DE60307994T2 - Aktiverpixelsensormatrix und dessen herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft Bildpunktsensoren zur Benutzung in Kameras, und insbesondere solche Sensoren, die in Nuklearbildgebungssystemen und medizinischen Bildgebungssystemen verwendet werden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es ist bekannt, dass Bildpunktsensoren ein Feld von Sensorelementen, wie etwa Dioden, und ein komplementäres Feld von Elektronik, typischerweise in der Form eines ASIC, umfassen und einen Ladungsverstärker und Verarbeitungselektronik für jedes Sensorelement umfassen. In CCDs, wie sie etwa in Miniaturfernsehkameras und dergleichen benutzt werden, sind die Sensorelemente aus Siliziumdioden gebildet, welche auf sichtbares Licht reagieren, um einen Strom zu erzeugen, welcher durch den Ladungsverstärker verstärkt und nachfolgend verarbeitet wird.
  • Bildpunktsensoren für nuklear-medizinische Bildgebung sind bekannt, welche auf Hochenergiephotonen wie etwa Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen reagieren und in einer ähnlichen Weise eine Ladung erzeugen. Herkömmliche Siliziumdioden sind für solche Anwendungen nicht geeignet, weil sie transparent für Hochenergiephotonen sind, und daher werden stattdessen andere Materialien, wie etwa Cadmiumtellurid oder Quecksilberjodid, benutzt. Da diese Materialien nicht auf Silizium basieren, kann die Diode nicht zusammen mit der dazugehörigen Elektronik als eine einzelne monolithische Struktur integriert werden, und dies erfordert in der Praxis, dass die Sensorelemente und die dazugehörige Elektronik auf getrennten Wafern hergestellt werden, welche dann miteinander unter Benutzung von Bump-Verbindung verbunden werden.
  • 1 zeigt bildhaft eine typische Anordnung, welche einen allein stehenden 2-D Bildpunktsensor umfasst, der im Allgemeinen mit 10 bezeichnet ist, und ein oberes Sensorfeld 11 umfasst, welches mehrere Sensorelemente (nicht gezeigt) umfasst, von denen jedes mit einem entsprechenden Elektronikmodul in einem unteren ASIC 12 durch Bump-Verbindung verbunden ist. Zusätzlich werden Leistung und Steuersignale zu dem Sensor 10 geführt und dies erfordert typischerweise, dass Steuerfelder 13 entlang mindestens einer Kante des zusammengesetzten Chip ausgebildet sind, und welche zu einer externen Schaltung unter Benutzung von Kabelverbindung 14 verbunden sein können.
  • Die typische Größe eines Bildpunktes in solch einem Feld ist 200 μm und die typischen Abmessungen des zweidimensionalen Feldes ist ein cm2. Das bedeutet, dass es typischerweise etwa 625 Bildpunkte pro Bildpunktfeld gibt. In einer Anwendung ist es normalerweise notwendig, über eine viel größere Fläche abzubilden, z.B. mindestens 10 × 10 cm2. Dies erfordert, dass 100 Bildpunktfelder zusammenpaketiert werden müssen, z.B. als eine 10 × 10 Matrix. Auf der einen Seite spricht die in herkömmlichen Bildpunktsensoren benutzte Bump-Verbindungstechnik gegen die engere Packungsdichte der Bildpunkte, so dass es schwierig wird, die Auflösung des Sensors dadurch zu erhöhen, dass mehr Bildpunkte in ein Bildpunktfeld gepackt werden, da das Erfordernis, jeden Sensor mit einer zugehörigen Elektronik in einem verschiedenen Feld durch Bump-Verbindung zu verbinden, ein teurer Prozess ist und niedrigen Ausbeuten unterliegt. Weiterhin bedeutet das Bereitstellen von Steuerfeldern entlang einer Kante jedes Moduls und das Erfordernis, diese Felder mit einem externen Schaltungsmittel durch Kabel zu verbinden, dass angrenzende Sensorfelder nicht Kante an Kante gepackt werden können, ohne eine Tot- ("dead")-zone einzuführen, wo es tatsächlich überhaupt keine Bildpunkte aufgrund der dazwischenliegenden Eingabe-/Ausgabe- und Steuerfelder gibt. Weiterhin ist die Verbindung der Eingabe-/Ausgabe-Steuerfelder mit der externen Schaltung durch eine Kabelverbindung auch ein kostspieliger und mühsamer Prozess und vermindert weiter die effektive gesamte Packungsdichte.
  • EP 0415541 , ausgestellt an Shimadzu Corporation, veröffentlicht am 6. März 1991, und betitelt "Semiconductor based radiation image detector and its manufacturing method", offenbart einen Strahlungs-Bilddetektor zum Detektieren eines Strahlungsbildes mit dem Bild, welches in Bildpunkte aufgeteilt ist. Der Detektor umfasst eine strahlungsempfindliche Halbleiterplatte, die eine gemeinsame Vorspannungselektrode hat, die auf einer Oberfläche davon angeordnet ist. Eine Mehrzahl von den Bildpunkten entsprechenden Signal-Herausnehm-Elektroden sind an der anderen Oberfläche der Halbleiterplatte angeordnet, und eine Mehrzahl von Bumps sind bereitgestellt, von denen jeder an der entsprechenden Signal-Herausnehm-Elektrode angebracht ist. Ein Passivierungsfilm überzieht jede Signal-Herausnehm-Elektrode, wo sie nicht mit ihrem Bump in Kontakt ist, wobei der Passivierungsfilm die Aussparungen zwischen den Signal-Herausnehm-Elektroden überzieht. Eine Basisplatte ist mit einer Mehrzahl von Kontaktfeldern bereitgestellt, die den Bumps entsprechen und mit ihnen in Kontakt sind.
  • US 5,254,868 (Yukata), veröffentlicht am 19. Oktober 1993 und betitelt "Solidstate image sensor device", offenbart ein Halbleiter-Bildsensorgerät, welches im einem Feld angeordnete Fotosensoren umfasst, wobei eine Verbindungselektrode, die zur Verbindung eines externen Schaltkreises oder einer Apertur an die Verbindungselektrode benutzt wird, an einer Oberfläche, die einer beleuchteten Oberfläche gegenüberliegt, bereitgestellt ist, und ein transparentes Substrat ist über den im Feld angeordneten Fotosensoren bereitgestellt. Dadurch kann der Abstand zwischen einer Lichtquelle und den Fotosensoren vermindert werden, um so eine Empfindlichkeit und ein Auflösungsvermögen zu verbessern.
  • US-5,998,292 (Black et al.), ausgestellt am 7. Dezember 1999 und betitelt "Method for making three dimensional circuit integration", offenbart ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden, durch Hochdichte-micro-post-Verkabelung, von mehreren Halbleiterwafern mit Längen von etwa einem Millimeter oder darunter. Das Verfahren umfasst Ätzen mindestens eines Loches, welches durch Wände definiert ist, zumindest teilweise durch ein halbleitendes Material; Bilden einer Schicht von elektrisch isolierendem Material, um die Wände zu überziehen; und Bilden eines elektrisch leitenden Materials an den Wänden innerhalb des Kanals des Loches.
  • JP 61 128564 A2 (Fujitsu Ltd.), veröffentlicht am 16. Juni 1986 und betitelt "Semiconductor device", beschreibt einen Prozess zum Bilden eines Abschnitts zum Fotodetektieren und eines Antriebsschaltkreises auf der Oberfläche und der Rückseite desselben Substrats und ein Verbinden beider durch eine Verkabelung durch ein Durchgangsloch. Ein Verstärker und andere Antriebsschaltkreise sind zu einer Si-Wachstumsschicht ausgebildet, und ein n-Typ-Bereich ist durch das Implantieren von "B+"-Ionen ausgebildet, um eine P-N-Verbindung für ein fotodetektierendes Element zu formen. Für eine Verkabelung ist Aluminium so geformt, um einen Teil des n-Typ-Bereichs und die Si-Wachstumsschicht-Seite zu vereinen, wo der Antriebsschaltkreis gebildet ist, und ist durch ein Verfahren, wie etwa Ionenstrahlverdampfung, Elektronenstrahlverdampfung etc., geformt, während Abschnitte außer einem erforderlichen Abschnitt maskiert sind. Aluminium wird von der oberen und unteren Oberfläche verdampft, und die Verkabelung wird durch Plattierung verbunden. Ein HgCdTe-Wachstumsabschnitt in dem fotodetektierenden Element-Abschnitt und die Si-Wachstumsschicht sind versetzt, und an beiden Oberflächen des Saphir-Substrats ausgebildet.
  • Solch eine Konfiguration scheint nur einen einzelnen Fotodetektor zu betreffen und das Silizium ist nicht vorher hergestellt, sondern eher oben auf dem Saphir-Substrat gewachsen.
  • EP 1 045 450 A2 (Agilent Technologies Inc.), veröffentlicht am 18. Oktober 2003 und betitelt "Image sensor array device", offenbart ein Bildsensorfeld, welches ein Substrat umfasst. Eine Zwischenverbindungsstruktur ist angrenzend an das Substrat gebildet. Eine amorphe Siliziumelektroden-Schicht ist angrenzend an die Zwischenverbindungsstruktur. Die amorphe Siliziumelektroden-Schicht umfasst Elektroden-Ionen-Implantierungsbereiche zwischen Bildpunkt-Elektroden-Bereichen. Die Bildpunkt-Elektroden-Bereiche definieren Kathoden eines Feldes von Bildsensoren. Die Elektroden- Ionen-Implantierungsbereiche stellen eine physikalische Isolation zwischen den Bildpunkt-Elektroden-Bereichen bereit. Die Kathoden sind elektrisch mit der Zwischenverbindungsstruktur verbunden. Eine amorphe Silizium-I-Schicht ist angrenzend an die amorphe Silizium-Elektroden-Schicht. Die amorphe Silizium-I-Schicht bildet eine innere Schicht jedes der Bildsensoren. Eine transparente Elektroden-Schicht ist angrenzend an die Bildsensoren gebildet. Eine innere Oberfläche der transparenten Elektroden-Schicht ist elektrisch mit Anoden der Bildsensoren und der Zwischenverbindungsstruktur verbunden. Die amorphe Silizium-I-Schicht kann weiterhin I-Schicht-Ionen-Implantierungsbereiche umfassen, welche eine physikalische Isolation zwischen den inneren Schichten der Bildsensoren bereitstellen. Die I-Schicht-Ionen-Implantierungsbereiche sind mit den Elektroden-Ionen-Implantierungsbereichen ausgerichtet. Eine amorphe Silizium-P-Schicht kann angrenzend an die amorphe Silizium-I-Schicht gebildet sein. Die amorphe Silizium-P-Schicht bildet eine äußere Schicht eines jeden der Bildsensoren. Die amorphe Silizium-P-Schicht kann P-Schicht-Ionen-Implantierungsregionen umfassen, welche eine physikalische Isolation zwischen den äußeren Schichten der Bildsensoren bereitstellen.
  • EP 537 514 A2 (Mitshubishi corporation), veröffentlicht am 21. April 1993 und betitelt "Optoelectronic integrated circuit", offenbart einen optoelektronischen, integrierten Schaltkreis, welcher ein Licht-empfangendes Element zum Umwandeln eines optischen Signals in ein elektrisches Signal und einen elektronischen Schaltkreis zum Verarbeiten des elektrischen Signals umfasst. Das Licht-empfangende Element ist an einer ersten Hauptoberfläche des Substrats angeordnet und umfasst p-Seite-Elektroden und n-Seite- Elektroden, die alternierend parallel zueinander angeordnet sind. Der elektronische Schaltkreis ist an einer zweiten Hauptoberfläche des Substrats angeordnet. Das Lichtempfangende Element ist elektrisch mit dem elektronischen Schaltkreis durch ein Wegloch, welches durch das Substrat hindurch geht, verbunden.
  • US 4,547,792 (Sclar), ausgestellt am 15. Oktober 1985 und betitelt "Selective access array integrated circuit", offenbart einen Halbleiter-integrierten Schaltkreis, der ein Feld von elektronischen Geräten und eine Mehrzahl an elektronischen Zugangsgeräten hat. Die Zugangsgeräte bestehen aus Sätzen von MOSFETs, welche durch die gemeinsame Aktivität von X- und Y-Adresslinien angeschaltet werden können, um eine individuelle und isolierte elektrische Verbindung zwischen ausgewählten elektronischen Geräten in dem Feld und peripheren An- oder Aus-CHIP fühlenden Schaltkreisen zu erlauben. Dies erlaubt, das ein kontinuierliches Auslesen erreicht ist und für die ausgewählten Geräte aufrechterhalten ist, ohne eine Störung mit den anderen Geräten in dem Feld und ohne ein Erfordernis, andere als die ausgewählten Geräte auszulesen. Um einen minimalen Totraum zwischen den Felddetektoren bereitzustellen, können die Feld- und Zugangsgeräte an gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers angeordnet sein.
  • US 4,857,746 (Werner et al.), ausgestellt am 15. August 1989 und betitelt "Method for producing an optocoupler", offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Optokopplern oder Reflexlicht-Barrieren, wobei Halbleiter-Lichtsender und Halbleiter-Lichtempfänger auf einem einzelnen Substrat angeordnet sind. Die optische Kopplung oder optische Isolation von Lichtsender und Lichtempfänger findet in dem Substrat statt. Nur dann sind Halbleiterelemente in diskrete Einheiten getrennt.
  • US 4,104,674 (Lorenze, Jr. et al.), ausgestellt am 1. August 1978 und betitelt "Double sided hybrid mosaic focal plane", offenbart einen Infrarotdetektor, wobei leitende Wege durch gegenüberliegende Oberflächen des Substrats ausgebildet sind, um so Verbindungen zu Detektorelektroniken zu bilden, welche vorher an einer Seite des Substrats hergestellt sind, was erlaubt, dass diskrete Sensorelemente an einer gegenüberliegenden Seite des Substrats in Kontakt mit den leitenden Wegen gebildet sind.
  • Es wird auch Bezug genommen auf "A vertically integrated high resolution active pixel sensor for deep submicron CMOS processes" von Stephen Benthien et al., präsentiert auf dem IEEE workshop on CCDs and Advanced Image Sensors, 10. bis 12. Juni 1999. Dieser Artikel beschreibt ein CMOS-Feld mit mehreren Bildpunkten für Anwendungen mit sichtbarem Licht, wie etwa Fotografie. Es verwendet Dünnfilm-ASIC-(TFA)-Technologie, um einen amorphen Siliziumdetektor auf einen vorher hergestellten ASIC abzulagern. Der Artikel behandelt nicht den Bedarf für ein Sensorfeld mit mehreren Bildpunkten, welches zur Bildung einer Sensoranordnung von großer Fläche geeignet ist, welche mehrere Sensorfelder nebeneinander gestellt hat, und stellt eine solche Anordnung nicht bereit.
  • Keiner der oben zitierten Bezüge scheint einen Mehrfachsensordetektor zu betreffen, wo ein Siliziumsubstrat vorher hergestellt ist, um die gesamte Sensorelektronik und Eingabeverbindungen zu umfassen; wobei eine Sensorschicht dann oben auf dem vorher hergestellten Substrat gewachsen ist und wobei die Sensorschicht mit den Eingabeverbindungen darin vermittels von Wegen verbindet, die vorher in dem Substrat ausgebildet sind; und wobei Endknoten für eine externe Verbindung von Steuersignalen etc. an einer der Sensorschicht gegenüberliegenden Oberfläche gebildet sind, um somit einen Totraum in dem Sensormaterial zu vermeiden und zuzulassen, dass mehrere Sensorfelder nebeneinander gestellt sind, um so Sensoren mit großer Fläche zu bilden, die im Wesentlichen eine kontinuierliche Empfindlichkeit über die Oberfläche haben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten Bildpunktsensor geringer Kosten bereitzustellen, welcher dichtere Packung zulässt, welcher die oben erwähnten Hindernisse umgeht, die durch die Benutzung von Bump-Verbindung und das Bereitstellen von Eingabe-/Ausgabe-Steuerfeldern bedingt sind, und welcher erlaubt, dass mehrere Sensormodule nebeneinander gestellt sind, um so einen Sensor mit größerer Fläche zu bilden, ohne irgendeinen weiteren Herstellungsprozess nach einem Zusammenbau zu erfordern.
  • Diese Ziele sind in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorfeldes realisiert, welches eine Mehrzahl von Bildpunkten hat, wobei jeder Bildpunkt einen elektronischen Verarbeitungsschaltkreis umfasst, welcher eine Sensoreingabe zum Koppeln eines Sensorelements mit dem elektronischen Verarbeitungsschaltkreis hat, und das Sensorfeld weiterhin eine Mehrzahl von Endknoten für eine externe Verbindung zu entsprechenden elektronischen Verarbeitungsschaltkreisen von mehreren Bildpunkten einer Leistung, Eingabe-/Ausgabe- und Steuerverbindungen hat, wobei das Verfahren umfasst:
    Integrieren der elektronischen Verarbeitungsschaltkreise auf einer ersten Oberfläche des Wafers, um so einen integrierten Schaltkreis zu bilden, welcher mindestens ein Feld der elektronischen Verarbeitungsschaltkreise mit den Sensoreingaben und dem Endknoten auf einer ersten Oberfläche des Wafers hat;
    bezüglich jedes Bildpunktes, Bereitstellen eines elektrisch leitenden Weges durch den Wafer, welcher sich von der jeweiligen Sensoreingabe zu einer zweiten Oberfläche des Wafers, die gegenüber der ersten Oberfläche ist, erstreckt; und
    Wachsen bzw. Züchten von amorphem oder polykristallinem Sensormaterial auf der zweiten Oberfläche des Wafers, um so ein Feld von Sensorelementen zu bilden, wobei die nicht belichtete Oberfläche des Sensormaterials mehrere Elektroden einer ersten Polarität bildet, von denen jede in Registrierung und in ohmschem Kontakt mit einem entsprechenden der elektrisch leitenden Wege ist, und derart, dass die belichtete Oberfläche des Sensormaterials eine gemeinsame Elektrode bildet, welche eine Polarität hat, die entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist.
  • Gemäß eines weiteren Aspekts stellt die Erfindung ein Mehrfachbildpunktsensorfeld bereit, welches umfasst:
    Einen Wafer, welcher darin integriert auf einer ersten Oberfläche des Wafers mehrere elektronische Verarbeitungsschaltkreise hat, jeder bezüglich eines entsprechenden Bildpunktes, um so einen integrierten Schaltkreis zu bilden, welcher mindestens ein Feld von elektronischen Verarbeitungsschaltkreisen hat, wobei jeder elektronische Verarbeitungsschaltkreis eine entsprechende Sensoreingabe auf einer ersten Oberfläche des Wafers hat, wobei das Sensorfeld weiter eine Mehrzahl an Endknoten auf einer ersten Oberfläche des Wafers für externe Verbindung zu entsprechenden elektronischen Verarbeitungsschaltkreisen von mehreren Bildpunkten von Leistung, Eingabe-/Ausgabe- und Steuerverbindungen hat,
    bezüglich jedes Bildpunktes einen elektrisch leitenden Weg durch den Wafer, welcher sich von der jeweiligen Sensoreingabe zu einer zweiten Oberfläche des Wafers gegenüber der ersten Oberfläche erstreckt, und
    eine Schicht von amorphem oder polykristallinem Sensormaterial, welche auf der zweiten Oberfläche des Wafers gewachsen bzw. gezüchtet worden ist, um so ein Feld von Sensorelementen zu bilden, so dass eine nicht belichtete Oberfläche davon mehrere Elektroden ausbildet, welche eine erste Polarität, jede in Registrierung mit einer entsprechenden von den elektrisch leitenden Wegen, haben, und eine belichtete Oberfläche davon eine gemeinsame Elektrode ausbildet, welche eine zu der ersten Polarität entgegengesetzte Polarität hat.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Um die Erfindung zu verstehen und zu sehen, wie sie in Anwendung ausgeführt werden kann, wird nun eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben werden, lediglich durch ein nicht begrenzendes Beispiel mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
  • 1 bildhaft eine typische Bildpunktsensor-Anordnung des Standes der Technik zeigt;
  • 2 bildhaft ein Standard-Bildpunkt-ASIC zeigt, welches auf einem Siliziumwafer in einem ersten Herstellungsschritt gemäß der Erfindung Massen-hergestellt ist;
  • 3 bildhaft den Siliziumwafer zeigt, welcher einem optionalen zweiten Herstellungsschritt gemäß der Erfindung unterzogen wird;
  • 4 bildhaft einen dritten Herstellungsschritt gemäß der Erfindung zeigt;
  • 5 bildhaft einen fünften Herstellungsschritt gemäß der Erfindung zum Erzeugen von ohmschen Verbindungen zwischen jeder Bildpunkteingabe und einer entgegengesetzten Seite des Siliziumwafers zeigt, um so eine direkte Verbindung des Bildpunktsensors dazu zu erlauben;
  • 6 bildhaft die entgegengesetzte Seite des Siliziumwafers zeigt, wobei die mehreren ohmschen Kontakte, die gemäß der Erfindung erzeugt sind, umfasst sind, von welchen jeder einem entsprechenden Sensor zugeordnet ist;
  • 7 bildhaft einen sechsten Herstellungsschritt gemäß der Erfindung zeigt, um Sensormaterial auf die entgegengesetzte Seite des Siliziumwafers abzulagern;
  • 8 bildhaft ein einzelnes Sensorelement gemäß der Erfindung zeigt, welches aus dem in 7 gezeigten Wafer herausgeschnitten ist;
  • 9a bzw. 9b bildhaft Oben- und Seitenansichten des Bildpunktsensors der 8 zeigen, welcher durch Bump-Verbindungen an einer keramischen Leiterplatte in einer zusammengesetzten Einkapselung angebracht ist, welche Bump-Verbindungen für direktes Anbringen an eine PCB-Hauptplatine, ohne Erfordernis von Kabelverbindung, hat;
  • 10 bildhaft ein zweidimensionales Feld von eingekapselten Bildpunktsensoren, wie in 9 gezeigt, zeigt, welche in einer Seite-an-Seite-Beziehung angebracht sind, um so einen zusammengesetzten großen Feldsensor zu bilden;
  • 11 ein Flussdiagramm ist, um den Herstellungsprozess eines Bildpunktsensors gemäß der Erfindung zusammenzufassen;
  • 12 ein Flussdiagramm ist, um alternative Herstellungsprozesse eines Bildpunktsensors gemäß der Erfindung zusammenzufassen; und
  • 13 ein Flussdiagramm ist, um einen alternativen Herstellungsprozess eines Bildpunktsensors, welcher nicht beansprucht ist, zusammenzufassen.
  • Detaillierte Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen
  • 2 zeigt einen Siliziumwafer 20, der einen integrierten Schaltkreis oder Chip bildet, der typischerweise von einem komplementären Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Wafer gebildet ist und der mit Ritzlinien 21 ausgestattet ist, um eine rechteckige Matrix von Sensorelementen 22 auszubilden, von denen jedes wiederum eine Matrix von 3 × 5 Bildpunkten 23 umfasst. Der Wafer 20 ist in einer Siliziumgießerei in bekannter Weise prozessiert und zum Zweck der Massenproduktion mit niedrigen Kosten gemäß der Erfindung prozessiert als ein nicht geschnittener Wafer, welcher mehrere Replikate desselben integrierten Schaltkreises trägt. Jeder Bildpunkt 23 umfasst eine Sensoreingabe 24, welche mit einem Ladungsverstärker 25 und einer Verarbeitungseinheit 26 verbunden ist. Zusammen mit der Verarbeitungseinheit 26 bildet der Ladungsverstärker 25 die Bildpunktelektronik, mit welcher das Sensorelement (nicht gezeigt) verbunden ist, welches auf ein Photon, welches das Sensorelement trifft, reagiert, um die dadurch erzeugte Ladung zu messen. Somit enthält der Siliziumwafer 20 mehrere Replikate des Bildpunktfeldes 22, welche nach Ritzen mehrere ASICs produzieren würden, wobei jedes ein Feld von 3 × 5 Bildpunkte-Elektronikschaltkreisen zum Verbinden mit einem jeweiligen Sensorelement enthält.
  • Wahlweise kann der Standard-Wafer 20, der in 2 gezeigt ist, grundiert oder geätzt sein, um so den Wafer von der entgegengesetzten Seite 28 dünner zu machen, um so die Masse/den Hauptteil des Silizium-Wafers 29 zu entfernen, wobei der Rest des Wafers 20 so dünn wie praktisch möglich ist. Es ist auch möglich, einen vorher verdünnten Wafer in der IC-Herstellung, wie oben beschrieben, zu benutzen, in welchem Fall ein darauf folgendes Dünner-Machen nicht notwendig ist. Ein vorverdünnter Wafer wird jedoch zu höheren Herstellungskosten führen, wenn die Bildpunktelektronik Massen-produziert wird.
  • Um das Erfordernis für eine Kabelverbindung, wie sie in bisher vorgeschlagenen Bildpunktsensoren verwendet wird, zu umgehen, verbindet die Erfindung jede Sensoreingabe 24 über einen jeweiligen ohmschen Kontakt (oder "Weg") durch den Siliziumwafer mit der entgegengesetzten Seite davon. Dieser Kontakt kann dann dazu benutzt werden, das Sensorelement direkt mit der Sensorelektronik durch effektives Binden des Sensorelements in einer korrekten örtlichen Anordnung in Bezug auf die Elektronik auf der entgegengesetzten Seite des Siliziumwafer zu verbinden. Dies kann in verschiedenen Weisen gemacht werden, von denen einige nun beschrieben werden werden.
  • Mit Bezug auf 4 wird somit das Sensorelement 22 mit zusätzlichem Fotomaskenmaterial 30 beschichtet, welches die die Sensoreingabe 24 umgebende Fläche des Wafers effektiv schützt, während die Sensoreingabe 24 selbst belichtet bleibt. Es kann auch notwendig sein, eine komplementäre Fotomaske zu produzieren, welche denselben Bereich abdeckt, jedoch an der entgegengesetzten Seite 28 des Siliziumwafers in präziser Registrierung mit der Fotomaske, die an dem Bildpunkt 23 angeordnet ist, bereitgestellt ist. Wenn dies getan ist, kann eine Verbindung zu der Sensoreingabe 24 durch den Wafer dadurch gebildet werden, dass der Siliziumwafer mit einem n-Donor-Störstellentyp implantiert wird, welcher ein fünf-wertiges Material wie etwa Antimon, Phosphor oder Arsen ist, zu welchem die Fotomaske 30 undurchlässig ist, so dass die Donor-Störstelle nur die Sensoreingabe 24 durchdringt und eine lokale Erhöhung in der Leitfähigkeit des Silizium von der Sensoreingabe 24 durch den Wafer 20 zu seiner entgegengesetzten Seite bildet, um so effektiv eine Matrix von leitenden Wegen 31 zu bilden, von denen jeder eine entsprechende Sensoreingabe 24 mit der entgegengesetzten Seite des Wafers 20 verbindet, wie bildhaft in 6 gezeigt ist.
  • Ein alternativer Ansatz ist es, eine Fotomaske an der entgegengesetzten Seite nur des Wafers bereitzustellen, welche das Silizium in direkter Registrierung mit der Sensoreingabe auf der Oberseite des Wafer belichtet, und teilweise Löcher durch den Wafer von der entgegengesetzten Seite der Sensoreingabe 24 zu ätzen, wobei nicht vollständig durch den Wafer geätzt wird. Die resultierenden Ausnehmungen werden dann mit leitendem Material, wie etwa Aluminium, gefüllt.
  • Noch eine weitere Möglichkeit ist es, die oben erwähnten Ansätze zu kombinieren, wobei Löcher teilweise durch den Wafer von der entgegengesetzten Seite geätzt werden und ein p-Störstellentyp, wie etwa Bor, von der Oberseite implantiert wird, um so den Wafer direkt unterhalb jeder Sensoreingabe leitend zu machen. Die Teilausnehmungen werden dann mit leitendem Material, wie etwa Aluminium, gefüllt, welches den nun leitenden Wafer begrenzt und den ohmschen Kontakt zu der entgegengesetzten Seite des Wafers vervollständigt.
  • Mit Bezug auf 7 ist ein nachfolgender Zustand in dem Herstellungsprozess gezeigt, wobei gewünschtes amorphes oder polykristallines Sensormaterial, wie etwa Quecksilberjodid, auf der Oberseite des Wafers gezüchtet wird, um so ein Feld von Sensorelementen auszubilden, von denen jedes eine Anode hat, welche in ohmschem Kontakt mit einem jeweiligen der leitenden Wege 31 (gezeigt in 6) ist und derart, dass die entgegengesetzte, belichtete Oberfläche des Sensormaterials eine gemeinsame Kathode bildet, zu der einfallende Photonen gerichtet sind. Somit zeigt 7 bildhaft einen zusammengesetzten Wafer 35, welcher einen unteren Siliziumwafer 36, wie oben beschrieben, hat, auf welchem oben ein amorphes oder polykristallines Sensormaterial 37 gewachsen ist, um so eine Matrix von Sensorelementen zu bilden, welche eine gemeinsame Kathode haben, welche durch die obere Oberfläche des Geräts gebildet ist, und eine jeweilige Anode (nicht gezeigt), welche effektiv zwischen die obere Sensorschicht 37 und den unteren Siliziumwafer 36 gelegt ist und über einen jeweiligen der Wege, der in dem Siliziumwafer 36 gebildet ist, verbunden ist.
  • Wie in 8 gezeigt, ist der Wafer 35 nun entlang der Ritzlinien geritzt, um so individuelle Sensorchips 40 zu produzieren, welche in dem in der Figur gezeigten spezifischen Beispiel 5 × 3 Bildpunktelemente in einer Zwei-Schichtstruktur umfassen, welche eine obere Schicht 41 hat, die von einem Siliziumwafer gebildet ist, und die damit integrierte Bildpunktelektronik, Referenznummer 23 in 4, hat und die eine untere Schicht 42 hat, an welcher die Sensorelemente selbst abgelagert sind. Zu der oberen Schicht 41 hin sind auch Endknoten gebildet, um die externe Verbindung zu der Bildpunktelektronik einer Leistung, Eingabe-/Ausgabe- und Steuerverbindungen zu erlauben. Dies wird typischerweise gemacht mittels der Anschlussfelder 43, welche auf der äußeren Oberfläche des Siliziumwafers in bekannter Weise metallisiert sind und schon in einem früheren Schritt der Herstellung gebildet wurden, der dem in 2 gezeigten Siliziumwafer 20 entspricht. In Benutzung ist ein Zugang zu einem individuellen Bildpunkt in dem Sensorfeld dadurch erreicht, dass der erforderliche Bildpunkt adressiert wird und dass die Lage eines aktiven Bildpunkts in dem Sensorfeld in ähnlicher weise durch Dekodieren seiner Adresse bestimmt wird. In einem Sensorfeld, welches zum Beispiel 1024 Bildpunkte hat, hat der erforderliche Adressbus 10 Linien und im Allgemeinen hat der erforderliche Adressbus für ein Bildpunktfeld, welches N Bildpunkte hat, log2N Linien. Somit sind viel weniger Endknoten erforderlich als Sensoreingaben.
  • Wie oben erklärt, sind Bildpunktsensoren auf der unteren Schicht 42 abgelagert, deren äußere Oberfläche eine gemeinsame Kathode bildet, derart, dass die Anoden eines jeden Sensorelements mit einer jeweiligen Sensoreingabe der Bildpunktelektronik über eine entsprechende durchgehende Verbindung oder über Wege, die durch den Körper des Siliziumwafers gebildet sind, verbunden sind. Ebenso sind die Anschlussfelder 43 an der äußeren Oberfläche der Siliziumschicht 41 gebildet, anstatt dass sie zu Kanten-Verbindungen gebracht sind, wie es typischerweise in bisher vorgeschlagenen Konfigurationen gemacht ist. Dies erleichtert ein Zusammensetzen des Bildpunktfeldes wesentlich und erlaubt, dass mehrere Bildpunktfelder in einer Kante-zu-Kante-Beziehung in Reihe gestellt werden können, was in einer viel kompakteren Konfiguration resultiert mit wesentlich vermindertem Totraum verglichen zu bisher vorgeschlagenen Konfigurationen.
  • 9A und 9b zeigen, wie das Bildpunktsensormodul 40, welches in 8 gezeigt ist, eingekapselt werden kann, sodass die gemeinsame Kathode der Bildpunktsensorschicht 42 ganz oben ist und die Anschlussfelder 43 über Bump-Verbindungen 45 mit einer keramischen Leiterplatte 46 verbunden sind, welche niedriger Dichte sind und leicht herzustellen sind. Die keramische Leiterplatte 46 führt Bump-Verbindungen 47 durch an einer Oberfläche angebrachte Stifte oder Ausnehmungen (z.B. PGA- oder BGA-Standard). Die vollständige Anordnung ist so eingekapselt, um ein Modul 48 zu bilden, welches leicht an einer PCB-Hauptplatine angebracht ist. Das Modul 48 ist sehr leicht zu handhaben und kann als eines von vielen identischen Elementen, die Kante an Kante befestigt sind, befestigt werden, um so einen zweifachen Sensor zu bilden, welcher eine viel größere Fläche einer Oberfläche hat und minimalen Totraum, wie bildhaft in 10 gezeigt, wo ein großes Sensorfeld 50 dadurch gebildet ist, dass mehrere Sensormodule 48 in einer Kante-an-Kante-Anordnung angebracht sind, wobei alle an einen Standard-PCB Oberflächen-angebracht sind, unter der Annahme, dass BGA-Einkapselung angewendet ist. Wenn alternativ PGA-Einkapselung benutzt würde, dann wären die Module 48 typischerweise in IC-Steckern montiert.
  • Es ist offensichtlich wichtig, dass die Wege nicht durch den Siliziumwafer 20 kurzgeschlossen sind. Dies könnte möglicherweise z.B. auftreten, wenn die Wege mit Metall gefüllt sind, da die Verbindung der Metallwege mit der Siliziummasse eine Schottky-Diode bilden könnte. Während tatsächlicher Benutzung des Sensors könnte solch eine Schottky-Diode entgegengesetzt vorgespannt werden und leiten, um somit einen Kurzschluss zwischen den Wegen zu bilden.
  • Um der Möglichkeit entgegenzuwirken, dass zwischen den Wegen durch die Masse bzw. den Hauptteil des Siliziumwafers eine Leitung erfolgt, muss die Zuverlässigkeit der Isolation zwischen den Wegen in dem Siliziumwafer sichergestellt sein. Zu diesem Zweck können die Isolationseigenschaften des Siliziumwafers durch geeignete Wahl des Siliziumwafers erhöht werden. Im Allgemeinen wird es immer ein Typ sein, bei welchem die Oberfläche (erste Oberfläche) in einer Standardweise für IC-(z.B. CMOS)-Herstellung vorbereitet ist. Das Material im Volumen kann jedoch verändert werden, um bessere Isolationseigenschaften bereitzustellen. Typische Veränderungen sind:
    • 1. Standard-Volumen-Siliziumsubstrat (vollständig homogen). Dies wäre die "normale" Wahl
    • 2. Silizium auf Isolator-(SoI)-Substrat.
    • 3. Epitaktisches Schichtsilizium-Substrat.
  • Es wird offensichtlich sein, dass Abwandlungen an der Anordnung gemacht werden können, ohne von dem Geltungsbereich der Erfindung, wie beansprucht, abzuweichen, was hauptsächlich in der Bereitstellung von ohmschen Verbindungen besteht, welche in dem Siliziumwafer gebildet sind, um so dahindurch eine ohmsche Verbindung eines Bildpunktsensorelements mit der Eingabeverbindung der entsprechenden Bildpunktelektronik, die in den Siliziumwafer auf der Oberseite davon integriert ist, zu erlauben. Durch dieses Mittel wird das Erfordernis, jedes Sensorelement mit der entsprechenden Elektronik in dem Siliziumwafer über Bump-Verbindungen zu verbinden, vermieden, um somit zu erlauben, dass eine viel kompaktere Anordnung erzeugt wird. Weiterhin, da Eingabe-/Ausgabe- und Steuerfelder leicht auf der oberen Oberfläche des Silizium angebracht werden können, umgeht dies das Erfordernis, Verbindungen entlang der Kante der Bildpunktanordnung bereitzustellen, was somit die Anordnung noch kompakter macht und eine leichte Erweiterung des Bildpunktfeldes durch Montieren mehrerer Module Kante an Kante mit minimalem dazwischenliegenden Totraum erlaubt.
  • 11 ist ein Flussdiagramm, welches die essenziellen Eigenschaften des oben beschriebenen Herstellungsprozesses eines Bildpunktsensors gemäß der Erfindung zusammenfasst, wobei das Sensormaterial auf der zweiten Oberfläche des Wafers abgelagert ist und die Sensorelemente elektrisch durch die elektrisch leitenden Wege (31) mit den jeweiligen Sensoreingaben verbunden sind.
  • Während in der bevorzugten Ausführungsform, wie oben beschrieben, die Sensorelemente selbst auf dem Siliziumwafer unter Benutzung von Quecksilberjodid abgelagert sind, wird es geschätzt werden, dass andere Materialien wie etwa Cadmiumzinktellurid und Cadmiumquecksilberjodid benutzt werden können. Ebenso erwägt die Erfindung, die Sensorelemente als eine vollständig getrennte integrierte Einheit bereitzustellen, deren viele Sensorelemente mit einer entsprechenden Bildpunktelektronikeinheit in der Siliziumschicht über den ohmschen Kontakt, der dahindurch entsprechend der Erfindung gebildet ist, verbunden sein können. Somit erwägt die Erfindung auch die Situation, wo Sensorelemente und die Sensorelektronik in einzelnen Schichten gebildet sind, welche zusammenverbunden sind, anstatt dass sie als eine monolithische Struktur gebildet sind.
  • Während eine bevorzugte Ausführungsform in Hinsicht auf CMOS-Schaltung beschrieben worden ist, wird es weiterhin geschätzt sein, dass die Prinzipien der Erfindung auch auf andere Technologien anwendbar sind.
  • Obwohl eine Anwendung solcher Sensoren in Nuklearbildgebungssystemen und medizinischen Bildgebungssystemen erwähnt worden ist, muss bemerkt werden, dass die Erfindung nicht auf eine besondere Anwendung begrenzt ist. Somit werden andere Anwendungen der Erfindung offensichtlich für denjenigen sein, der in der Technik Fachwissen hat, und umfassen, ohne Beschränkung, Röntgen-Computertomographie; Nachtsichtsensoren; Standardmedizinische und -industrielle Röntgengeräte; Nuklearmedizin-PET/SPECT-Sensoren; Teichendetektoren; Röntgenbeugungsdetektoren und andere.
  • Es sollte bemerkt werden, dass in dem in 8 gezeigten Herstellungsschritt der Wafer nicht entlang jeder Ritzlinie geteilt sein muss. Somit kann in dem in der bevorzugten Ausführungsform beschriebenen Beispiel, wo jeder Bildpunktsensor ein Feld von 3 × 5 Punkten umfasst, ein gröberes Feld von 6 × 5 Bildpunkten einfach dadurch hergestellt werden, dass zwischen angrenzenden Bildpunktfeldern nicht geritzt wird. Ebenso kann ein Feld von 6 × 10 Bildpunkten durch geeignetes Teilen des Wafers 20 gebildet werden. Wenn dies gesagt wird, muss natürlich bemerkt werden, dass die Erfindung nicht auf eine spezifische Zahl oder Anordnung von Bildpunkten in jedem Bildpunktfeld begrenzt ist und die gewöhnlichen Kosten-/Nutzen-Überlegungen gelten. Somit werden durch Verminderung der Zahl der Bildpunkte in jedem Feld weniger Bildpunkte verschwendet, wenn fehlerhafte Bildpunktfelder verworfen werden. Theoretisch könnte ein großes Bildpunktfeld unter Benutzung der vollständigen Fläche des Wafer gebildet sein; aber in diesem Fall würde ein Fehler in einem einzelnen Bildpunkt erfordern, dass der gesamte Wafer verworfen wird.
  • In der bevorzugten Ausführungsform umfassen die elektronischen Verarbeitungsschaltkreise Verstärker und weitere Verarbeitungsschaltungen. Dies erlaubt, dass einfallende Photonen schrittweise das Bildpunktfeld laden und dass sie bei Eintreffen gezählt werden. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass dies die Erfindung begrenzt, da in ihrer einfachsten Ausführung elektronische Verarbeitungsschaltkreise einfach Kondensatoren sein können, welche die hereinkommende Ladung speichern, in einer Weise etwa analog zu einer CCD, wobei Ladung ähnlich zu einem Schieberegister sequenziell ausgelesen wird.
  • In den soweit beschriebenen Ausführungsformen sind die Sensoreingaben zusammen mit Endknoten zu einer ersten Oberfläche des CMOS-Wafers hin gebildet und die Sensorelemente sind entweder auf der entgegengesetzten, zweiten Oberfläche abgelagert oder auf andere Weise daran fixiert in genauer Registrierung mit den Sensoreingaben auf der ersten Oberfläche. Dies führt dazu, dass die Sensoreingaben und die Sensorelemente selbst an entgegengesetzten Oberflächen des Wafers angeordnet sind und das eine ohmsche Verbindung zwischen ihnen vermittels von elektrisch leitenden Wegen erreicht ist, welche sich durch den Wafer erstrecken. In solch einem Fall müssen die Endknoten von der ersten Oberfläche des CMOS-Wafers, gegenüber der Sensorelemente, erreichbar sein, um so eine externe Verbindung damit zu erlauben. Dies erfordert, dass die isolierende Siliziumoxidschicht, welche die Endknoten überzieht, entfernt werden muss, um die Endknoten zu belichten. Eine externe Verbindung kann dann über Anschlussfelder erreicht werden, die an der ersten Oberfläche des Wafers in elektrischem Kontakt mit den belichteten Endknoten metallisiert sind oder direkt an den leitenden Wegen.
  • In einer Ausführungsform jedoch, welche nicht beansprucht ist, kann dasselbe Prinzip umgekehrt benutzt werden, wobei die Endknoten effektiv vermittels von elektrisch leitenden Wegen zu einer entgegengesetzten Oberfläche des Wafers verlagert sind. Dies erlaubt, dass das Sensormaterial direkt auf derselben Oberfläche des Wafers wie die Sensoreingaben abgelagert wird, um somit das Erfordernis zu umgehen, in diesem Fall elektrisch leitende Wege zu bilden, um diese Verbindungen zu einer entgegengesetzten Oberfläche des Wafer zu führen. Mit anderen Worten sind die Sensorelemente und die Verbindungen zu den Endknoten immer an entgegengesetzten Oberflächen des Wafers angeordnet, obwohl die Sensoreingaben und die Endknoten auf derselben Oberfläche gebildet sind. In dem ersten Fall, wie oben mit Bezug auf die 1 bis 11 beschrieben ist, wobei die Sensorelemente auf der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet sind, sind sie mit Sensoreingaben durch entsprechende elektrisch leitende Wege verbunden und ein Zugang zu den Endknoten ist von der ersten Oberfläche bereitgestellt, um direkte Verbindung dazu zu erlauben, z.B. durch Anschlussfelder. In dem zweiten Fall sind die Sensorelemente direkt auf derselben Oberfläche wie die Sensoreingaben angeordnet. In diesem Fall sind die Endknoten durch entsprechende elektrisch leitende Wege mit der entgegengesetzten Oberfläche des Wafers verbunden, wo die tatsächlichen Anschlussfelder ausgebildet sein können, oder wo eine andere Verbindung zu den nun verlagerten Endknoten sichergestellt sein kann. Zugang zu den Endknoten von der ersten Oberfläche des Wafers ist in diesem Fall verhindert, da andererseits die Sensorelemente die Endknoten kurzschließen würden. Solch ein Kurzschluss ist durch die Siliziumdioxid-Isolationsschicht verhindert, welche die Endknoten überzieht, bevor die Sensorelemente abgelagert werden.
  • In diesem Kontext muss bemerkt werden, dass in CMOS-Technologie die CMOS-Schicht durch eine isolierende Schicht von Siliziumoxid überzogen ist, welche entfernt werden muss, wenn ein Schaltkreiselement belichtet werden muss, um eine tatsächliche elektrische Verbindung dazu zu erlauben. Somit sind in dem ersten Fall, wo die Sensorelemente auf der zweiten Oberfläche des Wafers abgelagert sind, die Endknoten belichtet und auf der ersten Oberfläche metallisiert. In dem zweiten Fall, wo die Sensorelemente auf der ersten Oberfläche des Wafer abgelagert sind, sind die Sensoreingaben belichtet, um eine elektrische Verbindung der Sensorelemente zu erlauben. In diesem Fall sind die Endknoten ohmsch mit der zweiten Oberfläche des Wafer durch elektrisch leitende Wege gekoppelt und Anschlussverbindungen dazu können entweder vermittels von Endknoten oder durch eine direkte Verbindung zu den ohmschen Diffusionen der Wege ausgebildet werden. Somit sind in beiden Fällen die Sensoreingaben und die Endknoten zu der ersten Oberfläche des Wafers hin ausgebildet, obwohl, abhängig von der Schaltkreistopologie, ein Zugang durch die Siliziumoxid-Isolationsschicht verwehrt sein kann.
  • Es sollte bemerkt werden, dass Endknoten in dem Sensorchip ausgebildet sein können, um irgendeine erforderliche externe Verbindung zu erlauben.
  • Es sollte auch bemerkt werden, dass die Erfindung andere Ansätze zum Ablagern der elektrisch leitenden Wege erwägt als den spezifischen Prozess, der oben mit Bezug auf 11 beschrieben ist. Zum Beispiel können, bevor der Wafer zu der CMOS-Gießerei zum Herstellen der Bildpunkte 23, welche die in 4 gezeigte Sensorelektronik umfasst, gesendet wird, die elektrisch leitenden Wege vorher in dem nativen Siliziumwafer ausgebildet werden.
  • Die 12 ist ein Flussdiagramm, welches die wesentlichen Operationen, die in solch einem Herstellungsverfahren in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen ausgeführt wird, zusammenfasst. Somit wird entsprechend einer ersten Ausführungsform Sensormaterial auf der zweiten Oberfläche des Wafers abgelagert, um so die Grundlage für ein Feld von Dioden auszubilden. Die somit belichtete Oberfläche des Sensormaterials wird eine gemeinsame Kathode ausbilden, auf welche einfallende Strahlung auftreffen wird. Die Anoden werden den Wafer begrenzen, sind aber nur realisiert, wenn tatsächliche Verbindungen dazu durch die elektrisch leitenden Wege gemacht werden, welche sie zu der Sensorelektronik verbinden, wenn diese schließlich ausgebildet ist. Elektrisch leitende Wege werden in dem nativen Siliziumwafer unter Benutzung irgendeiner der oben beschriebenen Techniken ausgebildet. Wie in 12 gezeigt, können somit Bereiche des nativen Wafers, die zu schützen sind, mit einer Fotomaske überzogen werden und die Wege können durch Ätzen und leitendes Füllen, z.B. Metallisierung durch den Wafer, hergestellt werden. Wenn dies getan ist, bilden die Punkte des Kontaktes der jeweiligen Wege mit dem Sensormaterial die entsprechenden Anoden der Sensorelemente oder Bildpunkte. Der vorverarbeitete Siliziumwafer wird nun zu der CMOS-Gießerei gesendet, wobei die Bildpunkte 23 in einer normalen Weise ausgebildet werden, sodass entweder die Sensoreingaben oder die Endknoten in einer exakten Registrierung mit den Wegen sind, abhängig davon, ob das Sensormaterial auf der entgegengesetzten Oberfläche oder derselben Oberfläche der Bildpunkte 23, wie oben beschrieben, abzulagern ist. In jedem Fall sind bei Ende des Prozesses die Endknoten und das Sensormaterial auf entgegengesetzten Oberflächen des Wafers abgelagert und entweder sind die Sensoren mit ihren entsprechenden Sensoreingaben vermittels der vorher ausgebildeten elektrisch leitenden Wege verbunden oder, alternativ, sind die Anschlussfelder mit ihren entsprechenden Endknoten mittels der elektrisch leitenden Wege verbunden. Wie oben bemerkt, brauchen die Verbindungen zu den Endknoten nicht über metallisierte Felder sein, da eine direkte Verbindung zu der ohmschen Diffusion gemacht werden kann, wenn erforderlich.
  • In einem alternativen Verfahren werden die elektrisch leitenden Wege zunächst in dem nativen Wafer, wie oben erklärt, ausgebildet. Das Sensormaterial wird dann auf der zweiten Oberfläche des Wafers abgelagert, um so die Grundlage für ein Feld von Dioden auszubilden. Wie oben erklärt, wird die so belichtete Oberfläche des Sensormaterials eine gemeinsame Kathode ausbilden, auf welche einfallende Strahlung auftreffen wird. Die Anoden werden den Wafer an entsprechenden Punkten eines Kontakts mit den schon gebildeten Wegen begrenzen, sind aber nur realisiert, wenn tatsächlich Verbindungen dazu durch die Sensorelektronik gemacht werden, welche nun in der CMOS-Gießerei ausgebildet wird.
  • Entsprechend eines dritten Ansatzes werden die elektrisch leitenden Wege zunächst in dem nativen Wafer, wie oben erklärt, ausgebildet. Die Verarbeitungselektronik wird nun in der CMOS-Gießerei in genauer Registrierung mit den elektrisch leitenden Wegen ausgebildet. Das Sensormaterial wird dann auf der zweiten Oberfläche des Wafers abgelagert, um so ein Feld von Dioden zu bilden. Die belichtete Oberfläche des Sensormaterials bildet eine gemeinsame Kathode aus, auf welche einfallende Strahlung auftreffen wird. Die Anoden begrenzen den Wafer an entsprechenden Punkten eines Kontakts mit den schon ausgebildeten Wegen, welche mit der Sensorelektronik verbunden sind.
  • 13 ist ein Flussdiagramm, welches die essenziellen Eigenschaften des oben beschriebenen Herstellungsprozesses eines Bildpunktesensors gemäß einer Ausführungsform, welche nicht beansprucht wird, zusammenfasst, wobei das Sensormaterial auf der ersten Oberfläche des Wafers abgelagert wird und die Anschlussfelder elektrisch durch die elektrisch leitenden Wege mit den entsprechenden Endknoten verbunden werden. Obwohl in 13 nur ein Herstellungsansatz gezeigt ist, wird es geschätzt werden, dass irgendeiner der oben mit Bezug auf 12 beschriebenen Ansätze auch in dem Fall angewendet werden kann, wo die Anschlussfelder elektrisch mit den Endknoten durch entsprechende elektrisch leitende Wege verbunden sind.
  • In allen Fällen wird der Wafer, nachdem er prozessiert ist, geritzt und eingekapselt, um modulare Sensorfelder auszubilden, welche Kante an Kante nebeneinander gestellt werden können.
  • Die Erfindung ist beschrieben worden mit besonderem Bezug auf zwei ausgeprägte Konfigurationen: eine, wobei die Sensoreingaben von der ersten Oberfläche an die zweite Oberfläche verlagert sind; und die zweite, wo die Endknoten von der ersten Oberfläche auf die zweite Oberfläche verlagert sind. Diese Konfigurationen sind beschrieben worden, da angenommen wird, dass sie von größter praktischer Wichtigkeit sind. Aber es ist klar, dass die Lehren der Erfindung auch hybride Konfigurationen erlauben würden, wo zum Beispiel die Sensoreingaben sowie spezifische der Endknoten verlagert sind. In den angehängten Ansprüchen ist somit nicht beabsichtigt, dass das Bereitstellen eines elektrisch leitenden Weges bezüglich entweder jedes Bildpunkts oder jedes Endknotens die Möglichkeit ausschließt, einen elektrisch leitenden Weg bezüglich jedes Bildpunkts und einiger der Endknoten bereitzustellen.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Sensorfelds mit einer Mehrzahl von Bildpunkten, wobei jeder Bildpunkt einen elektronischen Verarbeitungsschaltkreis mit einer Sensoreingabe (24) umfasst, um ein Sensorelement mit dem elektronischen Verarbeitungsschaltkreis zu koppeln, wobei das Sensorfeld weiterhin eine Mehrzahl von Endknoten für eine externe Verbindung mit jeweiligen elektronischen Verarbeitungsschaltkreisen von mehreren Bildpunkten einer Leistung, Eingabe/Ausgabe und Steuerverbindungen aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Integrieren der elektronischen Verarbeitungsschaltkreise (25, 26) auf einer ersten Oberfläche eines Wafers (20), um einen integrierten Schaltkreis mit zumindest einem Feld der elektronischen Verarbeitungsschaltkreise mit den Sensoreingaben und den Endknoten auf der ersten Oberfläche des Wafers zu bilden, bezüglich jedes Bildpunkts Bereitstellen eines elektrisch leitenden Wegs (31) durch den Wafer (20), der sich von der jeweiligen Sensoreingabe (24) zu einer zweiten Oberfläche (28) des Wafers gegenüber der ersten Oberfläche erstreckt, und Wachsen bzw. Züchten von amorphem oder polykristallinem Sensormaterial auf der zweiten Oberfläche des Wafers, um ein Feld von Sensorelementen zu bilden, wobei eine nichtbelichtete Oberfläche des Sensormaterials mehrere Elektroden einer ersten Polarität bildet, von denen jede in Registrierung und in ohmschem Kontakt mit einem entsprechenden der elektrisch leitenden Wege (31) ist, derart, dass eine belichtete Oberfläche des Sensormaterials eine gemeinsame Elektrode mit einer Polarität bildet, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: Bilden auf einer Oberfläche des Wafers gegenüber dem Sensormaterial einer Mehrzahl von metallisierten Kontaktfeldern (43), von denen jedes in ohmschem Kontakt mit einem jeweiligen der Endknoten ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das weiterhin umfasst: Verdünnen des Wafers (29) von der zweiten Seite (28) davon, um so die Masse bzw. den Hauptteil des Wafers vor der Bildung der Sensorelemente zu entfernen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wafer (20) vor Bereitstellen der elektrisch leitenden Wege (31) durch den Wafer (20) vorab verdünnt ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Bereitstellens elektrisch leitender Wege (31) durch den Wafer (20) umfasst: Überziehen der ersten Oberfläche des Wafers (20) mit einer Fotomaske (30) entfernt von belichteten Bereichen, wo die Wege zu bilden sind, und Implantieren des Wafers mit einem Material, für das die Fotomaske (30) undurchlässig ist, so dass das Material nur durch die belichteten Bereiche dringt und eine lokale Erhöhung in der Leitfähigkeit des Wafers zu der zweiten Oberfläche davon erzeugt, so dass eine Matrix von leitenden Wegen (31) gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, das weiterhin umfasst: Erzeugen einer komplementären Fotomaske, die den Bereich des Wafers auf der zweiten Oberfläche davon abdeckt und in präziser Registrierung mit der Fotomaske (30) ist, die auf der ersten Oberfläche davon angeordnet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Wafer auf Silizium basiert und das Material ein p-Störstellentyp ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Bereitstellens elektrisch leitender Wege (31) durch den Wafer (20) umfasst: Bereitstellen einer Fotomaske auf der zweiten Oberfläche, nur des Wafers, um so den Wafer in direkter Registrierung mit Bereichen auf der ersten Oberfläche des Wafers zu belichten, wo die Wege zu bilden sind, teilweises Ätzen von Löchern durch den Wafer von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche, um so Teilausnehmungen zu bilden, und Füllen der Ausnehmungen mit leitendem Material.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Bereitstellen elektrisch leitender Wege (31) durch den Wafer (20) umfasst: teilweises Ätzen von Löchern durch den Wafer von der zweiten Oberfläche, um Teilausnehmungen zu bilden, Implantieren des Wafers von der ersten Oberfläche davon mit einem Material, für das die Fotomaske (30) undurchlässig ist, so dass das Material den Wafer direkt angrenzend an jeden Bereich leitend macht, wo Wege zu bilden sind, und Füllen der Teilausnehmungen mit leitendem Material, das an den Wafer angrenzt und den ohmschen Kontakt zu der zweiten Oberfläche des Wafers vervollständigt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die elektrisch leitenden Wege (31) in dem Wafer (20) vor Bildung der Verarbeitungsschaltkreise gebildet werden durch: Überziehen der ersten Oberfläche des Wafers (20) mit einer Fotomaske (30) zum Schutz eines Bereichs, der einen vorgesehenen Ort jedes Wegs umgibt, während der Bereich belichtet bleibt, und Implantieren des Wafers mit einem Material, für das die Fotomaske (30) undurchlässig ist, so dass das Material nur den Bereich durchdringt und eine lokale Erhöhung in der Leitfähigkeit der Wafers von dem vorgesehenen Ort jedes Wegs zu der zweiten Oberfläche davon erzeugt, wodurch eine Matrix von leitenden Wegen (31) durch den Wafer (20) gebildet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die elektrisch leitenden Wege (31) in dem Wafer (20) vor Bildung der Verarbeitungsschaltkreise gebildet werden durch: Bereitstellen einer Fotomaske auf der zweiten Oberfläche, nur des Wafers, um den Wafer in direkter Registrierung mit jeweiligen Orten auf der ersten Oberfläche des Wafers von vorgesehenen Wegen zu belichten, Ätzen von Löchern durch den Wafer von der zweiten Oberfläche zu Orten (24), während nicht vollständig durch den Wafer geätzt wird, um Ausnehmungen zu bilden, und Füllen der Ausnehmungen mit leitendem Material.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die elektrisch leitenden Wege (31) in dem Wafer (20) vor Bildung der Verarbeitungsschaltkreise gebildet werden durch: teilweises Ätzen von Löchern durch den Wafer von der zweiten Oberfläche, um Teilausnehmungen zu bilden, Implantieren des Wafers von der erste Oberfläche davon mit einem Material, für das die Fotomaske (30) undurchlässig ist, so dass das Material nur den vorgesehenen Weg durchdringt und den Wafer bei einem belichteten Bereich davon leitend macht, und Füllen der Teilausnehmungen mit leitendem Material, das an den Wafer angrenzt und den ohmschen Kontakt zu der zweiten Oberfläche des Wafers vervollständigt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Sensormaterial und die Anschlussverbindungen auf dem Wafer (20) vor Bildung der Verarbeitungsschaltkreise (25, 26) gebildet werden.
  14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zum Herstellen eines Sensorfelds für einen Bildsensor für Hochenergiephotonen verwendet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das weiterhin umfasst: Verbinden von Anschlußfeldern (43), die auf einer äußeren Oberfläche des Wafers über Bump-Verbindungen (45) metallisiert sind, mit einer keramischen Leiterplatte (46), die Bump-Verbindungen (47) durch auf einer Oberfläche angebrachte Stifte oder Ausnehmungen führt, und Einkapseln, um so ein Modul (48) zu bilden.
  16. Verfahren zum Bilden eines zweidimensionalen Sensors (50), bei dem verschiedene Module nach Anspruch 15 gebildet werden, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Anbringen der verschiedenen Module (48) Kante an Kante, um so einen zweidimensionalen Sensor (50) eines größeren Oberflächenbereichs als ein einzelnes Modul zu bilden.
  17. Mehrfachbildpunktsensorfeld, umfassend: einen Wafer, in dem auf einer ersten Oberfläche des Wafers mehrere elektronische Verarbeitungsschaltkreise (25, 26) integriert sind, jeder bezüglich eines jeweiligen Bildpunkts, um so einen integrierten Schaltkreis mit zumindest einem Feld von elektronischen Verarbeitungsschaltkreisen (25, 26) zu bilden, wobei jeder elektronische Verarbeitungsschaltkreis eine jeweilige Sensoreingabe (24) auf der ersten Oberfläche des Wafers hat, das Sensorfeld weiterhin eine Mehrzahl von Endknoten auf der ersten Oberfläche des Wafers für eine externe Verbindung zu jeweiligen elektronischen Verarbeitungsschaltkreisen von mehreren Bildpunkten einer Leistung, Eingabe/Ausgabe und Steuerverbindungen hat, bezüglich jedes Bildpunkts einen elektrisch leitenden Weg (31) durch den Wafer (20), der sich von der jeweiligen Sensoreingabe (24) zu einer zweiten Oberfläche (28) des Wafers gegenüber der ersten Oberfläche erstreckt, und eine Schicht aus amorphem oder polykristallinem Sensormaterial, die auf der zweiten Oberfläche des Wafers gewachsen ist, um so ein Feld von Sensorelementen zu bilden, so dass eine nichtbelichtete Oberfläche davon mehrere Elektroden mit einer ersten Polarität bildet, von denen jede in Registrierung und in ohmschem Kontakt mit einem jeweiligen der elektrisch leitenden Wege (31) ist, und eine nichtbelichtete Oberfläche davon eine gemeinsame Elektrode mit einer Polarität entgegengesetzt der ersten Polarität bildet.
  18. Sensorfeld nach Anspruch 17, das zur Verwendung in einem Bilddetektor für Hochenergiephotonen konfiguriert ist.
  19. Sensormodul (48), welches ein eingekapseltes Sensorfeld nach Anspruch 17 oder 18 umfasst, welches umfasst: Anschlussfelder (43), die auf einer äußeren Oberfläche des Wafers über Bump-Verbindungen (45) zu einer keramischen Leiterplatte (46) metallisiert sind, die Bump-Verbindungen (47) durch die an einer Oberfläche montierten Stifte oder Ausnehmungen führt.
  20. Mehrmodulsensoranordnung, welche eine Mehrzahl von Sensormodulen nach Anspruch 19 umfasst, die Kante an Kante montiert sind, um so einen zweidimensionalen Sensor (50) eines größeren Oberflächenbereichs als ein einzelnes Modul zu bilden.
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