Brevet FR2005929A1 — publié le 19691219

La présente invention est relative à un dispositif qui comprend un transistor à effet de champ et à porte isolée, protégé contre les surcharges et permet au dispositif de fonctionner avec des tensions de porte des deux polarités, des diodes dos à dos étant connectées entre son électrode de porte et son substrat. Les diodes dos à dos sont formes par deux ragions similaires espacées dans une région unique du substrat du transistor Sur le dessin annexé La Fig.1 est un schema du circuit équivalent du transistor nouveau de l'invention la Fig.2 est une vue en plan d'un montage préféré du transistor nouveau de l'invention la Fig.3 est une vue en coupe partielle et agrandie prise suivant 3-3 de la Fig.2 la Fig.4 est une coupe transversale partielle et agrandie prise suivant 4-4 de la Fig.2 La Fig.1 représente sous forme schematique le circuit électrique équivalent du transistor nouveau de l'invention. Le circuit, indiqué d'une manière générale par le caractère de référence 10, comprend un transistor à effet de champ et à porte isolée 12 qui possède une borne de source 14, une borne de drain 16, une borne de substrat 18 et une borne de porte 20. Dans le circuit 10, la borne de substrat 18 est connectée au matériau de substrat par un conducteur 19 et la borne de porte 20 est conne ce tée à une électrode de porte 21 par un conducteur 22 Structurellement , l'électrode de porte 21 du transistor 12 est séparée du substrat du transistor par une couche isolante mince , qui est ordinairement en bioxyde de silicium Ce matériau a une résistance au claquage d'environ 107 V/cm. Pour protèger le matériau isolant de la porte du transistor 12 contre le claquage dû à des tensions de porte élevées, l'électrode de porte 21 est connectée au substrat par l'intermédiaire de deux diodes connectées dos à dos . Ainsi, il existe une diode 24 et une autre diode 26 connectées en opposition série , cathode à cathode , entre une borne 28 du conducteur de porte 22 et une borne 30 située sur le conducteur du substrat 19 Dans le present exemple , le transistor 12 représenté à la Fig.1 comporte un canal de type N . Il résulte de l'appli cation d'une tension positive à l'électrode de porte 21 un fonctionnement en mode enrichissement et de l'application d'une tension négative un fonctionnement en mode d'apauvrissement . Dans chaque mode e , l'une ou l'autre des diodes 24 et 26 est polarisée en sers inverse . Par exemple , si ces diodes ont des anodes en matériau de Ùpe P+ et des cathodes en matériau de type , la dio de 24 est polarisée en sens direct mais la diode 26 est polarisée en sens inverse en mode d'enrichissement lorsque la tension de porte est positive . Si la tension de porte excède la tension de claquage du transistor 26, le courant circule vers le substrat La diode 26 limite ainsi la tension positive qui peut être appliquée aux bornes de l'isolateur de porte du transistor 12 La situation est inversée lorsque des tensions négatives sont appliquées à l'électrode de porte 21. Dans ces circonstances, la diode 24 est polarisée en sens inverse, tandis que la diode 26 est polarisée en sens direct . Si la tension ap piquée à l'électrode de porte 21 excède la tension de claquage de la diode 24, le courant circule de nouveau dans le circuit entre l'électrode de porte 21 et le substrat , ce qui a pour effet qu'une limite est établie relativement à la quantité de tension négative qui peut être appliquée aux bornes de l'isolateur de porte du transistor 12 Une structure preférée pour le transistor 12 de porte et la protection par diode de son isolateur/est représentée aux Fig.2 à 4 . Le transistor 12 est fabriqué au moyen de procédés de diffusion et photolithographiques connus dans un corps 40 de matériau semiconducteur qui est de type P dans cet exemple . Le transistor 12 comporte une région de canal 43 adjacente à une surface 42 . La longueur de la région de canal 43 est déterminée par deux régions espacées de source et de drain . La région de source est constituée par une région N+ fortement dopée 44 proche du coté droit de la structure représentée à la Fig.3 et voisine de la surface 42 du substrat 40 et une région du type N 46 adjacente à la surface 42 entre la région de type t 44 et la région de canal 43 . La région de drain est constituée de même sur le coté gauche de la structure de la i'ig.3 par une region de type N+ 48 et- une region ae type N 50 . La fonction des régions de type W+ 44 et 48 est de faciliter le contact ohmique avec le dispositif et les régions de type N 46 et 50 ont pour fonction d'établir un contact ohmique entre les régions 44 et 48 et le canal 43 tout en maintenant le niveau de dopage relativement faible au voisinage du canal . Une caractéristique de fonctionnement plus stable est obtenue avec cet artifice Une couche de matériau isolant 52 est disposée sur la surface 42 du substrat 40 . La couche isolante 52 comporte des ouvertures indiquées en 53 et 54 qui coïncident avec les régions de type N+ 44 et 48 et le canal 43 tout en maintenant le niveau de dopage relativement faible au voisinage du canal . Une caractéristique de fonctionnement plus stable est obtenue avec cet artifice . Une couche de matériau isolant 52 est disposée sur la surface 42 du substrat 40 . La couche isolante 52 comporte des ouvertures indiquées en 53 et 54 , qui colncident avec les régions de type N+ 44 et 48 afin de recevoir une électrode de source métallique 55 et une électrode métallique de drain 56 respectivement . L'électrode de source 55 s'étend jusqu'à un plot de connexions de source 5â, X disposé sur la couche isolante 52 et auquel un fil peut être lié pour connecter l'électrode de source 55 à un circuit externe . Un fil peut Aeire lié directement à l'électrode de drain 56, dont la superficie est relativement grande . Voir Fig.2. Au voisinage du canal 43 , la couche isolante 42 possède une partie plus mince 59 qui est l'isolateur actif de porte du dispositif . Une électrode de porte 21 est disposée sur la partie plus mince 59 de la couche isolante 52 et s'étend en parallèle jusqu'aux électrodes de source et de drain 55 et 56 , comme représente à la Fig.2 et se termine en un plot de connexion de porte 60. La région plus mince 58 de la couche is lante 52 peut avoir une épaisseur d'environ 1000 t et supporte des différences de tension entre l'électrode de porte 21 et le substrat 40 allant jusqu'à 100 V sans subir de claquage La Fig.4 représente la structure des diodes dos à dos 24 et 26 . Comme représenté à la Fig.4, le plot de connexion de porte 60 recouvre une partie d'une région de type N 62 diffusée dans le substrat 40 au voisinage de la surface 42. Cette région sert de cathode pour les deux diodes 24 et 26 Une région P+ diffusée 64 entoure la région de type m 62 de façon espacée à sa périphérie , et sert d'anneau de garde pour isoler la région de type N 62 des autres régions actives de type N du dispositif Les anodes es diodes 24 et 26 sont constituées par des régions ce t;Te P+ diffusées 66 et 68 qui sont formées dans la région 62 au voisinage de la surface 42 . Ces régions ont des suterficies, des profondeurs et des profils de dopage pratiquement identiques , de sorte qu'elles constituent avec la région de type N c des ixodes ayant pratiquement les mêmes caractéristiques électriques . Les écartements entre chacune des régions P+ o6 et o8 et entre ces dernières et la jonction 62 et le substrat 40 sont rendus suffisamment grands pour que l'action de transistor HP n'ait pas lieu Le plot de connexion de porte O̲ est connecté à la région de type P+ 68 par l'intermédiaire d'une ouverture 70 percée dans la couche isolante 52 . L'autre région de type P+ 66 est connectée ohmiquement au matériau de type P du substrat 40 au moyen d'une connexion métallique 72 qui s'étend jusqu'en contact avec la region de type P+ 66 à travers une ouverture 74 de la couche isolante 52. La connexion métallique 62 s'étend audelà de la périphérie de la région N 62 et traverse une ouverture 76 de la couche isolante 52 pour venir en contact avec la région de type + 64. Cette region sert ainsi à faciliter le contact avec le substrat 40 , outre sa fonction d'anneau de garde . En raison que fait que la région de type il 62 est disposée en dessous du plot de connexion de porte 60, le présent dispositif occupe environ la même surface qu'un dispositif n'ayant Pas de protection par diode . L'emplacement des diodes en dessous d'un plot de connexion de porte est particulièrement utile dans un transistor à effet de champ et à porte isolée qui comporte plus d'une électrode de porte et dans lequel un plot de connexion de porte au oins est complètement entoure par d'autres elements tels qu'une region de source ou une région de drain du dispositif . Dans un tel transistor , deux diodes ayant la structure décrite ici peuvent être insérées commodement dans l'espace se trouvant en dessous de chacun des plots de connexion. La structure décrite fonctionne de la manière décrite ci-dessus en relation avec le circuit de la Fig.1 La for- mation simultan@e des régions 66 et 68 dans la région unique 62 de manière à présenter pratiquement les mêmes caracteristiques de structure fournit des diodes qui ont des caractéristiques électriques égales Dans le mode de réalisation préferé ci-dessus, le substrat 4C a une conductivité -e type > et chaque diode de la paire a une structure P+, ne telle structure peut également être utilisée dans un dispositif dit à canal P dans la mesure où la région commune de type N est isolée du matériau de type M du substrat . De plus, dans les deux dispositifs à canal X et à canal r, les diodes peuvent être constituées par deux régions de type N+ dans une region commune de type P, sous réserve que la région commune de type P est isolée du matériau de type P du substrat d'un dispositif à canal @. L'isolation peut être réalisée par example en disposant la region commune dans une région supplémentaire de tpye de conductivité opposé à celui du substrat , ce qui introduit deux jonctions dos à dos entre la région commune et le substrat Bien entendu, l'invention n'est nullement limitee au mode de réalisation decrit et représente qui n'a été donné qu'à titre d'exemple - REVENDICATIONS 1 . Transistor à effet de caamp et à porte isolée perfectionné qui est Forme dans un substrat semiconducteur ayant une surface, un canal adjacent à cette surface , une couche de materiau isolant disposée sur la surface , et au moins uns électrode de porte disposée sur la couche de matériau isolant en relation d'application de champ avec le canal , caractérisé en ce qu'il comprend un ansemble de iodes @os à dos destiné à protéger le matériau isolant contre le claquage dû à des tensions élevées de polarit positive ou négative appliquées à l'électrode de porte, l'ensemble de diodes comprenant une premiere region située dans le substrat au voisinage de la surface , une seconde et une troi- sième régions espacees situées dans la première région , au voi- sinage de la surface et formant deux jonctions FN avec elle un premier noyer conducteur reliant l'électrode de porte à l'une des seconde et troisième régions et un second moyen conducteur connectant l'autre des seconde et troisième régions au substrat. 2 . Transistor suivant la revendication n , caractérise en ce qu'il comprend un plot ae connexion de superficie relativement grande disposé sur la couche de matériau isolant, l'électrode de porte étant connectée au plot de connexion et la première région étant disposée en dessous et au voisinage du plot de connexion. 3 . Transistor suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que la seconde et la troisième régions ont une superficie, une profondeur de diffusion et un profil de dopage traticuement égaux de sorte que les jonctions ont pratiquement les mêmes propriétés électriques 4 . transistor suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que le substrat est de type 2, la première région est de type N et la seconde et la troisième region sont de type P+ 5 . Transistor suivant la revendication 4, caractérisé en ce que il comprend une région de type P+ située dans le substrat au voisinage de la surface et entourant la première region de type N.