FR3079347A1 - Protection contre les decharges electrostatiques et filtrage - Google Patents

Protection contre les decharges electrostatiques et filtrage Download PDF

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Abstract

L'invention concerne Composant électronique comprenant : des première (362) et deuxième (342) régions semiconductrices disjointes ; et une troisième région semiconductrice (510) disposée sous et entre les première et deuxième régions, les première et troisième régions définissant des électrodes d'une première diode (360), les deuxième et troisième régions définissant des électrodes d'une deuxième diode (340), la première diode étant à avalanche.

Description

PROTECTION CONTRE LES DECHARGES ELECTROSTATIQUES ET FILTRAGE
Domaine
La présente demande concerne de façon générale le domaine des circuits électroniques, et plus particulièrement un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques. Exposé de l'art antérieur
Certains circuits électroniques, tels que des circuits intégrés, doivent être protégés contre des décharges électrostatiques. De telles décharges électrostatiques risquent d'atteindre les bornes du circuit, et sont susceptibles d'endommager le circuit.
Par ailleurs, on souhaite protéger le circuit contre des perturbations électromagnétiques qui pourraient atteindre le circuit et affecter son fonctionnement, voire l'endommager. Résumé
On prévoit donc un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques et de filtrage de perturbations électromagnétiques.
Un mode de réalisation prévoit de pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs de protection et/ou de filtrage connus.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un composant électronique comprenant des première et deuxième régions
B16692 - 16-TO-0768 semi conductrices disjointes ; et une troisième région semiconductrice disposée sous et entre les première et deuxième régions, les première et troisième régions définissant des électrodes d'une première diode, les deuxième et troisième régions définissant des électrodes d'une deuxième diode, la première diode étant à avalanche.
Selon un mode de réalisation, la troisième région a un niveau de dopage plus faible que les première et deuxième régions.
Selon un mode de réalisation, la troisième région est située sur une couche électriquement isolante.
Selon un mode de réalisation, la couche électriquement isolante recouvre un support de résistivité électrique supérieure à 1500 Q.cm.
Selon un mode de réalisation, le support est une tranche semiconductrice.
Selon un mode de réalisation, le composant comprend en outre une troisième diode connectée en parallèle des première et deuxième diodes.
Selon un mode de réalisation, la troisième diode comprend : des première et deuxième zones semiconductrices disjointes ; et, une troisième zone semiconductrice située sous et entre les première et deuxième zones, les première et deuxième zones définissant des électrodes de la troisième diode, les première et deuxième zones étant plus fortement dopées que la troisième zone.
Selon un mode de réalisation, le composant comprend, sous la première région, une région supplémentaire de même type de conductivité que la troisième région et plus fortement dopée que la troisième région.
Selon un mode de réalisation, une quatrième région située au-dessus de la troisième région définit une électrode d'une diode de Schockley dont une autre électrode est définie par la deuxième région.
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Selon un mode de réalisation, la quatrième région est située en dehors de l'aplomb de ladite région supplémentaire.
Selon un mode de réalisation, la quatrième région est située en partie supérieure de la première région.
Selon un mode de réalisation, la quatrième région est située en partie supérieure d'une cinquième région d'un même type de conductivité que les première et deuxième régions, la troisième région s'étendant sous et entre les deuxième et cinquième régions.
Selon un mode de réalisation, le composant comprend : un premier contact surmontant la première région ; et un deuxième contact connecté au premier contact et situé à cheval sur la quatrième région et sur la première région ou la cinquième région.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques comprenant au moins un composant ci-dessus.
Un mode de réalisation prévoit un circuit comprenant un composant ci-dessus.
Selon un mode de réalisation, le circuit comprend un élément inductif en série avec le composant.
Selon un mode de réalisation, l'élément inductif est disposé sur ladite couche électriquement isolante.
Selon un mode de réalisation, aucune portion semiconductrice n'est située entre ladite couche électriquement isolante et l'élément inductif.
Selon un mode de réalisation, l'élément inductif est situé sur une portion de couche semiconductrice disposée sur ladite couche électriquement isolante.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif de filtrage de mode commun et de protection contre les décharges électrostatiques, comprenant des premier et deuxième circuits ci-dessus, les éléments inductifs des premier et deuxième circuits étant couplés magnétiquement mutuellement.
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Selon un mode de réalisation, l'élément inductif du premier circuit comprend des premières pistes conductrices, et l'élément inductif du deuxième circuit comprend des deuxièmes pistes conductrices superposées aux premières pistes conductrices.
Brève description des dessins
Ces 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 :
la figure 1 illustre de manière schématique un dispositif de protection et de filtrage, comprenant deux composants de protection contre des décharges électrostatiques ;
la figure 2 est une vue en coupe schématique du dispositif de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue en coupe schématique illustrant une partie d'un mode de réalisation d'un dispositif de filtrage et de protection contre des décharges électrostatiques ;
la figure 4 est une vue en coupe schématique illustrant une partie d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 3 ; et la figure 5 est une vue en coupe schématique illustrant une partie d'une autre variante de réalisation du dispositif de la figure 3.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les circuits électroniques à protéger ne sont ni représentés, ni détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les circuits électroniques courants comprenant une protection contre les décharges électrostatiques.
B16692 - 16-TO-0768
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes avant, arrière, haut, bas, gauche, droite, etc., ou relative, tels que les termes dessus, dessous, supérieur, inférieur, etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes horizontal, vertical, etc., il est fait référence à l'orientation de l'élément concerné dans les vues en coupe, étant entendu que, dans la pratique, les dispositifs décrits peuvent être orientés différemment. Sauf précision contraire, les expressions approximativement, sensiblement, et de l'ordre de signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Dans la présente description, le terme connecté désigne une connexion électrique directe entre deux éléments, tandis que le terme couplé ou relié, lorsqu'il concerne une connexion électrique, désigne une connexion électrique entre deux éléments qui peut être directe ou par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs composants passifs ou actifs, comme des résistances, des condensateurs, des inductances, des diodes, des transistors, etc.
La figure 1 illustre de manière schématique un dispositif 100 de protection contre les décharges électrostatiques et de filtrage contre les perturbations électromagnétiques.
Le dispositif 100 comprend deux bornes d'entrée A0 et B0 et deux bornes de sortie Al et B1. Les bornes Al et B1 sont connectées à un circuit électronique à protéger.
Le dispositif 100 comprend deux éléments inductifs 200A et 200B. L'élément inductif 200A relie la borne Al à la borne A0. L'élément inductif 200B relie la borne B1 à la borne B0. Les éléments inductifs 200A et 200B sont couplés magnétiquement et forment ainsi un transformateur. Le rapport de transformation du transformateur est de préférence de l'ordre de l'unité, de préférence égal à 1.
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En fonctionnement, les éléments inductifs 200A et 200B bloquent les perturbations électromagnétiques de mode commun. Les éléments inductifs 200A et 200B permettent de laisser passer vers le circuit électronique des signaux définis par des modes différentiels entre les bornes AO et B0. Le dispositif 100 joue un rôle de filtre de mode commun (CME).
Le dispositif 100 comprend en outre deux composants de protection 300A et 300B contre les décharges électrostatiques. Les composants 300A et 300B relient respectivement les bornes A0 et B0 à un noeud d'application d'un potentiel de référence, par exemple une masse GND.
Chacun des composants 300A et 300B comprend un noeud 304 et un noeud 302. Le noeud 304 est connecté à la borne A0 ou B0 considérée. Le noeud 302 est connecté par exemple à la masse. Dans chaque composant de protection, une diode 320 a sa cathode reliée au noeud 304 et son anode reliée au noeud 302. En parallèle de la diode 320, une diode 340 et une diode 360 en série relient le noeud 304 au noeud 302. Les diodes 340 et 360 ont leurs cathodes connectées entre elles, et leurs anodes connectées respectivement aux noeuds 304 et 302. La diode 360 est une diode à avalanche, par exemple une diode Zener, ou une diode de type Transil. Une telle diode est conçue pour avoir une tension d'avalanche, par exemple de valeur inférieure à 30 V, de préférence inférieure à 10 V.
Le dispositif 100 est prévu pour qu'en fonctionnement normal les potentiels des bornes A0 et B0 soient positifs. En cas de décharge électrostatique tendant à augmenter le potentiel de la borne A0 ou B0, la décharge est écoulée vers la masse par les diodes 340 et 360. En cas de décharge électrostatique tendant à rendre le potentiel de la borne A0 ou B0 négatif, la décharge est écoulée vers la masse par la diode 320.
La figure 2 est une vue en coupe schématique du dispositif de la figure 1. Les composants 300A et 300B sont formés dans et sur un substrat 400, par exemple une tranche d'un semiconducteur tel que le silicium. Les éléments inductifs 200A
B16692 - 16-TO-0768 et 200B comprennent chacun une piste conductrice disposée dans des couches d'isolant 410 non représentées en détail recouvrant le substrat 400. La piste de chaque élément inductif fait par exemple plusieurs tours, quatre tours étant représentés à titre d'exemple. Les éléments inductifs 200A, 200B peuvent être situés autour de l'emplacement des composants 300A et 300B, ou, de préférence, en dehors de l'emplacement des composants 300A et 300B. Les pistes des éléments inductifs 200A, 200B sont superposées, ce qui permet d'obtenir le couplage magnétique entre ces éléments. Les diverses connexions, non représentées, entre les éléments inductifs 200A, 200B et les composants 300A, 300B, sont typiquement formées par des pistes conductrices dans les couches d'isolant 410.
La figure 3 est une vue en coupe schématique illustrant une partie d'un mode de réalisation d'un dispositif 500 de protection contre les décharges électrostatiques du type du dispositif 100 des figures 1 et 2. La figure 3 correspond à un grossissement de la partie gauche de la figure 2. En particulier, le dispositif 500 comprend des éléments inductifs 200A et 200B, et des composants 300A et 300B du type décrit cidessus. Seul le composant 300A est représenté et détaillé ciaprès, le composant 300B pouvant être similaire au composant 300A, par exemple symétrique.
Une région semiconductrice 342 dopée de type P définit l'anode de la diode 340. Une région semiconductrice 362 dopée de type P définit l'anode de la diode à avalanche 360. Une région semiconductrice 510, par exemple de type N, commune aux deux diodes 340 et 360 définit les cathodes connectées entre elles des diodes 340 et 360.
Les régions 342 et 362 sont disjointes et situées en partie supérieure de la région semiconductrice 510. Les régions 342 et 362 sont ainsi situées du côté d'une même face de la région semiconductrice 510, une partie de la région semiconductrice 510 s'étendant entre les régions 342 et 362. La diode à avalanche 360 peut comprendre une région 364 plus
B16692 - 16-TO-0768 fortement dopée de type N que la région 510, située par exemple sous la région 362. Les régions 342 et 362 sont par exemple surmontées de contacts respectifs 346 et 366 connectant les régions 342 et 362 respectivement aux noeuds 304 et 302.
Cette disposition des régions semiconductrices définissant la diode 340 et la diode à avalanche 360, permet de limiter la capacité parasite de l'association série, en particulier lorsque la région 510 est déplétée en fonctionnement normal. Cette capacité parasite peut être faible, par exemple inférieures à 0,3 pF, même pour des surfaces élevées des régions 342 et 362, par exemple supérieures à 15000 pm^. De ce fait, le dispositif 500 permet de laisser passer vers les bornes de sortie Al et B1 un signal de fréquence particulièrement élevée, par exemple supérieure à 3 GHz. De plus, le fait de réduire la capacité parasite permet d'augmenter la rapidité du dispositif en cas de décharge électrostatique. En outre, le dispositif permet d'écouler vers la masse des courants d'intensités élevées, par exemple supérieures à 10 A, et cela permet de renforcer le niveau de protection en cas de décharge électrostatique.
A titre d'exemple, la région semiconductrice 510 présente un niveau faible de dopage de type N, par exemple de sorte que sa résistivité électrique à 25°C soit supérieure à 100 Ω. cm.
La région semiconductrice 510 est par exemple une portion d'une couche semiconductrice 420 sur et en contact avec une couche isolante 430. La couche isolante 430 recouvre et est par exemple en contact avec un support 440. La région 510 est délimitée par des tranchées d'isolement 450 remplies d'un isolant électrique, par exemple de l'oxyde de silicium. Le dispositif peut alors être obtenu à partir d'une structure de type semiconducteur sur isolant, par exemple de type silicium sur isolant SOI (Silicon On Insulator) comprenant le support 440, la couche isolante 430, par exemple en oxyde de silicium, et la couche 420. A titre d'exemple l'épaisseur de la couche 420
B16692 - 16-TO-0768 est comprise entre 1 et 15 pm, de préférence de l'ordre de 10 pm. L'épaisseur de la couche 430 est par exemple comprise entre 0,2 pm et 2 pm.
De préférence, le support 440 est électriquement isolant, par exemple en oxyde de silicium ou en saphir, ou en un semiconducteur à haute résistivité, par exemple supérieure à 1500 Ω.cm.
La région 510 peut alors être déplétée en fonctionnement sur toute son épaisseur sous la région 342, ce qui limite la capacité parasite de l'association série des diodes 340 et 360. En outre, la prévision d'un support électriquement isolant ou à haute résistivité permet de limiter les capacités parasites entre l'association série des diodes et le support 440. Ceci permet au dispositif de laisser passer des signaux jusqu'aux fréquences particulièrement élevées, et assure la rapidité du dispositif en cas de décharge électrostatique.
On note en outre que l'on évite les problèmes d'exodiffusion d'atomes dopants qui risqueraient de se produire à partir du support si le support était en un semiconducteur dopé moins résistif qu'un semiconducteur à haute résistivité.
On peut prévoir, en partie supérieure de la région
362, une région 368 dopée de type N. La région 368 est par exemple située en dehors de la partie de la région 362 recouverte par le contact 366. La région 368 est par exemple située dans une partie de la région 362 située du côté de la région 342. La région 368 est par exemple située en dehors de l'aplomb de la région 364. La région 368 est par exemple plus fortement dopée que la région 362. Un contact 370 recouvre à la fois une partie de région 368 et une partie de la région 362 et relie électriquement ces deux régions au noeud 302.
On a ainsi défini, par les régions 342 (P) , 510 (N) ,
362 (P) et 368 (N) , une diode de Shockley. En cas de décharge électrostatique, la diode de Shockley entre en conduction, ce qui permet d'assurer un niveau de protection plus élevé qu'en l'absence de la région dopée 368. De plus, ceci permet d'évacuer
B16692 - 16-TO-0768 une décharge électrostatique vers la masse sans que cette décharge soit absorbée par l'association série des diodes 340 et 360. On évite ainsi que ces diodes risquent d'être endommagées par la décharge.
En partie droite de la figure 3, la diode 320 du dispositif 300 comprend, à titre d'exemple, une région, ou zone, 322 de type N à faible niveau de dopage, par exemple de même résistivité que la région 510. Des régions, ou zones, 324, de type N, et 326, de type P, disjointes et plus fortement dopées que la région 322, sont situées en partie supérieure de la région 322. Les régions 324 et 326 sont par exemple surmontées de contacts respectifs 328 et 330 connectant les régions 324 et 326 respectivement aux noeuds 304 et 302.
A titre d'exemple, dans l'exemple d'une structure de type semiconducteur sur isolant comprenant les couches 430 et 420 sur le support 440, les régions 510 et 322 sont de préférence des portions de la couche semiconductrice 420.
La disposition des régions définissant la diode 320 permet, du fait que la région 322 peut être déplétée en fonctionnement normal, de limiter la capacité parasite de la diode 320. En outre, la prévision d'un support 440 électriquement isolant ou à haute résistivité permet de limiter les capacités parasites entre la diode et le support.
En partie gauche de la figure 3, les éléments inductifs 200A et 200B superposés sont à titre d'exemple disposés sur une portion 520 de la couche semiconductrice 420. La portion 520 est située sur la couche isolante 430, et a par exemple un faible niveau de dopage de type N. La portion 520 est par exemple de même résistivité que la région 510 et provient de la même couche semiconductrice 420 d'une structure semiconducteur sur isolant.
La prévision, sous les éléments inductifs superposés, de la région 520 de résistivité électrique élevée, de l'isolant 430, et du support 440 électriquement isolant ou à haute résistivité, permet de limiter la capacité parasite entre les
B16692 - 16-TO-0768 éléments inductifs et le support. Le dispositif 500 laisse passer des signaux en mode différentiel et bloque des perturbations électromagnétiques de mode commun jusqu'à des fréquences élevées, par exemple supérieures à 3 GHz.
La figure 4 est une vue en coupe schématique illustrant une partie d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 3. Dans la variante de la figure 4, on a retiré la portion 520 de la couche semiconductrice 420. On peut par exemple prévoir une étape de gravure de cette portion. Il en résulte une absence de portion semiconductrice entre les éléments inductifs 200A et 200B et la couche isolante 430 de la structure SOI. Les éléments inductifs sont situés sur uniquement des isolants électriques, ou uniquement sur des isolants électriques et le support 440 à haute résistivité. Il en résulte que le dispositif 500 laisse passer des signaux en mode différentiel et bloque des perturbations électromagnétiques de mode commun jusqu'à des fréquences particulièrement élevées.
La figure 5 est une vue en coupe schématique illustrant une partie d'une autre variante de réalisation du dispositif de la figure 3. Le dispositif de la figure 5 diffère du dispositif de la figure 3 en ce que :
la région 510 s'étend en outre sous et entre une région 372 dopée de type P et la région 342 dopée de type P de la diode 340 ;
la région 368 est remplacée par une région 374 dopée de type N, située en partie supérieure de la région 372, de préférence du côté le plus proche de la région 342 ; et le contact 370 est remplacé par un contact 376 recouvrant à la fois une partie de la région 372 et une partie de la région 374 et couplant électriquement les régions 372 et 376 au noeud 302.
A titre d'exemple, la région 364 de type N est située sous et autour de la région 362.
Les régions 342 (P) , 510 (N) , 372 (P) et 374 (N) définissent ainsi une diode de Schockley qui remplace et joue le
B16692 - 16-TO-0768 rôle de la diode de Schockley du dispositif de la figure 3. Le niveau de protection assuré par le dispositif de la figure 5 est plus élevé que le niveau de protection assuré par le dispositif de la figure 3.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on peut prévoir un seul composant de protection du type du composant 300A reliant une borne à la masse, et permettant de protéger contre des décharges électrostatiques arrivant sur cette borne. On pourra alors prévoir un élément inductif de filtrage similaire à l'élément 200A. De plus, on peut remplacer la diode 320 par toute diode adaptée à la protection contre les décharges électrostatiques.
En outre, les types de dopage peuvent être échangés dans les composants 300A et/ou 300B. On pourra alors modifier le signe des tensions ou le sens de connexion des composants 300A
et/ou 300B entre les bornes AO et/ou B0 et la masse.
Divers modes de réalisation avec diverses variantes
ont été décrits ci-dessus. On notera que 1 ' homme du métier
pourra combiner divers éléments de ces divers modes de
réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive.
Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (21)

  1. REVENDICATIONS
    1. Composant électronique comprenant :
    des première (362) et deuxième (342) régions semiconductrices disjointes ; et une troisième région semiconductrice (510) disposée sous et entre les première et deuxième régions, les première et troisième régions définissant des électrodes d'une première diode (360), les deuxième et troisième régions définissant des électrodes d'une deuxième diode (340), la première diode étant à avalanche.
  2. 2. Composant selon la revendication 1, dans lequel la troisième région (510) a un niveau de dopage plus faible que les première et deuxième régions (362, 342) .
  3. 3. Composant selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la troisième région (510) est située sur une couche électriquement isolante (430).
  4. 4. Composant selon la revendication 3, dans lequel la couche électriquement isolante (430) recouvre un support (440) de résistivité électrique supérieure à 1500 Q.cm.
  5. 5. Composant selon la revendication 4, dans lequel le support (440) est une tranche semiconductrice.
  6. 6. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre une troisième diode (320) connectée en parallèle des première (360) et deuxième (340) diodes.
  7. 7. Composant selon la revendication 6, dans lequel la troisième diode (320) comprend :
    des première et deuxième zones semiconductrices (324, 326) disjointes ; et une troisième zone semiconductrice (322) située sous et entre les première et deuxième zones, les première et deuxième zones définissant des électrodes de la troisième diode, les première et deuxième zones étant plus fortement dopées que la troisième zone.
  8. 8. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant, sous la première région (362), une région
    B16692 - 16-TO-0768 supplémentaire (364) de même type de conductivité que la troisième région (510)et plus fortement dopée que la troisième région.
  9. 9. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel une quatrième région (368 ; 374) située audessus de la troisième région (510) définit une électrode d'une diode de Schockley dont une autre électrode est définie par la deuxième région (342).
  10. 10. Composant selon les revendications 8 et 9, dans lequel la quatrième région (368) est située en dehors de l'aplomb de ladite région supplémentaire (364).
  11. 11. Composant selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la quatrième région (368) est située en partie supérieure de la première région.
  12. 12. Composant selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la quatrième région (374) est située en partie supérieure d'une cinquième région (372) d'un même type de conductivité (P) que les première et deuxième régions, la troisième région (510) s'étendant sous et entre les deuxième (342) et cinquième (372) régions.
  13. 13. Composant selon l'une quelconque des revendications
    9 à 12, comprenant :
    un premier contact (366) surmontant la première région (362) ; et un deuxième contact (370 ; 376) connecté au premier contact et situé à cheval sur la quatrième région (368 ; 374) et sur la première région (362) ou la cinquième région (372).
  14. 14. Dispositif de protection contre les décharges électrostatiques comprenant au moins un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
  15. 15. Circuit comprenant un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
  16. 16. Circuit selon la revendication 15 comprenant un élément inductif (200A ; 200B) en série avec le composant.
    B16692 - 16-TO-0768
  17. 17. Circuit selon la revendication 16 dans sa dépendance à la revendication 3, dans lequel l'élément inductif (200A ; 200B) est disposé sur ladite couche électriquement isolante (430) .
  18. 18. Circuit selon la revendication 17, dans lequel aucune portion semiconductrice n'est située entre ladite couche électriquement isolante (430) et l'élément inductif (200A ; 200B).
  19. 19. Circuit selon la revendication 18, dans lequel l'élément inductif (200A ; 200B) est situé sur une portion (520) de couche semiconductrice (420) disposée sur ladite couche électriquement isolante (430).
  20. 20. Dispositif de filtrage de mode commun et de protection contre les décharges électrostatiques, comprenant des premier et deuxième circuits selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, les éléments inductifs (200A, 200B) des premier et deuxième circuits étant couplés magnétiquement mutuellement.
  21. 21. Dispositif selon la revendication 20, dans lequel l'élément inductif (200A) du premier circuit (300A) comprend des premières pistes conductrices, et l'élément inductif (200B) du deuxième circuit (300B) comprend des deuxièmes pistes conductrices superposées aux premières pistes conductrices.
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