PROTECTIVE TRIAC WITHOUT GATE REALIZED WITH THE AID OF A HIGH-RESISTANCE SUBSTRATE

Abstract: 1. Trigger-electrode protection triac with avalanche firing constituted by a semiconductor wafer incorporating two antiparallel-connected thyristors (TH1, TH2), each thyristor having an anode zone (AN1, AN2) of type P, a central zone (CE1, CE2) of type N, a trigger zone (GA1, GA2) of type P and a cathode zone (CA1, CA2) of type N, the central zones of type N of the two thyristors being formed by the same substrate layer of type N, a metallization (ME1, ME2) covering each face of the wafer, the anode zone and the cathode zone lying at said face, and short-circuiting holes (CC1, CC2) through which the trigger zone of type P extends through the cathode zone of type N up to the metallization covering the latter, characterized in that the central region comprises a weak concentration of type N so that the superficial inverse breakdown voltage at the level of the junction between the central zone and the trigger zone is higher than the trigger voltage of the triac and that for each thyristor (TS1, TS2) at least one specific zone (AS1, AS2) of type N is provided which is doped more than the central zone and separates the central zone from the trigger zone, said zone being arranged in alignment with a portion of the trigger zone of the corresponding thyristor but not extending through to the periphery of the semiconductor wafer.

Description: TRIAC DE PROTECTION SANS CACHETTE, REALISE A PARTIR D'UN SUBSTRAT A HAUTE RESISTIVITE La présente invention concerne un composant semiconducteur monolithique bidirectionnel destiné à la protection rapide de circuits contre des surtensions. On appellera dans la suite ce composant "triac de protection" bien que cette appellation ne soit pas absolument adéquate puisqu'un triac comporte normalement une électrode de gâchette tandis que le composant dont il s'agit n'en comporte pas. Ce triac de protection sans gâchette est normalement bloqué et devient conducteur lorsqu'il s'amorce sous l'effet d'une surtension positive ou négative entre ses électrodes principales. Il est en principe placé entre les bornes d'entrée ou d'alimentation d'un circuit lorsque les lignes d'entrée ou d'alimentation sont susceptibles de recevoir des surtensions transitoires élevées qui pourraient endommager ce circuit. Un triac de protection connu comprend, sur une même pastille semiconductrice, deux thyristors (sans gâchette) adjacents NPNP et PNPN tête-bêche, la région N centrale étant commune aux deux thyristors, les surfaces avant et arrière des pastilles étant uniformément métallisées pour former une première électrode (anode d'un thyristor et cathode de l'autre) et une deuxième électrode (cathode du premier thyristor et anode de l'autre). Le pourtour de la pastille est en principe délimité par un sillon périphérique qui coupe la jonction entre la région centrale de type N et la région de type P adjacente à cette région N du côté de la face considérée. Le sillon n'est pas recouvert de métal mais d'une couche de passivation (verre). Le triac se déclenche, en cas de surtension, par une mise en avalanche d'une partie de la jonction entre la région N centrale et lune ou l'autre des régions P adjacentes, selon le sens de la tension ; le courant d'avalanche dans la région P entraîne une polarisation latérale de la jonction NP, créant une injection de charges capable d'amorcer localement l'un des thyristors lorsque cette polarisation atteint une valeur de 0,6 à 0,7 volt. La zone d'amorçage, initialement localisée du côté du point de déclenchement de l'avalanche, s'étend progressivemenet à tout le triac. Dans ce type de triac à déclenchement par avalanche, dit aussi triac à retournement, l'avalanche initiale se produit non pas dans le volume du triac mais essentiellement à la périphérie de la jonction PN dans le sillon passivé, parce que la tension de claquage superficielle de cette jonction est plus faible que la tension de claquage en volume, ceci notamment à cause du fait que le sillon crée du côté de la région P un angle aigu (biseau) défavorable à la tenue en tension. II peut en résulter des problèmes de non-uniformité d'amorçage dans le volume du triac, donc de densités de puissance excessives en certains endroits, pouvant endommager prématurément le dispositif. Par ailleurs, la tension de claquage superficielle de la jonction PN, qui dépend essentiellement de la concentration en impuretés de la région centrale de type N, n'est pas prévisible de manière certaine à cause du sillonnage périphérique, et de plus n'est pas absolument uniforme sur toute la périphérie de la pastille. Par conséquent, on a là non seulement une cause supplémentaire de non uniformité d'amorçage (non uniformité le long de la périphérie), mais aussi une cause d'incertitude sur la valeur de surtension à partir de laquelle le triac s'amorce et joue son rôle de protection. On souhaiterait bien entendu pouvoir définir précisément et surtout prévoir, lors de la fabrication, la valeur nominale d'amorçage du triac: 100 volts, 150 volts, 200 volts etc... Un autre inconvénient du dispositif de protection connu est le fait que le principe de déclenchement par avalanche exige que le courant initial d'avalanche crée dans la région de type P adjacente à la région centrale de type N une certaine chute de potentiel résistive qui favorisera l'injection de charges déclenchant l'un des thyristors. La concentration dans la région P est donc imposée par cette contrainte, ce qui implique nécessairement que le choix d'une tension de claquage déterminée, pour aboutir à une valeur nominale de fonctionnement du triac, se fasse pratiquement exclusivement par un choix de la concentration de type N dans la région centrale. Or, cette région est constituée par le substrat de départ de type N et, pour réaliser une gamme de triacs de valeurs nominales variées, il faut donc partir d'une gamme de substrats de concentrations variées, ce qui augmente le coût de fabrication. L'invention cherche à éliminer ces inconvénients et propose à cet effet une nouvelle structure de triac de protection à retournement. Ce triac est constitué classiquement par une pastille semiconductrice incorporant deux thyristors tête-bêche juxtaposés, chaque thyristor comportant une région d'anode de type P, une région centrale de type N, une région dite de gâchette de type P et une région de cathode de type N, les régions centrales de type N des deux thyristors étant constituées par une même couche de substrat de type N, une métallisation recouvrant sur chaque face de la pastille la région d'anode et la région de cathode affleurant sur cette face, et des trous de court-circuit étant prévus, par lesquels la région de gâchette de type P remonte à travers la région de cathode de type N jusqu'à la métallisation qui la recouvre. La région centrale possède une faible concentration de type N, telle que la tension de claquage superficielle inverse à l'affleurement de la jonction entre la région centrale et la région de gâchette soit nettement plus élevée que la tension de déclenchement du triac, et il est prévu au moins une zone spécifique de type N, plus dopée que la région centrale, séparant la région centrale de la région de gâchette, cette région étant localisée en regard d'une partie de la région de gâchette du thyristor correspondant mais ne s'étendant pas jusqu'à la périphérie de la pastille. On expliquera mieux les avantages de cette structure dans la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure I représente en coupe verticale un triac de protection classique; - la figure 2 représente ce triac en vue de dessus; - la figure 3 représente en coupe verticale un premier mode de réalisation du dispositif de protection selon l'invention - la figure 4 représente en vue de dessus le dispositif de la figure 3; - Les figures 5 et 6 représentent en vue de dessus deux autres modes de réalisation; - la figure 7 représente, en coupe transversale, un quatrième mode de réalisaton. Sur la figure 1 (coupe transversale selon la ligne A-A de la figure 2) et sur la figure 2 (vue de dessus), on voit un triac de protection classique formé dans une pastille semiconductrice. Sans reprendre la description déjà faite d'un tel triac, on précise ici qu'on a désigné le premier thyristor par TH 1 (partie gauche des figures) et le deuxième par TH2 (partie droite) ; les régions d'anodes de type P de THI et TH2 par ANI et AN2; les régions centrales de type N par CEI et CE2 mais ces régions sont constituées par une couche commune qui est le substrat de départ de la pastille ; les régions dites de gâchette interne de type P par GAI et CA2; les régions de cathode de type N par CAI et CA2; les métallisations par MEI pour l'une des faces et ME2 pour l'autre ; le sillon périphérique entourant la pastille par SPI sur la première face et par SP2 pour la deuxième face, et enfin les couches de passivation recouvrant ces sillons par PAl(sillon SPI) et PA2 (sillon SP2). Le fonctionnement de principe de ce dispositif est le suivant: le triac est normalement non conducteur ; en cas de surtension entre les métallisations ME 1 et ME2 qui sont reliées aux bornes extérieures du triac, cette surtension se reporte essentiellement aux bornes de la jonction PN entre couche centrale et région de gâchette de l'un ou l'autre des deux thyristors, selon le sens de la surtension. Dans la suite de la description, on considèrera que la métallisation ME2 est portée à un potentiel plus élevé que la métallisation ME 1. Le raisonnement serait tout à fait symétrique dans le cas contraire. La jonction entre la région d'anode AN 1 ou la région de gâchette GA2 et la région centrale CEI, CE2 est polarisée en direct et la surtension se reporte donc aux bornes de la jonction (polarisée en inverse) entre la région centrale CEI et la région de gâchette GAI du thyristor TH I, de même d'ailleurs qu'entre la région centrale CE2 (qui est constituée par la même couche de type N que CEI) et la région d'anode AN2 (qui est constituée par la même couche de type P que GAI) du thyristor TH2. Lorsque la surtension dépasse une certaine valeur, cette jonction NP polarisée en inverse se met en régime d'avalanche; ce phénomène n'est toutefois pas uniforme sur toute la surface de la jonction; au contraire le claquage par avalanche se produit essentiellement là où le champ électrique est renforcé, c'est-à-dire là où la jonction rencontre le sillon périphérique SP I Cette propriété spécifique est due tant au profil du sillon qu'à la nature du diélectrique utilisé pour passiver la jonction. Le courant périphérique qui en résulte tend à se diriger de la zone d'avalanche vers l'électrode ME I, là où elle est en contact avec la couche AN2 de type P. Ce courant circule dans une région résistive de type P et il en résulte, au-dessous de la région de cathode CAI du thyristor THI, une chute de potentiel latérale qui est suffisante pour engendrer l'injection d'électrons de la cathode dans la gâchette, et par suite un déclenchement du thyristor TH 1. Des trous de court-circuit CCI (thyristor THI) et CC2 (TH2) sont prévus pour contribuer à l'évacuation du courant d'avalanche vers la métallisation MiEl : ces trous sont des remontées de la région de gâchette GAI (CA2) à travers les régions de cathode CAI (CA2) jusqu'à la métallisation MEI (ME2). Le courant d'avalanche peut donc jouer le rôle d'un courant de gâchette interne dans ce dispositif sans électrode de gâchette. Lorsque la surtension a disparu, le triac se bloque à nouveau dès le moment où il cesse d'être parcouru par un courant suffisant, c'est-àdire lorsque le courant descend auaessous du courant dit de maintien. Malheureusement, dans cette structure, le phénomène d'avalanche se produit sur toute la périphérie de la jonction CEI, GAI, et notamment au voisinage de la ligne de séparation entre les thyristors THI et TH2, c'est-à-dire au voisinage des points S et T de la figure 2. Or, en ces points, le courant d'avalanche rejoint directement la métallisation ME 1, sans passer sous la cathode Cl du thyristor TH 1, donc en générant dans ce voisinage une différence de potentiel latérale inhomogène vis-à-vis du reste de la périphérie du dispositif et par la suite peu favorable à l'amorçage périphérique uniforme du dispositif. Le thyristor TH I s'amorce donc de manière non uniforme et il y a alors risque d'endommagement ou de destruction du triac du fait de cet amorçage non uniforme. La tension à laquelle le triac s'amorce n'est pas définie avec autant de certitude qu'on le voudrait; elle dépend essentiellement de la concentration de type N du substrat de départ (couche CE I, CE2) une fois que la concentration de type P des régions de gâchette GA I et GA2 a été fixée pour faire en sorte que le courant d'avalanche initial produise une chute de tension latérale déterminée dans son trajet sous la cathode. La présente invention propose une structure conforme aux figures 3 et 4 qui sont à rapprocher des figures 1 et 2 et qui portent les mimes références pour les mêmes éléments. Dans cette structure nouvelle, la différence par rapport à la structure des figures I et 2 est de deux ordres - d'une part la concentration de la couche centrale CEI, CE2, c'est-à-dire du substrat de départ, est beaucoup plus faible ; et surtout cette concentration n'est pas liée directement à la tension nominale de déclechement du triac. Elle est seulement suffisamment faible pour que la tension de claquage superficiel de la jonction entre les régions CEI et GAI ou CE2 et GA2 à la périphérie de cette jonction soit nettement plus forte que la tension de déclenchement du triac. Par exemple, la concentration correspond à une résistivité d'environ 50 ohms-cm (concentration d'environ 3 1x1014 atomes/cm ) et à une tension de claquage superficielle de 1000 volts ou plus, alors que la tension de déclechement du triac peut être de 50 volts, 100 volts, 150 volts, 300 volts, 500 volts par exemple. - d'autre part, il est prévu une région supplémentaire de type N, ASI pour le thyristor THI, AS2 pour le thyristor TH2, cette région étant plus dopée que la couche centrale CE1, CE2, et étant adjacente à la région de gâchette GAI (ou GA2) sur une portion de celle-ci, de manière à créer avec cette portion de gâchette une jonction qui est localisée à l'intérieur de la pastille et qui ne s'étend pas jusqu'à proximité de la périphérie de la pastille. Le dopage de cette région est ajusté de manière que la tension de claquage en volume de cette jonction AS1, GAI (ou AS2, GA2) corresponde à la tension de déclenchement désirée pour le thyristor correspondant (on peut imaginer que la tension ne soit pas la même dans les deux sens de polarité si on dope différemment les régions ASI et AS2). La profondeur des régions ASI, AS2 est faible par rapport à l'épaisseur de la couche centrale CEI, CEL Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, la région ASI est constituée par une zone unique située sensiblement au milieu du thyristor THI. Elle n'est pas située en regard des trous de courtcircuit EC 1 mais dans l'intervalle entre une rangée de trous et la limite des thyristors TH 1 et TH2 (l'anode du thyristor TH2 à la limite entre les deux thyristors pour le même rôle que les trous de court-circuit par lesquels les courants circulant dans la région de gâchette GAI peuvent rejoindre la métallisation ME1). Les trous de court-circuit CCI sont de préférence prévus à proximité immédiate et même adjacents à la périphérie de la pastille (plus exactement du bord du sillon périphérique passivés lorsqu'un tel sillon est prévu). Les trous de court-circuit sont bien entendu recouverts par la métallisation ME1. Lorsque la tension aux bornes du triac augmente (tension positive du côté de la métallisation ME2 par rapport à la métallisation MEI), le claquage en volume se produit à la jonction entre les régions AS 1 et CA 1. Le courant d'avalanche IA qui en résulte (flèches sur la figure 3) se dirige latéralement à travers la région de gâchette interne GAI vers les trous de court-circuit CCI pour atteindre l'électrode MEI qui est au potentiel le plus négatif. La chute de tension latérale engendre à l'endroit de la jonction GAI, CAI une différence de potentiel suffisante pour assurer à travers cette jonction une injection de charges qui déclenche la conduction du thyristor TH 1. La disposition de la région AS2 par rapport au thyristor TH2 dans les modes de réalisation décrits est symétrique de celle de la région AS I par rapport au thyristor TH 1. On voit sur la figure 4 que les régions AS 1 et AS2 ne s'étendent pas jusqu'à la périphérie de la pastille, ceci pour qu'il n'y ait pas d'affleurement superficiel des jonctions ASI/GAI ou AS2/GA2, notamment dans le sillon périphérique, et donc qu'il n'y ait pas de risque de claquage superficiel de ces jonctions; en effet, un tel claquage superficiel introduirait les mêmes problèmes de nonuniformité d'amorçage et d'imprécision de la tension de déclenchement que ceux que l'on rencontre dans la structure des figures 1 et 2. Dans un autre mode de réalisation, représenté seulement en vue de dessus à la figure 5, on a prévu que la région ASI de type N+ est constituée de deux zones localisées, réparties de manière à ne pas se trouver en regard des trous de court-circuit CCI mais plutôt entre deux rangées de trous de court-circuit ainsi qu'entre une rangée de trous et la limite entre les deux thyristors THI et TH2. Seuls les trous CCI et la région ASI relatifs au thyristor TH I sont représentés sur la figure 5. Dans un troisième mode de réalisation, représenté seulement en vue de dessus à la figure 6, on a prévu, en vue d'améliorer l'uniformité de l'amorçage dans tout le thyristor, que la région ASI est constituée par une pluralité de zones très localisées, réparties de manière à se situer entre les trous de court-circuits CCI ou entre ces trous et la limite des thyristors TH I et T2. Pour faciliter la compréhension, les trous de court-circuit sont représentés ronds et les zones ASI carrées, mais il est évident qu'on peut choisir les formes comme on le désire, notamment de manière à optimiser la répartition des lignes de courant d'avalanche ; comme à la figure 3, les régions AS2 ne sont pas représentées. Dans un quatrième mode de réalisation, visible en coupe latérale à la figure 7, les régions AS) et AS2 sont situées en regard l'une de l'autre à la limite entre les thyristors TH i et TH2; là encore ces régions ne vont pas jusqu'à la périphérie de la pastille ou du sillon ; d'autre part, les métallisations MEI et ME2 peuvent être interrompues en regard des régions ASI et AS2 par la présence d'une couche d'oxyde de passivation (OPI, OP2) et éventuellement même d'un sillon médian passivé (SM I et SM2) creusé sur une partie de la profondeur des régions de gâchette GAI et GA2 et des régions d'anode CA 1 et CA2. On crée ainsi l'équivalent d'une résistance supplémentaire de ballastage limitant le courant d'avalanche initial et améliorant l'uniformité de la répartition des lignes de ce courant au moment du déclenchement. Le procédé de fabrication de ces structures ne pose pas de problème particulier. Il nécessite une diffusion de type N supplémentaire de chaque côté de la pastille, avec un masque de délimitation des régions ASI et AS2. Ce procédé consiste pour l'essentiel à: - partir d'un substrat de type N de résistivité élevée (40 à 60 ohms-cm par exemple), - effectuer une diffusion profonde, localisée aux régions ASI et AS2, de type N sur les deux faces du substrat ; la profondeur de diffusion est légèrement supérieure à l'épaisseur des futures régions d'anode ANI, AN2. La concentration est choisie en fonction de la tension de déclenchement désirée, - effectuer une diffusion de type P+ non localisée, sur les deux faces du substrat, pour réaliser les régions d'anode et de gâchette ; - effectuer une diffusion N+ de cathode, localisée, sur les deux faces du substrat. Le masque de diffusion sur la face supérieure protège à la fois l'anode AN2 du thyristor TH2 et les court-circuits CCI du thyristor TH 1 ; - graver un sillon périphérique autour des pastilles individuelles qui seront découpées dans le substrat de départ; - recouvrir d'une couche de verre les faces du substrat et graver cette couche pour la laisser subsister dans les sillons et dans les régions OP I et OP2; - métalliser les deux faces du substrat par trempage; - découper le substrat en pastilles individuelles et les monter en boîtier à deux électrodes. Toute la description qui précède a été faite à propos d'un composant bidirectionnel (triac) comportant deux thyristors tEte- bêche. Cependant, l'invention est applicable exactement de la même manière pour un composant unidirectionnel, c'est-àdire un thyristor unique sans gâchette. Dans ce cas évidemment la zone spécifique de type N (AS1) ne sera pas située à la limite d'un thyristor comme à la figure 7, mais essentiellement au centre de la pastille donc au centre du thyristor unique.

Claims: REVENDICATIONS 1. Triac de protection à retournement, sans gâchette, constitué par une pastille semiconductrice incorporant deux thyristors tête-bêche juxtaposés (TH1, TH2), chaque thyristor comportant une région d'anode de type P (AN 1, AN2), une région centrale de type N (CEI, CE2), une région dite de gâchette de type P (GAI, GA2), et une région de cathode de type N (cl1, CA2), les régions centrales de type N des deux thyristors étant constituées par une même couche de substrat de type N, une métallisation (ME 1, ME2) recouvrant sur chaque face de la pastille la région d'anode et la région de cathode affleurant sur cette face, et des trous de courtcircuit (cl 1, CC2) étant prévus, par lesquels la région de gâchette de type P remonte à travers la région de cathode de type N jusqu'à la métallisation qui la recouvre, caractérisé en ce que la région centrale possède une faible concentration de type N, telle que la tension de claquage superficielle inverse à l'affleurement de la jonction entre la région centrale et la région de gâchette soit nettement plus élevée que la tension de déclenchement du triac, et en ce qu'il est prévu au moins une zone spécifique de type N (AS1, AS2), plus dopée que la région centrale, séparant la région centrale de la région de gâchette, cette région étant localisée en regard d'une partie de la région de gâchette du thyristor correspondant mais ne s'étendant pas jusqu a la périphérie de la pastille. 2. Triac de protection à retournement selon la revendication I, caractérisé en ce que la zone spécifique de type N (ASI, AS2) ne s'étend pas en regard des trous de court-circuit du thyristor correspondant mais entre ces trous de court-circuit ou entre ces trous et la limite entre les deux thyristors tête-beche. 3. Triac de protection à retournement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone spécifique est divisée en plusieurs zones réparties de manière à ne pas être à l'aplomb des trous de circuit. 4. Triac de protection à retournement selon la revendication I, caractérisé en ce que les zones spécifiques s'étendent le long de la limite des deux thyristors. 5. Triac de protection à retournement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la superficie de la pastille semiconductrice est passivée et non métallisée à l'aplomb des zones spécifiques (ASI, AS2). 6. Thyristor de protection à retournement, sans gâchette, constitué sur une pastille semiconductrice et comportant une région d'anode de type P (AN I), une région centrale de type N (CEI), une région dite de gâchette de type P (GAI), et une région de cathode de type N (CAI), une métallisation (MEI, ME2) recouvrant sur une face de la pastille la région de cathode et sur l'autre face la région d'anode, et des trous de court-circuit (CC I ) étant prévus, par lesquels la région de gâchette de type P remonte à travers la région de cathode de type N jusqu'à la métallisation (ME1) qui la recouvre caractérisé en ce que la région centrale possède une faible concentration de type N, telle que la tension de claquage superficielle inverse à l'affleurement de la jonction entre la région centrale et la région de gâchette soit nettement plus élevée que la tension de déclenchement du thyristor, et en ce qu'il est prévu au moins une zone spécifique de type N (AS1), plus dopée que la région centrale, séparant la région centrale de la région de gâchette, cette région étant localisée en regard d'une partie de la région de gâchette du thyristor correspondant mais ne s'étendant pas jusqu'à la périphérie de la pastille.

Inventors: MONTAUT, JEAN-PAUL, NOGUIER, JEAN-PIERRE
Applicants: THOMSON SEMICONDUCTEURS
Application year: 1985
Main classification: H01L29
IPC codes: H01L29