基于闪烁体的具有耗尽电子漂移区域的X射线敏感集成电路元件制造技术

描述了一种集成电路设计和制造其的方法，用于高效率、低噪声、位 置敏感的X射线检测，尤其是用于医疗应用。该装置(350)基于用X射 线敏感闪烁体材料填充的深凹陷(354)。在衬底(352)的分开两个相邻的 凹陷(354)的侧壁的表面上形成浅的第一电极(360)。该侧壁电极(360) 与特定的前侧晶片电极(363)结合造成：整个装置(350)的完全耗尽， 并朝向低电容读出电极(363)移动信号电荷。所述的集成电路元件(350) 确保了不依赖深度的高的光收集效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及借助X射线敏感成像检测系统检测X射线光子的领域。具体而言，本专利技术涉及一种基于闪烁体的x射线敏感集成电路元件，其可以用于X射线成像检测器，具体而言用于医疗应用的空间解析X射线成像检测器。此外，本专利技术涉及包括多个如上所述的X射线敏感集成电路元件的X射线成像检测器。此外，本专利技术涉及尤其用于医用x射线成像的x射线成像设备，其中该X射线成像设备包括如上所述的X射线成像检测器。本专利技术还涉及制造如上所述的基于闪烁体的x射线敏感集成电路元件的方法。
技术介绍
医用X射线成像需要大面积、低噪声和位置敏感的分别空间解析的X射线检测系统，这种系统可以以有竞争力的价格来制造。当前市场上可买到的X射线检测系统基于闪烁体和基于非晶硅(Si)的光电二极管阵列的 组合。闪烁体以高效率将x射线转换成光子，这些光子随后被光电二极管 吸收，在其中将它们转换成电荷载流子。电荷载流子在代表x射线检测系统的读出节点的电极处产生信号。常规Si光敏二极管的每个像素都带有用 于像素寻址的薄膜晶体管(TFT)和储能电容器。闪烁体和非晶Si光电二极管的组合允许以闪烁体材料与光灵敏度较 高、暗电流较低的非晶Si光电二极管组合来高效地吸收X射线。该系统具 有相当低的总噪声，其中开关元件、放大器和涉及TFT的组件是主要噪声 源。当前可用的X射线检测系统尺寸大致为40cmx40cm，像素尺寸大约为 150jamxl50fxm。US 6744052公开了一种制造X射线敏感像素检测器的方法和装置。该检测器包括一结构，该结构基于结合CCD或CMOS检测器阵列在闪烁像 素检测器之内对二次产生的光子进行的光引导。该结构代表一种矩阵，其 具有通过硅蚀刻技术制造的深微孔，该硅蚀刻技术产生非常薄的壁，微孔 间距小于或等于所用图像检测器像素的尺寸。通过将闪烁材料熔入微孔内 来填充微孔矩阵，使得在每个微孔中形成单个闪烁块。该硅矩阵可以进一 步利用反射层来加强向下朝图像检测器芯片的光引导。所述的X射线敏感 像素检测器具有缺点，即，光输出以及(从而)总的检测效率通常不令人 满意，尤其是对于诸如计算机体层摄影等医用X射线成像应用来说更是这 样。由此，具体而言，例如因为闪烁体之内的缺陷导致的光损失，由于闪 烁体材料的质量受限，降低了总的检测效率。例如由于侧壁粗糙，在侧壁 上反射期间有损耗，进一步降低了总的检测效率。此外，由于转换效率依 赖于深度，所以二次量子噪声起到了重要的作用。文献Formation of pn junctions in deep silicon pores for X-ray imaging detector applications, X. Badel et al.， Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 509 (2003) 96-101公开了一种X射线成像检测器的原 理，该原理基于在深的硅微孔中形成pn结。X射线成像检测器的敏感部分 是通过填充其壁中具有pn结的微孔硅矩阵形成的Csl (Tl)闪烁体柱的阵 列。在X射线照射下，Csl (Tl)闪烁体发射光子，光子被pn结收集。可 以通过深度反应离子蚀刻或光电化学蚀刻在n型硅中制造微孔矩阵。可以 通过硼扩散和/或沉积硼掺杂多晶硅来形成pn结。然而，即使近年来X射线成像检测器领域的发展改善了 X射线敏感检 测器的噪声、空间分辨率和量子效率，仍然需要进一步改善这些典型的X 射线检测器的特性，这些特性尤其与医用X射线成像相关。
技术实现思路
可以通过根据独立权利要求的主题来满足该需求。从属权利要求描述 了本专利技术的优选实施例。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于X射线成像检测器，具体而 言用于医疗应用中的X射线成像检测器的X射线敏感集成电路元件。该X 射线敏感集成电路元件包括(a)具有前侧表面和后侧表面的半导体衬底；(b)多个从后侧表面向前侧表面形成于半导体衬底内部的凹陷，其中两个相 邻凹陷被半导体衬底的侧壁分开；(c)多个第一电极，其中每一个第一电极 形成于一个凹陷的内表面上;(d)填充于多个凹陷中的X射线敏感闪烁体材 料；以及(e)形成于前侧表面的多个第二电极，其中每一个第二电极面对 一个侧壁。本专利技术的这一方面基于如下构思第一电极和第二电极可以在侧壁之 内产生电场，该电场导致侧壁的完全耗尽。换言之，当对半导体衬底之内 的第一电极和半导体衬底前侧表面处的第二电极进行适当偏置时，所述分 布的第一和第二电极形成侧壁内电势的形状，从而可以向第二电极传递所 有光产生的电荷。因此，第二电极代表收集电极和读出节点。必须指出，第二电极可以由包括第一导电类型的半导体层制成，第一 电极可以由包括第二导电类型的半导体层制成。此外，由半导体衬底形成 的侧壁可以包括第一导电类型。在所述的集成电路元件中，每一个第二电极面对一个半导体衬底侧壁。 这意味着，每一个第二电极延伸于两个相邻凹陷之间。为了精确起见，每 一个第二电极延伸在两个相邻凹陷在前侧表面上的投影之间。这具有上述 效应，即，可以在两个相邻的第一电极和位于两个第一电极之间的相应的 第二电极之间产生电场，从而能够使侧壁完全耗尽。因此，有效增大了耗 尽区域，从而也提高了 X射线敏感集成电路之内的电荷产生区域的体积。 这具有如下优点，即，可以提高X射线敏感集成电路的收集效率，因为闪 烁体材料转化的光子在侧壁代表的有效检测器区域之内产生电荷载流子的 概率增大了。此外，与现有技术中公知的读出电极相比，可以以小得多的尺度实现 代表读出电极的第二电极。这导致进一步被大得多的耗尽层厚度加强的电 容的显著减小，使得侧壁被完全耗尽。X射线光子转换成(优选)可见谱范围内的光子是一种公知的物理效 应，在此不再详细描述这种物理效应。适当的闪烁体材料例如是例如掺杂 有铊(Tl)的碘化铯(Csl)。必须指出，侧壁完全耗尽还可以实现减小集成电路元件电容的有利效 果。因此，可以实现对应X射线敏感检测器更快的响应时间和更低的噪声。7即使在第一电极面积较大时也是这种情况。凹陷一词可以涵盖所有不同形状的中空空间，可以在半导体衬底之内 从后侧表面开始形成该中空空间。因此，必须以非常一般的方式来理解凹 陷一词，例如其包括术语沟槽、狭缝、微孔和/或凹痕。凹陷可以不仅具有 正方形的形状。也可以采用圆形或六边形形状。根据本专利技术的实施例，凹陷是深度大于宽度的深结构。因此，宽度平 行于后侧表面延伸，而凹陷的深度主要垂直于后侧表面延伸。这可以实现 如下优点即使在彼此靠近的距离之内形成凹陷时，也可以实现X射线敏 感闪烁体区域和光敏感侧壁区域两者的大的有效检测器体积，从而可以实 现高的空间分辨率。凹陷的典型尺寸如下平行于前侧和后侧表面取向的截面大约为50pmx5(^m，垂直于前侧和后侧表面的深度大约为500pm。根据本专利技术的另一实施例，该X射线敏感集成电路元件还包括多个形 成于前侧表面的第三电极，其中每一个第三电极设置在两个相邻的第二电 极之间。第三电极可以由包括第二导电类型的半导体材料层制成，这与第 一电极的掺杂类型相同，与第二电极相比为相反掺杂类型。当把这些电极 连接到诸如地电平的适当电压电平时，这可以实现如下优点即在两个相 邻第二电极之间产生电势，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｘ射线敏感集成电路元件，用于Ｘ射线成像检测器，具体而言用于医疗应用所使用的Ｘ射线成像检测器，所述Ｘ射线敏感集成电路元件（３５０）包括：　半导体衬底（３５２），具有前侧表面（３５２ｂ）和后侧表面（３５２ａ），　多个凹陷（３５４ ），在所述半导体衬底（３５２）内从所述后侧表面（３５２ａ）向所述前侧表面（３５２ｂ）形成，其中两个相邻的凹陷（３５４）由所述半导体衬底（３５２）的侧壁分隔，　多个第一电极（３６０），其中每一个第一电极（３６０）形成在一个凹陷（３５４） 的内表面上，在所述多个凹陷（３５４）之内填充Ｘ射线敏感闪烁体材料（３５４），以及　多个第二电极（３６３），形成在所述前侧表面（３５２ｂ）处，其中每一个第二电极（３６３）面向一个侧壁。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.9.14 EP 06120673.61、一种X射线敏感集成电路元件，用于X射线成像检测器，具体而言用于医疗应用所使用的X射线成像检测器，所述X射线敏感集成电路元件(350)包括半导体衬底(352)，具有前侧表面(352b)和后侧表面(352a)，多个凹陷(354)，在所述半导体衬底(352)内从所述后侧表面(352a)向所述前侧表面(352b)形成，其中两个相邻的凹陷(354)由所述半导体衬底(352)的侧壁分隔，多个第一电极(360)，其中每一个第一电极(360)形成在一个凹陷(354)的内表面上，在所述多个凹陷(354)之内填充X射线敏感闪烁体材料(354)，以及多个第二电极(363)，形成在所述前侧表面(352b)处，其中每一个第二电极(363)面向一个侧壁。2、 根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，其中 所述凹陷(354)是深度大于宽度的深结构。3、 根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，还包括 多个形成于所述前侧表面(352b)处的第三电极(365)，其中每一个第三电极(365)设置在两个相邻的第二电极(363)之间。4、 根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，其中 所述第一电极(360)具有不到1pm的厚度，优选具有不到0.5pm的厚度。5、 根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，还包括 光反射层，其设置在形成于所述半导体衬底(352)的所述后表面(352a)处的所述闪烁体(354)的表面处。6、 根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，其中 所述半导体衬底(352)是半导体晶片的至少一部分，所述半导体晶片优选由硅制成。7、 根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，还包括 形成于所述闪烁体材料(354)和所述第一电极(360)之间的钝化层。8、 根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，其中 所述半导体衬底(352)为本征或n型低惨杂半导体材料，所述第一电极(360)被形成为所述半导体衬底(352)之内的p型掺杂区域，并且所述第二电极(363)被形成为所述半导体衬底(352)之内的n型掺 杂区域。9、 根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，其中 从所述半导体衬底(352)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·雄斯基，M·西蒙，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL