JPS5956773A - 半導体放射線検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＸ線、ガンマ線、アルファに報などの放射線を
検出ないしは測定するための半導体を用いた放射Ｆｊ）
検出素子に関する。

かかる放射〃ｒ検出素子としては検出の信頼度が高いこ
とが要望されることはもちろん、近時放射線応用分野が
急速に拡大式れるにともなって、小形軽量でかつ低価格
であることが寸す壕す貿望でれている。半導体放射線検
出素子はかかるυ望を満たしうる可能性をもっているが
、今才で主に製作されで来たのはリチウムドリフト形の
ものや表面障壁形のものが多く、これらは主に放射線の
エネルギスペクトルを辿１定する目的のものであったた
め、比較的大口径の検出素子が多く、捷た手作業で製作
され（丁未た場合が多かったため、１枚の半導体ウエノ
・からぜいぜい数枚がとれるに過き゛ず従って高価につ
き、また特性の不揃いが見られるなど多Ｈ＋生産とは程
遠く、上記の衆望を（ν〜たしうるものとはいえなかっ
た。

半導体放射線検出素子の原理に、半導体基板内に灰合近
］で−１に柴乏層金拡がらぜておき、この空乏層に放射
線が入射したときに該放射線により発生する正負の荷電
粒子を前記逆バイアス電圧によりダイオードの両電極に
移動させて、その際に生じる電流パルスの数により放射
線の入射本数をカウントしあるいは該電流パルスの高さ
により入射放射線１本のもつエネルギ全知るものである
。この際、放射線のもつエネルギは前記空乏層内に荷１
１１１粒子を発生づせるに必要なエネルギよりも圧倒的
に大きい場合が多いので、実際には放射計４が１１！１
接荷電お７子を発生さぎることは少なく、ウェハ中にお
いて放射線が減衰ないし吸収されるときに二次ｆｌｊ子
が発生し、この二次′Ｎｑ−子が飛ぶ間に二次的に前記
の正負の荷重体対が発生する場合の方が多い。

以上の原理はともかくとして、半導体放射線検出素子の
感度を上げあるいは放射１′際エネルギの側矩鞘度を向
」ニさせるためには、前記のｐｎ接合近接にできるだけ
広くかつ深く空乏層を広がらせることが必要であり、こ
の点が従来がら感度才たは精度がよく、あるいは安価な
半導体放射ｉ″星星検出素子間開発る上でのφ１罰点と
なっていた。しかるところ、最近に至りこの棹用途に適
する超高比抵抗のノリコン中結晶が上条的に生産され容
易に入手可能になりつつル〕る。これｄ：約１０．０（
ｌｏ、＝１−ムセンチメーク以−ヒの比抵抗を有するも
ので、容易にわかるようにかかる高比抵抗のシリコン基
板を用いて半導体放射線検出素子を製作すると高比抵抗
の基板領域内に空乏層が広がりゃすくなり感度や精度の
高い素子が１）すられやすい。

（〜かるに、かかる高性能基板を用いて半導体放射線検
出素子を試作して見たどころ、次のが１１点が寸だ残る
ことがわかった。これは、不純物を導入し７た拡散層と
苓枚との間の接合の）直に関するものであって、接合が
良くないと素子！１芋性に大きなばらつきを生じ、従っ
て不良品が増すので工業的に’、１４　ｉＱ体放射線検
出素子を安価に生産することが困・コ１１になる。すな
わち、かがる高比抵抗ンリコン単結晶は原料シランの精
ｆ＋８！過程でモレキュラシーブを用いて純化するので
従来のようなドナー添加による不純物補償が不安で結晶
中での比抵抗分布が均一で従って均一な接合面が？−１
られやすいはずであるが、なお単結晶中に転位など些少
な格子欠陥ないしは格子不整があっても接合面の一部が
これによって乱され空乏層流がりが変形して素子の特性
の不良ないしは不整をなお生じやすいのである。

本発明の目的は（ｌｆってかかる従来技術の欠点を克服
して製造歩留りがよく特性の揃った半導体放射線検出素
子全工業的に安価に提供することにある。この目的は本
発明によれば１素子を形成するウェハないしヂνプを複
数の領域に分割し、各領域には小面積の拡散層をそれぞ
れ作り込み、かかる小拡散層から空乏層を従来のように
ウエノ・の厚で方向に広がらせるほか、放射力向にも各
領域内に広がらぜるようにすすることにｆり基本的に達
成きれる。このようにすれば、拡散層の７１−：ウエハ
面に対する面頂比率が下がり拡散層と基板との間の接合
面に格子欠陥や格子不整が含まれグこ）１５．険が少な
くなり、接合不良による逆バイアス亀圧印′隼時の逆゛
衷流増加による不良率が大幅に減少する。さらに製作工
程中で各領域について放射糾甑出特性あるいは前述の逆
′ｊ１４：流の大きさをそれぞれ測定し。

特性の良いないしくｌ−Ｌ特性の揃った領域を迅び出し
それらを選択的に配線することにより特性の揃った放射
線検出素子を提供することができる。

この際、素子ウェハ゛ないしはチップ内にもし特性不良
の領域ができたとき、これに隣接する特性良な１）［］
域がこの特性不良な領域によって影響されないようにす
る必鮫がある。しかし？ｉｌｌ究の結果により、特性良
な領域の空乏層が！時性不良領域に寸でクツ（ひでも、
該免乏層が特性不良な領域における接合面に１で休しな
い限り、特性良外領域の特性は実用上影響されないこと
がわかった。従って本発明においては、接合形成のため
の拡散を行う側−のウェハ主面から隣接２領域間の境界
域に抑制領域を作り込むことによって領域間の干渉を簡
単に避けることができる。かかる抑制領域を形成する手
段としては、イ友］ホのように素子をメサ形に構成する
場合は境界域にホトエツチンク等で堀込んだ凹みないし
は溝でよく、素子をブレーナ形に構成する場合には基板
と同導電性をもつ強拡散層でよい。以下図に基ついて本
発明の実施例を詳細に説明する。

第１１Ｊ：に−よひ第２図は本発明におけるウェハない
しチップ内の領域分割の例を示すもので、第１図ではそ
の（ａ）に示すように領域は正方状に分割されている。

同図（１））に示すように各・匍賊ば１個の夕。

イオードと見做すことができるので、同図（ａｌにおい
てＣよかかる領域ずなわちタイオードの電極５のみがウ
ェハ１上に示きれている。第２図（１〕）でわかるよう
にかかる多数の電極５の反対側のウエノ・面には共通の
ｒｌｆ極６が説けられており、１疋って本発明によ７−
、素子は一方のＦ”’ｉ　（鶴６において共通接続さね
た並列ダイメートと見ることができる。化２図において
は領域は六方状に分割込れておりウェハ１」二の円形の
小′１＋Ｌ・１帆５のみが示憾れている。なお記１図お
よび第２図Ｖ？ｌは円形のウェハ１が示きれでいるが、
各素子は方形のチップであってもよく、かかるチップに
公知の集積回路技術を用いて多数の領域分作り込むこと
ができることは容易に理解きれよう。

第３図はいわゆるメサ形として構成された本発明の放射
線検出素子の製造工程の原理を示すもので、同図（ａ）
には前述の超高比抵抗シリコン−申結晶ウェハ１の一部
が断面で示されている。このウェハの導電性は例えば本
質半導体に近い弱いｐ形である。ｌｉｔ、！４１１！ｉ
工ｎ　Ｏ））においてはこのウェハ１の両面が酸化され
酸化シリコン層２が形成される。工程（ｃｌにおいては
将来タイオード接合を形成する拡散層を作り込むウコー
ハの一方の主面Ｊａ（図の上側）とは反射側の他方の主
面］　１）　（図の下＄１＋１　）の酸化ンリコン膜が
エッグーングにより除去される。工作（ｄ）においては
この他方の主面１ｂからボロン等を拡散して基板１と同
導電性の’ｊｆＪｉい不純物濃度の拡散層３が拡故婆れ
る。この図の例ではこの拡散層十 はｐ形であり、将来この上に蒸着される電極６と結板１
の高抵抗域との間の仲介の役目を果す。工程（ｅ）で（
づ−他ブノの主面１　ｂ　Ｊ二に再び酸化シリコン層２
が形成され、工程（ｆ）では一方の主面Ｊａ上の酸化シ
リコン層２がエツチングで除去され、この一方の主面か
らの拡散準備がこれで終わる。

工程（ｇ）では一方の主面１ａがら基板１とのダイオー
ド接合を形成するための基板１とのダイオード接合を形
成するだめの基板１とは反対の２７７−型彫の強い不純
物濃度の拡散層４が拡散層れる。この図の例では拡散層
４が基板の一方の主面】ａの全１１ 部に拡散された例が示されているが、将来各れ領域を形
成する部分のほぼ中央部にのみこの拡散層４を選択拡散
することは容易である。もちろん。

このためには工程（（・）の次に酸化膜２に窓明けをし
、この窓から拡散層４を選択拡散をしたのちに酸化ｌｊ
Ｆ、７２をエツチングして除去する必要があるが、説。

明の簡単化のため図ではかかる実施例が省略きれている
ことを諒Ｉ簀されたい。工作（１１）では拡散層３およ
び４の上にそれぞれ′Ｋ　４Ｔｈ　ｌ曽６および５が蒸
着などの手段で設けられる。他方の主面］、ｂ側の電極
６は半田づけ等に便利なりローム・ニッケル・金の複合
層がよく、一方の主面Ｊ　ａ　（（１１１の市イ愼５と
Ｌ２てはボンデング作業に適するアルミニウムでよい。

工程（１）では一方の主面ｌａ側にエツチング液に耐性
のあるピッチ７等を例えばスプレィ法で所定ツバターン
で付着させる。このパターン形成のためには適当なマス
クを用いてピンチをスプレィすればよく、このピッチが
付着された領域が本発明のダイオード領域になる。工１
？（Ｊ）では、ピッチ層７が被ゆされていない一方の主
面１ａ側から凹み８がエツチングにより掘り込まれて領
域間の抑制領域が形成きれる。工程（１０では、前述の
ピッチ層が溶媒によって除去され、これでウニハエ程を
終了する。

なお前述のように工程（ｇ）において領域の中央部にの
み接合を形成する拡散層４を形成した。場合には、■＝
ｌＵ　（１＋）に卦いてもその部分にだけ電極５を付着
すればよく、工程（１０の後に電極５によって覆われて
いない表面に適当な保訴層を形成することができる。

以上の上りに冗成されたウェハないしチップ１ｄ、第５
図に示されるように、ステム１２上に半田つけ等の手段
でその他方の主面１　ｂ　（ｔｌｌｌでマウントされる
。この段階あるいはマウン）・前のウェハ段階で各領域
の特性が４１１１定され、特性が不良な領域の′市（愼
５ｂにはマーキングがされる。ウコニハのマウント後特
性良な領域のｆＷｉ傘ｓａはボンディング線１３により
相互に並列接続されリードビン１４に接続きれる。第５
図に見られるように特性不良な領域の電極５１）は接続
されないで放置される。

Ｊ５はステム１２に立て込−まれたり一ドビンであり、
ギヤジブ１６が上記の作業終了後ステム１２にかぶせら
れてウェハ１を真空密に封入し、これで素子が完成する
。

この放射線検出素子を用いて放射線を検出するためには
、１ずリードビン１４，１５間に図示し／′１０ ない電源に例えば２０Ｖ程度の直流電圧を印下し。

て、拡ｔ＆　Ｍ　４と基板１との間の接合に逆バイアス
をかけておく。これによって空乏層が基板１内に広がる
様子を第６図に示す。この図では前述のような１領域の
中央部の一部にのみ小拡散僧４が設けられた場合が示さ
れている。電極５，６１″１−ＩＪに印加された逆バイ
アス市川により空乏層Ａは拡散層４からウェハ１のＪ２
．？さ方向Ｐに広がるほか、放射方向Ｑにも広がる。第
５図のようにキャップ１６を通ってこの空乏層Ａに入射
した放射線Ｒは空乏層Ａ内にＩＪ負の荷電対を発生し、
この荷電対によって発生したパルス拓、流が前記の逆バ
イアス電圧ルｐ の卵重回路に流れて、公知の手段により検出ないしｉｊ
：　１ｌｌｌｌ定される。いまもし、ｔｓ’、極５ａ下
の領域が特性良であるに対して電極５ｂ下の領域が特性
不良であったとし、空乏層Ａが空乏層Ｂに示すようるこ
とができず、特許不良々領域の拡散層４の端部４１）に
達しない限り、特性良な領域が特許不良な領域により影
響されることはない。

つぎに第４図ｔ」一本発明全ブレーナ形素子に適用した
場合の実施例を示す。メサ形の場合と同様に同図（ａ）
には超高比抵抗シリコン単結晶のウェハ１の一部が断面
図で示烙れている。工程（１））では該ウェハ１の両主
曲に酸化シリコン）摸が形成され、工程（ｃ）では一方
の主面１ａの将来に領域となる個所ツ を除いて酸化膜２が工負チングにより選択的に除去され
、他方の主面１　ｂの方の酸化膜を全部、除去される。

工程（ｄ）においては酸化ｌＩＩ！￥２が残存する部分
を除いてウェハの両主面から強い不純物濃度でウェハ１
と同じ導電性の拡散Ｉ＠３．９が拡散される。たとえば
ウェハ１が弱いＰ形である場合には、ホロン拡散により
西杉の拡散がなされる。一方の主面１ａＩＩＩＩＩのか
かる拡散層９は領域間の境界域に作り込まれ、本発明に
おける抑制領域を形成する。

工程（ｅ）においては、ウェハ１の両主面は再び酸化シ
リコン層２で全面が覆われる。工程（ｆ）では、一方の
主面１ａの領域の中心に当たる場所の酸化シリコン膜が
エツチングにより選択的に除去されて拡散のだめの窓２
ａが形成され、工程（ｇ）で該窓２ａからウェハ１とは
反対の導電形の強い不純物濃度の拡散層１０が拡散され
る。前のようにウニ／・１か弱いｐ形の場合は燐が拡散
されてこの拡散ｔｘ１ｏはｎ形となり、ウエノ・Ｊとの
間にタイオード接合が形成される。なお、この拡散の除
に拡散ｊ曽１０の表面は図示のように酸化／リコン膜に
よって再び梼われでしまうので、工Ｐｉ’　（Ｉ＋）に
おいて同じ、場所に再び窓明けをエツチングにより行な
う。

つき゛に工、１１ｅ（ｉ）でυ、一方の主面］　ａ　１
１！ｌｌにアルミニウド等の’Ｉ”ｌ−、：　’ｌ布層
Ｊ１を゛蒸着し、工程（１）において拡１１Ｌ１．層１
０の部分の？ＩＩ、極層を除いて残余の市３極層不二選
択エノチンダにより除去する。最後に工程（１０におい
て他方の半田！　１１）　１１ｊｌｌに全領域に共通の
電極層として半［（１つけに便利なりロー〕、・ニッケ
ル・金からなる複合をれた電極層６を蒸着してウニハエ
程を終了する。このようにして、一方の生１ｎｉｌ；１
１ｉ４ｉに妊、各領域に１１．極１１が形成され、その
残余の而にｄ、酸化／リコン膜が残きれて空乏層が拡散
層Ｊ　Ｏｋ中ノし・に放散方向にも広がらせるために役
立つ。

以」−σ）ようにして中才作婆れたウエノ・庁いしナツ
プ１はノリ形の場合と同様に第５図と全く同じように晶
」？１ケース中に封入されて放射線検出特性が構成され
る。特性不良な領域を除いて、特性良なｔ１１域のみを
選択的に接＾・元して用いることができることもメサ形
の場合と同じである。ゾｌ／−す形ウコーハ中にを氷層
が広がるイ））ζ子を第７図に示す。ある領域の接合を
形成する拡散ノｉｉｏから幻−他方の主面１ｂに向けて
ウェハの厚」・方向１）　Ｋ　９２乏層Ａが妊びると同
時に放射方向Ｑに向かっても空乏層Ａが１急速に延びる
。図示のように一力の主面】ａｌｕｌｌには酸化シリコ
ン層２が残っており、公知の酸化膜の作用により酸化ソ
リコン膜２の一■方のウニーハσ］１には反転層２ｂが
生じるので、この放射方向Ｑへの空乏層の広がりは急速
に起こシ、実際上は抑制領域としての拡散層９の端９ａ
に才で空乏層Ａが広がる゛が、拡散層９がウェハとは逆
の力゛車形であるので該端９ａを越えては延びない。そ
こで今もし由：極１］ａのある領域の特性が良で、Ｔｋ
惟１１１〕のある領域の特性が不良であったとすると。

空乏）曽がＢに示すように憫性良な領域から特性不良な
領域に侵入しようとしても、空乏層１３の上端ることか
できない。従って、領域間に抑制領域としての拡散層９
を設けたことにより、特性良な領域の特性が隣接する特
性良な領域の存在によって影響を受けることはない。

最後に以上のような実施例に示された本発明のもつ効果
について述べる。前述の実施１夕１１の説明からすでに
明らかなように、放射線検出素子中の半導体ウェハのバ
ルク内への墾乏層形成の（冷泉としてのｐｎ接汗面の面
積が本発明によれば比較的不埒いので、該接合面に結晶
の格子欠陥や格子不整が偶然光る確率は小さく空乏層が
正常に形成されによってりて氷層の広がりが影響される
ことは実際上ないので問題はない。

寸た万−空乏層の広がりがある領域において不良であり
、１１「っでその領域の放射線検出特性が不良であっ／
ことしても、前述のようにががる特性不良な領域を使用
しなければよいので素子ウェハ全体がこれによって不良
になってし−ｆうことがない。

埒らに１ｉｆ１域間の境界域にはメサ形においては凹み
、プレーナ形においてはウェハのｐＢＪｆ、形と同じ強
い不純物濃度の拡散層からなる抑制領域を設けたので、
！Ｌ￥性良な領域から特性不良な領域深くまで空乏層が
侵入して特性良な領域の特性が悪化するおそれは全くな
い。

以上の守山により本発明は感度と砧度がよくかつ製作歩
留がよい安価な放射線検出素子を大量生産するに適する
ものである。

【図面の簡単な説明】

図はすべて本発明を示すもので第１図および第２図は放
射線検出用ウェハの領域分割のそれぞれ異なる例を示す
図、第３図および第４図はそれぞれメサ形およびプレー
ナ形どして構成された互いに異なる実施例のウニハエ程
を示す図、第５図は密封クース内にウェハを封入し７た
本発明による放射線］炙出素子の断面図、第６図および
第７図はそれぞれメサ形およびプレーナ形として構成さ
れた実施例におけるウェハ内部のごど氷層の拡がりの状
態を示す図である。 図において、１は高抵抗性のシリコン基板、４、ＩＯ＆
まノ、Ｉミ板とクイオード接合を）１そ、５９．−ノー
る１広散層、５．６．１１　（ｔよ′「Ｌ極、８　ｉ−
１メサ）しにおける担ｊｉ１ｉ１１　′ｐＨ域としての
凹み、９はブレーブーＪヒにおいｙる抑制領域としての
拡散層、Ａ、Ｂは空乏Ｉ？今、ｔ’　、　Ｑは窒氷層の
広がる方向、である。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｊ　）　ｉ’＞、件十勇体に近い弱い一方のｉ”ｆ−Ｖ
   ｉｉ性をイ１する高４１Ｖ抗４′ｌのノリコン基、仮の
   一方の主面から強い他方の會ｌｌｌ、性を・１１１′る
   拡散層を拡散して［）ｌＩ記基板との間に接合を形成き
   ぜ、該接合に１１ｂバイアスなかけてりど乏層を該接合
   から１ｅｉＪ記基板の他力の主面ＩＮ・１にかけて該裁
   板のバルク内にあらかじめ縦方向に１１ＨＦ、　（’：
   烙せておき、該空乏層に入射する放射線により生じる（
   ’、Ｔ　７１’、体が発生するパルス′１１シ流に）１
   （づいて；、亥）ｉ’ｊ、射線全１ｉｉ１１定するよう
   に（−７た放射線検出素子において、前記基板の一力の
   主面側を複数個のほり１同一の領域に分割し、て該各領
   域の中央域の一部に凸！１．ｉ［：拡１牧層をそれぞれ
   配することにより窮乏層が該各拡１１に層の箔板との接
   合から基板のバルク［）」にノｌ！射力向ｐ（ｌも形成
   されるように１７、各領域のＦｌｌ領領域の間の臆ｊ゛
   １′−域にけ空乏ハリが該領域から隣接ｉｉｌ’ｌ威内
   に延ひるのを前記一方の主面側で抑制する４”ｌ’　１
   ｉｌｌ卸威を設りたこと全特徴とする半嗜体数則線憧出
   素子。 ２）′（プｆ￥ｌ、ｊＩｆ氷の範囲２４！、　Ｉ　Ｊｆ
   Ｈ記載のＩ＆射糺（検出素子において、抑制領域が隣接
   ｔ［１域において基１反の一方の主面からす（１込まれ
   た凹みであることを〕特徴とする半導体放射線検出ゴ（
   ５子。 ：３）特許Ａ：’ｒ　、）Ｒの範囲第］　Ｊｊｌ記叔の
   放射約検出素子において、抑制領域が各領域の中央部周
   縁から隣接領域にかけて基板の一方の主面から堀込才れ
   た凹みであり、拡散層の基板との接合面が該凹みの１川
   面において終タヘ１シするようにしたことを特徴とする
   半５ｒｒ体放射）が検出素子。 ４）！ｌ￥５′Ｆ請；Ｊ、の範囲第１項記載の放射線検
   出素子において、抑制領域かり、（板の一力の主面側か
   ら拡散された強い一方の２，９電性を楢する拡散層であ
   ることを％　ｒ？＜とする半５り体数ｑ−［紳伸出累子
   。 ５）ｌｔ’鴇、′１請求の軸囲第４　ｆｆ４記載の放射
   線検出素子において、１」１１域の中央域の他方の２．
   １屯性を有する拡散層と抑１ｂ１１領域と１〜ての一方
   のカーｉｔｖ　ｉ″′トを有する拡散層との間の基板の
   一方の主面の表面が酸化／リコン膜で覆われたこと全行
   ［改とする半）ｎ体放鋤線検出素子。