Effet de la longueur d’émetteur (LE) sur le comportement d’un transistor bipolaire latéral
La longueur de l’émetteur LE est directement accessible par le layout, et peut ainsi être facilement ajustée. L’étude de son influence sur le comportement électrique est basée sur l’analyse du composant particulier représenté sur la Figure 62. La caractéristique TLP, pour un layout adapté aux ESD (huit doigts correspondant à une surface de 100*125 µm2), est simulée pour différentes valeurs LE (allant de 3,4 à 12,7 udm), tout en gardant inchangé le reste de la structure. A partir des caractéristiques obtenues, le RON, son facteur de mérite FRON (14) et le rapport d’injection γ à la limite de la ZCE base-collecteur sont calculés au voisinage de 1,8 Ampère (Figure 68 et Figure 69). Pour le calcul du rapport d’injection, les densités de courants de trous et d’électrons sont intégrées le long d’une coupe effectuée le long de la ZCE base-collecteur.
Les résultats montrent une réduction du RON lorsque LE diminue, sauf pour la plus faible valeur de LE (3,4 udm) où le RON remonte. La réduction est à mettre en relation avec l’augmentation du rapport d’injection, tendant à affaiblir l’influence du courant de polarisation, influence défavorable au RON. D’autre part, la chute du rapport d’injection, également défavorable au RON, sera plus marquée si sa valeur est élevée, ce qui s’oppose à la réduction du RON et explique sa remontée pour LE égale à 3,4 udm. Du point de vue de la surface, l’économie permise par une réduction de LE est significative compte tenu des faibles dimensions d’un doigt. Une réduction de 12,7 à 3,4 udm représente 30 % de la surface totale. Cette tendance va dans le sens d’une diminution du facteur du mérite. Elle s’ajoute à la réduction du RON et compense l’augmentation au dernier point de sorte que le facteur de mérite diminue continûment lorsque LE diminue.
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WW
Figure 69: Facteur de mérite FRON en fonction de la longueur de la jonction émetteur-base. Pour expliquer l’augmentation du rapport d’injection avec la diminution de la longueur d’émetteur, sa valeur ainsi que celle de la densité de courant sont relevées le long de la jonction émetteur-base pour LE égale à 3,4 (Figure 70) et 12,7 udm (Figure 71). Ces relevés montrent que le courant est réparti sur toute la jonction et que la densité de courant ne devient jamais négligeable, même si elle décroît avec l’éloignement par rapport au collecteur (qui est d’autant plus important vers la droite des figures 70 et 71). Aussi, toutes les valeurs locales du rapport d’injection, y compris celles pour les positions les plus éloignées du collecteur, contribuent significativement à la valeur totale, celle-ci étant proportionnelle à une intégrale pondérée par la densité de courant le long de la jonction.
Les relevés des figures 70 et 71 montrent que le rapport d’injection diminue avec l’éloignement par rapport au collecteur, passe par un minimum puis augmente. La diminution s’explique par un élargissement de la base interne, mis en évidence sur la Figure 72 représentant les bases internes pour trois chemins de courant issus de positions différentes sur la jonction émetteur-base. L’augmentation finale du rapport d’injection est à mettre en relation avec le taux de recombinaison élevé dans la région fortement dopée N++ sous la base. Aussi, elle ne survient que sur la partie de la jonction voisine du contact de base, ce qui est clairement visible sur la Figure 71. De plus, les porteurs injectés se recombinant dans la base, ils n’arrivent pas dans la ZCE base-collecteur et ne participent donc pas au RON du transistor bipolaire autopolarisé, d’après les mécanismes décrits au Chapitre1. Dans ces conditions, la diminution du rapport d’injection le long de la jonction conduit à des valeurs locales minimales d’autant plus faibles que la longueur d’émetteur est grande. Pour LE égale à 3,4 udm, le rapport d’injection minimal est de 1,6 à la position 1,9 udm, et pour LE égale à 12,7 udm, il est de 1,1 à la position 8,2 udm. Cette tendance explique l’augmentation de la valeur totale du rapport d’injection avec la diminution de la longueur d’émetteur. A titre de remarque, les deux valeurs minimales relevées le long de l’émetteur sont supérieures aux valeurs totales correspondantes reportées sur la Figure 68, 1,18 et 1,02 pour LE égale respectivement à 3,4 et 12,7 udm. Ceci s’explique par le fait que les valeurs locales sont calculées à la jonction émetteur-base et non dans la ZCE base-collecteur comme les valeurs totales. Aussi, les recombinaisons dans la base sont négligées. Or, ces recombinaisons augmentent avec la largeur de base, ce qui va également dans le sens d’une augmentation du rapport d’injection avec le rétrécissement de l’émetteur.
3.3-Réduction du RON des transistors PNP latéraux autopolarisés 95 , , , , , , , , , , , , , ,
Figure 70: Rapport d'injection et densité de courant le long de la jonction émetteur-base pour un émetteur de longueur de 3,4 udm (la partie gauche du graphe est côté collecteur et la partie droite côté base).
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Figure 71: Rapport d'injection et densité de courant le long de la jonction émetteur-base pour un émetteur de longueur 12,7 udm.
Pour être complet, il est à noter que le rapport d’injection dans la région la plus proche du collecteur (à gauche des graphes des figures 70 et 71) est plus faible pour l’émetteur court, 2,1 de valeur maximale pour 3,4 udm contre 2,7 pour 12,7 udm. En effet, la valeur de la densité de courant étant plus élevée, 2,1 105 A.cm-2 pour 3,4 udm et 1,4 105 A.cm-2 pour 12,7 udm, la chute résultante du rapport d’injection est plus prononcée. Un tel comportement s’oppose à l’augmentation du rapport d’injection avec le rétrécissement de l’émetteur, mais sans être suffisant pour inverser cette tendance.
96 Chapitre3-Développement de protections ESD à base de transistors bipolaires PNP Emetteur Collecteur Base
W
B1W
B2W
B3L
EFigure 72: Distribution de la ZCE (en rouge) et bases internes le long de trois lignes de courant.
Cette étude est valable uniquement pour les transistors bipolaires latéraux. Elle ne s’applique pas aux transistors bipolaires verticaux. Pour ceux-ci, le rapport d’injection est quasi-indépendant de la longueur d’émetteur, car la largeur de base interne est constante, égale à la distance entre la diffusion d’émetteur et la couche enterrée, tel que le montre par exemple la coupe simplifiée de la Figure 22. Aussi, les règles d’optimisation du layout de l’émetteur seraient différentes.
Définition des règles de dessin et considérations sur le ballast
D’après l’étude qui vient d’être développée, la longueur d’émetteur LE doit être minimale pour assurer les meilleures propriétés en termes de faible RON. Néanmoins, cette réduction de LE risque de conduire à des densités de courant très élevées, qui peuvent être préjudiciables pour la robustesse, voire pour le RON si la base rétrécit (Chapitre2). Afin de limiter les densités de courant, il faut adopter un layout dont le périmètre d’émetteur en regard du collecteur est maximal, de manière à répartir le plus possible le courant. Cette règle conduira à privilégier les structures interdigitées. Les structures matricielles, faites d’une juxtaposition d’éléments hexagonaux ou circulaires, sont également bien adaptées; mais elles ne seront pas utilisées, car difficiles à dessiner. Ces règles sont en accord avec celles définies dans la référence [81] pour des technologies CMOS 0,35 et 0,25 µm, où une longueur d’émetteur minimale et une structure interdigitée sont recommandées.
Le choix d’un LE minimal appelle à des commentaires quant à la très faible résistance de ballast qui en résulte. Cette résistance, correspondant au chemin d’accès du contact à la jonction émetteur-base, permet d’homogénéiser le courant, à la fois entre les doigts d’une structure interdigitée et le long d’un doigt. Elle joue ainsi un rôle important pour prévenir des défaillances prématurées. Dans le cas d’une structure interdigitée avec repliement, le nombre de doigts qui conduisent le courant après le repliement est aléatoire, et, le plus souvent, un seul doigt conduit. Pour assurer le déclenchement des autres doigts, il faut que la tension remonte jusqu’à la tension de déclenchement, avant la dégradation de la structure [82] [83]. Au regard de cette condition, la surtension générée par la résistance de ballast a un effet bénéfique. Cependant, les transistors PNP se repliant faiblement, la tension de déclenchement devrait facilement être atteinte, même sans résistance de ballast. De plus, si le repliement est supprimé, par exemple en utilisant une polarisation en base flottante, alors le déclenchement de tous les doigts est assuré, sans restriction. Concernant la conduction d’un seul doigt, la résistance de ballast réduit les risques liés aux instabilités thermiques [84]. Ces instabilités sont dues à l’action positive de l’autoéchauffement sur le gain. Une augmentation de la température conduit à une augmentation du gain et donc à une augmentation de la densité de courant, qui contribue à son tour à faire augmenter la température. A partir de légères inhomogénéités de la conduction, ce mécanisme peut mener à une focalisation du courant, très pénalisante pour la robustesse [37]. Le rôle de la résistance de ballast est de s’opposer à cet effet, en dépolarisant la jonction émetteur-base dans les régions où la densité de courant a tendance à augmenter. Cependant, les valeurs des gains des
3.3-Réduction du RON des transistors PNP latéraux autopolarisés 97
transistors PNP pendant une ESD sont, en général, trop faibles pour générer ces instabilités. Ainsi, la suppression des résistances de ballast des transistors PNP ne devrait pas dégrader la robustesse, leurs caractéristiques intrinsèques permettant d’assurer à la fois le déclenchement de tous les doigts et la conduction homogène d’un doigt. Au regard de ce comportement, les transistors PNP sont plus avantageux que les transistors NPN, ces derniers nécessitant le plus souvent une résistance de ballast.