CN102318063A - 用于成像系统的光电检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种至少包括一个光电检测器的衬底，该光电检测器在衬底的第一表面上具有第一活性区而在衬底的第二表面上具有第二活性区，其中，光电检测器设置有与衬底电隔离的导电过孔，该导电过孔穿过光电检测器从衬底的第一表面延伸到衬底的第二表面，用于将第一活性区连接至衬底的第二表面，第二表面为光电检测器的第一活性区和第二活性区提供电连接。

Description

用于成像系统的光电检测器
技术领域
本发明涉及具有形成在衬底两侧面上的活性区(active area)的半导体器件，具体但不唯一地，涉及用于成像系统的光电检测器。
背景技术
光电检测器用于医疗、安全以及工业应用的成像系统中。光电检测器的一个具体医疗应用是在计算机断层扫描(CT)系统中的应用。
在通常的CT系统中，具有扇形X射线束的X射线源以及二维辐射检测器阵列被组装在通常称为机架的机械支撑结构上。在使用时，围绕将被成像的对象旋转机架，以便相对于对象从不断变化的角度收集X射线衰减数据。机架旋转的平面通常称为成像平面，其通常在CT系统中被定义为坐标系统的x-y平面。此外，沿着系统的z-轴缓慢移动机架(或更通常的是对象)，以便收集对象的所需长度的X射线衰减数据。在美国专利第6,144,718和6,173,031号中讨论了CT系统的实例。
当前现有技术的CT系统的辐射检测器由稀土金属基闪烁体的二维阵列和相应的硅光电二极管二维阵列组成。闪烁体晶体和光电二极管都以二维阵列形式制造，随后在检测器制造期间彼此光学连接。
图1中示出了典型的检测器阵列。典型的检测器由16行和16列的独立检测器元件(即，总计256个元件)的阵列组成。各列都排列在z方向上，检测器的构造在现有技术中是公知的。检测器阵列在图1中由参考标号2整体示出。图1中还示出了z方向或z轴。各行中的元件都在成像平面中，并且产生通称为“片(slice)”的数据集合。例如，在医疗CT机中，每片图像都与沿人体轴和CT机z轴方向所看到的人体薄片的二维X射线图像相对应。
在CT成像系统中，通过将各检测器阵列(诸如图1中所示的阵列)放置成彼此相邻而增加了成像平面中的检测器的尺寸，从而增大了成像平面中的检测器的尺寸。可以沿着相应检测器阵列的相应边缘来设置图1的检测器的边缘4，从而可以构造更大的区域。
CT行业中的主要趋势是构建具有更多检测器元件的CT机，从而在每次机架旋转时收集更多的X射线衰减数据，从而加速测量，提高测量的精度，并且减小病人在医疗应用中的辐射剂量。检测器元件数目的增加同样在其它成像应用中有好处，并不限于医疗或CT系统。
在CT检测器构造中，设置更多检测器元件的主要限制因素是需要从检测器阵列的各个光电检测器读出电信号。在当前技术中，通过在光电检测器芯片顶部上、活性光电检测器元件之间制造非常窄的金属线(通常5～20μm)来帮助读出这些信号。为了通过引线键合(wire bonding)将来自光电检测器的信号连接至放置在光电检测器芯片下方的衬底，或者连接至多路复用或信号处理ASIC芯片，单个金属线将一个光电检测器的信号传送到光电检测器芯片的边缘，在z方向上传送到特别保留的区域。通过使用该方法，可制造的光电检测器阵列的尺寸存在物理限制。在芯片边缘处的电子元件的数目受限，这限制了可被连接的光电检测器元件的数目。检测器尤其在z方向上不能变得更大。
这由图1示出。光电检测器阵列2在阵列的z方向上的任一侧设置有区域6和8，设置这两个区域是为了连接到相应的一组电线10和12。来自光电检测器阵列的信号在被连接至电线10和12之前，这些信号可以在位于区域6或8中的集成电子芯片或ASIC中被多路复用或处理。由于需要容纳物理线及其连接，因此限制了阵列中光电检测器的数目。尤其是，无法在z方向上增加另外的光电检测器。物理线10和12妨碍了光电检测器阵列在z方向上的任何扩展，使得在z方向上不能增加另外的光电检测器阵列。也就是说，虽然光电检测器在图1中的水平方向上可以并排接合在一起，但它们不能在竖直方向上从顶部到底部地被接合。这是因为需要在顶部和底部处连接电线10和12。
在z方向上具有扩展可能性的光电检测器通常称为“可砌式(tileable)”检测器。为了提供可砌式检测器，要求不用将光电检测器接线连接到光电检测器芯片边缘地进行每个光电检测器的电连接。如果可以实现这一点，则光电检测器阵列的增大就不存在限制，从而也不存在对光电检测器元件的数目的限制。
在Detection Technology的欧洲专利第1525623号中提出了实现可砌式检测器这一问题的解决方案。该文献公开了一种连接技术，其中，光电二极管的正极(anode)和负极(cathode)的连接均设置在衬底的单侧面上。这是通过穿过衬底并与光电检测器器件相邻地形成导电过孔、将衬底的一个表面上的活性区与衬底的另一表面相接触来实现的。
本发明的实施例致力于处理上述问题中的一个或多个，并且致力于提供一种改进的光电检测器阵列。
发明内容
本发明提供了一种在半导体器件的至少一个层中形成过孔的方法，包括以下步骤：部分地蚀刻至少一个层，以在其中形成第一宽度的第一开口；以及蚀刻至少一个层，以穿过至少一个层形成第二宽度的第二开口，其中，第二宽度小于第一宽度，过孔由第一开口和第二开口形成。
蚀刻步骤可以在部分蚀刻步骤之后执行，蚀刻步骤包括蚀刻至少一个层的没有被部分蚀刻步骤去除的部分。
蚀刻步骤可以在半导体器件的下侧执行，使得过孔在至少一个层的下侧形成有第一宽度，并且在至少一个层的另一侧形成有第二宽度。
至少一个层可以是光电检测器器件层。
至少一个层可以包括衬底。
至少一个层可以包括形成在衬底下侧上的注入层。
至少一个层可以包括形成在注入层的下侧上的二氧化硅层。
在二氧化硅层的下侧上可以形成保护性低温氧化层。
在保护性低温氧化层的下侧上可以形成光致抗蚀层。
在蚀刻之前，在光致抗蚀层中可以形成第一宽度的开口。
部分地蚀刻至少一个层的步骤可以包括穿过保护性低温氧化层、二氧化硅层和注入层进行蚀刻，并部分地蚀刻进入衬底中。
在至少一个层的下侧上和形成的开口中可以形成另一光致抗蚀层。
可以对另一光致抗蚀层进行图案化，以形成第二宽度的开口。
蚀刻至少一个层以形成第二开口的步骤可以包括穿过衬底进行蚀刻。
可以在衬底的上表面上形成注入层、场氧化层，或在场氧化层上形成注入层和光致抗蚀层。
蚀刻步骤还可以包括蚀刻注入层和场氧化层。
该方法还可以包括在形成的过孔的侧壁上形成二氧化硅层。
该方法还可以包括用多晶硅填充过孔。
本发明还提供了具有形成在其中的至少一个层中的过孔的半导体器件，该过孔包括：第一宽度的第一部分，部分地穿入所述至少一个层而延伸；以及第二宽度的第二部分，穿过至少一个层的剩余部分而延伸，该第二宽度小于该第一宽度。
半导体器件可以包括光电检测器。
过孔可以填充有多晶硅。
过孔可以具有形成在该过孔的侧壁上的二氧化硅。
该器件还包括形成在至少一个层的上表面的第一注入层，以及形成在至少一个层的下侧的第二注入层。
半导体器件还可以包括：在上表面处的导电层，用于将过孔中的多晶硅连接至第一表面处的注入层；以及在下侧处的导电层，用于将多晶硅连接至另一连接。
半导体器件还可以包括：在下侧处的另一导电层，用于将下侧处的注入层连接至另一连接。
导电层和另一导电层可以包括分别在至少一个层的上表面和下侧处的注入层的接触垫片。
本发明提供了一种包括至少一个光电检测器的衬底，光电检测器具有在衬底的第一表面上的第一活性区和在衬底的第二表面上的第二活性区，其中，光电检测器设置有与衬底电隔离的导电过孔，所述导电过孔穿过光电检测器从衬底的第一表面到衬底的第二表面进行延伸，用于将第一活性区连接至衬底的第二表面，第二表面为光电检测器的第一活性区和第二活性区提供电连接。
光电检测器是光电检测器器件。第一表面和第二表面在衬底的相对侧面上。
本发明还提供了一种包括衬底的光电检测器，该光电检测器具有在衬底的第一表面上的第一活性区和在衬底的第二表面上的第二活性区，其中，该光电检测器设置有与衬底电隔离的导电过孔，所述导电过孔穿过光电检测器从衬底的第一表面到衬底的第二表面进行延伸，用于将第一活性区连接至衬底的第二表面，第二表面为光电检测器的第一活性区和第二活性区提供电连接。
所述导电过孔优选地穿过第一活性区进行延伸。
所述导电过孔优选与衬底电隔离。所述导电过孔优选地包括多晶硅。多晶硅优选地填充导电过孔。
优选地在衬底的第二侧上提供连接至导电过孔的另一导电元件。衬底的第二侧面上的另一导电元件优选地用于进行经由导电过孔到第一活性区的片外连接。另一导电元件优选地是铝接触元件。
优选地在衬底的第二侧面上提供连接至第二活性区的另一导电元件。在衬底的第二侧面上的另一导电元件优选地用于进行到第二活性区的片外连接。另一导电元件优选地是铝接触元件。
第一活性区优选地为正极。第二活性区优选地为负极。
可以提供多个光电检测器和相应的多个导电过孔，用于将衬底的第一表面的相应多个第一活性区连接至衬底的第二表面。多个光电检测器优选地形成为阵列。
光电检测器优选地为光电二极管。光电检测器优选地为医疗成像系统的光电二极管。医疗成像系统优选地为计算机断层扫描系统。
本发明提供了一种包括多个光电检测器的衬底，多个光电检测器中的每一个都具有在衬底的第一表面上的活性区和在衬底的第二表面上的另一活性区，其中，多个光电检测器中的每一个都设置有与衬底电隔离的导电过孔，所述过孔穿过光电检测器从衬底的第一表面到衬底的第二表面进行延伸，用于将活性区连接至衬底的第二表面，第二表面为多个光电检测器的第一活性区和第二活性区提供电连接。
一种包括多个光电检测器子阵列的光电检测器阵列优选地包括这样一种衬底，其中，多个所述光电检测器子阵列以矩阵形式放置成彼此相邻，以形成光电检测器阵列。
该矩阵优选地在两个方向上延伸。
一种成像系统优选地包括：辐射检测器，包括被定义的光电检测器阵列；辐射源，面向辐射检测器；以及用于控制辐射检测器和辐射源的装置。
辐射源可以是配备有高压发生器的X-射线管。
辐射检测器和辐射源可以被径向地安装在圆柱扫描结构中。
控制装置可以包括计算机系统。
本发明提供了一种制造光电检测器器件的方法，包括：在衬底的第一表面上形成光电检测器器件的第一活性区；在衬底的第二表面上形成第二活性区；形成从衬底的第一表面到衬底的第二表面穿过光电检测器器件并与衬底电隔离的导电过孔；以及将第一活性区连接至导电过孔，使得第一活性区连接至衬底的第二表面。
导电过孔优选地形成为穿过第一活性区进行延伸。
本方法还可以包括将导电过孔与衬底电隔离的步骤。
本方法还可以包括设置连接在导电过孔与器件的第一活性区之间的另一导电元件的步骤。
该方法还可以包括在衬底的第二侧上设置连接至导电过孔的另一导电元件。另一导电元件可以是接触垫片。衬底的第二侧面上的另一导电元件优选地用于进行经由导电过孔到第一活性区的片外连接。
该方法还可以包括在衬底的第二侧上设置连接至第二活性区的另一导电元件。优选地在衬底的第二侧面上设置另一导电元件，用于进行到第二活性区的片外连接。
光电检测器可以是光电二极管。第一活性区可以是正极，而第二活性区可以是负极。
该方法还可以包括设置多个光电检测器器件和相应的多个导电过孔的步骤，用于将衬底的第一表面上的光电检测器器件的活性区连接至衬底的第二表面。
本发明提供了一种制造多个光电检测器器件的方法，包括：在衬底的第一表面上形成光电检测器器件的多个第一活性区；在衬底的第二表面上形成相应的多个第二活性区；穿过光电检测器器件从衬底的第一表面到衬底的第二表面形成与衬底电隔离的每个光电检测器的导电过孔；并且将第一活性区连接至相应的导电过孔，使得第一活性区重新连接至衬底的第二表面。
附图说明
为了更好地理解本发明，参考附图以实例的方式说明怎样可以实现本发明的效果，附图中：
图1示出了根据一个已知布置的光电检测器阵列的基本构造；
图2(a)至图2(n)示出了制造根据本发明优选实施例的光电检测器器件的主要步骤；
图3示出了根据图2至图15的加工步骤所制造的光电检测器阵列的平面图；
图4示出了根据本发明的优选实施方式(implementation)的大光电检测器阵列的构造；
图5示出了其中本发明可以优选地结合在实施例中的CT图像系统或CT机；
图6示出了根据本发明布置的优选的发明结构的应用；以及
图7示出了本发明布置的优选发明结构的应用。
具体实施方式
下面参考一组特定实施例来描述本发明。然而，本发明不限于这些实施例。
本文参考用于CT医疗成像系统的光电检测器阵列的实例具体描述了本发明。然而，本发明及其实施例都不限于这些应用。
虽然本文通过参考各个附图示出了本发明，但这些附图都不是按比例绘制，而是为了最好地描述本发明的多种特征而绘制的。
参考图2(a)至图2(n)，示出了用于制造根据本发明的优选实施例的用于CT成像系统的光电检测器阵列的选择步骤。为了解释本发明，使用了穿过示例性器件衬底的截面。仅示出了与理解本发明相关的那些步骤，其它步骤对本领域技术人员来说都是知晓的。本领域技术人员还应当知晓一些本文提出的特定步骤的可替换步骤，以便获得根据本发明的最终结构。
参考图2(a)，示出了形成有光电检测器元件的n型半导体衬底30的截面。在衬底的上表面形成有P+型注入(implant)层32，用于形成光电二极管的活性区。活性区32形成光电二极管的正极。场氧化(FOX)层38在p+型层32之上覆盖衬底30的上表面。
在衬底30的下表面形成有n+注入层40，用于形成光电二极管的负极。薄二氧化硅层42覆盖衬底30和n+层40的下侧。
可以通过利用用于在硅上制造高质量二极管的关键加工步骤来制造图2(a)的结构。这种标准技术在现有技术中通常是公知的，尤其在制造用于CT成像应用的光电二极管的现有技术中，因此本文不再描述该标准技术。实现图2(a)中所示的结构的加工步骤是公知的。
如图2(b)中所示，在制造图2(a)中所示的结构之后，在衬底的下侧上的用于覆盖n+(负极)区的二氧化硅层42上生长保护性的低温氧化(LTO)层44。
接着，如图2(c)中所示，在衬底30的上侧上的场氧化层32上沉积光致抗蚀层47或其它可选的保护层，以在随后的加工步骤期间保护衬底的上侧。
在标准平版图案化步骤中，如图2(d)中所示，在衬底30的下侧上的低温氧化层44上沉积有光致抗蚀层46。接着对光致抗蚀层46进行图案化以形成开口(未示出)，该开口用作衬底下侧上的低温氧化层44和薄氧化层42的化学蚀刻掩膜。此外，该掩膜用于穿过n+型区40并部分地蚀刻到衬底30中。
图2(e)中示出了产生的结构，孔的宽度定义为x，与蚀刻加工形成的光致抗蚀层中的开口的宽度相对应。所形成的孔由参考标号45来表示。
接着，在衬底30的下侧上进一步沉积光致抗蚀层51以填充开口45。然后对该光致抗蚀层图案化，以形成比开口45的宽度小的开口，使得开口45具有光致抗蚀侧壁。如图2(f)所示，因此形成在光致抗蚀层51中的开口由宽度y表示。
接着，如图2(g)所示，使用感应耦合等离子体(ICP)反应剂来穿过衬底30的硅片(silicon wafer)一直到场氧化层38蚀刻一高纵横比的孔，以形成较窄的开口49。
接着，从衬底的下侧去除光致抗蚀层51。然后通过蚀刻从衬底的下侧去除剩下的低温氧化层44和薄氧化层42，以及去除暴露于开口49中的一部分场氧化层38。图2(h)中示出了因此产生的结构。
参考图2(e)至图2(h)，上述段落在形成优选光电检测器的介绍中描述了在半导体器件的层中形成过孔的优选技术。对本领域技术人员显而易见的是，过孔形成不限于光电检测器结构的具体规定。因此过孔的形成不依赖于形成在衬底上侧或下侧上的特定层。用于形成过孔的技术不限于在衬底中形成过孔；其可以用于在任何半导体器件的一层或多层中形成过孔。还有，所公开的用于形成过孔的技术都只是示例性的；也可以使用与具体公开的光致抗蚀和蚀刻布置不同的技术。
以通过部分蚀刻形成宽开口、接着通过蚀刻穿过剩余材料形成窄开口的顺序公开了过孔的形成。然而，这个顺序不是必需的。例如，可选地，最初的蚀刻步骤可以从表面到表面地穿过衬底形成窄开口。接着，随后的蚀刻可以形成部分穿过衬底的宽开口。也就是说，可以从所描述的顺序中颠倒所述蚀刻顺序。
通常，优选的技术用于形成穿过至少一个层的过孔，其中，过孔具有不同宽度的第一部分和第二部分。以这种方式，过孔可以被认为是“阶梯状的”。该过孔还优选形成为使得两个部分在下侧形成的更宽。
典型地，制造高纵横比的孔或开口的工艺是深反应离子蚀刻(DRIE)，还被称为耦合等离子体蚀刻(ICP)。已知的蚀刻工艺的共同特性是各孔与晶片表面(wafer surface)不完全垂直。实际上，这指的是，如果孔位置通过例如氧化层上的开口限定在顶表面上，并且从该表面执行蚀刻，则孔将出现在不同表面位置处的后侧上。接着，当形成触点以连接至过孔连线(via plug)时，在氧化隔离和电导填充后，其不在所期望的位置。因此，该触点可能形成为仅与过孔的边缘连接，从而引起大块衬底(bulk substrate)短路。
参考图6可以明白这个问题和由本发明的布置所产生的优点。图6示出了示例性的衬底602。由参考标号610和612表示的两个孔形成为穿过衬底602。氧化层604形成在衬底的下侧上，并具有用于允许分别连接至形成在过孔610和612中的材料的开口608和606。
过孔610是根据现有技术而形成的，并且是高纵横比的过孔。如上文所讨论的，该过孔不是与衬底的表面垂直形成的，因此一个表面上的过孔开口与另一表面上的过孔开口不准确地对准。然而，如图6中所看到的，开口608是在假设两个表面上的开口对准的情况下而形成的。因此，在衬底602下侧上的接触开口608暴露了填充过孔610的材料的边缘，并且还暴露有衬底下侧的一部分表面。当在该开口中形成触点时，过孔材料连接至衬底。
衬底612根据本发明的布置来形成，并形成有高纵横比部分612a和较宽部分612b，以提供如上文所讨论的T型结构。如在图6上可以看到的，与过孔610一样，高纵横比的开口612a没有与衬底表面垂直地形成。然而，因此而引起的问题被较宽部分612b避免，它确保氧化层604中的开口606仅露出开口中的材料。因此向衬底表面提供较宽的开口确保了不会出现现有技术的问题。
参考图7，描述了本发明布置所产生的另一优点。图7示出了示例性的衬底702。由参考标号712和716表示的两个过孔均穿过衬底602而形成。氧化层704形成在衬底的下侧上，并具有用于允许连接至形成在过孔712和716中的材料的开口。
过孔712根据本发明布置而形成，并具有高纵横比部分712a(或狭窄部分)和较宽部分712b。该过孔被示出为形成有提供电隔离的二氧化硅侧壁，以参考标号714表示。
过孔716根据现有技术而形成，并具有高纵横比部分(或狭窄部分)716a。该过孔被示出为形成有提供电隔离的二氧化硅侧壁，以参考标号718表示。为了便于说明，没有示出过孔716的非垂直方向，但应当理解的是，该过孔将如上文参考图6的过孔610所述的那样形成。
每个过孔712和716优选地填充有多晶硅材料。
在形成器件的短金凸块(gold stub bump)触点的过程中，形成接触材料以接触过孔材料，然后在这种接触材料上形成凸块。对于现有技术的过孔716，短金凸块726形成在接触金属724上，该接触金属穿过二氧化硅层形成在开口中以接触形成在过孔716中的金属。如图7中可以看到的，在现有技术和当前制造技术中，短金凸块的直径大于过孔716的宽度。因此，多个不同材料的界面受到凸块力的作用：参考图7，可以看到，硅衬底702、多晶硅层718、二氧化硅层704以及接触金属724都受到凸块力的作用。这会引起材料之间的界面损坏。
相反，在过孔中具有较宽部分712b的本发明的布置中，短金凸块的直径小于过孔的宽度。在表面处，与二氧化硅层704、或衬底702与侧壁714没有重叠。短金凸块722可以形成在接触金属722的较厚层720上。从而在凸块形成加工中降低了材料之间的界面损坏的可能性。
应当注意的是，在所述实施例中，高纵横比开口(即狭窄开口)通常期望用于衬底的上表面，以便在上表面尽可能少地牺牲活性区。为此，期望在器件中形成狭窄过孔。然而，在衬底的下侧则期望有较宽的开口，以解决参考图6和图7所讨论的问题：由于非垂直开口而产生的过孔开口的对不准；以及有助于更稳固接触的需求。因此优选在衬底中形成倒T形结构过孔。
倒T形过孔也提供了进一步的优点。其中，衬底下侧上的场氧化层较薄，诸如图6和图7中的层604和704，过孔结构有助于减小从粘合垫(bonding pad)到大块衬底的电容量。粘合垫形成在过孔的宽开口中的材料上。像在例如图6和图7中可以看到的，接触开口相对于表面处的过孔宽度较窄。这增加了接触垫片与衬底之间的距离，因此减小了其间的电容量。用于减小电容量的可选方案是形成更厚的场氧化层。然而，期望使场氧化层较薄，因为这使得形成接触开口更容易。因此，所述的优选的过孔形状比直窄(directnarrow)过孔结构更好地有助于将粘合垫与大块衬底隔离。本发明的布置优选地允许减小形成在衬底表面上的氧化层的厚度。
在实施例中，所述的本发明布置的另一优点是，过孔的较宽部分允许形成比可能仅具有高纵横比的开口更大的接触开口。这提供了用于金属接触层与填充过孔的导电材料之间的接触的更大接触表面面积。这还提供了有利的接触阻抗。
在实施例中，本发明布置的另一优点与加工的鲁棒性有关。因为在穿过晶片区域的蚀刻中存在非均匀性，在现有技术的布置中，一些过孔将被蚀刻穿过，而其他过孔仅被部分地蚀刻穿过。继续蚀刻从而完全穿过晶片形成所有的孔将对那些首先被完成的过孔(假设蚀刻从顶表面开始)产生刻痕(notching)、以及对后表面的其它不期望的影响。对于使用具有窄开口和宽开口的两阶段蚀刻的配置来说，这些影响变得无关紧要。它们可能仍会发生，但由于阶梯状的过孔结构，它们没有不利的影响。
返回到各图，描述用于形成优选光电检测器的另一些步骤。从图2(h)往下。
如图2(i)所示，光致抗蚀层47从衬底的上表面被去除，并在晶片上生长二氧化硅层。二氧化硅层生长在如由参考标号50a所示的衬底的上表面上、由参考标号50b所示的开口45和49的内侧以及由参考标号50c所示的衬底的下侧。二氧化硅层在由生长(growth)50b所表示的开口45和49的内壁上和由所述生长50c所表示的衬底下侧上生长的最快。衬底的上表面上的二氧化硅50a形成薄层。从而如图2(i)所示的，使穿过衬底的开口变窄。主开口45的宽度现在可以表示为x1，而较窄的开口49的宽度现在可以表示为y1。
然后，如图2(j)中所示，在包括上表面、下表面以及开口45和48的内壁的整个衬底上生长多晶硅层。作为多晶硅层的可选方案，可以生长任何足够多的导电材料。生长多晶硅使得开口45和49充分地填充由参考标号58所表示的多晶硅，并且多晶硅层56形成在衬底的上侧和下侧上。
然后，研磨/抛光多晶硅层，以便去除形成在衬底的上侧和下侧上的多晶硅。标准光刻技术可以用来去除多晶硅。因此，得到图2(k)中所示的结构，其中，多晶硅仅保留在由参考标号58所表示的开口45和49中。
然后，在图中没有示出的另一些步骤中，氧化层生长在衬底的上侧和下侧，以覆盖露出的多晶硅。
然后，如图2(l)中所示的，穿过二氧化硅层在衬底两侧上的氧化层中蚀刻接触开口。在衬底的上侧上，穿过二氧化硅层50a直到光电二极管正极32的活性区来蚀刻接触开口64a。蚀刻接触开口64b直到多晶硅层58。在衬底的下侧上，蚀刻接触开口66a直到多晶硅层58，并且蚀刻接触开口66b直到光电二级管负极40(即，整体连接，bulk connection)。
接着，在衬底的两个侧面上沉积铝层，并且通过使用标准光刻技术来进行图案化。图2(m)中示出了产生的结构。在衬底的上表面上形成铝层68，并进行图案化，使得铝层68穿过开口64a和64b中的每一个而与多晶硅层58和光电二极管32的活性区相接触。在器件的上侧上形成铝层70，并进行图案化，以穿过开口64a而与多晶硅层58相接触。在器件的下侧上形成另一铝层72，并进行图案化，以穿过开口66a与光电二极管40的活性区相接触。
图2(m)中所示的结构具有对应于衬底下侧上的正极和负极的铝接触垫片70和72。
图2(a)至图2(m)示出了单个光电二极管的形成和结构。对于在单个硅片上制造的光电二极管阵列，穿过整个器件来设置相似的结构。在单个硅片上设置光电二极管阵列的情况下，单个负极触点可以被多个或所有的光电二极管共用。
参考图2(n)，示出了从上面所观看的图2(m)的光电二极管单元的俯视图，即朝铝接触层68向下看该器件。中心圆圈68表示形成在多晶硅开口的表面上的铝接触层。铝接触层68周围的方形区域32表示光电二极管的正极的活性区，其由覆盖有二氧化硅层的p+型区域组成。周边区域30表示在活性区的极端处由二氧化硅层所覆盖的衬底，活性区到此为止。活性区和光电二极管单元的具体形状可以根据具体情况具体分析(implementation-dependent)，而图2(m)的布置仅是示意性的。
因此，根据本发明和其实施例，对于片外连接，所有光电二极管的电连接均设置在衬底的下侧上。电连接可以通过将例如衬底的下侧引线键合或凸点键合到电连接器或垫片而在片外实现电连接。所公开的本发明的布置具有的显著优点在于从器件的上侧到器件的下侧的连接是穿过器件被设置的，而不是与器件相邻被设置的，这使得可以在器件的下表面进行所有的电连接。如此，减小了单个光电二极管器件(或更一般地，光电检测器)的全部覆盖区域，其包括从上侧到下侧的电连接。虽然在所示出的实施例中，从器件的上表面到器件的下表面的电连接被示出位于中心位置中，但根据本发明的实施例，该电互连的位置可以是光电二极管器件的活性区中的任何位置，即由图2(n)中的交叉排线所表示的区域32内。
图2(a)至图2(n)示出了用于形成根据本发明结构的示例性过程。然而，本发明不限于这种过程。本领域技术人员应当理解的是，可以通过使用可选的加工来获得采用本发明原理的结构。具体地，应当注意的是，所描述的加工和加工顺序都是示例性的，并且本发明不限于本文关于所描述的实施例而阐述的加工步骤和加工步骤的顺序。所描述的本发明布置的基本特征都由所附权利要求阐述。只有对如在所附权利要求中阐述的本发明布置必不可少的那些特征是对本发明必不可少的。
例如，在备选方案中，n+型层掺杂在衬底的下面和下侧上，以形成负极接触层。接着穿过上表面与下表面之间的衬底形成过孔。然后在形成过孔中导电材料之前，在衬底的上表面处形成p+型层。
本领域技术人员将识别用于实现本发明结构的备选过程。本文所描述的过程以及当被实施时所描述的任一过程中的顺序都是示例性和非限制性的。
现在参考图3，示意性地示出了根据本发明实施例的技术所制造的阵列结构。如从图3可以看到的，衬底或晶片表面通常设置有与光电二极管的活性区相对应的多个活性区70。虽然这些活性区都被示为矩形，但活性区的形状对本发明是无关紧要的，并且可以改变这些形状。每个活性区70都与穿过衬底而形成的过孔72相关联。虽然过孔都被示为具有圆形截面，但过孔的截面形状对本发明来说也是无关紧要的，并且也可以改变这些形状。以示出所描述的本发明实施例，图3是故意简化的。每个活性区70通过没有被示出但从图2(m)中显而易见的元件而导电性地连接至与其相关联的导电孔。
还应当理解的是，过孔通常不需形成在光电二极管的中间。通过形成过孔实现本发明的优点，使得过孔在光电二极管中，而不是与光电二极管相邻，或者紧邻着光电二极管。例如，如图3的部分所示出的，参考标号72a和72b表示光电二极管器件中用于形成过孔的可选位置。
因此本发明提供了一种用于构造具有两个显著优点的光电检测器阵列的技术。
本发明技术不需要为了来自阵列的电输出信号的连接而在阵列的边缘处提供空间。该优点可以通过穿过衬底连接来自半导体器件的所有信号来获得，使得这些信号可以在阵列的下侧而非阵列的侧面被连接。
由于从阵列的边缘去除连接的结果(之前在z方向上提供)，提供了在z轴上扩展整个光电检测器尺寸的可能性。参考图4，根据用于组装阵列的已知技术的一组光电检测器阵列80a至80d与另一组阵列82a至82d放置在一起，使得整个阵列在z轴上扩展。应理解，该阵列可以在z轴上进一步扩展。虽然在图4中稍有间隔地示出了各阵列，但这仅是为了示出各独立阵列在二维中被连接的事实。实际上，各阵列在两个方向上彼此接近，以便组合成更大的阵列。如此，阵列的平铺结构可以建立在二维中，以改善成像系统的性能。
阵列80a至80d和阵列82a至82d可以被认为是子阵列，它们一起形成光电检测器阵列。这些子阵列可以被认为形成用于组成光电检测器阵列的矩阵。该矩阵有效地在二维中被扩展，虽然实际上，如下面图5可以看到的，也可以使该矩阵弯曲，使得该矩阵在三维中扩展。
本发明技术还具有的优点是在器件的衬底区的外侧不需要光电二极管器件的连接。这指的是不增加实现光电器件所需要的全部面积，该所需面积与器件本身的活性区的尺寸相对应。这在设置有多个器件的光电二极管阵列中是极其有利的。与任何现有技术相比，通过使用本发明减小了这些阵列的尺寸。
虽然结合用于形成本发明的优选结构的具体加工技术已经描述了本发明，但本发明不限于这种技术。可以利用化学或机械方法来制造穿过衬底的孔，尽管优选化学方法来保持结构的完整性。虽然感应耦合等离子体蚀刻被预见为实用方案来实现该结构，但也可以使用其它的干蚀刻方法、钻孔、电火花蚀刻或激光钻孔。
本发明能够实现具有非常一致的检测器属性的完全“可砌式”检测器结构的制造，与现有技术相比，其包括紧密的光电二极管阵列。
本文通过参考具体而非限制性的实例已经描述了本发明。例如，本发明比所描述的成像系统中的光电检测器的应用更普遍适用。此外，本发明不限于本文以示例的方式给出的任何特定材料。本发明更普遍适用于衬底、晶片和半导体器件及其制造方法。然而，本发明在需要半导体阵列必须被连接在器件外的实施时是更显著有利地可应用的。
参考图5，示出了CT成像器械的主要元件，其中可以根据本发明的优选实施例来构造光电检测器阵列，并优选地使用该光电检测器阵列。在现有技术中已经知道了该器械的构造，并且对本领域技术人员来说是知晓的。在图5中仅示出了这种器械的主要元件，以说明本发明的使用。
该器械大体包括通常由参考标号100表示的扫描仪、通常由参考标号102表示的控制和处理装置、以及通常由参考标号104表示的操作者界面。
扫描仪100通常包括圆柱结构114，图5中示出了穿过该结构的截面。在圆柱结构114中，安装有X射线源118和光电检测器阵列120。光电检测器阵列120包括诸如图4的阵列80的多个阵列。因此阵列120由多个阵列120a、120b等组成。在图5的布置中，光电检测器阵列120a、120b等都实现为平铺结构，并且各阵列不仅连接在图5的截面中示出的平面中，而且沿z方向，即沿着圆柱结构114的长度进入页面的方向进行连接。
在来自控制和处理装置102的线110上的信号的控制下，X射线源118发射X射线。具有通常由虚线122指明的截面中的辐射图案的X射线具有放到光电检测器阵列120上的覆盖区域(footprint)，其根据所需的技术沿圆柱形轴线的方向以及沿在图5的截面中所示的方向进行延伸。将来自光电检测器的输出通过信号线112提供给控制和处理装置102。
将被成像的对象(诸如病人124)放置在通常穿过成像器械沿z方向移动的桌子126上。在利用如所述的光电检测器阵列时，可以减小桌子的任何移动或使移动没有必要。
控制和处理装置102包括用于控制扫描仪100的机械和电子操作的所有必要装置，这些必要装置包括用于控制X射线源118和用于处理从光电检测器阵列120接收的处理信号的装置。控制和处理装置与扫描仪100之间的另外的信号转移都由信号连接106来表示。
如由信号108所表示的，操作者界面104与控制和处理装置通信。操作者界面104优选地用来控制扫描仪100的操作，并且显示扫描处理的结果。
图5示出了根据本发明优选实施例的原理被构造的光电检测器阵列的一个有用的应用。其它有用和有利的应用对本领域技术人员来说都是显而易见的。
应当理解的是，本发明比本文所给出的实例更普遍适用。本领域技术人员将理解本发明更宽的适用性。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (63)

1.一种在半导体器件的至少一个层中形成过孔的方法，包括以下步骤：
部分地蚀刻所述至少一个层，以在所述至少一个层中形成第一宽度的第一开口；以及
蚀刻所述至少一个层，以穿过所述至少一个层形成第二宽度的第二开口，其中，所述第二宽度小于所述第一宽度，所述过孔由所述第一开口和所述第二开口形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，蚀刻步骤在部分蚀刻步骤之后执行，所述蚀刻步骤包括蚀刻所述至少一个层的没有被所述部分蚀刻步骤去除的部分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，蚀刻步骤在所述半导体器件的下侧执行，使得所述过孔在所述至少一个层的下侧形成有所述第一宽度，并且在所述至少一个层的另一侧形成有所述第二宽度。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个层是光电检测器器件层。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个层包括衬底。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个层包括形成在所述衬底的下侧上的注入层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个层包括形成在所述注入层的下侧上的二氧化硅层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述二氧化硅层的下侧上形成保护性低温氧化层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述保护性低温氧化层的下侧上形成光致抗蚀层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在蚀刻之前，在所述光致抗蚀层中形成所述第一宽度的开口。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，部分地蚀刻所述至少一个层的步骤包括穿过所述保护性低温氧化层、所述二氧化硅层以及所述注入层进行蚀刻，并部分地蚀刻进入所述衬底中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述至少一个层的下侧上和所形成的开口中形成另一光致抗蚀层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，对所述另一光致抗蚀层进行图案化，以形成所述第二宽度的开口。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，蚀刻所述至少一个层以形成第二开口的步骤包括穿过所述衬底进行蚀刻。
15.根据权利要求5至14中的任一项所述的方法，其中，在所述衬底的上表面上形成注入层、场氧化层，或在所述场氧化层上形成所述注入层和光致抗蚀层。
16.根据从属于权利要求14的权利要求15所述的方法，其中，所述蚀刻步骤还包括蚀刻所述注入层和所述场氧化层。
17.根据前述任一权利要求所述的方法，还包括在所形成的过孔的侧壁上形成二氧化硅层。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括用多晶硅填充所述过孔。
19.一种半导体器件，具有形成在所述半导体器件的至少一个层中的过孔，所述过孔包括：
第一宽度的第一部分，部分地穿入所述至少一个层而延伸；以及
第二宽度的第二部分，穿过所述至少一个层的剩余部分而延伸，所述第二宽度小于所述第一宽度。
20.根据权利要求19所述的半导体器件，包括光电检测器。
21.根据权利要求19或20所述的半导体器件，其中，所述过孔填充有多晶硅。
22.根据权利要求21所述的半导体器件，其中，所述过孔具有形成在所述过孔的侧壁上的二氧化硅。
23.根据权利要求19至22中的任一项所述的半导体器件，还包括形成在所述至少一个层的上表面的第一注入层，以及形成在所述至少一个层的下侧的第二注入层。
24.根据从属于权利要求21或22的权利要求23所述的半导体器件，还包括：在所述上表面处的导电层，用于将所述过孔中的多晶硅连接至所述第一表面处的注入层；以及在所述上侧处的导电层，用于将所述多晶硅连接至另一连接。
25.根据权利要求24所述的半导体衬底，还包括：在所述下侧处的另一导电层，用于将所述下侧处的所述注入层连接至另一连接。
26.根据权利要求25所述的半导体衬底，其中，所述导电层和所述另一导电层包括分别在所述至少一个层的上表面和下侧的所述注入层的接触垫片。
27.一种至少包括一个光电检测器的衬底，所述光电检测器具有在所述衬底的第一表面上的活性区和在所述衬底的第二表面上的第二活性区，其中，所述光电检测器设置有与所述衬底电隔离的导电过孔，所述导电过孔穿过所述光电检测器从所述衬底的所述第一表面到所述衬底的所述第二表面进行延伸，用于将所述第一活性区连接至所述衬底的第二表面，所述第二表面为所述光电检测器的第一活性区和第二活性区提供电连接。
28.根据权利要求27所述的衬底，其中，所述导电过孔穿过所述第一活性区延伸。
29.根据权利要求27所述的衬底，其中，所述导电过孔与所述衬底电隔离。
30.根据权利要求27至29中的任一项所述的衬底，其中，所述导电过孔包括多晶硅。
31.根据权利要求30所述的衬底，其中，所述多晶硅填充所述导电过孔。
32.根据权利要求27至31中的任一项所述的衬底，其中，在所述衬底的第二侧面上设置有连接至所述导电过孔的另一导电元件。
33.根据权利要求32所述的衬底，其中，在所述衬底的第二侧面上的另一导电元件用于进行经由所述导电过孔到所述第一活性区的片外连接。
34.根据权利要求27至33中的任一项所述的衬底，其中，在所述衬底的第二侧面上设置了连接至所述第二活性区的另一导电元件。
35.根据权利要求34所述的衬底，其中，在所述衬底的第二侧面上的另一导电元件用于进行到所述第二活性区的片外连接。
36.根据权利要求32至35中的任一项所述的衬底，其中，所述另一导电元件是铝接触元件。
37.根据权利要求27至36中的任一项所述的衬底，其中，所述第一活性区是正极。
38.根据权利要求27至37中的任一项所述的衬底，其中，所述第二活性区是负极。
39.根据权利要求27至38中的任一项所述的衬底，其中，设置了多个光电检测器和相应的多个导电过孔，用于将所述衬底的第一表面上的相应多个所述第一活性区连接至所述衬底的第二表面。
40.根据权利要求27至39中的任一项所述的衬底，其中，所述光电检测器是光电二极管。
41.根据权利要求39或40所述的衬底，其中，所述多个光电检测器形成为阵列。
42.根据权利要求27至41中的任一项所述的衬底，其中，所述光电检测器是医疗成像系统的光电二极管。
43.根据权利要求42所述的衬底，其中，所述医疗成像系统是计算机断层扫描系统。
44.一种包括多个光电检测器的衬底，所述多个光电检测器中的每一个都具有在所述衬底的第一表面上的活性区和在所述衬底的第二表面上的另一活性区，其中，所述多个光电检测器中的每一个都设置有与所述衬底电隔离的导电过孔，所述过孔穿过所述光电检测器从所述衬底的第一表面到所述衬底的第二表面进行延伸，用于将所述活性区连接至所述衬底的第二表面，所述第二表面为所述多个光电检测器的第一活性区和第二活性区提供电连接。
45.一种包括多个光电检测器子阵列的光电检测器阵列，包括根据权利要求44所述的衬底，其中，多个所述光电检测器子阵列均以矩阵形式放置成彼此相邻，以形成所述光电检测器阵列。
46.根据权利要求45所述的光电检测器阵列，其中，所述矩阵在两个方向上延伸。
47.一种成像系统，包括：辐射检测器，包括根据权利要求44或45所述的光电检测器阵列；辐射源，面向所述辐射检测器；以及用于控制所述辐射检测器和所述辐射源的装置。
48.根据权利要求47所述的成像系统，其中，所述辐射源是配备有高压发生器的X射线管。
49.根据权利要求47或48所述的成像系统，其中，所述辐射检测器和所述辐射源都径向地安装在圆柱扫描结构中。
50.根据权利要求47至49中的任一项所述的成像系统，其中，所述控制器件包括计算机系统。
51.一种用于制造光电检测器器件的方法，包括：在衬底的第一表面上形成所述光电检测器的第一活性区；在所述衬底的第二表面上形成第二活性区；形成从所述衬底的第一表面到所述衬底的第二表面穿过所述光电检测器器件并与所述衬底电隔离的导电过孔；以及将所述第一活性区连接至所述导电过孔，使得所述衬底的所述第一活性区连接至所述第二活性区。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述导电过孔形成为穿过所述第一活性区进行延伸。
53.根据权利要求51或52所述的方法，还包括将所述导电过孔与所述衬底电隔离的步骤。
54.根据权利要求51至53中的任一项所述的方法，其中，还包括设置连接在所述导电过孔与所述器件的第一活性区之间的另一导电元件的步骤。
55.根据权利要求51至54中的任一项所述的方法，还包括在所述衬底的第二侧面上设置连接至所述导电过孔的另一导电元件的步骤。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，所述另一导电元件是接触垫片。
57.根据权利要求55或56所述的方法，其中，在所述衬底的第二侧面上设置另一导电元件，用于进行经由所述导电过孔到所述第一活性区的片外连接。
58.根据权利要求51至57中的任一项所述的方法，还包括设置连接至所述第二活性区的在所述衬底的第二侧面上的另一导电元件的步骤。
59.根据权利要求58所述的方法，其中，在所述衬底的第二侧面上设置另一导电元件，用于进行到所述第二活性区的片外连接。
60.根据权利要求51至59中的任一项所述的方法，其中，所述光电检测器是光电二极管。
61.根据权利要求51所述的方法，其中，所述第一活性区是正极，而所述第二活性区是负极。
62.根据权利要求51至61中的任一项所述的方法，还包括设置多个光电检测器器件和相应的多个导电过孔，用于将所述衬底的第一表面上的光电检测器器件的活性区连接至所述衬底的第二表面。
63.一种用于制造多个光电检测器器件的方法，包括：在衬底的第一表面上形成所述光电检测器器件的多个第一活性区；在所述衬底的第二表面上形成相对应的多个第二活性区；穿过所述光电检测器器件从所述衬底的第一表面到所述衬底的第二表面形成与所述衬底电隔离的每个光电检测器的导电通孔；并且将所述第一活性区连接至所述相应的导电过孔，使得所述第一活性区重新连接至所述衬底的第二表面。
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