Brevet FR2963984A1 — publié le 20120224

B10454 - 10-T0-196 1 DIODE DE SHOCKLEY À FAIBLE TENSION DE DÉCLENCHEMENT Domaine de l'invention La présente invention concerne des structures de protection de type diode de Shockley. Elle vise plus particulièrement la réalisation de telles structures à faibles tensions de déclenchement. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente de façon très schématique une structure de protection bidirectionnelle de type double diode de Shockley, connectée entre des bornes Al et A2 d'un circuit à protéger (non représenté). Cette structure comprend deux diodes de Shockley 1 et 3 en antiparallèle entre les bornes Al et A2. La diode 1 est constituée d'un empilement à quatre couches, respectivement la à 1d, de types de conductivité alternés. La couche la, de type P, est connectée à la borne Al, et la couche 1d, de type N, est connectée à la borne A2. La diode 3 est constituée d'un empilement à quatre couches, respectivement 3a à 3d, de types de conductivité alternés. La couche 3a, de type P, est connectée à la borne A2, et la couche 3d, de type N, est connectée à la borne Al. Lorsqu'une surtension positive survient entre les bornes Al et A2 et dépasse un certain seuil VBR, la jonction NP bloquante de la diode 1, formée par les régions lb et 1c, B10454 - 10-T0-196 2 devient conductrice par effet d'avalanche. Ensuite, par effet thyristor, la chute de tension aux bornes de la diode 1 devient nettement inférieure à la tension d'avalanche. Lorsqu'une surtension négative survient entre les bornes Al et A2, la surtension est évacuée de façon similaire via la diode 3. En fin de surtension, lorsque le courant circulant à travers la diode de Shockley descend en dessous d'un seuil IH, la diode redevient non passante (ouverture du thyristor). Les diodes de Shockley sont généralement réservées à des protections à tensions de déclenchement élevées. En effet, les diodes de Shockley à faibles tensions de déclenchement, par exemple VBR B10454 - 10-T0-196 3 Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une diode de Shockley comprenant un empilement vertical de première à quatrième couches de types de conductivité alternés entre des première et seconde électrodes ; un évidement formé dans la quatrième couche et s'étendant verticalement jusqu'à pénétrer dans la deuxième couche ; une première région de même type de conductivité que la deuxième couche mais de niveau de dopage supérieur, s'étendant au fond de l'évidement dans la deuxième couche ; et une deuxième région de même type de conductivité que la troisième couche mais de niveau de dopage supérieur, s'étendant le long des parois latérales de l'évidement et reliant la première région à la quatrième couche. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des trous de court-circuit du même type de conductivité que la troisième couche traversent la quatrième couche. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'évidement est recouvert d'une couche isolante de passivation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première région est une région de type N de niveau de dopage compris entre 5x1020 et 5x1021 atomes/cm3, et la deuxième région est une région de type P de niveau de dopage compris entre 1x1019 et 5x1019 atomes/cm3. Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit une structure de protection bidirectionnelle comprenant des première et seconde diodes de Shockley du type décrit ci-dessus dans laquelle : la première électrode de la première diode et la seconde électrode de la seconde diode sont confondues ; la première couche de la première diode et la troisième couche de la seconde diode sont confondues ; la deuxième couche de la première diode et la deuxième couche de la seconde diode sont confondues ; la troisième couche de la première diode et la première couche de la seconde diode sont confondues ; et la seconde électrode de la première diode et la première électrode de la seconde diode sont confondues. B10454 - 10-T0-196 4 Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'une diode de protection comprenant les étapes suivantes : a) former un évidement dans la quatrième couche d'un empilement vertical de première à quatrième couches de type de conductivité alternés, cet évidement s'étendant verticalement jusqu'à pénétrer dans la deuxième couche ; b) former une première région de même type de conductivité que la deuxième couche mais de niveau de dopage supérieur, s'étendant au fond de l'évidement dans la deuxième couche ; et c) former une deuxième région de même type de conductivité que la troisième couche mais de niveau de dopage supérieur, s'étendant le long des parois latérales de l'évidement et reliant la première région à la quatrième couche. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape a), l'évidement est réalisé en même temps qu'une tranchée périphérique entourant la diode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape c), la deuxième région est formée sans masquage par implantation d'éléments dopants sur toute la surface de la diode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce procédé comprend en outre une étape de dépôt d'une couche isolante de passivation à la surface de l'évidement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce procédé comprend en outre une étape de formation d'électrodes du côté des faces supérieure et inférieure de l'empilement vertical. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres 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, précédemment décrite, représente de façon très schématique une structure de protection bidirectionnelle de type double diode de Shockley ; B10454 - 10-T0-196 la figure 2A est une vue en coupe représentant de façon schématique un mode de réalisation d'une structure de protection bidirectionnelle de type double diode de Shockley à faible tension de déclenchement ; 5 la figure 2B est une vue de dessus représentant de façon schématique et partielle la structure de protection de la figure 2A ; et les figures 3A à 3D sont des vues en coupe schématiques et partielles illustrant des étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'une structure de protection de type diode de Shockley à faible tension de déclenchement. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références sur les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Les figures 2A et 2B représentent de façon schématique un mode de réalisation d'une puce de protection bidirectionnelle 10 de type double diode de Shockley à faible tension de déclenchement. La figure 2B est une vue de dessus et la figure 2A est une vue en coupe selon l'axe A-A de la figure 2B. La puce 10 est formée dans et sur un substrat semiconducteur 11 d'un premier type de conductivité que l'on choisira ici comme étant le type N. Des couches 12 et 13, dopées de type P, s'étendent respectivement du côté de la face supérieure et du côté de la face inférieure du substrat, sur toute la surface du substrat, formant un empilement vertical PNP. Une région 18 de type N+, de niveau de dopage supérieur à celui du substrat, est formée dans la partie supérieure de la couche 12. Dans cet exemple, la région 18 s'étend, en vue de dessus, approximativement sur une moitié de la surface de la puce (moitié gauche dans l'exemple représenté). B10454 - 10-T0-196 6 Par ailleurs, dans l'exemple représenté, des trous de court-circuit 19, constitués d'ilots ponctuels de type P, traversent la région 18, reliant la face supérieure de la couche 18 à la couche 12. Les trous 19 sont positionnés de façon à désensibiliser la structure (pour augmenter le seuil IH) tout en garantissant un bon amorçage en cas de surtension. Des électrodes 14 et 15, par exemple en métal, recouvrent respectivement la surface supérieure et la surface inférieure de la puce 10. Pour assurer l'isolation de la puce, une tranchée incurvée 16 est formée à la périphérie de la surface supérieure de la puce, traversant la jonction PN formée par la couche 12 et le substrat 11. Une couche isolante de passivation 17 remplit la tranchée 16. Une tranchée symétrique est formée à la périphérie de la surface inférieure de la puce, traversant la jonction PN formée par la couche 13 et le substrat 11. Une telle structure à tranchées périphériques est généralement appelée structure mésa. Les couches 13, 11, 12 et la région 18 forment dans la moitié gauche de la puce, entre les électrodes 15 et 14, un empilement vertical de type PNPN définissant une diode de Shockley. Un évidement 21 formé dans l'électrode supérieure 14 s'étend verticalement à travers la région 18 et la couche 12, jusqu'à pénétrer dans le substrat 11. Dans cet exemple, l'évidement 21 a la forme d'une cuvette ouverte vers l'extérieur. En vue de dessus, l'évidement 21 est approximativement au centre de la région 18 (au centre de la diode de Shockley). Plus généralement, l'évidement 21 est situé dans une région non périphérique de la diode de Shockley et ne communique pas avec la tranchée périphérique 16 de la structure mésa. Comme la tranchée périphérique 16, l'évidement 21 est recouvert d'une couche isolante de passivation 17, par exemple en verre. Au fond de l'évidement 21, et sensiblement en son 35 centre, une région 23 de type N++, de niveau de dopage aussi B10454 - 10-T0-196 7 élevé que possible, s'étend dans le substrat 11. La face supérieure de la région 23 épouse la forme du fond de l'évidement 21. Dans l'exemple représenté, le fond de l'évidement est plat, toutefois, on pourra également prévoir un évidement à fond incurvé. On notera que dans l'exemple représenté (figure 2A), une région 23 de type N++ s'étend également au fond de la tranchée toutefois se passer de cette région périphérique 16. On pourra périphérique. Par ailleurs, le l'évidement 21, s'étend une niveau de dopage supérieur au La couche 24 relie la région long des parois latérales de mince couche 24 de type P+, de niveau de dopage de la couche 12. 23 de type N++ à la région 18 de type N+. Dans l'exemple représenté, la couche 24 s'étend également le long des parois latérales de la tranchée périphérique 16, et à la surface de la couche 12 de type P. En cas de surtension positive entre les électrodes 15 et 14, du fait du fort niveau de dopage des régions 23 et 24, la région de claquage est localisée au niveau de la jonction NP auxiliaire formée entre les régions 23 et 24, c'est-à-dire sous l'évidement 21. Il circule alors un courant entre les électrodes 15 et 14, conduisant au déclenchement de la protection par effet thyristor. La surtension est alors évacuée à travers toute la surface de la diode de Shockley. Ainsi, la tension de déclenchement VBR de la protection est déterminée par la tension de claquage de la jonction auxiliaire formée entre les régions 23 et 24. Pour obtenir un seuil VBR plus faible, on choisira des niveaux de dopage plus élevés pour les couches P+ 24 et N++ 23. On notera en outre que l'incurvation du fond de 30 l'évidement 21 et la forme de la région 23 pourront constituer une autre paramètre de réglage du seuil VBR. Selon un avantage de la structure proposée les régions 23 et 24, définissant la tension de déclenchement VBR, ne se situent pas dans le chemin d'évacuation principal du courant de 35 surtension (régions 13, 11, 12 et 18). Il en résulte que la B10454 - 10-T0-196 8 présence de ces régions localisées fortement dopées n'influe pas sur le seuil IH d'ouverture de la protection en fin de surtension. Un tel découplage des paramètres de réglage du seuil de déclenchement VBR et du seuil d'ouverture IH facilite l'optimisation de la protection. Dans l'exemple représenté aux figures 2A et 2B, une seconde diode de Shockley symétrique est prévue dans la partie droite de la puce 10, de façon que l'ensemble de la structure constitue une protection bidirectionnelle du type décrit en relation avec la figure 1. Une région 18' de type N+, de niveau de dopage supérieur à celui du substrat, est formée dans la partie inférieure de la couche 13. En vue de dessous, la région 18' s'étend approximativement sur la moitié droite de la surface de la puce. Dans cet exemple, des trous de court-circuit 19' traversent la région 18', reliant l'électrode inférieure 15 à la couche 13. Un évidement 21' formé dans l'électrode inférieure 15 s'étend verticalement à travers la région 18' et la couche 13, jusqu'à pénétrer dans le substrat 11. En vue de dessous, l'évidement 21' est approximativement au centre de la région 18'. Plus généralement, l'évidement 21' est situé dans une région non périphérique de la diode de Shockley et ne communique pas avec la tranchée périphérique 16 de la structure mésa. L'évidement 21 est recouvert d'une couche isolante de passivation 17. Au fond de l'évidement 21', une région 23' de type N++, de niveau de dopage supérieur au niveau de dopage de la région 18', s'étend dans le substrat 11. La région 23' épouse la forme du fond de l'évidement 21'. Par ailleurs, le long des parois latérales de l'évidement 21', s'étend une mince couche 24' de type P+, de niveau de dopage supérieur au niveau de dopage de la couche 13. La couche 24' relie la région 23' de type N++ à la région 18' de type N+. B10454 - 10-T0-196 9 Dans un exemple de réalisation : la puce 10 a en vue de dessus une forme carrée d'approximativement 2 millimètres de côté, chaque diode de Shockley occupant une surface rectangulaire de 1 x 2 mm ; les couches 12 et 13 de type P ont une épaisseur de l'ordre de 35 à 40 µm et un niveau de dopage de l'ordre de 1016 à 1017 atomes/cm3 ; le niveau de dopage de la région 18 de type N+ est compris entre 5x1019 et 1x1020 atomes/cm3 ; le niveau de dopage de la couche 24 de type P+ est compris entre 1x1019 et 5x1019 atomes/cm3 ; le niveau de dopage de la région 23 de type N++ est compris entre 5x1020 et 5x1021 atomes/cm3 ; l'évidement 21 a une profondeur d'environ 70 µm et, en vue de dessus, un contour circulaire de diamètre de l'ordre de 300 µm ; et la région 23 occupe, en vue de dessus, une surface circulaire d'approximativement 100 µm de diamètre. L'invention ne se restreint toutefois pas à ces valeurs particulières. Dans l'exemple décrit ci-dessus, chaque diode de Shockley comprend un évidement (respectivement 21 et 21') dans sa partie centrale, et une jonction auxiliaire N++/P+ d'amorçage associée à cet évidement. Dans une variante de réalisation, chaque diode de Shockley pourra comprendre plusieurs évidements d'amorçage du type décrit ci-dessus. Les figures 3A à 3D sont des vues en coupe illustrant de façon schématique des étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'une structure de protection du type décrit en relation avec les figures 2A et 2B. Par souci de simplification, tous les éléments de la structure n'ont pas été représentés. La figure 3A illustre une première étape dans laquelle on forme, à la surface d'un substrat semiconducteur 11 dopé de type N, une couche 12 dopée de type P. Dans la partie supérieure de la couche 12, on forme une région 18 de type N+, de niveau de dopage supérieur à celui du substrat 11, s'étendant en vue de dessus sur une partie de la surface de la puce. Dans cet exemple, la région 18 est traversée par des trous de court-circuit 19 de type P. B10454 - 10-T0-196 10 La figure 3B illustre la formation d'un évidement 21 dans la partie centrale de la région 18. L'évidement 21 s'étend à travers la région 18 et la couche 12, jusqu'à pénétrer dans le substrat 11. On notera qu'on se place ici dans le cadre d'une technologie de fabrication de structures de type mésa, c'est-à-dire comprenant une étape de formation d'une tranchée incurvée à la périphérie de la puce. L'évidement 21 est formé en même temps que la tranchée du mésa. Ainsi, la formation de l'évidement 21 ne nécessite qu'une modification du masque de gravure du mésa, et n'implique pas d'étape de fabrication supplémentaire par rapport à une structure mésa classique. Au fond de l'évidement 21, on forme une région 23 de type N++, de niveau de dopage supérieur à celui de la région 18, s'étendant dans le substrat 11. La formation de la région 23 comprend par exemple une étape de masquage suivie d'une étape d'implantation d'éléments dopants. La figure 3C illustre une étape de formation d'une couche mince 24 de type P+, de niveau de dopage supérieur à celui de la couche 12, s'étendant le long des parois latérales de l'évidement 21 et reliant la région 23 à la région 18. Dans cet exemple, la couche 24 est formée par diffusion d'éléments dopants sur toute la surface du substrat, et ne nécessite donc pas l'utilisation d'un masque. Il en résulte que la couche 24 s'étend également à la surface de la couche 12, et le long des parois latérales de la tranchée périphérique du mésa (non visible sur la figure). On notera que les niveaux de dopage sont tels que l'implantation d'éléments dopants de type P dans les régions 18 de type N+ et 23 de type N++ ne modifie pas de façon significative le niveau de dopage de ces régions. La figure 3D illustre une étape de formation d'une couche de passivation 17, par exemple en verre, à la surface de l'évidement 21. Le dépôt de la couche de passivation 17 est par exemple réalisé en même temps que le dépôt de la couche de passivation périphérique du mésa, et n'implique donc pas d'étape B10454 - 10-T0-196 11 de fabrication supplémentaire par rapport à une structure mésa classique. Une électrode 14, par exemple une électrode métallique est formée à la surface de la puce. Bien que seule une partie de la structure de protection 10 des figures 2A et 2B ait été représentée sur les figures 3A à 3D, les parties non représentées pourront être obtenues par les mêmes étapes ou par des étapes similaires. Ainsi, la structure proposée est un mode de réalisation particulièrement simple d'une protection de type diode de Shockley à faible tension de déclenchement VBR. En particulier, la réalisation de la jonction auxiliaire conduisant à l'obtention d'un seuil VBR bas, ne requiert qu'une seule étape de masquage supplémentaire par rapport à la réalisation d'une structure mésa classique (pour réaliser la région 23 de type N++). Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on a représenté et décrit en relation avec les figures 2A et 2B une structure de protection bidirectionnelle de type double diode de Shockley. L'homme de l'art saura adapter la structure proposée à une protection monodirectionnelle de type simple diode de Shockley. Par ailleurs, l'homme de l'art saura adapter la structure proposée en inversant tous les types de conductivité. REVENDICATIONS1. Diode de Shockley comprenant : un empilement vertical de première à quatrième couches (13, 11, 12, 18) de types de conductivité alternés entre des première (15) et seconde (14) électrodes ; un évidement (21) formé dans la quatrième couche et s'étendant verticalement jusqu'à pénétrer dans la deuxième couche (11) ; une première région (23) de même type de conductivité que la deuxième couche (11) mais de niveau de dopage supérieur, s'étendant au fond de l'évidement dans la deuxième couche ; et une deuxième région (24) de même type de conductivité que la troisième couche (12) mais de niveau de dopage supérieur, s'étendant le long des parois latérales de l'évidement et reliant la première région (23) à la quatrième couche (18). 2. Diode de Shockley selon la revendication 1, dans laquelle des trous de court-circuit (19) du même type de conductivité que la troisième couche (12) traversent la quatrième couche (18). 3. Diode de Shockley selon la revendication 1 ou 2, 20 dans laquelle l'évidement (21) est recouvert d'une couche isolante de passivation (17). 4. Diode de Shockley selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la première région (23) est une région de type N de niveau de dopage compris entre 5x1020 et 25 5x1021 atomes/cm3, et la deuxième région (24) est une région de type P de niveau de dopage compris entre 1x1019 et 5x1019 atomes/cm3. 5. Structure de protection bidirectionnelle comprenant des première et seconde diodes de Shockley selon l'une 30 quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle : la première électrode (15) de la première diode et la seconde électrode de la seconde diode sont confondues ; la première couche (13) de la première diode et la troisième couche de la seconde diode sont confondues ;B10454 - 10-T0-196 13 la deuxième couche (11) de la première diode et la deuxième couche de la seconde diode sont confondues ; la troisième couche (12) de la première diode et la première couche de la seconde diode sont confondues ; et la seconde électrode (14) de la première diode et la première électrode de la seconde diode sont confondues. 6. Procédé de fabrication d'une diode de protection comprenant les étapes suivantes : a) former un évidement (21) dans la quatrième couche (18) d'un empilement vertical de première à quatrième couches (13, 11, 12, 18) de type de conductivité alternés, cet évidement s'étendant verticalement jusqu'à pénétrer dans la deuxième couche (11) ; b) former une première région (23) de même type de conductivité que la deuxième couche (11) mais de niveau de dopage supérieur, s'étendant au fond de l'évidement dans la deuxième couche ; et c) former une deuxième région (24) de même type de conductivité que la troisième couche (12) mais de niveau de dopage supérieur, s'étendant le long des parois latérales de l'évidement et reliant la première région (23) à la quatrième couche (18). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel à l'étape a), l'évidement est réalisé en même temps qu'une 25 tranchée périphérique entourant la diode. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel à l'étape c), la deuxième région (24) est formée sans masquage par implantation d'éléments dopants sur toute la surface de la diode. 30 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, comprenant en outre une étape de dépôt d'une couche isolante de passivation (17) à la surface de l'évidement (21). 10.Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, comprenant en outre une étape de formation d'électrodes duB10454 - 10-T0-196 14 côté des faces supérieure et inférieure de l'empilement vertical.