Brevet FR2683947A1 — publié le 19930521

À DIODE DE PROTECTION MONOLITHIQUE BASSE TENSION À FAIBLE CAPACITÉ La présente invention conèrne le domaine des diodes de protection, et plus particulièrement des diodes de protection basse tension. Une diode de protection unidirectionnelle Zl (figure l A) est un dispositif laissant passer le courant dans un sens direct (en ses bornes B et A) et bloquant le courant dans le sens inverse (entre ses bornes A et B) tant que la tension ne dépasse pas un seuil déterminé Une diode bidirectionnelle Z 2 (figure 2 A) est un dispositif laissant passer un courant entre ses bornes C et D ou D et C seulement quand la tension entre oes bornes dépasse un seuil déterminé. Ces diodes sont prévues pour être placées en parallèle sur des circuits à protéger et n'agir que dans des cas excep- tionnels de surtension Elles ne doivent donc à l'état normal de la tension d'alimentation ou de fonctionnement du circuit n'avoir aucun rôle et ne pas perturber le circuit Toutefois, on sait qu'une diode de protection basse tension présente une capa- cité entre ses bornes relativement élevée En effet, la capacité entre les bornes d'une diode augmente proportionnellement à la surfaoe de la jonction utile de cette diode et exponentiellement avec le dopage de la couche la moins dopée au niveau de la jonc- tion Or, dans le cas d'une diode de protection, si l'on veut obtenir une tension de claquage relativement faible, de l'ordre de 5 à 10 volts, le dopage de la couche la moins dopée doit être élevé (quelques 1018 atomes par cm 3) et donc la capacité de la diode est inévitablement forte Par exemple, une diode de pro- tection basse tension ayant une tension de claquage de l'ordre de 5 volts a une capacité de l'ordre de 5000 p F/mm 2 Pour satis- faire à sa fonction de protection, la surfaoe de oe type de dis- positif est rarement inférieure à 0,5 mm 2; ceci conduit à des capacités de 2500 p F Cette valeur, relativement élevée, est susceptible de perturber le fonctionnement du circuit à protéger. Pour résoudre ce problème, on a déjà proposé dans l'art antérieur d'associer aux diodes de protection de simples diodes de redressement classiques selon divers montages Ces divers montages ont tous présenté des inconvénients et n'ont en outre pas conduit jusqu'à présent à la réalisation de composants de protection monolithiques. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir des associations de diodes de protection et de diodes classiques permettant d'obtenir un composant de protection de faible capacité. Un objet plus particulier de la présente invention est de prévoir la réalisation sous forme de ca"posant monolithique d'une association de diodes équivalant à une diode de protection à faible capacité. Pour atteindre èt objet ainsi que d'autres, la pré- sente invention prévoit une diode de protection unidirection- nelle monolithique formée dans un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité à faible niveau de dopage, compre- nant, du côté de la face supérieure du substrat, un premier et un deuxième caisson du deuxième type de conductivité à niveau de dopage moyen; à la surfaoe du premier caisson, une première ré- gion du premier type de conductivité à niveau de dopage élevé; à la surface du deuxième caisson, une deuxième région du deu- xième type de conductivité à niveau de dopage très élevé; une troisième région du deuxième type de conductivité à niveau de dopage très élevé en contact avec le premier caisson; une quatrième région du premier type de conductivité à niveau de dopage élevé sous la surface inférieure de la troisième région; une première métallisation en contact avec la surface des première et deuxième régions constituant la première borne de la diode; et une deuxième métallisation liée à une zone du premier type de conductivité s'étendant jusqu'à la quatrième région et au deuxième caisson, constituant la deuxième borne de la diode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la face inférieure du substrat comprend une couche surdopée du premier type de conductivité et la deuxième métallisation est en contact avec cette face inférieure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier type de conductivité est le type P. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les deuxième et troisième régions résultent d'une même étape de dopage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première et quatrième régions résultent d'une même étape de dopage antérieure à l'étape de dopage des deuxième et troisième régions. La présente invention prévoit aussi une diode de pro- tection bidirectionnelle monolithique rassemblant deux struc- tures semiconductrices symétriques similaires à celle de la dio- de de protection unidirectionnelle susmentionnée, les troisième et quatrième régions étant communes à ces deux structures Cette diode bidirectionnelle comprend deux métallisations qui corres- pondent aux premières métallisations de la diode unidirection- nelle symétrisées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les parties profondes des premier et deuxième caissons compren- nent des moyens pour y réduire la durée de vie des porteurs minoritaires, résultant par exemple d'une diffusion d'or ou de platine. On notera qu'un avantage supplémentaire du composant de protection bidirectionnelle selon la présente invention est qu'il présente une faible capacité dynamique En effet, la diode de protection incluse dans ce composant est toujours polarisée dans la même direction et donc, si la tension aux bornes du composant change de polarité, sans dépasser la tension de seuil de ce composant, la charge de ce composant reste toujours dans le même sens. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de mdes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures l A et 2 A représentent les symboles classi- quement utilisés pour des diodes de protection uni et bidirec- tionnelle; les figures 1 B et 2 B représentent des montages de diodes équivalant respectivement à une diode de protection uni- directionnelle et à une diode de protection bidirectionnelle de faible capacité; la figure 3 représente un mode de réalisation d'un composant de protection unidirectionnelle à faible capacité selon la présente invention; la figure 4 représente un mode de réalisation d'un composant de protection bidirectionnelle à faible capacité selon la présente invention; et les figures 5 et 6 illustrent, en vue de dessus des assemblages de diodes selon l'invention. Dans les figures 3 et 4 qui présentent des vues en coupe de structures semiconductrioes, on notera que, comme cela est usuel, les épaisseurs et les étendues latérales des couches ne sont pas tracées à l'échelle pour améliorer la lisibilité des figures et la facilité de représentation L'hcxnme de l'art connaît les épaisseurs habituelles des couches et les étendues à leur donner en fonction des courants à faire circuler et des valeurs de capacité désirées. La figure 1 B représente un assemblage de diodes ayant la même fonction que la diode de protection (ou diode à ava- lanche, ou diode zener) Zi de la figure l A Cet assemblage de diodes comprend, entre des bornes A et B, une diode Dl montée tête-bêche avec une diode zener Z correspondant à la diode Zl et une diode D 2 montée entre les bornes A B et polarisée en sens inverse de la diode Dl Ainsi, quand la borne B est positive par rapport à la borne A, le courant s'écoule par la diode D 2 comme il s'écoulait par la diode Zl en direct Quand la borne A est positive par rapport à la borne B, la diode D 2 est en inverse ainsi que la diode Z C'est seulement quand la borne A présente une tension positive supérieure à celle de la borne B d'une valeur égale à la tension d'avalanche de la diode Z augmentée de de la chute de tension en direct de la diode Dl, (environ 0,6 à 0,7 volt) qu'un courant s'écoule par les diodes Dl et Z pour protéger le dispositif placé entre les bornes A et B Cet assem- blage a donc bien la même fonction que celui de la figure l A. Toutefois, les diodes Dl et D 2 étant des diodes de redressement classiques présentant une tension d'avalanche très élevée, leur capacité est très faible, par exemple de l'ordre de quelques dizaines de picofarads La valeur de la capacité de la diode Z étant très élevée devant celle de la diode Dl, la connexion en série de ces deux diodes présente une capacité sensiblement égale à celle de la diode Dl et la capacité de l'ensemble entre les bornes A et B est sensiblement égale à la somme des capa- cités des diodes Dl et D 2 On obtient ainsi un composant de protection ayant une capacité de l'ordre de quelques dizaines de picofarads au lieu de plusieurs milliers. La figure 2 B représente un composant de protection bidirectionnelle équivalent au composant de protection Z 2 de la figure 2 A Ce dispositif comprend entre des bornes C et D un pont de diodes Dl à D 4 dans la diagonale duquel est insérée une diode de protection Z Cette diode Z doit avoir une tension d'avalanche inférieure à celle de la double diode de protection Z 2 d'une valeur de deux chutes de tension en direct de diode En effet, on voit dans ce montage qu'un courant ne circule entre les bornes C et D que si la tension, dans quelque sens qu'elle soit, est supérieure à clle de l'autre borne de la tension d'avalanche de la diode Z augmentée de deux chutes de tension de diode en direct Si la borne C est positive, le courant passe par les diodes Dl, Z et D 4 Si la borne D est positive, le cou- rant passe par les diodes D 3, Z et D 2 On notera que dans les deux cas, la diode Z est soumise à une même direction de polari- sation et donc que, quand le sens de la tension change, il n'y a pas de transfert de charges capacitives d'une borne à l'autre de cette diode et donc que ce montage ne présente pas d'effet de capacité dynamique important. La demanderesse a découvert que les montages des figures 1 B et 2 B pouvaient être mis en oeuvre par des circuits semiconducteurs monolithiques de structure relativement simple. La figure 3 représente un mode d'intégration monoli- thique du montage de la figure 1 B. En figure 3, on a représenté en superposition une structure semiconductrioe et, à l'emplacement des jonctions jouant un rôle actif, les diodes Dl, D 2 et Z par leurs symboles classiques utilisés en figure 1 B. Cette structure comprend un substrat 1 de type P De façon classique, ce substrat 1 peut être formé sur une couche de silicium 2 dopée de type P+ sur laquelle ce substrat 1 est obtenu par croissance épitaxiale Dans le substrat 1 sont formés deux caissons de type N, respectivement 4 et 5 Dans le caisson 4 est formé une région 6 de type P+ et dans le caisson 5 une région 7 de type N+. Sur le côté du caisson 4 de type N, et en contact avec celui-ci, est formée une région 9 de type N+ sous laquelle se trouve une région 10 de type P+ La région 10 se trouve sous la région N+ sans être en contact avec le caisson 4 Les surfaoes supérieures des régions P+ 6 et N+ 7 sont reliées par une métal- lisation 11 qui constitue la borne A de la figure l B La face inférieure de la structure semiconductrice est également revêtue d'une métallisation 12 qui constitue la borne B On a également représenté de façon classique une couche isolante 13 revêtant la surface supérieure de la structure semiconductrice aux emplace- ments o la métallisation 11 n'est pas en contact avec cette structure. Les diodes Dl, D 2 et Z ont été figurées pour faire apparaître l'équivalence entre la structure semiconductrice et le schéma de la figure ID On notera que cette structure est particulièrement simple à fabriquer En effet, les deux caissons N 4 et 5 résultent d'une même étape de dopage (diffusion ou implantation) Après quoi, sont formées les couches 6 et 10 de type P+, séparément ou simultanément, puis les régions 7 et 9 de type N+ Le seul dopage critique de cette structure est celui existant à l'interface entre la région P+ 10 et la région N+ 9 qui fixe la tension d'avalanche de la diode de protection. A titre d'exemple numérique, le substrat 1 pourra avoir un niveau de dopage de l'ordre de quelques 1015 atomes par cm 3 Les caissons N 4 et 5 résultent d'une diffusion telle qu'à l'interface entre la région N 4 et la région P+ 6, le niveau de dopage du caisson N soit de l'ordre de 1016 at /cm 3 La région P+ 10 sera formée de sorte que son niveau de dopage à son interfaoe avec la région NI 9 soit de 1 'ordre de quelques 1018 at /cm 3 (cette valeur étant choisie en fonction de la tension d'avalanche recherchée) et les régions N+ pourront classiquement avoir un dopage élevé de l'ordre de 1020 at /cm 3. De façon classique, on pourra prévoir de part et d'autre de chaque région de type N des zones 14 d'arrêt de canal de type P+. On notera que dans cette structure peut apparaître un transistor parasite constitué de la région Pt 6, du caisson N 4 et du substrat 1 Divers moyens classiques pourront être utilisés pour limiter le gain de ce transistor par exemple, on pourra réduire la durée de vie des porteurs minoritaires dans la région N en réalisant un dopage à l'or ou au platine. La figure 4 représente une réalisation sous forme de circuit monolithique du schéma de la figure 2 B On notera que la partie droite de cette structure, constituant les diodes Dl, D 2 et Z, correspond très exactement à la structure de la figure 3. La partie gauche de la figure 4, constituant les diodes D 3, D 4 et Z, o chaque élément correspondant est désigné par une même référence que dans la partie droite affectée d'un exposant prime, se déduit par symétrie de la partie droite Dans cette réalisation, il n'y a pas de contact sur la face inférieure du substrat et ce sont les deux métallisations 11 et 11 ' qui cons- tituent les bornes du composant Etant donné cette symétrie, il est inutile de décrire plus en détail cette figure 4. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Bien que la figure 3 représente un mode de réalisation préféré de la présente invention, on pourra également réaliser, par exemple par souci de compatibilité avec d'autres éléments formés dans le même substrat semiconducteur, une même structure en inversant tous les modes de conductivité. Comme le représentent scl'ematiquement en vue en perspective les figures 5 et 6, plusieurs diodes de protection unidirectionnelles avec plusieurs électrodes Al, A 2 An (figure 5) ou plusieurs diodes de protection bidirectionnelles (figure 6) avec plusieurs électrodes Ci, C 2 Cn et Dl, D 2 Dn peuvent être disposées sur un même substrat. REVENDICATIONS 1 Diode de protection unidirectionnelle monolithique formée dans un substrat semiconducteur ( 1) d'un premier type de conductivité à faible niveau de dopage, caractérisée en ce qu'elle comprend, du côté de la face supérieure du substrat: un premier et un deuxième caisson ( 4, 5) du deuxième type de conductivité à niveau de dopage moyen; à la surface du premier caisson, une première région ( 6) du premier type de conductivité à niveau de dopage élevé; à la surface du deuxième caisson, une deuxième région ( 7) du deuxième type de conductivité à niveau de dopage très élevé; une troisième région ( 9) du deuxième type de conduc- tivité à niveau de dopage très élevé en contact avec le premier caisson; une quatrième région ( 10) du premier type de conduc- tivité à niveau de dopage élevé sous la surfaoe inférieure de la troisième région; une première métallisation ( 11) en contact avec la surfaoe des première et deuxième régions constituant la première borne de la diode; et une deuxième métallisation ( 12) liée à une zone du premier type de conductivité s'étendant jusqu'à la quatrième région et au deuxième caisson, constituant la deuxième borne de la diode. 2 Diode de protection unidirectionnelle monolithique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la face infé- rieure du substrat comprend une couche surdopée du premier type de conductivité ( 2) et en ce que la deuxième métallisation ( 12) est en contact avec cette face inférieure. 3 Diode de protection unidirectionnelle monolithique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier type de conductivité est le type P. il 4 Diode de protection unidirectionnelle monolithique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deuxième et troisième régions résultent d'une même étape de dopage. Diode de protection unidirectionnelle monolithique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les première et quatrième régions résultent d'une même étape de dopage anté- rieure à l'étape de dopage des deuxième et troisième régions. 6 Diode de protection bidirectionnelle x"nolithique, caractérisée en ce qu'elle rassemble deux structures semiconduc- trices symétriques similaires à celle de la revendication 1, les troisième et quatrième régions étant communes à ès deux struc- tures, et en ce qu'elle comprend deux métallisations qui correspondent aux premières métallisations symétrisées. 7 Diode de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les parties pro- fondes des premier et deuxième caissons comprennent des moyens pour y réduire la durée de vie des porteurs minoritaires. 8 Diode de protection selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits moyens résultent d'une diffusion d'or ou de platine.