JP2012054421A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線が照射されていないときに流れる電流の少ない半導体装置を提供する。
【解決手段】Ｎ型半導体基板１０と、Ｐ型半導体領域２２と、Ｐ型半導体領域２２内に設けられたＰ型半導体領域２２よりも高不純物濃度のＰ型半導体領域２０と、を備え、Ｎ型半導体基板１０とＰ型半導体領域２０との間に逆バイアスを印加して動作させる際にＮ型半導体基板１０とＰ型半導体領域２２との間に広がる空乏層４０が、Ｐ型半導体領域２０に到達しないような、Ｎ型半導体基板１０とＰ型半導体領域２２の不純物濃度およびＰ型半導体領域２２内のＰ型半導体領域２０の配置としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、放射線センサに使用され、放射線を検出するための素子であるダイオードに関する。

放射線を検出するダイオードは、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００２−１２４６５７号公報

放射線を検出するダイオードとして、半導体シリコン基板を用いたものがある。図３に示すように、従来の放射線検出用のダイオード２は、Ｎ型半導体基板１０と、Ｎ型半導体基板１０の主面１２側に設けられたＰ型半導体領域２０とを備えている。Ｎ型半導体基板１０の主面１２にはコンタクト６４が接触して設けられ、Ｐ型半導体領域２０の主面１２側にはコンタクト６２が接触して設けられている。

まず、放射線に対するシリコン中の電子の性質について説明する。放射線がダイオードに照射されると、シリコン基板中のシリコン原子に束縛されている電子が、放射線のエネルギーを吸収して、束縛を逃れシリコン基板中を自由に動き回るようになる。しかしながら、自由に動き回っている電子は、僅かな時間（通常１×１０^−６秒以下）で再びシリコン原子に束縛されるので、シリコン基板中の状態は放射線を当てる前の状態に戻るという性質がある。

いま、Ｎ型半導体基板１０とＰ型半導体領域２０との間に逆バイアスを印加、すなわち、Ｐ型半導体領域２０よりＮ型半導体基板１０の方が高い電圧を印加すると、図４に示すようにＰ型半導体領域２０とＮ型半導体基板１０の界面（ＰＮジャンクション５２）を中心として、空乏層４０と呼ばれる電界の強い領域が形成される。逆バイアスを印加することで空乏層４０が形成されている状態では、放射線が照射された際、放射線によって束縛を解かれた電子は、強い空乏層領域の電界によって加速され、再びシリコン原子に束縛されるより先にシリコン基板１０の端まで到達することが出来る。シリコン基板１０の端には金属のコンタクト６４が形成されており、コンククト６４の先には電子の量を測定するための回路６０が存在する。放射線が照射されていない時は、このシリコン基板１０中を自由に動き回る電子はほとんどないが、放射線が照射されると、多数の電子がシリコン基板１０の端に形成されているコンタクト６４に到達し、電子の量を測る回路６０によってカウントされる。このように放射線照射の有無を、シリコン基板１０からコンタクト６４を介して回路に流れる電流量によって判定することで、放射線を検知することができる。

ダイオード２はＮ型シリコン基板１０とＰ型半導体領域２０とから成るが、これは異なる２種類の不純物をシリコン基板に注入することで実現される。また一般に、電圧を印加するためのコンタクト６２、６４には金属（例えばタングステン）が用いられる。コンタクトの材料と半導体シリコンとを接合すると、２つの材料の電気的性質の違いから、金属半導体接合界面に高い抵抗が発生し、ダイオードとしての電気的特性を満足できなくなる。そこで、金属半導体接合界面の抵抗を極力低くするために、Ｐ型半導体領域２０及びＮ型半導体基板１０の不純物濃度を高濃度に設定している。

しかしながら、従来のダイオードの構造では、Ｐ型半導体領域２０及びＮ型半導体基板１０の不純物濃度が高いため、不純物注入時にシリコン基板１０中に、不純物とシリコン原子との衝突によって結晶欠陥３０が発生する。ダイオード２に逆バイアスを印加すると、Ｐ型半導体領域２０とＮ型半導体基板の界面（ＰＮジャンクション５２）付近に空乏層４０と呼ばれるほとんど伝導キャリアが存在しない領域が発生するが、この空乏層領域に結晶欠陥３０が存在すると、それが電子を発生させる元になってしまう。本センサはダイオード２に電流が流れていない状態を放射線が照射されていない状態と判断するため、本来、放射線が照射されていない状態ではシリコン基板１０中に流れる電流量はほぼゼロであることが要求される。しかし、放射線が照射されていない状態において、結晶欠陥３０によってシリコン基板１０中に電子が発生し、その電子が電流として流れてしまうと、放射線が照射されているものと判断するといった誤動作等の問題を引き起こす。

本発明の主な目的は、放射線が照射されていないときに流れる電流の少ない半導体装置を提供することにある。

本発明によれば、
一導電型の半導体層と、
前記半導体層に設けられた前記一導電型とは反対導電型の他の導電型の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域内に設けられた前記他の導電型であって、前記の第１の半導体領域よりも高不純物濃度の第２の半導体領域と、を備え、
前記半導体層と前記第２の半導体領域との間に逆バイアスを印加して動作させる際に前記半導体層と前記第１の半導体領域との間に広がる空乏層が、前記第２の半導体領域に到達しないような、前記半導体層と前記第１の半導体領域の不純物濃度および前記第１の半導体領域内の前記第２の半導体領域の配置とした半導体装置が提供される。

好ましくは、前記第２の半導体領域は、前記半導体層の一主面側から前記他の導電型の不純物を注入して設けられ、前記第１の半導体領域は、前記半導体層の一主面側から前記他の導電型の不純物を、前記第２の半導体領域を形成する場合よりも低いドーズ量かつ高い加速エネルギーで注入して設けられる。

好ましくは、前記第１の半導体領域の不純物濃度は、結晶欠陥を発生させない不純物濃度である。

好ましくは、前記第１の半導体領域は、前記半導体層の一主面に設けられ、前記第２の半導体領域は前記第１の半導体領域の前記一主面側に設けられている。

好ましくは、前記第１の半導体領域の不純物濃度は１×１０^１３〜１×１０^１８／ｃｍ^３、前記第２の半導体領域の不純物濃度は１×１０^１９〜１×１０^２１／ｃｍ^３、前記半導体層の不純物濃度は１×１０^１１〜１×１０^１４／ｃｍ^３である。

好ましくは、前記第２の半導体領域の深さは０．１〜１μｍ、前記第１の半導体領域の深さは０．５〜２μｍである。

好ましくは、前記半導体装置は放射線検出用ダイオードである。

好ましくは、前記半導体層、前記第１の半導体領域、第２の半導体領域はＳｉから構成されている。

本発明によれば、放射線が照射されていないときに流れる電流の少ない半導体装置が提供される。

図１は、本発明の好ましい実施の形態の放射線検出用のダイオードを説明するための概略縦断面図である。 図２は、本発明の好ましい実施の形態の放射線検出用のダイオードを説明するための概略縦断面図である。 従来の放射線検出用のダイオードを説明するための概略縦断面図である。 従来の放射線検出用のダイオードを説明するための概略縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１を参照すれば、本発明の好ましい実施の形態の放射線（Ｘ線、粒子線）検出用のダイオード１は、Ｎ型半導体基板１０と、Ｎ型半導体基板１０の主面１２に設けられたＰ型半導体領域２２と、Ｐ型半導体領域２２の主面１２側に設けられたＰ型半導体領域２２よりも高不純物濃度のＰ型半導体領域２０とを備えている。Ｎ型半導体基板１０の主面１２にはコンタクト６４が接触して設けられ、Ｐ型半導体領域２０の主面１２側にはコンタクト６２が接触して設けられている。コンタクト６２、６４には金属、例えばタングステンが用いられる。コンタクト６４とコンタクト６２との間には、電子の量を測る回路６０が接続されている。

Ｎ型半導体基板１０、Ｐ型半導体領域２０およびＰ型半導体領域２２は、単結晶シリコンからなっている。Ｎ型半導体基板１０の不純物濃度は１×１０^１１〜１×１０^１４／ｃｍ^３であり、Ｐ型半導体領域２２の不純物濃度は１×１０^１３〜１×１０^１８／ｃｍ^３であり、Ｐ型半導体領域２０の不純物濃度は１×１０^１９〜１×１０^２１／ｃｍ^３である。Ｐ型半導体領域２０の深さは０．１〜１μｍであり、Ｐ型半導体領域２２の深さは０．５〜２μｍである。Ｐ型半導体領域２０は、Ｐ型半導体領域２２内に設けられており、Ｐ型半導体領域２０はＰ型半導体領域２２によって完全に覆われている。

Ｐ型半導体領域２０は、Ｎ型半導体基板１０の主面１２側からＰ型の不純物を注入することによって形成されている。Ｐ型半導体領域２２は、Ｎ型半導体基板１０の主面１２側からＰ型の不純物を、Ｐ型半導体領域２０を形成する場合よりも低いドーズ量かつ高い加速エネルギーで注入することによって形成されている。

本実施の形態では、Ｐ型半導体領域２０の不純物濃度は１×１０^１９〜１×１０^２１／ｃｍ^３の範囲の、例えば５×１０^２０／ｃｍ^３の高濃度であり、このような高濃度の不純物を注入することにより、図２に示すように、Ｐ型半導体領域２０内に結晶欠陥３０が発生する。高不純物濃度のＰ型半導体領域２０に存在する結晶欠陥３０を完全に覆って、結晶欠陥を発生させないような１×１０^１３〜１×１０^１８／ｃｍ^３の範囲内の、例えば１×１０^ｌ８／ｃｍ^３といった低濃度のＰ型半導体領域２２を形成する。この構造は、結晶欠陥３０を発生させるような高濃度の不純物を注入してＰ型半導体領域２０を形成するのとは別に、結晶欠陥を発生させる不純物の注入時より高エネルギーで低濃度の不純物を注入することによってＰ型半導体領域２２を形成することによって実現できる。

上記のようにして形成したダイオード１に、逆バイアス（Ｎ型半導体基板１０よりＰ型半導体領域２０、２２の方が電圧が高い状態）を印加すると、Ｐ型半導体領域２２とＮ型半導体基板１０の界面（ＰＮジャンクション５０）付近に空乏層４０（伝導キャリアがほとんど存在しない領域）が発生する。

低濃度（例えばシリコン中で１×１０^１３〜１×１０^１８／ｃｍ^３）の不純物を注入した場合、結晶欠陥はほとんど発生しないことが期待できる。よって、本実施の形態では、高不純物濃度のＰ型半導体領域２０の周囲にある低不純物濃度のＰ型半導体領域２２には、結晶欠陥が存在しない。ダイオード１に逆バイアスを印加した時、低濃度のＰ型半導体領域２２とＮ型半導体基板１０の界面（ＰＮジャンクション５０）を中心として空乏層４０が形成されるが、本実施の形態では、この空乏層４０が高不純物濃度のＰ型半導体領域２０に到達しないような、Ｎ型半導体基板１０とＰ型半導体領域２２の不純物濃度およびＰ型半導体領域２２内のＰ型半導体領域２０の配置としている（Ｎ型半導体基板１０の不純物濃度は１×１０^１１〜１×１０^１４／ｃｍ^３であり、Ｐ型半導体領域２２の不純物濃度は１×１０^１３〜１×１０^１８／ｃｍ^３であり、Ｐ型半導体領域２０の深さは０．１〜１μｍであり、Ｐ型半導体領域２２の深さは０．５〜２μｍであり、Ｐ型半導体領域２０は、Ｐ型半導体領域２２内に設けられており、Ｐ型半導体領域２０はＰ型半導体領域２２によって完全に覆われている）。従って、結晶欠陥３０は空乏層４０に存在しないので、ダイオード１に放射線が照射されていない場合の電流の発生源にはならず、ダイオード１に放射線が照射されていない状態において、ダイオード１に流れる電流はほぼゼロであることが期待できる。

なお、放射線が照射されると、多数の電子と正孔が発生し、電子はシリコン基板１０に接触して形成されているコンタクト６４に到達し、正孔はＰ型半導体領域２０に接触して形成されているコンタクト６２に到達し、発生した電子の量は電子の量を測る回路６０によってカウントされる。このように放射線照射の有無を、回路60に流れる電流量によって判定することで、放射線を検出することができる。

なお、上記の実施の形態において、Ｐ型とＮ型とし、Ｎ型をＰ型とした構造としてもよい。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１ 放射線検出用のダイオード
１０ Ｎ型半導体基板
１２ 主面
２０、２２ Ｐ型半導体領域
３０ 結晶欠陥
４０ 空乏層
５０ ＰＮジャンクション
６２、６４ コンタクト

Claims (8)

1. 一導電型の半導体層と、
   前記半導体層に設けられた前記一導電型とは反対導電型の他の導電型の第１の半導体領域と、
   前記第１の半導体領域内に設けられた前記他の導電型であって、前記の第１の半導体領域よりも高不純物濃度の第２の半導体領域と、を備え、
   前記半導体層と前記第２の半導体領域との間に逆バイアスを印加して動作させる際に前記半導体層と前記第１の半導体領域との間に広がる空乏層が、前記第２の半導体領域に到達しないような、前記半導体層と前記第１の半導体領域の不純物濃度および前記第１の半導体領域内の前記第２の半導体領域の配置とした半導体装置。
2. 前記第２の半導体領域は、前記半導体層の一主面側から前記他の導電型の不純物を注入して設けられ、前記第１の半導体領域は、前記半導体層の一主面側から前記他の導電型の不純物を、前記第２の半導体領域を形成する場合よりも低いドーズ量かつ高い加速エネルギーで注入して設けられる請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第１の半導体領域の不純物濃度は、結晶欠陥を発生させない不純物濃度である請求項２記載の半導体装置。
4. 前記第１の半導体領域は、前記半導体層の一主面に設けられ、前記第２の半導体領域は前記第１の半導体領域の前記一主面側に設けられている請求項１記載の半導体装置。
5. 前記第１の半導体領域の不純物濃度は１×１０^１３〜１×１０^１８／ｃｍ^３、前記第２の半導体領域の不純物濃度は１×１０^１９〜１×１０^２１／ｃｍ^３、前記半導体層の不純物濃度は１×１０^１１〜１×１０^１４／ｃｍ^３である請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記第２の半導体領域の深さは０．１〜１μｍ、前記第１の半導体領域の深さは０．５〜２μｍである請求項５記載の半導体装置。
7. 前記半導体装置は放射線検出用ダイオードである請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記半導体層、前記第１の半導体領域、第２の半導体領域はＳｉから構成されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。