JP3963760B2

JP3963760B2 - エネルギー線弁別器

Info

Publication number: JP3963760B2
Application number: JP2002101697A
Authority: JP
Inventors: 義磨郎藤井; 浩二岡本; 坂本　　明
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: JP2003294846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー線弁別器に係り、特に、α線を検出する一方で、α線よりもエネルギーの大きい、たとえばβ線やγ線を透過させるエネルギー線弁別器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、放射線を弁別して検出する放射線検出装置として、たとえば特開平５−３３３７号公報に開示されたものがある。この放射線検出装置は、一枚の半導体の表裏に、それぞれｐｎ接合を設けてなり、第１のｐｎ接合および第２のｐｎ接合によって、それぞれ第１の空乏層および第２の空乏層が形成されるものである。このうちの第１の空乏層にエネルギーの異なるエネルギー線、たとえばα線とβ線を投射し、α線は第１の空乏層に検出され、β線は第１の空乏層を透過する。第１のｐｎ接合を透過したβ線は、第２の空乏層に到達し、第２の空乏層によって検出されるというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の放射線検出器において、α線を確実に検出する一方で、β線を透過させる空乏層は、所定の厚さとなるように精度よく形成する必要がある。また、エネルギー線、たとえばβ線を透過させるためには、基板を所定の厚さまで薄膜化する必要がある。
【０００４】
ところが、上記公報に開示されている従来の放射線検出器では、高比抵抗半導体として通常のものを用いているので、その膜厚を精度よく調整するのは困難なものであった。また、単に薄膜化するのみでは、半導体基板の強度を確保するのが困難となる問題がある。
【０００５】
さらに、上記公報に開示された放射線検出器では、一枚の半導体の表裏に第１のｐｎ接合および第２のｐｎ接合を形成している。このため、一枚の半導体にそれぞれ第１の空乏層および第２の空乏層を形成するものであるため、薄膜化を図るのは困難なものであった。
【０００６】
他方、いわゆる半導体基板を所望の膜厚に精度よく薄膜化する技術として、特開平７−２４０５３４号公報に開示されたものがある。ところが、上記公報に開示された技術は、エネルギー線弁別器に用いられるものではなかった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、α線を検出する放射線検出器において、α線を検出し、α線よりもエネルギーが大きい放射線を透過できるように、半導体基板を精度よく薄膜化し、また薄膜化しても高い強度を有することができるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決した本発明に係るエネルギー線弁別器は、エッチング加工によって貫通部が形成された第１層と、第１層における表面側に積層される第２層とを備え、第１層における貫通部が形成された部位が薄肉部とされ、第１層と第２層が積層されている部位が厚肉部とされており、第２層における薄肉部の表面側にＰ型半導体層が形成され、第２層における第１層に形成された貫通部から露出する部位および第１層の裏面側にわたってＮ型半導体層が形成された半導体基板を有し、半導体基板における薄肉部に、α線を検出する一方、β線またはγ線を透過させるα線検出部が形成されており、第１層における貫通部を形成するエッチング加工を行う際のストッパとなるストッパ面が形成されているものである。
【０００９】
本発明に係るエネルギー弁別器の半導体基板は、第１層と第２層とが積層されてなり、そのうちの薄肉部にα線検出部が形成されている。この薄肉部は、半導体基板をエッチング加工することによって形成されるが、本発明に係るエネルギー線弁別器では、第１層と第２層の間にエッチング加工を行う際のストッパ面が形成されている。エッチング加工がこのストッパ面に到達すると、このストッパ面でエッチング加工の進行がストップする。このため、ストッパ面を所定の位置に形成することで薄肉部の厚さを精度よく制御することができる。したがって、たとえばエッチング時間を制御することによって薄肉部の厚さを制御する場合よりも、薄肉部の厚さを精度よく制御することができる。
【００１０】
また、ストッパ面を形成することにより、エッチングによる膜厚のムラを少なくすることができる。膜厚のムラが少なくなることにより、さらにα線検出部におけるα線の検出精度を高めることができる。しかも、α線検出部が形成される薄肉部のほかに、第１層と第２層を積層した部位からなる厚肉部を有しているので、半導体基板全体としての強度を高めることができる。
【００１１】
ここで、半導体基板が、面方位の異なる２枚のウェハが積層されて貼着された直接接合ウェハを用いて構成され、ストッパ面は、第２層を形成するウェハのうちの第１層に面する面であるのが好適である。
【００１２】
第２層を形成するウェハのうちの第１層に面する面をストッパとすることにより、第２層を形成するウェハがそのまま薄肉部の厚さとなるので、確実かつ容易に薄肉部の膜厚を制御することができる。
【００１３】
また、第１層が、面方位（１００）のシリコンウェハを用いて構成され、第２層が、面方位（１１１）のシリコンウェハを用いて構成されているのがさらに好適である。
【００１４】
第１層として面方位（１００）のシリコンウェハを用いることにより、エッチング加工を容易に行うことができる。また、第２層として面方位（１１１）のシリコンウェハを用いることにより、薄肉部自体にも、面方位（１００）のシリコンより高い強度を付与することができる。
【００１５】
あるいは、半導体基板が、第１層と第２層の間に、ＳｉＯ₂膜が形成されているＳＯＩウェハを用いて形成され、ＳＯＩウェハにおけるＳｉＯ₂膜の一面が、ストッパ面である態様とすることもできる。
【００１６】
このように、半導体基板としてはＳＯＩウェハを用いることもできる。この場合には、ＳＯＩウェハにおける第１層と第２層の間に積層されたＳｉＯ₂膜をストッパ面として利用することができる。
【００１７】
また、第１層と第２層とが積層された半導体基板の厚肉部の第２層上には、ボンディングワイヤと接続される電極が配置されているのが好ましい。このように、ボンディングワイヤと接続される電極を厚肉部に配置することにより、ワイヤボンディング時の衝撃によって検出部に与えられるダメージを軽減することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るエネルギー線弁別器を示す側断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係るエネルギー線弁別器１は、半導体基板１０を有している。半導体基板１０は、たとえば面方位（１００）のシリコンウェハを用いて構成された第１層１１と、面方位（１１１）のシリコンウェハを用いて構成された活性層としての第２層１２を備えており、これら第１層１１および第２層が積層されて貼着された直接接合ウェハを用いて形成されている。第１層１１の一部には貫通部１１Ａが形成されている。この貫通部１１Ａが形成されている位置が半導体基板１０における薄肉部１３となっており、薄肉部１３は、第２層１２のみによって形成されている。また、薄肉部１３の周囲に厚肉部１４が形成されており、この厚肉部１４は、第１層１１および第２層１２が積層されて形成されている。薄肉部１３の厚さは、たとえば１００μｍとされており、厚肉部１４の厚さは、たとえば３００μｍとされている。また、第２層１２における第１層１１に面する面、すなわち第１層側１１の面が本発明のストッパ面となる。このストッパ面のうち、第１層１１に形成された貫通部１１Ａに対応する位置がエッチング加工の際のストッパとしての機能を果たす。
【００２１】
薄肉部１３には、α線を検出し、α線よりもエネルギーが大きいエネルギー線、たとえばβ線やγ線を透過する空乏層となるα線検出部（以下「検出部」という）１５が形成されている。検出部１５は、第２層１２における薄肉部１３の表面側に形成されたＰ形半導体層（以下「Ｐ+層」という）１６と、裏面側に形成されたＮ形半導体層（以下「Ｎ+層」という）１７とを備えている。Ｐ+層１６は、たとえばＰ+不純物を第２層１２の表面に拡散して形成され、Ｎ+層１７は、第２層１２における第１層１１に形成された貫通部１１Ａから露出する部位および第１層１１の裏面側の全面にわたって形成されている。これらのＰ+層１６およびＮ+層１７によって、ＰＮ接合が形成されている。また、第２層１２の表面側におけるＰ+層１６の周囲にはＮ+層からなるチャンネルストッパ１８が形成されている。
【００２２】
さらに、第２層１２の表面側には、Ｐ+層１６およびチャンネルストッパ１８を被覆して、保護膜としてのＳｉＯ_２膜１９が形成されており、Ｐ+層１６およびチャンネルストッパ１８が形成された第２層１２の表面全体を保護している。また、このＳｉＯ_２膜１９は、Ｐ+層１６に対応する位置の一部が取り除かれ、この取り除かれた部位にアルミニウムからなるアノード電極２０が設けられており、アノード電極２０は、Ｐ+層１６に接続されている。このアノード電極２０は、ワイヤボンディング時の衝撃により検出部にダメージを与えないために、厚肉部上に配設されている。一方、第２層１２における第１層１１の貫通部１１Ａに対応する位置および第２層１２の裏面側に形成されたＮ+層１７には、アルミニウム層２１が積層されている。そして、アルミニウム層２１の端部には、Ｎｉ／Ａｕからなるカソード電極２２，２２が取り付けられている。
【００２３】
かかる構成を有する本実施形態に係るエネルギー線弁別器１では、検出部１５をエネルギー線が透過する際、エネルギー線がα線である場合には、検出部１５によってα線が検出される。また、α線よりもエネルギーが大きいβ線やγ線が透過する際には、β線やγ線はそのまま透過される。検出部１５を透過した透過β線やγ線などは、別途設けたエネルギー線検出器によって検出することができる。
【００２４】
ここで、α線を検出するとともに、β線やγ線を透過させ、その検出精度を高めるためには、検出部１５が形成されている薄肉部１３の厚さを正確に制御することが要求される。この点、本実施形態に係るエネルギー線弁別器１では、半導体基板１０として面方位の異なるシリコンウェハを直接貼着した直接接合ウェハを用いている。このため、後に説明するエッチング加工を行うことによって、薄肉部１３の厚さを所望の厚さに適切に制御することができる。
【００２５】
また、薄肉部１３の周囲には、第１層１１と第２層１２が積層されてなる厚肉部１４が形成されている。この厚肉部１４が形成されていることにより、半導体基板１０全体としての強度を好適に高めることができる。しかも、薄肉部１３を構成する第２層１２は、面方位（１１１）のシリコンウェハが用いられているので、その強度を十分に発現させることができることから、エネルギー線弁別器１の大型化に対応することもできる。
【００２６】
次に、本実施形態に係るエネルギー線弁別器１の製造方法について説明する。
【００２７】
図２は、本実施形態に係るエネルギー線弁別器１を製造する手順を示す工程図である。
【００２８】
図１に示すエネルギー線弁別器１を製造するにあたり、まず、第１層１１と第２層１２を貼着して形成された直接接合ウェハを用意する。次に、図２（ａ）に示すように、直接接合ウェハのうち、第２層１２の表面側にＰ+不純物を拡散させて、Ｐ+層１６を形成する。また、Ｐ+層１６の周囲には、Ｎ+不純物を拡散させて、チャンネルストッパ１８を形成する。さらに、第２層１２の表面側に、ＳｉＯ₂膜１９を形成する。そしてエッチング加工のために、半導体基板１０に裏面をＳｉＮ膜２３で被覆し、図２（ａ）に示すように、第１層１１における貫通部１１Ａを形成する部分を除去する。次に、ＫＯＨを用いたＳｉウェットエッチングによるエッチング加工を行い、図２（ｂ）に示すように、第１層１１に貫通部１１Ａを形成する。この貫通部１１Ａを形成することにより、半導体基板１０における薄肉部１３を形成する。
【００２９】
ここで、第１層１１をエッチング加工して貫通部１１Ａを形成することによって薄肉部１３を形成することにより、その膜厚を好適に制御することができる。この点について説明すると、たとえば通常の半導体基板にエッチング加工を施して膜厚を制御しようとする場合、エッチング加工の時間を制御して膜厚の制御を行う。すなわち、エッチングが進行するにつれて膜厚が序々に減少していくので、所定の時間が経過したときに、所望の膜厚になったとしてエッチング加工を終了して、膜厚を定めるものである。
【００３０】
しかし、たとえばエッチング時間が短くなると膜厚が所望のものよりも厚くなりすぎてしまい、逆にエッチング時間が長くなると、膜厚が薄くなりすぎてしまい、その制御が比較的困難であった。また、時間制御が確実に行われて所望の膜厚になったとしても、エッチング制御を行っている時間が長いため、削れた部分から泡が生じ、ＫＯＨと接触する時間が場所ごとに変化する。その結果、図３に示すように、エッチングが進行して得られた薄肉部１３の表面１３Ａが、荒れて膜厚のムラが生じやすいものとなってしまう。検出部１５が形成されている薄肉部１３の膜厚にムラが生じると、エネルギー線を検出する際の検出精度の低下を招くものであった。
【００３１】
これに対して、本実施形態に係る半導体基板１０は、面方位の異なる２枚のシリコンウェハを貼着させて形成されて直接接合ウェハである。このため、２枚のシリコンウェハの境界に位置する第２層１２の表面がストッパ面となり、第１層１１をエッチング加工によって貫通部１１Ａを形成して薄膜化を図り、第１層１１が完全に除去された時点でストッパ面に到達し、エッチング加工をそのまま終了する。このため、エッチング時間の精密な制御をする必要はなく、膜厚を確実に制御することができる。また、第１層１１に貫通部１１Ａが形成された時点でエッチング加工は終了し、第２層１２はエッチング加工されることなく残存している。このため、第２層１２における第１層１１の貫通部１１Ａに対応する位置は、平滑な面として維持されており、荒れた面となることはない。したがって、エネルギー線弁別器１として製造された際、エネルギー線の検出を行うにあたって、α線の検出精度の低下を招くことなく、β線やγ線は確実に透過させることができるようになる。
【００３２】
薄肉部１３を形成したら、ＳｉＮ膜２３を除去し、その後、図２（ｃ）に示すように、貫通部１１Ａを含んだ第１層シリコンの表面全体（露出部表面）にＮ+層１７を形成する。
【００３３】
その後、図１に示すように、第２層１２の表面に形成されたＳｉＯ₂膜１９の一部を除去し、その上にアノード電極２０が厚肉部に設けられ、Ｐ+層１６に接続される。また、第１層１１の裏面側にアルミニウム層２１を積層し、その位置にＮｉ／Ａｕメッキを施してカソード電極２２を取り付ける。こうして、エネルギー線弁別器１が製造される。
【００３４】
かくして製造されたエネルギー線弁別器１は、検出部１５が形成されている薄肉部１３の膜厚が薄肉であり、その厚さは適切に制御され、さらにその表面が荒れていることはない。このため、確実にα線を検出することができるとともに、α線よりもエネルギーの大きいβ線やγ線を透過させることができる。また、半導体基板１０は、薄肉部１３の他に厚肉部１４を備えている。この厚肉部１４によって、半導体基板１０の全体としての強度を十分に発現させることができる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３６】
図４は、本実施形態に係るエネルギー線弁別器の側断面図である。
【００３７】
図４に示すように、本実施形態に係るエネルギー線弁別器３は、半導体基板３０を有している。半導体基板３０は、いわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを用いて構成されており、たとえば面方位（１００）のシリコンウェハを用いた第１層３１と、面方位（１１１）のシリコンウェハを用いた第２層３２を備えている。これらに第１層３１と第２層３２の間に、たとえば１μｍの膜厚を有するＳｉＯ₂膜３３が介在されている。また、第１層３１の一部には貫通部３１Ａが形成されており、この貫通部３１Ａが形成されている位置が半導体基板３０における薄肉部３４になっている。また、薄肉部３４の周囲には、厚肉部３５が形成されており、薄肉部３４は、第２層３２を含み、厚肉部３５は第１層３１と第２層３２を含むようになっている。この薄肉部３４に検出部３６が形成される。
【００３８】
さらに、ＳｉＯ₂膜３３における貫通部３１Ａに対応する位置は、取り除かれており、貫通部３１Ａを介して第２層３２の裏面側が露出している。これらの第１層３１における裏面、貫通部３１Ａ、および第２層３２の裏面側における露出部に、Ｎ+層３７が形成されている。その他の構成は上記第１の実施形態とほぼ同一である。
【００３９】
本実施形態においては、上記第１の実施形態と同様、薄肉部３４の膜厚を所望の厚さに精度良く制御することができるので、薄肉部３４における検出部３６でα線を検出し、α線よりもエネルギーの大きいβ線やγ線を透過させる際の精度を高くすることができる。また薄肉部３４の周囲には厚肉部３５が形成されているので、半導体基板全体としての強度を高めることができる。
【００４０】
次に、本実施形態に係るエネルギー線弁別器３の製造方法について説明する。
【００４１】
図５は、本実施形態に係るエネルギー線弁別器の製造する手順を示す工程図である。
【００４２】
本実施形態では、半導体基板３０として、第１層３１と第２層３２の間にＳｉＯ_２膜３３が形成されているＳＯＩウェハを用いている。このＳＯＩウェハに対して、図５（ａ）に示すように、第２層３２の表面にＰ+不純物を拡散させてＰ+層１６を形成する。また、Ｐ+層１６の周囲には、Ｎ+不純物を拡散させてチャンネルストッパ１８を形成する。また、第２層１２の表面側に、ＳｉＯ_２膜１９を形成する。
【００４３】
次に、第１層３１のエッチング加工を行う。このエッチング加工のために、半導体基板３０の表裏面をＳｉＮ膜２３で被覆し、第１層３１における貫通部３１Ａを形成する部分を除去する。次に、ＫＯＨを用いたＳｉウェットエッチングによるエッチング加工を行い、図５（ｂ）に示すように、第１層３１に貫通部３１Ａを形成する。この貫通部３１Ａを形成することにより、半導体基板１０における薄肉部３４を形成する。
【００４４】
貫通部３１Ａを形成するにあたり、本実施形態においては、ＳｉＯ₂膜３３の一面がストッパ面として機能する。このＳｉＯ₂膜３３は、第１の実施形態における面方位の違いを利用したＳｉ／Ｓｉのストッパより、エッチング選択性がより優れたストッパとして機能する。したがって、上記第１の実施形態よりさらに容易に膜厚を確実に制御することができるとともに、薄肉部３４の表面が荒れた状態とならず、膜厚のムラが生じないようにすることができる。その後、図５（ｃ）に示すように、ＳｉＯ₂膜３３のうち、貫通部３１Ａを形成することにより露出した部位を除去する。
【００４５】
以後、上記第１の実施形態で示した製造手順と同様にして、ＳｉＮ膜２３を除去し、貫通部３１Ａを含んだ第１層シリコンの表面全体（露出部表面）にＮ+層３７を形成する。そして、第１の実施形態と同様にしてアノード電極２０を設け、アルミニウム層２１を形成した後、Ｎｉ／Ａｕメッキを施してカソード電極２２を設けることにより、エネルギー線弁別器３を製造することができる。
【００４６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。半導体基板を直接接合する際に用いられるウェハは、上記シリコンウェハに限らず、他のものを用いることもできる。このときでも、上記実施形態と同様に、面方位の異なるシリコンウェハを用いるのが好適となる。
【００４７】
以上の説明のとおり、本発明によれば、α線を検出する放射線検出器において、α線を検出し、α線よりもエネルギーが大きい放射線を透過できるように、半導体基板を精度よく薄膜化し、また薄膜化しても高い強度を有することができるよう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の実施形態に係るエネルギー線弁別器を示す側断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るエネルギー線弁別器を製造する手順を示す工程図である。
【図３】半導体基板の薄膜部に膜厚のムラが生じた状態を示す側断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るエネルギー線弁別器を示す側断面図である。
【図５】第１の実施形態に係るエネルギー線弁別器を製造する手順を示す工程図である。
【符号の説明】
１，３…エネルギー線弁別器、１０，３０…半導体基板、１１，３１…第１層、１１Ａ，３１Ａ…貫通部、１２，３２…第２層、１３，３４…薄肉部、１４，３５…厚肉部、１５，３６…検出部、１６…Ｐ+層、１７，３７…Ｎ+層、１８…チャンネルストッパ、１９…ＳｉＯ₂膜、２０…アノード電極、２１…アルミニウム層、２２…カソード電極、２３…ＳｉＮ膜、３３…ＳｉＯ₂膜。

Claims

エッチング加工によって貫通部が形成された第１層と、前記第１層における表面側に積層される第２層とを備え、前記第１層における貫通部が形成された部位が薄肉部とされ、前記第１層と前記第２層が積層されている部位が厚肉部とされており、前記第２層における前記薄肉部の表面側にＰ型半導体層が形成され、前記第２層における前記第１層に形成された前記貫通部から露出する部位および前記第１層の裏面側にわたってＮ型半導体層が形成された半導体基板を有し、
前記半導体基板における前記薄肉部に、α線を検出する一方、β線またはγ線を透過させるα線検出部が形成されており、
前記第１層における貫通部を形成するエッチング加工を行う際のストッパとなるストッパ面が形成されていることを特徴とするエネルギー線弁別器。
前記半導体基板が、面方位の異なる２枚のウェハが積層されて貼着された直接接合ウェハを用いて構成され、
前記ストッパ面は、前記第２層を形成するウェハのうちの前記第１層に面する面で形成されている請求項１に記載のエネルギー線弁別器。
前記第１層が、面方位（１００）のシリコンウェハを用いて構成され、
前記第２層が、面方位（１１１）のシリコンウェハを用いて構成されている請求項２記載のエネルギー線弁別器。
前記半導体基板が、前記第１層と前記第２層の間に、ＳｉＯ_２膜が形成されているＳＯＩウェハを用いて構成され、
前記ＳＯＩウェハにおける前記ＳｉＯ_２膜の一面が、前記ストッパ面である請求項１に記載のエネルギー線弁別器。
前記第１層と前記第２層とが積層された半導体基板の厚肉部の前記第２層上には、ボンディングワイヤと接続される電極が配置されている請求項１に記載のエネルギー線弁別器。