Brevet FR2763426A1 — publié le 19981120

I Dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio-actifs. Cette invention concerne un dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio-actifs, servant à détecter des rayons radio- actifs, et en particulier un dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio-actifs servant à détecter une forte quantité de dose totale de rayons radio-actifs. Dans le domaine de l'industrie spatiale et de la production d'énergie atomique, un dispositif à semi- conducteur de détection de rayons radio-actifs utilisant un transistor MOS ou analogue est large- ment utilisé pour détecter une grande quantité (106 Gy) de dose totale de rayons radio-actifs. La dose totale de rayons radio-actifs est détec- tée par détection de la modification des caractéristiques électriques de l'élément de détection lorsque cet élément de détection reçoit les rayons radio-actifs. La figure 1 montre la structure du dispositif à semi-conduc- teur classique de détection de rayons radio-actifs qui a une structure de transistor MOS. Dans ce dispositif, deux films de diffusion de type n, 2a et 2b, servant respectivement de source et de drain, sont formés dans un substrat semi-conducteur 1 de type p, comme représenté en figure 1. Sur une région formant canal entre les deux films de diffu- sion de type n 2a et 2b est formée une électrode de grille 4, au-dessus d'une couche 3 d'isolation d'électrode de grille qui est prise en sandwich entre la région formant canal et l'électrode de grille. On dépose sur ces éléments un film isolant 7 et des électrodes 5 et 6 sont formées pour venir en contact avec les deux films de diffusion 2a et 2b. On applique aux électrodes 5 et 6 une tension positive et on applique à l'électrode de grille une tension négative. En appliquant les tensions de cette manière, on crée une zone de déplétion entre les deux films de diffusion de type n, 2a et 2b. Quand des rayons radio-actifs arrivent sur la zone de déplétion, il se produit dans la zone de déplé- tion une ionisation qui crée des charges positives et négatives. Les charges positives et négatives changent la valeur du courant électrique circulant entre les électrodes 5 et 6. En détectant la modification de la valeur du courant électrique, on peut obtenir la dose totale de rayons radio-actifs qui arrivent dans l'élément. Quand on détecte la dose de rayons radio-actifs avec le dispositif à semi-conducteur classique de détection de rayons radio- actifs ayant la structure mentionnée ci-dessus, il se pose toutebfois certains problèmes: la sortie de l'élément de détection, c'est-à-dire la caractéristique électrique de l'élément, va changer aussi du fait de la modification de température de l'élément. Donc, non seulement on va détecter la modification due aux rayons radio-actifs, mais on va détecter aussi celle due à la variation de température de l'élément, et on ne peut donc pas détecter la dose totale de rayons radio-actifs sans éviter l'erreur introduite par la modification de température. Par conséquent, en utilisant un dispositif à semi-conducteur classique de détection de rayons radio-actifs, on ne peut pas détecter la dose totale de rayons radio-actifs avec une grande précision dans un environnement comme celui de l'espace ou de la production d'énergie atomique o la température ambiante et l'intensité des rayons radio- actifs varie avec le temps ou quand la surface augmente ou diminue. L'objet de la présente invention est donc de proposer un dispositif à semi-conducteur capable de détecter avec une très grande précision la dose totale de rayons radio-actifs sans être affecté par les variations de température de l'environnement dans lequel les rayons radio-actifs sont détectés ou par la chaleur produite par la modifica- tion de l'intensité des rayons radio-actifs. Le dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio- actifs de la présente invention comprend un élément formant substrat isolant, une pluralité de films semi-conducteurs formés sur l'élément formant substrat isolant, ces films semi-conducteurs ayant un certain type de conductivité et ayant des taux identiques de variation de la valeur ohmique avec la modification de température mais des épaisseurs différentes pour que leur variation de valeur ohmique soit différente en fonction de la modification de la dose totale de rayons radio-actifs, la dose totale de rayons radio-actifs étant détectée sur la base du rapport des valeurs ohmiques des films semi-conducteurs. D'autres objets et avantages de l'invention ressortiront de la description faite ci-dessous et seront en partie évidents d'après la description ou pourront être déduits de la mise en oeuvre pratique de l'invention. L'objet et les avantages de l'invention peuvent être atteints grâce aux configurations particulièrement soulignées dans ce qui suit. Les dessins d'accompagnement, qui sont incorporés à la présente demande et en font partie intégrante, représentent des modes préférés de réalisation de l'invention et servent, conjointement à la description générale donnée ci-dessus et à la description particulière faite ci-après, à expliquer les principes de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif à semi- conducteur classique de détection de rayons radio-actifs. La figure 2 est une vue en coupe d'un dispositif à semi- conducteur de détection de rayons radio-actifs selon un mode de réali- sation de la présente invention. La figure 3 est une vue en plan du dispositif à semi-conduc- teur de détection de rayons radio-actifs selon le mode de réalisation de la présente invention. Le mode de réalisation de la présente invention va maintenant être décrit en référence aux dessins. La figure 2 montre une vue en coupe d'un dispositif à semi- conducteur de détection de rayons radio-actifs selon un mode de réali- sation de la présente invention et la figure 3 en montre une vue en plan. Comme représenté sur la figure 2, une couche isolante 12 faite de SiO2 est formée sur un substrat 11 en Si monocristallin pour consti- tuer un substrat isolant. Sur la couche isolante 12 sont formés deux films en Si de type p, 13a et 13b, qui ont la même densité de porteurs mais des épaisseurs différentes. Les deux films en Si de type p 13a et 13b sont recouverts d'un film intermédiaire isolant 14 qui est formé d'un matériau comme SiO2, Si3N4, du verre phosphosilicaté ou autre et est déposé par des techniques de dépôt CVD (dépôt chimique à partir d'une phase vapeur). Chacun des films en Si de type p, 13a et 13b, comporte en ses deux extrémités deux trous de contact formés dans le film isolant intermédiaire 14. En remplissant les trous de contact d'un matériau conducteur comme l'aluminium, on obtient des électrodes 15a et 15b reliées au film 13a en silicium de type p et des électrodes 16a et 16b reliées au film 13b en silicium de type p. Les électrodes 15b et 16a qui sont proches l'une de l'autre sont couplées l'une à l'autre par un câbla- ge 17 en A1 ou analogue, de sorte que les films 13a et 13b en Si de type p sont branchés en série. Le dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio- actifs ayant la structure décrite ci-dessus peut être formé pour avoir les dimensions suivantes par exemple: les films en Si de type p. 13a et 13b, sont formés pour avoir respectivement une épaisseur d'environ gm et 0,5 gim et pour être espacés l'un de l'autre par une distance d'environ 10 grm. Les électrodes 15a et 15b associées au film 13a en Si de type p ont une profondeur d'environ 500 gmn et les électrodes 16a et 16b associées au film 13b ont une profondeur d'environ 500 gim. Comme décrit ci-dessus par exemple, le dispositif à semi- conducteur de détection de rayons radio-actifs est conçu pour être remarquablement compact afin d'unifier la répartition de température du dispositif de détection lui-même, grâce à une technique de fabrica- tion de dispositif semi-conducteur telle que les techniques a et b suivantes: a) La couche active en Si d'une plaquette de type p. qui contient à l'intérieur une couche isolante en SiO2 (c'est-à-dire une plaquette SOI [Silicium sur isolant]) est tout d'abord attaquée pour former deux films en Si de type p, en forme d'îlots. L'un des films en Si de type p en forme d'îlot est ensuite sélectivement poli par polissage mécanique ou par plasma. Sur les deux films en Si de type p en forme d'îlots 13a et 13b formés de cette manière, on dépose le film isolant 14 par une techni- que CVD ou analogue. On forme ensuite dans le film isolant 14 deux paires de trous de contact jusqu'à atteindre les extrémités de chacun des films en Si de type p en forme d'îlots 13a et 13b. On dépose ensui- te un matériau conducteur comme Al pour remplir les trous de contact et on le configure pour former les quatre électrodes 15a, 15b, 16a, 16b. Les électrodes 15a et 16a qui sont proches l'une de l'autre sont reliées par un câblage 17 en AI ou analogue. b) Dans une première étape, la couche active en Si d'une plaquette de type p qui contient à l'intérieur une couche isolante en SiO2 (c'est- à-dire une plaquette SOI [Silicium sur isolant]) est tout d'abord attaquée pour former le film 13a en Si de type p en forme d'lot. Ensuite, on fait croître par épitaxie du Si de type p ayant la même composition que le film 13a en Si de type p sur la couche isolante 12. Le Si de type p ainsi produit est attaqué pour former un autre film en Si de type p. à savoir le film 13b. L'opération qui suit est la même que celle de la technique (a) décrite précédemment. Nous allons maintenant décrire le fonctionnement du dispositif à semiconducteur de détection de rayons radio-actifs décrit ci-dessus et conforme au mode de réalisation de la présente invention. On applique de l'extérieur à l'électrode 15a une tension et on met l'électrode 16b à la masse. L'électrode 15b forme la borne de sortie du dispositif. La valeur de sortie est la différence entre les potentiels des électrodes 15a et 16b, qui est la tension divisionnelle de la tension appliquée à l'électrode 15a obtenue à l'aide des films en Si de type p 13a et 13b. Quand le dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio- actifs de la présente invention absorbe des rayons radio-actifs, une quantité de charge positive fixée, qui correspond à la dose totale de rayons radio-actifs, est produite dans la couche isolante 12 et le film isolant 14. La charge positive fixée augmente la valeur ohmique de la partie qui est en contact avec la couche isolante 12 et le film isolant 14. Les valeurs ohmiques des films 13a et 13b en Si de type p vont augmenter proportionnellement à l'augmentation de la dose totale de rayons radio-actifs. Le taux de variation des valeurs ohmiques des films 13a et 13b en Si de type p change en fonction de l'épaisseur. Le taux dc variation de la valeur ohmique du film en Si de type p 13b qui a une épaisseur de l'ordre de 0,5 /m est plus important que celui du film en Si de type p 13a qui a une épaisseur de l'ordre de 5 gm. Plus précisé- ment, quand la dose totale de rayons radio-actifs est de 106 Gy, le taux de variation de la valeur ohmique du film en Si de type p 13b est dix fois plus élevé que celui du film en Si de type p 13a. Grâce à cette différence de taux de variation de la valeur ohmique entre les films en Si de type p 13a et 13b, on peut mesurer la ) dose totale de rayons radio-actifs en détectant la sortie de l'électrode b comme la tension divisionnelle de la tension appliquée à l'électrode a par les films en Si de type p 13a et 13b. Dans l'élément de détection de la présente invention aussi il peut se produire quand on détecte la tension de sortie une erreur de détection due à la modification de température provoquée par la dévia- tion du taux de variation de la valeur ohmique due à la modification de température des films en Si de type p 13a et 13b. L'élément de détec- tion de la présente invention a toutefois une forme compacte comme décrit précédemment et, donc, les films en Si de type p 13a et 13b sont réglés pour avoir des températures identiques. En outre, les films en Si de type p 13a et 13b de l'élément de détection de la présente invention sont formés au cours de la même étape de fabrication et ont donc des densités de porteurs identiques. Donc, l'écart de taux de variation de la valeur ohmique que peut provoquer la variation de température dans le dispositif de la présente invention peut être ramené à 100 ppm/ C ou moins, valeur faible et négligeable par rapport aux taux de variation de la valeur ohmique des films en Si de type p 13a et 13b que provoque la modification de la dose totale de rayons radio-actifs. Cornmme décrit ci-dessus, le dispositif de la présente invention détecte la dose totale de rayons radio-actifs comme la variation du rapport des valeurs ohmiques des deux films en Si de type p qui ont un taux identique de variation de la valeur ohmique due à la modification de température mais des épaisseurs différentes. Par conséquent, en utilisant l'élément de la présente invention, on peut détecter avec une grande précision la dose totale de rayons radio-actifs, avec peu d'influence de l'erreur pouvant être provoquée par les variations de température de l'élément de détection. On comprendra que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus. Dans le mode de réalisation décrit cidessus, les deux films en Si de type p 13a et 13b ayant des épaisseurs différentes sont utilisés pour la détection. L'effet de la présente invention peut aussi être observé si on utilise deux films en Si de type n ayant des épaisseur différentes, à condition que les deux films en Si de type n aient la même densité de porteurs. Le nombre de films en Si n'est pas limité à deux et on peut obtenir le même effet en utilisant plus de deux films en Si. En outre, le dispositif peut avoir des dimensions différentes de celles données dans ce mode de réalisation. Comme décrit ci-dessus, l'élément de détection de rayons radio- actifs de la présente invention comprend un substrat isolant, une pluralité de films semi-conducteurs qui ont la même conductivité et un même taux de variation de leur valeur ohmique suite à des variations de température mais des épaisseurs différentes, de sorte que les taux de variation de leur valeur ohmique correspondant à la quantité de rayons radio-actifs différent. A partir du rapport des valeurs ohmiques des films semi-conducteurs, le dispositif de détection de la présente invention détermine la dose totale de rayons radio-actifs. La valeur détectée n'est donc pas affectée par les variations de température de l'élément de détection ni par la chaleur produite par la variation de l'intensité des rayons radio-actifs. De ce fait, on peut avoir une détec- tion de grande précision. Par conséquent, en utilisant le dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio-actifs de la présente invention, on peut détecter avec beaucoup de précision la dose totale de rayons radio- actifs même dans un environnement o la température ambiante ou l'intensité des rayons radio-actifs change à mesure que le temps passe ou que le surface augmente ou diminue. D'autres avantages et modifications seront évidents pour l'homme du métier. L'invention dans ses aspects les plus larges n'est donc pas limitée aux détails particuliers des exemples de modes de réalisation qui sont représentés et décrits dans la présente. Par consé- quent, diverses variantes ou modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio- actifs, caractérisé en ce qu'il comprend: - un élément (11, 12) formant substrat isolant, - une pluralité de films semi-conducteurs (13a, 13b) formés sur ledit élément (11, 12) formant substrat isolant, les films semi- conducteurs (13a, 13b) ayant un seul type de conductivité et ayant des taux identiques de variation de la valeur ohmique provoquée par les variations de température mais des épaisseurs différentes afin que leurs valeurs de variation de la valeur ohmique correspondant à une dose totale de rayons radio-actifs soient différentes, et - un moyen pour détecter la dose totale de rayons radio-actitfs sur la base du rapport des valeurs ohmiques des films semi-conduc- teurs (13a, 13b). 2. Dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio- actifs selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pluralité de films semi-conducteurs (13a, 13b) ayant le même type de conducti- vité sont deux films semi-conducteurs (13a, 13b) ayant le même type de conductivité. 3. Dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio- actifs selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pluralité de films semi-conducteurs (13a, 13b) ayant le même type de conducti- vité sont faits en Si de type p. 4. Dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio- actifs selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément (11, 12) formant substrat isolant comprend un élément en SiO2 sur Si. 5. Dispositif à semi-conducteur de détection de rayons radio- actifs, caractérisé en ce qu'il comprend: - un substrat (11), - une couche isolante (12) formée sur le substrat (11), ) - des films en Si de type p (13a, 13b) formés sur la couche isolante (12) et ayant des taux identiques de variation de valeur ohmi- que due à une modification de température et des épaisseurs différen- tes de manière à avoir des variations différentes de valeur ohmique correspondant à la variation de la dose totale de rayons radio-actifs, un film isolant (14) recouvrant les films en Si de type p (13a, 13b), des électrodes (15a, 15b, 16a, 16b) déposées dans des trous de contact qui sont formés dans le film isolant (14) jusqu'à atteindre les deux extrémités des films en Si de type p (13a, 13b), et - un câblage en A1 (17) reliant les électrodes (15b et 16a) qui sont proches l'une de l'autre.