Brevet FR2582861A1 — publié le 19861205

Dispositif de protection contre des décharges électrostati- ques, notamment pour des circuits intégrés bipolaires. La présente invention concerne un dispositif de protection contre des décharges électrostatiques, notamment pour des circuits intégrés bipolaires. Comme on le sait, les circuits intégrés bipolaires exigent une protection toujours plus élevée contre les décharges électrostatiques. De façon plus spécifique, les circuits bipolaires exigent d'être protégés pendant leur fabrication et ils peuvent être endommagés à tous les stades de leur processus de fabrication; toutefois, le stade le plus critique est celui du traitement de pièces fermées. On peut envisager le problème de la protection des circuits intégrés bipolaires contre les décharges électrostatiques sous deux angles différents: ou bien on prévoit des mesures du type antistatique, ou bien on réalise des structures de protection intégrées grâce auxquelles il devient possible d'assurer aux circuits intégrés à protéger une meilleure protection-que ce qui est exigé par certaines normes réglemen- taires. En ce qui concerne cette conception de structure de protec- tion intégrée, on a proposé plusieurs solutions parmi lesquelles on considérera ci-après celles dans lesquelles on couple la pointe de tension de décharge à la terre ou à la source de courant. De façon habituelle, les dispo- sitifs de protection fonctionnant sur ce principe doivent satisfaire les spécifications suivantes: 1. faible valeur de résistance à la prise de terre; 2. transparence complète de façon à ne modifier d'aucune façon le fonctionnement normal du circuit à protéger; 3. faible besoin de surface; 4. bon niveau de protection et en conséquence résistance appropriée; 5. rapidité suffisante de façon à être activé de façon appropriée avant le circuit à protéger; 6. possibilité d'application à tous les processus bipolaires. Parmi les solutions connues, on va en énumérer quelques-unes ci-après, qui présentent des aspects intéressants en ce qui concerne certaines des exigences précitées. Une solution connue consiste par exemple à utiliser un double redresseur au silicium commandé de dimensions appro- priées, fonctionnant comme structure de protection. Bien que présentant certains aspects favorables, cette solution n'est pas dépourvue d'inconvénients. En fait, si le redres- seur est réalisé de la manière classique, il exige une grande surface et ne satisfait plus l'exigence de dimensions compactes. Une autre solution pour former le redresseur au silicium commandé consiste à utiliser des structures parasites existantes dans le dispositif. Cependant, l'homme de l'art n'est pas attiré par cette solution du fait qu'il n'est pas très aisé de contrôler le phénomène qui se pré- sente lors du fonctionnement normal lorsqu'on utilise des structures parasites. Une autre solution consiste à utiliser ce qu'il est convenu d'appeler un émetteur fantôme. Dans ce cas, le transistor faible dans le circuit à protéger est remplacé par un transistor à émetteur fantôme, qui diffère d'un transistor conventionnel par le fait qu'il a une deuxième diffusion d'émetteur court-circuitée à la base et que le contact de base est séparé de la diffusion d'émetteur normal. Cette structure est très positive en ce qui concerne la surface exigée, qui peut être obtenue dans la surface du dispositif intégré à protéger, sauf le petit intervalle entre la base et l'émetteur. Cependant, cette structure ne peut être mise en oeuvre qu'avec des transistors NPN et elle ne peut s'appliquer à des transistors PNP; en conséquence, son utilisation est limitée à quelques cas. Une autre solution consiste à procurer un transistor de verrouillage disposé sur des entrées d'amplificateurs (se reporter au dispositif fabriqué par National Semicon- ducteur et identifié LM10l).Ce dispositif est limité en ce qu'il a été spécifiquement développé pour être utilisé sur les entrées d'amplificateurs, tandis que son utilisation avec des dispositifs de type différent peut soulever des problèmes ou des inconvénients. D'autres solutions consistent par exemple à utiliser des diodes de Zener ou de Schottky, telles que la Zener MCE AD 20 B 518 C (L731), la Schottky MCE 20 A 579 B (L730) ou la diode de Schottky fabriquée par Motorola. Ces solutions représentent différentes variantes utilisant un transistor de verrouillage pour verrouiller les pointes de tension. Ces dispositifs ont également des applications préférentiel- les et peuvent ne pas convenir dans certains cas particuliers. Compte tenu de ce qui vient d'être dit, le but de cette invention consiste à procurer un nouveau dispositif de protection contre des décharges électrostatiques, notamment pour des circuits intégrés bipolaires, qui puissent satis- faire les exigences imposées à ces dispositifs, afin de procurer une solution pouvant être utilisée même dans le cas o les dispositifs conventionnels ne le sont pas. Un but particulier de cette invention est de procurer un nouveau dispositif de protection qui fonctionne de manière particulièrement fiable et qui puisse être utilisé lorsque les dispositifs connus ne fonctionnent pas de façon satisfaisante. Un autre but de cette invention est de procurer un dispositif de protection qui assure une protection à la fois contre les pointes positives et les pointes négatives. Un autre but non moins important de cette invention consiste à procurer un dispositif de protection que l'on puisse intégrer sans utiliser beaucoup de surface. Les buts indiqués ci-dessus et d'autres qui deviendront apparents dans la description qui suit, sont atteints par un dispositif de protection contre des décharges électro- statiques, notamment pour des circuits intégrés bipolaires, à monter en parallèle avec un circuit à protéger, caracté- risé en ce qu'il comporte au moins un étage contenant un transistor bipolaire et un élément résistant intégré formé entre la base et l'émetteur du transistor. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, d'une réalisation préférée, en liaison avec le dessin joint, sur lequel: - la figure 1 est un schéma de circuit du dispositif de protection de cette invention; - la figure 2 est une vue de dessus montrant l'implantation d'une moitié du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale prise à travers le dispositif représenté sur la figure 2; et - la figure 4 montre la tension collecteur-émetteur dans certaines conditions de montage d'un transistor bipolaire en fonction du logarithme de l'intensité de collecteur. La figure 1 montre schématiquement un circuit totalement équivalent au dispositif de cette invention. Comme on peut le voir sur cette figure, le dispositif comporte deux étages identiques, dont l'étage supérieur est repéré en 10' et l'inférieur en 10". De façon détaillée, l'étage supérieur 10' est disposé entre une première ligne de potentiel de référence formant la source de courant VCC et une ligne 13 qui raccorde la borne d'entrée 20 à la borne d'entrée 18 du dispositif à protéger, repéré sché- matiquement par le bloc 5 en tirets;l'étage inférieur " est monté entre la ligne 13 et une deuxième ligne de potentiel de référence définissant la terre. De façon détaillée, chaque étage 10' et 10" est constitué par un transistor 15' ou 15", dont la base et l'émetteur sont raccordés l'un à l'autre par un élément résistant 16' ou 16". En particulier, le collecteur du transistor 15' est raccordé à la source de courant VCC, tandis que l'émetteur du transistor 15', et de ce fait une borne de la résistance 16', sont raccordés à la ligne 13 à laquelle est également raccordé le collecteur du transistor 15"; l'émetteur du transistor 15" et en conséquence une borne de la résistance 16" sont mis à la terre. Enfin, la base de chaque transis- tor est raccordée à la deuxième borne de la résistance respective 16' ou 16". Chaque étage du dispositif de la figure 1 est constitué comme il est représenté sur les figures 2 et 3. Comme on peut le voir sur ces figures, chaque étage, repéré en 10, et représentant, soit l'étage 10', soit l'étage " de la figure 1, est fabriqué dans une puce de silicium comportant un substrat 35, une couche enterrée 33 avec une polarité du type n+, une région de collecteur 27 avec une polarité du type n, contenant une région plus dopée avec une polarité du type n+ raccordée au contact de collecteur 26, et une région de base 29 avec une polarité du type p. A l'intérieur de la région de base 29 est formée une région d'émetteur 28 avec une polarité du type n+. Les régions de base et d'émetteur sont raccordées respec- tivement à un contact de base 31 et à un contact d'émetteur raccordés ensemble par une couche métallique 32. Le circuit est complété par des régions isolantes 34 avec une polarité du type p+. Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, la région de base a une forme allongée s'étendant depuis le contact de base 31 jusqu'en dessous la région d'émetteur 28 et le contact respectif 30. En outre, cette région de base (voir figure 2) présente au centre une zone de section transversale réduite formant à proprement parler une zone pincée. Cette structure de section transversale réduite formant en plan un double T forme l'élément résistant repéré en 16' ou 16" sur la figure 1. On peut modifier la largeur de la section transversale réduite pour procurer les valeurs de résistance optimales; toutefois, on a obtenu des résultats avantageux avec une résistance d'environ 1000 Ohms, avec une valeur qui peut varier entre 800 Ohms et 1200-Ohms. En pratique, on obtient une résistance s'éten- dant longitudinalement jusqu'à la région de base, avec une diode à la jonction entre la région de base 29 et la région d'émetteur 28. Le dispositif de protection selon l'invention fonctionne comme suit, en supposant que l'étage 10 de la figure 3 représente l'étage inférieur 10" de la figure 1. Dans ce cas, en présence de pointes de tension négatives, la diode formée sur la jonction base-émetteur est polarisée en sens inverse. En conséquence, le courant circule à travers la résistance intégrée formée par la région de base rétrécie, tandis que la jonction base-collecteur est polarisée vers l'avant. En conséquence, le transistor fonctionne d'une manière totalement opposée à un transistor conventionnel, avec le collecteur fonctionnant en tant qu'émetteur et l'émetteur fonctionnant en tant que collec- teur. Ainsi, le gain de transistor est faible et il y a écrêtage des pointes négatives. Dans le cas de pointes positives, c'est la jonction base- collecteur qui est polarisée en sens inverse; dans ce cas, la chute de tension entre le collecteur et l'émetteur du transistor se présente comme le montre la courbe VCER de la figure 4. La figure 4 montre également la tension collecteur-émetteur en fonction de l'intensité de collecteur, avec différentes configurations du transistor. En particulier, comme on peut le voir, la tension collecteur-émetteur avec le disposi- tif selon l'invention (VCER) est comprise entre la tension collecteurémetteur avec la base ouverte VCEO et la tension collecteur-base avec l'émetteur ouvert (VCBO). Faire la résistance dans la région de base 29 comme le montrent les figures 1 et 2 est en conséquence particulièrement approprié,car le comportement de l'étage est plus favorable également en ce qui concerne la tension collecteur-émetteur avec la base ouverte. En fait, la présence d'un élément résistant permet la dissipation d'une partie du courant amené sur la borne 20 à l'extérieur du circuit à protéger. L'étage supérieur 10' n'est prévu que lorsque les standards exigent l'application d'une décharge positive entre la borne du circuit intégré à protéger et la source de courant et d'une décharge négative en direction de la terre. Dans ces conditions d'essai, l'étage supérieur est mis en service lorsqu'une décharge positive apparait auniveau de la broche essayée (borne 20). Le courant circule à travers la résistance 16', mettant sous tension le transis- tor 15' qui est polarisé de manière à travailler avec ses bornes de collecteur et d'émetteur mutuellement inversées (c'est-à-dire que le collecteur fonctionne en tant qu'émet- teur et que l'émetteur fonctionne en tant que collecteur), réduisant ainsi-le gain de transistor. Ainsi, la décharge positive provenant de la source de courant atteint la terre en circulant à travers le trajet de moindre résistance dans le circuit essayé. Comme on peut le voir d'après la description précédente, l'invention atteint pleinement les buts qu'elle s'est fixés. En fait, on a procuré un dispositif de protection qui satisfait les spécifications et qui notamment permet de protéger le dispositif monté en aval à la fois contre des pointes de tension positives et négatives, à la diffé- rence des autres types de protection. On doit souligner que le dispositif selon l'invention peut être utilisé à la fois pour obtenir seulement une protection vers l'aval et pour obtenir également une protec- tion en direction de la source de courant; dans le premier cas, il suffit du seul étage inférieur 10", tandis que dans le dernier cas il est nécessaire d'avoir la structure complète représentée sur la figure 1. Il est en outre extrêmement avantageux que le dispositif de cette invention n'exige qu'une surface d'intégration très réduite. Par exemple, en comptant les tolérances avec un processus particulier à basse tension, la surface nécessaire pour assurer une protection à la- fois en direction de la source de courant et en direction de la terre est seulement de 0,042 mm2. Le fonctionnement correct du dispositif en présence de pointes de tension est également dû à la présence d'un trajet'additionnel pour la dissipation de l'énergie à travers l'élément résistant. En particulier, quel que soit le processus de fabrication, avec le dispositif selon l'invention, ila été possible de protéger tous les types de structures soumises à des décharges électrostatiques et d'assurer une protection supérieure à 4000 volts. L'invention est susceptible de nombreuses modifications et variantes tout en restant dans le domaine du concept inventif. En particulier, comme on l'a déjà expliqué, la structure peut ne comporter qu'un seul étage ou peut comporter les deux étages, selon ce qui est nécessaire. En outre, on peut modifier la valeur de la résistance 16', 16" pour satisfaire des spécifications particulières. Revendications. 1. Dispositif de protection contre des décharges électrosta- tiques, en particulier pour des circuits intégrés bipolaires, à monter en parallèle avec un circuit à protéger, carac- térisé en ce qu'il comporte au moins un étage (10, 10', ") comportant des moyens de transistor en technologie bipolaire (15', 15") ayant des électrodes d'émetteur, de base et de collecteur, et des moyens de résistance intégrée (16', 16") intégrés entre les électrodes de base et d'émetteur des moyens de transistor. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de base (29) des moyens de transistor (15', 15") a une forme allongée partant de l'électrode de base (31) et allant jusqu'à la région d'émetteur (29) du transistor, et forme ces moyens de résistance (16', 16"). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la région de base a une portion intermédiaire (29') de section transversale réduite. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette portion intermédiaire de section transversale réduite est une portion de largeur réduite (29'). 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette région de base a la forme d'un double T. 6. Dispositif selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode de base (31) est reliée à l'électrode d'émetteur (30) par une couche métallique (32). 7. Dispositif selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de résistance (16', 16") ont une résistance variant entre 800 Ohms et 1200 Ohms. 8. Dispositif de protection selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que cet étage (10") est disposé entre l'entrée (18) du circuit à protéger (5) et la terre, l'électrode de collecteur du transistor (15") étant raccordée à l'entrée (18) du circuit à protéger (5) et l'électrode d'émetteur du transis- tor étant mise à la terre. 9. Dispositif de protection selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que cet étage (10') est disposé entre l'entrée (18) du circuit (5) à protéger et la source de courant (VCC), l'électrode de collecteur du transistor (15') étant raccordée à la source de courant (Vcc) et l'électrode d'émetteur du transis- tor étant raccordée à l'entrée (18) du circuit (5) à pro- téger.