JP6366573B2 - デカップリングにより毎ピクセル・アナログチャネルウェル絶縁された画像化検出器及び方法 - Google Patents

デカップリングにより毎ピクセル・アナログチャネルウェル絶縁された画像化検出器及び方法 Download PDF

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Description

以下の説明は、画像化検出器に関し、より具体的には、デカップリングによるパーピクセルアナログチャネルウェル絶縁に関し、コンピュータ断層撮影(CT)に関して説明する。
CTスキャナは、一般的に、Z軸を中心として検査領域の周りを回転する回転可能ガントリーに取り付けられたX線管を含む。X線管は、検査領域を横切る放射線を放射する。検出器アレイは、X線管から検査領域に対向した弧(angular arc)が対し、検査領域を横切る放射を検出し、それを示す信号を生成する。再構成器が信号を処理し、検査領域と、被験者の一部分またはその中の対象を示す立体的画像データをスキャンイング中に再構成する。
特許文献1に記載されたCT検出器アレイは、一列以上の検出器タイルを含む。各検出器タイルは、2次元のバックライトされた(例えば16個以上の)検出器画素のフォトダイオードアレイに光学的に結合したシンチレータレイヤを含む。フォトダイオードアレイは、バンプボンディングによりキャリアサブストレート上にボンディングされている。特定用途集積回路(ASIC)にパッケージされた読み出しエレクトロニクスもキャリアサブストレート上にボンディングされている。キャリアサブストレートは、検出器画素により生成された信号を読み出しエレクトロニクスに送る(route)電極を含む。
特許文献2において、CT検出器タイルは、感光性エリアと非感光性エリアとを有するシリコンフォトダイオードを含む。このタイルにおいて、フォトダイオードアレイは、シリコンサブストレートの感光性エリアの一部であり、非感光性エリアは各検出器画素をボンディングパッドに相互接続する電極を含む。シリコンASICは、ボンディングパッドと電気的に連通し、そのため検出器画素と電気的に連通する、シリコンサブストレートの非感光性エリアに直接ボンディングされている。
ASICは、各検出器画素の読み出しエレクトロニクスを含み、各検出器画素のアナログ及びデジタルのエレクトロニクスを含む。図1は、先行技術例のASIC102の一部を示す。これは、第1の検出器画素の第1の読み出しエレクトロニクス104と、異なる第2の画素の第2の読み出しエレクトロニクス106とを含む。第1の読み出しエレクトロニクス104は第1のアナログコンポーネント108と第1のデジタルコンポーネント110とを含み、第2の読み出しエレクトロニクス106は第2のアナログコンポーネント114と第2のデジタルコンポーネント116とを含む。ASIC102は、共通デジタルコンポーネント118を含む共通デジタルエレクトロニクス112も含む。
コンポーネント108−118の周りの波線は、ASIC102の物理的構造を示しているのではなく、アナログ、デジタル、及び共通デジタルの間の、及び画素間の、読み出しエレクトロニクスコンポーネントの例示するグルーピングを明確にするために描いたものである。残念ながら、アナログとデジタルの読み出しエレクトロニクス108−118は、同一サブストレート120にあり、そのためにサブストレートノイズの影響を受けやすい。また、アナログとデジタルの読み出しエレクトロニクス110−118は、同一サブストレート120にあり、そのためにアナログ読み出しエレクトロニクス108と114は、デジタル読み出しエレクトロニクス110、116及び118からのノイズの影響を受けやすく、その逆も言える。
ノイズの影響を緩和する一アプローチは、アナログとデジタルの読み出しエレクトロニクスを、サブストレートから、及びお互いから電気的に絶縁することである。これは、図2に示すように、CMOSトリプルウェルまたは浅いトレンチ絶縁により行われている。図2において、第1のウェル202は、アナログ読み出しエレクトロニクス108と114を、サブストレート120及びデジタル読み出しエレクトロニクス110、116及び118から電気的に絶縁し、第2のウェル204は、デジタル読み出しエレクトロニクス110、116及び118を、サブストレート120及びアナログチャネル108と114から電気的に絶縁する。しかし、このアプローチは同一ウェル中の読み出しエレクトロニクス間のクロストークを緩和せず、かかるクロストークが検出器の線形性、利得、ノイズ性能に悪影響を及ぼし、低放射線量画像化を制約することがある。
外部電源と、ASIC102の読み出しエレクトロニクスの電源とをデカップリングするため、デカップリング回路が使われている。例えば、第1の読み出しエレクトロニクス104の場合、アナログ、デジタル、及び共通デジタル読み出しエレクトロニクス108、110、及び112について別々のデカップリング回路が用いられている。図3は、一例のデカップリング回路302を示し、外部電源端子304、RCフィルタ抵抗306、RCフィルタバイパスキャパシタ308、及び内部読み出しエレクトロニクス電源端子310を含む。残念ながら、かかる回路はASIC102の外部の電気的要素を含み、検出器の全体的フットプリントとコストが増大し、回路から外部サブストレートまでの相互接続距離のために抵抗と直列に不要なインダクタンスが生じる。
米国特許第6,510,195号明細書 米国特許出願公開第2009/0121146号
少なくとも上記の点を考慮すると、これとは別の読み出しチャネル及び/またはこれとは別のデカップリング構成に対する必要性がまだ解消していない。
ここに説明する態様は、上記の問題等を解決する。
一態様では、画像化装置は少なくとも1つの検出器タイルを有する検出器アレイを含む。検出器タイルは、非光感知エリア内にある個々の光感知検出器ピクセルの2次元アレイを有するフォトセンサアレイと、フォトセンサアレイに結合した読み出しエレクトロニクスとを含む。読み出しエレクトロニクスは、個々の検出器ピクセルに対応する個々のアナログ読み出しチャネルウェルを含み、アナログ読み出しチャネルウェルがその中のアナログ電気的コンポーネントを他のアナログ読み出しチャネルウェル中のアナログ電気的コンポーネントから電気的に絶縁する。
他の一態様では、一方法は、検出器ピクセル出力信号を、前記検出器ピクセルのみに対応する読み出しエレクトロニクスに送るステップであって、前記検出器ピクセルは画像化検出器の複数の検出器ピクセルの1つであり、前記検出器ピクセルの読み出しエレクトロニクスのアナログ読み出しエレクトロニクスは、対応するアナログチャネルウェルにより、他の検出器ピクセルの読み出しエレクトロニクスのアナログ読み出しエレクトロニクスから電気的に絶縁されている、ステップと、前記読み出しエレクトロニクスで前記信号を処理するステップとを有する、
他の一態様では、画像化検出器アレイは、非光感知エリア内にある光感知検出器ピクセルの2次元アレイを有するフォトセンサアレイを含む。画像化検出器アレイはさらに、前記フォトセンサアレイに結合した読み出しエレクトロニクスであって、前記読み出しエレクトロニクスは、 個々のアナログ読み出しチャネルウェルであって、各ウェルはアナログ読み出しチャネルエレクトロニクスを含み1つの個々の検出器ピクセルに対応し、前記個々のアナログ読み出しチャネルウェルのうちのアナログ読み出しチャネルエレクトロニクスは互いから電気的に絶縁されている、個々のアナログ読み出しチャネルウェルを含む。画像化検出器アレイはさらに、前記個々のアナログ読み出しチャネルの金属レイヤのデカップリング回路とを含む。
本発明は、様々なコンポーネントとその構成、及び様々なステップとその構成の形を取る。図面は好ましい実施形態を例示することのみを目的とし、本発明を限定するものと解してはならない。
アナログ及びデジタルの読み出しエレクトロニクスとサブストレートとの間を電気的に絶縁していない、先行技術の画像化検出器ASICの一部を示す図である。 アナログ及びデジタルの読み出しエレクトロニクスが共通アナログウェルと共通デジタルウェルにより互いに及びサブストレートから電気的に絶縁されている、先行技術の画像化検出器ASICの一部を示す図である。 図1または図2の読み出しエレクトロニクスの、先行技術の外部でカップリング回路を示す図である。 ASICの、画素ごとに電気的に絶縁されデカップリングを含む少なくともアナログ読み出しエレクトロニクスを有する検出器タイルを含む画像化システムを示す図である。 検出器タイルの一例を示す図である。 各検出器画素のアナログとデジタルの読み出しエレクトロニクスが、対応するアナログチャネルウェル中にある検出器タイルの一例を示す図である。 画素のアナログとデジタルの読み出しエレクトロニクスが異なるウェルの中にある、図6のバリエーションを示す図である。 デカップリング回路が読み出しエレクトロニクスの複数のレイヤにある、検出器タイルの一例を示す図である。 デカップリング回路と個々のウェルとの間の幾何学的関係を示す、図8の検出器タイルを示す透視図である。 デカップリングキャパシタの一構成例を示す図である。 方法の一例を示す図である。
最初に図4を参照して、画像化システム400は、例えばコンピュータ断層撮影(CT)スキャナ等であり、これを示している。画像化システム400は、一般的には静止したガントリー402と、回転ガントリー404とを含む。回転ガントリー404は、静止ガントリー402により回転可能に支持され、縦軸すなわちz軸方向で検査領域406の周りと回転する。放射線源408は、例えばX線管などであるが、回転ガントリー404により支持され、それとともに回転し、概してコーン型、ファン型、ウェッジ型その他の形状の放射線ビームを放射する。その放射線ビームは検査領域406を横断する。
放射線感知検出器アレイ412は、検査領域406にわたり放射線源408に対向する弧(angular arc)に対する(subtend)。放射線感知検出器アレイ412は、1列416以上の検出器タイル418を含み、列416はz軸に沿って互いに並んでいる。検出器タイル418は、検出器モジュール419に、ソルダーボール(solder balls)、スタッドバンプ(stud bumps)その他を介して結合し、システム400に取り付けられ、z軸に沿って並んでいる。図5を簡単に参照して、非限定的な検出器タイル418の例が示されている。説明を明確にするために、タイル418を、その様々なコンポーネントを互いに離した展開図で示した。
タイル418は、フォトセンサ422に光学的に結合したシンチレータレイヤ420を含む。これは、フォトセンサ422の第1サイド428上の非感光エリア426内にある複数の感光性エリア(検出器ピクセル)を含む。図示したフォトセンサ422は、背面照明(back−illuminated)されたフォトセンサであり、検出器ピクセル424をフォトセンサ422の第2の対向サイド430上にある(図中では見えない)ボンディングパッドなどに相互接続する(図中では見えない)電極を有する。他の一実施形態では、フォトセンサ422は前面照明(front−illuminated)されたフォトセンサであり、第1のサイド428から対向するサイド430上のパッドに信号を送る(route)ビア(vias)を含む。シンチレータレイヤ420は、複数のシンチレータピクセルを含む。各々は検出器ピクセル424の1つと対応している。
ASIC(読み出しエレクトロニクス)432は、複数のピクセルチャネルウェル434を含む。各チャネルウェル434は、検出器ピクセル424のうちの1つのみに対応する。チャネルウェル434は、その対応する検出器ピクセル424に対して、トランジスタその他のエレクトロニクスなどである一以上の電子コンポーネントを含む。図示したASIC432は、フォトセンサ422と1対1の幾何学的関係を有し、各チャネルウェル434は検出器ピクセル424と1対1の幾何学的関係を有する。すなわち、ボンディングされたASIC432とフォトセンサ422の表面は略同サイズである。同様に、ウェル434と検出器ピクセル424の表面は略同サイズである。他の一実施形態では、表面は同サイズではなく、例えば、ASIC432はフォトセンサ422より小さい。
後でより詳しく説明するように、個々のチャネルウェル434は、少なくとも一チャネルのアナログ電気的コンポーネントを他のチャネルのアナログ電気的コンポーネントから電気的に絶縁する。このようにアナログ電気的コンポーネントを絶縁すると、異なる検出器ピクセル424の異なるチャネルのアナログ電気的コンポーネント間のクロストークが少なくなる。これにより、ウェル434が無い構成と比較して、検出器の線形性、ゲイン、及びノイズ特性が改善される。これにより、システム400は、低放射線量画像化に適したものにもなる。これも後でより詳細に説明するが、ASIC432は、その金属レイヤ中のウェル434に含まれる各チャネルに対してデカップリング回路を含む。そのため、ASICレベルでデカップリングができ、追加的スペースが必要ない。
ASIC432とフォトセンサ422は共にボンディングされており、ASICチャネル434はフォトセンサ422のボンディングパッドと電気的に通信できる。例示の実施形態では、フォトセンサ422とASIC432は両方ともシリコンを含み、接着剤、ソルダーボール、フリップチップ、共有結合、及び/またはその他のシリコン対シリコンのボンディング方法によりボンディングされている。半導体シリコン対シリコンボンディングの一例が、特許文献2に記載されている。この文献はここにその全体を参照援用する。任意的に、少し追加コストをかけて、アセンブリを容易にするため、アセンブリ422と432との間にパススルー接続でインターポーザーサブストレートを配置してもよい。
図4に戻り、再構成器436は、検出器アレイ412からの信号を再構成して、3次元画像データを生成する。カウチ等の支持台438が、検査領域406において、オブジェクトまたは被験者を支持する。汎用計算システムがオペレータコンソール440として機能する。これは、ディスプレイ及び/またはプリンタなどの人間が読み取れる出力デバイスと、キーボード及び/またはマウスなどの入力デバイスを含む。コンソール440上で実行されているソフトウェアにより、オペレータは、画像化システム400の動作を制御できる。
図6はASIC432の一部を示す。この例では、ASIC432は、少なくとも1つのアナログピクセルチャネルウェル602、604、・・・と、少なくとも1つのデジタル共通ウェル606とを含む。ASIC432は、少なくとも1つのアナログ共通ウェル及び/またはその他の一以上のウェルも含む。
少なくとも1つのアナログピクセルチャネルウェル602は、複数のチャネル608を含む。各チャネル608は、Nタイプアナログチャネルウェルに、アナログNチャネル電界効果トランジスタ(NFET)610と、アナログPタイプ電界効果トランジスタ(PFET)612と、デジタルNFET614と、デジタルPFET616とを含む。ここではPタイプウェル及び対応するトランジスタ構成も想定できる。少なくとも1つの共通デジタルウェル606も、NFETやPFETなどの複数のチャネル618を含む。同様に、共通デジタルウェル606は替わりにPタイプウェルを含んでいてもよい。
例えば、ウェル602など所与の任意のアナログピクセルチャネルウェルについて、その中のトランジスタ(610−616)は、例えば、アナログチャネルウェル604など他のアナログチャネルウェルのトランジスタから電気的に絶縁されている。チャネルウェル602、604及び606も、その中のトランジスタを、チャネルウェル602、604及び606があるサブストレート620から電気的に絶縁させる。ウェル602、604及び606中の回路絶縁は、シリコン半導体材料に絶縁をする、トリプルウェル絶縁及び/またはその他のSTI(Shallow Trench Isolation)などの方法により形成できる。
図7は、ASIC432の一部のバリエーションを示し、デジタルトランジスタ614と616が、アナログチャネルウェル602ではなくデジタル共通ウェル606に配置されている。この実施形態では、アナログトランジスタ610と612は、まだアナログチャネルウェル602にあるが、デジタルトランジスタ614と616は、デジタルチャネルウェル606にある。この構成は、さらに、アナログトランジスタ610と612、及び検出器ピクセルのデジタルトランジスタ614と616を電気的に絶縁する。
図6と7に示した構成は、アナログチャネルウェル(例えば、ウェル602と604)により、一検出器ピクセルのアナログチャネルのアナログトランジスタを、他の一検出器ピクセルの他のアナログチャネルのアナログトランジスタから電気的に絶縁することにより、少なくとも検出器ピクセル間のアナログチャネル間の電気的絶縁をする。かかる構成により、チャネルアクティビティが単一のウェルに制限され、チャネル間クロストークが緩和される。
言うまでもなく、これにより、検出器の線形性とノイズ性能が、個々のチャネルが互いに電気的に絶縁されていない構成、例えば図1及び/または2を参照して説明した構成と比較して、改善できる。図7に示すように、チャネルのアナログ及びデジタルトランジスタも、異なるウェルに分けることにより電気的に絶縁でき、これにより一チャネルのアナログ及びデジタルのノイズ混入を減らすことができる。
図8は、ASIC432が検出器ピクセル424の各検出器ピクセルについて、デカップリングキャパシタ800を含む一実施形態を示す。簡明性のため、対応する検出器ピクセル424とアナログASICウェル602に接続された唯一のデカップリングキャパシタ800のみを示した。しかし、言うまでもなく、他の検出器ピクセル424とウェル602のデカップリングキャパシタ800も同様である。
ASIC432は、複数の金属レイヤ802を含み、レイヤ8021、8022、8023、8024、・・・、802K(Kは1より大きい整数)を含む。フォトセンサ422は複数の金属レイヤ810を含んでいてもいなくてもよい。例示の実施形態では、フォトセンサレイヤ810は、検出器ピクセル424がウェル602の読み出しエレクトロニクスと電気的につながるように、ASIC432のレイヤ802に結合している。電気的接続は図を明確にするため図示していない。
図8では、デカップリングキャパシタ800は、レイヤ8024に第1の電極804、レイヤ8022の第2の電極806、その間に(及びレイヤ8023に)あり所定の誘電率を有する誘電材料を含む絶縁レイヤ808を含み、レイヤ802中にキャパシタ構造を形成している。金属・絶縁体・金属(MIM)及び/またはその他の製造プロセスを用いて、デカップリングキャパシタ800を製造できる。
図9は、図8の実施形態を示す透視図であり、検出器ピクセル424、デカップリングキャパシタ800、及びチャネルウェル602間間の幾何学的関係の例を示す。この実施形態では、検出器ピクセル424のエリア804と、それに面する検出器ウェル602のエリア804との間に1対1の幾何学的関係があり、検出器ピクセル424のエリア804と、それに面するデカップリングキャパシタ800のエリア808との間には1対1の幾何学的関係があり、それゆえデカップリングキャパシタ800のエリア810と、それに面するウェル602のエリア804との間には1対1の幾何学的関係がある。ここで1対1でない関係を想定することもできる。
図10は、デカップリングキャパシタ800の構成例を示し、複数のサブキャパシタ1002を含む。この例では、第1のグループ1004のサブキャパシタは、並列に電気的に接続され、アナログ読み出しエレクトロニクスの正の電源に対するデカップリングキャパシタを形成している。第2のグループ1006のサブキャパシタは、並列に電気的に接続され、アナログ読み出しエレクトロニクスの電源に対するデカップリングキャパシタを形成している。第3のグループ1008のサブキャパシタは、並列に電気的に接続され、デジタル読み出しエレクトロニクスのデカップリングキャパシタを形成している。グループ1004、1006及び1008のキャパシタンスは同じであってもなくてもよいが、各グループのキャパシタンスは読み出し可能なデカップリングキャパシタを構成するのに適したものである。
図11は、方法を示す。
ステップ1102において、フォトセンサアレイの検出器ピクセルは、X線放射の検出に応じてシンチレータにより生成された光を受け取る。
ステップ1104において、検出器ピクセルは、受け取った光を示す信号を発生する。
ステップ1106において、信号が検出器ピクセルに対応する読み出しエレクトロニクスに送られる(route)。読み出しエレクトロニクスの少なくともアナログコンポーネントは、(サイズが検出器ピクセルサイズと同じかまたは小さい)個々のチャネルウェルにより、他の検出器ピクセルの読み出しエレクトロニクスのアナログコンポーネントから電気的に絶縁され、読み出しエレクトロニクスの金属レイヤにおいてデカップリングされている。
ステップ1108において、読み出しエレクトロニクスが信号を処理する。
ステップ1110において、処理された信号は、読み出しエレクトロニクスから、再構成を含むさらなる処理をする他のコンポーネントに送られる(route)。
言うまでもなく、ここに説明する方法のステップの順序は、限定的なものではない。このように、ここでは他の順序も想定できる。また、一以上のステップを削除したり、一以上の追加ステップを含めたりしてもよい。
本発明を好ましい実施形態を参照して説明した。前述の詳細な説明を読んで理解すれば、修正と変更に想到することができる。本発明は、添付した請求項とその均等の範囲内に入るこのような修正案及び代替案をすべて含むものと解釈しなければならない。

Claims (10)

  1. 少なくとも2つの検出器タイルを有する検出器アレイを有する画像化装置であって、
    前記検出器タイルは、
    非光感知エリア内にある個々の光感知検出器ピクセルの2次元アレイを有するフォトセンサアレイと、
    前記フォトセンサアレイに結合した読み出しエレクトロニクスであって、
    前記個々の光感知検出器ピクセルに対応する個々のアナログ読み出しチャネルウェルであって、アナログ読み出しチャネルウェルがその中のアナログ電気的コンポーネントを他のアナログ読み出しチャネルウェル中のアナログ電気的コンポーネントから電気的に絶縁する、個々のアナログ読み出しチャネルウェルと、
    複数の金属レイヤと、
    少なくとも1つの検出器ピクセルのアナログ及びデジタル回路のデカップリングキャパシタであって、前記検出器ピクセルと、前記検出器ピクセルに対応するアナログ読み出しチャネルウェルとの間の前記複数の金属レイヤ中にあるデカップリングキャパシタとを有する、読み出しエレクトロニクスとを有する、
    画像化装置。
  2. 検出器ピクセルの少なくとも1つのアナログトランジスタと、
    同じ検出器ピクセルの少なくとも1つのデジタルトランジスタと、をさらに有し、
    前記同じ検出器ピクセルの少なくとも1つのアナログトランジスタと少なくとも1つのデジタルトランジスタとは、前記同じ検出器ピクセルの同じアナログ読み出しチャネルにある、
    請求項1に記載の画像化装置。
  3. 前記個々の光感知検出器ピクセルに共通な読み出しエレクトロニクスを含む共通デジタル読み出しチャネルウェルと、
    検出器ピクセルの少なくとも1つのアナログトランジスタと、
    同じ検出器ピクセルの少なくとも1つのデジタルトランジスタと、をさらに有し、
    前記少なくとも1つのアナログトランジスタは前記検出器ピクセルのアナログ読み出しチャネルにあり、前記少なくとも1つのデジタルトランジスタは前記共通デジタル読み出しチャネルウェルにある、
    請求項1に記載の画像化装置。
  4. 前記フォトセンサアレイはシリコンフォトセンサアレイであり、前記読み出しエレクトロニクスはシリコン集積回路の一部であり、前記シリコン集積回路とフォトセンサアレイはシリコン間ボンディングによりボンディングされている、請求項1ないし3いずれか一項に記載の画像化装置。
  5. 前記読み出しエレクトロニクスのジオメトリは前記フォトセンサアレイのジオメトリと等しいまたは小さい、
    請求項1ないし4いずれか一項に記載の画像化装置。
  6. 前記フォトセンサアレイは、背面照明フォトダイオードと前面照明フォトダイオードとを含む、
    請求項1ないし5いずれか一項に記載の画像化装置。
  7. 前記読み出しエレクトロニクスとフォトセンサアレイは、シリコン間ボンディングにより共にボンディングされたシリコンサブストレートを含む、請求項1ないし6いずれか一項に記載の画像化装置。
  8. 検出器ピクセルの出力信号を、前記検出器ピクセルのみに対応する読み出しエレクトロニクスに送るステップであって、前記検出器ピクセルは画像化検出器の複数の検出器ピクセルの1つであり、前記検出器ピクセルの読み出しエレクトロニクスのアナログ読み出しエレクトロニクスは、対応するアナログチャネルウェルにより、他の検出器ピクセルの読み出しエレクトロニクスのアナログ読み出しエレクトロニクスから電気的に絶縁されている、ステップと、
    デカップリングキャパシタを用いて、アナログ及びデジタル読み出しエレクトロニクスを、対応する電源からデカップリングするステップと、
    前記読み出しエレクトロニクスで前記出力信号を処理するステップと
    を有し、前記読み出しエレクトロニクスは、
    複数の金属レイヤと、
    少なくとも1つの検出器ピクセルのアナログ及びデジタル回路のデカップリングキャパシタであって、前記検出器ピクセルと、前記検出器ピクセルに対応するアナログ読み出しチャネルウェルとの間の前記複数の金属レイヤ中にあるデカップリングキャパシタとを有する、
    方法。
  9. 前記検出器ピクセルの読み出しエレクトロニクスのデジタル読み出しエレクトロニクスは前記対応するアナログチャネルウェルの中にある、請求項8に記載の方法。
  10. 前記検出器ピクセルの読み出しエレクトロニクスのデジタル読み出しエレクトロニクスは共通デジタルチャネルウェルの中にある、請求項8に記載の方法。
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