JP2003142673A

JP2003142673A - 半導体放射線検出素子

Info

Publication number: JP2003142673A
Application number: JP2001341549A
Authority: JP
Inventors: Minoru Funaki; 稔船木
Original assignee: Acrorad Co Ltd
Current assignee: Acrorad Co Ltd
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体基板に形成された多数の電極と、集積
回路との電気的結合に際し、結合金属が直接半導体基板
に接触することを有効な絶縁体皮膜により防止する。【解決手段】半導体基板１の少なくとも１つの面に複
数の電極２を有する半導体放射線検出素子において、当
該複数の電極２が形成された面で、電極２が形成された
部位以外の半導体基板１の表面の一部またはすべてを、
アルミニウム、窒素、酸素の３つの元素から構成される
電気的絶縁体皮膜４で覆ってなり、好ましくは、前記半
導体基板１がＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅであり、ま
た、前記電気的絶縁体皮膜４の組成が、原子数比でアル
ミニウムが４０％以上５５％以下であって、窒素が２５
％以上５０％以下、酸素が３％以上２５％以下の範囲で
あり、且つ非晶質であること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣｄＴｅあるいは
ＣｄＺｎＴｅ等の半導体基板を用いたＸ線、ガンマ線、
β線、α線などの放射線を検出する素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ＣｄＴｅ結晶或いはＣｄＺｎＴｅ結晶
は、放射線に対する感度が高く、室温のまま使用可能な
新しい半導体検出素子として注目されており、放射線診
断装置や、非破壊検査装置をはじめ、宇宙観測、原子力
発電所放射線モニターなどさまざまな放射線計測分野で
実用が始まっている。

【０００３】このような放射線計測分野の中でも、放射
線の線量等を画像にして表示する装置に対する期待が大
きい。放射線画像を得るためには、放射線検出素子は位
置分解能を有している必要がある。そのため、半導体基
板のひとつの面上に小さい電極を多数形成して、それぞ
れの電極下の半導体基板内で検出した放射線の信号を取
り出せるようにする。これに、電気的な処理をして、画
像をテレビやコンピューター画面などに映し出すことが
できる。その画像の解像度を上げるためには、電極の配
列の間隔と、電極そのものの面積を小さくすることが必
要であり、同時に電極数は飛躍的に増大するため、その
信号処理には、集積回路が通常使われる。

【０００４】多数の電極と集積回路との電気的結合は、
フリップチップボンディングという技術を使用して半導
体素子側の電極と集積回路側の電極を低融点金属を使用
して１対１に接合して行われることが多い。

【０００５】以上のように製造された放射線検出素子を
使用することによって、例えば医療分野においては、Ｘ
線透過像を放射線検出素子で直接デジタル情報としてコ
ンピューターに映し出し、また、記録、保存等できるよ
うになる。さらに、その感度はＸ線フィルムより一桁以
上大きいため、患者の放射線被曝量を大幅に低減できる
などの大きな利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】放射線検出素子と信号
処理用の集積回路の接合を行うフリップチップボンディ
ングは、第１６図に示すように、放射線検出素子のピク
セル電極２と集積回路６の電極の間に、バンプ５と呼ば
れる低融点金属を球状に形成し、これを通常加熱しなが
ら両者を押しつけて結合する方法である。ここで、放射
線画像の解像度を上げるために、ピクセル電極２の配列
の間隔を小さくし、また、ピクセル電極２そのものの大
きさも小さくしていくと、第１７図に示すようにボンデ
ィングの際、つぶれたバンプ材料が放射線検出素子１の
ピクセル電極２上から溢れ、半導体基板に直接接触しや
すくなる。バンプ５が直接半導体基板と接触すると、そ
の部位の暗電流が異常に大きくなることによって、放射
線画像に輝点が発生するという不都合が生じる。図中、
３はバイアス印加用電極である。

【０００７】こういった問題を解決するために、ピクセ
ル電極間に窒化アルミニウムをパッシベーション膜とし
て形成する方法がアメリカ合衆国特許ＵＳ６２１５１２
３Ｂ１で考案されている。しかしながら、実際これを試
験的に実施したところ下記のような重大な問題があるこ
とが判明した。

【０００８】即ち、ＣｄＴｅ或いはＣｄＺｎＴｅ基板上
に形成した窒化アルミニウムは、基板への付着強度が弱
い上、湿気にも弱い問題がある。スパッタリング法でＣ
ｄＴｅ基板の上に窒化アルミニウム膜を形成し、スパッ
タ装置から取り出すと、皮膜にクラックが生じるととも
に徐々に剥離する。これは、湿度の高い雰囲気に暴露す
ることによって加速され、逆に、デシケーターのような
湿度の低い雰囲気で保存すると皮膜の剥離の進行が遅く
なることから、空気中の水分と窒化アルミニウムの反応
によると判断される。通常の雰囲気で皮膜の剥離がおこ
る窒化アルミニウムを使用するのは実用上不可能であ
る。

【０００９】そこで、窒化アルミニウム以外の他の絶縁
体皮膜を使用することも考えられる。しかし、ＣｄＴｅ
或いはＣｄＺｎＴｅ放射線検出素子はその温度が１２０
℃以上になると、放射線検出素子としての特性が劣化す
る問題があるため、絶縁体皮膜は１２０℃以下の低温で
成膜できる材料であることが必要である。さらに、絶縁
体皮膜に電極の開口部を形成するためにエッチングする
ことが必要になるので、そのエッチング液は、絶縁体皮
膜を溶解し、電極金属を侵さないものであることが必要
である。これらの低温形成、適当なエッチング液が存在
するという条件を考えると、良く知られた絶縁体皮膜で
あるＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３なども使用できない。

【００１０】

【課題を解決する手段】そこで本発明者は、１２０℃以
下の低温で形成可能で、また、適当なエッチング液が存
在し、しかも、ＣｄＴｅ或いはＣｄＺｎＴｅ基板への付
着強度が高く、耐湿性の問題もない新しい絶縁膜材料の
探索並びにその形成法の検討を行った結果、本発明に至
った。

【００１１】即ち、ある組成範囲にある窒化酸化アルミ
ニウムが窒化アルミニウムよりも付着強度、耐湿性に優
れており、また、そのエッチング液が放射線検出素子作
製プロセスをとおしても問題が発生しないことを見いだ
した。さらにこの材料は、窒化アルミニウムと異なり、
非晶質であり、放射線検出素子のパッシベーション材料
として全く新しい材料であることが判明した。

【００１２】すなわち、本発明は、半導体基板の少なく
とも１つの面に複数の電極を有する半導体放射線検出素
子において、当該複数の電極が形成された面で、電極が
形成された部位以外の半導体基板の表面の一部またはす
べてを、アルミニウム、窒素、酸素の３つの元素から構
成される電気的絶縁体皮膜で覆ったことを特徴とする半
導体放射線検出素子を提供するものである。ここで、半
導体基板とはＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅである。

【００１３】また、アルミニウム、窒素、酸素の３つの
元素から構成される電気的絶縁体皮膜の組成は、原子数
比でアルミニウムが４０%以上５５％以下であって、窒
素が２５％以上５０％以下、酸素が３％以上２５％以下
の範囲である。さらにまた、アルミニウム、窒素、酸素
の３つの元素から構成される電気的絶縁体皮膜は非晶質
である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の半導体放射線検出素子の
構造を、以下に説明する。図１に示すように、ＣｄＴｅ
或いはＣｄＺｎＴｅ半導体基板１の少なくとも１つの面
に複数の電極２が形成されている。電極の形成されてい
る部分以外の部分はアルミニウム、窒素、酸素からなる
絶縁体皮膜４で覆われており、半導体基板１の表面が直
接出ていない。しかし、複数の電極から遠く離れた部分
をこの絶縁体皮膜で覆うか覆うわないかは問わない。例
えば、電極２の形成されていない半導体基板１の端の部
分などがこれに該当する。要するに、フリップチップボ
ンディングに使用するバンプ材料がボンディング時に電
極からはみ出た場合でも直接半導体基板１の表面に接触
しないように覆っている。

【００１５】通常、この複数の電極２が形成された面の
反対側に、素子に共通のバイアス電圧を加えるための連
続した電極３を形成するのが普通であるが、特に本発明
ではその部分の構造は問わない。

【００１６】絶縁体皮膜４は、第２図に示すように、電
極２の上に重なっていて、バンプ材料が接触する部分だ
け、穴が開けてある構造ならさらに好ましい。バンプ材
料が電極２と絶縁体皮膜４の間から半導体基板１の表面
にしみ込むのを防ぐことができるからである。

【００１７】逆に、第３図に示すように、電極２はその
中心で半導体基板１の表面と接触しており、周辺部が絶
縁体皮膜４の上に重なっているのも好ましい。これもバ
ンプ材料のしみ込みを防ぐことができるからである。

【００１８】電極２の形状は、円状、長方形、正方形、
角が丸くなった長方形などがあり、とくに本発明では規
定しない。このような場合、電極２は、第４図に示すよ
うに、行・列に並んでいるのが普通である（ピクセル電
極）。

【００１９】第５図に示すように、電極２が一方向に長
い帯状（長方形）になっていて、これが一列に並んだも
のでも良い（ストリップ電極）。この場合、絶縁体皮膜
４は最低限、電極２と電極２の間の半導体基板１の表面
を覆うように形成する。ストリップ電極の上全体に絶縁
体皮膜４を形成して、その一部だけに電極２が露出する
ように開口部を設けても良い。

【００２０】以上の構造は、蒸着法、スパッタリング法
をはじめとする種種の薄膜形成技術と、フォトリソグラ
フィー技術、エッチング技術などの一般に知られた技術
を組み合わせて形成できる。

【００２１】本発明のアルミニウム、窒素、酸素からな
る絶縁体皮膜４はスパッタリング法で形成できる。酸素
と窒素を反応ガス、アルミニウムをターゲットとして、
半導体基板１上に反応性スパッタリングを行うとこの絶
縁体皮膜４が形成できる。基板温度は１２０℃以下を保
ったままで成膜できる。この皮膜の組成は原子数比でア
ルミニウムが４０%以上５５％以下であって、窒素が２
５％以上５０％以下、酸素が３％以上２５％以下の範囲
が好ましい。

【００２２】スパッタリング時の反応ガスである酸素の
分圧を、窒素の分圧に対して増加することによって、皮
膜中の酸素の組成が増え窒素の組成が減少する。アルミ
ニウムの組成は４０%以上５５％以下の範囲でほとんど
変わらない。酸素の組成は３％以上２５％以下の範囲が
好ましい。絶縁体皮膜４中の酸素の組成が３％未満の場
合、形成された絶縁体皮膜の付着強度や耐湿性は、窒化
アルミニウムと実質的に変わらず、空気中で皮膜がしだ
いに剥離してくる。酸素が３%以上あると付着強度・耐
湿性がともに改善し、皮膜の厚さが５０ｎｍ程度なら問
題ない。より厚い膜を形成する場合では、酸素は１０％
から２５％の膜がより好ましい。酸素が２５％以上の皮
膜は形成されない。この絶縁体皮膜はスパッタ法で作製
したが、他の薄膜形成法で形成することを本発明は除外
しない。

【００２３】この絶縁体皮膜は、Ｘ線回折による検査
で、回折ピークが観測されない非晶質であることが確認
された。もともと結晶質の窒化アルミニウムとは全く異
なる新しい絶縁体皮膜である。このようにして形成した
絶縁体皮膜は、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウ
ム水溶液などのアルカリ溶液でエッチングできる。これ
は、金、白金などの電極を侵すことなくまた、ＣｄＴｅ
或いはＣｄＺｎＴｅ半導体基板にもほとんど作用しない
から、絶縁体皮膜をエッチングにより穴あけを行うなど
の加工が容易にできる。したがって、この絶縁体皮膜は
ＣｄＴｅ或いはＣｄＺｎＴｅ半導体素子の製造に適して
いる。

【００２４】以下に、Ｘ線画像装置用ＣｄＴｅ放射線検
出素子の製造過程の一例を説明する。

【００２５】第６図乃至１５に示すように、まず、Ｃｄ
Ｔｅ基板１の裏面にバイアス印加用電極３としてＩｎを
真空蒸着で形成した（図６）。次に、反対側の表面に、
フォトレジスト７を塗布し（図７）、ピクセル電極パタ
ーンが描かれているフォトマスクを通して、フォトレジ
ストを露光し、さらに現像して、フォトレジストのピク
セル電極形成部に開口部を開けた（図８）。これを塩化
白金酸水溶液に入れて、無電解メッキ法で白金電極８を
形成したあと、さらに蒸着装置で金薄膜９を蒸着した
（図９）。そのあと、アセトン溶液で洗浄することによ
って、フォトレジストを洗浄し、ＣｄＴｅ基板１の表面
にピクセル電極を形成した（図１０）。

【００２６】次にこれを、誘導結合高周波プラズマ支援
マグネトロンスパッタ装置で、非晶質酸化窒化アルミニ
ウム薄膜４を形成した（図１１）。ターゲットにはアル
ミニウムを用い、酸素１０％混合窒素ガスを反応ガスと
してスパッタ装置に導入した。プラズマ発生のためにア
ルゴンも導入した。成膜圧力は０．１Ｐａであった。１
００ｎｍの膜厚に成膜後、これを取り出した。この上に
フォトレジスト７を再び塗布し（図１２）、電極開口部
パターンのついたマスクで露光後現像して、フォトレジ
ストに電極開口部の穴を開けた（図１３）。さらに、水
酸化ナトリウム水溶液で、非晶質酸化窒化アルミニウム
薄膜をエッチングして、電極上部の一部を露出させた
（図１４）。その後、フォトレジストをアセトンで溶解
洗浄して、放射線検出素子とした（図１５）。

【００２７】これを、読み出し集積回路とフリップチッ
プボンディングし、放射線検出器を構成した。放射線検
出器とＸ線源の間に物体を置き、Ｘ線を照射して画像を
コンピュータに写したところ、欠陥の無い良好な画像が
得られた。非晶質酸化窒化アルミニウム薄膜の組成を分
析したところ、アルミニウム４４％、窒素３４％、酸素
２２％であった。

【００２８】

【比較例】実施例と同様にしてＣｄＴｅ基板の裏面にＩ
ｎ電極、表面にピクセル電極を形成したあと、同じスパ
ッタ装置で窒化アルミニウム皮膜を形成した。反応ガス
として酸素の混合していない純窒素を使用した。同様に
１００ｎｍの成膜終了後、スパッタ装置から取り出した
ところ、窒化アルミニウム薄膜に亀裂が生じていた。そ
れは時間とともに剥離し始めたため、その後の放射線検
出素子作製プロセスを進めることができなかった。

【００２９】以上、Ｘ線画像検出素子の製造を例に本発
明を説明したが、基板がＣｄＺｎＴｅについても同様に
本発明は有用である。また、Ｘ線画像検出素子以外のピ
クセル電極や、ストリップ電極が複数形成された放射線
検出素子の場合も同様の効果がある。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構造のＣ
ｄＴｅ或いはＣｄＺｎＴｅ放射線検出素子は、絶縁体皮
膜が１２０℃以下で形成され、その付着強度、耐湿性と
もに良好で、剥離せず、さらにそのエッチング液は電極
などを侵すことがないものである。これにフリップチッ
プボンディングで集積回路と接合を行っても、バンプ材
料が半導体基板に接触することがなく、高品質の放射線
画像を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る半導体放射線検出
素子の全体斜視図である。

【図２】電極の上に絶縁体皮膜が重なった状態を示す要
部断面図である。

【図３】電極の周辺部が絶縁体皮膜の上に重なっている
状態を示す要部断面図である。

【図４】ピクセル電極の配列例を示す平面図である。

【図５】ストリップ電極例の平面図である。

【図６】Ｘ線画像装置用ＣｄＴｅ放射線検出素子の製造
過程を示し、ＣｄＴｅ基板の裏面にバイアス印加用電極
としてＩｎを真空蒸着で形成した状態を示す要部断面図
である。

【図７】図６に続き、ＣｄＴｅ基板の表面にフォトレジ
ストを塗布した状態を示す要部断面図である。

【図８】図７に続き、ピクセル電極パターンが描かれて
いるフォトマスクを通してフォトレジストを露光し、さ
らに現像してフォトレジストのピクセル電極形成部に開
口部を開けた状態を示す要部断面図である。

【図９】図８に続き、塩化白金酸水溶液に入れて無電解
メッキ法で白金電極を形成したあと、さらに蒸着装置で
金薄膜を蒸着した状態を示す要部断面図である。

【図１０】図９に続き、アセトン液で洗浄することによ
ってフォトレジストを洗浄し、ＣｄＴｅ基板の表面にピ
クセル電極を形成した状態を示す状態を示す要部断面図
である。

【図１１】図１０に続き、誘導結合高周波プラズマ支援
マグネトロンスパッタ装置で非晶質酸化窒化アルミニウ
ム薄膜を形成した状態を示す要部断面図である。

【図１２】図１１に続き、非晶質酸化窒化アルミニウム
薄膜の成膜の上にフォトレジストを再び塗布した状態を
示す要部断面図である。

【図１３】図１２に続き、電極開口部パターンのついた
マスクで露光後現像して、フォトレジストに電極開口部
の穴を開けた状態を示す要部断面図である。

【図１４】図１３に続き、水酸化ナトリウム水溶液で非
晶質酸化窒化アルミニウム薄膜をエッチングして電極上
部の一部を露出させた状態を示す要部断面図である。

【図１５】フォトレジストをアセトンで溶解洗浄して放
射線検出素子とした状態を示す要部断面図である。

【図１６】フリップチップボンディングを説明する要部
断面図である。

【図１７】絶縁体皮膜が無い場合にバンプ材料が半導体
基板と接触した状態を示す要部断面図である。

【符号の説明】

１半導体基板２電極４絶縁体皮膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 31/0264 Ｈ０１Ｌ 31/00 Ａ 31/09 31/08 ＮＦターム(参考） 2G088 EE01 EE29 EE30 FF02 FF04 GG21 JJ05 JJ10 JJ31 JJ33 JJ37 KK32 LL11 LL12 4M118 AA08 AA10 AB01 BA19 CA32 CB05 CB14 EA01 GA10 HA31 5F058 BB01 BC20 BF13 BJ03 5F088 AB09 BA11 BA16 BB06 BB07 EA04 EA14 EA16 JA03 JA20 LA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の少なくとも１つの面に複数
の電極を有する半導体放射線検出素子において、当該複
数の電極が形成された面で、電極が形成された部位以外
の半導体基板の表面の一部またはすべてを、アルミニウ
ム、窒素、酸素の３つの元素から構成される電気的絶縁
体皮膜で覆ったことを特徴とする半導体放射線検出素
子。
【請求項２】半導体基板がＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴ
ｅであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
半導体放射線検出素子。
【請求項３】アルミニウム、窒素、酸素の３つの元素
から構成される電気的絶縁体皮膜の組成が、原子数比で
アルミニウムが４０%以上５５％以下であって、窒素が
２５％以上５０％以下、酸素が３％以上２５％以下の範
囲であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
半導体放射線検出素子。
【請求項４】アルミニウム、窒素、酸素の３つの元素
から構成される電気的絶縁体皮膜が非晶質であることを
特徴とする特許請求の範囲第１又は３項記載の半導体放
射線検出素子。