5.2 Présentation de l’implantation
5.2.3 Réalisation technologique d’un pixel implanté
L’implantation de la couche active est une étape supplémentaire dans la réa- lisation d’un pixel. Comme chaque niveau de la fabrication, elle nécessite des ca- librations et des essais multiples afin d’obtenir le résultat souhaité. De nombreux paramètres entrent en jeu pour réaliser une implantation adéquate qui nécessite de repenser toutes les étapes de fabrication d’un pixel.
Paramètres d’implantation
Avant toutes choses, il est nécessaire de déterminer les paramètres d’implanta- tion évoqués plus haut, qui permettront d’annihiler l’absorption pour une couche active donnée. Pour cela on utilise le code SRIM (the Stopping and Range of Ions in Matter) développé par James Ziegler, qui simule la diffusion d’ions dans la ma- tière. Ce programme permet de connaître la distribution statistique d’une espèce d’ion implantée à une énergie donnée dans une structure à plusieurs couches. La distribution suit une loi gaussienne autour d’une profondeur dépendant essentiel- lement de la densité du matériau et de l’énergie de l’ion. Étant donnée l’épaisseur de notre couche active, une seule énergie d’implantation ne suffit pas à avoir un nombre de défauts suffisant sur la totalité des puits. On utilise donc cinq énergies suffisamment proches pour avoir une distribution de protons quasi uniforme sur toute la zone active. On donne à la figure 5.2 le profil d’implantation pour une section du pixel suivant le plan des puits ainsi que perpendiculaire à ce plan et la distribution finale des porteurs suivant l’axe de croissance. Notons aussi que pour des raisons que nous expliquerons plus tard l’étape d’implantation se fait avant la métallisation. Si les ions devaient être implantés à travers le métal les énergies utilisées seraient bien plus élevées.
Puisque la distribution spatiale sera différente pour chaque énergie la dose d’ions à implanter devra aussi être adaptée de manière à avoir un nombre de défauts
supérieur au dopage pour chaque énergie. On décide d’implanter 5 × 1018cm−3
atomes pour être sûrs de dépasser le dopage. On résume à la table 5.1 les énergies et les doses utilisées pour nos structures.
Protection des zone non-implantées
On protège les zones ne devant pas être implantées par le procédé habituel de résinage et de photolithographie. L’épaisseur de résine suffisante pour stopper les ions avant d’atteindre le haut du pixel peut être elle aussi estimée à l’aide du programme SRIM. Pour la résine que nous utilisons on estime qu’il faut une épaisseur de résine supérieure à 5µm.
Utiliser une résine aussi épaisse pose plusieurs problèmes. Il est notamment plus difficile de définir des motifs bien verticaux, le risque est donc d’avoir des zones
Fig. 5.2 – Dans le sens de la lecture : distribution spatiale des protons suivant le plan des couches, distribution spatiale des protons suivant le plan perpendiculaire aux couches, nombre de protons implantés suivant l’axe de croissance. La nomen- clature des couches est la suivante : A : réseau ; B : contact supérieur ; C : zone active, D : contact inférieur ; E : substrat
Énergies (keV ) Doses (cm−2)
330 1, 16 × 1015
270 1, 06 × 1015
220 9, 8 × 1014
170 8, 8 × 1014
130 7, 2 × 1014
Tab. 5.1 – Énergies et doses des protons à implanter pour supprimer l’absorption sur des couches de 30 puits.
Fig. 5.3 – Problème du développement de petits motifs sur une résine épaisse. Représentation schématique de trois cas de développement. Le développement idéal représente le cas où les cotes nominales sont respectées. Au milieu le cas où le dessus de la résine, plus exposé, est plus développé que la base. La zone protégée est alors réduite. Enfin le cas où le haut de la résine est entièrement sur-développé, le pixel est alors entièrement implanté.
protégées trapézoïdales (fig. 5.3) ou même, si le motif est très petit, un développe- ment triangulaire, ce qui signifie que la zone protégée peut être considérablement réduite par rapport aux côtes nominales.
S’ajoute au problème du respect les cotes lors du développement de la résine, la diffusion latérale des ions dans le matériau comme l’illustre la figure 5.2. Ces deux incertitudes, qui seront évaluées au paragraphe 5.3 font de l’implantation une étape technologique critique dans la perspective de fabriquer industriellement des pixels de cette taille.
Problèmes éventuels lors de l’implantation
Comme nous l’avons mentionné précédemment l’implantation d’ions est réalisée au moyen de grands instruments utilisés pour des applications très diverses et non dans des bâtits à but unique. Cela a pour conséquence une grande marge de
manœuvre sur la façon de réaliser cette étape et donc de nombreux problèmes éventuels propres à chacune des applications.
Dans le cas de l’implantation de structures semi-conductrices deux problèmes majeurs peuvent survenir. Le premier à trait à l’orientation de la structure cris- talline par rapport au faisceau d’ion. En effet au début du paragraphe 5.2.3 nous avions implicitement considéré que les ions étaient stoppés aléatoirement après des collisions multiples dans le matériau. Dans le cas d’une structure cristalline, le parcours de l’ion sera considérablement allongé s’il est incident selon l’un des axes principaux du cristal [77]. Pour éviter ce problème la surface des échantillons est
orientée avec un angle de 7◦ par rapport au faisceau.
Le deuxième problème vient de l’intensité du faisceau. En effet nous avons fixé des énergies, et des doses d’ions à implanter. Le temps nécessaire à introduire un nombre fixé d’ions à une énergie donnée est proportionnelle à l’intensité électrique du faisceau. Dans l’idéal on souhaite réduire le temps d’implantation ce qui signifie avoir une intensité maximale. Or plus l’intensité est élevée plus l’échantillon va s’échauffer. Cet échauffement peut avoir deux conséquences, la première est la détérioration de la résine de protection, la seconde est liée au problème de la disparition des défauts avec la température et sera abordée plus longuement dans le paragraphe suivant.
Sensibilité à la température et ordre des étapes technologiques
Le nombre de défauts introduits par l’implantation peut être considérablement
réduit si l’échantillon est chauffé à des températures supérieures à 300◦ [84]. Dans
notre cas, le nombre de défauts ne serait alors plus suffisant pour empêcher l’ab- sorption. Or le recuit des contacts métalliques utilisés habituellement s’effectue à
des températures de l’ordre de 400◦. Trois solutions sont donc envisageables. La
première consisterait à implanter après la métallisation. Cela impliquerait des éner- gies d’implantation beaucoup plus élevées afin de traverser le métal ce qui aurait entre autres conséquences d’augmenter la diffusion latérale des ions. La deuxième, que nous adopterons ici, est de faire une métallisation en deux étapes. Avant l’im- plantation, on métallise et on recuit une petite surface du pixel au-dessus de la zone non implantée pour assurer le contact électrique (fig. 5.13 et 5.17). Après implan- tation on recharge en métal l’intégralité du pixel pour assurer le fonctionnement du réseau. Cependant cette solution s’avère peu pratique puisqu’elle ajoute encore une étape technologique. Ces deux solutions impliquent que l’implantation se fasse après la formation du contact. La troisième solution qui laisserait beaucoup plus de liberté dans le déroulement des étapes technologiques repose sur l’utilisation de contacts ne nécessitant pas de recuits à des températures élevées tels ceux que nous présenterons au chapitre 7.
Fig. 5.4 – Représentation schématique de la zone non-implantée sur un pixel pour l’étude du bruit en fonction de l’aire implantée. On représente en gris les zones implantées et en blanc la zone non-implantée. Deux configurations seront étudiées.
Celle où la zone non implantée est carrée (à gauche) de surface LNI× LNIµm2 et
celle où la zone non-implantée est rectangulaire (à droite) de surface LNI×100µm2.