Brevet FR2666174A1 — publié le 19920228

M Cc MPOSANT SEMICONEUXX R HAUTE TENSION À FAIBLE COURANT DE FUITE La présente invention conerne une structure de compo- sant semiconducteur à caisson d'isolement susceptible de bloquer une tension appliquée selon l'une ou l'autre polarité sur ses bornes principales. La description ci-après concerne plus particulièrement le cas d'un thyristor mais il sera clair pour l'homme de l'art que la présente invention s'applique de façon génerale à des composants semiconducteurs à caisson comprenant des jonctions bloquantes de part et d'autre d'une région semiconductrice à faible niveau de conductivité. L'état de la technique va d'abord être rappelé en rela- tion avec les figures 1 à 3 qui représentent des vues en coupe schématiques de divers types de thyristor Il sera clair pour l'homme de l'art que ces figures ne sont pas tracées à l'échelle mais que les dimensions et épaisseurs des diverses régions sont arbitrairemant dilatées pour faciliter le tracé et la lisibilité des figures, comme cela est d'usage dans le domaine de la repré- sentation des composants saemiconducteurs. Un thyristor est un corposant semiconducteur à quatre couches: une couche de cathode N, une couche de base Pi, une région de substrat N et une couche d'anode P 2 Une métallisation de cathode K est solidaire de la couche de cathode N, une métal- lisation de gâchette G est en contact avec une partie de la couche de base Pi, et une métallisation d'anode A est solidaire de la couche d'anode P 2 Le thyristor peut bloquer une tension positive ou négative appliquée entre ses bornes principales A et K et peut laisser passer un courant résultant de l'application d'une tension positive entre anode et cathode quand un courant est injecté dans la gâchette. En polarisation directe (anode positive, cathode néga- tive) et en l'absence de signal de gâchette, c'est la jonction Jil entre la région N et la ouche Pl qui est bloquante En polari- sation inverse, (anode négative et cathode positive) c'est la jonction J 2 entre les couches P 2 et N qui est bloquante. En théorie, la tension de claquage de ces jonctions dépend du gradient de dopage entre les couches Pl et N d'une part et entre les couches P 2 et N d'autre part ainsi que de l'épaisseur de la région N- En pratique, les tensions de claquage sont essentiellement détermirns par la qualité du péri- métre des jonctions au niveau des surfaoes externes du composant qui sera appelé ci-après périmètre apparent des jonctions. La figure 1 représente un thyristor dit de type "mesa", dans lequel les périphéries supérieure et inférieure du thyristor sont sillonnées, le sillon supérieur traversant la jonction J 1 et le sillon inférieur traversant la jonction J 2 Ces sillons sont glassivés, c'est-à-dire remplis d'un verre désign par la référence 11 pour le sillon supérieur et par la référence 12 pour le sillon inférieur Ainsi, les surfaoes supérieure et inférieure du thyristor formennt des plateaux, des mnésas L'irylinison des sillons au niveau du périmitre apparent des jonctions J 1 et J 2, leur fini, et la qualité de la passivation sont autant de para- mètres qui ont été bien étudiés et qui fixent la tension de claquage des jonctions Actuellement, c'est ce type de structure qui permet d'obtenir les thyristors supportant les plus hautes tensions (supérieures au millier de volts). Toutefois, la technologie de type mésa présente un oertain nombre de limites fcnlamentales; en particulier, elle n'est pas crompatibles avec les processus usuels d'assemblage automatisé Pour résoudre oe problème, on a développé des struc- tures de type à caisson, telles que oelles illustrées en figures 2 et 3 dans lesquelles des diffusions profondes de type P, P 3, sont formées à la périphérie du thyristor et sont en continuité électrique avec la couche P 2 La région N remonte au niveau de la surfaoe supérieure du thyristor et les périmètres apparents des jonctions J 1 et J 2 sont sur oette surfaoe supérieure. La figure 2 représente le mode le plus simple de passi- vation des jonctions J 1 et J 2 selon lequel, conforément à la technologie planar classique, les périmètres apparents des jonc- tions sont passives par une simple couche d'oxyde 13 Pour améliorer la tenue en tension de oes jnctions, on forme au-dessus de chaque jonction une métallisation dite plaque de champ La première plaque de champ 15 recouvre la jortion J 1 et est solidaire électriquement de la région Pl ou de la gâchette G La deuxième plaque de champ 16 recouvre la jonction J 2 et est solidaire électriquement du caisson P 3 La longueur dont chacune de ces plaques de champ déborde au-dessus de la région N est un paramètre déterminant de la tenue en tension des jonctions. Toutefois, avec de telles structures, on n'arrive pas à atteindre de tenues en tension de jonctions supérieures à quelques cen- taines de volts, au mieux 400 volts Pour améliorer oe résultat, on a également prévu de revêtir les plaques de champ et l'inter- valle entre les plaques de champ en vis-à-vis d'une couche de passivation supplémentaire d'origine minérale (Si O 2 déposé par voie chimique en phase vapeur et nitrure de silicium) ou orga- nique (polyimide) mais ceci complique onsidérablment le procédé pour un gain relativement faible On atteint alors au mieux des tenues en tension de l'ordre de 600 volts. On notera que dans les structures des figures 1 et 2, il ne se pose pas de problème de courant de fuite, c'est-à-dire que, quand les jonctions sont polarisées en inverse, le courant de fuite circulant éventuellement entre anode ou cathode est inférieur au microampère. La figure 3 illustre une solution connue pour améliorer la tenue en tension d'un thyristor à caisson La surface appa- rente de la région N est silluone et le sillon est rempli d'un verre 18 dans lequel débouchent les jonctions J 2 et J 1 On obtient alors une tenue en tension satisfaisante, du même ordre de grandeur que celle obtenue avec les thyristors de type mésa. Toutefois, un nouveau problème se pose, à savoir l'apparition de courants de fuite relativement importants, notamment à chaud, quand le thyristor est en situation de blocage direct ou inverse Ce courant de fuite n'est pas stable dans le temps et peut atteindre des valeurs de quelques dizaines, voire quelques centaines de microampères. L'objet de la présente invention est de prévoir une structure de composant semiconducteur, par exemple de thyristor, présentant les avantages des structures à caisson mais évitant les courants de fuite à l'état de blocage. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un composant semiconducteur haute tension comprenant une région oentrale d'un premier type de conductivité faiblement dopée ercadrée de couches du deuxième type de conductivité à plus fort niveau de dopage formant avec la région centrale des pre- mière et seconde jonctions susceptibles de supporter ladite haute tension, dans lequel les première et seconde jonctions affleurent sur une même surface principale du cxmposant, de part et d'autre d'une surface apparente de ladite région centrale, et dans lequel un sillon est formé dans toute ladite surface apparente et est rempli d'un verre de passivation La surface du verre est recou- verte, au-dessus du contour de chaque jnction, d'une métal- lisation en ontact avec la o Couche du deuxième type de conduc- tivité correspoxnant à oette jonction. 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 particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 3 sont des vues en coupe sch-matique de thyristors selon l'art antérieur; la figure 4 est une vue en coupe partielle d'une région d'isolement de jonction résolvant le problème posé; et la figure 5 est une vue en coupe partielle d'une région d'isolement de jonction résolvant le problème posé selon la présente invention. La demanderesse a étudié la cause de l'apparition du courant de fuite dans la structure de la figure 3 et l'att Lribue à une accumulation de charges négatives fixes et/ou mobiles dans le verre 18. Dans le cas d'une structure mésa telle que oelle de la figure 1, l'effet de ces charges est d'augmenter la tension de claquage de chacune des jcoctioes J 1 et J 2 en cxpensant loca- lement la concentration N du silicium de la région intrinsèque (N-). Dans le cas de la structure de la figure 3, cette pré- senhe de charges négatives dans le verre 18 conduit à inverser le type de conductivité de la partie superficielle de la région N- et à y créer un canal entraînant la présenoe d'un courant de fuite Pour onfirmer cette hypothèse, la demanderesse a réalisé une structure du type de celle de la figure 4 comprenant au cen- tre de la partie superficielle de la région N une diffusion N+ 19 Ceci a effectivement permis de réduire fortement le ourant de fuite qui devenait alors inférieur au microa Ipere Toutefois, une telle structure présente plusieurs inconvénients à savoir d'une part sa difficulté de réalisation qui implique des étapes de fabrication supplémentaires, et d'autre part le fait que la distance e entre la limite de chaque jonction et la région N+ 19 doit être supérieure ou égale à l'épaisseur de la région N-. La présente invention propose, comme cela est repré- senté en figure 5, de prévoir des métallisations 21 et 22, au- dessus de la couche de glassivation 18, respectivement au-dessus des jonctions J 1 et J 2 La métallisation 21 au-dessus de la jonction J 1 est solidaire (non représenté) de la région Pl et la métallisation 22 audessus de la jonction J 2 est solidaire du caisson P 3. Ces métallisations, bien que d'aspect similaire aux plaques de champ de la figure 2, n'ont pas la nmême fonction et ne sont pas dimensionrées en fonction des mêmes paramètres. Ces métallisations servent, par effet électrostatique, à neutraliser la région de canal en appliquant un champ inverse à oelui des charges négatives existant dans la glassivation 18. Quand la jonction J 1 est bloquante, la région P 3 qui se trouve à un potentiel positif communique ce potentiel à la métallisation 22 qui sert à annuler le canal Contrairement au cas des plaques de champ de la figure 2, la distance L entre une jonction et la projection de l'extrémité de la métallisation superposée n'est pas critique Une distanre L de l'ordre de 10 micromrtres est suffisante pour obtenir l'effet d'annulation du canal C'est la distanie entre les deux nmétallisations qui est déterminante pour la tenue en tension et qui doit être au moins égale à la distanoe e de la figure 4 Ainsi, du fait que L est très inférieur à e, la distance entre les périmètres apparents des deux jonctions (e+ 2 L) est, dans le cas de la figure 5, très inférieure au cas de la figure 4 o elle est supérieure à 2 e On peut donc grâoe à la présente invention obtenir une structure plus compacte En outre, la réalisation de métallisations selon la présente invention n'implique aucune étape supplimentaire de fabrication par rapport aux étapes de fabrication normales d'un thyristor. Comme on l'a noté en tête de la présente description, bien que l'invention ait été décrite en relation avec un thy- ristor pour simplifier l'exposé, il est clair que des configu- rations similaires à celle illustrée en figure 5 peuvent apparai- tre dans tout composant haute tension à blocage bidirectionnel, par exemple des triacs, et que la présente invention s'appliquera de même à ces autres composants. REVENDICATIOS 1 Ccmposant senio ucteur haute tension oenprenant une région oentrale (N-) d'un premier type de conductivité faiblement dopée prca(h#e de couches (Pl, P 2) du deuxième type de conductivité à plus fort niveau de dopage formant avec la région centrale des première et secone jcrcticrs (Ji, J 2) susoeptibles de supporter ladite haute tension, dans lequel les première et seconde jcnctions affleurent sur une mâme surfaoe principale du oemposant, de part et d'autre d'une surface apparente de ladite région centrale, et dans lequel un sillon est formé dans toute ladite surface apparente et est rempli d'un verre de passivation ( 18), caractérisé en ce que la surface du verre est recouverte, au-dessus du contour de chaque jonetion, d'une métallisation ( 21, 22) en contact avec la couche du deuxième type de conductivité correspondant à cette jonction. 2 Canposant semiconducteur haute tension selon la revendication 1, constituant un thyristor forsé à partir d'un substrat (N-) faiblement dopé constituant ladite région centrale, une deuxième couche de type P (P 2) étant formée sur toute la surface inférieure du thyristor et des diffusions profondes de type P (P 3) se rejoignant à la périphérie du thyristor, la région de contact entre le caisson diffusé opposé à ladite deuxième oouche de type P et ladite région oentrale formant le périmètre apparent de la seconde jonction, et une première oouche de type P (Pl) étant formèe dans une partie de la surfaoe supérieure de la région principale, sans entrer en contact avec le caisson et constituant en surface avec ladite région centrale la première jonction, une région de cath Dde (N+) étant forxme dans la première région de type P.