Brevet FR2693032A1 — publié le 19931231

STRUCTURE DE DIODES DE PROTECTION DE PLOT La présente invention concerne la protection de plots de circuit intégré contre des décharges électrostatiques. Comme cela est connu, un circuit intégré est relié à des circuits extérieurs par des plots d'entrée et de sortie eux- mêmes reliés à des broches Les composants internes d'un circuit intégré sont généralement sensibles à l'apparition de surcharges électrostatiques qui sont susceptibles de les détruire Ainsi, on associe généralement à chaque plot d'un circuit intégré une structure de protection contre les décharges électrostatiques dont un exemple simple est illustré sous forme de circuit en figure 1. La figure 1 représente un plot PAD relié, à titre d'exemple, à la grille d'entrée d'un transistor MOS Le circuit intégré est alimenté entre une tension d'alimentation haute VDD15 et une tension d'alimentation basse VSS, par exemple la masse. Le plot est relié aux bornes d'alimentation basse et haute par des diodes Dl et D 2 polarisées de la façon représentée Ainsi, si le plot devient plus négatif que VSS (moins une chute de tension de diode en direct) la surtension passe par la diode Dl20 et est absorbée par VSS Si le plot devient plus positif que VDD (plus une chute de tension de diode en direct) la surtension passe par la diode D 2 et est absorbée par VDD Dans les deux cas, le dispositif connecté au plot, par exemple un transistor MOS, est protégé. La présente invention se place plus particulièrement dans le cadre d'une technologie telle que par exemple celle uti- lisée pour la réalisation de circuits intégrés mixtes bipolaire et MOS (BICMOS) utilisant un substrat d'un premier type de 5 conductivité revêtu d'une couche épitaxiée du deuxième type de conductivité Cette technologie comprend des moyens pour former à l'interface entre le substrat et la couche épitaxiée des cou- ches enterrées de type N ou P et des moyens pour former dans la couche épitaxiée des caissons du premier type de conductivité et bien entendu diverses régions dopées du type N ou P dans les caissons et dans le substrat à partir de la surface du circuit intégré. Les figures 2 et 3 représentent des structures classi- ques utilisées dans l'art antérieur pour réaliser respectivement les diodes Dl et D 2 de la figure 1 dans le cas o le substrat 1 est de type P et la couche épitaxiée 2 de type N. La figure 2 représente un mode de réalisation classi- que de la diode Dl de la figure 1 Cette diode est formée dans un caisson 3 de type P rejoignant par sa face inférieure une couche enterrée de type P fortement dopée 4 A partir de la sur- face du caisson sont formées une première région 6 de type N et une deuxième région 7 de type P La région 7 est par exemple une région annulaire entourant la région 6 La région 7 qui est en continuité électrique avec le substrat 1 par l'intermédiaire du caisson 3 et de la couche enterrée 4 est nécessairement polari- sée au potentiel du substrat, le potentiel bas VSS La région 6 est reliée au plot PAD Ainsi, la diode Dl est formée à la jonc- tion entre le caisson 3 et la région 6 de la façon illustrée On a en outre représenté, en dehors du caisson, une portion 10 de la couche épitaxiée 2 et un anneau de type NI constitué de l'ensemble d'une couche enterrée 8 et d'une diffusion profonde 9 de type N+, la face supérieure de la région 9 étant solidaire d'une métallisation reliée au potentiel haut VDD Cet anneau est destiné à assurer la polarisation de la portion 10 de la couche épitaxiée qui constitue le collecteur d'un transistor NPN dont la jonction émetteur-base correspond à la diode Dl et qui collecte les charges émises quand cette diode est passante. En outre la structure est entourée d'une prise subs- trat telle que cette décrite ci-après en relation avec la figure 3 pour isoler la portion de caisson 10 et l'anneau N+ 8-9. La figure 3 représente un exemple de réalisation clas- sique de la diode D 2 de la figure 2 La diode D 2 est réalisée dans une partie 11 de la couche épitaxiée 2 sous laquelle est formée une couche enterrée 12 de type N+ Un anneau diffusé 13 de type N+ rejoint la couche enterrée 12 et permet de prendre un contact avec celle-ci et d'isoler la partie 11 Une région 14 de type P+ est diffusée dans la portion de couche Il La région 14 est reliée à la métallisation de plot PAD et la surface supé- rieure de la région 13 est reliée à la tension VDD Ainsi, la diode D 2 est formée à la jonction entre la région 14 et la portion de couche N 11 On a représenté à la périphérie de la structure précédemment décrite une prise substrat, c'est-à-dire une couche enterrée 15 de type P+ rejointe par une diffusion de type P 16 à la surface de laquelle est formée une région diffusée de type P+ 17 solidaire d'un contact de polarisation de substrat au potentiel VSS Cette prise substrat constitue le collecteur d'un transistor PNP dont la jonction émetteur- base correspond à la diode D 2 et qui collecte les charges émises quand cette diode est passante. La figure 3 a été représentée séparément de la figure 2 bien qu'en pratique les deux diodes Dl et D 2 soient réalisées sur un même circuit intégré et éventuellement de façon adja- cente. La présente invention vise à prévoir une structure combinant les diodes Dl et D 2 précédemment décrites et occupant une surface de silicium aussi faible que possible. Un autre objet de la présente invention est de pré- voir une telle structure compatible avec les étapes technolo- giques classiques de fabrication d'un circuit intégré tel qu'un circuit intégré BICMOS. Ces objets sont atteints en prévoyant une structure de diodes de protection d'un plot contre des décharges électro- statiques dans un circuit intégré formé dans un substrat d'un premier type de conductivité et alimenté entre une première borne d'alimentation reliée au substrat et une deuxième borne d'alimentation Cette structure comprend un caisson du premier type de conductivité dont les bords et le fond sont entourés d'une région du deuxième type de conductivité dont le fond est en contact avec le substrat, une zone du deuxième type de conductivité formée dans le caisson, un anneau du deuxième type de conductivité entourant latéralement la région du deuxième type de conductivité et rejoignant le substrat, et un puits de prise de contact avec le substrat, entourant l'anneau Un premier contact est formé avec l'anneau, un deuxième avec le caisson, un troisième avec ladite zone et un quatrième contact avec le puits Les premier et deuxième contacts sont reliés au plot, le troisième à la deuxième borne d'alimentation et le quatrième à la deuxième borne d'alimentation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le fond du caisson est constitué d'une première portion de couche enterrée du premier type de conductivité à fort niveau de dopage formée dans une deuxième portion de couche enterrée du deuxième type de conductivité à faible niveau de dopage inter- posée entre la première couche enterrée et le substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat est recouvert d'une couche épitaxiée du deuxième type de conductivité dans laquelle est formé le caisson, une portion de cette couche épitaxiée subsistant entre le caisson et l'anneau. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés 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 décrites précédemment sont destinées à illustrer le problème posé et des solutions de 1 ' art anté- rieur; la figure 4 représente une vue en coupe d'une struc- ture de diodes de protection d'un plot de circuit intégré selon la présente invention. On notera que les figures 2, 3 et 4 qui représentent des vues en coupe partielles de circuits intégrés sont très schématiques et ne sont pas tracées à l'échelle En outre, les coins des diverses couches ont été représentées par simplifi- cation avec des angles droits alors qu'en fait, comme cela est connu de l'homme de métier, les étapes de diffusion et de recuit amènent à des formes arrondies. La présente invention prévoit de former un ensemble de deux diodes Dl et D 2 dans lequel la diode D 2 est formée dans un caisson P isolé par une région de type N qui l'entoure complè- tement En effet, il est connu dans des filières technologiques de type BICMOS telles que décrites par exemple dans la demande de brevet européen 401135 déposée sous une priorité du 2 juin 1989 par la demanderesse au nom du même inventeur, de prévoir une couche enterrée de type N à faible niveau de dopage qui peut être formée sous une région enterrée de type P+ Ainsi, la réa- lisation de la couche N isolant complètement le caisson P uti- lisé selon l'invention n'implique pas la mise en oeuvre d'étapes technologiques nouvelles par rapport aux étapes technologiques classiques utilisées en technologie BICMOS. Plus particulièrement, la figure 4 représente une portion d'un circuit intégré formé dans un substrat 1 de type P au-dessus duquel est réalisée une couche épitaxiée 2 de type N.30 Dans la couche épitaxiée 2 est formée un caisson 23 de type P qui rejoint une couche enterrée 24 de type P+ La couche 24 est elle-même formée au-dessus d'une couche enterrée 25 de type N- qui présente une interface avec le substrat 1 Dans le caisson 23 sont formées des régions 26 de type N et des régions 27 de type P Autour du caisson 23 est formé un mur ou anneau de type N constitué d'une portion de couche enterrée 27 de type N+ et d'une région de diffusion profonde 28 qui rejoint cette portion de couche enterrée A l'extérieur du dispositif sont prévues des régions de prise de contact substrat comprenant une région enterrée 30 de type P+ que rejoint une diffusion profonde 31 de type P dans laquelle sont formées des régions de prise de contact de type P plus fortement dopées 32. Le plot PAD est relié à des métallisations en contact avec la région 27 et avec la partie supérieure 28 du mur de type N La prise de contact de substrat est bien entendu reliée au potentiel VSS pour assurer la polarisation du substrat et la région 26 de type N+ du caisson est reliée au potentiel VDD En effet, grâce à la présente invention, le caisson 23, qui est complètement entouré de la région N constituée par la couche enterrée 25 et une portion 35 de la couche épitaxiée 2, peut être mis à un potentiel choisi et n'est plus nécessairement au potentiel VSS comme dans le cas représenté en figure 2 Avec cette structure, on obtient la diode D 2 à l'interface entre la région Ns 26 et le caisson P 23 et la diode Dl à l'interface entre le mur de type N 27-28 et le substrat 1 On a représenté en pointillés dans les diverses figures et de façon très schéma- tique les trajets de circulation de courant dans ces diodes entre les métallisations. Ainsi, grâce à la présente invention, on réalise les diodes Dl et D 2 dans une surface qui n' est pas supérieure à celle utilisée dans l'art antérieur pour réaliser la seule diode Dl, comme on peut le voir en comparant les figures 2 et 4 (en se rappelant qu'en figure 2 la structure est entourée d'une prise substrat non représentée. Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'une technologie particulière, elle s'applique à d'autres technologies, par exemple dans lesquelles tous les types de conductivité de matériaux semiconducteurs et les polarités des tensions appliquées sont inversés. La présente invention est susceptible de diverses variantes qui apparaîtront à l'homme de métier Notamment, on n'a représenté que des vues en coupe de structures de protec- tion De façon classique, les diverses régions et anneaux auront des formes rectangulaires. REVENDICATIONS 1 Structure de diodes de protection d'un plot contre des décharges électrostatiques dans un circuit intégré formé dans un substrat d'un premier type de conductivité et alimenté entre une première borne d'alimentation (VSS) reliée au substrat et une deuxième borne d'alimentation (VDD), caractérisée en ce qu'elle comprend: un caisson ( 23) du premier type de conductivité dont les bords et le fond sont en contact avec une région ( 25, 35) du deuxième type de conductivité dont le fond est en contact avec ledit substrat, une zone ( 26) du deuxième type de conductivité formée dans ledit caisson, un anneau ( 27, 28) du deuxième type de conductivité entourant latéralement ladite région du deuxième type de conduc- tivité et rejoignant ledit substrat, un puits ( 30, 31, 32) du premier type de conductivité de prise de contact avec le substrat, entourant ledit anneau, un premier contact avec ledit anneau, un deuxième contact avec ledit caisson, un troisième contact avec ladite zone, un quatrième contact avec ledit puits, des moyens pour relier les premier et deuxième contacts au plot, des moyens pour relier le troisième contact à la deuxième borne d'alimentation, et des moyens pour relier le quatrième contact à la deuxième borne d'alimentation. 2 Structure de diodes de protection selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que le fond du caisson ( 23) est constitué d'une première portion de couche enterrée du premier type de conductivité à fort niveau de dopage ( 24) formée dans une deuxième portion de couche enterrée du deuxième type de conductivité à faible niveau de dopage ( 12) interposée entre la première couche enterrée et le substrat. 3 Structure de diodes de protection selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que le substrat ( 1) est recouvert d'une couche épitaxiée ( 2) du deuxième type de conductivité dans laquelle est formé le caisson, une portion de cette couche épitaxiée subsistant entre ledit caisson et ledit anneau.