Brevet FR2969825A1 — publié le 20120629

B10738 - 10-TO-1136 1 COMPOSANT VERTICAL BIDIRECTIONNEL À DOUBLE SILLONNAGE Domaine de l'invention La présente invention concerne les composants de puissance bidirectionnels verticaux et plus particulièrement une diode de Shockley bidirectionnelle ou un triac. On distingue deux types principaux de composants de puissance bidirectionnels selon la technologie utilisée pour leur fabrication : les composants planar et les composants mésa. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente un exemple de diode de Shockley bidirectionnelle de type planar. Ce dispositif est formé dans un substrat 1 faiblement dopé de type N (typiquement 1014 à 1015 atomes/cm3). Du côté de la face supérieure est formé un caisson 3 de type P et du côté de la face inférieure est formé un caisson 5 également de type P. Habituellement, ces caissons sont symétriques et de même dopage. Dans le caisson supérieur 3 est formée une région 7 de type N et dans le caisson inférieur 5 est formée une région 9 également de type N, les régions 7 et 9 étant fortement dopées. Les régions 7 et 9 sont complémentaires en projection et sensi- blement de même surface. Comme cela est représenté, ces régions 7 et 9 sont généralement interrompues par des courts-circuits d'émetteur. B10738 - 10-TO-1136 2 La périphérie du composant, entre la limite de caisson et le bord de la puce, est revêtue d'une couche isolante, respectivement 11 en face supérieure et 13 en face inférieure. Egalement, en périphérie de la structure, au bord de la puce, on trouve des anneaux fortement dopés de type N servant d'arrêt de canal, respectivement 15 en face supérieure et 16 en face inférieure. La face supérieure est revêtue d'une métallisation Al et la face inférieure d'une métallisation A2. Quand une tension positive est appliquée sur la borne Al, c'est la diode de Shockley PNPN 3-1-5-9 qui est susceptible de devenir passante, quand on dépasse la tension de claquage de la jonction en inverse entre les régions 1 et 5. Quand une tension positive est appliquée sur la borne A2, c'est la diode de Shockley PNPN 5-1- 3-7 qui est susceptible de devenir passante quand on dépasse la tension de claquage de la jonction en inverse entre les régions 1 et 3. Pour obtenir des tensions de claquage prédéterminées indépendamment du dopage du substrat et délimiter avec précision les zones de claquage en volume, on dispose en regard de la région N supérieure 7, une région N 17 à l'interface entre le caisson 3 et le substrat 1 et, en regard de la région N inférieure 9, une région N 19 à l'interface entre le caisson 5 et le substrat 1. Les régions N 17 et 19 seront appelées régions enterrées et résultent par exemple d'implantations réalisées avant formation des caissons P 3 et 5. Ainsi, c'est la jonction J2 entre la région N 17 et le caisson P 3 et la jonction J1 entre le caisson P 5 et la région N 19 qui déterminent les tensions de claquage du dispositif. On a en outre représenté des régions enterrées optionnelles de type P 21 et 23 en regard des régions enterrées de type N 19 et 17 respectivement. Les régions enterrées 21 et 23 ont pour objet de réduire l'épaisseur effective du substrat 1 dans chacune des diodes de Shockley, afin de réduire la résistance à l'état passant du dispositif de protection. B10738 - 10-TO-1136 3 Une diode de Shockley bidirectionnelle de type planar telle que représentée en figure 1, fournit des résultats satisfaisants. Toutefois, dans de nombreux cas, on préfère pour des raisons technologiques réaliser des diodes de type mésa, notamment parce qu'il est beaucoup plus simple de réaliser des régions P relativement profondes (plus de 30 }gym pour des diodes adaptées à des tensions de claquage allant de 50 à 400 V) sans masquage. La figure 2 représente un exemple de diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa. Pour simplifier la description, on a désigné des couches homologues à celles de la figure 1 par de mêmes références. Une différence essentielle est que, au lieu de réaliser des caissons localisés de type P 3 et 5 de part et d'autre du substrat, on réalise, sans masquage, des couches uniformes de type P, également désignées par les références 3 et 5, sur les deux faces du substrat. La diode est délimitée par des sillons périphériques, respectivement 31 du côté de la face supérieure et 33 du côté de la face inférieure, remplis d'un matériau isolant approprié, respectivement 35 et 37, couramment une glassivation. Les sillons viennent couper les jonctions entre le substrat et les couches P 3, 5. De façon générale, en comparaison avec une diode de type planar, une diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa, polarisée à une tension inférieure à sa tension de claquage, présente des courants de fuite plus élevés. En outre, ces courants de fuite ont tendance à augmenter pendant la durée de vie du composant lorsque celui-ci est soumis à des contraintes externes, telles que polarisation prolongée et température élevée. On a illustré en figure 2 par des pointillés gras l'équipotentielle VA2 lorsqu'on applique une différence de potentiel (VA2 - VAU positive entre les électrodes A2 et Al. La technologie utilisée pour créer le sillon mésa, sa forme géomé- trique spécifique ainsi que la nature des matériaux passivants expliquent la répartition des équipotentielles aux bords du composant ainsi que leur évolution sous contraintes. Le champ B10738 - 10-TO-1136 4 électrique ainsi présent aux interfaces passivations-silicium est responsable des courants de fuite élevés. De nombreuses solutions et structures de diodes de Shockley bidirectionnelles de type mésa ont été proposées pour pallier ces inconvénients. Néanmoins, toutes les solutions connues sont relativement complexes et nécessitent des étapes de fabrication supplémentaires par rapport à celles nécessaires à la réalisation d'un composant tel que celui illustré en figure 2. Les mêmes problèmes se posent pour des triacs. Il existe donc un besoin pour un composant de puissance bidirectionnel vertical de type mésa, simple et à courant de fuite faible et stable dans le temps. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un composant de puissance bidirectionnel vertical de type mésa, simple à réaliser et pré-sentant des courants de fuite faibles et stables dans le temps. Plus particulièrement, la présente invention vise à réaliser un tel composant de puissance bidirectionnel vertical sans utiliser d'étapes d'un type différent des étapes utilisées pour la fabrication d'un composant mésa classique tel que la diode de Shockley bidirectionnelle de la figure 2. Un mode de réalisation de la présente invention pré-voit un composant de puissance bidirectionnel vertical de type mésa, comprenant un substrat d'un premier type de conductivité ; une couche du deuxième type de conductivité de chaque côté du substrat ; des premières régions du premier type de conductivité dans chacune des couches du deuxième type de conductivité ; et, en périphérie de chacune de ses faces, deux sillons successifs, le sillon interne traversant les couches du deuxième type de conductivité, des deuxièmes régions dopées du premier type de conductivité étant formées sous la surface des sillons externes et ayant le même profil de dopage que les premières régions. B10738 - 10-TO-1136 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la surface de l'espace entre deux sillons est occupée par une portion de ladite couche du deuxième type de conductivité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant est une diode de Shockley bidirectionnelle. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant comprend une région enterrée du premier type de conductivité sous chacune desdites régions du premier type de conductivité, à l'interface entre le substrat et la couche correspondante du deuxième type de conductivité, chaque région enterrée étant complémentaire en projection de l'autre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant comprend des régions enterrées du deuxième type de conductivité aux interfaces entre couches et substrat en regard des régions enterrées du premier type de conductivité. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'un composant tel que ci- dessus, comprenant les étapes suivantes : former une couche du deuxième type de conductivité des deux côtés d'un substrat semiconducteur du premier type de conductivité ; former un premier sillon à la périphérie externe du composant ; former des couches du premier type de conductivité aux emplacements opérationnels pour le composant de puissance et au niveau du premier sillon ; former un deuxième sillon à la périphérie du composant, de façon interne par rapport au premier sillon. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre les étapes suivantes : remplir les sillons d'un matériau de passivation ; et former des métallisations supérieure et inférieure. 30 35 B10738 - 10-TO-1136 6 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, décrite précédemment, est une vue en coupe schématique d'une diode de Shockley bidirectionnelle de type planar ; la figure 2, décrite précédemment, est une vue en 10 coupe schématique d'une diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa ; la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une diode de Shockley bidirectionnelle selon un mode de réalisation de la présente invention ; et 15 les figures 4A à 4F sont des vues en coupe partielles illustrant des étapes successives de fabrication d'un composant de puissance bidirectionnel vertical tel que celui de la figure 3. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été 20 désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des composants électroniques, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée 25 La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un composant bidirectionnel vertical. Ce composant comprend des éléments communs avec ceux décrits en relation avec la diode de Shockley bidirectionnelle de la figure 2. Ainsi, ce composant comprend, du côté supérieur d'un 30 substrat 1, une couche 3 de type P formée sans aucun masquage et, du côté inférieur du substrat, une couche 5 de type P égale- ment formée sans aucun masquage. Dans la couche 3 est formée une région 7 de type N, généralement munie de courts-circuits d'émetteur de la façon représentée et dans la couche 5 est 35 formée une couche 9 de type N comportant également des courts- B10738 - 10-TO-1136 7 circuits d'émetteur. Les couches 7 et 9 sont sensiblement complémentaires en projection. L'ensemble des couches 3 et 7 est revêtu d'une métallisation de face supérieure Al et l'ensemble des couches 5 et 9 est revêtu d'une métallisation de face infé- rieure A2. Si le composant bidirectionnel de la figure 3 est destiné à constituer une diode de Shockley bidirectionnelle, il comprendra en outre des couches enterrées 17 et 19 telles qu'illustrées en figure 2. S'il est destiné à constituer un triac, il comprendra en outre une zone de gâchette, non représentée. Le composant est entouré d'un premier sillon, respectivement 40 sur la face supérieure et 42 sur la face inférieure, et d'un deuxième sillon externe (dont, après découpe, il demeure un demi-sillon), respectivement 44 sur la face supérieure et 46 sur la face inférieure. Etant donné que, comme on l'a exposé précédemment, les couches de type P 3 et 5 ont été formées sans masquage, il demeure des portions de couche P 3-1 et 5-1 dans la surface de la portion du substrat comprise entre les deux sillons. En outre, en même temps que l'on a formé les régions fortement dopées de type N 7 et 9, respectivement, on a formé des régions 7-1 et 9-1 de type N qui recouvrent la zone intermédiaire entre les deux sillons et la surface des sillons externes. Ainsi, il subsiste des anneaux de type N, respective- ment 7-1 du côté de la face supérieure et 9-1 du côté de la face inférieure, à la périphérie du composant et ces anneaux permettent d'éviter que l'équipotentielle VA2 s'étende au-delà de ces régions de type N. Ainsi, cette équipotentielle ne peut pas atteindre la périphérie latérale externe du composant ce qui risquerait de provoquer l'apparition de courants de fuite non négligeables et variables au cours du temps. Les figures 4A à 4F sont des vues en coupe illustrant un mode de réalisation d'un composant tel que celui de la figure 3. Dans cette suite de figures, on a représenté un agrandis- sement de la partie gauche d'un composant séparé de ses voisins. B10738 - 10-TO-1136 8 Il sera clair qu'en fait un ensemble de composants est réalisé par les étapes décrites en relation avec les figures 4A à 4F sur une tranche de silicium et que ce n'est qu'en fin de processus que la tranche est découpée pour séparer les composants les uns des autres. A l'étape illustrée en figure 4A, on a formé sans masquage des régions P 3 et 5, respectivement du côté de la face supérieure et du côté de la face inférieure d'un substrat 1. A l'étape illustrée en figure 4B, on a réalisé des premiers sillons qui correspondent aux sillons 44 et 46 de la figure 3, des deux côtés de la tranche. A l'étape illustrée en figure 4C, on a formé, par exemple par implantation, des régions de type N 7 pour constituer une région de cathode de face supérieure du campo- saut. Le masque d'implantation est choisi pour former simultané-ment des régions 7-1 à la périphérie, notamment dans la région où a été formée la rainure périphérique 44. Simultanément, ou lors d'une étape suivante, on forme des régions de cathode de type N 9 de face inférieure et on forme simultanément des régions 9-1 à la périphérie du composant et notamment au niveau de la rainure 46. A l'étape illustrée en figure 4D, on a formé des sillons 40, 42, en périphérie mais vers l'intérieur par rapport aux sillons 44, 46. Ces sillons 40, 42 sont suffisamment profonds pour éliminer les portions des couches P 3 et 5 situées en périphérie. Il reste néanmoins des régions superficielles 3-1 et 5-1 de type P dans la partie de substrat demeurant entre les sillons 40 et 44 d'une part, 42 et 46 d'autre part. A l'étape illustrée en figure 4E, on a formé les 30 passivations, couramment les glassivations, 48 et 50 destinées à protéger les sillons. Enfin, à l'étape illustrée en figure 4F, on a formé les métallisations d'anode et de cathode Al et A2. On a donc bien obtenu par cette suite d'étapes un 35 composant correspondant à celui illustré en figure 3. B10738 - 10-TO-1136 9 On notera que cette suite d'étapes ne comprend aucune étape de nature nouvelle par rapport aux étapes utilisées pour la formation du composant de la figure 2. Seule une étape supplémentaire est prévue : la formation d'un sillon supplémen- taire. Avec une telle structure, on évite un étalement des équipotentielles jusqu'à la périphérie du composant. Ces équipotentielles s'arrêtent tout au plus au niveau des régions de type N fortement dopé 7-1 et 9-1 dans la zone périphérique du composant. A titre d'exemple de dimensions, le sillon interne peut avoir une largeur de 120 }gym, le demi-sillon externe ayant une largeur de 50 }gym et une distance de garde de 40 }gym est prévue pour chacun des sillons, entre les deux sillons. L'ensemble de la protection périphérique a alors une étendue de 250 }gym. Dans un dispositif mésa classique tel que celui de la figure 2, dans lequel seul un demi-sillon périphérique est prévu, ce demi-sillon a une largeur qui va de 125 }gym pour les plus faibles tensions de claquage (50 V) à 225 }gym pour les plus fortes tensions de claquage (1000 V pour un triac). Si la partie active de la puce a une dimension de l'ordre de 2x2 ou 3x3 mm2, on s'aperçoit que l'augmentation de dimension liée à l'augmentation de dimension de la protection périphérique va d'environ 3 % à environ 20 %. L'augmentation de coût résultante est, même dans le pire des cas, inférieure à l'augmentation de coût qui résulterait du passage d'une structure mésa à une structure planar (avec la nécessité de masquer la diffusion P profonde). Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne les dimensions en épaisseur des diverses couches, et les niveaux de dopage qui seront adaptés aux tensions de claquage recherchées qui seront de préférence comprises dans une plage de 50 à 1000 volts. B10738 - 10-TO-1136 10 D'autre part, on pourra réaliser un composant similaire à celui décrit ici en inversant tous les types de conductivité des diverses couches. REVENDICATIONS1. Composant de puissance bidirectionnel vertical de type mésa, comprenant : un substrat (1) d'un premier type de conductivité ; une couche (3, 5) du deuxième type de conductivité de 5 chaque côté du substrat ; des premières régions (7, 9) du premier type de conductivité dans chacune des couches du deuxième type de conductivité ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre en péri- 10 phérie de chacune de ses faces, deux sillons successifs, le sillon interne (40, 42) traversant les couches (3-5) du deuxième type de conductivité, des deuxièmes régions (7-1, 9-1) dopées du premier type de conductivité étant formées sous la surface des sillons externes (44, 46) et ayant le même profil de dopage que 15 les premières régions. 2. Composant selon la revendication 1, dans lequel la surface de l'espace entre deux sillons est occupée par une portion (3-1, 5-1) de ladite couche du deuxième type de conductivité. 20 3. Composant selon la revendication 1, dans lequel le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P. 4. Composant selon la revendication 1 ou 2, constituant une diode de Shockley bidirectionnelle. 25 5. Composant selon la revendication 4, comprenant une région enterrée (17, 19) du premier type de conductivité sous chacune desdites régions du premier type de conductivité, à l'interface entre le substrat et la couche correspondante du deuxième type de conductivité, chaque région enterrée étant 30 complémentaire en projection de l'autre. 6. Composant selon la revendication 5, comprenant des régions enterrées (21, 23) du deuxième type de conductivité aux interfaces entre couches (3, 5) et substrat en regard des régions enterrées du premier type de conductivité.B10738 - 10-TO-1136 12 7. Procédé de fabrication d'un composant selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes : former une couche (3, 5) du deuxième type de conductivité des deux côtés d'un substrat semiconducteur (1) du premier 5 type de conductivité ; former un premier sillon (44, 46) à la périphérie externe du composant ; former des couches du premier type de conductivité aux emplacements opérationnels pour le composant de puissance et au 10 niveau du premier sillon ; former un deuxième sillon (40, 42) à la périphérie du composant, de façon interne par rapport au premier sillon. 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre les étapes suivantes : 15 remplir les sillons d'un matériau de passivation (48) ; et former des métallisations supérieure et inférieure (Al, A2).