路部４のなかでも変換部３から遠い領域の上には、遮蔽部７０１が配されなくてもよい。変換部３から遠い領域に軟Ｘ線が入射した場合には、発生したすべての電荷が排出される可能性が高いからである。具体的には、変換部３の端から１マイクロメートル以上離れた領域の上には、遮蔽部７０１が配されていなくてもよい。この理由は、変換部３の端から１マイクロメートル以上離れた領域で電子が発生したとしても、その電子が変換部３に収集される可能性はほとんどないからである。例えば、回路部４のうち変換部３から所定の距離より遠い領域の上に遮蔽部７０１を配さないことによって、配線やコンタクトプラグのレイアウトの自由度を向上させてもよい。
【０１４１】
回路部４に配される素子によって、遮蔽されたほうが良い素子と、遮蔽が必要でない素子を区別してもよい。例えば、電荷が排出されてしまう領域、及びその近傍の領域の上に、遮蔽部７０１が配されると、より正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。このような領域には電源部や電源部と電気的に接続された半導体領域などが挙げられる。一方で、電荷が蓄積される領域の上には遮蔽部７０１が配されなくてもよい。例えばＦＤや容量素子の上には遮蔽部７０１が配されなくてもよい。
【０１４２】
従来のＣＣＤ型の軟Ｘ線用撮像装置は検出ユニットに回路部を有していないため、増幅部を含む回路部の遮光構造については検討されていない。上述のように、検出ユニットが増幅部を含む場合の遮蔽構造を工夫することによって、より正確な軟Ｘ線検出を可能にすることができる。
【０１４３】
図７では省略されているが、遮蔽部７０１とは別に複数の配線層が配されてもよい。各配線層には各トランジスタやＦＤ１４を接続するための導電部材、電源電圧やグラウンド電圧を供給するための導電部材が配される。導電部材は、例えばアルミニウムや銅で形成される。特に、導電部材には遮蔽部７０１を構成する材料よりも電気伝導度の高い材料が用いられてもよい。アルミニウムや銅はタンタルに比べて電気伝導度が高い。複数の配線層の間には、層間絶縁膜が配される。層間絶縁膜によって複数の配線層に配された導電部材が互いに絶縁される。導電部材と層間絶縁膜の間には、必要に応じてバリアメタルとして機能する導電体が配されうる。バリアメタルにはチタンやチタン合金、タンタルやタンタル合金、チタンやチタン合金が用いられる。遮蔽部７０１とバリアメタルとに同じ材料（例えばタンタル）が用いられる場合、遮蔽部７０１がバリアメタルより厚いほうがよい。
【０１４４】
遮蔽部７０１を配線として用いることもできる。つまり、遮蔽部７０１が信号を伝達してもよいし、電源電圧を供給してもよい。このように配線が遮蔽部７０１の機能を兼ねる場合には、当該配線が他の配線を構成する材料よりも軟Ｘ線の遮蔽性能の高い材料を含んで構成されることが好ましい。あるいは、遮蔽部７０１の機能を兼ねる配線の厚さを、他の配線より厚くすることが好ましい。
【０１４５】
遮蔽部７０１の効果について、図１２を用いて説明する。図１２（ｃ）には、本実施例の画素ユニットが示されている。図１２（ｃ）に示された遮蔽部１２０５が図７の遮蔽部７０１に相当する。遮蔽部１２０５は、第１の領域１２０１に対応した位置に開口１２０４を有する。
【０１４６】
この軟Ｘ線検出装置で１０００回の軟Ｘ線検出を行うと、約１００回の検出においては、軟Ｘ線が第１の領域１２０１に入射する。そして、約９００回の検出においては、軟Ｘ線が入射したことが検出されない。これは、第１の領域１２０１以外の領域に入射しうる軟Ｘ線が、遮蔽部１２０５によって遮蔽されるからである。この結果、信号が出力される確率は小さくなる。しかし、出力された信号のほとんどが、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映した信号である。したがって、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。
【０１４７】
図１２（ｃ）では、第２の領域１２０２はすべての領域が遮蔽部１２０５に覆われている。このような構成においては本発明の効果が高い。しかし、第２の領域１２０２の一部の領域は、遮蔽部１２０５に囲まれていなくてもよい。例えば、第２の領域１２０２のうち変換部３は遮蔽部１２０５に覆われていなくても効果を得ることができる。これは、第２の領域１２０２であっても変換部３の中心に近い場所に軟Ｘ線が入射すれば、発生した電子のほとんどを変換部３に収集し、信号として読み出すことが可能だからである。排出された電子の分だけ、得られる測定結果は実際に入射した軟Ｘ線のエネルギーとは異なる。それでも、この差が誤差として許容可能な範囲内であれば、電荷の一部が排出されてもよい。つまり、遮蔽部１２０５を配する領域は、軟Ｘ線検出装置に求められる性能に応じて適宜選択すればよい。なお、第３の領域１２０３と重なる位置には、遮蔽部１２０５が配されていなくてもよい。
【０１４８】
遮蔽部７０１による効果を説明するための比較例として、軟Ｘ線が半導体基板２の全面に一様に照射される軟Ｘ線検出装置を考える。比較例の軟Ｘ線装置では、変換部３に入射した軟Ｘ線８０１に基づく信号、すなわち軟Ｘ線のエネルギーが正確に反映された信号と、回路部４に入射した軟Ｘ線８０３に基づく信号、すなわち軟Ｘ線のエネルギーが正確に反映されていない信号とが出力される。前述の２つの信号の統計的な割合は、変換部３と回路部４との面積の比やレイアウトに基づいて決まる。検出ユニットごとに増幅トランジスタ６が配される軟Ｘ線検出装置では、回路部４の面積をゼロにすることは困難である。また、先に説明したが、出力された信号からは、変換部３に入射した軟Ｘ線８０１に基づく信号であるか、回路部４に入射した軟Ｘ線８０３に基づく信号であるかを判定することは困難である。
【０１４９】
まとめると、軟Ｘ線検出装置においては、軟Ｘ線が入射した位置に応じて、軟Ｘ線の情報が正確に反映された信号と、正確に反映されていない信号が出力されうる。本実施例の構成によれば、このうち、軟Ｘ線の情報が正確に反映された信号が出力される割合を増やすことができる。結果として、軟Ｘ線の検出の正確性をさらに高めることが可能となる。
【０１５０】
また、アルミニウム及び銅と比べて遮蔽係数の高い材料で遮蔽部７０１を構成することによって、正確な軟Ｘ線の検出を行うことが可能となる。また、原子番号が７０以上の材料であれば、遮蔽部７０１の材料として十分な程度の遮蔽係数を有している。したがって、原子番号が７０以上の材料で遮蔽部７０１を構成することによって、正確な軟Ｘ線の検出を行うことが可能となる。
【０１５１】
なお、図７では図１と同様のレイアウトが示されている。しかし、遮蔽部７０１を実施例２（図５）や実施例３（図６）の構成に適用することもできる。
【実施例５】
【０１５２】
本発明に係る第５の実施例の軟Ｘ線検出装置９００について説明する。図９は軟Ｘ線検出装置９００の検出ユニット１の平面構造を示す概略図である。図７（実施例４）と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例５では、遮蔽部９０１の配置が実施例４とは異なっている。以下では、実施例４と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例４と共通の構成とすることができる。
【０１５３】
実施例５では、遮蔽部９０１の一部が変換部３の上に配される。以下の説明では、遮蔽部９０１について、変換部３の上に配された部分を第１部分９０１ａ、回路部４の上に配された部分を第２部分９０２ｂと呼ぶ。
【０１５４】
第１部分９０１ａは変換部３のうち回路部４に近い領域の上に配される。第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとは連続して配されてもよい。つまり、１つの層として配された遮蔽部９０１が、回路部４の上から変換部３の上にまで延在していてもよい。平面で見たときに、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとの間で変換部３または回路部４が露出している領域をなくすことができるので、遮蔽性能が高くなる。
【０１５５】
あるいは、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとが別の層として配されていてもよい。つまり、半導体基板２の表面から第１部分９０１ａまでの距離と、該表面から第２部分９０１ｂまでの距離が異なっていてもよい。この場合に、第１部分９０１ａ及び第２部分９０１ｂが、互いに重なるように延在していてもよい。平面で見たときに、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとの間で変換部３または回路部４が露出している領域をなくすことができるので、遮蔽性能が高くなる。
【０１５６】
また、別の層に配された第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとを接続する部分が、遮蔽部９０１に含まれてもよい。これによって、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとが重なっていなくても、遮蔽性能を高めることができる。もちろん、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとが互いに分離されていてもよい。
【０１５７】
図９が示す通り、変換部３のうち、変換部３と回路部４との境界から第３の距離Ｌ以内の領域は、全て第１部分９０１ａで覆われてもよい。あるいは、回路部４のトランジスタの配された領域から第３の距離Ｌ以内の領域がすべて第１部分９０１ａで覆われていてもよい。
【０１５８】
変換部３のうち、境界から第３の距離Ｌより離れた領域の上には、遮蔽部９０１が全く配されていなくてもよいし、一部に遮蔽部９０１の第１部分９０１ａが配されてもよい。
【０１５９】
次に本実施例の効果について説明する。本実施例では、変換部３のうち変換部３と回路部４との境界から第３の距離Ｌ以内の領域に、遮蔽部９０１の第１部分９０１ａが配される。これによって、境界付近に入射する軟Ｘ線を遮蔽することができる。結果として、電荷発生領域が回路部にまで広がる位置に軟Ｘ線が入射する可能性を低減することができる。入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合が減少するので、より正確に軟Ｘ線を検出することが可能となる。
【０１６０】
さらに、変換部３のうち変換部３と回路部４との境界から第３の距離Ｌ以内の全ての領域の上に第１部分９０１ａが配されれば、変換部３に入射した軟Ｘ線６０２によって発生する電子をほぼすべて収集することが可能になる。つまり、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合をさらに低減することができる。このように、変換部３の上に遮蔽部９０１を配することによって、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１６１】
第３の距離Ｌは必要に応じて設定すればよい。例えば、検出したいエネルギーの軟Ｘ線が半導体基板２に入射したときの電荷発生領域のサイズに基づいて、第３の距離Ｌを決定することができる。第３の距離Ｌが電荷発生領域の平均的な半径よりも大きければ、高い遮蔽性能が期待される。具体的には、電荷発生領域を包含する最小の球を想定し、その球の半径よりも大きいＬを設定するとよい。
【０１６２】
あるいは、変換部３のサイズに基づいて第３の距離Ｌを決定してもよい。変換部３のサイズに対して第３の距離Ｌを小さくすれば、感度を落とすことがない。第３の距離Ｌが大きいと回路部４への電子の排出を抑制する効果が高くなるが、同時に軟Ｘ線が変換部３に入射する確率も下がる。つまり、軟Ｘ線検出の感度と正確性とはトレードオフの関係にある。したがって、必要とされる性能に応じて、第３の距離Ｌは適宜設定される。具体例として、検出する軟Ｘ線のエネルギーが１０ｋｅＶ以下であって、検出ユニットサイズが約１０マイクロメートルの場合、第３の距離Ｌは０．１〜２．０マイクロメートルの範囲であればよい。必要に応じて、第３の距離Ｌがこの範囲以外の値であってもよい。
【０１６３】
あるいは、第３の距離Ｌ（マイクロメートル）が以下の式（３）によってあらわされてもよい。ただし、Ｅ（ｋｅＶ）は入射する軟Ｘ線のエネルギーである。
【０１６４】
【数３】
【０１６５】
なお、境界から第３の距離Ｌ以内の領域の上に、遮蔽部９０１が配されていなくてもよい。変換部３のどの領域の上に第１部分９０１ａを配するかは、必要に応じて変更することができる。
【０１６６】
本実施例では、Ｎ型半導体領域１１と重なるように遮蔽部９０１が配された。しかし、実施例１の変形例で説明したように、Ｎ型半導体領域１１と平面方向に隣接するＰ型半導体領域のうち、空乏層が生じる部分が変換部３の一部であってもよい。このような場合、必ずしもＮ型半導体領域１１と重なるように遮蔽部９０１を配さなくても、第３の距離Ｌ以内の領域と重なるように遮蔽部９０１を配することができる。
【０１６７】
本実施例の検出ユニット１の等価回路、平面構造、及び断面構造は、実施例１〜３の検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例６】
【０１６８】
本発明に係る第６の実施例の軟Ｘ線検出装置１０００について説明する。図１０は軟Ｘ線検出装置１０００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図２（実施例１）と同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例６の検出ユニット１の平面構造は例えば実施例１と同様であり、図６は図１の線ＡＢに沿った断面に相当する。
【０１６９】
実施例６では、半導体基板１００１内部の構造が実施例１〜５とは異なっている。以下では、実施例１〜５と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１〜５のいずれかと共通の構成とすることができる。
【０１７０】
本実施例では半導体基板１００１がＮ型のシリコン基板である。半導体基板１００１に、Ｐ型ウェル１００２が配される。Ｐ型ウェル１００２は、変換部３に配された第１ウェル１００２ａと回路部４に配された第２ウェル１００２ｂとを含む。変換部３を構成するＮ型半導体領域１１、Ｐ型半導体領域１２は第１ウェル１００２ａの内部に配される。Ｎ型半導体領域１１は第１ウェル１００２ａとＰＮ接合を構成する。つまり、Ｐ型半導体領域１２、Ｎ型半導体領域１１、第１ウェル１００２ａが埋め込み型のフォトダイオードを構成している。転送トランジスタ５、増幅トランジスタ６の各半導体領域は第２ウェル１００２ｂに配される。なお、便宜的に第１ウェル１００２ａ及び第２ウェル１００２ｂという二つのウェルについて説明したが、実際には両者が１つの半導体領域であってもよい。もちろん、２つの半導体領域が第１ウェル１００２ａ及び第２ウェル１００２ｂに対応していてもよい。
【０１７１】
本実施例の１つめの特徴は、各半導体領域が配されたＰ型ウェル１００２の下に、反対導電型であるＮ型の半導体領域（半導体基板１００１）が配されたことである。２つめの特徴は、第１ウェル１００２ａの下端が第２ウェル１００２ｂの下端よりも深い位置にあることである。本明細書においては、転送ゲート電極１３や、増幅トランジスタ６のゲート電極１５が配された側の主面８１０が深さの基準である。半導体基板内部であって、当該主面８１０に近いほうが浅く、当該主面８１０から遠いほうが深い。上下については、半導体基板内部であって、当該主面８１０に近いほうが上、当該主面８１０から遠いほうが下とする。また、半導体領域の下端とはＰ型ウェル１００２と半導体基板１００１とのＰＮ接合面としてよい。
【０１７２】
このようなＰ型ウェル１００２の製造方法について簡単に説明する。まずＮ型の半導体基板１００１を用意する。次に、第１ウェル１００２ａに対応する位置に開口を有する第１マスクを形成する。第１マスクを用いたイオン注入により第１ウェル１００２ａを形成する。続いて、第２ウェル１００２ｂに対応する位置に開口を有する第２マスクを形成する。第２マスクを用いたイオン注入により第２ウェル１００２ｂを形成する。イオン注入のエネルギーを変えることで、下端の深さが異なる第１ウェル１００２ａ及び第２ウェル１００２ｂを形成することができる。
【０１７３】
別の形成方法としては、Ｎ型の半導体基板１００１を用意し、Ｐ型ウェル１００２が配される領域の全面に同じ深さのＰ型半導体領域を形成する。そして、第１ウェル１００２ａに対応する領域にだけ、最初に形成したＰ型半導体領域よりも深い位置にＰ型半導体領域を形成するためのイオン注入を行う。あるいは、第２ウェル１００２ｂに対応する領域にだけ、カウンターでＮ型の不純物（ドナー）をイオン注入する。なお、これらの方法は一例であり、Ｐ型ウェル１００２を形成するために他の公知の方法を用いてもよい。
【０１７４】
次に本実施例の効果について説明する。本実施例においては、Ｐ型ウェル１００２の下部に、Ｎ型の半導体基板１００１が配される。そのため、Ｐ型ウェル１００２と半導体基板１００１との境界付近では、電子がＰ型ウェル１００２から半導体基板１００１に向かうようなポテンシャル勾配が形成される。つまり、Ｐ型ウェル１００２は半導体基板１００１にある電子にとってのポテンシャル障壁となりうる。
【０１７５】
回路部４が遮蔽部７０１で覆われていても、例えば斜めに入射する軟Ｘ線１００３が回路部４に入射し、回路部４で複数の電子が発生することが考えられる。つまり、回路部４が遮蔽部７０１で覆われていても、回路部４に近い領域が電荷発生領域１００４に含まれる場合がある。本実施例の構造によれば、第２ウェル１００２ｂの下端近傍や下端よりも深い位置で発生した電子は、ポテンシャル障壁のために変換部３に収集される可能性が低い。また、回路部４の第２ウェル１００２ｂの下端は、浅い位置にある。そのため、回路部４の第２ウェル１００２ｂの下端よりも浅い領域で発生した電子は、近くの電源部などに排出されやすい。つまり、回路部４で発生した電子は、いずれも変換部３に収集されることなく、電源部などに排出されやすいのである。一方、変換部３においては、第１ウェル１００２ａの下端が深い位置にある。そのため、変換部３で発生した電子は半導体基板１００１に排出されにくい。
【０１７６】
先述の通り、発生した電子の一部が変換部３に収集され、他の一部が別の場所に排出されると、軟Ｘ線のエネルギーを反映していない信号が出力されうる。発生した電子の全てを読み出すか、あるいは発生した電子の全てが排出されることで、エネルギーを正確に反映した信号を得ることができる。本実施例の構成によれば、変換部３に軟Ｘ線が入射した場合には、発生した電子の全てが変換部３に収集される可能性を高くすることができる。そして、回路部４に軟Ｘ線が入射した場合には、発生した電子の全てが排出される可能性を高くすることができる。したがって、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１７７】
なお、本実施例の検出ユニット１の等価回路及び平面構造は、実施例１〜５のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例７】
【０１７８】
本発明に係る第７の実施例の軟Ｘ線検出装置１３００について説明する。図１３は軟Ｘ線検出装置１３００の検出ユニットの平面構造を示す概略図である。実施例１〜６のいずれかと同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１７９】
本実施例における特徴部分は、第１検出ユニットに含まれる変換部３が、第１検出ユニットに隣接する第２検出ユニットの回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタから第２の距離ｒよりも離間して配されたことである。
【０１８０】
図１３においては、３行３列に配置された９つの検出ユニットが示されている。それぞれの検出ユニットにおいて、変換部３、回路部４、転送ゲート電極１３、ＦＤ１４が示されている。回路部４には増幅トランジスタなどの第１導電型のトランジスタが配される。また、変換部３や回路部４に含まれるトランジスタを電気的に分離する分離部７が配されている。
【０１８１】
図１３が示すように、検出ユニット１ｂに含まれる変換部３ｂは、隣接する検出ユニット１ａの回路部４ａに配された第１導電型のトランジスタから第２の距離ｒよりも離間して配されている。さらに、変換部３ｂは、別の隣接する検出ユニット１ｃの回路部４ｃに配された第１導電型のトランジスタからも第２の距離ｒより離間して配されている。
【０１８２】
第２の距離ｒは、例えば電荷発生領域を内包する最小の球の半径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、第２の距離ｒは０．５マイクロメートルとすることができる。あるいは、第２の距離ｒが式（４）で表される距離であってもよい（Ｌの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（単位はｋｅＶ）。なお、式（４）は上述の式（２）と同じ式である。
【０１８３】
【数４】
【０１８４】
検出ユニット１は、転送トランジスタを含んでいてもよい。本実施例では、転送ゲート電極１３及びＦＤ１４が転送トランジスタを構成している。回路部４には、転送トランジスタを除くトランジスタが配されている。つまり、変換部３は同じ検出ユニットに含まれる複数の第１導電型のトランジスタのうち、転送トランジスタを除くすべてのトランジスタから、第２の距離ｒより離間して配されてもよい。あるいは、本実施例においては、変換部３ｂが、同じ検出ユニット１ｂの回路部４ｂに含まれるすべての第１導電型のトランジスタから第２の距離ｒより離間して配されてもよい。
【０１８５】
以上に述べたように、変換部３が電荷の排出部となりうる第１導電型のトランジスタから離間して配置される。このような構成によれば、変換部３のうち排出領域となる部分の面積を小さくすることができる。したがって、発生した電荷の一部が排出される確率を低減することが可能となり、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることができる。
【０１８６】
さらに、同じ検出ユニット内の変換部３と回路部４との間の領域に重なるように遮蔽部を設けてもよい。このような構成によれば、さらに軟Ｘ線検出の正確性を向上させることができる。
【０１８７】
なお、本実施例の検出ユニット１の等価回路及び断面構造は、実施例１〜６のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例８】
【０１８８】
本発明に係る第８の実施例の軟Ｘ線検出装置１４００について説明する。図１４は軟Ｘ線検出装置１４００の検出ユニットの平面構造を示す概略図である。実施例１〜７のいずれかと同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１８９】
本実施例では、隣接する変換部３の間にはいずれも第１導電型のトランジスタが配される。それらのトランジスタが隣接する検出ユニットのトランジスタと近接して配されることが特徴である。
【０１９０】
図１には６つの検出ユニット１ａ〜１ｆが示されている。このうち、検出ユニット１ｂを例に本実施例の平面構造について説明する。検出ユニット１ｂは変換部３と回路部１４０１〜１４０４を有する。変換部３は第１導電型の半導体領域を含む。また、回路部１４０１〜１４０４のそれぞれが、第１導電型のトランジスタを含む。
【０１９１】
回路部１４０１〜１４０４のそれぞれに含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニットのトランジスタとの位置関係は以下の通りである。回路部１４０１に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ａに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。また、回路部１４０１に含まれるトランジスタが、不図示の隣接する検出ユニットに含まれるトランジスタと、第１の距離ｄより近接して配されてもよい。
【０１９２】
同様に、回路部１４０２に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ｃに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。また、回路部１４０２に含まれるトランジスタが、不図示の隣接する検出ユニットに含まれるトランジスタと、第１の距離ｄより近接して配されてもよい。
【０１９３】
回路部１４０３に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ａに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。また、回路部１４０３に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ｅに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。
【０１９４】
回路部１４０４に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ｃに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。また、回路部１４０４に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ｅに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。
【０１９５】
回路部１４０１〜１４０４は、いずれも二つの変換部３の間に配されている。このように、本実施例では変換部の間に配されたトランジスタは、いずれも隣接する検出ユニットのトランジスタについて第１の距離ｄよりも近接して配される。
【０１９６】
第１の距離ｄは、１つの軟Ｘ線のフォトンが入射したことによって電子が発生する領域のサイズに基づいて決定される距離である。第１の距離ｄは、例えば１つの軟Ｘ線のフォトンが半導体基板に入射したことによって電子が発生する領域を内包する最小の球の直径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、第１の距離ｄは１マイクロメートルとすることができる。あるいは、第１の距離ｄが下記の式（４）を満たすものであってもよい（ｄの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（Ｅの単位はｋｅＶ）。なお、式（５）は上述の式（１）と同じ式である。
【０１９７】
【数５】
【０１９８】
なお、図１４では、変換部３ｂと、変換部３ｂに隣接するすべての変換部３との間に第１導電型のトランジスタが配されている。しかし、図１や図５、図６に示される通り、隣接する変換部３の間に第１導電型のトランジスタが配されていなくてもよい。
【０１９９】
本実施例の軟Ｘ線検出装置１４００は、図１４が示す通り、互いに隣接する２つの検出ユニット１ａ、１ｂにおいて、一方の検出ユニット１ａに含まれる第１導電型のトランジスタと、他方の検出ユニット１ｂに含まれる第１導電型のトランジスタとが、第１の距離ｄよりも近接して配される。このような構成によれば、排出領域（図１２の第２の領域１２０２に対応する領域）の面積を低減することができる。したがって、電荷が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線の検出の正確性が向上する。
【０２００】
本実施例の検出ユニット１の等価回路及び断面構造は、実施例１〜７のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例９】
【０２０１】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置を含む軟Ｘ線撮像システムの実施例について図１１を用いて説明する。本実施例の軟Ｘ線撮像システムは、実施例１〜７の軟Ｘ線検出装置１００、５００、６００、７００、９００、１０００、１３００のいずれかを有する。軟Ｘ線撮像システムは、さらに軟Ｘ線検出装置からの信号を処理する信号処理回路１１０１、軟Ｘ線検出装置を駆動するための駆動回路１１０２を有する。信号処理回路１１０１や駆動回路１１０２には固体撮像装置に適用しうる公知の回路を用いることができる。信号処理回路１１０１の一部または全部、及び駆動回路１１０２の一部または全部が１つの半導体基板に配されてもよい。あるいは、信号処理回路１１０１、または駆動回路１１０２が、軟Ｘ線検出装置の有する半導体基板とは別の半導体基板に配されてもよい。
【０２０２】
また、軟Ｘ線撮像システムは、推進装置を備えていてもよい。例えば、推進装置は衛星軌道上に配された軟Ｘ線検出システムの位置を制御するものである。あるいは、推進装置は地球の地表から衛星軌道上に軟Ｘ線検出システムを移動させるためのロケットエンジンであってもよい。これらの推進装置は着脱可能であってもよい。
【０２０３】
このような軟Ｘ線撮像システムの駆動方法の例について説明する。軟Ｘ線のエネルギーを測定する目的の場合には、１回の蓄積期間に１つの検出ユニットに入射するフォトンの平均数が１以下になるように、駆動回路１１０２が軟Ｘ線検出装置を駆動する。つまり、入射する軟Ｘ線の量に基づいて、十分に短い蓄積期間を設定すればよい。具体的には、軟Ｘ線の量はあるユニット面積においてユニット時間あたりに照射されるフォトンの数で表される。そこで、検出ユニットの面積から、ユニット時間あたりに１つの検出ユニットに照射されるフォトンの数を計算すれば、蓄積期間をいくつに設定すればよいか決定することができる。そして１回の蓄積動作を行ったあとに軟Ｘ線検出装置が信号電荷を信号として出力し、信号処理回路１１０１が画像を作成する。この画像は、各検出ユニットに入射した軟Ｘ線のエネルギーを２次元平面にマッピングしたものであってもよい。
【０２０４】
さらに、入射する軟Ｘ線の量（強度）、つまり、フォトンの数を検出する場合には、上述の蓄積動作を複数回繰り返して、蓄積のたびに信号を読み出せばよい。例えば、地球の衛星軌道上で太陽が発する軟Ｘ線を検出すると、軟Ｘ線検出装置の１つの検出ユニットに毎秒数百個のフォトンが入射する場合がある。これらのフォトンの数とエネルギーを測定するためには、１秒間に数百〜数千枚の画像を撮像し、読み出す必要がある。ＣＣＤ型の軟Ｘ線検出装置でこのような高速の読み出しを行うためには、検出ユニット数を減らして解像度を犠牲にする必要がある。これに対して、本発明に係る軟Ｘ線検出装置は検出ユニットに増幅部を有するので、解像度を犠牲にすることなく高速の撮影を行うことが可能である。
【符号の説明】
【０２０５】
１ 検出ユニット
２ 半導体基板
３ 変換部
４ 回路部
６ 増幅トランジスタ
７ 分離部
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟Ｘ線検出装置に関し、とりわけ軟Ｘ線検出装置の検出ユニットの平面構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、画素ごとに増幅部を有する固体撮像装置が提案されている。特許文献１には複数の画素を備える固体撮像装置が記載されている。複数の画素のそれぞれが、フォトダイオードと、増幅回路の一部であるソースフォロアＭＯＳトランジスタとを含む。特許文献１に記載の固体撮像装置では、フォトダイオードとソースフォロアＭＯＳトランジスタは単一の半導体基板に配されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０２４９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、可視光による撮像について記載されている。しかし、特許文献１では、軟Ｘ線の検出に関しては検討されていない。したがって、上述したような固体撮像装置及びこれに類似する装置を軟Ｘ線検出に適用した場合において生じうる課題について十分に検討されていなかった。
【０００５】
これに対して、本発明者らは、軟Ｘ線を電荷に変換する変換部と、増幅部などの回路部とが配された半導体基板を備えた検出装置において、変換部及び回路部の配置次第で、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることが可能であることを見出した。
【０００６】
上述の課題に鑑み、本発明は、変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む軟Ｘ線検出装置において、正確性を高めた軟Ｘ線検出を行うことが可能な検出ユニットのレイアウトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、前記複数の検出ユニットのそれぞれが、前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、前記半導体領域のうち隣接して配された二つの半導体領域の間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記二つの半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、前記第１検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかと、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかとが、第１距離よりも近接して配されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも、第２距離より離間して配されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置によれば、軟Ｘ線を正確に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図２】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図３】二つのＭＯＳトランジスタのレイアウト図。
【図４】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の等価回路図。
【図５】本発明の実施例２の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図６】本発明の実施例３の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図７】本発明の実施例４の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図８】本発明の実施例４の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図９】本発明の実施例５の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図１０】本発明の実施例６の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図１１】本発明の実施例９の軟Ｘ線検出システムのブロック図。
【図１２】軟Ｘ線検出装置の検出ユニットの平面構造の概略図。
【図１３】本発明の実施例７の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図１４】本発明の実施例８の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００の要部を図１及び図２を用いて説明する。図１に示された軟Ｘ線検出装置１００は複数の検出ユニット１を含む。図１には６つの検出ユニット１ａ〜１ｆが示されている。複数の検出ユニット１は単一の半導体基板２（図２）に配される。
【００１３】
本明細書において、異なる検出ユニットに含まれる複数の素子が同様の機能を有する場合には、当該複数の素子に同じ数字を含む符号を付す。これらの同様の機能を有する複数の素子について、複数の検出ユニットに共通する事項を説明する場合には、数字のみの符号を用いる。これらの同様の機能を有する複数の素子を検出ユニットごとに区別して説明する場合には、数字の後にアルファベットを組み合わせた符号を用いる。
【００１４】
それぞれの検出ユニット１は変換部３と回路部４とを含む。変換部３は例えばフォトダイオードである。図２が示すように、変換部３には第１導電型（例えばＮ型）の半導体領域１１が配される。軟Ｘ線は主として半導体基板２の変換部３に入射し、軟Ｘ線が半導体基板２に入射したことによって発生した電荷が半導体領域１１に収集される。
【００１５】
回路部４には読み出し回路を構成する第１導電型（例えばＮチャネル型）のトランジスタが配される。図２に示すように、読み出し回路は、変換部３で生じた信号を増幅する増幅トランジスタ６を含む。増幅トランジスタ６は、変換部３で生じた電荷に基づく信号を出力する増幅部を構成する。
【００１６】
このように、本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は、第１導電型の半導体領域１１と増幅トランジスタ６とを含んで構成される検出ユニットを複数有する。そして、変換部３に配された第１導電型の半導体領域１１と、回路部４に配された第１導電型のトランジスタ（例えば増幅トランジスタ６）との位置関係が本発明の特徴部分である。具体的には、次の第１乃至第３の特徴のいずれか一つまたは複数の特徴を有している。
【００１７】
第１の特徴は、互いに隣接する第１導電型の半導体領域１１ａと第１導電型の半導体領域１１ｂとの間には第１導電型のトランジスタが配されず、それらの間に両者を電気的に分離する分離部が配されたことである。
【００１８】
第１の特徴について、まず、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとの間にトランジスタが配されていないことについて説明する。変換部３ａに含まれる半導体領域１１ａの内部の点Ｐと、変換部３ｂに含まれる半導体領域１１ｂの内部の点Ｑとを両端とする仮想的な線分ＰＱを考える。回路部４のうちトランジスタの配された領域が線分ＰＱの一部を含む場合は、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとの間にトランジスタが配されている。逆に、トランジスタの配された領域が線分ＰＱを含まない場合は、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとの間にはトランジスタが配されていない。
【００１９】
トランジスタの配された領域とは、トランジスタの電極を構成する半導体領域やチャネルを構成する半導体領域などが配された領域である。例えば、ＭＯＳトランジスタの配された領域は、ソース領域、ドレイン領域、及びチャネル領域である。別の例として、バイポーラトランジスタの配された領域は、コレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域である。さらに、トランジスタの電極となる半導体領域と配線を介して電気的に接続された別の半導体領域も、トランジスタの配された領域に含まれうる。例えば、電源電圧が供給される半導体領域がＭＯＳトランジスタのドレイン領域と電気的に接続されている場合などである。一方で、上記の半導体領域が配されず、ＭＯＳトランジスタのゲート電極や、トランジスタに接続された金属配線のみが配された領域は、トランジスタの配された領域には含まれない。
【００２０】
特に、第１導電型の半導体領域１１と同じ導電型の領域が、二つの半導体領域１１の間に配されないことが重要である。一般のトランジスタはＰ型半導体領域とＮ型半導体領域の両方を含んで構成される場合が多い。このうち、反対の導電型であるＰ型半導体領域だけであれば、二つのＮ型半導体領域１１の間に配されていてもよい。
【００２１】
半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとの間に配される分離部は、ＬＯＣＯＳやＳＴＩなどの絶縁膜による分離、半導体領域１１とは反対導電型（例えばＰ型）の半導体領域による分離、あるいは両者を組み合わせた分離である。他にも、公知の分離が用いられうる。
【００２２】
図１では、さらに変換部３ｂと変換部３ｃとの間、変換部３ｄと変換部３ｅとの間、及び変換部３ｅと変換部３ｆの間に回路部４が配されていないことが示されている。しかし、少なくとも一組の互いに隣接する変換部３の間において、回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、分離部が配されていればよい。
【００２３】
なお、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとが隣接していることに関して、半導体領域１１ａと半導体領域１１ｂとが互いに隙間なく連続して配されている必要はない。
【００２４】
第２の特徴は、検出ユニット１ａの回路部４ａに含まれる複数の第１導電型のトランジスタのいずれかと、検出ユニット１ａに隣接する検出ユニット１ｂの回路部４ｂに含まれる複数の第１導電型のトランジスタのいずれかとが、第１の距離ｄよりも近接して配されたことである。
【００２５】
第１の距離ｄは、１つの軟Ｘ線のフォトンが入射したことによって電子が発生する領域（後述の電荷発生領域）１０２のサイズに基づいて決定される距離である。第１の距離ｄは、例えば１つの軟Ｘ線のフォトンが半導体基板２に入射したことによって電子が発生する領域１０２を内包する最小の球の直径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、第１の距離ｄは１．０マイクロメートルとすることができる。あるいは、第１の距離ｄが下記の式（１）を満たすものであってもよい（ｄの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（Ｅの単位はｋｅＶ）。
【００２６】
【数１】
【００２７】
第３の特徴は、検出ユニット１ａの変換部３に含まれる第１導電型の半導体領域１１ａが、検出ユニット１ａに隣接する検出ユニット１ｄの回路部４に含まれる複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも第２の距離ｒより離間して配されたことである。
【００２８】
第２の距離ｒは、１つの軟Ｘ線のフォトンが入射したことによって電子が発生する領域（後述の電荷発生領域）１０２のサイズに基づいて決定される距離である。第２の距離ｒは、例えば１つの軟Ｘ線のフォトンが半導体基板２に入射したことによって電子が発生する領域１０２を内包する最小の球の半径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、第２の距離ｒは０．５マイクロメートルとすることができる。あるいは、第２の距離ｒが下記の式（２）を満たすものであってもよい（ｄの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（Ｅの単位はｋｅＶ）。
【００２９】
【数２】
【００３０】
以上では、検出ユニット１が変換部３と回路部４を有し、変換部３に配される第１導電型の半導体領域１１を例に本発明の特徴を説明した。検出ユニット１がさらに電荷保持部を有していてもよい。電荷保持部には、変換部３で発生した電荷を収集し、保持する第１導電型（例えばＮ型）の半導体領域が含まれる。
【００３１】
このように検出ユニット１が電荷保持部を有する場合には、電荷保持部に含まれる第１導電型の半導体領域と、変換部３に含まれる第１導電型の半導体領域１１との間に、第１導電型のトランジスタが配されないことが好ましい。
【００３２】
次に本発明の課題と効果について説明する。本発明においては、軟Ｘ線が半導体基板２に入射したことによって発生した電荷を信号として読み出すことで、軟Ｘ線を検出することが可能である。例えば、１個の軟Ｘ線のフォトンによって発生した電荷の大部分、もしくは全部を信号として読み出すことによって、検出した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。
【００３３】
このとき、発生した電荷の一部のみが信号として読み出される可能性を低減することによって、軟Ｘ線のエネルギー測定の正確性を向上させることができる。この効果について以下に詳細に説明する。
【００３４】
なお、実際に信号として読み出すのは、変換部（例えばフォトダイオード）の導電型に応じた電子、あるいは正孔のいずれかのみであってもよい。以後の説明では電子を信号電荷として扱う場合について説明する。もちろん正孔を信号電荷として扱ってもよい。また、電子及び正孔の両方を信号電荷として読み出してもよい。
【００３５】
まず、軟Ｘ線のエネルギーを測定すること（フォトンカウンティング）について説明する。図２において、軟Ｘ線が半導体基板２に入射すると、複数の電子正孔対が発生する。このような現象の例として、半導体基板２に入射した軟Ｘ線が、半導体基板２を構成する原子（例えばシリコン原子）内の電子を電離させることが考えられる。
【００３６】
発生する電子正孔対の数は入射した軟Ｘ線のエネルギーに応じて変化する。例えば、半導体基板２がシリコン基板の場合、発生する電子正孔対の数は入射した軟Ｘ線のエネルギーをシリコンの平均電離エネルギーで除した数になると考えられている。シリコンの平均電離エネルギーが３．６５ｅＶ（エレクトロンボルト）であると仮定すると、１ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したことによって、約２７０対の電子正孔対が発生する。より大きなエネルギーの軟Ｘ線が入射すれば、より多数の電子正孔対が発生する。
【００３７】
そこで、１つの検出ユニットにつき平均１個以下の軟Ｘ線フォトンが入射するように検出ユニットを構成し、そして、発生した電子の数に応じた信号を読み出すことによって、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。具体的に、軟Ｘ線検出装置に１個の軟Ｘ線フォトンが入射した際に、１つの検出ユニット１から２７０個の電子に対応する信号が出力されたとする。上述の通り、１個の電子を発生するために３．６５ｅＶのエネルギーが必要である。したがって、入射した軟Ｘ線のエネルギーは約１ｋｅＶ（２７０個×３．６５ｅＶ／個）と計算できる。今度は、５４０個の電子に対応する信号が１つの検出ユニット１から出力された場合を考える。この場合には、入射した軟Ｘ線のエネルギーは約２ｋｅＶ（５４０個×３．６５ｅＶ／個）と計算できる。
【００３８】
これに対して、軟Ｘ線のエネルギーが正確に測定されない場合を説明する。例えば、２ｋｅＶのエネルギーを持つ１個の軟Ｘ線フォトンが１つの検出ユニット１に入射し、５４０個の電子を発生させた場合を考える。この５４０個の電子をすべて信号として読み出すことができれば、上述の通り、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。しかし、何らかの要因によって検出ユニット１から２７０個の電子に対応した信号が出力されると、出力信号に基づいて計算される軟Ｘ線のエネルギーは１ｋｅＶ（２７０個×３．６５ｅＶ／個）である。すなわち、２ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したにもかかわらず、１ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したことを示す測定結果が得られる。このように、軟Ｘ線のエネルギーが正確に測定されない場合がある。
【００３９】
発生した電子の一部のみに対応した信号が出力されることの原因として、例えば、発生した電荷の一部が検出ノード以外の領域に排出されることが考えられる。このような課題は、１個のフォトンの入射に対して複数の電子が発生するという軟Ｘ線検出に固有の課題である。以下では、軟Ｘ線検出において、発生した電子の一部が排出されるメカニズムについてさらに詳しく説明する。
【００４０】
軟Ｘ線が入射したことによって発生する複数の電子は、フォトンが入射した領域よりも空間的に広がった領域で発生する。入射する軟Ｘ線のエネルギーが数ｋｅＶの場合、電子が発生する領域は半導体基板２の内部で数マイクロメートルの範囲に広がりうる。別の言い方をすれば、複数の電子が半導体基板内の１点で発生するのではなく、複数の異なる位置で発生する。複数の電子が発生する三次元空間的な範囲を、便宜的に電荷発生領域と呼ぶ。
【００４１】
電荷発生領域の位置は、軟Ｘ線が入射した位置によって変わりうる。また、電荷発生領域の大きさは軟Ｘ線のエネルギーによって変わりうる。例えば、電荷発生領域は、上述の式（１）で表される長さｄを直径とする球に近似することができる。この場合、式（１）が示すように、軟Ｘ線のエネルギーＥが大きくなれば、直径ｄも大きくなる。このような電荷発生領域を、例えば図２の領域１０２、１０４によって例示する。
【００４２】
軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１における電荷発生領域の位置、つまり軟Ｘ線の入射した位置に応じて、信号として読み出される電子の量と排出される電子の量が決まる。この点について図１２を用いて説明する。
【００４３】
図１２（ａ）は、軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１を示している。検出ユニット１には、変換部３と回路部４とが配されている。図１２（ｂ）では、図１２（ａ）に示された検出ユニット１が、便宜的に３つの領域１２０１〜１２０３に区分けして示されている。
【００４４】
第１の領域１２０１は、変換部３の中心付近に対応する領域である。第１の領域１２０１に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子の全部が変換部３に収集される。軟Ｘ線が入射した位置から離れた位置に電荷が発生するが、そのような離れた位置であっても変換部３の内部だからである。つまり、電荷発生領域の全体が変換部３の内部に位置するため、発生したすべての電子を、変換部３に収集し、読み出すことができる。したがって、第１の領域１２０１に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。
【００４５】
第２の領域１２０２は、図１２（ｂ）においてハッチングで示された領域である。第２の領域１２０２は変換部３の外周部と、回路部４の一部に対応する領域である。第２の領域１２０２に軟Ｘ線が入射すると、一部の電子は変換部３に収集されるが、他の一部の電子は回路部４に排出される場合がある。これは、電荷発生領域が変換部３と回路部４の両方に渡って広がるからである。このような場合、読み出される信号は発生した電子の一部のみに対応したものとなる。したがって、第２の領域１２０２に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが困難である。
【００４６】
第３の領域１２０３は、変換部３から十分に離れた領域である。第３の領域１２０３に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子はすべて排出されうる。これは電荷発生領域が変換部３までは広がらないからである。したがって、第３の領域１２０３に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線が検出されないことがほとんどである。
【００４７】
ここで、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３のいずれの領域に軟Ｘ線が入射するかは、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３の面積の比率に応じた統計的な確率で決まる。具体的に、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３の面積の比率が、１：６：３であると仮定する。このような軟Ｘ線検出装置で、１回の検出において検出ユニット１に１個のフォトンが入射する軟Ｘ線検出を１０００回行う。そうすると、約１００回の検出においては、軟Ｘ線が第１の領域１２０１に入射し、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映した信号が出力される。約６００回の検出においては、軟Ｘ線が第２の領域１２０２に入射し、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される。約３００回の検出においては、軟Ｘ線が第３の領域１２０３に入射し、軟Ｘ線が入射したことが検出されない。
【００４８】
このように、１０００回のうち約７００回の検出において信号が出力される。しかし、出力された信号の約８５％は軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号である。しかも、出力された信号からは、それが第１の領域１２０１あるいは第２の領域１２０２のいずれの領域に入射した軟Ｘ線に対応するものかを特定することが困難である。
【００４９】
図１２において、第１の領域１２０１と第２の領域１２０２との境界は、電荷の排出部となる領域からの距離に基づいて決まる。電荷の排出部とは、第１導電型のトランジスタが配された領域である。
【００５０】
排出部から第２の距離ｒよりも離れた場所に軟Ｘ線が入射すれば、発生した電子が排出される可能性は小さい。第２の距離ｒは、例えば電荷発生領域を内包する最小の球の半径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、所定の距離ｒは０．５マイクロメートルとすることができる。あるいは、第２の距離Ｌが上述の式（２）で表される距離であってもよい。
【００５１】
なお、回路部４の全体が電荷の排出部であるとしてもよい。あるいは、回路部４のうち、電源電圧が供給される半導体領域や、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレインとなる半導体領域を電荷の排出部としてもよい。
【００５２】
以上に述べた通り、第２の領域１２０２の面積が大きいほど、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される確率が高くなる。したがって、変換部３と排出部となる第１導電型のトランジスタの配置を工夫して、第２の領域１２０２の面積をなるべく小さくすることによって、軟Ｘ線エネルギーを測定する正確性を向上させることができる。以下に、本発明の第１乃至第３の特徴のそれぞれによって、第２の領域１２０２の面積を小さくすることができることを説明する。
【００５３】
本発明の第１の特徴を有する軟Ｘ線検出装置１００は、図１に示される通り、互いに隣接する２つの変換部３の間に第１導電型のトランジスタが配されない。すなわち、互いに隣接する２つの変換部３の間に、前述の電荷の排出部となり得る半導体領域が配されない。これによって、互いに隣接する２つの変換部３の境界近傍に軟Ｘ線が入射しても、電荷が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることが可能となる。
【００５４】
第１の特徴によって、電荷が排出される可能性が低減されることについて具体的に説明する。図１には、検出ユニット１ｅの変換部３ｅの内部であって、隣接する変換部３ｆに近い領域に軟Ｘ線が入射した場合の電荷発生領域１０５が示されている。図１が示す通り、電荷発生領域１０５の一部は変換部３ｅの内部に位置し、また他の一部は隣接する変換部３ｆの内部に位置している。変換部３ｅの内部で発生した電子は、ほとんどが変換部３ｅに収集される。変換部３ｆの内部で発生した電子は、変換部３ｅに収集される可能性は低いが、代わりに変換部３ｆに収集される可能性が高い。そして、変換部３ｅと変換部３ｆとの間で発生した電子は、拡散やドリフトによって変換部３ｅまたは変換部３ｆのいずれかに収集される可能性が高い。なぜならば、変換部３ｅと変換部３ｆとの間には、電子の排出部となりうる領域がないからである。こうして、発生した電荷の全てあるいはほとんどを変換部３ｅまたは変換部３ｆのいずれかで収集することが可能となる。したがって、２つの変換部３ｅと変換部３ｆからの信号に基づいて、正確に軟Ｘ線を検出することが可能になる。
【００５５】
なお、このように複数の変換部３に電荷発生領域に広がった場合は、それぞれの変換部３にフォトンが１つずつ入射した場合との区別が必要になる。しかし、発生した電荷のほとんどを収集することができていれば情報が失われないため、後段の信号処理によって上記の場合を特定することが可能であり、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。例えば、入射する軟Ｘ線のエネルギーのおおよその範囲が分かっているときに、その範囲より極端に低いエネルギーを示す信号が出力された場合は、１つのフォトンによる電荷発生領域が複数の変換部に広がっていると判断できる。したがって、当該出力と隣接する検出ユニットの出力とを加算する信号処理によって、入射した軟Ｘ線の正確なエネルギーを測定することができる。このように、軟Ｘ線のエネルギー測定においては、情報が失われないこと、つまり発生した電荷の一部のみが排出されないことが重要である。
【００５６】
間に回路部４が配されていない変換部３のペアの数が増えれば増えるほど、より正確な軟Ｘ線検出が可能となる。例えば、変換部３ｅは変換部３ｂ、３ｄ、３ｆ、及び図示されていないが変換部３ｂとは反対側で隣接する変換部の４つの変換部３と隣接している。これらのうち、変換部３ｄと変換部３ｅとの間、及び変換部３ｆと変換部３ｅとの間には回路部４が配されていない。さらに、変換部３ｂと変換部３ｅとの間に、回路部４が配されていなければ、さらに軟Ｘ線検出の正確性を増すことが可能になる。もちろん、変換部３ｅと少なくとも一つの変換部３との間に回路部４が配されていなければ、本発明の効果を得ることができる。
【００５７】
本発明の第２の特徴を有する軟Ｘ線検出装置１００は、互いに隣接する２つの検出ユニット１ａ、１ｂにおいて、一方の検出ユニット１ａに含まれるトランジスタと、他方の検出ユニット１ｂに含まれるトランジスタとが、第１の距離ｄよりも近接して配される。これによって軟Ｘ線が入射したことによって発生した電子が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線検出の正確性を高めることが可能となる。
【００５８】
第２の特徴によって、電荷が排出される可能性が低減されることについて図３を用いて具体的に説明する。図３には２つのＭＯＳトランジスタ３０１、３０２が示されている。ＭＯＳトランジスタ３０１は第１の検出ユニットに含まれ、ＭＯＳトランジスタ３０２は第１の検出ユニットに隣接する第２の検出ユニットに含まれる。図３（ａ）では、ＭＯＳトランジスタ３０１とＭＯＳトランジスタ３０２とが互いに第１の距離ｄ以上に離間して配されている。図３（ｂ）では、ＭＯＳトランジスタ３０１とＭＯＳトランジスタ３０２とが互いに第１の距離ｄよりも近接して配されている。
【００５９】
ここで、第１の距離ｄは、電荷発生領域３１１を球に近似した時の直径を示している。この第１の距離ｄは例えば、上述の式（１）で表される。あるいは第１の距離ｄはシリコン基板においては１マイクロメートルとしてもよい。
【００６０】
ＭＯＳトランジスタ３０１及び３０２は、それぞれソース領域３０３、チャネル領域３０４、ドレイン領域３０５を含む。さらにＭＯＳトランジスタ３０１及び３０２は、ゲート電極３０６を含む。また、ＭＯＳトランジスタ３０２のドレイン領域はコンタクトプラグ３０８、３０９、及び配線３１０を介して電源部３０７と接続されている。
【００６１】
トランジスタが配された領域は、ソース領域３０３、チャネル領域３０４、ドレイン領域３０５、電源部３０７である。図３において、トランジスタが配された領域から、ｄ／２以内の範囲を点線３１２、３１３、３１４で示している。本明細書では、この領域を便宜的に排出領域と呼ぶ。図１２の第２の領域１２０２はこの排出領域に対応する。排出領域に軟Ｘ線が入射すると、電荷発生領域３１１の一部が、トランジスタが配された領域と重なる。そのため、発生した電子の一部が排出されやすい。
【００６２】
図３（ａ）では、ＭＯＳトランジスタ３０１の排出領域３１２と、ＭＯＳトランジスタ３０２の排出領域３１３、３１４とが重なっていない。そのため、排出領域の合計の面積が大きくなっている。つまり、軟Ｘ線が入射しても、発生した電子の一部が排出されてしまう可能性が高い。
【００６３】
これに対して、図３（ｂ）では、ＭＯＳトランジスタ３０１とＭＯＳトランジスタ３０２とが第１の距離ｄよりも近接して配されている。そのため、ＭＯＳトランジスタ３０１の排出領域３１３とＭＯＳトランジスタ３０２の排出領域３１４とが重なった領域３１５が存在する。図３（ｂ）の排出領域の合計の面積は、二つのトランジスタが第１の距離ｄより離間している場合に比べて、この重なった領域３１５の分だけ小さくなっている。つまり、電子の一部が排出されやすい位置に軟Ｘ線が入射する可能性が小さくなる。結果として、軟Ｘ線の検出の正確性を高めることが可能である。
【００６４】
また、排出領域３１２と排出領域３１４とが重なっていても同様の効果がある。あるいは、排出領域３１３と排出領域３１４とが重なっていても同様の効果がある。重なっている排出領域の面積が広いほど、軟Ｘ線検出の正確性は向上する。
【００６５】
なお、トランジスタ間の距離は、トランジスタが配された領域のうち最も近接した部分の距離としてよい。
【００６６】
本発明の第３の特徴を有する軟Ｘ線検出装置１００は、互いに隣接する検出ユニット１ａ、１ｄにおいて、第１の検出ユニット１ａに含まれる第１導電型の半導体領域１１ａが、第２の検出ユニット１ｄの回路部４に含まれる複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも第２の距離ｒより離間して配される。
【００６７】
第２の特徴によって、電荷が排出される可能性が低減されることについて説明する。図１２において、発生した電荷の一部が排出される可能性のある第２の領域１２０２は、電荷の排出部となる領域から第２の距離ｒ以内の領域である。そのため、変換部３を構成する第１導電型の半導体領域１１を、電荷の排出部である第１導電型のトランジスタから第２の距離ｒより離間して配置することで、第２の領域１２０２が変換部３と重なる部分を小さくする、あるいはゼロにすることができる。これによって、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることができる。
【実施例１】
【００６８】
本発明に係る第１の実施例の軟Ｘ線検出装置１００について図面を用いて説明する。本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、主として０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の波長帯の電磁波を検出可能である。この波長帯の電磁波が半導体基板に入射すると、上述の通り１つのフォトンに対して複数の電子が発生する。
【００６９】
また、本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、半導体基板に入射する段階での波長が主として０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の波長帯の電磁波を検出するものである。したがって例えば半導体基板に入射する前に上記波長範囲外の波長域（たとえば可視光域）に波長変換された電磁波のみを検出するものは発明に含まれない。しかし半導体基板に入射する前に波長変換部を設けていたとしても、変換後の波長が上記範囲内になる場合には本発明を適用可能である。
【００７０】
図１は軟Ｘ線検出装置１００の平面構造を示す概略図である。軟Ｘ線検出装置１００は複数の検出ユニット１を含む。図１には６つの検出ユニット１ａ〜１ｆが示されている。検出ユニット１ａ〜１ｃは第１方向に沿って並んでいる。また、検出ユニット１ｄ〜１ｆは第１方向に沿って並んでいる。一方、検出ユニット１ａと検出ユニット１ｄは第１方向と交差する第２方向に沿って並んでいる。検出ユニット１ｂと検出ユニット１ｅは第２方向に沿って並んでいる。検出ユニット１ｃと検出ユニット１ｆは第２方向に沿って並んでいる。実際には検出ユニット１ａ〜１ｆの配置が第１方向及び第２方向に沿って繰り返し配される。例えば第１方向に沿って２０００個以上の検出ユニット１が配列され、第２方向に沿って１５００個以上の検出ユニット１が配列されうる。図１では、第１方向と第２方向とは互いに直交する方向を示している。しかし第１方向と第２方向とは必ずしも直交する必要はなく、互いに交差していればよい。
【００７１】
それぞれの検出ユニット１は第１導電型の半導体領域を含む変換部３と第１導電型のトランジスタを含む回路部４とを含む。ここで第１導電型の半導体領域は信号電荷を収集可能な半導体領域である。言い換えると、その周囲に対して信号電荷に対するポテンシャルが低くなっている領域である。変換部３は例えばフォトダイオードである。回路部４には読み出し回路が配される。図２が示すように、読み出し回路は、変換部３で生じた信号を増幅する増幅トランジスタ６を含む。変換部３、及び回路部４とは分離部によって電気的に分離されている。隣接する２つの検出ユニットの変換部３の間も、分離部によって電気的に分離されている。
【００７２】
本実施例においては、第１方向に沿って並んだ変換部３の間には第１導電型のトランジスタが配されていない。そして、第１方向に沿って並んだ変換部３の間に分離部が配されている。具体的には、変換部３ａと変換部３ｂとの間、及び変換部３ｂと変換部３ｃとの間には第１導電型のトランジスタが配されていない。さらに、第１方向において検出ユニット１ｃと隣接する不図示の検出ユニットの変換部と、検出ユニット１ｃに含まれる変換部３ｃとの間にも、第１導電型のトランジスタが配されていない。
【００７３】
一方で、第２方向に沿って並んだ変換部３の間には回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタが配される。具体的には変換部３ｂと変換部３ｅとの間に回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタが配されている。さらに、第２方向において検出ユニット１ｅと隣接する不図示の検出ユニットの変換部と、検出ユニット１ｅに含まれる変換部３ｅとの間にも、回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタが配される。
【００７４】
図２は軟Ｘ線検出装置１００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図２は、図１のＡＢに沿った断面を示している。図２においては、検出ユニット１ｃの断面のみが示されている。他の検出ユニット１の断面も検出ユニット１ｃの断面と同様の構造となっていてもよい。
【００７５】
本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２は例えばＰ型のシリコン基板である。本実施例の検出ユニット１は、半導体基板２に配された変換部３及び回路部４を含む。
【００７６】
変換部３は例えばフォトダイオードである。本実施例では、変換部３に第１導電型の半導体領域としてＮ型半導体領域１１が配される。Ｎ型半導体領域１１より半導体基板２の表面（軟Ｘ線が入射する主面）側にはＰ型半導体領域１２が配される。Ｎ型半導体領域１１は、Ｐ型半導体領域１２及び半導体基板２のそれぞれとＰＮ接合を構成する。つまり、Ｐ型半導体領域１２、Ｎ型半導体領域１１、及び半導体基板２によって埋め込み型のフォトダイオードが構成される。半導体基板２をＮ型半導体基板とし、Ｎ型半導体基板にＰ型半導体領域（例えばＰ型ウェル）を設けて、このＰ型ウェルとＮ型半導体領域１１、Ｐ型半導体領域１２とにより埋め込み型のフォトダイオードを構成することもできる。Ｎ型半導体領域１１の電子に対するポテンシャルは周囲のＰ型半導体領域より低いので、入射した軟Ｘ線によって発生した電子がＮ型半導体領域１１に収集可能である。さらに、Ｎ型半導体領域１１に電子が蓄積されてもよい。Ｎ型半導体領域での収集あるいは蓄積を開始する前に、Ｎ型半導体領域１１に逆バイアスが印加されてもよい。印加された逆バイアスによって、Ｎ型半導体領域１１のポテンシャルをさらに下げることができる。また、この逆バイアスによって、Ｎ型半導体領域１１の全体が空乏化していてもよい。
【００７７】
回路部４には、転送トランジスタ５と増幅トランジスタ６とが配される。これらのトランジスタの一方もしくは両方を第１導電型つまりＮチャネル型のトランジスタとすることができる。転送トランジスタ５は転送ゲート電極１３とフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）１４を含んで構成される。ＦＤ１４はＮ型半導体領域によって構成される。転送ゲート電極１３には転送トランジスタ５のオンとオフに対応した少なくとも２つの電圧が印加される。転送ゲート電極に印加される電圧によって、変換部３のＮ型半導体領域１１とＦＤ１４との間のポテンシャルが制御される。その結果、変換部３で発生した電子をＦＤ１４に転送することが可能である。この時、変換部３の全ての電子がＦＤ１４に転送されてもよいし、一部の電子のみがＦＤ１４に転送されてもよい。変換部３の電荷がすべて転送されるとＮ型半導体領域１１の全体が空乏化するので、このような転送動作を完全空乏転送と呼ぶ。
【００７８】
ＦＤ１４は不図示の配線を介して増幅トランジスタ６のゲート電極１５と電気的に接続される。このように、ＦＤ１４が増幅部の入力部の一部を構成する。つまり、ＦＤ１４には軟Ｘ線の入射により生じた電子が転送され、その電子の量に応じた増幅信号が出力される。このため、ＦＤ１４を検出ノードと呼ぶこともできる。
【００７９】
増幅トランジスタ６は、ゲート電極１５、ソース領域１６、及びドレイン領域１７を含んで構成されるＭＯＳトランジスタである。ソース領域１６及びドレイン領域１７はＮ型半導体領域で構成される。すなわち、増幅トランジスタ６はＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。増幅トランジスタ６のゲート電極１５は、増幅部の入力部の一部を構成する。ドレイン領域１７は不図示の電源部に電気的に接続される。
【００８０】
本実施例では、分離部７は絶縁体分離である。分離部７は、変換部３と、隣接する検出ユニットの変換部（不図示）とを電気的に分離している。さらに分離部７は、変換部３と回路部４とを分離している。また、分離部７は回路部４において、複数のトランジスタを互いに電気的に分離してもよい。分離部７の下部にＰ型半導体領域が配されてもよい。分離部７は例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）である。
【００８１】
また、図２には示されていないが、半導体基板２に所定の電圧を供給するための半導体領域が配されてもよい。さらに、電源電圧を供給するための半導体領域が配されてもよい。電源電圧を供給するための半導体領域は増幅トランジスタのドレイン領域であってもよい。
【００８２】
図４は、本実施例の軟Ｘ線検出装置１００の検出ユニット１の等価回路を示す。図２と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００８３】
検出ユニット１は、さらにリセットトランジスタ８、選択トランジスタ９を含む。変換部３であるフォトダイオードのアノードが、転送トランジスタ５を介してノード２０１に接続される。検出ノード２０１は図２のＦＤ１４及び増幅トランジスタ６のゲート電極１５に対応するノードである。本実施例では、ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５とが互いに接続されているので、両方が同一の検出ノード２０１に対応する。つまり、検出ノード２０１は増幅部の入力ノードでもある。
【００８４】
リセットトランジスタ８のドレインには電源電圧ＶＤＤが供給され、リセットトランジスタ８のソースは検出ノード２０１に接続される。リセットトランジスタ８は、そのゲートに供給される電圧に応じて、検出ノード２０１の電圧をリセットする。リセットトランジスタ８は例えばＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。
【００８５】
選択トランジスタ９のドレインは増幅トランジスタ６のソースに接続され、選択トランジスタ９のソースは不図示の出力線に接続される。選択トランジスタ９のゲートに供給される電圧によって選択トランジスタ９がオンすると、検出ノード２０１の電圧に応じた信号が出力線に出力される。つまり、１つの出力線に複数の検出ユニット１からの信号が出力される場合に、選択トランジスタ９によって信号を出力する検出ユニットを選択することが可能である。
【００８６】
リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９は必要に応じて省略される。例えば、非選択とする検出ユニットの検出ノード２０１の電圧を制御することで増幅トランジスタ６をオフにすれば、選択トランジスタ９を省略することができる。あるいは、リニアセンサにおいては、選択トランジスタ９を省略することができる。あるいは、変換部３がフォトトランジスタであり、発生した電荷を光電流として読み出す場合には、リセットトランジスタ８は省略することができる。
【００８７】
続いて、各トランジスタの回路部４の内部での位置関係について説明する。本実施例において、検出ユニット１の回路部４には、転送トランジスタ５、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９が配される。
【００８８】
例えば図１に示された検出ユニット１ｂの回路部４ｂにおいて、増幅トランジスタ６ｂは検出ユニット１ｃに近い領域に配されている。また、検出ユニット１ｃの回路部４ｃにおいて、リセットトランジスタ８ｃは検出ユニット１ｂに近い領域に配されている。結果として、増幅トランジスタ６ｂと、リセットトランジスタとが１マイクロメートルより近接して配されている。このように、本実施例では、異なる検出ユニットに属する複数のトランジスタが、互いに第１の距離ｄより近接して配されている。第１の距離ｄは、電荷発生領域を内包する最小の球の直径、あるいは、上述の式（１）で表される距離である。
【００８９】
なお、検出ユニット１における変換部３及び回路部４は、検出ユニット１の平面構造に基づいて決まる。検出ユニット１において、転送トランジスタ５（転送ゲート電極１３及びＦＤ１４）、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９が配された領域が回路部４である。ここで、変換部３の境界は、例えばＮ型半導体領域１１の境界である。ただし、Ｎ型半導体領域１１が他の素子の下部に延在している場合には、当該他の素子の端が変換部３の境界である。そして、当該他の素子が配された領域は回路部４である。例えば、Ｎ型半導体領域１１が転送ゲート電極１３の下部に延在している場合には、転送ゲート電極１３の端が変換部３の境界である。そして転送ゲート電極１３が配された領域は回路部４である。
【００９０】
以上に述べた通り、本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、互いに隣接する２つの変換部３の間に第１導電型のトランジスタが配されず、そして、分離部７が配される。このような構成によれば、変換部３における排出領域（図１２の第２の領域１２０２に対応する領域）の面積を低減することができる。したがって、電荷が排出される可能性を低減することができるので、正確な軟Ｘ線検出が可能となる。
【００９１】
また、本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、互いに隣接する２つの検出ユニット１ａ、１ｂにおいて、一方の検出ユニット１ａに含まれるトランジスタと、他方の検出ユニット１ｂに含まれるトランジスタとが、第１の距離ｄよりも近接して配される。このような構成によれば、排出領域（図３の３１２〜３１４、あるいは図１２の第２の領域１２０２に対応する領域）の面積を低減することができる。したがって、電荷が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線の検出の正確性が向上する。
【００９２】
［実施例１の変形例］
次に、実施例１の各部位の変形例を説明する。以下で述べる変形例は、適宜組み合わせることができる。さらに、これらの変形例は後述の実施例２〜９についても適用可能である。
【００９３】
実施例１では、電子が信号電荷となる構成を例に説明したが、ホールが信号電荷となる構成としてもよい。ホールが信号電荷となる構成では、半導体領域の導電型が本実施例とは反対になる。例えば、埋め込み型のフォトダイオードは、表面側からＮ型半導体領域、Ｐ型半導体領域、Ｎ型半導体領域が順に配された構造となる。そして、軟Ｘ線によって発生した電荷がＰ型半導体領域に収集される。また、ＦＤ１４はＰ型半導体領域を含んで構成される。
【００９４】
また、この場合は、二つの隣接するＰ型半導体領域の間に、トランジスタを構成する半導体領域のうち、同じ導電型であるＰ型半導体領域が配されないことが重要である。信号電荷がホールの場合、Ｐ型半導体領域が排出部となりえるからである。
【００９５】
半導体基板２は、シリコン基板に限らず、ゲルマニウム基板、ガリウムヒ素基板などの各種の半導体基板が用いられる。半導体基板２はＰ型の基板、Ｎ型の基板のいずれでもよい。半導体基板２はエピタキシャル成長によって形成された基板であってもよい。あるいは、半導体基板２はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよい。また、必要に応じて半導体基板２にＰ型のウェル、またはＮ型のウェルが配されてもよい。ウェルが配された場合には、ウェルの内部に、変換部３や増幅トランジスタ６を構成する半導体領域が配される。
【００９６】
実施例１では、転送トランジスタ５の転送ゲート電極１３には、転送トランジスタ５のオンとオフに対応した少なくとも２つの電圧が印加される。さらに、オンに対応する電圧とオフに対応する電圧との中間の電圧が印加されてもよい。あるいは、Ｎ型半導体領域１１とＦＤ１４との間のポテンシャルを一定に制御するように固定の電圧が印加されるのみでもよい。なお、転送トランジスタ５は必須の構成ではなく、必要に応じて省略される。転送トランジスタ５が省略される場合には、例えば変換部３のＮ型半導体領域１１が増幅トランジスタ６のゲート電極と接続される構成となっていればよい。この場合ＦＤ１４を省略してもよい。
【００９７】
ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５との電気的な接続は、例えば、金属配線、金属配線とＦＤ１４とを接続するコンタクトプラグ、及び金属配線とゲート電極１５とを接続するコンタクトプラグによって構成される。あるいは、ゲート電極１５とＦＤ１４とが直接接触していてもよい。または、ＦＤ１４とゲート電極１５との両方に接続される共通のコンタクトプラグによって、ＦＤ１４とゲート電極１５とが接続されてもよい。コンタクトプラグは例えばタングステンで構成される。
【００９８】
また、ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５との間の電気的経路にスイッチが配されてもよい。このような構成においては、ＦＤ１４が電子を一時的に保持することが可能となる。すなわち、ＦＤ１４が検出ユニットごとに配された電荷保持部として機能してもよい。
【００９９】
実施例１では、増幅トランジスタ６としてＭＯＳトランジスタが用いられた。しかし、増幅トランジスタとしては、バイポーラトランジスタ、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）などの各種の能動素子を用いることができる。また、実施例１では、増幅トランジスタ６はソースフォロア回路を構成する。しかし、増幅部はこのような構成に限られない。例えば、ＭＯＳトランジスタを用いた反転増幅回路、演算増幅器を用いたボルテージフォロアなどが用いられる。
【０１００】
図２において、選択トランジスタ９は、増幅トランジスタ６のソースと不図示の出力線との間の電気的経路に配された。しかし、選択トランジスタ９が増幅トランジスタ６のドレインと電源との間に配されてもよい。選択トランジスタ９が省略されてもよい。
【０１０１】
ＦＤ１４、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９は、複数の検出ユニット１で共有されてもよい。例えば、複数の検出ユニット１の変換部３のそれぞれに対して転送ゲート電極１３が配され、各変換部３の電子が独立に共通のＦＤ１４に転送される構成であってもよい。この場合、複数の検出ユニット毎に、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９が１つずつ配されればよい。複数の検出ユニットがこれらの素子を共有することによって、変換部３に対する回路部４の割合を小さくできる。そのため、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１０２】
軟Ｘ線を吸収する吸収部が、半導体基板２の軟Ｘ線の入射する主面とは反対側の主面に配されていてもよい。吸収部は半導体基板２を透過した軟Ｘ線を吸収することによって、半導体基板２を透過した軟Ｘ線が軟Ｘ線検出装置の他の部分に及ぼす可能性を低減することができる。
【０１０３】
図２において、分離部７がＳＴＩである例を説明した。しかし、分離部７はＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）分離であってもよい。ＳＴＩやＬＯＣＯＳ分離などで用いられる酸化膜の下部に、変換部の電荷が蓄積される領域とは反対導電型の半導体領域が配されてもよい。あるいは、分離部７は、酸化膜を用いないＰＮ接合分離であってもよい。また、これらの素子分離構造が併用されてもよい。
【０１０４】
ＰＮ接合分離が用いられる場合や、酸化膜の下部に反対導電型の半導体領域が配される場合、Ｎ型半導体領域１１に接するようにＰ型半導体領域が配される。この構成では、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域との両方にわたって空乏層が伸びる。Ｐ型半導体領域のうち、空乏層が生じる部分は変換部３の一部であると考えてもよい。つまり、ある場所で発生した電荷が所定の領域に収集されるならば、その場所は変換部３の一部であってもよい。
【０１０５】
変換部３の上に、特定の波長の電磁波を遮蔽するフィルターが配されてもよい。これによって、変換部３に主として検出したい波長帯の軟Ｘ線が入射するので、より高精度に軟Ｘ線を検出することができる。
【０１０６】
実施例１では、トランジスタのゲート電極が配された側の主面から変換部に軟Ｘ線が入射する構成について説明した。しかし、トランジスタのゲート電極が配された側の主面とは反対側から変換部に軟Ｘ線が入射する構成、いわゆる裏面照射型の構成でもよい。
【実施例２】
【０１０７】
本発明に係る第２の実施例の軟Ｘ線検出装置５００について図面を用いて説明する。図５は軟Ｘ線検出装置５００の平面構造を示す概略図である。実施例１とは、検出ユニット５０１における変換部５０３と回路部５０４との配置が異なる。そのほかの部分については、実施例１あるいは実施例１の変形例と同様であるため、説明を省略する。
【０１０８】
本実施例においては、検出ユニット５０１ｂ及び検出ユニット５０１ｃが並ぶ方向と、検出ユニット５０１ｅ及び検出ユニット５０１ｆが並ぶ方向とが、いずれも第１方向に沿った方向である。そして、検出ユニット５０１ｂと検出ユニット５０１ｃとは、互いに隣接して配されている。また、検出ユニット５０１ｅと検出ユニット５０１ｆとは、互いに隣接して配されている。
【０１０９】
さらに、検出ユニット５０１ｂ及び検出ユニット５０１ｅが並ぶ方向と、検出ユニット５０１ｃ及び検出ユニット５０１ｆが並ぶ方向とが、いずれも第２方向に沿った方向である。そして、検出ユニット５０１ｂと検出ユニット５０１ｅとは、互いに隣接して配されている。また、検出ユニット５０１ｃと検出ユニット５０１ｆとは、互いに隣接して配されている。
【０１１０】
第１方向と第２方向とは互いに交差する方向である。本実施例では、第１方向と第２方向とが直交しているが、必ずしも直交している必要はない。
【０１１１】
このように、本実施例では検出ユニット５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｅ、５０１ｆが２行２列の行列を構成している。そして、これらの検出ユニット５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｅ、５０１ｆの変換部５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｅ、５０３ｆの間には第１導電型のトランジスタが配されず、分離部が配されている。一方で、回路部５０４ｂ、５０４ｃ、５０４ｅ、５０４ｆは、２行２列に配された変換部５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｅ、５０３ｆをとり囲むように配される。
【０１１２】
そして、検出ユニット５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｅ、５０１ｆのように２行２列に配列された検出ユニットのブロックが、さらに複数繰り返し配されている。例えば、検出ユニット５０１ａ及び検出ユニット５０１ｄは、隣のブロックに属する検出ユニットである。
【０１１３】
以上に述べた通り、本実施例の軟Ｘ線検出装置５００では、互いに隣接する２行２列の変換部の間に第１導電型のトランジスタが配されず、分離部が配される。このような構成によれば、電荷発生領域５１２が４つの変換部５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｅ、５０３ｆにわたって広がる場合でも、各変換部から電子を読み出すことができる。これによって、ほとんどの電子を読み出すことが可能になるため、正確な軟Ｘ線検出が可能となる。
【０１１４】
また、回路部５０４の内部でのトランジスタの配置は特に限定されない。例えば、回路部５０４ｂに含まれるトランジスタのそれぞれと、隣接する検出ユニットに含まれるトランジスタのいずれかとが、第１の距離ｄより近接して配されてもよい。外側に回路部が配された検出ユニットのブロックが繰り返し配されるために、上述のトランジスタの配置が可能である。
【０１１５】
このような構成によれば、より多くのトランジスタが、別のトランジスタと第１の距離ｄよりも近接して配される。このため、上述の排出領域の重なりが大きくなり、結果として全体の排出領域の面積を小さくすることができる。つまり、図１２の第１の領域１２０１に相当する領域の面積の比率を大きくし、第２の領域１２０２に相当する領域の面積の比率を小さくすることができる。したがって、電荷が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線の検出の正確性を向上させることができる。
【実施例３】
【０１１６】
本発明に係る第３の実施例の軟Ｘ線装置６００について図面を用いて説明する。図６は軟Ｘ線検出装置６００の平面構造を示す概略図である。実施例１とは検出ユニット６０１における変換部６０３と回路部６０４との配置が異なる。そのほかの部分については、実施例１または実施例１の変形例と同様であるため、説明を省略する。
【０１１７】
本実施例においては、検出ユニット６０１ａ〜６０１ｃが並ぶ方向と、検出ユニット６０１ｄ〜６０１ｆが並ぶ方向と、検出ユニット６０１ｇ〜６０３ｉが並ぶ方向とが、いずれも第１方向に沿った方向である。そして、第１方向に沿って並んだ複数の検出ユニット６０１においては、隣接する２つの変換部６０３の間に、トランジスタが配されず、分離部が配されている。
【０１１８】
第１方向と交差する第２方向においては、検出ユニット６０１ｂの変換部６０３ｂと検出ユニット６０１ｈの変換部６０３ｈとの間に検出ユニット６０１ｅの変換部６０３ｅが配される。このうち、変換部６０３ｅと変換部６０３ｈとの間には、回路部６０４ｅ及び回路部６０４ｈが配される。一方、変換部６０３ｅと変換部６０３ｂとの間には、トランジスタが配されず、分離部が配されている。この点が、実施例１と相違する部分である。
【０１１９】
変換部６０３ａ、６０３ｄ、６０３ｇの間も、変換部６０３ｂ、６０３ｅ、６０３ｈと同様になっている。さらに、変換部６０３ｃ、６０３ｆ、６０３ｉの間も、変換部６０３ｂ、６０３ｅ、６０３ｈと同様になっている。
【０１２０】
つまり、本実施例では、行列を構成するように配された複数の検出ユニット６０１ａ〜６０１ｉにおいて、行ごと（あるいは列ごと）に変換部６０３と回路部６０４の位置関係が反対になっている。そのため、ある検出ユニットに対して第２方向において隣接する２つの検出ユニットについて、一方とは変換部６０３同士が近接して配され、他方とは回路部６０４同士が近接して配される。例えば、６０３ｂと６０３ｅとが近接して配され、回路部６０４ｅと６０４ｈとが近接して配される。
【０１２１】
このような構成によれば、電荷発生領域６１２が４つの変換部６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｅ、６０３ｆにわたって広がる場合でも、各変換部から電子を読み出すことができる。したがって、ほとんどの電子を読み出すことが可能になるため、正確な軟Ｘ線検出が可能となる。
【０１２２】
さらに、本実施例では回路部６０４同士が近接して配される。そのため、回路部６０４に配されたトランジスタは、いずれも隣接する検出ユニットのトランジスタと第１の距離ｄよりも近接して配されうる。このような構成によれば、上述の排出領域の面積を小さくすることができるため、電荷が排出される可能性を低くし、正確な軟Ｘ線の検出を行うことができる。
【実施例４】
【０１２３】
本発明に係る第４の実施例の軟Ｘ線検出装置７００について図面を用いて説明する。図７は軟Ｘ線検出装置７００の平面構造を示す概略図である。図６において、図１と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例では、軟Ｘ線を遮蔽する遮蔽部７０１が回路部４と重なるように配された点が、実施例１〜３とは異なる。そのほかの点は、実施例１〜３のいずれか、または実施例１の変形例と同様であるので説明は省略する。
【０１２４】
図７が示す通り、回路部４の上に遮蔽部７０１が配される。半導体基板２の主面に対して垂直な方向に遮蔽部７０１が射影された場合に、遮蔽部７０１の一部または全部が回路部４の一部または全部に射影される。つまり、遮蔽部７０１は回路部４の一部または全部と重なって配される。別の言い方をすれば、遮蔽部７０１が回路部４の一部または全部を覆っている。以下、特に断りがない限り、「２つの部材が重なって配される」とは、半導体基板２の主面に対して垂直な方向に一方の部材が射影された場合に、当該一方の部材の少なくとも一部が他方の部材の少なくとも一部の領域に射影されることを言う。このとき、２つの部材が接触していてもよい。あるいは、２つの部材の間に別の部材が配されていてもよい。なお、本明細書において、半導体基板２の主面は、例えば、半導体材料で形成される層と他の材料（例えば絶縁体）との界面である。
【０１２５】
図８は、図７の線ＣＤに沿った断面の概略図である。図２と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１２６】
遮蔽部７０１は、増幅トランジスタ６のゲート電極１５よりも上の層に配された部分を含む。検出ユニットがトランジスタを含む場合、当該トランジスタのゲート電極を含む配線層は導電部材のレイアウトが制約される場合がある。そのため、ゲート電極を含む配線層だけでは遮蔽性能を向上させることが困難な場合が多い。
【０１２７】
そこで、本実施例においては、ゲート電極が配された配線層よりも上の層において、回路部４を遮蔽する遮蔽部７０１が配される。これによって、軟Ｘ線に対する遮蔽性能を向上させることが可能となる。なお、ゲート電極を含む配線層より上の層とは、ゲート電極を含む配線層より、半導体基板からの距離が遠い層である。
【０１２８】
遮蔽部７０１は、回路部４に入射し得る軟Ｘ線の一部もしくは全部を遮蔽する。遮蔽部７０１が回路部４に入射し得る軟Ｘ線の全てを遮蔽する必要はない。遮蔽部７０１によって、回路部４に入射し得る軟Ｘ線の少なくとも一部が遮蔽されればよい。例えば、所定の割合の軟Ｘ線が遮蔽部７０１を透過してもよい。また、回路部４の一部が遮蔽部７０１によって覆われなくてもよい。
【０１２９】
遮蔽部７０１を透過しない軟Ｘ線は必ずしも遮蔽部７０１に吸収される必要はない。たとえば、軟Ｘ線の一部が散乱、回折、あるいは反射された結果、軟Ｘ線の回路部４への入射が抑制されればよい。また散乱や回折、反射等によって、軟Ｘ線が変換部３へ入射してもよい。
【０１３０】
好適には、遮蔽部７０１を構成する材料の軟Ｘ線に対する遮蔽係数は、アルミニウム及び銅の軟Ｘ線に対する遮蔽係数よりも高い。または、好適には、遮蔽部７０１を構成する材料は原子番号が７０以上の元素を含む。一般には原子番号が大きい元素ほど、軟Ｘ線に対する遮蔽能力が高くなるからである。
【０１３１】
遮蔽係数は例えば以下の方法で測定することができる。まず測定対象となる材料で所定の厚さの膜を形成する。この膜に所定の量（強度）の軟Ｘ線を照射する。膜を透過した軟Ｘ線の量（強度）を測定することによって、膜に遮蔽された軟Ｘ線の量を測定する。そして、照射した軟Ｘ線の量に対する遮蔽された軟Ｘ線の量の比を遮蔽係数とする。つまり、透過する軟Ｘ線の量が多い材料ほど遮蔽係数が低く、逆に透過する軟Ｘ線の量が少ない材料ほど遮蔽係数が高い。異なる材料の間で比較する場合には、同じ厚さの膜を形成して透過する軟Ｘ線の量を比較する。あるいは遮蔽された軟Ｘ線の量を膜の厚さで規格化して比較してもよい。なお、膜に遮蔽された軟Ｘ線とは、膜を透過しない軟Ｘ線のことである。例えば、膜が軟Ｘ線を吸収し、反射させ、回折させ、あるいは散乱させることによって、軟Ｘ線が膜を透過しないことが考えられる。
【０１３２】
本実施例における遮蔽部７０１の構造をより詳細に説明する。遮蔽部７０１は転送トランジスタ５及び増幅トランジスタ６と重なるように配される。遮蔽部７０１は増幅トランジスタ６のゲート電極１５よりも上の層に配される。遮蔽部７０１は回路部４に向かって照射された軟Ｘ線を遮蔽する。遮蔽部７０１を構成する材料はタンタルである。遮蔽部７０１の膜厚は０．５〜１．０マイクロメートルであることが好ましい。遮蔽部７０１の膜厚が０．５マイクロメートルより小さいと、遮蔽性能が十分に得られない可能性がある。一方、遮蔽部７０１の膜厚が１．０マイクロメートルより大きいと、強い応力が生じるために遮蔽部７０１を形成することが困難になる。もちろん、必要に応じて、遮蔽部７０１の膜厚が０．５〜１．０マイクロメートルの範囲以外の膜厚となっていてもよい。なお、遮蔽部７０１が必ずしも照射された軟Ｘ線の全部を遮蔽する必要はなく、回路部に入射しうる軟Ｘ線の量を低減すればよい。
【０１３３】
続いて遮蔽部７０１を構成する材料の遮蔽性能について説明する。例としてタンタルとアルミニウムとの間で軟Ｘ線の透過率を比較する。１０ｋｅＶ以下のエネルギーの軟Ｘ線に対しては、アルミニウムの単位厚さあたりの透過率に対する、タンタルの単位厚さあたりの透過率の比が１００％よりも小さい。つまり、１０ｋｅＶ以下のエネルギーの軟Ｘ線に対しては、タンタルの透過率のほうがアルミニウムの透過率よりも低い。これは、タンタルの遮蔽係数がアルミニウムの遮蔽係数よりも高いことを示している。また、タンタルの遮蔽係数は銅の遮蔽係数よりも高い。タンタルのように、軟Ｘ線に対する遮蔽係数がアルミニウム及び銅よりも高い材料で遮蔽部７０１を構成することによって、軟Ｘ線に対して回路部４を十分に遮蔽することができる。
【０１３４】
特に、５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対するタンタルの遮蔽係数は、アルミニウムの遮蔽係数の２倍以上である。例えば、５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対して同等の遮蔽性能を得るために、タンタルで構成される遮蔽部７０１の厚さはアルミニウムで構成される場合に比べて半分でよい。遮蔽部７０１が厚いと大きな応力が生じるので、装置の信頼性が低下する可能性がある。したがって、遮蔽部７０１がアルミニウムに比べて遮蔽係数が高い材料で構成されることは、遮蔽性能と信頼性のバランスを最適化する上で有利である。
【０１３５】
遮蔽部７０１を構成する材料は、タンタルに限られない。遮蔽部７０１を構成する材料は、軟Ｘ線に対する遮蔽係数がアルミニウム及び銅よりも高い材料であれば好ましい。もしくは、遮蔽部７０１を構成する材料は、原子番号７０以上の元素であれば好ましい。半導体プロセスとの整合性を考慮すると、タンタル、タングステン、金などが挙げられる。または、タンタル、タングステン、または金が主成分となっている合金であってもよい。もちろん半導体プロセスとの整合性の面では、アルミニウムや銅で遮蔽部７０１を構成してもよい。なお、本明細書において、主成分とは化合物あるいは混合物に含まれる成分のうち組成比あるいは構成比が最も多い成分である。
【０１３６】
また、遮蔽部７０１は単層である必要はない。間にシリコン酸化膜等の絶縁膜を挟んだ多層構成でも構わない。多層構造の場合、応力を下げるために各層の膜厚を小さくしても高い遮蔽性能を達成できる。多層構造の場合に、回路部４の一部の上には第１層の遮蔽部７０１が配され、第１層とは別の第２層の遮蔽部７０１は配されず、一方で、回路部４の別の一部の上には第２層の遮蔽部７０１が配される構造でもよい。このように層ごとに回路部４の遮蔽される領域が異なることで、レイアウトの自由度が向上する。また、遮蔽部７０１を構成する材料が導電体である場合には、遮蔽部７０１が配線の機能を備えていてもよい。例えば、遮蔽部７０１が各トランジスタを接続したり、半導体基板２や回路部４に電源を供給したりしてもよい。
【０１３７】
図７において、遮蔽部７０１は回路部４の全部の領域に重なって配されている。しかし、遮蔽部７０１が回路部４の一部の領域だけの上に配されていてもよい。つまり、回路部４のうち、一部の領域の上には回路部４が配されていなくてもよい。例えば、遮蔽部７０１が、転送ゲート電極１３及びＦＤ１４の上には配されていなくてもよい。または、遮蔽部７０１が変換部３に隣接する分離部７の上には配されていなくてもよい。あるいは、遮蔽部７０１は増幅トランジスタ６のみを覆うように配されていてもよい。または、遮蔽部７０１はリセットトランジスタ８のみを覆うように配されていてもよい。
【０１３８】
遮蔽部７０１は回路部４のより多くの部分と重なって配されると、より正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。遮蔽部７０１が回路部４の全部と重なって配される場合には、さらに正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。
【０１３９】
また、回路部４のうち変換部３に近い領域の上にのみ遮蔽部７０１が配されていてもよい。回路部４のなかでも特に変換部３に近い領域と重なって遮蔽部７０１が配されていれば、正確性を十分に向上させることができる。これは、変換部３に近い領域に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子の一部が変換部３に収集され、他の一部が排出される可能性が高いからである。
【０１４０】
回路部４のなかでも変換部３から遠い領域の上には、遮蔽部７０１が配されなくてもよい。変換部３から遠い領域に軟Ｘ線が入射した場合には、発生したすべての電荷が排出される可能性が高いからである。具体的には、変換部３の端から１マイクロメートル以上離れた領域の上には、遮蔽部７０１が配されていなくてもよい。この理由は、変換部３の端から１マイクロメートル以上離れた領域で電子が発生したとしても、その電子が変換部３に収集される可能性はほとんどないからである。例えば、回路部４のうち変換部３から所定の距離より遠い領域の上に遮蔽部７０１を配さないことによって、配線やコンタクトプラグのレイアウトの自由度を向上させてもよい。
【０１４１】
回路部４に配される素子によって、遮蔽されたほうが良い素子と、遮蔽が必要でない素子を区別してもよい。例えば、電荷が排出されてしまう領域、及びその近傍の領域の上に、遮蔽部７０１が配されると、より正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。このような領域には電源部や電源部と電気的に接続された半導体領域などが挙げられる。一方で、電荷が蓄積される領域の上には遮蔽部７０１が配されなくてもよい。例えばＦＤや容量素子の上には遮蔽部７０１が配されなくてもよい。
【０１４２】
従来のＣＣＤ型の軟Ｘ線用撮像装置は検出ユニットに回路部を有していないため、増幅部を含む回路部の遮光構造については検討されていない。上述のように、検出ユニットが増幅部を含む場合の遮蔽構造を工夫することによって、より正確な軟Ｘ線検出を可能にすることができる。
【０１４３】
図７では省略されているが、遮蔽部７０１とは別に複数の配線層が配されてもよい。各配線層には各トランジスタやＦＤ１４を接続するための導電部材、電源電圧やグラウンド電圧を供給するための導電部材が配される。導電部材は、例えばアルミニウムや銅で形成される。特に、導電部材には遮蔽部７０１を構成する材料よりも電気伝導度の高い材料が用いられてもよい。アルミニウムや銅はタンタルに比べて電気伝導度が高い。複数の配線層の間には、層間絶縁膜が配される。層間絶縁膜によって複数の配線層に配された導電部材が互いに絶縁される。導電部材と層間絶縁膜の間には、必要に応じてバリアメタルとして機能する導電体が配されうる。バリアメタルにはチタンやチタン合金、タンタルやタンタル合金、チタンやチタン合金が用いられる。遮蔽部７０１とバリアメタルとに同じ材料（例えばタンタル）が用いられる場合、遮蔽部７０１がバリアメタルより厚いほうがよい。
【０１４４】
遮蔽部７０１を配線として用いることもできる。つまり、遮蔽部７０１が信号を伝達してもよいし、電源電圧を供給してもよい。このように配線が遮蔽部７０１の機能を兼ねる場合には、当該配線が他の配線を構成する材料よりも軟Ｘ線の遮蔽性能の高い材料を含んで構成されることが好ましい。あるいは、遮蔽部７０１の機能を兼ねる配線の厚さを、他の配線より厚くすることが好ましい。
【０１４５】
遮蔽部７０１の効果について、図１２を用いて説明する。図１２（ｃ）には、本実施例の画素ユニットが示されている。図１２（ｃ）に示された遮蔽部１２０５が図７の遮蔽部７０１に相当する。遮蔽部１２０５は、第１の領域１２０１に対応した位置に開口１２０４を有する。
【０１４６】
この軟Ｘ線検出装置で１０００回の軟Ｘ線検出を行うと、約１００回の検出においては、軟Ｘ線が第１の領域１２０１に入射する。そして、約９００回の検出においては、軟Ｘ線が入射したことが検出されない。これは、第１の領域１２０１以外の領域に入射しうる軟Ｘ線が、遮蔽部１２０５によって遮蔽されるからである。この結果、信号が出力される確率は小さくなる。しかし、出力された信号のほとんどが、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映した信号である。したがって、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。
【０１４７】
図１２（ｃ）では、第２の領域１２０２はすべての領域が遮蔽部１２０５に覆われている。このような構成においては本発明の効果が高い。しかし、第２の領域１２０２の一部の領域は、遮蔽部１２０５に囲まれていなくてもよい。例えば、第２の領域１２０２のうち変換部３は遮蔽部１２０５に覆われていなくても効果を得ることができる。これは、第２の領域１２０２であっても変換部３の中心に近い場所に軟Ｘ線が入射すれば、発生した電子のほとんどを変換部３に収集し、信号として読み出すことが可能だからである。排出された電子の分だけ、得られる測定結果は実際に入射した軟Ｘ線のエネルギーとは異なる。それでも、この差が誤差として許容可能な範囲内であれば、電荷の一部が排出されてもよい。つまり、遮蔽部１２０５を配する領域は、軟Ｘ線検出装置に求められる性能に応じて適宜選択すればよい。なお、第３の領域１２０３と重なる位置には、遮蔽部１２０５が配されていなくてもよい。
【０１４８】
遮蔽部７０１による効果を説明するための比較例として、軟Ｘ線が半導体基板２の全面に一様に照射される軟Ｘ線検出装置を考える。比較例の軟Ｘ線装置では、変換部３に入射した軟Ｘ線８０１に基づく信号、すなわち軟Ｘ線のエネルギーが正確に反映された信号と、回路部４に入射した軟Ｘ線８０３に基づく信号、すなわち軟Ｘ線のエネルギーが正確に反映されていない信号とが出力される。前述の２つの信号の統計的な割合は、変換部３と回路部４との面積の比やレイアウトに基づいて決まる。検出ユニットごとに増幅トランジスタ６が配される軟Ｘ線検出装置では、回路部４の面積をゼロにすることは困難である。また、先に説明したが、出力された信号からは、変換部３に入射した軟Ｘ線８０１に基づく信号であるか、回路部４に入射した軟Ｘ線８０３に基づく信号であるかを判定することは困難である。
【０１４９】
まとめると、軟Ｘ線検出装置においては、軟Ｘ線が入射した位置に応じて、軟Ｘ線の情報が正確に反映された信号と、正確に反映されていない信号が出力されうる。本実施例の構成によれば、このうち、軟Ｘ線の情報が正確に反映された信号が出力される割合を増やすことができる。結果として、軟Ｘ線の検出の正確性をさらに高めることが可能となる。
【０１５０】
また、アルミニウム及び銅と比べて遮蔽係数の高い材料で遮蔽部７０１を構成することによって、正確な軟Ｘ線の検出を行うことが可能となる。また、原子番号が７０以上の材料であれば、遮蔽部７０１の材料として十分な程度の遮蔽係数を有している。したがって、原子番号が７０以上の材料で遮蔽部７０１を構成することによって、正確な軟Ｘ線の検出を行うことが可能となる。
【０１５１】
なお、図７では図１と同様のレイアウトが示されている。しかし、遮蔽部７０１を実施例２（図５）や実施例３（図６）の構成に適用することもできる。
【実施例５】
【０１５２】
本発明に係る第５の実施例の軟Ｘ線検出装置９００について説明する。図９は軟Ｘ線検出装置９００の検出ユニット１の平面構造を示す概略図である。図７（実施例４）と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例５では、遮蔽部９０１の配置が実施例４とは異なっている。以下では、実施例４と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例４と共通の構成とすることができる。
【０１５３】
実施例５では、遮蔽部９０１の一部が変換部３の上に配される。以下の説明では、遮蔽部９０１について、変換部３の上に配された部分を第１部分９０１ａ、回路部４の上に配された部分を第２部分９０２ｂと呼ぶ。
【０１５４】
第１部分９０１ａは変換部３のうち回路部４に近い領域の上に配される。第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとは連続して配されてもよい。つまり、１つの層として配された遮蔽部９０１が、回路部４の上から変換部３の上にまで延在していてもよい。平面で見たときに、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとの間で変換部３または回路部４が露出している領域をなくすことができるので、遮蔽性能が高くなる。
【０１５５】
あるいは、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとが別の層として配されていてもよい。つまり、半導体基板２の表面から第１部分９０１ａまでの距離と、該表面から第２部分９０１ｂまでの距離が異なっていてもよい。この場合に、第１部分９０１ａ及び第２部分９０１ｂが、互いに重なるように延在していてもよい。平面で見たときに、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとの間で変換部３または回路部４が露出している領域をなくすことができるので、遮蔽性能が高くなる。
【０１５６】
また、別の層に配された第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとを接続する部分が、遮蔽部９０１に含まれてもよい。これによって、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとが重なっていなくても、遮蔽性能を高めることができる。もちろん、第１部分９０１ａと第２部分９０１ｂとが互いに分離されていてもよい。
【０１５７】
図９が示す通り、変換部３のうち、変換部３と回路部４との境界から第３の距離Ｌ以内の領域は、全て第１部分９０１ａで覆われてもよい。あるいは、回路部４のトランジスタの配された領域から第３の距離Ｌ以内の領域がすべて第１部分９０１ａで覆われていてもよい。
【０１５８】
変換部３のうち、境界から第３の距離Ｌより離れた領域の上には、遮蔽部９０１が全く配されていなくてもよいし、一部に遮蔽部９０１の第１部分９０１ａが配されてもよい。
【０１５９】
次に本実施例の効果について説明する。本実施例では、変換部３のうち変換部３と回路部４との境界から第３の距離Ｌ以内の領域に、遮蔽部９０１の第１部分９０１ａが配される。これによって、境界付近に入射する軟Ｘ線を遮蔽することができる。結果として、電荷発生領域が回路部にまで広がる位置に軟Ｘ線が入射する可能性を低減することができる。入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合が減少するので、より正確に軟Ｘ線を検出することが可能となる。
【０１６０】
さらに、変換部３のうち変換部３と回路部４との境界から第３の距離Ｌ以内の全ての領域の上に第１部分９０１ａが配されれば、変換部３に入射した軟Ｘ線６０２によって発生する電子をほぼすべて収集することが可能になる。つまり、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合をさらに低減することができる。このように、変換部３の上に遮蔽部９０１を配することによって、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１６１】
第３の距離Ｌは必要に応じて設定すればよい。例えば、検出したいエネルギーの軟Ｘ線が半導体基板２に入射したときの電荷発生領域のサイズに基づいて、第３の距離Ｌを決定することができる。第３の距離Ｌが電荷発生領域の平均的な半径よりも大きければ、高い遮蔽性能が期待される。具体的には、電荷発生領域を包含する最小の球を想定し、その球の半径よりも大きいＬを設定するとよい。
【０１６２】
あるいは、変換部３のサイズに基づいて第３の距離Ｌを決定してもよい。変換部３のサイズに対して第３の距離Ｌを小さくすれば、感度を落とすことがない。第３の距離Ｌが大きいと回路部４への電子の排出を抑制する効果が高くなるが、同時に軟Ｘ線が変換部３に入射する確率も下がる。つまり、軟Ｘ線検出の感度と正確性とはトレードオフの関係にある。したがって、必要とされる性能に応じて、第３の距離Ｌは適宜設定される。具体例として、検出する軟Ｘ線のエネルギーが１０ｋｅＶ以下であって、検出ユニットサイズが約１０マイクロメートルの場合、第３の距離Ｌは０．１〜２．０マイクロメートルの範囲であればよい。必要に応じて、第３の距離Ｌがこの範囲以外の値であってもよい。
【０１６３】
あるいは、第３の距離Ｌ（マイクロメートル）が以下の式（３）によってあらわされてもよい。ただし、Ｅ（ｋｅＶ）は入射する軟Ｘ線のエネルギーである。
【０１６４】
【数３】
【０１６５】
なお、境界から第３の距離Ｌ以内の領域の上に、遮蔽部９０１が配されていなくてもよい。変換部３のどの領域の上に第１部分９０１ａを配するかは、必要に応じて変更することができる。
【０１６６】
本実施例では、Ｎ型半導体領域１１と重なるように遮蔽部９０１が配された。しかし、実施例１の変形例で説明したように、Ｎ型半導体領域１１と平面方向に隣接するＰ型半導体領域のうち、空乏層が生じる部分が変換部３の一部であってもよい。このような場合、必ずしもＮ型半導体領域１１と重なるように遮蔽部９０１を配さなくても、第３の距離Ｌ以内の領域と重なるように遮蔽部９０１を配することができる。
【０１６７】
本実施例の検出ユニット１の等価回路、平面構造、及び断面構造は、実施例１〜３の検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例６】
【０１６８】
本発明に係る第６の実施例の軟Ｘ線検出装置１０００について説明する。図１０は軟Ｘ線検出装置１０００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図２（実施例１）と同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例６の検出ユニット１の平面構造は例えば実施例１と同様であり、図６は図１の線ＡＢに沿った断面に相当する。
【０１６９】
実施例６では、半導体基板１００１内部の構造が実施例１〜５とは異なっている。以下では、実施例１〜５と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１〜５のいずれかと共通の構成とすることができる。
【０１７０】
本実施例では半導体基板１００１がＮ型のシリコン基板である。半導体基板１００１に、Ｐ型ウェル１００２が配される。Ｐ型ウェル１００２は、変換部３に配された第１ウェル１００２ａと回路部４に配された第２ウェル１００２ｂとを含む。変換部３を構成するＮ型半導体領域１１、Ｐ型半導体領域１２は第１ウェル１００２ａの内部に配される。Ｎ型半導体領域１１は第１ウェル１００２ａとＰＮ接合を構成する。つまり、Ｐ型半導体領域１２、Ｎ型半導体領域１１、第１ウェル１００２ａが埋め込み型のフォトダイオードを構成している。転送トランジスタ５、増幅トランジスタ６の各半導体領域は第２ウェル１００２ｂに配される。なお、便宜的に第１ウェル１００２ａ及び第２ウェル１００２ｂという二つのウェルについて説明したが、実際には両者が１つの半導体領域であってもよい。もちろん、２つの半導体領域が第１ウェル１００２ａ及び第２ウェル１００２ｂに対応していてもよい。
【０１７１】
本実施例の１つめの特徴は、各半導体領域が配されたＰ型ウェル１００２の下に、反対導電型であるＮ型の半導体領域（半導体基板１００１）が配されたことである。２つめの特徴は、第１ウェル１００２ａの下端が第２ウェル１００２ｂの下端よりも深い位置にあることである。本明細書においては、転送ゲート電極１３や、増幅トランジスタ６のゲート電極１５が配された側の主面８１０が深さの基準である。半導体基板内部であって、当該主面８１０に近いほうが浅く、当該主面８１０から遠いほうが深い。上下については、半導体基板内部であって、当該主面８１０に近いほうが上、当該主面８１０から遠いほうが下とする。また、半導体領域の下端とはＰ型ウェル１００２と半導体基板１００１とのＰＮ接合面としてよい。
【０１７２】
このようなＰ型ウェル１００２の製造方法について簡単に説明する。まずＮ型の半導体基板１００１を用意する。次に、第１ウェル１００２ａに対応する位置に開口を有する第１マスクを形成する。第１マスクを用いたイオン注入により第１ウェル１００２ａを形成する。続いて、第２ウェル１００２ｂに対応する位置に開口を有する第２マスクを形成する。第２マスクを用いたイオン注入により第２ウェル１００２ｂを形成する。イオン注入のエネルギーを変えることで、下端の深さが異なる第１ウェル１００２ａ及び第２ウェル１００２ｂを形成することができる。
【０１７３】
別の形成方法としては、Ｎ型の半導体基板１００１を用意し、Ｐ型ウェル１００２が配される領域の全面に同じ深さのＰ型半導体領域を形成する。そして、第１ウェル１００２ａに対応する領域にだけ、最初に形成したＰ型半導体領域よりも深い位置にＰ型半導体領域を形成するためのイオン注入を行う。あるいは、第２ウェル１００２ｂに対応する領域にだけ、カウンターでＮ型の不純物（ドナー）をイオン注入する。なお、これらの方法は一例であり、Ｐ型ウェル１００２を形成するために他の公知の方法を用いてもよい。
【０１７４】
次に本実施例の効果について説明する。本実施例においては、Ｐ型ウェル１００２の下部に、Ｎ型の半導体基板１００１が配される。そのため、Ｐ型ウェル１００２と半導体基板１００１との境界付近では、電子がＰ型ウェル１００２から半導体基板１００１に向かうようなポテンシャル勾配が形成される。つまり、Ｐ型ウェル１００２は半導体基板１００１にある電子にとってのポテンシャル障壁となりうる。
【０１７５】
回路部４が遮蔽部７０１で覆われていても、例えば斜めに入射する軟Ｘ線１００３が回路部４に入射し、回路部４で複数の電子が発生することが考えられる。つまり、回路部４が遮蔽部７０１で覆われていても、回路部４に近い領域が電荷発生領域１００４に含まれる場合がある。本実施例の構造によれば、第２ウェル１００２ｂの下端近傍や下端よりも深い位置で発生した電子は、ポテンシャル障壁のために変換部３に収集される可能性が低い。また、回路部４の第２ウェル１００２ｂの下端は、浅い位置にある。そのため、回路部４の第２ウェル１００２ｂの下端よりも浅い領域で発生した電子は、近くの電源部などに排出されやすい。つまり、回路部４で発生した電子は、いずれも変換部３に収集されることなく、電源部などに排出されやすいのである。一方、変換部３においては、第１ウェル１００２ａの下端が深い位置にある。そのため、変換部３で発生した電子は半導体基板１００１に排出されにくい。
【０１７６】
先述の通り、発生した電子の一部が変換部３に収集され、他の一部が別の場所に排出されると、軟Ｘ線のエネルギーを反映していない信号が出力されうる。発生した電子の全てを読み出すか、あるいは発生した電子の全てが排出されることで、エネルギーを正確に反映した信号を得ることができる。本実施例の構成によれば、変換部３に軟Ｘ線が入射した場合には、発生した電子の全てが変換部３に収集される可能性を高くすることができる。そして、回路部４に軟Ｘ線が入射した場合には、発生した電子の全てが排出される可能性を高くすることができる。したがって、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１７７】
なお、本実施例の検出ユニット１の等価回路及び平面構造は、実施例１〜５のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例７】
【０１７８】
本発明に係る第７の実施例の軟Ｘ線検出装置１３００について説明する。図１３は軟Ｘ線検出装置１３００の検出ユニットの平面構造を示す概略図である。実施例１〜６のいずれかと同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１７９】
本実施例における特徴部分は、第１検出ユニットに含まれる変換部３が、第１検出ユニットに隣接する第２検出ユニットの回路部４に含まれる第１導電型のトランジスタから第２の距離ｒよりも離間して配されたことである。
【０１８０】
図１３においては、３行３列に配置された９つの検出ユニットが示されている。それぞれの検出ユニットにおいて、変換部３、回路部４、転送ゲート電極１３、ＦＤ１４が示されている。回路部４には増幅トランジスタなどの第１導電型のトランジスタが配される。また、変換部３や回路部４に含まれるトランジスタを電気的に分離する分離部７が配されている。
【０１８１】
図１３が示すように、検出ユニット１ｂに含まれる変換部３ｂは、隣接する検出ユニット１ａの回路部４ａに配された第１導電型のトランジスタから第２の距離ｒよりも離間して配されている。さらに、変換部３ｂは、別の隣接する検出ユニット１ｃの回路部４ｃに配された第１導電型のトランジスタからも第２の距離ｒより離間して配されている。
【０１８２】
第２の距離ｒは、例えば電荷発生領域を内包する最小の球の半径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、第２の距離ｒは０．５マイクロメートルとすることができる。あるいは、第２の距離ｒが式（４）で表される距離であってもよい（Ｌの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（単位はｋｅＶ）。なお、式（４）は上述の式（２）と同じ式である。
【０１８３】
【数４】
【０１８４】
検出ユニット１は、転送トランジスタを含んでいてもよい。本実施例では、転送ゲート電極１３及びＦＤ１４が転送トランジスタを構成している。回路部４には、転送トランジスタを除くトランジスタが配されている。つまり、変換部３は同じ検出ユニットに含まれる複数の第１導電型のトランジスタのうち、転送トランジスタを除くすべてのトランジスタから、第２の距離ｒより離間して配されてもよい。あるいは、本実施例においては、変換部３ｂが、同じ検出ユニット１ｂの回路部４ｂに含まれるすべての第１導電型のトランジスタから第２の距離ｒより離間して配されてもよい。
【０１８５】
以上に述べたように、変換部３が電荷の排出部となりうる第１導電型のトランジスタから離間して配置される。このような構成によれば、変換部３のうち排出領域となる部分の面積を小さくすることができる。したがって、発生した電荷の一部が排出される確率を低減することが可能となり、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることができる。
【０１８６】
さらに、同じ検出ユニット内の変換部３と回路部４との間の領域に重なるように遮蔽部を設けてもよい。このような構成によれば、さらに軟Ｘ線検出の正確性を向上させることができる。
【０１８７】
なお、本実施例の検出ユニット１の等価回路及び断面構造は、実施例１〜６のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例８】
【０１８８】
本発明に係る第８の実施例の軟Ｘ線検出装置１４００について説明する。図１４は軟Ｘ線検出装置１４００の検出ユニットの平面構造を示す概略図である。実施例１〜７のいずれかと同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１８９】
本実施例では、隣接する変換部３の間にはいずれも第１導電型のトランジスタが配される。それらのトランジスタが隣接する検出ユニットのトランジスタと近接して配されることが特徴である。
【０１９０】
図１には６つの検出ユニット１ａ〜１ｆが示されている。このうち、検出ユニット１ｂを例に本実施例の平面構造について説明する。検出ユニット１ｂは変換部３と回路部１４０１〜１４０４を有する。変換部３は第１導電型の半導体領域を含む。また、回路部１４０１〜１４０４のそれぞれが、第１導電型のトランジスタを含む。
【０１９１】
回路部１４０１〜１４０４のそれぞれに含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニットのトランジスタとの位置関係は以下の通りである。回路部１４０１に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ａに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。また、回路部１４０１に含まれるトランジスタが、不図示の隣接する検出ユニットに含まれるトランジスタと、第１の距離ｄより近接して配されてもよい。
【０１９２】
同様に、回路部１４０２に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ｃに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。また、回路部１４０２に含まれるトランジスタが、不図示の隣接する検出ユニットに含まれるトランジスタと、第１の距離ｄより近接して配されてもよい。
【０１９３】
回路部１４０３に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ａに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。また、回路部１４０３に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ｅに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。
【０１９４】
回路部１４０４に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ｃに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。また、回路部１４０４に含まれるトランジスタと、隣接する検出ユニット１ｅに含まれるトランジスタとが第１の距離ｄよりも近接して配される。
【０１９５】
回路部１４０１〜１４０４は、いずれも二つの変換部３の間に配されている。このように、本実施例では変換部の間に配されたトランジスタは、いずれも隣接する検出ユニットのトランジスタについて第１の距離ｄよりも近接して配される。
【０１９６】
第１の距離ｄは、１つの軟Ｘ線のフォトンが入射したことによって電子が発生する領域のサイズに基づいて決定される距離である。第１の距離ｄは、例えば１つの軟Ｘ線のフォトンが半導体基板に入射したことによって電子が発生する領域を内包する最小の球の直径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、第１の距離ｄは１マイクロメートルとすることができる。あるいは、第１の距離ｄが下記の式（４）を満たすものであってもよい（ｄの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（Ｅの単位はｋｅＶ）。なお、式（５）は上述の式（１）と同じ式である。
【０１９７】
【数５】
【０１９８】
なお、図１４では、変換部３ｂと、変換部３ｂに隣接するすべての変換部３との間に第１導電型のトランジスタが配されている。しかし、図１や図５、図６に示される通り、隣接する変換部３の間に第１導電型のトランジスタが配されていなくてもよい。
【０１９９】
本実施例の軟Ｘ線検出装置１４００は、図１４が示す通り、互いに隣接する２つの検出ユニット１ａ、１ｂにおいて、一方の検出ユニット１ａに含まれる第１導電型のトランジスタと、他方の検出ユニット１ｂに含まれる第１導電型のトランジスタとが、第１の距離ｄよりも近接して配される。このような構成によれば、排出領域（図１２の第２の領域１２０２に対応する領域）の面積を低減することができる。したがって、電荷が排出される可能性を低減することができるので、軟Ｘ線の検出の正確性が向上する。
【０２００】
本実施例の検出ユニット１の等価回路及び断面構造は、実施例１〜７のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例９】
【０２０１】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置を含む軟Ｘ線撮像システムの実施例について図１１を用いて説明する。本実施例の軟Ｘ線撮像システムは、実施例１〜７の軟Ｘ線検出装置１００、５００、６００、７００、９００、１０００、１３００のいずれかを有する。軟Ｘ線撮像システムは、さらに軟Ｘ線検出装置からの信号を処理する信号処理回路１１０１、軟Ｘ線検出装置を駆動するための駆動回路１１０２を有する。信号処理回路１１０１や駆動回路１１０２には固体撮像装置に適用しうる公知の回路を用いることができる。信号処理回路１１０１の一部または全部、及び駆動回路１１０２の一部または全部が１つの半導体基板に配されてもよい。あるいは、信号処理回路１１０１、または駆動回路１１０２が、軟Ｘ線検出装置の有する半導体基板とは別の半導体基板に配されてもよい。
【０２０２】
また、軟Ｘ線撮像システムは、推進装置を備えていてもよい。例えば、推進装置は衛星軌道上に配された軟Ｘ線検出システムの位置を制御するものである。あるいは、推進装置は地球の地表から衛星軌道上に軟Ｘ線検出システムを移動させるためのロケットエンジンであってもよい。これらの推進装置は着脱可能であってもよい。
【０２０３】
このような軟Ｘ線撮像システムの駆動方法の例について説明する。軟Ｘ線のエネルギーを測定する目的の場合には、１回の蓄積期間に１つの検出ユニットに入射するフォトンの平均数が１以下になるように、駆動回路１１０２が軟Ｘ線検出装置を駆動する。つまり、入射する軟Ｘ線の量に基づいて、十分に短い蓄積期間を設定すればよい。具体的には、軟Ｘ線の量はあるユニット面積においてユニット時間あたりに照射されるフォトンの数で表される。そこで、検出ユニットの面積から、ユニット時間あたりに１つの検出ユニットに照射されるフォトンの数を計算すれば、蓄積期間をいくつに設定すればよいか決定することができる。そして１回の蓄積動作を行ったあとに軟Ｘ線検出装置が信号電荷を信号として出力し、信号処理回路１１０１が画像を作成する。この画像は、各検出ユニットに入射した軟Ｘ線のエネルギーを２次元平面にマッピングしたものであってもよい。
【０２０４】
さらに、入射する軟Ｘ線の量（強度）、つまり、フォトンの数を検出する場合には、上述の蓄積動作を複数回繰り返して、蓄積のたびに信号を読み出せばよい。例えば、地球の衛星軌道上で太陽が発する軟Ｘ線を検出すると、軟Ｘ線検出装置の１つの検出ユニットに毎秒数百個のフォトンが入射する場合がある。これらのフォトンの数とエネルギーを測定するためには、１秒間に数百〜数千枚の画像を撮像し、読み出す必要がある。ＣＣＤ型の軟Ｘ線検出装置でこのような高速の読み出しを行うためには、検出ユニット数を減らして解像度を犠牲にする必要がある。これに対して、本発明に係る軟Ｘ線検出装置は検出ユニットに増幅部を有するので、解像度を犠牲にすることなく高速の撮影を行うことが可能である。
【符号の説明】
【０２０５】
１ 検出ユニット
２ 半導体基板
３ 変換部
４ 回路部
６ 増幅トランジスタ
７ 分離部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記複数の検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、
前記半導体領域のうち隣接して配された二つの半導体領域の間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記二つの半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項２】
半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記複数の検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、
前記半導体領域は、第１方向に沿って並んだ少なくとも三つの半導体領域と、前記少なくとも三つの半導体領域とは別の第１半導体領域及び第２半導体領域とを含み、
前記少なくとも三つの半導体領域のそれぞれの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記少なくとも三つの半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配され、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に、前記少なくとも三つの半導体領域のうちの一つが配され、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、いずれも前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つと隣接して配され、
前記第１半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配され、
前記第２半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型の別のトランジスタが配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項３】
半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記複数の検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、
前記半導体領域は、第１方向に沿って並んだ少なくとも三つの半導体領域と、前記少なくとも三つの半導体領域とは別の第１半導体領域及び第２半導体領域とを含み、
前記少なくとも三つの半導体領域のそれぞれの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記少なくとも三つの半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配され、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に、前記少なくとも三つの半導体領域のうちの一つが配され、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、いずれも前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つと隣接して配され、
前記第１半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記第１半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとを電気的に分離する第２分離部が配され、
前記第２半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項４】
前記第１半導体領域、前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つ、及び前記第２半導体領域が、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並ぶことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項５】
半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記複数の検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、
前記半導体領域は、第１半導体領域、第２半導体領域、第３半導体領域、及び第４半導体領域を含み、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、第１方向に沿って配され、
前記第３半導体領域及び前記第４半導体領域は、前記第１方向と平行な第２方向に沿って配され、
前記第１半導体領域及び前記第３半導体領域は、前記第１方向とは交差する第３方向に沿って配され、
前記第２半導体領域及び前記第４半導体領域は、前記第３方向と平行な第４方向に沿って配され、
前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第４半導体領域のそれぞれの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第４半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配され、
前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第４半導体が１つのブロックを構成し、当該ブロックと、当該ブロックを構成する半導体領域とは別の半導体領域との間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項６】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかと、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかとが、第１距離よりも近接して配され、
前記第１距離は、前記軟Ｘ線のフォトンの一つが前記半導体基板に入射したときに、電荷が発生する領域を包含する最小の球の直径であることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項７】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記複数のトランジスタのいずれかと、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数のトランジスタのいずれかとが、第１距離よりも近接して配され、
前記第１距離は、前記軟Ｘ線のエネルギーをＥ（ｋｅＶ）としたときに、以下の式で表されるｄ（マイクロメートル）であることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【数１】
【請求項８】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかと、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかとが、第１距離よりも近接して配され、
前記第１距離は、１マイクロメートルであることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項９】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも、第２距離より離間して配され、
前記第２距離は、前記軟Ｘ線のフォトンの一つが前記半導体基板に入射したときに、電荷が発生する領域を包含する最小の球の半径であることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項１０】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも、第２距離より離間して配され、
前記第２距離は、前記軟Ｘ線のエネルギーをＥ（ｋｅＶ）としたときに、以下の式で表されるｒ（マイクロメートル）であることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【数２】
【請求項１１】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも、第２距離より離間して配され、
前記第２距離は、０．５マイクロメートルであることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項１２】
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第１検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのうち転送トランジスタを除くいずれからも、前記第２距離より離間して配されたことを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１３】
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域と、前記第２検出ユニットに含まれる前記半導体領域との間に、第１分離部が配されたことを特徴とする請求項９乃至請求項１２のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１４】
前記軟Ｘ線検出装置は、前記半導体基板に入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部をさらに備え、
前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板への射影が前記複数の第１導電型のトランジスタの少なくとも一部と重なるように、前記遮蔽部が配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１５】
前記半導体領域は前記軟Ｘ線を前記電荷に変換する変換部であり、
前記遮蔽部の別の一部の前記半導体基板への射影が、前記半導体領域の一部であって、前記複数のトランジスタからの距離が第３距離以内の領域の全部と重なるように、前記遮蔽部が配され、
前記第３距離は、前記軟Ｘ線のエネルギーをＥ（ｋｅＶ）としたときに、以下の式で表されるＬ（マイクロメートル）であることを特徴とする請求項１４に記載の軟Ｘ線検出装置。
【数３】
【請求項１】
半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記複数の検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、
前記半導体領域のうち隣接して配された二つの半導体領域の間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記二つの半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項２】
半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記複数の検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、
前記半導体領域は、第１方向に沿って並んだ少なくとも三つの半導体領域と、前記少なくとも三つの半導体領域とは別の第１半導体領域及び第２半導体領域とを含み、
前記少なくとも三つの半導体領域のそれぞれの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記少なくとも三つの半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配され、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に、前記少なくとも三つの半導体領域のうちの一つが配され、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、いずれも前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つと隣接して配され、
前記第１半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配され、
前記第２半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型の別のトランジスタが配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項３】
半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記複数の検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、
前記半導体領域は、第１方向に沿って並んだ少なくとも三つの半導体領域と、前記少なくとも三つの半導体領域とは別の第１半導体領域及び第２半導体領域とを含み、
前記少なくとも三つの半導体領域のそれぞれの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記少なくとも三つの半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配され、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に、前記少なくとも三つの半導体領域のうちの一つが配され、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、いずれも前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つと隣接して配され、
前記第１半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記第１半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとを電気的に分離する第２分離部が配され、
前記第２半導体領域と前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つとの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項４】
前記第１半導体領域、前記少なくとも三つの半導体領域のうちの前記一つ、及び前記第２半導体領域が、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並ぶことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項５】
半導体基板及び前記半導体基板に配された複数の検出ユニットを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記複数の検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを少なくとも含む読み出し回路と、を有し、
前記半導体領域は、第１半導体領域、第２半導体領域、第３半導体領域、及び第４半導体領域を含み、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、第１方向に沿って配され、
前記第３半導体領域及び前記第４半導体領域は、前記第１方向と平行な第２方向に沿って配され、
前記第１半導体領域及び前記第３半導体領域は、前記第１方向とは交差する第３方向に沿って配され、
前記第２半導体領域及び前記第４半導体領域は、前記第３方向と平行な第４方向に沿って配され、
前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第４半導体領域のそれぞれの間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されず、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第４半導体領域を互いに電気的に分離する第１分離部が配され、
前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第４半導体が１つのブロックを構成し、当該ブロックと、当該ブロックを構成する半導体領域とは別の半導体領域との間に、前記読み出し回路に含まれる第１導電型のトランジスタが配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項６】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかと、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかとが、第１距離よりも近接して配され、
前記第１距離は、前記軟Ｘ線のフォトンの一つが前記半導体基板に入射したときに、電荷が発生する領域を包含する最小の球の直径であることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項７】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記複数のトランジスタのいずれかと、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数のトランジスタのいずれかとが、第１距離よりも近接して配され、
前記第１距離は、前記軟Ｘ線のエネルギーをＥ（ｋｅＶ）としたときに、以下の式で表されるｄ（マイクロメートル）であることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【数１】
【請求項８】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかと、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれかとが、第１距離よりも近接して配され、
前記第１距離は、１マイクロメートルであることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項９】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも、第２距離より離間して配され、
前記第２距離は、前記軟Ｘ線のフォトンの一つが前記半導体基板に入射したときに、電荷が発生する領域を包含する最小の球の半径であることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項１０】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも、第２距離より離間して配され、
前記第２距離は、前記軟Ｘ線のエネルギーをＥ（ｋｅＶ）としたときに、以下の式で表されるｒ（マイクロメートル）であることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【数２】
【請求項１１】
半導体基板と前記半導体基板に配された第１及び第２検出ユニットとを備える軟Ｘ線検出装置であって、
前記第１及び第２検出ユニットのそれぞれが、
前記半導体基板に配され、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される第１導電型の半導体領域と、
前記半導体領域に収集された電荷に基づく信号を出力する増幅トランジスタを含む複数の第１導電型のトランジスタと、を有し、
前記第１検出ユニットと前記第２検出ユニットは互いに隣接して配され、
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第２検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのいずれからも、第２距離より離間して配され、
前記第２距離は、０．５マイクロメートルであることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項１２】
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域は、前記第１検出ユニットに含まれる前記複数の第１導電型のトランジスタのうち転送トランジスタを除くいずれからも、前記第２距離より離間して配されたことを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１３】
前記第１検出ユニットに含まれる前記半導体領域と、前記第２検出ユニットに含まれる前記半導体領域との間に、第１分離部が配されたことを特徴とする請求項９乃至請求項１２のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１４】
前記軟Ｘ線検出装置は、前記半導体基板に入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部をさらに備え、
前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板への射影が前記複数の第１導電型のトランジスタの少なくとも一部と重なるように、前記遮蔽部が配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１５】
前記半導体領域は前記軟Ｘ線を前記電荷に変換する変換部であり、
前記遮蔽部の別の一部の前記半導体基板への射影が、前記半導体領域の一部であって、前記複数のトランジスタからの距離が第３距離以内の領域の全部と重なるように、前記遮蔽部が配され、
前記第３距離は、前記軟Ｘ線のエネルギーをＥ（ｋｅＶ）としたときに、以下の式で表されるＬ（マイクロメートル）であることを特徴とする請求項１４に記載の軟Ｘ線検出装置。
【数３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−３８１７４（Ｐ２０１３−３８１７４Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１９７２（Ｐ２０１１−１７１９７２）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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