Brevet FR2708145A1 — publié le 19950127

COMPOSANT MONOLITHIQUE COMPRENANT UNE DIODE DE PROTECTION EN PARALLELE AVEC UNE PLURALITÉ DE PAIRES DE DIODES EN SÉRIE La présente invention concerne les circuits de protec- tion et plus particulièrement les réseaux de diodes utilisés pour la protection de paires différentielles de lignes télépho- niques numériques ou de systèmes informatiques. 5 Dans les systèmes informatiques, on trouve souvent des connecteurs auxquels sont reliés un grand nombre de lignes dont le potentiel est susceptible de varier entre des premier et deu- xième états correspondant à des première et deuxième tensions. On considèrera ci-après plus particulièrement le cas o la première tension est la masse et o la deuxième tension est une tension positive, par exemple +5 volts. Mais il sera clair que plus généralement les tensions de ces lignes peuvent varier entre une tension haute et une tension basse ou tension de référence. 15 Un schéma de protection classique pour une ligne de ce type est illustré en figure 1. La ligne L est reliée à la ten- sion de référence REF (la masse) par l'intermédiaire d'une diode dl polarisée en inverse et est également reliée à la masse par l'intermédiaire d'une diode d'l polarisée en direct en série avec une diode & avalanche Z polarisée en inverse dont la ten- sion de seuil est voisine (légèrement supérieure) de la tension haute sur la ligne. Ainsi, une surtension négative sur la ligne L s'écoule vers la masse par la diode dl et une surtension posi- tive, de valeur supérieure à la tension nominale de la ligne, s'écoule par la diode d'l à travers la diode à avalanche Z. Ce type de schéma de protection permet d'utiliser une diode de protection de faible tension d'avalanche et/ou de forte capacité d'absorption de surcharge et donc de grande dimension tout en limitant la capacité parasire rapportée sur le montage à protéger gràce à la présence des diodes d et d'. En fait, dans les montages informatiques, on trouve un très grand nombre de lignes sur un connecteur et on est amené à leur associer de nombreux montages de protection du type de celui de la figure 1 présentant tous une même diode à avalanche en commun. Un tel montage est illustré en figure 2 o 1 'on trouve, en association avec chaque ligne L1 à L8, une diode dl à d8 connectée en inverse vers la masse et une diode d' 1 à d'8 connectée en direct par une diode à avalanche Z vers la masse. Un mode de réalisation d'une intégration monolithique du circuit de la figure 2, dans lequel les diodes dl à d8 et d'l à d'8 sont des diodes de Schottky, a déjà été proposé par la demanderesse dans la demande de brevet français 92/04130 du 26 mars 1992. La présente invention vise une réalisation sous forme de circuit monolithique du circuit de la figure 2 dans lequel les diodes dl à d8 et d'l à d'8 sont des diodes à jonction de sorte que le dispositif peut assurer une protection même pour un très fort niveau de courant. Plus généralement, on notera que le schéma de la figure 2 comprend une diode de protection Z aux bornes de laquelle est connectée une pluralité de paires de diodes, chaque paire de diodes comportant deux diodes orientées selon la même polarité que la diode de protection. Un tel schéma peut avoir d'autres applications que celle exposée précédemment de forma- tion d'un réseau de diodes de protection. Par exemple, on verra en relation avec la figure 4 qu'un tel schéma est aussi oelui 5 d'un pont redresseur auto-protégé. Ainsi, la présente invention vise de façon générale un composant monolithique incorporant une diode de protection en parallèle avec une pluralité de paires de diodes orientées selon la même polarité que cette diode de protection. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel composant susceptible d'absorber des surcharges impor- tantes. Ces objets sont atteints selon la présente invention par un composant monolithique, incorporant une diode de protec- tion en parallèle avec plusieurs paires de diodes orientées selon la même polarité que la diode de protection, formé à partir d'un substrat semiconducteur d'un premier type de conduc- tivité, comprenant des premières régions du deuxième type de conductivité formées à la face supérieure du substrat; des deu- xièmes régions constituées de portions supérieures du substrat, dont les faces latérales sont délimitées par des murs d'isole- ment du deuxième type de conductivité et dont les fonds cor- respondent à une troisième région du deuxième type de conducti- vité; une quatrième région du deuxième type de conductivité et à haut niveau de dopage formée à partir de la face inférieure dans la troisième région; une cinquième région du premier type de conductivité et à haut niveau de dopage sur la face inférieu- re du substrat; des premières métallisations reliant chacune des premières régions à chacune des deuxièmes régions; et une deuxième métallisation sur au moins une portion du mur d'iso- lement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant comprend en outre une troisième métallisation revê- tant la face arrière. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premières régions, les murs d'isolement et la troisième région ont une profondeur supérieure à la moitié de l'épaisseur du substrat. 5 La présente invention prévoit aussi d'utiliser le composant monolithique défini ci-dessus comme réseau de diodes de protection, dans lequel chacune des premières métallisations est reliée à une ligne à protéger et la deuxième métallisation est reliée à une tension de référence, par exemple la masse.10 Selon un autre aspect de la présente invention, les deuxième et troisième métallisations sont reliées à une source d'alimentation continue en série avec une résistance, la tension de la source d'alimentation étant inférieure à la tension d'ava- lanche de la diode de protection.15 La présente invention prévoit aussi d'utiliser le composant monolithique défini ci-dessus commne pont redresseur auto-protégé pour une alimentation polyphasée à n phases, comprenant n premières régions et n deuxièmes régions, chaque i- ième, i étant compris entre 1 et n, première métallisation reliant la i- ième première région à la i-ième deuxième région étant reliée à une i- ième borne d'alimentation alternative, la deuxième métallisation constituant une borne d'alimentation continue et la troisième métallisation constituant 1' autre borne d 'alimentation continue.25 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 et 2, décrites précédemment, représen- tent des schémas de circuit de réseaux de diodes de protection; la figure 3A représente une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 3B d'une structure selon la présente invention; la figure 3B représente une vue de dessus partielle de la structure de la figure 3A, mettant en oeuvre le schéma de la figure 2; la figure 4 représente un schéma de circuit illustrant une autre application du composant monolithique selon la présente invention; la figure 5 représente une vue de dessus partielle d'une structure selon la présente invention mettant en oeuvre le schéma de la figure 4; et la figure 6 illustre une variante d'utilisation d'un réseau de diodes de protection selon la présente invention. De façon classique dans le domanaine de la représenta- tion des structures semiconductrices, les diverses vues en coupe et de dessus ne sont pas tracées à 1 'échelle et, dans les vues en coupe, les allures des contours des zones diffusées sont fortement schématiques. Caonme le représentent les figures 3A et 3B, un réseau de protection monolithique selon la présente invention est formé à partir d'un substrat 1 d'un premier type de conductivité, par exemple de type N. Les diodes d'1, d'2, d'3... résultent de la diffusion à partir d'une première face de ce substrat de régions de type P, P'l, P'2, P'3..., qui constituent les anodes de ces diodes. La cathode commune des diodes d'l, d'2, d'3... correspond au substrat 1. Les cathodes Ni, N2, N3... des diodes dl, d2, d3... sont constituées de régions du substrat 1, délimitées latéra- lement par un mur d'isolement 2 de type P, qui se terminent sur une région 3 également de type P formée à partir de la face inférieure du substrat. Cette région 3 de type P correspond à l'anode caommune des diodes dl, d2, d3... La diode à avalanche Z est formée à partir de la face inférieure du substrat. Elle a pour anode une région profonde 4 de type P+ formée dans la région 3 de type P et pour cathode une région 5 de type N+ qui est formée sur toute la face inférieure du substrat. C'est essentiellement le dopage de la région 4 qui détermine la tension d'avalanche. Bien que cela ne soit pas représenté dans la vue de dessus de la figure 3B, on comprendra que la région 3 de type P s' étend sensiblement sur toute la largeur et toute la longueur de la région d'ensemble délimitée en vue de dessus par le contour externe des murs d'isolement 2 et que la région 4 de type P+ a sensiblement la même étendue. Ainsi, la diode à avalanche a une surface de jonction beaucoup plus grande que celle de chacune des diodes dl, d2, d3... et d'l, d'2, d'3... De préférence, une région 6 de type N+ est formée à la surface de chacune des régions Ni, N2, N3... Des métallisations Mi, M2, M3... relient chacune des régions P'l, P'2, P'3... à chacune des régions surdopées 6 formées dans les régions N1, N2, N3... Ces métallisations sont destinées à être reliées à chacune des lignes Li, L2, L3... de la figure 2. Une métallisation 10 est formée sur la surface du mur d'isolement 2 et correspond à la borne de connexion à la tension de référence REF, couramment la masse. Enfin, et de préférence, une métallisation 11 est formée sur l'ensemble de la face inférieure pour améliorer la conductivité entre les cathodes conmmuunes des diodes d'l, d'2, d'3... et la région de cathode 5 de la diode à avalanche située sous la région d'anode 4 de cette diode à avalanche. Dans l'ap- plication décrite jusqu'ici, la métallisation 11 est maintenue flottante. Un procédé de fabrication de la structure des figures 3A et 3B comprend les étapes successives suivantes: - formation simultanée à partir des faces supérieure et inférieure du substrat des régions P'i, P'2, P'3..., des murs d'isolement 2, et de la région 3. Cette étape de diffusion sera poursuivie suffisamment longtemps pour que les murs 2 formés à partir de la face supérieure rejoignent la région 3 formée à partir de la face inférieure. Ainsi, si le substrat a une épais- seur de 240 micromètres, la profondeur de diffusion sera supé- rieure à 120 micromètres; - formation à partir de la face inférieure de la région 4 de type P+; - formation simultanée sur les faces supérieure et inférieure des régions 5 et 6 de type N+; et - formation des métallisations. Parmi les avantages de la structure selon 1 'invention, on notera qu'elle est adaptée à des passages de courants d'ava- lanche importants quelle que soit la polarité de la surcharge. a) Si la métallisation ou borne Ml reçoit une sur- charge positive par rapport à la borne M2, la diode d' 1 est en direct, le courant circule de la région P' 1 vers la métallisa- tion de face inférieure 11 (figure 3A), circule dans la métalli- sation 11 en face de la région N2 (figure 3b) et remonte vers la métallisation M2 en traversant la jonction N±P+ constituant la diode Z en inverse et la jonction P-N2 constituant la diode d2 en direct. On constate que les régions de silicium sont parcou- rues verticalement, sans présence de circulation "planar". Les20 diodes d'l, d2 et Z sont donc utilisées et se comportent conmme des composants "discrets" et leur capacité d'écoulement est proportionnelle à leur taille. b) Si la borne Ml reçoit une surcharge négative par rapport à M2, un mécanisme similaire se produit. c) Si la borne Ml revoit une surcharge positive par rapport à la masse 10, on a le même mécanisme qu'en a) si ce n'est que la diode d2 n'est pas sollicitée. Le courant remonte à travers les régions P 3-2 vers le contact 10. d) Si la borne MI est négative par rapport à la masse 10, le courant va circuler dans la diode latérale PN1N+ (figure 3a). Cependant, par construction, la région P délimitant le caisson est très dopée et enveloppe le caisson Ni ce qui diminue la résistance d'accès de la diode dl dans cette configuration. Dans ce qui précède, on a considéré une structure réalisée à partir d'un substrat de type N. On pourrait aussi envisager une variante de la présente invention dans laquelle tous les types de conductivité seraient inversés, c'est-à-dire o les régions P seraient remplacées par des régions N, et inversement. La structure à réaliser restant celle de la figure 1 ou 2, cela signifie que la borne REF correspond alors à la métallisation 11 (face inférieure). La diode dl est constituée de régions N'I1PP+, d2 de P+P1N et Z de N+P+. En ce cas, les trajets de courant dans les diverses régions sont toujours verticaux entre une métallisation Ml, M2, M3... et la métalli- sation 11 (la métallisation 10 n' étant plus connectée). En conséquence, cette structure est celle qui, en protection basse tension sur une ligne +5V/OV par exemple, assurera la meilleure15 efficacité de protection (efficacité jugée en tenue en surcharge et en faible capacité parasite). Selon un autre avantage de la présente invention, la taille de la diode Z est proportionnelle au nombre de sorties. Cela signifie que la capacité d'écoulement en surcharge de Z est "auto adaptée" au nombre de sorties. Selon un autre avantage de la présente invention, le fait que les régions d'anode P'l, P'2, P'3... des diodes d'l, d'2, d'3... correspondent à des régions profondes entraine que l'épaisseur de la région de cathode située en dessous est réduite. On réduit ainsi la résistance à l'état passant de ces diodes et par conséquent les surtensions à la mise en conduction de ces diodes. La figure 4 illustre une autre application du compo- sant selon l'invention. Cette figure reprend des éléments du schéma de la figure 2 dans le cas o il est prévu seulement quatre diodes dl, d'l, d2, d'2. L'homme de l'art notera que, si les lignes Ll et L2, auxquelles sont respectivement connectés les points de raccordement des diodes dl-d'l et d2-d'2, sont reliées à deux bornes d'une tension d'alimentation alternative, le schéma correspond à celui d'un pont redresseur fournissant aux bornes A et B de la diode Z une tension alternative redressée, la borne A correspondant à la borne positive et la borne B à la borne négative. Le composant selon la présente invention constitue alors un pont redresseur auto-protégé par une diode à avalanche. La figure 5 représente une vue de dessus schématique d'un circuit intégré constituant un mode de réalisation selon la présente invention du circuit de la figure 4. La figure 5 ne sera pas décrite en détail car elle reprend les mêmes notations que celles utilisées en figure 3B. Dans ce cas, les métallisa- tions Ml et M2 correspondent aux bornes d'alimentation alterna- tives et la métallisation 10 ainsi que la métallisation de face arrière 11 correspondent aux bornes de courant continu. La structure des figures 4 et 5 s'étend naturellement à la réalisation d'un pont polyphasé à n phases. Il est alors prévu n paires de diodes dl. , di..., dn, d'l...,..., d'n, (i étant compris entre 1 et n) et n premières métallisations (Mi) reliant chaque i-ième première région (P'i) à chaque i-ième..DTD: deuxième région (Ni) reliées à n bornes d'alimentation alterna- tive. La deuxième métallisation (10) constitue une borne d'ali- mentation continue et la troisième métallisation (11) constitue 1 'autre borne d'alimentation continue. Une variante d'utilisation du composant de protection selon l'invention est illustrée en figure 6. Le composant est connecté à chacune des lignes L1 à L8 et de plus la diode Z est connectée à une alimentation Val à travers une impédance R. Dans ce cas, comme précédemment, pour une surcharge négative entre une ligne et la masse, les tensions sont limitées à 0 V + la chute de tension en direct (Vf) d'une diode. Par contre pour une surcharge positive par rapport au niveau REF ou pour une surcharge ligne/ligne, on obtient deux niveaux de protection. - Pour des surcharges de faible amplitude la protec- tion prend place à un niveau Val + Vf pour une surcharge posi- tive par rapport au niveau REF, et à un niveau + Val+Vf pour une surcharge ligne/ligne. 5 - Pour des surcharges de forte amplitude, la résis- tance R va élever la tension aux bornes de la diode Z et cette diode Z va limiter la tension à plus haut niveau. On peut ainsi, par exemple, obtenir un premier niveau prés de 4 à 5 V (fixé par Val) et un deuxième à 6 ou 7 V fixé par VZ. Cette structure10 permet donc d'abord de protéger les circuits connectés aux lignes par sollicitation de l'alimentation Val puis de protéger l'alimentation elle-même si la perturbation est trop élevée. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de métier. Les topographies des diverses régions seront optimi- sées en fonction des résultats visés. REVENDICATIONS 1. Composant monolithique, incorporant une diode de protection en parallèle avec une pluralité de paires de diodes orientées selon la même polarité que la diode de protection, formé à partir d'un substrat semiconducteur (1) d'un premier 5 type de conductivité, caractérisé en ce qu'il comprend: des premières régions (P'i, P'2, P'3...) du deuxième type de conductivité formées à la face supérieure du substrat; des deuxièmes régions (Ni, N2, N3...) constituées de portions supérieures du substrat, dont les faces latérales sont délimitées par des murs d'isolement (2) du deuxième type de conductivité et dont les fonds correspondent à une troisième région (3) du deuxième type de conductivité; une quatrième région (4) du deuxième type de conducti- vité et à haut niveau de dopage formée à partir de la face infé- rieure dans la troisième région (3); une cinquième région (5) du premier type de conducti- vité et à haut niveau de dopage sur la face inférieure du subs- trat; des premières métallisations (Mi, M2, M3...) reliant chacune des premières régions (P'li, P'2, P'3...) à chacune des deuxièmes régions (Ni, N2, N3...); et une deuxième métallisation (10) sur au moins une portion du mur d'isolement (2). 2. Composant monolithique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième métal- lisation (11) revêtant la face inférieure. 3. Composant monolithique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premières régions, les murs d'iso- lement et la troisième région ont une profondeur supérieure à la30 moitié de l'épaisseur du substrat. 4. Réseau de diodes de protection, caractérisé en ce qu'il comprend un composant monolithique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chacune des premières métallisations (Ml, M2, M3...) est reliée à une ligne à protéger et la métallisation (10) est reliée à une tension de référence (REF). 5. Réseau de diodes de protection selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que la tension de référence est la masse. 6. Réseau de diodes de protection selon la revendi- cation 4 rattachée à la revendication 2, caractérisé en ce que les deuxième et troisième métallisations (10, 11) sont reliées à une source d'alimentation continue (Val) en série avec une résistance (R), la tension de la source d'alimentation étant inférieure à la tension d'avalanche de la diode de protection. 7. Pont redresseur auto-protégé pour une alimentation polyphasée à n phases, caractérisé en ce qu'il comprend un composant monolithique selon la revendication 2, comprenant n premières régions et n deuxièmes régions, chaque i-ième, i étant compris entre 1 et n, première métallisation (Mi) reliant la i-ième première région (P'i) à la i-ième deuxième région (Ni)20 étant reliée à une i-ième borne d'alimentation alternative, la deuxième métallisation (10) constituant une borne d'alimentation continue et la troisième métallisation (11) constituant l'autre borne d'alimentation continue.