DE60311656T3 - Halbleiterstruktur für bilddetektoren - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen und insbesondere aber nicht ausschließlich Fotodetektoren zur Verwendung bei Bildgebungssystemen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Fotodetektoren werden bei Bildgebungssystemen für medizinische, sicherheitsrelevante und industrielle Anwendungen verwendet. Eine besondere medizinische Anwendung von Fotodetektoren liegt bei Computertomografiesystemen (CT).
  • Bei einem typischen CT-System sind eine Röntgenstrahlquelle mit einem fächerförmigen Röntgenstrahl und eine zweidimensionale Strahlungserfassungsanordnung auf einer mechanischen Stützstruktur zusammengebaut, die als ein Fasslager bekannt ist. Im Betrieb wird das Fasslager um ein abzubildendes Objekt gedreht, um die Röntgenstrahldämpfungsdaten aus einem konstant veränderten Winkel bezüglich des Objektes zu sammeln. Die Ebene der Fasslagerrotation ist als Bildgebungsebene bekannt, und wird typischerweise als die x-y-Ebene des Koordinatensystems in einem CT-System definiert. Zudem wird das Fasslager (oder noch typischer das Objekt) langsam entlang der z-Achse des Systems bewegt, um Röntgenstrahldämpfungsdaten für eine erforderliche Länge des Objektes zu sammeln. Beispiele von aktuellen CT-Systemen sind in den US-Patentschriften 6,144,718 und 6,173,031 beschrieben.
  • Die Strahlungsdetektoren der derzeit bekannten CT-Systeme bestehen aus einer zweidimensionalen Anordnung von Szintillatoren auf der Basis von Metallen der Seltenen Erden und einer entsprechenden zweidimensionalen Anordnung an Silikonfotodioden. Sowohl die Szintillatorenkristalle als auch die Fotodioden werden in zweidimensionalen Anordnungen hergestellt, die dann während der Herstellung der Erfassungseinrichtungen miteinander optisch gekoppelt werden.
  • Eine typische Erfassungsanordnung aus dem Stand der Technik ist in 1 gezeigt. Eine typische Erfassungseinrichtung besteht aus einer Anordnung von 16 Reihen und 16 Spalten von individuellen Erfassungselementen, das heißt insgesamt 256 Elementen. Die Spalten sind in der z-Richtung angeordnet. Der Aufbau der Erfassungseinrichtung ist im Stand der Technik gut bekannt. Die Anordnung an Erfassungseinrichtungen ist in 1 allgemein durch das Bezugszeichen 2 dargestellt. Die z-Richtung oder z-Achse ist in 1 ebenfalls gezeigt. Die Elemente in den Reihen befinden sich in der Abbildungsebene und erzeugen als „Schnitte” bekannte Datensätze. Bei einer medizinischen CT-Maschine entspricht beispielsweise jedes Schnittbild einem zweidimensionalen Röntgenstrahlbild eines dünnen Schnittes des menschlichen Körpers in Richtung der Körperachse und der z-Achse der Maschine.
  • Bei CT-Bildgebungssystemen steigt die Größe der Erfassungseinrichtung in der Abbildungsebene durch das zueinander benachbarte Anordnen von individuellen Erfassungsanordnungen wie etwa der in 1 gezeigten Anordnung, wodurch die Größe der Erfassungseinrichtung in der Abbildungsebene erhöht wird. Eine Kante 4 der Erfassungseinrichtung nach 1 kann entlang einer entsprechenden Kante einer entsprechenden Erfassungsanordnung angeordnet sein, und dadurch kann eine größere Fläche aufgebaut werden.
  • Ein Schlüsseltrend in der CT-Industrie ist der Aufbau von CT-Maschinen mit mehr Erfassungselementen, um mehr Röntgenstrahldämpfungsdaten für jede Fasslagerdrehung zu sammeln, und dadurch die Messungen zu beschleunigen, um die Genauigkeit der Messungen zu verbessern, und um die Patientenstrahlungsdosis bei medizinischen Anwendungen zu verringern. Ein Anstieg bei der Anzahl an Erfassungselementen kann gleichermaßen Vorteile bei anderen Bildgebungsanwendungen mit sich bringen, und ist nicht auf medizinische oder CT-Systeme beschränkt.
  • Bei derzeitigen CT-Erfassungseinrichtungskonstruktionen ist ein Hauptbegrenzungsfaktor für die Bereitstellung von mehr Erfassungselementen der Bedarf zum Auslesen der elektrischen Signale von den individuellen Fotodetektoren der Erfassungsanordnung. Im Stand der Technik wird das Auslesen dieser Signale durch die Herstellung von sehr schmalen Metalllinien (typischerweise 5 bis 20 μm) auf dem Fotodetektorchip zwischen den aktiven Fotodetektorelementen erleichtert. Eine einzelne Metalllinie trägt das Signal von einem Fotodetektor bis zur Kante des Fotodetektorchips in z-Richtung bis zu einem Bereich, der für die Verbindung der Signale von den Fotodetektoren durch Drahtverbindung mit einem unter dem Fotodetektorchip angeordneten Signal oder mit einem Multiplex- oder Signalverarbeitungs-ASIC-Chip reserviert ist. Unter Verwendung dieses Verfahrens gibt es eine physikalische Begrenzung für die Größe einer Fotodetektoranordnung, die hergestellt werden kann. Die Anzahl an elektrischen Elementen an der Chipkante ist limitiert, und dies beschränkt die Anzahl an Fotodetektorelementen, die verbunden werden können. Insbesondere kann die Erfassungseinrichtung nicht größer in der z-Richtung werden.
  • Dies ist durch 1 dargestellt. Die Fotodetektoranordnung 2 ist mit einem Bereich 6 und 8 auf jeder Seite der Anordnung in der z-Richtung versehen, wobei die Bereiche für eine Verbindung mit einem jeweiligen Satz an elektrischen Leiterbahnen 10 und 12 bereitgestellt sind. Die Signale von der Fotodetektoranordnung können in integrierten Elektronikchips oder ASICs gemultiplext oder verarbeitet werden, die in den Bereichen 6 und 8 angeordnet sind, bevor die Signale mit den elektrischen Leiterbahnen 10 und 12 verbunden werden. Aufgrund des Bedarfs zur Aufnahme der physikalischen Leiterbahnen und ihrer Verbindungen ist die Anzahl an Fotodetektoren in einer Anordnung beschränkt. Insbesondere ist es nicht möglich, weitere Fotodetektoren in z-Richtung hinzuzufügen. Die physikalischen Leiterbahnen 10 und 12 verhindern jegliche Ausdehnung der Fotodetektoranordnung in z-Richtung derart, dass keine zusätzlichen Fotodetektoranordnungen in z-Richtung hinzugefügt werden können. Das heißt, obwohl Fotodetektoren in horizontaler Richtung in 1 Seite bei Seite miteinander verbunden werden können, können sie in vertikaler Richtung nicht mit der Oberseite an die Unterseite verbunden werden. Dies liegt an der Notwendigkeit, die Leiterbahnen 10 und 12 auf der Oberseite und der Unterseite zu verbinden.
  • Ein Fotodetektor mit der Befähigung zur Erweiterung in der z-Richtung ist als eine „anbaufähige” Erfassungseinrichtung bekannt. Zur Bereitstellung einer anbaufähigen Erfassungseinrichtung ist es nötig, die elektrischen Verbindungen mit jedem Fotodetektor ohne eine Verschaltung der Fotodetektoren mit der Chipkante des Fotodetektors auszubilden. Falls dies erzielt werden kann, gibt es keine Grenzen im Wachstum der Fotodetektoranordnung und folglich der Anzahl an Fotodetektorelementen.
  • Eine Lösung zum Problem zur Erzielung einer anbaufähigen Erfassungseinrichtung ist in dem US-Patent Nr. 6,396,898 angeregt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung zielen darauf ab, sich einem oder mehr der vorstehend angeführten Probleme zuzuwenden, und eine verbesserte Fotodetektoranordnung bereitzustellen.
  • Weitere Vorrichtungen sind in den Druckschriften JP-A-11 261 086 und WO98/54554 beschrieben.
  • Die Druckschrift WO 97/23897 beschreibt eine optoelektronische Sensorkomponente. Die Elektroden der zwei Schichten sind auf einer Oberfläche gegenüber einer Strahlungsseite befestigt. Ein Durchgangsloch ist in der Oberfläche von der Strahlungsseite aus durch einen aktiven Bereich der Komponente hindurch bereitgestellt.
  • Die Druckschrift JP 63157439 beschreibt eine vielschichtige Verbindungsstruktur in einem Durchgangsloch.
  • Erfindungszusammenfassung
  • Erfindungsgemäß wird gemäß Patentanspruch 1 ein Substrat bereitgestellt.
  • Es kann ein Füllmaterial innerhalb des leitenden Durchgangs bereitgestellt sein. Es kann ein weiteres leitendes Element bereitgestellt sein, das zwischen dem aktiven Bereich der Vorrichtung und dem leitenden Durchgang verbunden ist.
  • Es kann ein weiteres leitendes Element auf der anderen Seite des Substrates bereitgestellt sein, das mit dem leitenden Durchgang verbunden ist. Das weitere leitende Element auf der anderen Seite des Substrates ist vorzugsweise zur Ausbildung einer Verbindung außerhalb des Chips mit dem leitenden Durchgang bereitgestellt. Die Halbleitervorrichtung ist vorzugsweise eine Fotodiode. Der aktive Bereich auf der einen Oberfläche der Vorrichtung ist vorzugsweise eine Anode. Die Halbleitervorrichtung kann einen weiteren aktiven Bereich auf der anderen Seite des Substrates beinhalten. Der aktive Bereich auf der anderen Seite des Substrates ist vorzugsweise eine Kathode.
  • Es kann eine Vielzahl an Halbleitervorrichtungen und eine Vielzahl an leitenden Durchgängen zum Verbinden eines aktiven Bereiches von Halbleitervorrichtungen auf einer Oberfläche des Substrates mit einer anderen Oberfläche des Substrates bereitgestellt sein. Die Vielzahl an Halbleitervorrichtungen kann als eine Anordnung ausgebildet sein. Es kann ein leitender Durchgang für jede Halbleitervorrichtung bereitgestellt sein. Die aktiven Bereiche jeder Halbleitervorrichtung können auf derselben Seite des Substrates bereitgestellt sein.
  • Die Halbleitervorrichtung kann eine Fotodiode sein. Die Halbleitervorrichtung kann eine Fotodiode eines medizinischen Bildgebungssystems sein. Das medizinische Bildgebungssystem kann ein Computertomografiesystem sein.
  • Die Erfindung stellt ferner eine Fotodetektoranordnung mit einer Vielzahl an Unteranordnungen von Fotodetektoren bereit, wobei die Fotodetektoren jeder Unteranordnung auf einem Substrat ausgebildet sind, wobei ein aktiver Bereich jedes Fotodetektors auf einer Oberfläche des Substrates ausgebildet ist, wo ferner für jeden Fotodetektor ein leitender Durchgang durch das Substrat von einer oberen Oberfläche bis zu einer unteren Oberfläche zum Verbinden des aktiven Bereiches jedes Fotodetektors mit der unteren Oberfläche des Substrates ausgebildet ist, wobei eine Vielzahl der Unteranordnungen der Fotodetektoren zueinander benachbart in einer Matrix zum Ausbilden der Fotodetektoranordnung angeordnet sind. Die Matrix kann sich in zwei Richtungen erstrecken.
  • Die Erfindung stellt ferner ein Bildgebungssystem bereit, mit: einem Strahlungsdetektor mit einer vorstehend definierten Fotodetektoranordnung, einer dem Strahlungsdetektor zugewandten Strahlungsquelle, sowie einer Einrichtung zum Steuern des Strahlungsdetektors und der Strahlungsquelle.
  • Die Strahlungsquelle kann eine Röntgenstrahlquelle sein. Der Strahlungsdetektor und die Strahlungsquelle können in einer zylindrischen Abtaststruktur radial befestigt sein. Die Einrichtung zum Steuern kann ein Computersystem umfassen.
  • Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Photodetektoren gemäß Patentanspruch 19 bereit. Das Verfahren kann ferner den Schritt zum Bereitstellen eines Füllmaterials innerhalb des leitenden Durchgangs aufweisen.
  • Das Verfahren kann ferner den Schritt zum Bereitstellen eines weiteren leitenden Elementes aufweisen, das zwischen dem aktiven Bereich der Vorrichtung und dem leitenden Durchgang verbunden ist. Das Verfahren kann ferner den Schritt zum Bereitstellen eines weiteren leitenden Elementes auf der anderen Seite des Substrates aufweisen, das mit dem leitenden Durchgang verbunden ist. Das weitere leitende Element kann eine Kontaktanschlussfläche sein. Das weitere leitende Element auf der anderen Seite des Substrates kann zur Ausbildung einer Verbindung außerhalb des Chips mit dem leitenden Durchgang bereitgestellt sein.
  • Die Halbleitervorrichtung kann eine Fotodiode sein. Der aktive Bereich auf der einen Oberfläche der Vorrichtung kann eine Anode sein. Das Verfahren kann ferner einen Schritt zur Bereitstellung eines weiteren aktiven Bereichs auf der anderen Seite des Substrates umfassen. Der aktive Bereich auf der anderen Seite des Substrates kann eine Kathode sein.
  • Das Verfahren kann ferner den Schritt zur Bereitstellung einer Vielzahl an Halbleitervorrichtungen und eine Vielzahl an leitenden Durchgängen zum Verbinden eines aktiven Bereiches der Halbleitervorrichtung auf einer Oberfläche des Substrates mit einer anderen Oberfläche des Substrates aufweisen. Die Vielzahl von Halbleitervorrichtungen kann als Anordnung ausgebildet sein. Es kann ein leitender Durchgang für jede Halbleitervorrichtung ausgebildet sein. Die aktiven Bereiche jeder Halbleitervorrichtung können auf derselben Seite des Substrates ausgebildet sein. Die Halbleitervorrichtung kann eine Fotodiode sein. Die Halbleitervorrichtung kann eine Fotodiode eines medizinischen Bildgebungssystems sein. Das medizinische Bildgebungssystem kann ein Computertomografiesystem sein.
  • Die Erfindung stellt außerdem eine Anordnung von auf einem Substrat ausgebildeten Halbleitervorrichtungen bereit, wobei jede der Vorrichtungen einen aktiven Bereich auf der Oberfläche des Substrates aufweist, wobei zumindest eine der aktiven Bereiche mit der anderen Oberfläche des Substrates durch einen leitenden Durchgang leitend verbunden ist. Der leitende Durchgang liegt benachbart zu dem aktiven Bereich. Alle Vorrichtungen weisen vorzugsweise einen leitenden Durchgang auf.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Für ein besseres Verständnis der Erfindung und zur Verdeutlichung, wie die Erfindung umgesetzt werden kann, wird nachstehend beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
  • 1 den Grundaufbau einer Fotodetektoranordnung gemäß einer bekannten Anordnung;
  • Die 2 bis 15 die Hauptschritte bei der Herstellung einer Fotodetektoranordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 16 eine Draufsicht einer Fotodetektoranordnung, die gemäß den Ablaufschritten der 2 bis 15 hergestellt ist;
  • 17 den Aufbau einer großen Fotodetektoranordnung gemäß einer vorteilhaften Implementierung der Erfindung; und
  • 18 ein CT-Bildgebungssystem oder -Maschine innerhalb der die Erfindung vorteilhaft in einem Ausführungsbeispiel einbezogen werden kann.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf einen bestimmten Satz an Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • Die Erfindung ist insbesondere nachstehend unter Bezugnahme auf das Beispiel einer Fotodetektoranordnung für ein medizinisches CT-Bildgebungssystem beschrieben.
  • Es sei angemerkt, dass bei der Darstellung der Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Figuren keine der Figuren maßstabsgetreu gezeichnet ist, sondern vielmehr zur besten Darstellung der verschiedenen Merkmale der Erfindung gezeichnet sind.
  • Unter Bezugnahme auf die 2 bis 17 sind ausgewählte Schritte zur Herstellung einer Fotodetektoranordnung für ein CT-Bildgebungssystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Eine Schnittansicht durch ein beispielhaftes Vorrichtungssubstrat ist für den Zweck der Erläuterung der Erfindung verwendet. Lediglich die zum Verständnis der Erfindung relevanten Schritte sind gezeigt. Andere Schritte sind dem Fachmann bekannt.
  • Bezugnehmend auf 2 ist eine Schnittansicht eines n-Halbleitersubstrates 30 dargestellt, in dem ein Fotodetektorelement ausgebildet wird. Eine p+-Wanne 32 wird in der einen aktiven Bereich einer Fotodiode ausbildenden oberen Oberfläche des Substrates ausgebildet. Der aktive Bereich 32 definiert die Anode der Fotodiode. Zusätzliche p+-Wannen 34 repräsentieren einen Schutzring für den aktiven Anodenbereich. Dünne Schichten aus Siliziumdioxid 36 bedecken die Oberfläche der p+-Wannen 32 und 34. Eine Feldoxidschicht 38 (FOX) bedeckt den Rest der oberen Oberfläche des Substrates. Eine n+-Implantationsschicht 40 ist auf der unteren Oberfläche des Substrates zur Ausbildung der Kathode der Fotodiode ausgebildet. Eine dünne Siliziumdioxidschicht 42 bedeckt die Unterseite des Substrates und der n+-Schicht 40.
  • Die Struktur gemäß 2 wird unter Verwendung der Schlüsselablaufschritte zur Herstellung von hochqualitativen Dioden auf Silizium hergestellt. Derartige Techniken sind im Stand der Technik allgemein bekannt, und insbesondere auf dem Gebiet der Herstellung von Fotodioden für CT-Bildgebungsanwendungen, und sind daher vorliegend nicht beschrieben. Die Ablaufschritte zum Erzielen der in 2 gezeigten Struktur sind gut bekannt.
  • Nach der Herstellung der in 2 dargestellten Struktur wird eine Niedertemperaturoxidschutzschicht 44 (LTO) auf der Unterseite des Substrates aufgewachsen, wie es in 3 gezeigt ist.
  • Eine Fotoresistlackschicht 47 oder eine andere alternative Schutzschicht wird sodann auf der oberen Seite des Substrates zum Schützen der oberen Seite des Substrates während nachfolgender Verarbeitungsschritte abgeschieden, wie es in 4 gezeigt ist.
  • Bei einem Standardlithografiestrukturierungsschritt wird eine Fotoresistlackschicht 46 auf der Unterseite des Substrates gemäß 5 abgeschieden. Die Fotoresistlackschicht 46 wird sodann zur Ausbildung einer Öffnung 48 strukturiert, und als Maske zum chemischen Ätzen der Niedertemperaturoxidschicht 44 und der dünnen Oxidschicht 42 auf der Unterseite des Substrates verwendet. Gemäß 5 wird sodann ein Loch 48 durch die n+-Schicht 40 durch einen Ätzvorgang geöffnet.
  • Ein induktiv gekoppelter Plasmareaktor (ICP) wird dann für einen Ätzvorgang für ein Loch mit einem hohen Aspektverhältnis durch den Siliziumwafer oder das Substrat durch die gesamte Feldoxidschicht 38 unter Verwendung der Öffnung 48 verwendet, wie es in 6 gezeigt ist. Die Dicke des Substrates oder des Wafers beträgt typischerweise 350 bis 750 μm und der Durchmesser der Öffnung 48 beträgt typischerweise weniger als 200 μm. Die Fotoresistlackschicht 46 wird sodann von der Unterseite des Substrates entfernt, wie es in 7 dargestellt ist.
  • Die verbleibende Niedertemperaturoxidschicht 44 und die dünne Oxidschicht 42 werden sodann von der Unterseite des Substrates durch einen Ätzvorgang entfernt, wie der in der Öffnung 48 freigelegte Abschnitt der Feldoxidschicht 38, wie es in 8 gezeigt ist.
  • Die Fotoresistlackschicht 47 wird sodann von der oberen Oberfläche des Substrates entfernt, und eine Schicht aus Siliziumdioxid wird auf dem Wafer aufgewachsen, wie es in 9 gezeigt ist. Das Siliziumdioxid wächst am schnellsten auf den inneren Wänden der Öffnung 48, wie es durch das Bezugszeichen 50 bezeichnet ist, und auf der Unterseite des Substrates, wie es durch das Bezugszeichen 52 bezeichnet ist. Eine Dünnschicht aus Siliziumoxid 54 wächst außerdem auf der oberen Oberfläche des Substrates: eine Dünnschicht auf dem dünnen Oxid auf der Oberfläche und eine sehr dünne Schicht auf der Feldoxidschicht. Als solche wird die Öffnung durch das Substrat verschmälert. Dies ist in 9 durch das Bezugszeichen 48a bezeichnet, welches eine schmälere Öffnung bezeichnet.
  • Eine Schicht aus Polysilizium 56 wird sodann auf dem gesamten Substrat aufgewachsen, inklusive der oberen Oberfläche, der Oberfläche der Unterseite, und der inneren Wände der Öffnung 48, wie es in 10 gezeigt ist. Als eine Alternative zu Polysilizium kann ein beliebiges ausreichend leitendes Material aufgewachsen werden. Als solche wird die Öffnung durch das Substrat weiter verschmälert. Dies ist in 10 durch das Bezugszeichen 48b bezeichnet, was eine weiter verschmälerte Öffnung bezeichnet.
  • Zum Strukturieren der Polysiliziumschicht 56 wird die Öffnung 48b mit einem geeignet entfernbaren Material 58 gemäß 11 gefüllt. Das entfernbare Material 58 kann ein Fotoresistlackmaterial oder ein anderes Material sein, das nur im gesamten Volumen der Öffnung 48b abgeschieden sein kann, oder das strukturiert werden kann, dass es nur in dem Lochvolumen verbleibt, nachdem das Material vom Rest des Substrates entfernt wurde.
  • Mit der zum Schutz des in der Öffnung ausgebildeten Polysiliziums geeignet gefüllten Öffnung 48b, und zur Vermeidung eines Passierens von irgendwelchen Chemikalien durch das Loch wird das Polysilizium 56 unter Verwendung von Standardlithografietechniken zum Definieren von Bereichen von Durchgangskontakten auf beiden Seiten des Wafers strukturiert, wie es in 12 gezeigt ist.
  • Kontaktöffnungen werden sodann auf beiden Seiten des Substrates geätzt. Auf der oberen Seite des Substrates wird eine Kontaktöffnung 59 durch den aktiven Bereich der Fotodiodenanode 32 geätzt, und eine Kontaktöffnung 60 wird zu dem Anodenschutzring 34 geätzt. Auf der Unterseite des Substrates wird eine Kontaktöffnung 62 für die Volumenkristallverbindung geätzt, das heißt der Kathode. Dies ist in 13 dargestellt.
  • Aluminiumschichten 64 werden sodann auf beiden Seiten des Substrates abgeschieden, und unter Verwendung von Standardlithografietechniken strukturiert. Die resultierende Struktur ist in 14 gezeigt. Eine Aluminiumschicht 64a wird über zumindest einen Teil des aktiven Bereiches des Schutzringes 34 in der Öffnung 60 ausgebildet. Eine Aluminiumschicht 64b wird über einem Teil des aktiven Bereiches 32 der Anode in der Öffnung 59 ausgebildet, und eine Aluminiumschicht 64c wird ferner über einem Teil des aktiven Bereiches 32 der Anode in der Öffnung 59 ausgebildet und mit der Polysiliziumschicht 56 auf der oberen Oberfläche des Substrates verbunden. Auf der unteren Oberfläche des Substrates verbindet eine Aluminiumschicht 64d die Kathode in der Öffnung 62, und eine Aluminiumschicht 64e verbindet die Polysiliziumschicht 56.
  • Bei einem optionalen Schritt wird das zum Füllen des Loches 48b verwendete Material 58 entfernt, wie es in 15 dargestellt ist. Das durch die Öffnung 48a bereitgestellte Polysilizium stellt einen leitenden Durchgang von einer Substratoberfläche zur anderen bereit, wobei der leitende Durchgang von dem Substrat elektrisch isoliert ist. Das Loch 48b wird bei weiteren Anwendungen zur Bereitstellung von zusätzlichen elektrischen Verbindungen durch das Substrat verwendet, indem zusätzliche elektrisch isolierte Verbindungen oder Durchgänge ausgebildet werden.
  • Die in den 14 und 15 gezeigte Struktur weist somit Aluminiumkontaktanschlussflächen 64e und 64d für sowohl die Anode als auch die Kathode auf der Unterseite des Substrates auf. Die Struktur von nur einer einzigen Fotodiode ist in den 2 bis 15 gezeigt. Für eine Anordnung von Fotodioden, die auf einem einzelnen Siliziumchip hergestellt werden, wird eine ähnliche Struktur für die gesamte Vorrichtung bereitgestellt. Wo eine Anordnung an Fotodioden auf einem einzelnen Siliziumchip bereitgestellt wird, kann ein einzelner Kathodenkontakt mehreren oder allen Fotodioden gemeinsam sein.
  • Zur Klarstellung wurden in den 2 bis 15 keine Einzelheiten der Schutzringkontaktierung dargestellt. Eine Kontaktanschlussfläche für eine Schutzringstruktur könnte auf der Unterseite des Substrates durch Herstellung eines Durchgangs bereitgestellt werden, der ähnlich zu dem für die Anode der Fotodiode hergestellt ist. Noch typischer würden die Schutzringe von mehreren oder allen Fotodioden auf demselben Fotodiodenchip einen gemeinsamen Schutzringkontakt auf der Unterseite des Substrates aufweisen, der durch einen oder mehrere Durchgänge auf einem Fotodiodenchip bereitgestellt wird. Ein Fachmann wird die Bereitstellung eines derartigen Kontaktes auf der Unterseite des Substrates für den Schutzring gemäß den vorstehend beschriebenen Prinzipien der Erfindung nachvollziehen können.
  • Somit sind alle elektrischen Verbindungen für die Fotodioden erfindungsgemäß auf der Unterseite des Substrates zur Verbindung außerhalb des Chips bereitgestellt. Die elektrischen Verbindungen können durch eine Leiterbahnverbindung oder eine Kontaktkugelverbindung beispielsweise der Unterseite des Substrates mit elektrischen Verbindungselementen oder Kontaktanschlussflächen aus dem Chip herausgeführt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 16 ist schematisch die Struktur einer erfindungsgemäß hergestellten Anordnung dargestellt. Gemäß 16 ist die Oberfläche des Substrates oder des Wafers allgemein mit einer Vielzahl an aktiven Bereichen 70 gemäß den aktiven Bereichen der Fotodioden versehen. Obwohl die aktiven Bereiche rechteckig gezeigt sind, ist die Form der aktiven Bereiche für die Erfindung nicht relevant. Jeder aktive Bereich 70 ist mit einem benachbarten Durchgang 72 verbunden, der durch das Substrat ausgebildet ist. Obwohl die Durchgänge mit einem kreisförmigen Querschnitt gezeigt sind, ist die Form des Querschnitts der Durchgänge für die Erfindung nicht relevant. In ähnlicher Weise sind keine Schutzringe in 16 gezeigt. 16 ist absichtlich vereinfacht, um das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung darzustellen. Jede der aktiven Bereiche 70 ist mit ihrem verbundenen leitenden Durchgang durch nicht gezeigte Einrichtungen leitend verbunden, die jedoch aus den 14 und 15 ersichtlich sind.
  • Die Erfindung stellt somit vorteilhaft eine Technik für den Aufbau einer Fotodetektoranordnung bereit, die nicht die Bereitstellung von einer Fläche auf der Kante der Anordnung für die Verbindung der elektrischen Ausgangssignale von der Anordnung erfordert. Dieser Vorteil wird erzielt, indem alle Signale von den Halbleitervorrichtungen durch das Substrat derart verbunden werden, dass sie auf der Unterseite der Anordnung anstatt der Seite der Anordnung verbunden werden können.
  • Als Folge der Entfernung der Verbindungen von der Kante der Anordnung, die vormals in z-Richtung bereitgestellt sind, wird die Möglichkeit zur Ausweitung der Größe der gesamten Fotodetektoranordnung in der z-Achse bereitgestellt. Unter Bezugnahme auf 17 wird ein Satz Fotodetektoranordnungen 80a bis 80d gemäß den bekannten Techniken für den Zusammenbau von Anordnungen zusammen mit einem weiteren Satz an Anordnungen 82a bis 82d derart angeordnet, dass die Gesamtanordnung sich in der z-Achse erstreckt. Es versteht sich, dass die Anordnung in der z-Achse weiter erweitert werden kann. Obwohl die Anordnungen gemäß 17 leicht voneinander beabstandet gezeigt sind, dient dies nur zur Darstellung der Tatsache, dass getrennte Anordnungen in zwei Dimensionen verbunden sind. In der Praxis befinden sich die Anordnungen in enger Nähe zueinander in beiden Richtungen, so dass sie zu einer größeren Anordnung kombinieren. Als solche kann eine gekachelte Struktur aus Anordnungen in zwei Dimensionen aufgebaut werden, um die Leistungsfähigkeit von Bildgebungssystemen zu verbessern.
  • Die Anordnungen 80a bis 80d und 82a bis 82d können als Unteranordnungen betrachtet werden, die zusammen eine Fotodetektoranordnung ausbilden. Die Unteranordnungen können als eine Matrix ausbildend betrachtet werden, die eine Fotodetektoranordnung ausgebildet. Die Matrix erstreckt sich effektiv in zwei Dimensionen, obwohl in der Praxis gemäß der nachstehend beschriebenen 18 die Matrix derart gekrümmt ist, dass sich die Anordnung in eine dritte Dimension erstreckt.
  • Während die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf eine bestimmte Verarbeitungstechnik zur Ausbildung der vorteilhaften Struktur der Erfindung beschrieben ist, ist sie nicht auf eine derartige Technik beschränkt. Ein chemisches oder mechanisches Verfahren kann zur Herstellung des Lochs durch das Substrat verwendet werden. Obwohl induktiv gekoppeltes Plasmaätzen als praktische Lösung vorgesehen ist, um dies zu erzielen, können auch andere Trockenätzverfahren, Aufbohren, Funkenerosion oder Laserbohren verwendet werden.
  • Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von vollen „gekachelten” Detektorstrukturen mit hoch homogenen Detektoreigenschaften.
  • Die Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische nicht einschränkende Beispiele beschrieben. Die Erfindung ist beispielsweise allgemeiner anwendbar, als die beschriebene Anwendung auf Fotodetektoren auf Bildgebungssystemen. Zudem ist die Erfindung nicht auf ein besonderes Material beschränkt, das beispielhaft angegeben ist. Die Erfindung ist allgemeiner auf Substrate, Wafer und Halbleitervorrichtungen und deren Herstellung anwendbar. Die Erfindung ist jedoch deutlich vorteilhaft anwendbar bei Implementierungen, die Anordnungen von Halbleitervorrichtungen erfordern, die außerhalb der Vorrichtung verbunden werden müssen.
  • Unter Bezugnahme auf 18 sind die Hauptelemente einer CT-Bildgebungsmaschine dargestellt, innerhalb der eine Fotodetektoranordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut und vorteilhaft verwendet werden kann. Der Aufbau derartiger Maschinen ist im Stand der Technik gut bekannt, und ist daher einem Fachmann vertraut. Lediglich die Hauptelemente einer derartigen Maschine sind in 18 gezeigt, um die erfindungsgemäße Verwendung darzustellen.
  • Die Maschine umfasst im Prinzip eine durch das Bezugszeichen 100 allgemein bezeichnete Abtasteinrichtung, eine allgemein durch das Bezugszeichen 102 bezeichnete Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung, und eine allgemein durch das Bezugszeichen 104 bezeichnete Betreiberschnittstelle.
  • Die Abtasteinrichtung 100 umfasst allgemein eine zylindrische Struktur 114, von der eine Schnittansicht in 18 dargestellt ist. Innerhalb der zylindrischen Struktur 114 ist eine Röntgenstrahlquelle 118 und eine Anordnung an Fotodetektoren 120 befestigt. Die Anordnung an Fotodetektoren 120 umfasst eine Vielzahl von Anordnungen wie etwa die Anordnungen 80 gemäß 17. Somit ist die Anordnung 120 aus einer Vielzahl an Anordnungen 120a, 120b usw. ausgebildet. In der Anordnung gemäß 18 sind die Fotodetektoranordnungen 120a, 120b usw. in einer gekachelten Struktur erfindungsgemäß implementiert, und die Anordnungen sind nicht nur in der in der Schnittansicht nach 18 gezeigten Ebene verbunden, sondern auch in z-Richtung, das heißt senkrecht zur Blattoberfläche entlang der Länge der zylindrischen Struktur 114.
  • Die Röntgenstrahlquelle 118 emittiert Röntgenstrahlen unter der Steuerung eines Signals auf der Leitung 110 von der Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 102. Die Röntgenstrahlen mit einem Strahlungsmuster, das im Schnitt allgemein durch gestrichelte Linien 122 dargestellt ist, weisen eine Ausleuchtzone auf, die auf die Fotodetektoranordnung 120 fällt, welche gemäß den erfindungsgemäßen Techniken sich in Richtung der Zylinderachse sowie in die in der Schnittansicht gemäß 18 gezeigten Richtung erstreckt. Die Ausgaben der Fotodetektoren werden der Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 102 auf einer Signalleitung 112 bereitgestellt.
  • Ein abzubildendes Objekt wie etwa ein Patient 124 wird auf einem Tisch 126 angeordnet, der typischerweise durch die Bildgebungsmaschine in z-Richtung bewegt wird. Bei Verwendung einer Fotodetektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann jegliche Bewegung des Tisches reduziert oder unnötig werden.
  • Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 102 beinhaltet alle benötigten Einrichtungen zur Steuerung des mechanischen und elektronischen Betriebs der Abtasteinrichtung 100 einschließlich der Einrichtung zum Steuern der Röntgenstrahlquelle 118 und zur Verarbeitung von Signalen, die von der Fotodetektoranordnung 120 empfangen werden. Eine zusätzliche Signalübertragung zwischen der Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung und der Abtasteinrichtung 100 ist durch die Signalverbindung 106 repräsentiert.
  • Die Betreiberschnittstelle 104 kommuniziert mit der Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung, wie es durch Signale 108 dargestellt ist. Die Betreiberschnittstelle 104 wird vorzugsweise zum Steuern des Betriebs der Abtasteinrichtung 100 verwendet, und zeigt die Ergebnisse des Abtastvorgangs an.
  • 18 repräsentiert eine nützliche Anwendung einer gemäß den Prinzipien eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung aufgebauten Fotodetektoranordnung. Andere nützliche und vorteilhafte Anwendungen sind dem Fachmann ersichtlich.
  • Der Erfindungsbereich ist durch die beigefügten Patentansprüche definiert.

Claims (31)

  1. Substrat mit einer Vielzahl von Fotodetektoren, wobei jeder Fotodetektor aus der Vielzahl einen aktiven Bereich (32) auf einer ersten Oberfläche des Substrates und einen weiteren aktiven Bereich (40) auf der Seite einer zweiten Oberfläche des Substrates aufweist, wobei jeder Fotodetektor der Vielzahl mit einem angrenzenden leitenden Durchgang (48b) versehen ist, der von dem Substrat elektrisch isoliert ist, wobei sich der Durchgang von der ersten Oberfläche des Substrates bis zur zweiten Oberfläche des Substrates erstreckt und den aktiven Bereich mit der zweiten Oberfläche des Substrates verbindet, wobei die leitenden Durchgänge auf den inneren Wänden der Durchgänge ausgebildetes Polysilizium aufweisen, und wobei ein weiteres leitendes Element von der Seite der ersten Oberfläche des Substrats zu der Seite der zweiten Oberfläche innerhalb und elektrisch isoliert von zumindest einem der leitenden Durchgänge bereitgestellt ist, und die zweite Oberfläche elektrische Verbindungen (56, 64a) für die aktiven Bereiche und die weiteren aktiven Bereiche der Vielzahl von Fotodetektoren bereitstellt.
  2. Substrat nach Anspruch 1, wobei ein Füllmaterial innerhalb zumindest einem der leitenden Durchgänge bereitgestellt ist.
  3. Substrat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein weiteres leitendes Element bereitgestellt ist, das zwischen dem aktiven Bereich von zumindest einem der Fotodetektoren und dem jeweiligen leitenden Durchgang verbunden ist.
  4. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein weiteres leitendes Element auf der Seite der zweiten Oberfläche des Substrates bereitgestellt ist, das mit zumindest einem der leitenden Durchgänge verbunden ist.
  5. Substrat nach Anspruch 4, wobei das weitere leitende Element auf der Seite der zweiten Oberfläche des Substrates für eine Chip-externe Verbindung zu dem leitenden Durchgang eingerichtet ist.
  6. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Fotodetektoren Fotodioden sind.
  7. Substrat nach Anspruch 6, wobei die aktiven Bereiche auf der ersten Oberfläche des Substrates Anoden sind.
  8. Substrat nach Anspruch 6 oder 7, wobei die weiteren aktiven Bereiche Kathoden sind.
  9. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die weiteren aktiven Bereiche als eine Schicht auf der zweiten Oberfläche ausgebildet sind.
  10. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Fotodetektoren Fotodioden von zumindest einem Bildgebungssystem, einem medizinischen Bildgebungssystem oder einem Computertomographiesystem sind.
  11. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vielzahl von Fotodioden eine regelmäßige Anordnung von Fotodioden ausbildet.
  12. Substrat nach Anspruch 11, wobei sich die regelmäßige Anordnung von Fotodetektoren in zwei Richtungen erstreckt.
  13. Substrat nach Anspruch 11 oder 12, wobei die regelmäßige Anordnung von Fotodetektoren in einer Vielzahl von regelmäßigen Unteranordnungen von Fotodetektoren angeordnet ist.
  14. Bildgebungssystem mit: einem Strahlungsdetektor mit einer in zumindest einem Substrat nach einem der Ansprüche 11 bis 13 ausgebildeten regelmäßigen Fotodetektoranordnung, einer dem Strahlungsdetektor zugewandten Strahlungsquelle, und einer Einrichtung zum Steuern des Strahlungsdetektors und der Strahlungsquelle.
  15. Bildgebungssystem nach Anspruch 14, wobei die Strahlungsquelle eine mit einer Hochspannungserzeugungseinrichtung ausgerüstete Röntgenstrahlröhre ist.
  16. Bildgebungssystem nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Strahlungsdetektor und die Strahlungsquelle in einer zylindrischen Abtaststruktur radial angebracht sind.
  17. Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Einrichtung zum Steuern ein Computersystem umfasst.
  18. Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Fotodetektoren mit: Bereitstellen eines aktiven Bereichs (32) auf einer ersten Oberfläche eines Substrats für jeden der Fotodetektoren aus der Vielzahl; Bereitstellen eines weiteren aktiven Bereichs (40) auf der Seite einer zweiten Oberfläche des Substrats für jeden der Fotodetektoren; Ausbilden eines angrenzenden leitenden Durchgangs (48b), der von dem Substrat elektrisch isoliert ist, für jeden der Fotodetektoren, wobei sich der Durchgang durch das Substrat von der ersten Oberfläche des Substrates zu der zweiten Oberfläche des Substrates erstreckt; Verbinden der aktiven Bereiche mit den leitenden Durchgängen derart, dass die aktiven Bereiche mit der zweiten Oberfläche des Substrates verbunden sind, wobei die leitenden Durchgänge Polysilizium aufweisen, das Verfahren umfasst ferner Ausbilden von Polysilizium auf den inneren Wänden der Durchgänge Bereitstellen von zumindest einem weiteren leitenden Element von der ersten Oberfläche des Substrats zu der zweiten Oberfläche innerhalb und elektrisch isoliert von zumindest einem der leitenden Durchgänge; und Bereitstellen elektrischer Verbindungen für die aktiven Bereiche und die weiteren aktiven Bereiche der Vielzahl von Fotodetektoren auf der zweiten Oberfläche.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, ferner mit dem Schritt zum Bereitstellen eines Füllmaterials innerhalb zumindest einem der leitenden Durchgänge.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, ferner mit dem Schritt zum Bereitstellen von zumindest einem weiteren leitenden Element, das zwischen zumindest einem der aktiven Bereiche und zumindest einem der leitenden Durchgänge verbunden ist.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, ferner mit dem Schritt zum Bereitstellen von zumindest einem weiteren leitenden Element auf der Seite der zweiten Oberfläche des Substrates, das mit zumindest einem der leitenden Durchgänge verbunden ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das weitere leitende Element eine Kontaktfläche ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, wobei das weitere leitende Element auf der Seite der zweiten Oberfläche des Substrates zur Bereitstellung einer Chip-externen Verbindung zu dem leitenden Durchgang bereitgestellt ist.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Fotodetektoren Fotodioden sind.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die aktiven Bereiche auf der ersten Oberfläche des Substrates Anoden sind.
  26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei die weiteren aktiven Bereiche Kathoden sind.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei die weiteren aktiven Bereiche als eine Schicht auf der zweiten Oberfläche des Substrates ausgebildet sind.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, wobei die Fotodetektoren Fotodioden von zumindest einem Bildgebungssystem, einem medizinischen Bildgebungssystem oder einem Computertomographiesystem sind.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, mit dem weiteren Schritt Bereitstellen der Vielzahl von Fotodetektoren als eine regelmäßige Anordnung von Fotodetektoren.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei die regelmäßige Anordnung von Fotodetektoren als eine Vielzahl von regelmäßigen Unteranordnungen von Fotodetektoren bereitgestellt ist.
  31. Strahlungsdetektor mit Fotodetektoren, die in zumindest einem Substrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet sind.
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