Brevet FR2516704A1 — publié le 19830520

THYRISTOR A FAIBLE COURANT DE CACHETTE IMMUNISE PAR RAPPORT AUX DECLENCHEMENTS PARASITES. la présente invention concerne le domaine des thyristors et, plus particulièrement, la fabrication de thyristors à forte sensibilité, c'est-à-dire declenchables par un faible courant de gâchette, ces thyristors étant néanmoins immunisés par rapport aux déclenchements parasites par effet thermique ou par variation brutale de la tension appliquée entre les bornes principales (déclenchement en dV/dt). La figure LA représente une vue en coupe tres schématique d'une structure de thyristor. Conformément à l'usage dans le domaine de la représentation des semiconducteurs, cette figure ainsi que les autres figures attachées au présent texte ne sont pas tracées à l'échelle, mais certaines des dimensions ont été dilatées par rapport aux autres pour permettre une meilleure lisibilité. Le thyristor 10 de la figure 1A comprend une couche Il de type N très faiblement dopé correspondant a un substrat initial de silicium, une couche d'anode 12, une couche de gâchette 13 et une couche de cathode 14.Une métallisation d'anode 15 repose sur la couche d'anode 12, une métallisation de cathode 16 sur la couche de cathode 14 et une métallisation 17 permet d'établir un contact avec une portion de la couche de gachette. Ce thyristor 1G est représenté symboliquement de la façon illustrée en figure 1B ou l'on a également figure les bornes d'anode, de cathode et de gâchette A, K et C. L'inconvenient de cette structure est qu'elle est extremement sensible, c9est-à- dire, d'une part, qu'elle est déclenchable par un très faible courant de gâchette, d'autre part, qu'elle est également declenchable par divers parasites liés à des augmentations de température ou à des augmentations brutales de tension entre les bornes A et K. Four immuniser cette structure par rapport aux déclenchements parasites, on dispose généralement une résistance 18 entre les bornes G et K.Il est clair que, plus la valeur de cette résistance est faible, plus la sensibilité du transistor diminue, c'est-à-dire plus le courant de gâchette appliqué doit être important. Par contre, pour des thyristors de surface relativement importante, on s'aperçoit que cette désensibilisation du courant de gâchette n'entrain pas nécessairement une immunité importante par rapport aux déclenchements parasites. Pour améliorer l'immunité aux déclenchements parasites, on a proposé depuis longtemps une structure dite à courts-circuits d'émetteur (brevet américain 3.476.993 correspondant au brevet français 1.267.417). Une telle structure est . représentée schématiquement en figure 2A. Dans cette figure, de mêmes références désignent de mêmes couches qu'en figure 1A. La couche de cathode 21 est interrompue par des ouvertures ou trous 22 par lesquels remonte la couche sàus-jacente 13 de type P qui vient en contact avec la métallisation de cathode 16. Cette structure présente une très bonne immunité aux déclenchements parasites. Son schéma équivalent est illustré en figure 2B.Le thyristor 20 équivaut à un thyristor idéal 23 correspondant au thyristor 10 de la figure 1B, mais avec addition d'une résistance supplémentaire 24 entre gâchette et cathode liée à 11 existence des trous de court-circuit. Dans la pratique, cette résistance n'est pas supérieure à 1000 ohms et est même souvent de l'ordre de 200 à 500 ohms. Il en résulte que la valeur du courant de déclenchement IG que l'on doit injecter dans la gâchette pour faire conduire le thyristor est nécessairement de l'ordre de quelques milliampères (par exemple, 2 milliampères pour une tension d'entrée de 1 volt sur une résistance de 500 ohms).Ainsi, la structure à courtscircuits d'émetteur de la figure 2A n'est pas utilisable quand on veut réaliser des thyristors extrêmement sensibles déclenchables par des courants de l'ordre de la centaine de microanperes. On est alors obligé de se rabattre sur la structure de base du type représenté en figure 1A avec l'inconvénient de la mauvaise immunité aux déclenchements parasites. La présente invention vise à réaliser une structure permettant à la fois d'obtenir une forte sensibilité au courant de gâchette et, d'autre part, une bonne immunité aux déclenchements parasites. Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une structure de thyristor dans laquelle des portions de la couche de gâchette remontent en une pluralité d'emplacements de la couche de cathode sur une face principale du composant. Toutefois, ces portions sont revêtues d'une couche isolante et ne sont pas en contact avec la métallisatior. de cathode qui recouvre la couche isolante. Ces emplacements peuvent avoir des formes circulaires ou de bandes ou encore correspondre à une digitation. Pour fabriquer une structure selon la présente inven tlon, il est prévu, à partir d'un substrat de silicium de type N, de former, sur la face inférieure du substrat et sur les zones de la face supérieure autres que celle devant correspondre à la cathode, une couche de silice, ces zones correspondant d'une part à une région de gâchette, d'autre part, à une pluralité d'emplacements à l'intérieur de la région de cathode ; d'effectuer une diffusion simultanée d'arsenic et de gallium ; de protéger la couche de silice au niveau de la face supérieure sauf là où l'on souhaite pratiquer une métallisation de gâchette et d'attaquer la couche de silice aux emplacements non protégés ; et de procéder aux métallisations usuelles, la métallisaticn de cathode recouvrant notamment lesdits emplacements. On notera qu'il existe des structures qui peuvent parattre analogues dans le domaine des transistors. Par exemple, la demande de brevet français n0 79/18682 de General Electric du 19 juillet 1979 représente, en figure 7, une zone dans laquelle une remontée de la couche de base 70 apparat à l'intérieur d'un doigt d'émetteur 72-74, cette remontée étant protégée par une couche de silice 76. Toutefois, deux différences fondamentales apparaissent : d'une part, la structure décrite n'a pas le manie objet étant donné qu'elle vise à améliorer les caractéristiques de blocage d'un transistor, problème qui ne se pose même pas pour un thyristor qui n'est normalement pas bloquable alors que la structure selon la présente invention vise à réduire l'immunité par rapport aux parasites et à améliorer la sensibilité au déclenchement (fermeture) d'un thyristor ; d'autre part, la struc ture n'est en fait pas la même étant donné que, selon la présente invention, il est prévu une pluralité d'ouvertures, alors que, selon la structure décrite dans le brevet General Electric, il est prévu une seule remontée en forme de doigt séparant en deux un doigt d'émetteur.En effet, dans une structure de transistor, il convient de prendre des contacts de base entre les doigts d'émetteur. Les objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier, faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1A, 1B, 2A et 2B, qui étaient destinées à illustrer l'état de l'art antérieur et le problème posé, ont ete décrites précédemment les figures 3 et 4 représentent respectivement une vue en coupe partielle et schématique et une vue de dessus de modes de réalisation de la présente invention. La figure 3 représente, avec les mêmes références que celles employées en figure 2A pour les couches identiques, une structure selon l'invention. la différence essentielle entre la structure selon l'invention de la figure 3 et la structure selon l'art antérieur de la figure 2A est que les zones d'affleurement 22 de la couche de gâchette 13 à travers la couche de cathode 21 sont surmontées d'une couche isolante 30 interposée entre ces affleurements et la métallisation de cathode 16. On a également représenté en figure 3 une couche isolante 31 aux emplacements autres que ceux de la métallisation de cathode 16, cette couche isolante 31 étant ouverte en un emplacement pour permettre le contact entre la métallisation de gâchette 17 et la couche de gâchette 13. Les emplacements 22, au niveau desquels la couche de gâchette 13 remonte pour affleurer à la surface de la tranche de silicium semiconducteur à l'intérieur de la couche de gâchette 20, peuvent avoir toutes formes choisies. Il peut s'agir de trous circulaires, de bandés, ou encore de digitations comme cela est représenté dans la vue de dessus de la figure 4. Dans cette figure 4, représentant une vue de dessus partielle d'un dispositif du type de celui illustré en figure 3, les traits pleins désignent des limites de la zone de diffusion de la couche N, les traits pointillés les limites de la métallisation de cathode 16 et les traits mixtes les limites de la couche isolante 30, généralement une couche de silice. Pour fabriquer un dispositif du type de celui de la figure 3, on procède par exemple de la façon suivante. En partant d'un substrat de silicium faiblement dopé de type N, correspondant au niveau de dopage que l'on souhaite pour la couche 11, on dépose sur la face inférieure (face d'anode) une couche uniforme de silice, puis sur la face supérieure une couche de silice ouverte pour laisser en place des zones telles que representees en figure 3 sous les références 30 et 31. Après cela, on place la plaquette dans un tube scellé de diffusion et l'on procede à une diffusion simultanée d'arsenic et de gallium. On obtient ainsi des zones de type P sous la couche de silice, et des zones de type P surmontées d'une zone de type N aux emplacements où il n'y a pas de silice et où l'on souhaite former la couche de cathode.Ensuite, on masque la silice sur la face supérieure pour laisser seulement une ouverture à l'emplacement de la région de silice 31 où l'on souhaite former l'ouverture pour la métallisation de gâchette 17 et on soumet l'ensemble à un bain d'attaque de la silice n'attaquant pas le produit de masquage. On procède ensuite aux diverses métallisations de façon usuelle. Bien entendu, la structure selon la présente invention est susceptible de recevoir les divers perfectionnements employés classiquement pour les thyristors classiques ; par exemple, ils peuvent avoir diverses formes de cathodes (gâchette en coin ou gâchette centrale), comprendre une diffusion supplémentaire d'or pour accélérer la rapidité de commutatîon du dispositif, etc... De même, la présente invention s'applique non seulement aux thyristors classiques mais à tous les composants de cette famille, par exemple aux thyristors a conduction bidirectionnelle ou triacs dans les revendications ci-après, le terme thyristor devra s'entendre avec ce niveau de generalite. Dans le cas d'un triac, il faudra alors interpréter cathode et anode comme désignant une première et une seconde électrode principale. REVENDICATIONS. 1. Thyristor à faible courant de gâchette immunise par rapport aux déclenchements parasites dans lequel des portions (22) de la couche de gâchette (13) remontent en une pluralité d'emplacements de la couche de cathode (21) sur une face principale du composant, caractérisé en ce que ces portions sont revêtues d'une couche isolante (30) que recouvre la métallisation de cathode (16). 2. Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits emplacements ont des formes sensiblement circulaires. 3. Thyristor selon la revendication l, caractérisé en ce que lesdits emplacements ont des formes de bandes. 4. Procédé de fabrication d'un thyristor selon la revendication 1 à partir d'un substrat de silicium de type N consistant à: - former sur la face inférieure du substrat et sur les zones de la face supérieure autres que celles devant correspondre à la cathode, une couche de silice, ces zones correspondant d'une part à une région de gâchette, d'autre part, à une pluralité d'emplacements à l'intérieur de la région de cathode, - effectuer une diffusion simultanée d'arsenic et de gallium, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes - protéger la couche de silice au niveau de la face supérieure sauf là où l'on souhaite pratiquer une métallisation de gâchette et attaquer la couche de silice aux emplacements non protégés, - procéder aux métallisations usuelles, la métallisation de cathode recouvrant notamment lesdits emplacements.