FR2501914A1 - 4 to 8 volt Zener diode - working in avalanche with a low current - Google Patents
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Abstract
Description
DIODE ZENER 4 A 8 VOLTS FONCTIONNANT EN AVALANCHE
A FAIBLE NIVEAU DE COURANT ET PROCEDE DE FABRICATION.ZENER DIODE 4 TO 8 VOLTS OPERATING IN AVALANCHE
LOW CURRENT LEVEL AND MANUFACTURING METHOD.
La présente invention concerne une diode Zener et plus particuliêrement une telle diode dont la tension de claquage est comprise entre 4 et 8 volts, par exemple voisine de 5 volts. The present invention relates to a Zener diode and more particularly to such a diode whose breakdown voltage is between 4 and 8 volts, for example close to 5 volts.
On rappellera que le claquage des diodes dépend en fait de deux phénomènes physiques distincts. Danst les domaine des fait bles tensions de claquage (inférieures a 4 volts), il se produit un effet Zener c'est- -dire une transition de l'electron de valence dans la bande de conduction sous l'effet d'un champ électrique très elevé. Dans le domaine des plus fortes tensions (supérieures à 8 volts) il se produit un effet d'avalanche par multiplication des porteurs dans la zone de charge d'espace. On devrait donc parler de façon distincte de diode Zener ou de diode a avalanche d'un point de vue théorique.Dans la pratique, ces diodes sont indifferemment désignées par le terme diode Zener ou par le terne diode a avalanche indépendamment du phénomène physique mis en oeuvre. Par exemple, la tension de claquage est géneralement desigaée par la référence Vz qui fait normalement référence à l'effet Zener, ieme dans le cas où il se produit un effet d'avalanche. De façon générale, la courbe caractéristique d'une diode fonctionnant par effet d'avalanche présente un coude trams marqué et une faible impédance dynamique RZK au voisinage du coude.Par contre, pour une diode fonctionnant en effet Zener, on a pour des raisons inheren- tes à l'effet Zener une caractéristique présentant un coude relativement arrondi, c'est-à-dire une plus forte impédance dynamique. It will be recalled that the breakdown of the diodes in fact depends on two distinct physical phenomena. In the domain of blast breakdown voltages (less than 4 volts), a Zener effect is produced, that is to say a transition of the valence electron in the conduction band under the effect of an electric field. very high. In the area of the highest voltages (greater than 8 volts), an avalanche effect occurs by multiplying the carriers in the space charge zone. We should therefore speak of a separate Zener diode or avalanche diode from a theoretical point of view. In practice, these diodes are indifferently designated by the term Zener diode or by the dull avalanche diode regardless of the physical phenomenon artwork. For example, the breakdown voltage is generally desigaée by the reference Vz which normally refers to the Zener effect, ieme in the case where an avalanche effect occurs. Generally, the characteristic curve of a diode operating by avalanche effect has a marked tramp bend and a low dynamic impedance RZK in the vicinity of the bend. On the other hand, for a diode operating in Zener effect, we have for inherent reasons - your Zener effect characteristic with a relatively rounded bend, that is to say a higher dynamic impedance.
On s'interessera ici plus particulièrement aux diodes Zener dont la tension de claquage est intermédiaire entre 4 et 8 volts. Dans ce domaine, l'effet physique en cause est partiellement un effet Zener, partiellement un effet d'avalanche. On peut dire que le début de la caractéristique est une caract#ristique d'effet Zener et la suite de la caractéristique une caractéristique d'effet d'avalanche. Parmi les procédés connus pour fournir un coude moins arrondi, ou en d'autres termes pour fournir une ten sion de référence mieux définie aux faibles valeurs de courant, l'un consiste à utiliser une diode de très faible section. On arrive alors plus rapidement a un effet d'avalanche.Un inconvé- nient de ce procédé réside dans le fait que la diode considérée voit sa chute de tension augmenter plus. rapidement qu'une. diode de section plus importante quand le courant qui la traverse augmente. We will focus here more specifically on Zener diodes whose breakdown voltage is intermediate between 4 and 8 volts. In this area, the physical effect in question is partially a Zener effect, partially an avalanche effect. We can say that the beginning of the characteristic is a characteristic of Zener effect and the continuation of the characteristic an characteristic of avalanche effect. Among the known methods for providing a less rounded bend, or in other words for providing a better defined reference voltage at low current values, one consists in using a diode of very small section. An avalanche effect is reached more quickly. One drawback of this process is that the diode in question sees its voltage drop increase more. quickly that one. diode with a larger section when the current flowing through it increases.
Il en résulte des pertes non négligeables qui peuvent entrainer rapidement la destruction de la. diode.This results in significant losses which can quickly lead to the destruction of the. diode.
Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau type de diode Zener fournissant une tension de referen- ce bien définie pour de très faibles valeurs de- courant, par exemm pie de l'ordre de quelques dizaines de microampères, mais pouvant supporter des courants plus intenses. Thus, an object of the present invention is to provide a new type of Zener diode providing a well-defined reference voltage for very low current values, for example of the order of a few tens of microamps, but which can withstand more intense currents.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication d'une telle diode. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing such a diode.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une diode Zener constituée de l'association en parallèle d'une première portion de diode Zener de faible section a tension de seuil déterminée et d'une seconde portion de diode
Zener à tension de seuil plus élevée, d'oW il résulte que la ca ractéristique de la diode Zener est celle de la première portion de diode Zener à faible courant et celle de la seconde portion de diode Zener a fort courant.En pratique, les deux portions de diode Zener devront avoir des tensions de seuil très voisines, par exemple la tension Zener de la seconde portion de diode Zener devra entre supérieure a celle de la première d'une valeur de l'ordre de quelques centaines de millivolts (de 100 à 500 millivolts par exemple).To achieve these and other objects, the present invention provides a Zener diode consisting of the association in parallel of a first portion of Zener diode of small section at a determined threshold voltage and a second portion of diode.
Zener at higher threshold voltage, whence it results that the characteristic of the Zener diode is that of the first portion of Zener diode at low current and that of the second portion of Zener diode at high current. two portions of Zener diode should have very close threshold voltages, for example the Zener voltage of the second portion of Zener diode should be greater than that of the first by a value of the order of a few hundred millivolts (from 100 500 millivolts for example).
Une diode Zener selon la présente invention constituée a partir d'un substrat de silicium d'un premier type de conductivitE comprend, dans ce substrat, une première zone dopée selon le second type de conductivité, de faible section et de faible profondeur de jonction, entourée d'une seconde zone sensiblement de meme dopage mais de plus forte section et de plus grande profondeur de jonction, l'ensemble de ces deux zones étant recouvert d'un bouton de silicium en saillie dopé selon le second type de conductivité, ce bouton étant monocristallin sensiblement audessus de la première zone et polycristallin sensiblement audessus de la seconde zone. A Zener diode according to the present invention formed from a silicon substrate of a first type of conductivity comprises, in this substrate, a first zone doped according to the second type of conductivity, of small cross section and of small junction depth, surrounded by a second zone substantially of the same doping but of larger cross section and greater junction depth, all of these two zones being covered with a protruding silicon button doped according to the second type of conductivity, this button being monocrystalline substantially above the first zone and polycrystalline substantially above the second zone.
Un procédé de fabrication d'une diode Zener selon la présente invention, à partir d'un substrat de silicium d'un premier type de conductivité recouvert d'une couche de masquage telle qu'une couche de SiO2 munie d'une fenêtre, comprend les étapes consistant à : déposer une couche de silicium polycristallin dopé selon le second type de conductivité et la limiter à la fenêtre et aux rebords externes de celle-ci, en ménageant dans cette couche une ouverture; faire diffuser le dopant contenu dans le silicium polycristallin vers le substrat; procéder à une croissance épitaxiale de silicium dopé selon le second type de conductivité à une température et pendant une durée propre à limiter la profondeur de diffusion dans le substrat à une valeur plus faible que celle résultant de la première diffusion. A method of manufacturing a Zener diode according to the present invention, from a silicon substrate of a first type of conductivity covered with a masking layer such as a layer of SiO2 provided with a window, comprises the steps consisting in: depositing a layer of polycrystalline silicon doped according to the second type of conductivity and limiting it to the window and to the outer edges thereof, leaving an opening in this layer; diffusing the dopant contained in the polycrystalline silicon towards the substrate; proceed to an epitaxial growth of doped silicon according to the second type of conductivity at a temperature and for a period suitable for limiting the depth of diffusion in the substrate to a value lower than that resulting from the first diffusion.
Le terme substrat tel qu'il est employé ici désigne une couche de silicium monocristallin constituée directement d'une plaquette de silicium ou d'une zone supérieure diffusée d'une telle plaquette, ou d'une couche épitaxiale de silicium formée sur un substrat de silicium, ou d'une couche de silicium formée sur un substrat isolant, ou analogue. Dans la description détaillée ciaprès d'un mode de réalisation particulier, on décrira seulement les points liés aux caractéristiques essentielles de la présente invention. Bien entendu on pourra appliquer à la présente invention de nombreuses variantes et modifications connues dans le domaine de la fabrication et de la structure des diodes Zener. Par exemple, des diodes Zener pourront être entourées d'un anneau de garde. The term substrate as it is used here denotes a layer of monocrystalline silicon directly constituted by a silicon wafer or by a diffused upper zone of such a wafer, or by an epitaxial layer of silicon formed on a substrate of silicon, or a silicon layer formed on an insulating substrate, or the like. In the detailed description below of a particular embodiment, only the points related to the essential characteristics of the present invention will be described. Of course, it will be possible to apply to the present invention numerous variants and modifications known in the field of manufacturing and of the structure of Zener diodes. For example, Zener diodes may be surrounded by a guard ring.
Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles
- les figures 1 et 2 représentent deux étapes successives de fabrication d'une diode Zener selon la présente invention; 0 -la figure 3 représente des caractéristiques tension (V) courant (I) d'une diode Zener selon la présente invention.These objects, characteristics and advantages as well as others of the present invention will be explained in more detail in the following description of a particular embodiment made in relation to the attached figures, among which
- Figures 1 and 2 show two successive stages of manufacturing a Zener diode according to the present invention; FIG. 3 represents voltage (V) current (I) characteristics of a Zener diode according to the present invention.
ta figure 1 représente une première étape de fabrication d'une diode Zener selon la présente invention. Etant donné un substrat de silicium 1 d'un premier type de conductivité, par exemple de type N avec un niveau de dopage relativement élevé de l'ordre de 5.1018 atomes par cm3, on forme sur ce substrat une couche de masquage 2 constituée de silice (SiO2), de nitrure de silicium (Si3N4) ou autre. On dépose ensuite sur la plaquette une couche de silicium polycristallin qui est ouverte de façon à reposer uniquement sur la partie apparente du substrat 1 et au-dessus de la couche de masquage 2 à la périphérie de la fenêtre. Cette couche de silicium polycristallin 3 est fortement dopée selon le second type de conductivité, c'est-à-dire-de type P avec un niveau de dopage de l'ordre de 1020 atomes par cm3.La couche de silicium polycristallin est également munie d'une ouverture 4 dans laquelle apparait le silicium sousjacent. On notera que si cette ouverture est effectuée par masquage et attaque au plasma la surface du substrat sera légèrement attaquée ce qui favorise apparamment la réalisation d'une jonction Zener à cet emplacement. La couche de silicium polycristallin 3 peut être déposée par tout procédé connu, par exemple par voie chimique en phase vapeur à faible pression. Il importe néanmoins que ce dépôt soit effectué à une température peu élevée pour qu'il ne se réalise pas simultanément une diffusion du dopant de type P vers le substrat pendant le dépôt ou bien que cette diffusion soit extrêmement limitée. your Figure 1 shows a first step in manufacturing a Zener diode according to the present invention. Given a silicon substrate 1 of a first type of conductivity, for example of type N with a relatively high doping level of the order of 5.1018 atoms per cm3, a masking layer 2 made of silica is formed on this substrate (SiO2), silicon nitride (Si3N4) or the like. Then deposited on the wafer a layer of polycrystalline silicon which is open so as to rest only on the visible part of the substrate 1 and above the masking layer 2 at the periphery of the window. This polycrystalline silicon layer 3 is strongly doped according to the second type of conductivity, that is to say of P type with a doping level of the order of 1020 atoms per cm3. The polycrystalline silicon layer is also provided an opening 4 in which the underlying silicon appears. It will be noted that if this opening is carried out by masking and plasma attack the surface of the substrate will be slightly attacked which apparently favors the production of a Zener junction at this location. The polycrystalline silicon layer 3 can be deposited by any known method, for example chemically in the vapor phase at low pressure. It is nevertheless important that this deposition is carried out at a low temperature so that diffusion of the P-type dopant towards the substrate does not take place simultaneously, or else that this diffusion is extremely limited.
Dans une retape ultérieure, après une légère oxydation pour éviter une éventuelle diffusion #intempestive dans l'ouverture 4, un traitement thermique est effectué de façon à former par diffusion de façon contrôlée une zone 5 du second type de conducti vité formant une jonction 6 avec le silicium du substrat. In a subsequent retape, after a slight oxidation to avoid any inadvertent diffusion in the opening 4, a heat treatment is carried out so as to form by diffusion in a controlled manner an area 5 of the second type of conductivity forming a junction 6 with the silicon of the substrate.
Comme le représente la figure 2, après une étape de désoxydation partielle, on procède ensuite a une croissance épitaxiale de silicium de type P dopé à 1020 atones par cm3 pour former un bouton en relief 10. Cette croissance épitaxiale aura lieu sur les parties de la plaquette pour lesquelles de la couche de masquage 2 n'est pas apparente, c'est-à-dire d'une part au-dessus de la couche de silicium polycristallin 3, d'autre part au-dessus de la zone centrale 4 du substrat. Dans la zone 11 au-dessus du substrat, cette croissance épitaxiale sera de type monocristallin comme le substrat. Dans les zones situées au-dessus de la couche de silicium polycristallin 3, cette croissance épitaxiale résultera en une zone de silicium polycristallin 12.Cette épitaxie pourra être formée par exemple selon le procédé d'épitaxie à l'iode bien connu et une jonction Zener satisfaisante sera formée entre la zone 11 et la zone sousjacente du substrat. Eventuellement, au cours de l'épitaxie une légère diffusion dans le substrat aura lieu mais sans modifier sensiblement la profondeur de la jonction 6 et en formant seulement une jonction 13 de très faible profondeur en dessous de la zone 11. Par exemple, la profondeur de la jonction 6 sera de l'ordre de 1 à 2 microns alors que la profondeur de la jonction 13 sera de quelques milliers d'angstroems seulement. La jonction 6 pourra résulter d'un traitement thermique à 10000C pendant une demi-heure alors que le bouton épitaxié d'une hauteur de quelques dizaines de microns pourra résulter d'une épitaxie effectuée à 10000C en environ 15 minutes. As shown in Figure 2, after a partial deoxidation step, we then proceed to an epitaxial growth of P-type silicon doped with 1020 atones per cm3 to form a button in relief 10. This epitaxial growth will take place on the parts of the wafer for which the masking layer 2 is not apparent, that is to say on the one hand above the polycrystalline silicon layer 3, on the other hand above the central zone 4 of the substrate. In the zone 11 above the substrate, this epitaxial growth will be of monocrystalline type like the substrate. In the areas above the polycrystalline silicon layer 3, this epitaxial growth will result in a polycrystalline silicon area 12. This epitaxy can be formed for example according to the well known iodine epitaxy process and a Zener junction satisfactory will be formed between zone 11 and the underlying zone of the substrate. Possibly, during the epitaxy, a slight diffusion in the substrate will take place but without appreciably modifying the depth of the junction 6 and by forming only a junction 13 of very shallow depth below the zone 11. For example, the depth of junction 6 will be of the order of 1 to 2 microns while the depth of junction 13 will be only a few thousand angstroems. Junction 6 may result from a heat treatment at 10000C for half an hour while the epitaxial button with a height of a few tens of microns may result from an epitaxy performed at 10000C in approximately 15 minutes.
Les dimensions de la zone centrale correspondant sensiblement à l'ouverture 4 ont été dans un mode de réalisation particulier de l'ordre de la quinzaine de microns alors que les dimensions latérales de la fenêtre ménagée de la couche de masquage 2 étaient de l'ordre de quelques centaines de microns. Ceci nous donne un rapport pouvant aller par exemple de 1/100 à 1/10.000 entre les surfaces de la première portion de diode Zener correspondant à la jonction 13 et celle de la seconde portion de diode Zener correspondant à la jonction 6. The dimensions of the central zone corresponding substantially to the opening 4 were in a particular embodiment of the order of fifteen microns while the lateral dimensions of the window formed by the masking layer 2 were of the order of a few hundred microns. This gives us a ratio that can range, for example, from 1/100 to 1 / 10,000 between the surfaces of the first portion of Zener diode corresponding to junction 13 and that of the second portion of Zener diode corresponding to junction 6.
On notera que les étapes décrites précédemment permettent d'ajuster avec soin les dopages et les profondeurs des jonctions 6 et 13 de façon à obtenir une première et une seconde portion de diode Zener dont les tensions de claquage diffèrent d'une valeur choisie déterminable avec précision. On pourra par exemple obtenir des écarts de tension de claquage de l'ordre de 100 à 500 millivolts entre les deux portions de diode Zener, par exemple une première portion de diode Zener ayant une tension de claquage de 5,1 volts et une deuxième portion de diode Zener ayant une tension de claquage de 5,4 volts. En fait, ce qui est mal contrôlé, comme cela est classique dans la fabrication des diodes Zener est la valeur de chacune des tensions Zener mais leur différence est déterminée avec précision. It will be noted that the steps described above make it possible to carefully adjust the dopings and the depths of the junctions 6 and 13 so as to obtain a first and a second portion of Zener diode whose breakdown voltages differ from a chosen value which can be determined with precision. . It will be possible, for example, to obtain breakdown voltages of the order of 100 to 500 millivolts between the two portions of Zener diode, for example a first portion of Zener diode having a breakdown voltage of 5.1 volts and a second portion Zener diode having a breakdown voltage of 5.4 volts. In fact, what is poorly controlled, as is conventional in the manufacture of Zener diodes, is the value of each of the Zener voltages but their difference is determined with precision.
La figure 3 représente des courbes de courant (I) en fonction de la tension (V) destinées à illustrer le fonctionnement d'une diode Zener telle que représentée en figure 2. Ces courbes ont en fait été déformées par rapport aux courbes réelles pour mieux faire-ressortir les avantages de la présente invention. La courbe 20 représente la caractéristique de la première portion de diode Zener correspondant à la jonction 13 de très faible section. FIG. 3 represents current curves (I) as a function of the voltage (V) intended to illustrate the operation of a Zener diode as shown in FIG. 2. These curves have in fact been deformed relative to the real curves for better highlight the advantages of the present invention. Curve 20 represents the characteristic of the first portion of Zener diode corresponding to junction 13 of very small section.
Cette portion de diode Zener entre en fonctionnement la première et entre dans un régime d'avalanche assez rapidement dès que le courant atteint une valeur de 11 ordre de la dizaine de microampères. La courbe 30 représente la caractéristique de la deuxième portion de diode Zener correspondant à la jonction 6.This portion of Zener diode starts operating first and enters an avalanche regime fairly quickly as soon as the current reaches a value of 11 orders of ten microamps. Curve 30 represents the characteristic of the second portion of Zener diode corresponding to junction 6.
t'effet Zener est plus nettement marqué par rapport à l'effet d'avalanche qui ne commence que pour une saleur du courant dc l'ordre du milliampère. Néanmoins, au-dessus de cette valeur, la résistance dynamique correspondant à cette deuxième courbe 30 est plus faible que celle correspondant à la courbe 20. Ainsi, les deux courbes se recoupent pour une valeur voisine par exemple de 100 milliampères. te dispositif selon la présente invention suit la courbe caractéristique 20 jusqu'à la valeur de 100 milliampères puis ensuite suit la caractéristique de la courbe 30. On obtient ainsi une diode Zener dont le fonctionnement est bien défini pour de très faibles valeurs du courant, à partir de la dizaine de microampères et dont la tension de référence reste convenablement définie pour des valeurs élevées du courant supérieures a la centaine de milliampères. Il résulte de l'illustration faite en figure 3 que l'écart de tension dVl quand le courant varie entre 10 microampères et 1 milliampère est nettement plus faible dans le cas de la caractéristique 20 que l'écart de tension correspondant dV2 pour la courbe 30 conformément au but visé par l'invention. The Zener effect is more clearly marked compared to the avalanche effect which begins only for a salt current of the order of one milliampere. However, above this value, the dynamic resistance corresponding to this second curve 30 is lower than that corresponding to the curve 20. Thus, the two curves overlap for a value close to, for example, 100 milliamps. The device according to the present invention follows the characteristic curve 20 up to the value of 100 milliamps and then follows the characteristic of the curve 30. A Zener diode is thus obtained, the operation of which is well defined for very low current values, at from about ten microamps and whose reference voltage remains suitably defined for high values of the current greater than a hundred milliamps. It follows from the illustration made in FIG. 3 that the voltage difference dVl when the current varies between 10 microamperes and 1 milliampere is clearly lower in the case of characteristic 20 than the corresponding voltage difference dV2 for curve 30 in accordance with the aim of the invention.
Bien entendu, les exemples numériques donnés ne doivent pas être interprétés de façon limitative et l'on pourrait viser une optimisation des caractéristiques dans une autre plage que celle allant de 10 microampères à 1 milliampère. Of course, the numerical examples given should not be interpreted in a limiting way and one could aim for an optimization of the characteristics in another range than that going from 10 microamperes to 1 milliampere.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisations qui ont été explicitement décrits. Elle en englobe les diverses variantes et généralisations incluses dans le domaine des revendications ci-après. The present invention is not limited to the embodiments which have been explicitly described. It encompasses the various variants and generalizations thereof included in the field of claims below.
Claims (9)
Priority Applications (1)
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| FR8105132A FR2501914A1 (en) | 1981-03-13 | 1981-03-13 | 4 to 8 volt Zener diode - working in avalanche with a low current |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR8105132A FR2501914A1 (en) | 1981-03-13 | 1981-03-13 | 4 to 8 volt Zener diode - working in avalanche with a low current |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR8105132A Granted FR2501914A1 (en) | 1981-03-13 | 1981-03-13 | 4 to 8 volt Zener diode - working in avalanche with a low current |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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