JP2023019637A - 放射線検出素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線検出の精度を安定させることが容易となる放射線検出素子の製造方法、及び放射線検出素子を提供する。【解決手段】放射線検出素子の製造方法では、導体基板を酸化させることにより、検出対象の放射線が入射する入射側に相当する位置にある入射面を覆う第１酸化膜を成長させ、前記第１酸化膜の、前記入射面の一部分を覆う部分を除去することにより、前記入射面の前記一部分を露出させ、前記入射面の前記一部分が露出した状態から、前記半導体基板を再度酸化させることにより、前記入射面を覆う第２酸化膜を、厚みが前記第１酸化膜の厚みよりも小さい所定の厚みになるように成長させる。【選択図】図７

Description

本発明は、放射線検出素子の製造方法、及び放射線検出素子に関する。

Ｘ線等の放射線を検出する放射線検出器には、半導体を用いた放射線検出素子を備えたものがある。半導体を用いた放射線検出素子は、平板状の半導体部を備える。放射線が入射する入射側には、ドーパントがドープされており半導体部とは異なる型の半導体でなるドーピング層が設けられている。ドーピング層を介して半導体部に電圧が印加され、半導体部の内部に電界が発生する。半導体部へ放射線が入射した場合、半導体部の内部に電荷が発生し、電荷は電界に従って集められ、電荷量に応じた信号が電極から出力され、放射線の検出が行われる。特許文献１には、ドーピング層を有する放射線検出素子の例が開示されている。

放射線検出素子の製造時には、半導体基板の両面に酸化膜を形成し、入射側の酸化膜の表面に沿った一部分をエッチングにより薄くし、薄くした酸化膜を介してドーパントのイオンを半導体基板へ注入する。ドーパントのイオンが注入された部分がドーピング層となり、他の部分が半導体部となる。例えば、半導体部はｎ型の半導体でなり、ドーピング層はｐ型の半導体でなる。

米国特許第６１８４５６２号明細書

放射線検出素子の入射側の酸化膜が厚い場合は、ドーパントの濃度が低くなり、ドーピング層の形成が不十分になる。ドーピング層の形成が不十分である場合は、放射線の検出が困難になる。酸化膜が薄い場合は、ドーピング層の厚みが大きくなる。ドーピング層の厚みが大きすぎる場合は、放射線によって発生した電荷がドーピング層に吸収される割合が増大し、放射線検出の精度が悪化する。このように、放射線検出素子の入射側の酸化膜の厚みは、ドーピング層の状態に影響し、ドーピング層の状態は、放射線検出の精度に影響する。エッチングにより酸化膜を薄くする方法では、酸化膜の厚みを正確に調整することが困難であり、酸化膜の厚みにはばらつきが生じる。このため、製造される放射線検出素子の放射線検出の精度を安定させることが困難である。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、放射線検出の精度を安定させることが容易となる放射線検出素子の製造方法、及び放射線検出素子を提供することにある。

本発明に係る放射線検出素子の製造方法は、放射線検出素子を製造する方法において、半導体基板を酸化させることにより、検出対象の放射線が入射する入射側に相当する位置にある入射面を覆う第１酸化膜を成長させ、前記第１酸化膜の、前記入射面の一部分を覆う部分を除去することにより、前記入射面の前記一部分を露出させ、前記入射面の前記一部分が露出した状態から、前記半導体基板を再度酸化させることにより、前記入射面を覆う第２酸化膜を、厚みが前記第１酸化膜の厚みよりも小さい所定の厚みになるように成長させることを特徴とする。

本発明の一形態においては、半導体基板の入射面を覆う第１酸化膜を成長させ、入射面に沿った第１酸化膜の一部分を除去して入射面の一部分を露出させ、入射面を覆う第２酸化膜を所定の厚みまで成長させる。半導体基板を酸化させて酸化膜を成長させる方法は、酸化膜をエッチングする従来の方法に比べて、酸化膜の厚みを正確に調整することができる。第２酸化膜の厚みは、製造される放射線検出素子による放射線検出の精度に影響する。第２酸化膜の厚みを正確に調整することができるので、放射線検出の精度を安定させることができる。

本発明に係る放射線検出素子の製造方法は、前記第２酸化膜の厚みが前記所定の厚みになっている状態で、前記半導体基板を構成する半導体を異なる型の半導体にするドーパントのイオンを、前記第２酸化膜を介して前記半導体基板へ注入することを特徴とする。

本発明の一形態においては、半導体基板の入射面を覆う第２酸化膜の厚みが所定の厚みになっている状態で、第２酸化膜を介してドーパントのイオンを半導体基板へ注入する。半導体基板のドーパントが注入された部分は、ドーピング層となる。ドーピング層の厚みの大きさは、第２酸化膜の厚みに応じた値となる。第２酸化膜の厚みが適切に調整されることにより、ドーピング層の厚みが適切に調整され、製造される放射線検出素子の放射線検出の精度が適切になる。

本発明に係る放射線検出素子の製造方法では、前記入射面の前記第１酸化膜で覆われていない部分を覆う前記第２酸化膜の厚みが、５００オングストローム以上１１００オングストローム以下になるように、前記第２酸化膜を成長させることを特徴とする。

本発明の一形態においては、半導体基板の入射面を覆う第２酸化膜の厚みは、５００オングストローム以上１１００オングストローム以下に調整される。第２酸化膜の厚みが５００オングストローム未満である場合は、ドーピング層が厚くなり過ぎ、放射線検出の精度が悪化する。第２酸化膜の厚みが１１００オングストロームを超過する場合は、ドーピング層中のドーパントの濃度が低すぎ、放射線の検出が困難になる。第２酸化膜の厚みが、５００オングストローム以上１１００オングストローム以下である場合は、放射線検出の精度が適切になる。

本発明に係る放射線検出素子の製造方法では、前記入射面の前記一部分は、前記放射線検出素子の、検出すべき放射線が入射する入射領域に対応する部分であることを特徴とする。

本発明の一形態においては、第２酸化膜は、放射線検出素子の入射領域に対応する部分を覆い、第２酸化膜を介して当該部分へドーパントのイオンが注入される。入射領域に、放射線を検出するための電圧が印加される電極が形成され、適切な精度での放射線検出が可能になる。

本発明に係る放射線検出素子の製造方法では、前記放射線検出素子は、シリコンドリフト型放射線検出素子であることを特徴とする。

本発明の一形態においては、放射線検出素子は、シリコンドリフト型放射線検出素子である。放射線検出素子は、高感度の放射線検出を可能にする。

本発明に係る放射線検出素子は、本発明に係る放射線検出素子の製造方法により製造されたことを特徴とする。

本発明の一形態においては、放射線検出素子は、本発明に係る製造方法により製造されているので、第２酸化膜の厚みが正確に調整されている。このため、放射線検出素子による放射線検出の精度は安定している。

本発明にあっては、半導体基板の入射面を覆う酸化膜の厚みを容易に調整することができる。このため、製造される放射線検出素子による放射線検出の精度を容易に安定させることができる等、本発明は優れた効果を奏する。

放射線検出素子の例を示す模式的断面図である。 放射線検出素子を用いる放射線検出装置の機能構成例を示すブロック図である。 放射線検出素子を備える放射線検出器の構成例を示す模式的断面図である。 従来の放射線検出素子の製造方法を説明するための模式的断面図である。 従来の放射線検出素子の製造方法を説明するための模式的断面図である。 酸化膜の薄膜部の厚みとＰ／Ｔ比との関係を示すグラフである。 本実施形態に係る放射線検出素子の製造方法を説明するための模式的断面図である。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、放射線検出素子１の例を示す模式的断面図である。放射線検出素子１は、シリコンドリフト型放射線検出素子である。放射線検出素子１は、全体的に平板状である。放射線検出素子１は、Ｓｉ（シリコン）からなる円板状の半導体部１１を備えている。半導体部１１の成分はｎ型のＳｉである。半導体部１１は、第１面１１１と、第１面１１１の裏側に位置する第２面１１２とを有する。第２面１１２は、検出対象の放射線が入射する入射側に位置する面である。

第１面１１１の中央には、放射線検出時に信号を出力する電極である信号出力電極１３が設けられている。信号出力電極１３の成分は、半導体部１１と同じ型のＳｉである。例えば、信号出力電極１３の成分は、リン等の特定のドーパントがＳｉにドープされたｎ＋Ｓｉである。また、第１面１１１には、多重のリング状になった複数の曲線状電極１４が設けられている。曲線状電極１４の成分は、半導体部１１とは異なる型の半導体であり、ホウ素等の特定のドーパントがＳｉにドープされたｐ型のＳｉである。例えば、曲線状電極１４の成分は、ｐ＋Ｓｉである。リング状に配置された複数の曲線状電極１４はほぼ同心であり、複数の曲線状電極１４のほぼ中心に信号出力電極１３が位置している。即ち、複数の曲線状電極１４は信号出力電極１３を囲んでおり、信号出力電極１３と夫々の曲線状電極１４との間の距離は異なる。

図１には四つの曲線状電極１４を示しているが、実際にはより多くの曲線状電極１４が設けられている。なお、曲線状電極１４の形状は円環が変形した形状であってもよく、多重の曲線状電極１４は同心でなくともよい。また、信号出力電極１３は、多重の曲線状電極１４の中心以外の位置に配置されていてもよく、第１面１１１の中央以外の位置に配置されていてもよい。

複数の曲線状電極１４の外側には、環状の防護電極１４１が設けられており、防護電極１４１の外側には、環状の接地電極１４２が設けられている。接地電極１４２は、接地電位に接続される。防護電極１４１の電位は浮遊電位である。防護電極１４１は、曲線状電極１４と接地電極１４２との間の絶縁破壊を防止する。図１には、単一の防護電極１４１を示しているが、実際には、多重の環状になった複数の防護電極１４１が設けられている。

第１面１１１は、Ｓｉの酸化膜１６で覆われている。信号出力電極１３、曲線状電極１４、防護電極１４１及び接地電極１４２は、酸化膜１６を貫通した金属電極が連結されている。酸化膜１６及び金属電極は、Ｓｉの酸化物又は窒化物でなる図示しない絶縁膜で覆われていてもよい。

第２面１１２には、電圧が印加される電極であるカウンター電極１２が形成されている。カウンター電極１２は、Ｓｉを半導体部１１の成分とは異なる型の半導体にするドーパントがドープされている。カウンター電極１２の成分は、ホウ素等の特定のドーパントがＳｉにドープされたｐ型のＳｉであり、例えば、ｐ＋Ｓｉである。第２面１１２の中央を含む第２面１１２の一部分は、検出すべき放射線が入射する入射領域１１３として設定されている。カウンター電極１２は、第２面１１２の中央を含む大半の領域に形成され、入射領域１１３の全体に設けられている。

カウンター電極１２の外側には、環状の防護電極１２１が設けられている。防護電極１２１の電位は浮遊電位である。図１には、単一の防護電極１２１を示しているが、実際には、多重の環状になった複数の防護電極１２１が設けられている。防護電極１２１は、半導体部１１の縁とカウンター電極１２との間の絶縁破壊を防止する。なお、放射線検出素子１は、第１面１１１側に接地電極１４２を備えておらず、第２面１１２側に接地電極を備える形態であってもよい。即ち、接地電極１４２が設けられておらず、防護電極１２１の外側に接地電極が設けられていてもよい。この形態では、防護電極１２１は、カウンター電極１２と接地電極との間の絶縁破壊を防止する。放射線検出素子１は、第１面１１１側及び第２面１１２側の両方に接地電極を備える形態であってもよい。

第２面１１２は、Ｓｉの酸化膜１５で覆われている。カウンター電極１２及び防護電極１２１は、酸化膜１５を貫通した金属電極が連結されている。酸化膜１５のカウンター電極１２を覆う部分は、図示しない金属膜で覆われていてもよい。

複数の曲線状電極１４は、最も内側の曲線状電極１４の電位が最も高く、最も外側の曲線状電極１４の電位が最も低くなるように、電圧を印加される。また、放射線検出素子１は、信号出力電極１３からの距離が互いに異なり隣接する曲線状電極１４の間に、所定の電気抵抗が発生するように構成されている。例えば、隣接する曲線状電極１４の間に位置する部分の成分を調整することで、二つの曲線状電極１４が接続される電気抵抗チャネルが形成されている。即ち、複数の曲線状電極１４は、電気抵抗を介して数珠つなぎに接続されている。電圧が印加されることによって、夫々の曲線状電極１４は、外側の曲線状電極１４から内側の曲線状電極１４に向けて順々に単調に増加する電位を有する。即ち、曲線状電極１４の電位は、信号出力電極１３に遠い曲線状電極１４から信号出力電極１３に近い曲線状電極１４へ向けて順々に増加する。なお、複数の曲線状電極１４の中に、電位が同じ隣接する一対の曲線状電極１４が含まれていてもよい。

複数の曲線状電極１４の電位によって、半導体部１１内には、段階的に信号出力電極１３に近いほど電位が高く信号出力電極１３から遠いほど電位が低くなる電界（電位勾配）が生成される。また、カウンター電極１２は、カウンター電極１２の電位が最も内側の曲線状電極１４と最も外側の曲線状電極１４との間の電位になるように、電圧が印加される。このように、半導体部１１の内部には、信号出力電極１３に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。カウンター電極１２は入射領域１１３の全体に設けられているので、半導体部１１内の、入射領域１１３を通って放射線が入射する範囲には、電界が生成される。

Ｘ線、光子一般（ＵＶ及び可視光を含む）、電子線又は他の荷電粒子線等の放射線は、放射線検出素子１へ入射する。放射線は、主に第２面１１２の入射領域１１３を通って、半導体部１１内へ入射する。半導体部１１内で吸収された放射線のエネルギーに応じた量の電荷が、半導体部１１内に発生する。発生する電荷は電子及び正孔である。発生した電荷は、半導体部１１の内部の電界によって移動し、一方の種類の電荷は、信号出力電極１３へ集中して流入する。本実施形態では、放射線の入射によって発生した電子が移動し、信号出力電極１３へ流入する。信号出力電極１３へ流入した電荷は電流信号となって出力される。電界の作用によって、高感度の放射線検出が可能になっている。

図２は、放射線検出素子１を用いる放射線検出装置１００の機能構成例を示すブロック図である。放射線検出装置１００は、例えば蛍光Ｘ線分析装置である。放射線検出装置１００は、試料６に電子線又はＸ線等の放射線を照射する照射部４と、試料６が載置される試料台５と、放射線検出器２とを備えている。放射線検出器２には、放射線検出素子１及びプリアンプ２１が含まれている。プリアンプ２１は、放射線検出素子１の信号出力電極１３に接続されている。信号出力電極１３が出力した信号はプリアンプ２１へ入力される。プリアンプ２１は、電流信号を電圧信号へ変換する。プリアンプ２１は、放射線のエネルギーに応じた強度の信号を出力する。なお、プリアンプ２１は、一部が放射線検出器２の内部に含まれており、他の部分が放射線検出器２の外部に配置されていてもよい。

照射部４から試料６へ放射線が照射され、試料６では蛍光Ｘ線等の放射線が発生し、放射線検出器２は試料６から発生した放射線を検出する。図中には、放射線を矢印で示している。放射線検出器２は、検出した放射線のエネルギーに比例した信号を出力する。なお、放射線検出装置１００は、試料台５に載置させる方法以外の方法で試料６を保持する形態であってもよい。

放射線検出器２には、電圧印加部３１と、出力した信号を処理する信号処理部３２とが接続されている。電圧印加部３１は放射線検出素子１に接続されている。電圧印加部３１は曲線状電極１４及びカウンター電極１２に電圧を印加する。信号処理部３２はプリアンプ２１に接続されている。プリアンプ２１が信号を出力することにより、放射線検出器２は、放射線のエネルギーに応じた強度の信号を出力する。信号処理部３２は、放射線検出器２が出力した信号を受け付け、信号の強度を検出することにより、放射線検出器２が検出した放射線のエネルギーに対応する信号値を検出する。信号処理部３２には、分析部３４が接続されている。分析部３４は、演算を行う演算部及びデータを記憶するメモリを含んで構成されている。電圧印加部３１、信号処理部３２、分析部３４及び照射部４は、制御部３３に接続されている。制御部３３は、電圧印加部３１、信号処理部３２、分析部３４及び照射部４の動作を制御する。

信号処理部３２は、検出した信号値を示すデータを分析部３４へ出力する。分析部３４は、信号処理部３２からのデータに基づいて、各値の信号をカウントし、放射線のエネルギーとカウント数との関係、即ち放射線のスペクトルを生成する処理を行う。信号処理部３２が放射線のスペクトルを生成してもよい。分析部３４は、スペクトルに基づいて、試料６に含まれる元素の定性分析又は定量分析を行う。分析部３４には、液晶ディスプレイ等の表示部３５が接続されている。表示部３５は、分析部３４が生成したスペクトル、及び分析部３４による分析結果を表示する。制御部３３は、使用者の操作を受け付け、受け付けた操作に応じて放射線検出装置１００の各部を制御する構成であってもよい。また、制御部３３及び分析部３４は同一のコンピュータで構成されていてもよい。

図２に示した例では、放射線を試料６へ照射し、試料６から発生した放射線を検出する形態を示したが、放射線検出装置１００は、試料６を透過又は試料６で反射した放射線を検出する形態であってもよい。放射線検出装置１００は、放射線の方向を変更することにより試料を放射線で走査する形態であってもよい。放射線検出装置１００は、照射部４、分析部３４、又は表示部３５を備えていない形態であってもよい。

図３は、放射線検出素子１を備える放射線検出器２の構成例を示す模式的断面図である。放射線検出器２は、ＳＤＤ（Silicon Drift Detector）である。放射線検出器２は、円筒の一端に切頭錐体が連結した形状のハウジング２５を備えている。ハウジング２５は、板状の底板部にキャップ状のカバーが被さって構成されている。ハウジング２５の先端には、放射線を透過させる窓材でなる窓２６が設けられている。ハウジング２５の内側には、放射線検出素子１、コリメータ２２、基板２３、冷却部２８、及びコールドフィンガ２４が配置されている。ハウジング２５は、放射線検出素子１、コリメータ２２、基板２３及び冷却部２８を収容している。冷却部２８は例えばペルチェ素子である。

放射線検出素子１は、基板２３の表面に実装されており、窓２６に対向する位置に配置されている。放射線検出素子１は、第１面１１１が基板２３に対向し、第２面１１２が窓２６に対向するように配置されている。コリメータ２２は、両端が開口した筒状であり、放射線を遮蔽する材料で構成されている。コリメータ２２は、放射線検出素子１と窓２６との間に配置されている。コリメータ２２の一端は窓２６に対向しており、他端は放射線検出素子１の表面に対向している。主に窓２６を透過して放射線がハウジング２５の内側へ入射し、コリメータ２２は、放射線の一部を遮蔽する。第２面１１２の中で入射領域１１３以外の部分は、放射線を遮蔽するコリメータ２２が被さっており、放射線は入射されない。入射領域１１３は、コリメータ２２が被さっておらず、放射線が入射される。放射線検出素子１は、コリメータ２２で遮蔽されずに入射した放射線を検出する。

基板２３には、配線が形成され、プリアンプ２１が実装されている。図３では、プリアンプ２１を省略している。基板２３は、直接に又は介在物を介して、冷却部２８の吸熱部分に熱的に接触している。冷却部２８の放熱部分はコールドフィンガ２４に熱的に接触している。コールドフィンガ２４は、冷却部２８の放熱部分が熱的に接触する平板状の部分と、ハウジング２５の底板部を貫通している部分とを有している。放射線検出素子１の熱は、基板２３を通じて冷却部２８に吸熱され、冷却部２８からコールドフィンガ２４へ伝わり、コールドフィンガ２４を通じて放射線検出器２の外部へ放熱される。

なお、放射線検出器２は、コールドフィンガ２４を備えていなくてもよく、冷却部２８の放熱部分はハウジング２５の底板部に熱的に接触していてもよい。放射線検出器２は、冷却部２８を備えていない形態であってもよい。或は、放射線検出器２は、窓材でなる窓２６を有しておらず、ハウジング２５の窓２６に相当する部分が開口している形態であってもよい。

放射線検出器２は、ハウジング２５の底板部を貫通した複数のリードピン２７を備えている。リードピン２７は、ワイヤボンディング等の方法で基板２３に接続されている。電圧印加部３１による放射線検出素子１への電圧の印加と、プリアンプ２１からの信号の出力とはリードピン２７を通じて行われる。なお、放射線検出器２は、その他の構成物を更に備えていてもよい。

次に、放射線検出素子１の製造方法を説明する。図４及び図５は、従来の放射線検出素子１の製造方法を説明するための模式的断面図である。図４Ａに示すように、放射線検出素子１は、板状の半導体基板１０から製造される。半導体基板１０の成分はｎ型のＳｉである。図４Ｂに示すように、入射面１０１を覆う酸化膜１５と、電極面１０２を覆う酸化膜１６とが形成される。酸化膜１５及び１６は、半導体基板１０の熱酸化によって成長させられることにより、形成される。酸化膜１５の厚みは約２０００オングストロームである。従来の放射線検出素子１の製造方法では、図４Ｃに示すように、酸化膜１５の入射面１０１に沿った一部分を厚み方向に部分的にエッチングすることにより、酸化膜１５の一部の厚みを薄くする。酸化膜１５の厚みが薄くなった部分を薄膜部１５１とする。薄膜部１５１は、入射領域１１３に対応する領域を覆う部分である。薄膜部１５１の厚みは、８００±１００オングストロームである。

酸化膜１６の適宜の位置にある部分がエッチングにより除去され、半導体基板１０に対してイオン注入が行われることにより、信号出力電極１３、曲線状電極１４、防護電極１４１、及び接地電極１４２が形成される。同様に、酸化膜１５の適宜の位置にある部分がエッチングにより除去され、半導体基板１０に対してイオン注入が行われることにより、防護電極１２１が形成される。

更に、図５Ａに示すように、酸化膜１５を介し、半導体基板１０に対してイオン注入が行われる。例えば、電圧により加速されたイオンを酸化膜１５へ衝突させることにより、イオン注入が行われる。イオンの軌跡は矢印で示されている。注入されるイオンは、Ｓｉをｐ型にするドーパントのイオンである。例えば、ドーパントはホウ素である。ドーパントのイオンは、薄膜部１５１を透過し、半導体基板１０へ注入される。ドーパントのイオンが注入されることにより、Ｓｉにドーパントがドープされ、ｐ型のＳｉが生成される。半導体基板１０のドーパントがドープされた部分をドーピング層１０３とする。ドーピング層１０３は、ｐ型のＳｉでなる。図５Ａでは、ドーピング層１０３を破線で示す。ドーピング層１０３は、薄膜部１５１に覆われた部分に形成される。

スパッタ等の方法により、酸化膜１５及び１６にアルミニウム等の金属の膜が形成され、酸化膜１５及び１６を覆う金属がエッチングにより除去されることによって、信号出力電極１３、曲線状電極１４、防護電極１４１、接地電極１４２及び防護電極１２１に夫々連結する金属電極が形成される。図５Ｂに示すように、ドーピング層１０３がカウンター電極１２になり、半導体基板１０の、ドーピング層１０３、防護電極１２１、信号出力電極１３、曲線状電極１４、防護電極１４１及び接地電極１４２以外の部分が半導体部１１となり、放射線検出素子１が製造される。入射面１０１は第２面１１２となり、電極面１０２は第１面１１１となる。

イオン注入の際の加速電圧を低くすることには限界があるので、カウンター電極１２を形成するためには、酸化膜１５を介してイオン注入が行われる。カウンター電極１２に含まれるドーパントの濃度、及びカウンター電極１２の厚みは、薄膜部１５１の厚みを調整することによって制御される。薄膜部１５１が厚い場合は、ドーパントのイオンが薄膜部１５１を透過し難くなり、カウンター電極１２に含まれるドーパントの濃度が低くなる。薄膜部１５１が薄い場合は、ドーパントのイオンが薄膜部１５１を透過し易く、半導体基板１０の深い部分にまでドーパントのイオンが注入され易いので、カウンター電極１２が厚くなる。カウンター電極１２に含まれるドーパントの濃度は十分高いことが望ましく、カウンター電極１２の厚みは小さい方が望ましい。

半導体部１１内に電界を発生させるために、カウンター電極１２の成分はｐ型のＳｉである必要があり、カウンター電極１２の成分がｐ型であるためには、ドーパントの濃度は十分高いことが望ましい。放射線の入射によって半導体部１１内に発生した電子は、高い運動エネルギーを有している。このため、カウンター電極１２の付近で発生した電子は、電界に逆らってカウンター電極１２へ突入し、カウンター電極１２に含まれる正孔と再結合し、消滅することがある。電子が消滅した場合は、信号出力電極１３に収集される電子が減少し、放射線のエネルギーが実際よりも低く測定されてしまう。カウンター電極１２の厚みが大きい場合は、半導体部１１の中でカウンター電極１２の付近の部分が占める割合が大きくなるので、カウンター電極１２へ突入する電子の割合が増加し、放射線検出の精度が低下する。

放射線検出の精度を示す指標の一つに、Ｐ／Ｔ比（Peak to Tail ratio）がある。Ｐ／Ｔ比は、放射線のスペクトルにおけるピーク値とピークのすそ野に位置するテーリング部での値との比である。例えば、鉄の同位体の一つであるＦｅ５５の特性Ｘ線を測定し、ピーク（５．８９ｋｅＶ）での強度とテーリング部（５．３ｋｅＶ）での強度との比を計算することにより、Ｐ／Ｔ比の例が得られる。Ｐ／Ｔ比が小さいことは、テーリング部の値が大きく、エネルギーが実際よりも低く測定されている割合が高いことを示している。このため、Ｐ／Ｔ比はある程度高い値であることが望まれる。

薄膜部１５１が薄いほどカウンター電極１２が厚くなり、カウンター電極１２が厚いほどカウンター電極１２へ突入する電子の割合が増加する。このため、薄膜部１５１が薄いほどＰ／Ｔ比は低下し、薄膜部１５１が厚いほどＰ／Ｔ比は増大する。一方で、薄膜部１５１が厚いほどカウンター電極１２中のドーパントの濃度は低下する。薄膜部１５１が厚すぎる場合は、カウンター電極１２中のドーパントの濃度が低すぎるので、カウンター電極１２はｐ型の特性が不十分であり、放射線の検出が困難になり、Ｐ／Ｔ比も得られない。このように、薄膜部１５１の厚みを調整することにより、Ｐ／Ｔ比を調整することができる。

図６は、酸化膜１５の薄膜部１５１の厚みとＰ／Ｔ比との関係を示すグラフである。図中の横軸は酸化膜１５の薄膜部１５１の厚みを示し、単位はオングストロームである。縦軸はＰ／Ｔ比を任意単位で示す。図６は、夫々に薄膜部１５１の厚みが異なる放射線検出素子１についてＰ／Ｔ比を計算した実験結果を示す。図中の丸印は実験で得られたＰ／Ｔ比を示す。薄膜部１５１の厚みが５００オングストローム以上、１１００オングストローム以下である場合は、十分な放射線検出の精度を示すＰ／Ｔ比が得られる。薄膜部１５１の厚みが５００オングストローム未満である場合は、Ｐ／Ｔ比が大きく低下する。カウンター電極１２が厚くなり過ぎることによって、Ｐ／Ｔ比が適切な範囲よりも小さくなり、放射線検出の精度が悪化する。薄膜部１５１の厚みが１１００オングストロームを超過する場合は、放射線検出素子１が正常に動作せず、Ｐ／Ｔ比が得られない。カウンター電極１２中のドーパントの濃度が低すぎることによって、放射線の検出が困難になる。薄膜部１５１の厚みが８００±１００オングストロームである場合は、最適なＰ／Ｔ比が得られる。

エッチングにより酸化膜１５の厚みを薄くする従来の方法では、薄膜部１５１の厚みを正確に調整することが困難である。ウェットエッチングの場合、エッチングレートは酸化膜１５の状態及びエッチング液の状態等、制御の難しい条件に依存する。エッチングレートの制御が困難であるので、薄膜部１５１の厚みを正確に調整することは困難であり、薄膜部１５１の厚みにはばらつきが生じる。ドライエッチングの場合でも、エッチングレートの制御が困難であり、薄膜部１５１の厚みにはばらつきが生じる。

複数の放射線検出素子１を製造した際には、複数の放射線検出素子１の間で薄膜部１５１の厚みはばらつく。また、一つの放射線検出素子１に含まれる薄膜部１５１の厚みも均一ではなく、薄膜部１５１の厚みは場所によってばらつく。例えば、適切なＰ／Ｔ比が得られる薄膜部１５１の厚みの規格を８００±１００オングストロームとする。複数の放射線検出素子１の薄膜部１５１の厚みの平均は、規格内に収まったとしても、複数の放射線検出素子１の間で厚みは大きく異なり、規格から外れる放射線検出素子１もある。また、一つの放射線検出素子１に含まれる薄膜部１５１全体の厚みの平均は規格内に収まったとしても、厚みの標準偏差は大きく、場所によっては厚みが規格を外れることがある。

図４及び図５を用いた説明では、一つの放射線検出素子１を製造する方法を示したが、実際には、一枚の半導体基板１０から複数の放射線検出素子１が製造され、一度に複数の半導体基板１０を用いて製造が行われる。従来の方法では、一枚の半導体基板１０について複数の放射線検出素子１の薄膜部１５１の厚みが検査され、同じ検査が全ての半導体基板１０について行われる。薄膜部１５１の厚みが規格内に収まっていない放射線検出素子１が含まれる半導体基板１０に対して、再度エッチングが行われ、薄膜部１５１の厚みが可及的に規格内に収まるように、薄膜部１５１の厚みが再度調整される。このため、従来の方法では、検査及び再度の調整のための作業が膨大になる。このように、従来の方法では、適切なＰ／Ｔ比が得られる放射線検出素子１を製造することは容易ではなく、放射線検出の精度を安定させることは困難である。

本実施形態に係る放射線検出素子１の製造方法では、酸化膜１５の成長により、酸化膜１５の厚みを調整する。図７は、本実施形態に係る放射線検出素子１の製造方法を説明するための模式的断面図である。図７では、半導体基板１０の電極面１０２付近の部分は記載を省略している。従来と同様に、図７Ａに示すように、半導体基板１０に、入射面１０１を覆う第１酸化膜１５２が形成される。第１酸化膜１５２は、半導体基板１０の熱酸化によって成長させられることにより、形成される。第１酸化膜１５２の厚みは約１７００オングストロームである。図７Ａには示していないものの、同時に、電極面１０２を覆う酸化膜も形成される。

次に、図７Ｂに示すように、フォトリソグラフィによりパターニングを行い、入射面１０１に沿った第１酸化膜１５２の一部分をエッチングすることにより、第１酸化膜１５２の、入射面１０１の一部分を覆う部分が除去される。これにより、入射面１０１の一部分は、露出し、第１酸化膜１５２で覆われない部分となる。入射面１０１の中で露出する領域は、入射領域１１３に対応する領域を含む。

次に、入射面１０１が露出した状態から、図７Ｃに示すように、入射面１０１を覆う第２酸化膜１５３が形成される。本実施形態に係る放射線検出素子１では、酸化膜１５は、第１酸化膜１５２及び第２酸化膜１５３からなる。第２酸化膜１５３は、半導体基板１０の熱酸化によって形成される。半導体基板１０が表面から内部に向かって徐々に酸化することにより、第２酸化膜１５３が成長する。入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われていない部分では、半導体基板１０に含まれるＳｉが空気中の酸素と結合し、酸化が進行する。入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われた部分でも、半導体基板１０が酸化することにより、第１酸化膜１５２と入射面１０１との間に第２酸化膜１５３が成長する。但し、入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われた部分では、酸素は第１酸化膜１５２を通過してからＳｉと結合するので、酸化のスピードは遅くなり、第２酸化膜１５３は成長し難い。

第２酸化膜１５３が成長することにより、入射面１０１の位置はより半導体基板１０の中心に近い位置に変わり、入射面１０１は第２酸化膜１５３で覆われる。入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われた部分では、第２酸化膜１５３は成長し難いので、入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われていない部分に比べて、第２酸化膜１５３の厚みが小さくなる。このため、図７Ｃに示すように、入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われた部分と、入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われていない部分とでは、入射面１０１の位置がずれる。第１酸化膜１５２で覆われていない部分での入射面１０１の位置は、第１酸化膜１５２で覆われた部分での入射面１０１の位置に比べて、より半導体基板１０の中心に近い位置にある。

熱酸化の工程では、半導体基板１０を収納した酸化炉の内部の温度を所定の温度に保ち、酸化炉内へ酸素を継続的に供給することによって、半導体基板１０の表面が酸化し、第２酸化膜１５３が成長する。熱酸化が行われる時間の長さを調整することにより、第２酸化膜１５３の厚みが調整される。第２酸化膜１５３は、入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われていない部分での厚みが所定の厚みになるように成長させられることにより、厚みを調整される。具体的には、第２酸化膜１５３は、入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われていない部分での厚みが５００オングストローム以上、１１００オングストローム以下になるように成長させられる。より望ましくは、第２酸化膜１５３は、入射面１０１が第１酸化膜１５２で覆われていない部分での厚みが８００±１００オングストロームになるように成長させられる。第２酸化膜１５３の厚みは、第１酸化膜１５２の厚みよりも小さい。

次に、酸化膜１５の適宜の位置にある部分がエッチングにより除去され、半導体基板１０に対してイオン注入が行われることにより、防護電極１２１が形成される。また、図７Ｄに示すように、第２酸化膜１５３を介し、半導体基板１０に対してイオン注入が行われる。例えば、電圧により加速されたイオンを第２酸化膜１５３へ衝突させることにより、イオン注入が行われる。イオンの軌跡は矢印で示されている。注入されるイオンは、半導体基板１０を構成する半導体を異なる型の半導体にするドーパントのイオンである。ドーパントのイオンは、第２酸化膜１５３を透過し、半導体基板１０へ注入される。ドーパントのイオンが注入されることにより、Ｓｉにドーパントがドープされ、ｐ型のＳｉが生成される。ドーパントは、例えば、ホウ素である。図７Ｄには、ドーパントがドープされたドーピング層１０３を破線で示す。ドーピング層１０３は、ｐ型のＳｉでなる。ドーピング層１０３は、第１酸化膜１５２には覆われておらず第２酸化膜１５３に覆われた部分に形成される。

図７Ｄには示していないものの、従来と同様に、信号出力電極１３、曲線状電極１４、防護電極１４１及び接地電極１４２が形成される。更に、従来と同様に、金属電極が形成される。従来と同様に、ドーピング層１０３がカウンター電極１２になり、半導体基板１０の、ドーピング層１０３、防護電極１２１、信号出力電極１３、曲線状電極１４、防護電極１４１及び接地電極１４２以外の部分が半導体部１１となり、図１に示す如き放射線検出素子１が製造される。入射領域１１３に対応する領域が第２酸化膜１５３で覆われ、当該領域にドーピング層１０３が形成されるので、入射領域１１３にカウンター電極１２が設けられる。

本実施形態では、第２酸化膜１５３を介してドーパントのイオンを半導体基板１０へ注入するので、第２酸化膜１５３の厚みを調整することによって、製造される放射線検出素子１のＰ／Ｔ比を調整することができる。また、本実施形態では、半導体基板１０の熱酸化によって第２酸化膜１５３を成長させることにより、第２酸化膜１５３の厚みを調整する。酸素が十分に供給されている状態では、半導体基板１０の熱酸化のレートは温度によって律速される。酸化炉内では、半導体基板１０の温度をほぼ均一に調整することは容易である。即ち、半導体基板１０のどの場所においても温度はほぼ同じになる。このため、半導体基板１０のどの場所においても熱酸化のレートはほぼ同じになり、第２酸化膜１５３はほぼ均一に成長する。従って、作成された第２酸化膜１５３の厚みには場所によるばらつきが少なく、一つの放射線検出素子１に含まれる第２酸化膜１５３の厚みはほぼ均一になる。第２酸化膜１５３の複数の場所での厚みの標準偏差は、従来に比べて、１／１０未満となり、複数の場所での厚みを全て規格内に収めることが容易になる。

本実施形態では、半導体基板１０の熱酸化のレートは温度によって律速されるので、温度と熱酸化が行われる時間の長さとを制御することにより、精度良く第２酸化膜１５３の厚みを調整することができる。エッチングにより薄膜部１５１の厚みを調整する従来の放射線検出素子１の製造方法に比べて、本実施形態では、より正確に第２酸化膜１５３の厚みを調整することができる。正確に第２酸化膜１５３の厚みを調整することができるので、複数の放射線検出素子１の間で第２酸化膜１５３の厚みのばらつきが小さくなる。

第２酸化膜１５３の厚みがほぼ均一になり、複数の放射線検出素子１の間で第２酸化膜１５３の厚みのばらつきが小さいので、放射線検出素子１のＰ／Ｔ比を精度良く調整することができる。複数の半導体基板１０を用いて放射線検出素子１を製造した場合に、一枚の半導体基板１０の中で第２酸化膜１５３の厚みのばらつきがほとんど無く、複数の半導体基板１０に亘って第２酸化膜１５３の厚みのばらつきがほとんど無い。このため、第２酸化膜１５３の厚みを検査する際には、複数の半導体基板１０から一つの半導体基板１０を選び、選ばれた半導体基板１０の一箇所について第２酸化膜１５３の厚みを検査するだけで、十分な検査が可能である。第２酸化膜１５３の厚みが規格を外れることは少なく、第２酸化膜１５３の厚みを再度調整する機会は少ない。このため、検査及び第２酸化膜１５３の厚みの再度の調整のための作業が少ない。従って、適切なＰ／Ｔ比を有する放射線検出素子１を容易に製造することが可能となる。また、放射線検出素子１を製造するコストが抑制される。適切なＰ／Ｔ比を有する放射線検出素子１が容易に得られるので、適切な放射線検出の精度をもたらす放射線検出素子１が容易に得られる。従って、放射線検出素子１を利用した放射線検出の精度が安定する。

本実施形態においては、放射線検出素子１が信号出力電極１３、複数の曲線状電極１４及びカウンター電極１２の組を一つ有する形態を示したが、放射線検出素子１は、信号出力電極１３、複数の曲線状電極１４及びカウンター電極１２の組を複数有する形態であってもよい。本実施形態においては、放射線検出素子１を構成する半導体がＳｉである形態を示したが、放射線検出素子１はＳｉ以外の半導体で構成された形態であってもよい。本実施形態においては、半導体部１１がｎ型の半導体からなり、カウンター電極１２及びドーピング層１０３がｐ型の半導体からなる形態を示したが、放射線検出素子１は、半導体部１１がｐ型の半導体からなり、カウンター電極１２及びドーピング層１０３がｎ型の半導体からなる形態であってもよい。本実施形態においては、放射線検出素子１がシリコンドリフト型放射線検出素子である形態を示したが、放射線検出素子１は、半導体製の素子であれば、シリコンドリフト型放射線検出素子以外の素子であってもよい。このため、放射線検出器２は、ＳＤＤ以外の放射線検出器であってもよい。

本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１００ 放射線検出装置
１ 放射線検出素子
１０ 半導体基板
１０１ 入射面
１０３ ドーピング層
１１ 半導体部
１１３ 入射領域
１２ カウンター電極
１２１、１４１ 防護電極
１３ 信号出力電極
１４ 曲線状電極
１４２ 接地電極
１５、１６ 酸化膜
１５２ 第１酸化膜
１５３ 第２酸化膜
２ 放射線検出器
２１ プリアンプ
４ 照射部
６ 試料

本発明に係る放射線検出素子の製造方法は、放射線検出素子を製造する方法において、半導体基板を酸化させることにより、検出対象の放射線が入射する入射側に相当する位置にある入射面を覆う第１酸化膜を成長させ、前記第１酸化膜の、前記入射面の一部分を覆う部分を除去することにより、前記入射面の前記一部分を露出させ、前記入射面の前記一部分が露出した状態から、前記半導体基板を再度酸化させることにより、前記入射面を覆う第２酸化膜を、厚みが前記第１酸化膜の厚みよりも小さい所定の厚みになるように成長させ、前記第２酸化膜の厚みが前記所定の厚みになっている状態で、前記半導体基板を構成する半導体を異なる型の半導体にするドーパントのイオンを、前記第２酸化膜を介して前記半導体基板へ注入することを特徴とする。

Claims (6)

1. 放射線検出素子を製造する方法において、
   半導体基板を酸化させることにより、検出対象の放射線が入射する入射側に相当する位置にある入射面を覆う第１酸化膜を成長させ、
   前記第１酸化膜の、前記入射面の一部分を覆う部分を除去することにより、前記入射面の前記一部分を露出させ、
   前記入射面の前記一部分が露出した状態から、前記半導体基板を再度酸化させることにより、前記入射面を覆う第２酸化膜を、厚みが前記第１酸化膜の厚みよりも小さい所定の厚みになるように成長させること
   を特徴とする放射線検出素子の製造方法。
2. 前記第２酸化膜の厚みが前記所定の厚みになっている状態で、前記半導体基板を構成する半導体を異なる型の半導体にするドーパントのイオンを、前記第２酸化膜を介して前記半導体基板へ注入すること
   を特徴とする請求項１に記載の放射線検出素子の製造方法。
3. 前記入射面の前記第１酸化膜で覆われていない部分を覆う前記第２酸化膜の厚みが、５００オングストローム以上１１００オングストローム以下になるように、前記第２酸化膜を成長させること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出素子の製造方法。
4. 前記入射面の前記一部分は、前記放射線検出素子の、検出すべき放射線が入射する入射領域に対応する部分であること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の放射線検出素子の製造方法。
5. 前記放射線検出素子は、シリコンドリフト型放射線検出素子であること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の放射線検出素子の製造方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の放射線検出素子の製造方法により製造されたことを特徴とする放射線検出素子。

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