Brevet FR2568724A1 — publié le 19860207

COMPOSANT SEMI-CONDUCTEUR DE PUISSANCE A TENSION DE CLAQUAGE ELEVEE. La présente invention concerne un composant semi-conducteur comportant un substrat d'un premier type de conductivité dans lequel est ménagé, par diffusion, au moins un caisson d'un deuxième type de conductivité déterminant avec le substrat une jonction P-N. Pour réaliser un composant semi-conducteur de puissance, il convient de tenir compte des fortes contraintes, notamment en tension, qu'un tel composant devra être en mesure de supporter. La tension de claquage théorique de la jonction bloquante se trouve souvent deminuée de fait part des effets de bord. En particulier, si la jonction est réalisée par diffusion localisée d'impuretés, il faut tenir compte de la courbure de la jonction métallurgique, liée à la diffusion d'impuretés même, ou à la géométrie du masque de diffusion. Un autre phénomène intervient pour diminuer notablement la tension de claquage :l'existence de charges fixes ou mobiles dans la couche d'oxyde qui couvre les jonctions entraîne des modifications des champs électriques dans les zones de charges d'espace superficielles et provoque une augmentation des courants de fuite. Il est connu d'augmenter la tension de claquage d'une jonction dans un semi-conducteur bipolaire de puissance en donnant au bord de celle-ci une inclinaison d'angle approprié par une attaque chimique, une attaque au plasma ou un usinage mécanique ; la structure mesa ainsi obtenue permet de réduire la composante tangentielle du champ électrique en surface, diminuant ainsi les risques de claquage superficiel, ou même permettant de déplacer la zone de claquage vers le volume du composant (IEEE Transactions on electron devices, NO 8, 08-77, p. 1077-1081). Cependant, pour élever de manière substantielle la tension de claquage, il faut généralement réaliser un angle faible du flanc mesa par rapport au plan principal de la jonction, ceci ayant pour conséquence l'occupation d'une surface importante de silicium. Le choix de l'angle du profil mesa est très critique, et ce dernier doit donc être exécuté avec beaucoup de soin ; de plus, une telle solution ne permet pas d'intégrer facilement sur le substrat des circuits annexes assurant des fonctions complexes de commande et d'isolement. Il est d'autre part connu d'augmenter la tension de claquage de jonctions planes diffusées par des anneaux de garde ; ces anneaux sont diffusés en même temps que les zones déterminant les jonctions planes diffusées, et ils jouent le rôle de diviseurs de champ. En prévoyant plusieurs anneaux de garde, on parvient à rapprocher la tension de claquage effective de la tension de claquage théorique (IEEE Proceedings, 08-67, p. 1409-1414, "high voltage Planar p-n junctions"). Cette solution implique toutefois l'inconvénient de l'utilisation d'une grande surface de silicium, cette surface étant d'autant plus grande que l'on recherche des tensions de claquage élevées. De plus, le comportement dynamique d'une telle solution reste jusqu'à présent mal connu. D'autres solutions telles que l'apport de plaques de champ polarisables à la surface du composant près de la jonction, ou une implantation ionique en surface au niveau de la jonction, ne sont pas satisfaisantes pour des semi-conducteurs de puissance où l'on veut atteindre ou dépasser une tension de claquage de 1000 volts. La présente invention a notamment pour but d'éviter les inconvénients exposés et de permettre la réalisation d'un composant semi-conducteur de puissance à tension de claquage élevée et à faible encombrement en surface. Elle a également pour but de faciliter l'intégration de circuits de traitement de l'information dans des semiconducteurs de puissance à tension de claquage élevée, permettant plus spécialement d'intégrer sur un même substrat des transistors ou des thyristors de puissance avec leurs circuits de commande de base ou respectivement de gâchette. Selon l'invention, dans un composant semi-conducteur du type cité dans le préambule, on ménage par diffusion à la surface du composant au moins un anneau de garde du deuxième type de conductivité autour du caisson, ou des caissons, pour protéger la jonction P-N principale, l'anneau de garde étant situé selon le cas à une distance "d" du caisson ou de l'anneau de garde voisin qui est inférieure à la distance d'étalement de la zone de charge d'espace correspondant au champ critique, l'anneau de garde situé à la périphérie du composant se terminant sur un flanc mesa réalisé au bord du composant semi-conducteur. L'action combinée de l'anneau ou des anneaux de garde et du profil mesa permet tout à la fois de réduire les effets de bord de la jonction P-N principale, et de reporter la plus grande part de la tenue en tension latérale sur le profil mesa. La diminution du champ électrique superficiel étant partiellement prise en charge par les anneaux de garde, le profil mesa du bord du composant n'a pas besoin d'être réalisé avec la même précision qu'en l'absence des anneaux de garde. Dans l'application à un thyristor de puissance à gâchette isolée comprenant un thyristor et un transistor MOS intégré, l'anneau périphérique de garde se terminant sur le flanc mesa protège le caisson du deuxième type de conductivité dans lequel est réalisée une zone diffusée du premier type de conductivité pour former à la fois la source du transistor MOS et l'émetteur de cathode du thyristor. D'une manière plus particulière, dans un mode de réalisation avantageux, le composant semi-conducteur contient à l'intérieur de l'anneau de garde périphérique un caisson partie intégrante d'un élément de commutation de puissance et au moins un caisson dans lequel est intégré un circuit de traitement de signal pour la commande de l'élément de commutation de puissance. De préférence, la distance entre chacun des caissons intérieurs est inférieure ou égale à la distance existant entre les caissons intérieurs et l'anneau de garde périphérique. La description qui suit en regard des figures annexées permettra d'illustrer l'invention au moyen d'exemples non limitatifs. La figure 1 représente en coupe un composant semi conducteur de puissance conforme à l'invention. La figure 2 montre en coupe un thyristor de puissance à gâchette MOS selon l'invention. La figure 3 représente en vue de dessus un semi conducteur de puissance dans lequel sont intégrés des circuits de traitement de signal. La figure 4 est une vue partielle en coupe du semi conducteur de la figure 3. Le composant semi-conducteur de puissance SC représenté sur la figure 1 est par exemple une diode de puissance. Il comprend un substrat 10 de type N/N+ dans lequel sont diffusés simultanément un premier caisson central 11 de type par exemple dopé à 1020 atomes d'impuretés/cm3 et un deuxième caisson 12 de type P+, annulaire et situé à une distance nd n du premier caisson. Le premier caisson détermine une jonction P+N il et le deuxième caisson 12 constitue un anneau de garde terminé latéralement par un flanc mesa 14 de pente prédéterminée le profil mesa est obtenu par attaque chimique, attaque au plasma ou usinage mécanique selon la dimension du composant. Une couche d'oxyde et/ou de passivation 13, 15 recouvre en 13 la surface supérieure du composant et en 15 le flanc mesa du composant. Il va de soi que les conductivités respectives N et P+ du substrat 10 et des caissons 11, 12 peuvent être remplacées par des conductivités respectives P et N+. Une couche conductrice ou métallisation 16 est rapportée au-dessus du premier caisson P+ 11 et une métallisation 17 est rapportée au substrat 10 du côté opposé. Le deuxième caisson 12 est disposé à une distance "d" du premier caisson inférieure ou égale à la distance d'étalement de la charge d'espace correspondant au champ critique le-deuxième caisson 12 permet tout à la fois de réduire les effets de bord de la jonction principale il et de reporter la majeure partie de la tenue en tension latérale sur le profil mesa 14. On a indiqué sur la figure 1 par la ligne "a" la limite de la zone de charge d'espace qui serait définie en l'absence de l'anneau de garde 12 et par la ligne #b" la limite de la zone de charge d'espace rejetée grâce à la présence de l'anneau de garde 12 vers le flanc mesa 14. Le mode de réalisation représenté figure 2 concerne un thyristor de puissance TH1 à substrat semi-conducteur 20 comprenant un émetteur d'anode 21 de type P+, une base d'anode 22 de type N, une base de cathode 23 de type P et un émetteur de cathode 24 de type N+. La gâchette G du thyristor est constituée par un transistor MOS à canal N 23-G comportant une couche d'oxyde 25 et une métallisation 26 de grille coiffant des zones 24-G de drain et 22-G de source. La base de cathode 23 est constituée par au moins un premier caisson diffusé de type P, tandis qu'un anneau de garde 27 de type P est également diffusé sur le pourtour du thyristor pour protéger la jonction P-N i2 ; l'anneau de garde 27 est délimité d'une part par la surface supérieure 28 du thyristor, d'autre part par un flanc mesa 29 produit par attaque chimique, attaque au plasma ou usinage mécanique du bord du thyristor. Les couches usuelles d'oxyde et de passivation n'ont pas été représentées. L'émetteur de cathode 24 de type N+ est diffusé dans le caisson 23 de type P. La concentration en impuretés P du caisson 23 et de l'anneau de garde 27 peut être par exemple de l'ordre de 1017 atome s/cm3 ; il est préférable que cette concentration soit en tout cas de l'ordre de 102 fois supérieure à la concentration de la base d'anode N. Une métallisation 29 est prévue sur la zone N 24 afin de servir de connexion de cathode K, tandis qu'une métallisation 30 est prévue sous la zone P+ 21 afin de servir de connexion d'anode A. Une métallisation 31 est disposée pour assurer un court-circuit gâchette-cathode ; elle peut être confondue avec la métallisation 29. La structure de thyristor ainsi réalisée permet d'améliorer la tenue en tension inverse tout en occupant une surface réduite de silicium et en autorisant une réalisation plus aisée du profil mesa. On voit sur les figures 3 et 4, un semi-conducteur de puissance constitué par exemple par un thyristor TH2 comprenant un substrat 40 de type N et un caisson périphérique 41 de type P qui constitue un anneau de garde et qui se termine sur un flanc mesa 42. A l'intérieur du caisson périphérique 41 sont réalisés trois caissons 43, 44, 45 de type P déterminant respectivement avec le substrat trois jonctions P-N j3, j4, j5. Le caisson 43 constitue un élément de commutation de puissance du composant semi-conducteur ; le caisson 44 contient un récepteur opto-électronique, un circuit de mise en forme du signal émis par le récepteur pour commander l'élément de commutation de puissance et, pour certaines applications, un circuit de commande de commutation au zéro de tension ; le caisson 45 intègre par exemple des circuits de sécurité contre des températures excessives, contre des surintensités ou contre des dv/dt excessifs. La distance "d" entre le caisson périphérique 41 et les caissons intérieurs 43, 44, 45 est supérieure ou égale à la distance A existant à chaque fois entre deux caissons intérieurs limitrophes. Le contour intérieur de l'anneau 41 comprend des saillies 46 permettant de conserver sensiblement constante la distance "d" le long dudit contour. Un pilot central 47 assure une valeur constante à la distance A. Le thyristor TH2 présente une tension de claquage élevée tout en autorisant une intégration optimale des circuits de traitement de signal. Il va de soi que l'on peut apporter des modifications au composant décrit sans sortir du cadre de l'invention. Revendications de brevet 1. Composant semi-conducteur de puissance comportant un substrat d'un premier type de conductivité dans lequel est ménagé par diffusion au moins un caisson d'un deuxième type de conductivité déterminant avec le substrat une jonction P-N principale (il - j5), caractérisé en ce qu'au moins un anneau de garde (12, 27, 41) périphérique du deuxième type de conductivité est diffusé autour du caisson ou des caissons (11, 23, 43-45) pour protéger la jonction P-N, l'anneau de garde étant situé selon le cas à une distance "d" du caisson ou de l'anneau de garde voisin qui est inférieure à la distance d'étalement de la zone de charge d'espace correspondant au champ critique, l'anneau de garde situé à la périphérie du composant se terminant sur un flanc mesa (14, 29, 42) réalisé au bord du composant semi-conducteur (SC, TH1, TH2). 2. Composant semi-conducteur selon la revendication 1, comprenant un thyristor de puissance à transistor MOS de commande de gâchette, caractérisé en ce qu'une zone (24) du premier type de conductivité est diffusée dans un caisson (23) du deuxième type de conductivité pour former à la fois la source (22-G) du transistor MOS et l'émetteur de cathode du thyristor, ce caisson étant protégé par l'anneau périphérique de garde (27) se terminant sur le flanc mesa (29). 3. Composant semi-conducteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il contient à l'intérieur de l'anneau de garde périphérique (41) un caisson de puissance (43) jouant le rôle d'élément de commutation de puissance et au moins un caisson de traitement de signal (44, 45) dans lequel est intégré un circuit de traitement de signal pour la commande de l'élément de commutation de puissance, la distance "Q entre chacun des caissons intérieurs (43, 44, 45) étant inférieure ou égale à la distance "d" existant entre les caissons et l'anneau de garde périphérique (41).