專利名稱：在x射線成像儀中將直接轉換的x射線的影響最小化的制作方法
在x射線成像儀中將直接轉換的x射線的影響最小化 發明領域本發明總的來說涉及圖像傳感器，更特別地但不唯一地涉及在X射線成像儀中使用的圖像傳感器。
背景技術：
描述X射線成像儀可以包括互補型金屬氧化物半導體(CMOS )圖像傳感器和閃爍 體(scintillator)。緊密接觸于圖像傳感器中光電二極管的閃爍體，將X射 線轉換為可見光。圖像傳感器還包括用于從光電二極管讀出圖像信息的像素的 讀出電路。 一般的圖像傳感器具有多個光電二極管和讀出電路，用來產生整個 圖像。為可視的目的，圖像可以被顯示在監視器上或者被打印。一般地，讀出電路與光電二極管在同一襯底上形成，因此限制了光電二極 管的可使用(例如光敏感)區域。由于讀出電路不是^皮設計用來實現光線到圖 像信息的轉換，所以可以在讀出電路之上形成金屬屏蔽層，使得讀出電路對入 射光線不敏感。優選地，入射光線只在圍繞光電二極管的區域產生自由電子。 與光線不同，射到圖像傳感器的X射線可以在任何區域產生大的自由電子云， 甚至在金屬屏蔽層之下。這種發生在圖像傳感器硅體部分中的X射線直接轉換， 會導致產生可以在圖像中引入噪聲的寄生電子。發明內容在一實施例中，用于X射線成像儀的圖4象傳感器包括光電二極管和 讀出電路。在讀出電路之下形成的深阱可以被配置為二極管，用以排出寄 生電子，否則的話這些寄生電子會在圖像中產生噪聲。例如，寄生電子可
以被排出到例如電源或者用于計量目的的測量電路。通過閱讀本發明的全部公開內容，包括附圖和權利要求，本發明的這 些和其他特征對于本領域內的普通技術人員將是顯而易見的。
圖1示出X射線成像儀的一個實例；圖2示出根據本發明的一個實施例的X射線成像儀；圖3示出根據本發明的一個實施例的CMOS圖像傳感器的布局圖；圖4示出根據本發明的一個實施例制造用于X射線成像儀的CMOS圖像傳感器的方法的流程圖；圖5示出根據本發明的另一個實施例的X射線成像儀；圖6示出根據本發明的一個實施例制造用于X射線成像儀的CMOS圖像傳感器的方法的流程圖；圖7示出根據本發明的一個實施例操作X射線成像儀的方法； 在不同附圖中的相同標記代表相同或類似的元件。除非另外指出，附圖不必按比例畫出。
具體實施方式
在本發明公開內容中，提供多個具體細節，諸如結構、元件和方法的 例子，以便徹底理解本發明的實施例。但是，本領域內的普通技術人員可 以認識到，沒有其中一個或者多個具體細節也可以實施本發明。在其他實 例中，為了避免混淆本發明的特征，公知的細節沒有被示出或者描述。圖1示出示例性的X射線成像儀100。 X射線成像儀100包括閃爍體 110和CMOS圖像傳感器120。閃爍體110轉換輸入X射線為可見光。在 圖1和本發明的其他附圖的例子中，X射線衫漆示為帶箭頭的實線，可見
光^L^示為帶箭頭的虛線。
圖像傳感器120包括P型硅基襯底133和外延層132。在外延層132 中形成P型阱121、 P型阱131和N型阱125。在N型阱125中形成包括 N+十區域124的光電二極管，而在P型阱121中形成包括N+十區域127的 讀出電路。光電二極管的電子收集區或者耗盡區總的被虛界線126包圍。
仍舊參考圖l，通過閃爍體110的X射線被轉換為可見光。射到光電 二極管收集區域的光線產生電子，其可以通過使能柵極123從讀出電路讀 出。金屬接觸122被耦合于N+十區域127,以允許產生的電子流出讀出電 路進行進一步處理。成像儀100的一個問題是沒有被閃爍體100轉換為可 見光的一些X射線在射到外延層132上時產生寄生電子云134。在CMOS 圖像傳感器中，X射線到自由電子的轉換也被稱為"直接轉換"。直接轉 換甚至可以在覆于讀出電路上的金屬屏蔽層之下發生，并且因此可能從讀 出電路中讀出。通常，來自直接轉換的X射線的寄生電子因其不包含圖像 信息而導致形成圖^^噪聲。
將直接轉換的X射線的影響最小化的一個方法是減少外延層132的厚 度。例如，外延層132的厚度可以被形成為大約2微米。這種方法的一個 缺陷是降低了對光線的敏感度，所述光線具有典型的超過這種外延層厚度 的穿透深度的波長。將圖像傳感器中直接轉換的X射線的影響最小化的其 他方法現在由圖2開始討論。
圖2示出根據本發明的一個實施例的X射線成像儀200。在圖2的例 子中，成像儀200包括閃爍體210和CMOS圖像傳感器290。閃爍體210 轉換X射線為可見光。在一實施例中，閃爍體210轉換X射線為綠光(即 波長大約550nm)。在圖2中，X射線被束示為帶箭頭的實線，可見光被 表示為帶箭頭的虛線。 CMOS圖像傳感器2卯可以包括村底240、外延層220和金屬屏蔽層 212。圖像傳感器290可以包括多個光電二極管223和讀出電路，但為了清 晰起見并未示出。在一個P型阱221中可以形成一個讀出電路。每一個光 電二極管和相應的讀出電路形成圖像傳感器290的一個"像素"。多個像 素被用來形成整個圖像。在金屬屏蔽層212和外延層220之間形成諸如氧 化層的介電層(未示)。氧化層(即二氧化硅)對于光線是透明的，因此 可以在圖《象傳感器290的整個頂面上形成。金屬屏蔽層212可以是讀出電 路的金屬布線(metal routing)的一部分，所述讀出電路在P型阱221中 形成。例如，金屬屏蔽層可以連接到電源(例如電源電壓(Vdd))、控 制信號、輸出信號以及其他諸如此類。讀出電路的金屬布線優選地位于圖 像傳感器2卯的兩個相鄰像素的光電二極管224之間的中心，來避免覆蓋 光線敏感部分(例如光電二極管223)并建立無電子產生的區域。這就改 善了光學串擾。在一實施例中，村底240包括P型硅基襯底。外延層220可以被輕摻 雜(在此例中為P—)，并且可以在襯底240頂部之上外延生長。在一實 施例中，外延層220大約4-5#:米厚。在N型阱226中可以形成包括N++ 區域225的光電二極管223。為了清晰起見，在圖2中僅示出了一個光電 二極管223。在圖2所示例子中，光電二極管223的電子收集區總的被虛 界線227包圍。光電二極管223收集由可見光射到諸如外延層220的硅體 而產生的電子。注意到，通常而言，自由電子可以被一個結(晶體管或者 光電二極管)收集，也可以在外延層中的某個地方重新復合。由于擴散長 度通常很長，例如大于約10微米，對于電子來說，其更可能首先被結所收 集。金屬接觸224被耦合于N十+區域225，以允許在光電二極管223中產 生的電子流出到讀出電路，如上所述，所述讀出電路可以在P型阱221中。
為了最小化直接轉換的X射線的影響，可以形成深N型阱232，使其 在P型阱221之下延伸。也可以形成在P型阱221之下延伸的深P型阱231， 通過限制深N型阱232的耗盡區的寬度來阻止橫向串擾。也就是，可以形 成深P型阱231來阻止電子橫向地移動超過它們。填充了隔離材料(例如 氧化物)的深溝道也可以用來代替深P型阱231，來避免橫向串擾。在圖 2的例子中，深N型阱232的耗盡區為虛界線所表示的區域。優選地，所 形成的深N型阱232的深度可以允許其耗盡區至少可以接觸襯底240。例 如，所形成的深N型阱232的深度為從外延層220的頂部起大約1-2微米，約1-2微米。為了提供對在深N型阱232收集區域中所產生電子的有效阻 擋，優選地形成深P型阱231，使得其至少接觸襯底240。注意，為了避 免圖2的混亂，在圖中未畫出深P型阱231和深N型阱232接觸襯底240。 當然，深P型阱231和深N型阱232的深度根據具體實現并不必然接觸襯 底240。圖3的俯視圖中描述了光電二極管223、深N型阱232和深P型阱231 的布局。如圖3所示，光電二極管223優選地放置成與周圍深N型阱232 等距，來避免可能導致各個像素的不同響應的非對稱性。深N型阱232可 以連接到電源(圖3例子中的Vdd)來排出由直接轉換的X射線產生的電 子。或者是，深N型阱232可以連接到用于計量目的的測量電路(未示)。 例如，由深N型阱232排出的寄生電子可以被用作>^饋信號來調整X射線 源的功率。返回參見圖2，沒有被閃爍體210轉換為可見光的X射線可以射到金 屬屏蔽層212之下的外延層220的區域。這些X射線可以被直接轉換為寄 生電子，形成電子云228。與作為圖〗象信號的一部分從在P型阱221中形
成的讀出電路中讀出不同，寄生電子利用深N型阱232和外延層220所形 成的二極管從讀出電路中被排出。假設金屬屏蔽層下所有的自由電子是由 X射線而不是由來自上述閃爍體的可見光產生，寄生電子可被排出到電源 或者被用作計量目的，這樣有利地最小化了由于直接轉換X射線在圖像中 產生的噪聲。圖4示出根據本發明的一個實施例制造用于X射線成像儀的CMOS圖像 傳感器的方法400的流程圖。從步驟402開始，在襯底上形成外延層。例如 襯底可以是P摻雜硅襯底，外延層可以被輕摻雜并且生長到例如厚度大約為 4-5微米。在步驟404中，在外延層中可以形成深N型阱。深N型阱與外延 層形成二極管，排出由直接轉換的X射線產生的寄生電子。可以形成使其耗 盡區接觸襯底的深N型阱。可選地，在步驟406中形成深P型阱，使其橫向 圍繞于深N型阱。這樣有利地防止了橫向地串擾。也可以用填充隔離材料的 深溝道代替深P型阱。深P型阱或者深溝道是可選的，并且在橫向串擾不 成為一個問題的應用中可以4皮略去。在步驟408中，在深N型阱和可選的 深P型阱之上形成阱(例如，N型阱、P型阱)。深N型阱和可選的深P 型阱在所述阱下延伸。在步驟410中，在深N型阱上的上述各個阱中，形 成光電二極管和讀出電路。例如，在深N型阱的正上方的P型阱中可以形 成讀出電路，同時在N型辨中可以形成光電二極管。現在參見圖5，圖5示出根據本發明的另一個實施例的X射線成像儀500。 在圖5的例子中，X射線成像儀500包括閃爍體510和CMOS圖像傳感器590。 閃爍體510轉換X射線為可見光。在一實施例中，閃爍體510轉換X射線 為波長介于大約400-550nm之間的可見光，更常用的為550nm。在圖5中， X射線祐束示為帶箭頭的實線，可見光^^示為帶箭頭的虛線。CMOS圖像傳感器5卯可以包括襯底540和外延層520。為了清晰起 見，并未示出位于閃爍體510和圖像傳感器590之間的金屬屏蔽層。金屬
屏蔽層不只是用來阻擋來自讀出電路的可見光，還用來連接像素到諸如VDD、輸出、選擇和復位的外圍電路。金屬屏蔽層可以布置在光電二極管 之間的中心。圖像傳感器590可以包括讀出電路551、光電二極管552和 寄生讀出電路553。但為了清晰起見，圖5只示出一個讀出電路551和一 個光電二極管552。每一個光電二極管552和相應的讀出電路551形成圖 像傳感器590的一個像素。多個像素被用來形成整個圖像。在一實施例中，襯底540包括P型硅基襯底。外延層520可以被輕摻 雜(在此例中為P--),并且可以在襯底540頂部之上外延生長。在一實 施例中，外延層520大約4-5微米厚。包括N+十區域528的光電二極管552 可以與包括N十+區域527的讀出電路551—起，形成在P型阱521中。在 圖5的例子中，光電二極管552的電子收集區總的被虛界線532包圍。光 電二極管552將射到外延層220硅體的透明區域的可見光轉換為電子。由 于光電二極管552的相對薄的電子收集區，光探測可以被限制到具有短波 長(例如，介于大約400-550nm)的光線。通過施加電壓可以使能柵極525，從而在N+十區域527和528之間形 成通道。這導致在光電二極管552中產生的電子流向讀出電路551。金屬 接觸524被耦合于讀出電路551的N+十區域，以允許來自相應光電二極管 552的電子被讀取到另一電路進行進一步處理。為了最小化來自直接轉換的X射線的寄生電子的影響，可以在讀出電 路551、光電二極管552和寄生讀出電路553之下形成深N型阱531。在 一實施例中，深N型阱531為圖像傳感器590的所有像素所共有。也就是 說，單個深N型阱531可以位于所有的讀出電路551和光電二極管552之 下。對于所有的像素，也可以使用單個寄生讀出電路553。在圖5例子中， 深N型阱531的電子收集區總的被虛界線533包圍。 如圖5所示，深N型阱531在P型阱521和N型阱539下面延伸。在 一實施例中，形成P型阱521和N型阱529的深度可以為從外延層520的 頂部起大約1微米，同時形成深N型阱531的深度可以為從外延層520的 頂部起大約2-3微米。可以在N型阱529中形成包括N十+區域的寄生讀出 電路553。如以下更明顯地，金屬接觸526被耦合于N十+區域530，允許 寄生電子從圖像傳感器590中排出。深N型阱531、 N型阱529和寄生信號讀出電路553的N+十區域530 與P型外延層520形成二極管。當通過村底540正向偏置此二極管時，通 過金屬接觸553,可以從圖像傳感器590中排出由直接轉換的X射線產生 的電子云528的寄生電子。這有利地降低了從讀出電路551讀出的寄生電 子的數量，從而降低了圖像中的噪聲。寄生讀出電路553允許直接轉換的 X射線被排出到電源或者用以計量目的。例如，測量電路(未示)可以被 耦合于金屬接觸553，用來測量寄生電子的數量，并且相應地X射線源作 出調整。圖6示出根據本發明的一個實施例制造用于X射線成像儀的CMOS圖像 傳感器的方法600的流程圖。從步驟602開始，在襯底上形成外延層。例如， 襯底可以是P摻雜硅襯底，外延層可以被輕摻雜并且生長到例如厚度大約為 4-5微米。在步驟604中，在外延層中可以形成深N型阱。深N型阱與外延 層形成二極管來排出由直接轉換的X射線產生的寄生電子。在步驟606中， 在深N型阱之上形成多個阱(例如，N型阱、P型阱)。在步驟608中， 在深N型阱上的上述各個阱中分別形成光電二極管、讀出電路和寄生讀出 電路。例如，在深N型阱正上方的共用P型阱中可以形成光電二極管和從 光電二極管讀取圖像信息的讀出電路，同時在N型阱中可以形成從圖像傳 感器中排出寄生電子的寄生讀出電路。
參見圖7，此處示出根據本發明的一個實施例操作X射線成像儀的方法 700。應注意到，盡管為了說明目的依順序格式呈現方法700，但是其步驟可 以被重新排列，而不會偏離本發明的精神。例如，從光電二極管到讀出電路 的電子流可以在寄生電子排出之時執行，也可以在之后執行。
在步驟702中，X射線被轉換為可見光。例如，可以使用閃爍體執行步 驟702。在步驟704中，在讀出電路之下的CMOS圖像傳感器的區域中接收 X射線。例如，這些射線可以是未被閃爍體轉換的射線。在步驟706中，由 直接轉換的X射線產生的寄生電子被排出，用來最小化其對再生圖像的影響。 例如，可以通過使用深N型阱執行步驟706，其中深N型阱與外延層形成二 極管。可以正向偏置深N型阱，將寄生電子排出到電源或者測量電路。在步 驟708中，在CMOS圖像傳感器的光電二極管中接收可見光。光電二極管轉 換可見光為電子，其中包括圖像信息。在步驟710中，來自光電二極管的電 子流向讀出電路。
盡管這里已提供了本發明的具體實施例，但是應該明白，這些實施例僅 用于說明目的而非限制性的。當本領域內普通技術人員閱讀本發明的公開內 容時，很多其他的實施例是顯然的。
權利要求
1、一種CMOS圖像傳感器，包括光電二極管，位于外延層中的第一阱中；讀出電路，被配置為接收來自所述光電二極管的圖像信息，在所述外延層中的第二阱中形成所述讀出電路；和第一深阱，在所述讀出電路之下的第二阱下延伸，所述第一深阱被配置為形成二極管，以排出由于直接轉換的X射線而產生的寄生電子。
2、 權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述圖像傳感器是X射線成像 儀的一部分，后者包括用來轉換X射線為可見光的閃爍體。
3、 權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述第二阱包括P型阱，并且 所述第一深阱包括深N型阱。
4、 權利要求l所述的圖像傳感器，其中，所述第一深阱與所述外延層形成 所述二極管。
5、 權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述第一阱包括N型阱，并且 所述第二阱包括P型阱。
6、 權利要求l所述的圖像傳感器，進一步包括 第二深阱和第三深阱，其在所述讀出電落之下的第二阱下延伸，所述第二深阱和所述第三深阱圍繞所述第一深阱，使得所述第一深阱的耗盡區的 寬度受到限制。
7、 權利要求6所述的圖像傳感器，其中，所述第一深阱是深N型阱，并 且所述第二深阱和所述第三深阱是深P型阱。
8、 權利要求l所述的圖像傳感器，進一步包括金屬屏蔽層，被配置來阻止可見光射到所述讀出電路的一部分。
9、 權利要求l所述的圖像傳感器，其中，所述第一深阱排出所述寄生電子 到電源。
10、 權利要求l所述的圖像傳感器，其中，所述第一深阱排出所述寄生電 子到測量電路以調節X射線源。
11、 一種用在X射線成像儀中的圖像傳感器，所述圖像傳感器包括 光電二極管，被配置來接收來自閃爍體的光線；讀出電路，耦合于所述光電二極管，在第一阱中形成所述讀出電路；和 第一深阱，其在所述讀出電路之下的所述第一阱下延伸，所述第一深阱 被配置為排出寄生電子。
12、 權利要求ll所述的圖像傳感器，進一步包括第二深阱，其在所述第 一阱下延伸，并且在所述第一深阱的第一側面上形成，用來阻止電子橫向 移動超過所述第二深阱。
13、 權利要求ll所述的圖像傳感器，進一步包括第三深阱，其在所述第一 阱下延伸，并且在所述第一深阱的第二側面上形成。
14、 權利要求ll所述的圖像傳感器，進一步包括深溝道，其在所述第一 阱下延伸，并且在所述第一深阱的一個側面上形成，用來阻止電子橫向移 動超過所述深溝道。
15、 權利要求ll所述的圖像傳感器，其中，在第二阱中形成所述光電二極 管，所述第二阱是N型阱，所述第一阱是P型阱，并且所述第一深阱是深 N型阱。
16、 一種操作成像儀的方法，所述方法包括 轉換X射線為可見光；在CMOS圖像傳感器讀出電路之下的區域中接收X射線； 通過二極管排出由所述X射線產生的寄生電子，所述二極管包括在讀出電路之下形成的深阱；在所述CMOS圖像傳感器的光電二極管中接收可見光；以及 使電子從所述光電二極管流向所述讀出電路。
17、 權利要求16所述的方法，其中，所述深阱包括P型阱下延伸的N型 阱，在所述P型阱中形成了所述讀出電路。
18、 權利要求16所述的方法，其中，排出所述寄生電子包括使所述寄生電 子流向電源。
19、 權利要求16所述的方法，其中，排出所述寄生電子包括使所述寄生電 子流向用于計量的測量電路。
20、 權利要求16所述的方法，進一步包括 阻止電子對所述深阱的橫向串擾。
全文摘要
在一實施例中，用于X射線成像儀(200)的圖像傳感器(290)包括光電二極管(223)和讀出電路。在讀出電路之下形成的深阱(232)可以被配置為二極管，用以排出寄生電子，否則的話，寄生電子會在圖像中產生噪聲。例如，寄生電子可以被排出到電源或者用于計量目的的測量電路。
文檔編號H01L31/113GK101401219SQ200680013674
公開日2009年4月1日 申請日期2006年3月1日 優先權日2005年3月25日
發明者D·R·謝弗, T·A·沃爾查普 申請人:塞浦路斯半導體公司