FR2963983A1 - Composant de protection bidirectionnel dissymetrique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un composant de protection bidirectionnel dissymétrique formé dans un substrat semiconducteur (31) d'un premier type de conductivité, comprenant : une première zone (32) implantée du premier type de conductivité ; une première couche épitaxiée (33a) du deuxième type de conductivité sur le substrat et la première zone implantée ; une seconde couche épitaxiée (33b) du deuxième type de conductivité sur la première couche épitaxiée (33a) la seconde couche ayant un niveau de dopage distinct de celui de la première couche ; une deuxième zone (34) du premier type de conductivité sur la face extérieure de la couche épitaxiée, en regard de la première zone (32) ; une première métallisation (36) recouvrant toute la face inférieure du substrat ; et une deuxième métallisation (35) recouvrant la deuxième zone.

Description

B10455 - 10-T0-199 1 COMPOSANT DE PROTECTION BIDIRECTIONNEL DISSYMÉTRIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne un composant vertical bidirectionnel dissymétrique de protection contre des surtensions. Elle concerne plus particulièrement un composant de protection constitué de trois couches semiconductrices de types de conductivité alternés (pour simplifier la description, on mentionnera uniquement ci-après des structures PNP mais des structures NPN sont bien entendu également possibles). Exposé de l'art antérieur Les composants de protection bidirectionnels de type à trois couches semiconductrices de types de conductivité alter-nées sont bien connus. Dans ce type de composant, il faut veiller à ce que le gain du transistor constitué par les couches PNP soit trop faible pour que ce transistor puisse se déclen- cher, c'est-à-dire que ce composant se comporte simplement comme deux diodes de polarités opposées en série. Diverses structures ont été proposées pour réaliser une diode de protection bidirectionnelle à trois couches semi-conductrices de polarités alternées.
La figure 1 représente un premier exemple de réalisation d'un composant de protection bidirectionnel. Ce composant est constitué à partir d'un substrat semiconducteur 1 de type N.
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2 De chaque côté du substrat sont formées, généralement par implantation/diffusion, des zones 2 et 3 en regard fortement dopées de type P, respectivement en contact avec des métallisations 4 et 5. Les périphéries supérieure et inférieure (ou de face avant et de face arrière) du composant sont revêtues d'une couche isolante, couramment de l'oxyde de silicium, respective-ment 6 et 7. Le composant de protection bidirectionnel représenté en figure 1 est fortement simplifié. En pratique, il comprendra diverses zones destinées à améliorer sa tenue en tension et en périphérie, par exemple des régions d'arrêt de canal fortement dopées de type N, du côté supérieur et du côté inférieur. De façon classique, pendant sa fabrication, ce composant constitue un élément d'une tranche semiconductrice qui est ensuite découpée selon ce qui est représenté en figure 1. Le composant de protection bidirectionnel illustré en figure 1 est particulièrement performant. Selon la tension de protection souhaitée, le substrat 1 de type N sera plus ou moins dopé et on peut ainsi obtenir des tensions de protection symé- triques de 6,8 à 220 volts. De plus, étant donné que le composant est formé à partir d'un substrat de silicium 1 relativement épais, par exemple 200 à 300 }gym, le transistor PNP parasite aura un gain particulièrement faible et ne risque pas de se déclencher, mais au prix d'une résistance série non négligeable.
Toutefois, ce composant présente un inconvénient en ce qui concerne son montage. En effet, on ne peut souder la face inférieure du composant sur une embase conductrice plane car alors, des remontées de soudure risqueraient de court-circuiter la métallisation 5 et le substrat 1. Il faut donc prévoir une embase comportant un piédestal ayant sensiblement la surface de la métallisation 5, pour éviter tout débordement de soudure vers le substrat 1. Une telle disposition est incompatible avec l'assemblage des micro-boîtiers modernes.
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3 On a donc cherché à réaliser des composants de protection bidirectionnels montables sur des embases conductrices planes. La figure 2 représente un exemple d'une structure adaptée à un tel montage, couramment appelée structure à caisson. Le composant de la figure 2 est constitué à partir d'une tranche de silicium 11 fortement dopée de type P (P+) sur laquelle est formée par épitaxie une couche 12 de type N, d'une épaisseur de l'ordre de 10 à 30 }gym. Une zone centrale de la couche 12 d'une puce est recouverte d'une région 13 fortement dopée de type P. La périphérie de la couche épitaxiée d'une puce est entourée d'un mur périphérique 14 de type P. La zone P 13 est revêtue d'une métallisation 16 et la face inférieure du substrat est revêtue d'une métallisation 17. Une couche isolante 18, par exemple en oxyde de silicium recouvre la périphérie supérieure de la puce. La structure de la figure 2 résout bien le problème de la soudure de la puce sur une plaque conductrice plane. En effet, même s'il se produit un débordement de soudure, étant donné que toute la périphérie de la puce est de type P, il ne risque pas de se produire de court-circuit. Les structures des figures 1 et 2 présentent des tensions de claquage sensiblement symétriques dans les deux polarités d'utilisation, puisque les deux jonctions utiles sont formées à partir de la même couche N faiblement dopée. Tout au plus une faible dissymétrie peut être provoquée (au maximum de l'ordre de 8V) en jouant sur les profils de dopage de la jonction entre la couche ou le substrat de type N et les régions de type P.
Pour mémoire, on mentionnera également la demande de brevet français non publiée de la demanderesse déposée sous le numéro 10/53680 du 11 mai 2010, qui vise à réaliser un composant de protection bidirectionnel parfaitement symétrique. Ainsi l'art antérieur décrit essentiellement des 35 composants de protection bidirectionnels aussi symétriques que B10455 - 10-T0-199
4 possible. Pour l'obtention de protections bidirectionnelles dissymétriques, on avait généralement recours à la connexion en série de deux diodes discrètes de polarités opposées. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un composant de protection bidirectionnel monolithique et dissymétrique c'est-à-dire qui présente deux tensions de claquage distinctes pour les deux polarités d'utilisation.
On recherche en outre à prévoir un tel composant : qui permette d'obtenir une large plage de tensions de protection, et éventuellement des tensions de protection très différentes pour les deux polarités ; qui soit montable par soudure en micro-boîtier, c'est-à-dire sur une plaque conductrice plane ; et/ou dont les tensions de protection soient déterminables avec précision. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu un composant de protection bidirectionnel dissymétrique formé dans un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité, comprenant une première zone implantée du premier type de conductivité ; une première couche épitaxiée du deuxième type de conductivité sur le substrat et la première zone implantée ; une seconde couche épitaxiée du deuxième type de conductivité sur la première couche épitaxiée, la seconde couche ayant un niveau de dopage distinct de celui de la première couche ; une deuxième zone du premier type de conductivité sur la face extérieure de la couche épitaxiée, en regard de la première zone ; une première métallisation recouvrant toute la face inférieure du substrat ; et une deuxième métallisation recouvrant la deuxième zone. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'extérieur des première et deuxième zones, une tranchée isolée traverse les première et seconde couches épitaxiées.
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Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tranchée est formée au travers d'un anneau fortement dopé du deuxième type de conductivité, servant d'arrêt de canal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 au moins une des couches épitaxiées est soumise à une opération de réduction de la durée de vie des porteurs minoritaires, par exemple par irradiation électronique ou neutronique ou implantation d'ions lourds tels que du platine ou de l'or. 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 sont des vues en coupe schématiques de composants de protection bidirectionnels classiques ; la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un composant de protection bidirectionnel dissymétrique et mono-lithique selon un mode de réalisation ; les figures 4A, 5A et 6A détaillent des vues en coupe 20 de la partie supérieure gauche de la figure 3, pour des exemples de réalisation particuliers ; et les figures 4B, 5B et 6B sont des courbes illustrant les dopages et les épaisseurs des différentes couches utilisées dans les structures des figures 4A, 5A, et 6A, respectivement. 25 Comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses vues en coupe de composant ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un 30 composant de protection bidirectionnel dissymétrique et monoli- thique. Ce composant de protection bidirectionnel est constitué à partir d'un substrat 31 fortement dopé du premier type de conductivité, qui sera considéré ci-après à titre d'exemple comme étant le type P. Sur la face supérieure, ou face avant, du 35 substrat est formée par implantation une zone 32 fortement dopée B10455 - 10-T0-199
6 de type P, sensiblement au centre de la puce. Sur cette structure est formée une première couche épitaxiée 33a dopée de type N. Sur la face avant de la couche 33a est formée une seconde couche épitaxiée 33b de type N, de niveau de dopage distinct de celui de la couche 33a. Sur la face avant de la couche épitaxiée 33b est formée par implantation une zone 34 fortement dopée de type P, en regard de la zone 32. Les couches de type N 33a et 33b sont respectivement moins dopées que les régions de type P 32 et 34.
La zone 34 est recouverte d'une métallisation 35 et toute la face arrière du substrat est recouverte d'une métallisation 36. Généralement, un isolant 37 est déposé sur la face avant préalablement à la métallisation 35 avec une ouverture en regard de la zone 32.
Dans l'exemple représenté, l'isolement latéral de la structure comprend une tranchée périphérique 38 réalisée à l'extérieur des zones 32, 34. Cette tranchée traverse les couches 33a et 33b et pénètre dans le substrat 31, dont au moins les parois et le fond sont revêtus d'un isolant 37. De façon classique, les parois et le fond sont revêtus d'oxyde de silicium et la tranchée est remplie de silicium polycristallin. Pour de fortes tensions de protection, supérieures à 100 V, les tranchées sont de préférence creusées dans un anneau périphérique 39 fortement dopé de type N (anneau d'arrêt de canal).
En outre, si nécessaire, on pourra réduire le gain du transistor parasite. Pour cela, on pourra procéder à une opération de réduction de la durée de vie des porteurs minoritaires dans la base du transistor, par exemple par irradiation électronique ou neutronique ou implantation d'ions lourds tels que du platine ou de l'or. Ainsi, les deux tensions de claquage de la structure sont définies respectivement par la jonction entre la zone P+ 32 et la couche épitaxiée 33a et par la jonction entre la zone P+ 34 et la couche épitaxiée 33b. Si les zones P+ sont suffisamment dopées, ces tensions de claquage dépendront pour l'essentiel des B10455 - 10-T0-199
7 niveaux de dopage respectifs des couches épitaxiées 33a et 33b. On pourra donc, en choisissant les niveaux de dopage des couches épitaxiées, déterminer avec précision et de façon répétitive les tensions de claquage (tension de protection de la structure).
Selon un avantage du mode de réalisation particulier décrit en relation avec la figure 3, on peut s'affranchir d'autres paramètres susceptibles d'influer sur les valeurs de ces tensions de claquage. En particulier, les zones P+ 32 et 34 peuvent résulter d'implantations identiques et présenter après recuit le même profil de dopage. Ainsi, les caractéristiques de ces zones 32 et 34 influeront peu sur les tensions de claquage. De même, ces zones P+ ont, en vue de dessus, la même forme géométrique et n'introduiront donc pas de distorsion spécifique aux valeurs de tension de claquage recherchées. Enfin, la tranchée périphérique présente un caractère symétrique, à savoir qu'elle se trouve toujours à la même distance des limites des zones P. Elle n'influe donc pas sur la répartition des lignes de champ et n'affecte pas les valeurs de tension de claquage choisies. Par ailleurs, on notera bien que la structure décrite permet bien d'atteindre tous les objectifs recherchés : - il est possible d'obtenir une large plage de tensions de protection et des tensions de protection éventuellement très différentes en sélectionnant convenablement les niveaux de dopage des couches épitaxiées ; - la structure est montable par soudure en micro-boîtier puis-que sa face arrière est constituée d'une unique métallisation plane ; et - comme on vient de l'indiquer, les tensions de protection dépendent essentiellement du choix des dopages des couches épitaxiées ; de tels choix de dopage peuvent être obtenus de façon répétitive et dépendront peu du procédé de fabrication. En pratique, on pourra utiliser un substrat P 31 dopé à une concentration de 1018 à 2.1019 atomes/cm3. L'implantation de la couche 32 peut être réalisée pour obtenir une concentra- tion maximale de 3.1019 à 1020 atomes/cm3, supérieure à celle du B10455 - 10-T0-199
8 substrat. Le dopage des couches épitaxiées 33a et 33b peut varier dans la plage de 1015 à 1018 atomes/cm3 selon les tensions de claquage recherchées. L'épaisseur de ces couches épitaxiées, avant diffusion des régions P, est de l'ordre de 10 à 50 }gym. L'implantation destinée à former la couche 34 peut être réalisée pour obtenir le même profil de dopage que celui de la couche 32. Après recuit, les régions P+ 32 et 34 s'étendent de 2 à 10 }gym dans les couches épitaxiées. Chacune des figures 4A, 5A et 6A illustre, en détail, la partie supérieure gauche du composant de la figure 3, dans un exemple de réalisation particulier, une fois les recuits usuels effectués. Pour chacun de ces exemples, le profil de dopage des différentes couches en fonction de l'épaisseur est détaillé, respectivement en figures 4B, 5B et 6B, le substrat étant à droite c'est-à-dire vers les grandes épaisseurs. Exemple de réalisation des figures 4A et 4B: Le substrat P 31 est un substrat de silicium dopé à une concentration de l'ordre de 2.1019 atomes/cm3. La zone 32 comporte un pic central de dopage à 1020 atomes/cm3 à 20 }gym de la surface avant du composant et s'étend sur une épaisseur de 5 }gym. La couche 33a d'une épaisseur de 8 }gym est dopée uniformément à 6.1017 atomes/cm3. La couche 33b d'une épaisseur de 7 }gym est dopée uniformément à 1017 atomes/cm3. La zone 34 comporte un pic de dopage à 1020 atomes/cm3 à moins de 1 }gym de la surface avant et s'étend sur une épaisseur de 3 }gym. La tension de claquage de la jonction 32/33a est alors de 11 V, alors que la tension de claquage de la jonction 34/33b est de 20 V. Exemple de réalisation des figures 5A et 5B: Le substrat P 31 est un substrat de silicium dopé à une concentration de l'ordre de 2.1019 atomes/cm3. La zone 32 comporte un pic de dopage, légèrement décentré vers le substrat, à 4.1019 atomes/cm3 à 20 }gym de la surface avant du composant et s'étend sur une épaisseur de 6 }gym. La couche 33a d'une épaisseur de 4 }gym est dopée uniformément à 5.1016 atomes/cm3. La couche B10455 - 10-T0-199
9 33b d'une épaisseur de 4,5 }gym est dopée uniformément à 6.1017 atomes/cm3. La zone 34 comporte un pic de dopage à 3.1019 atomes/cm3 à moins de 1 }gym de la surface avant et s'étend sur une épaisseur de 3,3 }gym.
La tension de claquage de la jonction 32/33a est alors de 32 V, alors que la tension de claquage de la jonction 34/33b est de 16 V. Exemple de réalisation des figures 6A et 6B: Le substrat P 31 est un substrat de silicium dopé à une concentration de l'ordre de 2.1019 atomes/cm3. La zone 32 comporte un pic de dopage, légèrement décentré vers le substrat, à 4.1019 atomes/cm3 à 30 }gym de la surface avant du composant et s'étend sur une épaisseur de 12 }gym. La couche 33a d'une épaisseur de 11.5 }gym est dopée uniformément à 6.1017 atomes/cm3.
La couche 33b d'une épaisseur de 4,4 }gym est dopée uniformément à 5.1015 atomes/cm3. La zone 34 comporte un pic de dopage à 3.1019 atomes/cm3 à moins de 1 }gym de la surface avant et s'étend sur une épaisseur de 8,8 }gym. La tension de claquage de la jonction 32/33a est alors 20 de 15 V, alors que la tension de claquage de la jonction 34/33b est de 88 V. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes en ce qui concerne les isolants utilisés, les métallisations, les dimensions et les niveaux de dopage qui 25 seront choisis par l'homme de l'art en fonction des performances désirées du composant.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS1. Composant de protection bidirectionnel dissymétrique formé dans un substrat semiconducteur (31) d'un premier type de conductivité, comprenant : une première zone (32) implantée du premier type de 5 conductivité ; une première couche épitaxiée (33a) du deuxième type de conductivité sur le substrat et la première zone implantée ; une seconde couche épitaxiée (33b) du deuxième type de conductivité sur la première couche épitaxiée (33a), la seconde 10 couche ayant un niveau de dopage distinct de celui de la première couche ; une deuxième zone (34) du premier type de conductivité sur la face extérieure de la couche épitaxiée, en regard de la première zone (32) ; 15 une première métallisation (36) recouvrant toute la face inférieure du substrat ; et une deuxième métallisation (35) recouvrant la deuxième zone.
  2. 2. Composant de protection bidirectionnel dissymé- 20 trique selon la revendication 1, dans lequel, à l'extérieur des première et deuxième zones, une tranchée isolée (38) traverse les première et seconde couches épitaxiées (33a, 33b).
  3. 3. Composant de protection bidirectionnel dissymétrique selon la revendication 2, dans lequel la tranchée est 25 formée au travers d'un anneau (39) fortement dopé du deuxième type de conductivité, servant d'arrêt de canal.
  4. 4. Composant de protection bidirectionnel dissymétrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins une des couches épitaxiées (33a, 33b) est 30 soumise à une opération de réduction de la durée de vie des porteurs minoritaires, par exemple par irradiation électronique ou neutronique ou implantation d'ions lourds tels que du platine ou de l'or.
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