JP2007509345A5

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Publication number: JP2007509345A5
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Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2007-11-29

Description

中性子検出デバイス及びその製造方法

本発明は、中性子検出デバイス及び中性子検出デバイスの製造方法に関するものである。特に、従来のメモリセル構造に近接配置される中性子変換層を使用した中性子検出用の半導体素子に関するものである。

核兵器の開発により、高感度の中性子検出器の用途が急に生じた。これらの用途には、核物質及び兵器の保護、条約の検証、拡散防止、及び行方不明になった軍用爆発物の回収が含まれる。最近では、核物質の密輸、放射性物質兵器（汚い爆弾）、及びテロリストの活動、に対する防御の必要から、国境、港湾施設、輸送システム、通常ベースで大量の貨物または人が通過する他の場所で中性子モニターを早急に行う必要が生じている。中性子モニターは交通及び行事に不必要な制限や混乱を生じさせずに行う必要がある。

従来の中性子検出器の１種類は、シンチレーション現象に基づくものであるが、これは、入射中性子と照射原子核との反応からエネルギー荷電された核が放出された後に起こる光子放出電子遷移の結果である。シンチレーションデバイスは、入射中性子を受け取った際に軽荷電粒子を生成する光透過型中性子受感物質（気体または液体）を含む。シンチレーションデバイスは通常、光電子増倍管と連結し、シンチレーション物質内の光生成に基づいてアナログ電気信号を生成する。前記アナログ信号は、入射中性子の放射を表すものである。別の種類の従来型の中性子検出器はガス入り計数管であるが、これは高圧チューブ中に入れられた気体ヘリウム−３に通常基づいている。特に、ヘリウムー３入りチューブは、デリケートで、注意深い取り扱いが必要であり、急に動かしたり、ぶつけたりすると偽陽性を示す可能性がある。これらの従来型の中性子検出器は現場操作の様々なタイプにおいて効果的であるが、低消費電力で長期間使用可能な小型高感度デバイスが必要とされる操作には適していない。

固体エレクトロニクスの出現によって、シリコンベースの半導体素子を使用して、中性子コンバータ物質から（この物質内で起こった１（ｎ、アルファ）反応の結果として）放出されるアルファ粒子を検出することが実現化した。中性子コンバータの役割は、入射中性子をもっと容易に検出できる放出荷電粒子に変換することである。この放出荷電粒子が半導体デバイスに通過する際、電荷が遊離するが、これらの電荷は収集され、最初の中性子反応によって刺激されたイベントを感知するのに使用される。したがって、そのようなデバイスは中性子検出器の役割をする。そのような概念の初期の実証では、ＰＩＮダイオードなどのシリコン検出器の近辺に独立のコンバータフォイルを配置したものが使用された。現在では、コンバータ物質のフィルムを半導体検出器に接触またはその上に直接堆積して使用するのがもっと一般的である。リチウム金属の化学反応性は検出器の使用可能期間を短縮するのに寄与する傾向があるが、リチウム金属がこのために使用されてきている。硬い結晶物質である、ＬｉＦ等のリチウム化合物によってもっと長い使用期間が得られている。ホウ素金属もシリコンデバイスに直接被覆されている。Ｄ．Ｓ．ＭｃＧｒｅｇｏｒらによる「ＲｅｃｅｎｔＲｅｓｕｌｔｓＦｒｏｍＴｈｉｎＦｉｌｍ−ＣｏａｔｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＮｅｕｔｒｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｘ−ＲａｙａｎｄＧａｍｍａ−ＲａｙＤｅｔｅｃｔｏｒｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＩＶ，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４７８４（２００２）を参照。

中性子検出器でのダイオード構造の使用は、それ自体、いくつかの欠点や限界を有している。冷却されていないダイオードの内部雑音のレベルは感知できる程度あり、結果として、周囲範囲の常温熱中性子の低バックグランドレベルを測定、またはシングル中性子イベントを検出するのは、不可能でないとしても、困難である。典型的なダイオードは、電荷が収集される厚い半導体層を有し、これは、単一中性子イベントを検出するには感度が不十分である。ガンマ線によって遊離される電荷も、この厚い半導体層に収集され、これらの電荷は検出器の非中性子雑音信号に寄与する。

もっと最近では、以前は半導体メモリセルの欠点と見なされていた点が、中性子検出に関しては長所であるとの提案がなされている。メモリセルは、放射線によって誘起されるエラーを防ぐために、放射線に対して「硬化」され得る。実際、そのようなメモリの完全性の重要さは、コンピュータ、航空、および宇宙飛行の分野で長年の間、認識されてきている。放射線誘起のビットエラーは、影響を受けたメモリセルが、その後に書き込み命令に反応する場合はソフトエラーとして知られている。対照的に、メモリセルの状態を変更する後続の試みが無効の場合は、ハードエラーとして知られる。（ＳＥＥｓ）ハードエラーとソフトエラーは両方とも、単一の入射粒子がメモリセルに前記エラーを誘起させると仮定した場合に、シングルイベントアップセットまたはシングルイベントエラー（ＳＥＥｓ）として知られている。このエラーイベントはデータの完全性を維持しようとする場合には障害であるが、メモリセルの状態で放射線誘起の電荷を単に監視することにより放射イベントを検出するという肯定的な方法で使用することが可能である。

メモリ回路に関連するＳＥＵを中性子検出のために使用するために、市販のメモリ回路を中性子検出器と併用する試みが行われてきた。例えば、ホウ素は半導体業界ではドーパントとして、また、ホウ素含有ガラスでは、回路定義構造をカバーし、完成した半導体チップを密閉する保護層として使用されてきた。ドーパントまたはホウ素リンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）保護膜中の^１０Ｂは、回路を中性子放射に対して敏感にすることは実証されている。「ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＴｈｅｒｍａｌＮｅｕｔｒｏｎ−ＩｎｄｕｃｅｄＳｉｎｇｌｅＥｖｅｎｔＵｐｓｅｔｉｎＳｔａｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｉｅｓ」、Ｙ．Ａｒｉｔａら、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４０（２００１）ｐｐＬ１５１−１５３を参照。したがって、保護層を含む従来の半導体メモリチップ上にホウ素をコーティングするか、または最初に前記保護膜を取り除いた後にホウ素変換材料で前記チップをコーティングすることが提案されている。Ｈｏｕｓｓａｉｎらに許可された米国特許番号第６，０７５，２６１号明細書、発明の名称「中性子検出半導体デバイス」は従来の半導体メモリ構造を中性子検出器として使用する、そのような試みの１つを開示するものであるが、ここでは中性子反応物質（コンバータ）が従来のフラッシュメモリ素子の上にコーティングされる。前記ホウ素によって放出されるアルファ粒子は、通常、アクティブ半導体に到達する前に回路を定義する構造層を通過する必要がある。しかしながら、これらの今までの試みは、前記ホウ素変換材料がアクティブ半導体層に対して十分な近さに配置されていないために、結果的には主に感度の低い検出器になっている。したがって、ホウ素変換材料によって生成されたアルファ粒子は、前記介在物質中にそのエネルギーが放散されるので、前記アクティブ半導体層でＳＥＵを起こすのに十分な電荷を生成することができない。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
米国特許第５，９１３，１３１号明細書米国特許第６，０７５，２６１号明細書米国特許第６，２５９，０９９号明細書米国特許出願公開第２００４／０１７８３３７号明細書米国特許出願公開第２００５／００６７６９５号明細書米国特許出願公開第２００４／０１７８３３７号明細書マックグレゴール（ＭｃＧｒｅｇｏｒ）ら、「自動バイアスのホウ素１０で被覆された高純度エピタキシャルＧａＡｓ熱中性子検出器(Ｓｅｌｆ−ＢｉａｓｅｄＢｏｒｏｎ−１０ＣｏａｔｅｄＨｉｇｈ−ＰｕｒｉｔｙＥｐｉｔａｘｉａｌＧａＡｓＴｈｅｒｍａｌＮｅｕｔｒｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ)」、電気電子技術者協会核化学のトランザクション（ＩＥＥＥｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎｎｕｃｌｅａｒｓｃｉｅｎｃｅ）、２０００年８月、第４７巻マックグレゴール（ＭｃＧｒｅｇｏｒ）ら、「薄膜被覆の半導体中性子検索器の最近の結果(ＲｅｃｅｎｔＲｅｓｕｌｔｓＦｒｏｍＴｈｉｎ−ＦｉｌｍＣｏａｔｅｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＮｅｕｔｒｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒｓ)」、Ｘ線およびγ線検出器および適用ＩＶ(Ｘ−ＲａｙａｎｄＧａｍｍａ−ＲａｙＤｅｔｅｃｔｏｒａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＩＶ、２００２年、第４７８４巻ヘイク（Ｈａｑｕｅ）ら、「ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリのソフトエラーを用いた中性子線量測定（Ｎｅｕｔｒｏｎｄｏｓｉｍｅｔｒｙｅｍｐｌｏｙｉｎｇｓｏｆｔｅｒｒｏｒｓｉｎｄｙｎａｍｉｃｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｉｅｓ）」、Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．ｂｉｏｌ．、英国、１９８９年、第３４巻、第９号、ｐ．１１９５−１２０２フィリップス（Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）ら、「ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリのシングルイベント・アップセットを基にした中性子検出器−線量計の実行可能性（ＦｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆａＮｅｕｔｒｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ−ＤｏｓｅｍｅｔｅｒＢａｓｅｄｏｎＳｉｎｇｌｅ−ＥｖｅｎｔＵｐｓｅｔｓｉｎＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍ−ＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｉｅｓ）」、放射線防護線量測定（ＲａｄｉａｔｉｏｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＤｏｓｉｍｅｔｒｙ）、核技術出版（ＮｕｃｌｅａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ）、２００２年、第１０１巻、第１−４号、ｐ.１２９−１３２ロバートソン（Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ）ら、「ホウ素を多く含むソリッドステート中性子検出器のクラス（ＡＣｌａｓｓｏｆｂｏｒｏｎ−ｒｉｃｈｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅｎｅｕｔｒｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）」、応用物理学誌（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）、２００２年５月１３日、第８０巻、第１９号グアリーニ（Ｇｕａｒｉｎｉ）ら、「最新技術０．１３ｕｍＳＯＩＣＭＯＳ装置の電気的完全性および３次元（３Ｄ）集積回路（ＩＣ）製造に転用する回路(ＥｌｅｃｔｉｒａｌＩｎｔｅｇｒｉｔｙｏｆＳｔａｔｅ−ｏｆｔｈｅ−Ａｒｔ０．１３．ｕｍＳＯＩＣＭＯＳＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＣｉｒｃｕｉｔｓＴｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｆｏｒＴｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（３Ｄ）ＩｎｔｅｒｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ（ＩＣ）Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ)」、０−７８０３−７４６２−２／０２２００２ＩＥＥＥアリタ（Ａｒｉｔａ）ら、「スタティック・ランダム・アクセス・メモリの熱中性子誘導シングルイベント・アップセットの実験的研究(ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＴｈｅｒｍａｌＮｅｕｔｒｏｎ−ＩｎｄｕｃｅｄＳｉｎｇｌｅＥｖｅｎｔＵｐｓｅｔｉｎＳａｔａｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｉｅｓ)」、日本国応用物理学誌（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）２００１年２月１５日、第４０巻、第２Ｂ号、パート２、ｐ．Ｌ１５１−Ｌ１５３ヒューズ（Ｈｕｇｈｅｓ）ら、「モス技術の放射線効果および硬化：装置および回路（ＲａｄｉａｔｉｏｎＥｆｆｅｃｔｓａｎｄＨａｒｄｅｎｉｎｇｏｆＭｏｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＣｉｒｃｕｉｔｓ）」、プレプリント電気電子技術者協会核化学のトランザクション（ＰｒｅｐｒｉｎｔＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｎｕｃｌ．Ｓｃｉ．）、２００３年６月ランド（Ｌｕｎｄ）ら、「ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリをセンサーとして使用した中性子線量測定計（ＮｅｕｔｒｏｎＤｏｓｉｍｅｔｅｒＵｓｉｎｇａＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙａｓａＳｅｎｓｏｒ）」、電気電子技術者協会核化学のトランザクション（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅ）、１９９６年２月、第３３巻、第１号ピーターセン（Ｐｅｔｅｒｓｅｎ）ら、「宇宙性誘導ソフト・アップセットの計算およびＶＬＳＩ装置のスケーリング（ＣａｌｃｕｌｔｉｏｎｏｆＣｏｓｍｉｃ−ＲａｙＩｎｄｕｃｅｄＳｏｆｔＵｐｓｅｔｓａｎｄＳｃａｌｉｎｇｉｎＶＬＳＩＤｅｖｉｃｅｓ）」、電気電子技術者協会核化学のトランザクション（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅ）、１９８２年１２月、第６号、第ＮＳ−２９巻デイビス（Ｄａｖｉｓ）、「デジタル・アルベド中性子線量測定計用の基礎としてのコンピュータメモリチップの使用（ＵｓｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ−ＭｅｍｏｒｙＣｈｉｐｓａｓＴｈｅＢａｓｉｓＦｏｒａＤｉｇｉｔａｌＡｌｂｅｄｏＮｅｕｔｒｏｎＤｏｓｉｍｅｔｅｒ）」、保健物理学（ＨｅａｌｔｈＰｈｙｓｉｓｃｓ）、アメリカ合衆国、１９８５年８月、第４９巻、第２号、ｐ．２５９−２６５マックグレガー（ＭｃＧｒｅｇｏｒ）ら、「薄膜被覆された半導体熱中性子検出器Ｉの設計の検討：α粒子放射の中性子反応膜（Ｄｅｓｉｇｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｉｎｆｉｌｉｍｃｏａｔｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｔｈｅｒｍａｌｎｅｕｔｒｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｓ−Ｉ：ｂａｓｉｃｓｒｅｇａｒｄｉｎｇａｌｐｈａｐａｒｔｉｃｌｅｅｍｉｔｔｉｎｇｎｅｕｔｒｏｎｒｅａｃｔｉｖｅｆｉｌｍｓ）」、核計量および物理研究の方法（ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ）、セクションＡ：加速器、分光器、検出器、および関連装置（Ｓｅｃｔｉｏｎ――Ａ）：Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ，Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ，ＤｅｔｅｃｔｏｒｓａｎｄＡｓｓｏｃｉａｔｅｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ、アムステルダム（Ａｍｓｔｅｒｄａｍ）、オランダ（ＮＬ）、２００３年３月１１日、第５００巻、第１−３号、ｐ．２７２−３０８バロン（Ｂａｒｒｏｎ）、「ＳｉＯのＣＶＤおよび関連材料：概説（ＣＶＤｏｆＳｉＯ，ａｎｄＲｅｌａｔｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ：ａｎＯｖｅｒｖｉｅｗ）」、光学および電子工学用先端技術（ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、１９９６年、第６巻、ｐ．１０１−１１４

上記を鑑みて、高圧チューブまたは高電圧の使用を必要とせず、ガンマ放射及び熱雑音を受感せず、且、低消費電力で作動するが、シングル中性子イベントを測定するのに十分な感度を有する中性子検出器が提供されることが所望される。

更に、設計と製造の費用が安い中性子検出器を提供することが所望される。

また更に、従来型のメモリ素子を修正する（これにより従来型メモリ素子の中性子検出器への変換を可能にする）ことを含む中性子検出器の製造方法を提供することが所望される。

本発明は、高圧チューブまたは高電圧の使用を必要とせず、ガンマ放射及び熱雑音を受感せず、且つ、低消費電力で作動するがシングル中性子イベントを測定するための十分な感度を有する中性子検出デバイスを提供する。本発明は更に、設計と製造の費用が安い中性子検出デバイスを提供する。前記デバイスは、中性子変換層に近接配置された、電荷を受感する半導体回路素子を製造するための新規構造に基づくものであり、これにより、前記変換層の原子と中性子の反応から放出される移動粒子によって前記半導体中に生成される電荷を前記回路素子が検出できるようにするものである。前記デバイスの１実施形態は、既存の従来型半導体メモリデバイスを変形することより製造可能で、これにより既存のデバイスを中性子検出器の用途のために変形することを可能にする。

前記中性子検出デバイスは、従来型メモリセルなどの電荷感知する複数の素子を含むアクティブ半導体デバイス層と、前記電荷感知素子に近接配置される中性子変換層とを含む。前記中性子変換層は、中性子が前記変換層に入射した時に、電荷感知素子によって検出可能な粒子を生成する。前記中性子変換層が前記メモリセルに近接した位置に配置されることにより、前記中性子検出器の感度が向上する。

前記中性子変換層はホウ素またはリチウムを含んでもよい。導電性のホウ素、またはホウ素含有化合物が使用される場合は、前記アクティブ半導体層と前記中性子変換層の間に絶縁層を配置することが好ましい。更に前記中性子変換層と前記絶縁層の間に障壁層を入れてもよい。前記障壁層は、窒化ケイ素からなるのが好ましい。更に、１若しくはそれ以上の中性子変換層を使用して感度を向上させることが可能である。

前記デバイスの好適実施形態では、ＳＯＩ（セミコンダクター・オン・インシュレーター）として製造されるＳＲＡＭ（スタティック・ランダム・アクセス・メモリ）回路を使用する。前記ＳＯＩデバイスは、回路構造層（この回路がアクティブ半導体デバイス層中で定義される構造を有する）と、前記アクティブ半導体デバイス層と、絶縁層とを有し、これらの層は記載の順に配置される。ＳＯＩデバイスの絶縁層は、通常約２００ナノメータの厚さである。この好適実施例において、前記ＳＯＩデバイスの絶縁体の下にこの絶縁体に密接する中性子変換層がある。前記中性子変換層が前記アクティブ半導体層に近接することによりデバイスの検出感度を大幅に向上させる結果となる。また、障壁層を前記中性子変換層と前記アクティブ半導体層の間に密着させて組み込むことにより、前記中性子変換材料が前記アクティブ半導体層に拡散するのを防ぐことが可能である。第２の中性子変換層を前記第１の中性子変換層に密着するように追加することにより、検出感度を更に上げることが可能である。また、絶縁中性子変換層を前記アクティブ半導体層に直接接触するように配置することも可能である。中性子変換層と前記アクティブ半導体層の間を障壁層により分離することが可能であるし、また導電性の変換層の場合は、絶縁障壁層を挿入することもできる。上述の密着を維持できるように薄膜を表面に被覆してもよい。

製造の１好適実施例において、前記中性子検出器は、ＳＯＩ基板を含む従来型のＳＲＡＭメモリデバイスから構成される。前記ＳＯＩ基板は、アクティブ半導体層と、ベース基板と、また前記アクティブ半導体層と前記ベース基板の間に位置する絶縁層とを含む。前記ベース基板層は、粗研磨（ラッピング）、研磨、及び／またはエッチングによって、前記メモリデバイスから取り除かれ、前記絶縁層が露出される。中性子変換層は、次に前記絶縁層上に形成される。前記中性子変換層の前記アクティブ半導体層への近接は、デバイスの検出感度を大幅に向上させる結果となる。

本発明の更なる詳細及び利点は、当業者であれば、下記の発明を実施するための最良の形態を参照することにより明白である。

本発明は、その特定の好適実施形態及び添付する図面を参照して説明される。

本願出願は、米国特許番号第６，８６７，４４４号明細書の発明の名称「中性子変換層組み込み型半導体基板（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＳｕｂｓｔｒａｔｅＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇａＮｅｕｔｒｏｎＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＬａｙｅｒ）」に関連し、この参照により本明細書に組み込まれるものである。本発明は、従来のメモリセルなどの電荷受感素子に近接配置される中性子変換層を使用した中性子検出用の半導体素子に関するものである。特に前記デバイスは、半導体メモリセルなどの電荷受感電子半導体素子のアクティブ半導体層に近接配置される中性子変換層を提供する。特に、本発明は、ＳＯＩ基板に形成されたＳＲＡＭメモリデバイスを参照して説明される。しかし、本発明は、シリコンデバイスを参照して開示される実施形態に特に限定されるものではなく、他の半導体物質でも実施可能で、また、ホウ素及びリチウムに基づくアルファ線放出中性子コンバータが使用できるが、他のα放射体、陽子放射核、または電子放射体も使用可能で、また、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、他のタイプのランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、非ＲＡＭ、電荷結合素子、電荷注入装置、または他のメモリデバイス装置及び基板等の他の電荷受感デバイス構造と一緒に使用してもよい。

図１は、ＳＯＩ基板上に形成された従来のＳＲＡＭメモリデバイスを示す。前記ＳＯＩ基板１０は、アクティブ半導体層１２と、絶縁層１４（埋め込み酸化物「ＢＯＸ」として参照）と、ベース基板１６とを有する。当業者であれば、容易に理解されるように、個々のメモリセルのようなアクティブな電荷受感回路素子は、前記ＳＯＩ基板１０のアクティブ半導体層１２内で変形を施して形成される。次に追加の構造層が、前記アクティブ半導体層１２上に形成されて、前記電荷受感デバイスの作動回路及び回路素子が形成される。追加の構造層は、例えば、相互接続層、絶縁層、及び／または追加の回路素子を含んでもよい。図１では、これらの追加構造層は、図の簡素化のために詳細には示されず、単一の回路構造層１８として図示される。前記回路構造層１８を形成する追加構造層の厚さは一般に前記アクティブ半導体層１２または絶縁層１４のものより大きいことに留意する。さらに、前記回路構造層１８の上に保護層２０が含まれることがよくある。

従来のメモリデバイスを利用する以前の試みの多くは、前記保護層２０の上に中性子変換層をコーティングするか、または前記保護層２０を削除して、前記回路構造層１８の上に前記中性子変換層をコーティングするかのどちらかであった。しかし、中性子と中性子変換物質（例えば同位体のホウ素‐１０）間の反応から放出されるアルファ粒子の範囲は限られる。従来の試みでは、概して前記中性子変換層を前記アクティブな半導体層１２から遠すぎる位置に配置し、すなわち、アルファ粒子の範囲外になり、結果として感度の低いものにした。代わりに、本発明では、下記で説明するように前記回路構造層１８で提供される追加構造層に障害や損害を起さずに、中性子変換層を前記アクティブ半導体層１２に近接するように（直に接触、または実質的に隣接）配置する。

次に図２を参照すると、まず最初に接合層２２が、図１に示されたタイプの従来の半導体メモリデバイスの少なくとも１つを含むウエハーに適用される。前記接合層２２は、高粘度のエポキシ（単なる一例）で、処理のために前記ウエハーに機械的結合を提供するために使用されるものである。また図２で示されるように、前記ウエハーの裏側は、前記ベース基板１６を取り除く処理がされる。前記絶縁層１４を機械的損傷から守るための十分な厚みを残しつつ、前記ベース基板１６の最初の部分を取り除くには、ラッピングまたは類似の機械的取除処理が適している。前記ベース基板１６の残りの厚さは、ヒドラジンなどの腐食液によるエッチングなどの化学的除去（前記絶縁層１４で止まる）によって取り除くか、またはＴＭＡＨなどの腐食液による時限エッチング除去処理によって取り除く。

前記ベース基板１６が大幅に除去されると、図３に示されるように中性子変換層２４が露出された絶縁層１４に被覆される。スパッタリング・コーティングは、堆積処理間に前記回路構造層１８に与える熱応力は低い、そのため、壊れやすい回路の場合、高温度処理よりも好まれる。前記中性子変換層２４を被覆する前に、障壁層２６（例えば窒化ケイ素）を堆積して、前記中性子変換物質が前記アクティブ半導体層１２に拡散するのを防ぐことが可能である。この処理により、前記中性子変換層２４が前記アクティブ半導体層１２に近接して配置されることが確実になる。もし、所望されるならば、エポキシなどの追加の安定層（図示されず）を追加の機械的安定性のために必要に応じて外層に被覆してもよい。

前記中性子変換層２４の組成は、ホウ素金属、またはホウ素-１０で強化された組成物である。金属層の場合、絶縁層１４の存在を必要とする。例えば、１．８ミクロンの厚さの中性子変換層２４と２００ｎｍの厚さの絶縁層１４とを使用する。

ただし、ホウ素含有層も直接シリコン・ダイオード上に配置されてきた。上記で引用したマックグレガー（ＭｃＧｒｅｇｏｒ）らは、応力除去の対策が含まれる場合は必要な厚さの機械的に安定したフィルムが実現可能であることを示している。ボロフォスフォシリケートガラス（ＢＰＳＧ）はシリコンデバイス上の被覆に適合性を有し、絶縁体であり、保護層として一般に使用されることは周知のことである。５％のホウ素を有するＢＰＳＧは、前記絶縁層１４の役割をし、また、前記中性子変換層２４は、図４に示されるように前記アクティブ半導体層１２に直接被覆されてもよい。他のホウ素化合物または組成物も使用可能である。

前記中性子変換層はまたリチウムを取り込んでもよい。リチウム金属は、極めて反応性が高く、ダイオードを感作するために使用されてきているが、一般にセンサーとしての寿命は短い。好ましくは、安定した物質または^６ＬｉＦなどの組成物を前記中性子変換層２４として使用し、または、代わりとして、図５及び６で示されるように第２の中性子変換層を第１の中性子変換層２４の上に形成する。リチウムから放出されたアルファ粒子は、ホウ素から放出されるものよりも長い範囲を持つ。このため、２つの中性子変換層を使用することにより更なるデバイス感度を提供することになる。

メモリデバイスのＳＥＵの誘起しやすさは、長年に渡って研究されてきていて、臨界電荷（Ｑｃｒｉｔ）と呼ばれる重要な数量があることが明らかになっている。臨界電荷は、メモリセルがビットエラーを起こすのに蓄積を必要とする電荷量である。リトグラフの線幅が薄ければ薄い程、より小さなセルになり、より小さな電荷保持能力を持つセルになるので、密度が高いメモリデバイスではより小さな臨界電荷になることが長年知られている。硬化されていないシリコンメモリセルのサイズに基づいた臨界電荷を表すグラフが図７に示される。前記中性子変換層２４をメモリセル素子が形成される前記アクティブ半導体層１２に近接させて配置することにより、前記中性子とホウ素‐１０の相互作用により生成されるアルファ粒子により十分な電荷が生成できる。

図３で示されるデバイスの場合、通常の２００ｎｍの厚さのアクティブ半導体層１２は、前記中性子変換層２４で生成されるアルファ粒子の範囲よりだいぶ小さい。これで前記アルファ線は、必要とされる前記アクティブ半導体層に到達するが、アルファエネルギーの一部のみが前記アクティブ半導体層１２を通過する際にこの層内に蓄積される。次に関連がある量は、前記アルファ粒子の軌跡にそって蓄積されるエネルギー量、すなわち線エネルギー付与（ＬＥＴ）である。シリコン内を移動するホウ素‐１０原子から放出されるα粒子のＬＥＴが図８でプロットされる。（ホウ素‐１０原子から放出されるα粒子の最初のエネルギーは約１．５ＭｅＶである。）ＬＥＴは、基本的には前記α粒子の使用可能な全エネルギー範囲で１から１．５ＭｅＶ／（ｍｇｃｍ ^２）の間で変化する。これらの限界を２００ｎｍの厚さのアクティブ半導体層に適応すると、前記アクティブ半導体層１２で蓄積される法線入射のエネルギー範囲が得られる（前記アクティブシリコン層１２を通過する経路の長さがより長い非法線入射の場合、電荷は増加する）。２００ｎｍの厚さにこのような限界を設けることにより、法線入射の場合に前記アクティブ半導体層１２内に蓄積されるエネルギーに範囲が生じる（より長い路長でアクティブ半導体層１２を通過する非法線入射の場合は、電荷は増加する。）蓄積されるαエネルギー（単位ＭｅＶ）のこの範囲から、対応する前記アクティブ半導体層の遊離電荷（単位ｐＣ）の量を算出することは可能である。「ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＣｏｓｍｉｃ−ＲａｙＩｎｄｕｃｅｄＳｏｆｔＵｐｓｅｔｓａｎｄＳｃａｌｉｎｇｉｎＶＬＳＩＤｅｖｉｃｅｓ」（Ｅ．Ｌ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎら、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅ、ＮＳ−２９／６、１９８２年１２月、２０５５〜６３）を参照のこと。具体例としては、前記エネルギーは２２．５ＭｅＶで、法線入射で前記能動素子内に蓄積される値は２〜３フェムトクーロン（ｆｅｍｔｏｃｏｕｌｏｕｂｓ）になる。

次に、前記アクティブ半導体層の遊離電荷の前記限界値を含めるように、図７を図９で示すように再プロットすることが可能である。図９で示すように、生成されるα粒子はシリコン内での軌道でのほぼ全域で、０．３５マイクロン線幅のＳＯＩＲＡＭセルにおける臨界電荷（Ｑｃｒｉｔ）に相当する電荷量を提供する。すなわち、近接部に配置される中性子変換層１８は、従来のＳＯＩＲＡＭ構造にＳＥＵを生起するのに十分なα粒子を生成するものである。得られる構造は、中性子受感ランダム・アクセス・メモリと言及される。

本発明に従った半導体基板を用いて構築された中性子検出器は、様々な用途に利用することができる。注目すべき適用の１つは貨物輸送監視分野における適用である。ＳＲＡＭ技術を利用したデバイスはスタンバイ状態において電流引き込みが低いので、バッテリーの寿命は数年程度にもなり、任意の使用所望期間を取り入れることが可能である。

特定の好適な実施形態を参照して本発明を説明してきた。しかしながら、添付の特許請求の範囲の要旨の範囲内で変更および変形が可能であることが理解される。例えば、「挟み込み（ｓａｎｄｗｉｃｈ）」検出器を生成するために、追加のＳＲＡＭ回路を片面中性子受感ＳＲＡＭに取り付けることができる。他の積み重ねの形状も使用可能である。多重層シリコン超小型回路の技術は実証済みである。「ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｔｅｇｒｉｔｙｏｆＳｔａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−Ａｒｔ０．１３μｍＳＯＩＣＭＯＳＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＣｉｒｃｕｉｔｓＴｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｆｏｒＴｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（３Ｄ）ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ（ＩＣ）Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ（Ｋ．Ｗ．Ｇｕａｒｉｎｉら、ＩＥＤＭＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ、ＩＥＥＥ、（２００２年））を参照のこと。シリコンＳＯＩ記憶回路を参照して本発明を説明してきたが、別のタイプの半導体素子を使用してセミコンダクタ・オン・インシュレータのＲＡＭ回路を製造する場合もある。また、この別のタイプの半導体素子を、本発明に従って、１若しくはそれ以上の近位中性子変換材料を伴って中性子を受感可能にして中性子検出器製造用に使用することができる。さらに、本発明はスタティックＲＡＭタイプのメモリデバイスに限定されるものではなく、別のタイプのメモリデバイスに組み込むことも可能である。

図１Ａは、中性子デバイス構造の好適な実施形態の１つを示している。中性子変換層２４は、アクティブ半導体層１２と当該中性子変換層２４の間にある絶縁層１４を伴って、当該アクティブ半導体層１２に極力近接して形成されている。回路構造層１８は前記アクティブ半導体層１２上に位置する。選択的に、機械的安定性のためにベース基板１６を前記中性製変化層２４に追加することは可能である。

図１は、ＳＯＩ基板を含む従来型の半導体メモリデバイスを示す。図１Ａは、前記中性子デバイス構造の好適実施形態を示す。図２は、図１の前記従来型メモリデバイスへの結合層の被覆、及び図１の前記従来型メモリデバイスのベース基板の削除を示す。図３は、図２の露出された絶縁層上の中性子変換層の形成を示す。図４は、中性子変換層を前記従来型メモリデバイスのアクティブ半導体層へ直接被覆したものを示す。図５は、第２の中性子変換層を図３で図示されたデバイスへ追加したものを示す。図６は、第２の中性子変換層を図４で図示されるデバイスへ追加したものを示す。図７は、未硬化のシリコンメモリセルのサイズに基づく臨界電荷（Ｑｃｒｉｔ）を示すグラフである。図８は、同位体のホウ素‐１０が移行するシリコンからのアルファ粒子の線エネルギー付与（ＬＥＴ）を示す。図９は、前記アクティブ半導体層中の遊離電荷の限界値を含むグラフである。

Claims

中性子検出デバイスであって、
複数の電荷感知セルを含むアクティブ半導体層と、
中性子を荷電粒子へ変換可能な第１の中性子変換層であって、この中性子変換層は前記アクティブ半導体層の極めて近接に位置するものである、前記第１の中性子変換層と、
前記アクティブ半導体層の近接位置に形成された第２の中性子変換層と
を有する中性子検出デバイス。
メモリデバイスから中性子検出器を製造する方法であって、
前記メモリデバイスは、アクティブ半導体層と、ベース基板と、前記アクティブ半導体層と前記ベース基板の間にある絶縁層とを有し、
この方法は、
前記ベース基板層をメモリデバイスから取り除いて、前記絶縁層を露出させる工程と、
前記絶縁層上に中性子変換層を形成する工程と
を有するメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法。
請求項２記載のメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法であって、この方法は、さらに、
前記中性子変換層を形成する前に前記絶縁層上に障壁層を形成する工程を有するものである。
請求項２記載のメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法において、この方法は、さらに、
前記中性子変換層上に第２の中性子変換層を形成する工程を有するものである。
請求項２記載のメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法において、前記中性子変換層はホウ素を含有するものである。
請求項４記載のメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法において、前記絶縁層上に形成された前記中性子変換層はホウ素を含有し、前記第２の中性子変換層はリチウムを含有するものである。
メモリデバイスから中性子検出器を製造する方法であって、
このメモリデバイスは、アクティブ半導体層と、ベース基板と、前記アクティブ半導体層と前記ベース基板の間にある絶縁層とを有し、
この方法は、
前記ベース基板層と前記絶縁層を前記メモリデバイスから取り除く工程と、
前記アクティブ半導体層上に中性子変換層を形成する工程と
を有するメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法。
請求項７記載のメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法において、この方法は、さらに、
前記中性子変換層を形成する前に前記アクティブ半導体層上に障壁層を形成する工程を有するものである。
請求項７記載のメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法において、この方法は、さらに、
前記アクティブ半導体層上に形成された前記中性子変換層上に第２の中性子変換層を形成する工程を有するものである。
請求項７記載のメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法において、前記中性子変換層はホウ素を含有するものである。
請求項９記載のメモリデバイスから中性子検出器を製造する方法において、前記絶縁層上に形成された中性子変換層はホウ素を含有し、前記第２の絶縁層はリチウムを含有するものである。
中性子検出デバイスであって、
複数の電荷感知セルを含むアクティブ半導体層と、
前記アクティブ半導体層下に位置する中性子変換層と
を有する中性子検出デバイス。
請求項１２記載の中性子検出デバイスにおいて、この中性子検出デバイスは、さらに、
前記アクティブ半導体層と前記中性子変換層の間に位置する絶縁層を有するものである。
請求項１２記載の中性子検出デバイスにおいて、この中性子検出デバイスは、さらに、
前記中性子変換層と前記アクティブ半導体層の間に位置する障壁層を有するものである。
請求項１４記載の中性子検出デバイスにおいて、前記障壁層は窒化ケイ素を含有するものである。
請求項１２記載の中性子検出デバイスにおいて、前記中性子変換層はホウ素を含有するものである。
請求項１２記載の中性子検出デバイスにおいて、前記中性子変換層はホウ素含有ガラスを有するものである。
請求項１７記載の中性子検出デバイスにおいて、前記ホウ素含有ガラスは５％のホウ素を有するものである。
請求項１２記載の中性子検出デバイスにおいて、前記中性子変換層はリチウムを含有するものである。
請求項１２記載の中性子検出デバイスにおいて、この中性子検出デバイスは、さらに、
前記アクティブ半導体層に近接して形成された第２の中性子変換層を有するものである。
請求項２０記載の中性子検出デバイスにおいて、一方の前記中性子変換層はホウ素を有し、もう一方の中性子変換層はリチウムを有するものである。
中性子検出デバイスであって、
複数の電荷検知セルを含むアクティブ半導体層と、
前記アクティブ半導体層に近接した第１の中性子変換層と、
前記アクティブ半導体層に近接して形成された第２の中性子変換層と
を有する中性子検出デバイス。
アクティブ半導体層を有する中性子検出デバイスであって、
複数の電荷感知セルと、
第１の中性子変換層と、
第２の中性子変換層と、
前記アクティブ半導体層と前記中性子変換層の間に位置する絶縁層と
を有するアクティブ半導体層を有する中性子検出デバイス。
アクティブ半導体層を有する中性子検出デバイスであって、
複数の電荷感知セルと、
第１の中性子変換層と、
第２の中性子変換層と、
前記中性子変換層と前記アクティブ半導体層の間に位置する障壁層と
を有するアクティブ半導体層を有する中性子検出デバイス。
中性子検出デバイスであって、
複数の電荷感知セルを含むアクティブ半導体層と、
前記アクティブ半導体層と接触する第１の中性子変換層と、
前記アクティブ半導体層に近接して形成された第２の中性子変換層と
を有する中性子検出デバイス。
中性子検出デバイスであって、
複数の電荷感知セルを含むアクティブ半導体層と、
前記アクティブ半導体層から中性子反応物質粒子が移動する範囲を越えない距離内に位置する中性子変換層と、
前記アクティブ半導体層に近接して形成された第２の中間子変換層と
を有する中性子検出デバイス。