CN103296036B

CN103296036B - X射线探测器及其制造方法

Info

Publication number: CN103296036B
Application number: CN201210050416.5A
Authority: CN
Inventors: 殷华湘; 王玉光; 董立军; 陈大鹏
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: CN103296036A

Abstract

本申请公开了一种X射线探测器及其制造方法。该X射线探测器，包括：互连基板；穿透互连基板并在其两个主表面上露出的键合互连；与互连基板的一个主表面键合的光电转换器件芯片；以及与互连基板的另一个主表面键合的CMOS像素读出芯片，其中，键合互连将光电转换器件芯片的焊盘与CMOS像素读出芯片的焊盘电连接。根据本发明的X射线探测器可以简化工艺、提高可靠性和成品率。

Description

X射线探测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造方法，更具体地，涉及X射线探测器及其制造方法。

背景技术

X射线是一种波长约为10-0.01纳米之间的超短电磁波，对应的频率在3×10¹⁶Hz到3×10¹⁹Hz之间，波粒二相性对应的能量在120eV至120keV之间。X射线是中性高能光子流，对所辐射的物体具有超强的穿透作用以及荧光、加热、感光、电离等作用。X射线穿过物体后，因物体吸收和散射而使其强度或者相位变化，其信号变化内容与物体的材料、结构、厚度、缺陷等特性有关，因此可以通过信号检测应用于非接触式的物体内部形貌成像、成分分析中，在医疗影像检测、工业生产安全检测、天文探测、高能粒子检测、环境安全探测等多个领域中得到广泛应用。

在过去的一个世纪里，X射线成像技术经历了胶片一增感屏成像技术、影像增强器成像技术、计算机X射线成像技术(CR)、平板探测器成像(FPD)和计算机层析扫描技术(CT)的历史。相比传统的模拟胶片成像技术，数字化的X射线平板探测器(FPD：FlatPanelDetector)具有实时成像、清晰度高、后端处理方便等的特点：图像动态范围高；量子检测效率高，超过50％；存贮文件介质为数字文件，可方便后端处理，提高信噪比及图像质量，并进行存储、修改、检索与传递等。目前数字化的X射线平板探测器中对X射线信号的探测主要是半导体探测器，它通过检测X射线与物体材料内层电子作用产生的光电效应来实现。

数字化的X射线探测器分为四种类型：电荷耦合器件(CCD)探测器11、间接转换式TFT平板探测器12、直接转换式TFT平板探测器13、以及硅像素探测器14，如图1所示。

电荷耦合器件(CCD)探测器11包括用于接收X射线并产生荧光的闪烁体100、用于检测荧光的CCD传感器或102，以及位于闪烁体100和CCD传感器102之间用于缩小图像尺寸的透镜101。闪烁体100可以由掺铊碘化铯(CsI:Tl)、掺铽硫氧化钆(Gd₂S₂O:Tb)、碲化镉(CdTe)、高纯硅等组成，入射X射线与闪烁体100交互反应发生光电作用产生强度不同的荧光。如果不需要缩小图像尺寸，透镜101可以由光导替代，以实现闪烁体100和CCD传感器102之间的光耦合。CCD传感器或102可以由CMOS成像传感器(CMOSImagerSensor，CIS)替代。电荷耦合器件(CCD)探测器11的缺点是光学耦合系统会降低到所产生的光子数，从而增加系统的噪声并降低影像质量，同时产生几何失真和，同时不能应用于大面积的探测器中，成本昂贵。

间接转换式TFT平板探测器12包括用于接收X射线并产生荧光的闪烁体100、用于检测荧光的光电二极管103、以及用于访问特定的光电二极管103的薄膜晶体管(TFT)104。闪烁体100的组成材料及作用如上文所述。光电二极管103可以是非晶硅光电二极管或其他薄膜材料的光电二极管。TFT104可以形成在大面积平板绝缘衬底(玻璃、塑料、氧化硅片、石英、绝缘层覆盖钢片等)，通常是M×N的重复阵列。间接转换式TFT平板探测器12的每个像素拥有各自的TFT104，作为开关晶体管，每个TFT104与对应的光电二极管103相连。由此，可以对单个像素进行独立控制，实现像素读出与处理，有效地提高图像质量与读出速度。间接转换式TFT平板探测器12的优点是大面积均匀、低成本。

直接转换式TFT平板探测器13包括用于将X射线直接转换成电荷信息的光电转换层105、以及用于访问特定的像素单元的薄膜晶体管(TFT)106。光电转换层105可以由非晶硒(a-Se)、碘化汞(HgI₂)、镉锌碲(CZT)、碘化铅(PbI₂)、氧化铅(PbO)、溴化碲(TlBr)、高纯硅、高纯锗等组成。该光电转换层105的一个电极与TFT106的一个电极相连，实现对探测信号的直接探测与控制。直接转换式TFT平板探测器13的每个像素拥有各自的TFT106，作为开关晶体管。直接转换式TFT平板探测器13的优点是提高了图像质量、空间分辨率，并且降低了噪声。

硅像素探测器14包括光电转换器件107以及与光电转换器件107电连接的CMOS像素读出电路108。光电转换器件107采用在单晶硅衬底上形成的硅基PIN二极管或电荷耦合器件(CCD)，通过入射X射线与高阻单晶硅基衬底材料直接作用产生不同数量的光电效应激发电子和空穴、电子-空穴对等电荷来检测图像信息。CMOS像素读出电路108对单个像素和一行像素的微量电荷信号进行特定的电路处理，包括敏感放大、整形、ADC、驱动放大等。每个像素单元(或一行像素单元)需要匹配独立的读出电路与之直接相连。

硅像素探测器14将X射线直接转换成可以读出的信号，具有最高量子效率、空间分辨率、反应速度与图像质量，拥有能量分辨等多重功能，因此是最优选的X射线探测方式。然而，由于硅像素探测器14采用单晶硅衬底，面积有限，需匹配多个像素读出电路，封装工艺复杂困难，整个探测器阵列成本非常昂贵。

图2示出了根据现有技术的X射线探测器示意图。光电转换器件(例如，SiPIN、CCD等)107与CMOS像素读出电路108分别形成在两个衬底上，然后利用键合凸块109(例如，铟柱)连接在一起。光电转换器件107将入射X射线直接转换成电信号，CMOS像素读出电路108放大信号，键合凸块109提供电通道、上层支撑力和两层的键合力。在该X射线探测器中，将CMOS像素读出电路108封装在光电转换器件107上，缩短像素信号传送的路径，以改善图像质量与响应速度。

然而，X射线探测器的像素单元的尺寸在数十～数百微米之间，键合凸块的尺寸小于一般封装电极尺寸(数百微米到毫米级)，封装密度在2000根/cm²以上，远超过一般封装电极排列密度，因此在对准精度误差容忍度、互联键合质量方面面临多重挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种包括高可靠性的X射线探测器及其制造方法。

根据本发明的一方面，提供一种X射线探测器，包括：互连基板；穿透互连基板并在其两个主表面上露出的键合互连；与互连基板的一个主表面键合的光电转换器件芯片；以及与互连基板的另一个主表面键合的CMOS像素读出芯片，其中，键合互连将光电转换器件芯片的焊盘与CMOS像素读出芯片的焊盘电连接。

根据本发明的另一方面，提供一种制造X射线探测器的方法，包括：a)通过蚀刻在互连基板上形成穿透孔；b)在互连基板的相对的两个主表面上淀积键合金属层，该键合金属层完全填充互连基板中的穿透孔；c)通过选择性蚀刻键合金属层，形成穿透互连基板并在其两个主表面上露出的键合互连；d)在互连基板的一个主表面上，将预先形成的光电转换器件芯片与互连基板中的键合互连电连接；以及e)在互连的另一个主表面上，将预先形成的CMOS像素读出芯片与互连基板中的键合互连电连接。

本发明在改善X射线探测器中探测器与读出电路的现有结构与方法，提出一种新型的封装结构与方法以制作高可靠、高成品率的X射线探测器结构。

上述结构可以提供更好的互联信号与封装质量，这是因为在封装过程中提供一个互连基板，可以通过探测光电转换器件芯片与互连基板、CMOS像素读出芯片与互连基板的分别对准提高对准精度；该互连基板减少了两层直接封装应力对器件与电路的影响；互连基板可为玻璃，石英，塑料等透明衬底，或者带对准标记的绝缘衬底，可降低上下两层的对准难度与工艺复杂度；互联金属限制在互连基板通孔中，可以减少相邻金属连线的交叉影响，提高成品率，同时在制作小尺寸互联线时降低工艺难度。

附图说明

图1示出了现有技术的四种类型的X射线探测器的原理图。

图2示出了根据现有技术的X射线探测器的截面图。

图3(a)至3(g)示出了根据本发明的方法制造X射线探测器的各个步骤的截面图。

图4示出了根据本发明的X射线探测器的透视图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，半导体器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成。

在本申请中，术语“半导体结构”指在经历制造半导体器件的各个步骤后形成的半导体衬底和在半导体衬底上已经形成的所有层或区域。

根据本发明的优选实施例，执行图3(a)-3(g)所示的制造MOSFET的以下步骤。

参见图3(a)，制造X射线探测器的方法开始于互连基板201。该互连基板201例如是表面为二氧化硅的硅片、玻璃、石英、塑料、绝缘层覆盖钢片等。该互连基板201的厚度约为5～500微米。

然后，采用附加的掩模，通过干法蚀刻，如离子铣蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻、激光烧蚀，或者通过其中使用蚀刻剂溶液的湿法蚀刻，在互连基板201上形成穿透孔，如图3(b)所示。

然后，在互连基板201的相对的两个主表面上淀积键合金属层202。该键合金属层202可以由选自铟、金、铜、铝、锡、锑、钛的至少一种形成。该键合金属层202完全填充了互连基板201中的穿透孔，如图3(c)所示。

在互连基板201由表面为二氧化硅的硅片或绝缘层覆盖钢片组成的情形下，应当在淀积键合金属层202之前淀积绝缘材料，在互连基板201的穿透孔内壁形成共形的绝缘衬里(未示出)，使得键合互连202与互连基板201电隔离。

然后，采用附加的掩模，通过干法蚀刻，如离子铣蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻、激光烧蚀，或者通过其中使用蚀刻剂溶液的湿法蚀刻，选择性地去除键合金属层202位于互连基板201主表面上的一部分，使得用于填充相邻的穿透孔的键合金属相互电隔离，形成各自的键合互连202’，如图3(d)所示。互连基板201为键合互连202’提供了机械支撑。

然后，在互连基板201的一个主表面上，将预先形成的光电转换器件芯片203与互连基板201中的键合互连202’电连接，如图3(e)所示。

然后，在互连基板201的另一个主表面上，将预先形成的CMOS像素读出芯片204与互连基板201中的键合互连202’电连接，如图3(f)所示。

优选地，在将光电转换器件芯片203和CMOS像素读出芯片204与互连基板201中的键合互连202’电连接之后，回流键合材料，使得互连基板201中的键合互连202’部分地熔融，然后重新凝固。经过回流的键合互连202’在互连基板201的主表面上的部分的形状变为半球形，有利于形成牢固的接触、释放应力和减小电阻，如图3(g)所示。

图4示出了根据本发明的X射线探测器的透视图。该X射线探测器200包括互连基板201、穿透互连基板201并在其两个主表面上露出的键合互连202’、与互连基板201的一个主表面键合的光电转换器件芯片203、以及与互连基板201的另一个主表面键合的CMOS像素读出芯片204，其中互连基板中的键合互连202’将光电转换器件芯片203的焊盘与CMOS像素读出芯片204的焊盘电连接。

在图4中示出的光电转换器件芯片203包括4个像素阵列模块205，每个像素阵列模块205包括6×6＝36个像素单元206。每个像素单元206的光电转换器件可以是选自SiPIN二极管、GePIN二极管、Si或Ge电荷耦合器件(CCD)中的一种。

尽管未示出，但CMOS像素读出芯片204包括相同数量的CMOS像素读出电路模块和像素读出电路单元。每个像素读出电路单元可以由多晶硅TFT、氧化物TFT、III-V族器件中的至少一种形成，并且可以包括开关电路、复位电路、放大电路、整形电路、ADC和驱动电路中的至少一部分。

根据电路设计的需要，互连基板201中的键合互连202’可以与像素单元206的数量相同，或者是后者的2倍以上(例如在像素单元206提供多路输出和/或接收反馈输入时)。

键合互连202’可以由选自铟、金、铜、铝、锡、锑、钛的至少一种形成。

优选地，键合互连202’由铟组成。铟是一种低熔点软金属，在室温下本征应力很快地消失，其值小于5×102N/cm²，铟的熔点温度是156℃，沸点温度是2080℃，蒸汽压为1.33Pa时的蒸发温度是952℃，真空蒸发产生的铟层热应力较小。光电转换器件芯片203和CMOS像素读出芯片204因热膨胀而产生的应力可以在低温下减至最小，同时铟的电阻率较低，因此铟成为互连的优选材料。

利用本发明的X射线探测器，可以实现高密度小尺寸(密度在300根/cm²以上，通孔优选为圆形，直径在5～1000微米之间)的像素对像素的直接互联，从而。互联金属将信号从探测器收集电极(下电极)引出连接到读出电路上进行微弱信号的预放大与处理。

该X射线探测器可以轻易实现多模块的大面积集成：在互连基板上可将多个探测器件与多块像素读出电路同时封装，保持在同一平面上，相邻模块之间更小的间隔缝隙，形成大面积X射线探测器阵列。

以上描述只是为了示例说明和描述本发明，而非意图穷举和限制本发明。因此，本发明不局限于所描述的实施例。对于本领域的技术人员明显可知的变型或更改，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种X射线探测器，包括：

互连基板；

一体延伸穿透互连基板并在其两个主表面上露出的键合互连；

与互连基板的一个主表面键合的光电转换器件芯片；以及

与互连基板的另一个主表面键合的CMOS像素读出芯片，

其中，键合互连的一端直接键合到光电转换器件芯片的焊盘，而另一端直接键合到CMOS像素读出芯片的焊盘，从而将光电转换器件芯片的焊盘与CMOS像素读出芯片的焊盘电连接。

2.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中所述光电转换器件芯片包括排列成矩阵的多个像素单元。

3.根据权利要求2所述的X射线探测器，其中所述多个像素单元分成多个像素阵列模块。

4.根据权利要求2所述的X射线探测器，其中所述多个像素单元经由各自的一个或更多个键合互连与各自的一个像素电路读出电路单元电连接。

5.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中所述互连基板由选自玻璃、石英和塑料中的一种组成。

6.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中所述互连基板由选自表面为二氧化硅的硅片、绝缘层覆盖钢片中的一种组成，并且所述互连基板还包括用于将键合互连与互连基板电隔离的绝缘衬里。

7.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中所述键合互连由选自铟、金、铜、铝、锡、锑、钛的至少一种形成。

8.一种制造X射线探测器的方法，包括：

a)通过蚀刻在互连基板上形成穿透孔；

b)在互连基板的相对的两个主表面上淀积键合金属层，该键合金属层完全填充互连基板中的穿透孔；

c)通过选择性蚀刻键合金属层，形成穿透互连基板并在其两个主表面上露出的键合互连；

d)在互连基板的一个主表面上，将预先形成的光电转换器件芯片与互连基板中的键合互连电连接；以及

e)在互连的另一个主表面上，将预先形成的CMOS像素读出芯片与互连基板中的键合互连电连接。

9.根据权利要求8所述的方法，在步骤e)之后，还包括：

回流键合材料。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述互连基板由选自玻璃、石英和塑料中的一种组成。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述互连基板由选自表面为二氧化硅的硅片、绝缘层覆盖钢片中的一种组成，并且步骤a)和b)之间，还包括：

在互连基板中的穿透孔的内壁形成绝缘衬里。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述键合互连由选自铟、金、铜、铝、锡、锑、钛的至少一种形成。