Brevet FR2815471A1 — publié le 20020419

COMPOSANT VERTICAL À TENUE EN TENSION ÉLEVÉE La présente invention concerne les composants de puissance et plus particulièrement les structures périphériques per- mettant la tenue en tension de ces composants. L'invention vise plus particulièrement des composants"quatre couches"tels que des thyristors ou triacs à structure de type en caisson. La figure 1 est une vue en coupe extrêmement schématique et simplifiée d'une structure de thyristor en caisson constituée à partir d'un substrat 1 faiblement dopé de type N. Le thyristor est délimité par un mur d'isolement 2 de type P. La face arrière est uniformément revêtue d'une couche 3 de type P. Du côté de la face avant, on trouve dans un caisson 4 de type P une région 5 fortement dopée de type N constituant la cathode du thyristor. Une électrode (non représentée) est solidaire de la couche 4 et constitue la gâchette du thyristor. Une métallisation d'anode A est solidaire de la face arrière du composant et une métallisation de cathode K est formée sur la région 5 de type N+. De façon classique, cette région 5 est munie de courts-circuits d'émetteur, c'est-à-dire que la couche N+ est interrompue par endroits et que la métallisation K est en contact avec des portions de la couche 4 de type P. La figure 2 représente de façon tout aussi simplifiée et schématique la structure d'un triac. Ce triac est formé à partir d'un substrat 1 faiblement dopé de type N entouré d'un mur disclement 2 dopé de type P. Le triac peut être considéré comme constitué de deux thyristors en anti-parallèle. Le premier thyristor comprend successivement de son anode à sa cathode la couche inférieure 3, le substrat 1, le caisson 4 de type P et la région 5 de type N+. Le deuxième thyristor comprend de son anode à sa cathode le caisson 4 de type P, le substrat 1, la région 5 de type P et une région 7 de type N+ formée du côté de la face inférieure sensiblement en regard de la partie du caisson 4 dans laquelle n'est pas formée la région 5. Comme dans le cas du thyristor de la figure 1, il est prévu du côté de la face supérieure une région de gâchette et une métallisation de contact de gâchette (non représentée). Une métallisation Al recouvre la face arrière. Une métallisation A2 est en contact avec la région N+ 5 et le caisson P 4. De façon classique, les régions 5 et 7 sont munies de courts-circuits d'émetteur. Les structures verticales des diverses couches représentées sont optimisées pour obtenir des caractéristiques visées du thyristor ou du triac, notamment de sensibilité aux variations de tension, de sensibilité aux variations de courant, de chute de tension à l'état passant, de seuil de courant de déclenchement de gâchette, de tenue en tension, etc. Néanmoins, la tenue en tension en polarisation inverse est en pratique essentiellement assurée par la périphérie du composant comme cela sera exposé ci-après. Un objet de la présente invention est d'améliorer cette périphérie pour optimiser la tenue en tension d'un composant quatre couches tel que décrit précédemment. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un composant vertical à structure 4 couches comprenant une zone épaisse et faiblement dopée d'un premier type de conductivité assurant la tenue en tension de composant, entourée d'un mur périphérique du deuxième type de conductivité s'étendant verticalement d'une face à l'autre du composant, et une couche fortement dopée du deuxième type de conductivité s'étendant sur toute la face arrière du composant. Une couche faiblement dopée du deuxième type de conductivité s'étend sur toute la surface du composant à l'interface entre la zone épaisse faiblement dopée du premier type de conductivité et la couche fortement dopée du deuxième type de conductivité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant est un triac, comprenant une zone fortement dopée du premier type de conductivité formée du côté de la face arrière dans la couche fortement dopée du premier type de conductivité, dans lequel ladite couche faiblement dopée est interrompue en regard de ladite zone fortement dopée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la zone fortement dopée est munie de courts-circuits d'émetteur et des portions de la couche faiblement dopée sont maintenues en regard desdits courts-circuits d'émetteur. 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 : la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un thyristor ; la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un triac ; la figure 3 est une vue en coupe d'une structure de périphérie classique de thyristor/triac ; la figure 4 est une vue en coupe d'une structure de périphérie d'un thyristor/triac selon la présente invention ; et la figure 5 est une vue en coupe d'une structure de périphérie d'un triac selon une variante de la présente invention. Conformément à l'usage dans le domaine de la représentation des semiconducteurs, les diverses couches ne sont pas tracées à l'échelle, ni dans leurs dimensions horizontales, ni dans leurs dimensions verticales. La figure 3 représente essentiellement la partie périphérique d'un composant. A droite de cette figure, on peut voir les éléments constitutifs d'un thyristor ou d'un triac désignés par les mêmes références qu'en figures 1 et 2, à savoir, de l'anode à la cathode, une couche 3 de type P s'étendant sur toute la face arrière, un substrat 1 faiblement dopé de type N, un caisson 4 de type P et une région 5 fortement dopée de type N, à l'intérieur de laquelle on a représenté un trou de court-circuit d'émetteur. La périphérie du composant est occupée par un mur d'isolement 2 généralement formé par diffusion profonde à partir des faces supérieure et inférieure du substrat. La première précaution à prendre pour assurer une tenue en tension satisfaisante en polarisation inverse est que la distance latérale entre la limite du mur d'isolement 2 de type P et la région 4 de type P du côté de la face supérieure du substrat soit au moins égale à l'épaisseur du substrat 1. En outre, on prévoit généralement une région 11 d'arrêt de canal revêtue d'une métallisation 12 s'étendant éventuellement vers l'intérieur pour former plaque de champ. La région 4 de type P peut être entourée d'un anneau 13 faiblement dopé de type P. Un contact peut être repris sur une partie plus fortement dopée 14 de la surface supérieure du mur 2, par une métallisation 15 qui revient vers l'intérieur du composant et forme également plaque de champ. Des régions N+ 16 formées à la périphérie du composant et fortement dopées au phosphore servent de piégeage d'impuretés (getter). Comme on peut le voir, les moyens classiques pour augmenter la tension de claquage d'un composant sont essentiellement prévus pour réduire la probabilité pour qu'il se produise des claquages au niveau de la face supérieure du substrat. En effet, c'est a priori cette face supérieure qui est la plus sensible, les côtés (mur 3) et le fond (couche 4) du composant constituant une même équipotentielle. Toutefois, quelles que soient les précautions prises, il se produit inévitablement un claquage à une certaine tension. Pour augmenter la tension de claquage, on a recherché dans l'art antérieur diverses solutions. Une première solution consiste à augmenter la résistivité du substrat (diminuer son niveau de dopage) mais alors la résistance à l'état passant (Ron) du composant augmente, et la susceptibilité à des déclenchements liés à des variations brutales de courant (di/dt) lors de commutations augmente également. Une autre solution consiste à augmenter la distance entre la limite des parties actives (région P 4) et le mur d'isolement. Ceci présente bien évidemment l'inconvénient d'augmenter la surface de la puce. Une autre solution consiste à former une région faiblement dopée de type P à la périphérie interne de la face supérieure du mur d'isolement, de façon similaire à la région 13. Cette solution comme la précédente conduit à une augmentation de surface de la puce. De plus, en dépit de leurs inconvénients, ces deux dernières solutions n'ont pas apporté d'avantages notables de tenue en tension. En conséquence, la demanderesse a analysé à nouveau le phénomène de claquage en inverse de la structure et a réalisé divers essais et simulation pour vérifier les hypothèses effectuées. Ainsi, la demanderesse a considéré que le claquage en inverse survient essentiellement en raison de la courbure marquée des lignes de champ dans la région 18 correspondant à l'intersection entre le mur d'isolement 2 et la couche de type P de face inférieure 3. Pour résoudre ce problème, comme le représente la figure 4, la présente invention propose de former une couche 21 faiblement dopée de type P à l'interface entre le substrat 1 faiblement dopé de type N et la couche fortement dopée de type P de face arrière 3. Des simulation et des essais effectués par la demanderesse montrent que, quand une telle couche est utilisée, le cla- quage n'intervient plus à la périphérie du composant mais dans une zone centrale de celui-ci. On a donc obtenu la tenue en tension maximum possible liée aux caractéristiques de la structure verticale du composant 4 couches. Selon un avantage de l'inven- tion, ce résultat est obtenu sans augmentation de surface par rapport à la structure classique de la figure 3. Dans un exemple réel, alors qu'un composant du type de celui de la figure 3 sans la couche 21 de type P présentait une tension de claquage en inverse de l'ordre de 1050 volts, un composant selon la présente invention muni de la couche 21 présentait une tension de claquage de 1350 volts, soit une amélioration supérieure à 25%. Le seul inconvénient de la présence de la couche 21 dans le cas d'un thyristor est une légère augmentation de la chute de tension à l'état passant qui passe de 1,25 à 1,32 volts sous 11 ampères, soit une augmentation inférieure à 5% négligeable en pratique dans la plupart des applications. Dans le cas où le composant est un triac, on s'est aperçu qu'en plus de cet inconvénient, le courant de seuil du déclenchement du triac dans le quadrant Q3 (électrode Al positive, électrode A2 négative, gâchette négative). Pour pallier cet inconvénient, selon la présente invention, comme cela est illustré en figure 5, on propose d'interrompre la couche de type P 21 en regard de la région de type N 7 de face arrière, cette couche 21 demeurant seulement en dehors des zones situées au-dessus de cette couche 7 (voir figures 2 et 5) et au-dessus des régions de court-circuit d'émetteur. Cette solution donne de bons résultats à savoir que la sensibilité dans le quadrant Q3 n'est pas dégradée de façon observable et que la tenue en tension est de 1220 volts, soit une augmentation de 15% au lieu de 25%. On notera que l'insertion de la région de type P faiblement dopée selon la présente invention ne complique pas le processus de fabrication de la structure. En effet, cette région de type P peut être fabriquée en même temps que la région de type P 13, juste après la formation des murs d'isolement 2. Cette région de type P 13 aura par exemple une concentration en surface de 1015 atomes/cm3 et une profondeur de pénétration de 50 ohm. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Tous les types de conductivité pourront être inversés. L'invention s'applique à diverses variantes de composants 4 couches autres que des thyristors et triacs. Divers perfectionnements classiquement apportés à ces composants pourront être cumulés avec la présente invention. REVENDICATIONS 1. Composant vertical à structure 4 couches comprenant une zone épaisse et faiblement dopée (1) d'un premier type de conductivité assurant la tenue en tension de composant, entourée d'un mur périphérique (2) du deuxième type de conductivité s'étendant verticalement d'une face à l'autre du composant, et une couche fortement dopée (3) du deuxième type de conductivité s'étendant sur toute la face arrière du composant, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche faiblement dopée (21) du deuxième type de conductivité s'étendant sur toute la surface du composant à l'interface entre la zone épaisse faiblement dopée du premier type de conductivité et la couche fortement dopée du deuxième type de conductivité. 2. Composant vertical selon la revendication 1, constituant un triac, comprenant une zone fortement dopée du premier type de conductivité (7) formée du côté de la face arrière dans la couche fortement dopée du premier type de conductivité (3), dans lequel ladite couche faiblement dopée (21) est interrompue en regard de ladite zone fortement dopée (7). 3. Composant selon la revendication 2, dans lequel ladite zone fortement dopée (7) est munie de courts-circuits d'émetteur et dans lequel des portions de ladite couche faiblement dopée (21) sont maintenues en regard desdits courts-circuits d'émetteur.