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CN111769128B - X射线直接探测图像传感器、其像素单元及制备方法 - Google Patents

X射线直接探测图像传感器、其像素单元及制备方法 Download PDF

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CN111769128B CN202010663478.8A CN202010663478A CN111769128B CN 111769128 B CN111769128 B CN 111769128B CN 202010663478 A CN202010663478 A CN 202010663478A CN 111769128 B CN111769128 B CN 111769128B
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Abstract

本发明公开了X射线直接探测图像传感器、其像素单元及制备方法，包括：P型衬底；所述P型衬底上设有P型外延层；所述P型外延层用于直接接收X射线；所述P型外延层上设有第一P阱，所述第一P阱上设有若干个N型有源区；所述P型外延层上设有N阱，所述N阱上设有N型有源区；N阱与P型外延层形成一个二极管，用于收集非平衡电子；所述P型外延层上设有第二P阱，所述第二P阱上设有P型有源区。

Description

X射线直接探测图像传感器、其像素单元及制备方法
技术领域
本公开涉及集成电路领域，特别是涉及X射线直接探测图像传感器、其像素单元及制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
20世纪90年代出现的直接数字化X射线成像技术(Direct Radiography,DR)具有更快的成像速度、更便捷的操作、更高的成像分辨率等显著优点，成为数字X射线成像技术的主导方向。近年来随着半导体技术工业和光刻技术的发展，以及高度集成化低功耗低噪声前端电子学日益成熟，CMOS图像传感器发展迅速。
在实现本公开的过程中，发明人发现现有技术中存在以下技术问题：
目前CMOS图像传感器作为DR探测器应用于X射线成像，通过前端闪烁体层将X射线转换为可见光子，然后由图像传感器进行探测。这种间接探测方式受图像传感器量子效率(Quantum Efficiency,QE)影响较大，一般转换效率较低，因此需要较高的放射剂量。同时，图像传感器感光面积有限，主要因为像素所需要的放大和控制电路占据了一部分面积，采光的有效面积相应减少，使得填充因子(Fill Factor)不能达到100％，图像传感器填充因子极限值约为75％，探测效率较低。同时，图像传感器需要购买工艺厂商的像素IP(Intellectual Property core)，成本较高。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了X射线直接探测图像传感器、其像素单元及制备方法；
第一方面，本公开提供了X射线直接探测图像传感器的像素单元；
X射线直接探测图像传感器的像素单元，包括：P型衬底；
所述P型衬底上设有P型外延层；所述P型外延层用于直接接收X射线；
所述P型外延层上设有第一P阱，所述第一P阱上设有若干个N型有源区；
所述P型外延层上设有N阱，所述N阱上设有N型有源区；N阱与P型外延层形成一个二极管，用于收集非平衡电子；
所述P型外延层上设有第二P阱，所述第二P阱上设有P型有源区。
第二方面，本公开提供了X射线直接探测图像传感器；
X射线直接探测图像传感器，包括：多个如第一方面所述的像素单元组成像素阵列，所述像素阵列分别与列级读出电路、时序控制电路和偏置电路连接，所述列级读出电路与数据缓冲器和时序控制电路连接，所述数据缓冲器分别与地址译码器、接口配置单元、时钟产生电路、时序控制电路和偏置电路连接；所述地址译码器分别与时序控制电路、偏置电路、接口配置电路和存储器连接；所述接口配置电路分别与时钟产生电路、存储器和串行输出电路连接，所述时钟产生电路分别与时序控制电路、存储器和串行输出电路连接。
第三方面，本公开提供了像素单元的制备方法；
像素单元的制备方法，包括：
提供一个P型衬底；
在所述P型衬底上形成P型外延层；所述P型外延层用于直接接收X射线；
在所述P型外延层上形成P阱，在P阱上形成若干个N型有源区、栅氧化层和多晶硅栅，形成若干个N沟道晶体管，用于处理像素收集的电荷；
在所述P型外延层上形成N阱，在所述N阱上形成N型有源区；N阱与P型外延层形成一个二极管，用于收集非平衡电子。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
传感器由硅晶片外延层直接接收X射线，转换成电信号由芯片集成电路读出并处理，无需转换层，提高了填充因子和量子效率，由间接探测转变成直接探测，降低辐照剂量。
与传统图像传感器需购买像素IP不同，该传感器全定制像素单元，无需购买像素IP，有效降低成本。
像素尺寸小(5微米～50微米)，传感器空间分辨率高，并在像素内实现放大、相关双采样等复杂电路，提高信噪比。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为第一个实施例的图像传感器探测X射线原理示意图；
图2为第一个实施例的像素单元内部电气连接关系示意图；
图3为第二个实施例的图像传感器结构示意图；
图4为第二个实施例的X射线直接探测图像传感器电气连接关系示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了X射线直接探测图像传感器的像素单元；
如图1所示，X射线直接探测图像传感器的像素单元，包括：P型衬底；
所述P型衬底上设有P型外延层；所述P型外延层用于直接接收X射线；
所述P型外延层上设有第一P阱，所述第一P阱上设有若干个N型有源区；
所述P型外延层上设有N阱，所述N阱上设有N型有源区；N阱与P型外延层形成一个二极管，用于收集非平衡电子；
所述P型外延层上设有第二P阱，所述第二P阱上设有P型有源区。
进一步地，所述第一P阱与N阱连接，所述N阱与第二P阱连接。
进一步地，当P型外延层接收到X射线后，P型外延层电离产生若干个电子空穴对，产生非平衡电子，由于P型外延层与P阱和P型衬底之间存在势垒电压，在P型外延层中产生的非平衡电子无法通过，因而汇聚在P型外延层中，P型外延层在P阱和P型衬底两侧汇聚作用下形成一个电子池，电子通过热扩散被N阱与外延层形成的二极管收集。
进一步地，所述二极管收集非平衡电子后，将非平衡电子利用放大器进行放大，然后利用相关双采样电路进行噪声抑制，然后经过缓冲器的缓冲后，送入列级读出电路，最后完成对X射线的探测。
应理解的，X射线直接探测图像传感器的像素单元使用标准CMOS平面工艺，其中包括深度掺杂的P型衬底、低掺杂的P型外延层、用来制作PMOS管的N阱和P型有源区(P+)、用来制作NMOS管的P阱和N型有源区(N+)。
以P型外延层作为灵敏区，N阱与P型外延层形成一个二极管，用于收集非平衡电子。当X射线穿过传感器芯片时，在P型外延层电离产生一定数量的电子空穴对，每微米产生约80对非平衡载流子。
由于P型外延层与P阱、P型重掺杂衬底之间存在势垒电压，在P型外延层中产生的非平衡电子无法通过，因而汇聚在P型外延层中，这个势垒电压表示为：
Figure BDA0002579473430000051
其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为单电荷，Nsub和Nepi分别是衬底和外延层的掺杂度。
P型外延层在P阱和P型衬底两侧汇聚作用下形成一个电子池，成为图像传感器的主要灵敏区域。由于N阱所加正向电压较小，像素内无法形成全耗尽，只有N阱周围的小部分P外延层区域会形成耗尽区，当非平衡电子运动到耗尽区域附近时，才能被N阱收集，因此传感器收集电荷主要依赖热扩散机制，漂移的作用较小。
如图2所示，大部分电子通过热扩散被N阱与外延层形成的二极管收集，此时二极管产生负压降，经像素单元内部放大、相关双采样(噪声抑制)处理后，传送至像素阵列的读出电路以及数据处理电路，通过读出数据信息获得X射线穿过芯片时的位置，完成对X射线的探测。当被测物体通过X射线照射时，穿过的X射线会在图像传感器上留下位置，被遮挡的部分会留下阴影，通过数据处理，完成X射线成像。
实施例二
本实施例提供了X射线直接探测图像传感器；
如图4所示，X射线直接探测图像传感器，包括：多个如第一个实施例所述的像素单元组成像素阵列，所述像素阵列分别与列级读出电路、时序控制电路和偏置电路连接，所述列级读出电路与数据缓冲器和时序控制电路连接，所述数据缓冲器分别与地址译码器、接口配置单元、时钟产生电路、时序控制电路和偏置电路连接；所述地址译码器分别与时序控制电路、偏置电路、接口配置电路和存储器连接；所述接口配置电路分别与时钟产生电路、存储器和串行输出电路连接，所述时钟产生电路分别与时序控制电路、存储器和串行输出电路连接。
像素阵列的读出采用卷帘快门的方式进行读出。
列级读出电路采用列级甄别器或者列级模数转换器(Analog to DigitalConverter,ADC)实现。
时序控制电路为像素阵列提供扫描时序。
偏置电路，采用多位数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)实现，用来提供基准电压及电流，为像素阵列和列级读出电路提供偏置。
接口配置单元，用于控制参数设置以及使能信号，采用SPI接口(SerialPeripheral Interface,串行外设)、JTAG接口(Joint Test Action Group,联合测试工作组)或者I2C总线(Inter－Integrated Circuit)实现。
时钟产生电路，为像素阵列以及串行输出提供时钟，采用锁相环实现。
存储器，用来存储像素信息，包括行地址信息、列地址信息以及信号量大小，串行输出电路，用于将信息送至外部。
图像传感器具有很高的分辨率、近100％的探测效率、读出速度快以及较高的抗辐射性能。在X射线成像中，这种传感器可直接用于接收X射线，无需通过转换层将X射线转换成可见光子，大大提高了探测效率。
图像传感器采用硅晶片外延层直接探测X射线，不需要购买工艺厂商的像素IP(Intellectual Property core)，生产成本较低，像素内沉积的电荷由二极管完成收集，像素填充因子能达到100％。同时，它采用商业化的CMOS超大规模集成电路(Very LargeScale Integration，VLSI)工艺制造，集成度很高，能够在同一块硅衬底上集成像素单元阵列、电子学读出、数据处理等模块，大大缓解了成像系统的复杂程度，制造完成后一块芯片就是一个X射线探测器。
如图3所示，图像传感器集成了像素阵列、列级读出电路(甄别器或者ADC)、数据缓冲器、地址译码器、偏置电路(DAC)、时序电路、接口配置电路(SPI、JTAG、I2C)、时钟产生电路(PLL)、存储器以及串行输出电路。
由于外延层厚度只有8微米至20微米，每微米产生约80对非平衡载流子，并且载流子复合的时间较短，因而产生的可供收集的非平衡载流子数量较少，需要通过像素单元内部的放大电路和噪声抑制电路来提高信噪比，像素信号通过金属走线传递到后续的读出电路和数据处理电路进行再处理。
像素内部电路如图2所示，为了增大信号幅度，需要在像素内部加入放大器，同时加入相关双采样(Correlated Double Sampling,CDS)消除固定模式噪声(Fixed PatternNoise,FPN)。另外，为了提高驱动能力，加快读出时间，需要在像素内加入缓冲器，通过行选控制将信号送至列级甄别器或者ADC进行数字化。
图像传感器结构如图3所示，像素阵列的读出将采用卷帘快门方式(rollingshutter)。卷帘快门方式采用逐行扫描工作模式，由行选择信号将像素信息送至列级处理电路。采用逐行扫描，帧读出时间正比于行数。列级读出电路可采用列级甄别器或者列级ADC实现，如果仅是黑白成像，可采用列级甄别器，如果实现彩色成像，可采用列级ADC。时序控制电路为像素阵列提供扫描时序。偏置电路采用多位DAC实现，用来提供基准电压及电流，为像素阵列和列级读出电路提供偏置。接口配置用于控制参数设置以及使能信号，一般采用SPI、JTAG或者I2C实现。时钟产生电路为像素阵列以及串行输出提供精准时钟，一般采用锁相环实现。存储器用来存储像素信息，包括行地址信息、列地址信息以及信号大小，这些信息由串行输出电路送至外部。采用这种上部是像素阵列，下部是外围电路的架构，能够最大限度的增加灵敏区，并且方便采用拼接(stitching)技术实现超大面积传感器。
实施例三
本实施例提供了如实施例一所述像素单元的制备方法；
像素单元的制备方法，包括：
S101：提供一个P型衬底；
S102：在所述P型衬底上形成P型外延层；所述P型外延层用于直接接收X射线；
S103：在所述P型外延层上形成P阱，在P阱上形成若干个N型有源区、栅氧化层和多晶硅栅，形成若干个N沟道晶体管，用于处理像素收集的电荷；
S104：在所述P型外延层上形成N阱，在所述N阱上形成N型有源区；N阱与P型外延层形成一个二极管，用于收集非平衡电子。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.X射线直接探测图像传感器，其特征是，包括：多个像素单元组成像素阵列，所述像素单元包括：P型衬底；所述P型衬底上设有P型外延层；所述P型外延层用于直接接收X射线；
所述P型外延层上设有第一P阱，所述第一P阱上设有若干个N型有源区；
所述P型外延层上设有N阱，所述N阱上设有N型有源区；N阱与P型外延层形成一个二极管，用于收集非平衡电子；所述P型外延层上设有第二P阱，所述第二P阱上设有P型有源区；
所述像素阵列分别与列级读出电路、时序控制电路和偏置电路连接，所述列级读出电路与数据缓冲器和时序控制电路连接，所述数据缓冲器分别与地址译码器、接口配置单元、时钟产生电路、时序控制电路和偏置电路连接；所述地址译码器分别与时序控制电路、偏置电路、接口配置电路和存储器连接；所述接口配置电路分别与时钟产生电路、存储器和串行输出电路连接，所述时钟产生电路分别与时序控制电路、存储器和串行输出电路连接，所述像素单元的二极管收集非平衡电子后，将非平衡电子利用放大器进行放大，然后利用相关双采样电路进行噪声抑制，然后经过缓冲器的缓冲后，送入列级读出电路，最后完成对X射线的探测。
2.如权利要求1所述的X射线直接探测图像传感器，其特征是，所述第一P阱与N阱连接，所述N阱与第二P阱连接。
3.如权利要求1所述的X射线直接探测图像传感器，其特征是，当P型外延层接收到X射线后，P型外延层电离产生若干个电子空穴对，产生非平衡电子，由于P型外延层与P阱和P型衬底之间存在势垒电压，在P型外延层中产生的非平衡电子无法通过，因而汇聚在P型外延层中，P型外延层在P阱和P型衬底两侧汇聚作用下形成一个电子池，电子通过热扩散被N阱与外延层形成的二极管收集。
4.如权利要求1所述的X射线直接探测图像传感器，其特征是，像素阵列的读出采用卷帘快门的方式进行读出。
5.如权利要求1所述的X射线直接探测图像传感器，其特征是，列级读出电路采用列级甄别器或者列级模数转换器实现。
6.如权利要求1所述的X射线直接探测图像传感器，其特征是，时序控制电路为像素阵列提供扫描时序。
7.如权利要求1所述的X射线直接探测图像传感器，其特征是，偏置电路，采用多位数模转换器实现，用来提供基准电压及电流，为像素阵列和列级读出电路提供偏置。
8.像素单元的制备方法，用于如权利要求1-7任一项所述的X射线直接探测图像传感器，其特征是，包括：
提供一个P型衬底；
在所述P型衬底上形成P型外延层；所述P型外延层用于直接接收X射线；
在所述P型外延层上形成P阱，在P阱上形成若干个N型有源区、栅氧化层和多晶硅栅，形成若干个N沟道晶体管，用于处理像素收集的电荷；
在所述P型外延层上形成N阱，在所述N阱上形成N型有源区；N阱与P型外延层形成一个二极管，用于收集非平衡电子，所述像素单元的二极管收集非平衡电子后，将非平衡电子利用放大器进行放大，然后利用相关双采样电路进行噪声抑制，然后经过缓冲器的缓冲后，送入列级读出电路，最后完成对X射线的探测。
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