JP2011187501A

JP2011187501A - シリコン検出器およびシリコン検出器の製造方法

Info

Publication number: JP2011187501A
Application number: JP2010048264A
Authority: JP
Inventors: Masaru Tomimatsu; 大富松; Toshimitsu Morooka; 利光師岡
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】バルク中の不純物に起因するバルク中の漏れ電流および素子の表面の漏れ電流を低減する。
【解決手段】シリコン基板１１の表面に設けられたシリコン熱酸化膜２１を、窒素および水素を含有する雰囲気中（例えば、アンモニア雰囲気中）で熱窒化することによって、シリコン熱酸化膜２１の少なくとも一部の表面に該シリコン熱酸化膜２１が窒化されてなるシリコン窒化酸化膜２２を形成し、シリコン基板１１とシリコン熱酸化膜２１との界面のダングリングボンドを水素により終端する。
【選択図】図４

Description

この発明は、シリコン検出器およびシリコン検出器の製造方法に関する。

従来、例えばシリコン基板の端面に空乏層が近接することで、端面の欠陥によって暗電流が増大することを防止するために、端面と空乏層との相対位置を所定の関係に規定するＰＩＮフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−４０１２号公報

ところで、放射線検出器の測定系全体のエネルギー分解能は、検出器固有のエネルギー分解能と、検出器および増幅器などでの電気的雑音に起因するエネルギー分解能とを含み、このうち、検出器の電気的雑音は、直列雑音と並列雑音とを含んでいる。
そして、上記従来技術に係る半導体ダイオード検出器などにおいて、並列雑音は、主に、素子の表面の漏れ電流による雑音と、素子のバルク中の漏れ電流による雑音とを含んでいる。
例えば、上記従来技術に係るシリコンダイオード検出器の場合、素子の表面の漏れ電流は、シリコン基板とシリコン基板の表面に形成される保護膜である酸化膜との界面のダングリングボンドに起因して生じ、素子のバルク中の漏れ電流は、バルク中の不純物や結晶欠陥に起因して生じる。

上記従来技術に係るＰＩＮフォトダイオードにおいては、シリコン基板の端面の欠陥つまりバルク中の結晶欠陥に起因して生じるバルク中の漏れ電流を低減するだけである。
このため、さらに、バルク中の不純物に起因して生じるバルク中の漏れ電流の低減および素子の表面の漏れ電流の低減が望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、バルク中の不純物に起因するバルク中の漏れ電流および素子の表面の漏れ電流を低減することが可能なシリコン検出器およびシリコン検出器の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係るシリコン検出器は、シリコン基板（実施の形態でのシリコン基板１１）の表面にシリコン酸化膜（実施の形態でのシリコン熱酸化膜２１）を有するシリコン検出器（実施の形態でのシリコン検出器１０）であって、前記シリコン酸化膜の少なくとも一部の表面に、前記シリコン酸化膜が窒化されてなるシリコン窒化酸化膜（実施の形態でのシリコン窒化酸化膜２２）を有する。

さらに、本発明の第２態様に係るシリコン検出器は、前記シリコン基板と前記シリコン酸化膜との界面のダングリングボンドを終端する水素を有する。

また、本発明の第３態様に係るシリコン検出器の製造方法は、シリコン基板（実施の形態でのシリコン基板１１）の表面にシリコン酸化膜（実施の形態でのシリコン熱酸化膜２１）を有するシリコン検出器（実施の形態でのシリコン検出器１０）の製造方法であって、前記シリコン基板の表面に前記シリコン酸化膜を形成し、前記シリコン酸化膜を、窒素を含有する雰囲気中で窒化することによって、シリコン窒化酸化膜（実施の形態でのシリコン窒化酸化膜２２）を形成する。

さらに、本発明の第４態様に係るシリコン検出器の製造方法は、前記シリコン窒化酸化膜を形成する際に、前記シリコン酸化膜を、前記窒素および水素を含有する雰囲気中で熱窒化することによって、前記シリコン窒化酸化膜を形成する。

本発明の第１態様に係るシリコン検出器によれば、シリコン窒化酸化膜は電子捕獲作用を有することから、シリコン基板とシリコン酸化膜との界面のダングリングボンドに起因して発生する電子を、シリコン酸化膜の表面に形成されたシリコン窒化酸化膜によって捕獲することができる。そして、シリコン窒化酸化膜によって捕獲された電子は、シリコン酸化膜によってシリコン基板との接触が遮断されることから、素子の表面の漏れ電流を低減することができる。
さらに、シリコン基板の表面に設けられたシリコン酸化膜が窒化されてなるシリコン窒化酸化膜は、例えばスパッタリングなどによってシリコン酸化膜にシリコン窒化酸化膜が積層される場合に比べて、より緻密であり、かつシリコン酸化膜とシリコン窒化酸化膜との間の組成変化が緩やかとなる。これらにより、外部からの不純物によるシリコン基板の汚染を抑制することができ、シリコンのバンドギャップに不純物原子による中間準位が形成されることを抑制し、かつ不要な界面準位が形成されることを抑制し、バルク中の漏れ電流を低減することができる。

さらに、本発明の第２態様に係るシリコン検出器によれば、シリコン基板とシリコン酸化膜との界面のダングリングボンドを終端する水素を含有することにより、ダングリングボンドに起因して生じる素子の表面の漏れ電流を低減することができる。

また、本発明の第３態様に係るシリコン検出器の製造方法によれば、シリコン窒化酸化膜は電子捕獲作用を有することから、シリコン基板とシリコン酸化膜との界面のダングリングボンドに起因して発生する電子を、シリコン酸化膜の表面に形成されたシリコン窒化酸化膜によって捕獲することができる。そして、シリコン窒化酸化膜によって捕獲された電子は、シリコン酸化膜によってシリコン基板との接触が遮断されることから、素子の表面の漏れ電流を低減することができる。
さらに、シリコン基板の表面に設けられたシリコン酸化膜が窒化されてなるシリコン窒化酸化膜は、例えばスパッタリングなどによってシリコン酸化膜にシリコン窒化酸化膜が積層される場合に比べて、より緻密であり、かつシリコン酸化膜とシリコン窒化酸化膜との間の組成変化が緩やかとなる。これらにより、外部からの不純物によるシリコン基板の汚染を抑制することができ、シリコンのバンドギャップに不純物原子による中間準位が形成されることを抑制し、かつ不要な界面準位が形成されることを抑制し、バルク中の漏れ電流を低減することができる。

さらに、本発明の第４態様に係るシリコン検出器の製造方法によれば、シリコン基板とシリコン酸化膜との界面のダングリングボンドを水素により終端することができ、ダングリングボンドに起因して生じる素子の表面の漏れ電流を低減することができる。

本発明の実施の形態に係るシリコン検出器の一部を破断して模式的に示す構成図である。本発明の実施の形態に係るシリコン検出器の断面図である。図３（Ａ）は本発明の実施の形態に係るシリコン検出器の断面を模式的に示す図であり、図３（Ｂ）はシリコンのバンドギャップに形成される不純物原子による中間準位の例を示す図である。本発明の実施の形態に係るシリコン検出器の製造方法の各工程を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るシリコン検出器およびシリコン検出器の製造方法について添付図面を参照しながら説明する。

本実施の形態によるシリコン検出器１０は、例えば図１および図２に示すように、Ｘ線などの放射線を検出する円筒形のドリフト型検出器（シリコンドリフト検出器）である。
このシリコン検出器１０において、例えば、円板状のｎ型のシリコン基板１１の表面側には、中心軸Ｏ上に配置されたｎ層（ｎ型領域）からなる読み出し電極１２と、この読み出し電極１２を取り囲むようにして所定間隔を置いて同軸に配置された複数の径が異なる円環状のｐ層（ｐ型領域）からなるドリフト電極１３と、最も径方向外方側のドリフト電極１３を取り囲むようにして同軸に配置された円環状のｎ層からなるガード電極１４とが設けられている。
また、シリコン基板１１の裏面側には、中心軸Ｏ上に配置されてＸ線などの放射線が入射する円形状のｐ層からなる入射窓１５と、この入射窓１５を取り囲むようにして径方向外方側で同軸に配置された円環状のｐ層からなるガード電極１６とが設けられている。

このシリコン検出器１０では、シリコン基板１１とドリフト電極１３との間およびシリコン基板１１と入射窓１５との間のそれぞれに逆バイアス電圧が印加されている。そして、各ガード電極１４，１６が接地されることで、シリコン基板１１も接地されている。また、隣り合うドリフト電極１３同士は抵抗を介して接続されている。これらにより、シリコン基板１１の厚さ方向の表面側および裏面側から内部に向って広がるようにして空乏層が形成され、放射線の入射時に空乏層内に生じる電離電子を読み出し電極１２へと駆動するような径方向の電界勾配がドリフト電極１３によって形成される。そして、入射放射線に起因する電離電子が読み出し電極１２から収集される。

シリコン基板１１の表面には、保護および電気的絶縁のための絶縁層２０が形成され、この絶縁層２０の所定位置には、各電極１２〜１４，１６および入射窓１５を露出させるコンタクトホールが形成されている。
絶縁層２０は、シリコン熱酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２など）２１およびシリコン窒化酸化膜（例えば、Ｓｉ_２Ｎ_２Ｏなど）２２により形成されている。
シリコン熱酸化膜２１はシリコン基板１１の表面上に形成されている。そして、シリコン熱酸化膜２１の少なくとも一部の表面には、このシリコン熱酸化膜２１が熱窒化されてなるシリコン窒化酸化膜２２が形成されている。

シリコン熱酸化膜２１の熱窒化は、例えばアンモニア（ＮＨ_３）雰囲気中にて行なわれることにより、アンモニア（ＮＨ_３）に含まれている水素原子（Ｈ）により、シリコン基板１１とシリコン熱酸化膜２１との界面のダングリングボンドが終端される。

シリコン窒化酸化膜（例えば、Ｓｉ_２Ｎ_２Ｏなど）２２は、電子捕獲作用を有することから、例えば図３（Ａ）に示すように、シリコン基板１１とシリコン熱酸化膜２１との界面のダングリングボンドに起因して発生する電子を、シリコン熱酸化膜２１の表面に形成されたシリコン窒化酸化膜２２によって捕獲することができる。そして、シリコン窒化酸化膜２２によって捕獲された電子は、シリコン熱酸化膜２１によってシリコン基板１１との接触が遮断されることから、素子の表面の漏れ電流を低減することができる。

さらに、シリコン基板１１の表面に設けられたシリコン熱酸化膜２１が熱窒化されてなるシリコン窒化酸化膜２２は、例えばスパッタリングなどによってシリコン酸化膜にシリコン窒化酸化膜が積層される場合に比べて、より緻密であり、かつシリコン熱酸化膜２１とシリコン窒化酸化膜２２との間の組成変化が緩やかとなる。これらにより、外部からの不純物（例えば、金、亜鉛、鉄、銅など）によるシリコン基板１１の汚染を抑制することができ、例えば図３（Ｂ）に示すように、シリコンのバンドギャップＥｇに不純物原子による中間準位が形成されることを抑制し、かつ不要な界面準位が形成されることを抑制し、バルク中の漏れ電流を低減することができる。

この実施の形態によるシリコン検出器１０は上記構成を備えており、次に、このシリコン検出器１０の製造方法について説明する。

なお、以下においては、特に、図１および図２に示すシリコン検出器１０の中心軸Ｏ付近の製造方法について説明する。
先ず、例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１１の表面を、例えば９００〜１２００℃にて酸化（熱酸化）して、シリコン熱酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２など）２１を形成する。
そして、例えば図４（Ｃ）に示すように、シリコン熱酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２など）２１の所定箇所をエッチングする。

そして、例えば図４（Ｄ）に示すように、シリコン熱酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２など）２１の表面を、例えば１１００〜１２５０℃にてアンモニア（ＮＨ_３）雰囲気中で窒化（熱窒化）して、シリコン熱酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２など）２１の表層部にシリコン窒化酸化膜（例えば、Ｓｉ_２Ｎ_２Ｏなど）２２を形成する。

そして、例えば図４（Ｅ）に示すように、シリコン基板１１の表面側および裏面側の表層部に砒素および硼素をイオン注入してｎ層およびｐ層を形成する。そして、アニールを行なってイオン注入層の損傷を回復させる。

そして、例えば図４（Ｆ）に示すように、シリコン基板１１の表層部に形成されたｎ層およびｐ層を露出させるコンタクトホール３１をエッチングにより形成する。

そして、例えば図４（Ｇ）に示すように、蒸着などによってシリコン基板１１の表層部のｎ層およびｐ層に接するアルミニウム（Ａｌ）膜を成膜し、所定のパターニングを行なう。そして、アルミニウム（Ａｌ）膜を冶金学的に結合させる。

上述したように、本実施の形態によるシリコン検出器１０およびシリコン検出器の製造方法によれば、シリコン基板１１とシリコン熱酸化膜２１との界面のダングリングボンドに起因して発生する電子を、シリコン熱酸化膜２１の表面に形成されたシリコン窒化酸化膜２２によって捕獲することができる。そして、シリコン窒化酸化膜２２によって捕獲された電子は、シリコン熱酸化膜２１によってシリコン基板１１との接触が遮断されることから、素子の表面の漏れ電流を低減することができる。

さらに、シリコン基板１１の表面に設けられたシリコン熱酸化膜２１が熱窒化されてなるシリコン窒化酸化膜２２は、例えばスパッタリングなどによってシリコン酸化膜にシリコン窒化酸化膜が積層される場合に比べて、より緻密であり、かつシリコン熱酸化膜２１とシリコン窒化酸化膜２２との間の組成変化が緩やかとなる。これらにより、外部からの不純物によるシリコン基板１１の汚染を抑制することができ、シリコンのバンドギャップに不純物原子による中間準位が形成されることを抑制し、かつ不要な界面準位が形成されることを抑制し、バルク中の漏れ電流を低減することができる。

さらに、シリコン基板１１とシリコン熱酸化膜２１との界面のダングリングボンドを水素原子（Ｈ）により終端することができ、ダングリングボンドに起因して生じる素子の表面の漏れ電流を低減することができる。

なお、上述した実施の形態において、シリコン熱酸化膜２１の熱窒化をアンモニア（ＮＨ_３）雰囲気中にて行なうとしたが、これに限定されず、窒素と酸素とを含む他の雰囲気中にて行なってもよい。また、単に、酸素を含まずに窒素を含む雰囲気中にて行なってもよい。

なお、上述した実施の形態においては、シリコン検出器をシリコンドリフト検出器としたが、これに限定されず、例えばｐ−ｉ−ｎ構造を有するシリコンＰＩＮダイオードなどの他のシリコン検出器であってもよい。

１０シリコン検出器
１１シリコン基板
２１シリコン熱酸化膜（シリコン酸化膜）
２２シリコン窒化酸化膜

Claims

シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を有するシリコン検出器であって、
前記シリコン酸化膜の少なくとも一部の表面に、前記シリコン酸化膜が窒化されてなるシリコン窒化酸化膜を有することを特徴とするシリコン検出器。
前記シリコン基板と前記シリコン酸化膜との界面のダングリングボンドを終端する水素を有することを特徴とする請求項１に記載のシリコン検出器。
シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を有するシリコン検出器の製造方法であって、
前記シリコン基板の表面に前記シリコン酸化膜を形成し、
前記シリコン酸化膜を、窒素を含有する雰囲気中で窒化することによって、シリコン窒化酸化膜を形成することを特徴とするシリコン検出器の製造方法。
前記シリコン窒化酸化膜を形成する際に、前記シリコン酸化膜を、前記窒素および水素を含有する雰囲気中で熱窒化することによって、前記シリコン窒化酸化膜を形成することを特徴とする請求項３に記載のシリコン検出器の製造方法。