Brevet FR2869462A1 — publié le 20051028

PROCEDE POUR LA REALISATION D'UN DETECTEUR DE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE, ET NOTAMMENT INFRAROUGE L'invention concerne un procédé pour la réalisation d'un détecteur de rayonnement électromagnétique, plus particulièrement un détecteur de rayonnement infrarouge. Plus précisément, elle vise un procédé concernant l'une des étapes de fabrication d'un tel détecteur. Les détecteurs, dont il va être fait mention dans le cadre de la présente invention, sont plus particulièrement constitués de détecteurs de rayonnement infrarouge du type quantique, c'est à dire fonctionnant à basse température, voisine de celle de l'azote liquide pour ceux destinés à la détection de rayonnement de longueur d'onde supérieure à 3 m, et à température intermédiaire, voire à l'ambiante pour les longueurs d'onde plus courtes et le proche infrarouge. Il est connu de réaliser le circuit de détection d'un tel détecteur en revêtant un matériau transparent ou peu absorbant du rayonnement infrarouge à détecter, et par exemple constitué de CdTe, CdZnTe voire de Germanium, d'une couche mince absorbante dudit rayonnement, de formule abrégée HgCdTe, et de formule générique Cd,,Hg(l_ x)Te, dans laquelle 0 Parmi les matériaux semi-conducteurs de détection répondant à la formule générale 25 précitée, il est également connu de privilégier des matériaux dotés du type de conductivité N. De manière également connue, la structure élémentaire la plus simple pour assurer cette fonction de détection en mode photovoltaïque est constituée d'une diode, notamment de type P/N, c'est à dire constituée d'une zone de conductivité de type P, associée à une zone de conductivité de type N. Afin de disposer d'un circuit de détection proprement dit, notamment dans le domaine de l'infrarouge, on met généralement en oeuvre une pluralité de telles diodes, arrangées selon une topologie linéaire ou matricielle, ces diodes étant alors fréquemment dénommées photosites, ou encore pixels. Un tel circuit de détection est alors généralement associé à un circuit électronique ou électrique de lecture, le plus souvent réalisé en silicium, ledit circuit de lecture étant couplé aux photodiodes constitutives du circuit de détection, notamment au moyen de microbilles d'indium ou d'étain/plomb, permettant alors d'aboutir à un détecteur mettant en oeuvre la technologie dite d'hybridation par billes, bien connue sous l'expression en langue anglaise flip chip , et par exemple décrite dans le document FR-A-2 646 558. On a ainsi représenté en relation avec la figure 1, un circuit de détection se présentant 10 sous forme matricielle, conforme à l'art antérieur. Cette structure comporte tout d'abord un substrat (1) réalisé en CdZnTe, surmonté d'une couche mince de détection proprement dite (2), réalisée en Cd,,Hg(l_x)Te, et constituant la base de type N commune à toutes les diodes ou photosites du dispositif de détection en question. Une pluralité de régions (3), ou zones dopées de type P (c'est à dire de conductivité P) est ménagée au voisinage de la surface supérieure de ladite couche (2), et sont reliées chacune en association avec la couche (2) de telle sorte à constituer une diode P/N, apte à assurer la détection du rayonnement infrarouge. Ces zones (3) dotées de type P, peuvent être réalisées dans la couche (2) par implantation ionique par exemple, mais peuvent également être issues d'une autre couche de matériau CdHgTe de formule stoechiométrique différente, et par exemple plus riche en Cadmium, voire même être réalisées en matériau CdTe. Si, dans l'absolu, un circuit de détection constitué de ces seuls éléments serait apte à fonctionner, c'est à dire à détecter un rayonnement infrarouge, en pratique, il s'est avéré opportun de munir la couche (2) pourvue des zones de type P (3), c'est à dire la structure matricielle de photodiodes ou photosites, de deux couches très minces (4, 5) faisant fonction de passivation ou encapsulation. Ces couches ont principalement pour but d'optimiser la structure de détection en la protégeant entre autre de l'influence des étapes technologiques ultérieures, telles que notamment le dépôt des métaux de connectique par exemple (6), et permettent l'épanouissement de ces métallisations (7). Ces deux couches (4) et (5) sont réalisées en des matériaux isolants, et à tout le moins fortement résistifs. De tels empilements sont connus et ont par exemple été décrits dans le document FR-A-2 281 650. Ainsi, la couche (4) est par exemple réalisée en tellure de cadmium CdTe et la couche (5) en sulfure de zinc ZnS. Cet empilement, généralement réalisé par des techniques basse température, telles l'évaporation ou la pulvérisation cathodique (plasma), doit avantageusement être texturé par un recuit thermique de plusieurs heures à environ 250-300 C, généralement sous vide ou gaz neutre. Le traitement thermique assure la restauration de la cristallinité desdites couches et en renforce l'adhérence. On a également pu montrer que pour certaines réalisations, la passivation pouvait se 15 limiter à la seule couche supérieure (5) en sulfure de zinc ZnS. De la même manière, on a également pu proposer d'autres matériaux susceptibles de constituer la couche (4), comme par exemple en oxyde natif, ou pour la couche (5) en SiO, SiO2 ou ZnSe. Bien évidemment, cette énumération n'est pas limitative. La nature de la couche (5) n'est pas constitutive de l'invention et ne conditionne pas son principe d'exécution. L'expérience démontre que ces étapes thermiques, notamment le recuit des couches supérieures est indispensable pour conférer à ces dernières partie des fonctions qui 25 leur sont dévolues. Cependant, ces étapes thermiques présentent une difficulté majeure, à savoir, qu'en raison de la thermodynamique, elles affectent le type de conductivité N du matériau de la base commune (2) de la structure pouvant inverser ce type de conductivité, et à tout le moins modifier son niveau de dopage. En effet, un traitement thermique sous vide ou gaz neutre dans la gamme de température (150 350 C) d'un matériau CdXHg(l_x)Te de type N, que celui-ci soit encapsulé sous la couche (5) en sulfure de Zinc ZnS ou non, voit son type de conductivité s'inverser pour devenir de type P, dans une gamme de dopage variant de 5.1015 à 1017 cm 3. Partant, on supprime les diodes ainsi réalisées. Ce mécanisme a par exemple été décrit par G. Destéfanis dans Journal of Crystal Growth 86 (1988) 700-722 . De tels dopages de type P sont bien supérieurs aux dopages initiaux, souhaitables, pour la base de type N, qui se situent classiquement entre 1014 à 1016 cm 3, obtenus soit naturellement pour les plus faibles, soit par dopage intentionnel, et en conséquence compensent ce dopage de type N qui peut même être effacé, ne laissant persister qu'une base de type P, et donc supprimant la diode ou les diodes. Ainsi, une conductivité de type N, fréquemment obtenue par un recuit thermique sous vapeur (saturante ou non) de mercure dans une gamme de température de 200 à 300 C, classiquement dénommé recuit de conversion N, d'un matériau CdXHg(l_ x),Te, avant son encapsulation par une couche de ZnS, est effacée par le recuit ultérieur servant à texturer ce matériau d'encapsulation ZnS. On aurait pu penser que le caractère N serait préservé en effectuant ce recuit de texturation également sous vapeur de mercure, mais l'expérience démontre qu'il n'en est rien, cette couche de sulfure de zinc s'avérant étanche à la vapeur de mercure. On comprend bien dès lors, que le problème technique qu'entend résoudre la présente invention, est lié à l'inversion du dopage d'une couche ou de certaines des couches constitutives d'un circuit de détection, cette inversion étant inhérente à un traitement thermique, qu'il s'agisse du recuit thermique des couches d'encapsulation ou de passivation, mais également tout type d'étapes technologiques à haute température, tel que notamment les recuits d'activation des espèces acceptrices, incorporées dans les zones de dopage de type P (telles que les zones (3) dans la figure 1), que ce soit à la croissance du matériau ou par implantation ionique. En d'autres termes, l'invention demeure d'application dès lors que le type de conductivité N de la base commune doit être soit activé soit préservé, indépendamment de la nature de l'étape technologique susceptible de l'altérer ou de l'effacer. Afin de pallier ce caractère d'altération ou de destruction né de ce traitement thermique, on a tout d'abord proposé de renoncer aux étapes technologiques à température élevée, et en particulier à tout ou partie du recuit de texturation des couches de passivation. Cela se traduit soit par l'absence de tout recuit, soit par la réalisation de la passivation en deux étapes. La première étape consiste tout d'abord à déposer une couche de CdTe (4) selon les techniques traditionnelles et à en effectuer le recuit de texturation. Puis on effectue un recuit sous vapeur de mercure, destiné à conférer un dopage de type N à la couche commune (2), ladite couche (4) de Tellure de Cadmium CdTe n'étant pas étanche au mercure. La seconde étape consiste à déposer la couche de sulfure de Zinc ZnS (5) sur ladite couche (4), en s'abstenant cette fois de pratiquer le recuit de texturation. Dans les deux cas, les caractéristiques de solidité et d'adhérence de cette couche (5), essentielles, sont altérées. Lorsque les traitements technologiques thermiques sont constitués par des recuits d'activation d'espèce dopante acceptrice, conférant le type de conductivité P aux zones (3), on a proposé soit d'opter pour des espèces s'activant à très basse température, et typiquement moins de 200 C, ce qui en limite drastiquement le choix, soit dans le cas d'activation haute température, de restaurer ultérieurement le type N par recuit sous vapeur de mercure entre 200 et 300 C, mais alors sans la couche de passivation étanche en sulfure de zinc ZnS, couche pourtant essentielle à la bonne qualité de la structure. Bref, les solutions préconisées par l'art antérieur, ne sont pas satisfaisantes. L'objet de la présente invention est de proposer un procédé permettant de conserver la mise en oeuvre des deux couches (4) et (5) de passivation et d'encapsulation, tout en assurant leur texturation, compte-tenu du caractère essentiel de cette qualité, et ce, sans altérer la conductivité de type N de la base commune. Ce procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique, et notamment infrarouge, mettant en oeuvre une topologie linéaire ou matricielle de photodiodes constituées de jonctions P/N et comportant une base commune constituée d'un matériau semi-conducteur de formule générique Cd,,Hg(l_ x)Te avec 0 En d'autres termes, l'invention consiste, après avoir déposé l'empilement constitutif des couches de passivation, et procédé à leur recuit thermique de texturation, à ménager des orifices traversants au sein de ces couches ou d'au moins l'une d'entre elles, avant de soumettre l'empilement total ainsi réalisé à un recuit de conversion, sous vapeur saturante ou non de mercure, dans une gamme de température typique comprise entre 200 et 300 C, propre à conférer ainsi une conductivité de type N à la 1 o couche constitutive de la base commune du détecteur ainsi réalisé. En fait, soit les couches de passivation font l'objet d'un recuit propre à leur conférer la texturation avant la réalisation de ces orifices, et donc avant le recuit de conversion N, sous vapeur de mercure, soit ledit recuit de conversion de type N selon l'invention fait lui-même office de recuit de texturation, pour les couches de passivation. Selon une forme de réalisation de l'invention, le recuit de conversion de type N fait également fonction de recuit d'activation des espèces dopantes de type P constitutives des zones (3). En outre, toujours selon l'invention, on réalise successivement, lors de la même étape technologique, le recuit d'activation des espèces dopantes de type P des zones (3) sous vapeur de mercure, puis, à une température inférieure, le recuit de conversion de type N également sous vapeur de mercure. Selon l'invention, les ouvertures ou orifices traversants sont pratiqués de manière périodique au sein de l'empilement de passivation, et ce, selon la même topologie que celle du circuit de détection final à réaliser, c'est à dire, correspondant aux lieux de réalisation des photodiodes. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1 est, comme déjà dit, une représentation schématique en perspective du circuit de détection conforme à l'art antérieur. Les figures 2A à 2D représentent les étapes essentielles de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, à savoir: - figure 2A obtention d'une structure munie de ses couches de passivation; figure 2B: réalisation du recuit de texturation des couches d'encapsulation ou encore dite de passivation de l'empilement de la figure 2A; figure 2C: réalisation d'orifices traversanst au sein d'une partie des couches de passivation; figure 2D: recuit de conversion sous vapeur saturante de mercure. La description qui suit a plus spécifiquement trait à la réalisation d'une matrice de photosites pour la détection dans le domaine de l'infrarouge. La structure de base déjà détaillée en relation avec la figure 1, comprend donc fondamentalement le substrat (1) en CdZnTe, revêtu d'une couche mince de Cd,tHg(1_x)Te, mise en place soit par épitaxie liquide, ou encore par épitaxie en phase vapeur, telle que 1'épitaxie par jets moléculaires sur substrat de Germanium. Plus précisément, le substrat (1) en CenTe est revêtu de manière connue d'une couche épitaxiée de 10 micromètres d'épaisseur de Cd0.22Hgo.88Te, par épitaxie en phase liquide en solvant Tellure, dopée à l'indium afin de conférer à cette couche (2) un type de conductivité N. Ce dopage par un élément étranger à caractère donneur, d'une concentration de l'ordre de 3.1015cm 3, est réalisé de manière connue par adjonction de cet élément au bain de croissance. A ce stade de la fabrication, le matériau de détection Cd,,Hg(l_X)Te, constitutif de la couche (2), présente malgré tout, un type de conductivité P, résultant de ce mode d'élaboration en accord d'ailleurs avec les prévisions thermodynamiques. Cette couche d'épitaxie (2) est recouverte d'une couche de tellure de cadmium CdTe (4) de 3000 Â d'épaisseur, puis d'une couche (5) de sulfure de zinc ZnS, également de 3000 Â d'épaisseur. Ces deux couches sont déposées de manière connue par pulvérisation cathodique. On a représenté, en relation avec la figure 2B, la réalisation d'un recuit sous vide de l'ensemble ainsi obtenu, destiné à assurer la texturation de ces deux couches (4, 5). Celui-ci intervient pendant une durée de 16 heures sous une température de 275 C. A l'issue de cette opération de recuit, le matériau de détection présente toujours un type de conductivité P, avec un dopage en début de gamme de 1016cm 3, selon l'article de G. Destéfanis précité. L'étape thermique de recuit a en outre conféré aux deux couches de passivation (4) et (5), la compacité, l'étanchéité et l'adhérence requises. Selon une caractéristique essentielle de l'invention (figure 2C), on réalise alors des ouvertures (8) de 20 m2, au sein de la couche (5) de sulfure de zinc. Ces ouvertures sont réalisées par usinage ionique à l'argon, à travers une couche de résine photosensible gravée (9), selon une méthodologie classique de la microélectronique, ladite couche (9) étant rapportée sur la surface libre de la couche de passivation (5). Cette couche (9) est ainsi déposée et photolithographiée de manière connue sur la couche (5), après recuit de texturation. Cette couche de résine (9) intervient comme un masque, exposant de manière sélective les zones à ouvrir. Ladite couche 9) est ensuite éliminée au moyen de solvants, par exemple de type acétone. Dans l'exemple décrit, ces ouvertures se répètent selon un pas de 30 micromètres, tant dans le sens longueur que dans le sens largeur, le masque utilisé n'étant autre que celui prévu pour la réalisation des ouvertures ultérieures de la prise de contact électrique (6) de la figure 1, sur le matériau de détection. La réalisation de ces ouvertures (8) permet donc le débouchement et la mise en 30 contact de la couche (4) de tellure de cadmium CdTe avec l'extérieur. On procède alors (figure 2C), après enlèvement de la résine photosensible (9), au recuit sous vapeur saturante de mercure de l'empilement ainsi réalisé. Celui-ci est réalisé en tube scellé (10) (tube de verre ou de silice), pendant 120 heures à 210 C. A ce stade de la fabrication, le matériau de détection (2) présente dans tout son volume un type de conductivité N avec un niveau de dopage voisin de 3.1015 cm 3, tel celui introduit à la croissance, conformément à l'objet de l'invention. C'est à ce stade de la procédure qu'intervient la réalisation des régions ou zone de type P (3), constitutive des diodes et donc des photosites. Cependant, ces zones (3) de type de conductivité P peuvent également être réalisées antérieurement à la mise en oeuvre des étapes spécifiques de l'invention, avant même dépôt et recuit de texturation de l'empilement de passivation. Cependant, la réalisation de ces zones (3) peut également intervenir dans les ouvertures réalisées conformément à l'invention. Ainsi, on peut par exemple procéder, après réalisation des ouvertures selon l'invention, à une implantation ionique d'Arsenic localisée aux zones (3) selon les techniques connues en micro-électronique. Puis on procède à l'activation de cette espèce à 420 C pendant une heure dans un tube scellé semblable à celui de la figure 2D sous vapeur sèche ou saturante de mercure. Enfin, on refroidit l'ensemble et on le maintient à 300 C pendant 48 heures pour conférer le type N à la base commune (2). Il convient de souligner qu'avec une fraction, même faible, d'ouverture de la couche de passivation (5), on peut aboutir à la conversion en conductivité N de la couche de détection (2) à 100%. On a en effet pu montrer qu'avec une topologie matricielle au pas de 30 m, soit pour une surface élémentaire de pixel de 900 m2, les ouvertures des contacts de 16 m2 représentant moins de 2 % de la surface, suffisent à la mise en oeuvre de l'invention. Bien évidemment les valeurs indiquées dans l'exemple décrit ci-dessus ne sont nullement limitatives, mais purement exemplatives. En particulier, les épaisseurs, le niveau de dopage N ainsi que la manière de l'obtenir et des températures de recuit peuvent varier significativement dans les limites communément admises pour chacune de ces opérations. De la même manière, peuvent également varier de manière notoire la composition, et notamment la valeur x du matériau de détection. On a également pu montrer qu'une méthode simplifiée de l'invention peut consister à mettre en oeuvre comme recuit de texturation des couches de l'empilement de passivation (4) et (5), le recuit dit de conversion sous vapeur de mercure, destiné à assurer la conversion en type N du matériau constitutif de la couche (2) CdXHg(l_X)Te, pour peu que la couche (5) au moins soit pourvue des ouvertures selon l'invention. En d'autres termes, pour la mise en oeuvre de cette méthode simplifiée, on supprime l'étape de recuit de texturation (figure 2B). En fait, on a pu montré que le recuit de conversion (figure 2D), était suffisant dans certains cas pour réaliser une texturation 1 o acceptable des couches de passivation (4, 5). En outre, la topologie utilisée pour la réalisation des ouvertures (8) de la figure 2C n'est nullement dépendante de la topologie du dispositif de détection réalisé au final. Ce n'est en fait que par pure commodité que l'on a proposé l'utilisation d'un masque d'ouverture des trous de prise de contact (6) de la figure 1. Rien en effet ne s'oppose à réaliser des ouvertures selon la topologie du masque dévolu à l'épanouissement du métal de contact, repère (7) sur la figure 1, ou encore celui dédié à l'étape de réalisation des zones P repère (3) de la figure 1. Enfin, le procédé conforme à l'invention peut intervenir à tout moment dans le cursus technologique de la réalisation des détecteurs, et notamment à toute étape dès lors qu'une étape thermique ultérieure ne vienne pas en perturber les effets, ou au contraire, l'application du procédé de l'invention n'affecte pas le résultat d'une étape antérieure. Aussi, ainsi que déjà dit, l'invention peut être mise en oeuvre après la création des zones de type P (repère 3 de la figure 1). Rien d'ailleurs ne s'oppose à ce que le recuit sous vapeur de mercure sèche ou saturante, selon l'invention, n'intervienne à la fois pour conférer ou préserver la conductivité de type N de la base commune, tout en produisant l'activation, c'est à dire l'émergence du type de conductivité P des espèces dopantes acceptrices introduites au niveau des zones (3). Dans un tel cas, il peu être préconisé, sans pour autant que cela soit indispensable, que les ouvertures selon l'invention soient disposées à l'aplomb de ces zones (3). REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique, et notamment infrarouge, mettant en oeuvre une topologie linéaire ou matricielle de photodiodes constituées de jonctions PIN et comportant une base commune (2) constituée d'un matériau semiconducteur de formule générique Cd,,Hg(l_x)Te avec 0 2. Procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le recuit de conversion N est réalisé postérieurement à la soumission de l'empilement total constitué par la base commune (2) et les couches de passivation (4, 5) à un recuit de texturation. 3. Procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le recuit de conversion N fait fonction de recuit de texturation des couches de passivation (4, 5). 4. Procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le recuit de conversion de type N fait fonction de recuit d'activation des espèces dopantes de type P constitutives des zones (3). 5. Procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on réalise successivement, lors de la même étape technologique, le recuit d'activation des espèces dopantes de type P des zones (3) sous vapeur de mercure, puis, à une température inférieure, le recuit de conversion de type N également sous vapeur de mercure. 6. Procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le recuit de conversion N est réalisé sous vapeur de mercure sèche ou saturante. 7. Procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les ouvertures ou orifices traversants (8) sont pratiqués de manière périodique au sein de l'empilement de passivation (4, 5) selon la même topologie que celle du circuit de détection final à réaliser. 8. Procédé pour réaliser un circuit de détection d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les ouvertures ou orifices traversants (8) sont pratiqués au moyen d'un masque en résine photosensible gravée, rapporté sur la surface libre de la couche de passivation (5).