Brevet FR2671911A1 — publié le 19920724

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES RECHARGES ELECTROSTATIQUES POUR DISPOSITIFS A SEMICONDUCTEURS La présente invention se rapporte à un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) pour dispositifs à semiconducteurs, et particulièrement à un dispositif dans lequel il peut être empêché qu'une décharge électrostatique se produise entre un plot et un borne de source de courant Vcc, entre le plot et une borne de masse Vss, ou entre la borne de source de courant Vcc et la borne de masse Vss. Un circuit intégré à semiconducteurs métal-oxyde (MOS) à haute densité d'intégration est très sensible aux perturbations électriques créées de manière externe, et, s'il est soumis à une telle perturbation, la structure interne de la puce peut être affectée de manière défavorable. Particulièrement, afin de protéger une puce de l'influence d'une décharge électrostatique momentanée, un circuit de protection est prévu à chaque plot d'entrée/sortie. L'existence du circuit de protection procure de nombreux effets favorables, mais, dans un circuit à haute densité conçu avec une base de tracé plus petite que 1 micromètre (#m), la décharge électrostatique se produisant dans le bus de puissance, ctest-à-dire, la borne de source de courant Vcc ou la borne de masse Vss est considérable. Une recherche sur la prévention des décharges électrostatiques se produisant entre la borne de masse et la borne de source de courant est décrite sous le titre de "Internal Chip ESD Phenomena Beyond The Protection Circuit", dans IEEE journal of "TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICE" aux pages 21 33 à 21 39, volume 35, NO 12, décembre 1988. Les figures 1A et 1B représentent une partie du contenu de cette publication, et ce sont des vues en coupe de l'inverseur usuel. La figure 1A représente une décharge électrostatique se produisant à partir d'une borne de source de courant Vcc vers une borne de masse Vss, et la figure 1B représente une décharge électrostatique se produisant à partir de la borne de masse Vss vers la borne de source de courant Vcc. En se référant à la figure lA, la tension de la source de courant Vcc est reliée à une source 3 d'un transistor PMOS (à semiconducteurs métal-oxyde de type P), et une borne de masse Vss est connectée à une source 5 d'un transistor NMOS (à semiconducteurs métal-oxyde de type N). Ainsi, si une charge positive, par rapport à la borne de masse Vss, est appliquée à la borne de source de courant Vcc, un courant de charge 7 s'écoule à travers un dispositif parasite p-n-p-n qui existe entre la source 3 du transistor PMOS et la source 5 du transistor NMOS. Ceci provoque un défaut dans le dispositif. La tension d'une décharge électrostatique est de l'ordre d'un petit nombre de kilo-volts (kV), et par conséquent, un défaut se produit le long du chemin suivi par le courant de decharge en mettant en danger l'intégrité du dispositif. De même, en se référant à la figure 1B, si une charge positive par rapport à la borne de source de courant Vcc est appliquée à la borne de masse Vss, un courant de décharge 8 s'écoule à partir de la source 5 du transistor NMOS vers la source 4 du transistor PMOS, en provoquant par ce moyen un défaut et un risque d'endommagement comme dans le cas de la figure lA. Un tel courant de décharge provoqué par la décharge électrostatique doit être guidé par un trajet distinct. La figure 2 est une vue en plan montrant la structure d'un dispositif classique pour réduire une décharge électrostatique se produisant entre un plot et une borne de masse. Comme cela est montré dans le dispositif classique cidessus, un plot 21 et une région diffusée n+ 23 sont connectés par une liaison métallique 22, et une couche d'oxyde de champ 26 est disposée entre une région diffusée ns 24 reliée à un bus de masse 25 et une région diffusée n+ 23 connectée au plot 21. Dans une telle structure, si la charge due à la décharge électrostatique est appliquée au plot 21, une perforation se produit à partir de la région diffusée n+ 23 connectée au plot 21 vers la région diffusée n+ 24 connectée au bus de masse 25. Ainsi un courant de décharge s'écoule à travers un transistor bipolaire n-p-n comprenant un substrat de type p, et par conséquent, un dispositif à semiconducteurs de protection contre les décharges électrostatiques est créé. Cependant, avec le dispositif classique tel que décrit ci-dessus, la protection ne peut pas être apportée pour les décharges électrostatiques se produisant entre le plot et la borne de source de courant, ou entre la borne de source de courant et la borne de masse. Par conséquent, c'est un objectif de la présente invention que de créer un dispositif de protection pour protéger un dispositif à semiconducteurs contre les décharges électrostatiques se produisant entre un plot et une borne de source de courant, ou entre la borne de source de courant et une borne de masse, de même qu'entre le plot et la borne de masse. Selon l'un de ses aspects la présente invention propose à cet effet un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques dans les dispositifs semiconducteurs comportant un plot d'entrée/sortie, une borne de source de courant et une borne de masse comprenant : une première région diffusée d'un premier type de conductivité connectée au plot d'entrée/sortie; une seconde région diffusée du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de la première région diffusée au moyen d'une couche d'oxyde de champ, la seconde région diffusée étant connectée à la borne de source de courant; et une troisième région diffusée du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de la seconde région diffusée au moyen de la couche d'oxyde de champ, la troisième région diffusée étant connectée à la borne de masse.Dans ce cas, les première à troisième régions diffusées sont formées sur un substrat semiconducteur d'un second type de conductivité, ou bien dans un puits du second type de conductivité, en outre, dans le cas où les épaisseurs des première à troisième régions diffusées sont minces, les régions diffusées ci-dessus peuvent être réalisées dans des puits de faible concentration du premier type de conductivité. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels Les figures 1A et 1B représentent le mécanisme de décharges électrostatiques se produisant dans un dispositif à semiconducteurs; La figure 2 représente une vue en plan d'un dispositif classique; La figure 3A représente une vue en plan de l'un des modes de réalisation de la présente invention; La figure 3B est une vue en coupe selon la ligne X-Y de la figure 3A; et La figure 3C est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de la présente invention. En se référant aux figures 3A et 3B, un plot 31 est connecté au moyen de métal 32 à une région diffusée n+ 33 formée sur un substrat semiconducteur 30, un bus de source de courant 39 et un bus de masse 38 sont, respectivement, connectés à des régions diffusées n+ 34, 35 formées sur le substrat semiconducteur 30. Le bus de source de courant 39 et le bus de masse 38 sont entièrement fait de métal, et des couches (FOX) d'oxyde de champ 40 sont formées entre les régions diffusées n+ 33, 34 et 35. Les contacts entre les régions diffusées 33, 34 et 35 et les métaux sont réalisés par l'intermédiaire d'un trou de contact 42 qui est formé après la formation des couches d'oxyde de champ 40 et des régions diffusées 33, 34 et 35, et le recouvrement ultérieur par des couches d'isolation intermédiaires épaisses 41. Contrairement au dispositif classique de la figure 2, si le dispositif décrit ci-dessus est utilisé, même si des courants de décharge se produisent entre le plot 31 et la borne de source de courant ou entre la borne de source de courant et la borne de masse, la protection est étendue par comparaison avec le dispositif classique, en raison de l'existence de trajets de courant formés par le phénomène de perforation entre les régions diffusées n+ 33, 34 et 35. Par conséquent, dans le cas de la décharge électrostatique entre le plot et la borne de source de courant, une protection est réalisée même contre une tension de décharge de plus de 3.000 volts; de plus, dans le cas de la décharge électrostatique entre la borne de source de courant et la borne de masse, une protection est également réalisée contre une tension de décharge de plus de 3.000 volts. Les personnes qui sont normalement expérimentées dans la technique comprendront aisément que le substrat 30 peut être également remplacé par un puits ayant un type de conductivité opposé à celui des régions diffusées. La figure 3C représente un autre mode de réalisation de la présente invention, et ce dispositif est destiné à être appliqué aux cas dans lesquels les épaisseurs des régions diffusées n+ 33, 34 et 35 de la figure 3B sont minces. Si les régions diffusées n+ 33, 34 et 35 sont minces, l'écoulement du courant provoqué par le phénomène de perforation est affaibli, et un champ électrique important est chargé sur une jonction n±p entre le substrat 30 et les régions diffusées n+ 33, 34 et 35, avec pour résultat le fait qu'une quantité importante de chaleur est produite. Afin d'empêcher un tel phénomène, des régions diffusées n+ 42, 43 et 44 avec des épaisseurs minces sont respectivement formées dans des puits de type n 45, 46 et 47, comme cela est montré à la figure 3C. Ainsi, la partie jonction est formée entre les puits de type n 45, 46 et 47 avec des concentrations plus faibles par rapport aux régions diffusées n+ décrites ci-dessus, et par conséquent, l'effet de champ peut être allégé. En outre, en raison des puits du type n+ 45, 46 et 47, des trajets de perforation sont formés non seulement entre les régions du type n mais également entre les puits du type n, avec pour résultat le fait qu'un courant important peut s'écouler à travers ceux-ci, en complétant par ce moyen l'insuffisance des régions diffusées n+ minces. Selon la présente invention telle qu'elle est décrite ci-dessus, les charges qui sont provoquées par des décharges électrostatiques se produisant entre le plot et la borne de source de courant ou entre la borne de source de courant et la borne de masse, de même qu'entre le plot et la borne de masse peuvent être évitées. Bien que certains modes de réalisation préférés aient été montrés et décrits ici en se référant aux dessins annexés, il est évident que de nombreux changements et modifications peuvent être apportés par des personnes expérimentées dans cette technique sans sortir du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection contre les décharges électrostatiques pour un dispositif à semiconducteurs d'un degré d'intégration élevé comportant un plot d'entrée/sortie (31), une borne de source de courant (Vcc) et une borne de masse (Vss), caractérisé en ce qu'il comprend une première région diffusée (33) d'un premier type de conductivité connectée au plot d'entrée/sortie (31); une seconde région diffusée (34) du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de ladite première région diffusée au moyen d'une couche d'oxyde de champ (40) disposée entre elles, ladite seconde région diffusée (34) étant connectée à ladite borne de source de courant (Vcc); et une troisième région diffusée (35) du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de ladite seconde région diffusée (34) au moyen de la couche d'oxyde de champ (40) disposée entre elles, ladite troisième région diffusée (35) étant connectée à ladite borne de source de courant (Vcc) ou à ladite borne de masse (Vss), lesdites première à troisième régions diffusées (33, 34, 35) étant formées sur un substrat semiconducteur (30) d'un second type de conductivité ou dans des puits du second type de conductivité. 2. Dispositif de protection contre les décharges électrostatiques tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première à troisième régions diffusées (33, 34, 35) sont des régions de diffusion à concentration élevée. 3. Dispositif de protection contre les décharges électrostatiques pour un dispositif à semiconducteurs d'un degré d'intégration élevé comportant un plot d'entrée/sortie (31), une borne de source de courant (Vcc) et une borne de masse (Vss), caractérisé en ce qu'il comprend une première région diffusée (33) d'un premier type de conductivité relié à ladite borne de source de courant (Vcc) ou à ladite borne de masse (Vss); une seconde région diffusée (34) du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de ladite première région diffusée (33) au moyen d'une couche d'oxyde de champ (40) disposée entre elles, ladite seconde région diffusée (34) étant connectée audit plot d'entrée/sortie (31); et une troisième région diffusée (35) du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de ladite seconde région diffusée (34) au moyen de la couche d'oxyde de champ (40) disposée entre elles, ladite troisième région diffusée (35) étant connectée à ladite borne de masse (Vss) ou à ladite borne de source de courant (Vcc), lesdites première à troisième régions diffusées (33, 34, 35) étant formées sur un substrat semiconducteur (30) d'un second type de conductivité ou dans des puits du second type de conductivité. 4. Dispositif de protection contre les décharges électrostatiques pour un dispositif à semiconducteurs d'un degré d'intégration élevé comportant un plot d'entrée/sortie (31), une borne de source de courant (Vcc) et une borne de masse (Vss), caractérisé en ce qu'il comprend une première région diffusée (42) d'un premier type de conductivité connectée au plot d'entrée/sortie (31); une seconde région diffusée (43) du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de ladite première région diffusée au moyen d'une couche d'oxyde de champ (40) disposée entre elles, ladite seconde région diffusée (43) étant connectée à ladite borne de source de courant (Vcc) ou à ladite borne de masse (Vss); et une troisième région diffusée (44) du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de ladite seconde région diffusée (43) au moyen de la couche d'oxyde de champ (40) disposée entre elles, ladite troisième région diffusée (44) étant connectée à ladite borne de masse (Vss) ou à ladite borne de source de courant (Vcc); et des premier à troisième puits (45, 46, 47) du premier type de conductivité formés respectivement sous lesdites première à troisième régions diffusées (42, 43, 44), lesdits premier à troisième puits (45, 46, 47) étant séparés des uns des autres. 5. Dispositif de protection contre les décharges électrostatiques tel que revendiqué dans la revendication 4, caractérisé en ce que les concentrations desdits premier à troisième puits (45, 46, 47) sont plus faibles que celles desdites première à troisième régions diffusées (42, 43, 44). 6. Dispositif de protection contre les décharges électrostatiques pour un dispositif à semiconducteurs d'un degré d'intégration élevé comportant un plot d'entrée/sortie (31), une borne de source de courant (Vcc) et une borne de masse (Vss), caractérisé en ce qu'il comprend une première région diffusée (42) d'un premier type de conductivité connectée à ladite borne de source de courant (Vcc) ou à ladite borne de masse (Vss); une seconde région diffusée (43) du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de ladite première région diffusée au moyen d'une couche d'oxyde de champ (40) disposée entre elles, ladite seconde région diffusée (43) étant connectée au plot d'entrée/sortie (31); et une troisième région diffusée (44) du premier type de conductivité séparée par une distance donnée de ladite seconde région diffusée (43) au moyen de la couche d'oxyde de champ (40) disposée entre elles, ladite troisième région diffusée (44) étant connectée à ladite borne de masse (Vss) ou à ladite borne de source de courant (Vcc); et des premier à troisième puits (45, 46, 47) du premier type de conductivité formés respectivement sous lesdites première à troisième régions diffusées (42, 43, 44), lesdits premier à troisième puits (45, 46, 47) étant séparés des uns des autres. 7. Dispositif de protection contre les décharges électrostatiques tel que revendiqué dans la revendication 6, caractérisé en ce que les concentrations desdits premier à troisième puits (45, 46, 47) sont plus faibles que celles desdites première à troisième régions diffusées (42, 43, 44).