Brevet FR2677821A1 — publié le 19921218

t COMPOSANT DE PROTECTION BIDIRECTIONNEL La présente invention concerne un dispositif de protection bidirectionnel et plus particulièrement un tel dispo- sitif réalisé sous forme monolithique. La figure 1 illustre la caractéristique courant-ten- sion d'un composant de protection bidirectionnel Si l'on consi- dère le quadrant positif de cette caractéristique, quand la tension aux bornes du composant atteint une valeur V Br 1, le courant commence par croitre rapidement à tension sensiblement constante puis, brutalement, la tension aux bornes du composant chute tandis que le courant croit La valeur du courant se sta- bilise en fonction de l'impédance série du circuit à une valeur ION pour laquelle la tension aux bornes du composant a une valeur faible VON Quand la tension aux bornes du composant décroit, le courant diminue jusqu'à une valeur de courant de15 maintien IH correspondant à une valeur de tension VH En dessous de cette valeur IH, le composant est à nouveau à l'état bloqué. Dans le quadrant négatif, le composant présente une caractéristique similaire. Il existe déjà de nombreux composants présentant de telles caractéristiques On s'intéresse plus particulièrement ici à un composant présentant un faible courant de maintien, non supérieur à quelques milliampères, une tension de retournement non supérieure à quelques dizaines de volts, un courant maximum IBO pour la tension de retournement non supérieur à quelques milliampères On souhaite de plus obtenir un composant tel que la chute de tension à l'état passant, VON, soit particulière- ment faible pour de faibles valeurs du courant à l'état passant ION On vise aussi à réaliser un composant dans lequel les tensions de claquage positive VB 01 et négative VB 02 puissent être réglées indépendamment. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un composant de protection bidirectionnel comprenant deux thyristors tête-bêche dont chacun est en anti-parallèle avec une diode, dans lequel les gâchettes des deux thyristors sont inter- connectées. Selon un aspect de la présente invention, le composant de protection bidirectionnel réalisé sous forme monolithique comprend l'association de deux thyristors verticaux de même orientation et de deux diodes verticales de même orientation, opposée à celle des thyristors Les régions semiconductriès constituant les thyristors sont communes à l'exception de leurs régions de cathode Ce composant comprend trois métallisations: une métallisation de face arrière reliant les anodes communes des thyristors aux cathodes des diodes, une première métalli- sation de face avant reliant la cathode d'un thyristor à l'anode d'une diode, et une deuxième métallisation de face avant reliant la cathode de l'autre thyristor à l'anode de l'autre diode. Selon un autre aspect de la présente invention, le composant de protection bidirectionnel réalisé sous forme mono- lithique comprend l'association de deux thyristors verticaux de même orientation et de deux diodes latérales de même orienta- tion, opposée à celle des thyristors Les régions semiconduc- trices constituant les thyristors sont communes, à 1 ' exèption de leurs régions de cathode, ce composant comprenant quatre métallisations: une métallisation de face arrière, une première métallisation de faoe avant reliant la cathode d'un thyristor à 5 l'anode d'une diode, une deuxième métallisation de face avant reliant la cathode de l'autre thyristor à l'anode de l'autre diode, et une troisième métallisation de face avant en contact avec la région d'anode des diodes, cette troisième métallisation de faoe avant étant destinée à être reliée à la métallisation de10 face arrière. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les régions de cathode distinctes des deux thyristors présentent des niveaux de dopage distincts. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la région d'anode de la première diode, respectivement de la deuxième diode, connectée à la région de cathode du premier thyristor, respectivement du deuxième, comprend un prolongement en regard de la région de cathode du deuxième, respectivement du premier, thyristor.20 Selon un mode de réalisation du composant à diodes verticales: les thyristors verticaux comprennent, à partir de la face arrière de la plaquette, une première région commune d'un premier type de conductivité, une deuxième région commune du deuxième type de conductivité, une troisième région commune du premier type de conductivité et, des premières régions distinc- tes du deuxième type de conductivité affleurant la faoe avant; les diodes verticales comprennent, de la faè arrière vers la face avant, une quatrième région commune du deuxième type de conductivité, la deuxième région commune et des deu- xièmes régions distinctes du premier type de conductivité; et des métallisations de faoe avant relient une région distincte d'un thyristor à une région distincte d'une diode et l'autre région distincte d'un thyristor à l'autre région dis- tincte d'une diode, et une métallisation de face arrière relie les première et quatrième régions communes. Selon un mode de réalisation du composant à diodes latérales: les thyristors verticaux comprennent, à partir de la face arrière de la plaquette, une première région commune du premier type de conductivité, une deuxième région commune du deuxième type de conductivité, une troisième région commune du premier type de conductivité et, des régions distinctes du deuxième type de conductivité affleurant la surfaoe avant; les diodes latérales comprennent, du côté de la face avant, une quatrième région commune du deuxième type de conduc- tivité à niveau de dopage élevé et des régions distinctes du premier type de conductivité formées dans la deuxième région commune; des premières métallisations de face avant relient une région distincte d'un thyristor à une région distincte d'une diode et l'autre région distincte d'un thyristor à l'autre région distincte d'une diode; une deuxième métallisation est formée sur la quatrième région commune; et une métallisation de face arrière est prévue pour être connectée à la deuxième métallisation. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront plus exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels: la figure 1 représente la courbe caractéristique d'un composant de protection bidirectionnel; la figure 2 représente le schéma équivalent d'un composant de protection bidirectionnel selon l'invention; les figures 3 A, 3 B et 3 C représentent, respectivement en vue de dessus et selon deux vues en coupe, un mode de réali- sation d'un composant monolithique selon la présente invention; les figures 4 A, 4 B et 4 C représentent, respectivement en vue de dessus et selon deux vues en coupe, un autre mode de réalisation d'un composant monolithique selon la présente inven- tion; les figures 5 A, 5 B et 5 C représentent, respectivement en vue de dessus et selon deux vues en coupe, un autre mode de réalisation d'un composant monolithique selon la présente inven- tion; les figures 6 A, 6 B et 6 C représentent, respectivement en vue de dessus et selon deux vues en coupe, un autre mode de réalisation d'un composant monolithique selon la présente inven- tion; et la figure 7 représente le schéma équivalent d'un composant monolithique tel que celui des figures 5 ou 6. Les figures 3 à 6, conformément à l'usage dans le domaine de la représentation des semiconducteurs, ne sont pas tracées à l'échelle ni à l'intérieur d'une figure donnée, ni d'une figure à l'autre De plus, les formes des diverses régions sont fortement schématiques Notamment, elles sont représentées à coins carrés alors que, en pratique, les divers coins seront arrondis comme cela résulte des étapes de diffusion et de re- cuit De plus, dans les figures, de mêmes références numériques désignent des couches ou régions similaires ou analogues. Comme le représente la figure 2, un composant de protection selon la présente invention, destiné à dériver des surtensions susceptibles d'apparaître entre des bornes Ai et A 2, comprend deux thyristors têtebêche à gâchette de cathode TI et T 2 Chacun des thyristors est monté en anti-parallèle avec une diode respective Dl, D 2 Les gâchettes des thyristors Tl et T 2 sont interconnectées. Supposons qu'une surtension positive apparaisse à la borne Al Tant que ètte surtension est faible, les deux thyris- tors Tl et T 2 sont bloqués et aucun courant ne circule Quand la tension sur la borne Ai dépasse la tension d'avalanche de la diode en inverse cathode-gâchette du thyristor Tl (plus la ten- sion de la diode gâchette-cathode en direct du thyristor T 2), un courant circule dans la gâchette du thyristor T 2 et ce thyristor devient passant La surtension positive S 'écoule alors de la borne AI vers la borne A 2 en passant par la diode Dl et le thy- ristor T 2 De façon similaire, une surtension négative s'écou- lera par le thyristor Tl et la diode D 2. Etant donné les objets de la présente invention, on choisira pour chacun des thyristors Tl et T 2 un thyristor sensible, c'est-à-dire un thyristor sans court-circuits d'émet- teur gâchette-cathode. La figure 3 A illustre une vue de dessus schématique d'un mode de réalisation monolithique d'un composant selon la présente invention Les figures 3 B et 3 C sont respectivement des vues en coupe selon les lignes B-B et C-C de la figure 3 A Dans ce mode de réalisation, les thyristors et les diodes sont de type vertical Les thyristors comprennent une région commune de gâchette ou d'émetteur, Pl, formées dans un substrat de type N, Ni, au-dessus d'une couche d'anode P 3 La région de cathode de type N, respectivement Nl et N 2, de chacun des thyristors Tl et T 2 est formée dans la région d'émetteur Pi La face inférieure est solidaire d'une métallisation Ml Chacune des diodes Dl et D 2 comprend du côté de la face supérieure une région d'anode, respectivement P 21 et P 22, formée dans la couche Ni et, du côté de la face arrière, une région de type N plus fortement dopée N 3 On a donc bien obtenu le thyristor Ti constitué des régions Nll, Pl, Ni et P 3, le thyristor T 2 constitué des régions N 12, Pi, N 2 et P 3, la diode D 2 constituée des régions P 21, Ni et N 3 et la diode D 2 constituée des régions P 22, Nl et N 3 Si les régions Nll et N 12 sont différemment dopées, les tensions de claquage des jonctions Nll PF et N 12 Pl seront distinctes et l'on pourra donc régler séparément les tensions de claquage pour les surtensions positives et négatives Une métallisation Ai relie les faces supérieures des régions Nll et P 21 et une métallisa- tion A 2 relie les faces supérieures des régions N 12 et P 22 En d'autres termes, la métallisation Ai relie l'anode de la diode Dl à la cathode du thyristor Tl et la métallisation A 2 relie i 'anode de la diode D 2 à la cathode du thyristor T 2 La métal- lisation Ml relie les anodes des thyristors aux cathodes des diodes La liaison entre les gâchettes des deux thyristors est constituée par la région Pl commune Le composant de la figure 3 correspond donc bien au schéma équivalent de la figure 2. Les figures 4 A à 4 C représentent respectivement une vue de dessus, une vue en coupe selon la ligne B-B de la figure 4 A et une vue en coupe selon la ligne 4 C de la figure 4 A d'un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Dans le deuxième mode de réalisation, comme dans le premier, les thyristors Tl et T 2 sont de type vertical mais cette fois-ci les diodes Dl et D 2 sont de type latéral. Comme on le notera en comparant les figures 4 A à 4 C aux figures 3 A à 3 C, la différence entre les deux modes de réalisation est que, dans le deuxième mode de réalisation, la face inférieure du substrat est revêtue d'une couche P uniforme, P 3, et que la couche N 3 précédemment illustrée en figure 3 B n'apparaît plus Par contre, une région diffusée de type N, N 4, revêtue d'une métallisation A 3 longe les régions P 21 et P 22 Il en résulte que les diodes Dl et D 2 sont respectivement consti- tuées par les régions P 21, N 2, N 4 et P 22, N 2, N 4, ces diodes étant respectivement formées entre les métallisations Al-A 3 et A 2-A 3 Pour relier les cathodes des diodes (N 4) aux anodes des thyristors (P 3), il conviendra de prévoir une connexion externe C entre la métallisation A 3 et la métallisation Ml, comme cela est représenté symboliquement en figure 4 B.30 Ce deuxième mode de réalisation, qui constitue un as- pect de l'invention, présente de nombreux avantages par rapport au premier mode de réalisation Il est de réalisation plus simple puisque seule la face supérieure de la structure sera soumise à des étapes de photolithogravure, la faoe inférieure étant traitée de façon uniforme Cette structure pourra être réalisée à partir d'une plaquette de silicium dont le substrat est constituée par la région P 3 et sur laquelle la région N 2 est formée par épitaxie, ce qui permet l'utilisation de plaquettes plus épaisses et l'emploi de plaquettes de plus fort diamètre car, du fait de leurs épaisseurs, elles sont moins fragiles. Enfin, comme cela est connu, du fait que l'étendue de la région N 2 entre les régions P 22 et N 4 est plus faible dans le mode de réalisation de la figure 4 que l'épaisseur de la région N 2 entre les régions P 22 et N 3 dans le cas de la figure 3 B, les diodes latérales selon ce deuxième mode de réalisation présenteront une plus faible surtension à la mise en conduction que les diodes verticales du premier mode de réalisation. Les figures 5 et 6 illustrent une modification appor- tée respectivement au mode de réalisation illustré en figure 3 et au mode de réalisation illustré en figure 4 Cette modifica- tion constitue un aspect de la présente invention. Cette autre réalisation de l'invention se différencie des réalisations précédentes non pas dans les vues en coupe (les figures 5 B, 5 C d'une part et 6 B, 6 C d'autre part sont respecti- vement très semblables aux figures 3 B, 3 C d'une part et 4 B, 4 C d'autre part) mais par leur implantation telle qu'on la voit dans les vues de dessus des figures 5 A et 6 A. Plus particulièrement, cet aspect de la présente invention réside dans la prévision d'un prolongement des régions d'anode P 21 et P 22 des diodes Dl et D 2 en regard de la région de gâchette (région Pl) du thyristor auquel chacune de ces diodes n'est pas connectée Ainsi, la région P 22 de la diode D 2 se prolonge en face de la région Pl correspondant au thyristor Tl et la région P 21 de la diode Dl se prolonge en face de la région Pl correspondant au thyristor Tl En conséquence, comme le représentent les figures 5 B et 6 B, en plus de la connexion en série du thyristor T 2 et de la diode D 2, il apparaît entre les bornes A 2 et Al un thyristor latéral T'2 formé par la région N 12, la région Pi, la région N 2 et la région P 21 Ce thyristor T' 2 a la même orientation que le thyristor T 2 en série avec la diode Dl De même, un thyristor latéral T'1 constitué des régions Nil, Pi, N 2 et P 22 apparaît entre les électrodes Ai et 5 A 2 avec la même polarité que le transistor Tl en série avec la diode D 2. Le schéma équivalent des circuits des figures 5 et 6 est celui représenté en figure 7 On retrouve dans ce schéma équivalent l'ensemble des éléments Dl, D 2, Tl, T 2 connectés canne en figure 2 mais auquel s'ajoutent les thyristors T'l et T'2 connectés en anti-parallèle entre les bornes Ai et A 2, les gâchettes de ces thyristors T'l et T'2 étant reliées La région de gâchette canmune des thyristors T'l et T'2 est à nouveau la région Pi.15 Les thyristors latéraux T'l et T'2 deviennent passants respectivement en même temps que les thyristors verticaux Tl et T 2 Ils présentent l'avantage que, quand le courant entre les bornes Ai et A 2 est faible, à l'état passant, la chute de tension à leurs bornes est plus faible que la chute de tension20 aux bornes de la connexion en série d'une diode et d'un thy- ristor (Dl et T 2 ou D 2 et Tl) Par contre, quand le courant est élevé, ès thyristors latéraux présenteront une plus forte résistance à l'état passant que les thyristors Tl et T 2 et le courant tendra à s'établir préférentiellement dans la connexion25 série de la diode D 2 et du thyristor Tl ou de la diode Dl et du thyristor T 2 selon le sens de la surtension Ainsi, un dispo- sitif de protection constitué selon cet aspect de la présente invention présente l'avantage de pouvoir absorber de fortes surcharges grâce aux thyristors Tl et T 2 et de pouvoir présenter une très faible chute de tension E pour de faibles courants grâce aux thyristors T'l et T'2. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui conèrne la configuration en vue de dessus des diverses couches Par exemple, en figure 4 A, on pourrait envisager que la métallisation A 3 fasse tout le tour du composant Dans les diverses figures, on pourrait prévoir diver- ses digitations des formes des diverses couches pour favoriser l'interaction entre les différents éléments En figure 6 A, on a représenté la diffusion N 4 commne interrompue en bas de la figure Cette diffusion N 4 pourrait se prolonger Elle pourrait aussi être symétrique tout autour du composant De mênme, l'homme de l'art saura choisir les surfaces relatives des diverses régions et les valeurs de ces surfaces ainsi que les niveaux de diffusion pour obtenir des caractéristiques préférées de tension de déclenchement et de capacité d'absorption de puissance. A titre d'exemple, on pourra, dans le mode de réalisa- tion de la figure 6 C, choisir pour les diverses régions les valeurs approximatives suivante de niveau de dopage, de concen- tration superficelle (Cs), ou de résistivité: substrat P 3: concentration supérieure à 1018 at/cm 3 région épitaxiée N 2:résistivité de quelques ohms cm diffusions Pl, P 21 et P 22:Cs = 1018 at/cm 3 diffusion N 12: Cs = 1020 at/cm 3 diffusion N 22: Cs = 2 1020 at/cm 3 diffusion N 4: Cs = 1020 at/cm 3 Avec ces niveaux de dopage, le composant de protection présentera les caractéristiques suivantes: VB 01 (dans le sens positif): 18 V VB 02 (dans le sens négatif): 15 V VON (pour ION = 10 m A): inférieur à 1 V VON (pour ION = 10 A):inférieur à 3 V IH: inférieur à 1 m A IBO:inférieur à 1 m A il REVENDICATIONS 1 Composant de protection bidirectionnel comprenant deux thyristors (Tl, T 2) tête-bêche dont chacun est en anti- parallèle avec une diode (Dl, D 2), caractérisé en ce que les gâchettes des deux thyristors sont interconnectées. 2 Composant de protection bidirectionnel monolithique comprenant l'association de deux thyristors verticaux de même orientation (Ti, T 2) et de deux diodes verticales de même orien- tation, opposée à èlle des thyristors (Di, D 2), caractérisé en ce que les régions semiconductrioes constituant les thyristors (P 3, N 2, Pl) sont communes à 1 'exception de leurs régions de cathode (NU, N 12), ce composant comprenant trois métallisa- tions: une métallisation de face arrière (Ml) reliant les anodes communes des thyristors aux cathodes des diodes, une première métallisation de face avant (Ai) reliant la cathode (Nil) d'un thyristor à l'anode (P 21) d'une diode, et une deuxième métallisation de face avant (A 2) reliant la cathode (N 12) de l'autre thyristor à l'anode (P 22) de l'autre diode. 3 Composant de protection bidirectionnel comprenant l'association de deux thyristors verticaux de même orientation (Tl, T 2) et de deux diodes latérales (Dl, D 2) de même orienta- tion, opposée à celle des thyristors, caractérisé en ce que les régions semiconductrioes constituant les thyristors sont commu- nes, à l'exception de leurs régions de cathode (Nil, N 12), ce composant comprenant quatre métallisations: une métallisation de face arrière (Ml), une première métallisation de face avant (Al) reliant la cathode d'un thyristor à l'anode d'une diode, une deuxième métallisation de face avant (A 2) reliant la cathode de l'autre thyristor à l'anode de l'autre diode, et une troi- sième métallisation de faoe avant (A 3) en contact avec la région d'anode des diodes, cette troisième métallisation de faoe avant étant destinée à être reliée à la métallisation de face arrière. 4 Composant de protection bidirectionnel selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les régions de cathode distinctes des deux thyristors présentent des niveaux de dopage distincts. 5 Composant de protection bidirectionnel selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la région d'anode (P 21) de la première diode, respectivement de la deuxième diode (P 22), connectée à la région de cathode (Nil) du premier thyristor (Tl), respectivement du deuxième (T 2), comprend un prolongement en regard de la région de cathode (N 12) du deuxième, respectivement du premier, thyristor. 6 Composant de protection bidirectionnel selon la revendication 2, caractérisé en ce que: les thyristors verticaux (Tl, T 2) comprennent, à partir de la faoe arrière de la plaquette, une première région commune (P 3) d'un premier type de conductivité, une deuxième région commune (N 2) du deuxième type de conductivité, une troi- sième région commune (Pi) du premier type de conductivité et, des premières régions distinctes (Nll, N 12) du deuxième type de conductivité affleurant la faoe avant; les diodes verticales comprennent, de la faoe arrière vers la face avant, une quatrième région commune (N 3) du deuxième type de conductivité, la deuxième région commune (N 2) et des deuxièmes régions distinctes (P 21, P 22) du premier type de conductivité; et des métallisations de faoe avant (Ai et A 2) relient une région distincte d'un thyristor à une région distincte d'une diode et l'autre région distincte d'un thyristor à l'autre région distincte d'une diode, et une métallisation de face30 arrière (Mi) relie les première et quatrième régions communes. 7 Composant de protection bidirectionnel monolithique selon la revendication 3, caractérisé en ce que: les thyristors verticaux (Tl, T 2) comprennent, à partir de la faoe arrière de la plaquette, une première région commune (P 3) du premier type de conductivité, une deuxième région commune (N 2) du deuxième type de conductivité, une troi- sième région commune (Pi) du premier type de conductivité et, des régions distinctes (Nil, N 12) du deuxième type de conduc- tivité affleurant la surface avant; les diodes latérales comprennent, du côté de la face avant, une quatrième région commune (N 4) du deuxième type de conductivité à niveau de dopage élevé et des régions distinctes (P 21, P 22) du premier type de conductivité formées dans la deuxième région commune (N 2); des premières métallisations de face avant (Al, A 2) relient une région distincte d'un thyristor à une région distincte d'une diode et l'autre région distincte d'un thyristor à l'autre région distincte d'une diode; une deuxième métallisation est formée sur la quatrième région commune; et une métallisation de face arrière est prévue pour être connectée à la deuxième métallisation.