Brevet FR2608319A1 — publié le 19880617

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS, A JONCTION PLANE La présente invention concerne un dispositif semiconducteur de protection contre les surtensions, à jonction plane. Il s'agit d'un dispositif de type diode zéner ou a avalanche, plus spécialement destiné à la protection en basse tension, par exemple aux environs de 5 - 6 Volts, 5 Volts étant une tension très utilisée avec les circuits logiques. Les diodes de protection sont basées sur l'utilisation du claquage d'une jonction plane : à cette tension de claquage VBR correspond pour un courant crête I une tension d'écrêtage VCL. Pour qu'une diode de pp protection soit efficace, il faut que la jonction de la diode supporte le courant crête pendant une durée suffisante sans être détruite, et qu'elle ait donc une certaine fiabilité. Or une jonction supporte d'autant mieux une surtension qu'elle est plane. En effet les parties arrondies dans une jonction diffusée provoquent un effet de pointe qui diminue la tenue en tension de la région diffusée dans un substrat. Selon l'invention, un dispositif de protection contre les surtensions comporte une jonction plane, définie entre un substrat, d'un premier type de conductivité, et une région d'un second type de conductivité, cette région et la jonction étant entourées par un mur de matériau diélectrique, de sorte que les parties circulaires ou sphériques de la jonction sont supprimées. La région de second type de conductivité et le mur d'isolement sont diffusés ou implantés dans le substrat, ce qui donne au dispositif de protection une structure plane. De façon plus précise l'invention concerne un dispositif semiconducteur de protection contre les surtensions, de type diode comportant une jonction formée entre un substrat, d'un premier type de conductivité, et une région d'un second type de conductivité, ce dispositif étant caractérisé en ce que la jonction est plane et délimitée à l'intérieur d'un mur d'isolement, qui l'entoure complètement. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple de réalisation, cette description s'appuyant sur les figures en annexe qui représentent: - figure 1 : schéma en coupe d'un dispositif de protection à structure mesa, selon l'art connu - figure 2 : schéma en coupe d'un dispositif de protection à basse tension, à jonction, selon l'art connu - figure 3 : schéma en coupe d'un dispositif de protection à basse tension, à jonction plane, selon l'invention. La figure 1 représente le schéma d'un dispositif de protection à structure mesa, plus particulièrement destiné à la protection contre les surtensions de valeur relativement élevées, par exemple de l'ordre de 30 Volts. Différentes structures peuvent être proposées, mais elles se ramènent à peu près toutes à la réalisation d'une jonction formée entre un substrat 1, d'un premier type de conductivité, par exemple de type n, et une couche 2, épitaxiée ou diffusée, d'un second type de conductivité, qui est donc de type p. Une telle diode, après réalisation de la jonction, est attaquée par voie chimique pour former une mésa, de telle façon que la jonction 3 soit plane, et qu'il n'y ait pas de zone de matériau semiconducteur sur son périmètre, en surface de la pastille dans laquelle la diode est fabriquée.La diode de protection est achevée en déposant deux métallisations 4 et 5, d'anode et de cathode, l'une des métallisations étant déposée sur la face arrière du substrat et l'autre métallisation sur le plateau de la mesa. Cette structure bien connue est efficace, mais elle nécessite la gravure d'une mesa, sur 20 ou 30 microns par exemple, et cette gravure est toujours une opération de fabrication qui complique et rend plus coûteuse la fabrication des diodes de protection. Pour une diode de protection sous une basse tension, par exemple 6 Volts, il faudrait graver sur l'épaisseur de l'ordre de 1 à 1,5 microns : ce n'est pas une opération intéressante et dans ce cas on préfère réaliser une diode conformément à la figure 2 qui représente le schéma en coupe d'une diode de protection selon l'art connu, pour une basse tension. Une telle diode est réalisée à partir d'une rondelle de matériau semiconducteur, qui constitue le substrat 1 d'un premier type de conductivité, le type n par exemple, dans laquelle sont diffusées une pluralité de régions 6, d'un second type de conductivité. La diode comportera, dans son état achevé deux métallisations de prise de contact, 4 et 5 qui sont déposées l'une sur le substrat, l'autre sur la région diffusée dans le substrat.Quelque soit le procédé de diffusion utilisé une région diffusée 6 comporte toujours une jonction plane dans sa partie 7, qui correspond au front de diffusion depuis la surface de la pastille du substrat vers l'intérieur du substrat Mais cette région diffusée 6 comporte en outre d'une part une jonction 8, qui peut être carrée, rectangulaire ou circulaire selon la forme de la fenêtre de diffusion, et une jonction 9 qui a des caractéristiques sphériques, et qui correspond à la diffusion latérale à l'intérieur du substrat 1. Les jonctions 8 et 9 présentent donc une courbure, et il est connu que les courbures de jonction se détruisent par emballement thermique dû à la différentielle de l'intensité par rapport au temps dans la courbure, lorsque la jonction est traversée par un fort courant.De plus, des courants de fuite importants sont dûs à l'effet de pointe que présente une jonction courbe telle que 8 ou 9, par rapport à une jonction plane telle que 7. Selon l'invention un moindre courant de fuite et par conséquent une diminution ou même une suppression de l'emballement thermique est dû à une meilleure tenue en surtension d'une jonction plane. Celle-ci est représentée en figure 3 qui donne le schéma d'une diode de protection à basse tension selon l'invention. Une jonction plane 10, ne comportant pas de partie ayant une courbure, est réalisée entre un substrat 1, d'un premier type de conductivité, et une région 11, d'un second type de conductivité. Cette jonction 10 est plane et ne comporte aucune partie en courbure, parce qu'elle est réalisée à l'intérieur d'un mur d'isolement 12, préalablement réalisé dans l'épaisseur du substrat 1. Pour réaliser une diode de protection selon l'invention, un mur d'isolement 12 en matériau diélectrique est d'abord défini dans l'épaisseur d'un substrat 1. Pour cela, et au moyen de techniques qui sont connues, on dépose à la surface du substrat un masque qui permet de n'oxyder localement que la partie correspondante au mur 12 : si le substrat est en silicium, le mur 12 obtenu par oxydation est donc en silice Lorsque le mur d'isolement 12 est réalisé on crée alors dans la plaquette qui, jusqu'à ce point de fabrication est homogène sur toute son épaisseur, une région 11 dont le type de conductivité est opposé à celui du substrat. Cette région 11 peut être faite à partir d'un prédépôt d'impuretés réalisé soit par implantation ionique soit par source solide, suivi d'une redistribution.Toutefois la diffusion des impuretés doit prendre en compte que l'épaisseur de la région 11 soit inférieure à l'épaisseur du mur d'isolement 12, de telle façon que la jonction 10 soit toujours limitée par l'épaisseur du mur d'isolement 12, et qu'elle ne déborde en dessous du mur dans le substrat, où se créeraient alors des zones arrondies. Dans le cas d'une diode de protection à basse tension, les sillons ont de l'ordre de 2 à 3 microns de profondeur, jusque 5 microns dans le cas de certaines diodes de protections renforcées. Du point de vue de la tenue en tension, il est préférable d'avoir un mur d'isolement en oxyde thermique, comme c'est le cas pour la diode de protection selon l'invention, plutôt qu'un verre qui est déposé sur le flanc d'une mesa tel que représenté sur la figure 1. En outre les flancs du mur 12 sont droits tandis que la mesa, obtenue par gravure chimique, a toujours une forme courbe telle que représenté en figure 1 : ceci est préférable pour les fuites à travers le matériau diélectrique en contact avec la jonction 10. La réalisation d'un mur d'isolement 12 peut être faite de différentes façons et on peut envisager de procéder à une gravure sur deux ou trois microns d'épaisseur, dans le substrat, puis remplir ce fossé ainsi créé par des matériaux différents tels que le nitrure de silicium par exemple. La diode de protection selon l'invention est plus particulièrement destinée à la protection des circuits logiques ou des dispositifs électroniques nécessitant une protection contre les surtensions d'origine extérieure REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur de protection contre les surtensions, de type diode comportant une jonction (10) formée entre un substrat (1), d'un premier type de conductivlté, et une région (11) d'un second type de conductivité, ce dispositif étant caractérisé en ce que la jonction (10) est plane et délimitée à l'intérieur d'un mur d'lsolement (12), qui l'entoure complètement. 2. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mur d'isolement (12) est en matériau diélectrique, ne formant pas de jonction avec le matériau du substrat (1). 3. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du mur d'isolement (12), par rapport à l'épaisseur du substrat (1), est supérieure à l'épaisseur de pénétration de la région (11) formant jonction (10) avec le substrat (1). 4. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mur d'isolement (12) est réalisé dans le substrat (1) avant la région (11) de conductivité de type opposé à celle du substrat (1). 5. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (1) étant en silicium, le mur d'isolement (12) est obtenu par oxydation thermique. 6. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région (11) formant jonction (10) est diffusée ou implantée à l'intérieur du mur d'isolement (12).