Brevet FR3011124A1 — publié le 20150327

B12807 - 12-T0-0711FRO1 1 COMPOSANT SCR À CARACTÉRISTIQUES STABLES EN TEMPÉRATURE Domaine La présente demande concerne des composants de type SCR à structure verticale et leur procédé de fabrication. Exposé de l'art antérieur On désigne par composants de type SCR des composants comprenant une structure comprenant un empilement d'au moins quatre couches et/ou régions semiconductrices de types de conductivité alternés. Ces composants sont par exemple des thyristors, des triacs, des diodes de Shockley uni- ou bi- directionnelles. Les figures LA et 1B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe d'un exemple de thyristor. La figure 1B est une vue en coupe selon la ligne brisée BB de la figure LA. Ces figures représentent schématiquement un thyristor comprenant un empilement vertical de quatre couches et/ou régions semiconductrices 3, 5, 7 et 9 de types de conductivité alternés, respectivement PNPN. La région 9 fortement dopée de type N (Nt) est formée dans la couche 7 dopée de type P. Une métallisation de cathode 11 recouvre la région 9. Une métallisation de gâchette 13 recouvre une partie centrale 14 de la couche 7. Une métallisation d'anode 15 recouvre la face inférieure de la couche 3. Les B12807 - 12-T0-0711FRO1 2 métallisations 11, 13 et 15 constituent respectivement des électrodes de cathode K, de gâchette G et d'anode A. La région 9 est interrompue dans des zones 17 dans lesquelles la métallisation de cathode 11 vient en contact de la couche 7. Les zones 17 sont couramment nommées courts-circuits d'émetteur ou trous de court-circuit d'émetteur. Il est connu que ces courts-circuits d'émetteur 17 améliorent les caractéristiques de tenue en dV/dt d'un thyristor réduisant le risque de déclenchements intempestifs du thyristor par des pics de tension. En figure 2, deux courbes 20 et 22 illustrent respectivement l'évolution en fonction de la température T du courant de déclenchement 'GT et du courant de maintien IH dans un thyristor du type de celui décrit en relation avec les figures LA et 1B. Les valeurs des courants sont indiquées en valeurs normalisées par rapport à leur valeur à 25 °C. Les courbes 20 et 22 montrent que les valeurs des courants IH et 'GT décroissent quand la température T augmente. En particulier, à -40 °C la valeur de 'GT est deux fois plus élevée qu'à 25 °C et, à 140 °C, la valeur de 'GT est environ deux fois plus faible qu'à 25 °C. En plus de IH et de IGT, les caractéristiques de dI/dt à la commutation et de déclenchement en dV/dt d'un thyristor dépendent elles aussi de la température de fonctionnement. Il existe un besoin d'un composant de type SCR dont les caractéristiques restent aussi constantes que possible sur toute la plage de température de fonctionnement du composant. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un composant de type SCR à structure verticale comprenant une électrode principale supérieure formée sur une région de silicium d'un premier type de conductivité elle-même formée dans une couche de silicium du deuxième type de conductivité, dans lequel ladite région est interrompue : dans des premières zones dans lesquelles le matériau de ladite couche vient au contact de B12807 - 12-T0-0711FRO1 3 ladite électrode, et dans des deuxièmes zones formées de silicium poreux résistif s'étendant entre ladite couche et ladite électrode. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur des 5 deuxièmes zones en silicium poreux est supérieure à l'épaisseur de la région. Selon un mode de réalisation, la résistivité à 25°C du silicium poreux est comprise entre 103 et 104 Q.cm. Selon un mode de réalisation, les premières zones et 10 les deuxièmes zones sont régulièrement réparties sur la surface de la région. Selon un mode de réalisation, le nombre des premières zones est identique au nombre des deuxièmes zones. On prévoit également un procédé de fabrication de 15 zones de silicium poreux dans un composant de type SCR à caisson comprenant les étapes successives suivantes : prévoir une structure semiconductrice comprenant une région de silicium d'un premier type de conductivité formée dans une couche de silicium du deuxième type de conductivité, ladite région étant interrom- 20 pue dans des zones, la structure étant délimitée latéralement par un mur périphérique en silicium du deuxième type de conductivité ; déposer une couche de masquage sur la surface supérieure de la structure en laissant découvertes lesdites zones et la surface supérieure du mur périphérique ; plonger 25 l'ensemble dans des bains électrolytiques, un premier bain étant au contact de la surface supérieure de la structure, un deuxième bain étant au contact de la surface inférieure de la structure, une électrode positive et une électrode négative étant respectivement plongées dans le deuxième bain et dans le premier bain ; 30 et appliquer une tension entre l'électrode positive et l'électrode négative pour faire circuler un courant dans le mur périphérique, une partie du courant circulant dans ladite couche et les zones pour former du silicium poreux dans lesdites zones. B12807 - 12-T0-0711FRO1 4 Selon un mode de réalisation, les bains électro- lytiques sont en un mélange comprenant de l'eau, de l'acide fluorhydrique, de l'éthanol ou de l'acide acétique. Brève description des dessins Ces 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 : les figures LA et 1B, décrites précédemment, sont 10 respectivement une vue de dessus et une vue en coupe d'un exemple de thyristor, la figure 2, décrite précédemment, représente l'évolu- tion en fonction de la température des courants 'GT et IH dans un thyristor, 15 les figures aA et 3B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un thyristor, la figure 4 représente l'évolution du courant 'GT en fonction de la température dans différents thyristors, et 20 les figures SA et 5B sont des vues en coupe illustrant un procédé de fabrication de zones de silicium poreux. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des 25 composants électroniques, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Les figures aA et 3B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation 30 d'un thyristor. La figure 3B est une vue en coupe selon la ligne brisée BB de la figure aA. En figures aA et 3B de mêmes éléments sont désignés par de mêmes références qu'en figures LA et 1B. Dans le thyristor des figures LA et 1B, les courts-circuits d'émetteur 17 sont formés par le matériau de la couche 35 7, du silicium dopé de type P. Par contre, dans le thyristor B12807 - 12-T0-0711FRO1 illustré aux figures 3A et 3B, certains des courts-circuits d'émetteur 17 initialement en silicium dopé de type P sont remplacés par des courts-circuits d'émetteur, référencés 30, en silicium poreux légèrement conducteur. Le silicium poreux des 5 courts-circuits d'émetteur 30 s'étend depuis la métallisation de cathode 11 jusque dans la couche 7, de préférence à travers toute l'épaisseur de la région 9 et peut déborder en partie dans la région 7. En particulier, le silicium poreux des courts-circuits d'émetteur 30 est résistif afin de permettre le passage d'un courant entre la métallisation de cathode 11 et la couche 7 par leur intermédiaire. A titre d'exemple, la résistivité à 25 °C du silicium poreux des courts-circuits d'émetteur 30 est choisie dans une plage allant de 103 à 104 Q.cm. Dans le mode de réalisation décrit, il y a le même nombre de courts-circuits d'émetteur en silicium 17 et de courts-circuits d'émetteur en silicium poreux 30. Les courts-circuits d'émetteur 17 et 30 peuvent être régulièrement disposés sur la surface de la région 9. Par exemple, il y a un même nombre de courts-circuits d'émetteur 17 en silicium et de courts-circuits d'émetteur 30 en silicium poreux à chaque distance donnée du centre de la région 9. A titre d'exemple, dans une filière technologique permettant la réalisation en silicium de composants intégrés de puissance tel que des thyristors, les épaisseurs des différentes 25 couches et/ou régions seront : - de 5 à 20 pin, par exemple 10 pin, pour la région 9, - de 10 à 30 pin, par exemple 20 um, pour les couches 3 et 7, et - de 50 à 100 pin, par exemple 70 pin, pour la couche 5. Les concentrations de dopage seront, par exemple : 30 - de l'ordre de 1014 à 1016 at./cm3 pour la couche 5 faiblement dopée de type N (N-), - de l'ordre de 1020 at./cm3 pour la région 9 fortement dopée de type N (Nt), et - de l'ordre de 5.1017 à 5.1018 at./cm3 pour les régions 3 et 7 35 dopées de type P. B12807 - 12-T0-0711FRO1 6 La figure 4 représente l'évolution en fonction de la température du courant 'GT dans différents thyristors. Une courbe 40 illustre la variation du courant 'GT avec la température pour un thyristor du type de celui décrit en 5 relation avec les figures LA et 1B. Dans un tel thyristor comprenant des courts-circuits d'émetteur 17 en silicium, comme on l'a déjà exposé en relation avec la figure 2, le courant 'GT décroît fortement quand la température augmente. Dans l'exemple considéré, le courant 'GT a une valeur de 4,4 mA à 0 °C contre 10 seulement 1 mA à 140 °C. La courbe 42 illustre l'évolution en fonction de la température du courant 'GT dans un thyristor de mêmes dimensions et niveaux de dopage que le thyristor correspondant à la courbe 40, mais comprenant des courts-circuits d'émetteur 30 en 15 silicium poreux. Le courant 'GT est de 2,3 mA à 0 °C et de 1 mA à 140 °C. La courbe 44 illustre l'évolution en fonction de la température du courant 'GT dans un thyristor similaire au thyristor correspondant à la courbe 42, mais dans lequel 20 l'épaisseur de la région 9 a été réduite. Le courant 'GT est de 3,3 mA à 0 °C et de 2 mA à 140 °C. Ces courbes montrent que des courts-circuits d'émetteur 30 en silicium poreux associés à des courts-circuits d'émetteur 17 en silicium permettent d'obtenir une valeur du 25 courant 'GT plus stable sur la plage de température de fonctionnement du thyristor. Par exemple, dans la courbe 40, le courant IGT diminue d'un rapport 4,3 entre 0 °C et 140 °C alors que pour les courbes 42 et 44, ce rapport n'est que de 2,3 et 1,6 respectivement. 30 Le courant 'GT d'un thyristor est inversement propor- tionnel à la valeur de la résistance RGK entre la métallisation de gâchette 13 et la métallisation de cathode 11. Avec seulement des courts-circuits d'émetteur 17, la valeur de la résistance RGK est principalement liée à la résistivité du silicium dopé de 35 la couche 7. La résistivité du silicium dépendant fortement de B12807 - 12-T0-0711FRO1 7 la température et augmentant quand la température augmente, la résistance RGK augmente avec la température et on comprend que la valeur du courant 'GT diminue avec la température. Dans le thyristor des figures aA et 3B, la résistance 5 RGK dépend non seulement de la résistivité du silicium dopé de type P mais aussi de la résistivité du silicium poreux résistif des courts-circuits d'émetteur 30. Au moins dans la plage de température de fonctionnement du thyristor pouvant être comprise entre -40 et 150 °C, contrairement à la résistivité du silicium 10 monocristallin, la résistivité du silicium poreux diminue quand la température augmente. La résistivité de ces deux matériaux évoluant de manière opposée quand la température varie, la résistance RGK et le courant 'GT varient moins avec la température. 15 En se référant à la figure 3B, on considère un chemin de courant I allant de la métallisation de gâchette 13 à la métallisation de cathode 11, à droite sur la figure, en passant par un court-circuit d'émetteur 17 en silicium monocristallin et un chemin de courant 12 allant de la métallisation de gâchette 20 13 à la métallisation de cathode 11, à gauche sur la figure, en passant par un court-circuit d'émetteur 30 en silicium poreux. Le courant de gâchette total 'GT se partage entre les chemins et 12 et devient moins sensible à la température. En outre, bien que l'on ait montré que des courts-25 circuits d'émetteur 30 en silicium poreux associés à des courts- circuits d'émetteur 17 en silicium dopé améliorent la stabilité en température du courant 'GT' les courts-circuits d'émetteur 30 en silicium poreux améliorent aussi la stabilité en température du courant de maintien IH, du déclenchement en dV/dt et du dI/dt 30 à la commutation d'un composant de type SCR, par exemple d'un thyristor. Les figures SA et 5B sont des vues en coupe illustrant un mode de réalisation d'un procédé de fabrication de zones de silicium poreux dans un composant SCR, tel qu'un thyristor, à B12807 - 12-T0-0711FRO1 8 courts-circuits d'émetteur. Le thyristor est du type à caisson, délimité latéralement par un mur périphérique 50 dopé de type P. La figure aA représente une structure de thyristor comprenant un empilement de quatre régions et/ou couches 5 semiconductrices 3, 5, 7 et 9 de types de conductivité alternés, respectivement PNPN, tel que décrit en relation avec les figures LA, 1B, aA et 3B. La région 9 fortement dopée de type N (N+) est interrompue dans une partie centrale 14 et dans des zones 17 et 10 17'. Dans les zones 17 et 17', le matériau de la couche 7 dopée de type P vient au contact de la surface supérieure de la structure. Une couche de masquage 52 isolante électriquement recouvre toute la surface supérieure de la structure à 15 l'exception du mur périphérique 50 et des zones 17'. A titre d'exemple, la couche 52 peut être en Si3N4. Des bains électrolytiques 54 et 56 sont en contact respectivement avec la face supérieure et avec la face inférieure du thyristor. Une électrode positive et une électrode 20 négative sont respectivement plongées dans le bain 56 et dans le bain 54. A titre d'exemple, les bains électrolytiques 54 et 56 peuvent être en un mélange comprenant de l'eau, de l'acide fluorhydrique, de l'éthanol ou de l'acide acétique. Lorsqu'une tension est appliquée entre les électrodes 25 positive et négative, un courant 58 circule de l'électrode positive à l'électrode négative en traversant le bain 56, la région latérale 50 et le bain 54. Les zones 17' n'étant pas recouvertes de la couche de masquage 52, une partie 60 du courant 58 circule à travers la 30 couche 7 et les zones 17'. La figure 5B représente le thyristor obtenu après traitement. Une région isolante 62 en silicium poreux a été formée dans la partie supérieure du mur périphérique 50 lors de la circulation du courant 58. La région 62 s'étend dans toute la B12807 - 12-T0-0711FRO1 9 partie supérieure du mur 50 et peut avoir une épaisseur supérieure à celle de la couche 7. Lors de la circulation de la partie 60 du courant 58 dans les zones 17', du silicium poreux résistif 30 a été formé de la surface supérieure du thyristor jusqu'à la couche 7, à travers toute l'épaisseur de la région 9, et peut déborder en partie dans la couche 7. L'épaisseur, la résistivité et la porosité du silicium poreux des courts-circuits d'émetteur 30 peuvent être ajustées par l'homme de l'art en sélectionnant la nature et la concentra- tion des bains électrolytiques, la valeur du courant 58, la durée de circulation du courant et le niveau de dopage de la couche 7. La zone de silicium poreux 62 sera plus résistive que les régions 30 si on choisit pour le mur 50 un niveau de dopage plus faible que celui de la couche 7, par exemple respectivement 1016 à 1017 at./cm3 et plus de 1018 at./cm3. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que dans les modes de réalisation décrits ci-dessus le thyristor comporte huit trous de courts- circuits d'émetteur, ce nombre pourra varier et être plus faible ou beaucoup plus important. En outre, bien que l'on ait décrit des modes de réalisation où il y a le même nombre de courts-circuits d'émetteur 17 en silicium que de courts-circuits d'émetteur 30 en silicium poreux, le rapport entre le nombre de courts-circuits d'émetteur 30 en silicium poreux et le nombre de courts-circuits d'émetteurs 17 en silicium peut être différent de 1. Dans les modes de réalisation décrits précédemment, on a représenté une structure à gâchette centrale. La présente invention s'applique à d'autres configurations de gâchette, et même comme on le verra ci-après à des structures sans gâchette. Enfin, bien que l'intérêt des courts-circuits 35 d'émetteurs en silicium poreux dans des composants de type SCR B12807 - 12-T0-0711FRO1 10 pour obtenir des caractéristiques stables en température n'ait été illustré que sur un composant de type thyristor, les courts-circuits d'émetteur pourront être facilement adaptés par l'homme de l'art pour tout type de composant SCR, par exemple des triacs 5 ou des diodes de Shockley uni- ou bi-directionnelles, avec les mêmes résultats sur la stabilité en température des caractéristiques de ces composants. Dans des composants bidirectionnels, on pourra prévoir des structures symétriques comprenant sur chacune de leurs faces des courts-circuits d'émetteur 10 des deux types décrits précédemment. REVENDICATIONS1. Composant de type SCR à structure verticale comprenant une électrode principale supérieure (11) formée sur une région (9) de silicium d'un premier type de conductivité elle-même formée dans une couche (7) de silicium du deuxième type de 5 conductivité, dans lequel ladite région est interrompue : dans des premières zones (17) dans lesquelles le matériau de ladite couche (7) vient au contact de ladite électrode (11), et dans des deuxièmes zones (30) formées de silicium 10 poreux résistif s'étendant entre ladite couche (7) et ladite électrode (11). 2. Composant selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur des deuxièmes zones (30) en silicium poreux est supérieure à l'épaisseur de la région (9). 15 3. Composant selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la résistivité à 25°C du silicium poreux est comprise entre 103 et 104 Q.cm. 4. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premières zones (17) et les deuxièmes 20 zones (30) sont régulièrement réparties sur la surface de la région (9). 5. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le nombre des premières zones (17) est identique au nombre des deuxièmes zones (30). 25 6. Procédé de fabrication de zones de silicium poreux dans un composant de type SCR à caisson comprenant les étapes successives suivantes : prévoir une structure semiconductrice comprenant une région (9) de silicium d'un premier type de conductivité formée 30 dans une couche (7) de silicium du deuxième type de conductivité, ladite région étant interrompue dans des zones (17'), la structure étant délimitée latéralement par un mur périphérique (50) en silicium du deuxième type de conductivité ;B12807 - 12-T0-0711FRO1 12 déposer une couche de masquage (52) sur la surface supérieure de la structure en laissant découvertes lesdites zones et la surface supérieure du mur périphérique ; plonger l'ensemble dans des bains électrolytiques (54, 56), un premier bain (54) étant au contact de la surface supérieure de la structure, un deuxième bain (56) étant au contact de la surface inférieure de la structure, une électrode positive et une électrode négative étant respectivement plongées dans le deuxième bain et dans le premier bain ; et appliquer une tension entre l'électrode positive et l'électrode négative pour faire circuler un courant (58) dans le mur périphérique, une partie (60) du courant circulant dans ladite couche (7) et les zones (17') pour former du silicium poreux dans lesdites zones. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel les bains électrolytiques (54, 56) sont en un mélange comprenant de l'eau, de l'acide fluorhydrique, de l'éthanol ou de l'acide acétique.