JPS5952884A - 放射線または光検出用半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は放射線才たは光検出用のとくに低エネルギの放
射線や光−こ対して感度のよい半導体素子の製造方法に
関する。

放射線検出用の半導体素子としては従来から表面障壁形
のものが卸られており、これは半導体基板に７ヨツトキ
バリアを形成する金属を被着したものであって、ショッ
トキバリア♀属としてはｎ形シリコン基板に対しては例
えば金が、ｐ形シリコン基板に対しては例えばアルミニ
ウムが用いられる。このうち金は一般に機械的強度が弱
く基板力１らはかれ易い欠点があり、またアルミニウム
も耐環境性とくｔこ耐薬品性が弱い欠点を備える。とく
に低エネルギ放射線や光を検出するためには、高エネル
ギ放射線用の場合と異なり笠属製の慴封キャン巾に半導
体素子を収納したのではキャン壁により放射線や光が吸
収ないしは反射されてしまうので、できれば露出状態で
あるいは簡易なパッケージに収納しで使用する必要があ
り、突気中の酸素の影響を受けやすい。表面障壁形にお
けるシヨットキバリア金属は放射線や光の吸収を少なく
するため１ｏｏｏＸ以下の極めて薄い層で形成され”て
いるので、」二連の酸素により侵されやすく、従って素
子特性が経年変化するのを避は得なかった。

さらに従来力）らｐｎ接合形の放射線検出素子が知られ
ている。この種のものは第１図および第２図に示すよう
に、シリコン基板】にこれとは反対の導′シ性を有する
拡散層２を作り込み、該拡散層２と基板１との間にｐｎ
接合を形成シ７、このｐｎ接合に電極３．４を介して逆
バイアス電圧をかけて拡散層２と基板１とくに後者中に
空乏層５を形成しておき、この空乏層に放射線Ｒが入射
したときこれにより図のように荷電対を発生させ、この
荷電対の移動により生じる′ｒに流パルスを検出する原
理のものである。なお、第１図はメサ形、第２図はプレ
ーナ形のｐｎｎ接合形射線検出素子を示し、第２図の６
は金属酸化物層とくに酸化シリコン膜を示す。このｐｎ
接合形においては、前述の表面障壁形におけるような経
年変化の間層は少ないが、入射する低エネルギ放射線や
光に対しては金属電極３が障害となっで空乏層への入射
量が少なくなり、従って感度が落ちる欠点がある。また
拡散層２は電極３との導゛１ニ接続をよくするために高
不純物＠度で拡散をする必要があり、空乏層があまり拡
散Ｍ　２　ｌこは広がらないので、この層で消滅してし
まう放射線や光は発生′電流パルスに寄与することがな
い。このように電極やｐｎ接合形成のための拡散層は放
射？ｐｉＪＣと対して不感層を形成しており、ｐｎ接合
形は不感ノ＃幅が大きく、庇って感度カ月氏い欠点を有
するのである。さら４こｐｎ接合形ではｐｎ接合を形成
する拡散のため（こふつう８（）０〜１２００°０の高
温の熱処理工程を経ることが必要であり、この処理過程
で結晶の格子欠陥や不整が生じやすい。力）かる結晶の
入陥は空乏層内で発生づ−る荷Ｉｌｔ体のライフタイム
を低下させ、検出素子の感度低下の一因となる。またこ
の、１束の素子は元来空乏層を十分に・広がらせておく
必要があるが、上述の結晶欠陥が偶然ｐｎ接合面に生じ
るとたとえそれが些小なものであっても空乏層の広がり
を抑える結果をまねくは力）、著しい場合（こは逆もれ
電流が大幅に増加して素子を不良にしてしまうことがま
まある。

つぎに第１図のメサ形と第２図のプレーナ形の得失を比
較すると、後者では放射線が酸化シリコン膜６を通しで
空乏層５に直接入射しつるので、前者の拡散Ｎ２と電極
３とがウエノ・全面を覆う場合に比して不感層の面積が
より少ないという点で明らかに優れている。しかし、第
２図のプレーナ形のものであっても、エネルギスペクト
ル特性の点でなお問題が多い。この点を以下ζこ説明す
る。

放射線検出素子は元来電流パルスの波高値によって放射
線１本のエネルギを測定するとともに電流パルスの数に
よって入射する放射線の本数を計数するものである。第
２図のプレーナ形の場合、酸化シリコン膜６を通って直
接空乏１ｆｌｔ　５に入射する放射線は元のエネルギは
とんど七のままで空乏層に入るが、一方電極３および拡
散層２を通って空乏層５に入射する放射線は元のエネル
ギがかなり減殺されて空乏ノーに入り、従って測定すべ
きエネルギ値よりも低いエネルギ値が計数されてしまう
ことになる。これを第３図に示す。第３図への横軸は測
定されたパルスの波高すなわち放射線のエネルギ値に比
例する量で目盛られ、その縦軸は横軸の各エネルギ比例
値に対応するパルスの数すなわち放射線の本数である。

第３図曲ＭＡはアイソトープ２”　ＡｍｊＪ１発するア
ルファ線を第２図のブレーナ素子を用いで測定した結果
を示すもので、右側の曲ｉＡのピーク値が本来このアル
ファ線のもつエネルギに相当するものであるに対し、左
側の曲ＭＡはこの本来の値より小さなエネルギに対応し
た所ζこピーク値があり、両エネルギの差は電極３と拡
散層２とにより消耗されたエネルギに相当すると判定さ
れる。このように従来のプレーナ形の放射線検出素子で
は測定されたエネルギスペクトル特、性が正規のスペク
トル以外ｌこ不正規のスペクトルが現われ、第３図の例
のように不正規なスペクトルのカウント値の方が正規の
スペクトルのカウント値よりも大きくなることさえある
。

上記のような従来技術の欠点の認識に立脚し、本発明の
目的は高感度で経年変化が少なく低エネルギ域の放射線
や光の検出または測定にも適する放射線または光検出用
の半導体素子を製造することにある。

本発明による製造方法では上述の目的を達成するため、
本質半導体に近い弱いｐ形を示すシリコン基板の一方の
主面の周縁に強いｐ膨拡散層を形成する工程と、前記一
方の主面の前記周縁を除く領域内の一部にｎ形の拡散層
を形成する工程と、前記一方の主面上に金属酸化膜を形
成する工程と、該金属酸化膜の形成後線膜に正電荷をイ
オン注入する工程と、前記金属酸化膜を貫通して前記ｎ
膨拡散層にオーム接触する一方の電極を前記一方の主面
側に形成する工程と、前記他方の主面上（こ基板とオー
ム接触する他方の電極を形成する工程を組み合わせる。

以下上述の工程の理解を助けるため、本発明によって製
造される半導体素子の概要をまず説明する。

本発明においては半導体素子の基板内に空乏層を十分広
がらせるため半導体素子の基板として高比抵抗性のシリ
コン単結晶基板を用いる。比抵抗の値としては１０．０
０　Ｕオームセンチメータ以上、望ましくは２０．００
０オ一ムセンチメータ程度のものがよいＯ この種のシリコン単結晶としては従来力）らある単結晶
の内で比抵抗の高いものであれはよいが、とくに材料ガ
ス段階でシランをモレキュラシーブを用いてＳ製した材
料を用いたものが良い。かかる結晶は近時入手可能であ
り、高比抵抗の利点のほか、結晶生成段階で不純物添句
をする必要がないので結晶格子のひすみや欠陥か少ｌ、
Ｌ：い、ｉす点がある。すなイつち、本発明におけるよ
うな放射線検出素子Ｏこおいては、製作工程中に不純物
を導入した際に格子欠陥（こよりｐｎｎ会合面不良が生
じその付近の空乏層か乱れてはならないので、この魚の
Ｓらも結晶格子欠陥の少ない上述の材料が好適である０ つぎに放射線検出の場としての空乏層を形成する手段と
して、上述の高比抵抗ウニ・・上に成長ｒｌいしは被着
させた金属酸化膜、例えば酸比シリコン膜を利用する。

公知のようにこの棟の省楓酸化膜はその直下のウェハ表
面にいわゆる反転層を生じる。力１かる反転層の発生は
ＭＯ８形素子などにおいて望ましくないものさされでい
るが、本件の発明者はこのような金属酸化膜と前述の高
比抵抗ウェハとを組合イつせたとき、膜面下のウエノ・
面に生じる反転層がウェハのバルク内に空乏層を大きく
広げて放射線検出の性能を向上させる一、ヒで著しい効
果があることを始めて見出し、上）ＩＩのような反転層
を積極的に利用することに着目したものである。

かかる着想に基づく検出素子の構造を第４図および第５
図に示す。第４゛図において１１は高い比抵抗のｐ形シ
リコン基板で、該基板の一方の主面ｌａの上に金属酸化
膜１２か被着または成長され、この膜の直下の基板表面
に反転層１３が誘起される。この反転層１３と一方の電
極１５との接続のため第４図の例では反転ＩＷｉ　１３
のまわりｌこリング状のｎ膨拡散層１４が拡散される。

さらにこのｎ膨拡散層のまわり、すなわち主面１１ａ周
縁に基板１１＆同導′鴫形のｐ＋Ｊ鱒１６が拡散されて
おり、この部分に反転層が形成さ熟るのを防止している
。

基板１１の他方の主面１１ｂからは同様にｐ＋層が全面
拡散されその上に他方の電極１８が被着される。

かかる構成の検出素子を用いて放射線や光を検出ないし
測定するには、一方の電極１５と他方の電極１８との間
に逆バイアス電圧例えば２０Ｖ程度の直流電圧をあら力
）しめ印加しておく。これによって空乏層１９が図示の
ように基板１１のバルク内のほぼ全域に広がる。この空
乏ノー１９に図示のように放射線または光が入射したと
き、空乏層１９内に正負の荷電体ＰＮが発生し、この荷
電体はを乏層内の電界の作用で一方または他方の電極の
方に移動し、この電荷移動が逆バイアス印加回路中で電
流パルスの形で検出される。

第５図は第４図と異なる構造の検出素子であって、ｎ膨
拡散層１４は基板１１の一方の主面１１ａのほぼ中央に
配され、その才わりの金属酸化物層１２の直下に反転層
１３が広がっている。この反転層が基板１１の周縁にま
で延びてしまうと、さらに基板の側面１１ｃを通って反
対側の電極１８１こまで至り、いイつゆる短絡現象を起
こして逆バイアス電圧を素子に力１けたときの漏洩電流
を増加させるぢそれがある。そこで基板１１の一方の主
面１１ａの周縁に基板と同導篭形のｐ＋拡散層を設ける
。

残余の部分の構成は第４図の場合とほぼ同じであるＯ 以上のように本発明により製造される素子は金属酸化膜
−トの＾比抵抗のシリコン基板中に広がる空乏層を利用
するものであるが、近年の半導体製造プロセス技術の進
歩に伴い、例えばＭＯ８構造素子のシリコン酸化膜形成
中その酸化膜中に取り込まれる正電荷量は減少の一途を
たどって、本件のように反転層を積極的に用いようとす
ると、近来の技術により形成された酸化膜は膜下に反転
層が形成されに＜＜、才たその形成の度合いにばらつき
を生じやすい欠点がある。第６図はその一例を示すもの
で前述のように構成された素子にアイソトープ２４１ル
助）らのアルファ線を入射させたときのエネルギスペク
トル特性を示す。図の曲線ＣとＤはそれぞれ素子の逆バ
イアス電圧がＯｖの場合と２　（］　’Ｖの場合であっ
て、項乃）ら容易にわかるようにパルス波高分布が明ら
力）ｌこバイアス′ｔに圧によって異なる。これは金属
酸化〃Ｑの反転層を誘起する能力が不足していることを
物語っており、測定の際にも逆バイアス電圧が変動すれ
ば噴出特性が狂ってくることを慧味し明らかに不具合で
ある。

このｆ３．ｓをやや理論的に検討して見る。よく知られ
た空乏層の広がり深さの式によれば、ただし　１（Ｓ：
半導体ウエノ１の比誘・電率εＯ：真苧の誘電率 φＴ：ビルトインポテンシャル ＶＲ：放射線検出素子（こ印加する逆バイアス′直圧 ｑ：電子のもの電荷 ＮＡ：ウェハ中のアクセプタ濃度 さらに　φＴマφＦＰ＋φＦＮ φＦＰ　：　１フエノ）のもつフェルミポテンシャル φＦＮ：ウエハ表面に誘起された反転層のフェルミポテ
ンシャル によって空乏層の深さＸｄが計算できる。いまの例にお
けるウェハの比抵抗は２０．０００オームセンチメータ
で、シリコン酸化膜中に含まれる正電荷量はＩ　Ｘ　１
０１０／ｅＪ４と考えるから、Ｖ　Ｒ＝　０すなわち放
射線検出素子に逆バイアス電圧をかけない状態ではｘｄ
＝　２　Ｆ３マイクロメータであり、Ｖｄ＝　２０　Ｖ
の逆バイアス電圧を力）けたときにはＸｄ＝　２０４マ
イクロメータとなる。さて、無バイアス時の空乏層の深
さは前述のアルファ線の飛程（約３０マイクロメータ）
より短いため空乏層内ではアルファ線のエネルギが全て
消滅せず従ってアルファ線の全てが電流パルスの発生ｌ
こ寄与できないのに対し２０Ｖのバイアスを力Ｓけた時
は空乏層の深さがアルファ線の飛程より大きく、空乏層
内でアルファ線の全エネルギが消滅し従ってアルファ線
の全てが電流パルスの発生に寄与したとすれば上述の現
象、すなわちバイアスをかけた時のノ（ルス波高分布が
無バイアス時よりエネルギの高い位置に観測されること
の説明がつく。

このように金属酸化膜中の正を蝋荷−緻が少ない場合は
空乏１−の広がる範囲が快くなるが、例えばぼ化膜中の
正電荷量が前の場合より１桁高（１ｘ１０”Ｘｄ位にな
ると無バイアス時でも伊乏１鱒の深さは３１マイクロメ
ータになり、この意味乃）ら金属酸化膜中の正電荷量は
一屍濃度以上、例えば前述のアルファ線検出のときはｌ
×１０１１／ｃＩＩ以上あることが必要である。このよ
うな理由から本発明においては並ｌＡ酸化膜中に正’ｆ
［荷イオン注入する工程を採用するのである。

以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。

ｍ７図は本発明ｉこよる製造工程図を示すもので、素子
の構造は第４図に示したものに対応し、図中８Ｆ！４図
と同じ部分に（ま同じ符号か伺されている。

図（ロ）に２い°Ｃ１１は高い比抵抗のｐ形シリコン基
板、例えば前述の原料ガスとしてのシランをモモンキュ
ラシーブで精製した材料で作った比抵抗２０．０００オ
ームセンチメータの不貞半導体に近い弱Ｇ）ｐ形を示す
シリコン基板である。比抵抗値としでは本発明の場合１
０．０００オ一ムセンチメータ以上であることが空乏層
を有効に広げるために望才しい。なお基板の形状は問わ
ず円形でも方形でもよく、また基板の厚さは検出しよう
とする放射線の飛程あるいは光の侵入しつる深さ以上あ
ることが望ましい。工程（ｂ）では力１かるシリコン基
板に公知の熱酸化膜１２を全面に形成する。この金属酸
化膜としてはこのほかＯＶＤ酸化膜、スパッタ法による
種々の金属酸化膜を利用することができるが、ここでは
簡単のために前述の熱酸化膜をつけたときｌこついて説
明する。すなわち、図の（ａ）のシリコン基板１１を洗
浄した後酸素または水蒸気の高温酸化膜ふん囲気中でシ
リコン膜１２を形成させる。酸化膜の厚さはとくには問
題がないが、一般には０．５マイクロメ一タ以上あるこ
とが望ましい。

工程（Ｃ）では上述の酸化膜１２を基板の一方の主面１
１ａの周縁部他方の主面１１ｂおよび側面１１ｃにわた
り公知のホトエツチング法で除去したのち、該酸化膜を
除去した表面全域にわたり例えばボロン拡散によりｐ＋
拡拡散１６を拡散する。このｐ＋拡散１膏１６は一方の
主面側では前述の反転層１３の基板周縁への広がりを防
止するストッパ層として、他方の主面側では／−、、ｉ
！極金金属対する良好なオーム接触を得るためのものな
ので、特に厚く拡散する必要はなく数マイクロメータ程
度でよく、またその不純物濃度も通常のｐ″層に用いら
れる程度でよい。また側面１１ｃ）こおけるｐ＋拡散層
はとくには設ける必要はない。

工程（ｄ）においては、基板の全表面にマスキングのた
め再度酸化膜２０を例えば熱酸化法により形成したのち
、ホトエツチングでリング状の窓２０ａを明け、燐等の
拡散によりｎ″一層１４を拡散する。この拡散層１４は
酸化膜１２の膜下に誘起される反転層と導電的に接触す
るとともに後の）ら被着される一方の電極１５と密なオ
ーム接触を保つためのものであるから、拡散深さは通常
の数マイクロメータ、不純物濃度も通常のｎ＋層に対す
る程度でよい。さてここまでに形成された酸化膜中には
ふつう１〜１０　Ｘ］　０”／ｄａ度の正電荷が含まれ
ているが、前述のようｌここの正電荷濃度では強い反転
層を誘起するには不十分であるほか、濃度の値自身のば
らつきが多く品質管理上この値をある値以上ｌこ高めて
ばらつきを少なくしてやる必要がある。このため本発明
においては次の工程（ｅ）に８いて正電荷２１をイオン
注入法ζこより基板の一方の主面１１　ａ　１１１１の
酸化［１２および２ｏに注入する。イオン注入の条件と
しては酸化膜の厚さが０．５マイクロメータのとき加速
電圧３０　ＫｅＶドーズ量としてｌ　Ｘ　Ｉ　Ｑ１’２
　／−以一ヒでボロンあるいは燐の正イオンを注入する
。これにより酸化膜１２および２０には十分な濃さの反
転層１３を膜下ｌこ誘起させるに十分な濃度の正の電荷
が含まれるようになり、力１つそのばらつきも管理でき
ることになる。最後の工程（ｅ）においては、アルミニ
ウムなどの電極材料をＪｌｃ空蒸空蒸着一方の主面１１
ａ側に蒸着に通漕のホトエツチング法でＩツＴ定のリン
グ形状の一方の電極１５を形成してｎ＋ｍ散層１４とオ
ーム接触させる。また他方の主面１１ｂ側にも他方の電
極１８を被着させるが、このため前述の一方の主面に対
する真孕蒸着時にアルミニウム等を蒸着させでもよく、
また素子をケース上にマウントする際の早出づけに便利
なようこれとは別に０ｒ−Ｎｉ−Ａｌｌからなる複合Ｍ
Ｌ極ノーを被着させてもよい。

以上のような本発明の製造方法により作製された放射線
または光検出用半導体素子は放射線や光に対しほぼ透明
な金属酸化膜を通じて該放射線等が基板内に広く広かっ
た空乏層に入射するので、放射線等を実質上減衰なしで
受は入れることができ従って従来のｐｎ接合形検出素子
に比較して感度か高い。とくにエネルギの小な放射線例
えば低エネルギーのＸ線やガンマ線、アルファ線、ベー
タ線あるいは光を検出ないし　側圧する場合Ｉこは、こ
の不感層が小さい点は大きな利点である。丈た本発明に
用いられる金属酸化膜は半導体表面の安定化保護膜とし
ても有用なものであっｃｓ−ｊ５ｅ５ｏ壁形の検出素子
の場合の酸化劣化しゃすい金属薄膜のような欠点がなく
、経年変化がほとんどない利点を有する。金属酸化膜を
うまく選択しあるいは前述のような複合層を利用して安
定化保護を考慮すれは、本発明ｉこよる検出素子は環境
がとくに悪くない限り大気中に露出した状態で使用して
も経年変化がない。韮たこの″場合は放射＃等を吸収す
るケースを用いないので、それだけ感度がさらに増す利
点がある。第３図の実線で示した曲線Ｂは第４図に示し
た構造の検出素子を用いてアイソトープ　　肺が発する
アルファ線を測定した結果を示すもので、図の右側の曲
＃ｌＢが正規のエネルギ域で正しく測定されたカウント
賊のピークであり１左閲の曲線Ｂは不感層を通しで受け
たアルファ＃！ｌこより正規ではいエネルギ域で測定さ
れたカウント値のピークである。図示のような従来のｐ
ｎ接合形検出素子とは逆に正規のカウント値が不正規な
カウント値よりもはるかに大きく、本発明によりエネル
ギスペクトル特性か大巾に改善されたことを示している
。なお第５図のＳ逍の検出素子の場合は、この例よりも
不感層の面積がさらに小さくできるので、上述の特性は
さらに改善され得る。もつとも第４図の構造の検出素子
の場合であっても、低エネルギ放射線を完全に吸収しつ
るマスクを第３図の検出素子の周縁部の不感層の上に掛
けても検出感度をさして低下さぜることにならないから
、このような手段でエネルギスペクトル特性の問題を実
質上解決することもできる。

さらに本発明における酸化膜に正電荷をイオン注入する
ことにより素子の検出特性が改善されるとともに特性の
ばらつきが小さくなって興造歩留まりが大幅に向上する
。第８図は本発明の方法により製造した放射線検出素子
によりアイソトープ”’Ａｍが発するアルファ線を測定
した時の特性を示し、前場の第６図に対応するものであ
る。図示のようにバイアス電圧ｏｖのときの曲線１ｃと
バイアス電圧２０Ｖのときの曲線下とはピーク位置が正
確に一致しており、無バイアス時でも酸化膜直下に十分
な濃度の反転層が誘起されこれによって基板バルク内へ
の空乏層の延びが該アルファ線の基板内飛程である約３
０マイクロメータ以上に達していることを立証するもの
である。

以上説明したように、本発明の方法により製造された検
出素子は従来の表Ｉ１１障壁形やｐｎ接合形の素子にな
い優れた特性を具備するとともに、本発明の方法はかか
る素子の検出特性が一定化し製造歩留りを大＠ｌこ向上
する等の多大の効果を生じるものである。

【図面の簡単な説明】

に１図色ちび第２図はそれぞれメサ形およびブレーナ形
のｐｎ＊台形放射線検出素子の断面図、第３図はｐｎ接
合形検出素子と本発明方法により製造した第４図に示す
構造の検出素子とのエネルギスペクトル特性の比較を示
す図、第４図および第５図は本発明の方法により製造さ
れるそれぞれ異なる構造の検出素子の断面図、第６図は
イオン注入法を用いない場合の無バイアス時とバイアス
印加時の特性の差を示す図、第７図は本発明方法による
製造工程図、第８図は本発明方法により製造した検出素
子の無バイアス時とバイアス印加時の特性比較を示す図
である。図においで、１１：シリコン基板、１２．２０
：金属酸北風１３：反転層、１４：ｎ形波散層、１５ニ
一方の電極、１６：ｐ形波散層、１８二他方の電極、１
９：空乏層、２１：イオン注入される正イオン、几：放
射線または光、である。 ヤ１図 Ｒ θ　　５００　　６００　　７θｏ　　　ａｏ。 ？５閃 才す閃 ｆ−７図 Ｏる００　　　　７０θ　　　　３００　　　　　％０
才ｆＪ　　ス Ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）高比抵抗性のシリコン基板上に形成した金属酸化膜
   下の該基板表面ｌこ誘起される反転層と該反転層から延
   びる空乏層を利用して、該空乏層内に入射する放射線ま
   たは光を検出する半導体素子の製造方法であって、本質
   半導体に近い弱いｐ形を示すシリコン基板の一方の主面
   の周縁に強いｐ膨拡散層を形成する工程と、前記一方の
   主面の前記周縁を除く領域内の一部にｎ形の拡散層を形
   成する工程と、前記一方の主面上に金属酸化膜を形成す
   る工程と、該金属酸化膜の形成後該膜に正電荷をイオン
   注入する工程と、前記金属酸化膜を貫通して前記ｎ膨拡
   散層にオーム接触する一方の電極を前記一方゛の主面側
   に形成する工程と、前記他方の主面上に基板をオーム接
   触する他方の電極を形成する工程とを含むことを特徴と
   する放射線または光検出用半導体素子の製造方法。