Brevet FR2472836A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne les semiconducteurs de puissance, et plus particulièrement les transistors de puissance fonctionnant sous haute tension du genre de ceux qui sont utilisés pour le balayage de lignes en télévision. Cependant l'invention s'applique à tout semiconducteur qui doit allier simultanément la puissance en courant et en haute tension - de l'ordre de 1000 à 2000 V - et unecommutation rapide. L'un des problèmes relatifs à ces transistors de puissance est l'équilibrage des aires de l'émetteur et de la base qui sont situées à la surface libre du cristal semiconducteur. Par la suite, l'expression "surface libre du cristal" désignera la surface principale de la pastille qui n'est pas soudée sur l'embase du bortier: c'est celle qui est visible et sur laquelle sont effectuées les soudures de connexions. D'une part, il est important que la plus grande partie de la surface du cristal soit occupée par l'émetteur et la base, de façon à optimiser l'utilisation du cristal. Ceci tient aux dimensions déjà importantes du cristal, mais aussi au fait que plus la surface est grande, plus nombreux sont les risques de défauts en cours de fabrication, et que c'est donc un inconvénient industriel que trop agrandir les pastilles. D'autre part, pour ce type de semiconducteurs fonctionnant sous haute tension, il est impératif de minimiser les variations de la tension VBESats existant entre une électrode d'accès, telle que l'émetteur, et l'électrode de commande, la base, lorsque le semiconducteur est dans un état de saturation. S'il s'agit d'un semiconducteur autre qu'un transistor, un thyristor par exemple, il faut alors minimiser les variations de tension entre anode et gachette, cette dernière étant l'électrode de commande. Un moyen pour obtenir ce résultat est de concevoir pour le semiconducteur une géométrie, à la surface libre du cristal, telle que le contour d'une électrode soit en tous points équidistant du contour de l'autre électrode ou des bords du cristal, ce qui amène une répartition homogène de la densité de courant sur toute la surface du semiconducteur. Ces deux exigences amènent à une impossibilité: la surface libre du cristal étant occupée au maximum et selon une géométrie régulière par deux électrodes - ou plus exactement par les métallisationsqui les recouvrent - il ne reste pas suffisamment de place libre sur la surface du cristal pour les plages de prises de contacts sur les électrodes. A titre d'exemple, et de façon purement indicative, il est impossible de souder sur un "doigt" d'émetteur large de 50 microns le fil d'aluminium d'un diamètre de 200 microns, nécessaire au passage du courant. Et comme de plus ces semiconducteurs de puissance sont très généralement du type mésa, c'est-àdire que le cristal est limité par un sillon de découpe, il n'est pas non plus possible de réaliser une prise de contact à côté du cristal. Une solution de compromis est donc indispensable. Les semiconducteurs de puissance actuellement réalisés utilisent des solutions selon lesquelles les surfaces de base et d'émetteur sont légèrement déformées, de façon irrégulière et curviligne, afin de dégager une aire, dans le plan de la surface libre du cristal, sur laquelle il est possible de réaliser une métallisation puis la soudure d'un fil de connexion: par là même, la nécessité de respecter une géométrie régulière, dans laquelle les largeurs des électrodes et les gardes entre électrodes sont en tous points égales n'est pas remplie. La densité de courant n'est pas homogène, et les transistors se percent en surface, il y a "claquage". Sur les semiconducteurs de puissance selon l'invention, les deux électrodes qui se trouvent dans la partie supérieure du cristal, c'est-àdire l'émetteur et la base dans le cas d'un transistor, sont divisées en doigts, formant deux peignes réguliers interdigités réguliers qui occupent toute la surface libre du cristal. Les contacts y sont pris sur des plots en relief, dont la base est constituée par une bande rectiligne étroite qui respecte l'équidistance entre les contours des électrodes et les contours du cristal, mais qui est trop étroite pour qu'un fil de connexion puisse y être soudé. Les plots de connexions, obtenus par une métallisation épaisse, permettent, en amenant le plan de soudure dans un plan différent de celui de la surface libre du cristal, de disposer d'une surface suffisante pour effectuer la soudure d'un fil de connexion. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif semiconducteur de puissance fonctionnant sous haute tension et à vitesse de commutation élevée, réalisé sur un cristal dont la surface libre porte l'électrode de commande et une première électrode d'accès d'un semiconducteur, la seconde électrode d'accès étant réalisée dans le substrat du cristal, ce dispositif étant caractérisé en ce que, d'une part, les deux électrodes superficielles occupent la totalité de la surface libre du cristal et ont chacune la forme d'un peigne, les doigts de ces deux peignes étant interdigités et ayant tous les mêmes dimensions, les intervalles qui séparent entre eux les doigts et qui séparent les doigts des bords du cristal étant de plus réguliers et uniformes, et en ce que d'autre part, les surfaces de prises de contacts électriques sont réalisées dans un plan différent du plan de la surface libre du cristal, ces surfaces étant supportées par une couche isolante et réunies aux électrodes par une métallisation épaisse. L'invention sera mieux comprise par la description qui va suivre, laquelle s'appuie sur les figures jointes qui représentent: - figure 1: le dessin simplifié d'une pastille de transistor de puissance selon l'art connu; - figures 2 et 3, deux autres pastilles de transistors selon l'art connu; - figure 4: dessin simplifié d'une pastille de transistor de puissance selon l'invention; - figure 5: coupe d'une partie du cristal d'un transistor de puissance, dans la région des prises de contacts selon l'invention. En vue de simplifier le texte, la description s'appuie sur le cas d'un transistor de puisssance, et les électrodes sont appelées émetteur et base. Cet exemple n'est nullement limitatif de l'invention, qui s'applique à tous les semiconducteurs de puissance, tels encore que les thyristors et triacs, pour lesquels les électrodes sont appelées anode et gâchette. La figure 1 représente le dessin simplifié de la surface libre de la pastille d'un transistor de puissance, selon l'art connu. Le bord du cristal semiconducteur est en 1, et la base 2 du transistor est la surface comprise entre le contour 3 et le contour brisé 4. L'émetteur 5 est constitué par la surface comprise à l'intérieur du contour brisé 4, dont la largeur représente la garde réalisée en vue d'éviter les court-circuits entre base et émetteur puisque les surfaces libres 2 de base et 5 d'émetteur sont métallisées. Ce modèle de transistor est appelé "interdigité" parce que base et émetteur sont découpés en "doigts" qui s'interpénètrent afin d'augmenter la longueur de jonction base/émetteur. Le collecteur d'un tel transistor se trouve dans le substrat, c'est-à-dire dans l'épaisseur du cristal semiconducteur, et la prise de contact est effectuée par soudure du cristal sur l'embase du boftier du transistor. Dans le cas de figure représenté, une #surface a été réservée dans un coin de la pastille, de façon à dégager un espace sur lequel la connexion de base est soudée à 6, la connexion d'émetteur étant prise en 8. De ce fait: - le transistor perd en puissance puisqu'émetteur et base n'occupent plus toute la surface de la pastille; le transistor n'est plus équilibré dans la région de la connexion 6 car, du fait que plusieurs doigts de l'émetteur ont été tronqués, la densité de courant dans la base n'est pas répartie de façon homogène, parce que la base n'a pas une géométrie régulière, et symétrique. Dans ces conditions, lorsqu'un signal électrique est appliqué sur la base pour bloquer le transistor, une onde de propagation se développe à partir du point de contact de base, et, dans un premier temps, la commutation s'effectue mal: le courant collecteur Ic, au lieu de présenter un front de coupure net et abrupt, comporte une "cassure" ou "marche" qui allonge le temps de commutation. Dans un deuxième temps, puisqu'il s'agit de semiconducteurs de puissance, et notamment de ceux qui fonctionnent sous des tensions élevées de l'ordre de 1000 à 2000 V, le transistor s'amorce fréquemment sur l'émetteur au voisinage de la connexion de base, en raison de chemins préférentiels de courant et de la variation de tension base-émetteur VBE qui est plus grande dans cette région qu'ailleurs: il "claque" à côté de la connexion de base, en des points tels que 7. Le "claquage" d'un transistor a lieu lorsque la puissance dissipée en un point est suffisante pour entrarner la fusion du matériau semiconducteur et la volatilisation de la métallisation en surface: le transistor est irrémédiablement détruit, Les figures 2 et 3 représentent d'autres configurations connues de transistors à haute tension.Pour en faciliter la compréhension et le rapprochement avec la figure 1, les mêmes indices ont été conservés lorsqu'ils désignent les mêmes objets. Sur la figure 2, le point de connexion de base 6 est ramené au milieu d'un côté de la pastille, et la longueur des doigts d'émetteur est diminuée en conséquence: des points de claquage 7 apparaissent sur l'émetteur au voisinage du contact de base. En effet, si l'on appelez la largeur d'un doigt e d'émetteur, et d la largeur du plot de connexion sur l'émetteur, on a e l'inégalité d e e De même façon, si db, d'b, ...... sont les largeurs du plot de connexion sur la base, à hauteur des doigts d'émetteur dont la longueur est irrégulière, on a db La figure 3 constitue un autre exemple de l'art connu, qui représente un progrès. En effet, la configuration de l'émetteur 5 est symétrique sur trois côtés par rapport aux bords du cristal, mais une plage plus large a été réservée entre le quatrième bord du cristal et l'émetteur pour y souder la connexion de base 6. Le résultat en est que la commutation est plus franche, mais présente encore une cassure qui allonge le temps de commutation. Comme l'émetteur n'est pas en tous points équidistant de la base et du contour de la pastille, c'est à dire que subsistent les irrégularités de géométrie, il demeure des variations de la tension base-émetteur VBE et le transistor "claque" en des points tels que 7 proches de la connexion de base au cours du blocage. il faut donc, pour un transistor de puissance à haute tension, réaliser un meilleur équilibrage de l'émetteur, c'est à dire minimiser les variations de VBE sur la structure pour supprimer les zones préférentielles qui limitent l'aire effective de l'émetteur: ceci signifie minimiser les chemins de conduction préférentiels. La solution développée au titre de l'invention consiste à réaliser, pour l'émetteur et pour la base, deux géométries absolument symétriques et telles que, d'une part, toute la surface libre du cristal est occupée par ces deux électrodes - augmentation de puissance - mais aussi, d'autre part, telles que les largeurs des doigts sont égales entre elles et égales à la largeur de la surface de connexion qui relie entre eux tous les doigts d'une même électrode - répartition homogène de la densité du courant -. La symétrie des régions d'émetteur et de base entraine la diminution des variations de tension puisque la structure est régulière, et l'augmentation de la densité de courant, permise puisque des "claquages" dûs aux variations de tension ne sont plus à craindre. Dans ces conditions se pose le problème de la soudure des connexions: les surfaces comprises entre les contours de l'émetteur ou de la base et le contour de la pastille sont trop étroites pour qu'un fil de connexion puisse y être soudé, dans le plan de la pastille. La solution consiste à réaliser, à partir d'une surface étroite, une métallisation épaisse qui amène la soudure des connexions dans un plan différent du plan de la pastille. Cette métallisation, s'appuyant sur une marche de glassivation dont la fonction est double, isolant et changement de niveau, s'évase et se termine par une surface qui, elle, est de dimensions suffisantes pour qu'un fil de connexion y soit soudé: lessurfaces de prises de contact, réalisées sur la couche isolante, sont supérieures aux surfaces disponibles sur les électrodes, au niveau du plan de la surface libre du cristal.Ainsi, les connexions ne sont plus prises dans le plan des électrodes, et à côté d'elles, mais dans un plan supérieur, au-dessus d'elles, avec isolation entre les deux plans. La figure 4 représente le dessin simplifié d'une pastille de transistor de puissance selon l'invention. Sur un cristal dont le contour esL en 1 sont réalisés une base 2 et un émetteur 5, dont on ne voit sur la figure 4 que la métallisation à la surface libre du cristal. Base et émetteur occupent toute la surface du cristal, et sont dessinés de façon à équilibrer les tensions base-émetteur VBE en tous points des contours de ces deux électrodes, et à équilibrer les densités de courant dans chacun des doigts de l'émetteur et de la base. L'équilibrage des tensions est obtenu par la régularité des "gardes", c'est à dire des disLances 9 entre émetteur et base, et 10 entre le contour de la base et le contour de la pastille semi-conductrice i. L'équilibrage des densités de courant est obtenu en donnant une même largeur 11 à toutes les surfaces qui composent la base et l'émetteur, c'est à dire que les doigts 12 ont même largeur que les surfaces de prise de contact 13. Ces deux conditions de régularité des gardes 9 et des largeurs 11 des doigts 12 entrainent d'ailleurs, mathématiquement, une conséquence: tous les doigts ont même longueur, et il est - exclus d'aménager deux plots de prises de contacts à la surface libre du cristal, sinon ces conditions ne seraient plus respectées. Les contacts sont donc pris sur les surfaces 13, qui unissent entre eux les doigts de chaque électrode, au moyen d'une métallisation qui complète l'invention. La figure 5 permet de mieux comprendre comment est réalisé ce contact en relief, car elle montre une coupe du cristal du transistor. Sur un substrat qui remplit la fonction de collecteur sont réalisés, par les moyens propres à l'homme de l'art, une base 2 et un émetteur 5. Lorsque ces opérations sont terminées, la surface libre du cristal est recouverte d'une couche 14 isolante électriquement, du type silice thermique obtenue par oxydation à chaud de la surface libre du cristal s'il est en silicium. Si le semiconducteur est d'un autre type que le silicium, la couche isolante 14 est réalisée de façon adéquate, mais préférentiellement en oxyde ou nitrure de silicium. Les opérations antérieures font que la couche isolante 14 n'est pas régulière en surface. Dans la couche isolante 14 sont réalisés des puits de prise de contact 15 avec la base et 16 avec l'émetteur. Une première métallisation, telle que par exemple de l'aluminium sur une épaisseur de l'ordre de 6 microns, permet de prendre les contacts, en 17 avec la base et en 18 avec l'émetteur, mais cette métallisation, qui a la largeur des surfaces de prise de contact 13 de la figure 4, n'est pas assez large pour qu'il soit possible d'y souder un fil de connexion. Une passivation locale est apportée, au moyen d'une couche de verre au phospho-silicate 19: elle a pour première fonction de faire écran entre les métallisations de base 17 et d'émetteur 18, afin d'empêcher les courtscircuits, puisqu'il s'agit de transistors fonctionnant à haute tension, et que les gardes entre métallisations sont de l'ordre de 300 microns. Mais elle a également pour seconde fonction de constituer un plan, situé à un niveau supérieur à celui de la surface libre de la pastille, et sur lequel il existe suffisamment de place pour pouvoir souder des fils de connexion. Une seconde métallisation, épaisse, s'appuyant lorsque cela est nécessaire sur la couche "glassivée" 19, constitue les contacts en relief 20 sur la base et 22 sur l'émetteur. Ces contacts sont réalisés, par exemple, avec l'un des alliages chrome/nickel/or, ou chrome/cuivre/or ou aluminium/nickel/or, par tout moyen conventionnel tel que électrolyse ou projection sous vide. Dans le cas où l'électrolyse est le moyen adopté pour faire croitre les contacts en relief, il convient de, d'abord, rendre conductrice la surface de la couche passivée 19 au moyen d'une métallisation 21, laquelle n'a pas de rais#on d'être si les contacts en relief sont réalisés par évaporation de métal sous vide. Les soudures des fils de connexion se font sur les surfaces libres des plots de contacts en relief, dans un plan, et sur des largeurs de métal lisations, où ces opérations sont devenues possibles. Sur la figure 5, donnée à titre d'exemple, seule la métallisation épaisse 20 de base s'appuie sur une couche passive 19. Cette représentation n'est nullement limitative de l'invention, selon laquelle la couche isolante 19 peut alternativement s'étendre sous la métallisation épaisse 22 de l'émetteur, ainsi que sous les deux métallisations de base et d'émetteur, simultanément. Comme cela a déjà été dit, l'invention a été décrite en s'appuyant sur l'exemple d'un transistor de puissance. Ceci n'entrain pas une limitation à l'invention, qui est applicable à tous les semiconducteurs de puissance fonctionnant sous haute tension, pour lesquels se posent à la fois un problème d'optimisation - donc d'utilisation maximale de la surface offerte et un problème de fiabilité - en raison des risques de claquage dûs aux hautes tensions et aux faibles distances entre électrodes -. m6VENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur de puissance fonctionnant sous haute tension et à vitesse de commutation élevée, réalisé sur un cristal dont la surface libre porte l'électrode de commande et une première électrode d'accès du semiconducteur, la seconde électrode d'accès étant réalisée dans le substrat du cristal, ce dispositif étant caractérisé en ce que, d'une part, les deux électrodes superficielles occupent la totalité de la surface libre du cristal et ont chacune la forme d'un peigne, les doigts de ces deux peignes étant interdigités et ayant tous les mêmes dimensions, les intervalles qui séparent entre eux les doigts et qui séparent les doigts des bords du cristal étant de plus réguliers et uniformes, et en ce que, d'autre part, les surfaces de prises de contacts électriques sont réalisées dans un plan différent du plan de la surface libre du cristal, ces surfaces étant supportées par une couche isolante et réunies aux électrodes par une métallisation épaisse. 2. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité de courant est optimisée et les variations de tension minimisées par la structure régulière des deux électrodes, dont les dessins sont symétriques. 3. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de prises de contacts, réalisées sur la couche isolante, sont supérieures aux surfaces disponibles sur les électrodes, au niveau du plan de la surface libre du cristal. 4. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la métallisation épaisse comporte au moins trois métaux parmi: chrome, nickel, or, cuivre, aluminium. 5. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante est un verre du type phosphosilicate. 6. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante est un dérivé du silicium, oxyde ou nitrure. 7. Dispositif semiconducteur caractérisé en ce que l'une au moins des prises de contact sur ses électrodes est une prise de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.