JPH10275929A

JPH10275929A - 半導体放射線検出素子

Info

Publication number: JPH10275929A
Application number: JP9079584A
Authority: JP
Inventors: Isao Ochiai; 勲落合
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】エネルギー分解能が高く、かつ安価に製造でき
る放射線検出素子を提供する。【解決手段】半導体結晶１０２の相対する２つの平面の
間に、ｐ−ｎ接合層、あるいは、ショットキー障壁層及
び上記平面に、少なくとも、電極４，５を形成して得ら
れる素子を複数個重ねて検出素子とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子やＸ線を
試料に照射して、試料から発生する特性Ｘ線を検出し、
元素分析や構造解析するのに好適な半導体放射線検出素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子線等の荷電粒子または、Ｘ線を試料
に照射して試料からでる特性Ｘ線または、蛍光Ｘ線を検
出して試料の元素分析を行う手法がある。特性Ｘ線また
は、蛍光Ｘ線は試料を構成する元素に特有なエネルギー
を持つので、元素分析を行うためには、これらＸ線の単
位時間あたりの発生個数を、Ｘ線のエネルギーごとに計
数する必要がある。この手段としては、Ｘ線分光器と検
出器を用いて試料からのＸ線を分光して検出する波長分
散方式と、入射Ｘ線のエネルギーに比例した高さを持つ
出力信号の得られる検出器を用い、波高分析回路と組み
合わせてＸ線のエネルギーを識別するエネルギー分散方
式がある。

【０００３】エネルギー分散方式は、波長分散方式と比
較して、エネルギー分解能は劣るが、分光結晶を用いな
いので、Ｘ線検出部が小型にでき、また、試料に近接さ
せることができるので検出感度が高い。エネルギー分散
方式に用いるＸ線検出素子としてはシリコンやゲルマニ
ウム等の半導体結晶を用いた半導体検出素子がある。こ
れらの検出素子を用いて、５.９ｋｅＶのエネルギーの
Ｘ線に対し、約１４０ｅＶのエネルギー分解能を持つも
のが知られている。

【０００４】半導体検出素子の構造としては、ｐ−ｉ−
ｎ型，ｐ−ｎ型，ショットキー障壁型あるいは、表面障
壁型の３種類のものが知られている。ｐ−ｉ−ｎ型検出
素子の代表的な形状を図５に示した。この検出素子はｐ
型のＳｉ結晶１０１を用い、その外形は図（ｂ）のよう
に円筒形状で、図（ａ）に示す断面のように同心状の深
い溝６を有している。ｐ−ｉ−ｎ型というのは半導体１
０１にリチウムを拡散させて形成した真性半導体領域
（ｉ層）１が、相対する面に形成されたｐ型層２とｎ型
層３ではさまれた構造で、ｐ型とｎ型の層の表面に金な
どの蒸着で電極４，５を形成したものである。

【０００５】ｐ型側の電極４に負の電圧，ｎ型側の電極
５に負の電圧を印加する。通常、ｐ型側の電極４の面か
らＸ線を入射させる。Ｘ線１０が真性半導体領域１に入
射すると、２次電子を発生し、この２次電子がエネルギ
ーを失いながら、電子正孔対２０，２１を作ってゆく。

【０００６】生成された電子２０は電極間の電界によ
り、ｎ型側の電極５に移動する。生成される電子正孔対
の個数は入射したＸ線のエネルギーに比例する。電極に
達した電子を増幅回路５１でその個数に比例した高さを
有する電圧パルス５２に変換し、波高分析装置５３でＸ
線のエネルギーを識別する。印加する逆電圧は、発生し
た電荷が再結合して消滅するのを防ぐため、１０００Ｖ
程度の高圧となっている。

【０００７】エネルギー分散方式の検出素子として従来
利用されてきたシリコン結晶にリチウムを拡散させた検
出器（シリコンリチウム検出素子）が、高いエネルギー
分解能を得るためには、逆電圧を印加したときに検出素
子に流れる漏洩電流を１００フェムトアンペア以下にす
ることと検出素子の静電容量を低くすることが必要であ
る。このため、検出素子は真空容器内に格納され、液体
窒素などで冷却して、低温に保持することで、熱的に発
生する漏洩電流を低減し、さらに、同心状の深い溝６に
より漏洩電流を低減している。

【０００８】検出素子の静電容量は真性半導体領域の厚
さに反比例し、面積に比例する。ここで面積は溝の内側
の部分の断面積であり、Ｘ線に対して感度のある部分で
ある。真性半導体領域の厚さは、３から５mm程度であ
る。この厚さで、シリコン検出素子の場合、２０ｋｅＶ
ぐらいの大きさのエネルギーを持つ特性Ｘ線を高効率で
検出できる。面積としては、１０から３０mm² のものが
知られている。これ以上に面積が大きいと、静電容量が
大きくなり、元素分析に必要なエネルギー分解能が得ら
れなくなる。面積が２０mm² 、すなわち、溝の内側の直
径が約５mmの場合、検出素子の外直径は１１mm程度のも
のが知られている。

【０００９】ｐ−ｎ型は、上記真性半導体領域の代わり
に、ｐ型またはｎ型の半導体結晶のある平面に、高濃度
のｎ型層、または、ｐ型層を形成してｐ−ｎ接合を作
り、逆方向に電圧を印加してできる空乏層を利用したも
のである。相対する面には高濃度の同じ型の層を形成
し、さらに電極を形成する。空乏層内にＸ線が入射する
と、ｐ−ｉ−ｎ型の真性半導体領域と同様に、電子正孔
対が生成され、空乏層内に形成される電界により電極側
に移動する。

【００１０】また、半導体表面に金などの金属電極を形
成してできるショットキー障壁に電圧を逆方向に印加し
てできる空乏層を利用したものが、ショットキー障壁型
あるいは、表面障壁型と呼ばれるものである。

【００１１】空乏層の厚さは、印加電圧の平方根に比例
し、結晶の不純物濃度の平方根に反比例する。印加電圧
は検出素子の耐圧で決まり、１０００Ｖから３０００Ｖ
ぐらいが限界である。前述の値の印加電圧で３mmの厚さ
の空乏層を得るためには、通常のトランジスタや集積回
路素子の作製に用いられている結晶と比較して、３桁か
ら４桁高純度の結晶が必要である。具体的な数値として
１２００Ｖの印加電圧で３mm厚の空乏層を得るために
は、不純物濃度にして１cm³ あたり約５×１０¹¹個の純
度の結晶が必要である。最近の結晶製造技術の進展に伴
い、この仕様を満たす高純度の結晶が製造できるように
なり、実用化されている。従来用いられてきたシリコン
リチウム検出素子では、長時間室温にするとリチウムが
熱拡散して素子特性に悪影響を及ぼすため、常時低温に
保っておく必要があったが、高純度結晶を用いたこれら
の型の検出素子ではその必要がなくなった。

【００１２】検出素子の形状としては、上記の深い溝を
有した形状以外に、米国特許5268578に述べられている
ように、溝の外側の周辺部の厚さを薄くした形状の検出
素子（図６）や、円筒形状につばを付けた形状（図７）
の検出素子が知られている。いずれの形状でも漏洩電流
を低減する効果がある。これらの溝またはつばは、超音
波を利用した加工機により概略の寸法に削り、化学的に
エッチングすることにより形成されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記のいずれの構造
も、円筒形状に切り出し、深い溝を形成したり、側面に
段差をつける必要があることと、溝の寸法制御や側面の
表面状態の制御が困難で製造歩留まりが悪いこと、作製
が困難で高価であるという問題があった。例えば、通常
の半導体製造装置では厚さが０.３から１.０mmのシリコ
ン結晶を処理できるようになっているのに対し、検出素
子の作製では厚さが３mm以上の結晶を用いているので、
上記半導体製造装置を改造して、専用化しなければなら
ない。

【００１４】また、検出素子の種類に特有な問題とし
て、シリコンリチウム検出素子では、リチウムの拡散工
程に１週間程度必要なこと、素子を低温に保持しておく
必要があること、高純度シリコン検出素子では、高純度
の結晶の製造量が少なく入手が困難で、高価であるとい
う問題があった。

【００１５】さらに、Ｘ線検出感度を良くするために、
複数の検出素子を配置することを考えた場合、円形の断
面形状であるために、実装密度を上げることが困難で、
また、溝やつばがあるために、検出素子の全体の断面積
に対してＸ線を検出できる部分の面積が小さいという問
題があった。さらに、断面形状が円でない検出素子も考
えられるが、溝やつばの加工がより複雑になるという問
題があった。

【００１６】本発明の目的は、エネルギー分解能が高
く、複数個の検出素子を配置する場合も好適で、安価な
放射線検出素子を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、厚さが１mm以下のウエハ状の半導体結
晶を用い、ｐ−ｎ接合層、あるいは、ショットキー障壁
層及び電極を持つ素子を複数個通常の半導体製造装置を
用いて作成した後、切断により、切り離した素子を複数
枚重ねて、検出素子を形成した。

【００１８】

【発明の実施の形態】

（実施例１）図１は本発明による放射線検出素子の斜視
図および断面図である。図２は本実施例の検出素子の製
造工程を示した流れ図である。まず、素子の製造方法に
ついて述べる。

【００１９】比抵抗が約１０ｋΩcm，不純物濃度にして
１×１０¹²／cm³ 個の高純度ｎ型シリコン結晶の塊から
得た、厚さ１mm，直径３インチ，面方位（１１１）の両
面鏡面研磨ウエハ１０２を用いた。このウエハ１０２を
洗浄した後、酸化炉に導入し、酸素雰囲気中約１０００
℃，２０分の条件で全面に膜厚１００ｎｍの酸化膜７１
を形成した。

【００２０】このウエハにレジスト７２を塗布、ベーク
し、４mm角で、４つの角を半径１mmの円で角取りした開
口を複数個持つマスク８１を用いて、両面につき、紫外
線８０の露光，現像を行い、酸化膜エッチングによりマ
スクの開口に相当する部分の酸化膜７１を除去した。

【００２１】次に、イオン注入を行った。Ｘ線を入射さ
せる側の面に、エネルギー１０keVのボロンイオン８２
を２×１０¹⁵／cm² 個注入し、ｐ−ｎ接合を形成するた
めのｐ型層２を形成した。注入は、イオンビームに垂直
な面に対して７度傾けて行った。注入深さは０.０５μ
ｍ以下である。反対側の面には２００ｋｅＶのエネル
ギーの燐イオン８８を約５×１０¹⁵／cm² 個注入し、高
濃度のｎ型層３を形成した。この高濃度のｎ型層３は、
後で形成する電極とオーミック接触を取るためのもので
ある。

【００２２】レジスト除去，洗浄を行った後、窒素雰囲
気中、摂氏８５０度で２０分アニールし活性化を行っ
た。アニール後、洗浄と希フッ酸による自然酸化膜除去
を行い、真空蒸着により金電極４と５を形成した。上記
したものと同じ開口を持つマスクを用いた。Ｘ線入射側
の電極４で２０ｎｍ、反対側の電極５については２０ｎ
ｍと０.５μｍの２種類の厚さを持つものを作製した。

【００２３】外形寸法が６mm角のチップ９０に切り出
し、洗浄した後、厚さ２０ｎｍの電極５を持つチップ９
１を２つと厚さ０.５μｍの電極５′を持つチップ９２
を１つの合計３個のチップを重ねて、圧力をかけて接着
した。清浄な金表面同士の自己接着現象を利用した。最
後に、有機洗浄し、ポリイミドを溶剤に溶かした液を側
面に塗布し、摂氏２００度に加熱して、ポリイミドの保
護膜７を形成した。保護膜７の厚さは１０から１００μ
ｍであった。

【００２４】本実施例によると、ウエハの状態での一括
処理が可能となるため、特性のばらつきが小さく、ま
た、多量生産が可能になることと既存の半導体装置をそ
のまま流用できること、さらに、比較的入手しやすい純
度の結晶を用いることができるので、生産コストを約１
桁低減できた。

【００２５】上記により作製した放射線検出素子を液体
窒素で冷却し、電流電圧特性を調べた結果、空乏層が素
子内部いっぱいに広がる電圧１２００Ｖの逆バイアス電
圧を印加しても、漏洩電流は１００フェムトアンペア以
下であった。チップ１個当たりにかかる電圧は４００Ｖ
である。

【００２６】本発明による検出素子のＸ線検出特性につ
いて述べる。エネルギーが１０keV以下のＸ線に対する
感度は従来の検出素子と同等であった。これは、チップ
１個の厚さが１mmであるために、この領域のＸ線は入射
側のチップでほとんど吸収されるためである。エネルギ
ーが１０ｋｅＶ以上のＸ線に対する感度についても同様
であった。これは、次の理由による。チップ９１とチッ
プ９２の間にある金電極４と５の合計の膜厚は４０ｎｍ
であり、この金電極による１０ｋｅＶ以上のエネルギー
のＸ線の吸収は２％以下と小さく無視できる。さらに、
チップ９２とチップ９３の間にある金電極４，５までの
Ｘ線の吸収状況を考えると、ここまでに９９％吸収され
るＸ線のエネルギーは約１５ｋｅＶである。したがっ
て、チップ９２とチップ９３の間にある金電極４，５を
通るＸ線はエネルギーが１５ｋｅＶ以上のＸ線が主とな
り、このエネルギーのＸ線に対する金電極４，５の吸収
はさらに小さく無視できる。

【００２７】本実施例による検出素子では、チップ９
１，９２，９３の間に金の電極が存在するために、従来
の１個の結晶から作られる検出素子と異なり、エネルギ
ーが１０ｋｅＶ以上のＸ線について、金のＸ線吸収によ
る感度低下とエスケープピークとよばれる試料とは関係
のないスペクトルピークが現れるという欠点が観測され
る。上記したようにその影響は２％以下と小さいが、標
準試料を用いた補正係数をあらかじめ求めておくことに
よりその影響を補正することができる。

【００２８】次に、Ｘ線照射により検出素子内に発生し
た電荷の収集特性について述べる。従来の検出素子と本
実施例における検出素子の逆バイアス電圧印加時の素子
内部の電界分布と電位分布を図３に示した。本実施例に
おける検出素子の電位分布は従来の検出素子と比較して
階段状の分布となっているが、電荷を両端の電極側に掃
引する分布になっていること、中間にある２枚の金電極
内での電荷のドリフト速度も十分速いこと、クリーンル
ーム内の雰囲気中で作製し、掃引中の電荷を捕獲する欠
陥の少ない素子になっていること等の理由で、ほとんど
全ての電荷を両端の電極に取り出すことが可能であっ
た。検出素子の静電容量についても、チップ１個当たり
の静電容量は、従来の同じ有感面積の検出素子と比較し
て３倍大きいが、３個のチップを直列に配置してあるの
で、全体の静電容量はチップ１個の静電容量の３分の１
となり、従来の素子と同じ静電容量が得られた。

【００２９】以上の特性を持っているため、本発明によ
る素子は従来の素子と同等のエネルギー分解能を有して
いた。本実施例では、ボロンと燐のイオン注入を用いた
が、所望の型の層を作れるイオンなら特に限らない。ま
た、電極の材質についても特に限るものではなく、パラ
ジウムやアルミニウムなどを用いてもよい。

【００３０】（実施例２）本発明による第二の実施例を
図４を用いて説明する。本実施例は本発明をショットキ
ー障壁型の素子構造に適用した例で、その製造工程は、
実施例１で述べた工程とほぼ同じであるが、イオン注入
の際にｐ型層を作る工程を省いた点が異なる。高純度の
ｎ型の結晶１０２と金の電極４の間にできるショットキ
ー障壁を利用している。

【００３１】以上、２種類の実施の形態を示したが、本
実施の形態において示した数値は一例であり、これらの
数値に限ることなく用いられることは言うまでもない。
また、正方形形状のチップを重ねているが、形について
も特に限定するものではなく、多角形形状でもよい。さ
らに、シリコン結晶を用いた例を示したが、ゲルマニウ
ム等の半導体にも適用できることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明ではウエハの状態
での一括処理が可能となるため、素子間の特性のばらつ
きが小さく、また、多量生産が可能になることと既存の
半導体製造装置をそのまま流用できることで、加工が容
易になり、安価に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の放射線検出素子の構造を示
す説明図。

【図２】本発明の一実施例の放射線検出素子の製造工程
を示す流れ図。

【図３】本発明（ａ）と従来例（ｂ）の放射線検出素子
の電解分布，電位分布を示す図。

【図４】本発明の第二の実施例の放射線検出素子の構造
を示す断面図。

【図５】従来例の放射線検出素子の構造を示す説明図。

【図６】従来例の放射線検出素子の構造を示す説明図。

【図７】従来例の放射線検出素子の構造を示す説明図。

【符号の説明】

１…真性半導体領域、２…ｐ型層、３…ｎ型層、４…Ｘ
線入射側電極、５…電極、６…深溝、７…ポリイミド保
護膜、１０…Ｘ線、２０…電子、２１…正孔、５０…バ
イアス電源、５１…増幅器、５２…信号電圧パルス波
形、５３…波高分析装置、７１…酸化膜、７２…レジス
ト、８０…紫外線、８１…マスク、８２…ボロンイオ
ン、８３…リンイオン、９０，９１，９２，９３…チッ
プ、１０１…ｐ型シリコン結晶、１０２…高純度ｎ型シ
リコン結晶。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚さ１mm以下の半導体ウエハの相対する２
つの平面の間に、ｐ−ｎ接合層、あるいは、ショットキ
ー障壁層及び上記平面に電極を複数個形成して、上記ウ
エハを切り取って得られる素子を複数個重ねて形成した
ことを特徴とする半導体放射線検出素子。
【請求項２】請求項１記載の半導体放射線検出素子の形
状が多角形であることを特徴とする半導体放射線検出素
子。
【請求項３】請求項１記載の半導体放射線検出素子の形
状が長方形であることを特徴とする半導体放射線検出素
子。
【請求項４】請求項１記載の素子の重ね方が、清浄金属
面の自己接着を利用していることを特徴とした半導体放
射線検出素子。