Brevet FR2335957A1 — publié le 19770715

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur monolithique comprenant au moins un ensemble de quatre diodes P/N branchées en pont de redressement pour les deux alternances, les bornes d'entrée étant reliées par deux branches en parallèle comprenant chacune deux diodes en opposition, les sorties étant prises entre les deux diodes de chaque branche. L'intégration dans un circuit monolithique d'éléments actifs semiconducteurs de forte puissance soulève des problèmes particuliers et parmi les différentes techniques d'intégration, on connaît la technique qui aboutit aux structures dites épitaxiales multicouches et permet la réalisation de circuits comprenant au moins un transistor de puissance. Des-amplificateurs de type Darlington ont été réalisés selon cette technique. On a cherché à pousser plus loin l'intégration et à réaliser par une technique d'intégration de semiconducteurs des ensembles plus importants, comportant notamment un pont de redressement.Mais les 4 diodes composant le pont de redressement pour les deux alternances représentent une surface très importante dans le cas de diode de forte puissance, ce qui soulève de nombreux problèmes d'homogénéité, de dissipation thermique, de fiabilité; les risques de déchets en cours de fabrication sont importants et le prix de revient d'un ensemble intégré est alors prohibitif. La présente invention a principalement pour but de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus et de fournir un pont de diodes de redressement intégré dans une plaquette monolithique de matériau semiconducteur, avec éventuellement d'autres éléments actifs et/ou passifs. L'invention utilise la technique dite épitaxiale multicouche selon laquelle, sur un substrat de préférence fortement dopé, on fait croître successivement plusieurs couches épitaxiales formant un ensemble de régions superposées de types de conductivité alternés. Certaines parties de dispositif sont dites faiblement dopées, d'autres fortement dopées. Il y a Beu de noter que le qualificatif fortement dopé s'applique plutôt a des régions présentant une concentration d'impuretés de dopage égale ou supérieure à 1018 atomes par cm3, et le qualificatif faiblement dopé dans le cas de concentration égale ou inférieure a 1016 atomes par cm3. Selon l'invention, le dispositif semiconducteur monolithique comprenant au moins un ensemble de quatre diodes P/N branchées en pont de redressement pour les deux alternances, les bornes d'entrée étant reliées par deux branches en parallèle comprenant chacune deux diodes en opposition, les sorties étant prises entre les deux diodes de chaque branche, est remarquable principalement en ce que, le dispositif étant constitué d'un substrat recouvert d'une succession de couches épitaxiales de types de conductivité alternés, les deux diodes de la première branche sont formées par les jonctions entre le substrat et des portions co-planaires de la première couche épitaxiale de type de conductivité opposé, et les deux diodes de la seconde branche sont formées par les jonctions entre des portions co-planaires de la couche épitaxiale superficielle et des zones localisées de type de conductivité opposé s'étendant vers l'intérieur de cette dernière couche partir de sa surface, lesdites portions de couches étant superposées et limitées par des gorges atteignant le substrat, et un court-circuit étant établi entre ladite première couche et ladite couche superficielle. Le dispositif selon l'invention comporte ainsi des diodes superposées deux a deux, ce qui représente un gain de place de près de 50% par rapport a l'intégration de diodes toutes les unes a côté des autres. Les deux groupes de deux diodes superposées peuvent être identiques et on élimine ainsi toute dissymétrie entre les ondes redressées. La compacité du dispositif améliore l'homogénéité en température, notamment entre les deux diodes d'un groupe. La disposition des diodes du dispositif permet en outre de diminuer le nombre de connexions externes. Dans une forme préférentielle de réalisation ladite première couche épitaxiale est partagée en deux lits entre lesquels s'étend localement une couche intermédiaire de même type de conductivité fortement dopée et les contacts de bornes d'entrée du dispositif sont pris au moyen d'au moins une zone localisée profonde s'étendant depuis la surface jusqu'à ladite couche intermédiaire, de même type de conductivité que cette dernière et fortement dopée. Pour éviter d'avoir a effectuer une diffusion profonde, qui est une opération longue ou qui nécessite de hautes températures, le dispositif peut comporter des gorges dont la profondeur correspond sensiblement a l'épaisseur de la couche épitaxiale superficielle et qui traversent ainsi cette dernière couche et éventuel lement le lit supérieur de la première couche épitaxiale; de cette façon, la zone qui atteint la couche intermédiaire peut être, pour ce faire, d'une épaisseur minimale et nécessiter par exemple, une diffusion de courte durée et a faible température. Dans une forme avantageuse de réalisation du dispositif, le substrat sur lequel est déposée la première couche épitaxiale, comporte lui-même une couche épitaxiale de faible épaisseur relative, de même type de conductivité que la masse dudit substrat, mais moins dopée. Cette couche préalablement déposée sur le substrat permet d'obtenir une meilleure tension de claquage de la jonction entre le substrat et la première couche épitaxiale de type de conductivité opposé. En outre, cette couche préalable faiblement dopée évite une remontée inopportune des impuretés de dopage du substrat vers la première couche épitaxiale, lors des dépôts épitaxiques et des autres opér#ions thermiques. La structure du dispositif selon l'invention est compatible avec celle des transistors et des autres éléments semiconducteurs intégrables, du type plan épitaxial notamment. Selon un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, le pont de diodes de redressement est intégré dans le même ensemble monolithique que d'autres éléments semiconducteurs, actifs ou passifs, par exemple, un ou plusieurs transistors, une ou plusieurs résistances, d'autres diodes. Par exemple le dispositif comprend un pont de diodes de redressement et un amplificateur de type Darlington composé de deux transistors, l'émetteur du premier transistor étant relié Cf la base du second et les collecteurs des deux transistors étant reliés l'un l'autre et à la sortie du pont de diodes. Les transistors de l'amplificateur Darlington sont réalisés dans la même structure que le pont de diodes, le substrat comportant éventuellement une couche épitaxiale préalable moins dopée, forme les collecteurs des transistors, la première couche épitaxiale de type de conductivité opposé forme les bases des transistors, la couche-epitaxiale superficielle est du même type de conductivité que le substrat et forme les émetteurs des transistors. De préférence, la couche épitaxiale superficielle est peu dopée et les émetteurs des--transistors comportent chacun une zone superficielle mais fortement dopée, qui donne aux transistors la structure, remarquable par la faible concentration d'émetteur, dite LEC (de l'anglais Low Emitter Concentration) qui assurent aux transistors un gain élevé et une bonne résistance au phénomène de second claquage. Les transistors de l'amplificateur sont isolés l'un de l'autre et isolés du pont de diodes au moyen de gorges creusées dans la plaquette jusqu'S atteindre le substrat. De préférence, pour éviter que les jonctions P/N entre la première couche épitaxiale de type de conductivité opposé et la couche superficielle du même type de conductivité que le substrat, n'affleurent latéralement dans les gorges creusées pour limiter et isoler les différents éléments du dispositif, notamment les jonctions émetteur-base des transistors, des zones dudit type opposé de conductivité et fortement dopée sont interposées entre lesdites jonctions P/N et la paroi des gorges. Ces zones sont de préférence des zones diffusées depuis la surface du dispositif jusqu'S une profondeur légèrement supérieure à l'épaisseur de la couche épitaxiale superficielle. Avantageusement, des zones localisées dudit type opposé et de même profondeur que les précédentes et pouvant être diffusées simultanément, constituent des éléments résistants; ces éléments sont limités par exemple par des gorges ou par des zones diffusées ou implantées du premier type de conductivité. L'invention est applicable à la réalisation de ponts de redressement intégrés et en particulier de ponts de redressement constituant une partie du circuit de puissance de dispositif d'alimentation stabilisée. L'invention permet notamment d'intégrer dans un même cristal monolithique une alimentation stabilisée complète, aux capacités près. La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est le schéma d'un pont de redressement pour les deux alternances. La figure 2 est une coupe schématique d'un dispositif intégré conforme au schéma de la figure 1. La figure 3 est un schéma de la partie "circuit de puissance" d'un dispositif d'alimentation stabilisée. La figure 4 est une coupe schématique d'un dispositif intégré conforme au schéma de la figure 3, selon la ligne Il de la figure 5. La figure 5 est une vue en plan du dispositif de la figure 4. Il est à noter que, sur les figures des dessins annexés, les couches d'oxyde résultant des traitements ou déposées intentionnellement, n'ont pas été représentées, et que 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. Le dispositif représenté en coupe sur la figure 2, dont le schéma est donné sur la figure 1, comprend quatre diodes D1 à D4 branchées en pont de redressement pour les deux alternances. Les bornes d'entrée A et B sont reliées par deux branches en parallèle, une première branche comprenant les deux diodes D1 et D2 en opposition et une seconde branche comprenant les deux diodes D3 et D4 en opposition. Les sorties sont prises entre les deux diodes de chaque branche en S1 et S2. Le dispositif est réalisé sur une plaquette substrat 1 en silicium monocristallin par exemple, de type de conductivité N. Sur le substrat 1 s'étend une première couche épitaxiale 2a-2b de type de conductivité P recouverte d'une seconde couche épitaxiale 4a-4b de type de conductivité N.Le dispositif est limité par des gorges 11 qui servent a limiter les jonctions et éventuellement d'amorces de rupture lors de la séparation d'avec les autres dispositifs réalisés a partir de la même plaquette. Le dispositif est partagé en deux portions sensiblement identiques, mais qui pourraient être symétriques ou simplement de surfaces et volumes équivalents, par une gorge 10 atteignant le substrat 1 délimitant ainsi deux portions de jonctions entre la couche épitaxiale 2a-2b et le substrat 1, qui constituent les diodes D3 et D4. Des zones diffusées profondes 7a et 7b de type de conductivité P, de préférence fortement dopées, atteignant respectivement les régions 2a et 2b constituent des zones de contact pour ces deux régions. Des zones superficielles 5a et 5b de type de conduc tivité N, fortement dopées, sont diffusées respectivement dans les régions 4a et 4b. Les jonctions entre les zones diffusées 5a-5b d'une part et les portions de couche épitaxiale 4a-4b d'autre part, constituent les diodes D1 et D2. Des contacts sont pris sur les zones Sa et 5b au moyen de dépôts métalliques localisés 9a et 9b respectivement. Des contacts sont pris sur les régions 4a et 4b, par l'intermédiaire des zones diffusées superficielles 6a et 6b, de type de conductivité N, fortement dopées, au moyen de dépôts métalliques localisés 8a et 8b, qui prennent également contact sur les zones 7a et 7b, réalisent ainsi les connexions, entre les diodes D1 et D3 d'une part, D2 et D4 d'autre part, établissent un court-circuit des jonctions entre les régions 4a et 4b d'une part, 2a et 2b d'autre part, et suppriment ainsi l'effet transistor que ces jonctions pourraient provoquer. La figure 3 donne le schéma d'un dispositif constituant une partie d'alimentation stabilisée et comprenant un pont de diodes de redressement et un circuit amplificateur Darlington. A une sortie 53 du pont, qui comprend quatre diodes D5 a D8 montées sur deux branches en parallèle reliant les entrées 51a et 51b, est prévu un amplificateur qui comprend un transistor d'entrée T1 et un transistor de sortie de puissance T2. Les collecteurs des transistors T1 et T2 sont reliés à la borne 53 de sortie du pont. Une résistance R1 est branchée entre la base et l#####au transistor T1, et une résistance R2 est branchée entre la base et l'émetteur du transistor T2. Le dispositif selon le schéma de la figure 3 peut-être totalement intégré dans une plaquette semiconductrice selon la structure montrée par les figures 4 et 5. Le dispositif est formé sur un substrat 41, de silicium de type de conductivité N+ fortement dopé. Le substrat 41 est recouvert d'une couche épitaxiale 42 de 10 micromètres d'épaisseur, de type de conductivité N, dopée pour avoir une résistivité de l'ordre de 4 Qcm. Sur la couche 42 on a déposé une couche épitaxiale de type de conductivité P, formée de deux lits superposés 43 et 44, faiblement dopés, ayant chacun une épaisseur de 10 pm et une résistivité de l'ordre de 7 Qcm, puis une couche épitaxiale superficielle 45, de type de conductivité N, dopée pour avoir une résistivité de l'ordre de 4 Qcm, et de 8 pm d'épaisseur. Le dispositif est divisé en quatre parties principales par des gorges 56 qui délimitent des portions de couches correspondant au transistor T1, au transistor T2 et à chacun des deux groupes identiques de diodes, D5 et D7 d'une part, D6 et D8 d'autre part. Dans les parties correspondant aux diodes, une couche enterrée 50 de type de conductivité P fortement dopée, ayant une résistance superficielle de 100 à 300 Q par carré, est interposée entre les deux lits 43 et 44. Cette couche 50 peut être obtenue par diffusion d'un dépôt, ou d'une prédiffusion, effectuée entre les dépôts épitaxiques des lits 43 et 44. Les deux diodes D7 et D8 d'une première branche sont constituées chacune par la jonction entre la couche épitaxiale 42 du substrat et une portion 13 du lit épitaxial 43, la portion 13 étant électriquement solidaire d'une portion correspondante 14 du lit épitaxial 44 par l'intermédiaire de la couche 50. Les deux diodes D5 et D6 de la seconde branche sont constituées chacune par la jonction entre une portion 15 de la couche épitaxiale 45 et une région 20 diffusée localement en forme d'îlot dans la portion 15, fortement dopée et de type de conductivité P+. Des gorges 49 sont creusées dans les portions de couche 45 correspondant aux diodes, ce qui permet à des zones 48 diffusées dans les gorges et, localement, à la surface de la couche 45, d'atteindre la couche enterrée 50. Les zones 48 sont de type P+, fortement dopées et peu profondes, leur résistance superficielle est de l'ordre de 4 à 5 n par carré et leur profondeur de 4 vm. Les portions 15 sont limitées en surface et de préférence entourées par des zones diffusées 17 de type de conductivité P, dopées pour avoir une résistance superficielle de l'ordre de 100 Q par carré. Les contacts sur les régions 20 des diodes D5 et D6 pour leur liaison à une borne de sortie 52, sont réalisés au moyen de dépôts métalliques localisés 12. Les contacts sur les zones 48 pour leur liaison aux bornes d'entrée 51a et 51b sont réalisés au moyen de dépôts métalliques localisés 18 qui servent également de prises de contact sur les régions 15 dans lesquelles sont diffusées, dans ce but, des zones diffusées superficielles 16, de type de conductivite N+ fortement dopées. Les cathodes des diodes D7 et D8 sont reliées aux collecteurs des transistors T1 et T2 par le substrat 41 qui constitue effectivement ces collecteurs. Le transistor T1 limité par les gorges 56 a une base constituée par les portions 23 et 19 des lits épitaxiaux 43 et 44 respectivement. L'émetteur du transistor T1, du type à faible concentration d'émetteur dit LEC (de l'anglais Low Emitter Concentration) est constitué par une portion 27 de la couche épitaxiale 45 et une zone diffusée superficielle 26 de type de conductivité N+ fortement dopée, avantageusement de mêmes caractéristiques que les zones 16 et pouvant ainsi être diffusée simultanément a ces dernières. La région 27 est limitée et entourée par une zone annulaire 24 qui sert également de zone de prise de contact de base.La zone 24 a de préférence les mêmes caractéristiques que les zones 17 et peut ainsi être diffusée simultanément à ces dernières. Le contact de base du transistor T1 est pris au moyen d'un dépôt métallique localisé 21. Le transistor T2, limité par les gorges 56 a une base constituée par les portions 33 et 34 des lits épitaxiaux 43 et 44 respectivement. L'émetteur du transistor T2, du type LEC, est constitué par une portion 35 de la couche épitaxiale 45 et une zone diffusée superficielle 36 de type de conductivité N+ fortement dopée, avantageusement de mêmes caractéristiques que les zones 16 et 26 et diffusée simultanément à ces dernières. La région 35 est limitée et entourée par une zone annulaire 37 qui sert également de zone de prise de contact de base. Cette zone 37 a de préférence les mêmes caractéristiques que les zones 17 et 24 et peut ainsi être diffusée simultanément à ces dernières. Le contact de base du transistor T2 est pris au moyen d'un dépôt métallique localisé 28 et le contact d'émetteur au moyen d'un dépôt métallique localisé 29 relié à une borne 55 de sortie de l'amplificateur. Les gorges 56 séparant les portions correspondant aux transistors T1 et T2 forment une chicane dans laquelle se trouve située la résistance R1. Par cette chicane, les zones 37 et 24 forment une seule région continue dont la partie 47, située dans la chicane et reliant ainsi la base du transistor T1 à la base du transistor T2 constitue la résistance R1. La valeur de cette résistance est augmentée au moyen d'une ou plusieurs zones diffusées superficielles 46, de type de conductivité opposé à celui de la zone 47, qui réduisent la section utile de cette dernière. La liaison électrique entre l'émetteur du transistor T1 et la base du transistor T2 est obtenue au moyen d'un dépôt métallique 22 en forme de bande reliant les dépôts 21 et 28. Le dépôt métallique 22 est isolé des zones 46 et 47 au moyen d'une couche d'oxyde 30 qui peut être la couche non représentée recouvrant l'ensemble du dispositif après les opérations de décapage et de diffusion et dans laquelle sont pratiquées des ouvertures de contact. La résistance R2 est constituée par la liaison électrique existant entre la zone 36 de l'émetteur du transistor T2 et la zone 37 de la base de ce même transistor grâce au dépôt métallique du contact d'émetteur 29 qui déborde partiellement sur la zone 37, selon un domaine très restreint 57. Le dispositif selon l'invention peut être réalisé par un procédé ne comportant que des opérations ressortant des techniques habituelles connues dans les fabrications de dispositifs semiconducteurs, telles que: épitaxies, diffusions, implantadons ioniques, oxydations, décapages, photogravures ou autres.Par exemple le dispositif décrit en regard des figures 3, 4 et 5 peut être réalise selon la succession d'opérations suivantes, a partir d'une plaquette substrat de silicium de type N+: - dépôt épitaxique de la première couche 42, de type N - dépôt épitaxique du premier lit 43 de la couche de type P - dépôt localisé du dopant en vue de la diffusion de la couche enterrée 50 de type P+ - dépôt épitaxique du second lit 44 de la couche de type P - dépôt épitaxique de la couche superficielle 45 de type N - diffusion localisée des zones 17, 24, 47 et 37 de type P - gravure des gorges 49 - diffusion localisée des zones 20 et 48 de type P+ - diffusion localisée des zones 16, 26, 46 et 36 de type N+ - gravure des gorges 56 - passivation, par dépôt d'oxyde sur la surface et dans les gorges - ouverture des contacts - métallisation et photogravure de la couche métallique déposée, en vue des connexions. Les dopants utilisés sont choisis parmi les dopants habituels par exemple, arsenic ou phosphore pour donner le type N, bore pour le type P. La gravure peut être effectuée par décapage chimique. - REVENDICATIONS 1.- Dispositif semiconducteur monolithique comprenant au moins un ensemble de quatre diodes P/N branchées en pont de redressement pour les deux alternances, les bornes d'entrée étant reliées par deux branches en parallèle comprenant chacune deux diodes en opposition, les sorties étant prises entre les deux diodes de chaque branche, caractérisé en ce que, le dispositif étant constitué d'un substrat recouvert d'une succession de couches épitaxiales de types de conductivité alternés, les deux diodes de la première branche sont formées par les jonctions entre le substrat et des portions co-planaires de la première couche épitaxiale de type de conductivité opposé, et les deux diodes de la seconde branche sont formées par les jonctions entre des portions co-planaires de la couche épitaxiale superficielle et des zones localisées de type de conduc tivité opposé s'étendant vers l'intérieur de cette dernière couche à partir de sa surface, lesdites portions de couches étant superposées et limitées par des gorges atteignant le substrat, et un court-circuit étant établi entre ladite couche superficielle et ladite première couche. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première couche épitaxiale est partagée en deux lits entre lesquels s'étend localement une couche intermédiaire de même type de conductivité fortement dopée et les contacts d'entrée du dispositif sont pris au moyen d'au moins une zone localisée profonde s'étendant depuis la surface jusqu'a ladite couche intermédiaire, de même type de conductivité que cette dernière et fortement dopée. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone localisée profonde est diffusée dans des gorges creusées à partir de la surface du dispositif jusqu'à atteindre au moins le lit supérieur de ladite première couche épitaxiale. 4.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat sur lequel est déposée la première couche épitaxiale, comporte lui-même une couche épitaxiale de faible épaisseur relative, de même type deconductivité que la masse dudit substrat, mais moins dopée. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un pont de diodes de redressement et un amplificateur de type Darlington composé de deux transistors, l'émetteur du premier transistor étant relié à la base du second et les collecteurs des deux transistors étant reliés l'un à l'autre et à la sortie du pont de diodes. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les transistors de l'amplificateur Darlington sont réalisés selon la même structure que le pont de diodes, le substrat comportant une couche épitaxiale préalable moins dopée et formant les collecteurs de transistors, la première couche épitaxiale de type de conductivité opposé formant les bases des transistors, la couche épitaxiale superficielle du même type de conductivité que le substrat formant les émetteurs des transistors. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche superficielle étant peu dopée, les émetteurs des transistors comportent chacun une zone superficielle diffusée de même type de conductivité que la couche épitaxiale superficielle mais fortement dopée. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les transistors de l'amplificateur sont isolés l'un de l'autre et isolés du pont de diodes au moyen de gorges creusées dans la plaquette jusqu'à atteindre le substrat. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que, entre la paroi desdites gorges et les jonctions P/N entre la première couche épitaxiale de type de conductivité opposé et la couche superficielle du même type de conductivité que le substrat, des zones dudit type opposé de conductivité et fortement dopées sont interposées, ces zones étant diffusées depuis la surface du dispositif jusqu'à une profondeur légèrement supérieure à l'épaisseur de la couche épitaxiale superficielle. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que des zones localisées du même type/et dememe profondeur que lesdites zones interposées et diffusées simultanément, constituent des éléments résistants, qui sont limités par des gorges et par des zones superficielles du premier type de conductivité.