HAL Id: jpa-00249292
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Submitted on 1 Jan 1995
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Déclenchement des structures thyristor métal oxyde semiconductor (Thys-MOS et MCT) par la composante
du courant sous le seuil
J. Sanchez, Henri Tranduc, P. Rossel, G. Charitat, F. Behrens
To cite this version:
J. Sanchez, Henri Tranduc, P. Rossel, G. Charitat, F. Behrens. Déclenchement des structures thyristor métal oxyde semiconductor (Thys-MOS et MCT) par la composante du courant sous le seuil. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1995, 5 (1), pp.11-32. �10.1051/jp3:1995107�. �jpa-00249292�
J. Phys. III Franc-e 5 (1995) II -32 JANUARY 1995, PAGE
Classification Physic-s Abstracts
73.40Q
Ddclenchement des structures thyristor mdtal oxyde
semiconducteur (Thy-MOS et MCT) par la composante du
courant sons le seuil
J. L- Sanchez ('), H. Tranduc ('), P- Rossel ('), G. Charitat (') et F. H- Behrens (2) (') Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systbmes du CNRS, 7 av. du Colonel Roche,
31077 Toulouse Cedex. France
(2) Centro Tecno16gico para Inforrnfitica, Rodovia Don Pedro I, SP 65, Km143.6, CP6162, 13089-500 Campinas (SP), Brdsil
(Re~,u le 15 septembre 1994, acceptd le 17 octobre 1994)
Rdsumd. On analyse le pnncipe de l'utilisation de la composante de courant dite sous le seuil du transistor MOS pour faire basculer la caract6ristique courant-tension du thyristormos. Il est montr6 que l'on obtient une sensibilitd dlevde en commande de grille et que le d6clenchement peut
se produire pour une faible tension d'anode- Une tenue en transitoire
« dV/dt » de l'ordre de 1500 V/~s peut dtre aussi assurde. Des configurations de structures thyristor MOS. mettant en
wuvre ce pnncipe et 6tant technologiquement compatibles avec les circuits int6gr6s de puissance,
sont d6cntes; des caract6ristiques 61ectriques sont prdsent6es, montrant le bien-fond6 des pr6visions th60riques- On explique aussi, par le mdme m6canisme, le basculement h la fermeture de certains dispositifs MCT (MOS controlled thyristor).
Abstract, The basic properties of the subthreshold currents in MOSFET'S are used in order to
account for a latch-up mechanism at low level in the MOS thyristor structure. The main results are
I) a high sensitivity of the latch-up mechanism with the gate voltage value, it) a very low drain voltage value is sufficient to set on this switch-back. dV/dt capability of about 1500 V/~s is
obtained in this kind of MOS thyristors. Two configurations for the structure are described the electrical properties (D.C- and dV/dt transients) are presented. We also explain, by the same mechanism, the switch-back at turn-on in the MOS controlled thyristor (MCT).
Introduction
L'une des 4volutions des circuits intdgrds pour l'dlectronique de puissance (Smart Power) est celle de l'intdgration monolithique d'un circuit de commande logique et (ou) analogique, en
technologie(s) planar mdtal-oxyde-semiconducteur (MOST ou (et) bipolaire, et d'un ou
plusieurs dldments de sortie qui constituent [es interrupteurs de puissance. Ces derniers sont, soit des transistors bipolaires, soit des transistors MOS, soit des transistors h effet de champ h
conductivitd modulde, soit des thyristors MOS [ii. ITS doivent Etre rdalisds dans une
QLes Editions de Physique 1995
technologie qui soit compatible avec la technologie de Ieurs circuits de commande. Leur
procddd de fabrication est celui de la double diffusion, h faible profondeur de jonction I h 5
~L
environ) ; cette double diffusion se fait souvent selon un procddd auto alignd dans un substrat dpitaxid- Les gdomdtries de ces divers composants de puissance prdsentent des formes
interdigitdes ou multicellulaires. Les Electrodes peuvent Etre coplanaires, c'est-h-dire Iocalisdes
sur la face supdrieure du cristal Ie composant est alors qualifid de Iatdral ou bien non-
copIanaires, I'une des deux Electrodes de puissance est alors situde sur la face infdrieure le composant est alors. qualifid de vertical.
Aujourd'hui, dgalement, une des directions principales d'dvolution de la fabrication de ces mEmes composants de puissance unipolaires ou (et) bipolaires h grille isolde (MOS, IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
-, ThyMOS Thyristor MOS
-, MCT MOS Control-
led Thyristor -...) considdrds, h prdsent, en tant qu'dldments discrets, est la mise au point de
technologies entibrement planar ; celles-ci, assocides h I'utilisation de grilles en mdtal ou en
polysilicium, conduisent h des processus de fabrication simples et h haut rendement. Les progrbs effectuds dans [es domaines de la photolithographie et de la technologie des circuits
intdgrds sent mis h profit pour rdaliser ces types de composants de puissance discrets qui,
souvent, sent analogues aux dispositifs intdgrables dvoquds prdcddemment : configuration
multicellulaire ou interdigitde, gdomdtrie de cellule trbs fine et h pas rdduit, zone de canal rdalisde par double diffusion, jonctions h faible profondeur, substrat dpitaxid ou multi-dpitaxid.
Dans chacun des cas dvoquds, surtout pour [es structures intdgrdes, la tendance en ce qui
concerne la valeur de la tension de commande, appliqude sur la grille isolde de I'dldment
interrupteur, est h la diminution ii y a quelques anndes la tension de grille normalisde h I'dtat passant dit ON 6tait de 10 V ; aujourd'hui, I'Evolution se fait vers des tensions de 5 V ou mEme
moins. Cette dernibre valeur est mieux adaptde h I'amplitude des signaux foumis par [es
Iogiques MOS ou bipolaires. Ceci implique de concevoir I'dldment de puissance pour que son
fonctionnement soit optimisd h cette faible valeur de tension grille d'ob l'apparition rdcente de nouvelles families technologiques comme par exemple celle des transistors MOS de puissance
h niveau de commande logique (Logic Level MOSFET'S).
Dans cette Etude, nous nous intdressons h une famille de ces structures et h l'un de ses modes de fonctionnement. Ii s'agit d'un dispositif associant I'effet mdtal oxyde semiconducteur et
I'effet thyristor. Nous proposons d'apporter une contribution spdcifique h
I) I'analyse du principe de basculement c'est-h-dire I'initialisation- au moyen de I'utilisation de la composante de courant de diffusion, dite « courant sous le seuil
» de la
rdaction positive entrainant l'apparition d'une rdsistance ndgative sur la caractdristique
courant-tension des dispositifs MOS-thyristor
it) l'application de ce principe h la proposition d'exemples de configurations technologiques
pour un type de thyristormos planar vertical ou horizontal, interdigitd ou multicellulaire, prdsentant une haute sensibilitd au ddclenchement. Celui-ci est commandable h la fermeture par une faible valeur de tension de grille. Sa conception est basde essentiellement sur la mise h
profit des propridtds du courant dit sous le seuil pour assurer un niveau de ddclenchement, en tension de commande de grille voisine de la tension de seuil d'inversion et ceci, tout en ne
ndcessitant simultandment qu'une faible valeur de la tension d'anode ;
iii) l'extension h I'explication du basculement de dispositifs plus complexes que sont [es
« MOS controlled thyristors » (MCT). Ceux-ci prdsentent la particularitd d'Etre commandables h l'ouverture et h la fermeture par une grille isolde.
La premibre structure du thyristor MOS a dtd proposde initialement par Baliga [2, 3] sous la forme d'une configuration dite h sillon gravd. Plus tard, diverses configurations planar,
Iatdrales [4. 5] ou verticales [6-9], utilisant [es processus de double diffusion dans un substrat
dpitaxid, ont dtd ddcrites et rdalisdes. La faisabilitd de dispositifs monocellulaires haute tension
N° I DECLENCHEMENT PAR LE COURANT SOUS LE SEUIL 13
(1 500 V) mesa [10] et planar [12] h jonctions profondes diffusdes sur les deux faces du cristal,
a dtd dgalement prouvde. La commande par voie optique de telles structures ayant un haut niveau d'isolement galvanique a aussi dtd proposde [25]. Plus rdcemment des dispositifs ayant
des tenues en tension de 2,5 h 4,5 kV ont dtd fabriquds [26] en vue du remplacement des
thyratrons. Enfin deux types de structures, commandables h l'ouverture et h la fermeture, ont dtd proposds [29]. La premikre est dite EST (emitter switched thyristor) [30, 33] dans laquelle
un transistor MOS est placd en sdrie avec le thyristor. La seconde est un thyristor MOS dans
lequel on peut, pour assurer I'ouverture, court-circuiter une base avec I'dmetteur correspondant
par I'intermddiaire de la mise en conduction d'un transistor MOS ; ces MCT sont actuellement commercialisds [31, 32].
Schdmatiquement, la structure de base de thyristor MOS, considdrde dans la configuration
verticale ou pIut6t une demi cellule (Fig. la) dans le cas de structure multicellulaire est
analogue h celle d'un transistor D. MOS vertical, ayant une zone de canal P et une source N+
rdalisdes par double diffusion dans un substrat dpitaxid N-/P+. La zone P est recouverte par un
oxyde de silicium et par une grille. Un court-circuit de source est assurd par une mdtallisation
qui relie entre elles [es zones P et N+. L'anode est prise sur la face infdrieure.
iathode isourcei ~rjjj~
iafhode(sourcei
v~
~ ~~~jj~
p
P~
~~°~~
de
[al (bl
Fig. I.- Coupe schdmatique (Ia) et ddcomposition en composants discrets (Ib) du Thy-MOS d'aprds [9] et [[[j.
[Schematic cross-section (la) and equivalent circuit (16) of the MOS thyristor [from 9 and Il.]
D'un point de vue dlectrique, I'analyse du ddclenchement de ces composants a dtd effectude de manibre prdcise [9-1Ii ii a dtd montrd que deux types de couplage dits Mos~bipolaire puis
bipolaire-bipolaire sont h I'origine du basculement de la caractdristique- c'est-h-dire
l'apparition d'une rdsistance ndgative-. Les modes de fonctionnement, avant ce bascule- ment, ainsi que Ie passage, aprbs basculement, d'un type de couplage h un autre ant dtd aussi dtudids.
Nous proposons, dans ce qui va suivre, d'dtendre ces rdsultats au domaine oh la partie de la
structure qui constitue un transistor MOS, conduit par courant de diffusion sous le seuil.
1. Principe du ddclenchement par le courant sons Ie seuil
L'assimilation classique de I'empilement PNPN h deux transistors couplds, I'un N+ PN- h
base dtroite, I'autre P+ N- P h base large, conduit [9-1Ii au schdma equivalent de la figure 16.
Celui-ci inclut la rdsistance R de court-circuit d'dmetteur qui correspond h la rdsistance rdpartie
de la rdgion P sous la source ou cathode N+, ainsi qu'un transistor MOS dont Ie substrat P (zone de canal ou Body), qui est connectd h la source N+ par I'intermddiaire de la rdsistance R
prdcddente, correspond h la base du transistor N+ PN-. Son drain N- constitue aussi la base du transistor P+ N- P.
Deux boucles de rdaction positive interviennent dans Ie ddclenchement. La premibre rdsulte de l'augmentation de la tension source-substrat du transistor MOS. Le schdma Equivalent
particulier considdrd est, dans ce cas, reprdsentd sur la figure 2. II prend en compte l'association du transistor bipolaire P+ N- P, du transistor MOS et de la resistance R. La tension substrat-source Vs n'a pas encore une valeur de polarisation directe suffisante pour
ddbloquer I'autre transistor bipolaire de type NPN apparaissant sur la figure [9]. Ce transistor n'est donc pas considdrd pour analyser cette premibre rdaction positive du type MOS-bipolaire.
Quant h la deuxibme boucle de rdaction, eIIe provient de la chaine d'amplifidation en courant des deux sections bipolaires PNP et NPN.
ANODE
~~~fj~j~
ILLE ~
v~~
OE
Fig. 2. Sch6ma Equivalent simplif16 pas en compte pour l'dtude du d6clenchement sous le seuil.
[Equivalent circuit considered for studying the subthreshold switch-back mechanism.]
Le cas que nous traitons est celui de l'apparition d'une rdsistance ndgative sur [es
caractdristiques courant-tension life h la premibre rdaction positive. A niveau de courant plus dlevd, Ie critbre de ddclenchement en mode bipolaire-bipolaire est satisfait et Ie dispositif
fonctionne alors en mode thyristor passant.
L'originalitd consiste h utiliser le courant sous le seuil de la section MOS pour atteindre Ie niveau de basculement de la boucle de rdaction MOS-bipolaire. On met h profit les propridtds
des caractdristiques courant-tension de ce composant lorsque la tension grille-source ilc est voisine ou infdrieure h la tension de seuil classique V~o. Celle-ci, ddfinie h tension
source-substrat nulle, est exprimde par
~,~
Qss
~ ~
~~ '
~~~=2/~+~i~~~ ~~~~~'
~ox
oh &5
~ est ie potentiel de Fermi de la diffusion P, &5
~ Ie potentiel associd h l'effet substrat ( &5
~ = 2qN~ E,~ ~~/C)~), N~ le dopage, C~, la capacitd d'oxyde par unitd de surface, Qss la charge parasite d'oxyde ramende h l'interface, &5
~s la diffdrence des travaux de sortie
entre le mdtal et Ie semiconducteur.
On sait [13, 14, 28] que, dans ces conditions, le courant est un courant de diffusion it est
fonction exponentielle h la fois de la tension de grille effective Vi (Vi =Vc+
N° DECLENCHEMENT PAR LE COURANT SOUS LE SEUIL 15
Qss/C~~ &5 ~s) et de la tension substrat-source Vs, et est inddpendant de la tension drain-
source V~ dbs que celle-ci atteint 3 h 5 fois le potentiel therTnodynamique U~. Lorsque la
polarisation de source est en inverse ou ldgbrement en direct, cette ddpendance [14] s'dcrit
oh p est la mobilitd des porteurs, n, la concentration intrinsbque, L~ la longueur de Debye intrinskque, q la charge dlectronique, m et n deux coefficients supdrieurs h I'unitd tels que
n soit supdrieur h m [13], Z et L la Iargeur et la longueur du canal. Dans Ie cas des structures multicellulaires, Z est la somme de pdrimbtres (largeurs) des canaux associds aux diverses cellules. Soit encorej sous une forme plus simple [15, 16, 20-23] :
z Vi + mvs
I~
=
lo exp (3)
L nUT
oh le courant lo est un parambtre que l'on peut d6terminer en identifiant les relations (2) et (3).
II peut Etre considdrd, en premibre approximation [15], comme dtant pratiquement constant dans la gamme rdduite de variations de tension grille que l'on explore au voisinage du seuil.
Dans cette expression, le terme mvs traduit la modulation de la tension de seuil en fonction de la tension substrat-source. II a dtd montrd que le coefficient m pout Etre considdrd comme ayant
deux valeurs constantes: pour des tensions substrat-source- en polarisation directe-
infdrieures h 0,75 V environ, la premibre valeur de ce coefficient est imposde par l'effet du
dopage du substrat (body effect) classique. Au-dell de 0, 75 V environ, sa deuxibme valeur est
plus dlevde [23], h cause de l'injection directe de charges, mais pout encore ttre prise comme constante.
Pour illustrer cc mode d'dvolution, la figure 3 reprdsente l'allure des caractdristiques de transfert du transistor MOS sur lesquelles apparaissent [es zones ddlimitant les rdgimes de forte inversion, faible inversion et bipolaire. Dans la zone de faible inversion, le courant est, comme
l'exprime la relation (3), fonction exponentielle de la tension grille et de la tension substrat. La
Rp
vs
Forte inversion P
(Vo >V(
V~(Vl
~
~ Io(
o
Loqlo
BIPOLAIRE Fajble inversion
IVD»3h5 Uil V6 Fig. 3. Les rdgimes de conduction dans le transistor MOS.
[The various operation modes on the current i>s. voltage characteristics of the MOS transistor.]
figure 4 reprdsente le mtme type de tracd, obtenu expdrimentalement sur un transistor D. MOS vertical h canal court. Los tensions de seuil au sons classique de la forte inversion sont
reportdes sur chaque caractdristique, c'est-h-dire pour chaque valeur de la tension substrat-
source V~.
Loqio(lo(A)1
3 Vg0,bV 155 (5
D,I DV
D,' o,b
o,8 v
v~-vs (vi
i 3 ,
Fig. 4. Relevd expdrimental des courants sous le seuil et en forte inversion dans un transistor MOS (Z = 200 ~m ; L
m 2 ~m V~ = 5 VI.
[Experimental variations of the subthreshold and high-inversion currents in the MOS transistor.]
En admettant quo, sur le circuit de la figure 2, le gain h~~ du transistor P+ N- P, h base
large, reste constant au voisinage du courant de basculement, l'dtablissement des relations
dlectriques correspondant h cc circuit, assocides h la condition d'instabilitd ou de basculement
(apparition de la rdsistance ndgative) ddfinie par :
dI~
~ m (4)
?VG
et proposde par Hachad et al. [9, III, conduit aux valeurs particulikres des variables
dlectriques suivantes- tension Vi substrat-source, courant drain It et rdsistance de base
R*- au moment du basculement de la caractdristique (cf. annexe)
Vi nU~
= (5)
m
~° ~~~ i~~
~ ~~~
nU~
'
R *
= ~
mh~~ 1~ (7)
Notons quo nous avons un systkme de trois Equations pour quatre variables dans la
pratique, le concepteur se donne une valeur de seuil de ddclenchement soit sur le niveau de
courant It, soit sur la tension de commando de grille Vi.
N° i DECLENCHEMENT PAR LE COURANT SOUS LE SEUIL 17
Il taut de plus, comme nous l'avons ddjh exprimd, quo la tension V~ atteigne 3 h 5 fois le
potentiel thermodynamique, c'est-h-dire que la tension V~ soit agate h une tension de coude de
V~#V~E+3h5UT (8)
oh V~~ est la tension base-dmetteur du transistor, de type PNP, reprdsentd sur la figure 2. En
pratique, cette tension V~ d'anode de basculement est de l'ordre du volt.
Grfice aux relations prdcddentes, la valeur minimale de la rdsistance R ndcessaire pour
assurer le basculement, en rdgime sous le seuil, pout ttre dvaiude. Un ordre de grandeur du
courant de diffusion du transistor MOS au seuil V~o [14], c'est-h-dire h la transition entre la
conduction sous le seuil et la conduction norTnale par courant de forte inversion, est de 0,5 mA environ par centimbtre de pdrimbtre de canal pour un transistor MOS double diffusd de I ~Lm de longueur. La figure 4, qui reprdsente dans le plan I~ (Vc) les caractdristiques expdrimentales
sous le seuil pour un transistor MOS de 0,2 mm de pdrimbtre de canal et 2 ~Lm de longueur,
confirme cet ordre de grandeur sur cette figure, la valeur du courant au seuil est prdcisde par
un point reportd sur chaque caractdristique.
Sur la base de cette valeur numdrique, la limite infdrieure R~~ de la rdsistance
R, juste ndcessaire pour que le basculement se produise pour une valeur de tension de grille agate h la tension de seuil V~o est
Rcr(n # 5 X '0~ hit ~ (9)
Si la rdsistance R est supdrieure h cette valeur, le basculement se produira avant que la tension de grille n'ait atteint la tension V~o.
Enfin, si, aprbs le basculement, on fait croitre le courant, corrdlativement la tension V~ augmente. Lorsqu'elle atteint une valeur critique de l'ordre de 0,4 V [10], le second
ddclenchement qui ne se diffdrencie pas de la condition de commutation d'un thyristor
classique intervient.
2. Les structures adaptdes au mode de ddclenchement par courant sons le seuil
Nous allons h prdsent proposer des structures de thyristor MOS mettant en pratique l'analyse prdcddente. On distinguera les structures verticales discrdtes ou intdgrables unitairement, en
vue de rdaliser une fonction de mono-interrupteur, et [es structures latdrales pouvant fitre intdgrdes collectivement pour rdaliser des circuits h multi-interrupteurs.
2.I. STRUCTURES VERTICALES. Dans (es structures verticales, [es Electrodes de source et
d'anode sont situdes sur [es deux faces opposdes du cristal. Le volume du semiconducteur est
dpitaxid N-/P+, [es propridtds de la couche N- devant ttre ddtermindes pour assurer la tenue en tension souhaitde en regime bloqu6 [17]. Le courant circule verticalement depuis le bas de la
puce vers le haut de celle-ci. Deux types de configuration peuvent Etre envisagds selon que la
technologie de fabrication est du type h grille mdtallique ou du type h grille en polysilicium.
Celles-ci doivent h la fois assurer ;
. un rapport entre la surface de source N+ et la surface totale le plus 61ev6 possible pour permettre une densitd dlevde de courant tout en minimisant la chute de tension passante ;
. une ddfinition prdcise de la rdsistance R qui impose [es conditions de basculement
. une tenue en tension inverse dlevde.
Dans la configuration h grille m6tallique, la structure est interdigitde. Elle reste similaire h celle d'un transistor MOS double diffusd vertical. La figure 5a prdcise la coupe d'une partie de
