NL1003390C2

NL1003390C2 - Vlakke stralingssensor en werkwijze voor haar vervaardiging.

Info

Publication number: NL1003390C2
Application number: NL1003390A
Authority: NL
Inventors: Carel Wilhelm Eduard Van Eijk
Original assignee: Univ Delft Tech
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1997-12-23

Description

vlakke stralingssensor en werkwijze voor haar vervaardiging

De uitvinding heeft betrekking op een vlakke stralingssensor omvattende een meertal pixels voor detectie van neutronen of röntgen- of gammastraling, waarbij voorzien is in een laag scintillatormateriaal voor omzetting van genoemde 5 straling in elektromagnetische straling welke in hoofdzaak in het zichtbare spectrum ligt, en waarbij voorzien is in een met de pixels corresponderende matrix van fotodiodes voor ontvangst van de elektromagnetische straling en omzetting in elektrische signalen aan de respectievelijke aansluitpunten 10 van de fotodiodes.

Een dergelijke stralingssensor is bekend uit het artikel CsI:Tl FOR SOLID STATE X-RAY DETECTORS van H. Wieczorek et al., gepubliceerd in de "Proceedings of the International Conference on Inorganic Scintillators and their 15 applications", gehouden 28 augustus tot 1 september 1995, Delft University Press 1995 (ISBN 90-407-1215-8). Volgens deze publikatie worden röntgenstralen opgevangen op scintillatormateriaal van CsI:Tl welke deze röntgenstralen omzetten in zichtbaar licht dat wordt ontvangen door fotodiodes ge-20 vormd in amorf silicium met een dotatie waterstof. Deze laag van amorf silicium is aangebracht op een glassubstraat waarin detectorelektronica is opgenomen voor verdere verwerking van de signalen welke door de fotodiodes worden afgegeven. Een probleem van deze bekende stralingssensor is dat de plaatsre-25 solutie met betrekking tot de respectievelijke pixels van de sensor niet groot is; de door het scintillatormateriaal uitgezonden lichtquanta verspreiden zich namelijk relatief onbelemmerd naar de diverse fotodiodes die in de op het scintillatormateriaal aangrenzende laag zijn aangebracht. In het 30 verleden is getracht dit probleem te verhelpen door het scintillatormateriaal in kristallijne vorm aan te brengen en daarin een craquelé structuur aan te brengen welke een onderbreking voor het licht vormt.

Met de uitvinding wordt nu beoogd een vlakke stra-35 lingssensor van het in de aanhef bedoelde type te verschaffen waarbij vrijheid bestaat in de keuze van het toe te passen 1003390 2 scintillatormateriaal teneinde deze optimaal af te stemmen op de beoogde gebruikscondities.

Volgens de uitvinding wordt daartoe voorgesteld, dat de matrix van fotodiodes is aangebracht op een eerste zijde 5 van een wafer van halfgeleidermateriaal en dat aan de tegenover de eerste zijde gelegen tweede zijde van de wafer telkens in de omgeving alwaar zich een fotodiode bevindt, het materiaal van de wafer lokaal en in hoofdzaak is verwijderd en vervangen door het scintillatormateriaal waarbij aan el-10 kaar grenzende lokaliteiten alwaar het scintillatormateriaal is aangebracht, gescheiden zijn door het behouden materiaal van de wafer. Het scintillatormateriaal kan daarbij eventueel voorbij het behouden materiaal van de wafer reiken.

Bij voorkeur heeft het halfgeleidermateriaal een 15 lage resistiviteit zoals siliciummateriaal dat gebruikt wordt voor consumentenelektronica. Dit type wafermateriaal is relatief goedkoop. Uiteraard is het ook mogelijk om wafermateriaal met een hoge resistiviteit te gebruiken, dan wel zogeheten silicon on insulator, respectievelijk amorf silicium op 20 een glassubstraat.

De uitvinding is tevens belichaamd in een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke vlakke stralingssen-sor door het op een meertal plaatsen corresponderend met de pixels van de gerede sensor, bewerken van een wafer van half-25 geleidermateriaal. Hoewel in de onderhavige aanvrage de stra-lingssensor en de werkwijze voor de vervaardiging daarvan wordt besproken in termen van silicium-techniek, is uiteraard de uitvinding ook toepasbaar bij andersoortig halfgeleidermateriaal, zoals in germanium-techniek.

30 De werkwijze voor het vervaardigen van een dergelij ke vlakke stralingssensor wordt er volgens de uitvinding door gekenmerkt, dat een wafer van p-type halfgeleidermateriaal op de met de pixels corresponderende plaatsen door middel van de volgende processtappen wordt bewerkt: 35 - het aan een eerste zijde van de p-type wafer aanbrengen van een dunne n-type gedoteerde laag op de voor iedere pixel bestemde plaats; - het daarop laten aangroeien van een n-type epitaxiale laag tot een dikte in het bereik 5-15 μπι; 1003390 3 - het opbrengen van een gepassiveerde laag op de epitaxiale laag; - het lokaal gecentreerd alwaar de pixel dient te komen, aanbrengen van een dunne p-type laag in de epitaxiale n-type 5 laag juist onder de gepassiveerde laag; - het aanbrengen van een diepe n-type dotering in de epitaxiale n-type laag juist onder de gepassiveerde laag, aan weerszijden van de zojuist genoemde dunne p-type laag en gescheiden daarvan; 10 - het in hoofdzaak ter plaatse van de dunne p-type laag en de diepe n-type laag verwijderen van de gepassiveerde laag; - het aanbrengen van een gemetalliseerde laag alwaar de gepassiveerde laag is verwijderd; - het aan de tweede zijde van de wafer ter plaatse van iedere 15 pixel in hoofdzaak verwijderen van het wafermateriaal onder handhaving van het wafermateriaal tussen naastliggende pixels; - het aanbrengen van scintillatormateriaal tussen het gehandhaafde wafermateriaal.

20 Ten behoeve van de genoemde passivatie kan bijvoor beeld een geoxideerde laag worden aangebracht.

Uiteraard kan deze werkwijze volgens de uitvinding ook worden uitgevoerd op een n-type wafer waarbij in de opvolgende processtappen telkens alwaar sprake is van n-type 25 dotatie, deze wordt vervangen door een p-type dotatie en vice versa.

Ter optimalisatie van de goede werking van de stra-lingssensor dient voordat het scintillatormateriaal wordt aangebracht, het gehandhaafde wafermateriaal dat de grens 30 vormt van naastliggende pixels te worden voorzien van een re-flectielaag, en het gehandhaafde wafermateriaal gelegen tegenover de eerste zijde van de wafer te worden voorzien van een anti-reflectielaag.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de 35 hand van de tekening, waarin fig. 1 in onderdeelfiguren A t/m I diverse vormings-stadia toont van de stralingssensor volgens de uitvinding bij uitvoering van de werkwijze voor haar vervaardiging volgens de uitvinding; en 1003330 4 fig. 2 een schematische dwarsdoorsnede ter plaatse van één pixel van de stralingssensor volgens de uitvinding toont.

In de figuren gebruikte gelijke verwijzingscijfers 5 verwijzen naar dezelfde onderdelen.

Onder verwijzing naar fig. 1 zal de werkwijze voor het vervaardigen van een vlakke stralingssensor volgens de uitvinding worden toegelicht aan de hand van een niet-beper-kende voorkeursuitvoeringsvorm. Daarbij wordt, uitgaande van 10 een p-type waferhalfgeleidermateriaal van silicium zoals getoond in fig. IA, deze wafer 1 in een eerste processtap aan een eerste zijde van de wafer 1 voorzien van een dunne n-type gedoteerde laag 2, zoals getoond in fig. 1B. Daarna wordt op de dunne n-type gedoteerde laag 2 een n-type epitaxiale laag 15 3 aangebracht waarvan de dikte wordt gekozen in afhankelijk heid van het type straling waarvoor de sensor bestemd is. In de praktijk ligt de dikte van deze n-type epitaxiale laag in het bereik van 5-15 μιη (zie fig. 1C) . Op de n-type epitaxiale laag 3 wordt vervolgens een gepassiveerde laag 4 aangebracht 20 (zie fig. 1D), waarna lokaal gecentreerd alwaar de desbetreffende pixel dient te komen, een dunne p-type laag 5 in de epitaxiale laag 3 wordt aangebracht juist onder de gepassiveerde laag 4 (zie fig. IE). Daarna wordt een diepe n-type dotering 6 in de epitaxiale n-type laag 3 aangebracht juist 25 onder de gepassiveerde laag 4 en aan weerszijden van de juist daarvoor aangebrachte dunne p-type laag 5 (zie fig. 1F) gevolgd door het in hoofdzaak ter plaatse van de dunne p-type laag 5 en de diepe n-type laag 6 verwijderen van de gepassiveerde laag 4 (zie fig. 1G). Alwaar de passivatielaag is ver-30 wijderd, wordt vervolgens een metallische laag 7 opgedampt waarmee de aansluitpunten worden verschaft voor de pn-junctie van de fotodiode gevormd door de dunne p-type laag 5 en de n-type epitaxiale laag 3. Op deze aansluitpunten kan in de gerede stralingssensor verdere verwerkingselektronica worden 35 aangesloten voor het verwerken van de signalen welke tijdens gebruik van de sensor door de zojuist genoemde pn-junctie worden afgegeven. Deze aansluitpunten zijn aangegeven met respectievelijk 7' en 7". Vervolgens wordt aan de tweede zijde van de wafer 1 ter plaatse van iedere pixel het aldaar 1003390 5 aanwezige wafermateriaal in hoofdzaak verwijderd, bijvoorbeeld door etsen, onder handhaving van het wafermateriaal dat de afscheiding vormt tussen naastliggende pixels. Dit gehandhaafde wafermateriaal is in fig. II aangeduid met verwij-5 zingscijfer 8. In de vrijgekomen ruimte 9 kan vervolgens het toe te passen scintillatormateriaal worden aangebracht. Daarbij is wel wenselijk dat voordien het gehandhaafde wafermateriaal dat de grens vormt van naastliggende pixels, te weten het materiaal dat is aangeduid met verwijzingscijfer 8, wordt 10 voorzien van een reflectielaag 11, bijvoorbeeld door opdampen van aluminium, en dat het gehandhaafde wafermateriaal gelegen tegenover de eerste zijde van de wafer alwaar op de hierboven beschreven wijze de pn-juncties zijn gevormd, een met verwij-zingscijfer 10 aangeduide anti-reflectielaag wordt aange-15 bracht. Hiertoe kan bijvoorbeeld een passivatielaag van het wafermateriaal dienen. De volgens fig. II verkregen halfvoltooide stralingssensor is op vergrote schaal in fig. 2 getoond. In het onderhavige voorbeeld is aan de n-type epitaxi-ale laag 3 een dikte gegeven van circa 10 Mm. Voor de ver-20 vaardiging van de stralingssensor is uitgegaan van waferhalf-geleidermateriaal uit silicium met een dikte van circa 300 Mm. De pixelafmeting van de ene wand 8 tot de andere wand 8 ligt in het bereik van circa 0,05 tot 5 mm in het vierkant. Ook niet-vierkante structuren zijn echter mogelijk; bijvoor-25 beeld hexagonaal. De dikte van de overblijvende wanden 8 na verwijdering van de hoofdzaak van het wafermateriaal ter plaatse van een pixel bedraagt circa 10 m®·

Volgens de uitvinding wordt voorzien in een stralingssensor welke aan de röntgen- of gammastralen ontvangende 30 zijde voorzien is van putten 9 gevuld met scintillatormateriaal welke onder invloed van de ontvangen straling licht uitzenden dat per put 9 geïsoleerd blijft en slechts kan dienen ter activering van de pn-junctie welke aan de tegenoverliggende zijde van de put is gevormd. Op deze wijze kan het zich 35 in een put 9 bevindende scintillatormateriaal slechts één diode activeren tot het opwekken van een potentiaalverschil geschikt voor verdere verwerking en detectie. De stralingssensor volgens de uitvinding is bijzonder geschikt voor toepassing inzake medische diagnostiek met röntgen- of gamma- 1003390 6 straling, naar ook in andersoortige afbeeldingstechnieken waarbij deze straling of neutronenstraling een rol speelt, zoals materiaalonderzoek met behulp van röntgendiffractie, vindt de stralingssensor volgens de uitvinding geschikte toe-5 passing.

1003390

Claims

1. Vlakke stralingssensor omvattende een meertal pixels voor detectie van neutronen of röntgen- of gammastra-ling, waarbij voorzien is in een laag scintillatormateriaal voor omzetting van genoemde neutronen of straling in elektro- 5 magnetische straling welke in hoofdzaak in het zichtbare spectrum ligt, en waarbij voorzien is in een met de pixels corresponderende matrix van fotodiodes voor ontvangst van de elektromagnetische straling en omzetting in elektrische signalen aan de respectievelijke aansluitpunten van de fotodio-10 des, met het kenmerk, dat de matrix van fotodiodes is aangebracht op een eerste zijde van een wafer van halfgeleiderma-teriaal en dat aan de tegenover de eerste zijde gelegen tweede zijde van de wafer telkens in de omgeving alwaar zich een fotodiode bevindt, het materiaal van de wafer lokaal en in 15 hoofdzaak is verwijderd en vervangen door het scintillatormateriaal waarbij aan elkaar grenzende lokaliteiten alwaar het scintillatormateriaal is aangebracht, gescheiden zijn door het behouden materiaal van de wafer.

2. Stralingssensor volgens conclusie 1, met het ken-20 merk, dat het behouden materiaal van de wafer aan de zijden welke grenzen aan naastliggende lokaliteiten, is voorzien van een reflectieve deklaag.

3. Stralingssensor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het behouden materiaal van de wafer direct gele- 25 gen tegenover de eerste zijde welke is voorzien van de matrix van fotodiodes, is voorzien van een deklaag welke reflectie tegengaat.

4. Stralingssensor volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat het wafermateriaal een lage resistivi- 30 teit heeft.

5. Werkwijze voor het vervaardigen van een vlakke stralingssensor voor het op meerdere plaatsen (pixels) tegelijkertijd detecteren van neutronen of röntgen- of gammastra-ling, door het op de met de pixels corresponderende plaatsen 35 bewerken van een wafer van p-type halfgeleidermateriaal door middel van de volgende processtappen: 1003390 - het aan een eerste zijde van de p-type wafer aanbrengen van een dunne n-type gedoteerde laag op de voor iedere pixel bestemde plaats; - het daarop laten aangroeien van een n-type epi- 5 taxiale laag tot een dikte in het bereik 5-15 μιη; - het opbrengen van een gepassiveerde laag op de epitaxiale laag; - het lokaal gecentreerd alwaar de pixel dient te komen, aanbrengen van een dunne p-type laag in de 10 epitaxiale n-type laag juist onder de gepassiveer- de laag; - het aan de rand van iedere pixel aanbrengen van een diepe n-type dotering in de epitaxiale n-type laag juist onder de gepassiveerde laag, aan weers- 15 zijden van de zojuist genoemde dunne p-type laag en gescheiden daarvan; - het in hoofdzaak ter plaatse van de dunne p-type laag en de diepe n-type laag verwijderen van de gepassiveerde laag; 20. het aanbrengen van een gemetalliseerde laag alwaar de gepassiveerde laag is verwijderd; - het aan de tweede zijde van de wafer ter plaatse van iedere pixel in hoofdzaak verwijderen van het wafermateriaal onder handhaving van het wafermate- 25 riaal tussen naastliggende pixels; - het aanbrengen van scintillatormateriaal tussen het gehandhaafde wafermateriaal.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat voordat het scintillatormateriaal wordt aangebracht, het 30 gehandhaafde wafermateriaal dat de grens vormt van naastliggende pixels wordt voorzien van een reflectielaag, en het gehandhaafde wafermateriaal gelegen tegenover de eerste zijde van de wafer wordt voorzien van een anti-reflectielaag. 1003390