(57)【要約】【課題】半導体型の中性子検出装置において、コストダウンおよび高精度な中性子線場の測定を可能にする。【解決手段】シリコン基板１には、同位体１０Ｂを含むホウ素が導入された１０Ｂ拡散層１０を有する中性子検出部、ｐウェル１１とｎウェル１２とにより形成されるｐｎ接合１３を有するα線検出部、並びに、ｐｎ接合１３に発生する電荷の解析を行う解析回路部が、同一チップ上に形成される。中性子の入射により１０Ｂ拡散層１０で発生したα線は、ｐｎ接合１３の空乏層で電子−正孔対１６を発生し、その電荷は解析回路部に収集され、解析される。その解析結果により、ｐｎ接合１３に入射した中性子量が特定される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の半導体チップに、
ホウ素の同位体１０Ｂが導入された１０Ｂ拡散層と、
前記１０Ｂ拡散層で発生するα線が入射するｐｎ接合と、
前記ｐｎ接合に発生する電荷を解析する解析回路とを備える
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記ｐｎ接合を形成するｐ型拡散層は、前記１０Ｂ拡散層である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置であって、
前記１０Ｂ拡散層は、前記半導体チップの上面近傍に形成され、
前記１０Ｂ拡散層と共に前記ｐｎ接合を形成するｎ型拡散層は、前記１０Ｂ拡散層の下に形成される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記解析回路は、前記ｐｎ接合よりも前記１０Ｂ拡散層から遠くに配設されている
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放射線検出のための半導体装置に関し、特に中性子検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、放射線検出における中性子線の検出は、ＢＦ３計数管を用いた検出器や金属薄膜の放射化を利用した検出器が使用されていた。しかし、これらの中性子検出器は、計数管の小型化が困難であるために検出器全体が大型化するという問題や、中性子場のリアルタイムの計測ができないなどの問題を有していた。
【０００３】
一方、半導体型の放射線検出器も知られている（例えば特許文献１）。半導体型検出器は、分解能が高く、計数管と異なり非常に小型であるために、例えば放射線粒子の進行方向を問題にする放射線場の測定において、正確な放射線場のモニターを行うのに有効である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４７１２９号公報（第５−６頁、第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の半導体型の検出器は、複数の半導体装置により構成されていたため、非常にコストが高くなると共に、中性子線場の測定における擾乱が大きいという問題があった。
【０００６】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、コストダウンが可能であり、且つ高精度な中性子線場の測定が可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、同一の半導体チップに、ホウ素の同位体１０Ｂが導入された１０Ｂ拡散層と、前記１０Ｂ拡散層で発生するα線が入射するｐｎ接合と、前記ｐｎ接合に発生する電荷を解析する解析回路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
中性子は電荷を有しないため、半導体素子で直接それを検出することができない。そのため、中性子を一旦他の物質と作用させることで、間接的に中性子の検出を行う必要がある。その手法として、中性子をホウ素の同位体１０Ｂと作用させ、それにより発生するα線を検出する手法が知られている。
【０００９】
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置としての中性子検出装置の構成を示す図である。シリコン基板１（半導体チップ）に形成される各素子は、素子分離膜２により互いに分離されている。シリコン基板１には、同位体１０Ｂ（天然に存在するホウ素中に約２０％含有される）を含むホウ素が導入された１０Ｂ拡散層１０を有する中性子検出部、ｐウェル１１とｎウェル１２とにより形成されるｐｎ接合１３を有するα線検出部、並びに、ゲート電極１４およびソース・ドレイン領域１５から成るＭＯＳトランジスタ等により構成される解析回路部が、同一チップ上に形成されている。
【００１０】
中性子検出部の１０Ｂ拡散層１０は、シリコン基板１に１０Ｂを含むホウ素をイオン注入して形成される。ｐウェル１１およびｎウェル１２も、所定のドーパントをシリコン基板１に導入することにより形成される。即ち、中性子検出部並びにα線検出部は、通常の半導体プロセスにより形成可能である。
【００１１】
また、解析回路部の具体的構成は解析の目的により様々なケースが考えられるが、例えば、微小信号を増幅する増幅回路、特定の波高のパルスのみを選択するシングルチャネル波高分析回路、２系統のパルス間の時間的一致を調べる同時計数回路、パルスの数を数えるスケーラ回路、パルスの波高の頻度分布を自動的に解析する多重波高分析回路など、いくつかの基本回路を適宜組み合わせることにより構成される。
【００１２】
この中性子検出装置の動作を説明する。１０Ｂ拡散層１０に入射した中性子は１０Ｂと反応し、１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ反応によってα線を放出する。中性子検出部から放出されたα線は、中性子検出部の近傍に形成されたα線検出部に突入し、ｐｎ接合１３の空乏層中で電子−正孔対１６を発生させる。解析回路部は、電子−正孔対１６の電荷を収集してｐｎ接合１３を流れる電流を検出することで、α線の検出を行う。さらに解析回路部では、収集した電子−正孔対１６の電荷量の脈動（ｐｎ接合１３を流れる電流の脈動）による微小信号を増幅し、当該信号に対し、例えばパルス数を計数したり、波高分布からα線のエネルギースペクトルを求めたりする解析が行われる。そして、その解析結果に基づいて、中性子検出部に入射した中性子量が特定される。
【００１３】
このように、電子−正孔対１６の電荷を解析回路部で即座に解析することによって、照射された中性子量を瞬時に（リアルタイムに）モニターすることができる。また、中性子検出部、α線検出部、解析回路部が１チップ上に形成されているため、中性子検出システム全体を非常に小型化できる。また、中性子入射に起因するα線の発生領域（１０Ｂ拡散層１０）とその検出部（ｐｎ接合１３）との距離が短くなるため、α線の検出効率および検出精度を向上し、中性子線場の測定における擾乱が抑制され、高精度な中性子線場の測定が可能である。また、必要なチップ数が削減されるのでコスト削減にも寄与できる。
【００１４】
＜実施の形態２＞
図２は、実施の形態２に係る半導体装置としての中性子検出装置の構成を示す図である。この図において、図１と同一の要素に対しては同一符号を付してあるので、ここでのそれらの詳細な説明は省略する。図２に示すように、同じ素子領域に１０Ｂ拡散層１０と、所定のｎ型ドーパント（例えば、Ｐ（リン）、Ａｓ（砒素）など）が導入されたｎウェル１２が形成される。１０Ｂ拡散層１０はシリコン基板１の上面近傍に形成され、ｎウェル１２は１０Ｂ拡散層１０と同じ素子領域の下（シリコン基板１の深い位置）に形成される。１０Ｂ拡散層１０はｐ型の拡散層であるので、ｎウェル１２との間にｐｎ接合１３が形成される。即ち、本実施の形態では、１０Ｂ拡散層１０を有する中性子検出部と、ｐｎ接合１３を有するα線検出部とは、共に同じ素子領域に組み込まれる。
【００１５】
この中性子検出装置の動作を説明する。１０Ｂ拡散層１０（中性子検出部）に入射した中性子は１０Ｂと反応し、１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ反応によってα線を放出する。１０Ｂ拡散層１０から放出されたα線は、その下のｐｎ接合１３（α線検出部）の空乏層中で電子−正孔対１６を発生させる。解析回路部は、電子−正孔対１６の電荷を収集してｐｎ接合１３を流れる電流を検出することで、α線の検出を行う。さらに解析回路部では、実施の形態１と同様に、収集した電子−正孔対１６の電荷量の脈動（ｐｎ接合１３を流れる電流の脈動）に基づく解析が行われる。そして、その解析結果に基づいて、中性子検出部に入射した中性子量が特定される。
【００１６】
このように、電子−正孔対１６の発生に伴う電荷を解析回路部で即座に解析することによって、照射された中性子量を瞬時に（リアルタイムに）モニターすることができる。また、ｐｎ接合１３を形成するｐ型拡散層が、中性子検出部として機能する１０Ｂ拡散層１０であるので、α線の発生部（１０Ｂ拡散層１０）とその検出部（ｐｎ接合１３）との距離は最小になる。従って、α線の検出効率および検出精度が向上し、高精度な中性子線場の測定が可能である。さらに、中性子検出部とα線検出部とが同一の素子領域に形成されるため、中性子検出システム全体を実施の形態１よりもさらに小型化できる。
【００１７】
＜実施の形態３＞
上記実施の形態１，２に示したように、本発明に係る中性子検出装置は、１チップ上に中性子検出部、α線検出部並びに解析回路部が形成される。それにより、中性子検出部とα線検出部との距離を短くでき、高精度な中性子線場の測定が可能である。しかし、中性子検出部で発生したα線が解析回路部に入射する可能性も高くなる。α線が解析回路部に入射すると、解析回路部の誤動作（ソフトエラー）を発生させる場合がある。それにより、中性子検出装置により得られる測定結果の信頼性は低下してしまう。
【００１８】
そこで、本実施の形態においては、シリコン基板１（半導体チップ）上で中性子検出部と解析回路部との距離が長くなるようにレイアウトする。例えば図３の如く、中性子検出部と解析回路部とを単一の半導体チップ２０上で互いに対角の位置に配設する。一方、上述したように、中性子検出部とα線検出部との距離が短ければ中性子線場の測定における擾乱が抑制されるので、α線検出部は、図３において空白で示したの領域うちの何れかの、中性子検出部近傍に配置する。その結果、解析回路部は、α線検出部（ｐｎ接合１３）よりも中性子検出部（１０Ｂ拡散層１０）から遠くに配置される。
【００１９】
なお、中性子検出部とα線検出部とは、実施の形態２のように同一の素子領域に組み込んでもよい。その場合図３において、α線検出部は中性子検出部と同じ領域内に配置される。
【００２０】
その結果、中性子検出部で発生したα線の解析回路部への入射が抑制され、解析回路部の誤動作（ソフトエラー）の発生は抑えられる。また、より中性子線量の高い中性子場における測定にも対応可能になる。それと共に、中性子検出部とα線検出部との距離は短いため、α線の検出効率および検出精度を向上する。よって、高精度で信頼性の高い中性子線場の測定が可能になる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体装置によれば、中性子検出システム全体を非常に小型化できる。また、中性子入射に起因するα線の発生領域（１０Ｂ拡散層）とその検出部（ｐｎ接合）との距離が短くなるため、α線の検出効率および検出精度を向上し、中性子線場の測定における擾乱が抑制され、高精度な中性子線場の測定が可能である。また、必要なチップ数が削減されるのでコスト削減にも寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る中性子検出装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態２に係る中性子検出装置の構成を示す図である。
【図３】実施の形態３に係る中性子検出装置のレイアウトの一例を示す図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板、２  素子分離膜、１０  １０Ｂ拡散層、１１  ｐウェル、１２  ｎウェル、１３  ｐｎ接合。
【図１】
2004273670.tif 000003
【図２】
2004273670.tif 000004
【図３】
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