Brevet FR2775391A1 — publié le 19990827

La présente invention concerne un éclateur pour circuit de protection d'un circuit intégré haute tension contre des décharges électrostatiques et, plus particulièrement, l'invention concerne un éclateur placé dans un ensemble de matière plastique, pouvant supporter une haute tension et la dissiper. Au cours des années qui ont suivi l'invention des circuits intégrés, on a intégré dans les circuits intégrés de silicium un nombre de plus en plus grand de fonctions de circuits haute tension. Auparavant, les fonctions de circuits haute tension étaient mises en oeuvre au moyen de composants discrets ou étaient conçues sous forme de modules hybrides. Ces deux techniques sont coûteuses, pour un circuit donné, par comparaison avec un circuit intégré. La présente invention propose une solution de rechange aux montages actuellement existant, qui est en mesure d'isoler des composants délicats du circuit vis-à-vis des dommages dus à des décharges statiques, lesquels peuvent être de l'ordre de plusieurs kilovolts. Un point important de la mise en oeuvre de fonctionnalités haute tension sur un circuit intégré à semiconducteur est d'isoler les circuits centraux derrière des résistances de valeur élevée, ordinairement des résistances en silicium polycristallin. Malheureusement, un problème se pose lorsque la puce se trouve soumise à des décharges électrostatiques, ou EDS, car la résistance offerte par les résistances est beaucoup plus élevée que la résistance de sortie de la décharge ESD. Ceci entraîne l'apparition d'une tension notable sur le circuit intégré. Puisque les tensions ESD sont typiquement de l'ordre de quelques kilovolts, il peut en résulter un endommagement de l'oxyde de champ du circuit. Un problème particu- lièrement difficile se pose lorsqu'un plot d'entrée doit supporter des tensions élevées positives aussi bien que négatives lors du fonctionnement normal. Dans ces conditions, il est improbable qu'une paire de diodes montée sur puce convenable puisse tenir les tensions de fonctionnement et protéger la puce semiconductrice des dommages provoqués par ESD. En principe, on peut utiliser un simple éclateur afin d'assurer la protection pour une impulsion de l'une ou l'autre polarité et, de plus, tenir les tensions du circuit. On peut produire un éclateur afin qu'il fonctionne à moins de 1 000 V sur un circuit intégré, ce qui peut être adapté à la protection de l'oxyde de champ. Toutefois, une autre complication résulte de l'obligation d'ordre commerciale d'utiliser, pour la puce de silicium, un boîtier de matière plastique peu coûteux. La présente invention propose donc un éclateur pouvant fonctionner dans un boîtier de matière plastique et un dispositif de protection destiné à fonctionner à une tension ESD d'environ 2 kV (HBM, ou modèle du corps humain). Un but de la présente invention est de produire un ensemble d'éclateur perfectionné qui surmonte les limitations de la technique antérieure. Un autre but de l'invention est de produire un ensemble d'éclateur, qui comprend: un premier plot de liaison électriquement conducteur, qui possède une électrode; un deuxième plot de liaison électriquement conducteur qui possède une électrode, chaque électrode de chaque plot étant à une certaine distance de l'autre électrode; au moins un autre matériau électriquement conducteur revêtant et isolant le premier plot de liaison et l'électrode, ainsi que le deuxième plot de liaison et l'électrode; et un éclateur disposé dans l'autre matériau entre électrodes et plots isolés. Un autre but d'un mode de réalisation de l'invention est de produire un ensemble d'éclateur, qui comprend: un plot de liaison électriquement conducteur possédant une électrode, le plot comportant une couche d'un premier matériau électriquement conducteur, qui le recouvre; une couche d'un deuxième matériau électriquement conducteur, qui est en communication électrique avec l'électrode; au moins un éclateur se trouvant dans la couche du deuxième matériau; et une pluralité de sections de résistances distinctes qui sont solidaires du deuxième matériau et sont adjacentes à l'éclateur, afin de réduire la tension apparaissant dans l'éclateur du fait d'une décharge électrostatique. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une représentation simplifiée d'un éclateur selon la technique antérieure; - la figure 2 est une représentation simplifiée d'un éclateur employant du silicium polycristallin; - la figure 3 est une représentation simplifiée d'un éclateur selon un mode de réalisation de l'invention; et - la figure 4 est une représentation simplifiée d'un éclateur selon un autre mode de réalisation de l'invention. Dans le texte, on emploie des numéros de référence identiques pour désigner des éléments identiques. La figure 1 représente le montage d'un éclateur selon la technique antérieure, le montage étant désigné dans son ensemble par le numéro 10, l'éclateur étant désigné par le numéro 12, tandis qu'une électrode est désignée par 14 et des plots de liaison par 15. De tels montages ne se sont pas révélés satisfaisants pour la protection ESD des circuits intégrés, et cela pour un certain nombre de raisons. La première raison est que la tension de claquage de ce genre de montage est trop élevée. En deuxième lieu, l'aluminium couramment utilisé pour les électrodes 14 tend à fondre en formant un circuit ouvert ou des trajets conducteurs sur le circuit intégré, à la suite d'une décharge ESD. En outre, des traitements de l'ordre inférieur au micron atteignent aujourd'hui des dimensions pour lesquelles il est possible que le champ électrique tire des atomes de part et d'autres sans qu'il soit besoin d'une ionisation par impacts (avalanche). Ceci peut conduire à l'existence d'éclateurs basse tension. En ce qui concerne l'utilisation du métal dans l'éclateur, la matière plastique est plus souhaitable si l'on considère que l'utilisation de silicium poly- cristallin pour l'éclateur réduit fortement les problèmes de fusion et de court- circuit, au contraire de l'aluminium et des alliages d'aluminium qui sont couramment utilisés, comme il en est employé dans l'exemple de la figure 1. Le mode de réalisation de la figure 2 prévoit une couche de silicium polycristallin 16 pour un éclateur qui possède des électrodes isolées écartées de l'éclateur 18. La couche de silicium polycristallin est placée sous le plot de liaison de faç,on à éviter des contacts spéciaux avec le silicium polycristallin. I a en outre été découvert que, en agrandissant la partie active de l'éclateur par utilisation d'extrémités carrées, on dissipe la chaleur sur une aire plus grande, on obtient une élévation de température notablement réduite, ce qui améliore les performances de traitement de puissance par l'éclateur. Le mode de réalisation de la figure 2 combine la plus grande aire et le matériau de silicium polycristallin. On se reporte maintenant à la figure 3, qui montre un mode de réalisation de l'invention. En incorporant une résistance répartie en silicium poly- cristallin se présentant sous la forme d'une pluralité de sections de résistances solidaires 24 au voisinage de la partie active de l'éclateur, qui est désignée par le numéro de référence 22 dans cet exemple, on obtient trois avantages, à savoir: la dissipation se répartit plus uniformément sur l'éclateur et dans la résistance de silicium polycristallin; il y a réduction de la puissance dissipée dans l'éclateur; et la résistance sépare et isole le contact de l'aluminium au silicium polycristallin, sensible à la chaleur, se trouvant sur le plot de liaison, vis-à-vis de la partie très chaude de l'éclateur, de manière à ainsi réduire la formation de trajets conducteurs, et analogue. Il est apparu que si l'on utilisait le silicium polycristallin sur le plot de liaison 15, le dispositif devenait plus robuste. Le problème le plus difficile est de trouver un moyen d'obtenir l'action de l'éclateur dans un boîtier de matière plastique. Des résultats expérimentaux indiquent que certaines configurations d'éclateurs semblent produire un effort local suffisant, à l'interface de la matière plastique avec le silicium polycristallin, pour produire une délamination assez importante pour qu'une étincelle soit produite. L'énergie pouvant être dissipée sans produire un courant de fuite important est toutefois beaucoup plus faible que pour un éclateur fonctionnant à l'air libre. Pour compenser les performances relativement médiocres en matière de dissipation d'énergie, l'utilisation de résistances de charge devient très importante. La figure 4 montre, à titre d'exemple, une forme pratique d'éclateur incorporant deux éclateurs conçus de manière à comporter une pluralité de résistances en silicium polycristallin. Le montage représenté est destiné à un processus faisant intervenir une tension de claquage d'oxyde de champ de 1 000 V depuis la résistance en silicium polycristallin 26. La valeur de résistance en couche du silicium polycristallin est de 20 ohms par carré. Le montage comporte une deuxième couche de silicium polycristallin 28 qui possède une résistance de 400 ohms par carré. Au contraire du cas d'une protection d'entrée normale, presque toute l'énergie ESD doit être absorbée sur la puce (non représentée). Toutefois, la résistance série ne doit pas être maintenue au minimum et les résistances 24 sont conçues ici de façon à produire une contrainte dans l'interface matière plastique/silicium polycristallin, à dissiper l'énergie, à faire chuter la tension et à séparer les électrodes de contact vis-à-vis de la zone chaude de l'éclateur 22. La disposition et les valeurs de résistance dépendent des paramètres électriques du processus intervenant pour le circuit intégré. De ce point de vue, la figure 4 correspond à un exemple adapté à un processus spécifique. D'autres montages tout à fait différents peuvent être utilisés pour tirer avantage des techniques révélées ici et pour prendre en charge les détails de processus différents. Le système représenté comporte deux réseaux identiques de résistances 24 disposés en parallèle et, par commodité, un seul réseau sera décrit. Lorsqu'une décharge ESD se produit entre le plot 15 et le rail d'alimentation électrique 30, la haute tension est tenue par la résistance de silicium polycristallin 26, laquelle possède une tension de claquage plus élevée, vis-à-vis du substrat, que la résistance de silicium polycristallin 24. La résistance de silicium polycristallin 26 conduit, via le premier ensemble de résistances 24, à l'éclateur 22, qui claque, et le courant de la décharge ESD passe dans la deuxième résistance de silicium polycristallin 24 pour atteindre les rails d'alimentation 30. La tension se divise entre les trois résistances, qui absorbent l'énergie et limitent l'énergie dissipée dans la décharge de l'étincelle. Dans cette forme particulière de mise en oeuvre, approximativement la moitié de la tension ESD chute sur les résistances, de sorte que, pour une décharge ESD de 2 kV, la résistance de sortie du circuit rencontre une tension inférieure à 1 kV. L'extrémité opposée de la résistance d'entrée de valeur élevée est protégée par une diode de protection classique (non représentée). La géométrie particulière des résistances et l'éclateur sont conçus pour favoriser l'existence d'un effort mécanique pendant la mise sous boîtier par suite d'une dilatation thermique différente entre la résistance et la matière plastique, de sorte qu'une minuscule cavité se forme au niveau de l'éclateur. A titre de variante, on pourra utiliser, à la place du silicium poly- cristallin, un métal ayant un point de fusion plus élevé que l'aluminium. Le dessin de la forme du silicium polycristallin est empirique et pourrait probablement être améliorée. Toutefois, les géométries classiques semblent être inefficaces. La partie résistive de la structure, qui produit l'effort mécanique, des extrémités des barres semble être importante. On pourrait utiliser, pour la structure et l'éclateur, toute couche de silicium polycristallin ou toute couche conductrice ayant un point de fusion suffisamment élevé. Les idées exprimées dans cette demande de brevet peuvent être appliquées à tout circuit intégré de silicium qui demande à être protégé contre les hautes tensions. L'invention peut aussi être appliquée à une sorte quelconque de circuit intégré, notamment lorsqu'on n'utilise que des couches conductrices qui sont communes à un circuit intégré (par exemple MOS HI/V, comme gallium-arsenic, carbure de silicium, bipolaire). Il est possible d'appliquer l'invention à l'extérieur de circuits intégrés, o des éclateurs très finement définis sont nécessaires. Une telle application pourrait consister en un système de protection externe, monté sur un module à plusieurs puces. Les circuits micromécaniques ressortent d'une technique naissante, qui est due à la découverte des dommages faits par les décharges ESD. Ces minuscule composants sont très sensibles aux décharges ESD, mais, dans de nombreux cas, il n'y a pas de circuits électroniques pour fournir des diodes de protection. Il serait simple et rentable, du point de vue du coût, d'intégrer dans ces dispositifs un éclateur latéral. Des groupements d'éclateurs pourraient être utilisés pour les détecteurs de particules nucléaire, l'ionisation étant utilisée pour déclencher l'éclateur et fournir des informations sur la position, l'intensité et le temps. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des dispositifs dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble d'éclateur (10), caractérisé en ce qu'il comprend: un premier plot de liaison électriquement conducteur (15) qui possède une électrode (20); un deuxième plot de liaison électriquement conducteur (15) qui possède une électrode (20), chaque électrode de chaque plot étant suivant une relation d'écartement avec l'autre électrode; au moins un autre matériau électriquement conducteur (16, 24) recouvrant et isolant ledit premier plot de liaison et l'électrode ainsi que ledit deuxième plot de liaison et l'électrode; et un éclateur (22) se trouvant dans ledit autre matériau entre électrodes et plots isolés. 2. Ensemble d'éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit autre matériau électriquement conducteur (16, 24) comprend au moins une couche partiellement conductrice de matériau. 3. Ensemble d'éclateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit autre matériau électriquement conducteur (16, 24) comprend un matériau dont le point de fusion est supérieur à celui de l'aluminium. 4. Ensemble d'éclateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau (16, 24) comprend le silicium polycristallin. 5. Ensemble d'éclateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau (16, 24) comporte une pluralité de sections de résistances distinctes (24) solidaires de chaque plot et électrode isolés afin de commander l'énergie électrostatique présente dans ledit éclateur (22). 6. Ensemble d'éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé en combinaison avec un circuit intégré. 7. Ensemble d'éclateur, caractérisé en ce qu'il comprend: un plot de liaison électriquement conducteur (15) qui possède une électrode, ledit plot comportant, sur lui, une couche d'un premier matériau électriquement conducteur (16, 26); une couche d'un deuxième matériau électriquement conducteur (28), qui est en communication électrique avec ladite électrode; au moins un éclateur (22) se trouvant dans ladite couche de deuxième matériau (28); et une pluralité de sections de résistances distinctes (24) qui sont solidaires dudit deuxième matériau et adjacentes audit éclateur afin de réduire la tension présente dans ledit éclateur du fait d'une décharge électrostatique. 8. Ensemble d'éclateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit deuxième matériau (28) comporte en outre un moyen de connexion à des rails d'alimentation électrique (30). 9. Ensemble d'éclateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite couche du premier matériau (26) et ladite couche du deuxième matériau (28) ont des valeurs de résistance différentes. 10. Ensemble d'éclateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins l'un desdits premier et deuxième matériaux (26 et 28) comprend du silicium polycristallin