JP2000510649A - 超薄型電離放射線検出器及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超薄型電離放射線検出器及びその作成方法を開示する。かかる検出器は基板(２００)、絶縁層（２０２）及びシリコンの表面薄層（２０４）により構成される積層体からなり、その中に検出ダイオードが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 超薄型電離放射線検出器及びその製作方法 技術分野 本発明は、例えばＵＶ−光子、Ｘ−光子、α−又はβ−粒子等の電離放射線の 超薄型検出器、及びその製作方法に関する。 この発明による検出器には、強いバックグラウンドガンマノイズが存在する媒 質における荷電粒子又は中性子の検出、重イオンのフライト時間の測定、更に又 は、Ｘ−線又は陽子等の流れのオンライン測定等の多様な適用法がある。 また、本発明は種々の放射線を同時に検出するべく、厚さが調整されている複 数の層の検出器から成るいわゆる「インテリジェント」検出器の製造にも適用で きる。 従来の技術 放射線の半導体検出器は、電離放射線と物質間の相互作用によって発生され、 電子−正孔の対から成る電荷の集合の原理に従って働く。その種の放射線は、半 導体物質を通過する際、そのエネルギーを全て又は部分的に前者に伝達し、電子 −正孔対の発生をもたらす。例えば、シリコンにおいて一対の電子−正孔を発生 させるためには、約３．６ｅＶ程度のエネルギーを要する。 図１はシリコンを用いた検出器の動作を示す。矢印１０で示す電離放射線がシ リコン板１２を通過すると、後者内に電子−正孔対が発生する。シリコン板の対 向する面をそれぞれ覆う電極１６、１８はそれぞれ電圧源２０とアースに接続さ れ、シリコン板１２内に電界Ｅを引き起こす。この電界の作用によって電荷、即 ち電子や正孔は、電極１６、１８へ移動し、例えば端子２２等の検出器端子で収 集可能となり、記録可能な電気信号を生成する。 電界Ｅが検出器全体において一定である場合、各光子又は入射粒子１０につい て、半導体との相互作用に関わらずその光子又は粒子がシリコンに付与したエネ ルギー分に比例した電気パルスが検出器端子で記録される。一方、電子−正孔対 は自然に再結合する特徴を持ち、電子と正孔が再結合する前の自由移動距離が検 出器の厚さより大きい場合に限って、信号は付与エネルギーに等しくなる。 物質への放射エネルギーの伝達は入射する放射線の種類及びエネルギー量に依 る。その伝達は異なる過程により実現され、エネルギー損失も異なる。例えば、 下記表１は多種の放射線や荷電粒子による入射放射線エネルギーの９０％を吸収 する為に必要なシリコンの厚さ（ｅ）を示す。 しかし、放射エネルギーの損失は統計的な特徴を持ち、表１に示す値は９０％ の放射エネルギーを吸収する為に必要となる平均厚さに該当する。例えば、５０ ０ｋｅＶのガンマ光子が厚さ３００μｍのシリコン検出器（標準型検出器）を通 過する場合、検出器内の反応確率は７×１０^-4であり、シリコンへのエネルギー 伝達量は１５０ないし２００ｋｅＶとなる。毎秒１０⁵個程度の強いガンマ光子 の流れの場合、毎秒１５０ないし２００ｋｅＶの光子エネルギー損失に該当する ７０本の電気パルスが検出器の端子で記録される。実際、０ないし５００ｋｅＶ に該当する一連のパルスが記録される。 半導体検出器のある適用法では、その検出器の厚さが０．１μｍないし数十μ ｍであることが好ましい。 例えば、放射線がシリコンにおいて大きく異なる吸収距離を有する複数種の放 射線を含み、そのうちの一種の放射線のみ、例えば吸収距離が最も小さいものが 測定の対象となっている場合、その吸収距離に等しい又は近い厚さの検出器を用 いることが好ましい。 例えば、強いガンマ放射線干渉信号が存在する媒質において１ＭｅＶのアルフ ア粒子を検出するためには、アルファ信号対ガンマ信号の比はシリコン検出器の 厚さがアルファ粒子の吸収距離に該当する約４μｍの時最適である。そのような 検出器では、全てのアルファ粒子が検出器内でその全てのエネルギーを失う。極 めて少数のガンマ光子（＜１／１０００）が検出器と作用し、そのシリコンと作 用するガンマ光子は極めて少量のエネルギーを失う。電子信号は放射線がシリコ ン内で失うエネルギー量に直接的に比例するため、アルファ信号はガンマ信号よ り遥かに強い。 薄型検出器を必要とする更なる適用法は、放射線から実質的に一定にエネルギ ーが損失される場合のＸ−線、ガンマ線及び／又はオンライン粒子の測定である 。 例えば、５．５ＭｅＶのアルファ粒子の流れのオンライン測定において、粒子 のエネルギー損失が大き過ぎず、粒子のカウントを可能とするためには、エネル ギー損失が１００ｋｅＶ程度である検出器が必要となる。具体的に、この例では 厚さ約０．５μｍのシリコン検出器が適当である。 従来から市販されているシリコン表面障壁型検出器は厚さ約１０μｍ以上であ る。 この種の検出器は通常厚さ数百ミクロンのシリコンウエーハを機械的に薄くす ることによって得られる。機械的抵抗や残留厚さの調整等に関する理由により、 機械的薄化によって厚さ１０μｍ未満の検出器を製造することは極めて難しい。 また、ウエーハの厚さは約±１．５μｍまでの精密さに留まる。そのため、こ の種の検出器は前述の適用法には適しない。 この明細書の最後に示す文献（１）はシリコンの厚層内に検出ダイオードが設 けられている放射線検出器に関する。この検出器は、絶縁酸化層によりシリコン 厚層から絶縁されるシリコンの表層上に形成される電気回路に関連する。この種 の検出器は、層の厚さ（１００μｍ）によって薄型検出器に関する本発明の適用 分野から排除される。また、明細書の最後に示す文献（２）の記述はＭＥＳＡ構 造のダイオードを用いる熱絶縁型放射線検出器に関する。この文献に述べる方法 でも薄型検出器を製造することは不可能である。最後に、文献（３）はSOI基板 の薄層上に形成される光ダイオードに関する。しかし、これらダイオードは電離 放射線の検出や分光測定には適しない。 最後に、本発明は好ましくは厚さ０．１ないし１０μｍの薄型検出器を実現す ることを一つの目的とする。また、厚さを極めて精密に調整し得る検出器を提供 することも目的とする。更に、本発明は受信される光子や荷電粒子のカウントを 行うことのみならず、その放射線のエネルギー分光測定を行うことを可能とする 超薄型検出器の提供を目的とする。本発明はかかる検出器の容易な製造方法をも 提供する。また、本発明は従来の方法により得られるものに比べ、小容量及び微 電流の薄型検出器の製造方法をも提案する。 開示の説明 これら目標を達成するべく、本発明の目的は更に具体的にはシリコン基板、酸 化シリコンの絶縁層及びシリコンの表面薄層から成る積層体を有するSOI構造体 の該表面薄層に検出ダイオードが形成され、該ダイオードは、表面薄層の少なく とも一部分と共にそれぞれ整流接合とオーム接合を成し、電圧の印加により該薄 層部分に検出電界を確立可能とするいわゆる接合層である第一及び第二層を有す る電離放射線検出器において、該第一及び第二接合層はその間に実質的に一定な 電界を確立するよう実質的に平行に対向する主面を有することを特徴とする電離 放射線検出器を提供することである。 本発明の場合、電離放射線とは電子−正孔対を発生させ得る任意の放射線を意 味する。従って、該放射線は可視放射線、紫外線、Ｘ−線、ガンマ線等を含み、 また、アルファ粒子やベータ粒子等の荷電粒子、更にアルファ粒子（ホウ素１０ ）又はベータ粒子（ガドリニウム）へ転換後の中性子をも含む。 また、「整流接合」とはショットキー型接合又はPN型接合を意味する。現在の技 術用語では、ショットキー接合は「整流接触」としても知られる。オーム接合は 「オーム接触」としても知られる。 本発明の特徴によると、有効体積（検出器の希薄領域）において均等である電 界を接合層間に成立させることが可能となる。この均等電界により、電離放射線 によって生成された電荷量に比例する電荷量を検出器の端子で収集することがで きる。従って、エネルギー分光測定が可能となる。 分光測定には、電離放射線によって生成される全ての電荷（電子及び正孔）を 検出器端子で収集すること、もしくは検出器端子で収集される電荷量が電離放射 線によって生成される電荷量に比例することが必要である。前者の場合、電荷収 集距離（再結合まで電荷が移動する距離）が電極間距離、つまり第一と第二接合 層間の距離より大きい必要がある。実用上、ダイオード端子に逆電圧を印加し、 検出体全体に亘って収集距離が電極間距離を上回ることを図ることとなる。収集 距離はシリコンの電気的性質によって制限され、高純度結晶性シリコンの場合、 約７００μｍである。後者の場合、収集電荷量が生成電荷量と比例する必要があ るならば、装置を逆極性化するために印加される電圧は、検出器の全有効体積( 希薄領域)に亘って実質的に一定な電界を成立させなければならない。 本発明を用いて製造される検出器の厚さは数ミクロンから数十ミクロンである ことが好ましい。技術的観点からは、この厚さはSOI基板の薄層の厚さによって 決定される。また、検出面積は通常約１００μｍ×１００μｍから１ｃｍ×１ｃ ｍである。ショットキー又はPNダイオードの面積はそれぞれショットキー接触又 はPN界面の面積によって決定される。検出体積はダイオード面積及びダイオード の厚さによって決定される。検出装置内で付随性放射線によって損失したエネル ギーの分光測定も必要となる。アルファ粒子の検出では、粒子が移動した経路に 沿った直径１ミクロン未満の円柱内で電荷が発生する。ベータ粒子及びＸ−線で は、電荷発生は付随性放射線のエネルギー量により、半径１／１０ミクロン程度 である概略球体内で起きる。従って、電荷が生成される体積は明らかに検出体積 に比べ極めて小さい。 本発明の第一実施形態によると、上記第一接合層は表面薄層の一部分の自由面 に接触する第一の金属層であり、その層部分と協働してショットキー型の接合を 成す。 表面薄層を構成するシリコンは望ましくは高比抵抗のシリコンである。 表面薄層を通過する放射線を検出するため、検出ダイオードは逆極性化されて いる。 表面薄層の厚さは検出する放射線の種類及びエネルギー量によって有利に選択 できる。この薄層は肉厚ウエーハを薄化して得るのではなく、厚さは初期SOI構 造によって決定される。厚さ０.１μｍから１００μｍの表面薄層を有し、１０ ％程の精密さまで規制されたSOI基板の製造方法は既知であり、市販されている 。 本発明の第二形態によると、上記第一接合層は第一種の導電性を有する表面薄 層の領域であり、該領域は第一種の導電性とは逆の第二種の導電性を有する表面 薄層のいわゆる中間領域と接触し、後者と協働してPN型接合を成す。 第一種の導電性は例えばＮ型導電性であり、第二種の導電性はＰ型導電性であ る。従って、表面薄層はアクセプター不純物でドープされ、伝導は自由正孔によ ってなされる。従って、検出領域はＮ型ドナー不純物でドープされたシリコンに ある。接合はPN型接合である。 いずれの方法によって検出器が製造されるものであれ、その表面薄層の下面に 接続され、SOI構造の表面層の一面から連絡可能な接点を設けることができる。 本発明の検出器のいずれの実施形態にも適用できる本発明の具体的な実施例に よると、上記第二接合層は表面薄層の一面と接触する第二金属層であり、表面層 の一部分と協働してオーム接触を成す。 第二金属層と表面層の部分は異質接合をも成す。しかし、それは「オーム接触 」とも呼ばれる非整流異質接合である。 実施例の一変更例によると、該第二接合層は表面薄層の第一種の導電性とは逆 の第二種の導電性を有する領域、いわゆる接触領域であり、接触領域は中間領域 と接触する。中間領域のドープ不純物濃度は接触領域のそれより低い。 ショットキー型の接合を有する検出器の実施形態では、表面層の部分は第一金 属層と接触する偶発的にドープされた領域及びドープされたいわゆる接触領域を 有することが可能である。 高濃度ドープ接触領域は偶発的にドープされた領域上に導電接点を形成可能と する。以後は第二金属層と同様な役割を果たす。 従って、検出器は接点のためのSOI構造のいずれかの外面から接続可能であり 、表面薄層、又は酸化シリコン層及びシリコン基板を横切る接続子を有すること が可能である。 本発明の具体的な実施形態によると、該表面薄層の一部分は電気的に絶縁され 、互いに平行で酸化シリコン層に対して実質的に垂直な少なくとも二つの対向す る側面を有する。第一と第二の接合材層はそれぞれ対向する側面に位置する。 上述する実施形態の好適な形態の一つとして、検出器は表面薄層の一部分を包 囲する少なくとも一つの絶縁溝を有する。 本発明の更なる目的は上述するような検出器の製造方法を提供することである 。ダイオードがショットキー型の接合を有する第一実施例では、その方法は次に 挙げる過程を含む： 構造がシリコン基板、酸化シリコン層及び表面薄層の積層体を含む絶縁体上シ リコン型（SOI）のシリコンの表面薄層の一自由面上に電気的絶縁層を形成し、 該電気的絶縁材層内に検出領域と隣接する開口を形成し、 上記開口中に上記表面層の自由面と接触させて、表面層と協働してショットキ ー型の接合を成す導電性材層を形成し、 シリコン基板及び酸化シリコン層を局所的にエッチングして、検出領域内に表 面層へ通じる裏進入開口を形成し、 裏進入開口中に表面層と接触し、表面層と協働してオーム接触を成す導電性材 層を形成する。 ダイオードがPN接合を有する更なる実施例では、その方法は次に挙げる過程を 含む： ａ）シリコン基板、酸化シリコン層及び表面薄層の積層体を含むSOI型構造を 有し、表面薄層は第一種の導電性及び第一不純物濃度を有する第一ドープ領域と 、同種の導電性及び第一濃度より高い第二不純物濃度を有する第二ドープ領域を 含み、第二領域は酸化シリコン層と接触し第一領域内に埋め込まれているウエー ハの表面層の一自由面上に絶縁材の層を形成し、 ｂ）導電性材層内に検出領域と隣接する開口を形成し、 ｃ）検出領域内の表面薄層を第一種の導電性とは逆の第二導電性を有する不純 物でドープして第三領域を形成し、 ｄ）ウエーハを熱アニ−リングし、 ｅ）第一と第二と第三ドープ領域は各々中間領域と接触領域と検出領域を成し 、更に第二及び第三ドープ領域上に電気的接点を形成する過程を含む。 本発明の一実施例では、それぞれ第一と第二ドープ領域を成す積層された二の 副層を含む表面薄層をSOI構造の製造中に形成することも可能である。 説明を明瞭にする為にのみ付与され、決して本発明を限定するものではない添 付図面及び図画を参照する以下の説明によって、本発明のその他の特徴又は効果 は明らかとなる。 図面の簡単な説明 図１は既に説明済みであり、放射線検出器の動作原理を説明するためのそれの 概略図である。 図２Ａないし２Ｆは本発明による放射線検出器の製造で用いる構造を示す拡大 断面図である。その検出器の第一製造形式の過程を示す。 図３Ａないし３Ｆは本発明による放射線検出器の製造で用いる構造を示す拡大 断面図である。その検出器の第２製造形式の過程を示す。 図４は本発明による検出器の具体的な実施形態を示す断面図である。 図５は図４に示す検出器の検出ダイオードの上面図である。 図６Ａないし６Ｅは本発明による検出器の第三製造形式の連続する過程を示す 断面図である。 特定の製造形式の詳細な説明 図２Ａないし２Ｆには発明による検出器の一製造方法を示す。具体的には、接 合層及び接触層が金属層である検出器に関する。 図２Ａに示すように、方法はシリコン基板２００、酸化シリコン絶縁層２０２ 及び表面薄層２０４の積層構造で構成される絶縁体上シリコン（SOI）型基板か ら始まる。これら層２００、２０２、２０４の厚さは、ここで述べる実施例では 約３００μｍ、０．１μｍ及び５μｍである。 一般的に、酸化シリコン層２０２の厚さは望ましくは約０．１μｍないし５μ ｍである。検出器の活性層である表面薄層２０４は望ましくは厚さ０．１μｍな いし１００μｍである。 薄層２０４の厚さは検出の対象となる放射線の種類及びエネルギー量により選 択される。 SOI構造は既知の方法で製造できる。例えば、いわゆるSIMOX法（注入酸素によ る分離）を利用して酸素イオンを注入したり、また、いわゆるSDB法（シ リコンの直接結合）を利用した直接結合によって製造できる。それら構造体は直 径６インチのウエーハとして市販もされている。 ここで述べる実施例では、表面層２０４は高比抵抗のＮ型シリコン層から成る 。比抵抗は１００Ω・ｃｍ程度である。 図２Ｂに示す第一過程では、表面層２０４上に厚さ約０．２μｍの窒化シリコ ン層２３０を配置する。層２３０は電気絶縁作用を有し、層２０４の自由面２２ ２上に配置される。次いで、層２３０に開口２３２を形成し、表面薄層の一部を 露出させる。開口２３２は、感光樹脂層を堆積し、その樹脂内にマスク開口が窒 化シリコン層に作るべく開口に対応するマスクを作成し、マスク開口を通して窒 化シリコン層をエッチングし、残る樹脂を除去する既知のリソグラフィー法によ って得る。 図２Ｃで明らかなように、開口２３２は表面薄層の検出ダイオードが形成され る部分、つまり検出器の検出領域に隣接する。 次の過程では、蒸発処理によって窒化シリコン層２３０の表面及び開口２３２ に密度４０μｇ／ｃｍ²程度の金層２２０を形成する。金層２２０は表面薄層２ ０４の開口２３２内の一部分と接触する。表面薄層の一部分と協働してショット キー型接合を成す。また、金層２２０は検出器の検出ダイオードの第一極性化端 子をも構成する。 次いで、図２Ｄ及び２Ｅに示すように、表面薄層の自由面の反対側にある面２ ２６への進入開口２４０を形成するために基板２００及び絶縁層２０２は局所的 にエッチングされる。開口２４０は、表面薄層の自由面が金層２２０と接触する 部分まで達するべく、検出領域内にエッチングされる。 例えば、基板２００のシリコンはKOH１３０ｇ及び水３００ｍｌを含有するカ リ溶液を用いて温度８５℃でエッチングされる。層２０２の窒化シリコンはHF１ ０％及び水９０％を含有するフッ化水素酸溶液(HF)を用いて温度２０℃でエッチ ングされる。 エッチングを行う際、基板及び絶縁層の検出領域の周囲にある部分は図示しな いマスクによって保護される。 図２Ｆに示す最終過程ではアルミニウム層２２４を形成する。この層は開口２ ４０の側面２４２、基板２００の自由面２４４、そして特に、薄層２０４の検出 領域に対応する部分の面２２６を被覆する。アルミニウム層２２４も密度４０μ ｇ／ｃｍ²程度であり、蒸着される。 層２２４は層２０４と協働してオーム接触を成し、検出ダイオードの第二端子 を構成する。従って、検出器の作動時には層２２０と層２０４との間に適切な極 性化電圧が印加される。アルミニウム層２２４に印加される電圧は、接合を「逆」 極性化するよう、つまり整流構造に従って、金層２２０に印加される電圧に対し て正極性である。検出信号を生成するために電荷が収集されるのもこれら層２２ ０、２２４である。 上述する方法によって得る検出器は、検出対象となる放射線のエネルギーの流 れを著しく減衰させないよう、十分に薄い表面層とすることが可能である。例え ば、オンライン流量制御に適用できる。この検出器はフライト時間の測定にも利 用できる。例えば、５.５ＭｅＶのアルファ粒子のフライト時間を測定するため 、表面薄層の厚さは一対の検出器のうち各検出器における１００ｋｅＶのエネル ギー損失に対応する０．５μｍと選択する。最後に、検出粒子の方向を知るべく 、検出器を複数の検出画素に分割できる。 図３Ａないし３Ｆには本発明による検出器の他の製造方法を示す。この方法は 特に「接合」及び「接触」がドープシリコン内に存在する検出器の製造に関する 。図３Ａないし３Ｆ中、図２Ａないし２Ｆにおける同一又は同様の部分に対応す る部分は同一符号に１００を加えた符号で示す。 図３Ａに示すように、方法はシリコン基板３００、酸化シリコン絶縁層３０２ 及びＰ型シリコンの表面薄層３０４の積層構造で構成されるSOI型ウエーハから 始まる。層３０４は高比抵抗の第一ドープ領域（Ｐ型）を成す第一副層３０４ａ 及び第一副層３０４ａを酸化層３０２に接続する第二副層３０４ｂによって構成 される。 副層３０４ａの下方に位置する第二副層３０４ｂは、不純物濃度のより高いＰ 型の第二ドープ領域を成す。その比抵抗はより低い。副層３０４ａ及び３０４ｂ はそれぞれ検出器のいわゆる中間領域と接触領域に該当する。 一例として、副層３０４ａ及び３０４ｂはそれぞれ１００Ω・ｃｍより大きい 比抵抗と０．１Ω・ｃｍより小さい比抵抗である。 副層３０４ａ及び３０４ｂは、例えばSDB法（シリコンの直接結合）を利用し てSOI基板の製造工程でホウ素不純物を基板に注入して形成できる。また、副層 ３０４ａ及び３０４ｂを具備するSOI構造のウエーハは市販されている。 図３Ｂに示す第二過程では、表面薄層の自由面３２２上に副層３０４ａと接触 する窒化シリコンの絶縁層３２９を形成する。 図３Ｃは、上述するようにこの実施形態では接触領域を成す副層３０４ｂ上の 接点の形成を示す。絶縁層３２９に開口３３１を形成して表面薄層３０４の一部 を露出させる。開口は上述の既知のリソグラフィー法によって形成される。その 表面積は例えば５００μｍ×５００μｍである。０ＭｅＶから２ＭｅＶまで増大 するエネルギーのホウ素イオンを１×１０¹⁶イオン／ｃｍ³の濃度で注入するこ とにより、副層３０４ａを横断する長さ約５μｍのＰ⁺型経路３５０が形成され る。図３Ｃに示すように、経路３５０は接触領域に対応する副層３０４ｂの接点 を構成する。最終的には経路内の不純物濃度は１０¹⁹イオン／ｃｍ³となる。次 いで、窒化シリコン層３２９はフッ化水素酸溶液を用いた化学的エッチングによ って除去される。 図３Ｄに示すように、次過程では層３０４の自由面上に更に厚さ約１μｍの窒 化シリコンの絶縁層３３０を形成する。この層には、開口３３２を形成し、表面 層３０４の自由面の検出領域に対応する部分を露出させる。開口３３２は既知の リソグラフィー法を利用して形成される。 エネルギー１５０ｋｅＶ、ドース量１×１０¹⁵イオン／ｃｍ³でリンをイオン 注入することにより、図３Ｅに示すように、厚さ約０．２μｍ程度のＮ⁺型領域 ３０４ｃが形成される。この領域は本発明の意味での検出領域である。それは表 面薄層と協働して整流接合を成す。 構造体を１１００℃で２０分間アニ−リングして、ドープ不純物を活性化し、 注入欠陥を除去する。 最後に、図３Ｅは経路３５０の上方に層３３０内に窓を開ける過程を示し、図 ３Ｆは領域３０４ｃと経路３５０上にそれぞれ接触パッド３５２と３５４を設け る過程を示す。接触パッドはアルミニウムの蒸着法によって形成される。密度は １００μｇ／ｃｍ₃程度である。接触パッド３５２及び上述の導電体経路３５０ と関連するパッド３５４はダイオード端子上の接点を成す。 本実施形態では、領域３０４ｃと副層３０４ｂはそれぞれ接合と接触層に該当 する。前者は副層３０４ａと協働して検出ダイオードを成す。それらは接合NPを 逆極性化するのに適切な電圧が印加される接点３５２、３５４、３５０を経て極 性化される。経路３５０を経て副層３２２に負性電圧が印加される。 図３Ｆ中破線で示すように、図２Ｆの装置のオーム接触を形成するための上述 した方法と同様な方法を利用して裏面を介して副層３０４ｂに接点を形成するこ ともできる。この場合、シリコン基板３００及び酸化シリコン層３０２を局所的 にエッチングして接触領域、つまり副層３０４ｂに通じる裏進入開口３４０を形 成する。 次いで、副層３０４ｂと接触する例えばアルミニウム等の導電材層３２４を裏 開口に形成する。よって、この導電材層もダイオードの接触領域上に接点を形成 する。 この第二の方法で得られる検出器は、特にドープ領域毎に接点を有する形態で は、機械抵抗に優れている。例えば、積層体の表面に形成されるホウ素同位体膜 １０を追加して中性子検出器を構成できる。よって、ホウ素同位体膜１０は中性 子がアルファ粒子に転換されることを図る。このようにして、ガンマ放射線ノイ ズには鈍感な中性子検出器が得られる。そのようなホウ素の表面膜を具備する検 出器を複数並置することによって、ガンマ粒子に対して中性子に選択的な線量計 が得られる。 図４には本発明による検出器の実施形態の変更例を示す。 この検出器は、Ｎ^-型導電性を有するドープシリコンの基板４００、酸化シリ コンの薄層４０２及びＮ^-ドープシリコンの表面薄層４０４によって構成される 。 本明細書ではＮ型導電性を有するシリコンのSOI基板から成るドランジスタを 特定する。必要に応じてＮドープ部をＰドープ部に代えることで、同等な検出器 を作成できる。 表面薄層の一部分４０６は酸化シリコン層４０２及び表面薄層をその自由面に 対して垂直に横切り、酸化層４０２まで延びる溝４０８により絶縁される。 層部分４０６の対向する側面にそれぞれＰ⁺型とＮ^-型である高濃度ドープ領域 ４２０、４２４が形成される。これら側面は酸化シリコン層に対して実質的に垂 直で、互いに平行である。 対向する側面に配置するＰ⁺型及びＮ^-型ドープ領域４２０、４２４は本発明で 意味する第一及び第二接合層である。Ｎ⁺領域４２４は薄層のＮ型部分４０６と 協働して「オーム接合」を、Ｐ⁺領域４２０は薄層部分４０６と協働して「整流 」接合を成す。 極めて簡略された図で示すように、領域４２０及び４２４上の接点４２６は検 出器の読取電極を成す。これらは図示しないカウンタ手段及び／又は適当な分光 測定手段に接続可能である。 図５は図４の部分上面図である。しかしながら、ここで言及するが、図４と図 ５とは同スケールではなく、異なる部分の相対尺度は明解性の理由で必ずしも正 確には保たれてはいない。この図には検出ダイオードの一部を成す表面薄層部分 ４０６、薄層部分４０６の側面の第一及び第二接合層を成す領域４２０、４２４ 、溝４０８及び残る表面層４０４の一部を示す。 この図から明らかなように、薄層の一部は凹形状を有する。 本実施形態では、表面薄層は互いに平行な対向面を有する複数の部分を有する 。第一及び第二接合層を成す領域４２０及び４２４はこの部分の対抗面上に延び ることは明らかになるであろう。領域４２０及び４２４の接点は符号４２６で示 す。 次に、図６Ａないし６Ｅを参照して本発明による検出器の第三製造方法を述べ る。 図６Ａに示すように、この方法はシリコン基板６００、酸化シリコンの薄層６ ０２及びシリコンの表面薄層６０４より構成されるSOI構造体を用いる。 ここで述べる実施例では、表面薄層はＮ型導電性のものである。一方、Ｐ型層 を用いても同様の検出器を得られる。図６Ａの構造体は図２Ａのものとは類似点 があり、これらの点については以上の説明を参照できる。 図６Ｂに示す第一過程では、表面薄層の自由面に対して実質的に垂直で、酸化 シリコン層６０２に対して実質的に垂直な一本（又は複数本）の溝６０８を表面 薄層内のエッチングによって形成する。溝６０８は検出ダイオードの一部を成す 表面薄層部分６０６と隣接し、それを横方向に絶縁する。 表面薄層部分６０６は酸化層６０２により基板６００からも電気的に絶縁され る。 以後の過程では、溝内を含む表面薄層を熱酸化する。結果的に表面薄層全面、 特に層部分６０６は酸化層６０３により被覆される。 表面薄層部分６０６の第一側面は熱酸化層６０３内に形成される第一開口６０ ５により露出される。開口６０５は写真製版等の製版処理によって形成される。 図６Ｃに示すように、露出面に接合層を成すＮ⁺型領域６２４を形成するべく 、開口６０５はドープされる。この接合層は本発明で意味する「第二」接合層で あり、部分６０６と協働していわゆる「オーム」接合を成す。 次の過程では、特に開口６０５を封鎖し領域６２４を保護するため、酸化アニ −リングを行う。 表面薄層部分６０６の対向する第二側面を露出させるよう、熱酸化層に第二開 口６０７を形成する。 開口６０７に対して更なるドープ処理を行うことにより、図６Ｄに示すように 、これも接合層を成すＰ⁺型領域６２０が形成される。これは本発明で意味する 「第一」のいわゆる「整流」層である。 最終過程では、領域６２０を保護するため第二の酸化アニ−リング処理を行い 、表面薄層部分６０６のドープ領域６２０及び６０６上に接点６２６を形成する 。これら接点はダイオードの極性化及び読取電極を成す。 この工程が完成すると、図４によって既に説明済みのものと同様な検出器が得 られる。 明細書で引用する文献： （１） B.Dierickx他,「Integration of CMOS electronics and particle detector diodes in high-resistivity silicon-on-insulator wafers 」,IEEE Transaction On Nuclear Science,vol.40,°4,1998年八月,753-758頁 （２） ＤＥ−Ａ−３ ３３３ ４１０（抄録） （３） ＪＰ−Ａ−６３ ０５５ ９８０

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成９年１１月１９日（１９９７．１１．１９） 【補正内容】 補正書の翻訳文明細書の翻訳文第３頁１８行ないし第４頁６行： また、ウエーハの厚さは約±１．５μｍまでの精密さに留まる。そのため、こ の種の検出器は前述の適用法には適しない。 この明細書の最後に示す文献（１）はシリコンの厚層内に検出ダイオードが設 けられている放射線検出器に関する。この検出器は、絶縁酸化層によりシリコン 厚層から絶縁されるシリコンの表層上に形成される電気回路に関連する。この種 の検出器は、層の厚さ（１００μｍ）によって薄型検出器に関する本発明の適用 分野から排除される。また、明細書の最後に示す文献（２）の記述はＭＥＳＡ構 造のダイオードを用いる熱絶縁型放射線検出器に関する。この文献に述べる方法 でも薄型検出器を製造することは不可能である。最後に、文献（３）はSOI基板 の薄層上に形成される光ダイオードに関する。しかし、これらダイオードは電離 放射線の検出や分光測定には適しない。 文献ＦＲ−Ａ−２２８４９８９及びＥＰＡ２７９４９２も光検出装置を示す。 しかし、これら光検出器は絶縁体上シリコン技術（ＳＯＩ）を利用しない。 最後に、文献「Proceedings of 1994 Conference on Lasers and Electro-opti cs」,vol.8,1994,22頁はＳＯＩ構造体の表面層に光検出器を形成することを示す 。しかし、それは同一平面電極を有する検出器に関する。 最後に、本発明は好ましくは厚さ０．１ないし１０μｍの薄型検出器を実現す ることを一つの目的とする。また、厚さを極めて精密に調整し得る検出器を提供 することも目的とする。更に、本発明は受信される光子や荷電粒子のカウントを 行うことのみならず、その放射線のエネルギー分光測定を行うことを可能とする 超薄型検出器の提供を目的とする。本発明はかかる検出器の容易な製造方法をも 提供する。また、本発明は従来の方法により得られるものに比べ、小容量及び微 電流の薄型検出器の製造方法をも提案する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リオネル・ババジアン フランス国 Ｆ―77600 シャンテゥルー プ アヴェニュー・デュ・ボワ―ド―シン ニー 11

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． シリコン基板(２００、３００、４００、６００)、酸化シリコンの絶縁層 （２０２、３０２、４０２、６０２）及びシリコンの表面薄層（２０４、３０４ 、４０４、６０４）から成る積層体を有するSOI構造体の該表面薄層上に検出ダ イオードを形成してなり、該ダイオードは、表面薄層の少なくとも一部分に接触 し、該表面薄層の一部分と協働してそれぞれ整流接合とオーム接合を成し、電圧 の印加により該薄層部分に検出電界を確立可能とするいわゆる接合層である第一 （２２０、３０４ｃ、４２０、６２０）及び第二（２２４、３０４ｂ、４２４、 ６２４）層を有する電離放射線検出器において、該第一及び第二接合層はその間 に実質的に一定な電界を確立するよう実質的に平行に対向する主面を有すること を特徴とする電離放射線検出器。 ２． 上記第一接合層は表面薄層（２０４）の一部分の自由面に接触する第一の 金属層（２２０）であり、その層部分と協働してショットキー型の接合を成すこ とを特徴とする請求項１記載の検出器。 ３． 上記第一接合層は第一種の導電性を有する表面薄層（３０４）の領域（３ ０４ｃ）であり、領域（３０４ｃ）は第一種の導電性とは逆の第二種の導電性を 有する表面薄層のいわゆる中間領域（３０４ａ）と接触し、後者と協働してPN型 接合を成すことを特徴とする請求項１記載の検出器。 ４． 上記第二接合層は表面薄層の一面（２２６）と接触する第二金属層（２２ ４）であり、表面層（２０４）の一部分と協働してオーム接触を成すことを特徴 とする前記請求項１又は３記載の検出器。 ５． 上記第二接合層は表面薄層の第一種の導電性とは逆の第二種の導電性を有 する領域(３０４ｂ)、いわゆる接触領域であり、該接触領域は接触領域より低い ドープ不純物濃度を有する中間領域（３０４ａ）と接触することを特徴とする 請求項１ないし３のいずれかに記載の検出器。 ６． 表面層の部分は第一金属層と接触する偶発的にドープされた領域及びドー プされたいわゆる接触領域を有することを特徴とする請求項２記載の検出器。 ７． 表面層（２０４）の比抵抗が１００Ω・ｃｍより大きいことを特徴とする 請求項１記載の検出器。 ８． 第一金属が金であることを特徴とする請求項２記載の検出器。 ９． 第二金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項４記載の検出器。 １０．第一及び第二金属層の表面密度が４０μｇ／ｃｍ²程度であることを特徴 とする請求項２又は４記載の検出器。 １１．第一種の導電性がＮ型導電性であり、第二種の導電性がＰ型導電性である ことを特徴とする請求項３及び５のいずれかに記載の検出器。 １２．中間領域を横切り、上記第二の材料層と電気的に接続される接点を有する ことを特徴とする前記請求項１ないし１１のいずれかに記載の検出器。 １３．表面薄層（２０４）の厚さが０.１ないし１００μｍであることを特徴と する請求項１ないし12のいずれかに記載の検出器。 １４．酸化シリコン層（２０２）の厚さが０.１ないし５μｍであることを特徴 とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の検出器。 １５．上記表面薄層の一部分（４０６、６０６）は電気的に絶縁され、互いに平 行で酸化シリコン層に対して実質的に垂直な少なくとも二つの対向する側面を有 し、第一と第二の接合材層（４２０、６２０、４２４、６２４）はそれぞれ対向 する側面に位置することを特徴とする請求項１記載の検出器。 １６．表面薄層の一部分（４０６、６０６）を包囲する少なくとも一つの絶縁溝 （４０８、６０８）を有することを特徴とする請求項１５記載の検出器。 １７．表面薄層の一部分（４０６、６０６）は、酸化シリコン層（４０２、６０ ２）に対して平行な平面において凹形状を有することを特徴とする請求項１６記 載の検出器。 １８．シリコン基板(２００)、酸化シリコン層（２０２）及び表面薄層(２０４) の積層体を含む構造である絶縁体上シリコン型SOI構造を有するシリコンの表面 薄層（２０４）の自由面上に電気的絶縁層を形成し、 電気的絶縁材（２３０）内に検出領域と隣接する開口（２３２）を形成し、 開口（２３２）中に該表面層（２０４）の自由面と接触し、表面層と協働して ショットキー型の接合を成す第一接合層（２２０）を導電性材内に形成し、 シリコン基板（２００）及び酸化シリコン層（２０２）を局所的にエッチング して、検出領域内に表面層（２０４）へ通じる裏進入開口（２４０）を形成し、 導電性材（２２４）内に、裏進入開口（２４０）中に表面層と接触し、表面層 と協働してオーム接触を成す第二接合層を形成することを特徴とする請求項１記 載の電離放射線検出器の製造方法。 １９．検出領域と隣接する開口（２３２）中で表面薄層（２０４）と接触する接 合層（２２０）の導電性材と裏進入開口（２４０）中で表面層（２０４）と接触 する導電性材がそれぞれ金とアルミニウムであることを特徴どする請求項１８記 載の方法。 ２０．導電性材が窒化シリコンであることを特徴とする請求項１８記載の方法。 ２１．シリコンの表面薄層（２０４）の比抵抗が１００Ω・ｃｍより大きいこと を特徴とする請求項１８記載の方法。 ２２．ａ）シリコン基板(３００)、酸化シリコン層(３０２)及び表面薄層(３０ ４)の積層体を含むSOI型構造を有し、表面薄層は第一種の導電性及び第一不純物 濃度を有し第一接合層を成す第一ドープ領域(３０４ａ)、及び同種の導電性及び 第一濃度より高い第二不純物濃度を有し第二接合層を成す第二ドープ領域（３０ ４ｂ）を含み、第二領域（３０４ｂ）は酸化シリコン層と接触し第一領域（３０ ４ａ）内に埋め込まれてあるウエーハの表面層（３０４）の一自由面上に絶縁材 （３３０）の層を形成し、 ｂ）導電性材層（３３０）内に検出領域と隣接する開口（３３２）を形成し、 ｃ）表面薄層を検出領域内で第一種の導電性とは逆の第二導電性を有する不純 物でドープして第三領域（３０４ｃ）を形成し、 ｄ）ウエーハを熱アニ−リングする過程を含み、 更に第二及び第三ドープ領域上に電気的接点（３５２、３５４、３５０）を形 成する過程を含むことを特徴とする請求項１記載の電離放射線検出器の製造方法 。 ２３．第二領域上の電気的接点を形成する過程は表面薄層(３０４)の第一ドープ 領域（３０４ａ）を横切る導電経路（３５０）を形成することを含み、導電経路 は過程ａ）とｂ）との間に形成されることを特徴とする請求項２２記載の方法。 ２４．導電経路（３５０）の形成過程が、 表面層（３０４）の一自由面上に電気的絶縁材層（３２９）を形成し、 電気的絶縁材層（３２９）内に第二領域（３０４ｂ）と対向するいわゆる裏接 触領域と隣接する開口（３３１）を形成し、 表面薄層（３０４）を裏接触領域でドープして第二領域（３０４ｂ）と電気的 に接触する経路（３５０）を形成する過程を含むことを特徴とする請求項２３記 載の方法。 ２５．第二領域上に電気的接点を形成する過程は、 シリコン基板（３００）及び酸化シリコン層（３０２）を局所的にエッチング して第二ドープ領域(３０４ｂ)内に表面薄層(３０４)へ通じる裏進入開口(３４ ０)を形成し、 裏進入開口(３０４)内に第二ドープ領域(３０４ｂ)と接触する導電材層(３２ ４)を形成する過程を含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。 ２６．第一及び第二ドープ領域がＰ型導電性を有し、第三領域はＮ型導電性を有 することを特徴とする請求項２２記載の方法。 ２７．表面薄層の一部分と隣接する溝（６０８）を表面薄層（６０４）内に切り 込み、 溝を含む表面薄層（６０４、６０６）を熱酸化処理し、 表面薄層の一部分の第一側面を露出させ、 露出された第一側面に対してＮ⁺ドープ処理を行い、 初期酸化アニ−リング処理を行い、 表面薄層の一部分の第一側面に対向する第二側面を露出させ、 露出された第二側面に対してＰ⁺ドープ処理を行い、 第二酸化アニ−リング処理を行い、 ドープされた側面に電気的接点（６２６）を形成する、 過程を含むことを特徴とする請求項１５記載の検出器の製造方法。