(57)【要約】【課題】デバイス構造を複雑にすることなく、また、コストを上昇させることなく、検出感度を高めることができる半導体放射線検出器を提供する。【解決手段】半導体基板１の表面の素子分離領域５により区画された素子形成領域に、ｐ型拡散層２とｎ型シリコン基板１とのｐｎ接合部が形成されており、このｐｎ接合部により放射線有感領域が構成されている。信号検出用のアルミニウム電極３はこの有感領域にオーミック接触すると共に、素子分離領域５に隣接する有感領域の反対側の領域にまで延出して形成されている。そして、有感領域以外の領域においては、アルミニウム電極３とシリコン基板１との間にシリコン酸化膜４が形成されており、アルミニウム電極３、シリコン酸化膜４及びシリコン基板１からＭＯＳ構造が形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面の素子分離領域により区画された素子形成領域に形成されたｐｎ接合部又はショットキー接合部からなる放射線有感領域と、この有感領域に接触した信号検出用の電極と、前記素子分離領域に隣接する前記有感領域の反対側の領域に形成され前記信号検出用の電極と電気的に接続された配線電極と、この配線電極と前記半導体基板との間に設けられた絶縁膜と、を有し、前記配線電極、前記絶縁膜及び前記半導体基板からＭＯＳ構造が形成されていることを特徴とする半導体放射線検出器。
【請求項２】
前記配線電極は、前記信号検出用の電極と同一工程で形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体放射線検出器。
【請求項３】
前記素子分離領域は、前記半導体基板と同一導電型で且つ半導体基板よりも高濃度の拡散層であるチャネルストッパーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体放射線検出器。
【請求項４】
前記素子分離領域は、前記半導体基板とは絶縁膜を介して絶縁され、前記半導体基板と同一電位を印加されたフィールドプレートであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐｎ接合部又はショットキー接合部からなる放射線有感部を有する半導体放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の半導体放射線検出器を示す断面図である。従来の半導体検出器は、例えばｎ型シリコン基板２１の表面にｐ型の拡散層２２が形成されており、このｐ型拡散層２２の上の部分を除いた基板表面上にシリコン酸化膜２４が形成されている。そして、このシリコン酸化膜２４及びシリコン基板２１上に、上部アルミニウム電極２３が形成されており、従って、上部アルミニウム電極２３は拡散層２２とオーミック接触している。この場合、上部アルミニウム電極２３が拡散層２２に接続する部分が放射線の有感領域に相当する。この有感領域以外のシリコン基板２１上の部分はシリコン酸化膜２４で覆われており、上部アルミニウム電極２３は有感領域（拡散層２２）以外の部分ではシリコン酸化膜２４によりシリコン基板２１から絶縁されている。そして、拡散層２２の外周にはシリコン基板２１よりも高濃度のｎ型の拡散層がチャネルストッパー２５として形成されている。また、シリコン基板２１の下面には、アルミニウム電極２７が形成されている。
【０００３】
このように構成された半導体放射線検出器においては、アルミニウム電極２３とアルミニウム電極２７との間に、アルミニウム電極２３が負となる電圧を印加すると、アルミニウム電極２７に接続されたｎ型のシリコン基板２１と、アルミニウム電極２３にオーミック接続されたｐ型の拡散層２２との間に逆バイアスが印加され、ｐ型拡散層２２の下に空乏層２６が広がる。そして、空乏層２６に放射線が入射すると、放射線は空乏層２６内で電子・正孔対のキャリア（電荷）を発生させ、発生した電子・正孔対は空乏層２６の電界により分離され、アルミニウム電極２３，２７に電流が流れて検出される。
【０００４】
なお、以上の説明はシリコン基板２１がｎ型の場合であるが、ｐ型の場合であっても、拡散層２２及びチャネルストッパー２５（ｎ型拡散層）の極性と、印加電圧の極性を変えることにより、同様の機能を有する半導体放射線検出器を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような半導体放射線検出器において、放射線の入射に伴って発生する電子・正孔対の数は入射する放射線のエネルギーで決まるため、より高感度な検出器を実現するためには、一般的には、空乏層の広がり幅又は電界を制御して発生した電子・正孔対を効率的に分離することと、再結合及び欠陥へのトラップを低減して電子・正孔対の消滅を防止することが必要である。しかしながら、これらの対策には限界があり、従来、既にこの限界に近い対策がとられている。
【０００６】
一方で、検出信号を増大させる方法として、発生した電子及び正孔を高電界で加速し、その結果、十分高いエネルギーを得た電子・正孔がＳｉ原子に衝突することにより、新たな電子・正孔対を発生させることも考案されているが、信号レベルの安定性及び長期的な信頼性の観点では望ましくない。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、デバイス構造を複雑にすることなく、また、コストを上昇させることなく、検出感度を高めることができる半導体放射線検出器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体放射線検出器は、半導体基板の表面の素子分離領域により区画された素子形成領域に形成されたｐｎ接合部又はショットキー接合部からなる放射線有感領域と、この有感領域に接触した信号検出用の電極と、前記素子分離領域に隣接する前記有感領域の反対側の領域に形成され前記信号検出用の電極と電気的に接続された配線電極と、この配線電極と前記半導体基板との間に設けられた絶縁膜と、を有し、前記配線電極、前記絶縁膜及び前記半導体基板からＭＯＳ構造が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この半導体放射線検出器において、前記配線電極は、前記信号検出用の電極と同一工程で形成されたものであることが好ましい。
【００１０】
また、前記素子分離領域は、例えば、前記半導体基板と同一導電型で且つ半導体基板よりも高濃度の拡散層であるチャネルストッパーであるか、前記半導体基板とは絶縁膜を介して絶縁され、前記半導体基板と同一電位を印加されたフィールドプレートである。しかし、本発明においては、素子分離の方法は、上記態様に限らず、種々の態様が可能である。
【００１１】
なお、素子形成領域が素子分離領域により区画されているということは、素子形成領域が素子分離領域に囲まれていることを意味しない。即ち、前記素子分子領域は前記有感領域を必ずしも取り囲む必要は無く、空乏層が延びない等、素子分離が必要でない方向については素子分離領域を設けなくてもよい。しかし、前記ＭＯＳ構造と有感領域との間には素子分離領域を設けることが必要である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。ｎ型シリコン基板１の表面にｐ型の拡散層２が設けられており、このｐ型拡散層２の上部を除くシリコン基板１の表面上に、シリコン酸化膜４が形成されている。そして、このシリコン酸化膜４及びシリコン基板１上に、上部アルミニウム電極３が形成されており、この上部アルミニウム電極３は拡散層２上にシリコン酸化膜４が形成されていないので、拡散層２に対し、オーミック接触している。この場合に、上部アルミニウム電極３が拡散層２にオーミック接触している部分が放射線の有感領域に相当する。よって、この有感領域以外のシリコン基板１の上はシリコン酸化膜４で覆われており、この有感領域以外の部分では、上部アルミニウム電極３はシリコン酸化膜４によりシリコン基板１から絶縁されている。
【００１３】
また、拡散層２を取り囲むようにして、シリコン基板１よりも高濃度のｎ型の拡散層がチャネルストッパー５として形成されている。このチャネルストッパー５に囲まれた領域が、チャネルストッパー５により素子分離された素子形成領域である。そして、アルミニウム電極３は、シリコン基板１の表面上におけるチャネルストッパー５の外側、つまり拡散層２の反対側の領域にまで延長して形成されており、シリコン基板１におけるチャネルストッパー５に隣接する領域上にまで形成されている。これにより、このチャネルストッパー５の外側の領域に、上部アルミニウム電極３と、シリコン酸化膜４と、シリコン基板１とからなるＭＯＳ構造が形成されている。シリコン基板の下面には、下部アルミニウム電極８が形成されている。
【００１４】
次に、上述の如く構成された本実施形態の半導体放射線検出器の動作について説明する。下部アルミニウム電極８に接触したｎ型のシリコン基板１と、ｐ型の拡散層２との間に逆バイアスを印加すると、拡散層２の下に空乏層６が拡がる。このとき、上部アルミニウム電極３に印加する電圧は、下部アルミニウム電極８を接地してシリコン基板１を接地する（０Ｖとする）場合には、負の電圧である。そして、放射線が空乏層６に入射すると、この放射線は空乏層６内で電子・正孔対のキャリア（電荷）を発生させ、発生した電子・正孔対は空乏層６の電界により分離され、アルミニウム電極３，８間に電流が流れて検出信号を発生させる。
【００１５】
このように、半導体検出器を動作させるために、上記逆バイアス電圧を印加すると、上部アルミニウム電極３と、シリコン酸化膜４と、シリコン基板１とで構成されるＭＯＳ構造において、チャネルストッパー５に囲まれた素子形成領域の外側のシリコン基板１の表面にも空乏層７が拡がる。上部アルミニウム電極３の印加電圧が前記ＭＯＳ構造の閾値電圧を超える場合、つまり、印加電圧の絶対値が閾値電圧の絶対値より大きくなる場合には、空乏層７の表面には反転層が形成され、更に電圧を印加（絶対値を増加）しても、それ以上空乏層７は拡がらない。
【００１６】
次に、上述の如く、本発明の半導体放射線検出器により放射線の検出感度を向上させることができるという動作原理について説明する。放射線が半導体の有感領域に入射することにより生成する電子・正孔対が検出信号を発生させるという半導体放射線検出器の基本原理は、従来技術と同様である。しかし、本発明においては、放射線の有感領域を区画する素子分離領域であるチャネルストッパー５に隣接する領域に設けられたＭＯＳ構造の作用が付加される。
【００１７】
半導体デバイスのシミュレーション技術により、半導体素子の電気的な特性を数値解析する（例えば、「檀良  編著、産業図書株式会社  発行、プロセス・デバイスシミュレーション技術」）。このデバイスシミュレーション法におけるデバイスシミュレータを使用して、本願発明者らが解析した結果について、図２及び図３を使用して説明する。解析に使用したデバイス構造は以下のとおりである。厚さが５００μｍで、抵抗率が２５０Ω・ｃｍのｎ型シリコン基板６１の表面上に、厚さが４００ｎｍのシリコン酸化膜６２が形成されており、このシリコン酸化膜６２の上にアルミニウム電極６３が形成されている。また、シリコン基板６１の下面にはアルミニウム電極６４がオーミック接触している。
【００１８】
そして、ＭＯＳ構造の上部アルミニウム電極６３に、図３に示すように、電圧７１を印加する。このとき、下部アルミニウム電極６４はゼロ電位（接地）にする。上部アルミニウム電極６３への印加電圧７１は、時間ゼロ（０）、１ナノ（１ｎ）秒、２ナノ（２ｎ）秒、３ナノ（３ｎ）秒及びそれ以降を、夫々−５０Ｖ、−４９．９Ｖ、−４９．９Ｖ、−５０Ｖとし、半導体シミュレータを使用して過渡解析を実施した。この過渡解析は、図３の印加電圧７１を与えたときに定常状態に戻るのに充分な時間として、１０マイクロ秒まで行った。結果として、上部電極６３に流れる電流を時間で積分して得られる電荷は、デバイスの平面視において、表面面積の単位面積あたり、約２４ピコＣ／平方センチメートル（ピコは１０の−１２乗）であり、電流がＭＯＳ構造から外部に流出する方向となった。但し、電流の方向は一定ではなく、電流がＭＯＳ構造に上部電極から流入する方向から、外部に流出する方向へと変化する。電流を時間積分すると、結果的にＭＯＳ構造から上部電極６３を通じて外部に流出する電荷が勝っていた。更には、一般的に、半導体放射線検出器の信号検出部は、抵抗と容量（コンデンサ）とが並列に接続された構成とするが、この容量成分はローパスフィルタとして作用するため、信号の高周波成分は減衰し、上部電極からＭＯＳ構造に流入する電流成分は、より高周波成分を含むため、この上部電極からＭＯＳ構造に流入する電流成分は検出信号への寄与が小さくなり、その結果、上部電極を通してＭＯＳ構造から流出する電流成分が、検出信号に寄与し、より有効に作用する。
【００１９】
以上の説明は、ＭＯＳ構造自体の動作を説明したものである。次に、このＭＯＳ構造を併設した本発明の半導体放射線検出器の動作について説明する。図１に示す本実施形態の半導体放射線検出器において、ｎ型のシリコン基板１を接地し、上部アルミニウム電極３に例えば−５０Ｖを印加すると、空乏層６が拡がる。その空乏層６にアルファ線等の放射線が入射したとき、電子・正孔対が生成し、空乏層６の電界によって分離され、発生した正孔はｐ型拡散層２を経て、上部アルミニウム電極３に流出する。一方、発生した電子は基板下面のアルミニウム電極８から流出する。発生した電子が基板下面から流出するため、電流は電子と反対の方向にアルミニウム電極８からアルミニウム電極３に向けて流れる。この電流によって、シリコン基板１の上部は、基板底部（０Ｖ）よりも電圧が下がる。つまり、負の電位となる。仮に、上部アルミニウム電極３の電圧が−５０Ｖに固定されていた場合には上部アルミニウム電極３／シリコン酸化膜４／シリコン基板１で構成されるＭＯＳ構造で、図２及び図３を参照して説明したように、上部電極３に図３の電圧７１を印加したのと同じ方向にパルス状の電圧が印加されることになる。更に、一般的に、上部アルミニウム電極３は抵抗を介して電圧が印加される。抵抗の外部に−５０Ｖという固定の電圧を印加するとき、外部に流出する電流により、上部電極３は−５０Ｖよりも浅い電圧（絶対値が５０よりも小さい負の電圧）となり、このことも図３の印加電圧７１と同じ方向のパルス電圧の印加に相当する。従って、図１の上部アルミニウム電極３／シリコン酸化膜４／シリコン基板１で構成されるＭＯＳ構造には、図２及び図３で説明したのと同様の現象が起きる。パルス電圧の形状（時間、パルス電圧の高さ）は図２及び図３で行ったシミュレーションとは異なることが予想されるが、図１のアルミニウム電極３には、放射線により発生した正孔による信号電流に、ＭＯＳ構造から同じ方向の変位電流の信号が加わることになり、上部アルミニウム電極から検出される放射線の信号が増強される。
【００２０】
上述の如く、本実施形態においては、素子形成領域に空乏層６が形成されると共に、素子形成領域の外側にも空乏層７が形成されるため、放射線の検出電流が増幅され、検出感度を高めることができる。
【００２１】
なお、上記第１の実施形態は、シリコン基板１がｎ型の場合であるが、ｐ型の場合であっても、拡散層２及びチャネルストッパー５（ｎ型拡散層）の極性と、印加電圧の極性を変えることにより、同様の機能を有する半導体放射線検出器を得ることができる。
【００２２】
また、上記第１の実施形態においては、上部電極３はアルミニウム配線としたが、これに限らず、拡散層２とオーミックコンタクトがとれる配線材料であればよい。
【００２３】
また、上記第１の実施形態は、拡散層２の表面全面を上部アルミニウム電極３により被覆したが、拡散層２と電気的接続がとれる限り、拡散層２の全部でなく一部を覆うように、アルミニウム電極３を形成してもよい。
【００２４】
また、上記第１の実施形態は有感部に空乏層を形成する手段として、ｐｎ接合を設けたが、これに限らずショットキー接合を設けてもよい。具体的には、ｎ型シリコン基板の場合には、上部電極として金等を使用し、ｐ型シリコン基板の場合には上部電極としてアルミニウム等を使用することによりショットキー接合を形成できる。
【００２５】
また、上記第１の実施形態は、空乏層７の上部の配線を、拡散層２にオーミック接触する上部アルミニウム電極３と同時に形成したが、半導体放射線検出器のデバイス構造としては、必ずしもこれらを同時に形成しなくてもよく、別工程で形成した後、両者を電気的に接続してもかまわない。但し、製造コストの観点からは、空乏層７の上部の配線は、拡散層２にオーミック接触する上部アルミニウム電極３と同時に形成する配線を使用した方が好ましい。
【００２６】
また、上記第１の実施形態は、絶縁膜４としてシリコン酸化膜を使用しているが、電気的に絶縁性を有する限り、シリコン酸化膜に限定されず、シリコン窒化膜等の他の絶縁膜、又は、複数の絶縁体の積層膜でもかまわない。但し、シリコン基板の表面と接する絶縁膜は、界面での欠陥密度を抑制する必要があるため、熱酸化したシリコン酸化膜であることが好ましい。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態について図４を参照して説明する。本実施形態が図１に示す実施形態と異なる点は、素子分離領域として、図１のチャネルストッパー（拡散層）の代わりに、フィールドプレートを使用した点である。この素子分離領域以外の構成は図１の第１実施形態と同様である。
【００２８】
ｎ型シリコン基板３１の表面にｐ型拡散層３２が形成されており、このｐ型拡散層３２とアルミニウム電極３３とのオーミック接触領域を除くシリコン基板３１の表面上には、シリコン酸化膜３４が形成されている。このシリコン酸化膜３４内には、平面視で拡散層３２を取り囲む位置に、素子分離領域としてのフィールドプレート３５が形成されている。このフィールドプレート３５は通常アルミニウムで形成されるが、配線材料であれば、アルミニウムに限定されず、種々の材料で形成することができる。なお、アルミニウム電極３３は拡散層３２とのオーミック接触領域から、フィールドプレート３５を超えて拡散層３２の反対側の領域まで延在している。また、シリコン基板３１の下面にもアルミニウム電極３８が形成されている。
【００２９】
本実施形態においては、フィールドプレート３５にシリコン基板３１と同一電位の電圧を印加することにより、フィールドプレート３５は素子分離の機能を発揮する。そこで、アルミニウム電極３４に逆バイアスの電圧を印加することにより、フィールドプレート３５により素子分離された素子領域に空乏層３６が形成され、放射線がこの空乏層３６に入射した場合に、電子・正孔対が発生し、検出電流がアルミニウム電極３４に流れる。この場合に、フィールドプレート３５に仕切られた素子領域の外側にも、アルミニウム電極３３が形成されているので、この領域に構成されるＭＯＳ構造においても空乏層３７が形成される。
【００３０】
上述の如く、フィールドプレート３５の外側にアルミニウム電極３３が延びて形成されているので、本実施形態においても、前述の作用により、放射線により発生した正孔による信号電流に、ＭＯＳ構造から同じ方向の変位電流の信号が加わることになり、検出電流の増幅作用が得られ、極めて高い放射線検出精度を得ることができる。
【００３１】
フィールドプレート３５が素子分子の機能を果たすためには、フィールドプレート３５には、通常、シリコン基板３１と同一電位の電圧を印加するが、フィールドプレート３５の直下のシリコン基板３１を反転させない電位であれば、必ずしもシリコン基板３１と同一電位にする必要はない。なお、シリコン基板３１を反転させる上部アルミニウム電極３３の電圧は、シリコン基板３１の濃度、絶縁膜（シリコン酸化膜３４）の誘電率と膜厚、及び上部アルミニウム電極３３の仕事関数の関数として実用上問題ない精度で予測できる。また、導電型の極性、空乏層を形成するための接合の種類、上部電極及び絶縁体の材質などは、上記第１実施形態と同様である。
【００３２】
なお、上記実施形態においては、半導体基板として、シリコン基板を使用してが、このシリコン基板に限らず、ダイヤモンド又はＳｉＣ等の半導体基板を使用しても良い。
【００３３】
次に、図５を参照して、本発明の半導体放射線検出器の各層の平面レイアウトパターンの一例について説明する。図５の例は、円形の領域４１がシリコン酸化膜がない開口部であり、有感領域である。この有感領域４１以外の領域は、シリコン基板上にシリコン酸化膜が設けられている。有感領域４１を取り囲む環状領域４２は素子分離領域である。太枠４３で囲まれた領域の全面にはアルミニウム電極が設けられている。環状領域４２の外側にはこの環状領域４２に隣接する環状領域４４が設けられており、この環状領域４４がＭＯＳ構造となっている。なお、図５に示すレイアウトパターンは円形であるが、これに限らず、有感領域４１を取り囲む環状の素子分離領域４４の外側にこれに隣接するように配置すれば、矩形等の他の形状で構成してもよい。
【００３４】
また、図６を参照して、本発明の半導体放射線検出器の各層の平面レイアウトパターンの他の例について説明する。有感領域となる領域５１は矩形であり、絶縁膜（シリコン酸化膜）に設けられた開口部である。領域５１以外の領域にはシリコン基板上にシリコン酸化膜が設けられている。太枠で囲まれた領域５３の全面にはアルミニウム電極が設けられており、このアルミニウム電極が設けられた領域は、有感領域５１の１辺から一方向に延出している。そして、この延出領域と有感領域５１との間に、素子分離領域５２が設けられている。この素子分離領域５２の外側に延出する領域５４においてＭＯＳ構造が設けられている。この図６に示すように、素子分離領域５２及びＭＯＳ構造は、必ずしも有感領域５１を取り囲む必要はない。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の範囲に入る実施例の効果について、シミュレーションした結果について説明する。このシミュレーションに使用した半導体放射線検出器の構造は、図１に示したものである。この半導体シミュレーションは下記表１に示す条件で実施した。また、各層の平面レイアウト形状は図５に示す同心円状のものである。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
上部アルミニウム電極３を−５０Ｖに保持して、エネルギー１ＭｅＶのアルファ線が半導体検出器の中央に垂直方向に入射した状況を、シミュレーションにより解析した。その結果、ＭＯＳ構造を有する本発明の実施例のデバイス構造では、従来のＭＯＳ構造を有しない場合に比較して信号強度である電荷量が２０％多いという結果を得た。このシミュレーション例では、有感領域の開口部の面積に対し、ＭＯＳ構造の領域は３６％を占めるが、実際の半導体放射線検出器の面積は、この例よりも大きく、１％程度の面積の増加でも、２０％程度の信号増強効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、デバイス構造を複雑にすることなく、また製造コストを上昇させることなく、放射線の検出感度を著しく高感度にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。
【図２】本発明の動作原理を説明するためのシミュレーションに関するＭＯＳ構造を示す断面図である。
【図３】本発明の動作原理を説明するためのシミュレーションに関する印加電圧を示すグラフ図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。
【図５】本発明の半導体放射線検出器の各層の平面レイアウト形状の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の半導体放射線検出器の各層の平面レイアウト形状の他の例を示す模式図である。
【図７】従来の半導体放射線検出器を示す断面図である。
【符号の説明】
１、２１、３１、６１；ｎ型シリコン基板
２、２２、３２；ｐ型拡散層
３、２３、３３、６３；上部アルミニウム電極
４、２４、３４、６２；シリコン酸化膜
５、２５；チャネルストッパー
６、７、２６、３６、３７；空乏層
８、２７、３８、６４；下部アルミニウム電極
３５；フィールドプレート
４１、５１；有感領域
４２、５２；素子分離領域
４３、５３；上部アルミニウム電極成膜領域
４４、５４；ＭＯＳ構造形成領域
７１；シミュレーションで上部電極に印加した電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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