FR2914497A1 - Structure de composants haute frequence a faibles capacites parasites - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une structure comprenant au moins deux composants voisins (D1, D2), susceptibles de fonctionner à des hautes fréquences, formés dans un substrat mince de silicium s'étendant sur un support de silicium (5) et séparé de celui-ci par une couche isolante (7), les composants (D1, D2) étant séparés latéralement par des régions isolantes (11). Le support de silicium (5) a, au moins au voisinage de sa partie en contact avec la couche isolante (7), une résistivité supérieure ou égale à 1000 ohms.cm.

Description

B7767 - 06-T0-294 1 STRUCTURE DE COMPOSANTS HAUTE FRÉQUENCE À FAIBLES
CAPACITÉS PARASITES Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale une structure comprenant des composants haute fréquence, par exemple une structure de protection.
Exposé de l'art antérieur De façon générale, les composants électroniques sont formés ou bien dans une plaquette semiconductrice de substrat massif, ou bien dans une couche semiconductrice sur isolant (SOI, acronyme pour Silicon On Insulator - silicium sur isolant).
La figure 1 représente la partie supérieure d'un substrat massif 1 dopé d'un premier type de conductivité, par exemple P, dans laquelle sont formées plusieurs caissons 3 dopés d'un second type de conductivité, par exemple N. Des composants électroniques haute fréquence peuvent alors être formés dans ces caissons 3. L'isolation entre chaque caisson 3 résulte d'une polarisation appropriée des jonctions PN entre caissons 3 et substrat 1. Les capacités entre un caisson 3 et le substrat 1 et entre deux caissons 3 voisins sont souvent non négligeables devant les capacités propres des composants formés dans les B7767 - 06-T0-294
2 caissons 3 et ceci pose problème, notamment dans le domaine des composants haute fréquence. La figure 2 représente un exemple de structure de type SOI. Cette structure comprend, sur un support semiconducteur 5, une couche mince d'un substrat semiconducteur avec interposition d'une couche d'oxyde de silicium 7. Des caissons semiconducteurs 9, dans lesquels sont formés des composants électroniques, sont formés côte à côte dans le substrat. L'espace libre entre les caissons est occupé par un isolant, par exemple de l'oxyde de silicium 11. L'oxyde de silicium de la couche 7, quant à lui, permet l'isolation des composants électroniques dans la direction verticale. Cette structure a l'avantage, par rapport à la structure de la figure 1, de réduire les valeurs des capacités parasites entre les composants voisins. Toutefois, ces capacités ne sont pas négligeables dans certains cas, notamment en haute fréquence. Résumé de l'invention La présente invention a pour but de proposer une structure comprenant plusieurs composants électroniques fonc- tionnant à haute fréquence isolés entre eux, dans laquelle les capacités parasites entre les composants sont réduites. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu une structure comprenant au moins deux composants voisins, susceptibles de fonctionner à des hautes fréquences, formés dans un substrat mince de silicium s'étendant sur un support de silicium et séparé de celui-ci par une couche isolante, les composants étant séparés latéralement par des régions isolantes, caractérisée en ce que le support de silicium a, au moins au voisinage de sa partie en contact avec la couche isolante, une résistivité supérieure ou égale à 1000 ohms.cm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des atomes choisis dans le groupe comprenant l'hélium et l'oxygène sont implantés en surface du support de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le support de silicium comprend, au voisinage de la couche B7767 - 06-T0-294
3 isolante, des îlots fortement dopés d'un second type de conductivité, la distance entre les îlots étant inférieure à deux fois l'étendue de la zone de charge d'espace que crée la jonction avec le support de silicium.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les composants sont deux diodes de protection d'une ligne, la première diode ayant son anode reliée à la masse et sa cathode reliée à la ligne à protéger et la seconde diode ayant sa cathode reliée à une tension d'alimentation et son anode reliée à la ligne à protéger. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque diode comprend un caisson de silicium d'un premier type de conductivité dont le fond et les parois latérales sont bordés d'une zone du premier type de conductivité à fort niveau de dopage et dans la surface duquel est formée une région du second type de conductivité. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures 1 et 2, décrites précédemment, sont des vues en coupe illustrant deux modes de formation connus de composants électroniques ; la figure 3 est une vue de coupe d'une structure comprenant deux diodes selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 4 est un schéma électrique équivalent de la structure de la figure 3 ; la figure 5 illustre les capacités parasites présentes dans la structure de la figure 3 ; la figure 6 est un schéma électrique équivalent de la structure de la figure 5 ; et la figure 7 illustre une structure selon une variante 35 de réalisation de la présente invention.
B7767 - 06-T0-294
4 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des composants semiconducteurs, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 3 représente deux diodes Dl et D2 adjacentes de protection contre des surtensions. Ces diodes sont placées côte à côte et sont formées sur une structure de type SOI comprenant un substrat semiconducteur mince formé sur une couche isolante 7, elle-même formée sur un support semiconducteur 5. Les diodes Dl et D2, identiques, sont isolées latéralement par des régions isolantes 11, par exemple en oxyde de silicium. Chaque diode comprend un caisson 13 dopé de type N, dans lequel est formée une région 15 dopée de type P. Le caisson est entouré (fond, parois latérales et une partie de sa surface supérieure) d'une région fortement dopée 17 de type N. Des contacts d'anode 21 et de cathode 22 sont formés sur la région 15 et sur la région 17 en contact avec le caisson 13. L'anode 21 de la diode Dl est reliée à la masse. La cathode 22 de la diode D2 est reliée à une source de tension Vcc. La cathode 22 de la diode Dl et l'anode 21 de la diode D2 sont reliées à une ligne I/O à protéger. La figure 4 représente le circuit équivalent de la structure représentée en figure 3. Ce circuit comprend la diode Dl ayant son anode liée à la masse et sa cathode liée à une ligne I/O à protéger, et la diode D2 ayant sa cathode liée à la source de tension Vcc et son anode liée à la ligne I/O. Comme cela a été décrit précédemment, les composants Dl et D2 sont isolés entre eux par la couche isolante 7 et par les régions isolantes 11. Or, cette isolation n'est pas parfaite, et des capacités parasites existent toujours entre les divers composants, capacités qui doivent être minimisées pour un fonctionnement à haute fréquence. La figure 5 représente une modélisation des dif-35 férentes capacités de la structure de la figure 3. La capacité B7767 -06-TO-294
parasite créée horizontalement entre les deux caissons 13 est appelée Cl. Les capacités parasites formées verticalement entre les caissons 13 et le support 5 sont appelées C2 et C2'. L'impédance du support 5 entre les zones sous-jacentes aux 5 composants Dl et D2 est composée d'une résistance Rs en parallèle avec un condensateur Cs. La figure 6 illustre la façon dont sont associées les diverses capacités à haute fréquence, auquel cas on peut considérer que les bornes Vcc et de masse sont reliées. Cette figure concerne le cas où les diodes sont bloquées. Les capa-cités des diodes sont désignées par CD1 et CD2 respectivement. Les capacités CD1, Cl et CD2 sont en parallèle, l'ensemble étant en parallèle avec le montage en série des capacités C2 et C2' et de l'impédance (Cs//Rs) du support 5.
La demanderesse a effectué une analyse du fonctionnement du circuit à 1 MHz. Cette analyse est résumée par le tableau 1 ci-après. Ce tableau indique les valeurs des diverses capacités pour diverses valeurs de résistivité du matériau du support 5. Les valeurs des capacités sont données en unités arbitraires en posant que, pour un substrat relativement conducteur d'une résistivité inférieure à 1 ohm.cm, l'ensemble des capacités des deux diodes Dl et D2 et des éléments parasites associés amène la capacité sur la borne I/O (voir figure 6) à une valeur de 1.
Tableau 1 1 ohm.cm 10 ohm.cm 1000 ohm.cm 5000 ohm.cm D1//D2 0,64 0,64 0,64 0,64 Cl 0, 08 0, 08 0, 08 0, 08 D1//D2//C1 0, 72 0, 72 0, 72 0, 72 C2 + C2' 0,28 0,28 0,28 0,28 Cs Elevée Elevée 0,8 0,37 C2 + C2'+Cs 0, 28 0,28 0,21 0,16 Capa totale 1 1 0,93 0,88 B7767 - 06-T0-294
6 On considère que les diodes Dl et D2 ont chacune une capacité de 0,32 et que la capacité Cl des murs d'oxyde est de 0,08, ce qui amène la valeur en parallèle des capacités des diodes Dl, D2 et Cl à 0,72. Les capacités C2 et C2' correspon- dant à l'oxyde 7 de la structure SOI ont en série une valeur égale à 0,28. Toutes les capacités susmentionnées ont des valeurs constantes, indépendantes de la résistance du support 5. Par contre, la capacité équivalente Cs de l'impédance du support 5 dépend de la résistivité de ce support. Ainsi, on voit que pour une fréquence d'environ 1 MHz, la contribution de l'impédance du support 5 passe de 0, 28 à 0,16 quand la résistivité du support 5 passe de 1 à 5000 ohms.cm. Cette différence n'est pas très importante et c'est peut-être pour cette raison que les études effectuées dans l'art antérieur pour améliorer l'influence des capacités parasites n'ont pas abouti. La demanderesse a fait la même étude dans le cadre du même circuit fonctionnant à une fréquence de 1 GHz. Les résultats de cette étude sont fournis dans le tableau 2 ci-après. Tableau 2 1 ohm.cm 10 ohm.cm 1000 ohm.cm 5000 ohm.cm D1//D2 0,64 0,64 0, 64 0,64 CI 0, 08 0, 08 0, 08 0, 08 DI//D2//CI 0, 72 0, 72 0, 72 0, 72 C2 + C2' 0,28 0,28 0,28 0,28 Cs Elevée 1,6 0,01 0,01 C2 + C2'+Cs 0,28 0,24 0, 01 0,01 Capa totale 1 0,96 0,73 0,73 On voit que pour la plupart de ses lignes, ce tableau 2 correspond au tableau 1. Notamment, les capacités des diodes Dl et D2, la capacité Cl et les capacités C2 et C2' ne varient pratiquement pas avec la fréquence. Par contre, la capacité équivalente Cs du substrat dépend beaucoup de la fréquence. 25 Alors qu'elle était relativement élevée à une fréquence de 1 MHz, quand on fonctionne à des fréquences voisines de 1 GHz, B7767 - 06-T0-294
7 sa valeur diminue considérablement quand la résistivité du substrat augmente. Ainsi, comme le montre le tableau, dès que la résistivité du substrat dépasse 1000 ohms.cm, la contribution de l'ensemble des capacités C2, Cs et C2' devient négligeable : la capacité totale passe de 0,72 dans le cas où le substrat aurait été parfaitement isolant à 0,73 dès que le substrat atteint une résistivité supérieure à 1000 ohms.cm, c'est-à-dire que l'influence du substrat devient négligeable. On notera par contre que ceci ne pouvait pas être observé à des fréquences de l'ordre du mégahertz. Ainsi, la présente invention prévoit d'utiliser un substrat de résistivité égale ou supérieure à 1000 ohms.cm pour minimiser la capacité inter-composants d'un circuit haute fréquence destiné à fonctionner à des valeurs de l'ordre du gigahertz ou plus. Par ailleurs, la présente invention propose plusieurs façons d'obtenir un substrat très résistif. La première façon, consiste bien entendu à utiliser directement un substrat de silicium très résistif, de résistivité égale ou supérieure à 1000 ohms.cm. Mais une résistivité de 1000 ohms.cm représente un dopage d'environ 5.1012 atomes/cm3 ce qui est très faible et il parait difficile industriellement d'aller au-delà. Si on veut atteindre des performances, en particulier dans le domaine du MHz, correspondant à des valeurs de résis- tivité encore plus élevées, selon une première variante de la présente invention, on propose d'implanter dans la surface du substrat des atomes d'oxygène ou d'hélium. La zone implantée peut par exemple avoir une profondeur de l'ordre du micromètre ou de quelques micromètres.
Une autre manière d'obtenir cette augmentation de performances essentiellement à 1 MHz sans avoir recours à une augmentation supplémentaire de résistivité du substrat est illustrée en figure 7. On forme dans la partie supérieure du substrat des îlots 23 fortement dopés du type de conductivité opposé à celui du substrat, par exemple des îlots N+ dans un B7767 - 06-T0-294
8 substrat P. Il en résulte la création d'une zone déserte 25 exempte de tout porteur, qui peut être considérée comme équivalente à un isolant. Dans le cas d'un substrat d'un niveau de dopage de l'ordre de 5.1012 atomes/cm3, l'étendue de la zone déserte est de l'ordre de 10 à 15 pm. On obtient donc ainsi une structure dont la partie supérieure est fortement isolante ce qui permet d'améliorer les performances affichées dans le tableau 1, d'atteindre les avantages exposés précédemment en relation avec le tableau 2.
Avec les procédés indiqués ci-dessus, ou un autre, on notera que la fréquence pour laquelle on obtient une réduction de la capacité parasite est réduite. Ainsi, on peut atteindre des valeurs de capacités parasites faibles, telles qu'indiquées dans la colonne de droite du tableau 2, à des fréquences net- terrent inférieures à 1 GHz. L'invention peut alors utilement être appliquée à des dispositifs fonctionnant, par exemple, à des fréquences de l'ordre du mégahertz. La présente invention a été décrite dans le cadre de l'association de deux diodes de protection pour des circuits haute fréquence. On comprendra que l'invention peut trouver d'autres applications et s'applique de façon générale dans le domaine des hautes fréquences quand on veut que les capacités parasites entre deux composants soient aussi négligeables que possible.

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Structure comprenant au moins deux composants voisins (Dl, D2), susceptibles de fonctionner à des hautes fréquences, formés dans un substrat mince de silicium s'étendant sur un support de silicium (5) et séparé de celui-ci par une couche isolante (7), les composants (Dl, D2) étant séparés latéralement par des régions isolantes (11), caractérisée en ce que le support de silicium (5) a, au moins au voisinage de sa partie en contact avec la couche isolante (7), une résistivité supérieure ou égale à 1000 ohms.cm.
2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle des atomes choisis dans le groupe comprenant l'hélium et l'oxygène sont implantés en surface du support de silicium.
3. Structure selon la revendication 1, dans laquelle le support de silicium comprend, au voisinage de la couche isolante (7), des îlots (23) fortement dopés d'un second type de conductivité, la distance entre les îlots (23) étant inférieure à deux fois l'étendue de la zone de charge d'espace (25) que crée la jonction avec le support de silicium (5).
4. Structure selon la revendication 1, dans laquelle les composants sont deux diodes (Dl, D2) de protection d'une ligne, la première diode (Dl) ayant son anode reliée à la masse et sa cathode reliée à la ligne à protéger et la seconde diode (D2) ayant sa cathode reliée à une tension d'alimentation et son anode reliée à la ligne à protéger.
5. Structure selon la revendication 4, dans laquelle chaque diode (Dl, D2) comprend un caisson de silicium (13) d'un premier type de conductivité dont le fond et les parois latérales sont bordés d'une zone (17) du premier type de conductivité à fort niveau de dopage et dans la surface duquel est formée une région (15) du second type de conductivité.
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