Brevet FR2488046A1 — publié le 19820205

La présente invention concerne une structure semiconductrice intégrée associant un dispositif de puissance et un dispositif de commande du type transistor a effet de champ a grille isolée. Elle s'applique plus particulièrement aux thyristors et transistors de puissance. Il est connu depuis longtemps d'associer sous forme intégrée a des transistors ou des thyristors de puissance des composants de déclenchement du type bipolaire. On obtient ainsi pour les transistors des dispositifs du type Darlington et pour les thyristors des dispositifs du type thyristor a amplification de gachette. Ces dernières années, à la suite de l'amélioration de la tenue en tension des composants à effet de champ, on a développé des structures intégrées permettant la commande de composants semiconducteurs de puissance par des dispositifs du type a effet de champ. Une telle structure est par exemple décrite dans l'article de B.J. Baliga paru dans Electronics Letters le 27 septembre 1979, pages 645 a 647. Dans cet article, Baliga rappelle les avantages essentiels des thyristors a commande par transistor a effet de champ, qui sont notamment d'une part de réduire la puissance de commande nécessaire au déclenchement, d'autre part de permettre une commande indépendante de la sensibilité de gâchette et de la tenue en dV/dt du dispositif.Le dispositif particulier décrit par Baliga est un thyristor associé a un transistor a effet de champ du type VMOS, c'est- -dire un transistor à effet de champ à grille isolée a rainures en V et a fonctionnement vertical. Un inconvénient notable d'un tel dispositif reside dans la nécessité de prévoir toute une structure maillée de rainures en V à sa surface ; il en résulte une occupation de surface importante pour le système de déclenchement par rapport à la surface de cathode, ce qui, pour une puissance donnée exige d'aug menter la taille de la pastille semiconductrice, et accroît les risques de mauvais rendement de fabrication. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir une nouvelle structure de composant de puissance à commande par transistor à eftet de champ qui permette un particulièrement bon rendement de fabrication. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle structure dans laquelle le déclenchement peut être'commandé optiquement. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit que le transistor à effet de champ de déclenchement est du type DMOS à fonctionnement vertical (l'abréviation DMOS désigne un transistor à effet de champ à grille isolée obtenue par double diffusion et cette appellation sera utilisée ci-apres par souci de brièveté, Le dispositif de puissance comprend un substrat d'un premier type de conductivité à faible niveau de dopage, revêtu sur une première face d'une couche de commande du deuxième type de conductivité, elle-même revêtue d'une couche principale du premier type de con ductivité. La couche de commande et la couche principale occupent la plus grande partie de la première face. La partie restée libre porte la structure DMOS dont le drain correspond au substrat et dont la couche intermédiaire de même type de conductivité que la couche de commande est continue avec c-elle-ci mais à plus faible niveau de dopage. La grille du DMOS est de préférence en silicium polycristallin. Pour obtenir une structure à déclenchement optique, la présente invention prévoit de disposer plusieurs diodes polycristallines sur une couche isolante déposée sur la première face, ces diodes étant connectées en série par des métallisations et les bornes extrêmes de ce montage série étant connectées respectivement à la couche de commande et à la grille du DMOS. Le dispositif de puissance peut être un thyristor, alors la deuxieme face du substrat est recouverte d'une couche du deuxième type de conductivité. Ce peut également etre un transistor, alors la deuxième face du substrat est recouverte dune couche du premier type de conductivité à haut niveau de dopage. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 rappelle le schéma électrique équivalent de l'association d'un transistor à effet de champ et d'un thyristor la figure 2 représente une vue en coupe schématique d'une structure intégrée selon la présente invention la figure 3 représente une vue de dessus schématique d'une structure selon la présente invention (sans les couches de métallisation). Conformément à l'usage dans la représentation des dispositifs semiconducteurs, aucune des deux figures 2 et 3 n'est tracée à l'échelle en ce qui concerne la profondeur ou les dimensions relatives des diverses couches. Ces figures sont seulement illustratives et ont pour but de faire comprendre la présente invention. Pour les dimensions des diverses structures, on se référera aux connaissances habituelles dans la technique de la fabrication des semiconducteurs sauf indications particulières données dans le texte ci après. La figure 1 représente l'association d'un thyristor 1 et d'un dispositif de commande à effet de champ 2. Ce dispositif comprend deux bornes principales 3 et 4 entre lesquelles est appliqué le courant à interrompre et une borne de commande 5 référencée a la borne 4. La source du transistor à effet de champ 2 est connectée à l'anode du thyristor 1, son drain est connecté à la gâchette du thyristor et sa grille à la borne de commande 5. On a également représente en figure 1 une série de diodes photosensibles 6 qui peuvent servir à assurer une commande optique du thyristor par l'intermédiaire du transistor à effet de champ. On soulignera cette application particulière qui n'est pas concevable dans le cas où le thyristor est commandé par un autre thyristor car alors les courants de commande seraient trop importants pour permettre une commande optique. La présente invention vise des modes de réalisation particuliers du montage de la figure 1, également dans le cas où le thyristor 1 est remplacé par un transistor, les bornes d'anode, de cathode et de gâchette étant alors respectivement les bornes d'émetteur, de collecteur et de base. Quand on voudra désigner de façon générale les bornes dlun thyristor ou d'un transistor, on parlera de bornes principales pour désigner les bornes d'anode ou d'émetteur d'une part et de cathode ou de collecteur d'autre part et de borne de commande pour désigner la borne de gâchette ou de base. Les figures 2 et 3 illustrent une vue en coupe schématique et une vue de dessus schématique d'une association d'un thyristor et d'un transistor à effet de champ du type DMOS selon la présente invention. On notera que la figure 2 ne correspond pas strictement à une vue en coupe de la figure 3 mais est en fait une coupe fonctionnelle destinée à mieux illustrer le fonctionnement de la présente invention De même, dans la figure 3, la zone de commande a été représentée comme occupant un coin d'un thyristor, dans la pratique, cette zone de commande pourra être disposée à tout autre endroit souhai- té, par exemple de façon centrale. Comme le représente la figure 2, la structure selon la présente invention comprend un substrat semiconducteur 10, couramment du silicium, faiblement dopé de type N (désigné par N ). Sur la plus grande partie de la première face du substrat est formée une couche 11 de type P également désignée par P1. Cette couche de type P sera habituellement formée par diffusion, par exemple au bore. Dans la plus grande partie de la couche 11 est formée, couramment par diffusion, une couche 12 de type N, également désignée par la référence N1.On notera que, pour un thyristor, comme cela est représenté dans cette figure, cette couche 12 est interrompue pour permettre des remontées en surface de la couche P1, ce qui correspond à la structure couramment désignée par l'appel- lation court-circuit d'émetteur assurant un meilleur fonctionnement en dV/dt du thyristor. Une métallisation 13 recouvre la couche Ni et les remontées de la couche Pi et constitue la métallisation de cathode. La partie de déclenchement de la structure est du type transistor à effet de champ à double diffusion et comprend une couche 14, également désignée par la référence PO continue avec la couche Pi mais à plus faible niveau de dopage.A l'intérieur de cette couche PO et vers la frontière de cette couche PO avec la remontée en surface de la couche de substrat 10, est formée une zone diffusée 15 de type N également désignée par la référence NO. La couche PO sera appelée couche intermédiaire et la zone étroite de cette couche PO séparant'horizontalement la couche NO 15 de la couche N 10 constitue la zone de canal du transistor DMOS. Cette zone de canal est surmontée par une couche isolante, couramment de la silice 16 ellemême revêtue d'une couche conductrice de grille 17 permettant d'ouvrir ou de fermer le canal selon la tension appliquée.Dans le cas particulier représenté, la couche conductrice 17 est une couche de silicium polycristallin, des techniques bien connues pouvant être utilisées pour auto-aligner les frontières des couches PO et NO avec les projections de cette couche 17 pour permettre l'obtention de structure très bien définie par des techniques d'auto-alignement. La couche 15 constitue la source du transistor DMOS dont le substrat 10 constitue le drain, le contact avec ce substrat étant effectué par l'inter médiaire d'une couche 18 de type N+. En regard de la zone de cathode du thyristor est formée sur le substrat une couche 19 de type P+ correspondant à l'anode du thyristor. L'ensemble des couches N et P+ est revêtu d'une métallisation 20. La commande du dispositif selon la présente invention peut s'effectuer directement par application externe d'une tens-ion sur la couche conductrice 17. Néanmoins, étant donné qu'un transistor MOS peut se commander avec de faibles courants, il est'envisagé selon la présente invention d'effectuer la commande de façon optique en formant sur la couche isolante 16 plusieurs diodes polycristallines constituées du même polycristal que celui qui est utilisé pour former la couche de grille 17, ces régions polycristallines, désignées par la référence 21, étant partagées en des régions dopées de type différent, ces dopages différents s'effectuant en même temps que les diffusions NO et PO à l'aide de masques appropriés. Des métallisations 22 sont prévues pour disposer les diodes en série et connecter la diode extrême par rapport à la grille à la couche P et assurer ainsi la polarisation de l'ensemble. On notera également à la surface supérieure du dispositif une métallisation 23 reposant sur des portions des surfaces des couches 14 et 15. Cette métallisation a le ralle classique de polarisation de la zone intermédiaire. La structure représentée est susceptible de nombreuses variantes. Notamment, à la face inférieure,on a représenté une couche 18 de type N sous la zone de commande. On obtient bien ainsi un transistor à effet de champ à double diffusion de type vertical classique. Néanmoins, cette couche 18 pourrait être le prolongement de la couche 19 de type P+ étant donné que la jonction entre les couches 10 et 19 se trouve polarisée dans le bon sens pour le déclenchement et ne constituerait pas une barrière.D'autre part, bien que le mode de réalisation des diodes photosensibles 21, sous forme de diodes polycristallines déposées à la surface du dispositif soit actuellement le mode de réalisation considéré comme préféré par les inventeurs, on notera que ces diodes pourraient être formées de zones N localisées disposées dans la région de la couche 11 non recouverte d'une métallisation, à savoir la région représentée à la partie supérieure gauche de la figure 2.Ceci est possible dans le cas particulier de la structure représentée car les diodes photosensibles se trouveraient alors polarisées de façon convenable, ce qui n'est habituellement pas le cas pour les dispositifs semiconducteurs intégrés. La figure 3 représente à titre d'exemple une vue de dessus du dispositif de la figure 2 sans les diverses métallisations. Les zones correspondant à celles de la figure 2 sont désignées par de mêmes références. Les diverses diodes polycristallines 21 pourraient se trouver par exemple disposées le long des bords de la structure sur une couche isolante. Dans la zone de commande, la région délimitée par des pointillés correspond sensiblement à celle de la zone conductrice de grille 17. Alors que la structure représentée en figure 2 était une structure de thyristor à commande par effet de champ, on pourrait élaborer une structure analogue de transistor à commande par transistor à effet de champ. Alors la couche 12 serait une couche continue sans court-circuit d'émetteur et la partie inférieure du substrat serait revêtue d'une couche uniforme 18 de type N+. D'autre part, pour des dispositifs de grandes dimensions, on pourra prévoir que le transistor DMOS commande l'étage pilote d'un montage de type Darlington ou thyristor à amplification de gâchette ou équivalent. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits. Elle en inclut les diverses variantes et généralisations comprises dans le domaine des revendications ci-après. REVEND ICAT IONS 1. Structure semiconductrice intégrée associant un dispositif de puissance et un dispositif de commande du type transistor à effet de champ à grille isolée, caractérisée en ce que le transistor à effet de champ est du type DMOS à fonctionnement vertical. 2. Structure semiconductrice intégrée associant un dispositif de puissance et un dispositif de commande du type transistor à effet de champ à grille isolée, le dispositif de puissance comprenant un substrat d'un premier type de conductibilité à faible niveau de dopage, revêtu sur une première face d'une couche de commande du deuxième type de conductivité, elle-meme revêtue d'une couche principale du premier type de conductivité, caractérisée en ce que - la couche de commande et la couche principale occupent la plus grande partie de la première face ; - la partie restée libre de la première face porte une structure du type transistor à effet de champ à double diffusion CDMOS) dont le drain correspond au substrat et dont la couche intermédiaire est-continue avec la couche de commande mais à plus faible niveau de dopage. 3. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que la grille du transistor DMOS est en silicium polycristallin. 4. Structure selon la revendication 3, à déclenchement optique, caractérisée en ce qu'elle comprend# plusieurs diodes polycristallines photosensibles disposées sur une couche isolante sur la première face, ces diodes étant connectées en série par des métallisations, les bornes extrêmes de ce montage série étant connectées respectivement à la couche de commande et à la grille du transistor DMOS. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la deuxième face du substrat est recouverte d'une couche du deuxième type de conductivité d'où il résulte que le dispositif de puissance est un thyristor. 6. Structure selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche du deuxième type de conductivité sur la deuxième face est interrompue en regard de la zone de commande et remplacée dans cette zone par une couche du premier type de conductivité à fort niveau de dopage, l'ensemble de la deuxième face étant recouvert par une même métallisation. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la deuxième face du substrat est recouverte d'une couche du premier type de conductivité d'où il résulte que le dispositif de puissance est un transistor.