Brevet FR2393430A1 — publié le 19781229

L'invention concerne un point de couplage pour lignes téléphoniques et plus particulièrement un point de couplage intégré à semi-conducteur, du genre thyristor, réalisé dans une poche isolée de matériau semiconducteur et présentant un courant de fuite vers le substrat considérablement réduit. L'industrie des centraux téléphoniques a toujours utilisé un grand nombre de ces points de couplage pour assurer la connexion électrique entre différentes lignes sélectionnées d'un central. Après avoir employé des points de couplage électromécaniques, puis à semi-conducteur de type discret, la tendance actuelle de cette industrie est de développer des points de couplage à semi-conducteur du type à circuits intégrés. Elle tire ainsi profit de tous les avantages inhérents à cette technologie: densité importante due à la miniaturisation (LSI), vitesse de commutation très élevée, consommation électrique réduite, fiabilité, etc. . En outre, les technologies de fabrication des circuits intégrés à semiconducteur à forte densité sont parfaitement au point.Dans cette conception, une pluralité de thyristors est intégrée sur un même substrat semiconducteur, selon une matrice de NxN éléments, chaque thyristor étant isolé électriquement des autres par des murs d'isolation, du même type de conductivité que le substrat, qui définissent avec ce dernier des poches isolées de matériau semi-conducteur. Pour un bon fonctionnement du central, il est impératif que les thyristors soient d'abord parfaitement isolés les uns des autres, en d'autres termes il ne doit exister aucun couplage électrique entre deux thyristors quelconques de la matrice. Si l'isolement était insuffisant, il se produirait des couplages entre des lignes différentes de la matrice d'ou les phénomènes de diaphonie, bien connus pour être particulièrement gênants. Ensuite chaque thyristor doit être parfaitement découplé vis-à-vis du substrat. Ce dernier est toujours porte au potentiel le plus négatif existant sur le bloc semi-conducteur généralement à la masse. Si le découplage du thyristor vis-à-vis du substrat s'avère insuffisant, une partie, parfois importante, du courant anode-cathode du thyristor à l'état conducteur peut être dérivée sous la forme d'un courant de fuite vers le substrat à travers les murs d'isolement. Ceci entraîne des pertes de courant, dites pertes d'insertion particulièrement gênantes non seulement par la consommation supplémentaire d'énergie qu'elles occasionnent mais aussi par les diaphonies qui en résultent. Ce dernier problème peut être aisément compris en s'aidant des figures 1A à 1C. Les figures 1A et 1B représentent'respectivement la vue de dessus et une vue en coupe selon la ligne AA d'une structure de thyristor classique de l'art antérieur. La figure 1C représente le schéma électrique équivalent de la structure du thyristor montrée sur les figures 1A et 1B, qui met en évidence l'existence d'éléments parasites non souhaités. On se référera plus particulièrement aux figures 1A et 1B. Sur ces figures, on trouve une structure semi-conductrice qui comporte une première région 1 d'un premier type de conductivité, appelée région de cathode, une seconde région 2 de forme annulaire d'un second type de conductivité, opposé audit premier type, et appelée région de porte, une troisième région 3 dudit premier type et qui est en fait une portion de la couche épitaxiale formée au-dessus du substrat, une quatrième région 4 du second type de conductivité appelée région d'anode. L'ensemble de ces quatre régions forme un thyristor ou encore un élément redresseur semi-conducteur à conduction commandée (SCR).La structure du thyristor est disposée dans une poche isolée par des murs d'isolement qui rejoignent le substrat, tous du second type de conductivité et fortement dopés et formant ensemble de façon classique une cinquiee région 5 en forme de cuvette. La seconde région forme respectivement avec les première et troisième régions, les jonctions redresseuses 512 et 523 tandis que la troisième région forme respectivement avec les quatrième et cinquième régions les jonctions redresseuses d34 et 335. Généralement une sixième région enterrée 6 appelée région de souscollecteur est disposée à l'interface du substrat 5, et de la couche épitaxiale 3. Cette région fortement dopée est du premier type de conductivité La structure est achevée par la mise en place d'une couche de passivation et d'électrodes A, K, G et S respectivement en contact ohmique avec les régions d'anode 4, de cathode 1, de porte 2 et de substrat 5. Afin de simplifier l'exposé nous avons choisi le type N comme premier type de conductivité et le type P comme second type de conductivité. Par ailleurs, il ne sera pas fait mention du procédé de fabrication d'une telle structure, celui-ci ne faisant pas partie de l'invention puisque, seules des techniques connues: d'élaboration du substrat, de dépôt épitaxial, de diffusion, de photolithographie, de passivation et de métallurgie, sont mises en oeuvre. L'intégration du thyristor de l'art antérieur de la façon décrite ci-dessus conduit à introduire des éléments parasites et notamment un transistor latéral PNP formé par les seconde, troisième et cinquième régions. Le transistor parasite apparaît plus clairement sur la figure 1C qui est la représentation électrique du dispositif D qui est réellement obtenu après intégration. Sur cette figure, on trouve d'abord le thyristor Th compose de façon classique par un transistor PNP (latéral) Tr2 formé des régions P4, N3, P2, un transistor NPN (vertical) Trl formé des régions N3, P2, Nî, les liaisons électriques et physiques sont celles représentées sur la figure. On trouve également un transistor PNP latéral parasite Tr3 -forme par les régions P5, N3, P2. Le dispositif électrique D réellement obtenu se comporte donc comme un thyristor parfait Th associé à un transistor parasite Tr3. Comme on peut le constater le courant 1C3 qui circule dans le collecteur de Tr3 est le courant de fuite dont il a été fait mention ci-dessus, courant qui est dérivé vers le substrat, et donc perdu pour le thyristor Th.Ce courant peut provoquer des couplages entre thyristors allumés, en raison de la résistance répartie du substrat, et donc des diaphonies inadmissibles entre des lignes différentes d'un central téléphonique. Le fonctionnement du dispositif D va être maintenant décrit en détail en référence aux figures 1A à 1C. La borne G étant reliée à une tension de commande positive par rapport au potentiel de la cathode, et l'anode étant reliée à une tension de polarisation positive par rapport au potentiel de la cathode, la jonction 512 est polarisée en direct d'où le courant 1B1 et la conduction de Trl, ce qui établit 1C1 = 1B2 + 1B3 Dans ces conditions le transistor latéral Tr2 conduit et le courant 1C2 polarise à son tour la jonction 512. Ainsi même si la tension sur l'électrode de porte G disparaît les transistors Trl et Tr2 restent conducteurs. Pour bloquer le thyristor Th, il est connu soit d'appliquer une tension négative à la borne G, soit de supprimer la polarisation de l'anode. En fait le thyristor à l'état conducteur signifie que les deux transistors qui le composent, Trl.et Tr2 sont saturés. Le courant d'anode IA est essentiellement un courant de trous puisque c'est le courant d'émetteur du PNP, Tr2. C'est un courant qui est inversement proportionnel à la largeur de la base électrique et proportionnel au périmètre de la région 4. Si on néglige les recombinaisons des trous dans la base du PNP (région épitaxiale 3) on retrouve ce courant dans la région 2 qui est la région de collecteur de Tr2. Une partie relativement faible de ce courant sert de courant de base pour le transistor vertical NPN, Trl (courant de porteurs majoritaires à la jonction 512 polarisée en direct) mais surtout le reste de ce courant de trous est pris en charge par le transistor parasite PNP, Tr3, la région 2 lui servant de région émetteur, en négligeant toujours la recombinaison dans la base de Tr3 (région épi taxi ale 3) ce courant de trous se retrouve dans les murs d'isolement 5 sous la forme d'un courant parasite 1C3 La figure 2 montre l'importance relative, selon le sens conventionnel, de différents courants existant au niveau de la jonction 534 pour différentes polarisations de cette jonction dans le cas d'un thyristor classique.Le courant total IA est essentiellement un courant de trous qui est émis par la région P4 fonctionnant comme émetteur de Tr2 (courant référencé par 1PL > et qui pénètre dans la région de porte 2 en négligeant les recombinaisons dans la base de Tr2. Ce courant de trous recombinés est équivalent à un courant d'électrons InV2 (pratiquement négligeable) qui s'ajoute au courant d'électrons de la jonction 512 polarisée en direct 1nVl L'ensemble du courant électronique 1nV = 1nVl + 1nV2 ff Inyl est la composante électronique du courant collecteur du NPN vertical Trl soit 1C1 Le courant de trous 1C2 qui pénètre dans la base 2 du transistor Trl assure sa saturation, mais une partie importante est transférée dans le mur d'isolement 5 par effet transistor en raison du transistor Tr3 constitué par les régions 2, 3 et 5 où il constitue le courant parasite aux auxrecombinaisons prés. Le courant ICl se retrouve approximativement sur la cathode pour constituer le courant de cathode iK = IE1. Ce courant de fuite 1C3 &num; 1C2 constituera donc une perte importante pour l'anode. Il est en outre, susceptible de créer des diaphonies non désirées entre thyristors conducteurs. La présente invention a donc pour objet principal de créer un thyristor susceptible d'être intégré dans un substrat semi-conducteur présentant des courants de fuite anode-substrat réduits a un taux admissible. Un autre objet de la présente invention consiste à réaliser une matrice de points de couplage, du genre thyristor, intégrés sur un même substrat semi-conducteur pour application à des centraux téléphoniques dans laquelle les pertes par insertion et la diaphonie sont considérablement réduites. A cet effet, la présente invention concerne une structure semiconductrice perfectionnée, du genre thyristor, comportant une première région d'un premier type de conductivité, disposée dans une seconde région d'un second type de conductivité opposé audit premier type, ladite seconde région étant disposée dans une troisième région dudit premier type de conductivité, une quatrieme région dudit second type de conductivité disposée également dans ladite troisième région et adjacente a ladite seconde région, lesdites première, seconde et quatrième régions formant respectivement les régions de cathode, de porte et d'anode dudit thyristor contenu dans une première cuvette d'isolement formant une cinquième région dudit second type de conductivite caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une septième région dudit premier type de conductivité disposée dans ladite quatrième région et connectée électriquement à cette dernière. Dans une autre réalisation préférée, la présente invention propose d'ajouter à la structure perfectionnée qui vient d'être définie une sixième région fortement dopée dudit premier type de conductivité agissant comme région de sous-collecteur enterré associée à une huitième région de même type de conductivité formant une seconde cuvette disposée à l'intérieur de ladite première cuvette. Encore dans une autre réalisation préférée, la présente invention propose d'ajouter à la structure perfectionnée une neuvième région dudit second type de conductivité, de forme annulaire isolant à la surface de la structure les régions actives du thyristor de ladite première cuvette d'isolement. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. Les figures 1A et 1B représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon la ligne A-A d'une structure de thyristor intégré classique de l'art antérieur. La figure 1C représente le schéma électrique équivalent de ladite structure mettant en évidence l'existence d'éléments parasites. La figure 2 montre le bilan des courants présents au niveau de la jonction anode-épitaxie en fonction de la tension qui lui est appliquée. Les figures 3A et 3B représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon la ligne B-B d'une structure de thyristor intégré perfectionné selon une première réalisation préférée de l'invention. La figure 3C représente le schéma électrique équivalent de ladite structure mettant en évidence les différents courants existants. La figure 4 montre le bilan des courants présents au niveau de la jonction anode-épitaxie en fonction de la tension qui lui est appliquée. Les figures SA et 5B représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon la ligne C-C d'une structure de thyristor intégré perfectionnée selon une seconde réalisation préférée de l'invention. La figure 5C représente le schema electrique équivalent de ladite structure mettant en évidence les différents courants existants. Les figures 6A et 6B représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon la ligne D-D d'une structure de thyristor intégré perfectionnée selon la présente invention. La figure 6C représente le schéma électrique équivalent de ladite structure des figures 6A et 6B mettant en évidence les différents courants existants. La figure 7 représente le courant de fuite dans le substrat IS en fonction du courant anode. On se référera maintenant aux figures 3A et 3B qui représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon la ligne B-B de cette vue de dessus d'une structure de thyristor perfectionné, conforme aux enseignements de la présente invention. La structure de base reste celle du thyristor classique, simplement une septième région du premier type de conductivité est introduite dans la quatrième région ou région anode. Les contacts ohmiques réalisés respectivement avec lesdites quatrième et septième régions sont court-circuités. Ainsi que le montre plus clairement la figure 3C on introduit un nouveau transistor Tr4 de type NPN formé par les régions 7, 4 et 3, dont la jonction base-collecteur J47 est court-circuitée et qui fonctionne donc en diode.Le courant d'électrons 1nV (essentiellement Iny1) reste inchangé, par contre la diode P4 N3 injecte un fort courant d'électrons InI qui se retrouve pratiquement dans la région 7. Par conséquent, pour un courant total IA donné, la présence de ce courant d'électrons InI permet de réduire dans de notable proportions le courant de trous de l'anode qui fournissait IpL. Avec les niveaux de concentration habituels et en négligeant l'injection de trous faite verticalement on peut écrire: IA = InI + IPL avec IpL f 1n1 Ce courant InI est surtout fonction des dimensions relatives des régions 4 et 7. Dans des conditions normales, et à courant d'anode constant, le courant de trous peut être divisé par deux donc IpL et par conséquent 1C3 = Is. Cette réduction du courant IpL'apparaît plus clairement sur la figure 4. Un autre avantage dû à la présence de la région 7 est l'amélioration du temps de blocage du thyristor. Celui-ci est commandé par la quantité de trous qui est emmagasiné dans l'épitaxie N3 entre la région de souscollecteur 6 et les régions 2 et 4 d'anode et de porte de type de conductivité P. La réduction importante du courant de trous dans la région 3 due à l'injection latérale (IpL) et verticale a pour conséquence un temps de blocage plus court, et permet d'obtenir un temps de commutation plus faible. On peut dire également que le transistor vertical NPN recevant un courant de base plus faible est moins saturé que dans le thyristor classique. Enfin le courant collecté sur la cathode est plus important que dans le cas de la structure précédente.Du point de vue procédé, l'introduction de la région 7 peut se faire simultanément avec la région 1, par une diffusion du type émetteur par exemple. Un deuxième mode de réalisation est représenté sur les figures SA à 5C. Les figures SA et 5B représentent respectivement la vue de dessus et la vue en coupe selon la ligne C-C d'une structure de thyristor perfectionnée telle que décrite en référence aux figures 3A à 3C dans laquelle on introduit une huitième région dite région de contact collecteur de traversée qui en combinaison avec la région de sous-collecteur définit une seconde cuvette. Cette région 8, de ligne de conductivité N fortement dopée vient tuer l'effet transistor procuré par Tr3, en assurant aux trous émis par la région 2 vers les murs d'isolation, un taux de recombinaison important. Cela revient comme décrit sur la figure 5B à réinjecter un courant d'électrons dans la région 2.Le courant de trous qui est dérivé vers le substrat subit encore une diminution importante en raison de la diminution du gain du transistor parasite Tr3 qui en résulte. L'inconvénient de cette région de traversée 8 est l'augmentation importante de la surface du dispositif qu'elle entraîne par exemple le dispositif représenté sur la figure 1A ou sur la figure 3A occupe une surface de 0,030mm2 (soit 0,14mm x 0,215mm) alors que le dispositif représenté sur la figure SA occupe une surface de 0,0186mm2 (soit 0,105mm x 0,1775mm), soit un rapport de 1,6 pour obtenir une réduction importante du courant substrat comme nous le verrons plus loin par référence à la figure 7. Un troisième mode de réalisation qui conduit également à une structure de thyristor perfectionné, présentant une surface voisine de celle de la précédente mais cependant moins efficace en ce qui concerne la réduction des courants de fuite Is, est représenté sur les figures 6A à 6C. Cette nouvelle structure comporte une neuvième région dudit même type de conducti vi té que la région de porte, de préférence fortement dopée mais qui peut être cependant formée simultanément aux régions 2 et 4 (c'està-dire correspond à la diffusion des bases). La région 9 est électriquement connectée à la cathode.Ainsi prend place en parallèle sur le transistor parasite Tr3 composé par les régions 5, 3 et 2 d'un nouveau transistor Tr5 composé par les régions 2, 3 et 9, ce dernier en raison de sa largeur de base plus faible recueille la majorité du courant de trous latéral émis par la région 2 et le réinjecte vers la cathode qui recueille ainsi un courant plus important comme le montre la figure 6B. #:#disposition en parallèle des transistors Tr3 et Tr5 ressort plus clairement de la figure 6C. Le dispositif représenté sur la figure 6A accepte une surface de 0,145mm x 0,128mn = 0,031mm2. Les résultats obtenus concernant le courant de fuite IS vont être maintenant présentés en référence à la figure 7. La figure 7 montre les variations du courant de fuite IS en fonction de différentes valeurs du courant d'anode IA pour les différentes réalisations mentionnées ci-dessus. La courbe D se rapporte au thyristor classique de l'art antérieur. Les courbes D1, D2 et D3 se rapportent au thyristor classique quand il est muni respectivement, de la région supplémentaire d'anode (7), de la région de traversée (8), de l'anneau de garde (9). Les courbes D4 et D5 se rapportent au thyristor classique muni de la région supplémentaire d'anode, avec en outre une région de traversée ou la région d'anneau de-garde respectivement.Par exemple, pour un courant d'anode de 30mA, le courant de fuite IS qui atteignait environ 7mA (courbe D) est réduit à environ un peu plus d'un mA (courbe D4) quand le thyristor est muni à la fois de la région 7 et de la région 8 (région de traversée). La courbe D1 a été obtenue avec une région d'anode 4 de 0,0134mm2 etunerégion 7 de 0,00031mm2, de meilleurs résultats peuvent être obtenus en accroissant les dimensions de cette dernière région. La table I ci-dessous donne les résultats relatifs aux courants de fuite vers le substrat en régime alternatif (en A RMS) en fonction des courants d'anode en courant alternatif (AC) et continu (DC). TABLE I D D2 D3 D1 D5 D4 1S à 140 = 140 187 110 45 iAC 800Hz IS à IDC = 20mA (#A) 2mA 350 141 212 282 176 85 AC I 800Hz On s'aperçoit ainsi qu'avec un courant-d'anode en continu de lOmA et en alternatif de 1mA, le courant de fuite en alternatif (RMS) a été divisé par un facteur voisin de 5. Le courant de maintien est également une caractéristique importante du thyristor. Lorsque le courant d'anode est inférieur à cette valeur, le thyristor passe, de l'état conducteur à l'état bloqué. La présence de la région 7 dans l'anode permet de réduire le courant latéral de trous dans le PNP. Le gain de ce dernier est réduit ce qui augmente le courant de maintien. La mesure du courant de maintien 1M (en uA et à 25 C) avec une charge de lku donne les résultats suivants (table II). TABLE Il D D2 D3 D1 D5 D4 800 800 800 800 1530 1510 1460 Ainsi que nous l'avons mentionné plus haut l'introduction de la région 7 permet de réduire, pour un courant d'anode donné, le courant de trous dans la base du NPN vertical Trl; ce dernier est moins saturé ainsi que le PNP latéral Tr2, aussi les temps de blocage toff suivants sont obtenus et figurent dans la table III ci-dessous. TABLE III D D ! D2 D3 D1 D5 ! D4 off 1,05 1,11 1,13 1 0,25 1 0,29 0,31 Bien que lton ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS I.- Structure semi-conductrice perfectionnée, du genre thyristor, comportant une première région d'un premier type de conductivité, disposée dans une seconde région d'un second type de conductivité opposé audit premier type, ladite seconde région étant disposée dans une troisième région dudit premier type de conductivité, une quatrième région dudit second type de conductivité disposée également dans ladite troisième région et adjacente à ladite seconde région, lesdites première, seconde et quatrième régions formant respectivement les régions de cathode, de porte et d'anode dudit thyristor contenu dans une première cuvette d'isolement formant une cinquième région dudit second type de conducti vite caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une septième région dudit premier type de conducti vi té disposée dans ladite quatrième région et connectée électriquement à cette dernière. 2.- Structure semi-conductrice selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une sixième région fortement dopée dudit premier type de conductivité agissant comme région de sous-collecteur enterré associée à une huitième région d'un même type de conductivité formant une seconde cuvette à 1 'intérieur de ladite première cuvette et contenant lesdites première, seconde et quatrième régions 3.- Structure semi-conductrice selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une neuvième région dudit second type de conductivité, de forme annulaire isolant à la surface de la structure les première, seconde et quatrième régions de ladite première cuvette d'isolement. 4.- Structure semi-conductrice selon la revendication 1, 2 ou 3 carac térisee en ce que ladite seconde région entoure complètement ladite quatrième région.