专利名称：在x射线成像仪中将直接转换的x射线的影响最小化的利记博彩app
在x射线成像仪中将直接转换的x射线的影响最小化 发明领域本发明总的来说涉及图像传感器，更特别地但不唯一地涉及在X射线成像仪中使用的图像传感器。
背景技术：
描述X射线成像仪可以包括互补型金属氧化物半导体(CMOS )图像传感器和闪烁 体(scintillator)。紧密接触于图像传感器中光电二极管的闪烁体，将X射 线转换为可见光。图像传感器还包括用于从光电二极管读出图像信息的像素的 读出电路。 一般的图像传感器具有多个光电二极管和读出电路，用来产生整个 图像。为可视的目的，图像可以被显示在监视器上或者被打印。一般地，读出电路与光电二极管在同一衬底上形成，因此限制了光电二极 管的可使用(例如光敏感)区域。由于读出电路不是^皮设计用来实现光线到图 像信息的转换，所以可以在读出电路之上形成金属屏蔽层，使得读出电路对入 射光线不敏感。优选地，入射光线只在围绕光电二极管的区域产生自由电子。 与光线不同，射到图像传感器的X射线可以在任何区域产生大的自由电子云， 甚至在金属屏蔽层之下。这种发生在图像传感器硅体部分中的X射线直接转换， 会导致产生可以在图像中引入噪声的寄生电子。发明内容在一实施例中，用于X射线成像仪的图4象传感器包括光电二极管和 读出电路。在读出电路之下形成的深阱可以被配置为二极管，用以排出寄 生电子，否则的话这些寄生电子会在图像中产生噪声。例如，寄生电子可
以被排出到例如电源或者用于计量目的的测量电路。通过阅读本发明的全部公开内容，包括附图和权利要求，本发明的这 些和其他特征对于本领域内的普通技术人员将是显而易见的。
图1示出X射线成像仪的一个实例；图2示出根据本发明的一个实施例的X射线成像仪；图3示出根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器的布局图；图4示出根据本发明的一个实施例制造用于X射线成像仪的CMOS图像传感器的方法的流程图；图5示出根据本发明的另一个实施例的X射线成像仪；图6示出根据本发明的一个实施例制造用于X射线成像仪的CMOS图像传感器的方法的流程图；图7示出根据本发明的一个实施例操作X射线成像仪的方法； 在不同附图中的相同标记代表相同或类似的元件。除非另外指出，附图不必按比例画出。
具体实施方式
在本发明公开内容中，提供多个具体细节，诸如结构、元件和方法的 例子，以便彻底理解本发明的实施例。但是，本领域内的普通技术人员可 以认识到，没有其中一个或者多个具体细节也可以实施本发明。在其他实 例中，为了避免混淆本发明的特征，公知的细节没有被示出或者描述。图1示出示例性的X射线成像仪100。 X射线成像仪100包括闪烁体 110和CMOS图像传感器120。闪烁体110转换输入X射线为可见光。在 图1和本发明的其他附图的例子中，X射线衫漆示为带箭头的实线，可见
光^L^示为带箭头的虛线。
图像传感器120包括P型硅基衬底133和外延层132。在外延层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+十区域124的光电二极管，而在P型阱121中形成包括N+十区域127的 读出电路。光电二极管的电子收集区或者耗尽区总的被虚界线126包围。
仍旧参考图l，通过闪烁体110的X射线被转换为可见光。射到光电 二极管收集区域的光线产生电子，其可以通过使能栅极123从读出电路读 出。金属接触122被耦合于N+十区域127,以允许产生的电子流出读出电 路进行进一步处理。成像仪100的一个问题是没有被闪烁体100转换为可 见光的一些X射线在射到外延层132上时产生寄生电子云134。在CMOS 图像传感器中，X射线到自由电子的转换也被称为"直接转换"。直接转 换甚至可以在覆于读出电路上的金属屏蔽层之下发生，并且因此可能从读 出电路中读出。通常，来自直接转换的X射线的寄生电子因其不包含图像 信息而导致形成图^^噪声。
将直接转换的X射线的影响最小化的一个方法是减少外延层132的厚 度。例如，外延层132的厚度可以被形成为大约2微米。这种方法的一个 缺陷是降低了对光线的敏感度，所述光线具有典型的超过这种外延层厚度 的穿透深度的波长。将图像传感器中直接转换的X射线的影响最小化的其 他方法现在由图2开始讨论。
图2示出根据本发明的一个实施例的X射线成像仪200。在图2的例 子中，成像仪200包括闪烁体210和CMOS图像传感器290。闪烁体210 转换X射线为可见光。在一实施例中，闪烁体210转换X射线为绿光(即 波长大约550nm)。在图2中，X射线被束示为带箭头的实线，可见光被 表示为带箭头的虛线。 CMOS图像传感器2卯可以包括村底240、外延层220和金属屏蔽层 212。图像传感器290可以包括多个光电二极管223和读出电路，但为了清 晰起见并未示出。在一个P型阱221中可以形成一个读出电路。每一个光 电二极管和相应的读出电路形成图像传感器290的一个"像素"。多个像 素被用来形成整个图像。在金属屏蔽层212和外延层220之间形成诸如氧 化层的介电层(未示)。氧化层(即二氧化硅)对于光线是透明的，因此 可以在图《象传感器290的整个顶面上形成。金属屏蔽层212可以是读出电 路的金属布线(metal routing)的一部分，所述读出电路在P型阱221中 形成。例如，金属屏蔽层可以连接到电源(例如电源电压(Vdd))、控 制信号、输出信号以及其他诸如此类。读出电路的金属布线优选地位于图 像传感器2卯的两个相邻像素的光电二极管224之间的中心，来避免覆盖 光线敏感部分(例如光电二极管223)并建立无电子产生的区域。这就改 善了光学串扰。在一实施例中，村底240包括P型硅基衬底。外延层220可以被轻掺 杂(在此例中为P—)，并且可以在衬底240顶部之上外延生长。在一实 施例中，外延层220大约4-5#:米厚。在N型阱226中可以形成包括N++ 区域225的光电二极管223。为了清晰起见，在图2中仅示出了一个光电 二极管223。在图2所示例子中，光电二极管223的电子收集区总的被虚 界线227包围。光电二极管223收集由可见光射到诸如外延层220的硅体 而产生的电子。注意到，通常而言，自由电子可以被一个结(晶体管或者 光电二极管)收集，也可以在外延层中的某个地方重新复合。由于扩散长 度通常很长，例如大于约10微米，对于电子来说，其更可能首先被结所收 集。金属接触224被耦合于N十+区域225，以允许在光电二极管223中产 生的电子流出到读出电路，如上所述，所述读出电路可以在P型阱221中。
为了最小化直接转换的X射线的影响，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， 通过限制深N型阱232的耗尽区的宽度来阻止横向串扰。也就是，可以形 成深P型阱231来阻止电子横向地移动超过它们。填充了隔离材料(例如 氧化物)的深沟道也可以用来代替深P型阱231，来避免横向串扰。在图 2的例子中，深N型阱232的耗尽区为虚界线所表示的区域。优选地，所 形成的深N型阱232的深度可以允许其耗尽区至少可以接触衬底240。例 如，所形成的深N型阱232的深度为从外延层220的顶部起大约1-2微米，约1-2微米。为了提供对在深N型阱232收集区域中所产生电子的有效阻 挡，优选地形成深P型阱231，使得其至少接触衬底240。注意，为了避 免图2的混乱，在图中未画出深P型阱231和深N型阱232接触衬底240。 当然，深P型阱231和深N型阱232的深度根据具体实现并不必然接触衬 底240。图3的俯视图中描述了光电二极管223、深N型阱232和深P型阱231 的布局。如图3所示，光电二极管223优选地放置成与周围深N型阱232 等距，来避免可能导致各个像素的不同响应的非对称性。深N型阱232可 以连接到电源(图3例子中的Vdd)来排出由直接转换的X射线产生的电 子。或者是，深N型阱232可以连接到用于计量目的的测量电路(未示)。 例如，由深N型阱232排出的寄生电子可以被用作>^馈信号来调整X射线 源的功率。返回参见图2，没有被闪烁体210转换为可见光的X射线可以射到金 属屏蔽层212之下的外延层220的区域。这些X射线可以被直接转换为寄 生电子，形成电子云228。与作为图〗象信号的一部分从在P型阱221中形
成的读出电路中读出不同，寄生电子利用深N型阱232和外延层220所形 成的二极管从读出电路中被排出。假设金属屏蔽层下所有的自由电子是由 X射线而不是由来自上述闪烁体的可见光产生，寄生电子可被排出到电源 或者被用作计量目的，这样有利地最小化了由于直接转换X射线在图像中 产生的噪声。图4示出根据本发明的一个实施例制造用于X射线成像仪的CMOS图像 传感器的方法400的流程图。从步骤402开始，在衬底上形成外延层。例如 衬底可以是P掺杂硅衬底，外延层可以被轻掺杂并且生长到例如厚度大约为 4-5微米。在步骤404中，在外延层中可以形成深N型阱。深N型阱与外延 层形成二极管，排出由直接转换的X射线产生的寄生电子。可以形成使其耗 尽区接触衬底的深N型阱。可选地，在步骤406中形成深P型阱，使其横向 围绕于深N型阱。这样有利地防止了横向地串扰。也可以用填充隔离材料的 深沟道代替深P型阱。深P型阱或者深沟道是可选的，并且在横向串扰不 成为一个问题的应用中可以4皮略去。在步骤408中，在深N型阱和可选的 深P型阱之上形成阱(例如，N型阱、P型阱)。深N型阱和可选的深P 型阱在所述阱下延伸。在步骤410中，在深N型阱上的上述各个阱中，形 成光电二极管和读出电路。例如，在深N型阱的正上方的P型阱中可以形 成读出电路，同时在N型辨中可以形成光电二极管。现在参见图5，图5示出根据本发明的另一个实施例的X射线成像仪500。 在图5的例子中，X射线成像仪500包括闪烁体510和CMOS图像传感器590。 闪烁体510转换X射线为可见光。在一实施例中，闪烁体510转换X射线 为波长介于大约400-550nm之间的可见光，更常用的为550nm。在图5中， X射线祐束示为带箭头的实线，可见光^^示为带箭头的虚线。CMOS图像传感器5卯可以包括衬底540和外延层520。为了清晰起 见，并未示出位于闪烁体510和图像传感器590之间的金属屏蔽层。金属
屏蔽层不只是用来阻挡来自读出电路的可见光，还用来连接像素到诸如VDD、输出、选择和复位的外围电路。金属屏蔽层可以布置在光电二极管 之间的中心。图像传感器590可以包括读出电路551、光电二极管552和 寄生读出电路553。但为了清晰起见，图5只示出一个读出电路551和一 个光电二极管552。每一个光电二极管552和相应的读出电路551形成图 像传感器590的一个像素。多个像素被用来形成整个图像。在一实施例中，衬底540包括P型硅基衬底。外延层520可以被轻掺 杂(在此例中为P--),并且可以在衬底540顶部之上外延生长。在一实 施例中，外延层520大约4-5微米厚。包括N+十区域528的光电二极管552 可以与包括N十+区域527的读出电路551—起，形成在P型阱521中。在 图5的例子中，光电二极管552的电子收集区总的被虚界线532包围。光 电二极管552将射到外延层220硅体的透明区域的可见光转换为电子。由 于光电二极管552的相对薄的电子收集区，光探测可以被限制到具有短波 长(例如，介于大约400-550nm)的光线。通过施加电压可以使能栅极525，从而在N+十区域527和528之间形 成通道。这导致在光电二极管552中产生的电子流向读出电路551。金属 接触524被耦合于读出电路551的N+十区域，以允许来自相应光电二极管 552的电子被读取到另一电路进行进一步处理。为了最小化来自直接转换的X射线的寄生电子的影响，可以在读出电 路551、光电二极管552和寄生读出电路553之下形成深N型阱531。在 一实施例中，深N型阱531为图像传感器590的所有像素所共有。也就是 说，单个深N型阱531可以位于所有的读出电路551和光电二极管552之 下。对于所有的像素，也可以使用单个寄生读出电路553。在图5例子中， 深N型阱531的电子收集区总的被虚界线533包围。 如图5所示，深N型阱531在P型阱521和N型阱539下面延伸。在 一实施例中，形成P型阱521和N型阱529的深度可以为从外延层520的 顶部起大约1微米，同时形成深N型阱531的深度可以为从外延层520的 顶部起大约2-3微米。可以在N型阱529中形成包括N十+区域的寄生读出 电路553。如以下更明显地，金属接触526被耦合于N十+区域530，允许 寄生电子从图像传感器590中排出。深N型阱531、 N型阱529和寄生信号读出电路553的N+十区域530 与P型外延层520形成二极管。当通过村底540正向偏置此二极管时，通 过金属接触553,可以从图像传感器590中排出由直接转换的X射线产生 的电子云528的寄生电子。这有利地降低了从读出电路551读出的寄生电 子的数量，从而降低了图像中的噪声。寄生读出电路553允许直接转换的 X射线被排出到电源或者用以计量目的。例如，测量电路(未示)可以被 耦合于金属接触553，用来测量寄生电子的数量，并且相应地X射线源作 出调整。图6示出根据本发明的一个实施例制造用于X射线成像仪的CMOS图像 传感器的方法600的流程图。从步骤602开始，在衬底上形成外延层。例如， 衬底可以是P掺杂硅衬底，外延层可以被轻掺杂并且生长到例如厚度大约为 4-5微米。在步骤604中，在外延层中可以形成深N型阱。深N型阱与外延 层形成二极管来排出由直接转换的X射线产生的寄生电子。在步骤606中， 在深N型阱之上形成多个阱(例如，N型阱、P型阱)。在步骤608中， 在深N型阱上的上述各个阱中分别形成光电二极管、读出电路和寄生读出 电路。例如，在深N型阱正上方的共用P型阱中可以形成光电二极管和从 光电二极管读取图像信息的读出电路，同时在N型阱中可以形成从图像传 感器中排出寄生电子的寄生读出电路。
参见图7，此处示出根据本发明的一个实施例操作X射线成像仪的方法 700。应注意到，尽管为了说明目的依顺序格式呈现方法700，但是其步骤可 以被重新排列，而不会偏离本发明的精神。例如，从光电二极管到读出电路 的电子流可以在寄生电子排出之时执行，也可以在之后执行。
在步骤702中，X射线被转换为可见光。例如，可以使用闪烁体执行步 骤702。在步骤704中，在读出电路之下的CMOS图像传感器的区域中接收 X射线。例如，这些射线可以是未被闪烁体转换的射线。在步骤706中，由 直接转换的X射线产生的寄生电子被排出，用来最小化其对再生图像的影响。 例如，可以通过使用深N型阱执行步骤706，其中深N型阱与外延层形成二 极管。可以正向偏置深N型阱，将寄生电子排出到电源或者测量电路。在步 骤708中，在CMOS图像传感器的光电二极管中接收可见光。光电二极管转 换可见光为电子，其中包括图像信息。在步骤710中，来自光电二极管的电 子流向读出电路。
尽管这里已提供了本发明的具体实施例，但是应该明白，这些实施例仅 用于说明目的而非限制性的。当本领域内普通技术人员阅读本发明的公开内 容时，很多其他的实施例是显然的。
权利要求
1、一种CMOS图像传感器，包括光电二极管，位于外延层中的第一阱中；读出电路，被配置为接收来自所述光电二极管的图像信息，在所述外延层中的第二阱中形成所述读出电路；和第一深阱，在所述读出电路之下的第二阱下延伸，所述第一深阱被配置为形成二极管，以排出由于直接转换的X射线而产生的寄生电子。
2、 权利要求1所述的图像传感器，其中，所述图像传感器是X射线成像 仪的一部分，后者包括用来转换X射线为可见光的闪烁体。
3、 权利要求1所述的图像传感器，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、 权利要求l所述的图像传感器，其中，所述第一深阱与所述外延层形成 所述二极管。
5、 权利要求1所述的图像传感器，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、 权利要求l所述的图像传感器，进一步包括 第二深阱和第三深阱，其在所述读出电落之下的第二阱下延伸，所述第二深阱和所述第三深阱围绕所述第一深阱，使得所述第一深阱的耗尽区的 宽度受到限制。
7、 权利要求6所述的图像传感器，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、 权利要求l所述的图像传感器，进一步包括金属屏蔽层，被配置来阻止可见光射到所述读出电路的一部分。
9、 权利要求l所述的图像传感器，其中，所述第一深阱排出所述寄生电子 到电源。
10、 权利要求l所述的图像传感器，其中，所述第一深阱排出所述寄生电 子到测量电路以调节X射线源。
11、 一种用在X射线成像仪中的图像传感器，所述图像传感器包括 光电二极管，被配置来接收来自闪烁体的光线；读出电路，耦合于所述光电二极管，在第一阱中形成所述读出电路；和 第一深阱，其在所述读出电路之下的所述第一阱下延伸，所述第一深阱 被配置为排出寄生电子。
12、 权利要求ll所述的图像传感器，进一步包括第二深阱，其在所述第 一阱下延伸，并且在所述第一深阱的第一侧面上形成，用来阻止电子横向 移动超过所述第二深阱。
13、 权利要求ll所述的图像传感器，进一步包括第三深阱，其在所述第一 阱下延伸，并且在所述第一深阱的第二侧面上形成。
14、 权利要求ll所述的图像传感器，进一步包括深沟道，其在所述第一 阱下延伸，并且在所述第一深阱的一个侧面上形成，用来阻止电子横向移 动超过所述深沟道。
15、 权利要求ll所述的图像传感器，其中，在第二阱中形成所述光电二极 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、 一种操作成像仪的方法，所述方法包括 转换X射线为可见光；在CMOS图像传感器读出电路之下的区域中接收X射线； 通过二极管排出由所述X射线产生的寄生电子，所述二极管包括在读出电路之下形成的深阱；在所述CMOS图像传感器的光电二极管中接收可见光；以及 使电子从所述光电二极管流向所述读出电路。
17、 权利要求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型阱中形成了所述读出电路。
18、 权利要求16所述的方法，其中，排出所述寄生电子包括使所述寄生电 子流向电源。
19、 权利要求16所述的方法，其中，排出所述寄生电子包括使所述寄生电 子流向用于计量的测量电路。
20、 权利要求16所述的方法，进一步包括 阻止电子对所述深阱的橫向串扰。
全文摘要
在一实施例中，用于X射线成像仪(200)的图像传感器(290)包括光电二极管(223)和读出电路。在读出电路之下形成的深阱(232)可以被配置为二极管，用以排出寄生电子，否则的话，寄生电子会在图像中产生噪声。例如，寄生电子可以被排出到电源或者用于计量目的的测量电路。
文档编号H01L31/113GK101401219SQ200680013674
公开日2009年4月1日 申请日期2006年3月1日 优先权日2005年3月25日
发明者D·R·谢弗, T·A·沃尔查普 申请人:塞浦路斯半导体公司