軟Ｘ線検出装置、及び軟Ｘ線検出システム
【課題】 正確な軟Ｘ線の検出を行うことを目的とする。
【解決手段】 本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２には変換部３と回路部４とが配される。変換部３は例えばフォトダイオードである。変換部３では軟Ｘ線によって発生した電荷が収集される。回路部４には例えば増幅トランジスタ６が配される。増幅トランジスタ６は、変換部３からの信号を増幅して出力する増幅部である。回路部４の上部に遮蔽部７が配される。遮蔽部７が、回路部４に向かって入射する軟Ｘ線を遮蔽する。好適には、遮蔽部７を構成する材料の軟Ｘ線に対する遮蔽係数は、アルミニウム及び銅の軟Ｘ線に対する遮蔽係数よりも高い。または、遮蔽部７を構成する材料は原子番号が７０以上の元素によって構成される。
【解決手段】 本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２には変換部３と回路部４とが配される。変換部３は例えばフォトダイオードである。変換部３では軟Ｘ線によって発生した電荷が収集される。回路部４には例えば増幅トランジスタ６が配される。増幅トランジスタ６は、変換部３からの信号を増幅して出力する増幅部である。回路部４の上部に遮蔽部７が配される。遮蔽部７が、回路部４に向かって入射する軟Ｘ線を遮蔽する。好適には、遮蔽部７を構成する材料の軟Ｘ線に対する遮蔽係数は、アルミニウム及び銅の軟Ｘ線に対する遮蔽係数よりも高い。または、遮蔽部７を構成する材料は原子番号が７０以上の元素によって構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟Ｘ線検出装置に関し、とりわけ軟Ｘ線検出装置の遮蔽構造及び半導体基板の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置を軟Ｘ線検出の用途に使うことが提案されている。特許文献１には、ＣＣＤを用いた軟Ｘ線用固体撮像素子が記載されている。更に、特許文献１には、軟Ｘ線を遮蔽する部材でＣＣＤの転送電極を構成した例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０８０７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１では、検出ユニットが変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む場合の軟Ｘ線に対する遮蔽構造について、十分に検討されていない。別の観点で言えば、検出ユニットが変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む場合の、変換部及び増幅部の構造について十分に検討されていない。
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明は、検出ユニットが変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む軟Ｘ線検出装置において、より正確な軟Ｘ線検出を行うことが可能な遮蔽構造を提供することを目的とする。あるいは別の観点として、検出ユニットが変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む軟Ｘ線検出装置において好適な半導体基板の内部構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、変換部と回路部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板へ入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部と、を備えた軟Ｘ線検出装置であって、前記変換部には、前記半導体基板に入射した軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、前記遮蔽部は前記複数の増幅トランジスタのゲート電極よりも上に配され、前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板へ射影が前記回路部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、変換部と回路部とを含む半導体基板と、前記半導体基板へ入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部と、を備えた軟Ｘ線検出装置であって、前記変換部には、前記半導体基板に入射した軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、前記複数の増幅トランジスタのゲート電極は、前記半導体基板の２つの主面のうち第１主面に配され、前記遮蔽部は、前記半導体基板の２つの主面のうち、前記第１主面とは反対側の第２主面に配され、前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板へ射影が前記回路部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第３の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、変換部と回路部とを含む半導体基板を備えた軟Ｘ線検出装置であって、前記変換部には、軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、前記複数の変換素子のそれぞれは、前記電荷が収集される第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の下に配された第２導電型の第２半導体領域とを含み、前記回路部は、前記複数の増幅トランジスタのそれぞれのソース領域またはドレイン領域が配される第２導電型の第３半導体領域を含み、前記第２半導体領域の下、及び前記第３半導体領域の下に、第１導電型の第４半導体領域が配され、前記第２半導体領域の下端は、前記第３半導体領域の下端よりも前記半導体基板の深い位置にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置によれば、軟Ｘ線を正確に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図２】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の等価回路図。
【図３】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図４】タンタルとアルミニウムの軟Ｘ線透過率の比を示す図。
【図５】本発明の実施例２の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図６】本発明の実施例３の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図７】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図８】本発明の実施例４の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図９】本発明の実施例５の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図１０】本発明の実施例６の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図１１】本発明の実施例７の軟Ｘ線検出システムのブロック図。
【図１２】軟Ｘ線検出装置の検出ユニットの平面構造の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００の要部を説明する。図１に示された軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２は変換部３と回路部４とを含む。変換部３には例えばフォトダイオードなどの変換素子が配される。変換部３では、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される。回路部４には変換部３で生じた信号を増幅する増幅トランジスタ６が配される。増幅トランジスタ６は、変換部３で生じた電荷に基づく信号を出力する増幅部である。
【００１２】
変換部３と回路部４とにより検出ユニット１が構成される。図１では１つの検出ユニット１のみが示されているが、本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は複数の検出ユニットを有する。それぞれの検出ユニットが少なくとも変換部３と回路部４とを含む。すなわち、本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は複数の変換素子と、複数の増幅トランジスタを有する。
【００１３】
検出ユニット１のレイアウトに応じて、複数の検出ユニット１に含まれるそれぞれの変換部３が、互いに連続して配されてもよい。あるいは、それぞれの変換部の間に素子分離部が配されるレイアウトのように、検出ユニット１ごとに変換部３が分離されて配されてもよい。また、複数の検出ユニット１に含まれるそれぞれの回路部４が互いに連続して配されてもよい。
【００１４】
回路部４の上に遮蔽部７が配される。半導体基板２の主面に対してほぼ垂直な方向に遮蔽部７が射影された場合に、遮蔽部７の一部または全部が回路部４の一部または全部に射影される。つまり、遮蔽部７は回路部４の一部または全部と重なって配される。別の言い方をすれば、遮蔽部７が回路部４の一部または全部を覆っている。特に断りがない限り、「２つの部材が重なって配される」とは、半導体基板２の主面に対して垂直な方向に一方の部材が射影された場合に、当該一方の部材の少なくとも一部が他方の部材の少なくとも一部の領域に射影されることを言う。このとき、２つの部材が接触していてもよい。あるいは、２つの部材の間に別の部材が配されていてもよい。なお、本明細書において、半導体基板２の主面は、例えば、半導体材料で形成される層と他の材料（例えば絶縁体）との界面である。
【００１５】
遮蔽部７は、増幅トランジスタ６のゲート電極１５よりも上の層に配された部分を含む。検出ユニット１がトランジスタを含む場合、当該トランジスタのゲート電極を含む配線層は導電部材のレイアウトが制約される場合がある。そのため、ゲート電極を含む配線層だけでは遮蔽性能を向上させることが困難な場合が多い。
【００１６】
そこで、本発明においては、ゲート電極が配された配線層よりも上の層において、軟Ｘ線から回路部４の一部を遮蔽する遮蔽部７が配される。これによって、軟Ｘ線に対する遮蔽性能を向上させることが可能となる。なお、ゲート電極を含む配線層より上の層とは、ゲート電極を含む配線層より、半導体基板からの距離が遠い層である。
【００１７】
遮蔽部７は、回路部４に入射し得る軟Ｘ線の一部もしくは全部を遮蔽する。例えば、所定の割合の軟Ｘ線が遮蔽部７を透過してもよい。また、回路部４の一部が遮蔽部７によって覆われなくてもよい。
【００１８】
遮蔽部７を透過しない軟Ｘ線は必ずしも遮蔽部７に吸収される必要はない。たとえば、軟Ｘ線の一部が散乱、回折、あるいは反射された結果、軟Ｘ線の回路部４への入射が抑制されればよい。また散乱や回折、反射等によって、軟Ｘ線が変換部３へ入射してもよい。
【００１９】
好適には、遮蔽部７を構成する材料の軟Ｘ線に対する遮蔽係数は、アルミニウム及び銅の軟Ｘ線に対する遮蔽係数よりも高い。または、好適には、遮蔽部７を構成する材料は原子番号が７０以上の元素を含む。一般には原子番号が大きい元素ほど、軟Ｘ線に対する遮蔽能力が高くなるからである。
【００２０】
遮蔽係数は例えば以下の方法で測定することができる。まず測定対象となる材料で所定の厚さの膜を形成する。この膜に所定の量（強度）の軟Ｘ線を照射する。膜を透過した軟Ｘ線の量（強度）を測定することによって、膜に遮蔽された軟Ｘ線の量を測定する。そして、照射した軟Ｘ線の量に対する遮蔽された軟Ｘ線の量の比を遮蔽係数とする。つまり、透過する軟Ｘ線の量が多い材料ほど遮蔽係数が低く、逆に透過する軟Ｘ線の量が少ない材料ほど遮蔽係数が高い。異なる材料の間で比較する場合には、同じ厚さの膜を形成して透過する軟Ｘ線の量を比較する。あるいは遮蔽された軟Ｘ線の量を膜の厚さで規格化して比較してもよい。なお、膜に遮蔽された軟Ｘ線とは、膜を透過しない軟Ｘ線のことである。例えば、膜が軟Ｘ線を吸収し、反射させ、回折させ、あるいは散乱させることによって、軟Ｘ線が膜を透過しないことが考えられる。
【００２１】
次に本発明の課題と効果について説明する。本発明においては、軟Ｘ線が半導体基板２に入射したことによって発生した電荷を信号として読み出すことで、軟Ｘ線を検出することが可能である。そして、１個の軟Ｘ線のフォトンによって発生した電荷の大部分、もしくは全部を信号として読み出すことによって、検出した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。
【００２２】
このとき、発生した電荷の一部のみが信号として読み出されることを低減することによって、軟Ｘ線のエネルギー測定の正確性を向上させることができる。発生した電荷の全部を読み出すことが困難な場合には、むしろ電荷の全部を排出して信号として読み出さないことで正確性を向上させることができる。この効果について以下に詳細に説明する。
【００２３】
なお、実際に信号として読み出すのは、変換部（たとえばフォトダイオード）の導電型に応じた電子、あるいは正孔のいずれかのみであってもよい。以後の説明では電子を信号電荷として扱う場合について説明する。もちろん正孔を信号電荷として扱ってもよい。また、電子及び正孔の両方を信号電荷として読み出してもよい。
【００２４】
まず、軟Ｘ線のエネルギーを測定すること（フォトンカウンティング）について説明する。軟Ｘ線が半導体基板２に入射すると、複数の電子正孔対が発生する。このような現象の例として、半導体基板２に入射した軟Ｘ線が、半導体基板２を構成する原子（例えばシリコン原子）内の電子を電離させることが考えられる。
【００２５】
発生する電子正孔対の数は入射した軟Ｘ線のエネルギーに比例する。例えば、半導体基板２がシリコン基板の場合、発生する電子正孔対の数は入射した軟Ｘ線のエネルギーをシリコンの平均電離エネルギーで除した数になる。シリコンの平均電離エネルギーが３．６５ｅＶ（エレクトロンボルト）であると仮定すると、１ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したことによって、約２７０対の電子正孔対が発生する。
【００２６】
そこで、１つの検出ユニットにつき平均１個以下の軟Ｘ線フォトンが入射するように検出ユニットを配置し、そして、発生した電子の数に応じた信号を読み出すことによって、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。具体的に、軟Ｘ線検出装置に１個の軟Ｘ線フォトンが入射した際に、１つの検出ユニット１から２７０個の電子に対応する信号が出力されたとする。上述の通り、１個の電子を発生するために３．６５ｅＶのエネルギーが必要である。したがって、入射した軟Ｘ線のエネルギーは約１ｋｅＶ（２７０個×３．６５ｅＶ／個）と計算できる。今度は、５４０個の電子に対応する信号が１つの検出ユニット１から出力された場合を考える。この場合には、入射した軟Ｘ線のエネルギーは約２ｋｅＶ（５４０個×３．６５ｅＶ／個）と計算できる。
【００２７】
これに対して、軟Ｘ線のエネルギーが正確に測定されない場合を説明する。例えば、２ｋｅＶのエネルギーを持つ１個の軟Ｘ線フォトンが１つの検出ユニット１に入射し、５４０個の電子を発生させた場合を考える。この５４０個の電子をすべて信号として読み出すことができれば、上述の通り、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。しかし、何らかの要因によって検出ユニット１から２７０個の電子に対応した信号が出力されると、出力信号に基づいて計算される軟Ｘ線のエネルギーは１ｋｅＶ（２７０個×３．６５ｅＶ／個）である。すなわち、２ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したにもかかわらず、１ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したことを示す測定結果が得られる。このように、軟Ｘ線のエネルギーが正確に測定されない場合がある。
【００２８】
発生した電子の一部のみに対応した信号が出力されることの原因として、例えば、発生した電荷の一部が検出ノード以外の領域に排出されることが考えられる。このような課題は、１個のフォトンの入射に対して複数の電子が発生するという軟Ｘ線検出に固有の課題である。以下では、軟Ｘ線検出において、発生した電子の一部が排出されるメカニズムについてさらに詳しく説明する。
【００２９】
軟Ｘ線が入射したことによって発生する複数の電子は、フォトンが入射する領域よりも空間的に広がった領域で発生する。入射する軟Ｘ線のエネルギーが数ｋｅＶの場合、電子が発生する領域は半導体基板２の内部で数マイクロメートルの範囲に広がりうる。別の言い方をすれば、複数の電子が半導体基板内の１点で発生するのではなく、複数の異なる位置で発生する。複数の電子が発生する三次元空間的な範囲を、便宜的に電荷発生領域と呼ぶ。電荷発生領域の位置は、軟Ｘ線が入射した位置によって変わりうる。また、電荷発生領域の大きさは軟Ｘ線のエネルギーによって変わりうる。このような電荷発生領域を、例えば図１の領域１０２、１０４によって例示する。
【００３０】
軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１における電荷発生領域の位置、つまり軟Ｘ線の入射した位置に応じて、信号として読み出される電子の量と排出される電子の量が決まる。これを図１２を用いて説明する。
【００３１】
図１２（ａ）は、軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１を示している。検出ユニット１には、変換部３と回路部４とが配されている。図１２（ｂ）では、図１２（ａ）に示された検出ユニット１が、便宜的に３つの領域１２０１〜１２０３に区分けして示されている。
【００３２】
第１の領域１２０１は、変換部３の中心付近に対応する領域である。第１の領域１２０１に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子の全部が変換部３に収集される。軟Ｘ線が入射した位置から離れた位置に電荷が発生するが、そのような離れた位置であっても変換部３の内部だからである。つまり、電荷発生領域の全体が変換部３の内部に位置するため、発生したすべての電子を、変換部３に収集し、読み出すことができる。したがって、第１の領域１２０１に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。
【００３３】
第２の領域１２０２は、図１２（ｂ）においてハッチングで示された領域である。第２の領域１２０２は変換部３の外周部と、回路部４の一部に対応する領域である。第２の領域１２０２に軟Ｘ線が入射すると、一部の電子は変換部３に収集されるが、他の一部の電子は回路部４に排出される場合がある。これは、電荷発生領域が変換部３と回路部４の両方に渡って広がるからである。このような場合、読み出される信号は発生した電子の一部のみに対応したものとなる。したがって、第２の領域１２０２に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが困難である。
【００３４】
第３の領域１２０３は、変換部３から十分に離れた領域である。第３の領域１２０３に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子はすべて排出されうる。これは電荷発生領域が変換部３までは広がらないからである。したがって、第３の領域１２０３に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線が検出されないことがほとんどである。
【００３５】
ここで、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３のいずれの領域に軟Ｘ線が入射するかは、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３の面積の比率に応じた統計的な確率で決まる。具体的に、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３の面積の比率が、１：６：３であると仮定する。このような軟Ｘ線検出装置で、１回の検出において検出ユニット１に１個のフォトンが入射する軟Ｘ線検出を１０００回行う。そうすると、約１００回の検出においては、軟Ｘ線が第１の領域１２０１に入射し、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映した信号が出力される。約６００回の検出においては、軟Ｘ線が第２の領域１２０２に入射し、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される。約３００回の検出においては、軟Ｘ線が第３の領域１２０３に入射し、軟Ｘ線が入射したことが検出されない。
【００３６】
このように、１０００回のうち約７００回の検出において信号が出力される。しかし、出力された信号の約８５％は軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号である。さらに、出力された信号からは、それが第１の領域１２０１と第２の領域１２０２のいずれの領域に入射した軟Ｘ線に対応するものかを特定することが困難である。
【００３７】
比較例として、検出ユニット１の全面に一様に軟Ｘ線が入射する軟Ｘ線検出装置を考える。これは、例えば検出ユニット１の上に軟Ｘ線を遮蔽する遮蔽部材が配されていない軟Ｘ線検出装置である。この場合、第１の領域１２０１の面積と第２の領域１２０２の面積との比率に応じた割合で、エネルギーを正確に反映した信号とそうでない信号とが得られる。上述のように、面積の比率が１：６であれば、約１５％のみがエネルギーを正確に反映した信号である。検出ユニットごとに増幅トランジスタ６が配される軟Ｘ線検出装置では、第２の領域１２０２の面積をゼロにすることは困難である。したがって、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することは困難である。
【００３８】
一方、図１２（ｃ）には、本発明に係る軟Ｘ線検出装置の一実施形態が示されている。図１２（ｃ）に示された軟Ｘ線検出装置は、遮蔽部１２０５を備える。遮蔽部１２０５は、第１の領域１２０１に対応した位置に開口１２０４を有する。
【００３９】
この軟Ｘ線検出装置で１０００回の軟Ｘ線検出を行うと、約１００回の検出においては、軟Ｘ線が第１の領域１２０１に入射する。そして、約９００回の検出においては、軟Ｘ線が入射したことが検出されない。これは、第１の領域１２０１以外の領域に入射しうる軟Ｘ線が、遮蔽部１２０５によって遮蔽されるからである。この結果、信号が出力される確率は小さくなる。しかし、出力された信号のほとんどが、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映した信号である。したがって、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。
【００４０】
図１２（ｃ）では、第２の領域１２０２はすべての領域が遮蔽部１２０５に覆われている。このような構成においては本発明の効果が高い。しかし、第２の領域１２０２の一部の領域は、遮蔽部１２０５に囲まれていなくてもよい。例えば、第２の領域１２０２のうち変換部３は遮蔽部１２０５に覆われていなくても効果を得ることができる。これは、第２の領域１２０２であっても変換部３の中心に近い場所に軟Ｘ線が入射すれば、発生した電子のほとんどを変換部３に収集し、信号として読み出すことが可能だからである。排出された電子の分だけ、得られる測定結果は実際に入射した軟Ｘ線のエネルギーとは異なる。それでも、この差が誤差として許容可能な範囲内であれば、電荷の一部が排出されてもよい。つまり、遮蔽部１２０５を配する領域は、軟Ｘ線検出装置に求められる性能に応じて適宜選択すればよい。なお、第３の領域１２０３と重なる位置には、遮蔽部１２０５が配されていなくてもよい。
【００４１】
図１２において、第１の領域１２０１と第２の領域１２０２との境界は、電荷の排出部となる領域からの距離に基づいて決まる。排出部から所定の距離Ｌよりも離れた場所に軟Ｘ線が入射すれば、電子が排出されないからである。所定の距離Ｌは、例えば電子発生領域を内包する最小の球の半径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、所定の距離Ｌは０．５マイクロメートルとすることができる。あるいは、所定の距離Ｌが式（１）で表される距離であってもよい（Ｌの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（単位はｋｅＶ）。
【００４２】
【数１】
【００４３】
また、回路部４の全体が電荷の排出部であるとしてもよい。あるいは、回路部４のうち、電源電圧が供給される半導体領域や、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレインとなる半導体領域を電荷の排出部としてもよい。
【００４４】
以上をまとめると、軟Ｘ線検出装置においては、軟Ｘ線が入射した位置に応じて、軟Ｘ線の情報が正確に反映された信号と、正確に反映されていない信号が出力されうる。本発明によれば、このうち、軟Ｘ線の情報が正確に反映された信号が出力される割合を増やすことができる。結果として、正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【００４５】
参考までに、特許文献１に記載された軟Ｘ線用固体撮像素子はＣＣＤ型である。そのため、検出ユニット及びその近傍には変換部と電荷転送部のみがある。そして、軟Ｘ線を入射光とする場合に、電荷転送部の信号電荷転送電極を所定の膜厚とすることで電極内において入射光が吸収されて、ノイズの原因となる垂直信号電荷転送路への光の直接入射を防止できるとされている。そしてこの信号電荷転送電極の材料が複数列挙されている。ＣＣＤのように検出ユニットに増幅部を有さずに、比較的変換部の面積を大きく取れる構成であれば、転送路へ入射することによって生じるノイズだけを検討すればよい。しかしながら検出ユニットに増幅部を有する構成では、検出ユニットの回路部の専有面積も大きくなり、上述のような軟Ｘ線の情報が正確に反映されない信号の割合が増える。そのため、従来技術とは異なる構成の遮蔽部が要求されるのである。
【実施例１】
【００４６】
本発明に係る第１の実施例の軟Ｘ線検出装置１００について説明する。図１は軟Ｘ線検出装置１００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図１においては、１つの検出ユニット１のみが示されているが、本実施例では複数の検出ユニットが軟Ｘ線検出装置１００に含まれる。
【００４７】
本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、主として０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の波長帯の電磁波を検出可能である。この波長帯の電磁波が半導体基板に入射すると、上述の通り１つのフォトンに対して複数の電子が発生する。
【００４８】
また本発明の軟Ｘ線検出装置１００は、半導体基板に入射する段階での波長が主として０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の波長帯の電磁波を検出するものである。したがって例えば半導体基板に入射する前に上記波長範囲外の波長域（たとえば可視光域）に波長変換された電磁波のみを検出するものは発明に含まれない。しかし半導体基板に入射する前に波長変換部を設けていたとしても、変換後の波長が上記範囲内になる場合には本発明を適用可能である。
【００４９】
本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２は例えばＰ型のシリコン基板である。本実施例の検出ユニット１は、半導体基板２に配された変換部３及び回路部４を含む。回路部４の少なくとも一部は遮蔽部７によって覆われる。遮蔽部７は、回路部４に入射し得る軟Ｘ線の量を低減、望ましくは完全に遮蔽する。
【００５０】
変換部３は例えばフォトダイオードである。本実施例では、変換部３にＮ型半導体領域１１が配される。Ｎ型半導体領域１１より半導体基板２の表面（軟Ｘ線が入射する主面）側にはＰ型半導体領域１２が配される。Ｎ型半導体領域１１は、Ｐ型半導体領域１２及び半導体基板２のそれぞれとＰＮ接合を構成する。つまり、Ｐ型半導体領域１２、Ｎ型半導体領域１１、及び半導体基板２によって埋め込み型のフォトダイオードが構成される。半導体基板２をＮ型半導体基板とし、Ｎ型半導体基板にＰ型半導体領域（例えばＰ型ウェル）を設けて、このＰ型ウェルとＮ型半導体領域１１、Ｐ型半導体領域１２とにより埋め込み型のフォトダイオードを構成することもできる。Ｎ型半導体領域１１の電子に対するポテンシャルは周囲のＰ型半導体領域より低いので、入射した軟Ｘ線によって発生した電子がＮ型半導体領域１１に収集される。さらに、Ｎ型半導体領域１１に電子が蓄積されてもよい。Ｎ型半導体領域での収集あるいは蓄積を開始する前に、Ｎ型半導体領域１１に逆バイアスが印加されてもよい。印加された逆バイアスによって、Ｎ型半導体領域１１のポテンシャルをさらに下げることができる。また、この逆バイアスによって、Ｎ型半導体領域１１の全体が空乏化していてもよい。
【００５１】
回路部４には、転送トランジスタ５と増幅トランジスタ６とが配される。転送トランジスタ５は転送ゲート電極１３とフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）１４を含んで構成される。ＦＤ１４はＮ型半導体領域によって構成される。転送ゲート電極１３には転送トランジスタ５のオンとオフに対応した少なくとも２つの電圧が印加される。転送ゲート電極に印加される電圧によって、変換部３のＮ型半導体領域１１とＦＤ１４との間のポテンシャルが制御される。その結果、変換部３で発生した電子をＦＤ１４に転送することが可能である。この時、変換部３の全ての電子がＦＤ１４に転送されてもよいし、一部の電子のみがＦＤ１４に転送されてもよい。変換部３の電荷がすべて転送されるとＮ型半導体領域１１の全体が空乏化するので、このような転送動作を完全空乏転送と呼ぶ。
【００５２】
ＦＤ１４は不図示の配線を介して増幅トランジスタ６のゲート電極１５と電気的に接続される。このように、ＦＤ１４が増幅部の入力部の一部を構成する。つまり、ＦＤ１４には軟Ｘ線の入射により生じた電子が転送され、その電荷の量に応じた増幅信号が出力される。このため、ＦＤ１４を検出ノードと呼ぶこともできる。
【００５３】
増幅トランジスタ６は、ゲート電極１５、ソース領域１６、及びドレイン領域１７を含んで構成されるＭＯＳトランジスタである。ソース領域１６及びドレイン領域１７はＮ型半導体領域で構成される。すなわち、増幅トランジスタ６はＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。増幅トランジスタ６のゲート電極１５は、増幅部の入力部の一部を構成する。ドレイン領域１７は不図示の電源部に電気的に接続される。３０１は素子分離部である。
【００５４】
遮蔽部７は転送トランジスタ５及び増幅トランジスタ６と重なるように配される。遮蔽部７は増幅トランジスタ６のゲート電極１５よりも上の層に配される。遮蔽部７は回路部４に向かって照射された軟Ｘ線を遮蔽する。遮蔽部７を構成する材料はタンタルである。遮蔽部７の膜厚は０．５〜１．０マイクロメートルであることが好ましい。遮蔽部７の膜厚が０．５マイクロメートルより小さいと、遮蔽性能が十分に得られない可能性がある。一方、遮蔽部７の膜厚が１．０マイクロメートルより大きいと、強い応力が生じるために遮蔽部７を形成することが困難になる。もちろん、必要に応じて、遮蔽部７の膜厚が０．５〜１．０マイクロメートルの範囲以外の膜厚となっていてもよい。なお、遮蔽部７が必ずしも照射された軟Ｘ線の全部を遮蔽する必要はなく、回路部に入射しうる軟Ｘ線の量を低減すればよい。
【００５５】
図２は、本実施例の軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１の等価回路を示す。図１と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５６】
検出ユニット１は、さらにリセットトランジスタ８、選択トランジスタ９を含む。変換部３であるフォトダイオードのアノードが、転送トランジスタ５を介して検出ノード２０１に接続される。検出ノード２０１は図１のＦＤ１４及び増幅トランジスタ６のゲート電極１５に対応するノードである。本実施例では、ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５とが互いに接続されているので、両方が同一の検出ノード２０１に対応する。つまり、検出ノード２０１は増幅部の入力ノードでもある。
【００５７】
リセットトランジスタ８のドレインには電源電圧ＶＤＤが供給され、リセットトランジスタ８のソースは検出ノード２０１に接続される。リセットトランジスタ８は、そのゲートに供給される電圧に応じて、検出ノード２０１の電圧をリセットする。リセットトランジスタ８は例えばＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。
【００５８】
選択トランジスタ９のドレインは増幅トランジスタ６のソースに接続され、選択トランジスタ９のソースは不図示の出力線に接続される。選択トランジスタ９のゲートに供給される電圧によって選択トランジスタ９がオンすると、検出ノード２０１の電圧に応じた信号が出力線に出力される。つまり、１つの出力線に複数の検出ユニット１からの信号が出力される場合に、選択トランジスタ９によって信号を出力する検出ユニットを選択することが可能である。
【００５９】
リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９は必要に応じて省略される。例えば、非選択とする検出ユニットの検出ノード２０１の電圧を制御することで増幅トランジスタ６をオフにすれば、選択トランジスタ９を省略することができる。あるいは、リニアセンサにおいては、選択トランジスタ９を省略することができる。あるいは、変換部３がフォトトランジスタであり、発生した電荷を光電流として読み出す場合には、リセットトランジスタ８は省略することができる。
【００６０】
図３は検出ユニット１の平面構造の概略図である。図３（ａ）では、半導体基板２の平面構造を説明するために、遮蔽部７を省略している。図３（ｂ）では、遮蔽部７が示されている。図１は、図３（ａ）の線ＡＢに沿った断面構造を模式的に示している。
【００６１】
図３（ａ）では、Ｎ型半導体領域１１が配された領域が変換部３として示されている。また、図３（ａ）には、転送ゲート電極１３が配される領域、ＦＤ１４が配される領域、増幅トランジスタ６が配される領域、リセットトランジスタ８が配される領域、選択トランジスタ９が配される領域が、それぞれ対応する符号で示されている。例えば、８はリセットトランジスタ８が配される領域を示している。平面図でみたときに、変換部３の周囲に転送ゲート電極１３、ＦＤ１４、各トランジスタが配される。各トランジスタが配される領域には、具体的にソース領域、ドレイン領域、ゲート電極が配される。また、図３（ａ）には示されていないが、半導体基板２に所定の電圧を供給するための半導体領域や、電源電圧を供給するための半導体領域が配されてもよい。
【００６２】
上述の各素子は、素子分離部３０１によって互いに電気的に分離される。ただし、変換部３とＦＤ１４との間であって、転送ゲート電極１３が配された領域には、素子分離部３０１が配されなくてもよい。素子分離部３０１は酸化膜を用いた分離構造であり、例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）である。
【００６３】
ここで、検出ユニット１における変換部３及び回路部４は、検出ユニット１の平面構造に基づいて決まる。検出ユニット１において、転送トランジスタ５（転送ゲート電極１３及びＦＤ１４）、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９、素子分離部３０１が配された領域が回路部４である。ここで、変換部３の境界は、例えばＮ型半導体領域１１の境界である。ただし、Ｎ型半導体領域１１が他の素子の下部に延在している場合には、当該他の素子の端が変換部３の境界である。そして、当該他の素子が配された領域は回路部４である。例えば、Ｎ型半導体領域１１が転送ゲート電極１３の下部に延在している場合には、転送ゲート電極１３の端が変換部３の境界である。そして転送ゲート電極１３が配された領域は回路部４である。つまり、変換素子以外の素子が配された領域は、回路部４であってよい。
【００６４】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に遮蔽部７を追加した図である。図３（ｂ）を用いて、遮蔽部７の平面構造について説明する。なお、この説明に特に必要のない部分は、図３（ａ）に記載されていても、図３（ｂ）では省略している。本実施例では、遮蔽部７は平面図でみたときに回路部４の全部と重なる。一方で、変換部３と重なる位置には、遮蔽部７が配されない。これによって、主に回路部４に向かって進む軟Ｘ線１０３が遮蔽される。
【００６５】
なお、図３（ａ）、（ｂ）に示された検出ユニット１が実際には複数並んで配される。複数の検出ユニット１は互いに対称性をもっていてもよい。例えば、図３に示された検出ユニット１をそのまま平行移動したような並進対称性を持っていてもよい。あるいは、ある直線に対して線対称なレイアウトや、ある点に対して点対称なレイアウトであってもよい。複数の検出ユニット１が互いに対称性を有することで、検出ユニットの特性のばらつきを低減することができる。特に、複数の検出ユニット１が並進対称性を有している場合、製造プロセスに起因する特性のばらつきを低減することができる。もちろん、複数の検出ユニット１の間で対称性がなくてもよい。
【００６６】
続いて遮蔽部７を構成する材料の遮蔽性能について説明する。図４は、タンタルとアルミニウムとの間で軟Ｘ線の透過率を比較した図である。グラフの縦軸は、アルミニウムのユニット厚さあたりの透過率に対する、タンタルのユニット厚さあたりの透過率の比を表している。横軸は軟Ｘ線の波長を表している。すなわち、「透過率の比＝タンタルの透過率／アルミニウムの透過率」である。なお透過率は、所定の量の軟Ｘ線が照射されたときに、透過する軟Ｘ線の量の割合である。
【００６７】
図４が示す通り、１０ｋｅＶ以下のエネルギーの軟Ｘ線に対しては、透過率の比が１００％よりも小さい。つまり、１０ｋｅＶ以下のエネルギーの軟Ｘ線に対しては、タンタルの透過率のほうがアルミニウムの透過率よりも低い。これは、タンタルの遮蔽係数がアルミニウムの遮蔽係数よりも高いことを示している。また、図には示していないが、タンタルの遮蔽係数は銅の遮蔽係数よりも高い。タンタルのように、軟Ｘ線に対する遮蔽係数がアルミニウム及び銅よりも高い材料で遮蔽部７を構成することによって、軟Ｘ線に対して回路部４を十分に遮蔽することができる。
【００６８】
特に、５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対するタンタルの遮蔽係数は、アルミニウムの遮蔽係数の２倍以上である。例えば、５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対して同等の遮蔽性能を得るために、タンタルで構成される遮蔽部７の厚さはアルミニウムで構成される場合に比べて半分でよい。遮蔽部７が厚いと大きな応力が生じるので、装置の信頼性が低下する可能性がある。したがって、遮蔽部７がアルミニウムに比べて遮蔽係数が高い材料で構成されることは、遮蔽性能と信頼性のバランスを最適化する上で有利である。
【００６９】
以上に述べた本実施例の効果について説明する。変換部３に軟Ｘ線１０１が入射することによって、変換部３の近傍で複数の電子が発生する。つまり、電荷発生領域１０２の位置が変換部３に近い。電荷発生領域１０２が変換部３の近傍であれば、全部あるいはほとんどの電子を信号電荷として読み出すことが可能である。
【００７０】
しかし、回路部４に軟Ｘ線１０３が入射すると、変換部３から比較的遠い位置で複数の電子が発生する。つまり、電荷発生領域１０４の位置が変換部３から遠い。この場合、発生した電子のうち、一部の電子のみが変換部３に収集される。一方で、変換部３に収集されない電子が電源部などに排出されうる。
【００７１】
これに対して本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は、回路部４に入射し得る軟Ｘ線を遮蔽する遮蔽部７を有する。そして、遮蔽部７を構成する材料の軟Ｘ線に対する遮蔽係数が高い。このため、回路部４に入射した軟Ｘ線１０３に基づく信号が出力される割合を低減することができる。別の言い方をすれば、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合が低減される。その結果、入射した軟Ｘ線のエネルギーが正確に反映された信号が出力される割合が増える。すなわち、正確に軟Ｘ線のエネルギーを測定することが可能となる。
【００７２】
さらに、アルミニウム及び銅と比べて遮蔽係数の高い材料で遮蔽部７を構成してもよい。また、原子番号が７０以上の材料であれば、遮蔽部７の材料として十分な程度の遮蔽係数を有している。したがって、原子番号が７０以上の材料で遮蔽部７を構成してもよい。このような構成によれば、さらに正確な軟Ｘ線の検出を行うことが可能となる。
【００７３】
［実施例１の変形例］
次に、実施例１の各部位の変形例を説明する。以下で述べる変形例は、適宜組み合わせることができる。さらに、これらの変形例は後述の実施例２〜６についても適用可能である。
【００７４】
実施例１では、電子が信号電荷となる構成を例に説明したが、ホールが信号電荷となる構成としてもよい。ホールが信号電荷となる構成では、半導体領域の導電型が本実施例とは反対になる。例えば、埋め込み型のフォトダイオードは、表面側からＮ型半導体領域、Ｐ型半導体領域、Ｎ型半導体領域が順に配された構造となる。そして、軟Ｘ線によって発生した電荷がＰ型半導体領域に収集される。また、ＦＤ１４はＰ型半導体領域を含んで構成される。
【００７５】
半導体基板２は、シリコン基板に限らず、ゲルマニウム基板、ガリウムヒ素基板などの各種の半導体基板が用いられる。半導体基板２はＰ型の基板、Ｎ型の基板のいずれでもよい。半導体基板２はエピタキシャル成長によって形成された基板であってもよい。あるいは、半導体基板２はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよい。また、必要に応じて半導体基板２にＰ型のウェル、またはＮ型のウェルが配されてもよい。ウェルが配された場合には、ウェルの内部に、変換部３や増幅トランジスタ６を構成する半導体領域が配される。
【００７６】
実施例１では、転送トランジスタ５の転送ゲート電極１３には、転送トランジスタ５のオンとオフに対応した少なくとも２つの電圧が印加される。さらに、オンに対応する電圧とオフに対応する電圧との中間の電圧が印加されてもよい。あるいは、Ｎ型半導体領域１１とＦＤ１４との間のポテンシャルを一定に制御するように固定の電圧が印加されるのみでもよい。なお、転送トランジスタ５は必須の構成ではなく、必要に応じて省略される。転送トランジスタ５が省略される場合には、例えば変換部３のＮ型半導体領域１１が増幅トランジスタ６のゲート電極と接続される構成となっていればよい。
【００７７】
ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５との電気的な接続は、例えば、金属配線、金属配線とＦＤ１４とを接続するコンタクトプラグ、及び金属配線とゲート電極１５とを接続するコンタクトプラグによって構成される。あるいは、ゲート電極１５とＦＤ１４とが直接接触していてもよい。または、ＦＤ１４とゲート電極１５との両方に接続される共通のコンタクトプラグによって、ＦＤ１４とゲート電極１５とが接続されてもよい。コンタクトプラグは例えばタングステンで構成される。
【００７８】
また、ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５との間の電気的経路にスイッチが配されてもよい。このような構成においては、ＦＤ１４が電子を一時的に保持することが可能となる。すなわち、ＦＤ１４が検出ユニットごとに配された電荷保持部として機能してもよい。
【００７９】
実施例１では、増幅トランジスタ６としてＭＯＳトランジスタが用いられた。しかし、増幅トランジスタとしては、バイポーラトランジスタ、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）などの各種の能動素子を用いることができる。また、実施例１では、増幅トランジスタ６はソースフォロア回路を構成する。しかし、増幅部はこのような構成に限られない。例えば、ＭＯＳトランジスタを用いた反転増幅回路、演算増幅器を用いたボルテージフォロアなどが用いられる。
【００８０】
図２において、選択トランジスタ９は、増幅トランジスタ６のソースと不図示の出力線との間の電気的経路に配された。しかし、選択トランジスタ９が増幅トランジスタ６のドレインと電源との間に配されてもよい。
【００８１】
ＦＤ１４、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９は、複数の検出ユニット１で共有されてもよい。例えば、複数の検出ユニット１の変換部３のそれぞれに対して転送ゲート電極１３が配され、各変換部３の電子が独立に共通のＦＤ１４に転送される構成であってもよい。この場合、複数の検出ユニット毎に、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９が１つずつ配されればよい。複数の検出ユニットがこれらの素子を共有することによって、変換部３に対する回路部４の割合を小さくできる。そのため、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【００８２】
遮蔽部７を構成する材料は、タンタルに限られない。遮蔽部７を構成する材料は、軟Ｘ線に対する遮蔽係数がアルミニウム及び銅よりも高い材料であればよい。もしくは、遮蔽部７を構成する材料は、原子番号７０以上の元素であればよい。半導体プロセスとの整合性を考慮すると、タンタル、タングステン、金などが挙げられる。または、タンタル、タングステン、または金が主成分となっている合金であってもよい。なお、本明細書において、主成分とは化合物あるいは混合物に含まれる成分のうち組成比あるいは構成比が最も多い成分である。
【００８３】
また、遮蔽部７は単層である必要はない。間にシリコン酸化膜等の絶縁膜を挟んだ多層構成でも構わない。多層構造の場合、応力を下げるために各層の膜厚を小さくしても高い遮蔽性能を達成できる。多層構造の場合に、回路部４の一部の上には第１層の遮蔽部７が配され、第１層とは別の第２層の遮蔽部７は配されず、一方で、回路部４の別の一部の上には第２層の遮蔽部７が配される構造でもよい。このように層ごとに回路部４の遮蔽される領域が異なることで、レイアウトの自由度が向上する。また、遮蔽部７を構成する材料が導電体である場合には、遮蔽部７が配線の機能を備えていてもよい。例えば、遮蔽部７が各トランジスタを接続したり、半導体基板２や回路部４に電源を供給したりしてもよい。
【００８４】
図３（ｂ）において、遮蔽部７は回路部４の全部の領域に重なって配されている。しかし、遮蔽部７が回路部４の一部の領域だけの上に配されていてもよい。つまり、回路部４のうち、一部の領域の上には回路部４が配されていなくてもよい。例えば、遮蔽部７が、転送ゲート電極１３及びＦＤ１４の上には配されていなくてもよい。または、遮蔽部７が変換部３に隣接する素子分離部３０１の上には配されていなくてもよい。あるいは、遮蔽部７は増幅トランジスタ６のみを覆うように配されていてもよい。または、遮蔽部７はリセットトランジスタ８のみを覆うように配されていてもよい。
【００８５】
遮蔽部７は回路部４のより多くの部分と重なって配されると、より正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。遮蔽部７が回路部４の全部と重なって配される場合には、さらに正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。
【００８６】
また、回路部４のうち変換部３に近い領域の上にのみ遮蔽部７が配されていてもよい。回路部４のなかでも特に変換部３に近い領域と重なって遮蔽部７が配されていれば、正確性を十分に向上させることができる。これは、変換部３に近い領域に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子の一部が変換部３に収集され、他の一部が排出される可能性が高いからである。
【００８７】
回路部４のなかでも変換部３から遠い領域の上には、遮蔽部７が配されなくてもよい。変換部３から遠い領域に軟Ｘ線が入射した場合には、発生したすべての電荷が排出される可能性が高いからである。具体的には、変換部３の端から１マイクロメートル以上離れた領域の上には、遮蔽部７が配されていなくてもよい。この理由は、変換部３の端から１マイクロメートル以上離れた領域で電子が発生したとしても、その電子が変換部３に収集される可能性はほとんどないからである。例えば、回路部４のうち変換部３から所定の距離より遠い領域の上に遮蔽部７を配さないことによって、配線やコンタクトプラグのレイアウトの自由度を向上させてもよい。
【００８８】
回路部４に配される素子によって、遮蔽されたほうが良い素子と、遮蔽が必要でない素子を区別してもよい。例えば、電荷が排出されてしまう領域、及びその近傍の領域の上に、遮蔽部７が配されると、より正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。このような領域には電源部や電源部と電気的に接続された半導体領域などが挙げられる。一方で、電荷が蓄積される領域の上には遮蔽部７が配されなくてもよい。例えばＦＤや容量素子の上には遮蔽部７が配されなくてもよい。
【００８９】
従来のＣＣＤ型の軟Ｘ線用撮像装置は検出ユニットに回路部を有していないため、増幅部を含む回路部の遮光構造については検討されていない。上述のように、検出ユニットが増幅部を含む場合の遮蔽構造を工夫することによって、より正確な軟Ｘ線検出を可能にすることができる。
【００９０】
図１では省略されているが、遮蔽部７とは別に複数の配線層が配されてもよい。各配線層には各トランジスタやＦＤ１４を接続するための導電部材、電源電圧やグラウンド電圧を供給するための導電部材が配される。導電部材は、例えばアルミニウムや銅で形成される。特に、導電部材には遮蔽部７を構成する材料よりも電気伝導度の高い材料が用いられてもよい。アルミニウムや銅はタンタルに比べて電気伝導度が高い。複数の配線層の間には、層間絶縁膜が配される。層間絶縁膜によって複数の配線層に配された導電部材が互いに絶縁される。導電部材と層間絶縁膜の間には、必要に応じてバリアメタルとして機能する導電体が配されうる。バリアメタルにはチタンやチタン合金、タンタルやタンタル合金、チタンやチタン合金が用いられる。バリアメタルは、当該バリアメタルに接している導電部材を構成する金属原子の拡散を低減してもよい。この場合、当該バリアメタルにおける導電部材を構成する金属の拡散係数が、層間絶縁膜における拡散係数より低いことが好ましい。遮蔽部７とバリアメタルとに同じ材料（例えばタンタル）が用いられる場合、遮蔽部７がバリアメタルより厚いほうがよい。
【００９１】
遮蔽部７を配線として用いることもできる。つまり、遮蔽部７が信号を伝達してもよいし、電源電圧を供給してもよい。このように配線が遮蔽部７の機能を兼ねる場合には、当該配線が他の配線を構成する材料よりも軟Ｘ線の遮蔽性能の高い材料を含んで構成されることが好ましい。あるいは、遮蔽部７の機能を兼ねる配線の厚さを、他の配線より厚くすることが好ましい。
【００９２】
軟Ｘ線を吸収する吸収部が、半導体基板２の軟Ｘ線の入射する主面とは反対側の主面に配されていてもよい。吸収部は半導体基板２を透過した軟Ｘ線を吸収することによって、半導体基板２を透過した軟Ｘ線が軟Ｘ線検出装置の他の部分に及ぼす可能性を低減することができる。
【００９３】
図３（ａ）において、素子分離部３０１がＳＴＩである例を説明した。しかし、素子分離部３０１はＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）分離であってもよい。ＳＴＩやＬＯＣＯＳ分離などで用いられる酸化膜の下部に、変換部の電荷が蓄積される領域とは反対導電型の半導体領域が配されてもよい。あるいは、素子分離部３０１は、酸化膜を用いないＰＮ接合分離であってもよい。また、これらの素子分離構造が併用されてもよい。
【００９４】
ＰＮ接合分離が用いられる場合や、酸化膜の下部に反対導電型の半導体領域が配される場合、Ｎ型半導体領域１１に接するようにＰ型半導体領域が配される。この構成では、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域との両方にわたって空乏層が伸びる。Ｐ型半導体領域のうち、空乏層が生じる部分は変換部３の一部であると考えてもよい。つまり、ある場所で発生した電荷が所定の領域に収集されるならば、その場所は変換部３の一部であってもよい。
【００９５】
変換部３の上に、特定の波長の電磁波を遮蔽するフィルターが配されてもよい。これによって、変換部３に主として検出したい波長帯の軟Ｘ線が入射するので、より高精度に軟Ｘ線を検出することができる。
【実施例２】
【００９６】
本発明に係る第２の実施例の軟Ｘ線検出装置５００について説明する。図５は軟Ｘ線検出装置５００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図１（実施例１）と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例２では、遮蔽部５０１の配置及び軟Ｘ線の入射方向が実施例１とは異なっている。以下では、実施例１と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１と共通の構成とすることができる。
【００９７】
図５が示す通り、半導体基板２の第１の主面５１０の側に、転送トランジスタ５の転送ゲート電極１３及び増幅トランジスタ６のゲート電極１５が配される。さらに、第１の主面５１０の側には、配線が配されてもよい。半導体基板２の第２の主面５１１の側に遮蔽部５０１が配される。第２の主面５１１は、第１の主面５１０とは反対側の主面である。つまり、半導体基板２の対向する２つの主面のうち、一方が第１の主面５１０であり、他方が第２の主面である。本実施例では、軟Ｘ線５０２、５０４は第２の主面５１１から第１の主面５１０の方向に向かって半導体基板２に入射する。つまり、本実施例の軟Ｘ線検出装置５００は、いわゆる裏面照射型である。
【００９８】
このような裏面照射型の軟Ｘ線検出装置５００では、半導体基板２の軟Ｘ線が入射する主面（第２の主面５１１）と、トランジスタや配線が配される主面（第１の主面５１０）とが異なる主面である。そのため、軟Ｘ線の入射面側において変換部３の開口を大きくすることができ、感度を向上させることが可能となる。この利点を最大限生かすために、裏面照射型のセンサでは通常は入射面側に光や電磁波を遮蔽する構造が配されない。
【００９９】
しかしながら、裏面照射型であっても、軟Ｘ線５０４が回路部４に入射するとエネルギーが正確に反映されていない信号が出力される可能性がある。軟Ｘ線５０４が入射したことによって複数の電子が発生した場合に、電荷発生領域５０５はマイクロメートルオーダーの広がりを持つからである。そのため、電子の一部が入射面側から数マイクロメートル離れた回路の電源部に吸収され、他の一部が変換部３に収集されうる。半導体基板２を厚くしても、軟Ｘ線５０４は半導体基板２の深部まで侵入することが考えられるので、第１の主面５１０の近傍の回路部４で複数の電子が発生する可能性がある。つまり、電荷発生領域５０５が回路部４の近傍であることが考えられる。したがって、裏面照射型の軟Ｘ線検出装置の場合に、回路部４に向かって入射する軟Ｘ線５０４を遮蔽部５０１によって遮蔽することで、軟Ｘ線検出の精度を向上させることが可能となる。
【０１００】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置のうち裏面照射型の軟Ｘ線検出装置においては、光の入射面側にはトランジスタが配されない場合がある。そのため、必ずしも遮蔽部５０１がトランジスタのゲート電極の配線層よりも上の層である必要はない。
【０１０１】
本実施例の検出ユニット１の等価回路及び平面構造は、実施例１の検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。また、半導体基板２の主面５１１の側には、遮蔽部５０１以外に配線やゲート電極が一切配されていなくてもよい。あるいは、半導体基板２の主面５１１の側に、遮蔽部５０１の他に配線やゲート電極が配されていてもよい。また、本実施例のような裏面照射型の軟Ｘ線検出装置においても、軟Ｘ線の入射面とは反対側（第２の主面５１１の側）に軟Ｘ線の吸収部材が配されてもよい。
【０１０２】
なお、実施例１の説明において、Ｎ型半導体領域１１が他の素子の下部に延在している場合には、当該他の素子の端が変換部３の境界であると説明した。裏面照射型の場合でも、この考え方は同じである。裏面照射型の場合では、受光面を広くするために変換部を構成するＮ型半導体領域１１が、増幅トランジスタ６やリセットトランジスタ８などと重なって配されることが考えられる。このような場合でも、増幅トランジスタ６やリセットトランジスタ８が配された領域が回路部４である。
【実施例３】
【０１０３】
本発明に係る第３の実施例の軟Ｘ線検出装置６００について説明する。図６は軟Ｘ線検出装置６００の検出ユニット１の平面構造を示す概略図である。図３（実施例１）と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例３では、遮蔽部６０１の配置が実施例１及び実施例２とは異なっている。以下では、実施例１及び実施例２と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１または実施例２と共通の構成とすることができる。
【０１０４】
実施例３では、遮蔽部６０１の一部が変換部３の上に配される。以下の説明では、遮蔽部６０１について、変換部３の上に配された部分を第１部分６０１ａ、回路部４の上に配された部分を第２部分６０１ｂと呼ぶ。
【０１０５】
第１部分６０１ａは変換部３のうち回路部４に近い領域の上に配される。第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとは連続して配されてもよい。つまり、１つの層として配された遮蔽部６０１が、回路部４の上から変換部３の上にまで延在していてもよい。平面で見たときに、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとの間で変換部３または回路部４が露出している領域をなくすことができるので、遮蔽性能が高くなる。
【０１０６】
あるいは、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとが別の層として配されていてもよい。つまり、半導体基板２の表面から第１部分６０１ａまでの距離と、該表面から第２部分６０１ｂまでの距離が異なっていてもよい。この場合に、第１部分６０１ａ及び第２部分６０１ｂが、互いに重なるように延在していてもよい。平面で見たときに、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとの間で変換部３または回路部４が露出している領域をなくすことができるので、遮蔽性能が高くなる。
【０１０７】
また、別の層に配された第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとを接続する部分が、遮蔽部６０１に含まれてもよい。これによって、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとが重なっていなくても、遮蔽性能を高めることができる。もちろん、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとが互いに分離されていてもよい。
【０１０８】
図６が示す通り、変換部３のうち、変換部３と回路部４との境界から所定の距離Ｌ以内の領域は、全て第１部分６０１ａで覆われてもよい。このとき、変換部３のうち、境界から所定の距離Ｌより離れた領域の上には、遮蔽部６０１が全く配されていなくてもよいし、一部に遮蔽部６０１の第１部分６０１ａが配されてもよい。
【０１０９】
次に本実施例の効果について説明する。そのために、実施例１のバリエーションの１つである、変換部３の上に遮蔽部７が配されていない軟Ｘ線検出装置を比較対象とする。このような、軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１の平面構造の概略図を図７に示す。図７において、図１と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１１０】
図７において、変換部３のうち回路部４の近傍に軟Ｘ線が入射すると、電荷発生領域７０１が変換部３及び回路部４の両方に渡る。そうすると、発生した電子の一部が回路部４の電源部などに排出され、他の一部が変換部３に収集される。
【０１１１】
これに対して、本実施例では、変換部３のうち変換部３と回路部４との境界から所定の距離以内の領域に、遮蔽部６０１の第１部分６０１ａが配される。以下、所定の距離をＬとする。これによって、境界付近に入射する軟Ｘ線を遮蔽することができる。結果として、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合が減少する。つまり、実施例１に比べて、より正確に軟Ｘ線を検出することが可能となる。さらに、変換部３のうち変換部３と回路部４との境界から所定の距離Ｌ以内の全ての領域の上に第１部分６０１ａが配されれば、変換部３に入射した軟Ｘ線６０２によって発生する電子をほぼすべて収集することが可能になる。つまり、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合をさらに低減することができる。このように、変換部３の上に遮蔽部６０１を配することによって、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１１２】
所定の距離Ｌは必要に応じて設定すればよい。例えば、検出したいエネルギーの軟Ｘ線が半導体基板２に入射したときの電荷発生領域の広がりに基づいて、所定の距離Ｌを決定することができる。所定の距離Ｌが電荷発生領域の平均的な半径よりも大きければ、高い遮蔽性能が期待される。具体的には、電荷発生領域を包含する最小の球を想定し、その球の半径よりも大きいＬを設定するとよい。
【０１１３】
あるいは、変換部３のサイズに基づいて所定の距離Ｌを決定してもよい。変換部３のサイズに対して所定の距離Ｌを小さくすれば、感度を落とすことがない。所定の距離Ｌが大きいと回路部４への電子の排出を抑制する効果が高くなるが、同時に軟Ｘ線が変換部３に入射する確率も下がる。つまり、軟Ｘ線検出の感度と正確性とはトレードオフの関係にある。したがって、必要とされる性能に応じて、所定の距離Ｌは適宜設定される。具体例として、検出する軟Ｘ線のエネルギーが１０ｋｅＶ以下であって、検出ユニットサイズが約１０マイクロメートルの場合、所定の距離Ｌは０．１〜２．０マイクロメートルの範囲であればよい。
【０１１４】
あるいは、所定の距離Ｌ（マイクロメートル）が以下の式（１）で表される値であってもよい。ただし、Ｅ（ｋｅＶ）は入射する軟Ｘ線のエネルギーである。
【０１１５】
【数２】
【０１１６】
なお、境界から所定の距離Ｌ以内の領域の上に、遮蔽部６０１が配されていなくてもよい。変換部３のどの領域の上に第１部分６０１ａを配するかは、必要に応じて変更することができる。
【０１１７】
本実施例では、Ｎ型半導体領域１１と重なるように遮蔽部６０１が配された。しかし、実施例１の変形例で説明したように、Ｎ型半導体領域１１と平面方向に隣接するＰ型半導体領域のうち、空乏層が生じる部分が変換部３の一部であってもよい。このような場合、必ずしもＮ型半導体領域１１と重なるように遮蔽部６０１を配さなくても、所定の距離Ｌ以内の領域と重なるように遮蔽部６０１を配することができる。
【０１１８】
本実施例の検出ユニット１の等価回路及び断面構造は、実施例１または実施例２の検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。また、変換部３と回路部４との境界については、実施例１あるいは実施例２で説明した通りである。なお、本実施例で説明した別の層に遮蔽部が配される構造は、実施例１〜２に適用することが可能である。つまり、回路部４と重なって配された遮蔽部７が、別の層に配される２つの部分を含んでいてもよい。
【実施例４】
【０１１９】
本発明に係る第４の実施例の軟Ｘ線検出装置８００について説明する。図８は軟Ｘ線検出装置８００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図１（実施例１）または図５（実施例２）と同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例４では、半導体基板８０１内部の構造が実施例１〜３とは異なっている。以下では、実施例１〜３と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１〜３のいずれかと共通の構成とすることができる。
【０１２０】
本実施例では半導体基板８０１がＮ型のシリコン基板である。半導体基板８０１に、Ｐ型ウェル８０２が配される。Ｐ型ウェル８０２は、変換部３に配された第１ウェル８０２ａと回路部４に配された第２ウェル８０２ｂとを含む。変換部３を構成するＮ型半導体領域１１、Ｐ型半導体領域１２は第１ウェル８０２ａの内部に配される。Ｎ型半導体領域１１は第１ウェル８０２ａとＰＮ接合を構成する。つまり、Ｐ型半導体領域１２、Ｎ型半導体領域１１、第１ウェル８０２ａが埋め込み型のフォトダイオードを構成している。転送トランジスタ５、増幅トランジスタ６の各半導体領域は第２ウェル８０２ｂに配される。なお、便宜的に第１ウェル８０２ａ及び第２ウェル８０２ｂという二つのウェルについて説明したが、実際には両者が１つの半導体領域であってもよい。もちろん、２つの半導体領域が第１ウェル８０２ａ及び第２ウェル８０２ｂに対応していてもよい。
【０１２１】
本実施例の１つめの特徴は、各半導体領域が配されたＰ型ウェル８０２の下に、反対導電型であるＮ型の半導体領域（半導体基板８０１）が配されたことである。２つめの特徴は、第１ウェル８０２ａの下端が第２ウェル８０２ｂの下端よりも深い位置にあることである。本明細書においては、転送ゲート電極１３や、増幅トランジスタ６のゲート電極１５が配された側の主面８１０が深さの基準である。半導体基板内部であって、当該主面８１０に近いほうが浅く、当該主面８１０から遠いほうが深い。上下については、半導体基板内部であって、当該主面８１０に近いほうが上、当該主面８１０から遠いほうが下とする。また、半導体領域の下端とはＰ型ウェル８０２と半導体基板８０１とのＰＮ接合面としてよい。
【０１２２】
このようなＰ型ウェル８０２の製造方法について簡単に説明する。まずＮ型の半導体基板８０１を用意する。次に、第１ウェル８０２ａに対応する位置に開口を有する第１マスクを形成する。第１マスクを用いたイオン注入により第１ウェル８０２ａを形成する。続いて、第２ウェル８０２ｂに対応する位置に開口を有する第２マスクを形成する。第２マスクを用いたイオン注入により第２ウェル８０２ｂを形成する。イオン注入のエネルギーを変えることで、下端の深さが異なる第１ウェル８０２ａ及び第２ウェル８０２ｂを形成することができる。
【０１２３】
別の形成方法としては、Ｎ型の半導体基板８０１を用意し、Ｐ型ウェル８０２が配される領域の全面に同じ深さのＰ型半導体領域を形成する。そして、第１ウェル８０２ａに対応する領域にだけ、最初に形成したＰ型半導体領域よりも深い位置にＰ型半導体領域を形成するためのイオン注入を行う。あるいは、第２ウェル８０２ｂに対応する領域にだけ、カウンターでＮ型の不純物（ドナー）をイオン注入する。なお、これらの方法は一例であり、Ｐ型ウェル８０２を形成するために他の公知の方法を用いてもよい。
【０１２４】
次に本実施例の効果について説明する。本実施例においては、Ｐ型ウェル８０２の下部に、Ｎ型の半導体基板８０１が配される。そのため、Ｐ型ウェル８０２と半導体基板８０１との境界付近では、電子がＰ型ウェル８０２から半導体基板８０１に向かうようなポテンシャル勾配が形成される。つまり、Ｐ型ウェル８０２は半導体基板８０１にある電子にとってのポテンシャル障壁となりうる。
【０１２５】
回路部４が遮蔽部７で覆われていても、例えば斜めに入射する軟Ｘ線８０３が回路部４に入射し、回路部４で複数の電子が発生することが考えられる。つまり、回路部４が遮蔽部７で覆われていても、回路部４に近い領域が電荷発生領域８０４に含まれる場合がある。本実施例の構造によれば、第２ウェル８０２ｂの下端近傍や下端よりも深い位置で発生した電子は、ポテンシャル障壁のために変換部３に収集される可能性が低い。また、回路部４の第２ウェル８０２ｂの下端は、浅い位置にある。そのため、回路部４の第２ウェル８０２ｂの下端よりも浅い領域で発生した電子は、近くの電源部などに排出されやすい。つまり、回路部４で発生した電子は、いずれも変換部３に収集されることなく、電源部などに排出されやすいのである。一方、変換部３においては、第１ウェル８０２ａの下端が深い位置にある。そのため、変換部３で発生した電子は半導体基板８０１に排出されにくい。
【０１２６】
先述の通り、発生した電子の一部が変換部３に収集され、他の一部が別の場所に排出されると、軟Ｘ線のエネルギーを反映していない信号が出力されうる。発生した電子の全てを読み出すか、あるいは発生した電子の全てが排出されることで、エネルギーを正確に反映した信号を得ることができる。本実施例の構成によれば、変換部３に軟Ｘ線が入射した場合には、発生した電子の全てが変換部３に収集される可能性を高くすることができる。そして、回路部４に軟Ｘ線が入射した場合には、発生した電子の全てが排出される可能性を高くすることができる。したがって、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１２７】
なお、本実施例の検出ユニット１の等価回路及び平面構造は、実施例１〜３のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例５】
【０１２８】
本発明に係る第５の実施例の軟Ｘ線検出装置９００について説明する。図９は軟Ｘ線検出装置９００の検出ユニット１及び配線部の断面を示す概略図である。図１（実施例１）または図５（実施例２）または図８（実施例４）と同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例では、半導体基板２の上に配された絶縁体の構造が特徴である。実施例１〜４と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１〜４のいずれかと共通の構成とすることができる。
【０１２９】
半導体基板２の上に、３つの配線層９０１〜９０３が配される。第１配線層９０１は、導電部材９０１ａ、９０２ｂを含む。第２配線層９０２は、第１配線層９０１の上に配される。第２配線層９０２は、導電部材９０２ａ、９０２ｂを含む。第３配線層９０３は、第２配線層９０２の上に配される。第３配線層は、導電部材９０３ａ、９０３ｂを含む。導電部材はアルミニウムで構成される。３つの配線層９０１〜９０３の上に、第４配線層９０４が配される。第４配線層９０４は遮蔽部７を含む。つまり、遮蔽部７は、複数の配線層のうち、半導体基板２から最も遠い位置にある配線層に含まれる。
【０１３０】
導電部材９０１ａ〜９０３ｂのそれぞれは配線を構成する。例えば、導電部材９０１ａは変換部３からの信号が出力される出力線を構成する。例えば、導電部材９０１ｂはＦＤと増幅トランジスタのゲート電極とを接続する配線を構成する。例えば、導電部材９０２ａ、９０２ｂは、それぞれ転送ゲート電極及びリセットトランジスタのゲート電極に電圧を供給するための配線を構成する。また、例えば導電部材９０３ａ、９０３ｂは電源電圧を供給する配線を構成する。
【０１３１】
各導電部材９０１ａ〜９０３ｂ及び遮蔽部７は、層間絶縁膜９０５によって互いに絶縁される。層間絶縁膜９０５には例えばシリコン酸化膜を用いることができる。本実施例において、変換部３の上の層間絶縁膜９０５の厚さｄ１は、半導体基板２の表面から遮蔽部７の半導体基板２の側の面までの距離ｄ２よりも小さい。つまり、変換部３において、層間絶縁膜９０５が薄くなっている。さらに、本実施例では変換部３の上には、光を集めるためのマイクロレンズが配されない。このような構成によれば、変換部３の上に配される部材の厚さが小さいため、吸収される軟Ｘ線の量を小さくすることができる。つまり、感度を向上させることが可能となる。
【０１３２】
導電部材は、例えばアルミニウムや銅で形成される。特に、導電部材には遮蔽部７を構成する材料よりも電気伝導度の高い材料が用いられてもよい。アルミニウムや銅はタンタルに比べて電気伝導度が高い。
【０１３３】
導電部材９０１ａ〜９０３ｂと層間絶縁膜９０５の間には、必要に応じてバリアメタルが配されてもよい。バリアメタルは配線の材料となる金属が拡散することを低減しうる。そのため、バリアメタルにおける金属の拡散係数は、層間絶縁膜９０５における金属の拡散係数より低くてもよい。バリアメタルの材料は、タンタル、タングステン、チタンであってもよい。なお、バリアメタルは電気伝導を主たる目的としないので、バリアメタルの膜厚は接触している導電部材の膜厚よりも薄くてもよい。これに対して、遮蔽部７は別の導電部材とは接触していなくてよい。もちろん、遮蔽部７が別の導電部材と接触してもよい。この場合には、遮蔽部７の膜厚は、遮蔽部７と接触している別の導電部材の膜厚よりも厚くてもよい。あるいは、遮蔽部７の膜厚は、バリアメタルの膜厚より厚くてもよい。
【０１３４】
このような構成によれば、遮蔽の機能と信号伝達の機能を別々の配線層で分離することができるので、高い遮蔽性能と高い信号伝達能力を両立させることが容易になる。
【０１３５】
本実施例の検出ユニット１の等価回路及び平面構造は、実施例１〜４のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。本実施例の構成は、実施例１〜４と組み合わせることが可能である。例えば、配線の構造、層間絶縁膜９０５の構造をそれぞれ単独に上述の実施例１〜４と組み合わせてもよい。実施例２と組み合わせる場合には、軟Ｘ線が入射する側に遮蔽部７が配され、それとは反対側に配線層９０１〜９０３が配される。また、実施例１〜４において、マイクロレンズが配されない構成とすることも可能である。
【実施例６】
【０１３６】
本発明に係る第６の実施例の軟Ｘ線検出装置１０００について説明する。図１０は本実施例の軟Ｘ線検出装置１０００の断面の概略図を示す図である。図１０において、図８（実施例４）と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例の軟Ｘ線検出装置１０００は、遮蔽部７を有していないことが特徴である。それ以外の構成は、実施例４と同様とすることができる。つまり、実施例４の変形例として、遮蔽部７を省略することが可能である。
【０１３７】
この理由は、実施例４で説明されたように、変換部３のＰ型ウェル８０２ａと回路部４のＰ型ウェル８０２ｂの下端の位置が異なることによって、正確な軟Ｘ線の検出が可能となるからである。先に述べたように、半導体基板２に軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷のうち、一部の電荷のみが読み出されることが、正確性の向上における課題である。本実施例のウェル構造によって、回路部４に軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷は、全てが排出される可能性が高い。つまり、遮蔽部７を省略しても、Ｐ型ウェルの構造のみによって、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることができるのである。
【実施例７】
【０１３８】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置を含む軟Ｘ線撮像システムの実施例について図１１を用いて説明する。本実施例の軟Ｘ線撮像システムは、実施例１〜６の軟Ｘ線検出装置１００、５００、６００、８００、９００、１０００のいずれかを有する。軟Ｘ線撮像システムは、さらに軟Ｘ線検出装置からの信号を処理する信号処理回路１１０１、軟Ｘ線検出装置を駆動するための駆動回路１１０２を有する。信号処理回路１１０１や駆動回路１１０２には固体撮像装置に適用しうる公知の回路を用いることができる。信号処理回路１１０１の一部または全部、及び駆動回路１１０２の一部または全部が１つの半導体基板に配されてもよい。あるいは、信号処理回路１１０１、または駆動回路１１０２が、軟Ｘ線検出装置の有する半導体基板とは別の半導体基板に配されてもよい。
【０１３９】
また、軟Ｘ線撮像システムは、推進装置を備えていてもよい。例えば、推進装置は衛星軌道上に配された軟Ｘ線検出システムの位置を制御するものである。あるいは、推進装置は地球の地表から衛星軌道上に軟Ｘ線検出システムを移動させるためのロケットエンジンであってもよい。これらの推進装置は着脱可能であってもよい。
【０１４０】
このような軟Ｘ線撮像システムの駆動方法の例について説明する。軟Ｘ線のエネルギーを測定する目的の場合には、１回の蓄積期間に１つの検出ユニットに入射するフォトンの平均数が１以下になるように、駆動回路１１０２が軟Ｘ線検出装置を駆動する。つまり、入射する軟Ｘ線の量に基づいて、十分に短い蓄積期間を設定すればよい。具体的には、軟Ｘ線の量はあるユニット面積においてユニット時間あたりに照射されるフォトンの数で表される。そこで、検出ユニットの面積から、ユニット時間あたりに１つの検出ユニットに照射されるフォトンの数を計算すれば、蓄積期間をいくつに設定すればよいか決定することができる。そして１回の蓄積動作を行ったあとに軟Ｘ線検出装置が信号電荷を信号として出力し、信号処理回路１１０１が画像を作成する。この画像は、各検出ユニットに入射した軟Ｘ線のエネルギーを２次元平面にマッピングしたものであってもよい。
【０１４１】
さらに、入射する軟Ｘ線の量（強度）、つまり、フォトンの数を検出する場合には、上述の蓄積動作を複数回繰り返して、蓄積のたびに信号を読み出せばよい。例えば、地球の衛星軌道上で太陽が発する軟Ｘ線を検出すると、軟Ｘ線検出装置の１つの検出ユニットに毎秒数百個のフォトンが入射する場合がある。これらのフォトンの数とエネルギーを測定するためには、１秒間に数百〜数千枚の画像を撮像し、読み出す必要がある。ＣＣＤ型の軟Ｘ線検出装置でこのような高速の読み出しを行うためには、検出ユニット数を減らして解像度を犠牲にする必要がある。これに対して、本発明に係る軟Ｘ線検出装置は検出ユニットに増幅部を有するので、解像度を犠牲にすることなく高速の撮影を行うことが可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
１ 検出ユニット
２ 半導体基板
３ 変換部
４ 回路部
６ 増幅トランジスタ
７ 遮蔽部
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟Ｘ線検出装置に関し、とりわけ軟Ｘ線検出装置の遮蔽構造及び半導体基板の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置を軟Ｘ線検出の用途に使うことが提案されている。特許文献１には、ＣＣＤを用いた軟Ｘ線用固体撮像素子が記載されている。更に、特許文献１には、軟Ｘ線を遮蔽する部材でＣＣＤの転送電極を構成した例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０８０７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１では、検出ユニットが変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む場合の軟Ｘ線に対する遮蔽構造について、十分に検討されていない。別の観点で言えば、検出ユニットが変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む場合の、変換部及び増幅部の構造について十分に検討されていない。
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明は、検出ユニットが変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む軟Ｘ線検出装置において、より正確な軟Ｘ線検出を行うことが可能な遮蔽構造を提供することを目的とする。あるいは別の観点として、検出ユニットが変換部で生じた信号を増幅する増幅部を含む軟Ｘ線検出装置において好適な半導体基板の内部構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、変換部と回路部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板へ入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部と、を備えた軟Ｘ線検出装置であって、前記変換部には、前記半導体基板に入射した軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、前記遮蔽部は前記複数の増幅トランジスタのゲート電極よりも上に配され、前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板へ射影が前記回路部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、変換部と回路部とを含む半導体基板と、前記半導体基板へ入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部と、を備えた軟Ｘ線検出装置であって、前記変換部には、前記半導体基板に入射した軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、前記複数の増幅トランジスタのゲート電極は、前記半導体基板の２つの主面のうち第１主面に配され、前記遮蔽部は、前記半導体基板の２つの主面のうち、前記第１主面とは反対側の第２主面に配され、前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板へ射影が前記回路部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第３の側面に係る軟Ｘ線検出装置は、変換部と回路部とを含む半導体基板を備えた軟Ｘ線検出装置であって、前記変換部には、軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、前記複数の変換素子のそれぞれは、前記電荷が収集される第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の下に配された第２導電型の第２半導体領域とを含み、前記回路部は、前記複数の増幅トランジスタのそれぞれのソース領域またはドレイン領域が配される第２導電型の第３半導体領域を含み、前記第２半導体領域の下、及び前記第３半導体領域の下に、第１導電型の第４半導体領域が配され、前記第２半導体領域の下端は、前記第３半導体領域の下端よりも前記半導体基板の深い位置にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置によれば、軟Ｘ線を正確に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図２】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の等価回路図。
【図３】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図４】タンタルとアルミニウムの軟Ｘ線透過率の比を示す図。
【図５】本発明の実施例２の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図６】本発明の実施例３の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図７】本発明の実施例１の軟Ｘ線検出装置の平面構造の概略図。
【図８】本発明の実施例４の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図９】本発明の実施例５の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図１０】本発明の実施例６の軟Ｘ線検出装置の断面構造の概略図。
【図１１】本発明の実施例７の軟Ｘ線検出システムのブロック図。
【図１２】軟Ｘ線検出装置の検出ユニットの平面構造の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００の要部を説明する。図１に示された軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２は変換部３と回路部４とを含む。変換部３には例えばフォトダイオードなどの変換素子が配される。変換部３では、軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷が収集される。回路部４には変換部３で生じた信号を増幅する増幅トランジスタ６が配される。増幅トランジスタ６は、変換部３で生じた電荷に基づく信号を出力する増幅部である。
【００１２】
変換部３と回路部４とにより検出ユニット１が構成される。図１では１つの検出ユニット１のみが示されているが、本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は複数の検出ユニットを有する。それぞれの検出ユニットが少なくとも変換部３と回路部４とを含む。すなわち、本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は複数の変換素子と、複数の増幅トランジスタを有する。
【００１３】
検出ユニット１のレイアウトに応じて、複数の検出ユニット１に含まれるそれぞれの変換部３が、互いに連続して配されてもよい。あるいは、それぞれの変換部の間に素子分離部が配されるレイアウトのように、検出ユニット１ごとに変換部３が分離されて配されてもよい。また、複数の検出ユニット１に含まれるそれぞれの回路部４が互いに連続して配されてもよい。
【００１４】
回路部４の上に遮蔽部７が配される。半導体基板２の主面に対してほぼ垂直な方向に遮蔽部７が射影された場合に、遮蔽部７の一部または全部が回路部４の一部または全部に射影される。つまり、遮蔽部７は回路部４の一部または全部と重なって配される。別の言い方をすれば、遮蔽部７が回路部４の一部または全部を覆っている。特に断りがない限り、「２つの部材が重なって配される」とは、半導体基板２の主面に対して垂直な方向に一方の部材が射影された場合に、当該一方の部材の少なくとも一部が他方の部材の少なくとも一部の領域に射影されることを言う。このとき、２つの部材が接触していてもよい。あるいは、２つの部材の間に別の部材が配されていてもよい。なお、本明細書において、半導体基板２の主面は、例えば、半導体材料で形成される層と他の材料（例えば絶縁体）との界面である。
【００１５】
遮蔽部７は、増幅トランジスタ６のゲート電極１５よりも上の層に配された部分を含む。検出ユニット１がトランジスタを含む場合、当該トランジスタのゲート電極を含む配線層は導電部材のレイアウトが制約される場合がある。そのため、ゲート電極を含む配線層だけでは遮蔽性能を向上させることが困難な場合が多い。
【００１６】
そこで、本発明においては、ゲート電極が配された配線層よりも上の層において、軟Ｘ線から回路部４の一部を遮蔽する遮蔽部７が配される。これによって、軟Ｘ線に対する遮蔽性能を向上させることが可能となる。なお、ゲート電極を含む配線層より上の層とは、ゲート電極を含む配線層より、半導体基板からの距離が遠い層である。
【００１７】
遮蔽部７は、回路部４に入射し得る軟Ｘ線の一部もしくは全部を遮蔽する。例えば、所定の割合の軟Ｘ線が遮蔽部７を透過してもよい。また、回路部４の一部が遮蔽部７によって覆われなくてもよい。
【００１８】
遮蔽部７を透過しない軟Ｘ線は必ずしも遮蔽部７に吸収される必要はない。たとえば、軟Ｘ線の一部が散乱、回折、あるいは反射された結果、軟Ｘ線の回路部４への入射が抑制されればよい。また散乱や回折、反射等によって、軟Ｘ線が変換部３へ入射してもよい。
【００１９】
好適には、遮蔽部７を構成する材料の軟Ｘ線に対する遮蔽係数は、アルミニウム及び銅の軟Ｘ線に対する遮蔽係数よりも高い。または、好適には、遮蔽部７を構成する材料は原子番号が７０以上の元素を含む。一般には原子番号が大きい元素ほど、軟Ｘ線に対する遮蔽能力が高くなるからである。
【００２０】
遮蔽係数は例えば以下の方法で測定することができる。まず測定対象となる材料で所定の厚さの膜を形成する。この膜に所定の量（強度）の軟Ｘ線を照射する。膜を透過した軟Ｘ線の量（強度）を測定することによって、膜に遮蔽された軟Ｘ線の量を測定する。そして、照射した軟Ｘ線の量に対する遮蔽された軟Ｘ線の量の比を遮蔽係数とする。つまり、透過する軟Ｘ線の量が多い材料ほど遮蔽係数が低く、逆に透過する軟Ｘ線の量が少ない材料ほど遮蔽係数が高い。異なる材料の間で比較する場合には、同じ厚さの膜を形成して透過する軟Ｘ線の量を比較する。あるいは遮蔽された軟Ｘ線の量を膜の厚さで規格化して比較してもよい。なお、膜に遮蔽された軟Ｘ線とは、膜を透過しない軟Ｘ線のことである。例えば、膜が軟Ｘ線を吸収し、反射させ、回折させ、あるいは散乱させることによって、軟Ｘ線が膜を透過しないことが考えられる。
【００２１】
次に本発明の課題と効果について説明する。本発明においては、軟Ｘ線が半導体基板２に入射したことによって発生した電荷を信号として読み出すことで、軟Ｘ線を検出することが可能である。そして、１個の軟Ｘ線のフォトンによって発生した電荷の大部分、もしくは全部を信号として読み出すことによって、検出した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。
【００２２】
このとき、発生した電荷の一部のみが信号として読み出されることを低減することによって、軟Ｘ線のエネルギー測定の正確性を向上させることができる。発生した電荷の全部を読み出すことが困難な場合には、むしろ電荷の全部を排出して信号として読み出さないことで正確性を向上させることができる。この効果について以下に詳細に説明する。
【００２３】
なお、実際に信号として読み出すのは、変換部（たとえばフォトダイオード）の導電型に応じた電子、あるいは正孔のいずれかのみであってもよい。以後の説明では電子を信号電荷として扱う場合について説明する。もちろん正孔を信号電荷として扱ってもよい。また、電子及び正孔の両方を信号電荷として読み出してもよい。
【００２４】
まず、軟Ｘ線のエネルギーを測定すること（フォトンカウンティング）について説明する。軟Ｘ線が半導体基板２に入射すると、複数の電子正孔対が発生する。このような現象の例として、半導体基板２に入射した軟Ｘ線が、半導体基板２を構成する原子（例えばシリコン原子）内の電子を電離させることが考えられる。
【００２５】
発生する電子正孔対の数は入射した軟Ｘ線のエネルギーに比例する。例えば、半導体基板２がシリコン基板の場合、発生する電子正孔対の数は入射した軟Ｘ線のエネルギーをシリコンの平均電離エネルギーで除した数になる。シリコンの平均電離エネルギーが３．６５ｅＶ（エレクトロンボルト）であると仮定すると、１ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したことによって、約２７０対の電子正孔対が発生する。
【００２６】
そこで、１つの検出ユニットにつき平均１個以下の軟Ｘ線フォトンが入射するように検出ユニットを配置し、そして、発生した電子の数に応じた信号を読み出すことによって、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。具体的に、軟Ｘ線検出装置に１個の軟Ｘ線フォトンが入射した際に、１つの検出ユニット１から２７０個の電子に対応する信号が出力されたとする。上述の通り、１個の電子を発生するために３．６５ｅＶのエネルギーが必要である。したがって、入射した軟Ｘ線のエネルギーは約１ｋｅＶ（２７０個×３．６５ｅＶ／個）と計算できる。今度は、５４０個の電子に対応する信号が１つの検出ユニット１から出力された場合を考える。この場合には、入射した軟Ｘ線のエネルギーは約２ｋｅＶ（５４０個×３．６５ｅＶ／個）と計算できる。
【００２７】
これに対して、軟Ｘ線のエネルギーが正確に測定されない場合を説明する。例えば、２ｋｅＶのエネルギーを持つ１個の軟Ｘ線フォトンが１つの検出ユニット１に入射し、５４０個の電子を発生させた場合を考える。この５４０個の電子をすべて信号として読み出すことができれば、上述の通り、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することができる。しかし、何らかの要因によって検出ユニット１から２７０個の電子に対応した信号が出力されると、出力信号に基づいて計算される軟Ｘ線のエネルギーは１ｋｅＶ（２７０個×３．６５ｅＶ／個）である。すなわち、２ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したにもかかわらず、１ｋｅＶの軟Ｘ線が入射したことを示す測定結果が得られる。このように、軟Ｘ線のエネルギーが正確に測定されない場合がある。
【００２８】
発生した電子の一部のみに対応した信号が出力されることの原因として、例えば、発生した電荷の一部が検出ノード以外の領域に排出されることが考えられる。このような課題は、１個のフォトンの入射に対して複数の電子が発生するという軟Ｘ線検出に固有の課題である。以下では、軟Ｘ線検出において、発生した電子の一部が排出されるメカニズムについてさらに詳しく説明する。
【００２９】
軟Ｘ線が入射したことによって発生する複数の電子は、フォトンが入射する領域よりも空間的に広がった領域で発生する。入射する軟Ｘ線のエネルギーが数ｋｅＶの場合、電子が発生する領域は半導体基板２の内部で数マイクロメートルの範囲に広がりうる。別の言い方をすれば、複数の電子が半導体基板内の１点で発生するのではなく、複数の異なる位置で発生する。複数の電子が発生する三次元空間的な範囲を、便宜的に電荷発生領域と呼ぶ。電荷発生領域の位置は、軟Ｘ線が入射した位置によって変わりうる。また、電荷発生領域の大きさは軟Ｘ線のエネルギーによって変わりうる。このような電荷発生領域を、例えば図１の領域１０２、１０４によって例示する。
【００３０】
軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１における電荷発生領域の位置、つまり軟Ｘ線の入射した位置に応じて、信号として読み出される電子の量と排出される電子の量が決まる。これを図１２を用いて説明する。
【００３１】
図１２（ａ）は、軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１を示している。検出ユニット１には、変換部３と回路部４とが配されている。図１２（ｂ）では、図１２（ａ）に示された検出ユニット１が、便宜的に３つの領域１２０１〜１２０３に区分けして示されている。
【００３２】
第１の領域１２０１は、変換部３の中心付近に対応する領域である。第１の領域１２０１に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子の全部が変換部３に収集される。軟Ｘ線が入射した位置から離れた位置に電荷が発生するが、そのような離れた位置であっても変換部３の内部だからである。つまり、電荷発生領域の全体が変換部３の内部に位置するため、発生したすべての電子を、変換部３に収集し、読み出すことができる。したがって、第１の領域１２０１に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。
【００３３】
第２の領域１２０２は、図１２（ｂ）においてハッチングで示された領域である。第２の領域１２０２は変換部３の外周部と、回路部４の一部に対応する領域である。第２の領域１２０２に軟Ｘ線が入射すると、一部の電子は変換部３に収集されるが、他の一部の電子は回路部４に排出される場合がある。これは、電荷発生領域が変換部３と回路部４の両方に渡って広がるからである。このような場合、読み出される信号は発生した電子の一部のみに対応したものとなる。したがって、第２の領域１２０２に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが困難である。
【００３４】
第３の領域１２０３は、変換部３から十分に離れた領域である。第３の領域１２０３に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子はすべて排出されうる。これは電荷発生領域が変換部３までは広がらないからである。したがって、第３の領域１２０３に軟Ｘ線が入射した場合は、軟Ｘ線が検出されないことがほとんどである。
【００３５】
ここで、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３のいずれの領域に軟Ｘ線が入射するかは、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３の面積の比率に応じた統計的な確率で決まる。具体的に、第１〜第３の領域１２０１〜１２０３の面積の比率が、１：６：３であると仮定する。このような軟Ｘ線検出装置で、１回の検出において検出ユニット１に１個のフォトンが入射する軟Ｘ線検出を１０００回行う。そうすると、約１００回の検出においては、軟Ｘ線が第１の領域１２０１に入射し、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映した信号が出力される。約６００回の検出においては、軟Ｘ線が第２の領域１２０２に入射し、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される。約３００回の検出においては、軟Ｘ線が第３の領域１２０３に入射し、軟Ｘ線が入射したことが検出されない。
【００３６】
このように、１０００回のうち約７００回の検出において信号が出力される。しかし、出力された信号の約８５％は軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号である。さらに、出力された信号からは、それが第１の領域１２０１と第２の領域１２０２のいずれの領域に入射した軟Ｘ線に対応するものかを特定することが困難である。
【００３７】
比較例として、検出ユニット１の全面に一様に軟Ｘ線が入射する軟Ｘ線検出装置を考える。これは、例えば検出ユニット１の上に軟Ｘ線を遮蔽する遮蔽部材が配されていない軟Ｘ線検出装置である。この場合、第１の領域１２０１の面積と第２の領域１２０２の面積との比率に応じた割合で、エネルギーを正確に反映した信号とそうでない信号とが得られる。上述のように、面積の比率が１：６であれば、約１５％のみがエネルギーを正確に反映した信号である。検出ユニットごとに増幅トランジスタ６が配される軟Ｘ線検出装置では、第２の領域１２０２の面積をゼロにすることは困難である。したがって、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することは困難である。
【００３８】
一方、図１２（ｃ）には、本発明に係る軟Ｘ線検出装置の一実施形態が示されている。図１２（ｃ）に示された軟Ｘ線検出装置は、遮蔽部１２０５を備える。遮蔽部１２０５は、第１の領域１２０１に対応した位置に開口１２０４を有する。
【００３９】
この軟Ｘ線検出装置で１０００回の軟Ｘ線検出を行うと、約１００回の検出においては、軟Ｘ線が第１の領域１２０１に入射する。そして、約９００回の検出においては、軟Ｘ線が入射したことが検出されない。これは、第１の領域１２０１以外の領域に入射しうる軟Ｘ線が、遮蔽部１２０５によって遮蔽されるからである。この結果、信号が出力される確率は小さくなる。しかし、出力された信号のほとんどが、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映した信号である。したがって、軟Ｘ線のエネルギーを正確に測定することが可能である。
【００４０】
図１２（ｃ）では、第２の領域１２０２はすべての領域が遮蔽部１２０５に覆われている。このような構成においては本発明の効果が高い。しかし、第２の領域１２０２の一部の領域は、遮蔽部１２０５に囲まれていなくてもよい。例えば、第２の領域１２０２のうち変換部３は遮蔽部１２０５に覆われていなくても効果を得ることができる。これは、第２の領域１２０２であっても変換部３の中心に近い場所に軟Ｘ線が入射すれば、発生した電子のほとんどを変換部３に収集し、信号として読み出すことが可能だからである。排出された電子の分だけ、得られる測定結果は実際に入射した軟Ｘ線のエネルギーとは異なる。それでも、この差が誤差として許容可能な範囲内であれば、電荷の一部が排出されてもよい。つまり、遮蔽部１２０５を配する領域は、軟Ｘ線検出装置に求められる性能に応じて適宜選択すればよい。なお、第３の領域１２０３と重なる位置には、遮蔽部１２０５が配されていなくてもよい。
【００４１】
図１２において、第１の領域１２０１と第２の領域１２０２との境界は、電荷の排出部となる領域からの距離に基づいて決まる。排出部から所定の距離Ｌよりも離れた場所に軟Ｘ線が入射すれば、電子が排出されないからである。所定の距離Ｌは、例えば電子発生領域を内包する最小の球の半径とすることができる。あるいは、半導体基板２がシリコン基板であれば、所定の距離Ｌは０．５マイクロメートルとすることができる。あるいは、所定の距離Ｌが式（１）で表される距離であってもよい（Ｌの単位はマイクロメートル）。なお、Ｅは入射する軟Ｘ線のエネルギーである（単位はｋｅＶ）。
【００４２】
【数１】
【００４３】
また、回路部４の全体が電荷の排出部であるとしてもよい。あるいは、回路部４のうち、電源電圧が供給される半導体領域や、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレインとなる半導体領域を電荷の排出部としてもよい。
【００４４】
以上をまとめると、軟Ｘ線検出装置においては、軟Ｘ線が入射した位置に応じて、軟Ｘ線の情報が正確に反映された信号と、正確に反映されていない信号が出力されうる。本発明によれば、このうち、軟Ｘ線の情報が正確に反映された信号が出力される割合を増やすことができる。結果として、正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【００４５】
参考までに、特許文献１に記載された軟Ｘ線用固体撮像素子はＣＣＤ型である。そのため、検出ユニット及びその近傍には変換部と電荷転送部のみがある。そして、軟Ｘ線を入射光とする場合に、電荷転送部の信号電荷転送電極を所定の膜厚とすることで電極内において入射光が吸収されて、ノイズの原因となる垂直信号電荷転送路への光の直接入射を防止できるとされている。そしてこの信号電荷転送電極の材料が複数列挙されている。ＣＣＤのように検出ユニットに増幅部を有さずに、比較的変換部の面積を大きく取れる構成であれば、転送路へ入射することによって生じるノイズだけを検討すればよい。しかしながら検出ユニットに増幅部を有する構成では、検出ユニットの回路部の専有面積も大きくなり、上述のような軟Ｘ線の情報が正確に反映されない信号の割合が増える。そのため、従来技術とは異なる構成の遮蔽部が要求されるのである。
【実施例１】
【００４６】
本発明に係る第１の実施例の軟Ｘ線検出装置１００について説明する。図１は軟Ｘ線検出装置１００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図１においては、１つの検出ユニット１のみが示されているが、本実施例では複数の検出ユニットが軟Ｘ線検出装置１００に含まれる。
【００４７】
本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は、主として０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の波長帯の電磁波を検出可能である。この波長帯の電磁波が半導体基板に入射すると、上述の通り１つのフォトンに対して複数の電子が発生する。
【００４８】
また本発明の軟Ｘ線検出装置１００は、半導体基板に入射する段階での波長が主として０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の波長帯の電磁波を検出するものである。したがって例えば半導体基板に入射する前に上記波長範囲外の波長域（たとえば可視光域）に波長変換された電磁波のみを検出するものは発明に含まれない。しかし半導体基板に入射する前に波長変換部を設けていたとしても、変換後の波長が上記範囲内になる場合には本発明を適用可能である。
【００４９】
本実施例の軟Ｘ線検出装置１００は半導体基板２を有する。半導体基板２は例えばＰ型のシリコン基板である。本実施例の検出ユニット１は、半導体基板２に配された変換部３及び回路部４を含む。回路部４の少なくとも一部は遮蔽部７によって覆われる。遮蔽部７は、回路部４に入射し得る軟Ｘ線の量を低減、望ましくは完全に遮蔽する。
【００５０】
変換部３は例えばフォトダイオードである。本実施例では、変換部３にＮ型半導体領域１１が配される。Ｎ型半導体領域１１より半導体基板２の表面（軟Ｘ線が入射する主面）側にはＰ型半導体領域１２が配される。Ｎ型半導体領域１１は、Ｐ型半導体領域１２及び半導体基板２のそれぞれとＰＮ接合を構成する。つまり、Ｐ型半導体領域１２、Ｎ型半導体領域１１、及び半導体基板２によって埋め込み型のフォトダイオードが構成される。半導体基板２をＮ型半導体基板とし、Ｎ型半導体基板にＰ型半導体領域（例えばＰ型ウェル）を設けて、このＰ型ウェルとＮ型半導体領域１１、Ｐ型半導体領域１２とにより埋め込み型のフォトダイオードを構成することもできる。Ｎ型半導体領域１１の電子に対するポテンシャルは周囲のＰ型半導体領域より低いので、入射した軟Ｘ線によって発生した電子がＮ型半導体領域１１に収集される。さらに、Ｎ型半導体領域１１に電子が蓄積されてもよい。Ｎ型半導体領域での収集あるいは蓄積を開始する前に、Ｎ型半導体領域１１に逆バイアスが印加されてもよい。印加された逆バイアスによって、Ｎ型半導体領域１１のポテンシャルをさらに下げることができる。また、この逆バイアスによって、Ｎ型半導体領域１１の全体が空乏化していてもよい。
【００５１】
回路部４には、転送トランジスタ５と増幅トランジスタ６とが配される。転送トランジスタ５は転送ゲート電極１３とフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）１４を含んで構成される。ＦＤ１４はＮ型半導体領域によって構成される。転送ゲート電極１３には転送トランジスタ５のオンとオフに対応した少なくとも２つの電圧が印加される。転送ゲート電極に印加される電圧によって、変換部３のＮ型半導体領域１１とＦＤ１４との間のポテンシャルが制御される。その結果、変換部３で発生した電子をＦＤ１４に転送することが可能である。この時、変換部３の全ての電子がＦＤ１４に転送されてもよいし、一部の電子のみがＦＤ１４に転送されてもよい。変換部３の電荷がすべて転送されるとＮ型半導体領域１１の全体が空乏化するので、このような転送動作を完全空乏転送と呼ぶ。
【００５２】
ＦＤ１４は不図示の配線を介して増幅トランジスタ６のゲート電極１５と電気的に接続される。このように、ＦＤ１４が増幅部の入力部の一部を構成する。つまり、ＦＤ１４には軟Ｘ線の入射により生じた電子が転送され、その電荷の量に応じた増幅信号が出力される。このため、ＦＤ１４を検出ノードと呼ぶこともできる。
【００５３】
増幅トランジスタ６は、ゲート電極１５、ソース領域１６、及びドレイン領域１７を含んで構成されるＭＯＳトランジスタである。ソース領域１６及びドレイン領域１７はＮ型半導体領域で構成される。すなわち、増幅トランジスタ６はＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。増幅トランジスタ６のゲート電極１５は、増幅部の入力部の一部を構成する。ドレイン領域１７は不図示の電源部に電気的に接続される。３０１は素子分離部である。
【００５４】
遮蔽部７は転送トランジスタ５及び増幅トランジスタ６と重なるように配される。遮蔽部７は増幅トランジスタ６のゲート電極１５よりも上の層に配される。遮蔽部７は回路部４に向かって照射された軟Ｘ線を遮蔽する。遮蔽部７を構成する材料はタンタルである。遮蔽部７の膜厚は０．５〜１．０マイクロメートルであることが好ましい。遮蔽部７の膜厚が０．５マイクロメートルより小さいと、遮蔽性能が十分に得られない可能性がある。一方、遮蔽部７の膜厚が１．０マイクロメートルより大きいと、強い応力が生じるために遮蔽部７を形成することが困難になる。もちろん、必要に応じて、遮蔽部７の膜厚が０．５〜１．０マイクロメートルの範囲以外の膜厚となっていてもよい。なお、遮蔽部７が必ずしも照射された軟Ｘ線の全部を遮蔽する必要はなく、回路部に入射しうる軟Ｘ線の量を低減すればよい。
【００５５】
図２は、本実施例の軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１の等価回路を示す。図１と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５６】
検出ユニット１は、さらにリセットトランジスタ８、選択トランジスタ９を含む。変換部３であるフォトダイオードのアノードが、転送トランジスタ５を介して検出ノード２０１に接続される。検出ノード２０１は図１のＦＤ１４及び増幅トランジスタ６のゲート電極１５に対応するノードである。本実施例では、ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５とが互いに接続されているので、両方が同一の検出ノード２０１に対応する。つまり、検出ノード２０１は増幅部の入力ノードでもある。
【００５７】
リセットトランジスタ８のドレインには電源電圧ＶＤＤが供給され、リセットトランジスタ８のソースは検出ノード２０１に接続される。リセットトランジスタ８は、そのゲートに供給される電圧に応じて、検出ノード２０１の電圧をリセットする。リセットトランジスタ８は例えばＮチャネル型のＭＯＳトランジスタである。
【００５８】
選択トランジスタ９のドレインは増幅トランジスタ６のソースに接続され、選択トランジスタ９のソースは不図示の出力線に接続される。選択トランジスタ９のゲートに供給される電圧によって選択トランジスタ９がオンすると、検出ノード２０１の電圧に応じた信号が出力線に出力される。つまり、１つの出力線に複数の検出ユニット１からの信号が出力される場合に、選択トランジスタ９によって信号を出力する検出ユニットを選択することが可能である。
【００５９】
リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９は必要に応じて省略される。例えば、非選択とする検出ユニットの検出ノード２０１の電圧を制御することで増幅トランジスタ６をオフにすれば、選択トランジスタ９を省略することができる。あるいは、リニアセンサにおいては、選択トランジスタ９を省略することができる。あるいは、変換部３がフォトトランジスタであり、発生した電荷を光電流として読み出す場合には、リセットトランジスタ８は省略することができる。
【００６０】
図３は検出ユニット１の平面構造の概略図である。図３（ａ）では、半導体基板２の平面構造を説明するために、遮蔽部７を省略している。図３（ｂ）では、遮蔽部７が示されている。図１は、図３（ａ）の線ＡＢに沿った断面構造を模式的に示している。
【００６１】
図３（ａ）では、Ｎ型半導体領域１１が配された領域が変換部３として示されている。また、図３（ａ）には、転送ゲート電極１３が配される領域、ＦＤ１４が配される領域、増幅トランジスタ６が配される領域、リセットトランジスタ８が配される領域、選択トランジスタ９が配される領域が、それぞれ対応する符号で示されている。例えば、８はリセットトランジスタ８が配される領域を示している。平面図でみたときに、変換部３の周囲に転送ゲート電極１３、ＦＤ１４、各トランジスタが配される。各トランジスタが配される領域には、具体的にソース領域、ドレイン領域、ゲート電極が配される。また、図３（ａ）には示されていないが、半導体基板２に所定の電圧を供給するための半導体領域や、電源電圧を供給するための半導体領域が配されてもよい。
【００６２】
上述の各素子は、素子分離部３０１によって互いに電気的に分離される。ただし、変換部３とＦＤ１４との間であって、転送ゲート電極１３が配された領域には、素子分離部３０１が配されなくてもよい。素子分離部３０１は酸化膜を用いた分離構造であり、例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）である。
【００６３】
ここで、検出ユニット１における変換部３及び回路部４は、検出ユニット１の平面構造に基づいて決まる。検出ユニット１において、転送トランジスタ５（転送ゲート電極１３及びＦＤ１４）、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９、素子分離部３０１が配された領域が回路部４である。ここで、変換部３の境界は、例えばＮ型半導体領域１１の境界である。ただし、Ｎ型半導体領域１１が他の素子の下部に延在している場合には、当該他の素子の端が変換部３の境界である。そして、当該他の素子が配された領域は回路部４である。例えば、Ｎ型半導体領域１１が転送ゲート電極１３の下部に延在している場合には、転送ゲート電極１３の端が変換部３の境界である。そして転送ゲート電極１３が配された領域は回路部４である。つまり、変換素子以外の素子が配された領域は、回路部４であってよい。
【００６４】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に遮蔽部７を追加した図である。図３（ｂ）を用いて、遮蔽部７の平面構造について説明する。なお、この説明に特に必要のない部分は、図３（ａ）に記載されていても、図３（ｂ）では省略している。本実施例では、遮蔽部７は平面図でみたときに回路部４の全部と重なる。一方で、変換部３と重なる位置には、遮蔽部７が配されない。これによって、主に回路部４に向かって進む軟Ｘ線１０３が遮蔽される。
【００６５】
なお、図３（ａ）、（ｂ）に示された検出ユニット１が実際には複数並んで配される。複数の検出ユニット１は互いに対称性をもっていてもよい。例えば、図３に示された検出ユニット１をそのまま平行移動したような並進対称性を持っていてもよい。あるいは、ある直線に対して線対称なレイアウトや、ある点に対して点対称なレイアウトであってもよい。複数の検出ユニット１が互いに対称性を有することで、検出ユニットの特性のばらつきを低減することができる。特に、複数の検出ユニット１が並進対称性を有している場合、製造プロセスに起因する特性のばらつきを低減することができる。もちろん、複数の検出ユニット１の間で対称性がなくてもよい。
【００６６】
続いて遮蔽部７を構成する材料の遮蔽性能について説明する。図４は、タンタルとアルミニウムとの間で軟Ｘ線の透過率を比較した図である。グラフの縦軸は、アルミニウムのユニット厚さあたりの透過率に対する、タンタルのユニット厚さあたりの透過率の比を表している。横軸は軟Ｘ線の波長を表している。すなわち、「透過率の比＝タンタルの透過率／アルミニウムの透過率」である。なお透過率は、所定の量の軟Ｘ線が照射されたときに、透過する軟Ｘ線の量の割合である。
【００６７】
図４が示す通り、１０ｋｅＶ以下のエネルギーの軟Ｘ線に対しては、透過率の比が１００％よりも小さい。つまり、１０ｋｅＶ以下のエネルギーの軟Ｘ線に対しては、タンタルの透過率のほうがアルミニウムの透過率よりも低い。これは、タンタルの遮蔽係数がアルミニウムの遮蔽係数よりも高いことを示している。また、図には示していないが、タンタルの遮蔽係数は銅の遮蔽係数よりも高い。タンタルのように、軟Ｘ線に対する遮蔽係数がアルミニウム及び銅よりも高い材料で遮蔽部７を構成することによって、軟Ｘ線に対して回路部４を十分に遮蔽することができる。
【００６８】
特に、５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対するタンタルの遮蔽係数は、アルミニウムの遮蔽係数の２倍以上である。例えば、５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対して同等の遮蔽性能を得るために、タンタルで構成される遮蔽部７の厚さはアルミニウムで構成される場合に比べて半分でよい。遮蔽部７が厚いと大きな応力が生じるので、装置の信頼性が低下する可能性がある。したがって、遮蔽部７がアルミニウムに比べて遮蔽係数が高い材料で構成されることは、遮蔽性能と信頼性のバランスを最適化する上で有利である。
【００６９】
以上に述べた本実施例の効果について説明する。変換部３に軟Ｘ線１０１が入射することによって、変換部３の近傍で複数の電子が発生する。つまり、電荷発生領域１０２の位置が変換部３に近い。電荷発生領域１０２が変換部３の近傍であれば、全部あるいはほとんどの電子を信号電荷として読み出すことが可能である。
【００７０】
しかし、回路部４に軟Ｘ線１０３が入射すると、変換部３から比較的遠い位置で複数の電子が発生する。つまり、電荷発生領域１０４の位置が変換部３から遠い。この場合、発生した電子のうち、一部の電子のみが変換部３に収集される。一方で、変換部３に収集されない電子が電源部などに排出されうる。
【００７１】
これに対して本発明に係る軟Ｘ線検出装置１００は、回路部４に入射し得る軟Ｘ線を遮蔽する遮蔽部７を有する。そして、遮蔽部７を構成する材料の軟Ｘ線に対する遮蔽係数が高い。このため、回路部４に入射した軟Ｘ線１０３に基づく信号が出力される割合を低減することができる。別の言い方をすれば、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合が低減される。その結果、入射した軟Ｘ線のエネルギーが正確に反映された信号が出力される割合が増える。すなわち、正確に軟Ｘ線のエネルギーを測定することが可能となる。
【００７２】
さらに、アルミニウム及び銅と比べて遮蔽係数の高い材料で遮蔽部７を構成してもよい。また、原子番号が７０以上の材料であれば、遮蔽部７の材料として十分な程度の遮蔽係数を有している。したがって、原子番号が７０以上の材料で遮蔽部７を構成してもよい。このような構成によれば、さらに正確な軟Ｘ線の検出を行うことが可能となる。
【００７３】
［実施例１の変形例］
次に、実施例１の各部位の変形例を説明する。以下で述べる変形例は、適宜組み合わせることができる。さらに、これらの変形例は後述の実施例２〜６についても適用可能である。
【００７４】
実施例１では、電子が信号電荷となる構成を例に説明したが、ホールが信号電荷となる構成としてもよい。ホールが信号電荷となる構成では、半導体領域の導電型が本実施例とは反対になる。例えば、埋め込み型のフォトダイオードは、表面側からＮ型半導体領域、Ｐ型半導体領域、Ｎ型半導体領域が順に配された構造となる。そして、軟Ｘ線によって発生した電荷がＰ型半導体領域に収集される。また、ＦＤ１４はＰ型半導体領域を含んで構成される。
【００７５】
半導体基板２は、シリコン基板に限らず、ゲルマニウム基板、ガリウムヒ素基板などの各種の半導体基板が用いられる。半導体基板２はＰ型の基板、Ｎ型の基板のいずれでもよい。半導体基板２はエピタキシャル成長によって形成された基板であってもよい。あるいは、半導体基板２はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよい。また、必要に応じて半導体基板２にＰ型のウェル、またはＮ型のウェルが配されてもよい。ウェルが配された場合には、ウェルの内部に、変換部３や増幅トランジスタ６を構成する半導体領域が配される。
【００７６】
実施例１では、転送トランジスタ５の転送ゲート電極１３には、転送トランジスタ５のオンとオフに対応した少なくとも２つの電圧が印加される。さらに、オンに対応する電圧とオフに対応する電圧との中間の電圧が印加されてもよい。あるいは、Ｎ型半導体領域１１とＦＤ１４との間のポテンシャルを一定に制御するように固定の電圧が印加されるのみでもよい。なお、転送トランジスタ５は必須の構成ではなく、必要に応じて省略される。転送トランジスタ５が省略される場合には、例えば変換部３のＮ型半導体領域１１が増幅トランジスタ６のゲート電極と接続される構成となっていればよい。
【００７７】
ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５との電気的な接続は、例えば、金属配線、金属配線とＦＤ１４とを接続するコンタクトプラグ、及び金属配線とゲート電極１５とを接続するコンタクトプラグによって構成される。あるいは、ゲート電極１５とＦＤ１４とが直接接触していてもよい。または、ＦＤ１４とゲート電極１５との両方に接続される共通のコンタクトプラグによって、ＦＤ１４とゲート電極１５とが接続されてもよい。コンタクトプラグは例えばタングステンで構成される。
【００７８】
また、ＦＤ１４と増幅トランジスタ６のゲート電極１５との間の電気的経路にスイッチが配されてもよい。このような構成においては、ＦＤ１４が電子を一時的に保持することが可能となる。すなわち、ＦＤ１４が検出ユニットごとに配された電荷保持部として機能してもよい。
【００７９】
実施例１では、増幅トランジスタ６としてＭＯＳトランジスタが用いられた。しかし、増幅トランジスタとしては、バイポーラトランジスタ、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）などの各種の能動素子を用いることができる。また、実施例１では、増幅トランジスタ６はソースフォロア回路を構成する。しかし、増幅部はこのような構成に限られない。例えば、ＭＯＳトランジスタを用いた反転増幅回路、演算増幅器を用いたボルテージフォロアなどが用いられる。
【００８０】
図２において、選択トランジスタ９は、増幅トランジスタ６のソースと不図示の出力線との間の電気的経路に配された。しかし、選択トランジスタ９が増幅トランジスタ６のドレインと電源との間に配されてもよい。
【００８１】
ＦＤ１４、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９は、複数の検出ユニット１で共有されてもよい。例えば、複数の検出ユニット１の変換部３のそれぞれに対して転送ゲート電極１３が配され、各変換部３の電子が独立に共通のＦＤ１４に転送される構成であってもよい。この場合、複数の検出ユニット毎に、増幅トランジスタ６、リセットトランジスタ８、選択トランジスタ９が１つずつ配されればよい。複数の検出ユニットがこれらの素子を共有することによって、変換部３に対する回路部４の割合を小さくできる。そのため、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【００８２】
遮蔽部７を構成する材料は、タンタルに限られない。遮蔽部７を構成する材料は、軟Ｘ線に対する遮蔽係数がアルミニウム及び銅よりも高い材料であればよい。もしくは、遮蔽部７を構成する材料は、原子番号７０以上の元素であればよい。半導体プロセスとの整合性を考慮すると、タンタル、タングステン、金などが挙げられる。または、タンタル、タングステン、または金が主成分となっている合金であってもよい。なお、本明細書において、主成分とは化合物あるいは混合物に含まれる成分のうち組成比あるいは構成比が最も多い成分である。
【００８３】
また、遮蔽部７は単層である必要はない。間にシリコン酸化膜等の絶縁膜を挟んだ多層構成でも構わない。多層構造の場合、応力を下げるために各層の膜厚を小さくしても高い遮蔽性能を達成できる。多層構造の場合に、回路部４の一部の上には第１層の遮蔽部７が配され、第１層とは別の第２層の遮蔽部７は配されず、一方で、回路部４の別の一部の上には第２層の遮蔽部７が配される構造でもよい。このように層ごとに回路部４の遮蔽される領域が異なることで、レイアウトの自由度が向上する。また、遮蔽部７を構成する材料が導電体である場合には、遮蔽部７が配線の機能を備えていてもよい。例えば、遮蔽部７が各トランジスタを接続したり、半導体基板２や回路部４に電源を供給したりしてもよい。
【００８４】
図３（ｂ）において、遮蔽部７は回路部４の全部の領域に重なって配されている。しかし、遮蔽部７が回路部４の一部の領域だけの上に配されていてもよい。つまり、回路部４のうち、一部の領域の上には回路部４が配されていなくてもよい。例えば、遮蔽部７が、転送ゲート電極１３及びＦＤ１４の上には配されていなくてもよい。または、遮蔽部７が変換部３に隣接する素子分離部３０１の上には配されていなくてもよい。あるいは、遮蔽部７は増幅トランジスタ６のみを覆うように配されていてもよい。または、遮蔽部７はリセットトランジスタ８のみを覆うように配されていてもよい。
【００８５】
遮蔽部７は回路部４のより多くの部分と重なって配されると、より正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。遮蔽部７が回路部４の全部と重なって配される場合には、さらに正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。
【００８６】
また、回路部４のうち変換部３に近い領域の上にのみ遮蔽部７が配されていてもよい。回路部４のなかでも特に変換部３に近い領域と重なって遮蔽部７が配されていれば、正確性を十分に向上させることができる。これは、変換部３に近い領域に軟Ｘ線が入射すると、発生した電子の一部が変換部３に収集され、他の一部が排出される可能性が高いからである。
【００８７】
回路部４のなかでも変換部３から遠い領域の上には、遮蔽部７が配されなくてもよい。変換部３から遠い領域に軟Ｘ線が入射した場合には、発生したすべての電荷が排出される可能性が高いからである。具体的には、変換部３の端から１マイクロメートル以上離れた領域の上には、遮蔽部７が配されていなくてもよい。この理由は、変換部３の端から１マイクロメートル以上離れた領域で電子が発生したとしても、その電子が変換部３に収集される可能性はほとんどないからである。例えば、回路部４のうち変換部３から所定の距離より遠い領域の上に遮蔽部７を配さないことによって、配線やコンタクトプラグのレイアウトの自由度を向上させてもよい。
【００８８】
回路部４に配される素子によって、遮蔽されたほうが良い素子と、遮蔽が必要でない素子を区別してもよい。例えば、電荷が排出されてしまう領域、及びその近傍の領域の上に、遮蔽部７が配されると、より正確な軟Ｘ線のエネルギーの測定が可能となる。このような領域には電源部や電源部と電気的に接続された半導体領域などが挙げられる。一方で、電荷が蓄積される領域の上には遮蔽部７が配されなくてもよい。例えばＦＤや容量素子の上には遮蔽部７が配されなくてもよい。
【００８９】
従来のＣＣＤ型の軟Ｘ線用撮像装置は検出ユニットに回路部を有していないため、増幅部を含む回路部の遮光構造については検討されていない。上述のように、検出ユニットが増幅部を含む場合の遮蔽構造を工夫することによって、より正確な軟Ｘ線検出を可能にすることができる。
【００９０】
図１では省略されているが、遮蔽部７とは別に複数の配線層が配されてもよい。各配線層には各トランジスタやＦＤ１４を接続するための導電部材、電源電圧やグラウンド電圧を供給するための導電部材が配される。導電部材は、例えばアルミニウムや銅で形成される。特に、導電部材には遮蔽部７を構成する材料よりも電気伝導度の高い材料が用いられてもよい。アルミニウムや銅はタンタルに比べて電気伝導度が高い。複数の配線層の間には、層間絶縁膜が配される。層間絶縁膜によって複数の配線層に配された導電部材が互いに絶縁される。導電部材と層間絶縁膜の間には、必要に応じてバリアメタルとして機能する導電体が配されうる。バリアメタルにはチタンやチタン合金、タンタルやタンタル合金、チタンやチタン合金が用いられる。バリアメタルは、当該バリアメタルに接している導電部材を構成する金属原子の拡散を低減してもよい。この場合、当該バリアメタルにおける導電部材を構成する金属の拡散係数が、層間絶縁膜における拡散係数より低いことが好ましい。遮蔽部７とバリアメタルとに同じ材料（例えばタンタル）が用いられる場合、遮蔽部７がバリアメタルより厚いほうがよい。
【００９１】
遮蔽部７を配線として用いることもできる。つまり、遮蔽部７が信号を伝達してもよいし、電源電圧を供給してもよい。このように配線が遮蔽部７の機能を兼ねる場合には、当該配線が他の配線を構成する材料よりも軟Ｘ線の遮蔽性能の高い材料を含んで構成されることが好ましい。あるいは、遮蔽部７の機能を兼ねる配線の厚さを、他の配線より厚くすることが好ましい。
【００９２】
軟Ｘ線を吸収する吸収部が、半導体基板２の軟Ｘ線の入射する主面とは反対側の主面に配されていてもよい。吸収部は半導体基板２を透過した軟Ｘ線を吸収することによって、半導体基板２を透過した軟Ｘ線が軟Ｘ線検出装置の他の部分に及ぼす可能性を低減することができる。
【００９３】
図３（ａ）において、素子分離部３０１がＳＴＩである例を説明した。しかし、素子分離部３０１はＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）分離であってもよい。ＳＴＩやＬＯＣＯＳ分離などで用いられる酸化膜の下部に、変換部の電荷が蓄積される領域とは反対導電型の半導体領域が配されてもよい。あるいは、素子分離部３０１は、酸化膜を用いないＰＮ接合分離であってもよい。また、これらの素子分離構造が併用されてもよい。
【００９４】
ＰＮ接合分離が用いられる場合や、酸化膜の下部に反対導電型の半導体領域が配される場合、Ｎ型半導体領域１１に接するようにＰ型半導体領域が配される。この構成では、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域との両方にわたって空乏層が伸びる。Ｐ型半導体領域のうち、空乏層が生じる部分は変換部３の一部であると考えてもよい。つまり、ある場所で発生した電荷が所定の領域に収集されるならば、その場所は変換部３の一部であってもよい。
【００９５】
変換部３の上に、特定の波長の電磁波を遮蔽するフィルターが配されてもよい。これによって、変換部３に主として検出したい波長帯の軟Ｘ線が入射するので、より高精度に軟Ｘ線を検出することができる。
【実施例２】
【００９６】
本発明に係る第２の実施例の軟Ｘ線検出装置５００について説明する。図５は軟Ｘ線検出装置５００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図１（実施例１）と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例２では、遮蔽部５０１の配置及び軟Ｘ線の入射方向が実施例１とは異なっている。以下では、実施例１と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１と共通の構成とすることができる。
【００９７】
図５が示す通り、半導体基板２の第１の主面５１０の側に、転送トランジスタ５の転送ゲート電極１３及び増幅トランジスタ６のゲート電極１５が配される。さらに、第１の主面５１０の側には、配線が配されてもよい。半導体基板２の第２の主面５１１の側に遮蔽部５０１が配される。第２の主面５１１は、第１の主面５１０とは反対側の主面である。つまり、半導体基板２の対向する２つの主面のうち、一方が第１の主面５１０であり、他方が第２の主面である。本実施例では、軟Ｘ線５０２、５０４は第２の主面５１１から第１の主面５１０の方向に向かって半導体基板２に入射する。つまり、本実施例の軟Ｘ線検出装置５００は、いわゆる裏面照射型である。
【００９８】
このような裏面照射型の軟Ｘ線検出装置５００では、半導体基板２の軟Ｘ線が入射する主面（第２の主面５１１）と、トランジスタや配線が配される主面（第１の主面５１０）とが異なる主面である。そのため、軟Ｘ線の入射面側において変換部３の開口を大きくすることができ、感度を向上させることが可能となる。この利点を最大限生かすために、裏面照射型のセンサでは通常は入射面側に光や電磁波を遮蔽する構造が配されない。
【００９９】
しかしながら、裏面照射型であっても、軟Ｘ線５０４が回路部４に入射するとエネルギーが正確に反映されていない信号が出力される可能性がある。軟Ｘ線５０４が入射したことによって複数の電子が発生した場合に、電荷発生領域５０５はマイクロメートルオーダーの広がりを持つからである。そのため、電子の一部が入射面側から数マイクロメートル離れた回路の電源部に吸収され、他の一部が変換部３に収集されうる。半導体基板２を厚くしても、軟Ｘ線５０４は半導体基板２の深部まで侵入することが考えられるので、第１の主面５１０の近傍の回路部４で複数の電子が発生する可能性がある。つまり、電荷発生領域５０５が回路部４の近傍であることが考えられる。したがって、裏面照射型の軟Ｘ線検出装置の場合に、回路部４に向かって入射する軟Ｘ線５０４を遮蔽部５０１によって遮蔽することで、軟Ｘ線検出の精度を向上させることが可能となる。
【０１００】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置のうち裏面照射型の軟Ｘ線検出装置においては、光の入射面側にはトランジスタが配されない場合がある。そのため、必ずしも遮蔽部５０１がトランジスタのゲート電極の配線層よりも上の層である必要はない。
【０１０１】
本実施例の検出ユニット１の等価回路及び平面構造は、実施例１の検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。また、半導体基板２の主面５１１の側には、遮蔽部５０１以外に配線やゲート電極が一切配されていなくてもよい。あるいは、半導体基板２の主面５１１の側に、遮蔽部５０１の他に配線やゲート電極が配されていてもよい。また、本実施例のような裏面照射型の軟Ｘ線検出装置においても、軟Ｘ線の入射面とは反対側（第２の主面５１１の側）に軟Ｘ線の吸収部材が配されてもよい。
【０１０２】
なお、実施例１の説明において、Ｎ型半導体領域１１が他の素子の下部に延在している場合には、当該他の素子の端が変換部３の境界であると説明した。裏面照射型の場合でも、この考え方は同じである。裏面照射型の場合では、受光面を広くするために変換部を構成するＮ型半導体領域１１が、増幅トランジスタ６やリセットトランジスタ８などと重なって配されることが考えられる。このような場合でも、増幅トランジスタ６やリセットトランジスタ８が配された領域が回路部４である。
【実施例３】
【０１０３】
本発明に係る第３の実施例の軟Ｘ線検出装置６００について説明する。図６は軟Ｘ線検出装置６００の検出ユニット１の平面構造を示す概略図である。図３（実施例１）と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例３では、遮蔽部６０１の配置が実施例１及び実施例２とは異なっている。以下では、実施例１及び実施例２と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１または実施例２と共通の構成とすることができる。
【０１０４】
実施例３では、遮蔽部６０１の一部が変換部３の上に配される。以下の説明では、遮蔽部６０１について、変換部３の上に配された部分を第１部分６０１ａ、回路部４の上に配された部分を第２部分６０１ｂと呼ぶ。
【０１０５】
第１部分６０１ａは変換部３のうち回路部４に近い領域の上に配される。第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとは連続して配されてもよい。つまり、１つの層として配された遮蔽部６０１が、回路部４の上から変換部３の上にまで延在していてもよい。平面で見たときに、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとの間で変換部３または回路部４が露出している領域をなくすことができるので、遮蔽性能が高くなる。
【０１０６】
あるいは、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとが別の層として配されていてもよい。つまり、半導体基板２の表面から第１部分６０１ａまでの距離と、該表面から第２部分６０１ｂまでの距離が異なっていてもよい。この場合に、第１部分６０１ａ及び第２部分６０１ｂが、互いに重なるように延在していてもよい。平面で見たときに、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとの間で変換部３または回路部４が露出している領域をなくすことができるので、遮蔽性能が高くなる。
【０１０７】
また、別の層に配された第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとを接続する部分が、遮蔽部６０１に含まれてもよい。これによって、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとが重なっていなくても、遮蔽性能を高めることができる。もちろん、第１部分６０１ａと第２部分６０１ｂとが互いに分離されていてもよい。
【０１０８】
図６が示す通り、変換部３のうち、変換部３と回路部４との境界から所定の距離Ｌ以内の領域は、全て第１部分６０１ａで覆われてもよい。このとき、変換部３のうち、境界から所定の距離Ｌより離れた領域の上には、遮蔽部６０１が全く配されていなくてもよいし、一部に遮蔽部６０１の第１部分６０１ａが配されてもよい。
【０１０９】
次に本実施例の効果について説明する。そのために、実施例１のバリエーションの１つである、変換部３の上に遮蔽部７が配されていない軟Ｘ線検出装置を比較対象とする。このような、軟Ｘ線検出装置の検出ユニット１の平面構造の概略図を図７に示す。図７において、図１と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１１０】
図７において、変換部３のうち回路部４の近傍に軟Ｘ線が入射すると、電荷発生領域７０１が変換部３及び回路部４の両方に渡る。そうすると、発生した電子の一部が回路部４の電源部などに排出され、他の一部が変換部３に収集される。
【０１１１】
これに対して、本実施例では、変換部３のうち変換部３と回路部４との境界から所定の距離以内の領域に、遮蔽部６０１の第１部分６０１ａが配される。以下、所定の距離をＬとする。これによって、境界付近に入射する軟Ｘ線を遮蔽することができる。結果として、入射した軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合が減少する。つまり、実施例１に比べて、より正確に軟Ｘ線を検出することが可能となる。さらに、変換部３のうち変換部３と回路部４との境界から所定の距離Ｌ以内の全ての領域の上に第１部分６０１ａが配されれば、変換部３に入射した軟Ｘ線６０２によって発生する電子をほぼすべて収集することが可能になる。つまり、軟Ｘ線のエネルギーを正確に反映していない信号が出力される割合をさらに低減することができる。このように、変換部３の上に遮蔽部６０１を配することによって、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１１２】
所定の距離Ｌは必要に応じて設定すればよい。例えば、検出したいエネルギーの軟Ｘ線が半導体基板２に入射したときの電荷発生領域の広がりに基づいて、所定の距離Ｌを決定することができる。所定の距離Ｌが電荷発生領域の平均的な半径よりも大きければ、高い遮蔽性能が期待される。具体的には、電荷発生領域を包含する最小の球を想定し、その球の半径よりも大きいＬを設定するとよい。
【０１１３】
あるいは、変換部３のサイズに基づいて所定の距離Ｌを決定してもよい。変換部３のサイズに対して所定の距離Ｌを小さくすれば、感度を落とすことがない。所定の距離Ｌが大きいと回路部４への電子の排出を抑制する効果が高くなるが、同時に軟Ｘ線が変換部３に入射する確率も下がる。つまり、軟Ｘ線検出の感度と正確性とはトレードオフの関係にある。したがって、必要とされる性能に応じて、所定の距離Ｌは適宜設定される。具体例として、検出する軟Ｘ線のエネルギーが１０ｋｅＶ以下であって、検出ユニットサイズが約１０マイクロメートルの場合、所定の距離Ｌは０．１〜２．０マイクロメートルの範囲であればよい。
【０１１４】
あるいは、所定の距離Ｌ（マイクロメートル）が以下の式（１）で表される値であってもよい。ただし、Ｅ（ｋｅＶ）は入射する軟Ｘ線のエネルギーである。
【０１１５】
【数２】
【０１１６】
なお、境界から所定の距離Ｌ以内の領域の上に、遮蔽部６０１が配されていなくてもよい。変換部３のどの領域の上に第１部分６０１ａを配するかは、必要に応じて変更することができる。
【０１１７】
本実施例では、Ｎ型半導体領域１１と重なるように遮蔽部６０１が配された。しかし、実施例１の変形例で説明したように、Ｎ型半導体領域１１と平面方向に隣接するＰ型半導体領域のうち、空乏層が生じる部分が変換部３の一部であってもよい。このような場合、必ずしもＮ型半導体領域１１と重なるように遮蔽部６０１を配さなくても、所定の距離Ｌ以内の領域と重なるように遮蔽部６０１を配することができる。
【０１１８】
本実施例の検出ユニット１の等価回路及び断面構造は、実施例１または実施例２の検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。また、変換部３と回路部４との境界については、実施例１あるいは実施例２で説明した通りである。なお、本実施例で説明した別の層に遮蔽部が配される構造は、実施例１〜２に適用することが可能である。つまり、回路部４と重なって配された遮蔽部７が、別の層に配される２つの部分を含んでいてもよい。
【実施例４】
【０１１９】
本発明に係る第４の実施例の軟Ｘ線検出装置８００について説明する。図８は軟Ｘ線検出装置８００の検出ユニット１の断面を示す概略図である。図１（実施例１）または図５（実施例２）と同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。実施例４では、半導体基板８０１内部の構造が実施例１〜３とは異なっている。以下では、実施例１〜３と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１〜３のいずれかと共通の構成とすることができる。
【０１２０】
本実施例では半導体基板８０１がＮ型のシリコン基板である。半導体基板８０１に、Ｐ型ウェル８０２が配される。Ｐ型ウェル８０２は、変換部３に配された第１ウェル８０２ａと回路部４に配された第２ウェル８０２ｂとを含む。変換部３を構成するＮ型半導体領域１１、Ｐ型半導体領域１２は第１ウェル８０２ａの内部に配される。Ｎ型半導体領域１１は第１ウェル８０２ａとＰＮ接合を構成する。つまり、Ｐ型半導体領域１２、Ｎ型半導体領域１１、第１ウェル８０２ａが埋め込み型のフォトダイオードを構成している。転送トランジスタ５、増幅トランジスタ６の各半導体領域は第２ウェル８０２ｂに配される。なお、便宜的に第１ウェル８０２ａ及び第２ウェル８０２ｂという二つのウェルについて説明したが、実際には両者が１つの半導体領域であってもよい。もちろん、２つの半導体領域が第１ウェル８０２ａ及び第２ウェル８０２ｂに対応していてもよい。
【０１２１】
本実施例の１つめの特徴は、各半導体領域が配されたＰ型ウェル８０２の下に、反対導電型であるＮ型の半導体領域（半導体基板８０１）が配されたことである。２つめの特徴は、第１ウェル８０２ａの下端が第２ウェル８０２ｂの下端よりも深い位置にあることである。本明細書においては、転送ゲート電極１３や、増幅トランジスタ６のゲート電極１５が配された側の主面８１０が深さの基準である。半導体基板内部であって、当該主面８１０に近いほうが浅く、当該主面８１０から遠いほうが深い。上下については、半導体基板内部であって、当該主面８１０に近いほうが上、当該主面８１０から遠いほうが下とする。また、半導体領域の下端とはＰ型ウェル８０２と半導体基板８０１とのＰＮ接合面としてよい。
【０１２２】
このようなＰ型ウェル８０２の製造方法について簡単に説明する。まずＮ型の半導体基板８０１を用意する。次に、第１ウェル８０２ａに対応する位置に開口を有する第１マスクを形成する。第１マスクを用いたイオン注入により第１ウェル８０２ａを形成する。続いて、第２ウェル８０２ｂに対応する位置に開口を有する第２マスクを形成する。第２マスクを用いたイオン注入により第２ウェル８０２ｂを形成する。イオン注入のエネルギーを変えることで、下端の深さが異なる第１ウェル８０２ａ及び第２ウェル８０２ｂを形成することができる。
【０１２３】
別の形成方法としては、Ｎ型の半導体基板８０１を用意し、Ｐ型ウェル８０２が配される領域の全面に同じ深さのＰ型半導体領域を形成する。そして、第１ウェル８０２ａに対応する領域にだけ、最初に形成したＰ型半導体領域よりも深い位置にＰ型半導体領域を形成するためのイオン注入を行う。あるいは、第２ウェル８０２ｂに対応する領域にだけ、カウンターでＮ型の不純物（ドナー）をイオン注入する。なお、これらの方法は一例であり、Ｐ型ウェル８０２を形成するために他の公知の方法を用いてもよい。
【０１２４】
次に本実施例の効果について説明する。本実施例においては、Ｐ型ウェル８０２の下部に、Ｎ型の半導体基板８０１が配される。そのため、Ｐ型ウェル８０２と半導体基板８０１との境界付近では、電子がＰ型ウェル８０２から半導体基板８０１に向かうようなポテンシャル勾配が形成される。つまり、Ｐ型ウェル８０２は半導体基板８０１にある電子にとってのポテンシャル障壁となりうる。
【０１２５】
回路部４が遮蔽部７で覆われていても、例えば斜めに入射する軟Ｘ線８０３が回路部４に入射し、回路部４で複数の電子が発生することが考えられる。つまり、回路部４が遮蔽部７で覆われていても、回路部４に近い領域が電荷発生領域８０４に含まれる場合がある。本実施例の構造によれば、第２ウェル８０２ｂの下端近傍や下端よりも深い位置で発生した電子は、ポテンシャル障壁のために変換部３に収集される可能性が低い。また、回路部４の第２ウェル８０２ｂの下端は、浅い位置にある。そのため、回路部４の第２ウェル８０２ｂの下端よりも浅い領域で発生した電子は、近くの電源部などに排出されやすい。つまり、回路部４で発生した電子は、いずれも変換部３に収集されることなく、電源部などに排出されやすいのである。一方、変換部３においては、第１ウェル８０２ａの下端が深い位置にある。そのため、変換部３で発生した電子は半導体基板８０１に排出されにくい。
【０１２６】
先述の通り、発生した電子の一部が変換部３に収集され、他の一部が別の場所に排出されると、軟Ｘ線のエネルギーを反映していない信号が出力されうる。発生した電子の全てを読み出すか、あるいは発生した電子の全てが排出されることで、エネルギーを正確に反映した信号を得ることができる。本実施例の構成によれば、変換部３に軟Ｘ線が入射した場合には、発生した電子の全てが変換部３に収集される可能性を高くすることができる。そして、回路部４に軟Ｘ線が入射した場合には、発生した電子の全てが排出される可能性を高くすることができる。したがって、より正確な軟Ｘ線の検出が可能となる。
【０１２７】
なお、本実施例の検出ユニット１の等価回路及び平面構造は、実施例１〜３のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。
【実施例５】
【０１２８】
本発明に係る第５の実施例の軟Ｘ線検出装置９００について説明する。図９は軟Ｘ線検出装置９００の検出ユニット１及び配線部の断面を示す概略図である。図１（実施例１）または図５（実施例２）または図８（実施例４）と同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例では、半導体基板２の上に配された絶縁体の構造が特徴である。実施例１〜４と異なっている部分について説明する。特に説明がない構成については、実施例１〜４のいずれかと共通の構成とすることができる。
【０１２９】
半導体基板２の上に、３つの配線層９０１〜９０３が配される。第１配線層９０１は、導電部材９０１ａ、９０２ｂを含む。第２配線層９０２は、第１配線層９０１の上に配される。第２配線層９０２は、導電部材９０２ａ、９０２ｂを含む。第３配線層９０３は、第２配線層９０２の上に配される。第３配線層は、導電部材９０３ａ、９０３ｂを含む。導電部材はアルミニウムで構成される。３つの配線層９０１〜９０３の上に、第４配線層９０４が配される。第４配線層９０４は遮蔽部７を含む。つまり、遮蔽部７は、複数の配線層のうち、半導体基板２から最も遠い位置にある配線層に含まれる。
【０１３０】
導電部材９０１ａ〜９０３ｂのそれぞれは配線を構成する。例えば、導電部材９０１ａは変換部３からの信号が出力される出力線を構成する。例えば、導電部材９０１ｂはＦＤと増幅トランジスタのゲート電極とを接続する配線を構成する。例えば、導電部材９０２ａ、９０２ｂは、それぞれ転送ゲート電極及びリセットトランジスタのゲート電極に電圧を供給するための配線を構成する。また、例えば導電部材９０３ａ、９０３ｂは電源電圧を供給する配線を構成する。
【０１３１】
各導電部材９０１ａ〜９０３ｂ及び遮蔽部７は、層間絶縁膜９０５によって互いに絶縁される。層間絶縁膜９０５には例えばシリコン酸化膜を用いることができる。本実施例において、変換部３の上の層間絶縁膜９０５の厚さｄ１は、半導体基板２の表面から遮蔽部７の半導体基板２の側の面までの距離ｄ２よりも小さい。つまり、変換部３において、層間絶縁膜９０５が薄くなっている。さらに、本実施例では変換部３の上には、光を集めるためのマイクロレンズが配されない。このような構成によれば、変換部３の上に配される部材の厚さが小さいため、吸収される軟Ｘ線の量を小さくすることができる。つまり、感度を向上させることが可能となる。
【０１３２】
導電部材は、例えばアルミニウムや銅で形成される。特に、導電部材には遮蔽部７を構成する材料よりも電気伝導度の高い材料が用いられてもよい。アルミニウムや銅はタンタルに比べて電気伝導度が高い。
【０１３３】
導電部材９０１ａ〜９０３ｂと層間絶縁膜９０５の間には、必要に応じてバリアメタルが配されてもよい。バリアメタルは配線の材料となる金属が拡散することを低減しうる。そのため、バリアメタルにおける金属の拡散係数は、層間絶縁膜９０５における金属の拡散係数より低くてもよい。バリアメタルの材料は、タンタル、タングステン、チタンであってもよい。なお、バリアメタルは電気伝導を主たる目的としないので、バリアメタルの膜厚は接触している導電部材の膜厚よりも薄くてもよい。これに対して、遮蔽部７は別の導電部材とは接触していなくてよい。もちろん、遮蔽部７が別の導電部材と接触してもよい。この場合には、遮蔽部７の膜厚は、遮蔽部７と接触している別の導電部材の膜厚よりも厚くてもよい。あるいは、遮蔽部７の膜厚は、バリアメタルの膜厚より厚くてもよい。
【０１３４】
このような構成によれば、遮蔽の機能と信号伝達の機能を別々の配線層で分離することができるので、高い遮蔽性能と高い信号伝達能力を両立させることが容易になる。
【０１３５】
本実施例の検出ユニット１の等価回路及び平面構造は、実施例１〜４のいずれかの検出ユニット１と同様であってもよい。また、実施例１の変形例で説明した変形が可能である。本実施例の構成は、実施例１〜４と組み合わせることが可能である。例えば、配線の構造、層間絶縁膜９０５の構造をそれぞれ単独に上述の実施例１〜４と組み合わせてもよい。実施例２と組み合わせる場合には、軟Ｘ線が入射する側に遮蔽部７が配され、それとは反対側に配線層９０１〜９０３が配される。また、実施例１〜４において、マイクロレンズが配されない構成とすることも可能である。
【実施例６】
【０１３６】
本発明に係る第６の実施例の軟Ｘ線検出装置１０００について説明する。図１０は本実施例の軟Ｘ線検出装置１０００の断面の概略図を示す図である。図１０において、図８（実施例４）と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例の軟Ｘ線検出装置１０００は、遮蔽部７を有していないことが特徴である。それ以外の構成は、実施例４と同様とすることができる。つまり、実施例４の変形例として、遮蔽部７を省略することが可能である。
【０１３７】
この理由は、実施例４で説明されたように、変換部３のＰ型ウェル８０２ａと回路部４のＰ型ウェル８０２ｂの下端の位置が異なることによって、正確な軟Ｘ線の検出が可能となるからである。先に述べたように、半導体基板２に軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷のうち、一部の電荷のみが読み出されることが、正確性の向上における課題である。本実施例のウェル構造によって、回路部４に軟Ｘ線が入射したことによって発生した電荷は、全てが排出される可能性が高い。つまり、遮蔽部７を省略しても、Ｐ型ウェルの構造のみによって、軟Ｘ線検出の正確性を向上させることができるのである。
【実施例７】
【０１３８】
本発明に係る軟Ｘ線検出装置を含む軟Ｘ線撮像システムの実施例について図１１を用いて説明する。本実施例の軟Ｘ線撮像システムは、実施例１〜６の軟Ｘ線検出装置１００、５００、６００、８００、９００、１０００のいずれかを有する。軟Ｘ線撮像システムは、さらに軟Ｘ線検出装置からの信号を処理する信号処理回路１１０１、軟Ｘ線検出装置を駆動するための駆動回路１１０２を有する。信号処理回路１１０１や駆動回路１１０２には固体撮像装置に適用しうる公知の回路を用いることができる。信号処理回路１１０１の一部または全部、及び駆動回路１１０２の一部または全部が１つの半導体基板に配されてもよい。あるいは、信号処理回路１１０１、または駆動回路１１０２が、軟Ｘ線検出装置の有する半導体基板とは別の半導体基板に配されてもよい。
【０１３９】
また、軟Ｘ線撮像システムは、推進装置を備えていてもよい。例えば、推進装置は衛星軌道上に配された軟Ｘ線検出システムの位置を制御するものである。あるいは、推進装置は地球の地表から衛星軌道上に軟Ｘ線検出システムを移動させるためのロケットエンジンであってもよい。これらの推進装置は着脱可能であってもよい。
【０１４０】
このような軟Ｘ線撮像システムの駆動方法の例について説明する。軟Ｘ線のエネルギーを測定する目的の場合には、１回の蓄積期間に１つの検出ユニットに入射するフォトンの平均数が１以下になるように、駆動回路１１０２が軟Ｘ線検出装置を駆動する。つまり、入射する軟Ｘ線の量に基づいて、十分に短い蓄積期間を設定すればよい。具体的には、軟Ｘ線の量はあるユニット面積においてユニット時間あたりに照射されるフォトンの数で表される。そこで、検出ユニットの面積から、ユニット時間あたりに１つの検出ユニットに照射されるフォトンの数を計算すれば、蓄積期間をいくつに設定すればよいか決定することができる。そして１回の蓄積動作を行ったあとに軟Ｘ線検出装置が信号電荷を信号として出力し、信号処理回路１１０１が画像を作成する。この画像は、各検出ユニットに入射した軟Ｘ線のエネルギーを２次元平面にマッピングしたものであってもよい。
【０１４１】
さらに、入射する軟Ｘ線の量（強度）、つまり、フォトンの数を検出する場合には、上述の蓄積動作を複数回繰り返して、蓄積のたびに信号を読み出せばよい。例えば、地球の衛星軌道上で太陽が発する軟Ｘ線を検出すると、軟Ｘ線検出装置の１つの検出ユニットに毎秒数百個のフォトンが入射する場合がある。これらのフォトンの数とエネルギーを測定するためには、１秒間に数百〜数千枚の画像を撮像し、読み出す必要がある。ＣＣＤ型の軟Ｘ線検出装置でこのような高速の読み出しを行うためには、検出ユニット数を減らして解像度を犠牲にする必要がある。これに対して、本発明に係る軟Ｘ線検出装置は検出ユニットに増幅部を有するので、解像度を犠牲にすることなく高速の撮影を行うことが可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
１ 検出ユニット
２ 半導体基板
３ 変換部
４ 回路部
６ 増幅トランジスタ
７ 遮蔽部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換部と回路部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板へ入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部と、
を備えた軟Ｘ線検出装置であって、
前記変換部には、前記半導体基板に入射した軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、
前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、
前記遮蔽部は前記複数の増幅トランジスタのゲート電極よりも上に配され、
前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板へ射影が前記回路部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項２】
変換部と回路部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板へ入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部と、
を備えた軟Ｘ線検出装置であって、
前記変換部には、前記半導体基板に入射した軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、
前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、
前記複数の増幅トランジスタのゲート電極は、前記半導体基板の２つの主面のうち第１主面に配され、
前記遮蔽部は、前記半導体基板の２つの主面のうち、前記第１主面とは反対側の第２主面に配され、
前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板へ射影が前記回路部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項３】
前記遮蔽部の別の一部の前記半導体基板へ射影が前記変換部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項４】
前記遮蔽部の前記一部と、前記遮蔽部の前記別の一部とが連続して配されたことを特徴とする請求項３に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項５】
前記遮蔽部の前記一部と、前記遮蔽部の前記別の一部とが、互いに分離されて配されたことを特徴とする請求項３に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項６】
前記遮蔽部の前記別の一部は、前記変換部のうち、前記変換部と前記回路部との境界から所定の距離以内の第１領域と重なるように配され、
前記変換部のうち、前記第１領域を除く第２領域には、前記遮蔽部が重ならないことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項７】
前記所定の距離は、０．１〜２．０マイクロメートルの範囲内であることを特徴とする請求項６に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項８】
前記所定の距離は、１つの前記軟Ｘ線のフォトンが前記半導体基板に入射したときに電荷が発生する領域を包含する最小の球の半径よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項９】
前記所定の距離をＬ（マイクロメートル）、前記半導体基板に入射した前記軟Ｘ線のエネルギーをＥ（ｋｅＶ）としたとき、前記所定の距離Ｌが以下の式で表されることを特徴とする請求項６に記載の軟Ｘ線検出装置。
【数１】
【請求項１０】
前記半導体基板の上に配された複数の配線層を有し、
前記遮蔽部は前記複数の配線層のうちの一つの配線層に含まれ、
前記一つの配線層とは別の配線層に含まれる配線を構成する材料のうち少なくとも一つの材料の電気伝導度が、前記遮蔽部を構成する材料の電気伝導度よりも高いこと特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１１】
前記一つの配線層が、前記複数の配線層のなかで前記半導体基板から最も遠い位置に配されたことを特徴とする請求項１０に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１２】
前記遮蔽部が、前記一つの配線層を含む少なくとも二つの配線層のそれぞれに含まれることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１３】
前記別の配線層に含まれる前記配線は、第１の導電部材と、前記第１の導電部材に接するように配され、前記第１の導電部材よりも電気伝導度の低い第２の導電部材とを含んで構成され、
前記遮蔽部の厚さが前記第２の導電部材の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１４】
前記第２の導電部材が、前記第１の導電部材を構成する材料の拡散を低減することを特徴とする請求項１３に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１５】
前記複数の変換素子のそれぞれは、前記電荷が収集される第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の下に配された第２導電型の第２半導体領域とを含み、
前記回路部は、前記複数の増幅トランジスタのそれぞれのソース領域またはドレイン領域が配される第２導電型の第３半導体領域を含み、
前記第２半導体領域の下、及び前記第３半導体領域の下に、第１導電型の第４半導体領域が配され、
前記第２半導体領域の下端は、前記第３半導体領域の下端よりも前記半導体基板の深い位置にあることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１６】
前記遮蔽部の厚さが０．５〜１．０マイクロメートルの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１７】
前記遮蔽部は、アルミニウム及び銅よりも前記軟Ｘ線の遮蔽係数が高い材料を含んで構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１８】
前記遮蔽部は原子番号が７０以上の材料を含んで構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１９】
前記遮蔽部を構成する材料はタングステン、タンタル、金のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２０】
前記軟Ｘ線検出装置は、前記半導体基板の上に配された絶縁体をさらに有し、
前記絶縁体の前記変換部の上に配された部分の厚さが、前記半導体基板の表面から前記遮蔽部までの距離よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２１】
前記変換部の上にマイクロレンズが配されていないことを特徴とする請求項１乃至請求項２０のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２２】
０．１ｎｍ〜１０ｎｍの波長を有する軟Ｘ線を、０．１ｎｍより小さい波長、あるいは、１０ｎｍより大きい波長の電磁波に変換する波長変換部が配されていないことを特徴とする請求項１乃至請求項２１のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２３】
前記半導体基板に入射する軟Ｘ線の波長は０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２４】
前記半導体基板に入射する軟Ｘ線のエネルギーは１０ｋｅＶ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２５】
変換部と回路部とを含む半導体基板を備えた軟Ｘ線検出装置であって、
前記変換部には、軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、
前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、
前記複数の変換素子のそれぞれは、前記電荷が収集される第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の下に配された第２導電型の第２半導体領域とを含み、
前記回路部は、前記複数の増幅トランジスタのそれぞれのソース領域またはドレイン領域が配される第２導電型の第３半導体領域を含み、
前記第２半導体領域の下、及び前記第３半導体領域の下に、第１導電型の第４半導体領域が配され、
前記第２半導体領域の下端は、前記第３半導体領域の下端よりも前記半導体基板の深い位置にあることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項２６】
請求項１乃至請求項２５のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置と、
前記軟Ｘ線検出装置から出力された信号を処理する信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路が前記信号に基づいて前記半導体基板に入射した軟Ｘ線のエネルギーを計算することを特徴とする軟Ｘ線検出システム。
【請求項２７】
請求項１乃至請求項２５のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置と、
前記軟Ｘ線検出装置から出力された信号を処理する信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路が前記信号に基づいて画像を作成することを特徴とする軟Ｘ線検出システム。
【請求項１】
変換部と回路部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板へ入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部と、
を備えた軟Ｘ線検出装置であって、
前記変換部には、前記半導体基板に入射した軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、
前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、
前記遮蔽部は前記複数の増幅トランジスタのゲート電極よりも上に配され、
前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板へ射影が前記回路部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項２】
変換部と回路部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板へ入射する軟Ｘ線の量を低減する遮蔽部と、
を備えた軟Ｘ線検出装置であって、
前記変換部には、前記半導体基板に入射した軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、
前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、
前記複数の増幅トランジスタのゲート電極は、前記半導体基板の２つの主面のうち第１主面に配され、
前記遮蔽部は、前記半導体基板の２つの主面のうち、前記第１主面とは反対側の第２主面に配され、
前記遮蔽部の少なくとも一部の前記半導体基板へ射影が前記回路部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項３】
前記遮蔽部の別の一部の前記半導体基板へ射影が前記変換部と重なるように前記遮蔽部が配されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項４】
前記遮蔽部の前記一部と、前記遮蔽部の前記別の一部とが連続して配されたことを特徴とする請求項３に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項５】
前記遮蔽部の前記一部と、前記遮蔽部の前記別の一部とが、互いに分離されて配されたことを特徴とする請求項３に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項６】
前記遮蔽部の前記別の一部は、前記変換部のうち、前記変換部と前記回路部との境界から所定の距離以内の第１領域と重なるように配され、
前記変換部のうち、前記第１領域を除く第２領域には、前記遮蔽部が重ならないことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項７】
前記所定の距離は、０．１〜２．０マイクロメートルの範囲内であることを特徴とする請求項６に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項８】
前記所定の距離は、１つの前記軟Ｘ線のフォトンが前記半導体基板に入射したときに電荷が発生する領域を包含する最小の球の半径よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項９】
前記所定の距離をＬ（マイクロメートル）、前記半導体基板に入射した前記軟Ｘ線のエネルギーをＥ（ｋｅＶ）としたとき、前記所定の距離Ｌが以下の式で表されることを特徴とする請求項６に記載の軟Ｘ線検出装置。
【数１】
【請求項１０】
前記半導体基板の上に配された複数の配線層を有し、
前記遮蔽部は前記複数の配線層のうちの一つの配線層に含まれ、
前記一つの配線層とは別の配線層に含まれる配線を構成する材料のうち少なくとも一つの材料の電気伝導度が、前記遮蔽部を構成する材料の電気伝導度よりも高いこと特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１１】
前記一つの配線層が、前記複数の配線層のなかで前記半導体基板から最も遠い位置に配されたことを特徴とする請求項１０に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１２】
前記遮蔽部が、前記一つの配線層を含む少なくとも二つの配線層のそれぞれに含まれることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１３】
前記別の配線層に含まれる前記配線は、第１の導電部材と、前記第１の導電部材に接するように配され、前記第１の導電部材よりも電気伝導度の低い第２の導電部材とを含んで構成され、
前記遮蔽部の厚さが前記第２の導電部材の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１４】
前記第２の導電部材が、前記第１の導電部材を構成する材料の拡散を低減することを特徴とする請求項１３に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１５】
前記複数の変換素子のそれぞれは、前記電荷が収集される第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の下に配された第２導電型の第２半導体領域とを含み、
前記回路部は、前記複数の増幅トランジスタのそれぞれのソース領域またはドレイン領域が配される第２導電型の第３半導体領域を含み、
前記第２半導体領域の下、及び前記第３半導体領域の下に、第１導電型の第４半導体領域が配され、
前記第２半導体領域の下端は、前記第３半導体領域の下端よりも前記半導体基板の深い位置にあることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１６】
前記遮蔽部の厚さが０．５〜１．０マイクロメートルの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１７】
前記遮蔽部は、アルミニウム及び銅よりも前記軟Ｘ線の遮蔽係数が高い材料を含んで構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１８】
前記遮蔽部は原子番号が７０以上の材料を含んで構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項１９】
前記遮蔽部を構成する材料はタングステン、タンタル、金のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２０】
前記軟Ｘ線検出装置は、前記半導体基板の上に配された絶縁体をさらに有し、
前記絶縁体の前記変換部の上に配された部分の厚さが、前記半導体基板の表面から前記遮蔽部までの距離よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２１】
前記変換部の上にマイクロレンズが配されていないことを特徴とする請求項１乃至請求項２０のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２２】
０．１ｎｍ〜１０ｎｍの波長を有する軟Ｘ線を、０．１ｎｍより小さい波長、あるいは、１０ｎｍより大きい波長の電磁波に変換する波長変換部が配されていないことを特徴とする請求項１乃至請求項２１のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２３】
前記半導体基板に入射する軟Ｘ線の波長は０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２４】
前記半導体基板に入射する軟Ｘ線のエネルギーは１０ｋｅＶ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置。
【請求項２５】
変換部と回路部とを含む半導体基板を備えた軟Ｘ線検出装置であって、
前記変換部には、軟Ｘ線を電荷に変換する複数の変換素子が配され、
前記回路部には、前記複数の変換素子のぞれぞれで生じた電荷に基づく信号を出力する複数の増幅トランジスタが配され、
前記複数の変換素子のそれぞれは、前記電荷が収集される第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の下に配された第２導電型の第２半導体領域とを含み、
前記回路部は、前記複数の増幅トランジスタのそれぞれのソース領域またはドレイン領域が配される第２導電型の第３半導体領域を含み、
前記第２半導体領域の下、及び前記第３半導体領域の下に、第１導電型の第４半導体領域が配され、
前記第２半導体領域の下端は、前記第３半導体領域の下端よりも前記半導体基板の深い位置にあることを特徴とする軟Ｘ線検出装置。
【請求項２６】
請求項１乃至請求項２５のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置と、
前記軟Ｘ線検出装置から出力された信号を処理する信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路が前記信号に基づいて前記半導体基板に入射した軟Ｘ線のエネルギーを計算することを特徴とする軟Ｘ線検出システム。
【請求項２７】
請求項１乃至請求項２５のいずれか一項に記載の軟Ｘ線検出装置と、
前記軟Ｘ線検出装置から出力された信号を処理する信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路が前記信号に基づいて画像を作成することを特徴とする軟Ｘ線検出システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−３６８１４（Ｐ２０１３−３６８１４Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１９７３（Ｐ２０１１−１７１９７３）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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