Brevet FR2871295A1 — publié le 20051209

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de protection contre les surtensions et son procédé de fabrication et, plus particulièrement, un dispositif de protection contre les surtensions comprenant une région de limitation de tension prévue sur une surface de contact centrale de celui-ci afin de définir la tension de claquage et le courant de gâchette. De ce fait, la présente invention permet au dispositif de protection contre les surtensions de réguler la tension de claquage et le courant de gâchette. ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION Les procédés de fabrication de composants électroniques sont devenus de plus en plus précis depuis quelques temps et leurs dimensions sont également devenues de plus en plus réduites. Par conséquent, les dispositifs utilisés pour protéger les composants électroniques contre les dommages consécutifs à des effets électriques, comme de l'électricité statique, des surtensions, des arcs électriques par exemple, etc., revêtent une importance de plus en plus forte également. Par exemple, les dispositifs de protection des thyristors contre les surtensions sont utilisés de façon extensive dans les systèmes de communication modernes. Ces dispositifs sont utilisés pour protéger les systèmes de communication contre les dommages consécutifs à des éclairs frappant les lignes de transmission, des court circuits se produisant sur les lignes d'alimentation électrique de voisinage, ou tous autres événements inattendus. Ces dispositifs peuvent empêcher les dommages provoqués par les effets de surtension. Le dispositif de protection à thyristor contre les surtensions est un dispositif à semi-conducteur conçu pour dévier la pointe de surtension par rapport à la ligne de transmission, avant qu'elle n'atteigne le système de communication. Il peut être utilisé par conséquent pour protéger le système de communication. Lorsque le système fonctionne normalement, ce dispositif de protection est maintenu dans un état de résistance élevée, c'est-à-dire dans un état d'arrêt. Dans ce cas, seul le courant de fuite, qui est inférieur à un microampère, peut passer à travers ce dispositif. Il ne risque donc pas d'affecter le fonctionnement du système tout entier. Lorsqu'une pointe de surtension se produit sur les lignes de transmission, ce dispositif se commute à un état de résistance faible, c'est-à-dire à un état de marche. Ce dispositif peut donc alors dévier la pointe de surtension du système de communication. Une fois que la pointe de surtension est terminée, le dispositif de protection contre les surtensions se commute à nouveau dans son état d'arrêt, et le système de communication reprend son fonctionnement normal. Les caractéristiques du courant et de la tension de ce dispositif de protection contre les surtensions sont représentées sur la figure 1, qui est une courbe schématique illustrant le rapport de la tension (V) au courant (I) du dispositif de protection conventionnel contre les surtensions. En général, le dispositif de protection des thyristors contre les surtensions comporte deux électrodes en métal et une structure à semi-conducteur à intercalation à quatre couches qui est intercalée par des couches de type NPNP ou PNPN, par exemple. La couche supérieure de ce dispositif de protection est une région d'émetteur comme, par exemple, la région de cathode; la deuxième couche est une région de base; la troisième couche est une région de substrat; et la quatrième couche est une région d'anode. Ici, les deux électrodes en métal sont agencées sur les surfaces de la région d'émetteur et de la région d'anode, respectivement. La jonction entre la région de base et la région de substrat constitue la jonction centrale de ce dispositif de protection. Lorsque le fonctionnement est normal, la jonction centrale est polarisée en inverse. Lorsque la polarité inversée augmente, un claquage se produit au niveau de la jonction centrale. Comme représenté sur le dessin, lorsque le courant de claquage atteint 1 mA, la tension dans le dispositif de protection est définie en tant que la tension de claquage (Vz). Si la tension augmente de manière constante à ce moment-là, le courant de claquage augmente rapidement, ce qui entraîne la commutation du dispositif de protection à l'état de marche. La tension et le courant qui entraînent la commutation du dispositif de protection à l'état de marche, sont définis en tant que la tension de gâchette (VBO) et le courant de gâchette (IBO). Lorsque la pointe de surtension se produit et atteint la tension de gâchette (VBO), le dispositif de protection contre les surtensions se commute à l'état de marche afin de guider le courant induit à travers le dispositif de protection et de maintenir la tension dans le dispositif de protection à une valeur relativement faible. Lorsque la pointe de surtension est terminée, le courant qui passe à travers le dispositif de protection diminue de manière constante. Lorsque le courant est inférieur au courant de maintien (IH) du dispositif de protection, le dispositif de protection contre les surtensions se commute à nouveau à l'état d'arrêt (comme représenté sur le dessin) afin que la tension dans le dispositif de protection retourne à la normale et que le système de communication retrouve un fonctionnement normal. Il est fait maintenant référence à la figure 2, qui est un diagramme schématique d'un dispositif de protection contre les surtensions décrit dans le brevet US N 4 967 256. Le dispositif de protection à thyristor contre les surtensions possède une structure à semi-conducteur à intercalation à quatre couches (PNPN), qui comprend des régions d'émetteur 22 (n++), des points de court-circuit 23 situés entre les régions d'émetteur 22, un substrat 20, une région enterrée unique 25 (n) située à l'intérieur du substrat 20, une région de base 21 (p+), une région d'anode 24, une première région d'électrode en métal 26 reliée aux composants supérieurs, une deuxième région d'électrode en métal 27 reliée aux composants inférieurs, et un anneau de protection 28 (n++) qui entoure la jonction centrale. L'anneau de protection 28 est utilisé afin d'exécuter une répartition régulière de la différence de potentiel de la surface du composant, dans le but d'améliorer la stabilité du dispositif tout entier. En outre, l'anneau de protection 28 ne risque pas d'entraîner la défaillance de ce dispositif à semi-conducteur. Comme représenté sur la figure 2, la région enterrée 25 et le substrat 20 sont tous les deux des semi-conducteurs de type N, mais la région enterrée 25 a une plus forte concentration d'impuretés. La tension de claquage de la jonction entre la région enterrée 25 et le substrat 20 est inférieure à celle entre la région de base 21 et le substrat 20. Par conséquent, lorsque la tension augmente dans le dispositif de protection, l'effet de claquage se produit tout d'abord au niveau de la jonction entre la région de base 21 et la région enterrée 25 et il entraîne le passage du courant de claquage à travers la région enterrée 25 en premier. Cet effet peut améliorer la précision de contrôle de la tension de claquage durant le procédé de fabrication du dispositif. En outre, il peut permettre au dispositif d'avoir un courant de gâchette moins élevé même que celui du dispositif traditionnel sans la région enterrée. Toutefois, en service, ce dispositif de protection contre les surtensions présente quand même des inconvénients. Comme il emploie une région enterrée unique ayant une taille relative petite, sa conductivité est limitée pendant qu'il est commuté à l'état de marche. Il provoque par conséquent un effet d'étranglement, qui réduit la capacité de charge de courant du dispositif. Afin de supprimer cet effet d'étranglement, les brevets US N 5 001 537 et N 5 516 705 décrivent deux types de dispositif de protection contre les surtensions qui emploient des régions enterrées multiples. Toutefois, comme le principe de fonctionnement des dispositifs demeure inchangé, c'est-à-dire, comme décrit ci-dessus, le contrôle de la tension de claquage et du courant de gâchette en employant l'effet selon lequel le claquage se produit en premier au niveau de la jonction entre la région de base et la région enterrée, ce qui est différent par rapport à la présente invention. Par conséquent, la présente invention dispose une région de limitation de tension parallèlement à la jonction centrale du dispositif de protection contre les surtensions durant le processus de fabrication du dispositif à semi-conducteur dans le but de définir la tension de claquage et le courant de gâchette du dispositif. De ce fait, la présente invention est en mesure de proposer un dispositif de protection précis contre les surtensions. Comme ce dispositif ne comporte pas la région enterrée, il peut avoir une capacité de charge de courant plus élevée. RÉSUMÉ DE L'INVENTION Il est un objet de la présente invention de proposer un dispositif de protection contre les surtensions et son procédé de fabrication. La présente invention dispose une région de limitation de tension parallèlement à une jonction centrale du dispositif de protection afin de permettre au dispositif de protection de produire une tension de claquage transversal de la jonction. La région de limitation de tension peut être utilisée pour définir la tension de claquage et le courant de gâchette du dispositif de protection. En faisant varier la taille et la position de la région de limitation de tension, la sensibilité du dispositif de protection à détecter les pointes de surtension peut être considérablement améliorée. De plus, le procédé de fabrication de la présente invention forme une première couche de masquage sur un substrat, elle grave la première couche de masquage de manière à réaliser une pluralité de blocs de masquage servant à définir une première région et une deuxième région, elle forme la région de base à l'intérieur de la deuxième région, elle forme la région de limitation de tension à l'intérieur de la première région; elle forme une région d'émetteur sur la région de base, et elle forme une région d'électrode sur la région d'émetteur. De nombreuses autres caractéristiques, ainsi que de nombreux autres avantages et détails de la présente invention vont être décrits dans la description détaillée de l'invention qui suit. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les aspects qui précèdent, et de nombreux avantages liés de la présente invention, ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée de l'invention qui suit, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est une courbe schématique illustrant le rapport de la tension (V) au courant (I) du dispositif de protection conventionnel contre les surtensions; la figure 2 est un diagramme schématique d'un circuit de protection contre les surtensions décrit dans le brevet US N 4 967 256; la figure 3 est un diagramme en coupe transversale 10 d'un dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention; la figure 4A du premier mode protection contre invention; la figure 4B du deuxième mode protection contre invention; la figure 4C est un diagramme avec vue de dessus de réalisation du dispositif de les surtensions selon la présente est un diagramme avec vue de dessus de réalisation du dispositif de les surtensions selon la présente est un diagramme avec vue de dessus du troisième mode de réalisation du dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention; la figure 5 est un diagramme schématique d'un 25 dispositif de protection bi-directionnel contre les surtensions selon la présente invention; et les figures 6A à 6F illustrent un procédé de fabrication du dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION Il est fait maintenant référence à la figure 3 qui est un diagramme en coupe transversale d'un dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention. Comme le dispositif de l'art antérieur, ce dispositif possède lui aussi une structure à semi-conducteur à intercalation à quatre couches (PNPN). Dans celui-ci, une région de base de type P 32, qui a une concentration en impuretés relativement élevée (p+ ), est placée sur un substrat de type N 30, qui a une concentration en impuretés relativement faible (n-). Une région d'anode 32' est placée de l'autre côté du dispositif. La région de base 32 a des régions d'émetteur 34 disposées dessus. Des régions d'émetteur 34 sont agencées sur la région de base 32. Les régions d'émetteur 34 ont une forte concentration en impuretés et de multiples points de court-circuit d'émetteur 35 sont formés entre celles-ci. La jonction PN entre la région de base 32 et le substrat 30 constitue la jonction centrale du dispositif de protection. La présente invention place en outre une région de limitation de tension 33, qui a la forme d'un anneau, d'un anneau partiel ou de pièces segmentées, et qui a une forte concentration en impuretés (n+), parallèlement à la jonction centrale. De plus, le dispositif de protection a une première région d'électrode 31 et une deuxième région d'électrode 31' placées, respectivement, sur ses surfaces supérieure et inférieure. La région de limitation de tension 33 est constituée par un semiconducteur de type N qui a une concentration en impuretés relativement élevée. Comme sa concentration en impuretés est plus élevée que celle du substrat 30, la tension de claquage transversal de la région de base 32 est inférieure à celle de la jonction PN située entre la partie inférieure de la région de base 32 et le substrat 30. Par conséquent, la tension de claquage du dispositif de protection est déterminée principalement en fonction de l'écart entre la région de base 32 (p+) et la région de limitation de tension 33. Plus cet écart est large, et plus la tension de claquage susceptible d'être obtenue est élevée. À l'inverse, plus cet écart est faible, et moins la tension de claquage susceptible d'être obtenue est élevée. En service, la tension de claquage peut être modifiée en ajustant l'écart entre la région de limitation de tension 33 et la région de base 32 en fonction des besoins pratiques. Comme représenté sur la figure 3, la région de limitation de tension 33 est placée sur un côté de la région de base 32. Dans la pratique, elle n'est pas limitée. La longueur totale de la région de limitation de tension 33 peut être utilisée pour déterminer le courant de gâchette du dispositif de protection contre les surtensions. En d'autres termes, une région de claquage est formée entre la région de limitation de tension 33 et la région de base 32 et le courant de claquage ne peut passer qu'à travers cette région. Lorsque le phénomène de claquage se produit, la longueur totale de la région de limitation de tension 33 est plus importante que la taille de la région de claquage et c'est elle qui contrôle la quantité de courant de claquage qui passe à travers cette région de claquage. Dans ce cas, si la longueur de la région de limitation de tension 33 est peu importante, la région de claquage sera de petite taille et le courant de claquage sera faible. Comme représenté sur la figure 1, lorsque le dispositif de protection est commuté à l'état de marche, le courant de claquage est défini en tant que le courant de gâchette (IBO) du dispositif de protection. Par conséquent, l'utilisation de la région de limitation de tension 33 dont la longueur est peu importante, permet de réduire efficacement le courant de gâchette (IBO). En outre, comme le courant de gâchette qui commande la commutation du dispositif de protection à l'état d'arrêt est moins élevé, un dispositif de protection contre les surtensions sensible aux pointes de surtension peut être obtenu. Les modes de réalisation préférés sont décrits ici de la façon suivante. Il est fait maintenant référence à la figure 4A, qui est un diagramme avec vue de dessus du premier mode de réalisation du dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention. La partie supérieure du substrat semi-conducteur 30 est entourée par une région de limitation de tension circulaire 33a constituée par un semi-conducteur de type N. Il y a un écart entre la région de limitation de tension 33a et la région de base 32 constituée par un semi-conducteur de type P. La région d'émetteur 34 se situe à l'intérieur de la région de base 32. Les nombreux trous représentés sur le dessin correspondent aux points de court-circuit d'émetteur 35. La région d'émetteur 34 comporte une première région d'électrode 31 agencée sur celle-ci. En général, la première région d'électrode 31 est une couche métallique utilisée pour la connexion avec les autres composants. Il est fait maintenant référence à la figure 4B, qui est un diagramme avec vue de dessus du deuxième mode de réalisation du dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention. Sur ce dessin, la partie hachurée 40 correspond à la vue en éclaté représentée sur la figure 3. Les composants de la présente invention peuvent être modifiés selon les besoins pratiques. Ici, la partie supérieure du substrat semi-conducteur 30 est entourée par une région de limitation de tension semi circulaire 33b constituée par un semi- conducteur de type N. Il y a un écart entre la région de limitation de tension 33b et la région de base 32 constituée par un semi-conducteur de type P. La région d'émetteur 34 se situe à l'intérieur de la région de base 32 et elle comporte les nombreux points de court- circuit d'émetteur 35. La région d'émetteur 34 a la première région d'électrode 31 agencée sur celle-ci. Il est fait maintenant référence à la figure 4C, qui est un diagramme avec vue de dessus du troisième mode de réalisation du dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention. Sur ce dessin, la partie hachurée 40 correspond à la vue en éclaté représentée sur la figure 3. La présente invention peut être modifiée pour s'adapter aux besoins pratiques. Ici, la partie supérieure du substrat semi-conducteur 30 est entourée par une région de limitation de tension semi-circulaire segmentée 33c constituée par un semi-conducteur de type N. Il y a un écart entre la région de limitation de tension 33c et la région de base 32 constituée par un semi-conducteur de type P. La région d'émetteur 34 se situe à l'intérieur de la région de base 32 et elle comporte les nombreux points de court-circuit d'émetteur 35. La région d'émetteur 34 a la première région d'électrode 31 agencée sur celle-ci. En prenant la figure 4C comme exemple, l'utilisation d'une région de limitation de tension segmentée ne réduit pas seulement la longueur totale de cette région de limitation de tension; elle peut aussi diffuser uniformément le phénomène de claquage sur une longueur plus importante autour du dispositif. Elle peut donc faire baisser le courant de gâchette et faire augmenter la capacité de dissipation de courant dans le but d'améliorer la stabilité du dispositif. Il est fait maintenant référence à la figure 5, qui est un diagramme schématique d'un dispositif de protection bi-directionnel contre les surtensions selon la présente invention. Dans celui-ci, les deux côtés opposés du substrat 50 sont tous les deux pourvus d'un dispositif de protection contre les surtensions, comprenant une première et une deuxième région de base 52a, 52b constituées par des semi-conducteurs de type P, une première et une deuxième région de limitation de tension 53a, 53b agencées des deux côtés, une première et une deuxième région d'émetteur 54a, 54b agencées respectivement sur les régions de base, des premiers et deuxièmes points de court-circuit d'émetteur multiples 55a, 55b formés à l'intérieur des régions d'émetteur, et une première et une deuxième région d'électrode 51a, 51b agencées sur les deux surfaces du dispositif. Le dispositif de protection contre les surtensions représenté sur la figure 3 est un dispositif uni-directionnel qui n'est doté que de fonctions uni-directionnelles de protection contre les surtensions. Toutefois, le dispositif de protection bi-directionnel contre les surtensions représenté sur la figure 5 peut assurer des fonctions de protection bi-directionnelles dans les systèmes de communication qui fonctionnent avec des tensions alternatives. Il est fait maintenant référence aux figures 6A à 6F, qui illustrent un procédé de fabrication du dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention. Ce procédé de fabrication est utilisé pour produire le dispositif de protection uni-directionnel. Les dispositifs bidirectionnels ou multi-directionnels peuvent également être réalisés selon ce procédé. Comme représenté sur la figure 6A, une première couche de masquage 61 est formée sur un substrat 60 par un procédé d'oxydation ou de dépôt. Le substrat 60 est principalement réalisé en silicium (Si) et la première couche de masquage 61 peut être réalisée en SiO2 ou dans un autre couche membraneuse (comme du Si3N4 par exemple). Comme représenté sur la figure 6B, selon des procédés de lithographie et de gravage, la première couche de masquage 61 peut être gravée de manière à former les blocs de masquage 61a, 61b, 61c et des régions multiples, comme représenté sur la figure 6b. Ici, la première région 601, qui deviendra la région de limitation de tension, est définie entre les blocs de masquage 61a et 61b. La deuxième région 602, qui deviendra la région de base, est définie entre les blocs de masquage 61b et 61 c. La largeur du bloc de masquage 61b correspond à l'écart entre la première région 601 (région de limitation de tension) et de la deuxième région 602 (région de base), et elle est utilisée pour déterminer la valeur de tension de claquage de ce dispositif. Comme représenté sur la figure 6C, un procédé de diffusion ou un procédé d'implantation ionique sélectionné est utilisé pour diffuser ou implanter les atomes d'impureté dans la deuxième région 602 de manière à former la région de base 62 du dispositif, c'est-à-dire la région à semi-conducteur de type P représentée sur le dessin. Comme représenté sur la figure 6D, le procédé de diffusion ou le procédé d'implantation ionique sélectionné est également utilisé pour diffuser ou implanter les atomes d'impureté dans la première région 601 de manière à former la région de limitation de tension 63 de la présente invention. Comme représenté sur la figure 6E, le procédé de diffusion ou le procédé d'implantation ionique sélectionné est également utilisé pour diffuser ou implanter les atomes d'impureté en forte concentration dans la région de base 62 de manière à former la région d'émetteur à forte concentration 64 et les points de court-circuit d'émetteur 65. Enfin, comme représenté sur la figure 6F, une couche de métal est déposée sur la région d'émetteur 64 afin de servir de région d'électrode 66 pour la conduction électrique. Et le procédé de fabrication du dispositif de protection se termine avec cette étape. De plus, sur la figure 6E mentionnée ci-dessus, l'étape consistant à réaliser la région d'émetteur peut également être exécutée immédiatement après que la région de base a été formée. La présente invention n'est pas limitée à la séquence de fabrication décrite ci-dessus. Les étapes décrites ci-dessus peuvent également être répétées ou exécutées en même temps sur les deux côtés du substrat de manière à fabriquer le dispositif de protection bi-directionnel ou multi- directionnel contre les surtensions. La présente invention dispose une région de limitation de tension parallèlement à la jonction centrale du dispositif de protection contre les surtensions. En faisant varier la taille et la position de la région de limitation de tension, la présente invention peut définir la tension de claquage et le courant de gâchette de manière à produire un dispositif de protection contre les surtensions qui soit sensible au phénomène de pointes de surtension. Bien que la présente invention ait été décrite en référence au mode de réalisation préféré de celle-ci, il est bien entendu que l'invention ne se limite pas aux détails de celui-ci. Diverses substitutions et modifications ont été suggérées dans la description qui précède, et d'autres encore sembleront évidentes aux hommes de métier. Par conséquent, toutes ces SR 25190 TW/JL 2871295 substitutions et modifications sont considérées comme entrant dans la portée de la présente invention, telle qu'elle est définie dans les revendications annexées. Selon un mode de réalisation particulier, la région de limitation de tension ou la région d'émetteur sont constituées par un semi-conducteur de type P, et la région de base est constituée par un semi-conducteur de type N. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif de protection contre les surtensions, dans lequel une région de limitation de tension entoure une région de base du dispositif de protection contre les surtensions de manière à contrôler une tension de claquage et un courant de gâchette, le procédé comprenant les étapes consistant à : former une première couche de masquage sur un substrat; graver la première couche de masquage de manière à réaliser une pluralité de blocs de masquage afin de définir une première région et une deuxième région; former la région de base à l'intérieur de la deuxième région; former la région de limitation de tension à l'intérieur de la première région; former une région d'émetteur sur la région de base; et former une région d'électrode sur la région d'émetteur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la région de limitation de tension a une première concentration en impuretés qui est plus forte qu'une deuxième concentration en impuretés du substrat. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la région de limitation de tension et la région de base produisent un phénomène de claquage transversal entre elles. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la tension de claquage est définie en fonction de l'écart entre la région de limitation de tension et la région de base. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la région de base est complètement ou partiellement entourée par la région de limitation de tension selon une forme continue ou une forme segmentée. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à former la région de base, la région de limitation de tension ou la région d'émetteur, est exécutée selon un procédé de diffusion ou un procédé d'implantation ionique. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le substrat, la région de limitation de tension ou la région d'émetteur sont constitués par un semi-conducteur de type N, et la région de base est constituée par un semi-conducteur de type P. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la région de limitation de tension ou la région d'émetteur sont constituées par un semi- conducteur de type P, et la région de base est constituée par un semi- conducteur de type N. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une structure du dispositif de protection contre les surtensions est fabriquée de manière répétée afin de former un dispositif de protection bi-directionnel ou multi-directionnel contre les surtensions. 10. Dispositif de protection contre les surtensions, comprenant: un substrat; une région de base placée sur le substrat; une pluralité de régions d'émetteur placées sur la région de base; et une région de limitation de tension agencée de manière à entourer la région de base. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le substrat, la région de limitation de tension ou la région d'émetteur sont constitués par un semi-conducteur de type N, et la région de base est constituée par un semi-conducteur de type P. 12. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel la région de limitation de tension ou la région d'émetteur sont constituées par un semi-conducteur de type P, et la région de base est constituée par un semi-conducteur de type N. 13. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel la région de limitation de tension a une première concentration en impuretés plus forte qu'une deuxième concentration en impuretés du substrat. 14. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le dispositif de protection contre les surtensions est un dispositif de protection bidirectionnel ou multi-directionnel contre les surtensions. 15. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel la région de base est complètement ou partiellement entourée par la région de limitation de tension selon une forme continue ou une forme segmentée.