DE2212267A1 - Semiconductor detector and process for its manufacture - Google Patents
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Description
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β MOnctian £.2, otainsdorfstr. Wβ MOnctian £ .2, Otainsdorfstr. W.
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Oommiesarlat A 1'Energie Atomlque, Paris (Frankreich)Oommiesarlat A 1'Energie Atomlque, Paris (France)
Halbleiterdetektor und Verfahren zu seinerSemiconductor detector and method for its
HerstellungManufacturing
Die Erfindung bezieht sioh auf einen Halbleiterdetektor mit Oberfläohensperrachioht, insbesondere zum Betrieb im Lawinenbereioh, mit einem Metallniedersohlag und ggf. einem Schutzring auf einer Seite einer Halbleiterunterlage.The invention relates to a semiconductor detector with surface barrier, especially for operation in avalanche areas, with a metal low sole and possibly one Guard ring on one side of a semiconductor substrate.
Solche Detektoren sind insbesondere für die Spektrometrie von Röntgenstrahlen mit sohwaohen Energien verwendbar. Sie bestehen naoh bekannter Weise im wesentlichen aus einer dotierten Halbleiterunterlage, die auf einer Seite einen metallischen Niederschlag insbesondere aus Gold, wenn der Halbleiter aus N-Silizium ist, oder aus Aluminium trägt, wenn der Halbleiter aus P-Silizium ist.Such detectors can be used in particular for the spectrometry of X-rays with energies as high as this. In a well-known manner, they essentially consist of a doped semiconductor substrate which has a metallic deposit on one side, in particular of gold if the semiconductor is made of N-silicon, or of aluminum if the semiconductor is made of P-silicon.
Die ohmisohen Kontakte zum Anschluß des Detektors an einen Kreis zur Polarisierung des Überganges und zur Auswertung derThe ohmic contacts for connecting the detector to a Circle for polarizing the transition and evaluating the
410-(B 4O51.3)Tp-r410- (B 4O51.3) Tp-r
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unter Einwirkung einer Strahlung erzeugten elektrischen Impulse werden einerseits am metallischen Niederschlag, insbesondere aus Gold oder Aluminium, und andererseits an einem leitenden Niederschlag an der entgegengesetzten Seite der Halbleiterunterlage hergestellt. Das Ganze nennt man zur Zeit "Metall-Halbleiter-Diode ».electrical impulses generated under the action of radiation are on the one hand on the metallic deposit, in particular made of gold or aluminum, and on the other hand on a conductive one Precipitation produced on the opposite side of the semiconductor substrate. The whole thing is currently called "metal semiconductor diode".
Es ist gleichfalls, insbesondere für einen zum Betrieb im Lawinenbereioh bestimmten Detektor, bekannt, die spektrometrisohen Eigenschaften zu verbessern, indem man um den erwähnten metallischen Niederschlag, der eine Zentralelektrode darstellt, herum einen weiteren metallischen Niederschlag gleicher Art in Ringform vorsieht, der einen Schutzring bildet, welcher die Erfassung von Leokströmen und die Induzierung einer Inversionsschicht in der Zone zwischen dem Schutzring und der Zentralelektrode ermöglicht, wodurch die Feldlinien an der Oberfläche der Halbleiterunterlage modifiziert werden.It is also known, in particular for a detector intended for operation in an avalanche area, to improve the spectrometric properties by changing the aforementioned metallic deposit, which represents a central electrode, around another metallic deposit of the same type in the form of a ring, which forms a protective ring, which enables the detection of Leok currents and the induction of an inversion layer in the zone between the protective ring and the central electrode, whereby the field lines on the surface the semiconductor substrate can be modified.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterdetektor der eingangs genannten Art mit oder ohne Schutzring hinsiohtlioh seiner Eigenschaften so zu verbessern, daß insbesondere seine Lebensdauer beim Betrieb im Lawinenbereioh erhöht wird, indem die Durohsohlagsersoheinungen duroh den Randeffekt möglichst niedrig gehalten werden.The invention is based on the object of improving a semiconductor detector of the type mentioned with or without a protective ring in terms of its properties in such a way that in particular, its service life when operating in the avalanche area is increased by the Durohsohlagsersoheinungen duroh Edge effect should be kept as low as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der die Zentralelektrode bildende Metallniederaohlag «in· sich zum Rand verringernde Dicke aufweist und gegebenenfalls der die Elektrode umgebende Schutzring ebenfalls aus einem Metallniedersohlag mit einer sich zu den Rändern verringernden Dioke besteht.This object is achieved according to the invention in that the metal base forming the central electrode «in · has decreasing thickness towards the edge and optionally the protective ring surrounding the electrode also consists of one Metal base with a dioke that decreases towards the edges.
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Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Detektors mit Schutzring, bei dem folgende Verfahrenssohritte durchgeführt werden:The invention also relates to a method for producing such a detector with a guard ring, in which the following method steps are carried out:
In einem ersten Verfahrensschritt stellt man den Metallniedersohlag der Zentralelektrode der Halbleiterunterlage mittels Vakuumverdampfung durch eine erste Maske mit einer zentralen Öffnung her, die eine abgeschrägte, sich zur Unterlage öffnende Oberfläche aufweist, und läßt dann abkühlen;In a first step, the metal base is made the central electrode of the semiconductor substrate by means of vacuum evaporation through a first mask with a central opening, which is a beveled base has opening surface, and then allowed to cool;
in einem zweiten Verfahrensschritt deckt man den ersten Metallniederschlag mittels einer auf die Oberfläche der Unterlage gelegten Stahlsoheibe ab und nimmt eine zweite Vakuumverdampfung zum Niederschlagen des Schutzringes durch eine zweite, in ihrer Form der ersten Maske gleiche Maske vor, deren zentrale öffnung jedoch einen Durohmesser aufweist, der größer ale sowohl der Durchmesser der ersten Maskenöffnung als auoh der Durchmesser der Stahlsoheibe ist»In a second process step, the first metal deposit is covered by means of a steel washer placed on the surface of the base and a second vacuum evaporation is carried out to deposit the protective ring through a second mask which is the same in shape as the first mask, but whose central opening has a durometer, which is greater than both the diameter of the first mask opening and the diameter of the steel washer »
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeich nung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin seigen: The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment illustrated in the drawing voltage; see in it :
Pig. 1 einen Schnitt durch einen Detektor gemäß der Erfindung; Pig. 1 shows a section through a detector according to the invention;
Pig. 2 eine Erläuterung eines ersten'Verfahrensschrittes der Herstellung eines solchen Detektors zur Ausbildung der zentralen Elektrode; und Pig. 2 an explanation of a first process step in the production of such a detector for forming the central electrode; and
Pig. 3 eine Erläuterung eines weiteren Verfahrensschrittes bei dieser Herstellung zur Ausbildung des Schutzringes. Pig. 3 an explanation of a further process step in this production for the formation of the protective ring.
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Fig. 1 zeigt einen Detektor naoh einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Betrieb im Lawinenbereich, bei dem N-Silizium als Halbleiter und ein GoIdniedersohlag als Zentralelektrode des Detektors dienen.Fig. 1 shows a detector similar to a preferred one Embodiment of the invention for operation in the avalanche area, in the case of N-silicon as a semiconductor and a gold low bottom serve as the central electrode of the detector.
Wie man der Figur entnimmt, ist das die Halbleiterunterlage bildende ϊΤ-Siliziumplättchen 1 an seinem Umfang duroh Ankleben mittels einer Schient 3 aus N-Harz in einer Fassung 2 zur Sicherung eines Oberflächensohutzes montiert. An der Unterseite trägt das Plättchen einen leitenden Niederschlag 4-aus Mangan oder einer Gold-Antimon-Legierung mit 0,7 ?6 Antimon, an dem sich in bekannter Weise einer der ohmisohen Kontakte herstellen läßt.As can be seen from the figure, the ϊΤ-silicon wafer 1 forming the semiconductor substrate is duroh on its periphery Gluing by means of a rail 3 made of N-resin mounted in a socket 2 to secure a surface protection. At the The underside of the plate bears a conductive deposit 4-made of manganese or a gold-antimony alloy with 0.7 - 6 antimony, on which one of the ohmic contacts can be established in a known manner.
An der Oberseite trägt das Siliziumplättohen axial einen ersten metallischen Niederschlag, der die Zentralelektrode 5 darstellt, und einen zweiten Metallniedersohlag in Ringform um die Zentralelektrode, der den Schutzring 6 bildet. Diese beiden Niederschläge sind aus Gold. Sie weisen, wie die Figur 1 zeigt, eine sich zu den Rändern der Niederschläge verringernde Dicke auf. Aufgrund dieser Diokenverminderung ist der Leokwiderstand zu den Rändern der Niederschläge hin vermehrt, was den Durchschlag durch Randeffekte verhindert.On the upper side, the silicon plate axially bears a first metallic deposit, which forms the central electrode 5 represents, and a second metal low sole in the form of a ring around the central electrode, which forms the protective ring 6. These both precipitates are made of gold. As FIG. 1 shows, they have a decreasing gradient towards the edges of the precipitation Thick on. The leok resistance is due to this reduction in the dioke increased towards the edges of the precipitation, which prevents the breakdown by edge effects.
Ohmische Kontakte 7 und 8 sind an diesen beiden Niederschlägen duroh an abgeschrägten Ringen 9 und 10 aus Glas oder einem anderen amorphen Stoff niedergeschlagene Goldsohiohten vorgesehen. Die Glasringe sind mit dem Silizium mittels der P-Harzschichten 11 und 12 verklebt, die den Goldniedersohlag in der Weise überlappen, daß er gegenüber der Außenatomosphäre isoliert ist. Zwischen den beiden Glasringen ist der Schutzring 6 durch eine N-Harzschicht 13 und eine darüberliegende P-Harzschicht 14 geschützt.Ohmic contacts 7 and 8 are duroh on these two deposits on beveled rings 9 and 10 made of glass or gold soles deposited on another amorphous substance intended. The glass rings are glued to the silicon by means of the P-resin layers 11 and 12, which form the gold base overlap in such a way that it is isolated from the outside atmosphere. The protective ring is between the two glass rings 6 through an N-resin layer 13 and an overlying one P resin layer 14 protected.
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Zur Herstellung eines vorstehend beschriebenen Detektors geht man von einem naoh der Achse (1.1.1.) geriohteten N-Siliziumplättohen mit einem Grundwiderstand von 5 bis 50 Ohm. cm aus. Dieses Plättohen wird mit diamanthaltigen Pasten von bis auf weniger als 2 Mikron für die letzte Polierstufe abfallenden Teilohengrößen poliert. Es wird ansohließend duroh Ultrasohall und verschiedene Lösungsmittel und Reagenzien (Benzol, Aceton, Äthylalkohol, Salpetersäure, Flußsäure) gereinigt, dann mit entionisiertem Wasser gespült und getrooknet. For the production of a detector described above, one starts with one that is aligned near the axis (1.1.1.) N-silicon plates with a basic resistance of 5 to 50 Ohm. cm from. This platethene is made with pastes containing diamonds polished down to less than 2 microns for the final polishing stage. It becomes attached duroh Ultrasohall and various solvents and reagents (benzene, acetone, ethyl alcohol, nitric acid, hydrofluoric acid) cleaned, then rinsed with deionized water and dried.
Schließlich wird es ohemisoh während 20 Minuten in einemFinally it becomes ohemisoh for 20 minutes in one
■st -z -z ■ st -z -z
Bad mit 5 car HP, 45 cnr ΟΗ,ΟΟΟΗ und 55 onr rauchender HNO, behandelt. Naoh dem Abspülen zeigt das erhaltene Plättohen eine Dicke von 800 Ai bis 1 mm.Bath with 5 car HP, 45 cnr ΟΗ, ΟΟΟΗ and 55 onr smoking ENT, treated. After rinsing, the plate obtained shows a thickness of 800 Ai to 1 mm.
Zur Herstellung des die Zentralelektrode bildenden Goldnieder Schlages wird das Plättohen 1 in einem Graphitbeliälter 15 (Pig. 2) angebracht und in einer Vakuumverdampfungsanlage am Boden eines nicht oxydierenden Stahlrohres 16 auf einer Heizeinrichtung 17 vorgesehen.To produce the gold deposit forming the central electrode, the platinum 1 is placed in a graphite container 15 (Pig. 2) attached and in a vacuum evaporation system at the bottom of a non-oxidizing steel pipe 16 on a Heating device 17 is provided.
Das Vakuum wird bis auf 5 χ 10"^ Torr gebracht, und das Plättchen wird langsam bis auf eine Temperatur der Größenordnung von 35O0O, und zwar unterhalb der Temperatur gebraoht, bei der aioh das Gold-Silizium-Eutektikum bildet. Ein Golddraht 18 wird über dem Rohr 16 bis zum Verdampfen erhitzt.The vacuum is brought to 5 χ 10 "^ Torr, and the plate is slowly brewed to a temperature of the order of magnitude of 35O 0 O, namely below the temperature at which aioh forms the gold-silicon eutectic is heated over the tube 16 until it evaporates.
Der Niederschlag duroh Vakuumaufdampfung wird duroh eine Maske 19 vorgenommen, die 4 oder 5 mm über der Oberfläche des Plättchens angeordnet 1st. Diese Maske besteht aus Silizium und ist axial von einer öffnung 20 durohsetzt, deren Durohmeeaer auf etwa 0,1 Mikron festgelegt ist und die eine abge-The precipitate by vacuum evaporation is made by a mask 19 which is 4 or 5 mm above the surface of the Plate arranged 1st. This mask is made of silicon and is set axially by an opening 20, the Durohmeeaer of which is set to about 0.1 microns and one of the
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schrägte Oberfläche mit einem aioh zum Halbleiterplättohen öffnenden Winkel von etwa 4-5° aufweist„ Diese Maske ist oberflächlich durch einen vakuumverdampften Goldniedersohlag geschützt. sloping surface with an aioh to the semiconductor wafers has an opening angle of about 4-5 ° “This mask is superficial protected by a vacuum-evaporated gold base.
Eine ähnliche Maske 21 ohne Abschrägung in der öffnung ist am oberen Ende des Rohres 16 zwischen dem Verdampfungematerialbehälter und dem Plättchen 1 etwa 5 cm von diesem entfernt angeordnet«, Ihre zentrale öffnung bildtt eine Lochblende für die Verdampfung des Goldes.A similar mask 21 without a bevel in the opening is at the top of tube 16 between the evaporation material container and the plate 1 about 5 cm away from it. Its central opening forms a perforated screen for the evaporation of the gold.
Man fertigt so einen Goldniederschlag, der einen Mittelbereioh von 2,5 mm Durohmesser aufweist, wo seine Dicke in der Größenordnung von 300 £ konstant ist, an die sich zum Band hin eine Umfangszone von 0,5 mm Breite anschließt, wo die Dicke des Niederschlages nach und naoh bis auf 0 abfällt.One creates a gold precipitate that has a middle range of 2.5 mm Durohmesser, where its thickness is constant on the order of 300 pounds, to which the Tape is followed by a circumferential zone of 0.5 mm width, where the thickness of the precipitate gradually decreases to zero.
Nach dem Abkühlen wird das Halbleiterplättohen einer · weiteren Vakuumverdampfung von UoId ausgesetzt, um entspre chend dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau den Schutzring herzustellen. Der Niederschlag erfolgt naoh dem gleichen Verfah ren wie für die Zentralelektrode unter Verwendung einer entspreohenden Maske 25» deren Mittelöffnung jedoch e^nen größe ren Durohmesser als die öffnung der ersten Maske aufweist. Während dieses Arbeitssohrittes ist der erste, die Zentral elektrode bildende Niederschlag mittels einer Soneibe 22 aus Stahl abgedeckt, die durch einen Glasring 23 vom Plättohen unter geringem Abstand gehalten, jβdooh duroh Anziehung mit tels eines Magneten 24 unter dem Behälter 15 zu diesem hin angezogen wird.After cooling, the semiconductor plate is subjected to a further vacuum evaporation of UoId in order to produce the protective ring in accordance with the structure shown in FIG. 3. The precipitate is carried naoh the same procedural ren, however, such as 25 "having the central electrode using a mask whose entspreohenden central opening e ^ NEN size ren Durohmesser than the opening of the first mask. During this Arbeitssohrittes is the first, the center electrode precipitate covered by a Soneibe 22 made of steel, the held by a glass ring 23 from Plättohen under a small distance, jβdooh duroh attraction is tightened with means of a magnet 24 under the container 15 towards the latter.
Dieser zweite Vakuumverdampfungssohritt ermöglichtThis second vacuum evaporation step enables
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die Schaffung eines Sohutzringes von 1 mm Breite, dessen Dicke ausgehend von 150 Ä im Zentrum zu den Rändern abfällt, um die Zentralelektrode im Abstand von 0,2 mm vom Rande derselben.the creation of a protective ring 1 mm wide, whose Thickness decreases from 150 Å in the center to the edges, around the central electrode at a distance of 0.2 mm from the edge of the same.
Zum Abschluß der Herstellung des Detektors nach Fig. wird das Plättchen 1 anschließend an seinem Umfang in die Fassung 2 mit der N-Harzschicht 3 eingeklebt. Die Glasringe 9, 10 werden dann nacheinander mit den P-Harzschichten 11, 12 angeklebte Das Ganze wird nun aufs neue einer Vakuumverdampfung von Gold ausgesetzt, wobei die Mitte des Detektors abgedeckt wird, um am Glasring 10 einen Niederschlag herzustellen, der den elektrischen Kontakt 8 mit dem Schutzring 6 bildet. Nach Anbringung einer N-Harzschioht 13 am Schutzring 6 und anschließend einer P-Harzschicht 14 wird das Ganze erneut in eine Vakuumverdampfungseinriohtung gebracht, um am Glasring 9 einen Goldüberzug niederzuschlagen, der den ohmischen Kontakt 7 für die Zentralelektrode 5 darstellt.At the end of the production of the detector according to Fig. the plate 1 is then glued at its periphery into the mount 2 with the N-resin layer 3. The glass rings 9, 10 are then glued on one after the other with the P-resin layers 11, 12. The whole now becomes one again Vacuum evaporation of gold is exposed, covering the center of the detector, to precipitate on the glass ring 10 which forms the electrical contact 8 with the protective ring 6. After applying an N-resin layer 13 on the protective ring 6 and then a P-resin layer 14, the whole thing is again brought into a vacuum evaporation device in order to coat the glass ring 9 with gold down which represents the ohmic contact 7 for the central electrode 5.
Ein Detektor gemäß vorstehender Beschreibung konnte bei einem Betrieb im Lawinenbereich mit Verstärkungskoeffizienten von 1 bis 10 eingesetzt werden. Das Rauschmaß ist etwa 10 mal geringer als das einer bekannten, durch Diffusion erhaltenen Diode. Zur Erfassung von oi-Teilohen des Americium 241 war die Auflösung 0,7 i» gegenüber 13 i° mit einer bekannten Diode.A detector as described above could be used for operation in the avalanche range with gain coefficients of 1 to 10. The noise figure is about 10 times lower than that of a known diode obtained by diffusion. For the detection of oi parts of americium 241, the resolution was 0.7 i » compared to 13 i ° with a known diode.
2098A0/Ü74 3-2098A0 / Ü74 3-
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