Brevet FR2108781A1 — publié le 19720526

La présente invention concerne une diode de comptage comportant un support semi-conducteur constituée d'au moins deux régions superposées de même type de conduction dont la première, dans laquelle est formée la jonction de comptage, 5 est de haute résistivité, tandis que la seconde est fortement dopée en impuretés. Elle concerne également un procédé de fabrication d'une telle diode. On sait que, parmi les détecteurs photoélectriques, on trouve, outre les photomultiplicateurs à haut 10 niveau de linéarité et les photodiodes à haut courant, les photomultiplicateurs hybrides dans lesquels la partie multipli-catrice est constituée par une diode nucléaire, dite de comptage ou encore photocompteur, réalisée généralement dans un matériau semiconducteur. 15 L'une des caractéristiques recherchées pour une diode semi-conductrice de comptage est une caractéristique de réponse linéaire sur une grande plage, notamment lorsque la diode est soumise à un fort niveau de courant. Pour ce faire, on sait que l'une des caractéristiques importantes est la valeur 20 de la capacité de la zone désertée formée autour de la jonction polarisée en inverse : en effet, cette capacité intervient dans la détermination de la constante de temps qui doit rester identique dans une gamme de tensions la plus large possible. Or, cette capacité reste sensiblement constante 25 en fonction de la tension dans la région comprise entre la valeur de la tension de désertion et la valeur de la tension de claquage : en conséquence, pour que la caractéristique de réponse soit linéaire sur une grande plage, il faut que la tension de claquage présente une valeur élevée et que, au contraire, la 30 valeur de la tension de désertion soit la plus faible possible. La présente invention permet d'obtenir ces résultats. Selon 1'invention, la diode de comptage comportant un support semi-conducteur constitué d'au moins 35 deux régions superposées de même type de-conduction, dont la première, dans laquelle est formée la jonction de comptage, est de haute résistivité, tandis que la seconde est fortement dopée en impuretés, est remarquable en ce que l'épaisseur de ladite seconde région est au moins égale à la longueur de 40 diffusion des porteurs minoritaires, et en ce que la concentration 70 35834 2 2108781 des impuretés que contient cette seconde région est graduelle et augmente avec la distance à la surface de séparation entre lesdites première et seconde régions. De préférence, les épaisseurs desdites 5 première et seconde régions sont sensiblement égales. Avantageusement, la seconde région est formée de deux zones superposées, la zone opposée à la première région étant encore plus fortement dopée en impuretés que celle qui en est voisine. 10 On connaît déjà , par le brevet allemand 1 806 624, un photodétecteur semi-conducteur formé par la superposition de trois couches semi-conductrices, les deux premières couches formant la jonction photosensible et la troisième couche, fortement dopée, étant située sous la jonction photosensi-15 ble à une distance inférieure à une longueur de diffusion des porteurs minoritaires. Le but de cette structure de photodétecteur est de réduire les courants de fuite dus à la présence desdits porteurs minoritaires en réalisant, sous la jonction photosen-20 sible, un barrage se présentant soit sous la forme d'une deuxième jonction polarisée en inverse, soit sous la forme d'une région assimilable à une jonction, mais non polarisée. La valeur de la tension de claquage n'intervient pas dans cette structure et, par conséquent, les trois couches formant la structure décrite 25 dans le brevet allemand peuvent être obtenues par des moyens habituels sans précautions particulières hormis celle que la distance entre la première et la troisième couche soit inférieure à une longueur de diffusion des porteurs minoritaires de la jonction photosensible. 30 Au contraire, selon la présente invention, le but est d'augmenter la tension de claquage d'une manière très importante ; la structure de la diode de comptage selon l'invention doit être telle que la région fortement dopée présente une concentration graduelle, et que son épaisseur soit supérieure à la 35 longueur de diffusion des porteurs minoritaires pour permettre la recombinaison de tous ceux qui peuvent y être engendrés. On connaît également des diodes de comptage réalisées à partir d'un substrat de silicium par épitaxie inversée. La technique dite de 1'épitaxie inversée 4o consiste à déposer sur un substrat monocristallin, de haute COPY 70 35834 3 2108781 résistivité, de haute pureté cristalline et d'un type de conduction donné, une couche épitaxique épaisse, fortement dopée et de même type de conduction, dont le but est d'assurer une bonne rigidité mécanique, puis à réduire ensuite l'épaisseur du substrat. La 5 diode est alors formée par diffusion, dans le substrat restant, d'impuretés de type de conduction opposé. Les diodes de comptage réalisées suivant cette méthode présentent un certain nombre d'inconvénients dûs en particulier au fait qu'au niveau de l'interface entre le substrat 10 et la couche épitaxique se forme un gradient de concentration très abrupt qui empêche la tension de claquage de prendre une valeur élevée. De plus, les traitements subis par la surface du substrat avant le dépôt de la couche épitaxique peuvent être 15 la source de perturbations du réseau cristallin de ladite couche épitaxique, les irrégularités cristallines ainsi créées pouvant entraîner une chute de la tension de claquage . Le procédé de réalisation d'une diode de comptage conforme à la présente invention a pour but de pallier 20 ces inconvénients et s'appuie sur le fait que la concentration des impuretés diffusées dans un matériau semi-conducteur varie graduellement et joue ainsi un rôle dans la tenue des dispositifs en tension inverse. Selon la présente invention, le procédé de 25 réalisation d'une diode de comptage par diffusion d'impuretés dans un support semi-conducteur de haute résistivité, est remarquable en ce que, à partir d'au moins une face du support, on réalise au moins une diffusion à forte concentration d'impuretés de même type de conduction que celui du support et de 30 profondeur au moins égale à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires et en ce que l'on réduit l'épaisseur de la portion du support n'ayant pas été soumise à la diffusion, le reliquat du support formant la première région dans laquelle est formée la jonction de comptage et la région diffusée formant la seconde 35 région qui est utilisée comme support mécanique de ladite diode. Les avantages des diodes de comptage obtenues par la mise en oeuvre de ce procédé sontdus à la diminution de l'épaisseur de la couche semi-conductrice de haute résistivité 40 qui entraîne une faible tension de désertion, 50 V environ, 70 35834 4 2108781 une augmentation de la tension de claquage qui peut alors atteindre 1000 V, me diminution de la résistance série du support donc une diminution de la constante de temps de la diode et en conséquence de ses temps de montée et de descente et, 5 enfin, une faible variation de la capacité dans une large gamme de tensions et pour de fortes intensités. De plus, étant donné les fortes tensions prévues sur les diodes de comptage obtenues par le procédé selon l'invention, l'épaisseur minimale du reliquat du support doit 10 être choisie telle que l'on n'atteigne pas la tension d'ionisation du matériau constituant ledit substrat, ce qui conduit à avoir sous la jonction des épaisseurs très supérieures à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires, par exemple de l'ordre d'au moins 30 V- sur un substrat en silicium. 15 De préférence, l'épaisseur du support d'origine et la profondeur de diffusion des impuretés sont choisies telles que, dans le dispositif terminé, l'épaisseur du reliquat du support soit égale à l'épaisseur de la région diffusée fortement dopée. 20 Avantageusement, ladite seconde région forte ment dopée est obtenue par deux diffusions successives, la concentration en impuretés et la profondeur de la seconde étant respectivement supérieure et inférieure à celles de la première. En fait, lorsqu'on ne réalise qu'une diffusion 25 à partir d'une face d'un support, les impuretés affleurant la surface à la fin de l'opération de diffusion ont tendance, dans le temps, à diffuser dans le support, de telle sorte que l'on constate alors un appauvrissement de cette surface en impuretés de dopage et, en conséquence, une variation non régulière de 30 la concentration. Le fait de réaliser une seconde diffusion moins profonde que la première mais plus dopée permet donc d'éviter ce phénomène. La seconde région fortement dopée peut être 35 obtenue par diffusion d'impuretés à travers une seule face du support et la réduction d'épaisseur de ce dernier est effectuée à partir de la face opposée à celle ayant servi d'origine à la diffusion. Cette forme de mise en oeuvre présente l'avan-40 tage d'être simple et peu coûteuse, notamment dans le cas où l'on 70 35834 5 2108781 réalise la ou les diffusions, non pas par les techniques classiques mais par entraînement des impuretés préalablement fixées dans un film ou line peinture déposés sur le support. Toutefois, dans un mode de mise en oeuvre 5 préférentiel du procédé selon l'invention, on réalise au moins une diffusion à forte concentration d'impuretés à travers chacune des deux faces principales opposées du support et à une profondeur au moins égale à une longueur de diffusion des porteurs minoritaires et à partir de l'une des deux faces du support 10 ayant servi de base à la diffusion, on réduit l'épaisseur dudit support d'une valeur au moins égale à ladite profondeur de diffusion. Ce mode de mise en oeuvre présente l'avantage d'éviter les contraintes dans le cristal lors des traitements 15 thermiques destinés à l'opération de diffusion. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ce dessin : Les figures 1 à 3 illustrent les étapes prin-20 cipales de réalisation d'une diode de comptage selon l'invention. Les figures 4 et 5 montrent, en coupe schématique, deux variantes de réalisation d'une diode de comptage conforme à l'invention. L'exemple décrit ci-après concerne une diode 25 de comptage réalisée à partir d'un substrat de type de conduction P, mais il va de soi que l'on peut réaliser, selon l'invention, des diodes de comptage à partir d'un substrat de type N ; il y a lieu alors d'inverser tous les types de conduction mentionnés ci-dessous. 30 De plus, il est à noter que les dimensions sur les dessins sont considérablement exagérées et non proportionnées, ceci afin de rendre les figures plus claires. Les couches superficielles d'oxyde, conséquentes aux diverses opérations thermiques, ne sont pas représentées. 35 II n'est pas fait allusion à ces couches protectrices au cours de la description, car la formation de telles couches et 11 ouverture de fenêtres aux emplacements désirées sont des opérations systématiques précédant toute opération de diffusion faisant appel à des techniques connues. ^ GQPV ÏQ 35834 6 2108781 De même, il n'est pas fait allusion aux opérations de dépôt de prédiffusion de l'impureté que l'on veut faire diffuser, étant entendu que les opérations de diffusion sont le plus souvent, sauf spécification contraire, précédées d'un 5 dépôt de prédiffusion ou du dépôt d'un film ou d'une peinture dopés. Conformément à l'invention et selon les figures 1 à 4, pour réaliser une diode de comptage, on part d'un substrat 1, en silicium de type P par exemple, et de forte résis-10 tivité. A travers les deux faces principales 2 et 3 dudit substrat 1, on réalise une première diffusion d'impureté de type P également, par exemple du bore, en concentration relativement élevée qui provoque la création des régions 4 et 5 de type P (voir figure 1). 15 La profondeur de la diffusion, c'est-à-dire l'épaisseur des régions 4 et 5 est liée à la tension de claquage désirée pour la diode et doit tenir compte de la tension d'ionisation du matériau constituant le substrat 1 : ainsi, dans le cas où l'on désire une tension de claquage de l'ordre 20 du millier de volts, il sera avantageux d'obtenir dans le substrat une région diffusée de silicium d'au moins 50JJ- d'épai-seur. Toujours à travers les faces 2 et 3 du substrat 1, on réalise ensuite une deuxième diffusion du même 25 type de conduction mais à plus forte concentration d'impuretés et | | moins profonde qui forme alors des zones 6 et 7 de type P (voir figure 2). Par rodage mécanique et/ou attaque chimique, on élimine alors les régions diffusées à partir d'une des faces 30 du substrat 1, par exemple les régions 5 et 7. Pour avoir la certitude d'avoir supprimé toutes les impuretés diffusées à travers la face 3, on élimine également la partie de type P du substrat 1 voisine desdites régions (voir figure 3).De préférence, l'épaisseur du substrat 1 restant est alors sensible-35 ment égale à la somme des épaisseurs des zones 4 et 6. A partir de la nouvelle face externe 8 du substrat 1, opposée à la couche 6 et préalablement polie et nettoyée, on diffuse selon des techniques classiques des impuretés de type N, arsenic ou phosphore par exemple, pour former 40 deux îlots 9 et 10, le premier constituant avec le substrat 1 70 35834 7 2108781 la jonction photosensible J, le deuxième formant un anneau de garde entourant l'îlot 9 (voir figure 4) et destiné à réduire les courants de fuite et à augmenter la tension de claquage due au rayon de courbure de la jonction. On agence ensuite des contacts (non représen- 5 tés sur les figures), d'une part sur la face externe 11 de la couche 6, d'autre part sur les îlots 9 et 10. La figure 5 illustre une variante de réalisation de la diode de comptage selon l'invention. Sur cette figure, les parties de la diode, semblables à celles de la 10 diode montée par la figure 4, portent les mêmes références. Comme dans l'exemple précédent, la diode est composée d'une plaquette comportant trois régions successives . - - + -j-f. 1, 4, 6, respectivement de types P, P et P et obtenues par le procédé précédemment décrit. 15 Dans la couche 1 sont diffusés l'îlot 9 formant avec ladite région 1, la jonction J et lTîlot 10 constituant l'anneau de garde. Lors des divers traitements thermiques de diffusion, il peut se former sur la face externe 8 de la couche 1 20 une couche d'inversion 12 qui met alors en court-circuit les îlots 9j 10 et la couche 1. Pour éviter ce phénomène, on diffuse localement entre les îlots 9 et 10 un autre îlot annulaire 13 de type de conduction P qui entoure l'îlot 9 et qui coupe ainsi la 25 couche d'inversion 12 éventuellement formée. La concentration en impuretés de cet îlot 13 doit être supérieure à celle de la couche 1, mais inférieure à celle pouvant la rendre parfaitement conducteur. Y "70 35834 8 2108781 REVENDICATIONS 1.- Diode de comptage comportant un support semi-conducteur constitué d'au moins deux régions superposées de même type de conduction, dont la première, dans laquelle 5 est formée la jonction de comptage, est de haute résistivité, tandis que la seconde est fortement dopée en impuretées, caractérisée en ce que l'épaisseur de ladite seconde région est au moins égale à la longueur de diffusion dés porteurs minoritaires et en ce que la concentration des impuretés que contient cette 10 seconde région est graduelle et augmente avec la distance à la surface de séparation entre lesdites première et' seconde région. 2.- Diode de comptage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les épaisseurs desdites première et seconde régions sont sensiblement égales. 15 3«- Diode de comptage selon la revendication 1 caractérisée en ce que la seconde région est formée de .deux zones superposées, la zone opposée à la première région étant encore plus fortement dopée en impuretés que celle qui en est voisine. 20 4.- Diode de comptage selon la revendication 1 dans laquelle l'îlot, de type de conduction opposé à celui desdites régions et contenu dans la première de celles-ci pour former ladite jonction, est entouré par m anneau de garde dudit type de conduction opposé , caractérisée en ce qu'elle 25 comporte, entre ledit îlot et ledit anneau de garde, un anneau de garde supplémentaire du même type de conduction que ladite région mais de plus faible résistivité. 5.- Procédé de réalisation d'une diode de comptage selon l'une des revendications précédentes par diffu-30 sion d'impuretés dans un support semi-conducteur de haute résistivité, caractérisé en ce que, à partir d'au moins une face du support, on réalise au moins une diffusion à forte concentration d'impuretés de même type de conduction que celui du support et de profondeur au moins égale à la longueur de 35 diffusion des porteurs minoritaires et en ce que l'on réduit l'épaisseur de la portion du support n'ayant pas été soumise à la diffusion, le reliquat du support formant la première ' région dans laquelle est formée la jonction de comptage et la région diffusée formant la seconde région. 70 35834 2108781 6.- Procédé selon la revendication 5» caractérisé en ce que l'épaisseur du support d'origine et la profondeur de diffusion des impuretés sont choisies telles que, dans le dispositif terminé, l'épaisseur du reliquat du support soit 5 égale à l'épaisseur de la région diffusée fortement dopée. 7.- Procédé selon la revendication 5> caractérisé en ce que ladite seconde région fortement dopée est obtenue par deux diffusions successives, la concentration en impuretés et la profondeur de la seconde étant respectivement supé- 10 rieure et inférieure à celles de la première. 8.- Procédé selon la revendication 5* caractérisé en ce que la seconde région fortement dopée est obtenue par diffusion d'impuretés à travers une seule face du support et la réduction d'épaisseur de ce dernier est effectuée à par- 15 tir de la face opposée à celle ayant servi d'origine à la diffusion. 9.- Procédé selon la revendication 5* caractérisé en ce que, pour obtenir la seconde région fortement dopée, on réalise au moins une diffusion à forte concentration 20 d'impuretés à travers chacune des deux faces principales opposées du support et à une profondeur au moins égale à une longueur de diffusion des porteurs minoritaires et, à partir de l'une des deux faces du support ayant servi de base à la diffusion, on réduit l'épaisseur dudit support d'une valeur au moins égale à 25 ladite profondeur de diffusion.