專利名稱：基于閃爍體的具有耗盡電子漂移區(qū)域的x射線敏感集成電路元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及借助X射線敏感成像檢測系統(tǒng)檢測X射線光子的領
域。具體而言，本發(fā)明涉及一種基于閃爍體的x射線敏感集成電路元件，
其可以用于X射線成像檢測器，具體而言用于醫(yī)療應用的空間解析X射線
成像檢測器。
此外，本發(fā)明涉及包括多個如上所述的X射線敏感集成電路元件的X
射線成像檢測器。
此外，本發(fā)明涉及尤其用于醫(yī)用x射線成像的x射線成像設備，其中
該X射線成像設備包括如上所述的X射線成像檢測器。
本發(fā)明還涉及制造如上所述的基于閃爍體的x射線敏感集成電路元件
的方法。
背景技術：
醫(yī)用X射線成像需要大面積、低噪聲和位置敏感的分別空間解析的X
射線檢測系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以以有競爭力的價格來制造。當前市場上可買
到的X射線檢測系統(tǒng)基于閃爍體和基于非晶硅(Si)的光電二極管陣列的 組合。閃爍體以高效率將x射線轉換成光子，這些光子隨后被光電二極管 吸收，在其中將它們轉換成電荷載流子。電荷載流子在代表x射線檢測系
統(tǒng)的讀出節(jié)點的電極處產(chǎn)生信號。常規(guī)Si光敏二極管的每個像素都帶有用 于像素尋址的薄膜晶體管(TFT)和儲能電容器。
閃爍體和非晶Si光電二極管的組合允許以閃爍體材料與光靈敏度較 高、暗電流較低的非晶Si光電二極管組合來高效地吸收X射線。該系統(tǒng)具 有相當?shù)偷目傇肼?，其中開關元件、放大器和涉及TFT的組件是主要噪聲 源。當前可用的X射線檢測系統(tǒng)尺寸大致為40cmx40cm，像素尺寸大約為 150jamxl50fxm。
US 6744052公開了一種制造X射線敏感像素檢測器的方法和裝置。該檢測器包括一結構，該結構基于結合CCD或CMOS檢測器陣列在閃爍像 素檢測器之內對二次產(chǎn)生的光子進行的光引導。該結構代表一種矩陣，其 具有通過硅蝕刻技術制造的深微孔，該硅蝕刻技術產(chǎn)生非常薄的壁，微孔 間距小于或等于所用圖像檢測器像素的尺寸。通過將閃爍材料熔入微孔內 來填充微孔矩陣，使得在每個微孔中形成單個閃爍塊。該硅矩陣可以進一 步利用反射層來加強向下朝圖像檢測器芯片的光引導。所述的X射線敏感 像素檢測器具有缺點，即，光輸出以及(從而)總的檢測效率通常不令人 滿意，尤其是對于諸如計算機體層攝影等醫(yī)用X射線成像應用來說更是這 樣。由此，具體而言，例如因為閃爍體之內的缺陷導致的光損失，由于閃 爍體材料的質量受限，降低了總的檢測效率。例如由于側壁粗糙，在側壁 上反射期間有損耗，進一步降低了總的檢測效率。此外，由于轉換效率依 賴于深度，所以二次量子噪聲起到了重要的作用。
文獻"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"公開了一種X射線成像檢測器的原 理，該原理基于在深的硅微孔中形成pn結。X射線成像檢測器的敏感部分 是通過填充其壁中具有pn結的微孔硅矩陣形成的Csl (Tl)閃爍體柱的陣 列。在X射線照射下，Csl (Tl)閃爍體發(fā)射光子，光子被pn結收集。可 以通過深度反應離子蝕刻或光電化學蝕刻在n型硅中制造微孔矩陣?？梢?通過硼擴散和/或沉積硼摻雜多晶硅來形成pn結。
然而，即使近年來X射線成像檢測器領域的發(fā)展改善了 X射線敏感檢 測器的噪聲、空間分辨率和量子效率，仍然需要進一步改善這些典型的X 射線檢測器的特性，這些特性尤其與醫(yī)用X射線成像相關。

發(fā)明內容
可以通過根據(jù)獨立權利要求的主題來滿足該需求。從屬權利要求描述 了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于X射線成像檢測器，具體而 言用于醫(yī)療應用中的X射線成像檢測器的X射線敏感集成電路元件。該X 射線敏感集成電路元件包括(a)具有前側表面和后側表面的半導體襯底；(b)多個從后側表面向前側表面形成于半導體襯底內部的凹陷，其中兩個相 鄰凹陷被半導體襯底的側壁分開；(c)多個第一電極，其中每一個第一電極 形成于一個凹陷的內表面上;(d)填充于多個凹陷中的X射線敏感閃爍體材 料；以及(e)形成于前側表面的多個第二電極，其中每一個第二電極面對 一個側壁。
本發(fā)明的這一方面基于如下構思第一電極和第二電極可以在側壁之 內產(chǎn)生電場，該電場導致側壁的完全耗盡。換言之，當對半導體襯底之內 的第一電極和半導體襯底前側表面處的第二電極進行適當偏置時，所述分 布的第一和第二電極形成側壁內電勢的形狀，從而可以向第二電極傳遞所 有光產(chǎn)生的電荷。因此，第二電極代表收集電極和讀出節(jié)點。
必須指出，第二電極可以由包括第一導電類型的半導體層制成，第一 電極可以由包括第二導電類型的半導體層制成。此外，由半導體襯底形成 的側壁可以包括第一導電類型。
在所述的集成電路元件中，每一個第二電極面對一個半導體襯底側壁。 這意味著，每一個第二電極延伸于兩個相鄰凹陷之間。為了精確起見，每 一個第二電極延伸在兩個相鄰凹陷在前側表面上的投影之間。這具有上述 效應，即，可以在兩個相鄰的第一電極和位于兩個第一電極之間的相應的 第二電極之間產(chǎn)生電場，從而能夠使側壁完全耗盡。因此，有效增大了耗 盡區(qū)域，從而也提高了 X射線敏感集成電路之內的電荷產(chǎn)生區(qū)域的體積。 這具有如下優(yōu)點，即，可以提高X射線敏感集成電路的收集效率，因為閃 爍體材料轉化的光子在側壁代表的有效檢測器區(qū)域之內產(chǎn)生電荷載流子的 概率增大了。
此外，與現(xiàn)有技術中公知的讀出電極相比，可以以小得多的尺度實現(xiàn) 代表讀出電極的第二電極。這導致進一步被大得多的耗盡層厚度加強的電 容的顯著減小，使得側壁被完全耗盡。
X射線光子轉換成(優(yōu)選)可見譜范圍內的光子是一種公知的物理效 應，在此不再詳細描述這種物理效應。適當?shù)拈W爍體材料例如是例如摻雜 有鉈(Tl)的碘化銫(Csl)。
必須指出，側壁完全耗盡還可以實現(xiàn)減小集成電路元件電容的有利效 果。因此，可以實現(xiàn)對應X射線敏感檢測器更快的響應時間和更低的噪聲。
7即使在第一電極面積較大時也是這種情況。
凹陷一詞可以涵蓋所有不同形狀的中空空間，可以在半導體襯底之內 從后側表面開始形成該中空空間。因此，必須以非常一般的方式來理解凹 陷一詞，例如其包括術語溝槽、狹縫、微孔和/或凹痕。凹陷可以不僅具有 正方形的形狀。也可以采用圓形或六邊形形狀。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，凹陷是深度大于寬度的深結構。因此，寬度平 行于后側表面延伸，而凹陷的深度主要垂直于后側表面延伸。這可以實現(xiàn) 如下優(yōu)點即使在彼此靠近的距離之內形成凹陷時，也可以實現(xiàn)X射線敏 感閃爍體區(qū)域和光敏感側壁區(qū)域兩者的大的有效檢測器體積，從而可以實 現(xiàn)高的空間分辨率。凹陷的典型尺寸如下平行于前側和后側表面取向的
截面大約為50pmx5(^m，垂直于前側和后側表面的深度大約為500pm。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，該X射線敏感集成電路元件還包括多個形 成于前側表面的第三電極，其中每一個第三電極設置在兩個相鄰的第二電 極之間。第三電極可以由包括第二導電類型的半導體材料層制成，這與第 一電極的摻雜類型相同，與第二電極相比為相反摻雜類型。當把這些電極 連接到諸如地電平的適當電壓電平時，這可以實現(xiàn)如下優(yōu)點即在兩個相 鄰第二電極之間產(chǎn)生電勢，能夠有效地分開與代表集成電路元件的相鄰讀 出節(jié)點的第二電極相關聯(lián)的漂移場。因此，也可以將第三電極稱為保護電 極。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，第一電極的厚度不到5pm，優(yōu)選不到lpm。 這意味著第一電極代表非常淺的側壁結，從而可以實現(xiàn)高的光靈敏度，因 為在形成于閃爍體和有效側壁區(qū)域之間的界限層中將僅吸收很少光子。此 外，淺側壁結還可有助于完全耗盡半導體襯底側壁體積之內的自由電荷載 流子。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，該X射線敏感集成電路元件還包括光反射 層，其設置在形成于半導體襯底的后表面的閃爍體的表面上。這能夠進一 步提高集成電路元件的靈敏度，因為已經(jīng)由閃爍體材料轉換的光不能逃離 集成電路元件。
光反射層例如可以是薄金屬層，可以在已經(jīng)利用閃爍體材料填充凹陷 之后借助公知的涂布技術在閃爍體上形成薄金屬層。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，該半導體襯底至少是優(yōu)選由硅制成的半導 體晶片的一部分。這樣的優(yōu)點是可以容易地提供高純度基底材料。高純度 半導體材料可允許光生電荷載流子在主要代表有效檢測器區(qū)域的側壁之內 有較長的復合時間。由此，量子效率和檢測器效率將得到提高，因為復合 過程導致的電子損耗減小了。
此外，僅有可忽略污染的高純度半導體材料具有所產(chǎn)生的電荷載流子 遷移率將得到增大的優(yōu)點。因此，可以利用所述的集成電路元件實現(xiàn)快速
電荷載流子收集和相應的快速電子漂移，因而實現(xiàn)x射線檢測器的快速響
應時間。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，該x射線敏感集成電路元件還包括形成于
閃爍體材料和第一電極之間的鈍化層。提供這樣的鈍化層優(yōu)點在于，實現(xiàn) 了半導體材料和閃爍體材料之間的明確的分界線。因此，沒有從閃爍體材
料原子到半導體中的擴散，反之亦然。優(yōu)選地，鈍化層是厚度大約為10nm 的非常薄的層。鈍化層例如可以是Si02。薄鈍化層具有如下優(yōu)點由閃爍 體材料轉換的光的吸收將不會或不會顯著增強，從而將維持高的檢測器效 率?？梢愿鶕?jù)從閃爍體發(fā)射的光的波長優(yōu)化鈍化層的厚度，從而實現(xiàn)通過 該鈍化層最大的光透射。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，(a)半導體襯底為本征或n型低慘雜半導體 材料，(b)第一電極被形成為半導體之內的p型摻雜區(qū)域，并且(c)第二電 極被形成為半導體之內的n型摻雜區(qū)域。這可以實現(xiàn)如下優(yōu)點可以借助 標準的半導體制造技術，具體而言利用CMOS兼容工藝技術制造所述的集 成電路元件，CMOS兼容工藝技術已經(jīng)針對多種不同半導體應用得到良好 發(fā)展。因此，可以以可靠而低成本的方式制造所述的集成電路元件。
優(yōu)選地，借助半導體襯底之內的p型高摻雜接觸區(qū)域連接p型摻雜第 一電極，其中p型高摻雜接觸區(qū)域本身可以借助半導體工藝中公知的連接 技術連接到外部接觸部。
具體而言，當半導體襯底是n型低摻雜材料時，可以利用n型高摻雜 區(qū)域實現(xiàn)第二電極。此外，如果提供第三電極以將相鄰的第二電極彼此分 開，則優(yōu)選可以由p型高摻雜區(qū)域形成第三電極。
必須指出，當然可以在第一和第二電極之間交換摻雜類型。這意味著，
9在第一電極為n型摻雜區(qū)域，第二電極為p型摻雜區(qū)域甚至p型高摻雜區(qū) 域時，也可以實現(xiàn)X射線敏感集成電路元件。當然，在那種情況下，可以 借助n型高摻雜接觸區(qū)域連接第一電極。此外，在使用第三電極以將相鄰 的第二電極彼此分開的情況下，則優(yōu)選可以由n型高摻雜區(qū)域形成第三電 極。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，從半導體襯底的后側表面接觸第一電極。 由于第一電極通常偏置于高電壓，所以這可以實現(xiàn)如下優(yōu)點所有高壓連 接部都位于后側上，而所有用于信號讀出和處理(通常為低壓信號)的連 接部都設置在前側上。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，從半導體襯底的前側表面接觸第一電極。 這種備選實施例尤其有吸引力，因為所有連接部可以位于半導體襯底的同 一側上，從而可以利用標準的CMOS兼容處理技術實現(xiàn)對集成電路元件的 處理。因此，可以將晶體硅晶片用作半導體襯底?？梢岳枚嗑Ч鑼崿F(xiàn)第一電極和前側表面之間形成的導電路徑，可以 用適當方式摻雜多晶硅以提供充分的導電性。這樣的優(yōu)點在于，硅晶體制 成的襯底的熱膨脹系數(shù)和多晶硅的熱膨脹系數(shù)相當近似，從而可以提高集 成電路元件的熱穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，在深度方向對第一電極進行分段。這意味 著第一電極包括多個彼此不相連接的小電極段。然而，在相鄰電極段非常 接近的情況下，會產(chǎn)生透過電流。結果，將提供一系列電極，其中每個電 極元件位于單獨的電勢電平上。由于兩個相鄰的電極元件間的間距代表著 電阻，因此多個小電極元件之內的電壓分布將呈現(xiàn)出降低的梯度。因此， 直接連接到參考電壓的電極元件將處于最高正電勢或最高負電勢。分段第一電極可以提供的優(yōu)點是側壁之內的電勢可以被形成一定形 狀，從而可以實現(xiàn)側壁內所產(chǎn)生的電荷載流子的改進的漂移。可以通過在制造集成電路元件期間執(zhí)行各種工藝步驟來實現(xiàn)第一電極 的分段。例如，可以通過分多個步驟蝕刻半導體襯底來形成凹陷。在每個 偶數(shù)序號步驟之后，實現(xiàn)側壁摻雜，在每個奇數(shù)序號步驟之后，在對應的 側壁表面部分沉積保護性氧化物層。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，第一電極包括從后側表面向前側表面降低的摻雜水平。這可以實現(xiàn)如下優(yōu)點可以實現(xiàn)第一電極之內的電勢梯度， 從而在采用分段第一電極時，以類似于如上所述的方式形成側壁內的電勢。 可以利用氣相沉積(VPD)工藝實現(xiàn)第一電極的隨深度變化的摻雜水
平。可以優(yōu)化VPD的摻雜工藝，使得摻雜從后端表面向凹陷底部線性降低，
從而在側壁的表面處產(chǎn)生連續(xù)的電阻器系列。與處理分段第一電極相比， 制造摻雜強度有梯度的第一電極容易得多。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，多個凹陷設置成二維陣列。這樣的優(yōu)點在
于，可以使用所述的集成電路元件制造具有空間分辨率的平坦X射線檢測 器，在(a)凹陷具有平行于半導體襯底的前側和后側表面取向的小截面面 積，且(b)彼此靠近形成凹陷時，空間分辨率尤其高。
當然，由于第二電極的空間布置的原因，相應的收集電極連接到多個 凹陷，而且多個第二電極可以設置成二維陣列。在這點上必須指出，未明 確地將代表讀出節(jié)點的第二電極之一分配給形成于個體凹陷之內的特定閃 爍體柱。這具有如下效果，即像素邊界穿過閃爍體材料延伸。當然，這樣 的缺點是兩個相鄰像素的分隔不完全。然而，所造成的總空間分辨率的降 低非常小，相應的X射線敏感檢測器仍可以具有與當前用于X射線成像的 公知X射線檢測器高得多的空間分辨率。具體而言，如果凹陷表示彼此近 距離形成的深結構時，會是這種情況。
如果使用第三電極來分隔相鄰的第二電極，優(yōu)選可以利用代表陣列的 交叉結構來形成多個第三電極，其中在該陣列的每個像素之內形成一個第 二電極部分。使用至少一個自持交叉結構可以實現(xiàn)如下優(yōu)點，即，僅需要 提供有限數(shù)量的與第三電極的接觸。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種具有空間分辨率的X射線成像檢 測器，具體而言是用于醫(yī)療應用的X射線檢測器。所提供的X射線檢測器 包括(a)多個如上所述的X射線敏感集成電路元件，以及(b)多個用于連 接所述第一 電極和/或所述第二電極的電子電路布置。
必須指出，該電子電路布置可以不僅用于為電極提供適當?shù)钠秒妷骸?該電子電路布置還可以適用于執(zhí)行前置放大和/或信號處理，這時，當在閃 爍體柱之一內部檢測到X射線光子時，就檢測到第二電極處的電壓降，該 第二電極代表X射線敏感電路元件的收集電極和讀出節(jié)點。
ii根據(jù)本發(fā)明的實施例，在連接到X射線敏感集成電路元件的獨立芯片
上形成多個電子電路布置。這可以實現(xiàn)如下優(yōu)點，即在半導體襯底的前側 處僅需要處理與光電二極管相關的結構?？梢越柚牡寡b芯片鍵合技 術或借助提供通孔來實現(xiàn)集成電路元件和獨立芯片之間的連接。因此，為
了實現(xiàn)x射線檢測器，可以采用所謂的封裝中系統(tǒng)方案。
根據(jù)本發(fā)明的備選實施例，該電子電路布置形成于半導體襯底上。因 此，可以在同一晶片中制造完整的讀出/放大電路。在這種情況下，以中等
摻雜的p/n阱實現(xiàn)該電路，以防止那里的耗盡延伸。如果代表讀出電極和讀 出像素的第二電極的尺寸小于凹陷的截面，這尤其有吸引力。這可以實現(xiàn) 如下優(yōu)點即可以將剩余的區(qū)域用來輔助電子電路布置。因此，為了實現(xiàn)X 射線檢測器，可以采用所謂的片上系統(tǒng)方案。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種X射線成像設備，具體而言是一 種醫(yī)用X射線成像設備，例如計算機體層攝影設備或C臂系統(tǒng)。該X射線 成像設備包括如上所述的X射線成像檢測器。
必須指出，上述X射線成像檢測器也可以用于其他目的，例如用于材 料分析，在例如包裹檢査系統(tǒng)中可能會執(zhí)行材料分析。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于制造X射線敏感集成電路元 件，具休而言用于制造根據(jù)上述實施例的X射線敏感集成電路元件的方法。 所提供的方法包括如下步驟(a)提供具有前側表面和后側表面的半導體襯 底；(b)在半導體襯底內從后側表面向前側表面形成多個凹陷，其中兩個相 鄰凹陷被半導體襯底的側壁分開；(c)利用半導體摻雜流程形成多個第一電 極，其中每一個第一電極形成于一個凹陷的內表面上；以及(d)利用閃爍材 料填充多個凹陷。
如上文已經(jīng)結合X射線敏感集成電路元件的描述提到的那樣，第二電 極可以由包括第一導電類型的半導體層制成，第一電極可以由包括第二導 電類型的半導體層制成。此外，由半導體襯底形成的側壁可以包括第一導 電類型。
本發(fā)明的這一方面基于如下構思可以采用標準半導體處理技術，具 體而言利用標準的CMOS工藝來制造根據(jù)上述實施例中的任一個的X射線 敏感集成電路元件?？梢岳盟^的深反應離子蝕刻(DRIE)或電化學濕法蝕刻形成凹陷。 因此，可以產(chǎn)生截面大致為50nmx50nm，深度大致為500|im的凹陷。當然， 也可以形成具有其他尺寸的凹陷。
具體而言，如果半導體襯底是由純硅(可以是本征或n型低摻雜的) 制造的，則摻雜流程可以是所謂的氣相摻雜，其中，例如在高溫下從周圍 環(huán)境將硼驅動到硅側壁中，以形成淺的p型側壁結。在這點上必須指出， 在這種操作期間，由于所謂的硅表面遷移效應，硅表面的粗糙度(如果采 用DRIE粗糙度會尤其大)將至少部分被消除。
必須指出，所提供的方法涉及到對晶片襯底的后側表面的處理。優(yōu)選 地，在執(zhí)行后側處理之前或之后，可以用集成電路兼容的方式處理對應晶 片的前側，其中，可以僅處理二極管結構或完整的CMOS電路。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該方法還包括在用閃爍材料填充多個凹陷之 前向多個第一電極上形成鈍化層的步驟。這可以實現(xiàn)如下優(yōu)點，即實現(xiàn)了 半導體材料和閃爍體材料之間明確的邊界，從而不會(具體而言)由于擴 散而發(fā)生原子從閃爍體材料交換到半導體中(反之亦然)的情況。
必須指出，已經(jīng)參考不同的主題描述了本發(fā)明的實施例。具體而言， 參考裝置型權利要求描述了一些實施例，而參考方法型權利要求描述了其 他實施例。然而，本領域的技術人員將會從以上和以下說明中領會到，除 非另行說明，除了屬于同一主題的特征的任何組合之外，還認為該申請中 公開了涉及不同主題的特征之間的任何組合，尤其是裝置型權利要求的特 征和方法型權利要求的特征之間的任何組合。
通過下文所述實施例范例將會明了本發(fā)明的上述方面和其他方面，并 將參考實施例的范例解釋上述方面和其他方面。在下文中將參考實施例范 例來更詳細地描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此。


圖1示出了計算機體層攝影(CT)系統(tǒng)的簡化圖示，其配備有包括多 個根據(jù)本發(fā)明實施例的X射線敏感集成電路元件的X射線檢測器。
圖2a示出了醫(yī)用C臂系統(tǒng)的側視圖，其也裝備有包括多個根據(jù)本發(fā)明 實施例的X射線敏感集成電路元件的X射線檢測器。圖2b示出了圖2a中所示的X射線擺臂的透視圖。 圖3a和3b示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的X射線敏感集成電路元件的截 面?zhèn)纫晥D。
圖4示出了圖3a和3b中所示的X射線敏感集成電路元件的俯視圖。 圖5a示出了借助片上系統(tǒng)方案實現(xiàn)的X射線成像檢測器的一部分的截 面?zhèn)纫晥D。
圖5b示出了借助封裝內系統(tǒng)方案實現(xiàn)的X射線成像檢測器的一部分的 截面?zhèn)纫晥D。
圖6示出了具有分段側壁電極的X射線敏感集成電路元件的截面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式
附圖中的例示為示意性的。要指出的是，在不同的圖中，為類似或相 同的元件提供僅第一位數(shù)字與對應附圖標記不同的附圖標記。
圖1示出了計算機體層攝影(CT)設備100，也稱為CT掃描機。CT 掃描機100包括可繞旋轉軸102旋轉的臺架101。借助電動機103驅動臺架 101。
附圖標記105表示諸如X射線源的輻射源，其發(fā)射多色輻射107。 CT 掃描機100還包括孔徑系統(tǒng)106，其將從X射線源105發(fā)射的X射線輻射 形成為輻射束107。還可以通過設置于孔徑系統(tǒng)106附近的過濾器元件(未 示出)進一步改變從輻射源105發(fā)射的輻射束的譜分布。
引導可能是錐形或扇形波束107的輻射束107，使其穿透興趣區(qū)域 110a。根據(jù)這里描述的實施例，興趣區(qū)域為患者110的頭部110a。
患者110位于臺112上。患者的頭部110a設置在臺架101的中心區(qū)域 中，該中心區(qū)域代表CT掃描機100的檢查區(qū)域。在穿透興趣區(qū)域110a之 后，輻射束107入射到輻射檢測器115上。為了能夠抑制X射線輻射被患 者頭部110a散射并以偏斜角度入射到X射線檢測器上，提供了未示出的抗 散射柵(grid)?？股⑸鋿艃?yōu)選位于檢測器115的正前方。
X射線檢測器115設置于與X射線管105相對的臺架101上。該檢測 器115包括多個檢測器元件115a，其中每個檢測器元件115a都能夠檢測通
14過患者110的頭部110a的X射線光子。檢測器元件115a是由多個X射線敏感集成電路元件實現(xiàn)的，下面將要對其進行詳細介紹。
在掃描興趣區(qū)域110a期間，沿著箭頭117表示的轉動方向與臺架101一起轉動X射線源105、孔徑系統(tǒng)106和檢測器115。為了轉動臺架IOI，將電動機103連接到電動機控制單元120，電動機控制單元120自身連接到數(shù)據(jù)處理裝置125。數(shù)據(jù)處理裝置125包括重構單元，可以借助硬件和/或借助軟件實現(xiàn)重構單元。重構單元適于基于在各種觀察角度下獲得的多個2D圖像重構三維(3D)圖像。
此外，數(shù)據(jù)處理裝置125還充當著控制單元，其與電動機控制單元120通信，以便協(xié)調臺架IOI的運動和臺112的運動。由電動機113執(zhí)行臺112的線性位移，電動機113也連接到電動機控制單元120。
在操作CT掃描機100期間，臺架101旋轉，同時平行于旋轉軸102線性地移動臺112，從而執(zhí)行對興趣區(qū)域110a的螺旋掃描。應當指出，也可以執(zhí)行圓形掃描，其中沒有平行于旋轉軸102的方向上的位移，僅有繞旋轉軸102的臺架IOI的旋轉。由此可以以高精度測量頭部110a的切片(slice)。在針對每一分立臺位置進行了至少一半的臺架旋轉之后，平行于旋轉軸102以分立步驟依次移動臺112，由此可以獲得患者頭部的較大的3D表示。
檢測器115耦合到前置放大器118，前置放大器118自身耦合到數(shù)據(jù)處理裝置125。處理裝置125能夠基于在不同投射角度采集的多個不同X射線透射數(shù)據(jù)集而重構患者頭部110a的3D表示。
為了觀察患者頭部110a的重構的3D表示，提供了顯示器126，顯示器耦合到數(shù)據(jù)處理裝置125。此外，也可以通過打印機127打印出3D表示的透視圖的任意切片，打印機也耦合到數(shù)據(jù)處理裝置125。此外，數(shù)據(jù)處理裝置125也可以耦合到圖片存檔及通信系統(tǒng)128 (PACS)。
應當指出，可以將CT掃描機IOO之內提供的監(jiān)視器126、打印機127和/或其他裝置設置在計算機體層攝影設備100本地?；蛘?，這些部件可以遠離CT掃描機IOO，例如機構或醫(yī)院里的其他地方，或位于經(jīng)由一種或多種可配置網(wǎng)絡，例如因特網(wǎng)、虛擬專用網(wǎng)絡等鏈接到CT掃描機100的完全不同的位置。參考附圖中的圖2a和2b,根據(jù)本發(fā)明另一實施例的醫(yī)用X射線成像系統(tǒng)200為所謂的C臂系統(tǒng)。該C臂系統(tǒng)200包括由機器臂208靠近患者臺212支撐的擺臂掃描系統(tǒng)201 。在擺動C臂201內部容納有X射線管205和X射線檢測器215。設置并配置X射線檢測器215以檢測已經(jīng)通過患者210的X射線207。此外，該X射線檢測器215適于產(chǎn)生代表其強度分布的電信號。通過移動擺臂201，可以將X射線管205和X射線檢測器215設置在相對于患者210的任何期望的位置和取向。
為了能夠抑制X射線輻射被患者210散射并以偏斜角度入射到X射線檢測器215上，可以提供未示出的抗散射柵?？股⑸鋿趴梢晕挥跈z測器215的正前方。檢測器215包括多個X射線敏感集成電路元件，下文將詳細描述X射線敏感集成電路元件。
該C臂系統(tǒng)200還包括控制單元229和數(shù)據(jù)處理裝置225，它們都容納在工作站或個人計算機230之內。該控制單元229適于控制C臂系統(tǒng)200的操作。
要指出的是，C臂系統(tǒng)200的機械精度可以充分得好，以便能基于多個不同的投射二維圖像對患者210進行3D圖像重構，二維圖像是利用高精密C臂系統(tǒng)200獲得的。
圖3a和3b示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的X射線敏感集成電路元件350的截面?zhèn)纫晥D。集成電路元件350形成于半導體襯底352上，半導體襯底352優(yōu)選為高純度硅晶片晶體。根據(jù)這里所述的實施例，半導體襯底352為n型低摻雜材料，其包括后端表面352a和前端表面352b。在半導體襯底352中形成多個凹陷354。在這里所示的集成電路元件350的部分之內，僅可以看到多個凹陷中的兩個。這表示像開口那樣的溝槽從后端表面352a開始朝前端表面352b延伸。由半導體襯底352的側壁分隔相鄰的凹陷354。
在溝槽354的內表面上提供了第一電極360，第一電極360是借助諸如氣相摻雜的p摻雜流程形成的。由此，根據(jù)這里所述的實施例，將硼注入到硅側壁中以形成淺p型結360。利用在后端表面352a處形成的接觸區(qū)域361，可以向第一電極360施力B-10V到-200V量級的負電壓。根據(jù)這里描述的實施例，利用p型高摻雜區(qū)域實現(xiàn)接觸區(qū)域361。
襯底352的前端表面352b設有第二電極363，根據(jù)這里所述的實施例，第二電極是利用n型高摻雜區(qū)域實現(xiàn)的。第二電極363可以連接到前端電路，用于讀出和處理在第二電極363之一處檢測的信號。下文將描述借助第二電極363進行的對應信號檢測，也可以將第二電極標示為集成電路元件350的收集電極和讀出節(jié)點。
襯底352的前端表面352b還設有第三電極365，第三電極365在垂直于圖平面的平面中設置在第二電極363周圍。使用第三電極365是為了將相鄰的第二電極363電氣隔離開。根據(jù)這里描述的實施例，通過將前端表面352b選擇性p摻雜到高p摻雜水平來實現(xiàn)第三電極365。
利用諸如碘化銫(Csl)的閃爍體材料354填充凹陷，該材料摻雜有鉈(Tl)。
為了在閃爍體材料354和第一電極360之間提供明確的分界線，可以在閃爍體材料354和第一電極360之間形成優(yōu)選由SiO2制成的薄鈍化層(未示出)。
當適當偏置各電極360、 363和365時，相鄰的第一電極360和設置在兩個相鄰的第一電極360之間的對應的第二電極363之間的電勢會增加。該電勢在圖3b中由等勢線367表示，例如可以通過向第一電極360施加-50V的負電壓、分別向第二電極363和第三電極365施加地電壓來產(chǎn)生該電勢。
當在閃爍體塊354之內吸收X射線光子時，將產(chǎn)生光子，其穿透第一電極360并以公知方式主要在相鄰兩第一電極360之間的側壁區(qū)域中產(chǎn)生電荷載流子。由此，電極360和363之間的區(qū)域代表光電二極管的有效區(qū)域，其延伸于這些電極360和363之間。因為電極360、 363和365具有所述的設置，具體而言，側壁區(qū)域中的自由載流子將完全耗盡。將會向著電極360和363移動由于光吸收而在該區(qū)域中經(jīng)光電效應產(chǎn)生的電子-空穴對。電子將會向著電極363漂移，而空穴向著電極360漂移。在圖3b中，由箭頭368b以及箭頭368a和368c表示電子漂移。
必須指出，將第三電極365連接到地電平將有助于有效地分隔代表集成電路元件350的相鄰讀出節(jié)點的第二電極363，從而對于在閃爍體柱354下方產(chǎn)生的大部分電子也界定出朝向第二電極363之一的明確的電子路徑368a或368c。這樣的優(yōu)點是降低了相鄰電極363之間的電荷共享。因此，也可以將第三電極365表示為保護電極。
17所述設計的X射線敏感集成電路元件350實現(xiàn)了各種優(yōu)點
1) 側壁的完全耗盡減小了有效電容，使得相應X射線檢測器的相關聯(lián) 噪聲和響應時間非常短。
2) 側壁的完全耗盡還導致擴散電流減小。
3) 讀出電極的較小尺寸也有助于實現(xiàn)非常低的電容。
4) 由于對閃爍體產(chǎn)生的光的吸收可以忽略，厚度通常為100nm左右的 淺側壁結確保了高的光靈敏度。
5) X射線敏感檢測器可以工作在較低反向電壓下d
圖4示出了 X射線敏感集成電路元件的俯視圖，現(xiàn)在為其標示了附圖 標記450。形成于半導體襯底452之內的閃爍體塊454設置成二維陣列。在 硅襯底的前側上，在對應于四個相鄰閃爍體塊454之間的區(qū)域的位置處， 形成代表集成電路元件450的讀出節(jié)點的第二電極463。由虛線455表示對 應于所示第二電極463的集成電路元件450的X射線敏感有效面積。通過 位于硅襯底后側上的接觸區(qū)域461接觸第一電極460。為了附圖清楚起見， 省略了設置于右上位置的分配給第一電極460的接觸區(qū)域。
圖5a示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的X射線成像檢測器551的一部分的截 面?zhèn)纫晥D。該X射線成像檢測器551基于已經(jīng)參考圖3a詳細描述過的X 射線敏感集成電路元件351。因此，將不再重復詳細描述圖3a中已知的元 件。
利用所謂的片上系統(tǒng)方案實現(xiàn)X射線成像檢測器551。因此，在襯底 552的前端表面552b上與p型高摻雜保護電極565相鄰直接形成CMOS前 端電路570。根據(jù)這里描述的實施例，前端電路570不僅用于為電極560、 563和565提供適當?shù)钠秒妷骸ｋ娮与娐?70還適于執(zhí)行前置放大和/或 信號處理，這時，當在閃爍體柱554之一的內部檢測到X射線光子時，在 第二電極563處誘發(fā)電壓降。前端表面552b覆蓋有CMOS后端層575，其 中設置了金屬連接(未示出)。
必須指出，因為存在前端電路570，所以與圖3a所示的設計相比，代 表讀出節(jié)點的第二電極563的尺寸減小了。
圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的X射線成像檢測器551的一部分 的截面?zhèn)纫晥D。該X射線成像檢測器551也基于已經(jīng)參考圖3a描述過的X射線敏感集成電路元件351。利用所謂的封裝中系統(tǒng)方案實現(xiàn)X射線成像 檢測器551。因此，將涉及到pn光電二極管的部件設置在第一晶片553上， 而與X射線檢測器551的電路相關的部件設置在第二晶片593上。
同樣，第一晶片553的設計對應于已經(jīng)在圖3a中示出的電路設計。然 而，為了保護前端表面552b，提供優(yōu)選由Si02制成的第一隔離層。
第二晶片593包括玻璃襯底598，在其上形成有CMOS后端層575。在 CMOS后端層575上形成包括CMOS前端電路570的層。在層570上形成 硅層585，其自身被第二隔離層582覆蓋。第二隔離層582優(yōu)選由&02制 成。
提供穿通連接部572以使CMOS前端電路570與電極563和565接觸。 為了使附圖清楚起見，省略了在CMOS前端電路570和第三電極565之間 提供電接觸的穿通連接布。穿通連接部572可以由金屬制成，或優(yōu)選由導 電多晶硅制成。
圖6示出了具有對應于圖3a和3b所示的第二電極360的分段側壁電 極660的X射線敏感集成電路元件650的截面?zhèn)纫晥D。分段側壁電極660 的頂部段660a偏置在最高反向電壓，底部段660b偏置在最低反向電壓。 僅為這兩段進行極大的偏置。利用相鄰段之間的透過電流建立其他段上的 電壓分布。
分段電極660可以提供的優(yōu)點是側壁之內的電勢將被形成一定形狀， 從而可以實現(xiàn)側壁內所產(chǎn)生電子的改進的漂移。因此，將進一步減小X射 線敏感電路元件650的電荷采集特性和響應時間。
應當指出，"包括"一詞并不排除其他元件或步驟，"一"并不排除多個。 而且可以對結合不同實施例描述的元件進行組合。還應當指出，權利要求 中的附圖標記不應被解釋為限制權利要求的范圍。
為了總結本發(fā)明的上述實施例，可以描述為
本申請描述了一種集成電路設計和制造其的方法，用于高效率、低噪 聲、位置敏感的X射線檢測，尤其是用于醫(yī)療應用。該裝置350基于用X 射線敏感閃爍體材料填充的深凹陷354。在襯底側壁的表面上形成淺的第一 電極360，分開兩個相鄰的凹陷354。該側壁電極360與特定的前側晶片電 極363結合實現(xiàn)整個裝置350的完全耗盡，并朝向低電容讀出電極363移
19動信號電荷。所述的集成電路元件350確保了不依賴深度的高的光收集效 率。
附圖標記列表
100醫(yī)用X射線成像系統(tǒng)/計算機體層攝影設備 101臺架 102旋轉軸 103電動機
105X射線源/X射線管
106孔徑系統(tǒng)
107輻射束
110興趣目標/患者
110a興趣區(qū)域/患者頭部
112臺
113電動機
115X射線檢測器
115a檢測器元件
117旋轉方向
118脈沖鑒別器單元
120電動機控制單元
125數(shù)據(jù)處理裝置(包括重構單元)
126監(jiān)視器
127打印機
128圖像存檔和通訊系統(tǒng)(PACS)
200醫(yī)用X射線成像系統(tǒng)/C臂系統(tǒng)
201擺臂掃描系統(tǒng)/C臂
205X射線源/X射線管
207 X射線
208機器臂
210興趣目標/患者
20212臺
215X射線檢測器
225數(shù)據(jù)處理裝置
229控制單元
230工作站/個人計算機
350X射線敏感集成電路元件
352半導體襯底(n型摻雜)
352a后側表面/后端表面
352b前惻表面/前端表面
354凹陷，閃爍體
360第一電極(p型摻雜)
361接觸區(qū)域(p+摻雜)
363第二電極/收集電極/讀出節(jié)點(n+摻雜)
365第三電極/保護電極(p+摻雜)
367等勢線
368a電子漂移路徑
368b電子漂移路徑
368c電子漂移路徑
450 X射線敏感集成電路元件
452半導體襯底(n型摻雜)
454凹陷，閃爍體
455 —個像素的有效面積
460第一電極(p型摻雜)
461接觸區(qū)域(p+摻雜)
463第二電極/收集電極/讀出節(jié)點(n+摻雜)
551X射線檢測器
552半導體襯底(n型摻雜)
552a后側表面/后端表面
552b前側表面/前端表面
553第一晶片554凹陷，閃爍體
560第一電極(p型摻雜)
561接觸區(qū)域(p+摻雜)
563第二電極/收集電極/讀出節(jié)點(n+摻雜)
565第三電極/保護電極(p+摻雜)
570 CMOS前端電路
572穿通連接部
575 CMOS后端
581第一隔離層(Si02)
582第二隔離層(Si02)
585絕緣體上的硅層
593第二晶片
598玻璃襯底
650X射線敏感集成電路元件 652半導體襯底(n型摻雜) 652a后側表面/后端表面 652b前側表面/前端表面 654凹陷，閃爍體 660分段第一電極(p型摻雜) 660a頂段 660b底段
661接觸區(qū)域(p+摻雜) 663第二電極/收集電極/讀出節(jié)點(n+摻雜) 665第三電極/保護電極(p+摻雜)
2權利要求
1、一種X射線敏感集成電路元件，用于X射線成像檢測器，具體而言用于醫(yī)療應用所使用的X射線成像檢測器，所述X射線敏感集成電路元件(350)包括半導體襯底(352)，具有前側表面(352b)和后側表面(352a)，多個凹陷(354)，在所述半導體襯底(352)內從所述后側表面(352a)向所述前側表面(352b)形成，其中兩個相鄰的凹陷(354)由所述半導體襯底(352)的側壁分隔，多個第一電極(360)，其中每一個第一電極(360)形成在一個凹陷(354)的內表面上，在所述多個凹陷(354)之內填充X射線敏感閃爍體材料(354)，以及多個第二電極(363)，形成在所述前側表面(352b)處，其中每一個第二電極(363)面向一個側壁。
2、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，其中 所述凹陷(354)是深度大于寬度的深結構。
3、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，還包括 多個形成于所述前側表面(352b)處的第三電極(365)，其中每一個第三電極(365)設置在兩個相鄰的第二電極(363)之間。
4、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，其中 所述第一電極(360)具有不到1pm的厚度，優(yōu)選具有不到0.5pm的厚度。
5、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，還包括 光反射層，其設置在形成于所述半導體襯底(352)的所述后表面(352a)處的所述閃爍體(354)的表面處。
6、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，其中 所述半導體襯底(352)是半導體晶片的至少一部分，所述半導體晶片優(yōu)選由硅制成。
7、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，還包括 形成于所述閃爍體材料(354)和所述第一電極(360)之間的鈍化層。
8、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，其中 所述半導體襯底(352)為本征或n型低慘雜半導體材料，所述第一電極(360)被形成為所述半導體襯底(352)之內的p型摻雜區(qū)域，并且所述第二電極(363)被形成為所述半導體襯底(352)之內的n型摻 雜區(qū)域。
9、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，其中 從所述半導體襯底(352)的所述后側表面(352a)接觸所述第一電極(360)。
10、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，其中從所述半導體襯底的所述前側表面接觸所述第一電極。
11、 根據(jù)權利要求i所述的x射線敏感集成電路元件，其中在深度方向上對所述第一電極(660)進行分段。
12、 根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，其中 所述第一電極(360)包括從所述后側表面(352a)向所述前側表面(352b)減小的摻雜水平。
13、根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件，其中 所述多個凹陷(454)設置成二維陣列。
14、 一種具有空間分辨率的X射線成像檢測器，具體而言為用于醫(yī)療 應用的X射線檢測器，所述X射線檢測器包括多個根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件(350)，以及 多個用于連接所述第一電極(560)和/或所述第二電極(563)的電子 電路布置(570)。
15、 根據(jù)權利要求14所述的X射線成像檢測器，其中所述多個電子電 路布置(570)形成于連接到所述X射線敏感集成電路元件(553)的獨立 芯片(593)上。
16、 根據(jù)權利要求14所述的X射線成像檢測器，其中所述電子電路布 置(570)形成于所述半導體襯底(552)上。
17、 一種X射線成像設備，具體而言為醫(yī)用X射線成像設備，例如計 算機體層攝影設備(100)或C臂系統(tǒng)(200)，所述X射線成像設備包括根據(jù)權利要求14所述的X射線成像檢測器(551)。
18、 一種制造X射線敏感集成電路元件(350)的方法，具體而言為制 造根據(jù)權利要求1所述的X射線敏感集成電路元件(350)的方法，所述方 法包括如下步驟提供具有前側表面(352b)和后側表面(352a)的半導體襯底(352)，在所述半導體襯底(352)之內從所述后側表面(352a)向所述前側表 面(352b)形成多個凹陷(354)，其中兩個相鄰凹陷(354)被所述半導體 襯底(352)的側壁分開，利用半導體摻雜流程形成多個第一電極(360)，其中每一個第一電極 (360)形成于一個凹陷(354)的內表面上，以及用閃爍材料填充所述多個凹陷(354)。
19、 根據(jù)權利要求16所述的方法，還包括如下步驟在用閃爍材料填 充所述多個凹陷(354)之前，在所述多個第一電極(360)上形成鈍化層。
全文摘要
描述了一種集成電路設計和制造其的方法，用于高效率、低噪聲、位置敏感的X射線檢測，尤其是用于醫(yī)療應用。該裝置(350)基于用X射線敏感閃爍體材料填充的深凹陷(354)。在襯底(352)的分開兩個相鄰的凹陷(354)的側壁的表面上形成淺的第一電極(360)。該側壁電極(360)與特定的前側晶片電極(363)結合造成整個裝置(350)的完全耗盡，并朝向低電容讀出電極(363)移動信號電荷。所述的集成電路元件(350)確保了不依賴深度的高的光收集效率。
文檔編號G01T1/20GK101517435SQ200780033933
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月6日 優(yōu)先權日2006年9月14日
發(fā)明者J·雄斯基, M·西蒙 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司