CN105789365B - 半导体器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体X线探测器及其制造方法和操作方法，将低温TFT集成在硅基二极管阵列中，以形成在片的信号处理和放大电路，这样，可以即时地放大由PIN二极管获取的微弱电信号，抑制噪声，提高灵敏度；同时，通过低温TFT在片放大信号，可以降低铟柱封装引线中的寄生电容的影响；另外，低温TFT的工艺对硅基二极管像素单元的探测灵敏度没有影响，也不影响到后续的铟柱倒装焊的封装工艺。

Description

半导体器件

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别地，涉及一种半导体X线探测器。

背景技术

X线探测器在当今社会生产和生活领域都有着广泛的应用。常见的X线探测器根据其探测成像原理，有以下几种形式：胶片成像，固体探测器，气体探测器，以及半导体探测器。其中，半导体探测器因其体积小、速度快、信息处理便捷、设计方案灵活，在业界得到了广泛的应用，成为了未来X线探测器市场的主流。

半导体探测器包括了硅基像素探测器，CCD/CMOS探测器，a-SiFPD探测器等若干形式。其中，硅基像素探测器的空间分辨率高，响应速度快，因而得到了研究人员的重视。但是其成本较高，且其设计制备需要多种学科的融合，技术门槛很高。

硅基像素X线探测器的常规结构为硅基二极管阵列基板与读出电路阵列基板通过倒装焊点阵封装。具体可以参见附图1，示意了单个像素的结构，硅基二极管阵列基板20与读出电路阵列基板10通过铟焊料球14键合连接。

这种常规结构的硅基像素X线探测器，需要大面积、高分辨率、高灵敏度、低漏电硅基PIN二极管阵列，也需要高分辨率、高灵敏度读出电路，同时也对用于互连的封装技术提出了较高要求，需要高密度芯片级的铟倒装焊点阵键合封装技术，以获得较低的电阻和较低的寄生电容以及大阵列下的低应力高成品率要求。

因此，对二极管阵列、读出电路以及互连技术的高要求，使得硅基像素X线探测器的系统复杂、制造工艺要求苛刻、成本过高，并且，现有的器件结构中，电学信号在系统间进行传导的过程中，容易遭受干扰，噪声影响严重。

因此，需要提供一种新结构的硅基像素X线探测器，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明提出了一种半导体X线探测器，其中，在硅基二极管阵列中集成在片信号处理和放大电路，以获得良好的器件性能。

本发明提供了一种半导体器件，包括半导体X线探测器的像素单元，其包括：

硅基二极管阵列基板和读出电路阵列基板，其通过铟焊料球连接；

所述读出电路阵列基板上形成有读出电路，第一钝化层以及第一UBM；

所述硅基二极管阵列基板上形成有背面N⁺接触层，正面P⁺层，其中，所述背面N⁺接触层与所述正面P⁺层之间的所述硅基二极管阵列基板部分为本征层，从而形成了硅基PIN二极管；

所述正面P⁺层之上还形成有氧化层，PIN接触层，第二钝化层以及第二UBM；

其中，所述硅基二极管阵列基板的正面还形成有低温TFT，以构成像素单元内的在片信号处理和放大电路。

同时，本发明还提供一种半导体器件制造方法，用于制造半导体X线探测器的像素单元，其包括：

提供读出电路阵列基板和硅基二极管阵列基板；

在所述读出电路阵列基板形成读出电路；

然后在所述读出电路之上形成第一钝化层以及第一UBM；

在所述硅基二极管阵列基板的背面形成背面N⁺接触层，在所述硅基二极管阵列基板的正面形成正面P⁺层；

在所述正面P⁺层之上形成氧化层，PIN接触层，第二钝化层以及第二UBM；

通过铟焊料球将所述读出电路阵列基板和所述硅基二极管阵列基板连接，从而形成半导体X线探测器像素单元；

其中，在所述硅基二极管阵列基板的正面形成低温TFT，以构成像素单元内的在片信号处理和放大电路。

同时，根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种半导体X线探测器的操作方法，采用如前所述的半导体器件，其包括：

将像素单元中的硅基PIN二极管获取的信号输入至低温TFT，经过信号处理和放大之后，通过铟焊料球输出给读出电路阵列基板上的读出电路。

根据本发明的一个方面，所述低温TFT为倒栅结构，其栅极形成于所述氧化层之中，其沟道层形成于所述氧化层之上，所述氧化层的一部分将所述栅极和所述沟道层隔离。

根据本发明的一个方面，所述低温TFT为正栅结构，其沟道层形成于所述氧化层之中，其栅极形成于所述氧化层之上，所述氧化层的一部分将所述栅极和所述沟道层隔离。

根据本发明的一个方面，所述低温TFT的沟道层材料为多晶硅，α-Si:H，非晶态氧化物半导体，其采用低温工艺形成。

根据本发明的一个方面，所述PIN接触层包括两个部分，其第一部分的一端与所述正面P⁺层电连接，另一端与低温TFT的源极电连接；其第二部分的一端与所述第二UBM电连接，另一端与低温TFT的漏极电连接。

本发明的优点在于：将低温TFT集成在硅基二极管阵列中，以形成在片的信号处理和放大电路，这样，可以即时地放大由PIN二极管获取的微弱电信号，抑制噪声，提高灵敏度；同时，通过低温TFT在片放大信号，可以降低铟柱封装引线中的寄生电容的影响；另外，低温TFT的工艺对硅基二极管像素单元的探测灵敏度没有影响，也不影响到后续的铟柱倒装焊的封装工艺。

附图说明

图1常规的半导体X线探测器像素单元

图2本发明的半导体X线探测器像素单元

图3低温TFT的局部视图

具体实施方式

以下，通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提供一种半导体器件，具体而言，涉及一种具有在片信号放大和处理电路的半导体X线探测器。下面，参见说明书附图，将详细描述本发明提供的半导体器件。

首先，参见附图2，是根据本发明一个实施例的半导体X线探测器的单个像素单元结构，而附图1是本发明提供的基于现有技术的比较例。

本发明的半导体X线探测器像素单元具有硅基二极管阵列基板20与读出电路阵列基板10，它们由铟焊料球14通过铟柱倒装焊工艺连接。读出电路阵列基板10上形成有读出电路11，第一钝化层12，以及第一UBM13。硅基二极管阵列基板20的背面上形成有背面N⁺接触层21，在其正面形成有正面P⁺层22。其中，背面N⁺接触层21与正面P⁺层22之间的基板20部分为本征层(即i层)，这三者因而形成了硅基PIN二极管。

在附图1的比较例中，硅基二极管阵列基板20的正面P⁺层22之上连续形成有氧化层23，PIN接触层24，第二钝化层25以及第二UBM26。

而与比较例不同，本发明提供的硅基二极管阵列中还集成了在片的信号处理和放大电路。

具体而言，本发明的硅基二极管阵列基板20的正面形成有低温TFT，以构成像素单元内的在片信号处理和放大电路。其中，参见附图2和3，根据本发明的一个实施例，在硅基二极管阵列基板20的正面P⁺层22之上形成有氧化层23，其中，在氧化层23之中形成有低温TFT的栅极27；然后，再形成低温TFT的沟道层28，PIN接触层24，第二钝化层25以及第二UBM26。

由于图2中硅基二极管阵列基板20以经被倒置，此处图示的低温TFT为倒栅结构，在另外的实施例中，低温TFT可以被形成为正栅结构，即将其沟道层28被形成于氧化层23之中，栅极27形成在氧化层23之上。在倒栅或者正栅结构中，由于氧化层23完全包围了栅极27或者沟道层28，氧化层23的一部分将栅极27和沟道层28隔离，因此，氧化层23位于栅极27和沟道层28之间的部分成为低温TFT的栅极绝缘层。

低温TFT的栅极27材料通常为Mo，Pt，Al，Ti，Ta，Co，Au，Cu，Ag等金属材料或者掺杂多晶硅。沟道层28为多晶硅，α-Si:H，非晶态氧化物半导体(例如IGZO，ZnO₂等)等采用低温工艺形成的半导体材料，其形成工艺的普遍温度范围在450℃以内。由于采用了低温工艺形成TFT的沟道层，因此，这一沟道层形成工艺并不会影响到之前形成的PIN二极管的性能，尤其是不会降低PIN二极管的探测灵敏度。

在本发明的一个实施例中，如图2和3所示的倒栅结构，像素单元内的PIN接触层24包括两个部分，其第一部分的一端穿过氧化层23与正面P⁺层22电连接，另一端与低温TFT的源极电连接；其第二部分的一端穿过第二钝化层25与第二UBM26电连接，另一端则与低温TFT的漏极电连接。在本发明的另一个实施例中，例如未被图示的正栅结构，各部件位置被根据正栅结构而得到调整，但是仍具有相同的电连接关系。

与此同时，本发明名还提供一种半导体器件制造方法，用于制造如前所述的半导体X线探测器的像素单元，其包括：

提供读出电路阵列基板10和硅基二极管阵列基板20；在读出电路阵列基板10形成读出电路11；然后在读出电路11之上形成第一钝化层12以及第一UBM13；

在硅基二极管阵列基板20的背面形成背面N⁺接触层21，在硅基二极管阵列基板20的正面形成正面P⁺层22；

在正面P⁺层22之上形成氧化层23，PIN接触层24，第二钝化层25以及第二UBM26；

通过铟焊料球14将读出电路阵列基板10和硅基二极管阵列基板20连接，从而形成半导体X线探测器像素单元；

其中，在硅基二极管阵列基板20的正面形成低温TFT，以构成像素单元内的在片信号处理和放大电路。

同时，本发明还提供一种半导体X线探测器的操作方法，采用如前所述的半导体器件，包括：将像素单元中的硅基PIN二极管获取的信号输入至低温TFT，经过信号处理和放大之后，通过铟焊料球输出给读出电路阵列基板上的读出电路。

以上，本发明的半导体X射线探测器的器件结构以及其制造方法和操作方法均已得到说明。在本发明的器件中，将低温TFT集成在硅基二极管阵列中，以形成在片的信号处理和放大电路，这样，可以即时地放大由PIN二极管获取的微弱电信号，抑制噪声，提高灵敏度；同时，通过低温TFT在片放大信号，可以降低铟柱封装引线中的寄生电容的影响；另外，低温TFT的工艺对硅基二极管像素单元的探测灵敏度没有影响，也不影响到后续的铟柱倒装焊的封装工艺。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构和/或工艺流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims (8)

1.一种半导体器件，包括半导体X线探测器的像素单元，其特征在于包括：

硅基二极管阵列基板和读出电路阵列基板，其通过铟焊料球连接；

所述读出电路阵列基板上形成有读出电路，第一钝化层以及第一UBM；

所述硅基二极管阵列基板上形成有背面N⁺接触层，正面P⁺层，其中，所述背面N+接触层与所述正面P⁺层之间的所述硅基二极管阵列基板部分为本征层，从而形成了硅基PIN二极管；

所述正面P⁺层之上还形成有氧化层，PIN接触层，第二钝化层以及第二UBM；

其中，所述硅基二极管阵列基板的正面还形成有低温TFT，以构成像素单元内的在片信号处理和放大电路；所述低温TFT的栅极或沟道层形成于所述氧化层之中；

所述PIN接触层包括两个部分，其第一部分的一端与所述正面P⁺层电连接，另一端与低温TFT的源极电连接；其第二部分的一端与所述第二UBM电连接，另一端与低温TFT的漏极电连接。

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述低温TFT为倒栅结构，其栅极形成于所述氧化层之中，其沟道层形成于所述氧化层之上，所述氧化层的一部分将所述栅极和所述沟道层隔离。

3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述低温TFT为正栅结构，其沟道层形成于所述氧化层之中，其栅极形成于所述氧化层之上，所述氧化层的一部分将所述栅极和所述沟道层隔离。

4.根据权利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，所述低温TFT的沟道层材料为多晶硅、或α-Si:H、或非晶态氧化物半导体。

5.一种半导体器件制造方法，用于制造半导体X线探测器的像素单元，其特征在于包括：

提供读出电路阵列基板和硅基二极管阵列基板；

在所述读出电路阵列基板形成读出电路；

然后在所述读出电路之上形成第一钝化层以及第一UBM；

在所述硅基二极管阵列基板的背面形成背面N⁺接触层，在所述硅基二极管阵列基板的正面形成正面P⁺层；

在所述正面P⁺层之上形成氧化层，PIN接触层，第二钝化层以及第二UBM；

通过铟焊料球将所述读出电路阵列基板和所述硅基二极管阵列基板连接，从而形成半导体X线探测器像素单元；

其中，在所述硅基二极管阵列基板的正面形成低温TFT，以构成像素单元内的在片信号处理和放大电路；所述低温TFT的栅极或沟道层形成于所述氧化层之中；

所述PIN接触层包括两个部分，其第一部分的一端与所述正面P⁺层电连接，另一端与低温TFT的源极电连接；其第二部分的一端与所述第二UBM电连接，另一端与低温TFT的漏极电连接。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述低温TFT的沟道层材料为多晶硅、或α-Si:H或非晶态氧化物半导体。

7.根据权利要求5-6任一项所述的方法，其特征在于，所述低温TFT的沟道层材料采用低温工艺形成。

8.一种半导体X线探测器的操作方法，采用权利要求1-4中任一项所述的半导体器件，其特征在于：

将像素单元中的硅基PIN二极管获取的信号输入至低温TFT，经过信号处理和放大之后，通过铟焊料球输出给读出电路阵列基板上的读出电路。