JP2011017722A - 加速粒子および高エネルギ放射線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】入射加速粒子および高エネルギ放射線に耐えることのできるモノリシックセンサを提供する。
【解決手段】加速電子検出器はＣＭＯＳ構造のモノリシックセンサのアレイを備え、各センサは基板（１０）と、エピ層（１１）と、ｐ＋ウェル（１２）と、エピ層（１１）によってｐ＋ウェル（１２）から分離されたｎ＋ウェル（１３）とを含む。ｐ＋ウェルには複数のＮＭＯＳトランジスタが集積される。センサはまた、バイアス電圧の印加によりエピ層内に発生する電荷担体がｎ＋ウェル（１３）にドリフトされるように、エピ層内に欠乏層を確立する深いｎ領域（１５）をｐ＋ウェル（１２）の下に含む。検出器は改善された放射線耐性を有し、したがってそれは電子顕微鏡のような加速電子の検出および撮像に適する。
【選択図】 図５

Description

本発明は加速粒子および高エネルギ放射線センサに関する。特に、本発明は、加速電子をはじめそれに限らない荷電粒子の検出に対する活性画素技術の適用に関係するが、それに限定されない。

１９９０年代を通じて、アクティブピクセルセンサは、ＣＣＤ技術の代替物として可視撮像用に開発された。そのようなアクティブピクセルセンサは一般的に標準ＶＬＳＩ技術、通常はＣＭＯＳを使用して作製され、フォトダイオードによって生成された電荷信号をバッファリングする増幅器と一緒に、ピクセルに集積されたフォトダイオードから構成される。しかし、過去には、可視撮像におけるアクティブピクセルセンサの適用は、それらの低いフィルファクタ（fill factor）によって限定されてきた。換言すると、各ピクセ
ルの表面積の大部分は読出し回路機構に充当されたので、ピクセルの表面積のごく一部分だけが入射光を感知した。これはアクティブピクセルセンサアレイの解像度を制限し、この技術を多くの撮像用途に対し、特にトラッキング用途に対し、不適切なものにした。

米国特許第6225670号（特許文献１）に、かなり増大したフィルファクタを持ち、電子放射線を検出するためのアクティブピクセルセンサ構造が記載されている。図１は米国特許第6225670号から取ったものであり、一つのアクティブピクセルセンサの基本構造を示す。従来のｐ型ドープシリコン基板１は、その中に画定されたｐ−エピ層２と、エピ層２の上に形成されたｐ＋層３とを有する。ｐ＋層３は、相互に分離されかつエピ層２からも分離された、ｎ型ドーピングを有する二つの領域４、５を含む。しかし、第一領域４はエピ層２との接合を形成し、入射電磁（ｅｍ）放射線によって発生する電荷担体を収集するための収集接合として働き、これはｐ＋層を介してエピ層２内にまで深く打ち込まれたｎ型領域の部分６を含む。第二ｎドープ領域５は、読出し回路機構がピクセル上に配置される領域を画定する。この構造では、入力ｅｍ放射線の結果、電荷担体がエピ層２内で発生し、収集接合へ拡散する。ｐ＋層３によるエピ層２からの第二ｎドープ領域５の分離は、エピ層２内の電荷担体が読出し回路機構へ逸失しないことを確実にする。

同様の構造は、Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A 458(2001)677-689（非特許文献１）におけるR Turchettaらによる「A monolithic active pixel sensor for charged particle tracking and imaging using standard VLSI CMOS technology」と題する論文にも記載されている。この論文では、最小イオン化粒子（ＭＩＰＳ）の追跡および単光子撮像にそのような構造を使用する可能性が検討されている。

加速電子ビームを使用する透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）の分野では、今日まで、高解像度画像が要求される状況で、透過電子顕微鏡用の検出器として、湿式フィルムが使用され続けている。デジタル画像を生成するために湿式フィルムを光ファイバ束およびＣＣＤアレイと組み合わせてシンチレータに置換する提案は、一部にはＣＣＤ検出器システムの解像度を著しく限定し得るスミア効果のため、ごく限定された成功を収めただけである。これらの問題は、得られる画像の解像度を改善しようとして試料とシンチレータとの間の電子の減速を提案する、国際公開第WO99/66529号（特許文献２）に論じられている。

米国特許第6225670号 国際公開第WO99/66529号

Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A 458(2001)677-689

本発明は、入射加速粒子および高エネルギ放射線に耐えることのできるモノリシックセンサを提供しようとするものである。本発明はまた、入射加速粒子の単一量子および高エネルギの放射線を、場合によっては実質的に１００％の高い効率で、検出することのできるモノリシックセンサをも提供しようするものである。そういうものとして、本発明は、それに限らないが例えば電子顕微鏡法で、外部誘導加速を受けた荷電粒子の空間分解された検出を達成するのに適した検出器を提供しようとするものである。

本発明では、加速粒子または高エネルギ放射線の検出に使用するように適応されたモノリシックセンサであって、第一導電型のドーパントを有する電荷担体輸送層と、前記電荷担体輸送層より高い濃度の第一導電型のドーパントを有し、かつそれに集積された読出し回路機構を有する少なくとも一つの第一ウェルと、前記電荷担体輸送層との第一接合を形成する第二導電型のドーパントを有する少なくとも一つの第二ウェルと、前記第一ウェルに隣接して位置し、前記第二導電型のドーパントを有する第三ウェルと、前記第三ウェルと前記電荷担体輸送層との間に設けられた分離層と、を備え、よって前記電荷担体輸送層内で電荷担体が生成されたときに、前記電荷担体が前記電荷担体輸送層と第二ウェルとの間の接合に向かって移動して収集されて信号を生成するように構成され、加速粒子または高エネルギ放射線による衝撃に耐えることのできるモノリシックセンサを提供する。

好ましくは、センサの読出し回路機構は、次のうちの一つを含む。

すなわち、１）第一ウェルに配置された少なくとも一つのｎＭＯＳトランジスタ、または２）第二ウェルに配置された少なくとも一つのｐＭＯＳトランジスタ、または３）第一ウェルおよび第二ウェルにそれぞれ配置された少なくとも一つのｎＭＯＳトランジスタおよび少なくとも一つのｐＭＯＳトランジスタ、のうちの一つである。

本発明は、モノリシックセンサが従来のＣＭＯＳ技術を使用して製造することができ、実質的に１００％のフィルファクタを達成するという利点を有する。さらに、センサ内の電荷担体輸送層の深さ、およびセンサを完全空乏化することができるという事実、換言すると全感応体積内にドリフトフィールドを確立することができるという事実は、センサが加速粒子および高エネルギ放射線、例えば１５ｋＲａｄを超える放射線量からの衝撃に耐えられることを可能にし、電荷収集は従来のイオン化放射線検出器に比較して大幅にスピードアップすることができる。

したがって、該センサは、電子顕微鏡法、ならびに電子エネルギ損失分光法（ＥＥＬＳ）、低速電子線回折（ＬＥＥＤ）、およびＸ線光電子分光法をはじめそれらに限らない関連分析技術に特に適している。

したがって、さらなる態様で、本発明は、電子源と、電子ビーム加速および閉込め手段と、少なくとも一つの電子ビーム集束システムと、第一および第二の表裏両面を有する検出器であって、上述したモノリシックセンサのアレイを備えた検出器とを含む真空排気筐体を備えた電子顕微鏡を提供する。

公知のアクティブピクセルセンサの構造を示す略図である。 改善された第一のアクティブピクセルセンサの構造を示す略図である。 図２の構造に係る四つのピクセルのアレイを示す略図である。 第二のアクティブピクセルセンサの構造を示す略図である。 図４と同様の複数の集積アクティブピクセルセンサを示す略図である。 第三のアクティブピクセルセンサの構造を示す略図である。 第四のアクティブピクセルセンサの構造を示す略図である。 第五のアクティブピクセルセンサの構造を示す略図である。 本発明に係るアクティブピクセルセンサアレイを組み込んだ透過電子顕微鏡を示す略図である。

今、本発明の実施形態を、単なる例として添付の図面に関連して説明する。

以下の説明でｎ型またｐ型の材料またはドーピングに言及する場合は常に、ｎ型をｐ型（かつｐ型をｎ型）の材料およびドーピングに変え、電子を正孔に（かつ正孔を電子に）変え、かつバイアス極性を変えることによって生成される相補的構造も想定されることを理解されたい。また、下述する様々なアクティブピクセルセンサ構造に共通する構造要素を識別するために、類似の参照番号を使用している。

加速粒子の検出用に適応された、ＣＭＯＳ技術を使用して作製されたアクティブピクセルセンサの第一モノリシック構造を図２に示す。該構造は、エピタキシャルｐ層１１用の支持体となる通常３００から７００ミクロンの間の厚さを有するｐ＋＋シリコン基板１０を備える。通常２から２０ミクロンの間の厚さを有するエピタキシャル層１１には、分離したｐ＋およびｎ＋ウェルが形成され、そこでｐ＋ウェル１２はｎ＋ウェル１３に接触せず、ｎ＋ウェル１３は軽度にドープされたエピタキシャル層１１によって取り囲まれる。この構造により、回路で得られる最低電位に、例えば接地電位に理想的に維持されるｐ＋ウェル１２内に、ＮＭＯＳトランジスタ１４が作製される。他方、ｎ＋ウェルはより高い電位に、理想的にはＶｄｄにバイアスされる。モノリシック構造の連続エピタキシャル層１１は、エピタキシャル層１１内で入射放射線によって発生する電荷担体がｎ＋ウェル１３に拡散し、センサの上面に入射するイオン化放射線の実質的に１００％の変換効率をもたらす。

図３は、図２の構造が四つのピクセルａ、ｂ、ｃ、ｄに対してどのように繰り返されるかを示す。ｎ＋ウェル１３のｐ＋ウェル１２からの分離は、ｎ＋ウェル１３を取り囲み、ｐ＋ウェル１２に対する障壁を形成する、ｐ−エピタキシャル層１１により明瞭に示される。

加速粒子および高エネルギ放射線の検出用に適応されたアクティブピクセルセンサ用の第二のモノリシック構造を図４に示す。この構造は、ｐ＋ウェル１２の下に形成された深いｎ領域１５を含む。この構造によって、エピタキシャル層１１の活性体積全体に実質的にドリフトフィールドを確立することができる。したがって、図２および３の構造とは異なり、図４の構造のｎ＋ウェル１３は、それを取り囲むｐ＋ウェル１２と接触している。しかし、ｎ＋ウェル１３はｐ＋ウェル１２より深くエピタキシャル層１１内に延び、それによりｐ＋ウェル１２の下にエピタキシャル層１１と収集接合を形成する。埋込みウェルによって、同一サイズのピクセルに対し、ダイオード間の分離はダイオードの下の低抵抗基板の厚さと同様に、エピ層１１の体積全体に空乏領域が確立されることを可能にするサイズまで縮減される。

エピ層１１に確立される空乏領域の程度がドーピングレベルおよび印加バイアスによって異なることは、言うまでもなく、理解されるであろう。例えば、１０¹⁵ｃｍ^-3のドーピングレベルおよび３Ｖの印加バイアスを有する典型的なマイクロ電子デバイスの基本的半導体理論に従うと、空乏領域の幅は約６μｍとなる。図４のモノリシック構造の場合、エピ層の厚さは約６μｍまたはそれ未満であり、よって、ｎ＋ウェル１３への拡散とは対照的に、エピ層の完全な空乏、および電荷担体の大部分がドリフトするドリフトフィールドの確立が可能になる。センサアレイにおけるドリフトフィールドの確立は、隣接する画素間のクロストークをも低減し、したがってアレイの解像度を改善することができる。

図５は、幾つかのピクセルをどのように集積することができるかを示す、図４の変形である。この構造の２Ｄシミュレーションは、エピタキシャル層１２が完全に空乏化する結果として収集時間の１０倍の向上を示唆し、したがってこれらの構造は実時間および高速撮像に特に適した構造となる。さらに、ＮＭＯＳトランジスタはｐ＋ウェルに実現することができ、ＰＭＯＳトランジスタはｎ＋ウェルに実現することができるので、図４および５の構造は、ピクセルに全ＣＭＯＳ電子部品を集積することを可能にする。これに関して、ＮＭＯＳトランジスタをｐ＋ウェルで基板から分離することにより、電子部品の機能に影響を及ぼすことなく、ｐ基板に負バイアスを印加することが可能である。漏れ電流を防止するために、分離層を追加することが必要になるかもしれない。例えば図６の分離層１６および図８（下記参照）の１９を参照されたい。

ＰＭＯＳおよびＮＭＯＳトランジスタの両方の単一ピクセルへの完全な集積を可能にする、さらなる代替的アクティブピクセルセンサ構造を図６に示す。この構造により、トランジスタが設けられたウェルからエピタキシャル層１２の感応体積を分離するために、分離層１６が導入されている。図６の構造では、分離層１６は、追加されたｐ＋ウェルおよびｎ＋ウェル１７の下に注入されたｐ＋＋層の形を取る。１００％の収集効率を確実にするために、ｎ＋領域１３は、分離層を越えて延びエピタキシャル層１２と直接接合を形成するように、再び深く注入される。この構造は、小さい収集ノード、ならびに非常に小さい容量、高感度、および低ノイズをサポートする利点を有する。この構造はまた、分離層１６または基板１０に負電圧を印加することによって、小さいバイアス電位を印加することをも可能にする。

図７の構造は、ｎ領域１５がｐ＋ウェル１２の下に設けられるという点で、図４および５に見られる特徴を組み込んでいる。この場合、ＰＭＯＳおよびＮＭＯＳトランジスタ両方を深いｎウェル１５および図面の左側のｐ＋ウェル１２に集積するために、分離層は必要ない。図面の右側のｐ＋ウェル１８はカソードして働き、大部分の担体を収集する。この構造は、全ＣＭＯＳ電子部品の集積にもかかわらず、収集要素１３の低キャパシタンスを維持するという利点を有する。

図８を参照すると、今回は、エピタキシャル層１１から電子部品を分離するために埋込み酸化物層１９を利用して、全ＣＭＯＳ電子部品の集積を可能にするアクティブピクセルセンサが再び図示されている。

上述した構造は全て信号収集を収集接合に依存しており、各々の構造は複数の接合を有する。これらの接合は、異なるエネルギを有する電子のような加速粒子の画像を順次撮影して、出力信号を時間多重化するか、または構造を同一のピクセルに結合して異なるエネルギの加速粒子の画像を同時に撮影するかのいずれかによって、異なる型の加速粒子または高エネルギ放射線を検出するために使用することができる。

小面積のエピ層は、センサの上のメタライゼーションによってスクリーニングされるかもしれないことは、言うまでもなく理解されるであろう。これに対処するために、ｐ＋＋基板１０を部分的にまたは完全に除去し、センサを裏から照明することが考えられる。

上述したアクティブピクセルセンサは、電子のような加速荷電粒子および高エネルギ放射線の衝撃に耐えることを可能にする改善された放射線耐性を有する。特に、本発明は１００ｎｍに等しいかそれより短い波長を有する放射線からの衝撃に耐えることができ、かつ１５ｋＲａｄまたはそれ以上の放射線量に耐えることができる。これは、センサが完全に空乏化することができ、エピ層における電荷担体の収集の速度が低減され、これが少数担体の寿命に関連する信号の劣化を低減するためである。さらに、本発明は、約１〜５ミクロンの解像度を可能にする従来のＶＬＳＩ ＣＭＯＳ技術のアクティブピクセルセンサアレイを使用して実現するように意図されている。したがって、本発明のセンサは放射線の過酷な環境で、例えば原子力発電所の廃炉で、または衛星で星の追跡のために使用することができる。

上述したアクティブピクセルセンサのアレイの特定の用途として、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）用の検出器がある。顕微鏡の焦点面に配置された集積ＣＭＯＳ技術センサのアレイを有する透過電子顕微鏡を図９に示す。電子顕微鏡の従来の特徴はGB2019085から取ったものである。顕微鏡２０は、筐体２１内の高真空を維持するように、真空ポンプ２２を有する筐体２１を備える。筐体２１内で、電子源２３およびそのアノード２４が、外部電力源から電力を供給される顕微鏡の頂部に取り付けられる。要求される画像の解像度要件に応じて、電子は例えば８０〜４００ｋＶの間の源から加速することができる。ビーム軸に沿って続けると、アノード２４の先にはビーム位置合わせ装置２５、調整可能なビームアパーチャ２６、第一および第二集光レンズ系２７、２８、調整可能な集光レンズアパーチャ２９、ならびに対物レンズ系３０が設けられている。対物レンズ３０の真下には、入射電子を透かす試料ステージ３１がある。試料ステージ３１の下には第二対物レンズ系３２、調整可能な回折アパーチャ３３、ならびに回折レンズ３４と第一および第二投影レンズ３５、３６とを含む一連のレンズ系がある。電子顕微鏡システムの底部に配置されているのは、検出器３７であり、この場合は、図２〜８に関連して上述したアクティブピクセルセンサのアレイである。アクティブピクセルアレイ３７のデータ出力３８は、データ解析のため、およびアクティブピクセルアレイによって供給されたデータのグラフィック画像を生成するために、プロセッサ３９に接続される。

アクティブピクセルアレイ３７は、加速電子ビームがアレイの基板裏面に入射するように反転させることができ、かつエピタキシャル層１１への電子の進入を確実にするために、基板１０は低エネルギ電子の進入が可能な厚さまで裏面を薄肉化することができる。好ましくは、基板の厚さは１００ミクロンまたはそれ未満に低減される。理想的には、基板を完全に除去し、エピタキシャル層１１の裏面を露出したままにする。代替的に、基板１０の裏面またはセンサの前面を被覆する前面分離層内に窓のアレイをエッチングしてもよい。

上述したアクティブピクセルの高いフィルファクタおよび性能特性の結果、５ミクロンより低い画像解像度を達成することができ、実際、１から５ミクロンの間の解像度を達成することができ、それは現在利用可能な技術を超える改善である。ピクセルサイズの縮小により、かつ／または個々の入射電子に対する信号のアナログ読出しを実現することにより、サブミクロンの解像度が可能である。これは、モノリシック集積ＣＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳセンサアレイを有する検出器を組み込んだ電子顕微鏡を、特にタンパク質のような生物学的試料および細胞試料の撮像に使用するのに適したものにするが、それに限定されない。

電子顕微鏡におけるアクティブピクセルセンサアレイの使用に加えて、アレイはＸ線およびガンマ線をはじめ、より高いエネルギの放射線の検出に使用するのに適している。再び、センサアレイのフィルファクタを最大にするために、放射線に曝露されるのが基板の裏面になるように、アレイを反転することができる。加えて、基板の裏面または前面に、ヨウ化セシウムまたはヨウ化水銀のような放射線感応材料を被覆することができる。

本発明が、本書に記載したアクティブピクセルセンサの構造の詳細に限定されず、本書に記載した透過電子顕微鏡の構造の詳細にも限定されないことは、言うまでもなく理解されるであろう。請求の範囲に記載する本発明の範囲内に留まりながら、これらの構造の変化および変形が考えられる。

Claims (23)

1. 加速粒子または高エネルギ放射線の検出に使用するように適応されたモノリシックセンサであって、
   第一導電型のドーパントを有する電荷担体輸送層と、
   前記電荷担体輸送層より高い濃度の第一導電型のドーパントを有し、かつそれに集積された読出し回路機構を有する少なくとも一つの第一ウェルと、
   前記電荷担体輸送層との第一接合を形成する第二導電型のドーパントを有する少なくとも一つの第二ウェルと、
   前記第一ウェルに隣接して位置し、前記第二導電型のドーパントを有する第三ウェルと、
   前記第三ウェルと前記電荷担体輸送層との間に設けられた分離層と、を備え、
   前記第二ウェルは、前記分離層を通って前記電荷担体輸送層まで延びており、
   よって前記電荷担体輸送層内で電荷担体が生成されたときに、前記電荷担体が前記電荷担体輸送層と第二ウェルとの間の接合に向かって移動して収集されて信号を生成するように構成され、
   加速粒子または高エネルギ放射線による衝撃に耐えることのできるモノリシックセンサ。
2. 前記電荷担体輸送層ならびに前記第一および第二ウェルが相補型金属酸化物半導体構造内に形成される、請求項１に記載のモノリシックセンサ。
3. 前記センサにバイアス電圧を印加するための手段をさらに含む、請求項１または２に記載のモノリシックセンサ。
4. 前記バイアス電圧が印加されたときに前記電荷担体輸送層がドリフトフィールドを含む、請求項３に記載のモノリシックセンサ。
5. 前記バイアス電圧が印加されたときに前記電荷担体輸送層が実質的に完全に空乏化する、請求項４に記載のモノリシックセンサ。
6. 前記センサが１５ｋＲａｄ以上の放射線量に耐えるように適応された、請求項５に記載のモノリシックセンサ。
7. 前記第一ウェルおよび前記第三ウェルは、いずれも、前記第二ウェルにおいて発生した前記信号の読出しを実行するように構成された、１またはそれ以上のトランジスタを有する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
8. 前記分離層は、前記第一ウェルおよび前記電荷担体輸送層の間にも設けられている、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
9. 前記分離層は、前記第一ウェルより高い濃度の前記第一導電型のドーパントを有する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
10. 前記センサ用の前記読出し回路機構が、
    １）前記第一ウェルに配置された少なくとも一つのｎＭＯＳトランジスタ、または、
    ２）前記第二ウェルに配置された少なくとも一つのｐＭＯＳトランジスタ、または、
    ３）前記第一ウェルおよび前記第二ウェルにそれぞれ配置された少なくとも一つのｎＭＯＳトランジスタおよび少なくとも一つのｐＭＯＳトランジスタ、
    のうちの一つを備える、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
11. 半導体基板をさらに備え、前記電荷担体輸送層が前記半導体基板より低濃度のドーパントを有する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
12. 前記分離層が前記電荷担体輸送層より高い濃度で前記第一導電型のドーパントを含む半導体層を備える、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
13. 前記分離層は絶縁誘電体を備える、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
14. 前記第一ウェルと、前記第二導電型のドーパントを有する領域との間の接合が、前記第一型の加速粒子またはイオン化放射線とは異なる第二型の入射加速粒子または高イオン化放射線の結果として信号を発生するための第二収集接合を形成する、請求項１に記載のモノリシックセンサ。
15. 前記第一および第二ウェル間の前記接合が第二接合を形成する、請求項１４に記載のモノリシックセンサ。
16. 前記第一および第二接合が、加速粒子の異なるエネルギを示す信号を選択的に発生する、請求項１４または１５のいずれかに記載のモノリシックセンサ。
17. 前記第二ウェルが前記第一ウェルから分離される、請求項１に記載のモノリシックセンサ。
18. １００ミクロン以下の厚さを有する半導体基板をさらに備える、請求項１ないし１７のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
19. 前記半導体基板が前記第一導電型のドーパントを含む、請求項１８に記載のモノリシックセンサ。
20. 前記センサアレイの裏面または前面に一層のヨウ化水銀層を含む、請求項１ないし１９のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
21. 前記センサアレイの裏面または前面に一層のヨウ化セシウム層を含む、請求項１ないし１９のいずれか一項に記載のモノリシックセンサ。
22. 加速粒子または高エネルギイオン化放射線による衝撃に応答して空間分解信号を発生するための相補型金属酸化物半導体デバイスを含む、集積された読出し回路機構を有する請求項１ないし２１のいずれか一項に記載のモノリシックセンサの集積アレイを備えた検出器。
23. 電子源と、電子ビーム加速および閉込め手段と、少なくとも一つの電子ビーム集束システムと、第一および第二の表裏両面を有する検出器であって、請求項１ないし２１のいずれか一項に記載のモノリシックセンサの集積アレイを備えた検出器とを含む真空排気筐体を備えた電子顕微鏡。

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