Brevet FR2413788A1 — publié le 19790727

La présente invention concerne une structure d'isolation qui permet d'isoler un élément semi-conducteur de façon très efficace, et elle concerne plus particulièrement un structure d'isolation destinée à isoler des thyristors. De ce fait, les courants de fuite sont réduits et on peut réaliser des matrices de points de couplage intégrés destines aux centraux téléphoniques. Dans les centraux téléphoniques les points de couplage disposés en matrice servent à assurer la connexion électrique entre différentes lignes sélectionnées. Après avoir employé des points de couplage électromécaniques, puis à semi-conducteu#de type discret, la tendance actuelle dans le domaine des centraux téléphoniques est de développer des points de couplage à semi-conducteurs du type à circuits intégrés. On tire ainsi profit de tous les avantages inhérents à cette technologie: densité importante due à la miniaturisation, vitesse de commutation très élevée, consommation électrique réduite, fiabilité, etc. . Dans cette conception, un ensemble de thyristors est intégré sur un même substrat semi-conducteur, selon une matrice de M x N 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 est insuffisant, il se produit des couplages entre des lignes différentes de la matrice d'ou les phénomènes de diaphonie qui sont particulièrement gênants. De plus, chaque thyristor doit être parfaitement découplé vis-à-vis du substrat. Ce dernier est toujours porté au potentiel le plus négatif existant sur le bloc semi-conducteur (généralement à la masse). Si le decouplage 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 entrain des pertes de courant, dites pertes d'insertion particulièrement gênantes car elles ne peuvent en général être compensées au niveau du central. D'autre part, les courants dans le substrat traversent le plan de masse du système et risquent d'introduire de la diaphonie et du bruit. Pour avoir une description d'une structure de thyristor classique on pourra se référer à l'article publié dans la revue IBM Journal Research Development paru en juillet 1969 sous le titre "Semi-conductor Crosspoint" Les figures 1A et 1B représentent respectivement la vue de dessus et une vue en coupe selon la ligne Bt d'une structure classique de thyristor. Cette figure permet de voir quels sont les courants de fuite qui doivent être éliminés pour permettre une intégration à densité élevée de thyristors conformément à la présente invention. La structure représentée sur les figures 1A et 1B comporte une première région semi-conductrice 1, d'un premier type de conductivité, appelée région de cathode, une seconde région 2, d'un second type de conductivité opposé au premier et appelée région de porte; une troisième région 3 du premier type de conductivité et qui est en fait une portion de la couche épitaxiale formée au-dessus du substrat; et deux quatrièmes régions 4 et 4' du second type de conductivité appelées région d'anode. L'ensemble des régions 1, 2, 3, 4 et 4' forme un thyristor ou encore un élément redresseur semi-conducteur à conduction commandée (SCR). La structure est disposée dans une poche isolée par des murs d'isolation qui rejoignent le substrat, tous d'un second type de conductivité, et fortement dopés et formant ensemble de façon classique une cinquième région 5 en forme de cuvette. 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, A', K, G et S en contact ohmique avec les régions d'anode 4 et 4', de cathode 1, de porte 2 et de substrat 5. Dans le montage du thyristor les contacts d'anodes A et A' sont relies à une borne 7, le contact de cathode est relié à une borne 8, le contact de porte est relié à une borne 9, et le substrat est relié à la masse. A titre d'exemple, le type N a été choisi 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 sont mises en oeuvre. Le fonctionnement du thyristor ne sera pas décrit. On pourra se référer à l'article mentionné précédemment. On rappellera simplement que si l'isolation de la structure était parfaite, un courant IA appliqué sur l'anode se retrouverait intégralement sur la cathode lorsque le dispositif est polarisé et rendu conducteur. La polarisation de la structure des figures 1A et 1B implique que l'anode est reliée à un potentiel positif par rapport à celui de la cathode. En réalité il existe des pertes IS qui sont importantes. Pour les évaluer on va montrer comment se répartit le courant anode. Lorsque le thyristor est rendu conducteur, c'est-à-dire lorsque sa porte est a un niveau haut par rapport à la cathode, la répartition du courant IA se fait comme représenté par les flèches sur la figure 1A. Des premiers courants 1P1 et Ip2 traversent les transistors constitués par les régions P4, N3, P2 et P4', N3, P2 et sont collectés sur la cathode 1 à travers la jonction P2 N1. Deux courants verticaux IVl et 1V2 partent des régions d'anode 4 et 4' en direction du substrat 5. Ces courants se divisent en deux. Deux premières composantes IH1 et 1H2 sont recombinées dans la région sous-collecteur 6 et renvoyées vers la zone 2 et deux secondes composantes Isî et 152 traversent la région 6 et pénètrent dans le substrat 5. De plus deux courants latéraux 1L1 et IL2 partent des régions d'anode 4 et 4'. Deux troisièmes composantes 1L111 et ILH2 traversent les transistors latéraux constitués par les régions P4, N3, P5 et P4', N3, P5 respectivement et sont donc collectées par la région 5. Deux quatrièmes composantes 1LVl et 1LV2 partent directement au substrat. Une cinquième composante 153 est constituée par un courant traversant le transistor parasite constitué par les régions P2, (N3+N6), P5. En conséquence le courant total IS perdu dans le substrat peut s'exprimer de la façon suivante: IS IS1 + 1S2 + IL1 + 1L2 + 1S3 avec IL1 = ILH1 + 1LVl 1L2 = 1L142 + ILV2 Le courant anode 1A peut s'exprimer de la façon suivante: IA = Ip1 + 1P2 + 1L1 + 1L2 + IV1 + IV2 avec 1V1 = 1H1 + IS1 3r En négligeant le courant de porte, le courant qui se retrouve sur la cathode peut s'exprimer de la façon suivante:: IK = 1P1 + 1P2 + IH1 + 1H2 - 153 On peut donc en déduire: IA = IK + Dans une structure de type "discrète" telle que celle décrite dans l'article cité en référence, le substrat 5 est connecté à la cathode 1. Par conséquent le courant d'entrée sur l'anode est intégralement retrouvé sur la sortie (substrat + cathode). Il n'est pas possible d'effectuer cette connexion dès que la matrice de commutation à intégrer nécessite plus qu'une ligne de cathode. Pour obtenir une intégration poussée de la matrice de commutation il est donc nécessaire de réduire IS à une valeur suffisamment faible pour que ses effets puissent être négligés. La présente invention a donc pour objet de réaliser une structure d'isolation à fuites réduites pour permettre l'intégration à densité élevée d'éléments semi-conducteurs. La présente invention a pour objet d'utiliser une structure d'isolation pour réaliser un thyristor pouvant être intégré dans un substrat semi-conducteur et présentant des courants de fuite minima. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un thyristor dont la structure se prête à la conception de matrices de points de couplage intégrés destinées à des centraux téléphoniques; ces matrices présentant un coût et un encombrement réduits par rapport aux matrices existantes. En consequence, la présente invention permet de réaliser une structure disposée à l'intérieur de la cuvette définie par les régions 5 et 3 de la figure 1A pour isoler tout dispositif semi-conducteur placé dans cette cuvette. Dans le cas où ce dispositif semi-conducteur est un thyristor la structure d'isolation collecte les courants latéraux IL1 et 1L2 et les renvoie à la cathode ce qui fait que finalement le courant de fuite au substrat est réduit puisqu'il devient égal la somme des courants SI + 1S2 + 153. En conséquence, conformément à la présente invention, la structure semi-conductrice du genre thyristor comporte une première région d'un premier type de conductivité, disposée dans une seconde région d'un second type de conductivité opposé au premier, ladite seconde région étant disposée dans une troisième région du premier type de conductivité, deux quatrièmes régions du second type de conductivité et disposées dans la trnisiê.e région de part et d'autre de la deuxième région, les premiere, seconde et quatrième régions formant respectivement les régions de cathode, de porte et d'anode du thyristor. Le thyristor est disposé dans une poche isolée par des murs d'isolement qui rejoignent le substrat, tous du second type de conductivité fortement dopés et formant une cuvette.Une sixième région enterrée du premier type de conductivité et fortement dopée appelée région de sous-collecteur est disposée entre le substrat et la troisième région. Dans cette structure, une septième région du second type de conductivité fortement dopée est formée à l'intérieur de la cuvette autour des régions de cathode, d'anode et de porte et vient buter contre la région de souscollecteur. Une huitième région du premier type de conductivité fortement dopée est disposée autour de la septième région. Des contacts aux sixième et septième régions sont prévus de façon à les mettre en court-circuit. Lorsque le thyristor est correctement polarisé et a ete rendu conducteur, les composantes latérales du courant anode qui ne se retrouvent pas sur la cathode, sont collectées par la septième région et envoyées à la huitième région par le court-circuit. Ensuite ces composantes sont renvoyées a la région de sous-collecteur. Ainsi, ces composantes qui constituaient des fuites dans une structure classique sont renvoyées à la cathode. De plus, dans la structure conforme à l'invention on peut prévoir une neuvième région du premier type de conductivité fortement dopée adjacente a la septième région pour empêcher tout effet de champ entre les régions d'anode et la septième région. 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 une structure de thyristor de l'art antérieur vue de dessus et vue en coupe respectivement. Les figures-2A et 28 représentent une structure de thyristor conformoment & la présente invention vue de dessus et vue en coupe respectivement. Les figures 3A et 3B représentent une seconde structure de thyristor conformément à la présente invention, vue de dessus et vue en coupe respectivement. La structure d'isolation de la présente invention sera décrite, appliquée à l'isolation d'un thyristor. Cette application de l'invention permet de réaliser une structure de thyristor perfectionnée, qui peut être intégrée avec une densité élevée. La structure classique représentée sur les figures 1A et 1B ne sera pas décrite de nouveau, sa description ayant déjà été faite précédemment. On va maintenant se référer aux figures 2A et 2B qui représentent une vue de dessus et une vue en coupe suivant la ligne B-B de cette vue de dessus, de la structure de thyristor perfectionnée conformément a la présente invention. Les éléments qui sont identiques sur les figures 1A et 1B et sur les figures 2A, 2B portent les mêmes numéros de référence. Ainsi on ne refera pas une description détaillée de toute la structure. Par rapport à la structure de base, le thyristor comprend une structure d'isolation formée par la région 19 et la région 11. La région 10 qui est de même type de conductivité que les régions d'anode 4 et 4', mais fortement dopée est ajoutée dans la cuvette d'isolation. Elle entoure toute la structure du thyristor, comme on peut le voir sur la figure 2B et vient buter contre la région de sous-collecteur. L'autre région 11 est adjacente à la région 10 et l'entoure, cette région est du même type de conductivité que la région de cathode mais fortement dopée. Les régions 10 et 11 sont mises en court-circuit, ce qui est représenté schématiquement par les conducteurs 12 et 12'. L'adjonction des régions 10 et 11 ne nécessite pas d'étapes supplémentaires de fabrication. En effet la région P+ 10 peut être avantageusement constituée lors de la diffusion dite d'isolement qui réalise dans le procédé planar classique la cinqième région. De ce fait, cette zone est suffisamment profonde pour venir en contact avec la région de souscollecteur 6 sans toutefois la traverser. Elle ne rejoint donc pas le substrat. La région N+ 11, peut être réalisée au cours de l'étape de fabrication de la région de cathode. On va maintenant expliquer comment ces deux régions 10 et 11 permettent de réduire les courants de fuite au substrat. Lorsque le thyristor du type représenté sur la figure 2A est polarisé en portant les régions d'anode à un potentiel supérieur à celui de la cathode, le thyristor peut être rendu conducteur. Pour cela une impulsion de commande positive par rapport à la cathode est appliquée sur la porte et, après un certain délai d'établissement, le courant appliqué à la borne 7 se répartit dans la structure comme représenté sur la figure 2A. Les courants Ipl, Ip2' 1V2 sont comme représenté sur la figure 1A. Par rapport à cette figure 1A, la distribution des courants 1L1 et IL2 change. Les courants IL2 dans les transistors P4, N3, P10 et P4', N3, P10 sont ramenés dans la région 11 par un court-circuit avec la région 10. Un trajet à faible résistance existe entre les régions N+ 11, N3 et N+ 6 et en conséquence les courants XL1 et 1L2 vont au souscollecteur N+ 6 et en conséquence s'ajoutent aux courants 11 Une région supplémentaire 13 peut être ajoutée, adjacente à la région 11 pour empêcher tout effet de champ entre les régions 4, 4' et 11. Cette région n'est nécessaire que si les tensions appliquées au thyristor dans l'état non conducteur sont relativement élevées. On va maintenant donner dans le tableau ci-dessous la valeur des courants de fuite dans la structure des figures 2A et 2B pour montrer la réduction de ces courants par rapport a la structure classique des figures 1A et 1B. Ces deux structures ont les mêmes géométries, en ce qui concerne les régions de cathode, de porte et d'anode. Courant anode IA en mA 5 10 15 20 25 30 Courant Structure 1A 1B en pA 2788 5065 6780 8390 9820 11080 Courant IS Structure 2A - 28 en pA 88 265 450 650 880 1080 On peut donc voir dans le tableau ci-dessus que le courant substrat est diminué d'un facteur variable en fonction du niveau de courant dans la structure, mais supérieur à 10 jusqu'au courant maximum prévu dans la structure (30mA). Il est bien entendu que la structure d'isolation de l'invention 10, N+ 11 peut être utilisée seule pour la réalisation d'un thyristor ou elle peut être combinée aux autres moyens connus pour réduire les courants de fuite d'un thyristor. Les figures 3A et 3B montrent une autre structure de thyristor identique à la structure des figures 2A et 2B mais comportant des pavés N 14 et 14' dans les régions d'anode 4 et 4'. En effet, on sait que l'adjonction de ces pavés N+ dans l'anode réduit les courants de fuite au substrat (voir l'article paru dans 1977 IEEE International Solid State Circuit Conference, Session III Device Technology Modelling sous le titre UJunction Isolated Thyristor for PBX Switching".) Dans cette structure (3A-3B) le courant substrat est ramené à 250 #A pour un courant anode de 30mA. L'optimisation de la distribution des paves N+ 14 et 14' dans les régions d'anode 4 et 4' peut apporter des résultats améliorés. D'autre part le courant de substrat résiduel constitué par ISl + 1S2 + 153 qui traversent la région de sous-collecteur 6 peut être réduit par un profil de dopage adéquat de cette région 6. La mise en oeuvre des possibilités d'isolation décrites en référence aux figures 2A, 2B et 3A, 3B permet de réaliser un gain de surface important lorsqu'on veut intégrer une matrice de thyristors. Avec les structures conformes à l'invention on peut intégrer une matrice de 144 points de couplage dans un module de 1 pouce carré. La surface est ainsi réduite par un facteur 5 par rapport aux structures classiques utilisées actuellement dans les centraux téléphoniques. Naturellement cette amélioration de la surface permet de réduire le prix en conséquence. De plus l'impédance du thyristor à l'état bloqué se trouve ainsi réduite d'un facteur 20, ce qui réduit les phénomènes de diaphonie. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation particulier 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. Ainsi bien que l'on ait montré la structure d'isolation de l'invention appliquée à l'isolation de thyristors pour pouvoir intégrer une matrice avec une densité élevée il est bien évident que la structure d'isolation pourra être utilisée pour renforcer l'isolation de dispositifs semiconducteurs disposés dans des cuvettes telles que définies par les régions 5 et 6 sur les figures lA-lB. REVENDICATIONS 1.- Structure d'isolation pour isoler un dispositif semi-conducteur intégré dans une couche épitaxiale d'un premier type de conducti vi té, au-dessus d'un substrat et située dans une cuvette définie par des murs d'isolation d'un second type de conductivité fortement dopés et une région de sous-collecteur du premier type de conductivité fortement dopée située à l'interface du substrat et de la couche épitaxiale caractérisée en ce qu'elle comprend: une première région du second type de conductivité fortement dopée, située à l'intérieur de la cuvette et venant buter contre la région de sous-collecteur, cette région entourant tout le dispositif semi-conducteur & isoler, une seconde région du premier type de conductivité fortement dopée, adjacente à la première région et l'entourant; lesdites première et seconde régions étant court-circuitées. 2.- Structure semi-conductrice du genre thyristor disposée dans une couche epitaxiale du premier type de conductivité au-dessus d'un substrat et située dans une cuvette définie par des murs d'isolation d'un second type de conductivité fortement dopes et une région de sous-collecteur d'un second type de conductivité fortement dopée située à l'interface de la couche épitaxiale, caractérisée en ce qu'elle comprend: au moins un ensemble comportant une région de cathode du premier type de conductivité située à l'intérieur d'une région de porte du second type de conductivité, au moins une région d'anode du second type de conductivité distante de l'ensemble région de porte - région de cathode, et une structure d'isolation selon la revendication 1 disposée entre la région d'anode et les murs d'isolation. 3.- Structure semi-conductrice, du genre thyristor selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend deux régions d'anode disposées de part et d'autre d'un ensemble comportant une région de porte et une région de cathode, et reliées entre elles. 4.- Structure semi-conductrice du genre thyristor selon la revendication 2 ou 3 caractérisée en ce qu'elle comprend une troisième région du premier type de conductivité adjacente à la première région et située à l'intérieur de l'anneau d'isolation défini par ladite première région. 5.- Structure semi-conductrice du genre thyristor selon la revendication 2 ou 3 ou 4 caractérisée en ce qu'elle comprend une quatrième région du premier type de conductivité à l'intérieur de la région d'anode.