DE2131755C3 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Teilchendetektors mit NIP-Struktur und Verwendung von danach hergestellten Detektoren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Teilchendetektors mit NIP-Struktur und Verwendung von danach hergestellten DetektorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Teilchendetektors mit NIP-Struktur,
bei dem eine der nicht kompensierten Zonen eines durch einen Lithium-Diffusions- und -Driftproieß
hergestellten NIP-Halbleiterkörpers durch Abschleifen entfernt und auf der dadurch freigelegten
Fläche der Intrinsik-Zone durch Ionen-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.
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-Typs s>nd
mit den positiven bzw. negativen Anschlüssen einer Gleichspannungsquelle 13 verbunden. Die Breite der
Raumladungszone 14 ist eine Funktion der Größe
S dieser Polarisationsspannuug. Die in diese Detektoren
eindringenden geladenen Teilchen, die in Fig. 1 durch die Pfeile angedeutet sind, geben ihre Energie
an Eiektronen-Loch-Paare ab, die durch das Feld gesammelt werden, das in der Raumladungszone 14
ίο herrscht. Die von den in den Zonen 11 und 12 bleibenden
Teilchen abgegebene Energie wird nicht erfaßt. Diese Zonen stellen daher sogenannte tote Zonen,
die auch Fenster genannt werden (z. B. Eintrittsfenster an der N-Seite und Ausgangsfenstcr
an der P-Seite), dar. Daraus folgt, daß zum Messen der gesamten Energie der Teilchen die Halbleiterdetektoren
einerseits ein Eingangsfenster, durch das die Teilchen eintreten, von möglichst geringer Stärke und
andererseits eine ausreichende Dicke der Raumiadungszone 14 zum Absorbieren der gesamten Energie
aufweisen müssen.
Die Detektoren des PN-Typs mit Oberflächensperrschicht
weisen wohl ein sehr dünnes Eingangsfenster der Größenordnung von KM) A auf, jedoch
as ungünstigerweise ist die Raumladuugszonc 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
ungenügende Raumladungszone auf.
Die Detektoren des NlP-Typs weisen im Gegensatz dazu eine durch uie 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 75 μίτι 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 NlP-Detektoren für die Teilchen mittlerer
Energie (Protonen von 40 MeV in Silizium und 60 MeV in Germanium für 1 cm Nutzzone).
mentsand Methods«, Bd. 63, 1968, Nr. 2, Seiten 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.
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.
NS-13,1966, Nr. 1, Seiten 22 und 23, ist, jedoch ohne
Hinweis auf Teilchendetektoren, eine Implantation von Akzeptor- oder Donatorionen durch eine zuvor
aufgestäubte Quarzschicht 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 ohne Zwischenschicht vorzunehmen
und nachher auf die implantierte Schicht eine dünne üuldschicht aufzubringen.
Ein Detektor, bei dem eine P-Rin^zone von einer mit Lithium dotierten Schicht durch eine Nut getrennt
ist, ist aus der USA .-Patentschrift 3413528 bekannt.
Schließlich sind in der französischen Patentschrift
1 576367 Stapel von gleichartigen NlP-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-Teilchendetektoren
anzugeben, das Detektoren liefert, die bei Stapelung mehrerer Einzeldetektoren eine geringere
Gesamt-Totschichtdicke und damit einen höheren Nachweis-Wirkungsgrad ergeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß, ausgehend von einem NIP-Halbleiterkörper
mit ringförmiger, die der N-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-Totschichtdicke 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 Kristallgitterschädcn 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 de Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 sehr schematisch einen invers polarisierten
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,
Fi g. 3 ausgehend von Fi g. 2 die Herstellung eines
NIP-Detektors, der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung implantiert wird, und
Fig. 4 einen fertigen implantierten NIP-Detektor 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 erläutert werden. Wie Fig. 2 zeigt, wird am mittleren Teil
eines Halbleiterkörpers des P-Typs, der vorher oberflächenbehandelt
ist, im Vakuum eine Lithiumschicht (Dotierungsstoff des N-Typs) niedergeschlagen. Ein
NP-Übergang wird dann durch thermische Diffusion erzeugt. Die Dicke der erhaltenen N-Diffusionsschicht
16 kann (im Fall von Si) nicht unter 75 μΐη sein und stellt die insbesondere im Fall der Stapelung
mehrerer Detektoren störende tote Zone dar. Der folgende Arbeitsschritt besteht darin, die Lithiumio-
ncn 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 Zone 17
to genau die Akzeptoren und bilden so eine dicke Intrinsik(I)-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 lache 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 Gleichspannungsqueile mit den Kontakten 18 bzw. 19
ao verbunden. Es ist ebenfalls zu erwähnen, daß man eine
Nut 20 aushöhlt, um den Kurzschluß zwischen der N-Diffusionsschicht
16 und der 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
zu dicke Eingangsfenster (über 75 μπι) erlaubt jedoch
nicht die Stapelung mehrerer Detektoren für Teilchen höherer Energien.
NIP-Detektors aus Silizium nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. Die Fig. 3 und 4, in
denen gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. I und 2 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 das Eingangsfen-
ster 75 μπι dick war. Man schlägt anschließend im
Vakuum, wie Fig. 4 zeigt, eine Metallschicht 22 nie der. Dann wird eine N-Zone 23 durch Implantation
von Lithiumionen in den Siliziumkörper durch diese metallische Schicht hindurch hergestellt. Um ein äu-
ßerst 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 Schäden in den Oberflächenschichten des Kristallgitters
und begünstigt die Kanalisation der Ionen (die
kanalisierten Ionen verursachen keine Gitter-Versetzungen).
Eine besonders vorteilhafte Durchführungsweise des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, die
Implantation durch eine Goldschicht hindurch vorzunehmen. Tatsächlich soll die Schicht 22 einerseits als
Kollektorelektrode für den fertigen Detektor und andererseits dazu dienen, einen guten Kontakt am Silizium
zu sichern und allen physikalischen und chemischen Behandlungen während und nach der Implantation
zu widerstehen.
Man muß offenbar erneut eine Nut 24 (Fig. 4) aushöhlen,
um den Kurzschluß zwischen der ringförmigen P-Zone 15 und der implantierten N-2Lone 23 zu ver-
meiden. Der so hergestellte implantierte NIP-Detektnr
aus Silizium weist angenähert folgende Maße auf:
Dicke der Metallschicht 22: 185 A für Lithiumionen
von 18,5 keV.
Diese Dicke kann bis aul K)O A verringert werde wenn die Energie der Lithiumionen verringert wir
liefe der Nutzzone: bis zu 1 cm für Silizium; Dicke des Kontakts 19: 100 A;
nutzbare F.ingangsobcrfläche: ein bis mehrere cn
nutzbare F.ingangsobcrfläche: ein bis mehrere cn
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Teilchendetektors mit NlP-Struktur, bei dem eine
der nicht kompensierten Zonen eines durch einen Ljthium-Diffusions- und -Driftprozeß hergestellten
NIP-Halbleiterkörpers 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 Fläche 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 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch auf der der implantierten
Schicht (23) entgegengesetzten Seite der ringförmigen P-Zone (IS) uril der I-Zone (17) eine
Metallschicht (19) niedergeschlagen wird und die beiden Metallschichten (22, 19) 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-Ringzonc (IS) 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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