CN101401219B - 在x射线成像仪中将直接转换的x射线的影响最小化 - Google Patents
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Abstract
在一实施例中，用于X射线成像仪(200)的图像传感器(290)包括光电二极管(223)和读出电路。在读出电路之下形成的深阱(232)可以被配置为二极管，用以排出寄生电子，否则的话，寄生电子会在图像中产生噪声。例如，寄生电子可以被排出到电源或者用于计量目的的测量电路。
Description
发明领域
本发明总的来说涉及图像传感器，更特别地但不唯一地涉及在X射线成像仪中使用的图像传感器。
背景技术描述
X射线成像仪可以包括互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和闪烁体(scintillator)。紧密接触于图像传感器中光电二极管的闪烁体，将X射线转换为可见光。图像传感器还包括用于从光电二极管读出图像信息的像素的读出电路。一般的图像传感器具有多个光电二极管和读出电路，用来产生整个图像。为可视的目的，图像可以被显示在监视器上或者被打印。
一般地，读出电路与光电二极管在同一衬底上形成，因此限制了光电二极管的可使用(例如光敏感)区域。由于读出电路不是被设计用来实现光线到图像信息的转换，所以可以在读出电路之上形成金属屏蔽层，使得读出电路对入射光线不敏感。优选地，入射光线只在围绕光电二极管的区域产生自由电子。与光线不同，射到图像传感器的X射线可以在任何区域产生大的自由电子云，甚至在金属屏蔽层之下。这种发生在图像传感器硅体部分中的X射线直接转换，会导致产生可以在图像中引入噪声的寄生电子。
发明内容
在一实施例中，用于X射线成像仪的图像传感器包括光电二极管和读出电路。在读出电路之下形成的深阱可以被配置为二极管，用以排出寄生电子，否则的话这些寄生电子会在图像中产生噪声。例如，寄生电子可以被排出到例如电源或者用于计量目的的测量电路。
通过阅读本发明的全部公开内容，包括附图和权利要求，本发明的这些和其他特征对于本领域内的普通技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1示出X射线成像仪的一个实例；
图2示出根据本发明的一个实施例的X射线成像仪；
图3示出根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器的布局图；
图4示出根据本发明的一个实施例制造用于X射线成像仪的CMOS图像传感器的方法的流程图；
图5示出根据本发明的另一个实施例的X射线成像仪；
图6示出根据本发明的一个实施例制造用于X射线成像仪的CMOS图像传感器的方法的流程图；
图7示出根据本发明的一个实施例操作X射线成像仪的方法；
在不同附图中的相同标记代表相同或类似的元件。除非另外指出，附图不必按比例画出。
具体实施方式
在本发明公开内容中，提供多个具体细节，诸如结构、元件和方法的例子，以便彻底理解本发明的实施例。但是，本领域内的普通技术人员可以认识到，没有其中一个或者多个具体细节也可以实施本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明的特征，公知的细节没有被示出或者描述。
图1示出示例性的X射线成像仪100。X射线成像仪100包括闪烁体110和CMOS图像传感器120。闪烁体110转换输入X射线为可见光。在图1和本发明的其他附图的例子中，X射线被表示为带箭头的实线，可见光被表示为带箭头的虚线。
图像传感器120包括P型硅基衬底133和外延层132。在外延层132中形成P型阱121、P型阱131和N型阱125。在N型阱125中形成包括N++区域124的光电二极管，而在P型阱121中形成包括N++区域127的读出电路。光电二极管的电子收集区或者耗尽区总的被虚界线126包围。
仍旧参考图1，通过闪烁体110的X射线被转换为可见光。射到光电二极管收集区域的光线产生电子，其可以通过使能栅极123从读出电路读出。金属接触122被耦合于N++区域127，以允许产生的电子流出读出电路进行进一步处理。成像仪100的一个问题是没有被闪烁体100转换为可见光的一些X射线在射到外延层132上时产生寄生电子云134。在CMOS图像传感器中，X射线到自由电子的转换也被称为“直接转换”。直接转换甚至可以在覆于读出电路上的金属屏蔽层之下发生，并且因此可能从读出电路中读出。通常，来自直接转换的X射线的寄生电子因其不包含图像信息而导致形成图像噪声。
将直接转换的X射线的影响最小化的一个方法是减少外延层132的厚度。例如，外延层132的厚度可以被形成为大约2微米。这种方法的一个缺陷是降低了对光线的敏感度，所述光线具有典型的超过这种外延层厚度的穿透深度的波长。将图像传感器中直接转换的X射线的影响最小化的其他方法现在由图2开始讨论。
图2示出根据本发明的一个实施例的X射线成像仪200。在图2的例子中，成像仪200包括闪烁体210和CMOS图像传感器290。闪烁体210转换X射线为可见光。在一实施例中，闪烁体210转换X射线为绿光(即波长大约550nm)。在图2中，X射线被表示为带箭头的实线，可见光被表示为带箭头的虚线。
CMOS图像传感器290可以包括衬底240、外延层220和金属屏蔽层212。图像传感器290可以包括多个光电二极管223和读出电路，但为了清晰起见并未示出。在一个P型阱221中可以形成一个读出电路。每一个光电二极管和相应的读出电路形成图像传感器290的一个“像素”。多个像素被用来形成整个图像。在金属屏蔽层212和外延层220之间形成诸如氧化层的介电层(未示)。氧化层(即二氧化硅)对于光线是透明的，因此可以在图像传感器290的整个顶面上形成。金属屏蔽层212可以是读出电路的金属布线(metal routing)的一部分，所述读出电路在P型阱221中形成。例如，金属屏蔽层可以连接到电源(例如电源电压(Vdd))、控制信号、输出信号以及其他诸如此类。读出电路的金属布线优选地位于图像传感器290的两个相邻像素的光电二极管224之间的中心，来避免覆盖光线敏感部分(例如光电二极管223)并建立无电子产生的区域。这就改善了光学串扰。
在一实施例中，衬底240包括P型硅基衬底。外延层220可以被轻掺杂(在此例中为P--)，并且可以在衬底240顶部之上外延生长。在一实施例中，外延层220大约4-5微米厚。在N型阱226中可以形成包括N++区域225的光电二极管223。为了清晰起见，在图2中仅示出了一个光电二极管223。在图2所示例子中，光电二极管223的电子收集区总的被虚界线227包围。光电二极管223收集由可见光射到诸如外延层220的硅体而产生的电子。注意到，通常而言，自由电子可以被一个结(晶体管或者光电二极管)收集，也可以在外延层中的某个地方重新复合。由于扩散长度通常很长，例如大于约10微米，对于电子来说，其更可能首先被结所收集。金属接触224被耦合于N++区域225，以允许在光电二极管223中产生的电子流出到读出电路，如上所述，所述读出电路可以在P型阱221中。
为了最小化直接转换的X射线的影响，可以形成深N型阱232，使其在P型阱221之下延伸。也可以形成在P型阱221之下延伸的深P型阱231，通过限制深N型阱232的耗尽区的宽度来阻止横向串扰。也就是，可以形成深P型阱231来阻止电子横向地移动超过它们。填充了隔离材料(例如氧化物)的深沟道也可以用来代替深P型阱231，来避免横向串扰。在图2的例子中，深N型阱232的耗尽区为虚界线所表示的区域。优选地，所形成的深N型阱232的深度可以允许其耗尽区至少可以接触衬底240。例如，所形成的深N型阱232的深度为从外延层220的顶部起大约1-2微米，同时所形成的P型阱221和N型阱125的深度为从外延层220的顶部起大约1-2微米。为了提供对在深N型阱232收集区域中所产生电子的有效阻挡，优选地形成深P型阱231，使得其至少接触衬底240。注意，为了避免图2的混乱，在图中未画出深P型阱231和深N型阱232接触衬底240。当然，深P型阱231和深N型阱232的深度根据具体实现并不必然接触衬底240。
图3的俯视图中描述了光电二极管223、深N型阱232和深P型阱231的布局。如图3所示，光电二极管223优选地放置成与周围深N型阱232等距，来避免可能导致各个像素的不同响应的非对称性。深N型阱232可以连接到电源(图3例子中的Vdd)来排出由直接转换的X射线产生的电子。或者是，深N型阱232可以连接到用于计量目的的测量电路(未示)。例如，由深N型阱232排出的寄生电子可以被用作反馈信号来调整X射线源的功率。
返回参见图2，没有被闪烁体210转换为可见光的X射线可以射到金属屏蔽层212之下的外延层220的区域。这些X射线可以被直接转换为寄生电子，形成电子云228。与作为图像信号的一部分从在P型阱221中形成的读出电路中读出不同，寄生电子利用深N型阱232和外延层220所形成的二极管从读出电路中被排出。假设金属屏蔽层下所有的自由电子是由X射线而不是由来自上述闪烁体的可见光产生，寄生电子可被排出到电源或者被用作计量目的，这样有利地最小化了由于直接转换X射线在图像中产生的噪声。
图4示出根据本发明的一个实施例制造用于X射线成像仪的CMOS图像传感器的方法400的流程图。从步骤402开始，在衬底上形成外延层。例如衬底可以是P掺杂硅衬底，外延层可以被轻掺杂并且生长到例如厚度大约为4-5微米。在步骤404中，在外延层中可以形成深N型阱。深N型阱与外延层形成二极管，排出由直接转换的X射线产生的寄生电子。可以形成使其耗尽区接触衬底的深N型阱。可选地，在步骤406中形成深P型阱，使其横向围绕于深N型阱。这样有利地防止了横向地串扰。也可以用填充隔离材料的深沟道代替深P型阱。深P型阱或者深沟道是可选的，并且在横向串扰不成为一个问题的应用中可以被略去。在步骤408中，在深N型阱和可选的深P型阱之上形成阱(例如，N型阱、P型阱)。深N型阱和可选的深P型阱在所述阱下延伸。在步骤410中，在深N型阱上的上述各个阱中，形成光电二极管和读出电路。例如，在深N型阱的正上方的P型阱中可以形成读出电路，同时在N型阱中可以形成光电二极管。
现在参见图5，图5示出根据本发明的另一个实施例的X射线成像仪500。在图5的例子中，X射线成像仪500包括闪烁体510和CMOS图像传感器590。闪烁体510转换X射线为可见光。在一实施例中，闪烁体510转换X射线为波长介于大约400-550nm之间的可见光，更常用的为550nm。在图5中，X射线被表示为带箭头的实线，可见光被表示为带箭头的虚线。
CMOS图像传感器590可以包括衬底540和外延层520。为了清晰起见，并未示出位于闪烁体510和图像传感器590之间的金属屏蔽层。金属屏蔽层不只是用来阻挡来自读出电路的可见光，还用来连接像素到诸如VDD、输出、选择和复位的外围电路。金属屏蔽层可以布置在光电二极管之间的中心。图像传感器590可以包括读出电路551、光电二极管552和寄生读出电路553。但为了清晰起见，图5只示出一个读出电路551和一个光电二极管552。每一个光电二极管552和相应的读出电路551形成图像传感器590的一个像素。多个像素被用来形成整个图像。
在一实施例中，衬底540包括P型硅基衬底。外延层520可以被轻掺杂(在此例中为P--)，并且可以在衬底540顶部之上外延生长。在一实施例中，外延层520大约4-5微米厚。包括N++区域528的光电二极管552可以与包括N++区域527的读出电路551一起，形成在P型阱521中。在图5的例子中，光电二极管552的电子收集区总的被虚界线532包围。光电二极管552将射到外延层220硅体的透明区域的可见光转换为电子。由于光电二极管552的相对薄的电子收集区，光探测可以被限制到具有短波长(例如，介于大约400-550nm)的光线。
通过施加电压可以使能栅极525，从而在N++区域527和528之间形成通道。这导致在光电二极管552中产生的电子流向读出电路551。金属接触524被耦合于读出电路551的N++区域，以允许来自相应光电二极管552的电子被读取到另一电路进行进一步处理。
为了最小化来自直接转换的X射线的寄生电子的影响，可以在读出电路551、光电二极管552和寄生读出电路553之下形成深N型阱531。在一实施例中，深N型阱531为图像传感器590的所有像素所共有。也就是说，单个深N型阱531可以位于所有的读出电路551和光电二极管552之下。对于所有的像素，也可以使用单个寄生读出电路553。在图5例子中，深N型阱531的电子收集区总的被虚界线533包围。
如图5所示，深N型阱531在P型阱521和N型阱539下面延伸。在一实施例中，形成P型阱521和N型阱529的深度可以为从外延层520的顶部起大约1微米，同时形成深N型阱531的深度可以为从外延层520的顶部起大约2-3微米。可以在N型阱529中形成包括N++区域的寄生读出电路553。如以下更明显地，金属接触526被耦合于N++区域530，允许寄生电子从图像传感器590中排出。
深N型阱531、N型阱529和寄生信号读出电路553的N++区域530与P型外延层520形成二极管。当通过衬底540正向偏置此二极管时，通过金属接触553，可以从图像传感器590中排出由直接转换的X射线产生的电子云528的寄生电子。这有利地降低了从读出电路551读出的寄生电子的数量，从而降低了图像中的噪声。寄生读出电路553允许直接转换的X射线被排出到电源或者用以计量目的。例如，测量电路(未示)可以被耦合于金属接触553，用来测量寄生电子的数量，并且相应地X射线源作出调整。
图6示出根据本发明的一个实施例制造用于X射线成像仪的CMOS图像传感器的方法600的流程图。从步骤602开始，在衬底上形成外延层。例如，衬底可以是P掺杂硅衬底，外延层可以被轻掺杂并且生长到例如厚度大约为4-5微米。在步骤604中，在外延层中可以形成深N型阱。深N型阱与外延层形成二极管来排出由直接转换的X射线产生的寄生电子。在步骤606中，在深N型阱之上形成多个阱(例如，N型阱、P型阱)。在步骤608中，在深N型阱上的上述各个阱中分别形成光电二极管、读出电路和寄生读出电路。例如，在深N型阱正上方的共用P型阱中可以形成光电二极管和从光电二极管读取图像信息的读出电路，同时在N型阱中可以形成从图像传感器中排出寄生电子的寄生读出电路。
参见图7，此处示出根据本发明的一个实施例操作X射线成像仪的方法700。应注意到，尽管为了说明目的依顺序格式呈现方法700，但是其步骤可以被重新排列，而不会偏离本发明的精神。例如，从光电二极管到读出电路的电子流可以在寄生电子排出之时执行，也可以在之后执行。
在步骤702中，X射线被转换为可见光。例如，可以使用闪烁体执行步骤702。在步骤704中，在读出电路之下的CMOS图像传感器的区域中接收X射线。例如，这些射线可以是未被闪烁体转换的射线。在步骤706中，由直接转换的X射线产生的寄生电子被排出，用来最小化其对再生图像的影响。例如，可以通过使用深N型阱执行步骤706，其中深N型阱与外延层形成二极管。可以正向偏置深N型阱，将寄生电子排出到电源或者测量电路。在步骤708中，在CMOS图像传感器的光电二极管中接收可见光。光电二极管转换可见光为电子，其中包括图像信息。在步骤710中，来自光电二极管的电子流向读出电路。
尽管这里已提供了本发明的具体实施例，但是应该明白，这些实施例仅用于说明目的而非限制性的。当本领域内普通技术人员阅读本发明的公开内容时，很多其他的实施例是显然的。
Claims (19)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
光电二极管，位于外延层中的第一阱中；
读出电路，被配置为接收来自所述光电二极管的图像信息，在所述外延层中的第二阱中形成所述读出电路；和
第一深阱，在所述读出电路之下的第二阱下延伸，所述第一深阱被配置为形成二极管，以排出由于X射线直接转换而产生的寄生电子。
2.权利要求1所述的图像传感器，其中，所述图像传感器是X射线成像仪的一部分，后者包括用来转换X射线为可见光的闪烁体。
3.权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第二阱包括P型阱，并且所述第一深阱包括深N型阱。
4.权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一深阱与所述外延层形成所述二极管。
5.权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一阱包括N型阱，并且所述第二阱包括P型阱。
6.权利要求1所述的图像传感器，进一步包括：
第二深阱和第三深阱，其在所述读出电路之下的第二阱下延伸，所述第二深阱和所述第三深阱围绕所述第一深阱，使得所述第一深阱的耗尽区的宽度受到限制。
7.权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第一深阱是深N型阱，并且所述第二深阱和所述第三深阱是深P型阱。
8.权利要求1所述的图像传感器，进一步包括：
金属屏蔽层，被配置来阻止可见光射到所述读出电路的一部分。
9.权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一深阱排出所述寄生电子到电源。
10.权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一深阱排出所述寄生电子到测量电路以调节X射线源。
11.一种用在X射线成像仪中的图像传感器，所述图像传感器包括：
光电二极管，被配置来接收来自闪烁体的光线；
读出电路，藕合于所述光电二极管，在第一阱中形成所述读出电路；和
第一深阱，其在所述读出电路之下的所述第一阱下延伸，所述第一深阱被配置为形成二极管，通过所述二极管排出由X射线直接转换而产生的寄生电子。
12.权利要求11所述的图像传感器，进一步包括：第二深阱，其在所述第一阱下延伸，并且在所述第一深阱的第一侧面上形成，用来阻止电子横向移动超过所述第二深阱。
13.权利要求11所述的图像传感器，进一步包括第三深阱，其在所述第一阱下延伸，并且在所述第一深阱的第二侧面上形成。
14.权利要求11所述的图像传感器，进一步包括：深沟道，其在所述第一阱下延伸，并且在所述第一深阱的一个侧面上形成，用来阻止电子横向移动超过所述深沟道。
15.权利要求11所述的图像传感器，其中，在第二阱中形成所述光电二极管，所述第二阱是N型阱，所述第一阱是P型阱，并且所述第一深阱是深N型阱。
16.一种操作成像仪的方法，所述方法包括：
转换X射线为可见光；
在CMOS图像传感器读出电路之下的区域中接收X射线；
通过二极管排出由所述X射线产生的寄生电子，所述二极管包括在读出电路之下形成的深阱；
在所述CMOS图像传感器的光电二极管中接收可见光；以及
使电子从所述光电二极管流向所述读出电路；
其中，所述深阱包括P型阱下延伸的N型阱，在所述P型阱中形成了所述读出电路。
17.权利要求16所述的方法，其中，排出所述寄生电子包括使所述寄生电子流向电源。
18.权利要求16所述的方法，其中，排出所述寄生电子包括使所述寄生电子流向用于计量的测量电路。
19.权利要求16所述的方法，进一步包括：
阻止电子对所述深阱的横向串扰。
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