Brevet FR2647595A1 — publié le 19901130

Structure intégrée deqhotoréceptcurs La présente invention concerne une structure intégrée de récepteurs photosensibles du type photovoltalque, généralement répartis en matrice. Les récepteurs peuvent être sensibles à un rayonnement infrarouge afin d'inclure la structure dans des caméras destinées à la reconnaissance aérienne. La réalisation d'une telle structure pour constituer un photodétecteur se heurte principalement au problème de l'isolation électrique entre les microrécepteurs élémentaires de la matrice. Une augmentation toujours croissante du nombre de récepteurs et une réduction des espaces entre ces récepteurs ne permettent pas d'utiliser tels quels les procédés actuels de fabrication. Les récepteurs sensibles de la matrice sont réalisés, en technologie PLANAR, par diffusion en phase gazeuse ou par implantation ionique d'un dopant de type P, dans un matériau massif de type N. Pour un matériau semiconducteur donné, l'espacement minimum entre récepteurs d'un détecteur matriciel réalisé par ce procédé est limité par la collection des porteurs minoritaires, des trous, en-dehors des régions sensibles diffusées ou implantées. Un récepteur photosensible peut ainsi collecter des porteurs créés par un récepteur voisin éclairé et engendrer de la diaphonie électrique. Deux procédés de fabrication connus ont tenté de résoudre ce problème. Selon un premier procédé, on éloigne suffisamment les récepteurs élémentaires de la matrice pour empêcher toute collecte de trous d'un récepteur sur l'autre. Ceci n'est pas compatible avec les besoins actuels ou futurs d'imagerie infrarouge. Par exemple, pour un substrat semiconducteur en InSb, il faut éloigner les récepteurs sensibles d'au moins 50 pm et prévoir un masquage optique entre les récepteurs pour éviter la création de paires électrons-trous en-dehors des régions sensibles. Ce masque optique est réalisé par dépôt d'une couche métallique opaque au rayonnement et localisée entre les régions sensibles. Selon un second procédé, on réalise des détecteurs en structure MESA pour lesquels l'isolement électrique entre éléments sensibles est obtenu en gravant chimiquement le substrat semiconducteur entre les régions sensibles des récepteurs jusqu'à une profondeur suffisante pour atténuer la diaphonie électrique. Il s'agit d'un procédé délicat, peu reproductible, qui limite l'espacement minimum entre récepteurs et qui pose le problème de la passivation d'une technologie non PLANAI. La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients. A cette fin, une structure intégrée de récepteurs photosensibles comprenant un substrat semiconducteur d'un type de conductivité prédéterminé ayant une face principale, une mince couche isolante sur la face principale comportant des fenêtres, et des régions sensibles des récepteurs d'un type de conductivité opposé au substrat et localisées sous lesdites fenêtres dans le substrat, est caractérisée en ce qu'elle comprend des régions isolantes amorphisées par implantation de protons et localisées entre les régions sensibles dans le substrat. Un procédé de fabrication de la structure intégrée de récepteurs photosensibles selon l'invention est caractérisé en ce que - après formation de la couche mince isolante sur ledit substrat, ouverture desdites fenêtres dans ladite couche mince isolante, et formation des régions sensibles dans le substrat, il comprend successivement - recouvrement desdites fenêtres par un photorésist épais, - implantation protonique d'ions hydrogène dans le substrat entre les régions sensibles et à travers la couche mince isolante de manière à former lesdites régions isolantes amorphisées, des ions hydrogène étant absorbés par le photorésist, - traitement thermique de la structure, et - retrait du photorésist. Grâce à l'invention, chaque récepteur photosensible de la structure se trouve parfaitement isolé électriquement de ses voisins. En effet, l'implantation de protons, dite protonation, en amorphisant partiellement le substrat bloque totalement la migration des porteurs minoritaires dans toute les régions traitées aussi bien en surface qu'en profondeur. Le procédé de fabrication selon l'invention présente notamment trois avantages - le procédé ne limite pas l'espacement minimum entre les photorécepteurs de la structure, principalement lorsque celle-ci est matricielle. Un espacement correspondant sensiblement à la largeur des régions amorphisées de l'ordre de 10 à 20 pm, de préférence égale à 10 pm environ, est parfaitement réalisable - le procédé fait appel à une technologie PLANAS et les étapes de fabrication supplémentaires inhérentes à la protonation ne modifient en rien les caractéristiques photoélectriques des photorécepteurs de la structure - il n'est pas nécessaire d'effectuer un masquage optique entre les régions sensibles. L'invention porte sur tous les matériaux semiconducteurs dont les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires, tels que trous, sont trop importantes pour rendre possible la réalisation de détecteurs photovoltatques matriciels denses, à pas réduit, de l'ordre de 10 > 20 pm. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante de réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels - la Fig. l est une vue en coupe schématique d'une structure intégrée matricielle de photorécepteurs, au niveau de deux photorécepteurs voisins ; et - les Figs. 2 à 7 sont des vues en coupe schématiques illustrant des étapes successives de fabrication de la structure selon la Fig. 1, respectivement. A titre d'exemple pratique est décrite ci-après une réalisation préférée d'une structure intégrée matricielle de récepteurs photosensibles illustrée à la Fig. 1 et pour laquelle divers constituants et dimensions sont indiqués. La structure est destinée à détecter des objets dans la bande spectrale de 3 à 5 pm en longueur d'onde. L'antimoniure d'indium InSb offre une réponse spectrale incluant cette bande infrarouge. La structure comprend ainsi un substrat semiconducteur 1 d'un type de conductivité prédéterminé N, ici en InSb. Une face principale 11 du substrat est recouverte d'une couche mince isolante 2, en monoxyde de silicium SiO. Cette couche 2 est en fait composée d'un treillis plan de bandes 21, composé de premières bandes parallèles, ici perpendiculaires au plan de la Fig. 1, et de secondes bandes parallèles (non représentées) perpendiculaires aux premières bandes, afin de former entre elles des fenêtres carrées 3 régulièrement réparties en rangées et colonnes d'une matrice. Le coté des fenêtres 3 est par exemple compris entre 10 et 20 pm et de préférence égal à 10 tjm. La largeur L des bandes 21 est de l'ordre de 10 à 20 pm, et de préférence de l'ordre de 10 um. Les fenêtres 3 délimitent des régions sensibles 4 de récepteur dans le substrat 1. Les régions 4 sont obtenues par implantation d'ions d'un type de conductivité P opposé au substrat 1, ions typiquement de béryllium ou de magnésium. Entre les régions 4 des récepteurs photosensibles sont implantées des régions 5 isolant électriquement les récepteurs entre eux. Ces régions isolantes 5 sont amorphes et sont scus-jacentes aux bandes isolantes en SiO dans le substrat et ont une largeur de préférence sensiblement inférieure à L. La structure comporte également une seconde couche isolante 6 en dioxyde de silicium Si02 recouvrant la face principale 11, c'est-à-dire la couche 2 et les fenêtres 3, à l'exception de petits puits 61 atteignant les régions sensibles 4 et localisés en bordure des fenêtres. Des contacts métalliques 7 remplissent les puits 61 et recouvrent partiellement la couche isolante 6 au-dessus des bandes en SiO pour former des premières électrodes des récepteurs photosensibles. Une seconde électrode 8 commune aux récepteurs est située de préférence sur la meme grande face 11, ici avant, du substrat que les contacts 7, et est constieuée par un puits de métal 62 pratiqué dans les couches isolantes 2 et 6. Dans ces conditions, un éclairement de la structure par la face arrière 12 du substrat est possible. Le procédé de fabrication de la structure matricielle de récepteurs photosensibles montrée à la Fig. 1 comporte essentiellement les étapes suivantes. (a) Le substrat 1 sous forme d'une plaquette en InSb de type N montré à la Fig. 2 est soumis à une attaque chimique afin que ses faces principales, telles que la face 11, présentent un bon état de surface physico-chimique. (b) Une couche de masquage est déposée sur la face de substrat 11 afin d'obtenir une couche mince isolante 2 en SiO évaporé, comme montré à la Fig. 3. L'épaisseur de la couche 2 est de l'ordre de 0,2 à 0,25 pm. (c) Des ouvertures sont ménagées dans la couche isolante 2 afin de constituer le treillis de bandes isolantes de masquage 21 définissant entre elles les fenêtres 3, comme montré à la Fig. 4. Les fenêtres ont une section de préférence carrée, bien qu'elle puisse être rectangulaire ou circulaire. Cette mosaïque dense de fenêtres est préparée par un procédé classique de photogravure consistant en un dépôt d'un film photorésist en pclymère, et en des exposition et développement du photorésist pour définir un masque selon ladite mosaIque matricielle. En particulier, la largeur L des bandes 21 est définie précisément et peut être réduite à 10 pm, voire moins. La gravure fait appel à un procédé connu de gravure ionique réactive pour accéder à la face de substrat 11 dans les fenêtres 3. (d) Puis les fenêtres 3 sont diffusées en phase gazeuse ou implantés des ions du type P dans le substrat 1 afin d'obtenir les régions sensibles 4, comme montré à la Fig. 5. Les ions de type P peuvent être des ions de béryllium ou de magnésium. Il est à noter qu'à cette étape, les régions de récepteur photosensible 4 ne sont pas isolées électriquement et optiquement. La détection de rayonnement infrarouge avec une structure selon la Fig. 5 s'effectue non seulement dans les régions 5 mais également à l'extérieur de celles-ci. (e) Une couche épaisse d'un photorésist est déposée sur la structure obtenue à l'étape (d), selon la Fig. 5. Le photorésist est par exemple une résine photosensible du type AZ-1375 commercialisé par SHIPLEY, et est suffisamment épais pour absorber des ions H+ à l'étape suivante (f), sans que ceux-ci atteignent le substrat 1. Après exposition à un rayonnement ultraviolet à travers un masque sensiblement selon le motif matriciel des fenêtres 3 subsistent des blocs de photorésist 9 remplissant celles-ci et ayant une épaisseur de l'ordre de 3 pm, bien supérieure à celle de la couche isolante mince 2, comme montré à la Fig. 6. En particulier, le motif du masque déborde latéralement des fenêtres 3 afin que les bords 91 des blocs de photorésist 9 recouvrent sensiblement les bords 22 des bandes minces isolantes 21. Ce chevauchement de l'ordre de 2 um est nécessaire pour éviter une diffusion d'ions H+ dans les régions sensibles 4 à l'étape suivante (f), et par suite une dégradation des caractéristiques photoélectriques des photorécepteurs. La largeur des régions isolantes 5 obtenues à l'étape suivante (f) est donc inférieure, voire sensiblement inférieure, à la largeur L des bandes 21. (f) On procède ensuite à une implantation protonique, dite protonation, particulièrement dans les fenêtres 92 qui ont été ouvertes entre les blocs de photorésist 9 et au-dessus des bandes isolantes en SiO à l'étape précédente (e). La protonation consiste à implanter des ions hydrogène H+ dans le substrat 1 à travers le masque défini par les blocs 9, sous une énergie préférée de 100 keV 14 et avec une dose de 10 ions par centimètre carré. Comme montré à la Fig. 7, les ions H+ traversent les bandes minces en SiO, telles que les bandes 21, et pénètrent dans le substrat 1 et l'amorphisent pour former les régions isolantes 5 entre régions sensibles 4. Par contre, les ions H+ sont complètement absorbés dans les blocs de photorésist 9, et grâce au débordement 91 de ceux-ci sur les bandes en SiO, les ions H+ ne peuvent pas atteindre latéralement les régions sensibles 4. (g) Puis la structure ainsi obtenue à l'étape (f) est traitée thermiquement pour homogénéiser les différentes parties de la structure, et en particulier pour remédier aux défauts intrinsèques dus à la protonation. Le traitement thermique consiste de préférence en un recuit à 200"C sous atmosphère d'argon pendant 24 heures environ. (h) Les blocs de photorésist 9 sont retirés en plaçant la structure dans un plasma d'oxygène. (i) Enfin, on procède d'une manière connue en microélectronique, à une passivation de la structure, en pulvérisant du SiO2 pour former la seconde couche isolante 6, à une attaque des couches 2 et 6 pour former les puits 61 et 62, et au dépôt des contacts métalliques 7 et e, par exemple en Cr-Au. A la fin de cette étape, la structure présente la configuration montrée à la Fig. 1. Bien que l'invention ait été décrite en référence à une réalisation préférée, d'autres réalisations sont facilement concevables par l'homme du métier dans le cadre de l'objet de la demande de brevet défini ci-après, tant du point de vue du choix des matériaux que du point de vue des profils de motif matriciel. En particulier, en fonction des longueurs d'onde à détecter, seront choisis les types de conductivité du substrat et des régions photosensibles. Le substrat semlconducteur peut etre un alliage semiconducteur III-V ou I-VI. REVENDICATIONS 1 - Structure intégrée de récepteurs photosensibles comprenant un substrat semiconducteur (1) d'un type de conductivité prédéterminé (N) ayant une face principale (11), une couche mince isolante (2) sur la face principale (11) comportant des fenêtres (3), et des régions sensibles (4) des récepteurs d'un type de conductivité (P) opposé au substrat et localisées sous lesdites fenêtres (4) dans le substrat (1), caractérisée en ce qu'elle comprend des régions isolantes (5) amorphisées par implantation de protons et localisées entre les régions sensibles (4) dans le substrat (1). 2 - Structure conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la largeur (L) de chacune des régions amorphisées (5) entre deux régions sensibles voisines (4) est de l'ordre de 10 à 20 pm, de préférence égale à 10 pm environ. 3 - Structure conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde couche isolante (6) recouvrant ladite couche mince isolante (9) et lesdites fenêtres (4) et comprenant des puits métalliques (61) en contact avec les régions sensibles (5). 4 - Procédé de fabrication de la structure intégrée de récepteurs photosensibles conforme à l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que - après formation de la couche mince isolante (2) sur ledit substrat (1), ouverture desdites fenêtres (3) dans ladite couche mince isolante (2), et formation des régions sensibles (4) dans le substrat (1), il comprend successivement - recouvrement desdites fenêtres (3) par un photorésist épais (9). - implantation protonique d'ions hydrogène (H+) dans le substrat (1) entre les régions sensibles (4) et à travers la couche mince isolante (2) de manière à former lesdites régions isolantes amorphisées (5), des ions hydrogène étant absorbés par le photorésist (9), - traitement thermique de la structure, et - retrait du photorésist (9). 5 - Procédé conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que, lors dudit recouvrement des fenêtres (3), le photorésist (9) recouvre également sensiblement des bords de fenêtre (22) sur la couche mince isolante (2). 6 - Procédé conforme à la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la première couche isolante (2) et le photorésist (9) ont des épaisseurs de l'ordre de 0,2 à 0,25 pm et de 3 tjm respectivement. 7 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'implantation protonique est réalisée sous une énergie de 100 keV avec une dose de 1014 ions/cm2 environ. 8 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le traitement thermique consiste en un recuit à 200"C environ sous argon pendant 24 heures environ. 9 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend, après retrait du photorésist (9), un dépôt d'une seconde couche isolante (6) sur ladite couche mince isolante (2) et dans lesdites fenêtres (3), et une formation de puits métalliques (61) dans la seconde couche isolante en contact avec les régions sensibles (4).