Brevet FR2672732A1 — publié le 19920814

STRUCTURE MONOLITHIQUE COMPRENANT DEUX ENSEMBLES DE DIODES DE PROTECTION BIDIRECTIONNELLES La présente invention concerne la réalisation de diodes de protection On appelle ici diodes de protection des diodes qui écrêtent la tension à leurs bornes dès que celle-ci atteint une valeur déterminée, dite tension de claquage, selon l'une ou l'autre polarité De telles diodes sont couramment utilisées à l'entrée de dispositifs électroniques susceptibles de recevoir des parasites, tels que les circuits reliés à des lignes téléphoniques En pratique, ces diodes doivent avoir une tension de claquage déterminée avec précision (usuellement 5 à 10 %) pour ne pas perturber le circuit qu'elles sont destinées à protéger. La présente invention vise plus particulièrement le cas o l'on souhaite protéger des premières lignes par rapport à des surtensions d'un premier niveau et des deuxième lignes par rapport à des surtensions d'un deuxième niveau Ceci est illus- tré schématiquement en figure 1 dans laquelle on a représenté un premier ensemble de lignes Lll, L 12 et un deuxième ensemble de lignes L 21, L 22 On souhaite protéger le premier ensemble de lignes par rapport à une borne commune C par des premières diodes à claquage bidirectionnel Dll, D 12 et le deuxième ensemble de lignes par des deuxièmes diodes à claquage bidirec- tionnel D 21, D 22 Les diodes Dll, D 12 du premier ensemble claquent quand la tension à leurs bornes dépasse en valeur abso- lue une valeur VI et les diodes D 21, D 22 du deuxième ensemble claquent quand la tension à leurs bornes dépasse en valeur abso- lue une tension V 2 Dans ce qui suit, on considérera que V 2 est supérieur à Vl. Pour assurer une protection du type de celle requise en figure 1, on a utilisé dans l'art antérieur des diodes de protection discrètes ou bien des circuits monolithiques incor- porant chacun un ensemble de diodes de protection de tension de claquage prédéterminée Dans les deux cas, il reste à effectuer des travaux d'assemblage qui sont longs et parfois complexes. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir une structure intégrée monolithique unique rassemblant deux ensembles de diodes de protection, chacun de ces ensembles ayant des caractéristiques de claquage distinctes. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle structure qui soit simple à fabriquer pour des couples de tensions de claquage déterminés. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une structure monolithique comprenant deux ensembles de diodes bidirectionnelles de caractéristiques distinctes consti- tuées à partir d'un substrat d'un premier type de conductivité à partir d'une surface duquel sont réalisées des premières régions25 du deuxième type de conductivité pour constituer le premier ensemble de diodes entre une première métallisation solidaire de l'une des premières régions et des deuxièmes métallisations solidaires des autres des premières régions Cette structure comprend un caisson du deuxième type de conductivité formé à partir de ladite surface dans lequel sont formées des deuxièmes régions du premier type de conductivité pour constituer le deuxième ensemble de diodes entre une troisième métallisation solidaire de l'une des deuxièmes régions et des quatrièmes métallisations solidaires des autres des deuxièmes régions. Selon un aspect de la présente invention, des couches du deuxième type de conductivité plus dopées que le caisson sont prévues à 1 'interface entre les fonds des deuxièmes régions et le caisson. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation parti- culiers en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 décrite précédemment représente des diodes de protection de lignes; la figure 2 représente un premier mode de réalisation de la présente invention; les figures 3 A-3 B représentent des courbes de concen- tration de dopant en fonction de la profondeur dans deux réali- sations particulières du premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de la présente invention; et les figures 5 A-5 B représentent des courbes de concen- tration de dopant en fonction de la profondeur dans deux réali- sations particulières du deuxième mode de réalisation de la présente invention. On notera que les structures des figures 2 et 4 sont représentées de façon très schématique et ne sont pas tracées à l'échelle comme cela est usuel dans le domaine de la représenta- tion des composants semiconducteurs Les diverses dimensions ont été arbitrairement agrandies pour faciliter la lisibilité des figures De même, alors que les diverses régions et caissons diffusés sont illustrés avec des coins carrés, l'homme de l'art notera qu'en pratique les coins de jonction sont arrondis par suite des étapes de diffusion et de recuit. Comme le représente la figure 2, le premier mode de réalisation de la présente invention est constitué à partir d'un substrat semiconducteur 1 généralement faiblement dopé selon un premier type de conductivité, ici NDans une première partie de ce substrat sont formées des régions de type P 10, 11, 12 et dans une deuxième partie de ce substrat est formé un caisson de type P 15 Les régions 10, 11, 12 et le caisson 15 peuvent 5 résulter d'une méme étape de diffusion A l'intérieur du caisson sont formées des régions de type Ns 20, 21, 22 Chacune des régions 10, 11, 12 est recouverte d'une métallisation 30, 31, 32 et chacune des régions 20, 21, 22 est recouverte d'une métalli- sation 40, 41, 42. Pour réaliser un montage du type de celui de la figure 1, les métallisations 30 et 40 seront reliées à la borne C; les métallisations 31, 32 aux lignes L 21 et L 22 et les métallisa- tions 41, 42 aux lignes L 11, L 12 On obtient ainsi des premières diodes de protection bidirectionnelles entre les lignes L 21, L 22 et la borne C et des deuxièmes diodes de protection bidirection- nelles entre les lignes L 11, L 12 et la borne C Les deuxièmes diodes de protection bidirectionnelles comprennent une jonction PN entre les régions P 11, 12 et le substrat N et une jonction NP entre le substrat N et la région P 10 Les premières diodes20 bidirectionnelles comprennent une jonction NP entre les régions Ne 21, 22 et le caisson P et une jonction PN entre le caisson P et la région N 20 Ces diodes sont donc bien symétriques. La tension de claquage des diodes formées entre les régions 10, 11, 12 et le substrat N dépend essentiellement du dopage de la couche la moins dopée, le substrat N-, et du profil de diffusion de la jonction P/N- La tension de claquage des diodes formées entre les régions Ns 20, 21, 22 et le caisson P dépend essentiellement du niveau de dopage de ce caisson qui est lui- même plus dopé que le substrat Ainsi, les diodes formées30 dans le caisson auront une tension de claquage plus faible que celles formées directement dans le substrat D'autre part, si le caisson P 15 est identique aux régions P 10, 11, 12, la jonction entre ce caisson et le substrat aura la même tension de claquage que la jonction entre les régions 10, 11, 12 et le substrat et l'on évite le risque qu'une tension haute sur l'une des lignes L 21 et L 22 puisse provoquer un claquage se refermant sur l'une des lignes Lll et L 12 De façon plus générale, il conviendra que la tension de claquage entre le caisson P 15 et le substrat 1 soit supérieure ou égale à la tension de claquage entre les régions P 10, 11, 12 et ce substrat. Les figures 3 A et 3 B illustrent des exemples de profils de diffusion pour une structure du type de celle de la figure 2 On considère que le substrat N est à un niveau de dopage homogène C'est par exemple un substrat massif ou une couche épitaxiée formée sur un substrat On considère également que les différentes régions ou caissons dopés résultent de diffusions et de recuits réalisés à partir de prédépôts de substances dopées à la surfaoe de ès régions et caissons Bien entendu, diverses variantes dans les modes de diffusion et de recuit pourraient être imaginées par l'homme de l'art Celui-ci pourrait remplacer les étapes de diffusion à partir d'un pré- dépôt par des étapes d'implantation suivies de recuits Les profils de dopage illustrés en figures 3 A et 3 B correspondent aux profils finaux après les dernières étapes de recuit. Dans le cas de la figure 3 A, le niveau de dopage du substrat est de 10 16 atomes/cm 3 ce qui correspondra à une ten- sion de claquage de l'ordre de 150 volts Par contre, le caisson présente un niveau de dopage inhomogène, qui va en décrois- sant depuis la surfaoe (x=O) vers le fond de ce caisson comme cela est indiqué par la courbe 101 De même, les régions N 20, 21, 22 ont un niveau de dopage qui va en décroissant de la surface vers le fond comme cela est indiqué par la courbe 102. Ainsi, au niveau de la surface, cette région N est en contact avec le caisson P à un emplacement (x=O) o ce caisson P est fortement dopé (concentration supérieure à 1018 atomes/am 3) Il en résulte une tension de claquage en surface de l'ordre d'une dizaine de volts Par contre, si l'on considère l'intersection des courbes 101 et 102, au point 103, qui correspond au fond des régions 20, 21, 22, la tension de claquage serait de 40 volts. Toutefois, cette tension de claquage au point 103 n'intervient pas dans le fonctionnement du dispositif puisque le claquage se produira d'abord en surface pour la valeur de tension la plus faible. La figure 3 B représente une autre configuration de dopage dans laquelle le substrat est dopé à 1017 atomes/cm 3 de type N, d'o il résulte une tension de claquage de 70 volts environ pour les diodes formées entre les régions P 10, 11, 12 et le substrat 1 On a représenté une courbe 101 correspondant à la diffusion de type P sensiblement identique à la courbe 101 de la figure 3 A En effet, avec les techniques usuelles de dopage par prédépôt, on sait mal faire varier la concentration en surface La tension de claquage basse restera donc sensiblement égale à 10 volts comme dans le cas précédent et ne pourra pas être modifiée de façon notable ce qui confère peu de souplesse pour la fabrication d'une telle structure En effet, une prolon- gation des temps de recuit diminuera peu la concentration en surface mais modifiera principalement la position du point 103 d'intersection entre les courbes 101 et 102. Pour éviter cet inconvénient, la présente invention prévoit aussi une structure, illustrée en figure 4, permettant de fixer plus facilement la valeur des tensions de claquage haute et basse Cette structure est constituée à partir d'un substrat 1 faiblement dopé d'un premier type de conductivité (N-) Dans ce substrat, on retrouve d'une part des régions de type P 50, 51, d'autre part un caisson de type P 55 Au cours d'une étape de masquage ultérieure, sont réalisées dans le cais- son des diffusions de type P plus fortement dopées 56, 57 puis des régions de type N 60, 61 Les régions 60, 61 sont réalisées en alignement avec les régions 56 et 57 et sur une plus grande largeur de sorte que ces régions 56 et 57 occupent le fond des régions 60 et 61 sans déborder sur les côtés de ces régions On a également représenté à l'intérieur de la région P 50 une région P plus dopée 58 et à l'intérieur de la région P 51 une région P plus dopée 59, ès régions 58 et 59 étant formées au cours de la même étape que les diffusions 56 et 57 Ensuite, des métallisations 30, 31, 40, 41 sont formées pour contacter les régions 58, 59, 60 et 61 En utilisation, la région 59 est reliée à une ligne L 21, les régions 58 et 60 à une borne commune C et la région 61 à une ligne Lll Les métallisations 30 et 40 peuvent être connectées directement sur la puce par réalisation d'une métallisation continue entre les régions 58 et 60. On notera que dans le cas de la figure 2, on a repré- senté la réalisation de deux diodes bidirectionnelles haute tension et de deux diodes bidirectionnelles basse tension tandis que dans la figure 4, on a représenté une seule diode bidirec- tionnelle haute tension et une seule diode bidirectionnelle basse tension L'homme de l'art notera que dans les deux cas on aurait pu choisir un nombre quelconque de diodes bidirection- nelles, éventuellement nettement supérieur à 2 si le circuit à protéger comprend un plus grand nombre de lignes. Dans la structure de la figure 4, le fonctionnement des diodes haute tension correspondant aux régions P 50 et 51 formées directement dans le substrat est similaire à celui de la figure 2 Les régions surdopées 58 et 59 sont destinées à assu- rer un meilleur contact ohmique avec les métallisations, étant donné que, comme on le verra ci-après, les régions P 50 et 51 sont plus faiblement dopées que les régions 10, 11, 12 de la figure 2. La spécificité du mode de réalisation de la figure 4 réside essentiellement dans la structure des diodes basse tension formées dans le caisson 55 En effet, ce caisson P 55 est faiblement dopé de sorte que, au niveau de la jonction entre les régions P 56 et 57 et les régions N 60 et 61, le niveau de dopage des régions P 56 et 57 est plus élevé que le niveau de dopage du caisson P 55, même en surfaè. Des exemples pratiques de réalisation de la structure de la figure 4 sont illustrés en figures 5 A et 5 B. Dans le cas de la figure 5 A, le niveau de dopage du substrat 1 est de l'ordre de 1016 atomes/cm 3 d'o il résultera une tension de claquage pour le deuxième ensemble de diodes bidirectionnelles de l'ordre de 150 volts La courbe 201 illustre le profil de concentration du caisson P 15 (et des régions P 50, 51) La courbe 202 représente le profil de diffusion des régions P 56 et 57 La courbe 203 représente le profil de concentration des régions N 60, 61 La tension de claquage des jonctions PN 56-61 et 57-60 correspond au point de fonctionnement 204 Dans l'exemple représenté, cette tension de claquage est de l'ordre de 40 volts On notera que ètte valeur est inférieure à la tension de claquage, de l'ordre de 70 volts, apparaissant au niveau de la jonction superficielle des régions N 60, 61 avec le caisson 55 Ce sont donc bien les jonctions 56, 61 et 57, 60 qui déterminent la tension de claquage du premier ensemble de diodes bidirectionnelles. Le niveau de dopage au niveau du point 204 peut être ajusté en réglant convenablement les durées de recuit qui, rappelons-le, n'affectent sensiblement pas les valeurs des dopages en surface. Ceci est illustré par la figure 5 B o 1 ' on a choisi une tension de claquage haute de l'ordre de 70 volts (niveau de dopage du substrat de l'ordre de 1017 atomes/cm 3) Dans le cas représenté, la tension déterminée par le point 204 est de l'ordre de 20 volts alors que la tension déterminée en surface par le contact entre les régions N 60, 61 et le caisson 55 est de l'ordre de 40 volts et n'a donc pas d'influence sur le fonc- tionnement du système. Ainsi, la présente invention prévoit d'une part, comme cela a été décrit en relation avec la figure 2, la réalisation d'une structure monolithique incorporant deux ensembles de diodes de protection bidirectionnelles ayant respectivement des tensions de claquage haute et basse, d'autre part, conme cela a été décrit en relation avec la figure 4, une telle structure monolithique présentant l'avantage d'un réglage simple des ten- sions de claquage haute et basse. Bien entendu, la présente invention est susoeptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art qui pourra notamment inverser tous les types de conduc- tivité décrits. REVENDICATIONS 1 Structure monolithique comprenant deux ensembles de diodes bidirectionnelles (Dll, D 12; D 21, D 22) de caractéris- tiques distinctes constituées à partir d'un substrat ( 1) d'un premier type de conductivité (N-) à partir d'une surface duquel 5 sont réalisées des premières régions ( 10, 11, 12; 50, 51) du deuxième type de conductivité pour constituer le premier ensem- ble de diodes entre une première métallisation ( 30) solidaire de l'une des premières régions et des deuxièmes métallisations ( 31, 32) solidaires des autres des premières régions, caractérisée en ce qu'elle comprend un caisson ( 15 ) du deuxième type de conductivité formé à partir de ladite surface dans lequel sont formées des deuxièmes régions ( 20, 21, 22; 60, 61) du premier type de conductivité pour constituer le deuxième ensemble de diodes entre une troisième métallisation ( 40) solidaire de l'une des deuxièmes régions et des quatrièmes métallisations ( 41, 42) solidaires des autres des deuxièmes régions. 2 Structure monolithique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des couches ( 56, 57) du deuxième type de conductivité plus dopées que le caisson ( 55) à l'interface entre les fonds des deuxièmes régions ( 60, 61) et le caisson.