專利名稱：用于優(yōu)化x射線噪聲性能的像素結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及χ射線成像，更具體地，涉及結(jié)合使用閃爍器和像素圖像傳感器以捕獲X射線圖像的情況。
背景技術(shù)：
通常利用閃爍器結(jié)合圖像傳感器來捕獲χ射線圖像。在這樣的設(shè)置中，圖像傳感器位于閃爍器的后面。然而，根據(jù)自然法則，閃爍器僅能吸收進(jìn)入閃爍器的表面的所有X射線光子的某一部分。結(jié)果，多個未被吸收的X射線光子穿過閃爍器并且進(jìn)入圖像傳感器。這些X射線光子的某些在圖像傳感器中被吸收，這通常造成明顯的噪聲，影響在X射線光子被吸收的位置的附近區(qū)域中的一個或幾個像素。
在χ射線成像中，通常要求獲得盡可能最好的圖像質(zhì)量，經(jīng)常理解為高分辨率(銳度)和低噪聲之間的平衡。這兩個圖像要求通常是矛盾的，從而使得高分辨率往往伴隨著高噪聲，反之亦然。如在上一段所說明的，在圖像傳感器中通過X射線光子的吸收而產(chǎn)生的噪聲不能被容易地濾掉而不劣化圖像中的分辨率(銳度)。有時，將由χ射線吸收玻璃制成的光纖板(FOP)放置在閃爍器與圖像傳感器之間，以吸收穿過閃爍器的X射線光子，從而降低噪聲。然而，此解決方案成本高并且增加了系統(tǒng)的總體厚度和重量，這是所不期望的許多倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的這些以及其他的缺點。本發(fā)明的主要目標(biāo)在于在圖像傳感器中通過降低X射線光子的吸收所產(chǎn)生的噪聲來提供改善的圖像質(zhì)量?！獋€目標(biāo)在于提供用于圖像傳感器的改進(jìn)的像素。另一目標(biāo)在于提供改進(jìn)的圖像傳感器、X射線傳感器系統(tǒng)以及X射線成像系統(tǒng)。在第一方面中，提供了一種用于圖像傳感器的像素，其中，像素基于摻雜基板，在摻雜基板上設(shè)置了輕摻雜的外延層。感光結(jié)構(gòu)和絕緣反向偏置阱被限定在外延層中，并且感光結(jié)構(gòu)被封裝在反向偏置阱中。以這種方式，將會降低χ射線相互作用的可能性，而同時保持用于可見光子的充分吸收的足夠深度。 在第二方面中，提供了一種用于圖像傳感器的像素，其中，像素基于摻雜基板，在摻雜基板上設(shè)置了輕摻雜的外延層。感光結(jié)構(gòu)被限定在外延層中，并且像素包括遍及外延層的全部或至少主要部分在感光結(jié)構(gòu)的各側(cè)上延伸的絕緣阱，以提供與圖像傳感器的相鄰像素的絕緣。通過這種方式，所吸收的X射線的噪聲基本上被包含至僅一個像素。方面還提供了一種圖像傳感器、X射線傳感器系統(tǒng)以及X射線成像系統(tǒng)。發(fā)明通?？蓱?yīng)用在X射線成像應(yīng)用中，在下面的技術(shù)應(yīng)用中尤其有用牙齒X射線、工業(yè)X射線應(yīng)用以及科學(xué)X射線應(yīng)用。當(dāng)閱讀下面的詳細(xì)描述時，將會理解發(fā)明的其他優(yōu)點。


通過參考以下描述并結(jié)合附圖可以很好地理解本發(fā)明及其其他目標(biāo)和優(yōu)點，其中圖IA和圖IB示出了閃爍器與具有像素的圖像傳感器的實例的橫截面，示出了期望的功能(圖1A)以及產(chǎn)生噪聲的不期望的處理(圖1B)。圖2是示出包括閃爍器、圖像傳感器(A)、用于讀取和控制的電路(B)、用于成像處理的電路(C)以及計算機(D)的典型設(shè)置的示意框圖。在右邊示出可能的裝置結(jié)構(gòu)，其中連字號表示裝置之間的分離。
圖3A是根據(jù)發(fā)明的實施方式的示出像素的第一實例的示意圖。圖3B是根據(jù)發(fā)明的實施方式的示出像素的第二實例的示意圖。圖4A是根據(jù)發(fā)明的實施方式的示出像素的第三實例的示意圖。圖4B是根據(jù)發(fā)明的實施方式的示出像素的第四實例的示意圖。圖5A是示出作為距離表面的深度χ的函數(shù)的光學(xué)吸收百分?jǐn)?shù)的實例的示意圖。有用信號S被認(rèn)為與此光學(xué)吸收成比例。圖5B是示出作為距離表面的深度χ的函數(shù)的χ射線吸收的百分?jǐn)?shù)的實例的示意圖。通過由此吸收X射線光子產(chǎn)生的噪聲N被認(rèn)為與此χ射線吸收成比例。存在其他噪聲機制，但這里未考慮。圖6是示出了作為距離表面的深度χ的函數(shù)的光學(xué)吸收和X射線吸收之間的歸一化相對SNR (信噪比)的實例的示意圖。
具體實施例方式在所有附圖中，相同的參考標(biāo)號用于類似或?qū)?yīng)的元件?，F(xiàn)在將參照一些示例性的和非限制性的實施方式來描述發(fā)明。圖IA和圖IB示出了在χ射線成像的典型結(jié)構(gòu)中的閃爍器和圖像傳感器的實例。圖IA示出了具有在閃爍器10中的χ射線吸收和光發(fā)射以及在圖像傳感器20中的可見光的吸收的結(jié)構(gòu)的所期望的功能。圖IB示出具有穿過閃爍器10并在圖像傳感器20中被吸收的χ射線光子的結(jié)構(gòu)的不期望的處理。在圖IA中示出了該設(shè)置的所期望的功能閃爍器吸收χ射線光子，對于每個這樣的χ-射線光子，發(fā)射可見光范圍內(nèi)的光子脈沖，從而產(chǎn)生能被諸如電荷耦合器件(CCD)或CMOS成像傳感器(CIS)的感光圖像傳感器捕獲的光圖像。然而，根據(jù)自然法則，閃爍器僅能吸收進(jìn)入閃爍器的表面的χ-射線光子的某一部分。結(jié)果，如圖B中所示，許多未被吸收的χ射線光子穿過閃爍器進(jìn)入圖像傳感器。這些χ射線光子中的一些在圖像傳感器中被吸收，這通常導(dǎo)致高的噪聲，該噪聲影響在χ射線光子被吸收的位置的附近區(qū)域中的一個或幾個像素。本發(fā)明至少部分涉及用于最小化在到來的χ射線光子與感光像素之間的相互作用的可能性的方法和裝置；還涉及將通過這樣的吸收的X射線光子產(chǎn)生的噪聲信號包含至發(fā)生吸收的一個單個像素的方法和裝置。
在第一方面中，提供了一種用于圖像傳感器的像素，其中，像素基于其上設(shè)置有輕摻雜外延層的摻雜基板。在外延層中限定了感光結(jié)構(gòu)和絕緣反向偏置阱，并且感光結(jié)構(gòu)被封裝在反向偏置阱中。例如，感光結(jié)構(gòu)可通過耗盡區(qū)來限定，在該耗盡區(qū)中，光被轉(zhuǎn)換成組成信號的電載流子(electrical carrier)，并且優(yōu)選地耗盡區(qū)整個被包含在反向偏置阱內(nèi)，以降低通過耗盡區(qū)外部的χ射線光子的吸收而產(chǎn)生的載流子向信號貢獻(xiàn)或添加噪聲的風(fēng)險。優(yōu)選地，將感光結(jié)構(gòu)制得很淺，以降低感光結(jié)構(gòu)中的X射線相互作用的可能性而同時保持用于可見光子的充分吸收的足夠深度。在第二方面中，提供了一種用于圖像傳感器的像素，其中，像素基于其上設(shè)置了輕摻雜的外延層的摻雜基板。在外延層中限定了感光結(jié)構(gòu)，并且像素包括絕緣阱，該絕緣阱遍及外延層的全部或至少主要部分在感光結(jié)構(gòu)的各個側(cè)面上延伸，以提供與圖像傳感器的相鄰像素的絕緣。 例如，感光結(jié)構(gòu)可通過耗盡區(qū)域來限定，在所述耗盡區(qū)中光被轉(zhuǎn)換成組成信號的電載流子。作為實例，絕緣阱可被實現(xiàn)為刻蝕阱或反摻雜阱。圖像傳感器可因此被設(shè)計成具有根據(jù)上述方面的任意一個構(gòu)造的多個像素。X射線傳感器系統(tǒng)還可以被設(shè)置為包括與這樣的圖像傳感器結(jié)合配置的閃爍器，并且包括這樣的X射線傳感器系統(tǒng)的總體X射線成像系統(tǒng)可以被提供。在第一方面中，期望以降低X射線光子的吸收的可能性的這樣一種方式構(gòu)造圖像傳感器?；舅枷胍虼耸且赃@種方式構(gòu)造圖像傳感器，即，X射線光子與圖像傳感器相互作用從而產(chǎn)生噪聲的可能性被最小化或至少被降低。例如，圖像傳感器可以以這種方式構(gòu)造，即，每個成像元件(“像素”)內(nèi)的感光結(jié)構(gòu)被制造得盡可能淺，以最小化或至少降低X射線相互作用的可能性，而同時保持用于充分吸收來自閃爍器的可見光子的足夠深度。在第二方面中，期望以這樣一種方式構(gòu)造圖像傳感器，S卩，由所吸收的X射線光子產(chǎn)生的噪聲被基本上包含至僅一個像素。作為備選或至少部分地作為補充，可提供在每個像素(電的或其他的)中的感光結(jié)構(gòu)周圍的絕緣結(jié)構(gòu)，以確保由所吸收的X射線光子產(chǎn)生的噪聲信號主要被包含至僅一個像素。發(fā)明提供了下列優(yōu)點中的至少一個·改進(jìn)的像素結(jié)構(gòu)?！じ倪M(jìn)的χ射線噪聲特性?！び眯∏抑亓枯p的X射線傳感器系統(tǒng)捕獲高分辨率并且噪聲低的X射線圖像的能力。 發(fā)明可產(chǎn)生與用光纖板(FOP)獲得的類似的結(jié)果，尤其是在與合適的濾波器結(jié)合使用時。像素的感光部分的結(jié)構(gòu)可(例如)實現(xiàn)為CMOS基圖像傳感器。例如，它可以是包括閃爍器，圖像傳感器和諸如計算機或數(shù)字信號處理器(DSP)的合適處理裝置，和/或諸如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和可編程邏輯控制器(PLC)器件的任意可編程邏輯器件的系統(tǒng)的一部分。濾波技術(shù)可進(jìn)一步增強這種系統(tǒng)的總體性能。
WO 03/026007涉及用于將缺陷引起的漏電流的最小化的CMOS像素設(shè)計。這與本發(fā)明的設(shè)計或客觀問題不同。優(yōu)選地，可以通過將感光結(jié)構(gòu)封裝在絕緣體中和/或使得絕緣體在像素之間來實現(xiàn)方法和裝置，如將在稍后所示例的。所捕獲的圖像的噪聲特征可被理解為信噪比(SNR)，并且χ射線彈性像素結(jié)構(gòu)(x-ray resilient pixel structure)可因此視為圖像傳感器的SNR改善特征。圖2是包括閃爍器10、圖像傳感器20 (A)、用于讀出和控制的電路30 (B)、用于圖像處理的電路40 (C)以及計算機50 (D)的典型設(shè)置的示例性框圖。在右邊示出了可能的裝置結(jié)構(gòu)，其中連字符表示裝置之間的分離。如所指示的，存在各種各樣的不同的可能的裝置結(jié)構(gòu)。圖像傳感器20優(yōu)選地是具有多個像素的像素圖像傳感器。
還應(yīng)理解的是，電路20和30 (A和B)可被集成。可選地，電路30和40 (B和C)可被集成，或電路20、30和40 (A、B和C)全部可被集成。還可將電路30和/或40 (B和/或C)集成在計算機50 (D)中。電路(B)與電路50 (D)之間的直接鏈接“L”是可選的。在圖2中，雙向箭頭指示雙向或單向通信。下面，將參照圖3和圖4的示例性的非限制性的實例來更詳細(xì)地描述發(fā)明。例如，在每個成像元素(“像素”)內(nèi)的感光結(jié)構(gòu)被盡可能制造得很淺，以最小化或至少降低X射線相互作用的可能性，而同時保持用于充分吸收來自閃爍器的可見光子的足夠的深度。這可通過將感光結(jié)構(gòu)(例如，由耗盡區(qū)限定)包含/封裝在反向偏置阱內(nèi)，如將在下面示例的。圖3A至圖3B是示出像素結(jié)構(gòu)100的不同實例的示意圖，例如，所述像素結(jié)構(gòu)以CMOS結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，“淺”感光結(jié)構(gòu)130封裝在反向偏置阱140中，并提供了像素之間的絕緣。感光結(jié)構(gòu)/耗盡區(qū)130和絕緣反向偏置阱140被限定在設(shè)置在基板110的頂部上的外延層120中。來自閃爍器的光在耗盡區(qū)130中被捕獲并被轉(zhuǎn)換成電子。在基板110的頂部上示出的輕摻雜外延層120是多數(shù)CMOS處理中的標(biāo)準(zhǔn)特征。圖3A示出了 P型摻雜的基板的結(jié)構(gòu)；在P型基板上的通過反向偏置阱絕緣的淺像素結(jié)構(gòu)的實例。圖3B示出了 η型摻雜的基板的結(jié)構(gòu)；在N型基板上的通過反向偏置阱絕緣的淺像素結(jié)構(gòu)的實例。示出了像素內(nèi)的感光結(jié)構(gòu)的實例的截面圖。在耗盡區(qū)130中光被轉(zhuǎn)換成電載流子；這些載流子構(gòu)成了圖像中的信號并且在每個X射線曝光結(jié)束之后被讀出至處理裝置。耗盡區(qū)130整個被包含在深的反向偏置的N型阱140 (圖3Α)或P型阱140 (圖3Β)中，以確保通過在耗盡區(qū)130的外部的χ射線光子的吸收而產(chǎn)生的載流子不能對在任意像素中的信號貢獻(xiàn)噪聲。耗盡區(qū)130因為被包含在阱140內(nèi)而通常被稱為淺耗盡區(qū)。在另一實例中，通過遍及外延層的全部或至少主要部分延伸的阱來設(shè)置像素之間的絕緣，如將在下面示例的。圖4Α和圖4Β是示出像素結(jié)構(gòu)100的不同實例的示意圖，例如，所述像素結(jié)構(gòu)已CMOS結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，其中，感光結(jié)構(gòu)130被限定在薄的外延層120中，并且像素之間的絕緣體由像素之間的蝕刻阱150來提供。來自閃爍器的光在耗盡區(qū)130中被捕獲并轉(zhuǎn)換為電子。在基板Iio的頂部上示出的輕摻雜外延層120是多數(shù)CMOS處理的標(biāo)準(zhǔn)特征。圖4A示出了 P型摻雜的基板的結(jié)構(gòu)；在P型基板上的通過刻蝕阱而絕緣的在薄外延層上的像素結(jié)構(gòu)的實例。圖4B示出了 N型摻雜的基板的結(jié)構(gòu)；在N型基板上的通過刻蝕阱而絕緣的在薄外延層上的像素結(jié)構(gòu)的實例。以與先前所述相同的方式，在耗盡區(qū)130中光被轉(zhuǎn)換成電載流子，電載流子在每一個曝光結(jié)束之后被讀出至處理裝置。在此具體實例中，耗盡區(qū)130通過刻蝕阱150與附近的像素絕緣，這確保了在一個像素中被吸收的χ射線光子僅在該像素中貢獻(xiàn)噪聲信號。作為刻蝕阱的備選，可使用同樣遍及外延層120的全部或至少主要部分延伸的反向摻雜阱。還可以將包含在圖3A至圖3B的反向偏置阱內(nèi)的耗盡區(qū)和遍及圖4A至圖4B的外 延層的全部或至少主要部分延伸的絕緣阱的特征組合，以獲得高度絕緣的像素結(jié)構(gòu)。圖5A是示出作為距離傳感器表面的深度χ的函數(shù)的光學(xué)吸收的百分?jǐn)?shù)的實例的示意圖。有用的信號S被認(rèn)為與該光學(xué)吸收成比例。例如，有用的信號可以表示為S=Ii1XAbso,其中，Ii1是與光學(xué)吸收相關(guān)的系數(shù)，而Abso是光學(xué)吸收。該具體實例指在硅中在550nm波長處光的吸收?？匆钥闯觯招孰S增加的深度而自然地增加。圖5B是示出作為距離傳感器表面的深度χ的函數(shù)的光學(xué)吸收的百分?jǐn)?shù)的實例的示意圖。通過這樣吸收X射線光子產(chǎn)生的噪聲N被認(rèn)為與此χ射線吸收成比例。例如，噪聲N可被表示為S=k2XAbsx,其中，k2是與χ射線吸收相關(guān)的系數(shù),而Absx是χ射線吸收。存在其他噪聲機制，但在這里未考慮。在此具體實例中，χ射線能量為30keV。可以看出，不期望的χ射線吸收也隨著增加的深度而增加。應(yīng)理解的是，一個可見光子的吸收通常產(chǎn)生一個電子(實際上，量子效率通常在一定程度上低于1)，而一個χ射線光子的吸收可產(chǎn)生數(shù)千個電子。因此，相對于感光結(jié)構(gòu)的深度或厚度，基本上對應(yīng)于深度X，存在有些沖突的需求。如所提到的，感光結(jié)構(gòu)優(yōu)選地被設(shè)計有用以在保持充分吸收可見光子的足夠深度的同時降低X射線相互作用的可能性的深度或厚度。圖6是示出作為距離傳感器表面的深度χ的函數(shù)的光學(xué)吸收和χ射線吸收之間的歸一化相對SNR的實例的示意圖。光學(xué)吸收被視為想要的信號S，而χ射線吸收被視為噪聲源N，而二者的比率組成了可被歸一化的相對信噪比SNR。外延層120的厚度通常是5 μ m-6 μ m,但可根據(jù)制造工藝而變化。感光結(jié)構(gòu)130的厚度或深度通常應(yīng)小于約4 μ m，以確保感光結(jié)構(gòu)內(nèi)的χ射線吸收保持在約O. 08%左右或以下。但應(yīng)理解的是，感光結(jié)構(gòu)的深度取決于應(yīng)用。在另一實例中，感光結(jié)構(gòu)130的厚度應(yīng)小于約3μπι以確保相對SNR高于約50%，并且優(yōu)選地小于約2 μ m以確保相對SNR高于約60%。當(dāng)厚度小于約約2 μ m時，χ射線吸收將低于O. 04%,而相對SNR將高于月60%。在許多實際應(yīng)用中，感光結(jié)構(gòu)130的厚度應(yīng)大于約O. 5 μ m。以這種方式,光學(xué)吸收將是至少約25%。然而，這對于所有的技術(shù)應(yīng)用來說并不是嚴(yán)格的要求，有時可使用甚至更薄的感光結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用中，感光結(jié)構(gòu)的厚度或深度χ的某些示例性但非限制性的實例
· χ < 4 μ m· χ < 3 μ m· χ < 2 μ m ·0. 5μηι<χ<4μηι·0. 5μηι<χ<2μηι· 1μπι<χ<2μπι上面提出的解決方案支持可進(jìn)一步提高性能的后續(xù)降噪濾波器的使用。這種降噪濾波器或算法可(例如)被構(gòu)造為降低在圖像傳感器中通過X射線光子的吸收所產(chǎn)生的噪聲，而同時基本上保持圖像中的分辨率(銳度)。例如，濾波器可被實現(xiàn)為通過適合的處理裝 置執(zhí)行的降噪軟件算法，或者可選地，以硬件實現(xiàn)降噪算法。在我們的于2009年7月2日提交的共同未決專利申請US 61/222602中描述了合適濾波器的實例，其通過引用結(jié)合于此。上面所描述的實施方式將被理解為本方面的幾個示例性實例。本領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可對實施方式做出各種變形、結(jié)合和變化。具體地，在不同實施方式中的不同部分的解決方案可被結(jié)合進(jìn)技術(shù)上允許的其他結(jié)構(gòu)中。
權(quán)利要求
1.一種用于圖像傳感器的像素(100)，其中，所述像素(100)基于摻雜基板(110)，在所述摻雜基板上設(shè)置了輕摻雜的外延層(120)，其中，感光結(jié)構(gòu)(130)和絕緣反向偏置阱(140)被限定在所述外延層(120)中，并且所述感光結(jié)構(gòu)(130)被封裝在所述反向偏置阱(140)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的像素，其中，所述感光結(jié)構(gòu)(130)由光在其中被轉(zhuǎn)換成構(gòu)成信號的電載流子的耗盡區(qū)來限定，并且所述耗盡區(qū)整體被包含在所述反向偏置阱(140)中以降低通過在所述耗盡區(qū)外的X射線光子的吸收所產(chǎn)生的載流子向所述信號貢獻(xiàn)噪聲的風(fēng)險。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的像素，其中，所述感光結(jié)構(gòu)(130)被設(shè)計有用以在保持用于可見光子的充分吸收的足夠深度的同時降低在所述感光結(jié)構(gòu)中的X射線相互作用的可能性的深度或厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的像素，其中，所述像素(100)進(jìn)一步包括另外的絕緣阱(150)，所述絕緣阱遍及所述外延層(120)的全部或至少主要部分在所述感光結(jié)構(gòu)(130)的各側(cè)上延伸，以提供與所述圖像傳感器的相鄰像素的絕緣。
5.一種用于圖像傳感器的像素(100)，其中，所述像素(100)基于摻雜基板(110)，在所述摻雜基板上設(shè)置了輕摻雜的外延層(120)，其中，感光結(jié)構(gòu)(130)被限定在所述外延層(120)中，并且所述像素(100)包括遍及所述外延層(120)的全部或至少主要部分在所述感光結(jié)構(gòu)(130)的各側(cè)上延伸的絕緣阱(150)，以提供與所述圖像傳感器的相鄰像素的絕緣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的像素，其中，所述感光結(jié)構(gòu)(130)由光在其中被轉(zhuǎn)換成構(gòu)成信號的電載流子的耗盡區(qū)來限定。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的像素，其中，所述絕緣阱(150)是刻蝕阱或反摻雜阱。
8.一種圖像傳感器(20)，具有多個根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項而構(gòu)造的像素(100)。
9.一種X射線傳感器系統(tǒng)，包括與根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器(20)結(jié)合設(shè)置的閃爍器(10)。
10.一種X射線成像系統(tǒng),包括根據(jù)權(quán)利要求9的X射線傳感器系統(tǒng)。
全文摘要
提供了一種用于圖像傳感器的像素(100)，其中，像素(100)基于摻雜基板(110)，在該摻雜基板上設(shè)置了輕摻雜的外延層(120)。感光結(jié)構(gòu)(130)和絕緣反向偏置阱(140)被限定在外延層(120)中，并且感光結(jié)構(gòu)(130)被封裝在反向偏置阱(140)中?？蛇x地，或作為補充，像素(100)包括遍及外延層的全部或至少主要部分在感光結(jié)構(gòu)(130)的各側(cè)上延伸的絕緣阱，以提供與圖像傳感器的相鄰像素的絕緣。
文檔編號H01L27/146GK102844866SQ201180019119
公開日2012年12月26日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者奧洛夫·斯韋諾紐斯 申請人:斯基恩特-X公司