CN111033742A - 用于检测电磁辐射的组件以及生产用于检测电磁辐射的组件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种组件包括：具有有源像素阵列(2)的半导体器件(1)；安装在有源像素阵列外部的一个或更多个读出电路芯片(3)，以及有源像素阵列(2)与一个或更多个读出电路芯片(3)之间的电连接，所述一个或更多个读出电路芯片(3)被配置为读出由有源像素阵列(2)提供的电压或电流。
Description
本公开涉及通过半导体器件对电磁辐射、特别是X辐射进行检测的领域。
在X辐射的医学应用中，将X射线管与平板检测器结合使用以进行间接检测。闪烁体将X辐射转换为可见光，然后通过光电二极管和读出电路将可见光转换为数字代码。
无源类型的平板检测器包括以非晶硅中形成以产生电荷的光电二极管阵列。每个像素都具有薄膜晶体管，该晶体管被激活以逐行读出存储的电荷。连接到面板边缘的列读出电路将电荷转换为数字码。薄膜晶体管的大的寄生电容和高导通电阻会对这种类型的平板检测器的读出速度和噪声性能产生不利影响。
通过将读出电路与像素阵列一起集成在同一晶圆上，能够提高读出速度和噪声性能，从而形成有源像素传感器。包括互补金属氧化物半导体(CMOS)部件的单晶硅上的有源像素传感器被用于例如手机摄像头和网络摄像头，并且使用CMOS工艺生产。
非晶硅面板上的有源像素传感器被用于某些平板检测器，与纯无源面板相比其性能稍有改善，与CMOS有源像素传感器相比其成本相对较低。然而，与晶体硅晶圆上的晶体管相比，非晶硅中的薄膜晶体管具有跨导较低和闪烁噪声较高的缺点。
本发明的目的是以低成本提供一种高性能晶圆级成像传感器以及其生产方法，而不会损害图像质量，尤其是用于X辐射。
该目的通过根据权利要求1所述的用于检测电磁辐射的组件以及根据权利要求14所述的生产用于检测电磁辐射的组件的方法来实现。实施例和变型从从属权利要求得出。
除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。
一种用于检测电磁辐射的组件包括：具有主表面的半导体器件，在主表面上有有源像素阵列；被安装在有源像素阵列外部的主表面上的一个或更多个读出电路芯片，一个或更多个读出电路芯片被配置用于读出有源像素阵列提供的电压或电流；以及有源像素阵列与一个或更多个读出电路芯片之间的电连接。
半导体器件包括半导体晶圆，并且有源像素阵列被集成在晶圆中。半导体晶圆尤其能够是单晶的。
在一个实施例中，半导体晶圆具有最多四个由金属或多晶硅组成的互连层。
在另外的实施例中，有源像素阵列包括NMOS晶体管、PMOS晶体管或NMOS和PMOS晶体管两者。有源像素阵列的每个像素可以设置有至少三个晶体管。每个像素的晶体管的数量可以被限制为二十个有源晶体管。
另外的实施例包括：一个或更多个读出电路芯片的另外的晶体管，有源像素阵列的晶体管的晶体管特征尺寸至少等于或大于所述另外的晶体管的相对应的晶体管特征尺寸。有源像素阵列的晶体管特征尺寸与读出电路的晶体管特征尺寸之间的比率甚至可以大于二。
在替代实施例中，有源像素阵列所包括的晶体管，其技术节点特征在于其包括特征尺寸大于或等于250nm的结构。
在另外的实施例中，有源像素阵列与一个或多个读出电路芯片之间的电连接包括焊料球或焊料凸块和/或引线。
另外的实施例包括具有电互连件的板，并且半导体器件被安装在板上并且电连接到电互连件。能够为这些电连接提供焊料球或焊料凸块和/或引线。该板尤其可以是印刷电路板。
在另外的实施例中，半导体设备被引线电连接到一个或更多个读出电路芯片和/或板的电互连件。
一种生产用于检测电磁辐射的组件的方法包括：将有源像素阵列集成在半导体晶圆上，从而形成半导体器件；提供一个或更多个读出电路芯片；将一个或更多个读出电路芯片安装在有源像素阵列的区域外部的半导体器件的外围；以及在有源像素阵列与一个或更多个读出电路芯片之间形成电连接。
在所述方法中能够将单晶的未加工晶圆用作起始材料。有源像素阵列形成在未加工晶圆的主表面。可以在随后的处理步骤中将晶圆单片化以形成单独的半导体芯片或晶片。如此获得的半导体器件可选地覆盖超过主表面的整个原始面积的30％。可替代地，半导体器件可以覆盖超过50％的表面积。
例如，半导体器件能够通过CMOS或NMOS或PMOS制造工艺形成。
以下是结合附图对组件和方法的详细描述。
图1是晶圆级成像传感器的俯视图。
图2是包括焊料球连接的晶圆级成像传感器的组件的横截面。
图3是包括通过焊料球和引线的连接的另外的晶圆级成像传感器组件的横截面。
图4是包括引线连接的另外的晶圆级成像传感器组件的横截面。
图1是包括有源像素阵列2的半导体器件1的俯视图。每个像素12设置有光电检测器和有源部件，该有源部件根据光电检测器对入射辐射的响应提供电压或电流。读出电路芯片3安装在有源像素阵列2的区域外的半导体器件1的外围。可以可选地提供焊盘4以用于外部电连接。半导体器件1尤其可以包括单晶晶圆，其中集成有有源像素12的部件。
图2是所述组件的实施例的横截面。半导体器件1通过电互连件6安装在板5上。例如，板5可以是印刷电路板，并且可以设置有背面再分布层，其在图2中通过示例示意性地示出。在根据图2的实施例中，焊料球7(或焊料凸块)被提供作为半导体器件1与板5的电互连件6之间的电连接。读出电路芯片3通过另外的焊料球8(或焊料凸块)电连接到半导体器件1。
图3是组件的另外的实施例的横截面。它与根据图2的实施例的不同之处在于半导体器件1与板5的电互连件6之间的电连接。提供引线9代替焊料球以用于电连接。引线9连接到半导体器件1的焊盘4。
图4是组件的另外的实施例的横截面。它与根据图2和图3的实施例的不同之处在于半导体器件1与读出电路芯片3之间的电连接。提供引线10代替焊料球以用于电连接。引线10连接到半导体器件1的焊盘4。图4还示出了到板5的电互连件6的电连接可以由引线9提供，该引线电连接到读出电路芯片3。
在用于生产检测电磁辐射的组件的方法中，有源像素阵列被加工在半导体晶圆上，特别是在单晶晶圆上，例如，该晶圆可以是硅。在另一个实施例中，晶圆可以由砷化镓制成(GaAs)。因此，也可以考虑由锗、硒、磷化铟或砷化铟镓制成的晶圆。每个像素设置有光电检测器，例如，该光电检测器可以包括一个或更多个光电二极管，以及至少一个有源部件，特别是一个或更多个晶体管，以提供用于读出的电压或电流。可以只生产NMOS晶体管和至少两个由金属或多晶硅组成的互连层就足够了。
根据上述实施例的描述，用于最终键合到印刷电路板的焊盘以及用于互联到读出电路芯片的焊盘能够被形成在同一晶圆上。取决于用于将读出电路芯片3安装在半导体器件1上的芯片-晶圆键合技术，例如可能会需要诸如焊盘电镀的进一步的工序。
提供读出电路的半导体芯片，可选地，该读出电路具有混合信号特性。该芯片能够用硅以标准工艺制造，尤其是以标准的CMOS工艺制造。因为像素是有源的并且提供的是电压或电流而不是电荷，所以读出电路能够比用于非晶硅面板中的平板检测器的读出电路更简单。倒装芯片组装或其他晶片晶圆键合技术，例如引线键合，能够被用于将读出电路芯片3安装到半导体器件1的半导体晶圆上。
然后，能够沿着有源像素阵列2的边缘锯切晶圆以获得直边缘，从而允许将半导体器件1紧密地组装到相邻器件，因此形成更大的面板。如果有源像素阵列2覆盖矩形区域，并且读出电路芯片3被布置在矩形的一侧附近，则晶圆的其他三侧能够被截去。可选地，还能够锯切布置有读出电路芯片3的第四面，以允许更容易地键合至板5并且获得较小的形状因数。特别地，由此获得的半导体器件1的横向尺寸可以延伸超过原始(未加工)晶圆主表面积30％。
能够以晶圆级低成本制造工艺来制造半导体器件1。能够使用标准的步进或扫描光刻技术，然而，也可以采用非常有经济性的接触式或接近式光刻技术。CMOS的工艺能够被用来生产NMOS和PMOS晶体管，但只生产NMOS晶体管或PMOS晶体管一种就足够了。器件结构可以具有例如大于250nm(“四分之一微米工艺”)的特征尺寸(尤其是晶体管的特征尺寸)，或例如大于500nm(“半微米工艺”)的特征尺寸(特别是晶体管的特征尺寸)。光电检测器可以是任何常规的光电检测器，并且尤其可以包括至少一个光电二极管，该光电二极管可以包括n注入区和p注入区。光电二极管的至少一个注入区可以与主表面11接触。例如，光电二极管可以是钉扎光电二极管，但也可以考虑其他光电二极管的变体。例如，也可以使用部分钉扎光电二极管。
读出电路芯片3也能够通过CMOS工艺制造。特别地，读出电路芯片3的至少一个晶体管特征尺寸可以小于半导体器件1的相应的晶体管特征尺寸。半导体器件1的特征尺寸可以至少等于读出电路芯片3的相应的特征尺寸。相反，半导体器件1的特征尺寸与读出电路芯片3的相应的特征尺寸的比率可以大于二。
例如，该方法可以通过根据上述实施例的组件来实现。
该组件尤其能够用于X射线检测器，特别是用于医学应用中的成像。
与使用非晶硅薄膜晶体管相比，上述晶圆级传感器能够改善整个成像系统的性能，并且与常规晶圆级解决方案相比，能够获得大幅降低的生产成本。如果采用接触式或同步式光刻，则制造工艺比采用拼接的生产方法更具成本效益。
附图标记说明
1 半导体器件
2 有源像素阵列
3 读出电路芯片
4 焊盘
5 板
6 互连件
7 焊料球
8 焊料球
9 引线
10 引线
11 主表面
12 像素
Claims (19)
1.一种用于检测电磁辐射的组件，包括：
具有主表面(11)的半导体器件(1)，所述半导体器件(1)包括半导体晶圆，所述主表面(11)处具有有源像素阵列(2)，所述有源像素阵列(2)集成在所述半导体晶圆中；
一个或更多个读出电路芯片(3)，其安装在所述有源像素阵列(2)的区域外部的主表面(11)的外围上，所述一个或更多个读出电路芯片(3)被配置为读出由所述有源像素阵列(2)提供的电压或电流，以及
所述有源像素阵列(2)与所述一个或更多个读出电路芯片(3)之间的电连接(8、10)。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述半导体晶圆是单晶的。
3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述半导体晶圆具有最多四个包括金属或多晶硅的互连层。
4.根据权利要求1至3之一所述的组件，其中，所述有源像素阵列(2)包括NMOS晶体管、PMOS晶体管或NMOS和PMOS晶体管两者。
5.根据权利要求1至4之一所述的组件，其中，所述有源像素阵列(2)的每个像素(12)包括至少三个晶体管。
6.根据权利要求1至5之一所述的组件，其中，所述有源像素阵列(2)的每个像素(12)包括至多二十个有源晶体管。
7.根据权利要求4至6之一所述的组件，还包括：所述一个或更多个读出电路芯片(3)的另外的晶体管，所述有源像素阵列(2)的晶体管的晶体管特征尺寸至少等于或大于所述另外的晶体管的相对应的晶体管特征尺寸。
8.根据权利要求4至6之一所述的组件，还包括：所述一个或更多个读出电路芯片(3)的另外的晶体管，所述有源像素阵列(2)的晶体管的晶体管特征尺寸至少是所述另外的晶体管的相对应的晶体管特征尺寸的两倍。
9.根据权利要求1至8之一所述的组件，其中，所述有源像素阵列(2)与所述一个或更多个读出电路芯片(3)之间的电连接(8、10)包括焊料球(8)。
10.根据权利要求1至8之一所述的组件，其中，所述有源像素阵列(2)与所述一个或更多个读出电路芯片(3)之间的电连接(8、10)包括引线(10)。
11.根据权利要求1至10之一所述的组件，还包括：
具有电互连件(6)的板(5)，所述半导体器件(1)安装在所述板(5)上并且电连接到所述电互连件(6)。
12.根据权利要求11所述的组件，还包括：
将所述半导体器件(1)电连接到所述板(5)的电互连件(6)的焊料球(7)或焊料凸块。
13.根据权利要求11或12所述的组件，还包括：
将所述半导体器件(1)电连接到所述一个或更多个读出电路芯片(3)和/或电连接到所述板(5)的电互连件(6)的引线(9、10)。
14.一种生产用于检测电磁辐射的组件的方法，包括：
在半导体晶圆上集成有源像素阵列(2)，从而形成半导体器件(1)，
设置一个或更多个读出电路芯片(3)，
将所述一个或更多个读出电路芯片(3)安装在所述有源像素阵列(2)的区域外部的所述半导体器件(1)的外围上，以及
在所述有源像素阵列(2)与所述一个或更多个读出电路芯片(3)之间形成电连接(8、10)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将单晶晶圆用作所述半导体晶圆，并且所述半导体器件(1)形成为覆盖超过所述晶圆的主表面(11)的整个面积的30％。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述半导体器件(1)通过CMOS工艺形成。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述半导体器件(1)通过NMOS工艺形成。
18.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述半导体器件(1)通过PMOS工艺形成。
19.根据权利要求14至18之一所述的方法，其中在制造过程中采用接触式光刻或接近式光刻。
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