CN101010806A - 具有钝化层的微电子系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子系统，尤其是用于X射线探测器的微电子系统，其中该微电子系统包括具有像素(P)的阵列的半导体层(1)，像素(P)由光敏元件(3)和相关的电子电路(4)组成。在其表面内具有凹陷(5a)的绝缘钝化层(5)夹置于半导体层(1)和闪烁体(8)之间。用于屏蔽电子电路(4)免受X射线辐射的屏蔽金属(6)可置于钝化层(5)的凹陷(5a)内。此外，该凹陷可包含用于固定闪烁体(8)的胶合剂，其中该钝化层(5)另外用作闪烁体(8)和半导体层(1)之间的隔离物。
Description
技术领域
本发明涉及具有半导体层和钝化层的微电子系统。本发明另外涉及包含这种微电子系统的X射线探测器、具有这种X射线探测器的成像系统、以及生产微电子系统的方法。
背景技术
微电子系统包括具有至少部分在例如CMOS的半导体技术中实现的电子元件层的集成电路(IC)，这种微电子系统例如用于医学成像系统的X射线探测器。与这些IC相关联的一个问题为，这些IC暴露于X射线辐射，这会干扰芯片上的敏感电子电路。因此，通常必须为这些电路提供恰当的屏蔽(参考WO00/25149 A1)。另一个问题与所谓的间接转换类型的探测器有关，这种探测器包括将X射线转换成可见光子的闪烁体。所述闪烁体必须以严格定义和均匀的距离固定在集成电路表面上，从而保证所得到探测器的精确功能。在这一点上，EP 1217387 A2中提议在芯片的表面上放置例如金属线或凸起的隔离物，这些隔离物嵌入在用于固定闪烁体的胶合剂内。
基于这种情形，本发明的目标是提供一种具有简单设计的、尤其适于实现X射线探测器的微电子系统。
发明内容
通过根据权利要求1的微电子系统、根据权利要求7的X射线探测器、根据权利要求8的成像系统、以及根据权利要求9的方法实现该目标。在从属权利要求中揭示了优选实施方案。
根据本发明的微电子系统一般而言可以是设计为提供特定功能的任意微电子芯片，特别是直接或者间接转换型X射线敏感探测器的芯片。该微电子系统包括下述元件：
a)具有电子元件的所谓“半导体层”，其中主要在半导体材料(例如晶体硅)内并通过半导体技术(例如沉积、掺杂等)实现所述元件。
b)钝化层，其置于前述半导体层的顶上且包括位于其表面内的凹陷。该钝化层由绝缘材料组成且通常应用于微电子器件中以保护和隔离集成电路的不同元件。例如可以在沉积钝化层之后在钝化层的平坦自由表面内通过掩模蚀刻而产生凹陷。可以根据具体应用的要求选择该钝化层的厚度，例如对于微机电系统(MEMS)相对较厚，而对于IC相对较薄。在通常情况下，其范围为10μm至5000μm，尤其为50μm至1000μm。此外，该钝化层可包含不同材料的两个或更多个子层，由此在蚀刻过程中可以实现确定的停止。
c)至少一种特殊材料(即，与该半导体层和钝化层的典型材料不同的材料)，置于钝化层的前述凹陷内。下文结合本发明优选实施方案讨论特殊材料的重要示例以及将其集成到钝化层内而获得的优点。优选地，该特殊材料恰好填充所述凹陷，因此替代缺失的钝化材料并产生钝化层和该特殊材料的平坦的公共表面。这该情形中，具有平坦下侧的另外元件可以紧紧地置于该钝化层上。如果使用不止一种特殊材料，则其可以是均匀的或不均匀的(例如排列成若干层)。
根据本发明的第一个优选实施方案，该特殊材料为胶合剂(粘合剂)，使用该胶合剂将附加元件固定到该钝化层上。这种情况下，该钝化层实现了精确制造的隔离物的功能，该隔离物保证了半导体层和附加元件之间严格定义且均匀的距离，且该胶合剂由于其局限于钝化层的凹陷内而不会导致间距的任何不规则。此外，由于精确定位的凹陷，可以实现在平行于钝化层的方向上更准确地定位附加元件。该附加元件例如可以是固定在光敏芯片上的闪烁体，从而产生间接转换型X射线探测器。
根据本发明另一个实施方案，该特殊材料为用于保护半导体层内的敏感电子元件免受辐射的屏蔽材料，该实施方案当然可以与前述实施方案组合。取决于具体应用，该屏蔽材料恰当地选择为可以吸收或者反射期望的辐射谱，例如射频(RF)或紫外(UV)。一个重要的示例为屏蔽X辐射，这种情况下，该屏蔽材料为重金属，例如具有大原子序数Z的钽、钨、铅或铋。
根据前述实施方案的进一步发展，该屏蔽材料至少部分具有这样的表面，其反射电磁波谱的特定部分，例如与将被屏蔽材料阻挡的波谱相同或者不同的波谱。反射不同辐射的一个重要示例为具有白色表面的重金属，其中该金属吸收X辐射，而该白色表面反射由闪烁体内X射线辐射的转换产生的可见光子。由于其反射，这些光子对于探测过程而言并未丢失，因此改善了探测器的灵敏度或者DQE(探测量子效率)。
该半导体层尤其可包括传感器元件或像素的规则图案(例如矩阵)，其中每个像素包括电子电路和光敏元件，且其中所述光敏元件受到辐射时产生信号，由该电子电路处理该信号。这种设计例如用于X射线探测器，其中像素可以对X射线辐射敏感(直接转换)或者对二次的可见光光子敏感(间接转换)。这种探测器的一个典型问题为，像素内的电子电路会受到X射线辐射伤害。如果其中具有屏蔽材料的钝化层的凹陷的图案，恰好在该敏感电子电路上方产生以保护其免受X射线辐射，则通过所提出的微电子系统可以避免上述问题。
根据前述实施方案的进一步发展，该钝化层内的该特殊材料围绕像素。该材料于是既可以屏蔽半导体层的元件使其免受X射线辐射，也可以同时防止不同像素之间的串扰，即，光子从一个像素传播到相邻像素。
本发明进一步包括X射线探测器，其具有至少一个X射线敏感微电子系统或芯片，该系统或芯片包括：
a)具有电子元件的半导体层；
b)钝化层，位于前述半导体层的顶上且具有位于其表面内的凹陷；
c)至少一种特殊材料，置于该钝化层的凹陷内。
此外，本发明涉及包括前述类型的X射线探测器的成像系统。该成像系统尤其可以是PET(正电子发射断层摄影)或SPECT(单光子发射计算机断层摄影)装置或者类似CT(计算机断层摄影)系统的X射线装置。
该X射线探测器和成像系统基于前述类型的微电子系统。因此，关于该探测器和成像系统的细节、优点和改进的更多信息，可参考前述描述。
此外，本发明包括使用以下步骤生产微电子系统的方法：
a)生产具有电子元件的半导体层。该步骤原则上可以采用从半导体技术已知的所有方法。
b)在该半导体层顶上沉积钝化层，其中该钝化层在其表面内具有凹陷。
c)在该钝化层的凹陷内沉积至少一种特殊材料。该特殊材料可以是例如从箔片切割或者冲孔得到并置于所述凹陷内的金属，或者被印刷到该钝化层表面上的金属。
采用该方法可以生产前述类型的微电子系统。因此，关于该方法的细节、优点和改进的更多信息，可参考前述描述。
根据该方法的进一步发展，在该半导体层顶上沉积(平坦的)钝化层之后，在该钝化层的自由表面内蚀刻形成该凹陷。通过现有技术已知的一般方法，特别是通过使用掩模以产生与该半导体层内的结构相匹配的结构，可以完成该蚀刻。
该方法可以扩展到能够生产具有包含至少一种金属成分的材料区域的微电子系统，特别是前述类型的微电子系统。为此，该方法包括在流体状态下在载体上沉积所述材料，以及随后固化所沉积的材料。该材料尤其可以作为用于敏感电子元件的屏蔽，且例如包括吸收X射线的重金属。
通过熔化该(多种)金属成分(例如铅)，通过将该(多种)金属成分的粒子悬浮在流体(例如水)中，以及/或者通过溶解该(多种)金属成分的盐，可优选地使前述材料处于其流体状态。如果使用熔融金属，则可选择添加改变熔融状态的表面张力的成分(例如，可以向铅Pb添加锡Sn以提高其表面张力)。这种添加剂的另外优点可源于熔点的降低。
根据该方法的进一步发展，该流体材料以小滴(droplet)的形式沉积或者印刷到其载体上。特别地通过由喷墨印刷已知的技术可以实现这一点。
例如US 4828886中描述了一种这样的技术，该文档通过参考结合到本说明书。在该技术中，在具有喷嘴的玻璃管内提供熔融材料(例如铅锡合金)，其中该试管可以被压电换能器压缩，由此驱使液滴通过所述喷嘴。
US 6531191 B1中描述了另一种技术，该文档也通过参考结合到本说明书。根据该文档，通过喷墨印刷器将载有粒子的液体印刷到表面上。在所述印刷之后，液体蒸发，且粒子通过激光照射而被烧结。
附图说明
以下通过示例并结合附图描述本发明，附图中：
图1示出了X射线探测器的一部分的示意性剖面视图(未按比例)其具有用于敏感电子元件的金属屏蔽；
图2示出了具有用于胶合剂的凹陷的X射线探测器的一部分的类似的示意性剖面视图；以及
图3示出了图1的探测器的顶视图。
具体实施方式
在图示中，相同的数字指代相同的元件，且因此对这些相同元件仅解释一次。
在下文中，将参考例如可以用于CT系统的间接转换类型的X射线探测器作为示例解释本发明，尽管本发明不限于这种应用。例如在WO 00/25149 A1中描述了这种X射线探测器的基本设计，该文档通过参考结合到本申请。
图1所示探测器包括具有层1的微电子系统或(微)芯片，在此用“半导体层”指代层1，因为该层包括基于例如硅Si的半导体材料的载体或体材料2。在体材料2顶上，按照微电子和半导体技术领域中公知的例如沉积、掺杂等方法制作电子元件。优选地，以CMOS技术制作所述电路，且将其布置成可以由相关逻辑(未示出)寻址和读出的规则图案的像素P。每个像素P包括光敏元件3，该光敏元件3产生与其所吸收的光学光子v的量成比例的电学信号。该光敏元件例如可以是光电二极管或者光电晶体管。由光敏元件3产生的信号在每个像素内由相关的电子电路4处理，例如被放大。
探测器的最顶层为具有独立的闪烁体晶体(例如CdWO4或Gd2O2S：Pr，F，Ce)的阵列的闪烁体层或者闪烁体8，所述闪烁体晶体通过一层胶合剂7固定到底下。在闪烁体8内，入射的X射线辐射X被转换成光学光子v。到达半导体层1内的光敏元件3的那些光子v被探测到，并提供原始X射线辐射的数量和位置的指示。
本发明解决了与前述类型的X射线探测器相关的两个主要问题。第一类型的问题源于电子电路4可能对X射线敏感，因此如果X射线量子穿过闪烁体8而未被转换(或者由X射线荧光在闪烁体内产生X射线量子)并到达电子电路4，则电子电路4会因此受到干扰。为了屏蔽电子电路4免受这种X射线辐射，现有技术中已知在闪烁体晶体8之间放置重金属隔离物并将电子电路布置于所述隔离物下方。然而，闪烁体的体积于是被隔离物的体积减小，产生减小的DQE。此外，反射层必须置于重金属隔离物的两侧上，以便将光子v反射回到闪烁体晶体并避免串扰。难以按照所需的高精度生产所得到的若干材料的夹层结构。
通过图1所示设计克服了前述问题。根据该设计，绝缘材料的钝化层5(对光子v是透明的)沉积于半导体层1上。钝化层5的厚度D的典型范围为50μm至1mm。钝化层5尤其可由特殊光致抗蚀剂组成，该光致抗蚀剂为例如MEMS技术中公知的用于结构化的环氧树脂基光致抗蚀剂SU8，且这种光致抗蚀剂可以使用蚀刻光学曝光掩模几何进行处理。当然还可以使用其他光致抗蚀剂(见例如从MicroChemCorp.，Newton，Massachusetts，USA以及Rohm and Haas ElectronicMaterials，Buxton，England可获得的产品)。因此，可以在钝化层5的上表面(最初是平坦的)内蚀刻形成凹陷5a的图案，其中一个凹陷5a位于半导体层1内的一个X射线敏感电子电路4上方。
在下一个步骤中，具有大Z数的屏蔽材料，例如W或Pb，可置于钝化层5的凹陷5a内。根据多种可能的方法中的一种，可以从薄箔片切割或者冲孔得到屏蔽材料片且随后类似拼板片将其置于凹陷5a内。
金属屏蔽6所需的最小厚度取决于电路4的辐射硬度和保护要求。通常其厚度小于或者等于钝化层5的厚度。为了获得整个芯片的平坦表面，需要使用非常厚的钝化层5，将仅在应该放置金属屏蔽的区域5a内向下蚀刻该钝化层5。
可选地，在金属屏蔽6的顶侧上可以存在白色反射涂层，该涂层将来自闪烁体8的光反射回去，使得金属掩模内没有光子v的光学损失。
同时取决于屏蔽6的几何结构，如果芯片表面的平坦度与金属6处于相同的高度且金属边界围绕整个像素，则闪烁体8和芯片之间间隙内的光学像素串扰可以减小。于是仅胶合剂层7的厚度是相关的。胶合剂层7应该非常薄以避免串扰，且该胶合剂的折射率应与钝化层5的折射率匹配。此外，钝化层5可以设计为抗反射层，从而优化光从闪烁体8到光电二极管3内的耦合。
图1的设计的一个突出优点为，由于转换材料8的体积更大，且到二极管3的耦合更好，像素的DQE得到改善。此外，闪烁体晶体8之间的隔离物可以简化成只是仅具有减小串扰功能的反射材料。
图3示出了图1的X射线探测器一部分的顶视图，其中闪烁体8和胶合剂层7被去除。可以看出，芯片由像素P的矩阵组成，且屏蔽金属6具有置于电子电路4上方的部分6a和围绕像素P的区域以避免串扰的部分6b。
本发明所解决的另一个问题则涉及闪烁体层8的固定。通常，使用胶合剂中间层7如图1所示将闪烁体层8固定在芯片上。这种情况下，精确地将闪烁体8定位于半导体层1上方以及提供均匀一致的胶合剂层厚度，是非常困难的。该问题的解决方法如图2所示。与前述相同，在半导体层1顶上沉积厚(厚至50μm)的钝化层5(最终具有两种不同材料以便在等离子体蚀刻时有确定的停止)，并在应放置胶合剂的精确定位区域5b内再次向下蚀刻该钝化层。未被蚀刻或者仅被向下蚀刻至确定距离的结构随后可用作半导体层1和闪烁体8之间的隔离物，以及用作准确对准闪烁体8标记。使用不同掩模和不同蚀刻时间可以实现不同的几何形状。此外，可以实现用于对准目的的壁或十字结构的几何形状。
应该注意，图1和2的设计当然可以组合，使用不同的图示进行描述仅仅是为了清楚。因此，通过添加其中放置屏蔽材料的凹陷5a，可以修改图2的设计。
最后指出，在本申请中，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个，且单个处理器或其他单元可以实现多个装置的功能。此外，权利要求中的参考符号不应离解为限制权利要求的范围。
Claims (13)
1.一种微电子系统，包括：
a)具有电子元件(3，4)的半导体层(1)；
b)钝化层(5)，位于所述半导体层(1)的顶上且具有位于其表面内的凹陷(5a，5b)；
c)至少一种特殊材料(6，7)，置于所述钝化层(5)的凹陷(5a，5b)内。
2.根据权利要求1的微电子系统，其特征在于，所述特殊材料为胶合剂(7)，使用所述胶合剂将附加元件，特别是闪烁体(8)，固定到所述钝化层(5)上。
3.根据权利要求1的微电子系统，其特征在于，所述特殊材料为用于保护所述半导体层(1)内的敏感电子元件(4)免受辐射的屏蔽材料，尤其是重金属(6)。
4.根据权利要求3的微电子系统，其特征在于，所述屏蔽材料(6)至少部分具有反射表面。
5.根据权利要求1的微电子系统，其特征在于，所述半导体层(1)包括像素(P)的规则图案，每个像素包括用于处理由相关光敏元件(3)产生的信号的电子电路(4)。
6.根据权利要求5的微电子系统，其特征在于，所述特殊材料(6a，6b)围绕所述像素(P)。
7.一种X射线探测器，其包括至少一个X射线敏感微电子系统，该系统包括：
a)具有电子元件(3，4)的半导体层(1)；
b)钝化层(5)，位于所述半导体层(1)的顶上且具有位于其表面内的凹陷(5a，5b)；
c)至少一种特殊材料(6，7)，置于所述钝化层(5)的凹陷(5a，5b)内。
8.一种成像系统，特别是X射线、CT、PET、或SPECT装置，包括根据权利要求7的X射线探测器。
9.一种生产微电子系统的方法，包括以下步骤：
a)生产具有电子元件(3，4)的半导体层(1)；
b)在所述半导体层(1)顶上沉积钝化层(5)，其具有位于其表面内的凹陷(5a，5b)；
c)在所述钝化层(5)的凹陷(5a，5b)内沉积至少一种特殊材料(6，7)。
10.根据权利要求9的方法，其中在沉积钝化层(5)之后，在钝化层(5)内蚀刻形成凹陷(5a，5b)。
11.根据权利要求9的方法，包括在流体状态下在载体上沉积包含至少一种金属成分的材料(6)，以及随后固化所沉积的材料。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于通过熔化所述金属，通过将所述金属的颗粒悬浮在流体中，以及/或者通过溶解所述金属的盐，使所述材料处于其流体状态。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于所述流体材料以小滴的形式沉积在其载体上。
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