FR2499315A1 - Dispositif semiconducteur de protection utilisant des diodes zener dos a dos - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR UTILISE DANS UN CIRCUIT INTEGRE MONOLITHIQUE POUR LE PROTEGER CONTRE DE HAUTES TENSIONS TRANSITOIRES. SELON L'INVENTION, IL COMPREND DES DIODES ZENER DOS A DOS QUI SONT FORMEES PAR DEUX REGIONS SEPAREES 22, 26 D'UN TYPE DE CONDUCTIVITE TRAVERSANT UNE COUCHE EPITAXIEE 18 DU TYPE OPPOSE DE CONDUCTIVITE ET CONTACTANT UNE POCHE NOYEE 16 DU TYPE OPPOSE DE CONDUCTIVITE POUR FORMER AVEC ELLE DES JONCTIONS PN 24, 28; L'UNE 22 DES REGIONS 22, 26 DU PREMIER TYPE DE CONDUCTIVITE ENTOURE TOTALEMENT L'AUTRE 26. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AUX JONCTIONS POLARISEES EN INVERSE SUJETTES A UNE RUPTURE DE SURFACE COMME UNE RUPTURE A LA JONCTION EMETTEUR-BASE DE TRANSISTORS DU TYPE NPN VERTICAL.
Description
La présente invention se rapporte à un dispositif semiconducteur utilisant
des diodes Zener dos à dos pour une protection contre de hautes tensions transitoires dans
un circuit intégré monolithique.
Les dispositifs à circuits intégrés sont souvent endommagés par de relativement hautes tensions transitoires
dues à une décharge électrostatique (ESD) et à une sur-
tension électrique (EOS). Les petites géométries utilisées dans des dispositifs à circuits intégrés modernes ne peuvent résister aux fortes énergies avant que les jonctions PN ne soient détruites. Les jonctions polarisées en inverse sujettes à une rupture de surface, comme une rupture à la jonction émetteur-base de transistors du type
NPN vertical ont particulièrement tendance à cela.
Des structures de protection ont été incorporées dans
des pastilles de circuit intégré, principalement en utili-
sant des blocages par diode, soit à B+ ou à la masse.
Des diodes Zener dos à dos ont été utilisées pour une protection du circuit en présentant une rupture contrôlée quand le potentiel entre les diodes dépasse une certaine valeur. La présente invention concerne une nouvelle structure pouvant être facilement incorporée dans une structure de circuit intégré monolithique, pour lui donner une certaine protection contre de hautes tensions
transitoires.
La présente invention comprend une nouvelle structure pour des diodes dos à dos utilisées dans un circuit intégré monolithique pour une protection contre les hautes
tensions transitoires ayant pour résultat de fortes impul-
sions de courant. La nouvelle structure comprend un substrat d'un type de conductivité ayant une surface interfaciale, avec une première région de conductivité du type opposé qui est disposée adjacente à une partie de la surface interfaciale. Une couche épitaxiée de la conductivité du type opposé est disposée sur la surface interfaciale et elle couvre la première région, la couche épitaxiée
ayant une surface supérieure opposée à la surface inter-
faciale. Des seconde et troisième régions du premier type de conductivité sont disposées adjacentes à la surface supérieure et elles traversent la couche épitaxiée pour contacter la première région et elles forment, respectivement, avec elle, des première et seconde jonctions PN. Des premier et second conducteurs contactent, respectivement, les troisième et seconde régions à la surface supérieure, ainsi les première et seconde jonctions PN fonctionnent comme des diodes Zener dos à dos quand un potentiel existe
entre les premier et second conducteurs.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaîtront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieum modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en plan montrant le mode de réalisation préféré du nouveau dispositif semiconducteur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une courbe schématique illustrant la façon dont le courant (I) varie en fonction de la
tension (V) dans une section de la structure de semi-
conducteur selon l'invention; - la figure 4 est un schéma de circuit illustrant un mode secondaire de fonctionnement présent dans la structure de semiconducteur selon l'invention; - la figure 5 est un schéma de circuit du nouveau dispositif semiconducteur illustré sur les figures 1 et 2; et - la figure 6 est une courbe schématique illustrant la façon dont le courant (I) varie en fonction de la tension (V) dans tout le dispositif semiconducteur
illustré sur les figures 1 et 2.
Sur les figures 1 et 2 est représenté un dispositif semiconducteur 10 ayant une structure o sont incorporées les nouvelles caractéristiques de l'invention. Le dispositif comprend un substrat semiconducteur 12 d'un type de conductivité, du type P dans le présent exemple, ayant une surface interfaciale 14. Une première région 16 du type opposé de conductivité, du type N, est disposée adjacente à une partie de la surface interfaciale 14. Une couche épitaxiée 18 du type opposé de conductivité est disposée sur la surface interfaciale 14 et elle couvre la première région 16 afin de former une poche enfouie ou noyée. La couche épitaxiée 18 a une surface supérieure 20 opposée à la
surface interfaciale 14.
Une seconde région 22 du premier type de conductivité est disposée adjacente à la surface supérieure 20 et elle traverse la couche épitaxiée 18 pour contacter la première
région 16 et former avec elle une première jonction PN 24.
A la surface supérieure 20 est également adjacente une troisième région 26 du premier type de conductivité, qui est disposée au loin de la seconde région 22 et qui traverse la couche épitaxiée 18 pour contacter la première région 16 et former avec elle une seconde jonction PN 28. Dans le présent mode de réalisation, la seconde région 22 entoure totalement la troisième région 26 comme on peut le voir sur la figure 1, mais cela n'est pas totalement nécessaire dans tous les modes de réalisation. Des premier et second conducteurs 30 et 32 sont disposés sur une couche de protection 33 en bioxyde de silicium et ils sont en contact, respectivement, avec les troisième et seconde régions 26 et 22 à la surface supérieure 20. Quand un potentiel existe entre les premier et second conducteurs 30 et 32, les première et seconde jonctions PN 24 et 28 fonctionnent
comme des diodes Zener dos à dos.
Dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, la première région 16 forme une poche noyée qui s'étend suffisamment en surface pour permettre à la seconde région 22 et à la première jonction PN 24 d'entourer sensiblement ou totalement la troisième région 26 comme on 2 l99315 peut le voir sur les figures 1 et 20 Cela a pour raison d'augmenter la surface effective dans la première région 16, dont on dispose pour agir comme trajet conducteur du courant entre les première et seconde jonctions PN 24 et 28 pendant la rupture par avalanche contrôlée.-Comme on peut 2e voir sur la figure 2, la seconde région 22 peut également
contacter le substrat 12 au pourtour de la première région 16.
Sur les figures 1 et 2 est montré un second mode de réalisation de la présente invention qui a des régions
semblables correspondant aux régions du mode de réalisa-
tion ci-dessus décrit. Une quatrième région 34 de conducti-
vité du type opposé, semblable à la première région 16, est disposée adjacente à la surface interfaciale 14 pour former une poche enfouie ou noyée. Une cinquième région 36 du premier type de conductivité, semblable à la seconde région 22, est disposée adjacente à la surface supérieure 20 et elle traverse la couche épitaxiée 18 pour contacter la quatrième région 34 et former, avec elle, une troisième jonction PN 38. Une sixième région 40 du premier type de conductivité est disposée adjacente à la surface'supérieure au loin de la première région 36, et elle traverse la couche épitaxiée 18 pour contacter la quatrième région 34 et former, avec elle, une quatrième jonction PN 42, Un troisième conducteur 44 est disposé sur la couche 33 de bioxyde de silicium et il est contact avec la cinquième région 36, et le premier conducteur 30 est relié à la sixième région 40. Quand un potentiel existe entre les second et troisième conducteurs 32 et 44, les troisième et quatrième jonctions PN 38 et 42 fonctionnent comme des diodes Zener dos à dos connectées en série avec les diodes Zener dos à dos formées par les première et seconde jonctions PN 24 et 280 Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, les diodes Zener forment des éléments d'un microcircuit du
type intégré monolithique. Le nouveau dispositif semi-
conducteur 10 est fabriqué en utilisant des procédés conventionnels connus, Le substrat 12 et la couche épitaxiée 18 sont faits en un silicium monocristallin et ont des résistivités de 25 à 50 ohms-cm et de 1 à 6 ohms-cm, respectivement. Après avoir formé les poches noyées, c'està-dire les première et quatrième régions 16 et 34, la couche épitaxiée 18 est tirée sur une épaisseur de l'ordre de 10 à 14 y et elle a une concentration en dopants d'impuretés de 5 x 1015 atomes/cm3. La couche épitaxiée 18 a une résitivité, à sa surface supérieure 20, de l'ordre de 1000ohms/carré. En utilisant des techniques photolithographiques standards, des ouvertures sont définies dans une couche de "photoresistt" formant masque, à travers lesquelles des régions du type P+ peuvent ttre formées par des procédés de diffusion bien connus. Ces régions du type P+ peuvent avoir une résistivité de surface de l'ordre de 5 ohms/carré. Les conducteurs peuvent se composer de couches d'aluminium définies photolithographiquement, déposées sur la couche de protection 33 en bioxyde de silicium. L'un des bénéfices du nouveau dispositif selon
l'invention 10 provient du fait que ces composants, c'est-
à-dire les poches enfouies et les régions de contact du type P+ peuvent etre formées simultanément avec d'autres
composants du circuit qui sont disposés en d'autres emplace-
ments dans le substrat 12, permettant ainsi au dispositif de protection 10 d'être fabriqué en un circuit intégré
sans devoir prévoir des étapes supplémentaires de traitement.
L'une des nouvelles caractéristiques de la présente structure concerne l'extension de la poche noyée ou enfouie, c'est-à-dire la première région 16 sur les figures 1 et 2, à une surface suffisante pour permettre à la seconde région 22 et à la première jonction 24 du type PN d'entourer la troisième région 26. Une telle structure augmente la surface effective dans la première région 16, dont on dispose pour servir de trajet conducteur entre les première et seconde jonctions PN 24 et 28 pendant la rupture par avalanche contr5lée. Par exemple, le trajet de courant effectif entre les troisième et quatrième jonctions PN 38 et 42 est illustré par les flèches 46 sur la figure 1e CEpendat, si la seconde région 22 du type P+ et la première jonction PN associée 24 entourent la troisième région 26 et la seconde joncticnPN 28, le trajet de courant effectif est sensiblement quadruplé comme le montrent les flèches 48 sur la figure 1. En d'autres termes, si la résistance effective du trajet de courant à travers la poche noyée du type N+ était de 40 ohms à titre d'exemple, avec la nouvelle structure, la résistance effective est réduite
à environ 10 ohms.
Cette réduction de la résistance de la poche du type N+ améliore la performance des diodes Zener dos à dos en tant que structure de protection. Sur la figure 3 est représentée schématiquement la.façon dont le courant (I) varie en fonction de la tension (V) pour une section de la nouvelle structure, illustrée par la ligne en traits pleins , contrairement à l'ancienne structure illustrée par la ligne en traits mixtes 52. La réduction de résistance améliore l'écoulement du courant, il y a donc plus de courant qui peut s'écouler à travers la nouvelle structure qu'à travers l'ancienne structure à une tension donnée, comme VT. En d'autres termes, la pente de la nouvelle courbe I-V 50 est considérablement plus importante que la pente de l'ancienne courbe I-V 52. Ainsi, quand une tension transitoire dépasse la tension de rupture (VB), illustrée sur la figure 3 à +12 volts, la nouvelle structure peut plus efficacement supporter la forte impulsion de courant qui en résulte et ainsi maintenir l'augmentation de tension à une valeur minimum qui est plus proche de la tension
initiale de rupture VB.
Le dispositif 10 selon l'invention présente une autre caractéristique, en effet la structure peut également agir comme transistor parasite du type PNP au-dessus d'une certaine tension, V,comme le montre le schéma de circuit de la figure 4. Lorsqu'il est polarisé de façon appropriée, le transistor 54, ayant pour sa région de base la couche épitaxiée 18, commence à fonctionner comme un transistor du type PNP qui produit un bypass de courant pour les diodes Zener par le courant d'émetteur, IE-et le courant de collecteur, Ic. Dans ce transistor 54, la région d'émetteur peut comprendre soit la troisième région 26 ou là cinquième région 36 et la région de collecteur peut comprendre la seconde région 22 ou la sixième région 40, la région de base étant la partie de la couche épitaxiée 18 du type N qui est disposée entre chacune. Ce mécanisme forme encore un trajet de courant supplémentaire qui aide à diminuer toute plus ample augmentation de la tension de fonctionnement, comme le montre la plus forte pente du
segment supérieur 56 de la courbe I-V 50.
Sur la figure 5 est montré un schéma de circuit de la présente invention o les troisième et quatrième jonctions PN 38 et 42 fonctionnent comme des diodes Zener dos à dos connectées en série avec les diodes Zener dos à dos formées par les première et seconde jonctions PN 24 et 28. Dans le présent mode de réalisation, le troisième conducteur 44 est connecté à un potentiel positif d'alimentation (B+) et le second conducteur 32 est connecté à la masse. La connexion des groupes de diodes Zener dos à dos en série a pour résultat d'étendre efficacement la gamme deqrtensions de fonctionnement dans le circuit avant qu'une rupture par avalanche ne se produise, sans devoir utiliser des étapes supplémentaires de traitement. Comme le montre la figure 6, la gamme des tensions de fonctionnement est étendue de la première gamme de + 12 volts à une gamme plus
large de l'ordre de +25 volts.
L'essentiel des structures de protection ci-dessus réside dans le fait que l'on peut obtenir une meilleure
performance de fonctionnement dans la protection d'un cir-
cuit utilisant des étapes standards de fabrication de
cirrcuits intégrés sans devoir prévoir des étapes supplémen-
taires de traitement. Les structures de protection ci-
dessus décrites peuvent eêtre facilement incorporées dans des processus existant de fabrication pour produire une protection d'entrée de base et une protection de sortie
d'émetteur contre une décharge électrostatique et une sur-
tension électrique dans des circuits intégrés monolithiques.
Claims (8)
- R E V E N D I C A T I 0 N SDispositif semiconducteur du type comprenant un substrat d'un type de conductivité ayant une surface interfaciale; une première région d'un type opposé de conductivité disposée adjacente à une partie de ladite surface inter- faciale; une couche épitaxiée dudit type opposé de conductivité disposée sur ladite surface interfaciale et couvrant ladite première région, ladite couche- épitaxiée ayant une surface supérieure opposée à ladite surface interfaciale;et une seconde région du premier type de conductivité disposée adjacente à ladite surface supérieure et traversant ladite couche épitaxiée pour contacter ladite première région et former une première jonction PN avec elle, caractérisé en ce que: une troisième région (26) dudit premier type de conductivité est disposée adjacente à ladite surface supérieure (20) au loin de la-dite seconde région (22) et elle traverse ladite couche épitaxiée (18) pour contacter ladite première région (16) et former avec elle une seconde jonction PN (28) et des premier et second conducteurs (30, 32) contactent respectivement lesdites troisième et seconde régions à la surface supérieure, ainsi lesdites première et seconde jonctions PN fonctionnent comme des diodes Zener dos à dos quand un potentiel existe entre les premier et second conducteurs
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractériséen ce que la seconde région précitée et la première jonc-tion du type PN précité entourent sensiblement la troisièmerégion précitée.
- 3. Dispositif selon la revendication 1, caractériséen ce que la seconde région précitée et la première jonc-tion PN précitée entourent totalement la troisième région précitée.
- 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde région précitée contacte également lesubstrat précité au pourtour de la première région précitée.
- 5. Dispositif semiconducteur selon la revendication 4, caractérisé de plus en ce que une quatrième région (34) du type opposé de conductivité est disposée adjacente à la surface interfaciale (14) précitée du substrat (12) précité au loin de la première région précitée et elle est couverte également de la couche épitaxiée précitée;une cinquième région (36) du premier type de conductivi-té est disposée adjacente à la surface supérieure de ladite couche épitaxiée et elle traverse ladite couche épitaxiée 1-5 pour contacter ladite quatrième région et former avec elle une troisième jonction PN (38) ; etune sixième région (40) du premier type de conduc-tivité est disposée adjacente à ladite surface supérieure au loin de ladite cinquième région et elle traverse ladite couche épitaxiée pour contacter ladite quatrième région et former avec elle une quatrième jonction PN (42); et un troisième conducteur (44) contacte ladite cinquième région, ledit premier conducteur précité étant relié à ladite sixième région, ainsi lesdites troisième et quatrième jonctions PN peuvent fonctionner comme des diodes Zener dos à dos connectées en série avec les diodes Zener dos àdos formées par les première et seconde jonctions PN pré-citées, quand un potentiel existe entre lesdits secondet troisième conducteurs.
- 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le type précité de conductivité est le type P.
- 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second conducteur précité est connecté à la masse et en ce que le troisième conducteur précité est connecté à un potentiel positif d'alimentation (BE),
- 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les diodes Zener précitées forment des éléments d'unmicrocircuit du type intégré monolithique.
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