Brevet FR2531572A1 — publié le 19840210

"DISPOSITIF MOS A STRUCTURE PLANE MULTICELLULAIRE" La présente invention concerne un dispositif de type MOS à struc- ture plane multicellu J Weire réalisé dans un cristal semi-conducteur et comportant un ensemble de cellules élémentaires identiques de forme polygonale simple au centre de chacune desquelles est située une ré- gion dite de court-circuit N+P+, chaque cellule -tant obtenue, en pré- mier lieu, par une diffusion dans une couche d'ui premier type de con- duction d'un premier ilôt fortement dopé d'impur Etés d'un second type de conduction opposé au premier définissant, entre autres, à la surfa- ce de ladite couche une zone de drain constituée d'une pluralité de bandes disposées selon une configuration sensiblement homéomorphe à une couronne entourant la région centrale de court-circuit et, en second lieu, par diffusion dans ledit premier ilât d'un second ilôt localisé fortement dopé d'impuretés du premier type de conduction dont le con- tour délimite, d'un coté, ladite région centrale de court-circuit-et, de l'autre, une zone superficielle dite de canal séparant ledit second ilât de la couche du premier type de conduction. On sait qu'une structure, de transistor MOS dans un cristal semi- conducteur est caractérisée par une région de drain recouverte d'une couche tampon renforçant l'effet de ladite région de drain, par une région de source et par une zone d'inversion délimitant une zone super- ficielle de canal Une telle structure est également définie par un coefficient dit de remplissage qui correspond au rapport périmètre du canal P et par la valeur de sa résistance directe surface du cristal e Ron à l'état passant. Pour une configuration donnée et dans des structures fonctionnant à des tensions relativement basses, la résistance Ron est essentielle- ment due à la résistance transversale de canal dont la valeur est inver- sement proportionnelle au périmètre dudit canal, d'o l'intérêt d'amé- liorer ledit coefficient de remplissage P Dans ce but, l'une des solutions consiste donc à introduire de nouvelles structures planes multicellulaires en remplacement de la structure VMOS caractérisée par la présence de sillons modifiant le parcours de lignes de courant à la sortie du canal et utilisée en raison de son insensibilité au phénomène de second claquage et en raison de la valeur très faible de ses temps de commutation. Les structures planes multicellulaires sont donc de type planar à anneaux de champ périphériques N+ et P" et sont constituées, dans leur zone active, d'une pluralité de cellules élémentaires juxtaposées de formes géométriques simples C'est ainsi que l'on a déjà rencontré des structures à cellules hexagonales connues notamment sous l'appellation 1 de "HEXFET" et, plus récemment, des structures dites "SIPMOS" à cellu- les carrées ou "TRIMOS" à cellules tria gulaires. Ces structures présentent un coefficient de remplissage plus favorable que celui de la structure VMJO; à sillons. L'étude de ce coefficient de remplissage a permis de constater,- en effet, que, dans chacun des cas, il existe une dimension optimale du c Qté du motif de source inclus dans chaque cellule élémentaire pour laquelle le rapport l est maximum, ce maximum étant constant et théori- quement égal à (d représentant en em la distance séparant deux zones de source contiguës, distance définie en réalité par les tolérances de photogravure acceptables dans la réalisation des cellules). Ainsi, dans les structures citées ci-dessus pour lesquelles la distance d est maintenue constante et pourrait, théoriquement, être ra- menée à 8 pm, la valeur du rapport SP devrait être alors de 12,5 cm/mm 2 environ. En pratique, bien que supérieur à la valeur obtenue dans le cas d'une structure VMOS classique, ce coefficient de remplissage reste encore très inférieur à la valeur théorique Ceci est donc dû notamment au fait que les tolérances des photogravures nécessaires à la mise en place dans et sur le cristal des divers éléments de chaque cellule con- duisent soit à augmenter la surface des cellules élémentaires par rap- port à la zone de source, soit à réduire ladite zone de source par rapport à celle de la cellule élémentaire, ces deux solutions revenant en fait à allonger la distance d séparant deux zones de source et à diminuer le périmètre de canal. Cette réduction de la valeur du coefficient de remplissage par rapport à sa valeur théorique est également due au fait que, dans les structures actuelles et pour fixer la potentiel de la zone d'inversion, on crée dans chaque cellule élémentaire une région de court-circuit N P+ obtenue en réalisant un ilôt de type Pl au centre de la région N+, cet ilôt central ayant généralement une forme homothétique à cel- le de ladite cellule élémentaire Or la réalisation dudit ilôt central dans chaque cellule conduit encore à en augmenter les dimensions. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Pour ce faire, la Demanderesse s'appuie sur les résultats inattendus d'expérience-effectuées par elle et visant à définir l'incidence de divers paramètresde structure sur les caractéristiques électriques des in dispositifs multicellulaires et notamment sur leur tenue en tension inverse En effet, contrairement au principe admis et appliqué ac- tuellement sur les dispositifs connus qui consiste à maintenir consé tante la distance D entre l'ilât central de type P+ et la zone de ca- nal de manière à garantir une tenue en inverse correcte notamment au second claquage, la Demanderesse a constaté que dans le cas de dispo- sitifs fonctionnant à basse ou moyennne tension, c'est-à-dire à moins de 200 volts, cette distance D n'intervient pas sur la caractéristi- que de tenue en tension. La présente invention concerne donc un dispositif de type MOS à structure plane multicellulaire réalisé dans un cristal semi-conducteur et comportant un ensemble de cellules élémentaires identiques de forme polygonale simple au centre de chacune desquelles est située une ré- gion dite de court-circuit N+P chaque cellule étant obtenue, en premier lieu, par une diffusion dans une couche d'un premier type de conduction d'un premier ilôt fortement dopé d'impuretés d'un second- type de conduction opposé au premier définissant, entre autreà à la surface de ladite couche, une zone de drain constituée d'une plurali- té de bandes dites périphériques disposées selon une configuration sensiblement homéomorphe à une couronne entourant la région centrale de court-circuit et, en second lieu, par diffusion dans ledit premier ilôt d'un second ilôt localisé fortement dopé d'impuretés du premier type de conduction dont le contour délimite, d'un côté, ladite région centrale de court-circuit et 9 de l'autre, une zone suparficie Ie dite de canal séparant ledit second ilôt de la couche du premier type de conduction, dispositif notamment remarquable en ce que chaque celluile comporte également dans la couche du premier type de conduction un réseau de bandes superficielles disposées selon une orientation sensiblement radiale par rapport à la région centrale de court- circuit et raccordées électriquement aux bandes périphériques égale- ment superficielles constituant la couronne autour de ladite région centrale de court-circuit. Les bandes radiales créées dans chacune des cellules s'ajoutent aux bandes périphériques entourant la région de court-circuit pour augmenter le périmètre de canal et, par conséquent, pour améliorer le D rapport 5 qui se rapproche très notablement des valeurs maximales théoriques. Chaque cellule élémentaire présente une forme géométrique simple et facile à reproduire Elle comporte généralement un ensemble de mo- tifs identiques polygonaux constitués chacun d'une zone de drain obte- nue à partir de portions de bandes périphériques et de bandes radiales du premier type de condtiction et d'une portion de région de court- circuit créée à l'un de ses sommets 2 lesdits motifs étant disposés de manière telle que, dans leur juxtaposition pour former une cellule, leurs régions de court-circuit sont regroupées en une région unique située au centre de ladite cellule. Dans le cas de cellules hexagonales selon l'invention comportant donc six motifs triangulaires identiques, le Demanderesse a constaté que le gain obtenu du point de vue encombrement et du point de vue électrique permet, dans des dimensions et des conditions comparables à celles utilisées dans les structures antérieures, d'obtenir un rap- port sensiblement égal à 12 cm/mm 2, c'est-à-dire très voisin du rap- port théorique prévu. La même amélioration peut être constatée dans le cas o les cel- lules élémentaires sont constituées d'un regroupement de quatre motifs à quatre côtés, rectangulaires ou carrés, ou de trois motifs hexagonaux. Ainsi que l'a constaté la Demanderesse, le fait d'ajouter des ban- des radiales aux bandes périphériques de la zone de drain conduit né- cessairement à faire varier la distance D entre l'-ilôt central de la région de court-circuit et la zone d'inversion donc la zone de canal. Mais, pour des tensions moyennes de fonctionnement auxquelles doit être soumis le dispositif selon l'invention, cette variation n'inter- vient pas sur la tenue en tension inverse notamment au second claquage. Avantageusement, la largeur des bandes radiales de la zone de drain d'une cellule élémentaire est égale au double de celle des bandes périphériques de ladite cellule, ceci dans le but de maintenir cons- tantes et égales la distance séparant les zones de source de deux cellules contiguës et la distance séparant les zones de source de deux motifs contigus. La structure constituant le dispositif selon l'invention présente l'avantage de pouvoir être réalisée avec les mêmes appareillages et les mêmes procédés que des structures déjà connues. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure la représente une vue de dessus d'une cellule élémen- taire d'un dispositif conforme à l'invention dans une première forme de réalisation. Les figure; lb et lc illustrent respectivement les coupes;schéma- tiques suivant les lignes I Il et m DI de ladite cellule. La figure ld représente une vue de dessus d'un motif unitaire de cette même cellule. Les figure 2 et 3 représentent respectivement, en vue de dessus, une cellule élémentaire selon une deuxième et une troisième forme de réalisation. Il est à noter que, sur les figures, les dimensions sont consi- dérablement exagérées et peu proportionnées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Par ailleurs, les vues de dessus sont représentées sans tenir compte des couches isolantes d'oxyde et des plages de prise de contact de manière à faire mieux comprendre l'invention. Conformément à ladite invention et selon les figures la, lb et lc, une cellule élémentaire 1 de forme hexagonale comporte en surface une région 2 de type N+ constituant la source d'un transistor MOS créée dans un ilôt de type P+ duquel apparaissent, d'une part, la région de court-circuit 3 et, d'autre part, la zone de canal 4 La forme dudit ilôt de type P+ diffusé dans une couche 5 de type N définit une plu- ralité de bandes périphériques 6 a et de bandes radiales 6 b: ces ban- des forment avec le reliquat de la couche 5, dite couche tampon, et avec le substrat 7 qui la porte la zone de drain dudit transistor MOS. Pour obtenir cette cellule qui, dans la pratique est reproduite en multiples exemplaires, on part du substrat semi-conducteur 7, en si licium par exemple et de préférence de type N+, sur lequel on dépose par épitaxie une couche 5 de même type de conduction mais à faible concentration d'impuretés, donc N_. Après une photogravure appropriée de la couche d'oxyde recouvrant la surface de ladite couche 5, on diffuse un premier ilôt profond 3 a d'un second type de conduction opposé au premier et à forte concentra- tion d'impuretés de dopage donc P+; à travers de nouvelles ouvertures pratiquées dans cette même couche d'oxyde, on diffuse ensuite succes- sivement un ilôt 3 b de type P, moins profond que l'ilôt 3 a, et, à l'intérieur de cet ilôt 3 b, un nouvel ilôt 2 de type N+ La diffusion latérale desdits ilôts 3 b et 2 délimite la région dite de court-circuit 3 et unt zone d'inversion définissant la zone de canal 4. La forme donnée au masque de photogravure des ilôts 2 et 3 b déter- mine également la disposition de la zone de drain constituée ainsi de bandes périphériques 6 a et de bandes radiales 6 b. Le fait de créer à l'aplomb de la région de court-circuit un ilôt 3 a plus profond que l'ensemble de l'ilôt 3 b a pour but d'améliorer la tenue en tension du dispositif par réduction du rayon de courbure de la jonction. Pour obtenir ce résultat on peut utiliser un procédé de double diffusion mais il est également possible de réaliser à travers un seul masque la diffusion simultanée d'impuretés de nature et de vitesse de diffusion différentes, la diffusion de chacune d'elles étant alors délimitées aux zones devant correspondre aux ilôts 3 a et 3 b. Les opérations suivantes, à savoir dépôt d'une couche d'oxyde propre 8 et d'une couche 9 de silicium polycristallin constituant la grille, dépôt d'une nouvelle couche isolante d'oxyde 10 puis dépôt de couches métalliques de prise de contact 11, 12 et 13 respectivement sur la ré- gion de source, sur la région de grille et sur la zone de drain sont réa- lisées selon des procédés et des moyens classiques. Conformément au principe utilisé sur tous les types de transis- tors MOS, la distance d séparant deux régions de sources contiguës est maintenue constante soit entre cellules élémentaires voisines soit dans unemêmecellule Mais, au contraire la distance D entre la région de courtcircuit 3 et la zone de canal 4 varie de manière relativement importante Cependant, compte-tenue des faibles valeurs de ces dis- tances, leur variation n'intervient pas sur la tenue en tension. En effet, dans une forme préférentielle de réalisation, on a 2 531572 choisi pour d une valeur de 10 Mu, pour l(la longueur de chaque bande radiale)j une valeur de l'ordre de 20 rm et en conséquence D varie entre 7 et 25 rm environ. La figure id représente un motif unitaire de forme triangulaire comportant en surface une région de source 2 a, une zone de canal 4 a, des portions longitudinales de bandes 6 a 1 et 6 b 1 de largeur égale à d et,kl'un des sommets du triangle une portion 3 al de la région de court- circuit. En juxtaposant six de ces motifs unitaires, on obtient donc la cellule élémentaire illustrée par les figures la à le. La figure 2 représente une deuxièmeforme de réalisation de l'in- vention selon laquelle le dispositif MOS est constitué de cellules élémentaires 21 de forme carrée réalisées à partir de quatre motifs unitaires également carrés. Dans une cellule élémentaire 21, on retrouve donc une région de source 22 entourant une région de court-circuit 23 La configuration donnée à la région de source 22 et à l'ilôt dans lequel elle est dif- fusée délimite une zone de canal 24 et une zone de drain constituée de bandes périphériques 25 a et de bandes radiales 25 b. La figure 3 illustre une troisième forme de réalisation de l'in- vention selon laquelle le dispositif MOS est constitué d'une pluralité de cellules élémentaires 31 constituées chacune d'un agencement de trois motifs hexagonaux. Dans une telle cellule 31 on retrouve également une région de source 32 entourant une région de court-circuit 33, ladite région de source 32 étant délimitée successivement par la zone de canal 34 et lesbandes périphériques 35 a et les bandes radiales 35 b de la zone de drain. REVENDICATIONS 1 Dispositif de type MOS à structure plane multicellulaire réalisé dans un cristal semi-conducteur et comportant un ensemble de cellules élémentaires identiques ( 1, 21, 31) de forme polygonale sim- ple au centre de chacune desquelles est située une région dite de court-circuit N+P+ ( 3, 23, 33), chaque cellule étant obtenue, en pre- mier lieu, par une diffusion dans une couche ( 5) d'un premier type de conduction d'un premier ilât fortement dopé d'impuretés d'un second type de conduction opposé au premier définissant, entre autre S, à la surface de ladite couche, une zone de drain constituée d'une plurali- té de bandes dites périphériques ( 6 a, 25 a, 35 a) disposées selon une configuration sensiblement homéomorphe à une couronne entourant la région centrale de court-circuit ( 3, 23, 33) et, en second lieu, par diffusion dans ledit premier ilôt d'un second ilôt localisé fortement dopé d'impuretés du premier type de conduction dont le contour délimi- te, d'un coté, ladite région centrale de court-circuit et, de l'autre, une zone superficielle dite de canal ( 4, 24, 34) séparant ledit second ilôt ( 2, 22, 32) de la couche du premier type de conduction, dispositif caractérisé en ce que chaque cellule ( 1, 21, 31) comporte également dans la couche ( 5) du premier type de conduction un réseau de bandes superficielles ( 6 b, 25 b, 35 b) disposées selon une orientation sensi- blement radiale par rapport à la région centrale de court-circuit ( 3, 23, 33) et raccordées électriquement aux bandes périphériques ( 6 a, a, 35 a) également superficielles constituant la couronne autour de ladite région centrale de court-circuit 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la largeur des bandes radiales ( 6 b, 25 b, 35 b) de la zone de drain d'une cellule élémentaire ( 1, 21, 31) est égale au double de celle des ban- des périphériques ( 6 a, 25 a, 35 a) de ladite cellule. 3 Dispositif selon l'une des revendicationsl 1 et 2 caracté- risé en ce que la cellule élémentaire ( 1) est de forme hexagonale et en ce qu'elle comporte six motifs unitaires identiques triangulaires. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caracté- risé en ce que la cellule élémentaire ( 21) est de forme carrée et en ce qu'elle comporte quatre motifs unitaires identiques également car- rés. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caracté- 5. risé en ce que la cellule élémentaire ( 31) est un agencement de trois motifs unitaires identiques hexagonaux.