Brevet FR2751133A1 — publié le 19980116

ASSEMBLAGE MONOLITHIQUE DE THYRISTORS A CATHODE COMMUNE La présente invention concerne un assemblage monoli- thique de thyristors à cathode comiune et à gâchette unique. Les thyristors les plus courants sont des thyristors à gâchette de cathode. La figure lA représente deux tels thyristors Thl et Th2. Une réalisation classique de ces thyristors est illustrée schématiquement, en coupe, en figure lB. Chaque thyristor est constitué à partir d'un substrat Nl de type N dont la face arrière ou inférieure est occupée par une couche Pl de type P. Du côté de la face avant ou supérieure, on trouve une région de gâchette de cathode P2 dans laquelle est formée une région de cathode N2. Pour améliorer la tenue en tension et éviter divers problèmes liés aux découpes et aux brasures, la périphérie des thyristors est généralement occupée par un caisson P3 de type P, formé par diffusion profonde à partir des faces inférieure et supérieure. De tels thyristors se prêtent bien à des montages en anode commTune. En ce cas, les couches Pl de chacun des thyristors sont constituées d'une seule et même couche formée sur la face arrière du substrat NM. Cette face arrière peut alors être montée par brasure sur un radiateur. Toutefois, la réalisation de montages à cathode commune pose problème. Il n'est pas possible de réaliser sur la face avant une métallisation de cathode unique montée sur un radiateur car alors on court-circuiterait les métallisations de gâchette. Il faut donc prévoir des structures dans lesquelles la borne de gâchette se trouve sur la face opposée à la face de cathode. Une première solution connue est illustrée en figure 2A sous forme de schéma. Elle consiste à former des thyristors à gâchette d'anode. Comme le représente la figure 2B, la structure du thyristor est modifiée. En partant toujours d'un substrat NI de type N, on trouve sur la face arrière de ce substrat une couche Pll de type P puis une couche N12 de type N. Du côté de la face avant sont formées des régions d'anode P13 de type P et une région N14 fortement dopée de type N de prise de contact de gâchette. Un caisson P15 de type P relie la périphérie de la couche Pll à la surface supérieure. Un avantage de cette structure est qu'elle utilise de nombreuses étapes de fabrication communes avec la structure de la figure lB. En effet, les étapes initiales de formation du caisson P15 puis de la couche Pl1 sont identiques aux étapes de formation du caisson P3 puis de la couche Pl de la structure de la figure lB. Un inconvénient de cette structure est que la cormmande se fait par une tension de gâchette référencée à la tension d'anode, qui est une tension élevée si c'est la cathode qui est reliée à la masse. Un autre inconvénient est que cette gâchette doit être polarisée négativement par rapport à l'anode alors que, dans les circuits électriques courants, il est généralement plus facile de générer une tension de commande positive qu'une tension de commande négative. Un autre inconvénient est que, de façon géné- rale, les thyristors à gâchette d'anode sont moins sensibles que les thyristors à gâchette de cathode. Une deuxième solution connue est illustrée en figure 3A sous forme de schéma. Elle permet d'améliorer le circuit de la figure 2A en ce qui concerne d'une part sa sensibilité et d'autre part la possibilité de déclenchement par une tension de gâchette positive référencée par rapport à la cathode et non par rapport à l'anode. Dans cette solution, les gâchettes d'anode des thyris- tors Thl et Th2 sont reliées à l'anode d'un thyristor Th3 dont la cathode est reliée aux cathodes communes des thyristors Thl et Th2. Une connexion est prise sur la gâchette de cathode pour constituer la borne de gâchette positive G. Comme le représente la figure 3B, chacun des thyristors Thl et Th2 a la même structure anode-cathode que les thyristors de la figure 2B. La différence réside dans la structure de commande qui est constituée d'une région P16 formée du côté de la face supérieure dans laquelle est formée une région N17. La région N17 est reliée par un fil 10 à la cathode. La région P16 est revêtue d'une métallisation reliée à une borne de gâchette G. L'inconvénient de cette structure est que sa surface est néces- sairement importante car il faut prévoir une distance de garde notable entre les régions P13 (au potentiel de l'anode) et la région P16 (au potentiel de la cathode) pour assurer une tenue en tension suffisante. De plus, la connexion entre une borne de la face avant et la face arrière par un fil 10 complique le montage. On notera que, dans les réalisations des figures 2B et 3B, le caisson P15 a uniquement pour rôle de protéger la péri- phérie de la jonction assurant la tenue en tension directe entre le substrat Nl et la couche Pil, en effet, cette tenue en tension serait réduite si cette jonction débouchait sur une face laté- rale. Le caisson P15 n'est connecté à aucune borne. Un objet de la présente invention est de prévoir un assemblage de thyristors à cathode conmmune et à gâchette unique évitant les problèmes liés aux thyristors de l'art antérieur, cet assemblage étant réalisé en utilisant des technologies classiques et déjà éprouvées. Ces objets de la présente invention sont atteints par un assemblage monolithique de thyristors à cathode commune et à gâchette unique comprenant un substrat de type N faiblement dopé, une pluralité de régions d'anode de type P, du côté de la face avant, revêtues de métallisations d'anode, une couche de gâchette de cathode de type P du côté de la face arrière du substrat, une couche de cathode de type N du côté de la face arrière de la couche de type P revêtue d'une métallisation de cathode, un caisson de type P s'étendant de la face avant à ladite couche de type P, une métallisation de gâchette formée sur la face supé- rieure du caisson de type P, et des moyens pour augmenter la résistance de fuite entre la couche de cathode et la couche de gâchette de cathode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le caisson est périphérique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le caisson comporte des veines transverses au substrat alterna- tivement plus et moins dopées, des métallisations de gâchette étant formées sur des portions de la face supérieure dudit caisson. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les thyristors individuels sont séparés par des murs d'isolement constitués de portions alternativement plus et moins dopées, les métallisations de gâchette étant disposées sur des régions centrales de ces murs d'isolement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche de cathode s' étend sur une partie seulement de la face inférieure, et n'atteint pas la périphérie du composant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant est monté sur une embase dont la surface correspond sensiblement à celle de la couche de cathode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant comprend en outre un deuxième caisson périphérique externe disjoint du premier. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la métallisation de cathode s'étend seulement sur une partie de la surface du composant et n'atteint pas la périphérie de ce composant. 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 à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures lA à 3A, décrites précédemment, repré- sentent divers schémas de circuit d'assemblages de thyristors; les figures lB à 3B, décrites précédemment, repré- sentent schématiquement des vues en coupe de composants semi- conducteurs mettant en oeuvre respectivement les circuits des figures lA à 3A; la figure 4A représentent un schéma de circuit d'un composant selon la présente invention; la figure 4B représente une vue en coupe schématique d'un composant selon la présente invention; la figure 5A représente le schéma d'un thyristor; la figure 5B représente un mode de montage classique appliqué à un thyristor selon la présente invention; la figure 6 représente une vue de dessus d'un masque de mur de diffusion latéral utilisé selon un mode de réalisation de la présente invention; les figures 7A et 7B représentent respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'une variante d'une structure selon la présente invention; et les figures 8 à 11 illustrent, en coupe, des variantes de montage d'un composant selon la présente invention. Comme le représente la figure 4A, la présente invention prévoit d'assembler deux thyristors Thl et Th2 par une cathode commune avec une gâchette unique constituant une gâchette de cathode. Bien entendu, pour pouvoir avoir une cathode commune, le contact sur la gâchette de cathode est repris sur la face opposée à la cathode. La figure 4B représente une vue en coupe schématique d'un composant selon la présente invention. En ce qui concerne la structure anode-cathode, ce composant est identique aux composants des figures 2B et 3B. Comme eux, il comprend du côté de la face inférieure d'un substrat Ni une couche Pli de gâchette de cathode et une couche N12 de cathode et sur la face supérieure des régions d'anode P13. Comme précédemment également, la périphérie du composant est entourée d'un caisson P15 reliant la région Pli à la surface supérieure. En ce qui concerne le procédé de fabrication, on notera que, à partir du substrat Nil, on forme d'abord les diffusions profondes destinées à former le caisson P15 puis l'on forme, éventuellement simultanément, les régions Pli et P13 et enfin on forme la région N12 sur la face arrière. Contrairement aux composants des figures 2B et 3B, le composant selon la présente invention ne comprend pas de struc- ture spécifique de gâchette. Au lieu de cela, un contact de gâchette est formé sur la surface supérieure du caisson P15. Ainsi, le composant selon la présente invention présente tous les avantages de chacun des composants des figures 2B et 3B sans leurs inconvénients. Notamment, il est commandable par une ten- sion de gâchette positive par rapport à la tension de cathode et sa surface peut être réduite. Sa sensibilité peut être élevée du fait qu'il s'agit d'une structure à gâchette de cathode. De plus, du fait de sa grande similarité avec celles des figures 2B et 3B, cette structure peut être fabriquée d'une façon parfaitement compatible avec les procédés classiques. Toutefois, la structure très simple de la figure 4B présente un risque de défaut. En effet, la figure 5A représente sous forme symbolique un thyristor. La sensibilité de ce thyristor dépend notamment de la résistance gâchette-cathode Rf. Cette résistance gâchette- cathode correspond à la résistance de fuite entre les couches Pli et N12. Cette résistance est susceptible d'être détériorée pour deux causes principales. Premièrement, dans la structure de la figure 4B, le sciage de composants individuels à partir d'une tranche o sont formés de nombreux composants identiques coupe la jonction Pll-N12. Il est connu qu'un tel sciage peut dégrader la qualité de la jonction et introduire une résistance parasite. Une autre source de dégradation de la résistance résulte du montage classique illustré en figure 5B. La métallisation de cathode K est montée sur une embase 20, classiquement par une couche de brasure 21. Or, il existe un risque non-négligeable pour que la brasure déborde latéralement au moins sur des portions de la périphérie en formant des remontées de brasure désignées par les références 22, ce qui provoque des courts-circuits localisés de la jonction Pll-N12. Ces deux causes de dégradation de jonction interviennent de façon particulièrement néfaste dans la structure selon l'invention o le contact de gâchette est pris par le caisson et se raccorde à la couche de gâchette de cathode préci- sément aux emplacements o il risque de se produire des défauts. Ainsi, la présente invention prévoit d'associer à la structure illustrée en figure 4B des moyens pour réduire l'influence de défauts de jonction entre la couche de cathode et la couche de gâchette de cathode ou des moyens pour réduire la probabilité de survenance de tels défauts. Selon un premier mode de réalisation de la présente invention, il est prévu une structure particulière du caisson P15. Ce caisson est formé non pas par l'intermédiaire d'un masque périphérique continu mais, comme le représente en vue de dessus la figure 6, par l'intermédiaire d'un masque comprenant des ouvertures voisines 30 en regard sur les faces supérieure et inférieure. Ainsi, au fur et à mesure que la diffusion progresse dans le sens de l'épaisseur, elle s'étend latéralement et la région P15 se ferme mais en comprenant alternativement des veines verticales plus dopées et moins dopées. La métallisation de gâchette est disposée à des emplacements 31 et 32 correspondant à deux thyristors Thl et Th2. Ainsi, s'il existe un défaut localisé sur la périphérie de la jonction entre les couches Pll et N12, la probabilité pour que ce défaut se trouve en regard de la veine par laquelle se fait la conduction vers la couche inférieure est réduite. En conséquence, dans un lot de fabrication, on obtient un nombre réduit de composants à sensibilité de gâchette dégradée. Les figures 7A et 7B représentent, en coupe et en vue de dessus, une variante de réalisation de la présente invention dans laquelle les thyristors individuels sont isolés par des murs intermédiaires P18. Ces murs P18 sont formés de façon discontinue comme le mur périphérique P15 de la figure 6 et une zone centrale de ces murs P18 est revêtue d'une métallisation de gâchette 40. Alors, il est certain que cette métallisation ne peut se trouver en regard d'un défaut de périphérie et l'influence d'éventuels défauts de qualité de jonction à la périphérie devient négli- geable. Les modes de réalisation des figures 6 et 7 étaient destinés à pallier l'influence d'éventuels défauts de périphérie de la jonction entre les couches Pl1 et N12. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on cherche à réduire ou même à supprimer ces défauts de périphérie. Des exemples de moyens pour améliorer la périphérie de jonction sont illustrés en figures 8 à 11. Dans le mode de réalisation de la figure 8, la couche N12 au lieu de s'étendre sur toute la surface inférieure est localisée par un masque de silice 40 et la métallisation de cathode est formée sur cette région N12. Cette structure présente notamment l'avantage d'éviter l'apparition de défauts de jonction liés à la découpe. Toutefois, il existe encore un risque que des remontées de brasure court-circuitent les régions Pl1 et N12. Dans le mode de réalisation de la figure 9, la métal- lisation de cathode K est localisée au centre du composant et l'on évite ainsi les risques de défaut de brasure en ne suppri- mant toutefois pas les défauts liés à la découpe en périphérie de jonction. Dans le mode de réalisation de la figure 10, la couche de cathode est localisée comme dans le cas de la figure 8 et en outre on utilise une embase comportant un bossage 50 d'étendue plus petite que la surface inférieure du composant. Alors, on évite les détériorations éventuelles de jonction liées au sciage et à des remontées de brasure. Ceci se fait évidemment au coût d'un montage plus élevé. Dans le mode de réalisation de la figure 11, on utilise une structure à double caisson périphérique, un caisson P19 étant formé au-delà du caisson P15. Alors, avec une localisation de la couche de cathode, on évite tout risque de défaut lié au sciage de la puce ou à une remontée de brasure. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de métier. Notamment, on pourra apporter aux diverses structures de thyristors les perfectionnements et modifications classiques, par exemple la prévision de courts-circuits d'émetteur. REVENDICATIONS 1. Assemblage monolithique de thyristors à cathode commune et à gâchette unique comprenant: un substrat (Ni) de type N faiblement dopé, une pluralité de régions d'anode (P13) de type P, du côté de la face avant, revêtues de métallisations d'anode (A), une couche de gâchette de cathode (Pli) de type P, du côté de la face arrière du substrat, une couche de cathode (N12) de type N du côté de la face arrière de la couche de type P, revêtue d'une métallisation de cathode (K), un caisson de type P (P15) s'étendant de la face avant à ladite couche de type P, caractérisé en ce qu'il comprend: une métallisation de gâchette (G) formée sur la face supérieure du caisson de type P (P15), et des moyens pour augmenter la résistance de fuite entre la couche de cathode et la couche de gâchette de cathode. 2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le caisson est périphérique. 3. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le caisson comporte des veines transverses au substrat alternativement plus et moins dopées, des métallisations de gâchette (31, 32) étant formées sur des portions de la face supé- rieure dudit caisson. 4. Assemblage monolithique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les thyristors individuels sont séparés par des murs d'isolement (P18) constitués de portions alternativement plus et moins dopées, les métallisations de gâchette étant dispo- sées sur des régions centrales de ces murs d'isolement. 5. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de cathode s' étend sur une partie seulement de la face inférieure, et n'atteint pas la périphérie du composant. 6. Assemblage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le composant est monté sur une embase dont la surface correspond sensiblement à celle de la couche de cathode. 7. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composant comprend en outre un deuxième caisson péri- phérique externe disjoint du premier. 8. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la métallisation de cathode s'étend seulement sur une partie de la surface du composant et n'atteint pas la périphérie de ce composant.