Brevet FR2687009A1 — publié le 19930806

COMPOSANT DE PROTECTION POUR CIRCUIT AUTOMOBILE La présente invention concerne un circuit de protec- tion, plus particulièrement adapté à la protection de circuits intégrés montés dans des automobiles. Les véhicules automobiles sont alimentés par des batteries dont la tension est normalisée, généralement à 12 V pour les véhicules de tourisme et à 24 V pour les poids lourds. Les composants de protection destinés à éviter la transmission de surtensions par les fils d'alimentation de circuits électro- niques auront donc généralement des seuils de déclenchement choisis dans des plages de 20 à 40 volts, de façon à laisser passer la tension d'alimentation normale, qui peut fluctuer autour de la valeur moyenne, et à dériver des surtensions accidentelles, particulièrement fréquentes en milieu automobile et qui peuvent résulter notamment des commutations brutales provoquées par des rupteurs. En outre, un circuit électronique réalisé sous forme de circuit intégré peut être détruit si la polarité est inversée entre ses bornes d'alimentation, accident particulièrement sus èptible de survenir dans le domaine automobile o les répa- rations ne sont généralement pas effectuées par des électroni- ciens mais par des mécaniciens. On cherche donc à se protéger, en plus des surtensions susmentionnées, d'une éventuelle inversion de polarité de la batterie résultant d'une erreur de connexion On notera que l'une des sources possibles d'apparition de surtension réside dans une déconnexion intempestive de la batterie tandis que l'alternateur de l'automobile est en fonctionnement Dans ce cas, toute l'énergie fournie par l'alternateur, au lieu d'être absorbée par la batterie, est envoyée dans le circuit sous une tension élevée qui peut atteindre la centaine de volts Ce phénomène est couramment désigné dans la technique par le terme anglo-saxon "Load Dump". La solution classique pour éviter ces divers inconvé- nients consiste à placer une diode de redressement en série avec la batterie Cette diode évite une circulation de courant en sens inverse en cas d'inversion de la batterie Cette diode est généralement protégée par une diode à avalanche en parallèle En effet, dans la pratique usuelle, les diodes destinées à fonc- tionner en avalanche présentent une dissipation relativement élevée en direct et 1 'on sépare le rôle de la diode de protec- tion série de celui de la diode avalanche Pour éviter les pro- blèmes du type Load Dump ou autre surtension sur la ligne, on place classiquement une diode à avalanche entre la ligne d'ali- mentation et la ligne de référence (généralement la masse) constituée par le châssis de l'automobile Cette diode à avalan- che doit pouvoir absorber des énergies élevées survenant dans le cas du Load Dump. La figure 1 illustre ce mode de protection classique, assuré par trois composants discrets Une batterie E fournit une tension entre une borne 1 et la masse G Cette batterie est reliée à la borne d'entrée 2 d'un circuit électronique C à protéger, par exemple un circuit de commande de lève-vitre, par l'intermédiaire de l'ensemble de composants de protection comprenant une diode de redressement en série Dl, une diode à avalanche T 2 en parallèle sur la diode Dl et une diode à ava- lanche Tl disposée entre la borne 2 et la masse. La présente invention vise à réaliser 1 'ensemble des composants T 2, Dl et Tl par un composant monolithique tout en gardant les avantages d'une faible chute de tension en direct entre les bornes 1 et 2. Les avantages d'une telle réalisation monolithique apparaîtront clairement à l'hanme de l'art et comprennent notam- ment la réduction des coûts et l'élimination d'éventuelles erreurs de montage. Pour atteindre cet objet, la présente invention pré- voit un canposant semiconducteur monolithique de protection muni d'une borne d'entrée, d'une borne de sortie et d'une borne de référence, comprenant, entre la borne d'entrée et la borne de sortie, une première diode d'une première polarité présentant une faible dissipation en direct et une tension de claquage en inverse de l'ordre de 20 à 40 volts, et, entre la borne de sor- tie et la borne de référence, une deuxième diode de protection de même polarité La première diode est réalisée sous forme latérale entre deux électrodes de la face avant du composant et la deuxième diode est réalisée sous forme verticale entre une électrode de la face avant du composant et une électrode de face arrière. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant comprend un substrat d'un premier type de conduc- tivité; sur la face avant du substrat, une première région du deuxième type de conductivité et une deuxième région du premier type à haut niveau de dopage, ces première et deuxième régions ayant des profils sensiblement complémentaires; et sur la face arrière du substrat, une troisième région du deuxième type de conductivité occupant pratiquement toute ladite face arrière. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat a un niveau de dopage de l'ordre de 1017 à 1018 atomes/cm 3. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la limite entre les première et deuxième régions est digitée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la faoe arrière, métallisée, est montée sur un radiateur. On notera qu 'avec ètte structure, bien que la pre- mière diode soit réalisée sous forme latérale, étant donné le niveau de dopage relativement élevé du substrat et sa relative- ment grande épaisseur ainsi que la digitation éventuelle de la diode latérale, on obtient une première diode ayant une faible consommation en direct et une caractéristique souhaitée en inverse. 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: la figure 1 représente un schéma classique de protec- tion d'un circuit électronique pour l'automobile; la figure 2 A représente une vue de dessus schématique d'un mode de réalisation d'un composant monolithique selon la présente invention, cette vue de dessus ne présentant que l'allure des jonctions; et la figure 2 B représente une vue en coupe schématique selon la ligne BB du composant de la figure 2 A. Dans les figures 2 A et 2 B, comme cela est classique dans le domaine de la représentation des composants semiconduc- teurs, les dimensions ne sont pas tracées à l'échelle mais sont arbitrairement dilatées pour améliorer la lisibilité des figures et en faciliter le tracé En outre, les coins de jonction sont représentés avec des angles droits alors que, en pratique, ces coins de jonction auront des allures arrondies résultant des étapes de diffusion. Dans le mode de réalisation des figures 2 A et 2 B, un composant monolithique selon la présente invention est constitué à partir d'un substrat 10 de type N dont l'épaisseur correspond à l'épaisseur classique d'une plaquette de silicium, c'est-à- dire de l'ordre de 0,3 m Dans une première région de la face supérieure du substrat est formée une région 11 de type P, appe- lée Pl, et dans la partie sensiblement complémentaire est formée une région 12 de type N, appelée N+, ètte région 12 ayant un niveau de dopage élevé devant celui de la région 10 Dans la face inférieure du substrat est formée une région 13 de type P, appelée P 2 Les couches désignées par la référence 15 sont des couches isolantes, ayant éventuellement servi au masquage de formation des régions 11, 12 et 13, et sont couramment en oxyde de silicium Les surfaces apparentes des régions 11, 12 et 13 sont respectivement revêtues de métallisations 17, 18 et 19 Les métallisations 17, 18 et 19 sont destinées à être connectées respectivement aux bornes 1, 2 et G décrites en relation avec la figure 1. Dans oe composant, l'ensemble des diodes Dl et T 2 est formé entre les métallisations 17 et 18 par la jonction entre les régions Pl et N La diode à avalanche Tl est formée entre les électrodes 18 et 19 par la jonction NP 2. On va montrer que, malgré le préjugé généralement lié à l'utilisation de diodes latérales, la diode latérale Pl NN+ entre les électrodes 17 et 18 présente une faible chute de tension en direct et que le composant obtenu permet un bon ajus- tement des tensions d'avalanche au niveau de protection requis, une limitation des effets parasites (liés au transistor PINP 2) et une bonne tenue en énergie. On notera au préalable que, dans le cas d'une diode à avalanche, la tension de claquage de la jonction est principale- ment définie par le niveau de dopage de la couche la moins dopée formant la jonction Ainsi, dans la structure de la figure 2 B, pour les diodes à avalanche T 2 (jonction Pl N) et Tl (jonction P 2 N), la tension d'avalanche est principalement déterminée par le niveau de dopage de la région N En effet, il est bien connu que, quand on diffuse une couche, telle que les couches Pl et P 2 dans une région du type de conductivité opposée, l'opération est en pratique possible seulement si l'on vise à atteindre des niveaux de dopage des régions diffusées plus élevés que le niveau de dopage de la région dans laquelle ces couches sont diffusées Ainsi, pour atteindre comme on 1 'a indiqué précédem- ment, une tension d'avalanche de l'ordre de 20 à 40 volts, la région N 10 doit être relativement fortement dopée, c'est-à-dire avoir une résistivité de l'ordre de 20 milliohms à 0,1 ohms-cm (ou un niveau de dopage de 1017 à 1018 atomes par cm 3). Par ailleurs, du fait que la couche N 10 constitue le substrat du composant monolithique selon l'invention, son épais- seur après formation des régions Pl et P 2, entre ces régions Pl et P 2, est supérieure ou égale à 0,2 mm Compte tenu de la valeur de la résistivité et de l'épaisseur de la couche N, la résistance d'accès de la diode P 1 NN+ en direct est faible En effet, cette résistance est proportionnelle à la résistivité de la région 10 et inversement proportionnelle à son épaisseur En outre, on a montré en figure 2 A que, en vue de dessus, la région NI 12 forme un doigt pénétrant dans la région Pl de façon à rallonger la longueur de jonction Cette longueur de jonction pourrait être encore rallongée en augmentant l'interdigitation. Une augmentation de l'interdigitation contribue également à la réduction de la résistance d'accès Ainsi, on obtient pour la diode latérale PîNN+ des performances de chute de tension en direct très convenables malgré cette configuration latérale Par exemple, on aura des valeurs de chute de tension en direct Vf inférieures à 1,1 V pour une densité de courant de 1 A/mm 2 et inférieure à 1,5 V pour une densité de courant de 4 A/mm 2. Pour les mêmes raisons que celles énoncées précédem- ment, le fonctionnement en avalanche de la diode N+N Pl est peu affecté par sa structure latérale en ce qui concerne sa tenue en surcharge inverse En effet, les règles relatives aux valeurs d'épaisseur et de résistivité précédemment mentionnées condui- sent à des valeurs de robustesse d'environ 400 W/cm 2, ce qui est très voisin de ce que donne une structure classique verticale. Le point de fonctionnement critique de la structure proposée correspond au cas o la diode Dl (P 1 NN+) est sollicitée en direct alors que la diode Tl (jonction P 2 N) est en inverse et n'est pas en avalanche C'est le cas de fonctionnement normal o le circuit à protéger consomme un courant pour ccmmander un organe de la voiture (moteur lève- vitre, par exemple) sous l'action de la tension de batterie Dans ces conditions, on voit qu'il existe un transistor parasite Pl NP 2 dont le courant de base Ib est le courant délivré au circuit protégé et dont le courant de collecteur est le courant de fuite de la jonction P 2 N En fait, on constate que le gain du transistor parasite est inférieur ou égal à 0,01 à fort courant Cela est tout à fait acceptable et résulte du fait susmentionné de l'épaisseur élevée et de la faible résistivité de la région N 10 On notera que le transistor à faible gain parasite est obtenu sans prévoir d'étapes telles que l'introduction de pièges par diffusion d'or ou de platine ou tout autre technologie connue Ceci est tout particulièrement important pour le fonctionnement du dispositif car dans le cas classique o la structure PNP présenterait un effet transistor significatif avec un gain supérieur à 0,1 ou à 1, la structure proposée ne serait pas viable pour la fonction envisagée. On constate, toujours pour les mêmes raisons, que le temps de recouvrement de la diode Dl est naturellement rapide (inférieur à 0,5 microseconde). Selon un autre avantage de la présente invention, la jonction NP 2 présente une bonne tenue en surcharge En effet, cette jonction doit protéger un circuit intégré contre des para- sites de forte énergie (par exemple cas du Load Dump) Cette énergie peut être de plusieurs dizaines de joules Il va de soi qu'un refroidissement optimal de jonction et une taille maximale de la jonction sont favorables La structure selon l'invention cumule ces avantages puisque la jonction NP 2 occupe le maximum de place permis dans une taille de puce donnée en tenant compte des espaces nécessaires aux périphéries de jonction D'autre part, la jonction est du côté refroidi de la puoe puisqu'elle est du côté masse et peut être soudée à un radiateur au poten- tiel du véhicule Cette soudure peut s'effectuer sans isolement par rapport au potentiel du châssis ce qui rend cette puce compatible avec des composants à montage en surface de puissance ou des boîtiers traditionnels de type T 0220. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art, notam- ment en ce qui concerne le mode l'obtention des diverses régions dopées et leur configuration en vue de dessus. REVENDICATIONS 1 Composant semiconducteur monolithique de protection muni d'une borne d'entrée ( 17), d'une borne de sortie ( 18) et d'une borne de référence ( 19), comprenant, entre la borne d'entrée et la borne de sortie, une première diode (PîN) d'une première polarité présentant une faible dissipation en direct et une tension de claquage en inverse de l'ordre de 20 à 40 volts, et, entre la borne de sortie ( 18) et la borne de référence, une deuxième diode de protection (NP 2) de même polarité, caractérisé en ce que la première diode est réalisée sous forme latérale entre deux électrodes de la face avant du composant et en ce que la deuxième diode est réalisée sous forme verticale entre une électrode de la face avant du composant et une électrode de face arrière. 2 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat d'un premier type de conductivité ( 10), sur la face avant du substrat, une première région ( 11) du deuxième type de conductivité et une deuxième région ( 12) du premier type de conductivité à haut niveau de dopage, ces première et deuxième régions ayant des profils sensiblement complémentaires; et sur la face arrière du substrat, une troisième région ( 13) du deuxième type de conductivité occupant pratiquement toute ladite face arrière. 3 Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat a un niveau de dopage de l'ordre de 1017 à 1018 atomes/cm 3. 4 Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la limite entre les première et deuxième régions est digitée. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la face arrière, métallisée, est montée sur un radiateur. 6 Application du composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 à la protection d'un circuit intégré connecté à une batterie de véhicule automobile.