Brevet FR3018390A1 — publié le 20150911

DISPOSITIF DE PROTECTION DYNAMIQUE CONTRE LES DECHARGES ELECTROSTATIQUES ADAPTE AUX DISPOSITIFS ELECTRO-OPTIQUES Domaine technique L'invention est relative aux dispositifs de protection de composants électroniques contre les décharges électrostatiques, et plus particulièrement à un dispositif de protection dynamique adapté à des composants électro-optiques. Arrière-plan La figure 1 A est un schéma électrique d'un dispositif de protection classique appelé ggNMOS (de l'anglais « grounded-gate NMOS »), couramment utilisé dans les technologies CMOS. Il comprend un transistor MOS à canal N dont la source et la grille sont connectées à la masse. Le substrat du transistor, généralement commun à tous les transistors du circuit, est également connecté à la masse. Le drain du transistor forme une borne chaude H du dispositif de protection, la borne froide étant la masse. Le dispositif à protéger 10 comprend généralement une borne reliée à la masse et une ou plusieurs bornes sensibles aux décharges électrostatiques. Chacune de ces bornes sensibles peut être reliée à une borne H d'un dispositif de protection dédié. La figure 1B est un schéma électrique équivalent simplifié d'un dispositif ggNMOS. Le fonctionnement du dispositif est déterminé par le transistor bipolaire NPN parasite du transistor MOS. Ce transistor bipolaire Q a son émetteur relié à la masse et son collecteur relié à la borne H. La base du transistor Q est formée par le substrat du transistor MOS. La zone du substrat utile pour le transistor Q est à une certaine distance d'un contact ohmique reliant le substrat à la masse, de sorte qu'il existe une résistance Rd, dite de « dépolarisation », entre la base du transistor Q et la masse. Par ailleurs, la base et le collecteur sont reliés par un condensateur Cdb représentant la capacité drain-substrat du transistor MOS. Ce type de dispositif de protection a deux modes de fonctionnement, l'un statique et l'autre dynamique. En mode statique, lorsque le potentiel sur la borne H est suffisamment élevé, la jonction collecteur-base du transistor Q entre en avalanche. La tension base-émetteur dépasse le seuil de la jonction et le transistor entre en conduction pour court-circuiter la borne H vers la masse. En mode dynamique, lorsque la tension sur la borne H augmente suffisamment vite, le condensateur Cdb n'a pas le temps de se charger à travers la résistance Rd. La tension base-émetteur reproduit l'évolution de la tension sur la borne H, de sorte que le seuil de la jonction est dépassé et le transistor est mis en conduction pour s'opposer au phénomène. Ce type de dispositif de protection est particulièrement bien adapté aux technologies CMOS, puisqu'il est conçu à partir d'un transistor MOS sans devoir faire d'entorses aux règles de conception disponibles et sans devoir créer un composant dédié. Les valeurs du condensateur Cdb et de la résistance Rd sont en outre maîtrisables pour ajuster les caractéristiques dynamiques souhaitées. Les composants électro-optiques réalisés en matériaux semi-conducteurs peuvent également nécessiter une protection contre les décharges électrostatiques. Les composants optiques et électro-optiques que l'on souhaite intégrer ensemble sont simples par rapport à des composants que l'on intègre dans les technologies CMOS, de sorte qu'on a élaboré pour les composants optiques des techniques de fabrication dédiées peu coûteuses par rapport aux technologies CMOS. Les techniques dédiées aux composants optiques offrent une faible marge de manoeuvre pour réaliser des dispositifs de protection. Elles ne permettent notamment pas de réaliser un dispositif de protection de type ggNMOS. Résumé On prévoit ici un dispositif de protection d'un composant électro-optique contre les décharges électrostatiques, comprenant un segment de guide d'onde optique en un matériau semi-conducteur formé d'une zone longitudinale centrale d'un premier type de conductivité, et de première et deuxième ailes d'un deuxième type de conductivité solidaires de la zone centrale ; une borne d'émetteur sur la première aile, formant une première borne de protection ; une borne de collecteur sur la deuxième aile, formant une deuxième borne de protection ; et une structure de contact résistive du premier type de conductivité ayant un bras transversal solidaire de la zone centrale et une extrémité en contact ohmique avec la borne d'émetteur, la structure de contact étant isolée électriquement de la première aile. Le bras transversal peut être connecté par son extrémité distale à la borne d'émetteur par une piste conductrice longitudinale. La structure de contact peut être coudée et comprendre un bras longitudinal dont une extrémité est connectée à la borne d'émetteur par une piste conductrice transversale. Le dispositif peut comprendre deux structures de contact symétriques par rapport à un axe transversal de la première aile. Le dispositif peut comprendre une structure capacitive du premier type de conductivité ayant un bras transversal solidaire de la zone centrale et un bras longitudinal parallèle à une face de la deuxième aile. Un guide d'onde optique en matériau semi-conducteur peut comprendre une zone longitudinale centrale configurée pour véhiculer une onde optique ; des première et deuxième ailes solidaires de la zone centrale ; un composant électro-optique agencé dans un premier segment du guide d'onde, portant une borne de commande sur chacune des ailes ; un dispositif de protection du type susmentionné agencé dans un deuxième segment du guide d'onde ; et des pistes conductrices longitudinales reliant les bornes de commande du composant électro-optique respectivement aux bornes d'émetteur et de collecteur du dispositif de protection. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - les figures 1 A et 1B, précédemment décrites, sont un schéma d'un dispositif de protection ggNMOS et un schéma électrique équivalent ; - la figure 2 représente schématiquement un guide d'onde optique intégrant des composants électro-optiques ; - la figure 3 représente une vue en coupe schématique d'un composant électrooptique ; - les figures 4A et 4B représentent des vues en coupe selon deux plans distincts d'un mode de réalisation de dispositif de protection contre les décharges électrostatiques adapté à un composant électro-optique ; - la figure 5 représente une vue de dessus du dispositif des figures 4A et 4B ; - la figure 6 représente un autre mode de réalisation de dispositif de protection, en vue de dessus ; et - la figure 7 représente un autre mode de réalisation de dispositif de protection, en vue de dessus. Description de modes de réalisation La figure 2 représente une vue en perspective d'une longueur de guide d'onde optique 12 comprenant deux composants électro-optiques 10. Les composants 10 sont, par exemple, un déphaseur statique et un déphaseur dynamique. Le guide d'onde est sous la forme d'un profilé plat monolithique en matériau semi-conducteur, de préférence intrinsèque ou peu dopé pour réduire les pertes optiques. Comme cela est représente, le guide 12 peut être un guide à nervure, comprenant une partie centrale 12-1 surélevée formant la nervure et deux ailes latérales de part et d'autre de la nervure. L'essentiel de la puissance optique du guide est alors véhiculé au voisinage de la nervure. En technologie SOI, le guide a typiquement une hauteur de 300 nm. Les composants 10 sont configurés pour se substituer à des segments de guide d'onde ; ils peuvent être formés à partir du guide lui-même par des étapes de gravure et de dopage. De ce fait, les composants 10 ont sensiblement le même profil que l'ensemble du guide, notamment dans la partie centrale pour préserver un guidage uniforme de l'onde optique. Les ailes du guide au niveau des composants 10 peuvent porter des bornes de contact servant à exploiter les composants. Ces bornes sont généralement formées sur des bords relevés des ailes, qui atteignent les niveaux de métal, comme cela est représenté. La figure 3 représente schématiquement une vue en coupe d'un composant électrooptique générique 10. Le plan de coupe est perpendiculaire à l'axe du guide d'onde 12. Le composant comprend une partie centrale 14 et deux parties latérales 15 et 16 de part et d'autre. La partie centrale 14 est conforme au profil du guide d'onde et est souvent de type de conductivité P. Le niveau de dopage est aussi faible que possible pour diminuer les pertes optiques tout en assurant la fonction souhaitée. On utilise, par exemple, le niveau de dopage d'origine du substrat (PWELL). Un composant électro-optique est souvent une diode qui peut avoir des configurations et 30 usages variés. Pour cela, l'une des zones 15, 16 est de type de conductivité P tandis que l'autre est de type N, pour former une jonction PN dans la zone centrale 14. On trouve généralement des niveaux de dopage qui vont en croissant du centre vers les bords, cela pour limiter les pertes optiques au centre tout en diminuant la résistivité du composant pour améliorer ses caractéristiques électriques. Le guide d'onde et les composants peuvent être réalisés sur un substrat isolant, par exemple de l'oxyde enterré BOX. Les jonctions PN ainsi créées dans ce type de composant peuvent être endommagées par des décharges électrostatiques qui atteignent la tension de claquage inverse des jonctions. On souhaite donc protéger ces composants des décharges électrostatiques. On prévoit ci-après des modes de réalisation de dispositifs de protection de composants électro-optiques qui ne nécessitent pas de modification des techniques de fabrication 10 existantes de ces composants. La figure 4A représente une vue en coupe schématique, selon un plan perpendiculaire au guide d'onde, d'un transistor bipolaire 18 réalisé dans l'empreinte d'un composant électro-optique classique, c'est-à-dire dans un segment de guide d'onde du type de la figure 3 comportant trois parties 14, 15, et 16. 15 La partie centrale 14 est de type de conductivité P, par exemple, de préférence avec un faible niveau de dopage (PWELL) pour limiter les pertes optiques. Les deux ailes 15 et 16 sont de type de conductivité N, de préférence avec un niveau de dopage élevé (N+) pour diminuer la résistivité du transistor et augmenter son gain. On réalise ainsi un transistor NPN, dont l'émetteur E, la base B et le collecteur C sont formés par les zones 15, 14 et 20 16 de la structure. Ce transistor peut servir à reproduire la fonctionnalité d'un dispositif ggNMOS en utilisant son circuit équivalent de la figure 1B. On peut accéder à l'émetteur E et au collecteur C par des contacts ohmiques 20, 21 réalisés sur les bords surélevés des ailes. Une difficulté est de prévoir un accès à la base B du transistor. En effet, il n'est pas souhaitable de réaliser des contacts ohmiques et 25 des pistes conductrices sur la partie centrale 14, car cela nuit aux propriétés optiques du guide d'onde. La figure 4B représente une vue en coupe schématique d'une structure de contact 23 servant à accéder à la base B du transistor NPN. La coupe est réalisée dans un plan parallèle à celui de la figure 4A, décalé le long de l'axe du guide d'onde. Cette structure 30 est également réalisée dans une empreinte de composant électro-optique et elle est contiguë à la structure de la figure 4A. La zone centrale est le prolongement de la zone centrale 14 de la figure 4A. L'ensemble de la structure est du même type de conductivité (P) que la zone centrale. Le bord de l'aile droite 15 est surélevée et permet d'accéder à la base B du transistor par un contact ohmique 25. Pour améliorer le contact, la zone à l'aplomb du contact 25 peut avoir un niveau de dopage élevé (P+). L'aile gauche 16 peut correspondre à l'aile originale du guide d'onde. En fait, pour réaliser la structure de la figure 1B, on souhaite connecter la base B à la masse par une résistance de dépolarisation Rb. En supposant que le contact 25 sera connecté à la masse avec le contact d'émetteur 20, la résistance Rb peut être réalisée en ajustant la résistivité de l'aile 15. Cette résistivité dépend de la section de l'aile, de sa longueur (dans le sens transversal du guide d'onde), et de son niveau de dopage. Le niveau de dopage de l'aile entre la zone centrale et le bord a été désigné par P-, correspondant à un niveau de dopage inférieur à celui, PWELL, de la partie centrale. La figure 5 est une vue de dessus montrant un agencement possible des structures 18 et 23 dans un guide d'onde pour protéger un exemple de composant 10. Les zones surélevées des structures sont représentées par des hachures (sauf pour la zone centrale). Le composant 10 peut être un déphaseur rapide, appelé HSPM, qui est sous la forme d'une jonction PN située dans la zone centrale et conçue pour être polarisée en inverse par une tension de commande Vc. L'aile gauche 16 du composant 10 est de type de conductivité N et est accessible par une borne K1 sur laquelle est appliquée la tension Vc. L'aile droite 15 du composant est de type de conductivité P et est accessible par une borne K2 qui est connectée à la masse, par exemple. Le dispositif de protection comprend ici la structure de transistor NPN 18 et deux structures de contact 23, disposées aux deux extrémités de la structure 18. La structure du transistor 18 peut être relativement longue, de sorte que l'accès à sa zone de base centrale B par ses deux extrémités permet de mieux répartir le courant de base et d'améliorer les caractéristiques du transistor. Les bornes 25 des structures 23, la borne d'émetteur 20 de la structure 18, et la borne K2 du composant 10 sont alignées et connectées par une piste conductrice longitudinale, représentée en gris. Cette piste, ainsi que sa connexion à la masse, peut être réalisée dans les niveaux de métal prévus dans la technologie. De l'autre côté du guide d'onde, la borne de collecteur 21 de la structure 18 et la borne K1 du composant 10 sont connectées par une deuxième piste conductrice longitudinale qui reçoit la tension de commande Vc. Les structures de contact 23 sont relativement courtes pour augmenter la valeur de la résistance Rd, si cela est souhaité. Les structures 23 sont de préférence séparées de la structure 18 par des zones d'isolation formées, par exemple, par le matériau d'origine du guide d'onde, du silicium intrinsèque ou ayant le niveau de dopage le plus faible réalisable, noté P-. Une zone d'isolation similaire peut être prévue entre le composant 10 et le dispositif de protection. Selon une variante, les parties distales des zones d'isolation peuvent être remplacées par de l'oxyde de silicium, la partie centrale restant en silicium pour ne pas affecter la propagation de l'onde optique. Le condensateur Cdb de la figure 1B est formé par la capacité de jonction collecteur-10 base de la structure 18, et sa valeur dépend de la surface de la jonction. Dans certaines applications, on souhaiterait augmenter les marges de réglage du déclenchement du dispositif de protection. Si la configuration de la figure 5 ne permet pas un déclenchement suffisamment rapide, parce-que la capacité Cdb ou la résistance Rd ne peut pas être rendue suffisamment grande en utilisant des limites dimensionnelles 15 raisonnables, on peut adopter des modes de réalisation exposés ci-après. La figure 6 représente, en vue de dessus, un mode de réalisation de dispositif de protection permettant d'augmenter la valeur de la résistance Rd. La structure de contact, ici désignée 23', a une forme coudée. Elle comprend un bras transversal 23-1 solidaire de la zone centrale 14 et un bras longitudinal 23-2 rejoignant une zone de contact 20 ohmique surélevée 25' agencée derrière la face droite du guide d'onde, par exemple à mi-longueur de la structure de transistor 18. On peut prévoir deux structures 23' symétriques par rapport à un axe transversal de la structure de transistor 18, comme cela est représenté. Le contact 25' est relié au contact d'émetteur 20 par une piste conductrice transversale. Cette piste a été représentée (en gris) sous la forme d'un 25 rectangle qui couvre le contact 25' et le contact d'émetteur 20 sur l'ensemble de la longueur de la structure 18. La valeur de la résistance Rd peut être augmentée davantage en prévoyant une structure en serpentin entre chaque bras transversal 23-1 et le contact 25'. La figure 7 représente, en vue de dessus, un mode de réalisation de dispositif de 30 protection permettant d'augmenter en outre la valeur de la capacité Cdb. La partie gauche de chaque structure de contact 23' est coudée, comportant un bras transversal 23-3 solidaire de la zone centrale 14, et un bras longitudinal 23-4 parallèle à la face latérale gauche de la structure 18. Ce bras longitudinal 23-4 forme avec la face latérale une capacité reliant le collecteur C du transistor à la base B, capacité qui s'ajoute à la capacité de jonction collecteur-base Cdb. Cette capacité peut être augmentée en rapprochant le bras longitudinal 23-4 de la face gauche et, comme cela est représenté en surélevant la partie du bras faisant face au bord surélevé de l'aile gauche de la structure 18. On peut encore augmenter la capacité en rapprochant les bras transversaux 23-3 de l'aile gauche, comme cela est représenté. De nombreuses variantes et modifications des modes de réalisation décrits ici apparaîtront à l'homme du métier. Bien que l'on ait mentionné des types de conductivité adaptés aux applications les plus courantes, les types de conductivité peuvent être inversés dans d'autres applications, de sorte à réaliser un dispositif de protection à base d'un transistor PNP, par exemple. Bien que les dispositifs de protection décrits soient adaptés à être intégrés dans un guide d'onde, ils peuvent également être réalisés dans des tronçons de guide d'onde fictifs, ne véhiculant aucune onde optique, agencés au voisinage des composants à protéger d'un guide d'onde réel.15 REVENDICATIONS1. Dispositif de protection d'un composant électro-optique contre les décharges électrostatiques, comprenant : - un segment de guide d'onde optique en un matériau semi-conducteur, comprenant : - une zone longitudinale centrale (14) d'un premier type de conductivité (P) ; - des première et deuxième ailes (15, 16) d'un deuxième type de conductivité (N) solidaires de la zone centrale ; - une borne d'émetteur (20) sur la première aile, formant une première borne de protection ; - une borne de collecteur (21) sur la deuxième aile, formant une deuxième borne de protection ; et - une structure de contact résistive (23) du premier type de conductivité (P) ayant un bras transversal solidaire de la zone centrale et une extrémité (25) en contact ohmique avec la borne d'émetteur (20), la structure de contact étant isolée électriquement de la première aile. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le bras transversal est connecté par son extrémité distale à la borne d'émetteur (20) par une piste conductrice longitudinale. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la structure de contact est coudée et comprend un bras longitudinal (23-2) dont une extrémité (25') est connectée à la borne d'émetteur (20) par une piste conductrice transversale. 4. Dispositif selon la revendication 1, comprenant deux structures de contact symétriques par rapport à un axe transversal de la première aile. 5. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une structure capacitive du premier type de conductivité (P) ayant un bras transversal (23-3) solidaire de la zone centrale (14) et un bras longitudinal (23-4) parallèle à une face de la deuxième aile (16). 6. Guide d'onde optique en matériau semi-conducteur, comprenant :- une zone longitudinale centrale (14) configurée pour véhiculer une onde optique ; - des première et deuxième ailes (15, 16) solidaires de la zone centrale ; - un composant électro-optique (10) agencé dans un premier segment du guide d'onde, portant une borne de commande (K1, K2) sur chacune des ailes ; - un dispositif de protection (18, 23) selon la revendication 1 agencé dans un deuxième segment du guide d'onde ; et - des pistes conductrices longitudinales reliant les bornes de commande du composant électro-optique respectivement aux bornes d'émetteur (20) et de collecteur (21) du dispositif de protection.