Brevet FR2335055A1 — publié le 19770708

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur comprenant au moins un transistor à structure plane épitaxiale dont le collecteur est constitué par un substrat fortement dopé recouvert d'une couche épitaxiale faiblement dopée. Des dispositifs semiconducteurs comprenant au moins un transistor, tels que par exemple, des amplificateurs DARLINGTON, des ensembles de transistors complémentaires, et des transistors discrets, principalement des transistors de puissance, ont une structure plane épitaxiale; ils sont formés d'un substrat sur lequel sont déposées une, deux ou trois couches épitaxiales successives de types de conductivité alternés. Pour protéger un-tel dispositif contre les surtensions éventuelles dues par exemple à une charge inductive, on dispose une diode en parallèle avec la jonction base-collecteur au transistor, la tension de claquage de cette diode étant inférieure à la tension de claquage SVcEO du transistor.On sait que la tension BVCEO est la tension de claquage d'un transistor lorsqu'il est en montage dit émetteur commun avec la base en l'air. Il y a lieu de noter que le qualificatif "fortement dopétt s'applique à des parties de dispositif présentant une concentration dlimpuretés de dopage supérieure à 1017 atomes par cm3 et de préférence supérieure à lu18, et le qualificatif faiblement dopé dans le cas de concentration inférieure à 1017 atomes par cm3, et de préférence inférieure à 1016 On a cherché à intégrer la diode de protection dans le meme cristal que le dispositif à protéger et pour cela on prévoit, par exemple, une couche enterrée fortement dopée de type de conduc tivité opposé à celui du collecteur et située au sein de la couche épitaxiale de ce dernier, Mais l'insertion de cette couche enterrée nécessite une succession d'opérations supplémentaires qui augmente la complexicité du procédé de fabrication et les risques de déchets et de dégradation des caractéristiques , notamment du fait d'une remontée possible des impuretés au cours d'opérations d'épitaxie et de diffusion. L'invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient et de fournir un dispositif semiconducteur protégé par une diode à avalanchg intégrée sans complication du procédé de fa bricationvet de tension de claquage déterminée. Selon l'invention, le dispositif semiconducteur comprenant au moins un transistor bipolaire à structure plane épitaxiale dont le collecteur est constitué par un substrat fortement dopé recouvert d'une couche épitaxiale faiblement dopée, est remarquable principalement en ce qu'il comporte au moins une zone fortement dopée, de même type de conductivité que la région moins dopée constituant la base du transistor, s'étendant à partir du fond et des flancs d'un évidement creusé depuis la surface du dispositif, la distance entre ladite zone et le substrat déterminant une tension de claquage base-collecteur inférieure à la tension de claquage BVCEO du transistor en l'absence dudit évidement et de ladite zone0 La zone fortement dopée s'étendant selon l'invention à partir des flancs d'un évidement qui traverse la base, est de ce fait électriquement solidaire de cette dernière. Cette zone constitue ainsi, avec la couche épitaxiale de collecteur et le substrat l'équivalent d'une diode en parallèle avec la jonction base-collecteur du transistor, La diode ainsi ajoutée ne nécessite pas de couche enterrée et peut entre réalisée au cours de la fabrication du dispositif par une opération de technique éprouvée, le décapage utilisé par exemple pour réaliser l'évidement étant une opération courante et bien maitrisée dans la technique de fabrication des dispositifs semiconducteurs.De plus, compte tenu des to sérances sur l'épaisseur des dépôts de couches épitaxiales et sur les profondeurs de décapage, la profondeur de la zone fortement dopée formant la diode en parallèle peut entre ajustée pour corriger les écarts éventuels et obtenir la tension de claquage désirée.La diode ajoutée selon l'invention est en parallèle avec la jonction base collecteur et elle est polarisée en inverse comme cette dernière. lorsque le champ électrique au niveau de la jonction de la diode, provoqué par la tension appliquée; atteint une valeur maximale déterminée par la résistivité de la couche épitaxiale de collecteur, le phénomène dit de claquage par avalanche se produit et un courant important peut passer par la diode. la tension provoquant ce champ maximal est d'autant plus faible que la distance entre la zone fortement dopée et le substrat est faible. De préférence la zone fortement dopée ajoutée selon l'invention est diffusée.Comme la profondeur de cette zone fortement dopée est en tous cas relativement faible, la diffusion en est de courte durée; la diffusion de cette zone peut ëtre faite simultanément à la diffusion d'autres zones de mee type, que le dispositif peut éventuellement nécessiter, par exemple une zone de contact de base.Avan tageusement, un transistor est réalisé selon la structure décrite dans la demande de brevet français NO 75 37 656 déposée simultanément avec la présente demande, au nom de la demanderesse sous le titre :" Dispositif semiconducteur épitaxisl muLticouche", structure selon laquelle un transistor épitaxial multicouche comporte un contact de base constitué par une configuration dé traces conductrices appliquées sur le fond de gorges creusées à travers la couche d'émetteur, des zones diffusées de mime type de conductivité que la couche de base sous-jacente et à forte concentration dtimpuretés de dopage constituant au moins le fond desdites gorges0 Selon la présente invention, la profondeur des dites gorges est supérieure à l'épaisseur de ltémetteur et de la base du transistor et la distance entre une au moins des dites zones diffusées et le substrat détermine une tension de claquage base-collecteur inférieure à la tension de claquage B 0 du transistor en l'absence de cette protection. Selon une variante de réalisation, le dispositif semiconducteur, selon l'invention, est en forme de mésa et l'évidement, dans les flancs et le fond duquel est diffusée une zone fortement dopée dont la profondeur par rapport au substrat détermine la tension de claquage, est constitué par la gorge formant le mésao De préférence, le dispositif est en forme de double mésa et ledit évidement est constitué par la gorge formant le mésa intérieure Dans le cas d'un ensemble monolithique comprenant deux transistors montés en amplificateur du type DARNTNGTON, la diode de protection est de préférence en parallèle avec la jonction basecollecteur du transistor d'entrée. Lorsque la tension appliquée au montage dépasse un seuil déterminé, la diode passe en régime d'avalanche et rend les transistors conducteurs, ou plus conducteurs, et limite la montée en tension avant que les transistors du montage risquent le claquage. Par exemple, dans le cas d'un DARLINGDONDARLIN@TON pu d'un transistor avec une charge inductive, la diode protège le DARLINGTON ou le transistor d'une surtension excessive due à une coupure en conditions anormales. De préférence, le contact de la diode de protection d'un amplificateur DhRIINGION, qui est en meme temps le contact de base du transistor d'entrée est entouré par l'émetteur de façon que, lors du claquage, la tension de claquage soit appliquée à la base du transistor d'entrée. Le gain de ce dernier intervient ainsi dans 1 'écoulement du courant dû à la surtension. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une diode de protection d'un transistor intégrée au sein de la mGme plaquette que ce dernier. Le procédé, selon lequel, sur un substrat fortement dopé, on réalise successivement trois régions superposées de types de conductivité alternés, la première au moins étant une couche épitaxiale de meme type de conductivité que le substrat et moins dopée que ce dernier, est remarquable principalement en ce qu'on effectue un décapage localisé à partir de la surface jusqu'à pénétrer dans ladite couche épitaxiale, et on diffuse à travers la surface de l'évidement ainsi créé, une impureté donnant le meme type de conductivité que la deuxième ré gion, avec une concentration élevée et sur une profondeur qui laisse entre la zone ainsi diffusée et le substrat une distance déterminant une tension de claquage inférieure à la tension de claquage BV,, du transistor formé par les trois régions. On a tracé sur la figure 1 des dessins annexés à la présente demande, les courbes de la tension de claquage 3V d'une diode épitaxiale présentant le phénomène de claquage en fonction de la concentration C en impuretés de dopage de la région de la diode faiblement dopée,- pour diverses épaisseurs de cette région, progressivement croissantes de h a X4. On constate que ces cour- bes indiquent pour chaque épaisseur une tension de claquage maximale, sensiblement constante pour toute une gamme de concentration suffisamment faibles.De préférence, la distance entre le substrat et la zone fortement dopée ajoutée selon l'invention, et la concentration en impuretés de dopage de la couche épitaxiale faiblement dopée du collecteur, sont déterminées pour que le point de la courbe de la figure 1 correspondant au claquage de la diode, soit situé sur la partie de courbe indiquant une tension de claquage sensiblement constante. Ainsi la tension de claquage de la diode n'est pas modifiée par une légère variation de la concentration en impuretés; elle est alors également très peu dépendante de la température, L'invention est applicable aux transistors plans épitaxiaux, en particulier multicouches et notamment aux transistors à base épitaxiale et aux transistors à faible concentration dtémetteur dits L 3 C ( de l'anglais low emitter concentration) dans lesquels l'émetteur est constitué d'une couche épitaxiale à faible concentration, dans laquelle est diffusée une zone superficielle à forte concentration, de même type de conductivité.L'invention est applicable en particulier aux transistors de puissance et aux transistors d'entrée des dispositifs amplificateurs intégrés tels que les amplificateurs DARLINGTON, NPN - NPN ou PNP - NPN ou PNP - PNP intégrés dans un cristal de silicium, éventuellement avec d'autres éléments actifs et/ou passifs, La description qui va suivre en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment itinvention peut astre réalisée. La figure 2 est un schéma d'un transistor avec sa diode de protection. La figure 3 est une coupe d'un transistor avec sa diode de protection selon le schéma de la figure 2. La figure 4 est une coupe dd'unautre transistor avec sa diode de protection selon le schéma de la figure 2. La figure 5 est un schéma de montage amplificateur DARIIisGTCIs. La figure 6 est une coupe des transistors dtun montage DARIIIDGTON intégré dans une plaquette monolithique La figure 7 est une vue en plan du montage représenté en coupe selon la droite AA sur la figure 6. Un transistor 1, protégé contre les surtensions par une diode 2 branchée entre la base et le collecteur, selon le schéma de la figure 1, est représenté en coupe schématique sur la figure 3. Il y a lieu de noter que, sur la coupe de la figure 3, ainsi que sur les vues en coupe des figures 4 et 6, les proportions géométriques des dispositifs n'ont pas été respectées afin de rendre les dessins plus compréhensibles, les dimensions en épaisseur notamment, étant en réalité beaucoup plus faibles par rapport aux dimensions en surface. a Le transistor 1 est réalisé sur une plaquette substrat 3 de silicium de type de conductivité g , le signe + indiquant que la concentration en impuretés de dopage est relativement élevée, en tratnant notamment une résistivité inférieure à 0,1 Q cm.Le substrat est recouvert d'une couche épitaxiale 4 de type de conductivité N, peu dopée. Au-dessus de la couche 4 on trouve une autre couche épitaxiale 5 de type P et une troisième couche épitaxiale 6 de type N. Certaines parties des deux couches 5 et 6 ont été éliminées et le fond et les flancs des évidements ainsi créés ont fait l'objet d'une diffusion 7 à forte concentration d'impuretés de dopage donnant le type de conductivité P + Des zones diffusées 8 peu profondes, de type N+, occupent une partie superficielle de la couche 6 et constituent des zones de contact d'émetteur. Une configuration de plages métalliques 9 est déposée sur la surface des zones 8 et une autre configuration de plages métalliques 10 est déposée sur les parties des zones diffusées 7 situées dans le fond des évidements.Le reste de la surface du dispositif est recouvert d'une couche d'oxyde isolant 11 à ltexception-de la face opposée du substrat 3 qui est recouvert d'une couche mince métallique 12. Compte tenu de la résistivité de la couche 4, la distance x entre le point le plus profond des zones diffusées 7 et le substrat fortement dopé 3, détermine la tension de claquage entre la base du transistor, constituée par les zones 7 et la couche 5, et le collecteur du transistor, constitué par le substrat, constituant ainsi l'équivalent d'une diode de protection en parallèle avec la partie active de la jonction base collecteur, partie active située sous l'émetteur constitua par la couche 6 et les zones fortement dopées 8, selon la structure dite LEC. Le transistor représenté en coupe schématique sur la figure 4 est une variante de réalisation correspond nt à une structure dite à double mésa. Ce transistor est réalisé sur une plaquette substrat- 21 de silicium de type de conductivité P+ , recouvert d'une couche épitaxiale 22 de type de conductivité P peu dopée, et d'une couche épitaxiale 23 de type de conductivité N. La surface du dispositif présente des gorges profondes 24 et 25, ces dernières étant destinées à limiter latéralement l'extension de la zone désertée de la jonction baselcollecteur, Les flancs et le fond des gorges 24 sont constitués par une zone diffusée peu profonde 26 se prolongeant powr affleurer à la surface du dispositif en 27, la partie 27 de# cette zone diffusée étant en forme de peigne : la zone 26, 27 est de type de conductivité N+ et une autre zone dif fusée superficielle 28 de type de conductivité P+ est également en forme de peigne imbriqué dans la zone 27. La zone 28 constitue l'émetteur du transistor dont le contact est pris au moyen d'un déport métallique 30. La couche 23 constitue la base dont le contact est pris au moyen d'un dépit métallique 29 sur la zone 27, et la couche 22 constitue le collecteur dont le contact est pris au moyen d'une couche métallique 31 déposée sur la face arrière du substrat 21. Compte tenu de la résistivité de la couche 22, la distance entre le point le plus profond de la partie diffusée 26 et le substrat fortement dopé 21, détermine la tension de claquage entre base et collecteur. On a ainsi l'équivalent d'une diode de protection en parallèle avec la partie active de la jonction base collecteur. Sur la coupe de la figure 4 les couches d'oxyde n'ont pas été représentées. les figures 6 et 7 représentent, vu en coupe schématique, et en plan, un ensemble amplificateur DARLINGION comprenant deux transistors NPN dont un transistor d'entrée T1 et un transistor de sortie T2, ensemble protégé contre les surtensions par une diode h à tension de claquage inférieure aux BVCEO des deux transistors, placée entre la base et le collecteur du transistor d'entrée selon le schéma de la figure 5. L'ensemble est réalisé sur un substrat 51 de type N sur lequel a été déposée une première couche épitaxiale 52 de type N et une seconde couche épitaxiale 53 de type P. les deux transistors ont un collecteur commun constitué par le substrat 51 et la couche 52, et sont séparés par une gorge 59 partageant la couche 53 en deux régions. Dans la première région correspondant au transistor d'entrée T1 un évidement 57 est creusé; dans les flancs et le fond de 1' évidement 57 est diffusée une zone 54 de type P+, de profondeur telle que Sa distance au substrat 51 détermine la tension de claquage voulue. Une zone diffusée superficielle 55 de type ? entoure la zone 54 à quelque distance et cons titue l'émetteur du transistor d'entrée T1.le contact d'émetteur est pris au moyen d'un dépôt métallique 64.Un contact de base est également pris dans le fond de l'évidement 57 au moyen d'un dépit métallique 67. Le transistor de sortie X comporte un émetteur formé par une région superficielle diffusée 61 de type N+ dont le contour, vu en plan, comprend au moins une zone de surface suffisante pour y souder un fil ou une bande de connexion pour un courant important, et des zones étroites et longues entre lesquel les sont imbriquées d'autres zones étroites et lonEales, parties d'une région diffusée superficielle 60 de type P+ faisant fonction de région de contact de base du transistor de sortie T20 Sur les figures 6 et 7 les couches d'oxyde recouvrant la surface du dispositif n'ont pas été représentées.Un dépôt métallique 65 sur la région 60 constitue un moyen de contact sur la base et un déport métallique 66 sur la région 61 constitue un moyen de contact sur l'émetteur de transistor de sortie T2. Le dépôt 66 déborde légèrement de la région 61 et vient sur la couche 53, selon une aire de petite dimension 69, ce qui permet de réaliser ainsi la résistance ce R2 branchée entre la base et 11 émetteur du transistor de sortie T2. Cette résistance est ajoutée pour éviter l'amplIficatIon par le transistor de sortie T2 du courant de fuite du transistor d'entrée T1 0 La résistance E est constituée par la liaison que la gorge 59 laisse subsister entre les deux parties de couche 53 constituant les bases des deux transistors. Un amplificateur DARLINGTON, du type décrit en regard des figures 5, 6 et 7 peut entre utilisé avec une charge inductive, comme c'est le cas par exemple dans les circuits d'allumage électronique de moteurs automobiles. Des surtensions de l'ordre des milliers de volts sont accidentellement possible dans ces circuits et l'amplificateur doit wetre protégé. La diode D1 est prévue par exemple pour 300 à 400 volts ce qui est obtenu avec une distance X de 25 micromètres, une couche épitaxiale de collecteur présentant une concentration maximale de 1014 lui donnant une résistivité de l'ordre de 30 Acm, cette couche épitaxiale de collecteur ayant une épaisseur totale de 50 micromètres et la couche épitaxiale de base une épaisseur de 15 micromètres. - REVEDiDICATIOtTS- 1,- Dispositif semiconducteur comprenant au moins un transistor à structure plane épitaxiale dont le collecteur est constitué par un substrat fortement dopé recouvert d'une couche Apitaxiale faiblement dopée, caractérisé en ce qutil comporte au moins une zone fortement dopée, de meme type de conductivité que la région moins dopée constituant la base du transistor, s'éten- dant à partir du fond et des flancs d'un évidement creusé depuis la surface du dispositif la distance entre la dite zone et le substrat déterminant une tension de claquage maximale basecollecteur inférieure à la tension de claquage BVCEO du transistor en l'absence dudit évidement et de la dite zone. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contact de base est constitué par une configuration de traces conductrices appliquées sur le fond dudit évidement, la profondeur de ce dernier étant supérieure à l'épaisseur des couches épitaxiales de base et d'émetteur. 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, carac térisé en ce que ladite zone fortement dopée est une zone diffusée. 4,- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif étant en forme de mésa, ledit évidement est constitué par la gorge formant le mésa. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, le dispositif étant en forme de double mésa, ledit évidement est constitué par la gorge formant le mésa intérieur. 6Q Dispositif monolithique comprenant au moins deux transistors montés en amplificateur DARIINGUON,DARLIN@TON, l'émetteur du transistor était relié à la base du transistor de sortie, caractérisé en ce que les deux transistors ayant un collecteur commun, le transistor d'entrée comporte un évidement et une zone fortement dopée déterminant une tension de claquage base-collecteur déterminée, selon l'une des revendications 1 à 5. 7.- Procédé de réalisation d2un dispositif semiconducteur conforme à l'une des revendications 3 à 6, selon lequel, sur un substrat fortement dopé, on réalise successivement trois régions de types de conductivité alternés, la première au moins étant une couche épitaxiale de meme type de conductivité que le substrat et faiblement dopée, caractérisé en ce qu'on effectue un décapage localisé à partir de la surface jusqu'à pénétrer dans ladite couche épitaxiale et on diffuse, à travers la surface de l'évidement ainsi créé une impureté donnant le même type de conductivité que la deuxième région, avec une concentration élevée et sur une profondeur qui laisse entre la zone ainsi diffusée et le substrat une distance déterminant une tension de claquage inférieure à la tension de claquage BVCEO du transistor formé par lesdites trois régions 8o Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les profondeurs dudit décapage et de ladite diffusion et la concentration en impuretés de dopage de ladite couche épitasia- le faiblement dopée sont déterminées pour que la tension de claquage soit limitée par un phénomène de claquage dans des conditions rendant cette tension sensiblement indépendante de ladite concentration et de la température.