Brevet FR2678430A1 — publié le 19921231

j DIODE À AVALANCHE DANS UN CIRCUIT INTÉGRÉ BIPOLAIRE La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés bipolaires, et plus particulièrement la réalisation de diodes à avalanche destinées à servir de référence de tension dans de tels circuits. Les diodes à avalanche ont été longuement étudiées, et l'on sait, quand on réalise des composants discrets, obtenir des diodes à avalanche satisfaisantes Néanmoins, dans le cadre de la réalisation d'un circuit intégré, de nombreuses contraintes sont imposées, à savoir que l'on réalise simultanément un grand nombre de composants élémentaires et que tous ces composants doivent être réalisés en recourant à un minimum d'étapes technologiques. La figure 1 est destinée à rappeler les principales étapes technologiques et structures réalisables dans un circuit intégré bipolaire Un tel circuit est généralement réalisé sur un substrat 1 d'un premier type de conductivité (généralement le type P) et sur lequel est formé une couche épitaxiée 2 d 'un second type de conductivité (N) A l'interface entre le substrat 1 et la couche épitaxiée 2 peuvent être formées des couches enterrées 3 de type NI, résultant d'une implantation effectuée dans le substrat avant l'épitaxie La couche épitaxiée est divi- sée en caissons par des régions de diffusion profonde 5 de type P+ ou bien par des diffusions moins profondes 6 s'étendant à partir de la surface et rejoignant des régions 7 résultant d'une implantation de type P dans la surface du substrat 1 avant l'épitaxie Dans chacun des caissons, muni ou non d'une couche enterrée, on peut alors former divers types de composants Le composant le plus fréquent est le transistor NPN comprenant une région P 10 correspondant à la base d'un transistor NPN A l'intérieur de cette région P 10 est formée une région 11 de type N+ correspondant à l'émetteur du transistor Ces dif- fusions P 10 et N+ 11 sont éventuellement utilisées dans d'autres structures qu'un transistor NPN On continue toutefois quand on veut désigner leur nature et leur type de dopage à les appeler diffusions P de base pour les régions formées en même temps que la base et diffusions N d'émetteur pour les régions formées en même temps que les émetteurs des transistors NPN Par exemple, le contact de collecteur du transistor NPN est réalisé sur une région N+ 12 qui est une diffusion N+ d'émetteur En outre, et comme cela est représenté à la droite de la figure 1, il est généralement prévu de créer des régions de type P+ 12, servant par exemple d'émetteur et de collecteur pour des transistors PNP de puissance. En résumé, à partir de la surface d'un caisson de type N, on peut former: une première région de type P correspondant à la base des transistors NPN, une deuxième région de type P correspondant aux émetteurs des transistors PNP, une troisième région de type P correspondant à une diffusion d'isolement (diffusion d'isolement complète telle que la diffusion 5 ou diffusion d'isolement partielle telle que la diffusion 6), une diffusion de type N+ correspondant aux émetteurs des transistors NPN. On peut a priori former des diodes à avalanche en polarisant en inverse une jonction formée à partir de deux régions quelconques de type opposé parmi les régions susmen- tionnées. 5 Dans la pratique, on s'est aperçu que l'une des struc- tures de diode à avalanche donnant les résultats les plus satis- faisants était une structure du type illustré dans la vue en coupe de la figure 2 A et dans la vue de dessus de la figure 2 B. Cette diode à avalanche est réalisée dans un caisson N 20 (on10 n'a pas représenté le substrat P sousjacent) Elle comprend une région N+ d'émetteur 21 formée dans une région P de base 22. Sensiblement au centre de la région 21 a été préalablement formée une diffusion P à niveau de dopage élevé 23, de sorte que c'est l'interface entre la région N 21 et la région P 23 qui15 correspond à la jonction susceptible de fournir l'effet d'ava- lanche Ceci est destiné à obtenir de part et d' autre de la jonction des conoentrations sensiblement homogènes de dopant N et de dopant P pour que la surface d'avalanche soit nettement définie En effet, en l'absence de cette région 23, la jonction d'avalanche serait la jonction entre la région 21 et la région 22 Comme la région P 22 a été obtenue par diffusion, son niveau de dopage est plus élevé en surfaoe qu'en profondeur et l'ava- lanche tendrait à se produire préférentiellement vers la surface, ce qui présente de nombreux inconvénients quant à la définition de la surface de jonction susceptible de venir en avalanche et quant aux caractéristiques de la jonction d'ava- lanche puisque ce sont les surfaces supérieures d'une couche qui sont le plus susceptibles d'être polluées et de se dégrader au cours du temps En effet, des charges électriques mobiles peuvent se trouver dans l'oxyde qui recouvre les surfaces de jonction La présence de ès charges modifie les conditions d'avalanche, et il en résulte un excès de bruit et souvent une dérive dans le temps de la valeur de la tension d'avalanche. Bien entendu, la région N+ 21 est nettement plus dopée que la région Pl 23 pour que cette diffusion P+ soit largement compensée au niveau de la région NI La région Pl 23 peut, par exemple, correspondre à une région P d'émetteur de transistor PNP ou à une région P d'isolement Une métallisation 24 est prévue sur la région N 21 et une métallisation 25 est prévue sur la surface apparente de la région P 22. Ainsi, la structure décrite présente l'avantage d'une bonne définition de tension d'avalanche De préférence, la sur- face de jonction est aussi faible que possible dans le domaine de la technologie choisie pour que la densité de courant circu- lant dans cette diode soit relativement élevée ce qui fournit une définition plus fiable (moins bruitée) de la tension d'ava- lanche ce qui est nécessaire pour définir une tension de réfé- rence Toutefois, un inconvénient de cette structure est que le courant d'avalanche va être amené à circuler dans la partie annulaire de la région P 22, désignée par la résistance Ri, pincée entre la diffusion NI 21 et la couche épitaxiée 20. Cette région pincée a une résistance relativement élevée qui est définie avec une relative imprécision et qui dépend de la précision du positionnement relatif des régions 21 et 23 En conséquence, la tension d'avalanche qui est bien définie au niveau de la jonction entre les régions 21 et 23 est moins précisément définie entre les électrodes 24 et 25 en raison de l'existence de la résistance d'accès Rl Si la structure a une allure circulaire canme cela est représenté dans la vue de dessus de la figure 2 B, la résistance de la région pincée susmentionnée sera: R 1 = r/2 Tt Log(d 2/dl) o r désigne la résistance par carré de la couche P 22, dl désigne le diamètre de la région de jonction entre les couches 21 et 23, et d 2 désigne le diamètre de la région de jonction sensiblement horizontale entre les régions 21 et 22. Pour réduire la valeur de Rj, il faudrait que dl/d 2 soit proche de 1 Toutefois, on ne peut pas jouer sur ces va- leurs qui sont imposées par le fait, d'une part, que le diamètre dl doit être aussi faible que possible pour obtenir une forte densité de courant au niveau de la jonction pour éviter que la diode à avalanche soit bruiteuse et, d'autre part, que la diffé- rence entre les valeurs dl et d 2 est fixée par les paramètres de la technologie et notamment par la précision de positionnement de deux masques successifs.10 Ainsi, un objet de la présente invention est de pré- voir une nouvelle structure de diode à avalanche applicable à un circuit intégré et n'utilisant pas d'étape de fabrication autre que les étapes normalement prévues dans un circuit intégré bipo- laire, cette structure étant telle que la résistance d'accès à15 la diode à avalanche soit réduite. Pour atteindre cet objet, la présente invention pré- voit une diode à avalanche formée dans un circuit intégré bipolaire comprenant, dans une couche d'un premier type de conductivité ayant une première surface, une première région du20 deuxième type de conductivité s'étendant à partir de la première surface, une région du premier type de conductivité disposée à l'intérieur de la première région de sorte que la portion de la première région disposée sous la région du premier type de conductivité et au voisinage de l'interface avec celle-ci présente un premier niveau de dopage, une deuxième région du deuxième type de conductivité s'étendant sous la région du premier type de conductivité avec un deuxième niveau de dopage supérieur au premier au voisinage de la jonction, caractérisée en ce qu'elle comprend une troisième région du deuxième type de30 conductivité disposée sous la région du premier type de conduc- tivité et débordant par rapport à la deuxième région du deuxième type de conductivité, cette troisième région ayant au niveau de son interface avec la région du premier type de conductivité un niveau de dopage intermédiaire entre les premier et deuxième35 niveaux de dopage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche du premier type de conductivité correspond à la couche épitaxiée de type N du circuit intégré bipolaire; la première région correspond aux régions de base de type P de transistors NPN du circuit intégré bipolaire; la deuxième région correspond aux régions d'émetteur de type P de transistors PNP du circuit intégré bipolaire; la troisième région correspond aux diffu- sions d'isolement de type P du circuit intégré bipolaire; et la région du premier type de conductivité correspond aux régions d'émetteur des transistors NPN du circuit intégré bipolaire Ces diverses régions ont de préférence des contours circulaires. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier15 faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente divers aspects d'un circuit intégré bipolaire classique; les figures 2 A et 2 B représentent en coupe et en vue de dessus une structure de diode à avalanche classique utilisée dans un circuit intégré bipolaire; et les figures 3 A et 3 B représentent une vue en coupe et une vue de dessus d'une diode à avalanche selon la présente invention. Conformément à l'usage dans le domaine de la repré- sentation des composants semiconducteurs, ces diverses figures sont fortement schématiques et ne sont pas dessinées à l'échelle Notamment, les formes courbes des bords de jonction résultant des diffusions ne correspondent pas à la réalité. On retrouve en figures 3 A et 3 B des régions et zones analogues à celles illustrées en figures 2 A et 2 B et désignées par les mêmes références Ainsi, on retrouve la couche P de base 22, la région 23 de type P+ formant une jonction d'avalanche avec la région Ns 21 et les métallisations 24 et 25 respecti- vement solidaires de la région N+ 21 et de la région P 22 En outre, il est prévu une région P 30 apparaissant sous la région N+ 21 sans déborder de celle-ci et entourant la région P+ 23. Cette région P 30 résulte d'une diffusion telle que son niveau 5 de dopage au voisinage de son interface avec la région 21 est plus faible que le niveau de dopage de la région 23 au voisinage de son interface avec la région 21, tout en étant plus élevé que celui de la région P 22. Comme précédemment, la jonction susèptible de rentrer en avalanche est la jonction formée entre la région 23 et la région 21 Le trajet de courant entre la région 23 et la métal- lisation 25 passe d'abord par la région P 30 qui est une région relativement fortement dopée et épaisse et qui présente donc une résistance négligeable Il existe toutefois encore une région15 pincée de la région P 22 entre la région N+ 21 et le substrat désignée par la résistance R 2 Ici, la résistance de la région pincée sera R 2 = (r/2 Tr) Log(d 2/d 3), o d 2 désigne le rayon de la région N 21 et d 3 le rayon de la région P 30 au niveau de son interfaoe avec la région N 21. Avec cette structure, on peut garder une jonction de petite surfaoe entre les régions 21 et 23 et rendre plus proche de 1 le rapport entre les valeurs d 3/d 2, pour réduire la résis- tance R 2, en augmentant la dimension de la région P 30 et donc corrélativement de la région N+ 21. On notera qu'il importe que la région N 21 déborde de la région P 30 Sinon, la jonction entre les régions 21 et 30 risquerait au niveau de la surface supérieure, de rentrer en avalanche avant la jonction entre les régions 21 et 23. La structure décrite selon la présente invention est parfaitement compatible avec le procédé de fabrication d'un circuit intégré bipolaire tel qu'illustré en figure 1 En effet, la région P 30 pourra être une région correspondant à une diffu- sion P d'isolement (arrêtée éventuellement par une couche enterrée si l'isolement est entièrement effectué à partir de la surface), la région P+ 23 une région correspondant aux diffu- sions d'émetteur de transistors PNP de puissance, et la région P 22 une région correspondant à la diffusion de base d'un transis- tor NPN En pratique, ès régions successives seront fabriquées dans l'ordre ci-dessus énoncé, après quoi la région Ns 21 de plus fort niveau de dopage que toutes les régions précédemment énumérées est formée. Bien entendu, la présente invention est susèptible de diverses variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art Notam- ment, alors que l'on a représenté en vue de dessus une structure de forme circulaire avec une électrode de cathode centrale et une électrode d'anode annulaire, ctte structure pourrait avoir toute autre forme souhaitée Par exemple les diverses régions pourraient être des régions carrées emboîtées les unes dans les autres, des régions rectangulaires, des régions digitées etc, les paramètres guidant l'hanme de l'art pour la fabrication d'une structure selon la présente invention étant le maintien d'une faible surface de jonction entre les régions 21 et 23 et une réduction de la différence d 2-d 3, qui est liée aux para- mètres d'alignement de masques dans la technologie considérée. A titre d'exemple de valeurs numériques, la profondeur d'une région N d'émetteur peut être de l'ordre de 3 pm; la profondeur de diffusion d'une région P de base de l'ordre de 3,3 pm et sa résistance par carré de 1 ' ordre de 120 ohms, oe qui conduit dans le cas d'une structure selon l'art antérieur à une résistance de base pincée de l'ordre de 4 kohms Par contre, la30 résistance par carré d'une région P telle que la région P 30 de la figure 3 A peut être de l'ordre de 40 ohms. Dans un cas pratique on pourra choisir les valeurs numériques suivantes: Concentration en surface (cm-3) Profondeur de jonction Région N+ 21 2 1020 2,5 pm Région P+ 30 2,5 1019 15 pm Région P+ 23 4 1019 7 pm Région P 22 3 1018 2,8 pm Diamètre des motifs Diamètre, dans 1 'oxyde comanpte tenu de la avant diffusion diffusion latérale Région P+ 23 6 pm 20 pm Région P+ 30 30 pm 60 pm Région N+ 21 57 pm 62 pm La diffusion P 22 sera suffisante pour contenir la région 21 Elle n'est pas nécessairement circulaire. On notera que les concentrations en surface des régions P+ 23 et 30 ne sont pas très différentes; mais, les profondeurs de diffusion étant très différentes, les concen- trations à une profondeur de 2,5 pm, c'est-à-dire au niveau de l'interface avec la région N+ 21, sont elles aussi très différentes. REVENDICATIONS 1 Diode à avalanche formée dans un circuit intégré bipolaire comprenant, dans une couche d'un premier type de conductivité ( 20) ayant une première surface, une première région du deuxième type de conductivité ( 22) s'étendant à partir 5 de la première surface, une région du premier type de conducti- vité ( 21) disposée à l'intérieur de la première région de sorte que la portion de la première région disposée sous la région du premier type de conductivité et au voisinage de l'interface avec celle-ci présente un premier niveau de dopage, une deuxième10 région du deuxième type de conductivité ( 23) s'étendant sous la région du premier type de conductivité avec un deuxième niveau de dopage supérieur au premier au voisinage de la jonction, caractérisée en ce qu'elle comprend une troisième région du deuxième type de conductivité ( 30) disposée sous la région du15 premier type de conductivité et débordant par rapport à la deuxième région du deuxième type de conductivité, ètte troi- sième région ayant au niveau de son interface avec la région du premier type de conductivité un niveau de dopage intermédiaire entre les premier et deuxième niveaux de dopage. 2 Diode à avalanche selon la revendication 1, carac- térisée en ce que: la couche du premier type de conductivité correspond à la couche épitaxiée de type N du circuit intégré bipolaire, la première région correspond aux régions de base de type P de transistors NPN du circuit intégré bipolaire, la deuxième région correspond aux régions d'émetteur de type P de transistors PNP du circuit intégré bipolaire, la troisième région correspond aux diffusions d'isole- ment de type P du circuit intégré bipolaire, et la région du premier type de conductivité correspond aux régions d'émetteur des transistors NPN du circuit intégré bipolaire. 3 Diode à avalanche selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les diverses régions énoncées ont des contours circulaires.