DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un détecteur ultra-mince de rayonnements ionisants tels que, par exemple, des photons UV, des photons X et des particules α ou β, et des procédés de réalisation d'un tel détecteur.

Des détecteurs conformes a l'invention, trouvent de nombreuses applications dans la αetection de particules chargées ou de neutrons dans des milieux a fort bruit de fond gamma, dans la mesure de temps de vol d'ions lourds ou encore dans la mesure en ligne de flux tels que des flux de rayonnements X, ou de protons .

L'invention trouve aussi des applications pour la réalisation de détecteurs dits "intelligents" formes par un empilement de plusieurs détecteurs dont l'épaisseur est ajustée a divers types de rayonnements a détecter simultanément.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les détecteurs de radiation a semi-conducteurs fonctionnent sur le principe de collection de charges, formées par des paires electrons-trous, et générées par l'interaction de rayonnements ionisants avec la matière. Ces rayonnements, lorsqu'ils traversent le matériau semi-conducteur, y transfèrent tout o. partie de leur énergie en provoquant la génération αes paires electrons-trous. A titre d'exemple une énergie de l'ordre de 3,6 eV est nécessaire pour générer une paire electron-trou dans le silicium.

Le schéma de la figure 1 illustre le fonctionnement d'un détecteur au silicium. Lorsqu'un rayonnement ionisant représenté par une flèche 10 traverse un bloc de silicium 12, des paires électrons- trous 14 y sont générées. Des électrodes 16 et 18, recouvrant respectivement des faces opposées du bloc de silicium, sont reliées respectivement à une source de tension 20 et à la masse pour créer au sein du bloc de silicium 12 un champ électrique E. Sous l'effet de ce champ, les charges, c'est-à-dire les électrons et les trous, migrent vers les électrodes 16 et 18 et peuvent être collectés sur les bornes du détecteur, par exemple la borne 22, pour produire un signal électrique qui peut être enregistré. Si le champ électrique E est constant dans tous le volume du détecteur, pour chaque photon ou chaque particule incidente 10, et quel que soit leur volume d'interaction avec le semi-conducteur, il est possible d'enregistrer aux bornes du détecteur une impulsion électrique proportionnelle à l'énergie que le photon ou la particule ont cédé au silicium. Toutefois, les paires électrons-trous ont naturellement tendance à se recombiner, et le signal n'est égal à l'énergie cédée que si la distance de libre parcours des électrons et des trous avant leur recombinaison est supérieure à l'épaisseur du détecteur.

Le transfert de l'énergie du rayonnement à la matière dépend du type et de l'énergie des radiations incidentes. Ce transfert a lieu suivant différents processus et avec des pertes en énergie différentes. A titre d'illustration, le tableau I ci-après donne des épaisseurs approximatives de silicium (e) nécessaires a l'absorption de 90% de l'énergie des radiations incidents et pour divers types de rayonnements et de particules chargées.

TABLEAU I

Les pertes en énergie des radiations ont toutefois un caractère statistique et les valeurs citées dans le tableau I correspondent aux épaisseurs moyennes nécessaires à l'absorption de 90% de l'énergie des radiations. Par exemple, un photon gamma de 500 keV traversant un détecteur silicium de 300 μm d'épaisseur

(détecteur standard) , a une probabilité égale à l x l 0 ^{" A} de réaction dans le détecteur entraînant le transfert d'une énergie de 150 à 200 keV au silicium. Dans le cas d'un fort flux de photons gamma de l'ordre de 10 photons par seconde, on enregistre, aux bornes du détecteur, 70 impulsions électriques par seconde correspondant à une perte en énergie des photons dans le détecteur de 150 à 200 keV. On enregistre en fait toute une série d'impulsions correspondant à des pertes en énergie comprises entre 0 et 500 keV.

Dans un certain nombre d'applications des détecteurs à semi-conducteurs il serait souhaitable de disposer de tels détecteurs avec une épaisseur comprise entre 0,1 μm et quelques dizaines de micromètres. A titre d'exemple lorsqu'un rayonnement comporte plusieurs types de radiations correspondant à des épaisseurs d'absorption très différentes dans le silicium, et que l'on souhaite ne mesurer qu'un seul type de radiation, par exemple celui qui correspond a l'épaisseur d'absorption la plus faible, il convient d'utiliser un détecteur dont l'épaisseur est justement égale ou voisine de cette épaisseur d'absorption.

Par exemple, pour la détection de particules alpha de 1 MeV dans un milieu avec un fort signai parasite de rayonnement gamma, le rapport signal alpna sur signal gamma est optimum pour un détecteur en silicium de l'ordre de 4 μm d'épaisseur, correspondant a l'épaisseur d'absorption des particules alpha. Pour un tel détecteur, toutes les particules alpha perdent la totalité de leur énergie dans le détecteur. Une très faible proportion des photons gamma (<1/1000) subit une interaction avec le détecteur et les photons gamma oui interagissent avec le silicium perdent une très faible quantité d'énergie. Le signal électrique etart directement proportionnel a l'énergie perdue par le rayonnement dans le silicium, le signal alpha est donc bien supérieur au signal gamma.

Une autre application ou il est utile de disposer des détecteurs minces est la mesure de rayonnements X, de rayonnements gamma et/ou αe particules en ligne, lorsque la radiation perd de façon quasx-uniforme son énergie dans le silicium.

Par exemple pour la mesure en ligne du flux de particules alpha de 5,5 MeV, on souhaite avoir un détecteur tel que les pertes en énergie soient de l'ordre de 100 keV, pour que le comptage des particules soit possible sans une perte en énergie trop importante des particules. En particulier, dans le cas de cet exemple, un détecteur au silicium avec une épaisseur d'environ 0,5 μm conviendrait.

A l'heure actuelle, les détecteurs au silicium a barrière de surface disponibles dans le commerce présentent des épaisseurs supérieures ou égales a environ 10 μm.

Ces détecteurs sont généralement obtenus par amincissement mécanique de plaquettes de s.liciurr ce plusieurs centaines αe micromètres α'epaisseur

Pour des raisons de tenue mécanique et de contrôle de l'épaisseur restante il est très difficile de réaliser par amincissement mécanique des détecteurs avec une épaisseur inférieure a 10 μm. De plus, l'épaisseur des plaquettes n'est contrôlée qu'avec une précisions de l'ordre de ±1,5 μm. Ces détecteurs ne sont ainsi pas adaptes aux applications évoquées ci-dessus.

Le αocument (1) référence a la fin de la présente description concerne un détecteur de rayonnements avec une diode de détection réalisée dans une couche épaisse de silicium. Ce détecteur est associe a un circuit électronique réalise dans une couche superficielle de silicium isolée de la couche épaisse de silicium par une couche isolante d'oxyde. L'épaisseur de la couche (100 μm) écarte ce type de détecteur du champ d'application envisage, qui concerne les détecteurs minces. Le document (2) également référence a la fin de la αescπption montre un détecteur de radiation avec une isolation thermique, utilisant une diode a structure de type MESA. La technique décrite dans ce document ne permet pas non plus de fabriquer des détecteurs minces. Enfin, le document (3) concerne des photodiodes réalisées dans la couche mince d'un substrat SOI Ces diodes ne sont cependant pas adaptées a la détection et a la spectrométrie de rayonnements ionisants.

Finalement, un but de la présente invention est de proposer un détecteur mince avec une épaisseur comprise préférentiellement entre 0,1 et 10 μm Un autre but est de proposer un détecteur dont l'épaisseur peut être contrôlée avec une grande précision Un out de l'invention est également de proposer un αetecteur ultra-mince utilisable non seulement pour effectuer un comptage du nombre αe photons ou αe particules chargées

reçues, mais aussi pour effectuer une spectroscopie en énergie de ce rayonnement. L'invention a aussi pour but de proposer des procédés simples de réalisation de tels détecteurs. L'invention propose également une méthode de réalisation de détecteurs minces de capacité et de courant d'obscurité faibles par comparaison a ceux obtenus par des techniques conventionnelles.

EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un détecteur de rayonnements ionisants avec une diode de détection formée dans une couche mince superficielle d'une structure SOI comprenant un empilement d'un substrat de silicium d'une couche isolante d'oxyde de silicium et la couche mince superficielle de silicium, la diode comportant une première et une deuxième couches, dites de jonction, formant avec au moins une portion de couche mince superficielle respectivement une jonction redresseuse et une jonction ohmique et permettant d'établir, par l'application d'une tension, d'un champ électrique de détection dans ladite portion de coucne mince, caractérisé en ce que les première et deuxième couches de jonction présentent des faces principales en regard et sensiblement parallèles pour établir un champ électrique sensiblement constant entre elles.

Au sens de la présente invention, on entend par rayonnement ionisant tout rayonnement susceptible de créer des paires electrons-trous. Le rayonnement peut donc être un rayonnement visible, ultraviolet, X, gamma ou encore de particules chargées telles que des particules alpha ou bêta, ou enfin de neutrons après conversion de ces derniers en particules alpha (bore 10) ou bêta (gadolimum) .

Par ailleurs, on entend par "jonction redresseuse" soit une jonction de type Scnottky, soit une jonction de type pn . Une jonction de type Schottky est encore appelée "contact redresseur" en langage technique courant. Une jonction ohmique est encore qualifiée de "contact ohmique" en langage technique courant .

Grâce aux caractéristiques de l'invention, il est possible d'établir entre les couches de jonction un champ électrique constant dans le volume utile (zone désertée du détecteur) . Ce champ électrique constant permet d'obtenir une quantité de charges collectées aux bornes du détecteur qui est proportionnelle a la quantité de charges générées par le rayonnement ionisant. Ainsi, une mesure spectrometrique en énergie est possible.

En effet, la spectrométrie impose soit que la totalité des charges (électrons et trous) générées par le rayonnement ionisant est collectée aux bornes du détecteur, soit que la quantité de cnarges collectées aux bornes du détecteur est proportionnelle a la quantité de charges générées par le rayonnement ionisant. Dans le premier cas, il faut que la distance de collection des charges (distance parcourue par les charges avant recombinaison) soit supérieure à la distance inter-électrodes, c'est-a-dire la distance entre les première et deuxième couches de jonction. Dans la pratique, cela nécessite généralement l'application aux bornes de la diode d'une tension inverse qui permette de garantir que la distance de collection est supérieure a la distance mter- electrodes αans tout le volume de détection. La distance de collection est alors limitée par les propriétés électriques du silicium a environ 700 μm dans le cas du silicium cristallin de haute pureté.

Dans le second cas, lorsqu'on souhaite que la quantité de charges collectées soit proportionnelle à la quantité de charges générées, il faut que la tension appliquée pour polariser en inverse le dispositif conduise à l'établissement d'un champ électrique interne sensiblement constant dans tout le volume utile (zone désertée) du détecteur.

Les détecteurs réalisés dans le cadre αe l'invention ont des épaisseurs comprises de préférence entre quelques microns et quelques dizaines de microns. D'un point de vue technique, cette épaisseur est fixée par l'épaisseur de la couche mince du substrat SOI. Par ailleurs, les surfaces de détection sont typiquement comprises entre 100 μm x 100 μm et 1 cm x 1 cm environ. La surface de la diode Schottky ou pn est fixée par la surface du contact Schottky ou de l'interface on, respectivement. Le volume de détection est défini par la surface de la diode et par l'épaisseur de la diode. Il doit permettre une mesure spectrométrique αe l'énergie perdue par le rayonnement incident dans le dispositif de détection. Dans le cas de la détection de particules alpha, la génération charges a lieu le long du parcours de la particule dans une colonne de moins d'un micron de diamètre. Dans le cas de particules bêta et de rayonnement X, la génération de charge a lieu schématiquement dans une sphère dont le rayon dépend αe l'énergie du rayonnement incident et qui est de l'ordre de la dizaine de micron. Il apparaît donc clairement que le volume dans lequel sont générées les charges est très petit devant le volume de détection.

Selon une première réalisation de l' inventif ladite première couche de jonction est une couche d'un premier métal disposée en contact avec une face libre de la portion de couche mince superficielle et forre

avec cette portion de couche une jonction αe type Schottky.

Le silicium utilisé pour réaliser la couche mince superficielle est de préférence en silicium de haute resistivité.

Pour détecter les rayonnements traversant la couche mince superficielle, la diode de détection est polarisée en inverse.

L'épaisseur de la couche mince superficielle peut être choisie avantageusement en fonction du type et de l'énergie des rayonnements que l'on souhaite détecter. Cette couche mince n'est pas obtenue par amincissement d'une plaque épaisse mais son épaisseur est fixée par la structure SOI utilisée au départ. Or on sait réaliser, et on trouve dans le commerce, des substrats SOI dont les couches minces superficielles présentent une épaisseur comprise entre 0,1 μm et 100 μm et contrôlée avec une précision de l'ordre de 10%. Selon une deuxième réalisation du détecteur de l'invention, ladite première couche de jonction est une région de la couche mince superficielle et présente un premier type de conductivité, la région étant en contact avec une seconde région, dite intermédiaire, de la couche mince superficielle, d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, et forme avec celle-ci une jonction de type pn.

Le premier type de conductivité est par exemple le type de conductivité n et le αeuxieme type de conductivité le type p. La région intermédiaire αe la couche mince superficielle est ainsi αopee avec des impuretés acceptπces et la conduction se fart par trous libres. La région de détection est alors en silicium dopé avec des impuretés donneuses de type n. La jonction formée es" dore une jonction de type pn .

Quelle que soit la réalisation du détecteur, celui-ci peut être équipe d'une prise de contact reliée a la face profonde de la couche mince superficielle et accessible par l'une des faces de la couche superficielle de la structure SOI.

Selon une mise en oeuvre particulière de l'invention applicable a l'une ou l'autre des réalisations du détecteur de l'invention, ladite deuxième couche de jonction est une couche d'un deuxième métal disposée en contact avec une face de la couche mince superficielle opposée a la première couche de jonction, et formant avec la portion de couche superficielle un contact ohmique.

La couche de deuxième métal et la portion de couche superficielle forment également une heterojonction II s'agit cependant d'une heterojonction non-redresseuse désignée encore par "contact ohmique".

Selon une variante de mise en oeuvre, la deuxième couche de jonction est une région de la couche mince superficielle, dite région de contact, d'un deuxième type de conductivité oppose au premier type de conductivité, la région de contact étant en contact avec la région intermédiaire La région intermédiaire présente une concentration d'impureté de dopage inférieure à la région de contact.

Dans la réalisation du détecteur avec une jonction de type Schottky la couche superficielle peut comporter une région non intentionnellement dopée en contact avec la couche de premier métal e ⁴ " une région, αite de contact, dopée.

La région de contact, fortement dopée, permet αe former une prise de contact conducteur sur la région non intentionnellement dopée. Elle a alors la même fonction que la couche de deu.-.ieme métal.

Ainsi le détecteur peut comporter une connexion, accessible par l'une des faces externes de la structure SOI pour la prise de contact, cette connexion traversant la couche mince superficielle ou traversant la couche d'oxyde de silicium et le substrat de silicium.

Selon une réalisation particulière d'un détecteur conforme a l'invention, ladite portion de couche mince superficielle, électriquement isolée, peut présenter au moins deux flancs latéraux opposes, sensiblement parallèles entre eux, et sensiblement perpendiculaires a la couche d'oxyde de silicium. Les première et deuxième couches de matériau de jonction sont alors respectivement situées sur les flancs latéraux opposés.

Selon un aspect avantageux de la réalisation décrite ci-dessus, le détecteur peut présenter au moins une tranchée d'isolation traversant la couche mince superficielle et entourant la portion de couche mince superficielle .

L'invention a également pour objet un procède de fabrication d'un détecteur tel que décrit ci-dessus. Selon la première réalisation dans laquelle la diode présente une jonction de type Schottky, le procède peut comporter les étapes suivantes dans lesquelles : • on forme une couche de matériau isolant électrique sur une face libre d'une couche mince superficielle de silicium d'une structure de tvpe silicium sur isolant (SOI), la structure comprenant un empilement d'un substrat de silicium, d'une couche d'oxyde de silicium et de la couche mince superficielle,

• on pratique dans la couche de matériau isolant électrique une ouverture délimitant une zone de détection,

• on forme une couche de matériau conducteur électrique, en contact avec ladite face libre de la couche superficielle dans l'ouverture, et formant avec la couche superficielle une jonction de type Schottky,

• on grave localement le substrat de silicium et la couche d'oxyde de silicium pour former une ouverture arrière d'accès a la couche superficielle, dans la zone de détection,

• on forme une couche de matériau conducteur électrique en contact avec la couche superficielle dans ladite ouverture arrière d'accès, et formant avec la couche superficielle un contact ohmique.

Selon une autre réalisation, dans laquelle la diode comporte une jonction pn, le procède peut comporter les étapes suivantes - a) formation d'une couche de matériau isolant sur une face libre d'une couche superficielle d'une plaque présentant une structure de type SOI et comportant un empilement d'un substrat de silicium, d'une couche d'oxyde de silicium et de la couche mince superficielle de silicium, la couche mince superficielle comportant une première région dopée, d'un premier type de conductivité et ayant une première concentration d'impuretés et une deuxième région dopée du même type de conductivité et avec une deuxième concentration d'impuretés supérieure a la première concentration, la deuxième regio^ étant en contact avec la couche d'o<yαe de silicium et enterrée dans la première région,

b) réalisation dans la couche de matériau isolant électrique d'une ouverture délimitant une zone de détection, c) dopage de la couche mince superficielle dans la zone 5 de détection pour former une troisième région avec des impuretés d'un deuxième type de conductivité oppose au premier type de conductivité. d) recuit thermique de la plaque, e) les première, deuxième et troisième régions dopées 10 forment respectivement la région intermédiaire, la région de contact et la région de détection, le procède comporte en outre la formation de prises de contact électrique sur les deuxième et troisième régions dopées. 15 Selon un aspect de l'invention, lors de la réalisation de la structure SOI on peut former une couche mince superficielle comportant deux sous-couches empilées qui constituent respectivement les première et seconde régions dopées . 0 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexes, donnée a titre purement illustratif et non limitatif . 5

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

- la figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique simplifiée d'un détecteur de rayonnements, expliquant son principe de

30 fonctionnement,

- les figures 2A a 2F sont des coupes, a plus petite ecnelle, de structures pour la fabrication α'un détecteur de rayonnements conforme a l'invention Elles illustrent les etaoes d'un premier moαe de faoπcation

" D d'un ;eι détecteur,

- les figures 3A à 3F sont des coupes αe structures pour la fabrication d'un détecteur de rayonnements, conforme à l'invention. Elles illustrent les étapes d'un second mode de fabrication d'un tel détecteur,

- la figure 4 est une coupe schématique d'une réalisation particulière d'un détecteur conforme à 1 ' invention,

- la figure 5 est une vue de dessus de la diode de détection du détecteur de la figure 4,

- les figures 6A à 6E sont des coupes schématiques illustrant des étapes successives d'un troisième mode de fabrication d'un détecteur conforme à 1 ' invention .

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Un procédé de fabrication d'un détecteur conforme à l'invention est illustré par les figures 2A à 2F. Il s'agit en particulier d'un détecteur dans lequel les couches de jonction et de contact sont des couches de métal.

Comme le montre la figure 2A, on part d'un substrat de type silicium sur isolant, ou SOI (silicon on msulator) qui comporte un empilement d'un substrat de silicium 200, d'une couche isolante d'oxyde de silicium 202 et d'une couche mince superficielle 204. Les épaisseurs de ces couches 200, 202, 204 sont, dans l'exemple décrit, respectivement de 300 μm, 0,1 μm et 5 μm. De façon générale, la couche d'oxyde de silicium 202 présente une épaisseur comprise de préférence entre environ 0,1 et 5 μm. La couche superficielle mince 204, qui est la couche active du détecteur, présente une épaisseur préférentiellement comprise entre 0,1 un et 100 μm.

L'épaisseur de la couche mince 204 est choisie en particulier en fonction au type et de l'énergie du rayonnement que l'on souhaite détecter.

De telles structures SOI peuvent être réalisées selon des techniques connues. Elles sont par exemple réalisées par implantation d'ions d'oxygène selon un procédé dit SIMOX (Séparation by Implanted Oxygen) , ou par report direct, selon un procédé dit SDB (Silicon Direct Bonding) . De tels structures sont aussi commercialisées sous forme de plaquettes de 6 pouces de diamètre .

Dans le cas de l'exemple décrit la couche superficielle 204 est une couche de silicium de type n de haute resistivité. Sa resistivité est αe l'ordre de 100 Ω.cm.

Dans une première étape illustrée à la figure 2B, on dépose sur la couche superficielle 204 une couche 230 de nitrure de silicium d'une épaisseur de l'ordre de 0,2 μm. Cette couche a une fonction d'isolant électrique. Elle est déposée sur la face libre 222 de la couche 204. On pratique ensuite dans la couche 230 une ouverture 232 pour mettre a nu une portion de la couche mince superficielle. L'ouverture 232 est obtenue en mettant en oeuvre des procédés connus de lithographie qui comportent pour l'essentiel le dépôt d'une couche de résine photosensible, la formation d'un masque dans cette résine, avec une ouverture de masque correspondant a l'ouverture que l'on souhaite pratiquer dans la couche de nitrure de silicium, la gravure de la couche de nitrure αe silicium a travers l'ouverture de masque, et l'élimination de la résine restante.

L'ouverture 232, visible a la figure 2C, délimite une portion de la couche mince superficielle

dans laquelle est réalisée la diode de détection et, par conséquent, une zone de détection du détecteur. Dans une étape suivante une couche d'or 220 avec une densité de l'ordre de 40 μg/cm ² est formée par évaporation sur la surface de la couche 230 de nitrure de silicium et dans l'ouverture 232. La couche d'or 220 est en contact avec la portion de la couche mince superficielle 204 dans l'ouverture 232. Elle forme avec la portion de couche mince superficielle une jonction de type Schottky. La couche d'or 220 constitue également une première borne de polarisation de la diode de détection du détecteur.

Comme le montrent les figures 2D et 2E on grave ensuite localement le substrat 200 et la coucne isolante 202 afin d'y former une ouverture d'accès 240 à la face 226 de la couche mince superficielle, opposée a la face libre. La gravure de l'ouverture 240 est effectuée dans la zone de détection pour atteindre la portion de la couche mince superficielle dont la face libre est en contact avec la couche d'or 220.

A titre d'indication, le silicium du substrat 200 est gravé à 85°C dans une solution de potasse (KOH comportant 130g de KOH et 300 ml d'eau. Le nitrure de silicium de la couche 202 est gravé à 20°C avec une solution d'acide fluorhydrique (HF) comportant 10% de HF et 90% d'eau.

Lors des gravures, les portions du substrat et de la couche isolante qui entourent la zone ce détection sont protégées par un masque non représente. Une dernière étape, correspondant a la figure

2F, comporte la formation d'une couche d'aluminium 224. Cette couche recouvre les flancs 242 de l'ouverture 240, la surface libre 244 du substrat 200 et, e- particulier, la face 226 de la portion αe la couche mince 204 qui correspond a la zone αe détection. Lt

couche d'aluminium 224 présente également une densité de l'ordre de 40 μg/cm ² et est déposée par évaporation. La couche 224 forme avec la couche 204 un contact ohmique et constitue une seconde borne de la diode de détection. Lors du fonctionnement du détecteur une tension de polarisation convenable est donc appliquée entre les couches 220 et 224 La tension appliquée sur la couche d'aluminium 224 est positive par rapport a la tension appliquée a la couche d'or 220 de façon a polariser la jonction en "inverse", c'est-a- dire selon un montage redresseur. C'est aussi sur ces couches 220 et 22-1 que sont collectées les charges pour la formation d'un signal de détection.

Les détecteurs obtenus selon ce procède peuvent avoir une couche superficielle suffisamment mince pour ne pas atténuer de façon significative le flux a i 'énergie des radiations a détecter. Ils peuvent être appliques par exemple au contrôle de flux en ligne. Les détecteurs peuvent aussi être utilisée pour le mesure de temps de vol. A titre d'exemple pour des mesures de temps de vol de particules alpha αe 5,5 MeV, l'épaisseur de la couche mince superficielle est choisie égale a 0,5 μm, ce qui correspond a une perte en énergie de 100 keV dans chaque détecteur d'une paire de détecteurs. Les détecteurs peuvent enfin être segmentes en une pluralité de pixels de détection, pour déterminer la direction des particules détectées.

Les figures 3A a 3F illustrent un autre procède de réalisation d'un détecteur conforme a l'invention. Ce procède concerne plus particulièrement la réalisation d'un détecteur dans lequel les couches "de jonction" et "de contact" sont en silicium dope. Des références identiques auxquelles on ajoute 100 sont attribuées a des parties des figures 3A a 3F qu^

correspondent a des parties identiques ou similaires des figures 2A à 2F.

Comme le montre la figure 3A, on part d'une plaque avec une structure de type SOI qui comprend un substrat de silicium 300, une couche isolante d'oxyde de silicium 302 et une couche mince superficielle 304 de silicium de type p. La couche 304 comporte une première sous-couche 304a qui forme une première région dopée (de type p) de resistivité élevée, et une deuxième sous-couche 304b qui relie la première sous- couche 304a à la couche d'oxyde 302.

La deuxième sous-couche 304b, enterrée sous la sous-couche 304a, forme une deuxième région dopée, également du type p, mais avec une plus forte concentration d'impuretés. Elle présente une plus faible resistivité. Les sous-couches 304a et 304b correspondent respectivement a une région dite intermédiaire et à une région dite de contact du détecteur. A titre d'indication, les sous-couches 304a et

304b, présentent respectivement une resistivité supérieure a 100 Ω.cm et une resistivité inférieure a 0,1 Ω. cm.

Les sous-couches 304a et 304b peuvent être formées par exemple par implantation d'impuretés de bore dans un substrat SOI dans les étapes de fabrication de substrat par technique SDB (Silicon Direct Bonding) . Les plaques des structures SOI munies des sous-couches 304a et 304b sont disponibles dans le commerce .

Une deuxième étape consiste, comme le montre la figure 3B, a former une couche isolante 329 de nitrure de silicium sur la face libre 322 de la couche mince superficielle, en contact avec la sous-coucne 304a.

La figure 3C montre la réalisation d'une prise de contact sur la sous-couche 304b qui, dans le présent exemple, constitue la région de contact telle que décrite précédemment. Une ouverture 331 est pratiquée dans la couche isolante 329 pour mettre a nu une région de la couche mince superficielle 304. L'ouverture est réalisée selon des procèdes de lithographie mentionnés ci-dessus, et connus en soi. Elle présente, par exemple, une surface de 500 μm x 500 μm. Une implantation d'ions de bore avec une énergie croissante de 0 a 2 MeV et a une dose de 1.10 ions/cm permet de former un canal 350 de type p+ d'une longueur de l'ordre de 5 μm qui traverse la sous-couche 304a. Le canal 350, visible a la figure 3C, forme une prise de contact sur la sous-couche 304b qui correspond a _.a zone de contact. La concentration d'impuretés dans le canal est finalement αe l'ordre de 10 ions/cm . La couche de nitrure de silicium 329 est ensuite éliminée par gravure chimique avec une solution d'acide fluorhydrique.

Comme le montre la figure 3D, une étape suivante consiste a former sur la face libre de la couche 304 une nouvelle coucne isolante de nitrure de silicium 330, d'une épaisseur de l'ordre de 1 μm. On pratique dans cette couche une ouverture 332 pour mettre a nu une portion de la face libre de la couche superficielle 304, qui correspond a la région de détection. L'ouverture 332 est réalisée selon des procèdes connus de lithographie. Une implantation ionique de phosphore dans l'ouverture 332, avec une énergie de 150 keV et une dose de 1.10 ions/cm permet de former, comme le montre la figure 3E une région 304c de type n+ et d'une épaisseur de l'ordre de 0,2 uni Cette région constitue la région de détection au sens de la présente

invention. Elle forme avec la couche mince superficielle une jonction redresseuse.

Un recuit de la structure à 1100°C pendant 20 secondes est effectué pour activer les impuretés dopantes et guérir les défauts d'implantation.

La figure 3E montre enfin l'ouverture d'une fenêtre dans la couche 330 au-dessus du canal 350, et la figure 3F montre la réalisation de plots de contact 352, 354 respectivement sur la région 304c et sur le canal 350. Les plots de contact sont réalisés par évaporation d'aluminium. Ils présentent une densité αe l'ordre de 100 μg/cm ² . Le plot de contact 352 d'une part, et le plot 354, associé au canal conducteur 350 décrit précédemment, d'autre part, forment des prises de contact sur les bornes de la diode.

Dans cette réalisation les régions 304c et la sous-couche 304b correspondent respectivement aux couches de jonction et de contact ; la première forme avec la sous-couche 304a la diode de détection. Elles sont polarisées par l'intermédiaire des prises de contact 352, 354, 350 sur lesquels on applique une tension convenable pour polariser la jonction np en inverse. On applique sur la sous-couche 322 une tension négative par l'intermédiaire du canal 350. Comme indiqué en trait discontinu sur la figure

3F, la prise de contact sur la sous-couche 304b peut être réalisée également par la face arrière selon un procédé semblable au procédé, déjà décrit, de fabrication de contact ohmique du dispositif de la figure 2F. Dans ce cas ou grave localement le substrat de silicium 300 et la couche d'oxyde de silicium 302 pour former une ouverture arrière d'accès 340 a la région de contact, c'est-a-dire ia sous-couche 304b.

On forme ensuite une coucne αe matériau conducteur électrique 324, par exemple d' aluminium,

dans l'ouverture arrière, en contact avec la sous- couche 304b. Cette couche de matériau conducteur constitue alors également une prise de contact sur la région de contact de la diode. Le détecteur obtenu selon ce deuxième procédé présente une bonne tenue mécanique en particulier dans sa version à prise de contact par régions dopées. Il peut être, par exemple, associé à un film en isotope 10 du bore, formé a la surface de l'empilement, pour constituer un détecteur de neutrons. Le film en isotope 10 du bore assure alors la conversion des neutrons en particules alpha. On obtient ains-, un détecteur de neutrons peu sensible au bruit de rayonnement gamma. La juxtaposition d'une pluralité de tels détecteurs équipes d'un film superficiel de bore permet la réalisation de dosimetres sélectifs des neutrons par rapport aux particules gamma.

La figure 4 montre une variante de réalisation d'un détecteur conforme a l'invention. Le détecteur est fabrique a partir d'une structure SOI comprenant un substrat 400, en silicium dope d'un type de conductivité n ^" , une couche mince d'oxyde de silicium 402 et d'une couche mince superficielle 404 également en silicium dope n ^" . La présente description se réfère explicitement a un transistor fabriqué a partir d'un substrat SOI dont le silicium est du type de conductivité n. Un détecteur équivalent peut être obtenu en remplaçant mutatis mutandis les parties dopées n par des parties dopées p.

Une portion 406 de la coucne mince superficielle est électriquement isolée par la couche d'oxyde de silicium 402 et par une tranchée 408 traversant la couche mince superficielle

perpendiculairement a sa surface libre, et s'étendant jusque sur la couche d'oxyde 402.

Des régions fortement dopées 420, 424, respectivement de type p ⁺ et n ⁺ sont formées sur des flancs latéraux opposes de la portion de couche 406.

Ces flancs sont sensiblement perpendiculaires a la couche d'oxyde de silicium et parallèles entre eux.

Les régions dopées p ⁺ et n ⁺ 420, 424 situées sur les flancs latéraux opposes forment respectivement les première et deuxième couches de jonction au sens de la présente invention En effet, la région n ⁺ 424 forme avec la portion 406 de couche mince de type n une jonction dite "ohmique" et la région p ⁺ 420 forme avec la portion 406 de couche mince une jonction d _^ te "redresseuse".

Des prises de contact 426 sur les régions 420 et 424, représentées de façon très schématique, forment des électrodes de lecture du détecteur. Elles peuvent être reliées a des moyens de comptage et/ou de spectroscopie appropriée non représentes

La figure 5 est une vue partielle de dessus de la figure 4 On note cependant que les figures 4 et 5 ne sont pas a la même échelle et que, pour des raisons de clarté, les proportions des différentes parties ne sont pas nécessairement respectées. Sur cette figure on a représente la portion 406 de couche mince superficielle faisant partie de la diode de détection, les régions 420, 424 formant les première et deuxième couches de jonction sur les flancs de la portion 406 de couche mince, la tranchée 408 et une partie du reste αe la couche mince superficielle 404

Sur cette figure on constate que la portion αe couche mince présente une forme en créneaux

Dans cette réalisation la couche mince superficielle comporte une pluralité de tronçons avec

des flancs opposes parallèles entre eux. On constate que les régions 420 et 424 formant les première et deuxième couches de jonction s'étendent sur les flancs opposes de ces tronçons. Les prises de contact sur les régions 420 et 424 sont schématiquement représentées avec la référence 426.

On décrit a présent, en référence aux figures 6A a 6E un troisième mode de fabrication d'un détecteur conforme a l'invention. Comme le montre la figure 6A, on part d'une structure SOI comprenant un substrat 600 de silicium, une coucne mince 602 d'oxyde de silicium et une couche mince superficielle 604 de silicium.

Dans l'exemple décrit, la couche mince superficielle est d'un type de conductivité n. Toutefois, un détecteur similaire peut être obtenu avec une couche de type p. La structure de la figure 6A est comparable a celle de la figure 2A et on peut se reporter a ce sujet à la description qui précède. Une première étape, illustrée a la figure 6B consiste a graver dans la couche mince superficielle une (ou plusieurs) tranchée (s) 608, sensiblement perpendiculaire (s) a la surface libre de la couche mince superficielle et sensiblement perpendiculaire (s) a la couche 602 d'oxyde de silicium. La tranchée 608 délimite et isole latéralement une portion 606 de la couche mince superficielle faisant partie de la diode de détection.

La portion 606 de couche mince superficielle est également isolée électriquement du substrat 600 par la couche d'oxyde 602.

Une étape suivante comprend l'oxydation thermique de la couche mince superficielle, y compris dans les tranchées. Une couche d'oxvde 603 recouvre

ainsi l'ensemble de la couche mince superficielle et en particulier la portion 606 de cette couche.

Une première ouverture 605 pratiquée dans la couche d'oxyde thermique 603 met à nu un premier flanc latéral de la portion 606 de couche mince superficielle. L'ouverture 605 est pratiquée selon des techniques de gravure usuelles telles que la photogravure.

Comme le montre la figure 6C, un dopage est effectué dans l'ouverture 605 pour former une région 624 de type n+ formant une couche jonction sur le flanc mis à nu. Cette couche de jonction est la "deuxième" couche de jonction au sens de la présente invention et est forme avec la portion 606 une jonction αite "ohmique".

Une étape suivante comporte un recuit oxydant permettant notamment de refermer l'ouverture 605 et de protéger la région 624.

Une seconde ouverture 607 est pratiquée dans la couche d'oxyde thermique pour mettre a nu un deuxième flanc latéral opposé de la portion 606 de couche mince superficielle .

Un nouveau dopage, effectué dans l'ouverture 607, permet, comme le montre la figure 6D, de former une région 620 de type p ⁺ formant également une coucne de jonction. Il s'agit de la "première" couche de jonction dite "redresseuse" au sens de la présente invention.

Une dernière étape comprend un second recuit oxydant pour protéger la région 620 et comprend la formation de prises de contact 626 sur les régions dopées 620 et 624 de la portion 606 de la couche mince superficielle. Ces prises de contact forment des électrodes de polarisation et de lecture de la diode.

On obtient au terme de ce procédé un détecteur semblable à celui de la figure 4 déjà décrite.

Documents cités dans la description :

(D

"Intégration of CMOS electronics and particle detector diodes in high-resistivity silicon-on- msulator wafers" de B. Dierickx et al., IEEE Transactions On Nuclear Science, vol.40, n°4, août 1993, pages 753-758

(2)

DE-A-3 333 410 (abrégé)

(3)

JP-A-63 055 980