Brevet FR2543366A1 — publié le 19840928

La présente invention concerne les transistors à effet de champ métal- oxydé-semiconducteur pour haute puissance et, plus spécialement elle concerne une connexion des périphéries des plots d'électrodes de ces dispositifs qui est établie directement avec le silicium sous-jacent pour empêcher une défaillance du dispo- sitif lorsque celui-ci fonctionne dans le mode diode. On connaît bien dans la technique les transistors à effet de champ métaloxyde-semiconducteur (TECMOS) pour haute puissance qui peuvent typiquement être des dispositifs à conduction. verticale Ces dispositifs sont couramment constitués d 4 un très grand nombre de cellules, dont le nombre peut atteindre plus de 5000, sur une unique petite aire de puce, o tous les dispositifs sont électriquement connectés en parallèle Typiquement, chaque cellule peut consister en une région de base formée par diffusion dans une première surface de la puce, ou pastille, principale Une région de source est formée à l'intérieur de chaque région de base et définit un canal TECMOS Chaque canal TECMOS s'étend sous une grille TECMOS classique qui peut être formée de silicium polycris- tallin Les éléments grilles sont connectés ensemble et peuvent être connectés à un plot d'électrode commune de grille qui est accessible sur la première surface de la puce, et -auquel une connexion convenable de grille peut être faite De la même façon, chacune des sources est classiquement connectée à une unique électrode en forme de feuille qui s'étend sur toute la surface de la puce et se prolonge jusqu'à un plot d'électrode de source permettant d'établir une connexion aisée avec la source de dispositif Les plots d'électrodes sont normalement montés audessus d'une couche d'oxyde qui est disposée entre la surface des plots et la surface de la puce, ou pastille, de silicium sous-jacente Classiquement, le silicium se trouvant au-dessous des régions des plots est du même type de conductivité que les régions de base des cellules. L'électrode de source qui est en contact avec chacune des sources à l'intérieur de chacune des régions de base est également en contact avec une partie centrale de la région de base de la cellule Par conséquent, le dispositif se comporte dans son ensemble comme un dispositif à une seule jonction, ou diode, lorsque l'électrode de source est d'une première polarité, mais il se comporte comme un TECIéOS lorsque l'électrode de source est de l'autre polarité Il est apparu que les dispositifs TECMOS ayant la structure ci-dessus indiquée connaissaient des défaillances de fonctionnement dans le mode diode pour des conditions particulières de circuit Après examen> il a été découvert que la défaillance se produisait dans les éléments cellules se trouvant sur la péri- phérie des plots des électrodes. Au cours de l'analyse du problème ci-dessus énoncé, il a été reconnu que> lorsque le dispositif fonctionne en TECMOS, il fonctionne comme un dispositif à porteurs majoritaires si bien que chacune des cellules qui sont connectées mutuellement en parallèle ne transportent que sa part appropriée du courant de charge Toutefois, lorsque le dispositif fonctionne en diode, il fonctionne en dispositif à porteurs minoritaires et il existe une tendance à ce que des diodes transportent plus de courant que d'autres et subissent un échauffement local Alors> ces diodes tendent à conduire encore plus de courant et ce processus se poursuit jusqu'à ce que certaines cellules transportent un courant suffisant pour détruire le-dispositif Il a été découvert que cette tendance à "accaparer" le courant était plus prononcée pour les éléments cellulaires disposés au voisinage des bords des plots de connexion du dispositif L'explication trouvée est que la région située au-dessous des plots tend à injecter faiblement des porteurs dans la région sous-jacente pendant le fonctionnement du dispositif. Lorsque le dispositif fonctionne en diode, les porteurs injectés dans la région se trouvant au-dessous de la périphérie des plots sont très rapidement recueillis par les éléments cellulaires adjacents fonctionnant en diodes parallèles puisque ces éléments cellulaires sont fermement connectés à l'électrode de source Toutefois> les régions se trouvant audessous des plots ne peuvent recueillir ce courant puisqu'elles ne sont pas fermement connectées à l'électrode de source Par conséquent, les diodes se trouvant au voisinage immédiat des bords des-plots deviennent immédiatement plus fortement conductrices que les cellules éloignées de la périphérie des plots et elles transportent une part plus importante du courant du dispo- sitif total jusqu'à ce que ces cellules connaissent une défaillance. Sur la base de la découverte du problème ci-dessus énoncé, dans lequel la défaillance du dispositif s'accélère lors du fonctionnement en diode par défaillance des éléments cellulaires entourant le plot, on établit plusieurs points de connexion directe entre l'électrode de source et la surface de silicium sous-jacente tout autour de chacun des plots de source et de grille, Grâce A cette connexion directe, le matériau du type base se trouvant immédiatement au-dessous des plots devient un collecteur très efficace des porteurs minoritaires qui étaient précédemment injectés au-dessous des plots pendant le fonctionnement du dispositif en diode Par conséquent, ces porteurs sont immédiatement évacués par la région se trouvant au-dessous des plots et non pas par les éléments cellulaires adjacents, si bien que les éléments cellulaires adjacents ne deviennent pas des diodes plus efficaces-que les autres, ce qui les conduirait finalement à subir une défaillance pendant le fonctionnement en mode diode. La description suivante, conçue à titre d'illus- tration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en plan, fortement agrandie, d'un TECMOS typique possédant un plot de source et un plot de grille qui sont accessibles pour être connectés aux fils de source et de grille sur la face supérieure du dispositif; la figure 2 est une vue agrandie du schéma de jonction de la surface de silicium de la puce de la figure 1 et est une vue fortement agrandie de l'aire se trouvant à l'intérieur du cercle indiqué par la référence "A" sur la figure 1 la figure 3 est une vue en section droite de la figure 2, prise suivant la ligne de coupe 3-3 de la figure 2 et montre en outre les électrodes se trouvant au-dessus de la surface de silicium de la figure 2; et la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, mais montre le plot au niveau du dessus et du bord de la puce. On se rapporte d'abord à la figure 1, qui repré- sente une puce semiconductrice 1 O De façon générale> la puce représentée sur la figure 1 peut avoir une longueur d'environ 2,5 mm et une largeur d'environ 2,5 mm et contenir plus de 6000 cellules TEOEIOS qui sont connectées en parallèle, comme décrit ci-après. La surface de la puce contient un plot de source 11 qui est une surface métallique agrandie découverte pouvant être connectée à un fil de source Il existe également un plot de grille 12 qui, de la même façon, est une surface métallique découverte agrandie à laquelle un fil de grille peut être fixé La surface inférieure du dispositif reçoit une électrode de drain 13 (figures 3 et 4). La configuration des cellules TECMOS se trouvant à la surface supérieure de la puce, ou pastille, de la figure 1 est présentée sur les figures 2, 3 et 4 dans le cas d'une cellule à géométrie hexagonale On note que l'on pourrait faire appel à toute forme de cellule fermée, par exemple des cellules rectangu- laires ou carrées Le dispositif décrit sur les figures 2, 3 et 4 est un dispositif à canal N mais il semblera évident à l'homme de. l'art qu'un dispositif à canal P pourrait également employer l'inven- tion. Dans l'exemple-présentement donné, la puce est constituée d'un corps de silicium N 15 sur lequel on a fait croître une couche épitaxiale N 16 La couche N 16 contient plusieurs diffusions de base, telles que les diffusions de base P+ 17, 18 et 19, qui présentent une géométrie hexagonale Il pourrait être fait appel à d'autres géométries La couche 16 possède également une diffusion P 20 qui est formée-en même temps que les bases La diffusion P 20 s'étend au-dessous de toute l'aire du plot de source 11 de la figure 1 Une diffusion P identique (non représentée) s'étend sous toute l'aire du plot de grille 12 de la figure 1. Chacune des cellules P, comme les cellules 17, 18 et 19, reçoit une diffusion de source hexagonale, comme par exemple, respectivement, les diffusions de source 30, 31 et 32 Une disposition analogue des cellules est présentée sur la figure 4,_o des cellules P hexagonales 21, 22 et 23 reçoivent respectivement des diffusions de source 24, 25 et 26 Les régions annulaires se trouvant entre l'extérieur des diffusions de source 24, 25, 26, 30, 31 et 32 et les régions de base 21, 22, 23, 17 18 et 19 définissent respectivement des canaux hexagonaux Chacun de ces canaux est revêtu d'une électrode de grille respective, indiquée sur les figures 3 et 4 sous forme du réseau 40 de grille en silicium polycristallin qui possède des parties de réseau situées au-dessus de chacun des canaux. Le réseau 40 de grille en silicium polycristallin est placé au-dessus de la surface de la puce de silicium 10 et est en effet encapsulé dans une couche 41 d'oxyde de silicium en forme de réseau, On note que la couche 41 possède une région prolongée 42 qui s'étend au-dessus de la surface de silicium et au-dessous de toutes les aires du plot 11 d'électrode de source De la même façon, la région d'oxyde 42 s'étend également sous le matériau conducteur du plot de grille 129 La couche d'isolation 41 peut être constituée de plusieurs couches d'isolation Elle peut par exemple comporter une très mince couche de dioxyde de silicium, d'une épaisseur de 100 nm par exemple, directement au-dessous des segments 40 de grille La partie supérieure de la couche d'isolation 41 d'encapsu- lation peut être une couche de Silox (Si O 2 dopé au phosphore) refondue au-dessus et autour du réseau de grille 40 afin d'assurer une bonne isolation de la grille 40 vis-à-vis de l'électrode de source. On note que la couche d'isolation 41 s'étend au-dessus d'une partie seulement de la périphérie extérieure des diffusions de source 30, 31 et 32 de la figure 3 et 24, 25 et 26 de la figure 4 pour assurer un contact avec ces régions de source. Une électrode 60 en feuille d'aluminium, repré- sentée sur les figures 3 et 4, recouvre alors toute la surface de la puce et établit un contact avec la périphérie intérieure de chacune des diffusions de source et avec la région P découverte centrale de leurs bases respectives La feuille 60 est divisée en une partie plus petite de plot de grille 12 et en l'électrode de source, plus grande, qui se prolonge jusqu'au plot de source 11. Le réseau de grille 40 est connecté de manière appropriée à la région de plot de grille 12, On note que l'électrode de source s'étend au-dessus de toute la surface de la couche d'oxyde 42 On note également que, au bord de la puce, comme le montre la figure 4, la partie plot 11 de l'électrode 60 s'arrête avant le bord de la puce en une partie bord 61 Une électrode 62 d'arrêt de canal est ensuite placée de la manière habituelle et est connectée au matériau N sous-jacent et à l'électrode de drain 13. Toute la surface supérieure du dispositif, à l'exception des plots de source et de grille, est revêtue d'une couche d'isolation 70 en oxyde ou une autre matière appropriée afin de protéger la surface supérieure du dispositif Cette couche supérieure 70 est enlevée au niveau de l'aire du plot de source 11, comme le montrent les figures 13 3 et 4, et est également enlevée au niveau de l'aire du plot de grille 12. Dans les dispositifs connus de ce type et, en particulier dans les dispositifs TECMOS pour haute puissance à conduction verticale de la technique antérieure utilisant plusieurs cellules connectées en parallèle, il est apparu que des cellules subissaient parfois une défaillance dans la zone voisine de la frontière du plot de source Il ou du plot de grille 12 lorsque le dispositif fonctionnait dans le mode diode Ainsi, le dispositif représenté sur les figures 3 et 4 peut fonctionner dans le mode TECMOS ou dans le mode diode, selon le potentiel de la source 60 et du drain 13 Lorsque le drain 13 est positif et que la source 60 est négative, la conduction du dispositif est commandée par le mode TECMOS Alors, lorsqu'un potentiel approprié est appliqué à la grille 40, la région de canal se trouvant entre la périphérie extérieure des sources particulières et la périphérie extérieure de leurs bases respectives s'inverse si bien qu'un trajet de conduction s'établit du drain 13 à la source 60 Toutefois, lorsque les potentiels de la source et du drain sont inversés et que l'électrode de source 60 est positive, le dispositif dans son ensemble fonctionne comme une diode polarisée en sens passant, la jonction de diode étant formée entre les régions de base P et les régions des corps N-. Lorsque le dispositif fonctionne en diode, chacune des 6000 cellules, ou plus, du dispositif conduit le courant en parallèle La défaillance des éléments de diodes entourant la périphérie des plots de connexion est restée inexpliquée jusqu'à ce que l'on admette que la région P 20, qui était très faiblement connectée au plot 11, avait une faible capacité d'injection des porteurs minoritaires dans le corps N pendant que le dispositif fonctionnait en transistor TECMOS Lorsque l'on inversait le potentiel entre l'électrode de source 60 et l'électrode de drain 13, la jonction formée par la région 20 n'était pas en mesure de recueillir efficacement ces porteurs injectés, de sorte que ceux-ci étaient de préférence évacués dans les cellules particulières entourant le plot, par exemple les cellules comportant les sources 32 et 26 sur les figures 3 et 4 respectives Ces cellules pouvaient aisément collecter les porteurs qui avaient antérieurement été injectés depuis la région 20, puisqu'elles étaient très fermement connectées à l'électrode de source 60 Par conséquent, elles devenaient des diodes plus efficaces que les autres diodes plus éloignées du plot 11. Puisque le dispositif fonctionne comme un dispositifà porteurs minoritaires lorsqu'il est dans le mode de diode, ces cellules tendent rapidement à conduire une part de plus en plus importante du courant. passant dans le dispositif, jusqu'à ce qu'elles connaissent une défaillance - Selon l'invention, il est établi une connexion électrique directe entre l'électrode de source 60, au niveau de la périphérie du plot 11, et la périphérie de la région P sous-jacente 20 afin d'obtenir un collecteur plus efficace de porteurs minoritaires lorsque le dispositif fonctionne dans le mode diode De la même fagon, il est établi une connexion entre l'électrode de source 60, au niveau de la périphérie du plot de grille 12, et la région P sous-jacente. Par exemple, comme le montrent les figures 2, 3 et 4, plusieurs ouvertures sont formées dans l'oxyde 42 au niveau de régions identifiées spécialement sur la figure 2 par les numéros 80, 81 et 82, ces régions étant disposées sur la périphérie du plot. Ainsi, pendant l'application de l'électrode métallique 60 sur la surface du dispositif, on forme une connexion, au niveau de la région 82, avec la région P+ 20, comme indiqué par le point de connexion 86 sur la figure 3 Une ouverture analogue 90 est formée dans la région du plot de source 11, dans laquelle la coupe de la figure 4 a été effectuée, et une connexion 91 est établie entre l'électrode de source 60 et la région P sous-jacente 20 par le point de connexion 91. L'écartement des points de connexion, ou leur nombre, n'est pas crucial Il est apparu comme satisfaisant qu'il existe un point de connexion approximativement tous les deux éléments cellulaires Une disposition identique de points de connexion entre l'électrode de source entourant la périphérie extérieure du plot de grille 12 et la région P sous-jacente se trouvant au-dessous du plot de grille, à travers la couche d'oxyde d'écartement, est également prévue, mais n'est pas représentée. Dans un dispositif choisi comme exemple, le plot de source 11 a pour dimensions 750 microns sur 625 microns. A-peu près 40 points de connexion entourent la périphérie du plot de source, ces points étant séparés d'environ 75 microns les-uns des autres, Les points de connexion peuvent être intérieurement écartés du bord effectif du plot d'une distance approximativement égale à la largeur d'une cellule, qui vaut à peu près 25 microns. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. L'appréciation de certaines des valeurs numériques données ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. REVENDICATIONS l Transistor à effet de champ métal-oxyde-semicon- ducteur comprenant: une puce semiconductrice ( 10); plusieurs régions de base ( 17, 18, 19; 21, 22, 23) d'un premier type de conductivité qui sont réparties symétriquement et latéralement sur au moins une partie de l'aire d'une première surface de ladite puce; une région de source ( 30, 31, 32; 24, 25, 26) respectives de l'autre type de conductivité qui est situéedans chacune desdites régions de base et est latéralement écartée de la périphérie de ladite région de base respective de façon à définir une région de canal respective susceptible de s'inverser à l'intérieur de sa dite région de base respective; une couche d'isolation ( 41, 42) s'étendant au-dessus de chacune desdites régions de canal et se prolongeant jusque sur une région de plot de connexion ( 11; 12) un moyen ( 40) de grille conducteur disposé sur ladite couche d'isolation audessus de chacune desdites régions de canal; un moyen ( 60) d'électrode de source en contact avec chacune desdites régions de source et avec chacune desdites régions de base; une électrode de drain ( 13) connectée à la surface opposée de ladite puce; un plot ( 11) d'électrode de source à aire agrandie connecté audit moyen d'électrode de source et disposé au- dessus de ladite couche d'isolation dans ladite région de plot de connexion; et une région ( 20) de base à aire agrandie dudit premier type de conductivité disposée au-dessous dudit plot d'électrode de source caractérisé en ce que des moyens de connexion ( 80, 81, 82, 86; 90, 91) connectent électriquement au moins des parties de la périphérie dudit plot d'électrode de source à ladite région de base agrandie se trouvant au-dessous dudit plot si bien que ladite région de base agrandie peut efficacement recueillir des porteurs minoritaires lorsque ledit transistor fonctionne en diode. 2 Transistor selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que lesdits moyens de connexion comprennent plusieurs parties saillantes conductrices ( 86; 91) sensiblement uniformément séparées qui partent dudit plot de source et traversent ladite couche d'isolation et qui se connectent à ladite région de base agrandie. 3 Transistor selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en outre en ce que la périphérie extérieure desdites régions de base et desdites régions de source respectives est poly- gonale. 4 Transistor selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en outre en ce qu'il comporte un plot d'électrode de grille à aire agrandie disposé sur ladite première surface et connecté audit moyen de grille conducteur; ladite couche d'isola- tion s'étend sous ledit plot d'électrode de grille; une deuxième région de base agrandie s'étend sous ladite couche d'isolation au-dessous dudit plot d'électrode de grille; et des deuxièmes moyens de connexion connectent électriquement au moins des parties de la périphérie de ladite électrode de source qui entoure ledit plot d'électrode de grille avec ladite deuxième région de base agrandie. Dispositif semiconducteur comprenant plusieurs éléments de type diode connectés en parallèle séparés qui sont formés dans un substrat commun ( 15) d'un premier type de conducti- vité et un plot ( 11; 12) d'électrode à aire agrandie qui est connecté à chacun desdits éléments du type diode; chacun desdits éléments du type diode comportant une région de diffusion ( 17, 18, 19; 21, 22, 23) de l'autre type de conductivité, qui forme une jonction à l'intérieur dudit substrat; une autre région de diffu- sion ( 30, 31, 32; 24, 25, 26) dudit autre type de conductivité qui s'étend sous ledit plot d'électrode; une mince couche d'iso- lation ( 41, 42) qui isole ledit substrat dans la région dudit plot d'électrode; caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs régions de connexion électrique ( 80, 81, 82; 90) s'étendant depuis ledit plot d'électrode, et qui sont formées autour de parties, au moinsde la périphérie de ladite électrode de source qui entoure ledit plot d'électrode de grille, jusqu'à ladite deuxième région de base agrandie. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en outre en ce que chacun desdits éléments du type diode est une partie d'un dispositif du type transistor à effet de champ métal- oxyde-semiconducteur. 7 Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en outre en ce qu'une unique électrode ( 60) de source en feuille est connectée à chacun desdits dispositifs du type transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur; et ledit plot d'électrode comprend un prolongement de ladite électrode de source.