DE2131755B2

DE2131755B2 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Teilchendetektors mit NIP-Struktur und Verwendung von danach hergestellten Detektoren

Info

Publication number: DE2131755B2
Application number: DE19712131755
Authority: DE
Inventors: Arlette Gif Sur Yvette Garin Geb. Bonnet; Michel Longjumeau Oria; Bernard Paris Waast
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-06-26
Filing date: 1971-06-25
Publication date: 1974-10-17
Also published as: CH546412A; IT939723B; ES392672A1; DE2131755C3; FR2094616A5; BE768570A; DE2131755A1; GB1320834A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung sines Halbleiter-Teilchendetektors mit NIP-Struktur, bei dem eine der nicht kompensierten Zonen eines durch einen Lithium-Diffusions- und -Driftprozeß hergestellten NIP-Halbleiterkörpers durch Abschleifen entfernt und auf der dadurch freigelegten Fläche der Intrinsik-Zone durch lotien-Implantation ein Kontakt mit dünner Totschicht hergestellt wird. Nach diesem Verfahren hergestellte Detektoren sind insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Nuklearteilchen großer Energie verwendbar. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung von nach diesem Verfahren hergestellten Detektoren. «5

Halbleiterdetektoren auf der Basis von Silizium oder Germanium weisen einen PN- oder NlP-Übergang, der invers polarisiert ist, auf, wie Fig. 1 zeigt.

Die Zonen 11 des N-Typs und 12 der P_:Typ» sind t ii bzw negativen Anschlüssen einer el 13 verbunden. Die Breite der SSS 14 ist eine Funktion der Größe SeTpolafflnsspannung. Die in diese Detektoren Sndringenden geladenen Teilchen die in Fig. 1 H.irch cBe Pfeile angedeutet sind, geben ihre Energie Äkionen-Ucb-Paare ab. die durch das Feld geänraelt werden, das in der Raumladungszone 14 hemd«. Die von den in den Zonen 11 und 12 bleibenden TeUchen abgegebene Energie wird rocht erfaßt Diese Zonen stellen daher sogenannte tote Zonen,' die auch Fenster genannt werden (z. B. Eintrittsfenster an dtr N-Seite und Ausgangsfenster an der P-Seite), dar. Daraus folgt, daß zum Messen SertesLin EnSe der Teilchen die Halbleiterdetektoren einerseits ein Eingangsfenster, durch das die TeUchen eintreten, von möglichst geringer Starke und andererseits eine ausreichende Dirke der Raumladungszone 14 zum Absorbieren der gesamten Energie aufweisen müssen. .

Die Detektoren des PN-Tyns mit Oberflachensperrschicht weisen wohl ein sehr dünnes Eingangsfenster der Größenordnung von K)O A auf, jedoch uneünstigerweise ist die Raumladungszone zu wenig tief nämlich weniger als 3 mm, um Teilchen großer Energie angemessen zu sein. Was die diffundierten PN-Ubergänge betrifft, so weisen diese ebenfalls eine uneenügende Raumladungszone auf.

Die Detektoren de« NlP-Typs weisen im Gegensatz dazu eine durch die Intrinsikzone I dargestellte Nutzzone von größerer Dicke (bis zu 1 cm für Silizium und 2 cm für Germanium) auf, und man kann also hier die energiereichen Teilchen anhalten, doch bildet die N-Zone ein Fenster von wesentlicher Dicke, das sich mit der gegenwärtigen Technik nicht auf weniger als 73 μτα verringern läßt. Das andere Fenster auf der P-Seite läßt sich auf die Wanddicke des Ohmschen Kontaktes begrenzen. Wenn man also die Teilchen von hinten (P-Seite) eindringen läßt, genügen diese bekannten NIP-Detektoren für die Teilchen mittlerer Energie (Protonen von 40 MeV in Silizium und 60 MeV in Germanium für 1 cm Nutzzone).

Bei dem eingangs genannten, aus -«Nuclear Instrumentsand Methods«, Bd. 63, 1968,Nr. 2, Seilen 141. 149 und 150 bekannten Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiter-Teilchendetektors mit NIP-Struktur wird nun die P-Zone des durch einen Lithium-Diffusions- und -Driftprozeß hergestellten NIP-Halbleiterkörpers durch Abschleifen entfernt, und die Rückseite wird mit Galliumionen bei Raumtemperatur implantiert, um einen Kontakt mit dünner Totschicht herzustellen.

Aus »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 37, 1965, Nr. 2, Seite 204, ist es bekannt, auf der durch Abschleifen der P-Zone freigelegten I-Zone einen Kontakt durch Aufdampfen von Gold im Vakuum aufzubringen, ....

In »IEEE-Transaction» on Nuclear Science«, Bd. NS-13,1966, Nr. 1, Seiten 22 lind 23, ist, jedoch ohne Hinweis auf Teilchendetektoren, eine Implantation von Akzeptor- oder Donatorionen durch eine zuvor aufgestäubte Quaßsehicht beschrieben, die in einem besonderen Arbeitsgang dort entfernt werden muß, wo Kontakte anzubringen sind.

Aus »IEEE-Transactions on Nuclear Science«, Bd. NS-17,1970, Nr. 1, Seiten 24 und 25, ist es bekannt, die Implantation Ohme Zwischenschicht vorzunehmen

und nachher auf die implantierte Schicht eine dünne üoldficbicht aufzubringen.

Ein Detektor, bei dem eine P-Ringzone von einer mit Lithium dotierten Schicht durch eine Nut getrennt jst, ist aus der USA.-Patentscbrift 3413 528 bekannt.

Schließlich bind in der französischen Patentschrift 1576 367 Stapel von gleichartigen NIP-Halbleiterdetektoren mit besonderen schützenden Einfassungen beschrieben wobei die N -Zone durch thermische Diffusion mit lithium dotiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Teilchen detektoren anzugeben, das Detektoren liefert, die bei Stapelung mehrerer Einzeldetektoren eine geringere Gesarat-Totscnicbtdicke und damit einen höheren Nachweis-Wirkungsgrad ergeben.

Diese Aufgabe wild bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß, ausgehend von einem NIP-Halbleiterkorper mit ringförmiger, die der Z-Zone entgegengesetzte Seite der Intrinsik-Zone freilassender P-Zone, beim Abschleifen die N-Zone entfernt wird daß vor der Ionen-Implantation eine Metallschicht im Vakuum auf der freigelegten Fläche der Intrinsik-Zone niedergeschlagen wird und daß die Implantation durch die Metallschicht hindurch und mit Lithium-Ionen vorgenommen wird.

Durch diese Arbeitsweise werden nicht nur eine geringere Gesamt-Totschichldickc und ein höherer Nachweis-Wirkungsgrad bei Stapelung mehrerer Einzeldetektoren im Vergleich mit den bekannten Detektorstapeln erreicht, sondern es ergibt sich auch der Vorteil, daß die Implantation von Lithium durch eine vorher aufgedampfte Metall-, insbesondere Goldschicht einerseits zu einer dünneren und weniger Kristallgitterschäden aufweisenden, einer durch eine Quarzschicht implantierten überlegenen, Schicht führt und andererseits eine direkte Verwendung dieser Metallzwischenschicht als Kontaktschicht ermöglicht.

Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sowie eine Verwendung der nach dem Verfahren hergestellten Detektoren sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 sehr schematisch einen invers polarisieriten bekannten Detektor, wobei die Pfeile die zu messenden Teilchen andeuten,

Fig. 2 einen bekannten NIP-Detektor, der thermisch diffundiert ist, im Schnitt nach einer Ebene durch seine Achse,

Fig. 3 ausgehend von Fig. 2 die Herstellungeines NIP-Detektors, der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung implantiert wird, und

Fig. 4 einen fertigen implantierten NIP-Detcktor im Schnitt nach einer durch seine Achse gehenden Ebene.

Da die Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung von den bekannten NIP-Detektoren ausgeht, sollen die allgemeinen Einzelheiten davon kurz erläu tert werden. Wie Fig. 2 zeigt, wird am mittleren Teil eines Halbleiterkörpers des P-Typs, der vorher oberflächenbehandelt ist, im Vakuum eine Lithiumschicht (Dotierungsstoff dvs N-Typs) niedergeschlagen. Ein NP-Übergang wird dann durch thermische Diffusion erzeuet. Die Dickfc der erhaltenen N-Diffusionsschicht 16 Unn (im Fall von Si) nicht unter 75 μτα win und stellt die insbesondere im Fall der Stapelung mehrerer Detektoren störende tote Zone dar. Der folgende Arbeitstichritt besteht darin, die Utbiumio-

S nen durch die ganze mittlere Zone 17 wandern zu lassen, indem man ein umgekehrtes elektrisches Feld anlegt und eine solche Temperatur einwirken läßt, bei der die Beweglichkeit des Lithiums ausreichend ist. Die Lithiumionen kompensieren in dieser Zoi.e 17

"> genau die Akzeptoren und bilden so eine dicke Intrinsik( l)-Zone (bis zu 1 cm dick für Si und 2 cm für Ge). Um korrekt zu kollektieren, müssen die Elektroden der Detektoren ohmsche Kontakte bilden, und zu diesem Zweck schlägt man an ihrer Eingangs- und Aus-

gangsoberf iäche zwei metallische Kontakte 18 und 19, im allgemeinen aus Gold, nieder. Zum Betrieb dieser Einheit als Detektor von Teilchen werden die Plusbzw. Minus-Anschlüsse einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle mit den Kontakten 18 bzw. 19

zn verbunden. Es ist ebenfalls zu erwähnen, daß man eine Nut 20 aushöhlt, um den Kurzschluß zwischen der N-Diffusionsschicht 16 und du verbleibenden ringförmigen P-Zone 15 zu vermeiden. Wie schon angegeben, besitzt daher dieser Detektor eine ausreichend

*5 dicke Nutzzone für Protonen von 40 bis 60 MeV. Das iv dicke Eingangsfenster (über 75 μτη) erlaubt jedoch nicht die Stapelung mehrerer Detektoren für Teilchen höherer Energien.

Es wird nunmehr als Beispiel die Herstellung eines NIP-Detektors aus Silizium nach dem erfindungsgemälkn Verfahren beschrieben. Die Fig. 3 und 4, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und2 bezeichnet sind, zeigen sehr schematisch die Herstellung eines solchen implantierten NIP-Detektors, ausgehend von dem bekannten NIP-Detektor nach Fig. 2 auf Siliziumbasis. Man schleift nach der strichpunktierten Linie 21 die N-Diffusionsschicht 16 völlig in einer genügenden Schichtdicke ab, z. B. einer Dicke von 100 μπι, wenn daa Eingangsfenster 75 μπι dick war. Man schlägt anschließend im Vakuum, wie Fig. 4 zeigt, eine Metallschicht 22 nieder. Dann wird eine N-Zone 23 durch Implantation von Lithiumionen in den Siliziumkörper durch diese metallische Schicht hindurch hergestellt. Um ein äußerst dünnes Fenster von nahezu verschwindender Dicke zu haben, ist es nötig, daß die Dicke der metallischen Schicht 22 der mittleren Reichweite von Lithiumionen in dieser Schicht entspricht. Als Funktion der Natur des gewählten Metalls liegt die Energie der verwendeten Lithium-Ionen zwischen einem bis zu mehreren keV. Die metallische Schicht begrenzt beim Diffundieren und Verlangsamen der Lithiumionen die Schaden in den Oberflächenschichten des Kristallgitters und begünstigt die Kanalisation der Ionen (die kanalisierten Ionen verursachen toine Gitter-Versetzungen).

Eine besonders vorteilhafte Durchführungsweise des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, die Implantation durch eine Goldschicht hindurch vorzu-

nehmen. Tatsächlich soll die Schicht 22 einerseits als Kollektorelektrode für den fertigen Detektor und andererseits dazu dienen, einen guten Kontakt am Sili zium zu sichern und allen physikalischen und chemischen Behandlungen während und nach der Implantation zu widerstehen.

Man muß offenbar erneut eine Nut 24 (F i g. 4) aushöhlen, um den Kurzschluß zwischen der ringförmigen P-Zone 15 und der implantierten N-Zone 23 zu ver»

meiden. Der so hergestellte implantierte NIP-Detektor aus Silizium weist angenähert folgende Maße auf:

Dicke der implantierten N-Zone 23: unter I μιη;

Dicke der Metallschicht 22: 185 A für Lithiumionen von 18,5 keV.

Diese Dicke kann bis auf 100 A vcrrin wenn die Energie der Ltthiumtonen ver Tiefe der Nutzzonc: bis zu 1 cm fiii Dicke des Kontakts 19: 100 A;
nutzbare F.ingaiigsobcrfläche: ein bis ι

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Teüchendetektore mit NIP-Struktur, bei dem eine der nicht kompensierten Zonen eines durch einen Lithium-Diffusions- und -Driftprozeß hergestellten NlP-Halbleiterkörpere durch Abschleifen entfernt und auf der dadurch freigelegten Fläche der Intrinsik-Zone durch Ionen-Implantation ein Kontakt mit dünner Totschicht hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von einem NIP-Halbleiterkörper mit ringförmiger, die der N-Zone entgegengesetzte Seite der Intrinsik-Zone (17) freilassender P-Zone (15), beim Abschleifen die N-Zone entfernt wird, daß vor der Ionen-Implantation eine Metallschicht (22) im Vakuum auf der freigelegten Räche der Intrinsik-Zone (17) niedergeschlagen wird und daß die Implantation durch die Metallschicht (22) hindurch und mit Lithium-Ionen vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (22) mit einer der mittleren Reichweite der Lithiumionen in dieser Schicht entsprechenden Dicke aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch auf der der implantierten Schicht (?3) entgegengesetzten Seite der ringförmigen P-Zone (15) und der I-Zone (17) eine Metallschicht (19) niecierges» klagen wird und die beiden Metallschiditen (22, IQ) aus Gold hergestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Halbleiterkörper (17) aus Silizium ausgegangen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Ringzone (15) von der implantierten Schicht (23) durch eine Nut (24) getrennt wird.

6. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellten Halbleiter-Teilchendetektors zum Aufbau eines Stapels aus einer Mehrzahl solcher Detektoren.

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