Brevet FR2541513A1 — publié le 19840824

THYRISTOR AUTO-PROTEGE ET SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention se rapporte d'une façon générale au domaine des composants semi-conducteurs de puissance, et concerne plus particulièrement un thyristor auto-protégé contre les surtensions. En général, la protection contre les surtensions d'un thyristor utilise un courant d'avalanche dans la région de grille pour déclencher le thyristor L'effet d'avalanche est obtenu en gravant un puits profond, environ 0,25 mm, dans la région de grille pendant le traitement d'une plaquette de silicium, la gravure se faisant généralement après une diffusion d'aluminium et avant une diffusion de gallium La tension d'avalanche est déterminée par la profondeur et le profil du puits grav,-é L'utilisation de l'éffet d'avalanche pour l'auto- protection est valable ou non suivant que la tension d'avalanche est inférieure ou supérieure à la tension d'amorçage sur le bord du composant. L'utilisation de l'effet d'avalanche implique néces- sairement certaines modifications des paramètres électriques du composant Particulièrement, il se produit une modi- fication de la tension de blocage direct VDRM avec une augmentation associée de la chute directe VF pour la même tension VDRM. La technique des puits profonds a été décrite dans "Thyristor With Overvoltage Self-Protection", J X. Przybysz et E S Schlegel, 1981, IEDM, pages 410-413. Aucun brevet n'a été déposé car les droits revenaient à EPRI qui a renoncé à déposer. Deux autres procédés antérieurs de protection contre les surtensions sont ( 1) une anode-base amincie pour contrôler la position VBO et le niveau de tension et ( 2) l'utilisation d'une jonction de blocage direct incurvée. La mince anode-base et la technique de jonction incurvée pour assurer une protection contre les surtensions sont décrites dans "Controlled Thyristor Turn-On for High DI/DT Capability" V A Ko Temple, 1981, IEDM, pages 406-409. L'utilisation de thyristors auxiliaires et de dopage non-homogène ou hétérogène de la région de base de type N est décrite dans "A Thyristor Protected Against dijdt Failure At Breakdown Turn-On", P Voss, Solid State Electronics, 1974, Vol 17, pages 655-661. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 003,072 décrit des jonctions incurvées comme un moyen de protec- tion contre les surtensions. L'article "A Nex Bipolai Transistor-GAT", de Hisao Kondo et Yoshinori Yokimoto, IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol Ed 27 N 2, février 1980, pages 373-379 est un exemple typique de la technique antérieure décrivant un transistor dans lequel la région de base comporte des parties pénétrant plus profondément dans la région de collecteur que le reste de la région de base pour être en contact avec la région appauvrie. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 190 699 déposée le 25 septembre 1980 est un exemple de plusieurs demandes de brevets dans lesquels la région de base de type P d'un thyristor comporte des parties espacées pénétrant dans la région de base de type N pour être en contact avec la région appauvrie. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 357 106 déposée le 3 mars 1982 décrit une protection contre les surtensions dans un thyristor en pulsant le centre d'une région de grille d'un thyristor avec un laser, en déformant ainsi la jonction de blocage, entrai- nant une partie de la base de type P qui pénètre dans la région de base de type N. L'objet essentiel de l'invention est donc de proposer un thyristor auto-protégé perfectionna. Un aspect de l'invention réside dans un procédé de réalisation d'un thyristor, ce thyristor étant auto- protégé contre les surtensions par le mécanisme d'ava- lanche, le procédé consistant à former des régions d'un second type de semi-conductivité dans un corps de matière semi-conductrice d'un premier type de semi- conductivité en diffusant une matière de dopage susceptible de former une région du second type de smi-conductivité par des surfaces majeures opposées du corps, lesdites surfaces majeures opposées comprenant la surface supérieure et la surface inférieure du corps, à former par attaque au laser une rainure annulaire dans une partie centrale de la surface supérieure du corps, la rainure s'étendant entièrement autour de ladite région du second type de semi-conductivité, formée par diffusion par la surface supérieure et dans le corps du premeir type de semi- conductivité, à diffuser une seconde matière de dopage susceptible de former une région du second type de conduc- tivité par la surface supérieure'et la surface inférieure du corps, cette seconde matière de dopage diffusant par la rainure, de manière qu'une région du second type de conductivité soit formée près de ladite rainure dans le corps et cette région devenant une partie de la région formée par diffusion par la surface supérieure, à former au moins deux régions circulaires du premier type de semi-conductivit dans ladite région du second type de semi-conductivité formée par diffusion par la surface supérieure, les deux régions circulaires étant espacées l'une de l'autre et de ladite rainure, les deux régions circulaires s'étendant dans ladite région du second type de se Mni-conductivité, dans laquelle elles sont formées jusqu'à une largeur inférieure de la largeur de la région dans laquelle elles sont formées, à fixer des premiers contacts électriques métalliques sur la surface supérieure du corps, en contact électrique ohmique avec lesdites régions circulaires et ladite région du second type de conductivité, de manière que lesdites régions soient courtcircuitées électriquement entre elles, à fixer un second contact de rainure électrique métallique sur la surface supérieure, en contact électrique ohmique avec les parois de la rainure et à fixer un troisième contact électrique sur la surface inférieure du corps en contact électrique ohmique avec ladite région du second type de conductivité formée par diffusion à travers la surface inférieure du corps. Selon un autre aspect, l'invention concerne d'une façon générale un thyristor auto-protégé par avalanche contre les surtensions, comprenant une rainure circulaire disposée dans la première région de base, cette rainure étant espacée de la première région d'émetteur et de la région d'émetteur auxiliaire, la rainure s'étendant depuis la partie centrale de la surface supérieure du thyristor dans la première région de base d'une distance prédéter- minée, cette distance prédéterminée étant telle que la jonction de blocage direct sous la rainure soit profilée vers la jonction de blocage inverse, de manière que la seconde région de base présente une première largeur en-dessous de la rainure inférieure à la largeur du reste de la seconde région de base. L'invention sera mieux comprise en regard de la description qui va suivre faite en regard du dessin annexé sur lequel: Les figures 1 à 3 sont des vues de c 6 té d'un substrat de matière semi-conductrice, traitées selon l'invention, et La figure 4 est une vue de câté d'un thyristor réalisé selon l'invention. La figure 1 représente donc un substrat de matières semi-conductrices 10, de préférence du silicium. Le substrat 10 qui était initialement du type N de conduc- tivité à 220 ohms/cm a reçu une première région 12 de type P de conductivité et une seconde région 14 de type P, formées par diffusion La matière de dopage utilisée pour former les régions 14 et 16 est de préférence de l'alu- minium. La matière initiale de type N forme maintenant la région de type N. Une jonction PN 18 est formée entre les régions 12 et 16 et une région PN 20 entre les régions 14 et 16. Une rainure 22 de forme circulaire ou annulaire est ensuite gravée dans la surface supérieure 24 du substrat au moyen d'un laser. La largeur "X" de la rainure doit être aussi étroite que possible, l'utilisation du laser permettant de graver des rainures de l'ordre de 0,125 mm. La profondeur "Y" de rainure dépend des paramètres électriques voulus du thyristor final et elle sera décrite en détail par la suite. Tout laser connu du spécialiste en la matière pouvant attaquer le silicium peut être utilisé pour tailler la rainure 22 Des exemples de laser qui convien- nement comprennent les lasers à rubis et les lasers YAG Un laser qui convient particulièrement est le laser YAG commutateur Q de 25 W, 10 k Hz avec environ 2,5 milli- joules par impulsion. Selon la figure 2, un second dopant de type P, de préférence du gallium, est ensuite diffusé dans le substrat 10 par la surface supérieure 24 et la surface inférieure 26 du substrat. Pendant la seconde diffusion, le dopant de type P,-de préférence du gallium, en plus d'augmenter la concentration de dopage dans les régions 12 et 14 de type P déjà formées, diffuse par les parois latérales 28 et la surface inférieure 30 de la rainure 22 La diffusion de dopant du type P par la surface inférieure 30 de la rainure 22 entraîne la formation d'une partie 32 de type P le long de la partie inférieure de la rainure 22. La partie 32 de type P devient une partie de la région 12 de type P. Des régions 34 et 36 de type N sont ensuite formées par diffusion d'un dopant de type N, par exemple du phosphore, par la surface supérieure 24 du substrat 10. Une jonction PN 38 est formée entre la région 34 et la région 12 et une jonction PN 40 entre les régions 36 et 12. Selon la figure 3, une première électrode métallique 42 est fixée le long de la surface supérieure 24, en contact ohmique électrique avec la région 34 Une seconde électrode métallique 44 est fixée le long de la surface supérieure 24, en contact ohmique avec les régions 36 et 12 Le contact ohmique 44 court-circuite électriquement la région 36 et la région 12 Une troisième électrode métallique 46 est fixée sur la surface supérieure 24 en contact ohmique avec les parois latérales 28 et la surface inférieure 30 de la rainure 22. La première, la seconde et la troisième électrodes métalliques 42, 44 et 46 sont de préférence en aluminium et peuvent être fixées sur leurs positions respectives par dépôt de métal ou par pulvérisation, technique connue du spécialiste en la matière. Une quatrième électrode métallique 48 est fixée le long de la surface inférieure 26 du substrat 10, en contact ohmique avec la région 14. L'électrode métallique 48 est de préférence en molybdène. La figure 4 représente le composant terminé, à savoir un thyristor 110. Le thyristor 110 comporte la région 34 de type N qui est la région de cathode-émetteur du thyristor 110. La première région 12 de type P est la région de cathode- base La région initiale 16 de type N est la région d'anode-base La seconde région 14 de type P est la région d'anode-émetteur La région 38 est un émetteur auxiliaire ou région de grille flottante. La jonction PN 18 entre la région de cathode-base 12 et la région d'anodebase 16 est la jonction PN de blocage directe La jonction PN 20 entre la région 16 d'anode-base et la région 14 d'anode-émetteur est la jonction de blocage inverse. La première électrode métallique 42 est l'élec- trode de cathode-émetteur La seconde électrode métallique 44 est l'électrode de région d'émetteur auxiliaire ou de grille flottante et court-circuite la jonction PN 40 de manière à court-circuiter électriquement la région 12 de cathode-base et la région d'émetteur auxiliaire ou de grille flottante La troisième électrode métallique 46 est l'électrode de grille La quatrième électrode métal- lique 48 est l'électrode d'anode-émetteur. A titre d'exemple, dans un thyristor à 2800 V, la région 34 de cathodeémetteur êt les régions 36 d'émetteur auxiliaire ou de grille flottante ont une largeur de 17 Dm et peuvent être dopées à une concentration superficielle de 1020 atomes/cm 3. La région 12 de cathode-base a une largeur de Dam et elle est dopée à une concentration superficielle de 8 x 1017 atomes/cm 3. La région 16 d'anode-base a une largeur de 525 gm et une résistivité de 160 ohms/cm. La région 14 d'anode-émettéur a une largeur de gm et elle est dopée à une concentration superfi- cielle de 8 xl O 17 atomes/cm 3. La largeur "X" (figure 1) de la rainure 22 est aussi étroite qu'il est possible d'obtenir dans la technique actuelle, soit environ 0,125 mm Le diamètre de la rainure est environ 1,5 mm et le diamètre de l'élec- trode 46 environ 2 mm La distance entre la région 36 d'émetteur auxiliaire et l'électrode 46 peut être de l'ordre de 150 à 225 gm pour assurer que l'effet d'avalanche se produit au centre de la région de grille, à distance de la région 36 de grille flottante Le positionnement de la rainure 22 à distance de la région de grille 36 assure que les paramètres électriques du thyristor sont inchangés par la présence de la rainure 22. Lorsqu'une tension est appliquée entre les élec- trodes des émetteurs 42 et 48, une région appauvrie désignée par les lignes pointillées 50 et 52 est établie dans le thyristor 110 (figure 4) Un champ électrique, indiqué par les flèches 54 correspond à l'état de blocage direct La plus forte concentration de champ électrique dans le voisinage de la rainure entraîne un amorçage par avalanche dans la région de grille. REVENDICATIONS 1 Thyristor auto-protégé par avalanche contre les surtensions, caractérisé en ce qu'il comporte une rainure circulaire ( 22) disposée dans la prsemière région de base ( 12), ladite rainure étant espacée de la première région d'émetteur ( 14) et de larégion d'émetteur auxiliaire ( 36), ladite rainure s'étendant depuis la partie centrale de la surface supérieure dudit thyristor dans la première région de base-d'une distance prédéterminée, ladite distance prédéterminée étant telle que la jonction de blocage directe sous ladite rainure soit profilée vers la jonction de blocage inverse, de manière que la seconde région de base ( 16) présente une première largeur sous ladite rainure qui est inférieure à la largeur du reste de la seconde région de base. 2 Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première région d'émetteur est une région ( 34) de cathode-émetteur, la première région de base est une région ( 12) de cathode-base, la seconde région ( 16) est une région d'anode-base et la seconde région d'émetteur ( 14) est une région d'anode-émetteur. 3 Procédé de fabrication d'un thyristor auto- protégé par avalanche contre les surtensions, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à former deux régions ( 14,16) d'un second type de-semiconductivit 6 dans un substrat ( 10) de matière semi-conductrice d'un premier type de semi-conductivité par diffusion d'une première matière de dopage susceptible de former une région du second type de semiconductivité à travers les surfaces majeures opposées du substrat, lesdites surfaces majeures opposées consistant en une surface supérieure et une surface inférieure dudit substrat, à former par attaque au laser une rainure annulaire ( 22) dans une partie centrale de la surface supérieure dudit substrat, ladite rainure s'étendant entièrement à travers ladite région du second type de semi-conductivité formée par diffusion à travers ladite surface supérieure, et dans ledit substrat du premier type de semi-conductivité, à diffuser une seconde matière de dopage susceptible de former une région du second type de semi- conductivité à travers la surface supérieure et la surface inférieure dudit substrat, la seconde matière de dopage diffusant à travers ladite rainure de manière qu'une région ( 32) dudit second type de semi- conductivité soit formée contre ladite rainure dans ledit substrat, ladite région pénétrant et devenant une partie de ladite région du second type de semi-conductivité formée par diffusion à travers ladite surface supérieure, à former au moins deux régions ( 34,36) dudit premier type de semi-conductivité dans ladite seconde région du second type de semi- conductivité formée par diffusion par ladite surface supérieure, lesdites au moins deux régions étant espacées l'une de l'autre et de ladite rainure, lesdites deux régions s'étendant dans ladite région du seconde type de semi-conductivité sur une largeur inférieure à la largeur de la région du second type de semi-conducti- vité. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite première matière de dopage est l'alumi- nium et ladite seconde matière de dopage est du gallium. Procédé selon la revendication 3 ou 4, carac- térisé en ce que la rainure est gravée au moyen d'un laser YAG.