FR2827706A1 - Procede pour faire fonctionner un composant a semiconducteur - Google Patents
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Abstract
Dans ce procédé pour faire fonctionner un composant à semiconducteur comprenant un substrat (1), une piste (10) conductrice déposée sur le substrat (1) de contacts (11, 12) électriques reliés à la piste (10) de façon à former une résistance électrique, on fait fonctionner le composant à semiconducteur de manière réversible dans un domaine courant-tension dans lequel, il a jusqu'à une valeur (lt ) limite de courant correspondant à une valeur (Vt ) limite supérieure de tension, une première résistance (Rdiff1 ) différentielle et pour des valeurs de courant supérieures une deuxième résistance (Rdiff2 ) différentielle qui est plus petite que la première résistance (Rdiff1 ) différentielle.
Description
B 13872.3/EW
Procédé nour faire fonctionner un composant à semiconducteur La présente invention concerne un procédé pour faire fonctionner un composant à semiconducteur comprenant: un substrat, une piste conductrice qui est déposée sur le substrat, un premier et un deuxième contacts électriques qui sont reliés à la piste conductrice en polysiliclum de
façon à ce que celle-ci forme une résistance électrique entre eux.
Bien que l'on puisse utiliser en principe n'importe quel composant à semiconducteur ayant des premières propriétés de commutation, la présente invention ainsi que le problème qui en est à la base o seront explicités pour des diodes de déclenchement en technologie du silicium. Les diodes de déclenchement sont des composants à semiconducteur qui, lorsqu'une certaine valeur de la tension appliquée entre les deux bornes est dépassée, basculent d'un état de blocage à un état s passant et diminuent ainsi beaucoup leurs valeurs de résistance différentielles. Un type connu d'une diode de déclenchement est ce que l'on appelle la diode à quatre couches (binistor), qui est parfois dénommée aussi diode basculante et qui est analogue à un thyristor qui n'a pas d'électrode de
commande, mais qui s'amorce "par la tête".
o Les diodes de déclenchement et d'autres composants à semiconducteur connus pouvant être commutés en courant ou en tension comme des transistors commandés (JFET, NMOS, etc.), les thyristors, des TRIAC et des DIAC ou des transistors bipolaires pour la formation d'impuisions de courant de grande intensité ont les inconvénients suivants: s a. Structure stratifiée complexe; b. Possibilité d'adaptation limitée aux paramètres clés dans la technologie de fabrication indiquée; c. Grand coût de développement provenant du mode de fonctionnement complexe; so d. Technique opératoire coûteuse et fastidieuse (plusieurs plans de masques, etc.); e. Impossibilité d'intégration dans des processus VLSI habituels; f. Défaut de stabilité vis-à-vis des fluctuations de technologie et s de transfert dans les lieux de production différents;
g. Grand besoin de surface ou de place dans des circuits VLSI.
La présente invention vise donc un procédé pour faire fonctionner un composant à semiconducteur qui peut être intégré d'une manière simple dans un processus VLSI pour obtenir une caractéristique de
o commutation en courant ou en tension.
On y parvient, suivant l'invention, par le fait que l'on fait fonctionner le composant à semiconducteur de manière réversible dans un domaine courant-tension, dans lequel il a, jusqu'à une valeur limite de courant correspondant à une valeur limite supérieure de tension, une première résistance différentielle et pour des valeurs de courant supérieures, une deuxième résistance différentielle qui est plus petite que la première
résistance différentielle.
Le procédé suivant l'invention, pour faire fonctionner le composant, en soi connu sous la forme d'une bande en un matériau o semiconducteur, se caractérise par la simplicité de la fabrication, du dimensionnement et par la possibilité d'intégration dans des technologies modernes CMOS, BICMOS et bipolaires pour le composant, ainsi que par sa surprenante linéarité dans les deux modes de fonctionnement ayant une grande et une petite résistances différentielles. Une caractéristique s remarquable du mode de fonctionnement d'un type nouveau est assurément la possibilité complète de régler les paramètres clés dans la technologie de fabrication, simplement par des mesures de configuration, en ayant ainsi la possibilité de mettre plusieurs composants de ce genre ayant des
caractéristiques différentes dans un produit très intégré.
o La piste résistante connue est. suivant l'invention, utilisée de manière réversible dans deux états de fonctionnement ayant des résistances différentielles différentes. C'est ainsi que l'on a, par exemple, un fonctionnement réversible impeccable en courant continu ou au moins en
fonctionnement puisé avec un rapport de cycle de typiquement 1 ms.
Pour de petites intensités de courant, la résistance prend une certaine valeur nominale et, lorsque le courant de seuil est dépassé ou lorsqu'une certaine tension de seuil est dépassée, le composant passe brusquement dans un état plus conducteur ayant une résistance différentielle
plus petite.
Les paramètres caractérisant cette résistance commutable sont les deux valeurs Rdjff' et Riff2 de résistance différentielle, la tension V limite, le courant l limite, ainsi que la limite supérieure du domaine de
fonctionnement réversible caractérisée par le courant Ik critique.
Eventuellement, le composant peut avoir encore jusqu'à une tension de seuil
Vh < V un domaine de blocage.
o L'utilisation suivant l'invention de la résistance en polysiliclum a, par rapport à l'état de la technique, les autres avantages suivants: a. Structure simple mise en _uvre possible aisée dans toutes les technologies; b. Parfaite adaptation des paramètres clés seulement par des s dispositions de configuration "Custom Design"; c. Structure interne simple nécessitant peu de coût de développement; d. Courte durée du procédé; e. Possibilité d'intégration sans solution de continuité dans des o processus habituels VLSI; f. Grande stabilité vis-à-vis de fluctuations de technologie et de transfert à des lieux de production différents en raison de la robuste structure interne; g. Petit besoin de surface dans des circuits VLSI en raison de la bon ne possi bil ité d'intég ration et de la possi bil ité relativement grand e de portée du courant par unité de surface (I'avantage par unité de surface va d'un
facteur de 2 à 10).
De préférence: - La piste a une résistance à couche qui est dans l'intervalle
compris entre 100 et 1000 Ohm par carré.
- La piste a une forme parallélépipédique d'une longueur 1, d'une largeur b et d'une hauteur h. - La piste est composée de plusieurs sous-pistes à dopages différents eVou à longueurs différentes, les sous-pistes étant combinées en série de manière à établir une valeur Vt limite de tension déterminée à l'avance.
- Les sous-pistes sont en alternance à dopage p et à dopage n.
- Le dopage en alternance ménage dans le trajet du courant des
seuils supplémentaires de flux de diodes.
- Le dopage en alternance ménage dans le trejet du courant des seuils supplémentaires de claquage de diodes. - La valeur V limite de tension est réglée suivant la relation V = R b (k/Rsq)/2' R étant la résistance ohmique, b la largeur, k une constante et
Rsq la résistance à couche de la piste.
- Le composant à semiconducteur est utilisé comme élément de
o protection contre les décharges électrostatiques.
- Le composant à semiconducteur est utilisé dans un montage à
haute fréquence en ayant une fonction double d'élément de protection visà-
vis des décharges électrostatiques et de résistance série.
- La piste est formée en polysilicium dopé par du matériau
semiconducteur.
Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés aux
dessins et sont décrits d'une manière plus précise dans la description
suivante. Aux dessins: la figure 1 est une représentation schématique d'une résistance o en polysiliclum sur un substrat pour expliquer un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 illustre le comportement de la résistance différentielle ou la caractéristique courant-tension de la piste de polysiliclum du premier mode de réalisation du procédé de fonctionnement suivant l'invention; s la figure 3 illustre une caractéristique courant-tension ayant deux résistances sélectionnées de mêmes valeurs nominales; la figure 4 représente 1'agencement d'une piste de polysiliclum pour expliciter un deuxième mode de réalisation du procédé de fonctionnement suivant l'invention; o la figure 5 représente un montage haute fréquence pour expliciter un domaine d'utilisation du procédé de mise en fonctionnement
suivant l'invention.
Aux figures, les mêmes signes de référence désignent des
constituants identiques ayant la même fonction.
La figure 1 représente schématiquement une résistance en polysilicium sur un substrat en vue d'expliquer un premier mode de réalisation s 2827706
de la présente invention.
A la figure 1, le signe de référence 1 désigne un substrat en une tranche de siliclum, sur lequel est déposée une couche 5 isolante par exemple en dioxyde de silicium. Sur la couche 5 isolante est prévue une piste parallélépipédique en polysiliclum d'une longueur 1, d'une largeur b et d'une hauteur h qui porte le signe de référence 10. La fabrication technologique d'une piste de 10 de polysilicium de ce genre est bien connue dans l'état de la technique. Comme exemple, on peut citer un dépôt CVD ensuite une structuration de polysilicium dopé. Dans une technologie connue, la hauteur h o de la piste résistante en polysilicium est par exemple de 0,15 m, la largeur b
est de l'ordre de quelques um et la longueur I de l'ordre quelques 10,um.
Par le degré de dopage, par exemple, par du bore, par de l'arsenic, par du phosphore ou autre, on peut régler la résistance à couche du polysilicium déposé et ainsi la résistance de la piste 10 en polysiliclum dans s un très grand domaine de valeur. En liaison avec le mode de réalisation décrit, on a effectué de nombreux essais dans le domaine de valeur allant de à 1000 Q/carré. Aux extrémités de la piste 10 en polysiliclum sont ménagés à la manière habituelle des contacts 11, 12 qui sont reliés à des lignes 13, 14 qui sont reliées à leur tour aux bornes d'une source 15 de
o courant que l'on peut commander.
Le comportement de la résistance différentielle ou la caractéristique courant/tension de la piste 10 en polysilicium, pour le premier mode de réalisation du procédé de mise en fonctionnement suivant l'invention,
est illustré à la figure 2.
En fonctionnement, on peut réaliser, par la source 15 de courant qui peut être commandée, un comportement réversible de la piste en polysiliclum qui présente jusqu'à une valeur l limite de courant correspondant à une valeur V limite supérieure de tension, une première résistance Rdjff' différentielle et pour des valeurs de courant supérieures, une deuxième résistance Rd'ff2 qui est plus petite que la première résistance Rdjff' différentielle. Comme on le voit nettement à la figure 2, ce comportement est analogue au comportement d'un DIAC connu. On observera notamment simplement que le courant peut être limité à une valeur Ik critique supérieure s de courant, au-dessus de laquelle il se produit des modifications irréversibles
du polysilicium par exemple par des canaux de fusion.
Des conditions d'effets typiques pour la source 15 de courant, qui peut être commandée et qui est représentée à la figure 1, sont des dimensions d'impuisions de l'ordre de 100 ns, en observant des durées de repos de la piste 10 en polysilicium, pour obtenir la résistance la plus grande à
s partir de la plus petite, de l'ordre de quelques millisecondes.
La commotation de la résistance sous la forme de la piste 10 en polysilicium peut être expliquée par le dépassement de la valeur l limite de courant, par le fait que cela entrane un envahissement de la résistance par des porteurs de charge par régénération thermique. Analytiquement, on peut décrire cette commutation par le fait qu'une certaine puissance VxT électrique est amenée dans un certain volume bxlxh de résistance, b, h et I
ayant les dimensions mentionnées ci-dessus de la piste 10 de polysiliclum.
Avec la définition lxbIt=k=constante et la définition de la résistance Rsq à couche par R=R sq W o on obtient la relation V = Rb: (1) La valeur V limite de tension peut être réglée par la largeur de la
résistance de polysilicium, par la résistance R. ainsi que par la résistivité.
Habituellement, R est prescrit par l'utilisation et la largeur b minimum de la s résistance est déterminée par les exigences d'électromigration eVou par
l'aptitude maximum à supporter du courant.
En combinant divers dopages de résistance du polysiliclum ou pour des résistances de diffusion (par exemple n+/n-/intrinsèque), on peut obtenir presque n'importe quelle résistance allant de quelques ohms jusque so dans le domaine du MQ avec une surface acceptable, la tension V limite
pouvant être réglée dans un domaine très large.
La figure 3 illustre une caractéristique courant-tension avec deux résistances sélectionnées de même valeur nominale. La courbe (1) représente le comportement pour un rapport b/l = 5/1, et la courbe (2) représente le comportement pour un rapport b/l = 25/5. On peut voir nettement que la tension V2 limite devient plus grande lorsque la largeur I augmente, donc V2 = 13,8, V est plus grand que V, = 4 V. s La figure 4 représente l'agencement d'une piste de polysilicium pour expliciter un deuxième mode de réalisation du procédé de
fonctionnement suivant l'invention.
Suivant ce deuxième mode de réalisation, la piste 10 en polysiliclum est composée de plusieurs sous-pistes 10a à 10d qui ont un o dopage différent eVou une longueur 11 à 14 différente, de sorte que l'on peut réaliser une valeur V limite de tension donnée à l'avance dans un grand domaine de valeur par un câblage série en conséquence. Un câblage de ce genre peut être obtenu par exemple par le principe de fuse ou par équilibrage
par laser ou par d'autres techniques habituelles.
s La figure 5 représente un montage à haute fréquence pour expliciter un domaine d'utilisation du procédé de mise en fonctionnement
suivant l'invention.
A la figure 5, 100, 200 désignent une première et deuxième lignes de tension d'alimentation. E1 à E6 sont des éléments de protection vis o àvis des décharges électrostatiques, par exemple des diodes de déclenchement qui sont prévues entre les deux lignes d'alimentation. A1, A2 sont un premier et un deuxième trajets haute fréquence d'injection d'un signal haute fréquence qui sont reliés aux n_uds K1 à K4 du cIrcuit qui forme à nouveau des n_uds médians pour les éléments E1, E2 et E3, E4 de
s protection vis-à-vis des décharges électrostatiques.
Au milieu du montage est prévu un étage différentiel désigné par DS qui a deux transistors T1, T2 d'entrée et un transistor T3 de sortie. Des détails plus précis de cet étage différentiel sont connus et ne seront pas explicités davantage dans le présent mémoire. Comme résistance série pour so l'étage DS différentiel sont prévues des résistances R1 et R2 de 50 Q. qui sont reliées aux transistors T1, T2 par les n_uds K2 et K3 du circuit. En
outre, les n_uds K2, K3 sont au même potentiel que les n_uds K1 et K2.
La difficulté particulière de la protection vis-à-vis des décharges électrostatiques d'un montage à haute fréquence de ce genre réside dans les s couches de capacité que l'on ne peut que peu tolérer, qui peuvent être appliquées pour la protection vis-à-vis des décharges électrostatiques. On n'a pas pu obtenir jusqu'ici dans bien des cas une protection efficace vis-à-vis des décharges électrostatiques. En utilisant, suivant l'invention, la piste 10 en polysiliclum comme résistance commutable, on peut surmonter les problèmes
que l'on a connus jusqu'ici.
s A cet effet, les résistance R1, R2 sont remplacées simplement par une piste de polysiliclum suivant l'invention, auxquelles on a donné des dimensions appropriées, les éléments E1 et E3 de protection vis-à-vis des décharges électrostatiq u es pouvant être omis. Com me on peut fa ire varier les paramètres de la largeur D, la résistance R de cette résistance o indépendamment l'un de l'autre, il est possible suivant la figure 4, pour un certain rapport b/l de donner à une résistance de 50 Q des dimensions, qui donnent une tension V2 limite appropriée, par exemple de quelques 100 V, ce
qui est approprié pour ce cas d'utilisation.
Par une configuration appropriée, on peut donc utiliser la piste 10 en polysilicium en tant que résistance R1 ou R2 et en même temps en tant
qu'élément E1 ou E3 de protection vis-à-vis d'une décharge électrostatique.
Cela donne une économie significative de surface et en outre de meilleures performances puisqu'une couche supplémentaire de capacité peut être évitée par des éléments E1, E2 supplémentaires de protection vis-à- vis de o décharges électrostatiques. Comme exemple concret, des dimensions d'une piste résistante en polysilicium dans un montage 50 haute fréquence suivant la figure 5, on peut indiquer une couche résistante de polysiliclum p+ de 310 Q/carré. Pour des raisons d'électromigration, b doit être supérieur à um. Par la relation (1) mentionnée ci-dessus, on trouve b = 20 um, ce qui satisfait à la condition d'éléctromigration et ce qui satisfait à une résistance à une décharge électrostatique d'environ 1 kV. Si l'on a besoin, en raison d'une électromigration ou d'une protection vis-à-vis d'une décharge électrostatique de largeur b plus grande, on peut agrandir la résistance à couche en en
modifiant le dopage.
o Bien que la présente invention ait été décrite ci-dessus au moyen d'exemples de réalisation préférés, elle n'y est pas limitée mais peut
être modifiée de bien des façons.
En particulier, la présente invention n'est pas limitée à du polysilicium ou à un certain type de dopage du polysiliclum. Les cas s d'utilisation mentionnés ne l'ont été qu'à titre d'exemple et peuvent être étendus à volonté à n'importe quel domaine d'utilisation o des résistances
commutables sont nécessaires.
La piste peut aussi avoir n'importe quelle autre géométrie.
D'autres domaines d'application typiques du procédé suivant l'invention sont: s a. Formation non linéaire d'impuisions rapides de courant, par exemple dans des dispositifs d'attaque de diodes lasers; b. Domaine d'application du DIAC, par exemple déclenchement de TRIAC et de thyristor, pour des applications courant intense/haute tension et puissance intelligente; o c. Evacuation sans destruction d'impuisions de courant de grande intensité, par exemple de décharges électrostatiques (éléments de protection vis-à-vis d'une décharge électrostatique), parafoudres; d. Circuits de protection de verrouillage; e. Applications dans le domaine des courants forts, la puissance
perdue devant être limitée pour de grandes intensités du courant.
Claims (11)
1. Procédé pour faire fonctionner un composant à semiconducteur comprenant: un substrat (1, 5); s une piste (10, 10a à 10d) conductrice qui est déposée sur le substrat (1,5); un premier et un deuxième contacts (11, 12, 11a à 11d, 12a à 12d) électriques qui sont reliés à la piste (10, 10a à 10d) conductrice en polysilicium de façon à ce que celle-ci forme une résistance électrique entre eux, caractérisé en ce que, on fait fonctionner le composant à semiconducteur de manière réversible dans un domaine courant-tension, dans lequel il a, jusqu'à une valeur (I) limite de courant correspondant à une valeur (V) limite supérieure de tension, une première résistance (Rdjff) différentielle et, pour des valeurs de courant supérieures, une deuxième résistance (Rdjff2) différentielle qui est
plus petite que la première résistance (Rdjff) différentielle.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la o piste (10, 10a à 10d) a une résistance à couche qui est dans l'intervalle
compris entre 100 et 1000 Ohm/carré.
3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la piste (10, 10a à 10d) a une forme parallélépipédique d'une longueur 1, d'une largeur b et d'une hauteur h.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la piste (10,10a à 10d) est composée de plusieurs sous-pistes (1 Oa à 1 Od) à dopages différents eVou à longueurs (11 à o 14) différentes, les sous-pistes (10a à 10d) étant combinées en série de
manière à établir une valeur (Vt) limite de tension déterminée à l'avance.
5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les
sous-pistes (10a à 10d) sont en alternance à dopage p et à dopage n.
6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dopage en alternance ménage dans le trajet du courant des seuils
supplémentaires de flux de diodes.
o -
7. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dopage en alternance ménage dans le trajet du courant des seuils
supplémentaires de claquage de diodes.
8. Procédé suivant l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé
en ce que l'on règle la valeur V limite de tension suivant la relation V = R b (k/Rsq)72, R étant la résistance oUmique, b la largeur, k une constante et Rsq la
résistance à couche de la piste (10, 10a à 1 Od).
9. Procédé suivant l'une des revendications précédentes,
o caractérisé en ce que le composant à semiconducteur est utilisé comme
élément de protection contre les décharges électrostatiques.
10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le composant à semiconducteur est utilisé dans un montage (50) à haute fréquence en ayant une fonction double d'éléments de protection vis-à-vis des
décharges électrostatiques et de résistance série.
11. Procédé suivant l'une des revendications prédédentes,
caractérisé en ce que la piste (10, 10a à 10d) est formée en polysilicium dopé
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