Brevet FR2560440A1 — publié le 19850830

STRUCTURE INTEGREE DE THYRISTOR A AUTO-ALLUMAGE POUR COMMUTATION PAR TOUT OU RIEN DE COURANTS FORTS, ET SON CIRCUIT DE COMMANDE. L'invention se rapporte aux structures du genre thyristor > auto-allumage et, en particulier, à celles qui sont décri- tes dans la demande de brevet français déposée par la DemanX deresse le ler Mars 1983 sous le No 83 03306 pour : "Circuit de commande d'un dispositif à semi-conducteur sensible du type thyristor ou triac, avec impédance d'assistance à l'auto-allumage et son application à la réalisation d'un montage commutateur associant un thyristor sensible à un thyristor moins sensible". Dans la demande de brevet déposée le 25 Novembre 1982, sous le No 82 19728, pour : "Structure de thyristor à allumage intrinsèque et son application à la réalisation d'un dispo- sitif bidirectionnel", on a décrit des structures de thyristor à auto-allumage intrinsèque, c'est-à-dire s'amorçant au zéro de tension sous le seul effet du courant de déplacement interne CdV/dt, cet auto-allumage étant inhibé à l'aide d'un court-circuit gâchette-cathode, et on en a exposé les avantages. Ces structures à auto-allumage intrinsèque, comme d'ailleurs celles qui font l'objet du brevet No 83 03306 susvisé, comportent des couches semi-conductrices successives formant une première region d'émetteur (de préférence de type N), une première région de base, ou base d'inhibition (de préférence de type P), une seconde région de base (base principale, de préférence de type N > et une seconde région d'émetteur (de préférence de type P), la première région d'émetteur etant munie d'au moins un contact de cathode, la première région de base étant reliée à--au moins un contact de gâchette d'inhibition, la seconde région d'émetteur étant munie d'un contact d'anode, et au moins un moyen interrupteur -agencé pour créer un court-circuit entre la gâchette d'inhibition et la cathode et inhiber ainsi la faculté d'auto-allumage du thyristor, et sont caractérisées en ce que lesdites régions de bases et d'émetteurs sont réalisées de manière à constituer un thyristor de très grande sensi milité. A cet effet, les épaisseurs et les dopages des premières régions d'émetteur et de base sont choisis de façon que le gain intrinsèque du premier transistor NPN soit élevé à bas niveau et la passivation des jonctions est particulièrement soignée, conformément aux indications données dans le brevet 82 19728. Comme il s'est avéré très difficile de-réaliser industriellement des structures à auto-allumage "intrinsèque", on a prévu ensuite (brevet 83 03306) d'initialiser l'autoallumage à l'aide d'une faible admittance {résistance d'assistance de quelques mégohms, ou condensateur de l'ordre de la dizaine de nF). Lorsque ces structures à auto-allumage sont assistées par un condensateur, le temps d'allumage est fortement réduit par rapport à l'assistance par résistance, si bien que leur commande par transistor NOS, qui a été envisagée et se révèle très pratique dans les applications aux relais statiques, devient difficile à cause de la constante de temps de charge de la grille du MOS. Par contre, lorsque lesdites structures sont assistées par une résistance, le courant d'assistance ne dépasse pas quelques micro-ampères et est très localisé, ce qui limite les possibilités de commutation de courants élevés. Si on augmente l'aire de gâchette, la densité du courant d'assistance devient faible et l'assistance inefficace. On a donc été conduit à réaliser des structures à gâchette amplificatrice, comme décrit dans le brevet 83 03306 susvisé : le thyristor assisté, de petite taille et de très grande sensibilité, devient alors le pilote d'un transistor principal ayant lui-même une très grande sensibilité. Dans cette structure à gâchette amplificatrice, la grande sensibilité n'est toutefois pas suffisante pour obtenir l'auto-allumage "intrinsèque", c'est-à-dire sans admittance d'assistance. Un premier objet de l'invention est de réaliser une telle structure à gâchette amplificatrice du type intégré, qui présente des avantages particuliers. On notera qu'une telle structure, malgré ses analogies avec les structures de thyristors à gâchette amplificatrice connues, s'en distingue radicalement par son fonctionnement, qui découle de ses particularités et de son mode de commande. Suivant une première particularité de l'invention, le thyristor principal de ladite structure à gâchette amplificatrice est du type "mesa", tandis que le thyristor pilote est constitué par une portion centrale de petite dimension de la structure "mesa", et délimité suivant la technique "planar", avec absence d'effet de bord, la base principale du thyristor pilote étant isolée de celle du thyristor principal, contrairement à la structure connue d'un thyristor à gâchette amplificatrice, la structure à gâchette amplificatrice de l'invention étant en outre caractérisée, par rapport à ladite structure connue, en ce que sa commande est réalisée par court-circuits gâchette-cathode du thyristor pilote et du thyristor principal, que le thyristor principal a une gâchette propre et une grande sensibilité et que la résistance entre la base d'inhibition du thyristor pilote et celle du thyristor principal est très élevée (plus d'un mégohm). Cette dernière caractéristique, avantageusement obtenue en réalisant un sillon d'isolement coupant toute l'épaisseur de la diffusion de base P, sillon lui-même passivé par oxydation thermique suivant la technique dite "planar-sillon" qui permet de maintenir de faibles taux de recombinaison en surface et, par suite, une grande sensibilité du thyristor pilote, évite un court-circuit à travers la jonction d'émetteur du thyristor pilote qui gênerait son auto-amorçage. Suivant une autre particularité de l'invention, les thyristors pilote et principal sont agencés pour que la résistance apparente de shunt par rapport à la jonction émetteur-base correspondante soit très faible, par exemple, pour un cristal de 1 cm2, une résistance de quelques centièmes à quelques dixièmes d'Ohms au plus, grâce à une faible résistance de couche de la couche P (par exemple de l'ordre de 10 51 IG) et une forte interdigitation avec des bandes d'émetteur étroites. Cette caractéristique, avantageusement obtenue en conformant la région d'émetteur et/ou de gâchette du thyristor principal pour obtenir un rapport périmètre à surface élevé, assure un écoulement efficace du courant de déplacement en régime bloqué et, par suite, apporte une excellente tenue du blocage, même en cas de dV/dt parasites élevés. Comme dans la demande de brevet 83 03306 susvisée, une impédance d'assistance à l'auto-allumage, de préférence une résistance de quelques mégohms, ou encore un condensateur de l'ordre de 10 nF, relie l'anode commune des deux thyristors au contact de gâchette du pilote et l'amorçage est obtenu en supprimant un court-circuit normalement établi entre la gâchette et la cathode du thyristor pilote. Une telle structure, dans laquelle la surface d'injection du courant d'assistance dans le thyristor pilote (surface de son émetteur) est réduite, présente l'avantage que le thyristor pilote, qui possède un gain notable meme à très bas niveau, s'amorce pour le très petit courant de commande fourni par la résistance d'assistance, tandis que, grâce à la grande surface du thyristor principal, la structure peut conduire un courant élevé et, par suite, commander une puissance importante. Comme on l'a indiqué ci-dessus, cette structure se distingue radicalement de la structure classique de thyristor à gâchette amplificatrice, dans laquelle, en particulier, l'amorçage du thyristor pilote se fait en appliquant une tension de commande à sa gâchette. Elle présente, par rapport à celle-ci, des avantages importants et, en partir lier : une plus grande résistance du composant du fait que l'allumage est bien homogène sur une grande partie de sa surface ; une simplification du circuit de commande, qui doit simplement écouler un faible courant dans un court circuit ; une meilleure tenue en tension et en dV/dt. Dans les applications de puissance, sur les réseaux industriels de 220 V, la structure devra tenir des tensions inverses d'environ 750 V. On notera que le court-circuit gâchette-cathode transforme la tenue en tension BVCEO en une tenue en tension BVCES, ce qui facilite l'obtention du résultat recherché. En pratique, la structure de thyristor comportant les particularités susvisées sera cependant inapte à fonctionner sur réseau 380 Veff. Le passage d'une tension d'alimentation de 220 Veff à 380 Veff conduirait en effet, en particulier, à multiplier la durée de vie des porteurs minoritaires dans la base N par un facteur de 3,6, ce qui obligerait à obtenir une durée de vie de plus de 90 microsecondes au lieu de 26 microsecondes t une telle caractéristique est irréalisable actuellement. Suivant une autre particularité de l'invention, pour augmenter le gain à bas niveau du transistor NPN qui fait partie de la structure du thyristor pilote et compenser ainsi la perte de gain-du transistor PNP résultant de l'augmentation d'épaisseur de sa base N qui est nécessaire Si l'on veut tenir des tensions inverses de 1200 V par exemple, on réalise son émetteur sous la forme d'une structure à double couche N N Il a déjà été proposé de réaliser des émetteurs à double couche dans des transistors bipolaires (voir, en particulier, l'article intitulé : ~Nouveau dispositif bipolaire à structure à faible concentration d'impuretés d'émetteur" IEDM Technical Digest 1971, pages 262 à 265).Ces structures, dites "LEC", sont destinées à des utilisations à haute fréquence ou à faible puissance et il n'a pas été suggéré jusqu'ici d'appliquer un tel procédé à la réalisation de structures de thyristors et, a fortiori, de structures à gâchette amplificatrice. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est un schéma de principe de la structure d'un thyristor à auto-allumage assisté conforme à l'invention ; et La figure 2 illustre un premier mode d'exécution de cette structure, dont La figure 3 illustre une variante. A la figure 1, on a représenté une structure de thyristor comprenant une base d'inhibition 1 de type P, une base principale 2 de type N et une deuxième région d'émetteur 3 de type P, qui sont communes aux deux thyristors que constitue la structure. Par une technique "planas", on a formé des premières régions d'émetteur de type N+ désignées par 4 pour le thyristor principal, par 5 pour le thyristor pilote ou auxiliaire. La région 5 est située au centre de la plaquette de silicium et a par exemple 1 mm de diamètre, pour une plaquette de 1 cm par exemple. Ces valeurs ne sont pas limitatives, et les valeurs réelles dépendront de la puissance désirée.On a représenté en 6 un contact d'anode, en Kp des contacts de cathode du thyristor principal, reliés à la borne de cathode K de l'ensemble, en Gp des contacts de gâchette du thyristor principal, en Ga des contacts de gâchette du thyristor auxiliaire, reliés à la borne d'anode A de l'ensemble à travers une résistance d'assistance de quelques- mégohms ou, dans l'exemple figuré, par un condensateur Cass de l'ordre de 10 nF, en Ka le contact de cathode du thyristor auxiliaire, relié aux contacts Gp, et à la borne K par l'intermédiaire d'un interrupteur Il. Le point commun à Cass et Ga est relié à la borne K par l'intermédiaire d'un interrupteur I2 et de l'interrupteur Il en série. A titre d'exemple, dans un premier mode d'exécution où l'émetteur N+ est à une seule couche, les concentrations en atomes d'impuretés par cm3, sont 1019 à 1020 A/cm3 pour les régions 4 et 5, 1017 A/cm3 pour la région 1, 1014 A/cm3 pour la région 2, 10l7 A/cm3 pour la région 3. Un sillon 7 coupant toute l'épaisseur de la couche 1 et entourant complètement l'émetteur 5 est réalisé suivant la technique, connue en soi, dite "planar-sillon", qui consiste en un décapage profond de toute la couche 1, suivi d'un décapage complémentaire de toute la surface pour supprimer l'angle vif créé par le décapage profond, et enfin, d'une oxydation thermique pour passivation "planar". Le décapage complémentaire sera impérativement réalisé par une technique assurant un très bon état de surface (absence de micro défauts cristallins et très faible densité de pièges), par exemple par gravure ionique réactive.Cette qualité de préparation de surface du sillon est en effet nécessaire si l'on veut retrouver les caractéristiques de très faible densité de centres de recombinaison en surface qui ont fait adopter la technique "planar" pour obtenir de très grandes sensibilités. Cette technique planar-sillon permet de maintenir de faibles taux de recombinaison en surface et, par suite, une grande sensibilité du thyristor pilote. Elle évite un court-circuit à travers la jonction d'émetteur du thyristor pilote, qui gênerait son amorçage. La gâchette 8 et l'émetteur 7 ont, de préférence, une structure fortement interdigitée (ou toute autre structure équivalente), pour que, comme on l'a expliqué ci-dessus, la résistance apparente de shunt par rapport à la jonction émetteur-base du thyristor principal soit, pour un cristal de 1 cm2, de quelques centièmes d'Ohms par exemple, grâce a# une résistance de couche de la couche P qui sera par exemple de l'ordre de 10 ohms par carré (ce qui se note généralement 10 Qa). Une telle structure ne sera en général pas indispensable pour la jonction d'émetteur du thyristor auxiliaire, du fait de sa très faible dimension. On donnera plus loin des procédés d'exécution préférés de la structure qui vient d'être décrite, procédés qui permettent notamment de réaliser un thyristor principal très sensible. La structure principale est du type "mesa" (c'est-à-dire isolée par rodage et attaque chimique à la périphérie de la plaquette, suivis d'une passivation). Lorsqu'une tension d'alimentation de 220 Veff par exemple est appliquée sur la borne d'anode A, la borne K étant à une tension nulle (lors- que I1 et 12 sont ouverts), il en est de même de la région 5, et le faible courant injecté dans la gâchette Ga à travers le condensateur Cass suffit à provoquer l'amorçage du thyristor auxiliaire peu après le premier passage par zéro de la tension d'alimentation, suivant le principe de fonctionnement à auto-allumage assisté décrit dans la demande de brevet susvisée.On notera que la jonction d'émetteur du thyristor auxiliaire est protégée du court-circuit par la résistance qui existe entre les portions de base d'inhibais tion correspondantes des deux thyristors. A ce moment, la base commune P étant à un potentiel voisin de celui de l'anode, et le court-circuit entre la gâchette Gp et l'émetteur 4 étant supprimé puisque Il est encore ou~ vert, le courant principal du thyristor auxiliaire passe dans la première jonction d'émetteur du thyristor principal, et celui-ci s'amorce rapidement. L'allumage se propage très rapidement à l'ensemble de la surface du contact d'émetteur. Cette surface d'allumage peut occuper 80 % environ de la surface totale de la plaquette. La structure à gâchette amplificatrice conforme à ce premier mode d'exécution de l'invention est apte à commuter des courants allant par exemple de plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'ampères. On notera toutefois que le gain du transistor PNP d'une telle structure est relativement faible, car sa base N doit avoir une épaisseur relativement grande pour assurer la tenue en tension. Il en résulte que, telle que décrite cidessus, la structure ne sera plus susceptible de s'autoallumer pour des tensions d'alimentation de 380 Veff par exemple, sauf si l'on réussit à donner au transistor NPN un gain très élevé à très bas niveau. C'est pourquoi, selon un second mode d'exécution, illustré par la figure 2, la structure est réalisée avec des émet teurs à double couche, avantageusement suivant le procédé suivant, donné à titre non limitatif t a) on part d'un substrat 2 de silicium N faiblement dopé (par exemple 1014 A/cm3) pour tenir la haute tension, b) on effectue une diffusion P+ sur la face arrière, pour constituer la seconde région d'émetteur 3, c) on effectue une épitaxie épaisse de type P sur la face avant, avec une concentration en impuretés de 1017 A/cm3 par exemple, suivie d'une exo-diffusion destinée à réduire la concentration d'impuretés en surface, afin de réduire le risque de migrations d'im puretés dans la couche N qui sera réalisée à l'étape (d).On obtient ainsi la première région de base P de la structure, d) on effectue, sur toute la surface de la puce, une épitaxie mince (quelques microns) de type N avec une concentration en impuretés de viol5 A/cm3 par exemple, e) on effectue, sur toute la face des contacts de gâchet te, une diffusion mince ou une implantation ionique de type P+, à température réduite, pour recevoir les contacts de gâchette ;; cette couche de base superfi cielle fortement dopée permet d'obtenir une résistan ce interne de base très réduite (quelques dixièmes d'ohms) ce qui garantit une très bonne tenue en dV/dt, f) on réalise le sillon 7 de la manière qui a été indi quée précédemment, g) on effectue localement, dans les régions d'émetteur 4 et 5, une diffusion très mince (1 micron par exemple), de type N+ (concentration : 1019 A/cm3 par exemple), à température réduite, ou une implantation ionique, h) on effectue un dépôt d'oxyde de silicium. Les contacts sont ensuite réalisés de façon classique. L'isolement périphérique des deux jonctions PN est fait de manière classique et divers artifices connus sont utilisés pour accroître la tenue en tension. Toutefois on peut aussi, indépendamment de l'objet du brevet, effectuer un isolement du type PLANAR. Toutes les opérations critiques en surface (croissance ou dépôt d'oxyde, passivations, et autres) sont réalisées avec un très grand soin de propreté, comme indiqué dans la demande de brevet français susvisée No 82 19728. Cette technologie à double couche d'émetteur permet d'obtenir des gains bêta de l'ordre de 1000 à 1 mA, du fait qu'elle réduit le courant de recombinaison des porteurs minoritaires à travers la région de charge d'espace émetteur-base. En variante, l'opération (b) pourra comporter en outre une diffusion P+ sur la face avant, et l'étape (c) sera alors supprimée. A la figure 3, on a illustré un troisième mode d'exécution de la structure, consistant à réaliser des émetteurs ultraminces dopés à partir de silicium polycristallin dépose. Plus délicat à mettre en oeuvre que le procédé conforme au second mode d'exécution décrit ci-dessus, ce procédé présente, en contre-partie, les avantages suivants : - il permet la réalisation d'un isolement "planai"; grâce à l'auto-alignement de la zone diffusée par rapport à la fenêtre de diffusion, - il permet de réduire la résistance latérale parasite de base par une couche enterrée P+, - il réduit le risque de dégr#adation de la couche d'émetteur N par rétro-diffusion d'ions de type P lors de l'élaboration de la couche P+. Bien qu'il fournisse une tenue en tension inférieure pour les émetteurs, celle-ci est suffisante pour le bon fonctionnement du dispositif et n'est donc pas un inconvénient dans l'application décrite ici. Le procédé -sera identique à celui qui est décrit ci-dessus en ce qui concerne les opérations, a - b - c. On effectuera ensuite d - une implantation locale, sur la face avant, de bases enterrées de type P+, e - une deuxième épitaxie mince (par exemple 2 microns) de type N, avec par exemple une concentration en impure tés de 1015 A/cm3, effectuée sur toute la face avant, f - une diffusion mince P+ locale, effectuée au niveau des implantations locales P+ enterrées, ou une deuxième implantation ionique ; cette opération est destinée à former des régions de prise des contacts Gp et Ga, g - la réalisation du sillon 7 de la manière déjà décrite, h - une réoxydation mince à température réduite, avec photogravure pour mettre à nu les régions d'émetteurs, i - le dépôt d'une couche de silicium polycristallin dopé N+, puis la photogravure pour délimiter les régions d'émetteurs, j - la diffusion très mince (1 micron) de cette couche polycristalline N+ à l'état solide, par traitement thermique à température réduite (800 à 9000C). Cette diffusion donne la couche N des émetteurs à double couche. Les prises de contact et l'isolement périphérique des jonctions se feront comme expliqué ci-dessus et toutes les opérations critiques en surface seront également réalisées avec les précautions indiquées. Il va de soi que divers autres modes d'exécution pourront être imaginés, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. Si l'on désire réaliser une structure de thyristor susceptible de débiter à des puissances encore plus élevées, il peut être envisagé d'utiliser la structure décrite dans la présente demande comme le pilote d'une structure de thyristor de plus grande dimension dont elle déclencherait l'autoamorçage. Revendications de brevet 1. Structure intégrée de thyristor comportant un thyristor principal de type "mesa" et un thyristor auxiliaire constitué par une portion centrale de petite dimension de la structure "mesa~ et délimité suivant la technique "planas" avec absence d'effet de bord, caractérisée en ce que la base principale du thyristor auxiliaire est isolée de celle du thyristor principal, que le thyristor principal a une gâchette propre (Gp) et une grande sensibilité, que la résistance entre la base d'inhibition du thyristor auxiliaire et celle du thyristor principal est au moins de l'ordre du mégohm, et que la commande est réalisée par court-circuit (12) entre gâchette 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée par un sillon d'isolement (7) coupant toute l'épaisseur de la diffusion de base (P), sillon lui-meme passivé par oxydation thermique suivant la technique "planar-sillon". 3. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que le contact de gâchette (Gp) du thyristor principal est placé à l'extérieur de l'émetteur (4) dudit thyristor. 4. Structure selon l'une des revendications l à 3, caractérisée en ce que les thyristors pilote et principal sont agencés pour que la résistance apparente de shunt par rapport à la jonction émetteur-base correspondante soit très faible, avantageusement de l'ordre de quelques centièmes à quelques dixièmes d'ohms. 5. Structure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par un thyristor auxiliaire de grande sensibilité et par une admittance d'assistance à l'allumage reliant l'anode (A) commune aux deux thyristors au contact de gâchette (Ga) du thyristor auxiliaire. 6. Structure selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la première région d'émetteur (5) du thyristor auxiliaire est réalisée sous la forme d'une structure à double couche N+ N (figures 2 ou 3) de concentration de dopeurs. 7. Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que la première région d'émetteur (5) du thyristor auxiliaire est réalisée par dopage à partir d'une couche de silicium polycristallin déposée (figure 3) dopée N+ et par diffusion très mince de cette couche à l'état solide.