Brevet FR2618258A1 — publié le 19890120

La présente invention se rapporte aux détecteurs de particules ionisantes en général et concerne plus particulièrement un détecteur de type diode réalisé dans un matériau semiconducteur. De tels détecteurs ont déjà été largement utilisés pour la dé- tection ou la spectroscopie de particules ionisantes telles que: électrons, protons, particules a, rayons X ou y, etc. Ils consti- tuent donc des outils extrêmement précieux tant pour la recherche dans des domaines aussi divers que la physique, l'astrophysique ou le nucléaire que pour des analyses dans les techniques chimiques ou médicales. Ces détecteurs consistent en un matériau semiconducteur faiblement dopé (généralement en silicium) dans lequel est réalisée une diode entre deux électrodes conductrices. Une tension externe est appliquée aux électrodes de manière à polariser la diode en in- verse et à créer dans le semiconducteur une zone de déplétion qui constitue la zone sensible du détecteur. Dans les applications o une résolution spatiale selon une direction est requise, l'une des électrodes est divisée en une pluralité d'électrodes parallèles qui assurent la discrimination spatiale voulue. L'utilisation combinée de plusieurs détecteurs de ce type permet une résolution dans un es- pace à plusieurs dimensions. Cette dernière n'est cependant possible que pour des particules d'énergie assez grande pour qu'elles traver- sent ces détecteurs avec une très faible perte d'énergie. Les caractéristiques générales requises de ces détecteurs sont l'efficacité, c'est-à-dire l'obtention d'une impulsion électrique suffisante pour chaque particule traversant le détecteur et la ra- pidité de détection. Ces caractéristiques sont liées à un certain nombre de paramètres qui sont soit spécifiques du matériau utilisé ou dépendant de la structure ou des procédés de fabrication utili- sés. On peut citer, parmi les propriétés requises les plus importan- tes: la faible concentration de dopage du substrat, la tension éle- vée de polarisation, le faible courant de fuite, le faible taux de charges trappées et la stabilité des performances en fonction du temps et des irradiations. -2- 2618258 Les détecteurs connus à ce jour soit ne présentent pas la tota- lité des. propriétés requises, soit une structure complexe qui rend leur coût de fabrication élevé. Aussi un objet de la présente invention est un détecteur de particules ionisantes ayant des performances améliorées par rapport aux détecteurs de l'art antérieur. Un autre objet de l'invention est un détecteur dont les perfor- mances électriques restent stables pendant une longue période d'uti- lisation sans irradiation. Ces objets sont réalisés grâce au fait que le détecteur compor- te en plus de la jonction conventionnelle qui, polarisée en inverse, engendre une zone de déplétion constituant la partie sensible du dé- tecteur, une zone dopée de type n servant de limite à la zone de déplétion. Cet agencement particulier rend la structure selon l'invention moins critique que certains détecteurs connus tout en assurant les performances requises telles que l'efficacité et la tenue aux radia- tions. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la descrip- tion suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite à titre purement illustratif et en relation avec les dessins joints dans lesquels: la figure 1 montre un exemple de réalisation connu de l'art an- térieur; la figure 2 montre un autre exemple de réalisation connu de l'art antérieur; la figure 3 montre un exemple de réalisation selon les caracté- ristiques de la présente invention; et -3- 2618258 les figures 4.a à 4.e montrent différentes étapes de fabrica- tion du dispositif de la figure 3. L'exemple de réalisation montré à la figure 1, représente un détecteur connu de l'art antérieur. Il est réalisé à partir d'une plaquette de silicium monocristallin 1 très faiblement dopé de type n. Une résistivité typique de 4 x 103 Q2,cm permet l'obtention de zo- nes de déplétion importantes. Une série de bandes parallèles et équidistantes, constituées par des zones 3 fortement dopées de type + p, forment avec le substrat 1 de type n autant de diodes détectri- ces. Les zones 3 de type p sont reliées à la borne négative d'une source de polarisation externe (non représentée) par l'intermédiaire de contacts en aluminium 4 et de connexions 7. Une couche de passi- vation 2 en oxyde de silicium ou autre diélectrique recouvre les zo- nes non protégées par la métallisation. Le substrat 1 est également relié à la borne positive de la source de polarisation externe men- tionnée ci-dessus par l'intermédiaire d'une zone de diffusion 5, de type n+ plus fortement dopée que le substrat, d'une métallisation 6 et d'une connexion 8. + En fonctionnement, chaque diode constituée par une zone p et le substrat n est polarisée en inverse à une tension suffisante (typiquement de l'ordre de 100 volts), pour que la zone de déplé- tion créée s'étende dans toute l'épaisseur du substrat. Lorsqu'une particule ionisante traverse le détecteur, elle engendre des paires électron-trou qui sont alors collectées par les électrodes (4,6) donnant naissance à un courant qui peut être détecté par un circuit approprié. La résolution spatiale d'un tel détecteur est fonction du nombre de bandes (3,4) et du pas de ces bandes. Un détecteur compor- tant une série de bandes avec un pas de 20 microns est présenté dans l'article de B. Hyams et al. Bien qu'ayant l'avantage d'un faible courant de fuite par jonc- tion et d'un bon découplage électrique d'une diode à l'autre, le dé- tecteur de la figure 1 présente l'inconvénient d'une mauvaise tenue aux radiations. Cette mauvaise tenue aux radiations signifie une dégradation des performances du détecteur (en particulier augmenta- -4- 2618258 tion du courant de fuite et diminution de la tension de charge des jonctions) et, par suite, une limitation de sa durée de vie. Cette mauvaise tenue aux radiations. est principalement due aux fortes courbures des jonctions, entraînant des phénomènes de claquage, au rapport élevé du périmètre à la surface de chaque jonction, ainsi qu'au trappage des charges dans l'oxyde 2 ou à l'interface entre cet oxyde 2 et le silicium 1. En vue d'améliorer la tenue aux radiations, il a été proposé une structure telle que représentée à la figure 2, dans laquelle les éléments analogues à ceux de la figure 1 portent les mêmes référen- ces. La pluralité de zones p+ 3 de la figure 1 a été remplacée par une seule zone p+ 3 dans la figure 2. La résolution spatiale est alors assurée par la pluralité de zones n 5, connectées aux élec- trodes 8. Il est aisé de voir que le problème lié à la forte courbu- re des jonctions dans le cas de la figure 1, se trouve en partie ré- solu dans la structure de la figure 2. Toutefois, afin d'assurer un bon découplage électrique entre les zones 5 et, par suite, une bonne résolution spatiale, il est nécessaire que la zone de déplétion, créée par la polarisation inverse de la jonction p-n, soit totale. Cette condition est cependant critique car, si la zone de déplétion atteint l'interface entre le silicium 1 et la couche d'oxyde 9, cela entraîne une augmentation du courant de fuite de la jonction; ce qui se traduit par une perte de sensibilité du détecteur. Un autre para- mètre qu'il est important de considérer dans l'exemple de la fig. 2 est le parallélisme des faces opposées du détecteur. En effet, si celles-ci ne sont pas strictement parallèles, il peut arriver que la zone de déplétion soit totale sur une partie de la plaquette et - qu'elle ne soit pas totale sur une autre partie. Le même phénomène peut également exister du fait des inhomogénéités du dopage dans une plaquette qui engendrent localement une déplétion totale alors qu'elle n'est que partielle ailleurs. Il a, par ailleurs, été pro- posé d'insérer des zones dopées p+ 10 entre les zones n+ 5. Cette solution assure un bon découplage entre les zones 5 mais rend la structure du détecteur plus complexe. De plus, cette solution s'op- pose à l'application qui consiste à utiliser le couplage capacitif existant entre des zones 5 adjacentes dans le but de diminuer -_ 26 18258 le nombre de connexions 8 tout en conservant une bonne résolution spatiale. Enfin, elle constitue une limitation du nombre de ban- des 5. L'exemple de réalisation, représenté à la figure 3, permet d'exposer les différentes caractéristiques de l'invention et d'en souligner les avantages. Comme dans le cas de la figure 2, il est tiré avantage d'une zone implantée 3 unique et large de type p+ qui offre, vis-à-vis de la surface totale de jonction, de faibles zones de courbure. Selon l'invention, sur le côté opposé à la zone p de la plaquette sont réalisées des diodes p-n polarisées en direct. Ces diodes sont réalisées par une première implantation pour obtenir la zone dopée n 15, suivie d'une deuxième implantation pour obtenir + les zones dopées p 11. La. structure présentée à la figure 3, et dont le procédé de fabrication sera décrit ultérieurement en rela- tion avec les figures 4.a à 4.e, ne présente pas la même criticité que la structure de la figure 2 quant à la profondeur de la zone de déplétion. En effet, la zone dopée n 15 constitue une limite d'ar- rét de la zone de déplétion. Le défaut de parallélisme entre les fa- ces est sans influence sur les caractéristiques de cette structure qui, par ailleurs, demeure également insensible aux charges trappées dans l'oxyde 9. Les autres avantages de cette structure sont: un faible courant de fuite; un bon découplage électrique entre les zo- + nes p ll ainsi qu'un couplage capacitif élevé entre deux zones ad- jacentes; une bonne stabilité des caractéristiques électriques; et, de manière générale, une bonne tenue aux radiations. Par rapport à la structure connue de la figure 2 la structure de l'invention pré- sente, par ailleurs, l'avantage de ne pas nécessiter de "guarde" (zones dopées p+ 10 de la figure 2), ce qui permet d'une part de réaliser un grand nombre de zones de détection ll et, d'autre part, de pouvoir tirer profit du couplage capacitif élevé entre les zones de détection ll pour diminuer éventuellement le nombre de connexions externes sans perte en résolution spatiale. Les figures 4.a à 4.e permettent de décrire brièvement le pro- cédé de fabrication d'un détecteur selon l'invention. La plaquette 1 -6- 2618258 en silicium faiblement dopé (résistivité typique: 4 x 103 Q.cm) su- bit, sur une face, une implantation d'Arsenic (As) pour réaliser la zone 5 dopée n (fig. 4.a). Un oxyde de silicium (SiO2) 2 est ensui- suite crû thermiquement ou déposé sur les deux faces de la plaquette (fig. 4.b). La figure 4.c montre les fenêtres 20 et 21, ouvertes dans les couches d'oxyde par photolithographie. Les zones p+, 3 et 11, sont ensuite réalisées par implantation de Bore à travers les fenêtres 20 et 21, respectivement (fig. 4.d). A l'issue de l'implan- tation de Bore, les deux faces du dispositif sont recouvertes d'une nouvelle couche d'oxyde (SiO2), et/ou d'un autre diélectrique, dépo- sé 2' à travers lequel sont ouvertes des fenêtres pour réaliser les contacts 4 et 6 à la zone p+ 3 et aux zones p+ 11, respectivement. La figure 4.e montre le dispositif après métallisation. Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'un exemple de réalisation particulier, il est clair, cependant qu'elle est susceptible de modifications ou de variantes sans sortir de son domaine. -7- 2618258 REVENDICATIONS 1. Détecteur de particules ionisantes comprenant, dans un substrat de silicium faiblement dopé (1) de type n, une première zo- ne large de type p+ (3) plus fortement dopée que le substrat, s'é- tendant sur une partie de la première face dudit substrat et formant avec celui-ci une jonction de type p±n et une.pluralité de deuxiè- mes zones, d'étendue sensiblement plus faible que ladite première zone, dopées (5,11) et s'étendant longitudinalement sur une partie de la deuxième face dudit substrat opposée à ladite première face de manière à former des bandes équidistantes et parallèles entre elles; ledit détecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une troisième zone (15) de même type n mais plus fortement dopée que le substrat et s'étendant sur toute la surface de ladite deuxiè- me face et en ce que lesdites deuxièmes zones (11) sont réalisées dans ladite troisième zone et sont d'un type de dopage opposé à ce- lui de ladite troisième zone. 2. Détecteur de particules ionisantes selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que ladite jonction p±n, formée par le substrat d'une part et ladite première zone d'autre part, est pola- risée en inverse de manière que la zone de déplétion, engendrée en dessous de ladite jonction, atteigne ladite troisième zone et en ce que les diodes, formées par ladite troisième zone d'une part et les- dites deuxièmes zones d'autre part, sont polarisées en direct.