CN101517435A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

技术领域

本发明总体上涉及借助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，本发明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，本发明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，本发明涉及尤其用于医用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。

本发明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。

背景技术

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40cm×40cm，像素尺寸大约为150μm×150μm。

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 imagingdetector applications，X.Badel et al.，Nuclear Instruments and Methods inPhysics 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CsI(Tl)闪烁体柱的阵列。在X射线照射下，CsI(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。

发明内容

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发明的优选实施例。

根据本发明的第一方面，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。

本发明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(CsI)。

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。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。

根据本发明的实施例，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50μm×50μm，垂直于前侧和后侧表面的深度大约为500μm。

根据本发明的另一实施例，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，能够有效地分开与代表集成电路元件的相邻读出节点的第二电极相关联的漂移场。因此，也可以将第三电极称为保护电极。

根据本发明的另一实施例，第一电极的厚度不到5μm，优选不到1μm。这意味着第一电极代表非常浅的侧壁结，从而可以实现高的光灵敏度，因为在形成于闪烁体和有效侧壁区域之间的界限层中将仅吸收很少光子。此外，浅侧壁结还可有助于完全耗尽半导体衬底侧壁体积之内的自由电荷载流子。

根据本发明的另一实施例，该X射线敏感集成电路元件还包括光反射层，其设置在形成于半导体衬底的后表面的闪烁体的表面上。这能够进一步提高集成电路元件的灵敏度，因为已经由闪烁体材料转换的光不能逃离集成电路元件。

光反射层例如可以是薄金属层，可以在已经利用闪烁体材料填充凹陷之后借助公知的涂布技术在闪烁体上形成薄金属层。

根据本发明的另一实施例，该半导体衬底至少是优选由硅制成的半导体晶片的一部分。这样的优点是可以容易地提供高纯度基底材料。高纯度半导体材料可允许光生电荷载流子在主要代表有效检测器区域的侧壁之内有较长的复合时间。由此，量子效率和检测器效率将得到提高，因为复合过程导致的电子损耗减小了。

此外，仅有可忽略污染的高纯度半导体材料具有所产生的电荷载流子迁移率将得到增大的优点。因此，可以利用所述的集成电路元件实现快速电荷载流子收集和相应的快速电子漂移，因而实现X射线检测器的快速响应时间。

根据本发明的另一实施例，该X射线敏感集成电路元件还包括形成于闪烁体材料和第一电极之间的钝化层。提供这样的钝化层优点在于，实现了半导体材料和闪烁体材料之间的明确的分界线。因此，没有从闪烁体材料原子到半导体中的扩散，反之亦然。优选地，钝化层是厚度大约为10nm的非常薄的层。钝化层例如可以是SiO₂。薄钝化层具有如下优点：由闪烁体材料转换的光的吸收将不会或不会显著增强，从而将维持高的检测器效率。可以根据从闪烁体发射的光的波长优化钝化层的厚度，从而实现通过该钝化层最大的光透射。

根据本发明的另一实施例，(a)半导体衬底为本征或n型低掺杂半导体材料，(b)第一电极被形成为半导体之内的p型掺杂区域，并且(c)第二电极被形成为半导体之内的n型掺杂区域。这可以实现如下优点：可以借助标准的半导体制造技术，具体而言利用CMOS兼容工艺技术制造所述的集成电路元件，CMOS兼容工艺技术已经针对多种不同半导体应用得到良好发展。因此，可以以可靠而低成本的方式制造所述的集成电路元件。

优选地，借助半导体衬底之内的p型高掺杂接触区域连接p型掺杂第一电极，其中p型高掺杂接触区域本身可以借助半导体工艺中公知的连接技术连接到外部接触部。

具体而言，当半导体衬底是n型低掺杂材料时，可以利用n型高掺杂区域实现第二电极。此外，如果提供第三电极以将相邻的第二电极彼此分开，则优选可以由p型高掺杂区域形成第三电极。

必须指出，当然可以在第一和第二电极之间交换掺杂类型。这意味着，在第一电极为n型掺杂区域，第二电极为p型掺杂区域甚至p型高掺杂区域时，也可以实现X射线敏感集成电路元件。当然，在那种情况下，可以借助n型高掺杂接触区域连接第一电极。此外，在使用第三电极以将相邻的第二电极彼此分开的情况下，则优选可以由n型高掺杂区域形成第三电极。

根据本发明的另一实施例，从半导体衬底的后侧表面接触第一电极。由于第一电极通常偏置于高电压，所以这可以实现如下优点：所有高压连接部都位于后侧上，而所有用于信号读出和处理(通常为低压信号)的连接部都设置在前侧上。

根据本发明的另一实施例，从半导体衬底的前侧表面接触第一电极。这种备选实施例尤其有吸引力，因为所有连接部可以位于半导体衬底的同一侧上，从而可以利用标准的CMOS兼容处理技术实现对集成电路元件的处理。因此，可以将晶体硅晶片用作半导体衬底。

可以利用多晶硅实现第一电极和前侧表面之间形成的导电路径，可以用适当方式掺杂多晶硅以提供充分的导电性。这样的优点在于，硅晶体制成的衬底的热膨胀系数和多晶硅的热膨胀系数相当近似，从而可以提高集成电路元件的热稳定性。

根据本发明的另一实施例，在深度方向对第一电极进行分段。这意味着第一电极包括多个彼此不相连接的小电极段。然而，在相邻电极段非常接近的情况下，会产生透过电流。结果，将提供一系列电极，其中每个电极元件位于单独的电势电平上。由于两个相邻的电极元件间的间距代表着电阻，因此多个小电极元件之内的电压分布将呈现出降低的梯度。因此，直接连接到参考电压的电极元件将处于最高正电势或最高负电势。

分段第一电极可以提供的优点是侧壁之内的电势可以被形成一定形状，从而可以实现侧壁内所产生的电荷载流子的改进的漂移。

可以通过在制造集成电路元件期间执行各种工艺步骤来实现第一电极的分段。例如，可以通过分多个步骤蚀刻半导体衬底来形成凹陷。在每个偶数序号步骤之后，实现侧壁掺杂，在每个奇数序号步骤之后，在对应的侧壁表面部分沉积保护性氧化物层。

根据本发明的另一实施例，第一电极包括从后侧表面向前侧表面降低的掺杂水平。这可以实现如下优点：可以实现第一电极之内的电势梯度，从而在采用分段第一电极时，以类似于如上所述的方式形成侧壁内的电势。

可以利用气相沉积(VPD)工艺实现第一电极的随深度变化的掺杂水平。可以优化VPD的掺杂工艺，使得掺杂从后端表面向凹陷底部线性降低，从而在侧壁的表面处产生连续的电阻器系列。与处理分段第一电极相比，制造掺杂强度有梯度的第一电极容易得多。

根据本发明的另一实施例，多个凹陷设置成二维阵列。这样的优点在于，可以使用所述的集成电路元件制造具有空间分辨率的平坦X射线检测器，在(a)凹陷具有平行于半导体衬底的前侧和后侧表面取向的小截面面积，且(b)彼此靠近形成凹陷时，空间分辨率尤其高。

当然，由于第二电极的空间布置的原因，相应的收集电极连接到多个凹陷，而且多个第二电极可以设置成二维阵列。在这点上必须指出，未明确地将代表读出节点的第二电极之一分配给形成于个体凹陷之内的特定闪烁体柱。这具有如下效果，即像素边界穿过闪烁体材料延伸。当然，这样的缺点是两个相邻像素的分隔不完全。然而，所造成的总空间分辨率的降低非常小，相应的X射线敏感检测器仍可以具有与当前用于X射线成像的公知X射线检测器高得多的空间分辨率。具体而言，如果凹陷表示彼此近距离形成的深结构时，会是这种情况。

如果使用第三电极来分隔相邻的第二电极，优选可以利用代表阵列的交叉结构来形成多个第三电极，其中在该阵列的每个像素之内形成一个第二电极部分。使用至少一个自持交叉结构可以实现如下优点，即，仅需要提供有限数量的与第三电极的接触。

根据本发明的另一方面，提供了一种具有空间分辨率的X射线成像检测器，具体而言是用于医疗应用的X射线检测器。所提供的X射线检测器包括(a)多个如上所述的X射线敏感集成电路元件，以及(b)多个用于连接所述第一电极和/或所述第二电极的电子电路布置。

必须指出，该电子电路布置可以不仅用于为电极提供适当的偏置电压。该电子电路布置还可以适用于执行前置放大和/或信号处理，这时，当在闪烁体柱之一内部检测到X射线光子时，就检测到第二电极处的电压降，该第二电极代表X射线敏感电路元件的收集电极和读出节点。

根据本发明的实施例，在连接到X射线敏感集成电路元件的独立芯片上形成多个电子电路布置。这可以实现如下优点，即在半导体衬底的前侧处仅需要处理与光电二极管相关的结构。可以借助公知的倒装芯片键合技术或借助提供通孔来实现集成电路元件和独立芯片之间的连接。因此，为了实现X射线检测器，可以采用所谓的封装中系统方案。

根据本发明的备选实施例，该电子电路布置形成于半导体衬底上。因此，可以在同一晶片中制造完整的读出/放大电路。在这种情况下，以中等掺杂的p/n阱实现该电路，以防止那里的耗尽延伸。如果代表读出电极和读出像素的第二电极的尺寸小于凹陷的截面，这尤其有吸引力。这可以实现如下优点：即可以将剩余的区域用来辅助电子电路布置。因此，为了实现X射线检测器，可以采用所谓的片上系统方案。

根据本发明的另一方面，提供了一种X射线成像设备，具体而言是一种医用X射线成像设备，例如计算机体层摄影设备或C臂系统。该X射线成像设备包括如上所述的X射线成像检测器。

必须指出，上述X射线成像检测器也可以用于其他目的，例如用于材料分析，在例如包裹检查系统中可能会执行材料分析。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造X射线敏感集成电路元件，具体而言用于制造根据上述实施例的X射线敏感集成电路元件的方法。所提供的方法包括如下步骤：(a)提供具有前侧表面和后侧表面的半导体衬底；(b)在半导体衬底内从后侧表面向前侧表面形成多个凹陷，其中两个相邻凹陷被半导体衬底的侧壁分开；(c)利用半导体掺杂流程形成多个第一电极，其中每一个第一电极形成于一个凹陷的内表面上；以及(d)利用闪烁材料填充多个凹陷。

如上文已经结合X射线敏感集成电路元件的描述提到的那样，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。

本发明的这一方面基于如下构思：可以采用标准半导体处理技术，具体而言利用标准的CMOS工艺来制造根据上述实施例中的任一个的X射线敏感集成电路元件。

可以利用所谓的深反应离子蚀刻(DRIE)或电化学湿法蚀刻形成凹陷。因此，可以产生截面大致为50μm×50μm，深度大致为500μm的凹陷。当然，也可以形成具有其他尺寸的凹陷。

具体而言，如果半导体衬底是由纯硅(可以是本征或n型低掺杂的)制造的，则掺杂流程可以是所谓的气相掺杂，其中，例如在高温下从周围环境将硼驱动到硅侧壁中，以形成浅的p型侧壁结。在这点上必须指出，在这种操作期间，由于所谓的硅表面迁移效应，硅表面的粗糙度(如果采用DRIE粗糙度会尤其大)将至少部分被消除。

必须指出，所提供的方法涉及到对晶片衬底的后侧表面的处理。优选地，在执行后侧处理之前或之后，可以用集成电路兼容的方式处理对应晶片的前侧，其中，可以仅处理二极管结构或完整的CMOS电路。

根据本发明的另一方面，该方法还包括在用闪烁材料填充多个凹陷之前向多个第一电极上形成钝化层的步骤。这可以实现如下优点，即实现了半导体材料和闪烁体材料之间明确的边界，从而不会(具体而言)由于扩散而发生原子从闪烁体材料交换到半导体中(反之亦然)的情况。

必须指出，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体而言，参考装置型权利要求描述了一些实施例，而参考方法型权利要求描述了其他实施例。然而，本领域的技术人员将会从以上和以下说明中领会到，除非另行说明，除了属于同一主题的特征的任何组合之外，还认为该申请中公开了涉及不同主题的特征之间的任何组合，尤其是装置型权利要求的特征和方法型权利要求的特征之间的任何组合。

通过下文所述实施例范例将会明了本发明的上述方面和其他方面，并将参考实施例的范例解释上述方面和其他方面。在下文中将参考实施例范例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于此。

附图说明

图1示出了计算机体层摄影(CT)系统的简化图示，其配备有包括多个根据本发明实施例的X射线敏感集成电路元件的X射线检测器。

图2a示出了医用C臂系统的侧视图，其也装备有包括多个根据本发明实施例的X射线敏感集成电路元件的X射线检测器。

图2b示出了图2a中所示的X射线摆臂的透视图。

图3a和3b示出了根据本发明实施例的X射线敏感集成电路元件的截面侧视图。

图4示出了图3a和3b中所示的X射线敏感集成电路元件的俯视图。

图5a示出了借助片上系统方案实现的X射线成像检测器的一部分的截面侧视图。

图5b示出了借助封装内系统方案实现的X射线成像检测器的一部分的截面侧视图。

图6示出了具有分段侧壁电极的X射线敏感集成电路元件的截面侧视图。

具体实施方式

附图中的例示为示意性的。要指出的是，在不同的图中，为类似或相同的元件提供仅第一位数字与对应附图标记不同的附图标记。

图1示出了计算机体层摄影(CT)设备100，也称为CT扫描机。CT扫描机100包括可绕旋转轴102旋转的台架101。借助电动机103驱动台架101。

附图标记105表示诸如X射线源的辐射源，其发射多色辐射107。CT扫描机100还包括孔径系统106，其将从X射线源105发射的X射线辐射形成为辐射束107。还可以通过设置于孔径系统106附近的过滤器元件(未示出)进一步改变从辐射源105发射的辐射束的谱分布。

引导可能是锥形或扇形波束107的辐射束107，使其穿透兴趣区域110a。根据这里描述的实施例，兴趣区域为患者110的头部110a。

患者110位于台112上。患者的头部110a设置在台架101的中心区域中，该中心区域代表CT扫描机100的检查区域。在穿透兴趣区域110a之后，辐射束107入射到辐射检测器115上。为了能够抑制X射线辐射被患者头部110a散射并以偏斜角度入射到X射线检测器上，提供了未示出的抗散射栅(grid)。抗散射栅优选位于检测器115的正前方。

X射线检测器115设置于与X射线管105相对的台架101上。该检测器115包括多个检测器元件115a，其中每个检测器元件115a都能够检测通过患者110的头部110a的X射线光子。检测器元件115a是由多个X射线敏感集成电路元件实现的，下面将要对其进行详细介绍。

在扫描兴趣区域110a期间，沿着箭头117表示的转动方向与台架101一起转动X射线源105、孔径系统106和检测器115。为了转动台架101，将电动机103连接到电动机控制单元120，电动机控制单元120自身连接到数据处理装置125。数据处理装置125包括重构单元，可以借助硬件和/或借助软件实现重构单元。重构单元适于基于在各种观察角度下获得的多个2D图像重构三维(3D)图像。

此外，数据处理装置125还充当着控制单元，其与电动机控制单元120通信，以便协调台架101的运动和台112的运动。由电动机113执行台112的线性位移，电动机113也连接到电动机控制单元120。

在操作CT扫描机100期间，台架101旋转，同时平行于旋转轴102线性地移动台112，从而执行对兴趣区域110a的螺旋扫描。应当指出，也可以执行圆形扫描，其中没有平行于旋转轴102的方向上的位移，仅有绕旋转轴102的台架101的旋转。由此可以以高精度测量头部110a的切片(slice)。在针对每一分立台位置进行了至少一半的台架旋转之后，平行于旋转轴102以分立步骤依次移动台112，由此可以获得患者头部的较大的3D表示。

检测器115耦合到前置放大器118，前置放大器118自身耦合到数据处理装置125。处理装置125能够基于在不同投射角度采集的多个不同X射线透射数据集而重构患者头部110a的3D表示。

为了观察患者头部110a的重构的3D表示，提供了显示器126，显示器耦合到数据处理装置125。此外，也可以通过打印机127打印出3D表示的透视图的任意切片，打印机也耦合到数据处理装置125。此外，数据处理装置125也可以耦合到图片存档及通信系统128(PACS)。

应当指出，可以将CT扫描机100之内提供的监视器126、打印机127和/或其他装置设置在计算机体层摄影设备100本地。或者，这些部件可以远离CT扫描机100，例如机构或医院里的其他地方，或位于经由一种或多种可配置网络，例如因特网、虚拟专用网络等链接到CT扫描机100的完全不同的位置。

参考附图中的图2a和2b，根据本发明另一实施例的医用X射线成像系统200为所谓的C臂系统。该C臂系统200包括由机器臂208靠近患者台212支撑的摆臂扫描系统201。在摆动C臂201内部容纳有X射线管205和X射线检测器215。设置并配置X射线检测器215以检测已经通过患者210的X射线207。此外，该X射线检测器215适于产生代表其强度分布的电信号。通过移动摆臂201，可以将X射线管205和X射线检测器215设置在相对于患者210的任何期望的位置和取向。

为了能够抑制X射线辐射被患者210散射并以偏斜角度入射到X射线检测器215上，可以提供未示出的抗散射栅。抗散射栅可以位于检测器215的正前方。检测器215包括多个X射线敏感集成电路元件，下文将详细描述X射线敏感集成电路元件。

该C臂系统200还包括控制单元229和数据处理装置225，它们都容纳在工作站或个人计算机230之内。该控制单元229适于控制C臂系统200的操作。

要指出的是，C臂系统200的机械精度可以充分得好，以便能基于多个不同的投射二维图像对患者210进行3D图像重构，二维图像是利用高精密C臂系统200获得的。

图3a和3b示出了根据本发明实施例的X射线敏感集成电路元件350的截面侧视图。集成电路元件350形成于半导体衬底352上，半导体衬底352优选为高纯度硅晶片晶体。根据这里所述的实施例，半导体衬底352为n型低掺杂材料，其包括后端表面352a和前端表面352b。在半导体衬底352中形成多个凹陷354。在这里所示的集成电路元件350的部分之内，仅可以看到多个凹陷中的两个。这表示像开口那样的沟槽从后端表面352a开始朝前端表面352b延伸。由半导体衬底352的侧壁分隔相邻的凹陷354。

在沟槽354的内表面上提供了第一电极360，第一电极360是借助诸如气相掺杂的p掺杂流程形成的。由此，根据这里所述的实施例，将硼注入到硅侧壁中以形成浅p型结360。利用在后端表面352a处形成的接触区域361，可以向第一电极360施加-10V到-200V量级的负电压。根据这里描述的实施例，利用p型高掺杂区域实现接触区域361。

衬底352的前端表面352b设有第二电极363，根据这里所述的实施例，第二电极是利用n型高掺杂区域实现的。第二电极363可以连接到前端电路，用于读出和处理在第二电极363之一处检测的信号。下文将描述借助第二电极363进行的对应信号检测，也可以将第二电极标示为集成电路元件350的收集电极和读出节点。

衬底352的前端表面352b还设有第三电极365，第三电极365在垂直于图平面的平面中设置在第二电极363周围。使用第三电极365是为了将相邻的第二电极363电气隔离开。根据这里描述的实施例，通过将前端表面352b选择性p掺杂到高p掺杂水平来实现第三电极365。

利用诸如碘化铯(CsI)的闪烁体材料354填充凹陷，该材料掺杂有铊(Tl)。

为了在闪烁体材料354和第一电极360之间提供明确的分界线，可以在闪烁体材料354和第一电极360之间形成优选由SiO₂制成的薄钝化层(未示出)。

当适当偏置各电极360、363和365时，相邻的第一电极360和设置在两个相邻的第一电极360之间的对应的第二电极363之间的电势会增加。该电势在图3b中由等势线367表示，例如可以通过向第一电极360施加-50V的负电压、分别向第二电极363和第三电极365施加地电压来产生该电势。

当在闪烁体块354之内吸收X射线光子时，将产生光子，其穿透第一电极360并以公知方式主要在相邻两第一电极360之间的侧壁区域中产生电荷载流子。由此，电极360和363之间的区域代表光电二极管的有效区域，其延伸于这些电极360和363之间。因为电极360、363和365具有所述的设置，具体而言，侧壁区域中的自由载流子将完全耗尽。将会向着电极360和363移动由于光吸收而在该区域中经光电效应产生的电子-空穴对。电子将会向着电极363漂移，而空穴向着电极360漂移。在图3b中，由箭头368b以及箭头368a和368c表示电子漂移。

必须指出，将第三电极365连接到地电平将有助于有效地分隔代表集成电路元件350的相邻读出节点的第二电极363，从而对于在闪烁体柱354下方产生的大部分电子也界定出朝向第二电极363之一的明确的电子路径368a或368c。这样的优点是降低了相邻电极363之间的电荷共享。因此，也可以将第三电极365表示为保护电极。

所述设计的X射线敏感集成电路元件350实现了各种优点：

1)侧壁的完全耗尽减小了有效电容，使得相应X射线检测器的相关联噪声和响应时间非常短。

2)侧壁的完全耗尽还导致扩散电流减小。

3)读出电极的较小尺寸也有助于实现非常低的电容。

4)由于对闪烁体产生的光的吸收可以忽略，厚度通常为100nm左右的浅侧壁结确保了高的光灵敏度。

5)X射线敏感检测器可以工作在较低反向电压下。

图4示出了X射线敏感集成电路元件的俯视图，现在为其标示了附图标记450。形成于半导体衬底452之内的闪烁体块454设置成二维阵列。在硅衬底的前侧上，在对应于四个相邻闪烁体块454之间的区域的位置处，形成代表集成电路元件450的读出节点的第二电极463。由虚线455表示对应于所示第二电极463的集成电路元件450的X射线敏感有效面积。通过位于硅衬底后侧上的接触区域461接触第一电极460。为了附图清楚起见，省略了设置于右上位置的分配给第一电极460的接触区域。

图5a示出了根据本发明实施例的X射线成像检测器551的一部分的截面侧视图。该X射线成像检测器551基于已经参考图3a详细描述过的X射线敏感集成电路元件351。因此，将不再重复详细描述图3a中已知的元件。

利用所谓的片上系统方案实现X射线成像检测器551。因此，在衬底552的前端表面552b上与p型高掺杂保护电极565相邻直接形成CMOS前端电路570。根据这里描述的实施例，前端电路570不仅用于为电极560、563和565提供适当的偏置电压。电子电路570还适于执行前置放大和/或信号处理，这时，当在闪烁体柱554之一的内部检测到X射线光子时，在第二电极563处诱发电压降。前端表面552b覆盖有CMOS后端层575，其中设置了金属连接(未示出)。

必须指出，因为存在前端电路570，所以与图3a所示的设计相比，代表读出节点的第二电极563的尺寸减小了。

图5b示出了根据本发明另一实施例的X射线成像检测器551的一部分的截面侧视图。该X射线成像检测器551也基于已经参考图3a描述过的X射线敏感集成电路元件351。利用所谓的封装中系统方案实现X射线成像检测器551。因此，将涉及到pn光电二极管的部件设置在第一晶片553上，而与X射线检测器551的电路相关的部件设置在第二晶片593上。

同样，第一晶片553的设计对应于已经在图3a中示出的电路设计。然而，为了保护前端表面552b，提供优选由SiO₂制成的第一隔离层。

第二晶片593包括玻璃衬底598，在其上形成有CMOS后端层575。在CMOS后端层575上形成包括CMOS前端电路570的层。在层570上形成硅层585，其自身被第二隔离层582覆盖。第二隔离层582优选由SiO₂制成。

提供穿通连接部572以使CMOS前端电路570与电极563和565接触。为了使附图清楚起见，省略了在CMOS前端电路570和第三电极565之间提供电接触的穿通连接布。穿通连接部572可以由金属制成，或优选由导电多晶硅制成。

图6示出了具有对应于图3a和3b所示的第二电极360的分段侧壁电极660的X射线敏感集成电路元件650的截面侧视图。分段侧壁电极660的顶部段660a偏置在最高反向电压，底部段660b偏置在最低反向电压。仅为这两段进行极大的偏置。利用相邻段之间的透过电流建立其他段上的电压分布。

分段电极660可以提供的优点是侧壁之内的电势将被形成一定形状，从而可以实现侧壁内所产生电子的改进的漂移。因此，将进一步减小X射线敏感电路元件650的电荷采集特性和响应时间。

应当指出，“包括”一词并不排除其他元件或步骤，“一”并不排除多个。而且可以对结合不同实施例描述的元件进行组合。还应当指出，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

为了总结本发明的上述实施例，可以描述为：

本申请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。在衬底侧壁的表面上形成浅的第一电极360，分开两个相邻的凹陷354。该侧壁电极360与特定的前侧晶片电极363结合实现整个装置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。

附图标记列表：

100医用X射线成像系统/计算机体层摄影设备

101台架

102旋转轴

103电动机

105X射线源/X射线管

106孔径系统

107辐射束

110兴趣目标/患者

110a兴趣区域/患者头部

112台

113电动机

115X射线检测器

115a检测器元件

117旋转方向

118脉冲鉴别器单元

120电动机控制单元

125数据处理装置(包括重构单元)

126监视器

127打印机

128图像存档和通讯系统(PACS)

200医用X射线成像系统/C臂系统

201摆臂扫描系统/C臂

205X射线源/X射线管

207X射线

208机器臂

210兴趣目标/患者

212台

215X射线检测器

225数据处理装置

229控制单元

230工作站/个人计算机

350X射线敏感集成电路元件

352半导体衬底(n型掺杂)

352a后侧表面/后端表面

352b前侧表面/前端表面

354凹陷，闪烁体

360第一电极(p型掺杂)

361接触区域(p+掺杂)

363第二电极/收集电极/读出节点(n+掺杂)

365第三电极/保护电极(p+掺杂)

367等势线

368a电子漂移路径

368b电子漂移路径

368c电子漂移路径

450X射线敏感集成电路元件

452半导体衬底(n型掺杂)

454凹陷，闪烁体

455一个像素的有效面积

460第一电极(p型掺杂)

461接触区域(p+掺杂)

463第二电极/收集电极/读出节点(n+掺杂)

551X射线检测器

552半导体衬底(n型掺杂)

552a后侧表面/后端表面

552b前侧表面/前端表面

553第一晶片

554凹陷，闪烁体

560第一电极(p型掺杂)

561接触区域(p+掺杂)

563第二电极/收集电极/读出节点(n+掺杂)

565第三电极/保护电极(p+掺杂)

570CMOS前端电路

572穿通连接部

575CMOS后端

581第一隔离层(SiO₂)

582第二隔离层(SiO₂)

585绝缘体上的硅层

593第二晶片

598玻璃衬底

650X射线敏感集成电路元件

652半导体衬底(n型掺杂)

652a后侧表面/后端表面

652b前侧表面/前端表面

654凹陷，闪烁体

660分段第一电极(p型掺杂)

660a顶段

660b底段

661接触区域(p+掺杂)

663第二电极/收集电极/读出节点(n+掺杂)

665第三电极/保护电极(p+掺杂)

Claims (19)

1、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1μm的厚度，优选具有不到0.5μm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型低掺杂半导体材料，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)的所述后侧表面(352a)接触所述第一电极(360)。

10、根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，其中

从所述半导体衬底的所述前侧表面接触所述第一电极。

11、根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，其中

在深度方向上对所述第一电极(660)进行分段。

12、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)包括从所述后侧表面(352a)向所述前侧表面(352b)减小的掺杂水平。

13、根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件，其中

所述多个凹陷(454)设置成二维阵列。

14、一种具有空间分辨率的X射线成像检测器，具体而言为用于医疗应用的X射线检测器，所述X射线检测器包括

多个根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件(350)，以及

多个用于连接所述第一电极(560)和/或所述第二电极(563)的电子电路布置(570)。

15、根据权利要求14所述的X射线成像检测器，其中所述多个电子电路布置(570)形成于连接到所述X射线敏感集成电路元件(553)的独立芯片(593)上。

16、根据权利要求14所述的X射线成像检测器，其中所述电子电路布置(570)形成于所述半导体衬底(552)上。

17、一种X射线成像设备，具体而言为医用X射线成像设备，例如计算机体层摄影设备(100)或C臂系统(200)，所述X射线成像设备包括

根据权利要求14所述的X射线成像检测器(551)。

18、一种制造X射线敏感集成电路元件(350)的方法，具体而言为制造根据权利要求1所述的X射线敏感集成电路元件(350)的方法，所述方法包括如下步骤：

提供具有前侧表面(352b)和后侧表面(352a)的半导体衬底(352)，

在所述半导体衬底(352)之内从所述后侧表面(352a)向所述前侧表面(352b)形成多个凹陷(354)，其中两个相邻凹陷(354)被所述半导体衬底(352)的侧壁分开，

利用半导体掺杂流程形成多个第一电极(360)，其中每一个第一电极(360)形成于一个凹陷(354)的内表面上，以及

用闪烁材料填充所述多个凹陷(354)。

19、根据权利要求16所述的方法，还包括如下步骤：在用闪烁材料填充所述多个凹陷(354)之前，在所述多个第一电极(360)上形成钝化层。

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