Brevet FR2974447A1 — publié le 20121026

B10740 - 10-T0-1096 1 STRUCTURE D'AMORCAGE ET COMPOSANT DE PROTECTION COMPRENANT UNE TELLE STRUCTURE D'AMORCAGE Domaine de l'invention La présente invention concerne une structure d'amorçage, et plus particulièrement une structure d'amorçage adaptée à des composants de protection sur silicium et notamment à des composants de protection verticaux tels que des diodes de Shockley. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente de façon générale le schéma de principe d'un dispositif de protection qui devient passant quand une tension supérieure à un seuil est appliquée entre ses bornes principales. Le dispositif de protection 1 est placé entre des bornes T1 et T2 et comprend, ou est associé à, un dispositif d'amorçage 3. Quand la tension entre les bornes T1 et T2 dépasse un seuil déterminé, un courant circule dans le dispositif d'amorçage 3 et déclenche le dispositif de protection 1. La figure 2A représente à titre d'exemple le schéma de circuit d'un dispositif de protection constitué d'une diode de Shockley (diode PNPN). Une telle diode équivaut à un thyristor TH ayant des bornes principales d'anode A et de cathode K, l'anode du thyristor étant connectée à sa gâchette par une diode B10740 - 10-T0-1096 2 à avalanche ou diode Zener Z susceptible de claquer quand la tension à ses bornes dépasse une valeur de seuil. Une difficulté pour la réalisation sous forme mono-lithique de tels dispositifs réside dans le fait que les niveaux de dopage nécessaires au bon fonctionnement du thyristor ne sont pas toujours compatibles avec la réalisation des niveaux de dopage propres à former une diode à avalanche Z de tension d'avalanche désirée. En outre, il est en pratique difficile d'atteindre toutes les valeurs de tension de seuil souhaitées. Il est notamment difficile de réaliser des dispositifs dont les tensions de claquage sont inférieures à 10 volts. En effet, pour atteindre de telles tensions, il faut prévoir des jonctions entre des zones très fortement dopées de type P et N qui sont souvent difficiles à réaliser et à ajuster avec précision. La figure 2B est une vue en coupe schématique très simplifiée représentant un exemple de réalisation de la diode de Shockley illustrée sous forme de schéma de circuit en figure 2A. Seuls les éléments principaux de la structure ont été représentés, et notamment pas divers moyens couramment destinés à assurer la tenue en tension à la périphérie du composant. La diode de Shockley est réalisée sous forme verticale à partir d'un substrat 10 de type N. Du côté de la face supérieure et du côté de la face inférieure sont formées des caissons de type P, respectivement 12 et 13. Couramment, ces caissons P sont formés en plusieurs étapes de telle façon que le caisson P inférieur s'étende relativement profondément dans le substrat 10, afin de limiter l'épaisseur de la région de type N, surtout pour des dispositifs de protection à faible tension d'amorçage. En effet, si cette région de type N reste trop épaisse, la diode de Shockley présentera une chute de tension à la conduction relativement élevée et de mauvaises performances dynamiques. Du côté de la face supérieure, une couche 15 de type N est formée dans le caisson 12. La couche 15 est classiquement munie de courts circuits d'émetteur 16, c'est-à-dire de régions B10740 - 10-T0-1096 3 où cette couche est interrompue. A la périphérie du caisson 12 est formé un anneau 17 fortement dopé de type N. De façon souhaitée, cet anneau est formé en même temps que la couche de type N 15 pour limiter le nombre d'étapes de fabrication. La jonction entre la région N+ 17 et le caisson supérieur 12 joue le rôle de la diode à avalanche Z de la figure 2A. Quand la diode correspondant à la jonction entre l'anneau de type N+ 17 et le caisson de type P 12 doit avoir une tension d'avalanche relativement faible (inférieure à 10 volts), le caisson de type P 12 doit être relativement fortement dopé (par exemple d'un niveau de dopage supérieur à 1018 atomes/cm3). Le caisson inférieur 13 est revêtu d'une métallisation d'anode A et la face supérieure de la couche 15 de type N est revêtue d'une métallisation de cathode K. Les faces supérieure et inférieure de la diode de Shockley sont revêtues d'une couche isolante 19, aux emplacements où ces faces ne doivent pas être contactées par les métallisations d'anode ou de cathode. Le fonctionnement de ce dispositif de protection est le suivant. Quand une tension positive faible est appliquée entre l'anode et la cathode, le composant est bloqué. Quand cette tension dépasse la valeur de la tension de claquage définie par la région N+ 17 et le caisson P 12, un courant tend à circuler à partir du caisson d'anode 13 à travers la jonction en direct entre ce caisson et le substrat 10, et à travers la diode en avalanche entre la région N+ 17 et le caisson P 12, vers la métallisation K. Ceci entraîne la mise en conduction du thyristor PNPN 13-10-12-15. Comme c'est la diode N+P 17-12 qui fixe la tension d'amorçage du composant, les niveaux de dopage de ces régions, et notamment du caisson P 12, doivent être ajustés avec une grande précision. En pratique, il est impossible d'atteindre par ce moyen des tensions de claquage inférieures à 10 volts et d'ajuster finement ces tensions de claquage. B10740 - 10-T0-1096 Résumé Un mode de réalisation de la présente invention prévoit de pallier au moins certains inconvénients des dispositifs de protection connus. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif d'amorçage qui devient conducteur quand la tension à ses bornes dépasse un seuil déterminé. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un tel dispositif dont la tension de seuil puisse être finement ajustée, notamment à des valeurs faibles inférieures à 10 volts. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif qui soit simplement intégrable dans un composant monolithique sur silicium. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit des applications d'une telle structure d'amorçage à des composants semiconducteurs monolithiques à retournement tels que des diodes de Shockley. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une structure d'amorçage d'un composant semiconducteur comprenant une couche de silicium poreux disposée entre deux régions conductrices. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche de silicium poreux est formée dans la partie supé- rieure d'un substrat semiconducteur et est contactée, du côté de sa face supérieure, par une métallisation et, du côté de sa face inférieure, par une région semiconductrice fortement dopée. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un composant semiconducteur vertical constituant une diode de Shockley formée dans un substrat de silicium, dans lequel la partie supérieure du substrat contient une région d'amorçage telle que ci-dessus. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie inférieure de la région d'amorçage en silicium poreux est reliée à une électrode principale formée sur la face opposée 4 B10740 - 10-T0-1096 par un mur conducteur très fortement dopé, et la face supérieure de la couche de silicium poreux est reliée par une métallisation à un caisson de face supérieure de la diode. Brève description des dessins 5 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, représente sous forme de blocs le schéma de principe d'un composant de protection à amorçage au-dessus d'un seuil de tension déterminé ; la figure 2A, décrite précédemment, représente sous forme de circuit une diode de Shockley unidirectionnelle ; la figure 2B, décrite précédemment, est une vue en coupe représentant de façon simplifiée la structure d'une diode de Shockley unidirectionnelle verticale formée dans un substrat de silicium ; la figure 3 représente de façon générale un dispositif à déclenchement au-delà d'une tension de seuil utilisant une 20 structure d'amorçage selon un mode de réalisation ; la figure 4A représente schématiquement une diode de Shockley incorporant une structure d'amorçage selon un mode de réalisation ; la figure 4B est une vue en coupe représentant une 25 réalisation sous forme de composant monolithique du circuit de la figure 4A ; et les figures 5A à 5E représentent des étapes de réalisation possibles d'une diode de Shockley unidirectionnelle selon un mode de réalisation. 30 Comme cela est d'usage dans la représentation des composants semiconducteurs, les figures 2B, 4B et 5A-5E ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Comme l'illustre la figure 3, il est prévu d'utiliser 35 comme structure d'amorçage pour un dispositif de protection 1 B10740 - 10-T0-1096 6 devenant conducteur quand la tension entre ses bornes dépasse un seuil, une structure d'amorçage 20 constituée d'une couche mince de silicium poreux 21 connectée entre deux électrodes 22 et 23. La conduction dans le silicium poreux a été étudiée par exemple dans l'article "Electronic transport in PS of low porosity made on a P+ substrate" de L. A. Balagurov, D.G. Yarkin et E.A. Petrova, paru dans Materials Science and Engineering B69-70 (2000) pp 127-131". Plus particulièrement, il est décrit dans cet article que, quand une couche mince de silicium disposée entre deux électrodes voit la tension à ses bornes augmenter, elle passe d'un premier régime de conduction limitée par la loi d'Ohm à un régime de conduction élevée (loi de Child), la transition entre les deux régimes étant réalisée quand un seuil de tension est atteint. Le seuil de passage du régime à faible conduction au régime à forte conduction dépend de la structure du silicium poreux et de l'épaisseur de la couche. On propose ici d'utiliser ce phénomène pour constituer une structure d'amorçage. La figure 4A représente une diode de Shockley uni- directionnelle constituée d'un thyristor TH ayant une borne d'anode A et une borne de cathode K. La structure d'amorçage entre l'anode A et la gâchette G du thyristor correspond à une couche de silicium poreux 21 formée dans un substrat de silicium 25. La face inférieure de la couche de silicium poreux est reliée à la métallisation d'anode A par un caisson fortement dopé de type P 26. La face supérieure de la couche de silicium poreux est reliée à la borne de gâchette du thyristor TH par la métallisation 22. Le substrat 25 dans lequel est formée la couche de silicium poreux contient également les éléments constitutifs du thyristor TH. La figure 4B est une vue en coupe qui représente à titre d'exemple et de façon simplifiée une réalisation d'une diode de Shockley à déclenchement par une structure d'amorçage comprenant une couche mince de silicium poreux. La figure 4B B10740 - 10-T0-1096 7 représente seulement une partie (la partie gauche) d'un composant de diode de Shockley verticale. Ce composant est constitué à partir d'un substrat 30 faiblement dopé de type N. Un caisson P 31 est formé du côté de la surface supérieure du substrat et un caisson 32 de type P est formé du côté de la face inférieure du substrat. Dans le caisson P 31 est formée une couche de cathode 34 de type N munie de courts-circuits d'émetteur. La périphérie du caisson est occupée par un mur de type P 36 qui s'étend de la face supérieure à la face inférieure du substrat. Dans la partie supérieure du mur 36 est formée une couche mince de silicium poreux 38. Une métallisation de cathode K recouvre la couche de type N 34, une métallisation d'anode A recouvre la face inférieure du substrat et une métallisation 40 relie la partie supérieure de la couche de silicium poreux 38 au caisson de type P 31. On comprendra que, de préférence, la région de silicium poreux 38 est une région périphérique entourant toute la surface supérieure du composant. De préférence, la partie supérieure du mur de type P 36 comprend sous la couche de silicium poreux 38 une région très fortement dopée de type P 42, marquée p++ Ainsi, quand la tension d'anode est inférieure à un seuil déterminé, seulement un courant de très faible amplitude (de l'ordre du microampère) circule entre l'anode et la cathode. Par contre, dès que la tension entre l'anode et la cathode dépasse un seuil déterminé, la couche de silicium 38 passe dans son régime à forte conduction (faible résistance) et un courant plus important (de l'ordre de la dizaine de milliampères) circule depuis l'anode à travers cette couche 38, la métallisation 40 et le caisson de type P 31 vers l'électrode de cathode K. Ceci provoque le déclenchement du thyristor PNPN 32-30-31-34 et la diode de Shockley passe dans son mode de protection. Les figures 5A à 5E illustrent un exemple d'étapes successives possibles de fabrication du composant de la figure 4B. Ces figures sont uniquement destinées à montrer que le composant comprenant une structure d'amorçage à silicium poreux B10740 - 10-T0-1096 8 peut être fabriqué simplement par les procédés couramment utilisés dans la fabrication des composants semiconducteurs. La figure 5A représente un substrat 30 faiblement dopé de type N dans lequel on a formé en périphérie un mur fortement dopé de type P 36 et, du côté de la face inférieure, un caisson de type P 42 s'étendant dans le substrat sur une profondeur souhaitée pour que le composant final présente à l'état passant une faible chute de tension et de meilleures performances dynamiques. A l'étape illustrée en figure 5B, on a formé sur l'ensemble de la face inférieure une couche de type P 43 et du côté de la face supérieure un caisson de type P correspondant au caisson 31 de la figure 4B. A l'étape illustrée en figure 5C, on a formé dans le 15 caisson P 31 la couche de cathode 34. La figure 5D représente la structure après qu'elle a été soumise à un masquage, à une forte implantation P++ 42 et à une formation de silicium poreux 38 par gravure électrolytique dans une cuve électrolytique. On a également représenté en 20 figure 5D des couches isolantes 51, 52, qui sont formées aux emplacements où on ne souhaite pas que des métallisations supérieures contactent les régions sous-jacentes. On comprendra que ces régions isolantes 51, 52 ont en vue de dessus la forme d'anneaux. 25 Enfin, à l'étape illustrée en figure 5E, on a représenté la formation des métallisations A, K et 40 décrites en relation avec la figure 4B. Les conditions de formation de la couche de silicium poreux, ainsi que l'épaisseur de cette couche, sont choisies 30 pour que la transition entre un fonctionnement à faible conduc- tion et un fonctionnement à forte conduction se produise pour une valeur de tension donnée. Par exemple, si le silicium poreux est formé dans une cuve électrolytique en présence d'acide fluorhydrique et d'éthanol dans une proportion de 5 à 1, avec 35 une densité de courant de 13 mA/cm2, avec une durée d'anodi- B10740 - 10-T0-1096 9 sation de 1 à 25 minutes, on obtient du silicium poreux ayant une porosité de l'ordre de 25 à 35 %. La tension de transition est alors de l'ordre de 0,5 à 10 volts pour des épaisseurs de couche qui varient de 1,7 }gym à 5,7 }gym. Bien entendu, ceci ne constitue qu'un exemple particulier de réalisation de la couche de silicium poreux et on pourra ajuster les conditions, les températures et les modes d'anodisation pour obtenir des caractéristiques souhaitées de la couche finale. De plus, bien que la zone d'amorçage en silicium poreux ait été représentée comme atteignant le bord de la puce, on comprendra que son emplacement peut être choisi différemment. Un avantage de la structure d'amorçage telle que décrite précédemment est que, comme on le constate, la diode de Shockley utilisant une telle structure d'amorçage aura une très faible capacité parasite, alors que cette capacité parasite était plus élevée quand cette diode de Shockley comprenait une structure d'amorçage de type diode à avalanche telle que décrite en relation avec la figure 2B. Un autre avantage de la structure selon la présente invention est que la tension d'amorçage est beaucoup moins dépendante de la température que dans le cas d'un amorçage par diode à avalanche. Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, et plus particulièrement dans le cas de l'amorçage d'une structure de diode de Shockley unidirectionnelle, on comprendra que ce qui a été décrit précédemment s'applique de façon générale à des composants dans lesquels une structure d'amorçage doit présenter une transition de conduction à un seuil déterminé. Notamment, l'invention s'applique à des structures de type diode de Shockley uni- ou bi-directionnelle, et à divers composants à retournement. REVENDICATIONS1. Structure d'amorçage d'un composant semiconducteur comprenant une couche de silicium poreux (21) disposée entre deux régions conductrices (22, 23). 2. Structure d'amorçage selon la revendication 1, dans laquelle la couche de silicium poreux est formée dans la partie supérieure d'un substrat semiconducteur (25) et est contactée, du côté de sa face supérieure, par une métallisation (22) et, du côté de sa face inférieure, par une région semi-conductrice fortement dopée (26). 3. Composant semiconducteur vertical constituant une diode de Shockley formée dans un substrat de silicium, dans lequel la partie supérieure du substrat contient une région d'amorçage selon la revendication 2. 4. Diode de Shockley selon la revendication 3, dans laquelle la partie inférieure de la région d'amorçage en silicium poreux est reliée à une électrode principale (A) formée sur la face opposée par un mur conducteur très fortement dopé (36), et la face supérieure de la couche de silicium poreux est reliée par une métallisation (40) à un caisson (31) de face supérieure de la diode.