DE1544275A1 - Herstellung von Halbleitervorrichtungen - Google Patents

Description

PATENTANWALT 154427$

DIPL-ING.

HELMUT GORTZ

6 Frankfurt am Main 70

p 15 44 275.8-43 26. Juli 1969

Sprague Electric Company... Gzu/ko

Herstellung von Halbleitervorrichtungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen und dadurch hergestellte Vorrichtungen.

Halbleitervorrichtungen werden durch Bildung von Verbindungsstellen unterhalb oder auf der Oberfläche monokristalliner Halbleiter-Grundkörper hergestellt, wobei eine solche Verbindungsstelle entweder eine Grenzschicht darstellt, welche zwei Teile unterschiedlichen leitungsvermögens in dem Körper trennt» oder den Übergang zwischen einem Metallkörper und dem Halbleiterkörper bildet. Wenn die Leitfähigkeitsarten verschieden sind, d. h. wenn ein Typ Fehlstellenleitung und der andere Elektronenleitung besitzt, wird die Grenzschicht zwischen den zwei Teilen des Grundkörpers eine P-N-Verbindung genannt. Wenn die Leitfähigkelten hinsichtlich ihrer Größe, aber nicht hinsichtlich des Typs verschieden sind, wird die zwischen den beiden Teilen gebildete Verbindung eise sogenannte niedrig/hoch«Verbindung genannt.

Die Bildung von Grenzschichten kann durch verschiedene Verfahren, wie z. B. durch Diffusion, Leglerungefoiläung oder epitaxiales Wachstum erreicht werden. Allen diesen Verfahren sind Vorteile und Grenzen eigen; welches Verfahren jeweils gewählt wird, hängt von dem zu erreichenden Ziel'afc_P

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Νβϋβ Unferfagfö.l /A 7 ύ .. λ. . .!,. 1 C J* 3 d_&r, Xncferungsgoi. ν. ·¹.

Ein bekanntes Verfahren zur Bildung von Grenzschichten bei ■ dem ein Ionenstrahl auf die Oberfläche eines Halbleiterkäi·«· pers gerichtet wird, und bei welchem Ionen in den Körper eingebaut werden, vermittelt gewisse Vorteile. Nach einer vorher gewählten Musterschablone können Grenzschichten gebildet werden, indem entweder der Strahl über die Oberfläche geführ^wird oder indem geeignete Masken verwendet werden. Mit diesem Verfahren sind jedoch auch gewisse Nachteile verbunden, unter denen die durch den Strahl bewirkte Beschädigte der Kristallinen Struktur des Halbleiterkörper zu nennen ist. Dieser Schaden kann durch ei?® gseign^te Tempei-it.u.-behandlung, d. h. beispielsweise duroh Tempern bei t>.;.;■■ er Tm-Ä peratur, welche genügend niedrig liegte v'-i eins Mxi'u&ions bewegung der "eingepflanzten" Ionen 5<i ■/- ^:uJMern, geheilt werden. Ein anderer Nachteil de*,- .1?:? : ^/,y, iS von Ionen ist die Schwierigkeit, bis hinaus an Φ$η äußersten Hand des Halbleiterkörpers eine einheitliche Schicht zu erzielen. Durch diese Schwierigkeit ist das Läppen der Kanten des Körpers nötig geworden, womit sich wiederum ein zusätzlicher Verfahrensschritt ergibt.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Erzeugung einer Grenzschicht nach einer vorgewählten Schablone besteht in der Bildung einer flachen Schutzschicht, welche an der Oberfläche des Halbleiterkörpers klebt und Teile davon gegen das Eindringen von Verunreinigungen schützt« Der Ausdruck "Verunreinigungen", wie er hier gebraucht wird, ist so zu verstehen, daß damit ein Material gemeint wird, welches die Leitfähigkeit des Halbleiterkörper entweder hinsichtlich der Leitungaart oder der Größe verändert. Wenn man den Körper dem Dampf einer Verun-

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reinigung aussetzt, so dringt letztere" in den Körper an den unmaskierten Stellen ein und bildet in dem Körper eine Grenzschicht, Grenzschichten, die auf diese V/eise gebildet werden, unterteilen die Pläche, oberhalb derer sich die Maske befindet»£?ine Vorrichtung, welche solche Grenzschichten enthält, wird eine Planarvorrichtung genannt. Diese planaren Grenzschichten trennen eine Zone, in dem Halbleitermaterial von dem übrigen Halbleiterkörper ab. Die wiederholte Anwendung verschiedener Masken und Diffusionsschritte gestattet die Bildung komplizierterer Grenzschichtanordnungen, bei denen beispielsweise innerhalb einer Kammer eine andere Kammer entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet wird. Wenn der Leitfähigkeitstyp der ersten Kammer dem des Körpers entgegengerichtet ist, wird ein Aufbau erhalten, welcher bei Herstellung geeigneter Kontakte zu den diffusionsbehandelten Gebieten als Transistor fungieren kann. Die kleinere Kammer stellt einen Widerstand dar, wenn sie kleine Dimensionen in einer Richtung und in der anderen Richtung ausgedehnte Abmessungen besitzt. In ähnlicher Weise lassen sich durch diesen planaren Prozeß auch verschiedene andere Anordnungen bilden· Fortschrittliche Vorrichtungen ergeben sich, wenn diese Anordnungen zusammen in einem einzigen Körper auf engem Raum angeordnet werden, wobei die Teile auf geeignete Weise miteinander verbunden werden.

Das bekannte Verfahren zur Herstellung planarer Vorrichtung erfordert jedoch gegenwärtig noch die Wiederholung der drei grundlegenden Schritte: a) Bildung einer anhaftenden Schutzschicht, b) Maskieren mit einer lichtempfindlichen Schicht, c) Diffusionsbehandlung. Zusätzlich ist ein weiterer Verfahrensschritt erforderlich, der die Ablagerung eines Metallfilms zur Herstellung von Ohm¹schem Kontakt zu den Zonen der Vorrichtung betrifft und auch die Verbindung der Zonen untereinander herstellt. Daraus ist zu ersehen, daß das bekannte Planar-

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verfahren folgende Nachteile besitzt: die Zahl der Behandlungsstufen ist groß; die Reinigungsstufen, mittels derer verursacht wird, eine reproduzierbar saubere Oberfläche aufrechtzuerhalten, sind zahlreich; das Verfahren hängt in erheblichem Maße von dem Maskieren mit einer lichtempfindlichen Schutzschicht ab, wobei offene Diffusionsfenster präziser Abmessungen in der auf der Unterlage klebenden Schutzschicht erzeugt werden; nach jeder Prädiffusionsbehandlung ist die erneute Erzeugung einer anklebenden Schutzschicht notwendig, um eine Mas&ergrundlage für die nächste Diffusionsbehandlung· zu erzeugen; die Diffusionsbehandlung ist ein Verbundprozeß, wobei die endgültigen Abmessungen der Grenzschicht eine Punktion aller Behandlungsschritte darstellt.

Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß das heutige Verarbeiten von integrierten Stromkreisen eine sehr große Zahl von Einzelschritten erfordert, von denen die meisten einen Wechsel der Umgebungsbedingun^en erfordern wie auch ein konsequentes Einwirkenlassen von Verunreinigungen und Abteaubedingungen. Das Ergebnis dieser Komplexität sind niedrige Ausbeuten, welche hohe Kosten und geringe Verläßlichkeit hinsichtlich der erzeugten Einzelelemente bewirken.

Die Bildung planarer Grenzschichten durch Einbringen von Ionen mittels des Überstreichens vorgewählter Gebiete der Oberfläche eines Halbleiterkörpers mit einem Ionenstrahl könnte die Anzahl der Behandlungsstufen gemäß dem bekannten Planarverfahren, wie es oben beschrieben wurde, herabsetzen, weil das Mas·-

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kieren mit einer lichtempfindlichen Schutzschicht nicht mehr notwendig wäre. Wegen der oben erwähnten Beschädigung durch das Einführen von Ionen und die damit verbundenen Nachteile hinsichtlich der liegelung ist dieses verfahren zur Herstellung planarer Vorrichtungen ungeeignet. Es ist außerdem bekannt, daß, wenn eine Probe durch Ionenbehandlung vorgesättigt wird, sehr komplexe Prozesse während jeglicher nachfolgender Behandlung mit einem Ionenstrahl eintreten. Ionen, die während einer zweiten Einwirkung eingebracht werden sollen, neigen gern dazu,in der Nähe der Oberfläche zu verbleiben, wenn nicht genügend hohe Ionenstrahlenergie angewandt wird, um ihnen ein genügendes Eindringen zu gestatten. Eine zu hohe Ionenstrahlenergie bewirkt andererseits einen Verlust von Atomen der Probe.

Die Planarmethode kann mit besonderem Vorteil benutzt werden, wenn zumindest zwei Kammern gebildet werden, wobei eine Kammer teilweise oder ganz die andere überlappt. Hierbei werden vorteilhafterweise Mittel vorgesehen, um dieselbe Anordnung durch Anwendung von lonenstrahlen zu erzeugen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es₉ planare Vorrichtungen mithilfe des Verfahrens def Ionenstrahleinbringung zu erssugen« Die neue Erfindung ermöglicht es auch ,innerhalb desselben BIooIls nach dem Planarverfahren mittels lonenstrahläetieruag Halblaitez¹'. hsrzustelleiio Im allgemeinen werden die Ziels eier Irfiaclmig duroh ein Yerfahren und durch Mittel ergiisl'ä; 'ä'hl. άοϊι&Ίΐ QiiiQ Vislsahl voa Ioneastrahlfeefasiadlungee. in 2'ji:?&uii'2 Ί':οι^τ^.ο'ύ.ο H;Los?£ii?::.'Gh sirä sine Earaüiss? iaae^halö einer Γ-.'--:'22r ΎΖ 1"..". r-i::*, .-:■"-. .il-V.Xbls 'j/Cal'koifpQj? gescilaf f Θ/lc US ist ClStIS2? Q'L'fi '■' -Γ-'Vr·". , l^r 'S; :ίί'"'!":.:":]^~>: -.Fr-. -"-.ffii) SgΐΧ© ÜQ'J? IPlüöfiO S*lSOiS HtiXbX(5 3."b©3?~

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nachfolgenden Stufen mit lonenstrahlen auf solche Weise "behandelt werden, daß kein Strahl eine Kante des Körpers "berührt, und daß 5ader der Strahlen ein G-e"biet überdeckt, welches teilweise oder vollständig ein Gebiet überlappt, welches durch zumindest einen anderen Ionenstrahl überdeckt wird. Die lonenstrahlen sollen einen Stoff enthalten, welcher in das Innere des Körpers eindringt und hierin einen ieitfähigkeitsweehsel erzeugt.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

figur 1 eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

!Figur 2A einen Querschnitt einer Mehrzahl von "eingepflanzten" Kammern in einem Einzelstück?

Figur 2B eine Flächenansicht der Anordnung von Mg. 2A;

figur 3-4. einen Querschnitt einer Mehrfachkaiamer-Anordnung eines erfindungsgemäßen 'Widerstands;

figur 3B eine IPlächenansioht der liaoraüiaiig von fflg. 3A|

SPiga.^ 4A-eine Ba^stellimg o,©r Ysrteiluag der TQTVOYr^lnli^ui g©a. ia θ1ώ.θ5ϊ KaIbIs it^ho^Rszrg wie eT ivj%c,h fea T

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Figur 4B ein Diagramm, welches die Verteilung der Konzentration in dem Halbleiterkörper nach der Difftfisionsbehandlung wiedergibt.

Nach Figur 1 wird die flache Oberfläche eines Halbleiterkörpers 1 des N-Typs zunächst Ionenstrahlen ausgesetzt, welche eine Kammer 2 bilden; hierdurch wird ein leitfähigkeitswechsel von N zu P bewirkt. Eine weitere Behandlung mit einem Ionenstrahl, der Ionen einer Verunreinigung des N-Typs enthält, führt zu einer Kammer 3 des N-Typs innerhalb der Kammer 2, wodurch eine Transistorenanordnung erzeugt wird.

Figur 2A zeigt einen Querschnitt verschiedener Kammern 4, und 6 des N-Typs, welche durch einen Ionenstrahl in einen Halbleiterkörper 7 des ?-Typs "eingepflanzt^ wurden. Die Fig. 2B stellt eine Draufsicht der Anordnung gemäß Fig. 2A dar. Durch eine andere lonenstrahlbehandlung werden ringförmige Kammern 8, 9 und 1o gebildet, um in hohem Maße vagabundierende Ströme zwischen den Kammern 4? 5 und 6 hintanzuhalten.

Die Fig. 3A und 3B geben eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer Anordnung, welche als Halbleiterwiderstand benutzt werden kann. Innerhalb eines Halbleiterkörpers 11 vom P-Typ wird eine langgestreckte Kammer vom N-Typ durch einen ersten Ioneneinpflanzungsprozeß erzeugt. Der eigentliche Widerstand wird innerhalb der Kammer 12 durch Ionenstrahlbehandlunjf der Kammer 13 gebildet» Die Kammer 12 dient zur Isolierung des Widerstandselements der Kammer 13 von anderen Teilen des Halbleiterkörpers.

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Die vorliegende Erfindung besteht im allgemeinen in der Anwendung des Einbringens von Ionen mittels Ionenstrahlbehandlung iur Bildung planarer Anordnungen, wobei .zumindest zwei aufeinanderfolgende Stufen der Ionenstrahlbehandlung auf solche Art angewendet werden, daß jeder der Ionenstrahlen ein Gebiet überdeckt, welches teilweise oder vollständig ein durch einen anderen Ionenstrahl überdecktes Gebiet überlappt. Dieses Merkmal ist im Hinblick auf die Herstellungstechnologie für Halbleitervorrichtungen und integrierte Stromkreise besonders vorteilhaft. I¹Ur den mit der Technik der planaren Torrichtungen mit integrierten Masken Vertrauten ist es klar, daß die vorliegende Erfindung viele Verfahrensschritte einspart, welche bisher als unbedingt nötig zur Herstellung der Vorrichtung angesehen worden waren.

Eb ist bekannt, daß Halbleitervorrichtungen durch Bestrahlung beschädigt werden können. Ob nun diese Strahlung au® den Bedingungen des Experiments entspringt, oder ob diese Strahlung natürlich ist, spielt keine RoIIe₈. Es können gewiss© Eigenschaften der Vorrichtung durch das Auftreten der Strahlung verschlechtert werden_o Uach der vorliegenden Erfindung würden jedoch arbeitsfähige Vorrichtungen sogar erhalttia, wenn die Beschädigung nicht geheilt worden wär©_o Solch® Vorrichtungen können vorzugsweise dann verwendet ^©rden, wens. Bedingungen zu erwarten sind, welche zu Strahlungsschäden führsn würden₀ In diesem Fall würden die Eigenschaften der Vorrichtung la keiner Weise verändert.

Weiterhin konnte festgestellt w@rd©n_s daß ein© auf den bei Ionenimplantation entstandenen Schaden erhalten wird, wenn der Halbleiterkörper während der Ion@nstrahlb©.bani lung auf höheren Temperaturen gehalten wurde,. Das Äusheilsa

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kann entweder durch zusätzliche Mittel, wie beispielsweise Anbringen des ^albleiterkörpers auf einem beheizten Streifen, oder durch Anwendung einer Ionenstrahlenergiedichte, welche hoch genug ist, um die Probe durch die Stoßenergie der Ionen zu erhitzen, bewirkt werden. Die Energiedichte kann in passender Weise durch Verändern auf zwei oder mehreren Parametern des Ionenstrahls, nämlich der Erhöhung der Spannung, des Stroms oder der Zeit, verändert werden.

Das Verfahren kann weiterhin in Verbindung mit anderen Verfahren solcher Art Verwendung finden, daß nach Anwendung von zwei oder mehreren Ionenstrahlimplantationen auf den Halbleiterkörper eine Temperaturbehandlung nachgeschaltet wird, die solange durchgeführt wird, bis ein ausreichendes Eindiffundieren der implantierten Ionen erreicht wird. Ein solches Verfahren kann mit Vorteil dann angewendet werden,'wenn die implantierten Ionen verschiedenen.Leitfähigkeitstypen angehören und hinsichtlich ihrer Diffusionskoeffizienten soweit unterschiedlich sind, daß bei normalen Diffusionstemperaturen und Diffusionszeiten ein wesentlicher Unterschied hinsichtlieh der Eindringtiefe besteht, wodurch zwei Grenzschichten entstehen. Weiterhin kann der Salbleiter auf einer solchen Temperatur während der Ionenimplantation gehalten werden, daß ein verbessertes Eindringen der Implantationsionen stattfindet.

Die Konzentrationsverteilung, welche bei der Ionenimplantation entsteht,, wird durch eine glockenförmige Kurve wiedergegeben« Bei der Kombination ύοά zweien dieser V-erteilungskurven können an äen Grenzschichten Gradienten ©rhalte-ß werden, welche bisher unbekannte Eigenschaften ä©r Ha richtung erlauben_ö

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Die Pig. 4A zeigt die ungefähre Konzentrationsverteilung in •einem Halbleiterkörper nach zwei aufeinanderfolgenden Ionenimplantationen. Auf der Abszisse ist die Eindringtiefe (nicht maßstäblich) und auf der Ordinate die Konzentration aufgetragen. Die horizontale Linie H zeigt den Hintergrund-DotierPegel des Halbleiterkörpers an. Innerhalb des Rechtecks 15 kann der Hauptteil (etwa 60 #) der implaftierten Ionen enthalten sein. Nachdem man die Probe einer Diffusionsbehandlung unter den oben geschilderten Bedingungen unterworfen hat, ergibt sich eine Konzentrationsverteilung wie in Pig. 4B gezeigt. Hier gibt 15A die Konzentrationsverteilung der langsam diffundierenden Verunreinigung und I5B die Verteilung für die schnell diffundierenden Verunreinigungen an. Wie zu ersehen ist, werden unter diesen Verhältnissen zwei Grenzschichten 16 und 17 gebildet. Eine solche Anordnung kann nach Herstellen geeigneter Kontakte beispielsweise als Transistor Verwendung finden.

Die größte Eindringtiefe der Ionenstrahlen liegt in der Ho-Richtung. Sie hängt weniger von der Ebene des Halbleiterkörpers selbst ab, auf welche die Ionenstrahlen gerichtet werden. Es ist zu verstehen, daß die seitliche Fläche der Kammern, welche durch die Ionenstrahlen erzeugt wurden, dadurch kontrolliert werden kann, daß die Ionenstrahlen nach bekannten Maßnahmen fokussiert werden.

Die folgenden speziellen Beispiele dienen nur als Erläuterung und sollen den Rahmen der vorliegendes Erfindung in keiner Weise einschränken«

Beispiel I

Ein o,o3 Ohm_ecm Siliziumsubstrat vom P-=^!fyp_t orientiert in der Ho-iiichtung wurde mit 80 keV Phosphorionen in. einer Dosis

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1 £', P

von 5 x Ίο Ionen/cm behandelt, wobei eine Grenzschicht 1o,3oo 2. wΛ,rhall) der Oberfläche erzeugt wurde. Es folgte eine Implantation von 13,3 keV Borionen in einer Dosis von 5 χ 1o Ionen/cm , wobei eine zweite Grenzschicht 262o £ unter der Oberfläche, aber innerhalb des ersten bestrahlten Volumens erzeugt wurde.

Beispiel II

Ein o,o3 Ohmocm Silizium vom P-Typ, orientiert in der 1oo-Hichtung wurde mit 4o Ic©«¥ Phosphorionen in einer Dosis von 5 ι 1o Ionea/em bestrahlt^ wobei eine Grenzschicht 4800 Ä unter der Ofeerfläeh® erzeugt wurde. Es folgte eine Bestrahlung mit I3p3 k©lT lorionen Ia einer Dosis von 5 x 1o Ionen/

cm , wobei @in^ ßreazsehieht Innerhalb des ersten bestrahlten Volumens 443o £ /enter ö©r- Oberfläche erzeugt wurde.

Beispiel ΣΙΣ

Ein o,o3 OhMoOE Silizirarträgermaterial vom P-Typ, orientiert in Ho-Eichtimg ^a^de iait 8o k©V Phosphorionen bis zu einer Dosis von 5 s: 1o^s ' Ion@n/cm~ !bestrahlt, wobei eine Grenzschicht 1o,6oo α unterhalb äer Oberfläche erzeugt wurde. Es folgte ein® Bestrahlung alt 26,6 k®¥ Borionen in einer Dosis von 1 2 1o Ion©n/em _s wobei ®in© ßrgazsohicht innerhalb de« eisten impIaE^si©rtign Tolmmsas 33o© 2, unter der Oberfläche

il® Anoroaiangen g®mäß äidies¹ Irfiadiang zu erzeugen, kann L··-mTqbtl Y©r^@nö®t w®rä®n_g i@r ö®n mit der Technik der

Fachleuten geläufig ist. Tors'ich'feungsanordnungen durch

gebiss©? ?®2?&γ_. _jr₉ wie "beispielsweise Beschleunicl®2? los,©a_D Xossskonssiatratlon, Art der Ionen,

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Zeit und Ionenstrahldurcbmesser. Die Ionenarten können von Ionenstrahl zu Ionenstrahl verschieden sein. Weiterhin kann ein Ionenstrahl zwei verschiedene Arten von Ionen zur gleichen Zeit mit unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit enthalten. Man kann auch den Strahldurchmesser während des Implan— tationsprozesses verändern. Weiterhin ist das Halbleitermaterial nicht auf Silizium beschränkt, sondern es kann beispielsweise auch Germanium oder eine der Ill-V-Verbindungen sein.

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Claims (7)

15U275 Patentansprüche

1. Verfahren zur Ausbildung von pn-Übergängen in Halbleiterkristallen, bei dem mit Hilfe eines entsprechend der gewünschten 3?orm einer umzudotierenden Zone fokussierten Ionenstrahles Ionen des Dotiermaterials in die Oberfläche des Halbleiterkristalls geschossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer mittels eines ersten Ionenstrahls bestimmter Energie und Ionendichte im mittleren Bereich des Halbleiterkristalls (1) ausgebildeten umdotierten Zone (2) mittels eines Ionenstrahls niedrigerer Energie und anderer Ionendichte eine zweite, vollständig in die erste eingebettete Zone (3) ausgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ionenstrahl andere Ionen als der erste enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ionenstrahl zwei Ionenarten mit unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit enthält.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie und/oder Ionendichte mindenstens eines der Ionenstrahlen zur Erreichung eines gewünschten Dotierungsprofils während des Beschüsses verändert wird.

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Neue Unferlu;^, :λ,,. ί ■ . ·,_ , „., _s.._{u 3 Jos} ^

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5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie mindestens eines der Ionenstrahlen ausreichend hoch zur Erhitzung des Kristalls auf eine Kristallgitterschäden ausheilende Temperatur gewählt ist.

6. Verfahren nach einem ader mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall während des oder in an sich bekannter Weise nach dem Ionenbesch-^uß auf eine das Eindiffundieren der Ionen erleichternde Temperatur erhitzt wird.

7. Nach dem Verfahren der vorstehenden Ansprüche hergestellten Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch eine in den Halbleiterkristall (7) eingelassene erste umdotierte Zone (6), deren an die Oberfläche des Kristalls (7) tretende Grenzschicht durch eine zweite ringförmige, in den K_ri_stall (7) eingelassene Zone (8) abgedeckt ist.

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