DE69733555T2

DE69733555T2 - INTEGRIERTES dE-E-DETEKTORTELESKOP

Info

Publication number: DE69733555T2
Application number: DE69733555T
Authority: DE
Inventors: Sture Pettersson; Goeran Thungstroem; Harry Whitlow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-20
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: WO1997037389A1; EP0896738A1; SE9601235L; DE69733555D1; AU2524597A; EP0896738B1; US6541835B1; SE514380C2; SE9601235D0

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterdetektor und genauer auf einen integrierten ΔE-E-Detektor.
Allgemeiner Hintergrund der Erfindung
In vielen Wissenschaftsbereichen besteht ein Bedürfnis, energetische Atome mit subrelativistischen Energien zu messen. Beispiele umfassen die Mineralprospektion mit Beschleunigungsmassenspektroskopie, Raumsondenmessungen des Solarwindes ebenso wie interplanetarische und galaktische Strahlungsumgebungen, nukleare Mikroprobenanalyse von Lichtspurverteilungen in biomedizinischer Substanz, rückstoßspektrometische Bestimmung von opto- und mikroelektronischen Strukturen ebenso wie fundamentalexperimentelle Physik. Abhängig von den jeweiligen Umständen sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Techniken verfügbar, wie beispielsweise elektrostatische und magnetische Sektorspektrometer, Flugzeittechniken, Szintillationsdetektoren sowie Halbleiter und Gas-Ionisationsdetektoren. Oft werden die unterschiedlichen Techniken kombiniert, zum Beispiel kann ein magnetischer Spektrometeranalysator mit einem Gasionisationsdetektor kombiniert werden, um separate Messungen von Impuls, Atomzahl und Energie zu vereinfachen.
Zur Messung der Atomzahl sowie der Energie von energetischen Atomen und Ionen in dem Energiebereich von 5 MeV pro Nukleon bis 0.1 GeV pro Nukleon wird of ein so genanntes ΔE-E-Detektorteleskop verwendet. Diese bestehen aus einem Paar Detektoren, die derart angeordnet sind, dass die Partikel den ersten Detektor durchqueren und anschließend in dem zweiten (dickeren) Detektor gestoppt werden. Die Atomzahl kann bestimmt werden, da die Energieabscheidung innerhalb der von dem ΔE-Detektor aufgespannten Dicke von der elektrischen Ladung des Atomkerns des energetischen Atoms (Atomzahl) abhängig ist. Die Gesamtenergie ist die Summe der in den zwei Detektoren abgeschiedenen Energie. Gerade wie die abgeschiedene Energie in ein elektrisches Signal konvertiert wird, ist von dem Typ des Detektors abhängig. In dem interessierenden Energiebereich wird beinahe die gesamte Energie in Erregerelektronen des Detektormaterials abgeschieden. Im Fall eines Gas-Ionisationsdetektors kann die Anzahl von Ion-Elektronpaaren registriert werden. Im Fall von Festkörperdetektormaterialien (Szintillator und Halbleiter) führt die elektronische Energieabscheidung zur Beförderung von Elektronen über die Bandlücke. Dies führt zu einer Photonemission im Fall des Szintillators oder zu einem Impuls eines über einen Übergang fließenden elektrischen Stroms im Fall eines Halbleiterdetektors. Der Übergang in dem Halbleiterdetektor kann eine Schottky-Barierre oder ein ionenimplantierter oder diffundierter Übergang sein.
Halbleiterdetektoren besitzen gegenüber elektrostatischen und magnetischen Sektorinstrumenten den Vorteil, dass diese unempfindlich gegenüber dem Ladungszustand des einfallenden Ions oder Atoms sind. Jedoch haben ΔE-E-Detektorteleskope eine niedrige Energieschwelle, welche mit der Energie übereinstimmt, wobei der Bereich des Ions gerade ausreichend ist, um den ΔE-Detektor genau zu durchdringen. Um die Nieder-Energieschwelle so tief wie möglich abzusenken, ist es notwendig den ΔE-Detektor so dünn wie möglich herzustellen.
Stand der Technik
Die ΔE-E-Detektorteleskope mit der niedrigsten Schwelle, die derzeit zur Massenproduktion geeignet sind, basieren auf einer p-i-n-Struktur, die in einer selbsttragenden 10 × 10 mm-Fläche 10 μm Si-Membran geformt ist, die durch Ätzung (s. Whitlow et al., Proc. 9. Australian Conf. on Nuclear Technics of Analysis, Newcastle, Australia, Nov. 1995) ausgebildet ist. Die p-i-n-Struktur kann durch Ionenimplantation oder Diffusion ausgebildet werden (s. J. Kremmer, Nucl. Instrum. and Methods Vol. 169, pp 499, 1980). Diese haben eine Niederenergieschwelle von etwa 1 A MeV und können zusammengesteckt werden, um Arrays zu bilden, welche große Festkörperwinkel mit einem kleinen toten Bereich aufgrund der rechteckförmigen Gestalt begrenzen. Dünnere Detektoren können hergestellt werden, jedoch impliziert die Schwierigkeit der Überwachung der Ätzung und die Verwendung von Au/Si-Schottky-Übergängen, dass die Auflösung durch die Gleichmäßigkeit in der aktiven Dicke des Detektors dominiert wird. Die extreme Zerbrechlichkeit der selbsttragenden Si-Membrane stellt eine technische Einschränkung der minimalen Dicke dar und damit der niedrigen Energieschwelle, die erreicht werden kann. Dies schließt die Verwendung von selbsttragenden Membrandetektoren in Raumfahrzeugen aufgrund der G-Kräfte und Vibration während der Startphase aus. Kremmer und Lutz haben eine Ionen-implantierte n-p⁺-n-Struktur vorgeschlagen, welche von zwei Seiten verarmt ist (s. Kremmer und Lutz, Nuclear Instrum. and Methods, A235, 365, 1978). In einer weiteren Variante schlagen diese vor, laterale Driftfelder zu verwenden, um den getrennten Einfang der ΔE- und E-Signale zu realisieren. Von Messungen mit diesem Typ von Detektor sind keine Daten präsent. Möglicherweise wegen der typischen ±150%-Variationen in der Hintergrunddotierung führen diese zu signifikanten Variationen in der ΔE-Schichtdicke, was zu einer schlechten Auflösung führt.
Integrierte Detektorteleskope, zum Beispiel gemäß 1, wurden von einer japanischen Gruppe vor etwa einem Jahrzehnt beschrieben (z.B. s. Husimi et al., Nuclear Instr. and Methods, Vol. 196, pp 131, 1982 und Y. Kim et al., Nuclear Instr. and Methods, Vol. 226, pp 125, 1984). Dies basiert auf epitaxialem Wachstum einer p-n-p-Struktur. Dieser integrierte Detektor arbeitete tatsächlich, jedoch leidet das Konzept an einer Vielzahl von Nachteilen. Die Tatsache, dass die Epitaxie verwendet wurde, impliziert, dass es nicht möglich ist, eine gut definierte vergrabene Schicht zu erhalten, welche den vergrabenen Kontakt zu den E- und ΔE-Detektorelementen bildet. Dies begrenzt die minimale Dicke des dünnen Detektors und die Dicken-Gleichförmigkeit, was in Abhängigkeit von den Gasdynamiken während der Epitaxie kritisch wird. Ein möglicherweise ernsteres Problem ist die Kreuzkoppelung zwischen den ΔE-E-Detektorpaaren, da die intensive Ionisation entlang der Ionenspur ein Plasma formen kann mit einer Trägerkonzentration, welche die Dotie rungskonzentration in dem vergrabenen Kontakt überschreitet. Unter diesen Umständen kann das Plasma das lokale elektrische Feld um die Plasmasäule merklich modifizieren und wirkt als ein Pfad für Ladungsträger zwischen den E- und ΔE-Detektoren.
Ein US-Patent No. 5,387,555 beschreibt ein Verfahren zur Bildung von vergrabenen Silizid-Schichten mit Waferverbindung. Jedoch enthält das beschriebene Verfahren ebenfalls zumindest eine vergrabene Isolationsschicht in Kontakt mit der vergrabenen Silizid-Schicht. Überdies mangelt es dem Verfahren nach diesem Patent an einem kooperierenden Dotierstoff zur Diffusion von der vergrabenen Silizid-Schicht.
Folglich kommt es vor, dass eine starke Nachfrage besteht nach einem integrierten Halbleiter ΔE-E-Detektor, welcher im Allgemeinen eine gute mechanische Stabilität bietet und einen ΔE-Bereich präsentiert, der selbst starken momentanen mechanischen Kräften, zum Beispiel einer Beschleunigung, widerstehen kann und ebenso eine hohe Auflösung bietet, welche eine sehr dünne Struktur impliziert, die notwendig ist für den ΔE-Bereich des Detektors. Diese beiden Hauptforderungen werden dann mehr oder weniger im Widerspruch zueinander stehen.
Beschreibung der Erfindung
Um die oben beschriebenen Probleme zu vermeiden, schlägt die vorliegende Erfindung eine Struktur umfassend eine Vielzahl von durch metallische Schichten getrennte p-i-n-Dioden vor. Die metallische Schicht zwischen den Elementen stellt sicher, dass keine Kopplung zwischen den unterschiedlichen Detektorelementen aufgrund von Ladungsträgerkonzentration auftritt und minimiert Bildladungseffekte.
Gemäß einer Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 beschrieben, wird ein Detektorteleskop mit einem sehr dünnen ΔE-Detektorabschnitt ausgebildet aus einem ersten Siliziumwafer, welcher verbunden/siliziert ist mit einem zweiten Siliziumwafer, welcher den E-Detektorabschnitt des Detektorteleskopes bildet und dadurch einen gut unterstützten sehr dünnen ΔE-Detektor für hohe Auflösung in dem Detektorteleskop ergibt, der sehr dünne ΔE-Detektorbereich und der E-Detektorbereich zwischen einander stellen weiter eine vergrabene metallische Schicht dar, welche als gemeinsamer Kon takt für die zwei Detektoren wirkt, wobei die metallische Schicht sehr dünn ist und einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
Andere Ziele und Vorteile von unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung werden weiter definiert in den abhängigen Ansprüchen.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung, zusammen mit zusätzlichen Zielen und Vorteilen dieser, kann am besten verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden für dieselben oder entsprechenden Elemente und in denen:
1 eine integrierte Detektorteleskopstruktur basierend auf Epitaxialwachstum gemäß Stand der Technik demonstriert;
2 einen integrierten ΔE-E-Detektor gemäß eines Planarverarbeitungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 einen Detektor zeigt, wobei die Sperrschicht als eine metallische Schicht ausgebildet ist mit der metallischen Schicht als gemeinsamen Kontakt; und
4 ein hochauflösendes Detektorsystem bestehend aus einem Tripelteleskop zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung
Das System aus einem dünnen ΔE- und einem dicken E-Halbleiterdetektor in einer Teleskopkonfiguration macht es möglich, Identität und Energie eines ionisierten Partikels zu berechnen. In den meisten Systemen ist der dünne ΔE-Detektor selbsttragend. Jedoch bei einem aktiven Bereich von 1 cm² und einer Dicke im Bereich von 10 μm oder weniger ist der Detektor zerbrechlich und geht leicht kaputt. Gemäß der vorliegenden Erfindung löst die Möglichkeit, dass der E-Detektor den dünnen Detektor trägt, das Problem betreffend die mechanische Instabilität und ein integrierter mechanisch stabiler ΔE-E-Detektor wird geschaffen. Wenn das Niederenergielimit durch die Anforderung gesetzt ist, dass die Partikel imstande sein müssen, den ΔE- Detektor zu durchqueren, muss ein dünner Detektor, dünner als 10 μm, integriert werden. Die Integration reduziert ebenfalls die Anzahl von so genannten Totzonen von vier auf drei. Eine zwischen den ΔE- und E-Detektoren vergrabene Schicht, eine als ein Ohm'scher Kontakt wirkende Totzone, ist beiden Detektoren gemein und muss dünn sein und einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand haben. Die vergrabene Schicht kann gebildet werden durch Epischichtwachstum, Waferverbindung oder durch Implantation. Die Möglichkeit, in dem Halbleiter eine dünne, vergrabene metallische Schicht zu bilden, ergibt einen geringen Längswiderstand, somit eine geringe RC-Zeitkonstante und schnelle Ladungsträgersammlung. Des Weiteren gewährleistet der niedrige spezifische elektrische Widerstand in der vergrabenen metallischen Schicht eine minimale Signalkreuzkopplung zwischen den zwei Detektoren aufgrund von Ladungsträgerkonzentration (Transport von Ladungsträgern in/aus einer erschöpften Schicht entlang der Ionenspur aufgrund einer Transient-Verzerrung des elektrischen Feldes bedingt durch die Plasmasäule mit geringem spezifischen elektrischen Widerstand entlang der Ionenspur).
2 zeigt einen integrieren ΔE-E-Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung resultierend aus dem Planarverarbeitungsverfahren. Die vergrabene metallische Schicht 16 kann entweder verbunden werden mittels eines Randkontakts A oder durch Durchkontaktierungen B. Um einen geringen Längswiderstand aufrechtzuerhalten und die Minoritätsladungsträgerinjektion zu minimieren, werden hochdotierte ohm'sche Kontaktschichten 15 und 17 zwischen den metallischen 16 und den Halbleiterschichten 14 und 18 gebildet. Dielektrische Schichten 12 und 20 werden aufgewachsen oder werden abgelagert, um den Halbleiter zu passivieren und zu schützen. Eine Sperrschicht 10 wird hergestellt, um einen p-n-Übergang, einen Schottky-Sperrübergang oder einen Heteroübergang zu bilden. Ähnlich schafft eine andere Sperrschicht 22 die entsprechende Funktion an einem E-Detektorhalbleiter auf der Seite gegenüber des ΔE-Detektors.
Ein integrierter Detektor wurde wie in 2 gezeigt hergestellt und mittels eines Randkontakts A verbunden. Ein Siliziumwafer eines ersten Typs wurde im Voraus unter Verwendung eines standardisierten Reinigungsverfahrens für 10 Minuten in einer Lösung aus H₂SO₄ : H₂O₂ mit einem Volumenverhältnis von 2,5 : 1 gereinigt und dann wurde der Wafer für 5 Minuten in deionisiertem Wasser gespült. Das dünne Oxid wurde entfernt durch Eintauchen des Wafers in eine Lösung aus H₂O : HF, mit einem Volumenverhältnis von 10 : 1, bis der Wafer eine hydrophobische Oberfläche hatte, und wurde dann anschließend durch einen Blasvorgang mit einem N₂-Gas getrocknet. Der Siliziumwafer hatte einen Durchmesser von 7,6 cm (3 inches) und wuchs durch eine Schwebezonentechnologie, eine Oberflächennormalorientierung [111], eine Dicke 305 μm, induzierte phosphordotierte Neutronen, und wurde mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 15.000 bis 24.000 Ωcm hergestellt mit einer n⁺ Schicht durch Arsenimplantation. Das Arsen wurde implantiert mit einer Energie von 70 keV zu einer Dosis von 4 × 10¹⁵ cm^–2. Der Wafer wurde für 10 Minuten in einer Lösung von H₂SO₄ : H₂O₂ mit einem Volumenverhältnis von 2,5 : 1 gereinigt und anschließend für 5 min. in einem deionisierten Wasser gespült. Das dünne Oxid wurde anschließend entfernt durch Eintauchen des Wafers in eine Lösung H₂O : HF mit einem Volumenverhältnis von 10 : 1, bis der Wafer eine hydrophobische Oberfläche hatte. Der Wafer wurde dann mittels eines Blasverfahrens in N₂-Gas getrocknet. Eine 30 nm (300 Å) dicke Schicht aus Kobalt wird mittels eines Elektronenstrahls auf den Siliziumwafer eingedampft. Die Eindampfung wurde gestartet bei einem Basisdruck von 1 × 10^–8 mbar und während des Eindampfens stieg der Druck auf 9 × 10^–8 mbar bei der Abscheidungsrate von 0,4 nms^–1. Nach der Verdampfung wurde der Wafer in der Ladungsschleusenkammer aufbewahrt, bis der zweite Typ von Wafer für das Bondingverfahren bereit war.
Ein durch eine Schmelzzonentechnologie gewachsener Silikonwafer eines zweiten Typs mit einem Durchmesser von 7,6 cm (3 inches) mit einer Oberflächennormalorientieren [100], eine Dicke 100 μm, doppelseitig poliert, phosphordotiert und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 100 bis 300 Ωcm wurde dann auf einer Seite abgedeckt mit einer plasmachemisch bedampften SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 1 μm. Das dünne Oxid auf der unsedimentierten Oberfläche wurde entfernt durch Eintauchen des Wafers in H₂O : HF, mit einem Volumenverhältnis von 10 : 1, bis der Wafer eine hydrophobische Oberfläche hatte. Der Wafer wurde dann getrocknet durch ein Blasverfahren in N₂-Gas. Der erste und zweite Wafertyp wurden zusammengepresst und eine 100 g Quarzplatte wurde auf den Wafern platziert, um einem Biegen aufgrund von Unterschieden in thermischen Ausdehnungen der vergrabenen Schicht 16 und der Siliziumwafers entgegenzuwirken.
Anschließend erfolgte ein Bonding/Silizidieren in einer N₂-Atmosphäre bei 900°C in einem Ofen für 30 min.. Die abgelagerte SiO₂-Schicht schützt die Oberflächen vor dem Eindiffundieren von Fremdatomen der Quarzplatte. Während dem Bonding/Silizidieren wurde einiges Arsen in die vergrabene Silizidschicht integriert. Die vergrabene Silizidschicht wirkt dann als eine Diffusionsquelle zur Bildung einer n⁺-Schicht in dem gebondeten [100] Wafer. Weiteres Glühen erhöht die Diffusionstiefe in dem Silizium.
Eine Schutzschicht aus Schwarz-Wachs wurde anschließend auf den [100]-Wafer aufgeschmolzen. Der [111]-Wafer wurde in einer Lösung aus HNO₃ : CH₃COOH : HF, mit einem Volumenverhältnis von 5 : 3,3, bei 40°C für 1 Minute poliert/geätzt. Anschließend wurden die gebondeten/silizidierten Wafer für 5 min. in einer fortlaufenden Reihenfolge in jeder der folgenden Lösungen gereinigt: Trichlorethylen, Aceton, Propylalkohol und entionisiertes Wasser. Die abgelagerte SiO₂-Schicht wurde entfernt durch eine BHF-Lösung (gepufferte HF) bis die Oberfläche hydrophobisch war. Die gebondeten/silizidierten Wafer wurden dann bei 80 °C für 88 min. in einer Lösung aus KOH : H₂O mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 geätzt. Da das KOH Ätzmittel anisotrop ist, wurde der [100]-Wafer geätzt ≈ 80 μm, während der [111]-Wafer praktisch ungeätzt verblieb. Die gebondeten/silizidierten Wafer wurden dann in einem entionisierten Wasser für 5 min. gespült, für 10 min. in einer Lösung aus H₂SO₄ : H₂O₂ mit einem Volumenverhältnis von 2,5 : 1 gereinigt und anschließend für 5 min. in entionisiertem Wasser gespült. Anschließend wurde der [100]-Wafer mit einer plasmachemisch aufgedampften SiO₂-Schicht bedeckt mit einer Dicke von 1 μm. In einem lithographischen Ätzverfahren wurden Ätzknoten in dem Oxyd geöffnet. Die Ätzpaste wurde abgezogen und ein kurzes Eintauchen der gebondeten/silizidierten Wafer in eine verdünnte HF-Lösung entfernte das dünne Oxyd in den geöffneten Ätzknoten.
Der mit den Ätzknoten versehene Wafer wurde dann für 10 min. bei 80 °C in einer Lösung aus KOH : H₂O wie oben beschrieben geätzt, und wurde anschließend für 5 min. in entionisiertem Wasser gespült. Die aufgedampfte SiO₂-Schicht wurde entfernt durch eine BHF-Lösung während die Oberfläche hydrophob war. Um Gräben zu ziehen, wurde der Wafer bei 80°C in einer Lösung aus HKOH : H₂O mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 geätzt, bis die Ätzknoten vollständig geöffnet waren (d.h. der Ätzvorgang wurde gestoppt bei der zuvor ausgebildeten vergrabenen CoSi₂-Schicht). Dann betrug die Dicke des [100]-Wafers etwa 7 μm. Die gebondeten/silizidierten Wafer wurden erneut in entionisiertem Wasser für 5 min. gespült, für 10 Minuten in einer Lösung aus H₂SO₄ : H₂O₂ mit einem Volumenverhältnis von 2,5 : 1 gereinigt und dann gespült, dann für 5 Minuten in entionisiertem Wasser gespült. Das dünne Oxyd wurde entfernt durch ein Eintauchen der Wafer in H₂O : HF mit einem Volumengewicht von 10 : 1, bis die Wafer eine hydrophobe Oberfläche hatten und anschließend wurden sie in einem Blasverfahren mit N₂-Gas getrocknet. Anschließend wurden die gebondeten/silizidierten Wafer für eine Stunde bei 900°C nass oxydiert. Das Nass-Oxid passiviert die Siliciumoberflächen. Anschließend wurden die Wafer des Typs [100] und [111] mit einem plasmachemischen Dampf bedampft, welcher eine SIO₂-Schicht mit einer Dicke von 1 μm abschied. Zur Erhöhung des Schutzes vor Diffusion mobiler Ionen und zur Verbesserung der Abriebfestigkeit wurden die Oberflächen mit einem plasmachemischen Dampf bearbeitet, der eine SI₃N₄-Schicht mit einer Dicke von 145 nm (1450 Å) abschied. Ein den [100]-Wafer mit einer Weite von 5 mm umgebendes Ringmuster wurde in dem aufgedampften Oxid geöffnet.
Der Wafer des Typs [100] wurde dann bei 80°C in einer Lösung aus KOH : H₂O mit einem Gewichtsverhältnis 1 : 1 geätzt, bis das Ringmuster geöffnet war (d.h. der Ätzvorgang wurde gestoppt bei der zuvor ausgebildeten vergrabenen CoSi₂-Schicht). Somit öffnete der geätzte umlaufende Ring einen Kontakt (A) zu der vergrabenen Schicht 16 gemäß 2. Die gebondeten/silizidierten Wafer wurden erneut für 5 min in einem entionisierten Wasser gespült, für 10 min in einer Lösung aus H₂SO₄ : H₂O₂ mit einem Volumenverhältnis von 2,5 : 1 gereinigt. In einem lithographischen Ätzverfahren wurden stufenausgerichtete Detektoröffnungen in dem Oxid auf den Wafern geschaffen. Die Detektoröffnungen hatten eine Quadratform von 0,25 cm² mit einem 0,5 mm Eckenradius. Die Ätzpaste wurde abgezogen und das dünne Oxid wurde in einer verdünnten HF-Lösung geätzt. Eine 30 nm (300 Å) dicke Schicht aus Kobalt wird sodann mittels eines Elektronenstrahls auf die Wafer beider Strukturtypen ([100] und [111]) aufgedampft. Die Bedampfbedingungen waren ein Basisdruck von 1 × 10^–8 mbar und während des Bedampfens, mit einer Rate von 0,4 nms^–1 betrug der Druck 9 × 10^–8 mbar. Die Kobaltschichten wurden silizidiert für 15 Minuten bei 800°C in einer N₂-Umgebung silizidiert, um CoSi₂ zu bilden.
Nichtreagierendes Kobalt wurde für 10 min in einer Lösung aus H₂SO₄ : H₂O₂ mit einem Volumenverhältnis von 2,5: 1 geätzt, und anschließend für 5 min in entionisiertem Wasser gespült. Anschließend wurden die [100]-Wafer mit BF₂ mit einer Energie von 90 keV und mit einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^–2 implantiert. Die [111]-Wafer wurden mit B mit einer Energie von 70 keV und mit einer Dosis von 2 × 10¹⁵ cm^–2 implantiert. Das implantierte Bor wurde während einer 30-minütigen Wärmebehandlung bei 900°C in einer N₂-Umgebung elektrisch aktiv gemacht. Das Verfahren wurde abgeschlossen durch Gastempern bei 450°C für 30 min in 90% N₂ und 10% H₂.
Aus diesem Verfahren entstand ein ΔE-E-Detektor gemäß 2 mit einem integrierten Detektorteleskop mit einem sehr dünnen gut abgestützten ΔE-Detektor, welcher die gewünschte hohe Auflösung durch Dickengleichförmigkeit und die gewünschte mechanische Stabilität bietet. Der ΔE-Detektor kann dann eine Dicke im Bereich von bis zu 100 μm haben und vorzugsweise im Bereich von 7 μm oder weniger um eine geringe Schwellenergie für den ΔE-Detektor zu erreichen.
Die beschriebene dargestellte Ausführungsform der Herstellung eines ΔE-E-Detektorelementes gemäß der vorliegenden Erfindung wurde für den Fall von phosphordotierten Substraten dargestellt, jedoch könnten beim Dotieren des Substrates ebenfalls andere geeignete Dotierungsstoffe wie z.B. Bor, Arsen oder Antimon verwendet werden. Im Fall von einigen anderen einem Durchschnittsfachmann gut bekannten Verfahren zum Abätzen des ersten Substrates sollte für den dünnen Detektorbereich ebenfalls ein Siliziumwafer mit einer Oberflächennormalorientierung von [111] verwendet werden. Die Basisstruktur für die sehr dünne ΔE-Detektorstruktur kann ebenfalls aus einer aufgedampften Halbleiterschicht aus jedem möglichen oben erwähnten Material bestehen. Ein erster Halbleiterwafer kann dann nach dem Bonding/Silizierungsverfahren weggeätzt werden und durch eine dünne abgelagerte Halbleiterschicht durch Anwendung bekannter Techniken ersetzt werden.
Das vergrabene Metall muss kein reines Metall sein, sondern kann Verbindungen sein mit einer geeigneten metallischen elektronischen Struktur eines Nitrits, z.B. TiN, oder eines Silizids, z.B. TiSi₂, PtSi, WSi₂ oder CoSi₂. In derselben Weise können ebenfalls un terschiedliche Typen von Halbleitersubstraten verwendet werden, z.B. Silizium, Siliziumgermanium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid und Indiumphosphit.
3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines Teleskop-ΔE-E-Detektors gemäß der Erfindung. In 3 sind die Sperrschichten als vergrabene Schichten 30, 32 mit der vergrabenen Metallschicht 16 als ein gemeinsamer Kontakt ausgebildet. Die Verbindung zu der metallischen Schicht wird hergestellt durch die Verbindungsstecker B. Die Form des dargestellten ΔE-Detektors wird z.B. mit einer Mesa-Ätzung mit einer dem Durchschnittsfachmann gut bekannten Technik erzeugt. Die vorderen und hinteren Ohm'schen Kontakte 36, 37 sind mit einer hochdotierten Schicht hergestellt. Somit wird der Detektor gemäß 3 in einer ähnlichen Weise wie der mit Bezug zu 2 beschriebene hergestellt, durch Ändern der Reihenfolge verschiedener einem Durchschnittsfachmann bereits bekannter Verfahrensschritte.
4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Detektors gemäß der vorliegenden Erfindung. In 4 ist ein hochauflösendes Detektorsystem dargestellt, welches auf einem Dreifachdetekorteleskop basiert. Dieses ΔE₁-/ΔE₂-/E-Detektorteleskop wird betrachtet werden als eine Kombination der beiden zuvor diskutierten Detektorsysteme, welche in den 2 und 3 dargestellt wurden. Hier sind zwei vergrabene metallische Schichten 16A und 16B sowie zwei Halbleiterschichten 14A, 14B zu sehen, welche die ΔE-Detektoren und eine dritte Halbleiterschicht 18, die als E-Detektor wirkt, bilden. Die verbleibenden Elemente sind dieselben, wie die in 2 und 3 dargestellten. Folglich wird dieser Dreifachdetektor als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angesehen.
Somit wird es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich sein, ein eine Anzahl verschiedener ΔE-Detektorbereiche auf der Oberseite eines gemeinsamen E-Detektorbereichs enthaltendes Detektorteleskop zu erschaffen, und dabei einen Festkörper-Bragg-Kurven-Detektor zur gleichzeitigen Messung von Identität und Energie von energetischen Ionen zu erschaffen. In einem solchen Element können die dünnen p-i-n-Dioden-Detektoren individuell ausgelesen werden unter Verwendung von standardladungssensitiven Vorverstärkern. Die metallische Schicht zwischen den Elementen gewährleistet, dass keine Kopplung zwischen den verschiedenen dünnen p-i-n-Elementdetektoren aufgrund von Ladungsträgerströmungen entsteht und minimiert Abbildungsladungseffekte.
Solch ein Element wird eine viel schnellere Auslesung erzielen, da der Detektor nicht auf den Drift der Elektronen zu einer Anode unter der Wirkung eines elektrischen Felds angewiesen ist. Zusätzlich kann das Element sehr kompakt ausgebildet werden, da die Atomdichte von Halbleitern und Metallen viel höher ist als die für Gase. Das Element wird ebenfalls mechanisch sehr stabil sein, was es für den Raumsondeneinsatz geeignet macht. Nur geringe Spannungen, im Bereich von 50 V, sind notwendig, da die einzelnen p-i-n-Dioden bei sehr geringer Potentialdifferenz zwischen Eingangsklemmen erschöpft sein werden.
Es wird für einen Durchschnittsfachmann nachvollziehbar sein, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Element, bildend ein eine niedrige Schwellenenergie, niedrige Kreuzkopplung und hohe Energieauflösung aufweisendes integriertes Halbleiter ΔE-E Detektorteleskop mit einem sehr dünnen gut abgestützten ersten Halbleiterwafer ΔE Detektorabschnitt (14) und mit einer Dicke im Bereich bis zu 100 μm, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorteleskop hergestellt wird durch Waferkontaktierung des ΔE Detektorabschnitts (14) an einen zweiten Halbleiterwafer E Detektorabschnitt (18) durch Silizidieren einer dünnen metallischen Schicht, wobei die dünne silizidierte metallische Schicht (16) als ein gemeinsamer zwischen den beiden Detektoren vergrabener Ohm'scher Kontakt wirkt, wobei die dünne silizidierte metallische Schicht eine Totzone ist und einen geringen spezifischen Widerstand hat, wodurch Kreuzkopplung zwischen den ΔE und E Detektorabschnitten minimiert wird.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Halbleiterwafer aus einem geeignet dotierten Siliziumsubstrat einer Oberflächennormalorientierung [100] oder [111] bestehen, wobei die Dotiersubstanz Phosphor, Bor, Arsen oder Antimon sein kann.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sehr dünne ΔE Detektorstruktur aus einer abgeschiedenen Halbleiterschicht besteht.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Halbleiterwafer aus einem Siliziumsubstrat mit neutroneninduzierter Phosphordotierung und mit einer Oberflächennormalorientierung [111] besteht.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten oder zweiten Halbleiterwafer aus Silizium, Siliziumgermanium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid oder Indiumphosphit bestehen.
Element nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der sehr dünne ΔE Detektorabschnitt (14) eine Dicke der Größe 7 μm oder weniger aufweist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vergrabene metallische Schicht (16) auf jeder Seite zusätzlich mit hochdotierten Ohm'schen Kontaktschichten (15, 17) versehen ist, um einen geringen Serienwiderstand zu erhalten und eine Minoritätsträgerinjektion zu minimieren.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vergrabene metallische Schicht (16) auf jeder Seite mit einer weiteren Sperrschicht (30, 32) versehen ist, welche einen p-n-Übergang, einen Schottky-Sperrübergang oder einen Heteroübergang bildet.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dreifachdetektorteleskop gebildet wird, umfassend einen ersten ΔE₁ Detektorabschnitt (14A) und einen zweiten ΔE₂ Detektorabschnitt (14B), die mit dem zweiten Siliziumhalbleiterwafer verbunden sind, der den E Detektorabschnitt (18) bildet, wobei der erste ΔE₁ Detektorabschnitt mit dem E Detektorabschnitt gebondet/silizidiert ist und der zweite ΔE2 Detektorabschnitt seinerseits mit dem ersten ΔE₁ Detektorabschnitt gebondet/silizidiert ist.
Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste ΔE₁ Detektorabschnitt (14A) ein sehr dünner Detektor ist, während der zweite ΔE₂ Detektorabschnitt (14B) einen um ein Mehrfaches dickeren ΔE Detektorabschnitt darstellt.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorteleskop gestaltet ist umfassend etliche unterschiedliche ΔE Detektorabschnitte, geschichtet auf einem gemeinsamen E Detektorabschnitt, wobei jeder Detektor durch eine metallische Schicht getrennt wird, wodurch ein Festkörper Bragg-Kurvendetektor erschaffen wird, um die Identität und Energie energetischer Ionen simultan zu messen.