4.3. Structures à région flottante
4.3.2. Fonctionnement ESD pour une région flottante dans la base
4.3.2.2. Mécanismes physiques
Suivant que l’avalanche est localisée à la jonction principale ou à la jonction secondaire, les mécanismes de forte injection sont différents. Pour les espacements de 0,3, 0,9 et 1,5 udm, l’avalanche est essentiellement localisée à la jonction secondaire dans la partie bas courant (respectivement jusqu’à 300, 150 et 50 milliAmpères pour les espacements de 0,3, 0,9 et 1,5 udm). A plus fort courant, en particulier lorsque les caractéristiques se rejoignent, l’avalanche s’est déplacée à la jonction principale. Pour la structure d’espacement 1,8 udm, l’avalanche est localisée à la jonction principale, quel que soit le niveau de courant.
Avalanche à la jonction secondaire
Les contributions à la tension des différentes ZCE et résistances internes sont séparées les unes des autres en chaque point de la caractéristique TLP, pour l’espacement 0,9 udm. Pour cela, une coupe est effectuée en suivant la ligne de courant passant par le point de la jonction secondaire où la densité de courant est maximale (Figure 132 (a)). Le profil de champ le long de cette coupe montre cinq contributions à la tension : les champs électriques dans les ZCE aux jonctions secondaire et principale (nommés respectivement "Champ1" et "Champ2"), le champ électrique induit par la saturation de la vitesse des porteurs dans la diffusion de collecteur (nommé "Champ3"), et les résistances d’accès dans le collecteur et la région flottante (nommées respectivement "Res1" et "Res2") (Figure 132 (b)). La tension associée à chacune de ces contributions pourra être calculée en intégrant le champ électrique sur la région correspondante.
A bas courant, lorsque l’avalanche est localisée à la jonction secondaire, seules les contributions "Champ1" et "Champ2" sont significatives. Le tracé des caractéristiques électriques I-V de ces deux contributions permet de mettre en évidence leurs influences respectives sur la caractéristique TLP (Figure 133). La tension à la jonction secondaire ("Champ1") diminue selon les mêmes mécanismes que dans un simple bipolaire autopolarisé (contribution du courant d’injection à l’avalanche et diminution de l’extension du champ dans la base sous l’effet du courant d’injection). La chute de tension résultante est importante, de plus de 10 Volts (l’étude à fort courant montrera une tension de maintien de 18,2 Volts, à comparer à la tension de déclenchement de 29,4 Volts). Cependant, la tension à la jonction principale ("Champ2") augmente, de sorte que la caractéristique TLP de la structure complète ne se replie que d’un Volt. Au premier abord, cette augmentation est surprenante. Elle est en contradiction avec la conclusion de l’étude statique selon laquelle les tensions soutenues par les deux jonctions varient dans le même sens (section 4.3.1.3). Cependant, en forte injection, cet effet est neutralisé par la modulation de la ZCE. Du côté de la région flottante, la limite de la ZCE est fixée par les conditions de polarisation. Ainsi, le long de la coupe (Figure 132 (a)), elle s’étend jusqu’à la région flottante, quelque soit le point TLP. L’augmentation du dopage effectif dans la région P entre les deux jonctions et le déplacement de la jonction effective vers le collecteur conduisent à un accroissement à la fois de valeur maximale et de l’extension du champ électrique (Figure 134), donc à un accroissement de la tension. Par comparaison au cas de la jonction
base-148 Chapitre4-Protections ESD "hautes tensions" et à faible RON à base de transistors bipolaires NPN
collecteur d’un simple transistor NPN, où l’extension de la ZCE côté base peut diminuer, les contraintes liées à la polarisation de la région flottante empêchent une telle diminution.
Collecteur Ligne de courant Emetteur Base
, , , , , , Collecteur Ligne de courant Emetteur Base
, , , , , ,
(a)
Champ3 Champ2 Champ1
Res2 Res1
Jonction Collecteur Jonctions Région Flottante
(b)
Figure 132: Distribution de la densité de courant dans le composant de distance 0,9 udm au point TLP (V=33,7 V ; I=132 mA) (a), montrant la ligne de courant pour tracer le profil du champ électrique (b).
4.3-Structures à région flottante 149
Jonction Collecteur Jonction Région Flottante
J
Limite du Champ , , , , , , , , , , , ,Jonction Collecteur Jonction Région Flottante
J
J
Limite du Champ , , , , , , , , , , , ,Figure 134: Profils de champ électrique à la jonction principale (Champ2) pour différents points TLP.
Avalanche à la jonction principale
A nouveau, les différentes contributions à la tension sont séparées les unes des autres, pour la structure d’espacement 0,9 udm. Cette fois-ci, les niveaux de courant sont suffisants pour que les contributions des résistances (contributions Res1 et Res2) et du champ dans la diffusion de collecteur (contribution Champ3) soient significatives (Figure 135).
Champ3 Champ2 Champ1 Res2
Res1
Jonction Collecteur Jonctions Région Flottante
Figure 135: Profil de champ électrique suivant la ligne de courant issue du maximum de densité de courant à la jonction principale au point TLP (V=54,6 V ; I=1,49 A).
150 Chapitre4-Protections ESD "hautes tensions" et à faible RON à base de transistors bipolaires NPN
Les caractéristiques I-V des contributions de la jonction secondaire (Champ1) et de la jonction principale (Champ2) sont tracées (Figure 136) et la résistance dynamique à 1,5 Ampères de chacune des contributions est calculée (Tableau 25). Le champ à la jonction principale et celui dans la diffusion de collecteur ont les résistances dynamiques les plus importantes, correspondant respectivement à la moitié et à un tiers du RON total. Comparativement, les autres contributions sont très faibles. Toutefois, il est possible que la résistance dynamique à la jonction secondaire ne soit pas négligeable dans une structure optimisée. La suppression du champ dans la diffusion de collecteur ne devrait pas poser problème, il suffit de doper plus le collecteur et d’agrandir le contact. Concernant le contrôle des champs aux jonctions principales et secondaires, il faut au préalable comprendre les mécanismes physiques mis en jeu.
, , , , , , , , , ,
Figure 136: Caractéristique TLP fort courant et courbes I-V des contributions "Champ1" et "Champ2".
Tableau 25: RON à 1,5 Ampères proportion dans la valeur totale pour chaque contribution de la tension. RON (Ω) Proportion (%) Champ1 2,8 8,8 Champ2 16,3 50,9 Champ3 10,7 33,4 Res1 1,4 4,4 Res2 0,8 2,5 Total 32,0 -
Le champ à la jonction principale est fonction du niveau d’avalanche nécessaire pour polariser le bipolaire. Sa résistance dynamique équivalente dépend essentiellement de l’optimisation des effets en fort courant, suivant les stratégies définies au Chapitre1. Le champ à la jonction secondaire est fixé par le potentiel qu’induit le champ à la jonction principale. Pour appréhender l’effet des fortes densités de courant sur la polarisation, les distributions de champ électrique dans la structure de référence à fort courant (Figure 137) et en statique (Figure 127) sont comparées. L’effet le plus significatif est la suppression de la forte extension en profondeur. Cette nouvelle configuration ne conduit plus à une polarisation graduelle de la région flottante, de sorte que les variations de la tension sont plus franches. Cependant, la distribution du champ de référence ne décrit qu’approximativement la distribution à la jonction principale. La région flottante affecte la répartition de la densité de courant (Figure 138), ce qui influe sur la distribution spatiale des phénomènes de forte injection.
4.3-Structures à région flottante 151
Le champ électrique à la jonction principale n’étant plus fixé par les contraintes liées à la polarisation de la région flottante, on s’attend à ce que la forte injection entraîne une diminution de son extension. Cette diminution modifie la polarisation de la région flottante, dont le potentiel devrait diminuer avec le courant. Plus l’espacement d est faible, plus la densité de courant doit être élevée pour que la modification du champ soit suffisante pour faire chuter le potentiel de la région flottante. Cette analyse permet de décrire le comportement de la structure d’espacement 1,8 udm. Par contre, elle n’explique pas les résultats pour les espacements de 0,3, 0,9 et 1,5 udm. En particulier, elle ne rend pas compte de la superposition des caractéristiques TLP à fort courant, et de l’augmentation de la tension soutenue à la jonction secondaire (Figure 136). Pour lever ces contradictions, il faudrait étudier plus précisément les modifications du champ électrique en fonction de la répartition de la densité de courant. Une étude aussi fine est ardue et les résultats risquent d’être trop complexes pour en déduire des règles d’optimisation réalistes. Aussi, l’analyse du comportement pendant une ESD ne sera pas plus amplement approfondie.
Collecteur Emetteur
,
,
,
,
,
,
Collecteur Emetteur,
,
,
,
,
,
Figure 137: Distribution de champ électrique dans la structure de référence au point TLP (V=32,1 V ; I=1,54 A).
Collecteur Emetteur Collecteur Emetteur
, , , , , , , , , , , ,
(a) (b)
Figure 138: Distributions de densité de courant dans la structure de référence au point TLP (V=32,1 V ; I=1,54 A) (a), et dans la structure de distance 0,9 udm au point TLP (V=54,6 V ; I=1,49 A) (b).
Développement de protections "hautes tensions" et à faible RON
Dans le meilleur cas (d=1,5 udm), l’insertion de la région flottante permet de supprimer le repliement, d’augmenter la tension de fonctionnement, et d’améliorer le RON. Toutefois, le RON des structures étudiées reste trop élevé pour des protections ESD, et des règles d’optimisation n’ont pas pu être définies du fait des difficultés théoriques dans l’analyse des effets en fort courant. De plus, il est probable que la règle fondamentale de réduction du RON consistant à diminuer le dopage de base (définie en 2.4.3) ne soit pas applicable à la jonction principale. Cette règle vise à réduire l’extension du champ ce qui risque de poser des problèmes pour maintenir la polarisation de la région flottante et garder une tension de fonctionnement élevée. En résumé, les transistors NPN avec région flottante
152 Chapitre4-Protections ESD "hautes tensions" et à faible RON à base de transistors bipolaires NPN
dans la base sont susceptibles d’être utilisés comme protection ESD des E/S "hautes tensions". Cependant, l’absence de stratégie pour la réduction du RON rend l’optimisation très délicate.