JPS62293613A - 半導体放射線検出素子の製造方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔発明の属する技術分野〕 本発明は半導体基板にドナーまたはアクセプタの不純物
を拡散することによυ得られるＰＮ接合型の半導体放射
線検出素子の製造方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

ＰＮ接合呈の半導体放射線検出素子を製造するために半
導体基板に不純物を拡散する従来の方法には、熱拡散、
イオン注入などかあυ、またＰＮ接合を形成する他の方
法としてエピタキシャル成長が知られている。これらの
方法はいずれも半導体基板に８００〜１２５０℃の熱処
理を施す必要があるが、このような高温熱処理は半導体
基板中に、　結晶欠陥を生じ、また重金属が熱処理炉か
ら半導体基板中に拡散するため、キャリアのライフタイ
ムを低下させるほかＫ、１０にΩｍ以上の高比抵抗を有
するシリコン単結晶の場合は、その結晶中に含壕れる酸
素がドナー化して結晶の比抵抗を低下させるなどの問題
を生じ、母材結晶の本来の特性を維持することがむずか
しい。

しかしこれらの問題点を解決するために、従来技術によ
シ単に熱処理温度を低くするだけでは形成される半導体
領域の不純物濃度および拡散深さのばらつきが大きくな
シ、再現性も悪くなる。例えば熱拡散法ではドーピング
される不純物の半導体基板中の拡散係数が低下し、８０
０℃以下の熱拡散は不可能に近い。

そのほかにも、深さ０．２μｍ以下となるように基板と
逆導電形の極薄半導体領域を基板表面に形成するのは極
めて困難であるという問題もある、例えばイオン注入法
によりこの極薄半導体領域を形成するためには、加速電
圧を３９　ｋｅｙ以下にするか、もしくははじめ半導体
基板表面に酸化膜を形成しておき、その酸化膜を通して
ドーパント不純物のイオンを注入しなければならない。

しかし、加速電圧が低くなるにつれてイオン電流が得ら
れに＜＜、表面不純物濃度を高くすることが困難となり
、また酸化膜を通して不純物イオンを注入する場合は、
酸化膜の厚さのばらつきが極薄半導体領域の表面濃度と
深さに影響を及ぼすという問題を起こす。との場合轟然
のことながら打ち込まれた不純物による結晶欠陥の回復
と、打ち込まれた不純物を格子位置に置換し電気的に活
性化するための前述のような高温熱処理を行なうが、そ
の結果は半導体基板中でドーパント不純物の拡散がさら
に進行するので、極薄半導体領域は却って得られＫ＜く
なる。

以上のことから従来方法による熱処理工程を経て製造さ
れたＰＮ接合型の半導体放射線検出素子はノイズが大き
く、そのためすぐれたエネルギー分解能を有する大口径
の放射線検出素子を得ることができず、そのほか、従来
のＰＮ接合型の半導体放射線検出素子はα線、β線およ
び低エネルギーのγ線やＸ線など透過力の弱い放射線を
検出する場合は、これらの放射線は前述のＰＮ接合部を
含む極薄半導体領域すなわち不感層領域を通過した後空
乏層に到達するが、高温熱処理によって深く不純物拡散
されたこの不感層領域に吸収されてしまい検出効率が低
下するという欠点ももっている。

一方本発明者らは、特開昭５９−２１８７２７号公報お
よび特開昭５９−２１８７２８号公報にょム半導体基板
中への不純物導入方法を開示している。

第４図はこの方法が用いられる装置の要部構成を配置系
統とともに示した概略図でちゃ、反応槽１゜反応槽１内
に対向配置された上部電極２と下部電極３．下部電極３
の上に載置された複数個の半導体基板４．下部電極３の
下面近傍に備えられたヒータ５１両電極２．３がそれぞ
れ反応槽１の外部で接続される直流電源６．ガス流量調
整器７を介して反応槽１にドーパントガスを導入するた
めのボンベ８と９．排気系１０．真空系１１からなシ、
ガス流量調整器７６ボンペ８，９排気系１０．Ｘ生計１
１はいずれも外部から反応槽１の内部まで配管される。

第４図の装置を用いて半導体基板４に不純物を導入する
には反応槽１内を減圧すると同時にドーパントを含むガ
スをボンベ８，９から反応槽内に流し、電源６によシ上
部電極２と下部電極３の間に直流電圧を印加してドーパ
ントガスのプラズマを発生させることによシ行なわれる
。

このようＫすると従来のごとく高温の熱処理を施さなく
ても、３００℃前後程度の温度で基板の結晶性やライフ
タイムを損うことなく所望の不純物濃度をもった半導体
領域を形成することができるという利点がある。

したがって前述のＰＮ接合型の半導体放射線検出素子の
有する欠点を解決するためには、この不純物導入方法を
用いるのが最も効果的でちゃ、とくにＰＲ接合型半導体
素子のように例えば通常の半導体ＩＣより非常に高比抵
抗の単結晶シリコン基板を必要とするものでは、この不
純物導入法によって十分高濃度の逆導電形の浅い領域を
低温で短時間に形成することができ、ＰＮ接合型の半導
体検出素子としての要件を十分満足させるものが得られ
ると考えられる。

〔発明の目的〕

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであシ、その目
的は半導体基板全体を高温に加熱するととなく、基板中
に所定の導電形の浅い半導体領域を有し、検出効率とエ
ネルギー分解能の高いＰＮ接合型半導体放射線検出素子
の製造方法を提供することにある。

〔発明の要点〕

本発明はほう素や燐などドーパントとしての所定の不純
物を含む雰囲気の低圧容器内に半導体基板を置き、容器
内にグロー放電を発生させることによυ、低温で半導体
基板中に上記不純物を含む半導体領域を形成することに
より上記目的を達成するものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

本発明に用いられる装置は第４図に示したものと全く同
じであるからその配置構成の説明は省略するが、本発明
の方法を再び第４図を参照して述べる。第４図における
半導体基板４として本発明では例えば比抵抗５にΩ副以
上のＮ形単結晶シリコンを用い、上部電極２と対向する
ように下部電極３の上に載置するが、これに先立ち半導
体基板４を第１図に示したごとく別途処理しておく。第
１図はその半導体基板４の断面図であ、！ｌ）、ＣＶＤ
酸化膜１２を表面保護膜として形成し、ホトエツチング
によシ窓１３をあけたものである。このＣＶＤ酸化膜１
２は通常の熱酸化膜とは異な９高温処理を必要とするこ
となく、たかだか４００℃程度で得られるから、本発明
の低温プラズマドーピング法に対して極めて有効である
０かくして半導体基板４には窓１３を通してドーパント
不純物が以下の手順にしたがって導入される。

下部電極３をヒータ５で例えば２００℃に加熱すると同
時に排気系１０によυ減圧した反応槽１の内部圧力が例
えば４ＴＯｒｒとなるように、ボンベ８から例えば水素
で１１０００ｐｐに希釈したジボランガス（Ｂ２Ｈ６）
を反応槽１内へ導入した後、上部電極２と下部電極３と
の間に直流電源６を用いて例えば５５０■を印加する。

この電圧印加によって両電極２，３の間にプラズマが発
生し、その結果、下部電極３の上に載置したＮ形単結晶
基板４の表面に窓１３を通して多量のほう素が導入され
、表面濃度的２　ｘ　１０２３ａｔｍｓ　／ｃｄ　、深
さ０．２　Ｊｉｍを有するＰ＋領域が得られる。このＰ
＋領域について導入された不純物はう素のうち、電気的
に活性化したほう素を広が９抵抗法を用いて測定すると
、表面濃度３　ｘ　１０１６ａｔｍｓ／ｉ、深さ０．２
μｍであシ、放射線検出素子に使用する基板濃度が５　
ｘ　１０１２ａｔｍｓ　／ｃｔＡ以下、ｌｋΩα以上の
高比抵抗単結晶シリコン基板に対しては、２００℃とい
う低温でも十分にべ接合が形成されることがわかる。

次いで単結晶シリコン基板４の裏面にオーミックコンタ
クト層を設けるには基板４の裏面が上部電極２と対向す
るように、すなわち基板４を裏返して下部電極３の上に
載置した後、この場合はボンベ９から例えば１０００　
ｐｐｍに希釈したフォスフインガス（ＰＨ３）を反応槽
１内に導入し、その他は前述と同様の条件を設定するこ
とによりＮ＋層すなわちオーミックコンタクト層を形成
する０以上のようにしてＰＮ接合層とオーミックコンタ
ク）６を形成した後、アルミニウムの電極を真空蒸着し
、放射線検出素子が得られる。Ｎ形シリコン基板４を用
いて作製された放射線検出素子の構成断面図を第２図に
示した。第２図において４はＮ形単結晶シリコン基板、
１２はＣ■酸化膜。

１４ａは主電極、１４ｂは裏面電極、１５はＰ＋領域。

１６はＮ＋オーミックコンタクト層である。

またＰ形の高比抵抗単結晶シリコンを基板として用いＰ
Ｎ接合層とオーミックコンタクト層を形成する場合も、
第１図、第４図の説明で述べたのと同様の手順と条件で
可能である。すなわちＰＮ接合の形成に対しては基板上
に設けたＣＶＤ酸化膜の窓部から不純物を導入し、基板
温度１反応槽内圧力、印加電圧などは基板にＮ形シリコ
ンを用いたときと全く同じでよいが、異なる所は反応槽
内をボンベ９から流入する例えば１０００ｐｐｒｎに希
釈したフォスフインガスの雰囲気とすることにある。

その結果Ｐ形シリコン基板の表面に多量の燐が導入され
て、表面濃度５　ｘ　１０２２’　ａｔｍｓ　／ａＡ、
深さ０１５μｍのＮ十領域を形成し、このうち電気的に
活性な憐を広がり抵抗法を用いて求めると表面濃度１．
５×１０”ａｔｍｓ　／ｃＪ　、深さ０．１５μｍであ
り、１ｋＯｚ以上の高比抵抗Ｐ形単結晶シリコン基板を
用いたときその基板濃度が１．４　ｘ　ｌ　Ｑ　１３ａ
ｔｍｓ／ｆｆｌ以下であるから放射線検出素子として有
用なＰＮ接合が十分に形成される。その後反対面にＰ＋
のオーミックコンタクト層を設けるときもＮ形シリコン
基板を用いたときと同様の手法でよいが、このとき当然
のことながら反応槽内にはボンベ８からジボランガスを
導入する。

以上述べたように本発明は一導電形の高比抵抗単結晶シ
リコン基板に対して逆導電形となる不純物を低温でプラ
ズマドーピングしたＰＮ接合と、同じ導電形となる不純
物を同様の手法でドーピングしたオーミックコンタクト
層を形成するものであるが、とくに放射線検出素子とし
て好ましい高い比抵抗をもった基板に対しても２００℃
という低温で十分ＰＮ接合が得られるという利点をもつ
ものである。なお２００℃の基板温度は厳密に保持しな
くても差し支えないが、単結晶シリコン基板が元来布し
ている高いライフタイムや結晶の完全性を損なうことな
く、この基板とは異なる不純物濃度の領域を基板内に短
時間で形成するためには、基板温度は３００℃程度を上
限とするのが好ましく、最高でも４００℃を超えてはな
らない。

また本発明の最大の要件である低温処理に関連して、前
述したように第１図のＣＶＤ酸化膜１２は３００〜４０
０℃で形成されるから単結晶シリコン基板４内に結晶欠
陥の発生やライフタイムの低下はほとんど生じない。し
かもドーパント不純物をＣＶＤ酸化膜１２に設けた窓１
３を通して導入するプレーナ型のＰＮ接合が形成される
。以上のことなどか、ら本発明の方法によシ得られる半
導体放射線検出素子はノイズが少なく非常に信頼性の高
いものとなる。

なお本実施例ではドーパント不純物としてほう素および
燐を用いた場合について説明したが、その他にもトリメ
チルガリウム、トリメチルインジウムもしくはトリメチ
ルアルミニウムなどの有機金属のガスを反応槽に導入し
、グロー放電を行なうことによシガリウム、インジウム
、アルミニウムなどの不純物を含む半導体領域を基板中
に形成することができ、またアンチモンや砒素などを含
むガスを使用してこれらの元素を不純物として基板中に
導入することも可能である０ 次に第３図は本発明の方法によシ得られた接合面積３．
１４　ｗ２を有する半導体放射線検出素子の室温におけ
る２４１Ａｍを用いたｒ線スペクトル線図を示したもの
である。第３図から本発明の素子は２４１Ａｍのエネル
ギーを表わす５９．５　ｋｅｙのピークも明瞭であυ、
ノイズも１０　ｋｅｙ以下であって工業的な計測器用と
して十分使用できるものであることがわかる。

〔発明の効果〕

ＰＮ接合型の半導体放射線検出素子を製造する際、従来
半導体基板に熱拡散法やイオン注入法など高温熱処理を
施してＰＮ接合を形成していたので、基板の半導体結晶
に種々の欠陥を生じ、その結果得られる放射線検出素子
は、ノイズが大きく検出効率も低いなどの欠点をもって
いたのに対し、本発明によれば実施例で説明したように
、表面に窓明けし九〇ＶＤ酸化膜を備えた一導電形の半
導体基板を用いて、ドーパントガス雰囲気とした反応槽
内の下部電極板に載置し、対向する上部電極との間でグ
ロー放電を行なうことにより、２００℃という低温下で
不純物の導入された逆導電形をもつ所望の薄い半導体領
域とＰＮ接合を形成することができるという特徴を有す
る。とくに半導体放射線検出素子では一般の半導体素子
に比べてかなシ比抵抗の高い半導体基板を用いなければ
ならないので、本発明のごと＜　ＣＶＤ酸化膜の形成に
加えて、上記のような低温度で高濃度の不純物領域が容
易に形成されることは、従来の高温熱処理だ伴なう欠点
を解消し、基板結晶が本来もっているすぐれた特性を損
なうことなく、エネルギー分解能と検出効率が高く、工
業的にも十分実用価値を有する半導体放射線検出素子の
製造に大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に用いられ窓明けしたＣＶＤ酸化膜を備
えた半導体基板、第２図はＮ形半導体基板を用いたとき
の本発明によシ得られる放射線検出素子の構成断面図、
第３図は本発明による素子のγ線スペクトル図、第４図
は低温プラズマドーピング装置の配置構成を示した概略
図である。 １・・・・・・反応槽、２・・・・・・上部電極、３・
・・・・・下部電極、４・・・・・・半導体基板、５・
・・・・・ヒータ、６・・・・・・直流電源、８．９・
・・・・・ボンベ、１０・・・・・・排気系、１２・・
・・・・ＣＶＤ酸化膜、１３・・・・・・窓、１４ａ・
・・・・・主電極。 １４ｂ・・・・・・裏面電極、１５・・・・・・Ｐ＋領
域、１６・・・・・・オｉｋ、ｊ’；　、’＋　＋１７
．−　ゐ　　τコ　　　　ＳＡζ、１、凧；第１図 第２図 ノイズ Ｑ　　　１００　　２（１）　３００　　４００　５０
０　６００手ヤンネル番号　　（Ｃｈ） 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ＰＮ接合とオーミックコンタクト層を有する半導体
   放射線検出素子を製造する方法において、表面に窓明け
   したＣＶＤ酸化膜を備えた一導電形の単結晶半導体基板
   をドーパント不純物を含む低圧ガス雰囲気とした反応槽
   内の下部電極上に載置して所定の温度に加熱した後、こ
   の下部電極と対向する上部電極との間に直流電圧を印加
   してグロー放電を発生させ、窓明けした基板表面からド
   ーパント不純物を導入することにより逆導電形の高濃度
   不純物領域とＰＮ接合を形成し、次いで下部電極上で基
   板を裏返し、反応槽内を基板と同じ導電形となるドーパ
   ント不純物雰囲気とした後、上下両電極間のグロー放電
   による一導電形の高濃度不純物層を形成することを特徴
   とする半導体放射線検出素子の製造方法。 ２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、基板の
   加熱温度をほぼ２００℃とすることを特徴とする半導体
   放射線検出素子の製造方法。