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Liste des symboles - Accueil thèses - Université Toulouse III

1. a b La k Lw Emetteur Grille l l Emetteur l P well n drifi n drift Substrat P Substrat P W anode Collecteur Collecteur Figure3 18 Demi cellules de l IGBT standard gauche et de l IGBT propos droite 119 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 4 4 2 1 Effet de la longueur de la tranch e Lr Les caract ristiques IA VoKx et IA V ax l tat passant direct obtenues par simulation de l IGBT propos pour diff rentes valeurs de la longueur de la tranch e Lr avec Wr 4 um et X 9 um sont donn es sur la Figure 3 19 4E 03 TSBT standard 3E 03 SLT pr n3E 03 SLT 15 pm mLT 16 2 2E 03 aaa 7 2E 03 en 1E 03 LR 5E 02 0E 00 QE 0 2E 02 4 E 02 GE 02 GE 0 2 Anode voltage v 1E 04 XIGBT standard 8E 05 LT 14um SEOs 7 LT 15 um aLT 16um 4E 05 2E 05 Anode current A um Gate voltage V Figure3 19 Caract ristiques l4 V4xg haut et IA Vox bas de l IGBT standard et l IGBT propos pour diff rentes longueurs de la tranch e Lr On remarque dans la Figure 3 19 haut que des valeurs faibles de la longueur de la tranch e Lr conduisent Lr 14 um a une diminution de la tension de latch up Quand la longueur de la tranch e augmente a 15 um la tension de latch up double sa valeur par rapport une structure standard et pour Lr 16 um le ph nom
2. 500 kVA avec des fr quences pouvant atteindre 20 kHz LEFE 01 Les composants SCR Silicon Controled Rectifier ou thyristor et les GTO Gate Turn off thyristor repr sent s sur la figure 1 sont r serv s aux applications de tr s fortes puissance au del du MVA mais sont limit es par leur faible fr quence de fonctionnement jusqu a quelques kHz MW class Power Control MW classi Sy MW Class Motor Co Power die room i 100M Control eee i 10M UPS Robot Welder Machine Automobil a Switching Power Supply IM 2 7 Automobile Power VA S x SWitching Power Supply Power VA a 100 Triac rm VCR Air Con Audio Amp 10 10 z 10 100 iK 10K 100K IM 10 100 1K 10K 100K 1M Frequency Hz Frequency Hz Figure 1 1 Evolution de la gamme d utilisation des composants de puissance NACE 12 2 1 Le transistor MOS de puissance Le MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor a t con u de fa on th orique en 1920 par Julius Edgar Lilienfeld qui le breveta comme tant un composant servant a contr ler le courant Mais le premier MOSFET n a t construit qu en 1959 par Atalla et Khang des laboratoires Bell car la complexit du MOSFET requiert des techniques plus pr cises que ce qui tait disponible avant cette poque Comme tous les transistors le MOSFET module le courant qui le traverse a l aid
3. Certaines observations faites pr c demment sont aussi confirm es le LET minimal diminue avec l augmentation du range quelle que soit la valeur de la tension de polarisation dans les deux cas Cependant la zone de charge d espace s tend proportionnellement dans le cas du VDMOS avec l augmentation de la tension Vps et cela r duit les diff rences existantes entre les LET minimaux de chaque range Ces carts sont fixes dans le SJ MOSFET car la tension de polarisation Vps n a toujours aucun effet sur la variation de la sensibilit quelle que soit la valeur du range La Figure 2 17 montre aussi que les deux structures ont presque la m me zone de s curit SOA Pour toute valeur de tension inf rieure de 80 V on ne peut avoir de ph nom ne destructif car le courant induit ne se maintient pas Cette valeur de la tension correspond donc la tension seuil de ces structures dans les conditions donn es 3 4 Analyse des r sultats de simulation pour l IGBT planar et l IGBT trench 3 4 1 Effet de la position d impact La Figure 2 18 donne le LET seuil entrainant un burn out pour diff rentes positions x d impact dans les deux structures d IGBT voir positions des fl ches LET 11 IUE E Y um Y um 20 i X um X um a b Figure 2 18 LET minimal provoquant un SEB dans un IGBT planar a et un IGBT trench b pour diff rentes positions d impact x variable y 0 range 10um Vcg 400 V
4. Poove Ue at Cla Pas salle dass en ae en a a dette tel On D del Le D 105 Figure3 5 Structure int gr e du circuit de d tection et de protection ss 105 Figure3 6 Coupe sch matique du circuit quivalent du circuit de protection par d tection du courant 106 Figure3 7 Latchup du thyristor parasite dans un IGBT 0 ce ceeeeccsseeccceeececeeeeaeeesssseeeececeeeeeeeeaaaaesseseeeeeeeeeesenes 108 Figure3 8 a G om trie d un IGBT planar montrant les segments LE1 et LE2 b influence du segment LEI sur la densit de courant du latchup et la tension de seuil ss 109 Figure3 9 Caract ristiques IA VAK d un IGBT planar pour deux concentrations en surface de la r gion P well et pour deux paisseurs d oxyde de grille CITI FenteS iii itietenne lies tendent iles ie 110 Figure3 10 Caract ristiques IA VAK a et IA VGK b d un IGBT planar pour deux paisseurs d oxyde de COR need E IEE POA IE AE A 111 Figure3 11 Repr sentation sch matique de la premi re modification de la structure par la diffusion de P dans la pocion mterce lule IOB Ro lp heredes a E E E e e e E S Cer EE S 112 Liste des Figures Figure3 12 a Repr sentation sch matique de la deuxi me modification de la structure par la diffusion de P dans la r gion N metteur IGBT 2 b coupe 2D dans AA oi eee 112 Figure3 13 caract ristiques de sortie I f V ax de a l IGBT standard b VIGB
5. Va ET Figure3 23 Circuit de commutation sur une charge r sistive 124 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance A Standard VDMOS IA proposed VDMOS VGK 6E 05 5E 05 lt 4E 05 3E05 2E 05 1E 05 4 QE 00 0E00 1E 06 2E 06 3E 06 Time s A Standard IGBT A proposed IGBT gt VGK 2E 04 12 i gt rss 10 2E 04 SEn AENEON lt pe gt e 1604 6 z 5605 F e ss 0E 00 ee OE00 1 04 2E 04 3E 04 Time s Figure3 24 Allure du courant d anode durant un cycle de commutation pour les structures VDMOS haut et IGBT bas En effet les structures de puissance base de MOS sont caract ris es en dynamique par leurs capacit s inter lectrodes comme le montre la figure 3 25 Cette figure repr sente aussi le montage type qui permet de quantifier ces diff rentes capacit s en mesurant la charge de grille 4 courant constant Dans les deux cas que ce soit le VDMOS ou l IGBT les capacit s d entr e Cox Cas ou Ce et Cga Cap ou Cac sont charg es partir d un g n rateur de courant Bien que les capacit s Cox et Cak Cps ou Ccg sont plus ou moins constantes la capacit Cga capacit Miller d pend fortement de la tension anode cathode appliqu a chaque structure 125 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Figure3 25 Sch ma lectr
6. d terminer la sensibilit et le comportement des diff rentes structures comme les MOSFET de puissance et les IGBT vis vis de ce genre de particules ion lourd Ainsi il t n cessaire de d terminer le volume sensible associ afin de pouvoir pr voir un taux de d faillance li ces ph nom nes Ces investigations facilitent la pr vention des syst mes par l adaptation du choix des composants Les syst mes de protection qui existent ont le r le d annuler la tension aux bornes du composant lorsqu il est d clench par une radiation 1onisante Or ces ph nom nes peuvent n appara tre que dans une seule cellule l mentaire mettant en jeu l ensemble de la puce de puissance C est dans ce contexte que nous avons aussi cherch a trouver des solutions de durcissement local c est dire au niveau de design de la cellule permettant la d sensibilisation contre les ph nom nes de d clenchement li s aux structures parasites inh rentes aux composants de puissance Dans le premier chapitre nous avons pr sent l ensemble de l tude des effets des radiations issues de l environnement radiatif naturel spatial et atmosph rique sur les composants lectroniques de puissance embarqu s Les diff rents m canismes d interactions particule mati re ou plus particuli rement ion silicium ont t expliqu s apr s avoir d taill les diff rents types d environnement radiatif naturel atmosph rique et spatial Les
7. 80 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance Comme dans le cas des MOSFET les r gions les plus sensibles sont situ es globalement dans la r gion intercellulaire Plus pr cis ment elles sont comprises entre les positions d impact 30 et 38 um dans l IGBT planar et entre 0 8 et 1 8 dans l IGBT trench voir les positions de fl ches color es dans la Figure 2 18 Pour l IGBT planar ces r sultats de simulations sont aussi en accord avec les pr c dentes tudes de simulations et exp rimentales LORF 98 3 4 2 Effet de la profondeur d impact La Figure 2 19 repr sente la variation du LET minimal en fonction de la profondeur de la zone pitaxi e Pour une polarisation de 400V la zone de charge d espace s tale dans l pitaxie de 60 um dans l IGBT planar et de 40 um dans l IGBT trench Elle montre que les traces positionn es en dehors de cette zone n cessitent un LET beaucoup plus important pour d clencher un SEB Ainsi la variation du LET minimal dans la zone de charge d espace est relativement petite dans les deux cas En effet comme dans le cas du VDMOS un seul type de porteur est a l origine de la multiplication en traversant la zone de champ lectrique pour les traces positionn es en dehors de la zone de charge d espace M me si le mod le d ionisation par impact n est pas essentiel dans la simulation des d faillances induites par ions lourds dans les I
8. Figure 2 27 pour une profondeur de g n ration de 30 um 30 um ZC 90um 450um 0 um 30 um LET 0 036 90um 90um 450um 450um c Traces ionisantes de30um d Traces ionisantes de30um Figure 2 26 Sch matisation de traces ionisantes horizontales dans la demi cellule de VDMOS polaris e 400V Les traces sont positionn es la m me profondeur z 30 um mais diff rentes abscisses et sont simul es chacune ind pendamment Le LET est en pC um et le range en um 89 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance 0 um 0 um n p ZC 30 um 30 um LET 0 04 LET 0 01 90um 90um 450um 450um 0 um 0 um 30 um 30 um LET 0 006 90um 90um 450um 450um c Traces ionisantes de30um d Traces ionisantes de30um Figure 2 27 Sch matisation de traces ionisantes horizontales dans la demi cellule d IGBT polaris e 400V Les traces sont positionn es la m me profondeur z 30 um mais diff rentes abscisses et sont simul es chacune ind pendamment Le LET est en pC um et le range en um Le LET seuil n cessaire pour entrainer un burn out dans le VDMOS et l IGBT planar diminue avec l augmentation du range des ions Cependant la variation du LET n existe que pour les faibles ranges de 10 um 20 um pour le VDMOS et de 10 um pour l IGBT La zone intercellulaire cot du canal est la plus sensible dans les deux cas Ces r sultats vont tre compar s par d
9. HECCS la position CWP AC laos ccssar in iniiaiee 80 JA PTIT Ce IA D OIODUEUT d MACE ish estas dede aa 81 3A PC Ce OR ee eer nerd er 82 3 4 4 Analyse des r sultats pour diff rentes polarisations VcE 84 3 5 Traces ionisantes horizontales g n r es au sein de l pitaxie 89 3 6 Synth se des r sultats MOSFETs IGBTS sits cvesisscastentsterdssetaasiaatscotesdeseasiatietieds 91 3 7 BA A NO eG OA NS DA 0 0 82 LD LES Sere EEE 95 MC OAC SO ee E ee eee 97 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance see 99 E Doa TIO dE E 101 2 Ph nom nes physiques lors d un court circuit dans un IGBT 0 ee cccceeeeeeeeeeeeees 101 3 Diff rentes approches de GUICISSCMEN Es ssc sesetiscnexezsceseseduainerngeensetaldesneecaeeeseeedesineneaersesees 102 3 1 Approche circuit Circuits de protection rapproch e contre les courts circuits 102 3 1 1 Circuits bas s sur la d tection d une surtension 102 3 1 2 Circuits bas s sur la d tection de surintensit cece eccccccccceceeeeeeeeeeeeeteeeeeees 106 A APO E ocd 0 eee A E E a a E 107 4 1 Rappel sur le fonctionnement parasite de PIGBT sss0ssooonoeenenennnnssssssssssssesee 107 4 2 Augmentation du niveau de courant de latch up 108 4 3 DS UCIUreS IOB T PropOsees sisser apn EE a E 111 43l Description des SI U DURS dns 111 4 3 2 Sensibilit s des structures tudi es 113 4 4 Nouvelle structu
10. SEB for range 90um oO LETnun pC Lun 0 100 200 300 400 500 600 Vps v 0 1 0 09 0 08 4 7 20 05 2004 fg 0 03 H 4 0 02 0 01 100 200 300 400 500 600 VDSs v Figure 2 17 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la tension de polarisation Vps pour un VDMOS haut et SJ MOSFET bas range 30 70 et 90 um Vps variable Dans le VDMOS le LET minimal diminue pour tous les ranges c est dire que la sensibilit augmente lorsque la tension de polarisation Vps augmente A faible tension le LET minimal d cro t de fa on importante Ceci est attendu puisque le burn out de ce type de composant est assur par le ph nom ne d avalanche DACH 95 La structure SJ MOSFET conserve une valeur constante du LET minimal quelle que soit la tension de polarisation voir courbe du bas de la Figure 2 17 bas Ceci est d l talement complet de la zone de charge d espace dans toute la structure m me faible polarisation Le pic de champ lectrique est toujours localis la jonction PN verticale mais comme le champ lectrique est r parti de fa on homog ne le long de cette jonction voir Figure 2 15 cas SJ MOSFET tinitia dans le 79 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance sens de la p n tration de l ion x l augmentation de la tension de polarisation Vps n influe pas sur la sensibilit
11. Universit de Toulouse TH ESE En vue de l obtention du DOCTORAT DE L UNIVERSITE DE TOULOUSE D livr e par l Universit Toulouse III Paul Sabatier Discipline ou sp cialit Conception de Circuits Micro lectroniques et Microsyst me Pr sent e et soutenue par Moustafa ZERARKA Le 19 juillet 2013 Etude des r gimes extr mes de fonctionnement en environnement radiatif des composants de puissance en vue de leur durcissement pour les applications a ronautiques et spatiales JURY F MORANCHO Professeur UPS Toulouse Pr sident C SCHAEFR Professeur IPG Grenoble Rapporteur H MOREL Directeur de Recherche INSA Lyon Rapporteur D FLORES Professeur CSIC Barcelone Examinateur A TOUBOUL Ma tre de Conf rences IES Montpellier Examinateur M BAFLEUR Directrice de Recherche LAAS Toulouse invit e P AUSTIN Professeur UPS Toulouse directeur de th se Ecole doctorale GEET Unit de recherche LAAS CNRS Directeur de th se Patrick AUSTIN Anon pre lus ma mire Rekoa A mas sacs Nera Cumelltin ot Yah A mes f ves Mk ot Onn Remerciements Les travaux pr sent s dans ce m moire ont t effectu s au sein du groupe Int gration des Syst mes de Gestion de l nergie ISGE du Laboratoire d Analyse et d Architecture des Syst mes LAAS du Centre National de la Recherche Scientifique CNRS a Toulouse dans le cadre de projet EPOPE Effects of Particles On Power Electronics financ s par l
12. identifi s Certains de ces effets entra nent un soft error qui ne cause pas de dommages permanents et peuvent tre remis z ro par des signaux de correction D autres effets ne sont pas aussi banals et peuvent aboutir la d gradation permanente ou m me la destruction des dispositifs ce qu on appelle hard errors ou v nements destructifs Ces v nements destructifs sont le Single Event Burn out SEB et le Single Event Latch up SEL Nous pr senterons dans ce chapitre dans un premier temps une description globale sur les composants de puissance utilis s dans le domaine spatial ou a ronautique en rappelant leurs modes de fonctionnement Les diff rents m canismes d interactions particule mati re seront expliqu s apr s avoir d taill les diff rents types de radiations naturelles atmosph riques et spatiales auxquelles sont soumis ces composants lectroniques de puissance Les principaux types d v nements destructifs seront pr sent s en expliquant les m canismes de d faillance associ s aux structures parasites inh rentes aux composants de puissance Enfin nous terminons avec l tat de l art sur l tude de burn out et de latch up dans les composants de puissance 2 Les composants de puissance Au cours de l histoire du d veloppement des technologies servant dans le domaine de l lectronique de puissance diff rents types d l ments de puissance ont t labor s assurant des performa
13. lectron 3 capture des incidente baies dala par lion incident srada Po ss cible ionisation de l ion Pion incident par la Se cible 2 ionisation pi de la cible d flayi gt E Z1 N 3 d flexion oO angulaire suite aux Aa collision in lastique ee 4 D placement atomique cr ation Mat riau cible Z N de lacune et d interstitiel Figure l 12 Repr sentation du parcours et des diff rents m canismes d interactions d une particule nerg tique dans la mati re NACE 12 4 1 Interaction neutron proton silicium Le neutron est une particule non charg e de masse voisine de celle du proton 1 672623x10 kg La possibilit d une ionisation coulombienne est donc nulle Par contre les neutrons peuvent g n rer des charges libres de fa on cons quente en produisant des ions lourds par r action nucl aire En ce qui concerne le proton la possibilit d interaction nucl aire avec le r seau cristallin est non n gligeable gr ce sa charge Il peut en effet engendrer un nombre de particules secondaires tr s vari es noyaux ionis s neutrons protons ou lectrons suite des interactions par chocs avec les noyaux des atomes du silicium La Figure 1 13 pr sente sch matiquement les diff rentes r actions nucl aires provoqu es par des protons ou des neutrons On distingue deux types de r actions nucl aires Le premier consiste conse
14. paisseurs d oxyde de grille diff rentes Les r sultats montrent que si on augmente l paisseur de l oxyde de grille d un facteur de deux la tension de seuil augmente aussi dans les m mes proportions Rappelons que nous avons fix la concentration de la r gion P pour les deux structures ce qui permet d avoir la m me valeur de la r sistance Rp dans les deux cas On peut donc dire que l augmentation de la tension de seuil augmente consid rablement le courant de latch up du thyristor parasite mais cet avantage est aussi un inconv nient majeur d un point de vu consommation d nergie 4 3 Structures IGBT propos es Dans cette partie nous allons pr senter deux cellules IGBT planar modifi es afin de d sensibiliser ces derniers au d clenchement parasite 4 3 1 Description des structures A partir de nos structures classiques de type planar pr sent es dans le chapitre 2 des modifications simples du design et du process technologique sont apport es Une premiere modification consiste ajouter une zone P dans la r gion intercellulaire au milieu de la cellule de telle sorte qu elle soit en court circuit avec la cathode L paisseur de la zone P a t augment e pour atteindre une profondeur de jonction de 7 um c est dire la m me profondeur que celle du P de la zone active L extension lat rale Lp est gale 80 de cette paisseur La nouvelle structure est appel e IGBT 1 La Figure 3 11 montre u
15. une valeur de 50 um et est g n r e toujours verticalement au sein de la demi cellule depuis la face avant avec un LET de 0 1 pC um Vu que la simulation 2D ne r pond pas a tous nos besoins pour l tude et l optimisation des structures propos es nous sommes pass s a la simulation 3D Les modeles physiques utilis s lors des simulations sont inchang s et restent ceux pr sent s au chapitre 2 paragraphe 2 2 113 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance LETmin pC um 0 100 200 300 400 500 Vak v Figure3 14 LET minimal d clenchant un SEB pour diff rentes polarisations d un ion lourd provenant de la face avant dans l IGBT standard l IGBT I et l IGBT 2 La Figure 3 14 donne le LET minimal en pC um pour diff rentes tension de polarisation Elle permet de comparer les r sultats de sensibilit des nouvelles structures ceux de la structure standard On remarque que les deux modifications propos es permettent d am liorer la tenue aux radiations de la structure initiale quelle que soit la tension de polarisation Les LET seuils des structures IGBT 1 et IGBT 2 sont 8 30 fois plus lev s que celui de la structure IGBT standard Le seuil de d clenchement augmente dans les deux structures propos es la tension de seuil de d clenchement dans l IGBT I tant gale a 2 fois la tension de seuil de IGBT standard et l effet de durcissement dans l IGBT 2 est plus important puisq
16. 0 D 20 40 Figure 2 4 Profil de dopage de la cellule de MOSFET simul e en fonction de la profondeur SILVACO Section perpendiculaire de la cellule travers la source N le caisson Pyoay la zone pitaxi e et le substrat N 7 gauche image de la demi cellule simul e avec ses niveaux de dopage SENTAURUS droite 2 1 Recherche du volume sensible et des crit res de d clenchement Le volume sensible est d fini comme la r gion d un composant dans lequel la particule doit d poser suffisamment de charges pour induire l effet singulier et cela quelles que soient la nature de la particule incidente et les conditions d ionisation minimale Les charges sont d pos es et ou g n r es soit dans cette r gion soit dans une r gion adjacente Dans ce dernier cas les porteurs sont en transit dans le volume sensible LUU 09 La localisation de ce volume est une donn e fondamentale de l estimation du taux de d faillance en particulier avant de r aliser des tests en acc l rateur choix du range Conditions des simulations Nous allons suivre les m mes conditions utilis es par A Luu durant sa these Toutes les traces d ionisation sont g n r es juste proximit du canal position la plus sensible ROUB 93 DACH 95 MUSS 99 Toutes les simulations sont effectu es pour une polarisation de 500V de la cellule MOSFET qui correspond la tension d utilisation 64 Chapitre II Etude comportementale de d
17. 0 0 0 0 ccccccsssssesssseeeeeeeeeeeees 63 Figure 2 4 Profil de dopage de la cellule de MOSFET simul e en fonction de la profondeur SILVACO Section perpendiculaire de la cellule a travers la source le corps P la zone pitaxi e et le substrat N gauche image de la demi cellule simul e avec ses niveaux de dopage SENTAURUS droite sereine 64 Figure 2 5 Sch matisation de traces ionisantes dans la demi cellule de MOSFET polaris e 500V et simul es a PCN U ranr a E EE EEEN EENEN E EN EAEE AEE E Si E os aden NE E AE EN 65 Figure 2 6 Sch matisation de traces ionisantes dans la demi cellule de MOSFET polaris e 500V Les traces sont positionn es la m me abscisse x mais diff rentes profondeurs et sont simul es chacune ind pendamment 66 Figure 2 7 LET minimal provoquant un SEB en fonction du range de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la cellule VDMOS simul par SILVACO gauche et par SENTAURUS droite nnosssssssssooeeersssssssss 67 Figure 2 8 Exemple de zones rectangulaires ISENT 0913 insera a i 68 Figure 2 9 LET minimal provoquant un SEB en fonction du range de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la cellule VDMOS simul avec diff rent niveau de maillage ss 68 Figure 2 10 Figure demi cellules simul es avec leurs dimensions g om triques gauche profil de dopage de chaque cellule simul e en fonction de la profondeu
18. 1989 pp 1824 1829 CROW 66 C R Crowell S M Sze Temperature Dependence of Avalanche Multiplicationin Semiconductors Appl Phys Let vol 9 pp 242 244 1966 DACH 95 C Dachs Etude et mod lisation du ph nom ne de Burnout induit par ion lourd dans un MOSFET de puissance a canal N These Universit Montpellier II septembre 1995 Data Ir Ir21225 Datasheet No PD 6 017D International Rectifier TM 40 EBER 52 J J Ebers Four terminal pnpn transistors Proc IRE vol 40 p 1361 1952 ELSE 87 Elsen William G Orbital Anomalies in Goddard Spacecraft for CY 1986 Assurance Requirements Office Office of Flight Assurance NASA Goddard Space Flight Center April 1987 EQUE 88 B Equer Les d tecteurs semiconducteurs du cristal aux couches minces dans Instrumentation en Physique Nucl aire et en Physique des Particules Les ditions de Physique 1988 FISC 87 Fischer 1987 Heavy ion induced gate rupture in power MOSFET Nuclear Science IEEE Transactions on 34 1786 1791 HESS 68 Hess 1968 The radiation belt and magnetosphere Waltham Mass Blaisdell 1968 1 HOHL 87 J H Hohl and K F Galloway Analytical model for single event burnout of power MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 34 pp 1275 1230 1987 HOHL 89 J K Hohl G H Johnson Feature of triggering mechanism for Sigle Event Burnout of power MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 36 No 6
19. 300K 350K et 400K pour d terminer son eftet sur la sensibilit SEB de chaque composant 71 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance 3 3 Analyse des r sultats de simulation pour le VDMOS et SJ MOSFET 3 3 1 Effet de la position d impact La Figure 2 11 donne le LET seuil entrainant un burn out pour diff rentes positions x d impact dans les deux structures MOSFET voir positions des fl ches to seuil dan Y um Y um X um a b 20 X um Figure 2 11 LET minimal provoquant un SEB dans un VDMOS a et un SJ MOSFET b pour diff rentes positions d impact x variable y 0 range 10um Vps 400 V Dans les deux cas les r gions les plus sensibles sont situ es globalement dans la r gion intercellulaire Plus pr cis ment elles sont comprises entre les positions d impact 30 et 38 um dans le VDMOS et 1 um dans la SJ MOSFET voir les positions des fl ches color es sur la Figure 2 11 c est les r gions principales de la source de courant de base du transistor parasite verticale La capacit importante de collection de charge de la r gion P diminue la sensibilit de cette zone tres dop e Ces r sultats de simulations sont en accord avec les pr c dentes tudes de simulations et d exp rimentations de ROUB93 DACH95 MUSS 99 et HUAN OO Ces positions seront fix es dans la suite de ces simulations x est fix a 30 um pour
20. C est un gaz ionis peu dense constitue essentiellement de protons d lectrons et d atomes d h lium Sa vitesse moyenne est de l ordre de 400 km s au niveau de l orbite terrestre En effet d autres ph nom nes peuvent augmenter consid rablement cette vitesse comme les ruptions solaires Quand le vent solaire se dirige vers la Terre cf Figure 1 5 il s coule le long du bouclier magn tique terrestre appel magn tosph re d formation ovo dale du champ dipolaire 26 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance vent Solaire magn tosph re i Figure l 5 Repr sentation de la d formation de la magn tosph re exerc e par le vent solaire 3 2 3 Cas repr sentatifs GOES 5 et GOES 7 En 1989 la CTU central telemetry unit du satellite g ostationnaire GOES 5 a connu 10 SEU Single Event Upset dont six ont t associ s aux ruptions solaires En outre une ruption solaire majeure le 19 Octobre 1989 a endommag l lectronique des panneaux solaires diminuant ainsi le courant de sortie de 0 5 ampere de ces derniers Pendant une p riode d intense ruption solaire de rayons X du 22 au 24 Mars 1991 des chercheurs ont trouv des preuves de la d gradation des panneaux solaires sur le satellite GOES 7 L intensit hautement nerg tique du rayonnement endommagea de fa on permanente l lectronique des panneaux solaires et provo
21. Dec 1989 HOLM 02 Holmes Siedle 2002 Handbook of radiation effects Oxford University Press USA 019850733X HUAN 00 S Huang G A J Amaratunga F Udrea Analysis of SEB and SEGR in Super Junction MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 47 N 6 December 2000 150 Bibliographies HUBE 01 G Hubert Elaboration d une methode de prediction du taux d aleas logiques dans les SRAMS induits par les neutrons atmospheriques These de Doctorat de l Universite Montpellier IT 2001 HWAN 06 In Hwan Jia Min Woo Haa Young Hwan Choia Seung Chul Leeb Chong Man Yunb and Min Koo Hana The optimized monolithic fault protection circuit for the soft shutdown behavior of 600v pt igbt by employing a new blanking filter Power Semiconductor Devices and Capos ISPSD pages 1 4 2006 40 HWAN 06 2 In Hwan Jia Min Woo Haa Young Hwan Choia Seung Chul Leeb Chong IKED 04 IMBE 02 IRVIN 62 JOHN 91 JOHN 92 JOHN 96 Man Yunb and Min Koo Hana A new fault current sensing scheme for fast fault protection of the insulated gate bipolar transistor 8th International Seminar on Power Semiconductors ISPS 39 6 908 913 2006 35 Naomi Ikeda Satoshi Kuboyama Sumio Matsuda Single Event Burnout of Super Junction Power MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 51 N 6 December 2004 Eric Imbernon Etude et optimisation d une fili re technologique flexible et adapt e au mode d int grat
22. EBER 52 Comme nous l avons mentionn pr c demment l IGBT contient une structure thyristor parasite qui peut engendrer dans certaines conditions un dysfonctionnement destructif irr versible Plusieurs technologies ont t propos es afin d am liorer les performances lectriques de l IGBT En 1987 une structure IGBT a grille en tranch e a t propos e cf paragraphe 1 1 3 Cette technologie am liore significativement le niveau de courant de latch up du thyristor parasite CHAN 87 En 1994 Rockwell et Boeing NICH 94 ont publi les premieres observations de d faillance destructive d IGBT sans donner d explications aux m canismes de d clenchement Des simulations num riques faites par Vijay et al en 1995 PART 95 ont montr que la g om trie de la cellule ALL Atomic Lattice Layout a une immunit sup rieure aux latch up par rapport aux g om tries carr s classiques ou hexagonales cf Figure 1 29 en raison de la nature divergente des flux de courant de trous vers le contact de l metteur 52 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Current density A cm2 Initiation of latchup N polysilicon Voltage V Figure l 29 Comparaison de l immunit au latch up entre cellules a ALL b carr et c hexagonales les fl ches indiquent le flux du courant des trous PART 95 Pour la premi re fois le m canisme de d faillance des
23. J Gasiot M C Calvet and R Ecoffet Cell design modifications to harden a N channel power IGBT against single event latchup IEEE Trans Nucl Sci vol 46 pp 1410 1414 1999 LUTZ 11 Lutz 2011 Semiconductor Power Devices LUU 08 A Luu F Miller P Poirot R Gaillard N Buard T Carriere P Austin M Bafleur G Sarrabayrouse Sensitive Volume and Triggering Criteria of SEB in Classic Planar VDMOS IEEE Trans Nucl Sci vol 55 N 4 pp 2166 2173 August 2008 LUU 09 A Luu M thodologie de pr diction des effets destructifs dus a l environnement radiatif naturel sur les MOSFETs et IGBTs de puissance these Universit Toulouse II 2009 MARE 09 R Marec P Calvel M M lotte Methodology to predict the SEE rate in vertical MOSFET with deep charge collection QCA Days Conf Villigen Switzerland January 2009 MART 87 R C Martin N M Ghoniem Y Song and J S Cable The size effect of ion charge tracks on single event multiple bit upset IEEE Trans Nucl Sci vol 34 pp 1305 1309 1987 152 Bibliographies MCDO 00 McDonald 2000 Destructive heavy ion SEE investigation of 3 IGBT devices MILL 06 MOHA 95 MUSS 99 NACE 12 NICH 94 NISH 10 NORM 97 OBER 87 OBER 96 PART 95 PECK 63 PICK 85 PYER 09 TEEEF 11 15 F Miller A Luu F Prud homme P Poirot R Gaillard N Buard T Carriere Char
24. Lg gt Abs DopingConcentration fem 3 Lg Se T wm io We 700 Depth um bons bou bou Se bons 60 um d IGBT trench bons Z A bons Abs DopingConcentration cm 3 nn S 6 am p Collector Depth um Figure 2 10 Demi cellules simul es avec leurs dimensions g om triques gauche profil de dopage de chaque demi cellule simul e en fonction de la profondeur a droite 70 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance 3 2 Conditions des simulations Afin de pouvoir tudier et d terminer les zones sensibles dans les MOSFET et les IGBT des traces ionisantes simulant un ion lourd en diff rentes configurations ont t simul es sur les structures illustr es dans la Figure 2 10 Il faut rappeler que les deux structures du VDMOS et de l IGBT planar sont d j optimisees contre l irradiation plus particuli rement par la face arri re en largissant la profondeur de la zone N du substrat Par ailleurs les pr c dents travaux ont montr qu un ion lourd p n trant dans le substrat demande beaucoup plus d nergie pour provoquer un burn out LUU 08 Donc toutes les traces de ces simulations sont g n r es depuis la face avant Le volume est d termin par le d clenchement d un v nement associ au LET le plus faible La d termination de ce dernier r clame un temps de simulation r
25. Ph nom nes physiques lors d un court circuit dans un IGBT 101 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 3 Diff rentes approches de durcissement Plusieurs approches de durcissement ont t propos es pour utiliser les interrupteurs de puissance dans des conditions extr mes comme le milieu radiatif Parmi ces approches nous pouvons citer les circuits ext rieurs de protections qui prot gent g n ralement l ensemble du module de puissance ou les designs particuliers qui permettent de r duire ou de supprimer l effet des structures parasites inh rentes Cependant les ph nom nes destructifs tudi s dans ce travail SEB SEL peuvent n apparaitre que dans une seule cellule l mentaire mettant en jeu l ensemble de la puce de puissance Par cons quent nous nous sommes int ress s a chercher des solutions de durcissement au niveau du design de la cellule du composant 3 1 Approche circuit Circuits de protection rapproch e contre les courts circuits Il existe deux moyens pour prot ger les interrupteurs de puissance par l int gration des fonctions d aide au diagnostic en d veloppant des O Capteurs int gr s de mani re hybride O Capteurs int gr s monolithiquement par l int gration du circuit de commande et de la strat gie de protection partir d une O Int gration hybride O Int gration monolithique Dans cette partie nous allons voir bri vement les pri
26. Pinjection des lectrons depuis l metteur dans la zone d pitaxie qui constituent le courant de base du transistor parasite PNP cet instant plus la tension appliqu e est lev e plus le champ lectrique est intense et le courant augmente Figure 2 21 section C Par cons quent des trous sont inject s dans la zone pitaxi e depuis le substrat Figure 2 21 C et D puis atteignant la zone P fourniront le courant de base du transistor NPN Celui ci assure son tour le verrouillage du thyristor parasite en d clenchant le latch up L exc s de trous et d lectrons inject s submerge les zones les moins dop es et diminue l intensit du champ lectrique dans l ensemble de la structure voir Figure 2 22 tfna Concernant l effet du range la Figure 2 22 montre que dans le cas d un range lev un pic de champ lectrique appara t d s le d but de la simulation dans l IGBT trench Ce pic est d la g n ration tr s localis e des porteurs dans la jonction N N de la couche tampon suite l ionisation par impact Ce ph nom ne ne se produit pas dans les IGBT NPT quel que soit le range c est le cas de notre IGBT planar Comme dans le cas des MOSFET l influence du range dans les IGBT est aussi expliqu e par l effet Kirk voir paragraphe 2 4 3 3 83 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance t initial 0 ns i ns final e t
27. ali s e s Implantation ionique P Sr y Redistribution daat Implatation face amiere Cathode Na Oxyde de v Grille Redistribution Depot Si Poly Y Contact m tal Implantation ionique P V Implantation court circuit ionique P Figure3 33 Encha nement des tapes pour la r alisation des puces IGBT LEGA 10 2 4 5 2 Proc d technologique propos La structure propos e peut tre r alis e avec diff rents proc d s technologiques selon la m thode de r alisation de la tranch e au niveau de la cathode Nous proposons un proc d qui consiste r aliser en premi r lieu la tranch e par une gravure s che RIE Reactive Ion Etching sur un substrat de silicium vierge Nous r alisons ensuite toutes les tapes technologiques d un IGBT conventionnel comme montre le tableau suivant 135 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Terminaison de jonction et gravure de la tranch e de la cathode Implantation P face avant Bore Dose 2 5 10 cm Energie 50 kev eee See eee eee Substrat N BE Rore ES R sine Substrat P Es SiO D laquage r sine plasma O 15 min 800W Redistribution de bore P Substrat N Substrat P Photolithographie zone active face avant avec alignement Gravure humide SiO HF 10 12 min rin age EDI s chage azote Gravure s che de Si 40000A Substrat N Bore EEA R sine Substrat
28. cf Figure 1 17 40 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Ion incident 1 1 1 1 1 i 1 I 1 1 i i N epi layer 1 i N substrat Trace de lion Our Avant SEB Apr s SEB Figure l 17 Single Event Burn out dans une MOSFET 8 2 2 Single Event Gate Rupture SEGR Ce ph nom ne a t observ exp rimentalement pour la premi re fois en 1980 par Pickel sur des structures M tal Nitride Oxyde Semiconducteur utilis es dans les m moires non volatiles PICK 85 Il a ensuite t observ sur diff rents types de structures base d oxyde de grille comme les MOSFET de puissance FISC 87 et les IGBT MCDO 00 Le m canisme de SEGR est le claquage de l oxyde de grille induit par le passage d une particule unique 1onisante ion lourd dans le silicium qui entraine la destruction totale d un composant a grille isol e La Figure 1 18 pr sente le m canisme de d clenchement du SEGR dans un VDMOS Suite au passage de l ion a travers la r gion inter cellulaire centr e entre les deux r gions P et situ e en dessous de l oxyde d un VDMOS par exemple neck cf Figure 1 41 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance 18 un plasma dense de paires lectron trou est cr le long du passage de l ion Les trous sont att
29. clenchement du SEB dans les composants de puissance maximale et qui pr sente l tat extr me de fonctionnement Les ions sont g n r s verticalement dans le volume de la demi cellule du VDMOS Les traces sont g n r es partir de diff rentes profondeurs dans la r gion pitaxi e avec des longueurs de 10 20 30 40 et 50 um voir Figure 2 5 Cette analyse est donc bas e sur la confrontation SILVACO SENTAURUS La Figure 2 5 montre ces comparaisons On constate que presque tous les SEB d termin s par SILVACO ne sont que des d clenchements transitoires dans SENTAURUS l exception des valeurs qui sont en bas de la zone pitaxi e Cependant les simulations vont montrer que ces valeurs de LET sont assez loin du LET seuil trouv par SENTAURUS 0 pm 0 pm j LET 0016 Q 0 32 PJ LEr 0 04 Q 0 47 LET 0 017 SENTAURUS og Lx Transitoire 4 LET 0 055 LET 0 015 ESE Q 055 Q 0 3 SEB LET 3 n n epi 30 epi SILVACO SEB RESE P LET 0 006 n AL Q 0 24 LET 0 006 Q 0 21 ETEO 007 LET 0 008 Q 0 28 Q 0 24 LET 0 015 Q 0 45 Q 0 3 Tracks of 30m Tracks of 40pm Track of 50um Figure 2 5 Sch matisation de traces ionisantes dans la demi cellule du VDMOS polaris 500V simul es dans SILVACO et SENTAURUS Apres cette comparaison entre SILVACO et SENTAURUS qui nous a montr qu il y a une divergence au niveau de la valeur du LET minimal qui provoque un SEB a diff rentes
30. es par le passage d une particule ionisante dans la cellule d un circuit analogique et qui entra ne des perturbations transitoires dans la r ponse du composant 8 2 1 Single Event Burn out SEB Ce ph nom ne peut n appara tre que dans une seule cellule l mentaire mettant en jeu l ensemble de la puce de puissance La Figure 1 16 pr sente le m canisme de d clenchement du SEB dans un VDMOS Dans cette structure de puissance il existe un transistor bipolaire parasite NPN Figure 1 16 La source N constitue l metteur le caisson P la base et la 39 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance couche pitaxi e N avec le substrat N le collecteur Ce transistor bipolaire parasite normalement inactif peut tre mis en conduction suite au passage d une particule ionisante Sa mise en conduction coupl e au m canisme d avalanche peut alors provoquer ce ph nom ne de SEB apr s un emballement irr versible en courant Le principe de fonctionnement du m canisme de SEB n cessite d tre en polarisation inverse l tat off avec une zone de charge d espace suffisamment tendue permettant de g n rer des porteurs par avalanche Comme le montre la Figure 1 16 le ph nom ne est initi par la captation de trous qui proviennent dans un premier temps de la trace d ionisation cr e par le passage d une particule incidente Si le champ lectrique dans la
31. lectrique n atteigne des seuils critiques et permettre l extension de la zone de charge d espace impos e par la tension Vps lorsque le MOSFET de puissance bloque une tension lev e En contrepartie cela peut entrainer des valeurs lev es de chute de tension l tat passant Cela est l origine d un compromis entre la tension de blocage et la r sistance l tat passant Rps on Afin de coupler les performances en commutations et de faibles r sistances quivalentes l tat passant Rps on des technologies hybrides dites superjonction ont merg Le concept connu sous le nom semi super jonction et super jonction cf Figure 1 2 b et c adapte une nouvelle fa on pour faire diminuer la r sistance de la couche pitaxi e N Avec des caract ristiques identiques a celles d un transistor MOSFET de puissance la conduction est exclusivement assur e par les porteurs majoritaires Le dopage de la zone de conduction est augment d environ un ordre de grandeur avec une couche d pitaxi e toujours faiblement dop e afin d assurer la tenue en tension Pour s parer les zones de blocage et de conduction des bandes verticales de type P sont ajout es Ces derni res limitent la surface effective pour le courant d lectrons qui permet d augmenter localement les densit s de courant N anmoins cette forte diminution de la r sistivit dans cette zone permet de r duire consid rablement la chute de tension e
32. les de l nergie des ions lourds et des flux dans l espace sous diff rentes conditions de la m t o spatiale le seuil de SEB est d termin a partir de la mesure ou des modeles et l estimation du volume de charges collect es REED 03 Stassinopoulos et al ont montr que pour une polarisation fixe le burn out d pend de la distribution de charge le long de la trace de l ion et pas seulement du LET de l ion utilis STASS 92 La charge critique n cessaire pour d clencher un SEB a t mesur e par Kuboyama et al en utilisant un syst me d analyseur de hauteur d impulsions coupl a un amplificateur sensible KUBO 92 La charge critique coupl e avec les dimensions du volume sensible est essentielle pour estimer le taux de d faillance dans les environnements spatiaux La figure 1 23 montre la collection de charge d un burn out mesur e l aide d un syst me d analyseur de hauteur d impulsions coupl avec un amplificateur sensible Lors de la mesure de charge dans le n ud de drain du MOSFET de puissance au moment de passage d un ion lourd un pic dans la charge collect e se produit basse tension ou faible LET qui a t identifi avec la collection de charge dans la zone de d pl tion cf Figure 1 23 Avec l augmentation du LET ou de la tension de polarisation un second pic appara t a droite associ l action de la jonction base metteur du transistor parasite vertical les deux pics se d placant p
33. s l environnement radiatif et laborer des strat gies d att nuation robustes pour assurer un fonctionnement fiable de ces semi conducteurs A l aide des r sultats de simulation 2D nous avons commenc le deuxi me chapitre par une analyse bas e sur la confrontation SILVACO SENTAURUS qui r v le l existence d carts de r sultats entre les deux simulateurs au niveau de la valeur du LET minimal qui provoque un SEB En revanche les tendances des ph nom nes observ s sont identiques ce qui confirme la validit qualitative de chaque mod le mais ne garantit pas leur pr cision quantitative surtout par rapport aux erreurs num riques li es au maillage Ensuite nous avons d fini le volume sensible des diff rents transistors de puissance VDMOS SJ MOSFET IGBT planar et IGBT trench en d limitant la profondeur et l paisseur de ce volume L tude par simulations de traces ionisantes de diff rents ranges g n r s au sein du volume des cellules tudi es nous a permis de d finir les conditions les plus favorables l apparition d un SEB 400 V ces conditions sont toujours pour des VDMOS IGBT planar et trench une incidence normale et un range traversant toute la zone de charge d espace Cependant le LET le plus faible d clenchant un v nement dans un transistor MOS superjonction est obtenu pour un ion traversant la totalit de la zone pitaxi e Ces conditions permettent d obtenir le LET et la tension de polari
34. travers la zone de champ lectrique la g n ration de charges en dehors de la zone de charge d espace n est plus n cessaire pour d clencher un v nement Cette tude a t confirm e par des simulations 2D 51 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance montrant bien qu il serait simpliste de consid rer la profondeur de la zone pitaxi e comme la profondeur du volume sensible y Face avant Oum 98 64 95 92 72 258 F200um 6 7 v A P n tration des ions par la face avant arri re 72 258 LET MeV cm mg range um EN Tension seuil de SEB 90 100V eek Tension seuil de SEB 200V EME Non sensible Figure l 28 Sch ma des traces d ionisation p n trant par la face avant ou arri re dans une cellule MOSFET d IRFS30A pour diff rentes paisseurs de substrat Une ann e plus tard Peyre et al confirm rent la difficult de pr voir la profondeur du volume sensible PEYR 09 en pr sentant leurs r sultats sur les NMOS de ST Microelectronics Comme les auteurs avaient des difficult s expliquer certains r sultats inad quats ils conclurent que le volume sensible est plus profond que la couche pitaxi e mais en laissant une possibilit d erreur dans l estimation de l paisseur de ce volume 10 2Le latch up Le latch up remonte au premier thyristor interrupteur con u par Shockley et Ebers dans les ann es 1950 SHOC 50
35. um range 10pm range 60um 40 VDMOS depth t initial initial 3 DE 05 HOT ns 1 0 1 ns t 1ns i ns final en final Electric field v cm Electric field v cm F 40 rf SJ MOSFET depth um Figure 2 15 Evolution du champ lectrique suite un impact ionisant vertical d un faible range gauche et d un range lev droite dans les demi cellules de VDMOS haut et SJ MOSFET bas polaris es a 400V Courant de drain A Temps 1x10 s Figure 2 16 Comparaison de l volution du courant Ig en fonction du temps suite un impact ionisant vertical d un grand et d un petit range dans la demi cellule d un VDMOS 3 3 4 Analyse des r sultats pour diff rentes polarisations Vps Afin d valuer les sensibilit s respectives des structures tudi es nous avons d termin les seuils de sensibilit pour diff rentes tensions de polarisation Les r sultats de simulation sont pr sent s sur la Figure 2 17 Ils pr sentent l effet de la tension de polarisation 78 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance respectivement sur le LET minimal indiquant la zone de s curit SOA Sa e Operating Area de chaque structure pour une position d impact de l ion donn e x 30 um et pour diff rents ranges LS 14 SN om B SEB for range 3 0um SEB for range 70Oum t3
36. 100 de la tension nominale alors qu il est facile d observer un burn out avec le m me LET dans les structures de 400 V fonctionnant a pres de 50 de la tension nominale Dans la m me p riode Titus et al ont effectu des investigations sur les moyens de durcir les MOSFET de puissance contre les ph nom nes de SEB et de SEGR TITU 89 Leur travaux ont port sur les moyens de r duire l action de transistor bipolaire NPN par la Suppression de sa mise en conduction et la r duction du champ lectrique maximal dans la r gion pitaxi e Bien que les d tails des modifications du design et du processus 46 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance technologique n aient pas t divulgu s ils ont pu d montrer des dispositifs qui ne sont pas sensibles au SEB avec des ions allant jusqu 63 MeV cm mg La diminution de la sensibilit contre le ph nom ne de SEB et de SEGR est venue avec une certaine r duction des performances lectriques des composants telles que l augmentation de la r sistance l tat passant Dans les ann es 1990 les recherches sur le ph nomene de SEB se sont poursuivies avec des tentatives pour estimer les taux de d faillance SEB au cours des missions spatiales et expliquer les effets de quelques param tres comme le range des ions sur la sensibilit Les m thodes pour estimer les taux d v nements singuliers dans l espace reposent sur des mod
37. 2 13 Traces positionn es deux profondeurs diff rentes dans un VDMOS gauche et SJ MOSFET droite 3 3 3 Effet du range de l ion La Figure 2 14 donne le LET minimal et la charge minimale d clenchant un Burn out en fonction du range de l ion pour le VDMOS et le SJ MOSFET Les simulations montrent que la valeur du LET n cessaire pour provoquer un Burn out diminue avec l augmentation du range de l ion incident dans la zone d pitaxie dans les deux cas car quelle que soit la structure il existe moins de g n ration par avalanche dans le cas de faible range Ce dernier n cessite un LET important cause du faible parcours des charges d pos es dans la zone de charge d espace Par contre une grande p n tration peut g n rer plus de porteurs dans cette 74 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance zone par le ph nom ne d avalanche et n cessite donc un faible LET Le LET atteint des valeurs minimales pour des ranges sup rieurs 50 um dans le VDMOS et 90 um dans le SJ MOSFET Ces valeurs correspondent l extension de la zone de charge d espace 400 V dans les deux cellules Dans un VDMOS le pire cas pour provoquer un SEB correspond un ion qui p n tre dans la zone intercellulaire et traverse toute la zone de charge d espace Concernant la structure SJ MOSFET le pire cas correspond a un ion traversant toute la zone pitaxi e La Figure 2 14
38. IEEE Transactions on Electron Devices Vol 59 N 12 pp 3482 3488 D cembre 2012 N 12621 M Zerarka P Austin F Morancho K Isoird H Arbess J Tasselli Analysis Study of Sensitive Volume and Triggering Criteria of SEB in Superjunction MOSFETs IET cds Power Semiconductor Devices and Integrated Circuits accept H Arbess M Bafleur D Tr mouilles M Zerarka High OSD robustness for MOS IGBT power clamp in smart power SOI technology IEEE Transactions on Devices and materials reliability accept Congres internationaux M Zerarka P Austin M Bafleur Comparative study of sensitive volume and triggering criteria of SEB in 600V planar and trench IGBTs 22rd European Symposium on Reliability of Electron Devices Failure Physics and Analysis ESREF 2011 Bordeaux France 3 7 Octobre 201 1 pr sentation orale M Zerarka P Austin M Bafleur Cosmic ray immunity of new IGBT structures for aerospace application International Semiconductor Conference CAS 2011 Sinaia Roumanie 17 19 Octobre 2011 pr sentation orale 157 Liste des publications M Zerarka P Austin F Morancho K Isoird H Arbess J Tasselli Analysis Study of Sensitive Volume and Triggering Criteria of SEB in Superjunction MOSFETs International Seminar on Power Semiconductors ISPS I2 Prague R publique Tch que 1 3 Septembre 2012 pr sentation orale Congres nationaux M Zerarka Vol
39. IGBT d aux radiations a t explor en d tails par E Lorf vre et al LORF 97 Ils ont tudi exp rimentalement le ph nom ne destructif d IGBT 600V par irradiations au californium 252 en analysant les formes de courants suivant la tension de polarisation l aide de simulation 2D ils proposent une technique de durcissement pour les IGBT contre le latch up en jouant sur la largeur de la r gion P de l metteur afin de r duire l efficacit d injection du NPN parasite LORF 99 Les modifications propos es sont pr sent es Figure 1 30 Leurs r sultats de simulations montrent aussi que contrairement au MOSFET le m canisme d ionisation par impact n est pas n cessaire au d clenchement dans l IGBT LORF 97 LORF 98 Cela signifie que la cause principale qui m ne la destruction de l IGBT est la mise en conduction et le verrouillage du thyristor parasite NPNP il s agit donc d un Single Event Latch up SEL Les zones en surface les plus sensibles au SEL ont t d termin es par simulation pour un impact normal la surface Les r gions les plus sensibles sont le canal et la zone intercellulaire neck comme dans le MOSFET Ils ont enfin compar le m canisme de d faillance par un ion lourd dans trois types d IGBT un IGBT canal P non punch through deux IGBT canal N punch through et non punch through Ils observent que la structure punch through canal N est moins vuln rable au latch up ind
40. LESC MURS de ASS ne D Be OCR ee CR aude E EEEE 30 Effet des radiations spatiales sur la magn tosph re et ses d formations sous l interaction avec le vent RD eo eanoe es 31 Gerbe atmosph rique li e l interaction d une particule ionisante avec la haute atmosph re 32 Flux total des particules se trouvant dans l atmosph re en fonction de leur altitude BRIE 71 33 Parcours et les diff rents m canismes d interactions d une particule nerg tique dans la mati re 34 Repr sentation sch matique des deux cat gories d interactions nucl aires 2 0 0 eccceeeseeeeeeeeeeeeeeees 35 Interaction ion silicium HUB EHO idea atteste iro iaa a iiaa a 35 Profil de pouvoir ionisant pour trois ions A gauche Ion aluminium Al Ion Fer Fe A droite Ion alpha He avec observation du pic de Bragg LUU 09 ie 36 Figurel 16 M canismes de d clenchement du SEB ie 41 Fisurel 17 Single Event Burnout dans une MOSPET vsccdscscatccdcceccecccseaececcosdidesedeatendessccteccseatseccosdiccncsnatsedecseateatieds 41 Fig rel 18 M canismes de d clenchement du SEGR s ccccnsssncscndscncecndscndecnascncasidesncnenascndscndscndsepabdncsisndiendsennscedsenade 42 Fig rel 19 Thynstor parasite dans un IGBT NPT sc cectesecon secs cescaconenssaceucaucdecnee cenenced cacenent secon cauebesnerscecencedsaconesncees 43 Figurel 20 Single event latchup dans les IGBTs LORE 99 een 43 Figurel 21 Safe Operati
41. Planar i Eq 2 z 17 i PNP plan Rp plan Weeit Vain O Z W est la surface de chaque cellule La densit de courant de latch up de l IGBT trench est crite comme suit 2V Jta chu Trench n ______ Eq 2 18 ae pyp ln R p Vien Z Woei le Le rapport entre les deux courants donne J iatchup Trench 2 Q pup Jatan Po Jon Wadi Jn Eq 2 _19 J un Planar A pyp Vic R p Le Woei je 88 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance Nous avons valu la r sistance R de P well de chaque structure en utilisant les abaques d Irvin IRVIN 62 R enc 20002 et R mur SOUCI En outre d apr s l quation Eg 2 18 on peut remarquer que mise part la faible r sistance Rp la petite taille des cellules de l IGBT trench augmente aussi la valeur de la densit de courant d latch up par rapport celle du planar Le calcul analytique confirme nos r sultats de simulation La densit de courant de latch up de l IGBT trench est plus grande de 80 800 fois en fonction du rapport de gain en courant PNP 3 5 Traces ionisantes horizontales g n r es au sein de l pitaxie Nous avons simul des traces ionisantes horizontales de diff rentes longueurs g n r es au sein de la demi cellule du VDMOS et de l IGBT planar Les simulations ont t r alis es pour une tension de 400 V Les r sultats sont repr sent s sur la Figure 2 26 et sur la
42. Rayonnement cosmique Particules a entre 9 et 14 Fortes nergies lons lourds environ 1 1Mev 10 Mev l 10 14 10 Mev Protons lt 100Kev Vent solaire Electrons lt qqKev 10 10 Particules a 7 8 Protons 10Mev 1Gev Eruptions solaires Particules a 10MEV qq 100Mev 10 100 1000 lons lourds Protons lt qq 100Mev dont 99 lt 10Mev Ceintures de radiation Electrons lt 7Mev dont 99 lt 2Mev 10 10 10 10 Ceintures de radiations Vents solaires Particules Protons keV 500MeV Particules Protons lectrons eV 10MeV H lium et lectrons L ruptions solaires Particules Protons keV 500MeV Rayons cosmiques ions lourds 1 10MeV Particules Protons H li um et ions lourds Figure 1l 9 Effet des radiations spatiales sur la magn tosphere et ses d formations sous l interaction avec le vent solaire LUU 09 3 5 Environnement atmosph rique L atmosph re est la couche de gaz qui entoure la Terre Elle constitue un v ritable filtre pour la Terre contre la majorit des radiations provenant de l espace L environnement radiatif atmosph rique est principalement d a l interaction des atomes de l atmosph re avec le rayonnement cosmique La structure magn tique terrestre permet de limiter la p n tration des ions lourds issus des rayonnements cosmiques en les pi geant dans les ceintures de Van Allen 31 Chapitre I L environnement radiatif nature
43. avant Range um Face arri re 16 7 _ Zone de charge lt 14 Zone de charge a lt d espace Va 400V P d espace V 400V l i D O 12 4 a x ial a 3 Q aa 2 10 3 8 5 n 2 lt a a 01 Z E z E 44 L a a 2 z 3 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 t Face avant y um Face arri re Face avant Range um Face arri re Figure 2 28 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration a et en fonction de range b de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de chaque cellule 91 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance Nous allons maintenant comparer le comportement et la sensibilit de toutes les structures que nous avons tudi es Nous allons galement examiner l influence de la temp rature sur la sensibilit de ces structures La Figure 2 28 reprend les s sultats de simulation sur la variation du LET minimal en fonction de la profondeur de la zone pitaxi e a ainsi que le minimal LET et la charge minimale d clenchant un burn out en fonction du range de l ion b pour toutes les structures Les fl ches repr sent es sur la Figure 2 28 a montrent les LET seuils c est dire les LET qui correspondent aux profondeurs les plus sensibles pour d clencher un SEB On constate qu ils sont tous proximit de la surface l exception de l IGBT plan
44. cathodes on observe d apr s la Figure 3 26 que la premiere partie des courbes correspondant la charge de Cex est approximativement la m me pour les structures propos es et standards Ceci est attendu car en effet la capacit Cok est compos e de trois capacit s Coki Cgx2 et Cogs cf la figure 3 27 la seule capacit qui peut changer est celle comprise entre la grille et le contact m tallique Cox3 ce qui explique la petite diff rence dans cette premi re partie des courbes entre les structures propos e et standard En revanche la capacit Miller Coa correspondant 127 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance au plateau de la caract ristique entre tiet tz est plus importante pour les structures propos es Cela peut tre expliqu par la r duction de la zone pitaxi e dans ces derni res Cet cart augmente la d croissance lin aire de la tension anode cathode cf Figure 3 26 entre t et t2 En outre la pente de la troisi me partie de la courbe n est la m me Cette pente est l image de la capacit grille cathode Cex avec la capacit de l oxyde de grille quivalente CGA max cf Figure 3 27 Or nous avons la m me paisseur d oxyde dans toutes les structures et par cons quent la capacit grille cathode Cex est bien la seule cause de cette diff rence en raison de la diff rence de la diffusion P well entre les structures propos es et standards Mais c
45. des ions arrivant en incidence normale sur la face avant de chaque cellule avec diff rent range 93 Figure 2 30 Evolution du LET minimal en fonction de la tension de polarisation pour des ions arrivant en incidence normale sur la face avant de chaque cellule et p n trant 2 3 de la region pitaxi e cc ceeseeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeaeeees 94 Figure 2 31 Comparaison entre les traces ionisantes horizontales et verticales pour un VDMOS a et pour un IOE DA D id Cr MT Ci a de tn 95 Figure 2 32 sensibilit normalis e en fonction de la temp rature pour un ion p n trant 2 3 de la region pitaxi e de chaque composant x 30 y 0 VDSSVCE AOON nn inde disespeteencsne basses consid osenestbis tee etiiteereent 96 Figure 2 33 Distribution de la temp rature dans les structures haut de type planar VDMOS et IGBT bas RO Ty ie DOCS dd gous Se lee de de one de D ne 97 Figure3 1 Ph nom nes physiques lors d un C C dans un IGBT uu cccccccccececeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 101 Figure3 2 a Circuit de protection contre les courts circuits b Capteur de tension d anode 103 Figure3 3 Fonctionnement de la structure si le court circuit est pr sent sur la charge au moment de la mise en conduction del DA LES HUE 0 Len PES Medio a ii ia aaa iiaeiai ia et ee 104 Figure3 4 Fonctionnement de la structure si le court circuit se produit alors que l interrupteur de puissance se
46. e S Prin Electrons Positrons Hadrons Muons Arriv e au sol de quelque 106 particules 80 y 18 ete 1 7 muons 0 3 hadrons Figure l 10 Gerbe atmosph rique li e l interaction d une particule ionisante avec la haute atmosph re Le flux total des particules atmosph riques diff rentes altitudes est pr sent sur la Figure 1 11 Elle montre que les particules pr dominantes au niveau des altitudes avioniques sont les lectrons et les neutrons La masse trop faible des lectrons ne permet pas de d poser suffisamment de charges de mani re localis e pour introduire directement une d faillance dans les quipements lectroniques Il en est de m me pour les neutrons car ils ne sont pas ionisants En revanche ces derniers ont la capacit de g n rer des ions secondaires suite des 32 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance collisions avec les atomes des diff rentes couches semi conductrices des composants lectroniques Cela peut d clencher des d faillances lectriques cu neutrons 10 protons Vy electrons 7 1 E muons a i pions charg s 7 E 2 E i WE ao i P gt x V 10 E I es O 3 N z 4 10 E l latitude 54 Q 5 U a 10 E y z 07 1 4 2 1 2 8 3 8 4 8 6 1 7 6 9 6 12 3 17 30 Altitude km Figure l 11 Flux total des particules se trouvant dans l
47. enn MIRROR POINT Figure l 7 Mouvement des particules pi g es dans la magnetosphere terrestre d apr s STASS 88 29 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Figure 1 6 Les ceintures de radiations 3 3 3 Cas repr sentatifs Hipparcos Apr s plus de 3 ans d efficacit et de succ s des op rations les communications entre l Agence spatiale europ enne ESA et le satellite europ en Hipparcos ont pris fin le 15 Ao t 1993 La cause du probl me tait attribuable des d gradations de certains composants par les effets des radiations Plusieurs tentatives pour relancer les op rations se sont av r es infructueuses et la mission a t r sili e ELSE 87 D autres anomalies associ es aux rayonnements ionisants sont d taill es dans BEDI 96 3 4 R capitulatif des particules pr sentes dans l environnement spatial Le tableau 1 1 reprend les diff rentes particules pr sentes dans l espace indiquant leur nature et leur provenance Les diff rents ph nom nes radiatifs de l environnement spatial pr sent s pr c demment sont r sum s dans la figure 1 9 30 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Tableau l 1 R capitulatif des particules pr sentes dans l environnement spatial LAMB06 Provenance Particules Energies Flux cm Protons entre 85 et 90 100 10 Mev 1 100Mev
48. entre les LET minimums de chaque range Malgr cette ressemblance de comportement entre les deux IGBTs la Figure 2 23 montre que les deux structures n ont pas la m me zone de s curit SOA Dans l IGBT planar on ne peut avoir de ph nom ne destructif pour toute valeur de tension inf rieure de 80 V alors que cette valeur va jusqu 280 V dans l IGBT trench pour une m me tension de claquage entre les deux structures 600 V Ces r sultats sont attendus car les deux structures n ont pas les m mes param tres tels que la r sistance R de la r gion P well et le gain du transistor parasite qui sont des facteurs essentiels pour viter les 85 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance ph nom nes destructifs dans les IGBT Il a t prouv analytiquement qu un moyen efficace d augmenter la tension seuil du SEB est de r duire la r sistance R qui n cessite une longueur de source plus courte avec un dopage P well plus lev comme dans le cas de l IGBT trench qui a une tr s faible R par rapport l IGBT planar Generation Generation of tracks R gion R de l IGBT Emitter responsable de l initiation du latch up Y um DopingConcentration jom 3 1 0E 21 10 20 a X um Figure 2 24 Distribution de lignes de courant de trous apres l impact et avant le d clenchement du thyristor parasite da
49. est important de noter qu en orbite les MOSFET de puissance sur la carte de conditionnement de puissance ont t op r s de mani re dynamique avec un rapport cyclique de 25 tandis que les parties discr tes ont t test es dans un mode statique Cette diff rence peut expliquer aussi le manque de SEB observ s dans les syst mes spatiaux r els l poque Une s rie de tests a t 45 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance effectu e par Fischer FISC 87 pour mesurer les formes d onde de courant de drain dans les essais sur les MOSFET de puissance canal N et canal P En fixant la valeur d un condensateur externe Fischer a contr l la quantit d nergie disponible pour un SEB et a t en mesure d engager une condition d un courant intense qui n a pas conduit un emballement thermique n1 un burn out Avec l utilisation de plus grandes capacit s pouvant stocker plus d nergie le m me dispositif pourrait d clencher un burn out Le dispositif canal N a eu un SEB de 22 90 de la tension de claquage nominale tandis que des dispositifs semblables canal P n ont pas connu le d clenchement SEB jusqu sa tension de rupture nominale Ceci est coh rent avec un mod le de courant induit avalanche CIA conduisant un deuxi me d clenchement d velopp par Wrobel et al pour expliquer le claquage par avalanche lors de irradiation du d bit
50. et ion alpha He en fonction de leur parcours dans le silicium On observe que la perte d nergie passe par un maximum juste avant la fin du parcours dans les deux cas Al et He ce qui n est pas le cas dans le Fe Ce maximum appel pic de Bragg montre l quilibre entre deux ph nom nes la perte de la capacit de la particule ioniser la mati re et le temps d interaction d une particule vis a vis d un volume l mentaire donn BOUD 98 100 LET MeV cm mg LET MeV cm mg 0 1 1 10 Figure l 15 Profil de pouvoir ionisant pour trois ions A gauche Ion aluminium Al Ion Fer Fe A droite Ion alpha He avec observation du pic de Bragg LUU 09 36 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance 6 Notion de range La port e ou range en anglais est la longueur de trajectoire propre d un 1on r sultant de ses interactions avec le mat riau cible On peut calculer sa valeur moyenne partir de la perte d nergie de l ion par unit de longueur comme le montre l quation 1 1 En effet les lois de la statistique qui d finissent le comportement d un faisceau de particules ne permettent pas de calculer sa valeur absolue 0 dE rB f 7 FIN Eql 1 Avec r E range E Energie de l ion incident ae E l nergie cin tique du d but de parcours Bornes d int gration correspondent E 0 fin de parcours Les notions de LE
51. fait que le volume sensible devrait tre moins d pendant de la zone de charge d espace En r gle g n rale pour que les porteurs soient 73 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance multipli s par le m canisme de l ionisation par impact ils ont besoin de parcourir une certaine distance afin d acqu rir l nergie n cessaire pour cr er des paires lectron trou JOHN 96 cela signifie que plus les porteurs se d placent dans la zone de charge d espace plus ils sont multipli s En outre dans SJ MOSFET contrairement au VDMOS tous les porteurs sont l origine des ph nom nes de multiplication d impact lors du franchissement de la zone de charge d espace Cependant les traces positionn es dans la moitie inf rieure de la r gion pitaxi e n cessitent plus de LET car les trous g n r s dans la partie inf rieure ont plus de temps se recombiner avant d atteindre la source P via la r gion lat rale P well Les fl ches repr sent es sur la Figure 2 12 indiquent les profondeurs des traces les plus sensibles pour d clencher un Burn out Dans les deux cas ces profondeurs sont proximit de la surface Tous les porteurs sont l origine de la oe Tous les f multiplication ZCE 400V porteurs sont l origine de la multiplication un seul type de ZCE 400V dans les deux porteur est cas l origine de la multiplication Figure
52. fixerons donc la profondeur de la tranch e 4 um afin d viter le ph nom ne de latch up tout en maintenant la m me valeur de la tension de seuil 121 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 4 4 2 3 Effet de la profondeur du dopage de la r gion de diffusion P X Les caract ristiques IA VoKx et IA V ax l tat passant direct obtenues par simulation de la structure IGBT propos e pour diff rentes valeurs de la profondeur de dopage P X 4 avec Lr 16 um et Wr 4 um sont donn es sur la Figure 3 21 AE 03 MIGBT standard 3E 03 ie aah oe Xpt 9 um Xpt 10 um T 3E 03 expt im 2E 03 ab 2E 03 D z 1E 03 T 5E 02 OE 00 1E 00 2E 02 AE 02 6E 02 8E 02 Anode voltage v 1E 04 IGBT standard 8E 05 lu Xp 8um Xp 9Sum Xp 10um 6E 05 Xpt 1 lum um D pis n N m O si Anode current A OE 00 S F f j f 2 4 Gate voltage V Figure3 21 Caract ristiques I 4 V4x haut et IA Vgx bas de l IGBT standard et l IGBT propos pour diff rentes profondeurs de jonction de la diffusion P On remarque sur la Figure 3 21 haut que le ph nom ne de latch up ne se produit pas quand la diffusion de dopage de la r gion P pour une profondeur minimum de 9 um Cette valeur garantit aussi le maintien de la tension de seuil par rapport une structure standard comme le montre la Figure 3 21 bas A parti
53. ils ont estim un taux de 2x10 SEB par jour 12000 m d altitude et 7x10 au niveau du sol L effet de neutron sur le burn out au niveau 49 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance du sol a t confirm par Normand et al dans une tude de diodes et thyristors haute tension 5 kV utilis s dans les moteurs de train NORM 97 bien que cela a probablement t caus seulement par un claquage par avalanche car le m canisme d injection r g n ratif de l metteur n existe pas dans une diode de puissance Ceci sugg re que le m canisme de SEB est domin par la multiplication par avalanche dans la jonction pitaxi e substrat et 1l est aggrav dans les MOSFET de puissance par l amplification bipolaire En 2006 les simulations de S Liu LIU 06 ont montr qu une structure ayant une couche tampon buffer N entre la zone pitaxi e N et le substrat N est moins sensible au SEB par rapport structure classique gr ce la diminution du maximum du champ lectrique dans la zone de charge d espace S Huang et al HUAN 001 ont analys la distribution du champ lectrique lors d un SEB dans une structure MOSFET de technologie superjonction Leurs r sultats montrent qu elle est plus robuste au SEB par rapport une technologie classique cf Figure 1 26 Leur explication a t bas e sur l augmentation du dopage dans la zone active et la comp
54. latchup entre a ALL b carr et c hexagonales les fl ches indique le POPPE S SSE EE SEE HEE HEE EEE SEE EHEH HEE EEEH SESE HES E OE EEE E EE SEES E EE EEEE SESE HESE SE EEEE SESE HES E EE EEEESESEHEOH EE EEEE OES EHESE TEESE SES EHESE SES ESESESESESELEOLES 00 000000 Modifications propos es sur la diffusion P de l metteur par Lorfevre LORF 99 Figurel 31 Simulations du LET seuil SEL en fonction de la position d impact de lion en surface pour 3 technologies d IGBT canal N PT et NP et canal P NPT PCP o Hee E EE EEE EEE EEE SESE EEE ESE HEE SE EEE HEHEHE SESE EES E SESE HES ESE EEE EE SEES ESE SESESE SESE E LEED Figurel 32 Taux de d faillance SEB en fonction de la tension appliqu e pour diff rent technologie d IGBT wecccceccccccccce POPP SHS EE SESE EES EOE EEE HEHE HEHE EEE EEE EE SEEEE EEE EEEE EES EHESE OEE EEE EE SEES E HE EEE E OES HSEE ESE HEHE EE HEEES ESE HEHEHE SESE HEE ESE HET E SESE SES ESE HES E SELES E LES EEEDESELEOS Liste des Figures PEU Romeo SOC Sem S IOB T err rte mene ert errretr anne nrnTr sre Teeny ererer teh min Terre veer rererr erent 55 Figure 2 1 Param tres d un ion lourd p n trant un semi conducteur SENT 09 62 Figure 2 2 Repr sentation de maillage de la zone active de la demi cellule d IGBT planar simul 62 Figure 2 3 Allure de la trace d ionisation pour des simulations 2D LORF 99
55. le VDMOS et 1 um pour la SJ MOSFET voir la position de la ligne discontinue plus large sur chaque structure dans la Figure 2 11 3 3 2 Effet de la profondeur de l impact La sensibilit en profondeur a t galement tudi e La Figure 2 12 r sume la variation du LET minimal en fonction de la profondeur de la zone pitaxi e On peut 72 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance constater que le LET n cessaire pour d clencher un SEB varie avec la profondeur de la trace donnant un optimum pour le d p t de charges Par ailleurs pour que les porteurs puissent tre multipli s en plus grand nombre par le m canisme d ionisation par impact le parcours des trous et des lectrons doit tre aussi grand que possible dans la zone de charge d espace En effet le parcours des lectrons dans la zone de charge d espace est l g rement inf rieur celui des trous car le coefficient d ionisation des lectrons est plus lev que celui des trous Ainsi le d p t des charges optimal varie en fonction de la profondeur de la trace ou de la zone de charge d espace Pour une polarisation de 400V la zone de charge d espace s tale dans la r gion pitaxi e N de moins de 50 um dans le VDMOS La Figure 2 12 montre que les traces positionn es en dehors de cette zone n cessitent un LET beaucoup plus important pour d clencher un SEB En outre la variation du LET minimal dans la zone
56. lectrique dans une zone de la structure Les diff rents mod les utilis s pour nos travaux sont le mod le d ion lourd le mod le d ionisation par impact essentiel pour mod liser les ph nom nes de claquage la statistique de Fermi le mod le de recombinaison Auger le mod le de d pendance de la mobilit en fonction des champs lectriques et de la concentration en impuret s le mod le de recombinaisons Shockley Read Hall avec une d pendance des dur es de vie des porteurs en fonction de la concentration en impuret s 60 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance le mod le permettant de tenir compte du r tr cissement de la largeur du gap du silicium dans les r gions de fort dopage bandgap narrowing Les d tails de ces mod les sont d crits dans le manuel d utilisateur de SENTAURUS SENT 09 Les dimensions de la r gion permettent de simuler une trace cr e par un ion lourd en introduisant les valeurs suivantes le LET le range le rayon de l ion l instant de l impact et le sens de p n tration L un des avantages de ce mod le est de pouvoir g n rer la trace n importe o dans la structure comme par exemple une trace certaine profondeur sans passer par la surface Cette possibilit permet de d finir par exemple le volume sensible Le taux de g n ration des charges est mod lis par des fonctions gaussiennes
57. montre aussi une saturation du LET dans le VDMOS qui commence a partir 50 um Cette saturation est expliqu e par le fait que la charge minimale d clenchant un SEB est syst matiquement assur e l int rieur de la zone de charge d espace pour les ranges qui sont sup rieurs a la zone de charge d espace Donc quelle que soit augmentation de la p n tration au del de la zone de charge d espace le LET reste fixe D autre part une structure SJ MOSFET ne montre aucune saturation du LET il existe une l gere diminution du LET a partir d un range de 20 um Le LET le plus faible d clenchant un v nement est obtenu pour un ion traversant la totalit de la zone pitaxi e puisque dans ce cas la zone de charge d espace s tend compl tement dans la structure Cela signifie que l effet du range est consid rable dans les deux cas et que le crit re de d clenchement ne porte pas que sur la charge d pos e Zone de charge Les Zone de charge 3 a espace V 400V 7 pi a D 20 d espace V 400V YU 7 D 3 z 0 154 ig E a Z los z FINE E ow z 2 3 2 0 05 oe 0 20 40 60 80 100 Lu a 4 7 80 100 Face avant Ka Range um Face arri re Range um Face avant Face arri re Figure 2 14 LET minimal provoquant un SEB et la charge d pos e correspondante en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence nor
58. observe que le Vps seuil de d clenchement diminue g n ralement avec l augmentation du LET cf Figure 1 22 10 ions E MeV LET MeV cm mg 10 CI 90 16 I 90 0 40 10 10 ci Fe IRF 240 16 280 Cross Section cm Cu 104 Fe IRF 240 120 140 160 180 200 Figurel 22 SEB sections transversales en fonction de la tension drain source Vps pour un transistor MOSFET de puissance 2N6766 Afin d expliquer l absence de d faillances dans les syst mes spatiaux Brucker et al ont r alis une tude sur des MOSFET de puissance discrets et sur un convertisseur de puissance d un prototype de vol con u avec le m me type de dispositif BRUC 87 Aucune d faillance n a t observ e dans le convertisseur de puissance lorsqu il tait expos un flux de 600 ions Fe MeV qui ont t filtr s pour produire un spectre similaire celui observ des altitudes g ostationnaires Les essais sur les dispositifs discrets dans le m me faisceau ont montr un seuil de 80 V alors que les tests sur un acc l rateur de faible nergie en utilisant des ions CI de 85 MeV donnent un seuil de SEB 110 V soit environ 50 plus lev que les donn es ant rieures par Waskiewicz WASK 86 L absence de d faillances dans l espace tait expliqu e par le durcissement des pi ces utilis es dans les unit s de l espace qualifi s par rapport aux composants utilis s dans les essais pr c dents Cependant 1l
59. principaux types d v nements destructifs ont t pr sent s en expliquant les m canismes de d faillance induits par des particules et associ s aux structures parasites inh rentes aux composants de puissance Ces d faillances peuvent tre le r sultat de l interaction d une particule cumul e effets de dose ou d une seule particule Single Event Effects Trois d faillances principales 145 Conclusion g n rale ont t d taill es dans le domaine qui nous pr occupe particuli rement MOSFET et IGBT de puissance en fonction du type d effet et du type de composant Ceux ci sont le Single Event Burn out SEB dans les MOSFET et les IGBT le Single Event latch up SEL uniquement pour l IGBT et le Single Event Gate Rupture SEGR qui peut tre provoqu dans les deux structures tudi es Nous avons termin ce chapitre par un tat de l art des deux ph nom nes qui nous pr occupent le burn out et le latch up capital pour bien conna tre la sensibilit de ces composants dans de tels environnements radiatifs Notre compr hension actuelle est le r sultat des efforts de nombreux chercheurs qui ont cherch clairer ces ph nom nes souvent confus et al atoires Toutefois cela n emp che pas la d couverte de nouveaux effets dans les nouvelles technologies et dispositifs qui sont encore d velopper Il tait n cessaire d appliquer cette compr hension afin d identifier les m canismes de d faillance li
60. profondeurs il reste a d terminer avec SENTAURUS les valeurs de LET minimales La Figure 2 6 sch matise les traces ionisantes verticales g n r es a diff rentes profondeurs au sein de l pitaxie dans une demi cellule de MOSFET d clenchant les SEB 65 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance 9 un LET vd um j I 0 pm p a n mii ytET j 10 ET 0 15 20 30 66 4 LET 0 065 40 j o 1 3 0 pum 3 LET 0 065 50 o 1 3 50 SEB LET p ueT o41 minimal 60 Q 2 2 60 70pm 70pm Tracks of 20um _ _ f ET 0 01 i n Q 0 39 i bET 0 02 0 6 o 0 4 LET 0 02 LET 0 01 LET 0 01 Q 0 6 0 0 4 n os LET 0 01 Tracks of 30um Tracks of 40um Track of 50um Figure 2 6 Sch matisation de traces ionisantes dans la demi cellule de MOSFET polaris 500V Les traces sont positionn es a la m me abscisse x mais a diff rentes profondeurs et sont simul es chacune ind pendamment Les deux simulations SILVACO et SENTAURUS montrent qu un d p t de charges ponctuel dans un VDMOS au niveau haut de la zone pitaxi e constitue le cas le plus efficace entrainant un Burn out mais les valeurs de LET et de quantit de charges trouv es par chaque outil de simulation sont diff rentes voir Figure 2 5 et Figure 2 6 range 10um y variable La Figure 2 7 repr sente le LET minimal entra nant un SEB en fonction du range de l ion pour
61. publi e en 1986 par un groupe de chercheurs d Aerospace Corp qui a rendu compte exp rimentalement du ph nom ne de SEB provoqu par des ions lourds d une source de Californium 252 sur des MOSFET de puissance canal N WASK 86 Cette d faillance a t observ e lorsque la polarisation drain source a d pass 50 de la tension maximale du MOSFET Leur explication de ce ph nom ne est bas e sur la combinaison du d clenchement du transistor bipolaire parasite et du m canisme d avalanche sous une tension de polarisation lev e conduisant l emballement thermique et la fusion locale des cellules Une image PeN 7 optique de burn out dans un transistor IRF150 a d j t montr e Figure 1 17 o le burn out 44 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance se produit dans la r gion de drain d une seule cellule du dispositif En 1987 il a t estim que la probabilit d observer un SEB dans des MOSFET de puissance de type IRF150 utilis s dans des satellites tait trop faible Durant la m me ann e des tudes plus d taill es de SEB ont t effectu es ind pendamment par Oberg OBER 87 et Fischer FISC 87 en utilisant des techniques qui pr viennent le burn out par la limitation du courant avec une r sistance en s rie et la coupure de l alimentation au bout de lus de d tection d un tat de courant lev Lors du tra age de la section efficace de SEB Oberg
62. quipementiers ferroviaires ou plusieurs travaux ont montr que des d faillances radiatives se produisaient dans les composants de puissance au niveau du sol ZIEG 96 ZIEG 98 Il est donc capital de d terminer le degr de sensibilit des dispositifs lectroniques qui sont int gr s dans les systemes spatiaux comme les MOSFET de puissance et ceux qui sont utilis s dans les systemes avioniques ferroviaires ou m me automobiles comme les IGBT Les effets de dose ionisante contribuent a la d t rioration d un dispositif au fil du temps et les effets d v nements singuliers EES sont les effets des rayonnements qui surviennent de fa on impr visible avec des cons quences irr versibles sur le bon fonctionnement des syst mes Certains de ces effets entra nent un soft error qui ne cause pas de dommages permanents et peuvent tre remis z ro par des signaux de correction D autres effets ne sont pas aussi banals et peuvent aboutir la d gradation permanente ou m me la destruction de dispositifs on les appelle hard errors ou v nements destructifs Ainsi certains de ces 13 Introduction g n rale v nements ont fait l objet de ce travail qui s est focalis sur deux types d v nements majeurs qui menacent la fiabilit des composants de puissance comme les MOSFET et les IGBT Ces v nements destructifs sont le Single Event Burnout SEB et le Single Event Latchup SEL Ces ph nom nes destruct
63. repr sentatifs GOES S LGOES 7 21 3 3 Environnement spatial proche de la terre 2l od MONOPIES 21 3 3 2 Les ceintures de radiation 28 3 3 3 CaS repr sentatifs Hipparcos sesusiincdscencnssnistinelweasssusondhnadvearanienistaveloectbbeewatlacsens 30 3 4 R capitulatif des particules pr sentes dans l environnement spatial 30 3 5 Environnement atmosph rique 31 4 Interaction rayonnement mati re ssessseeoeeessssssseettressssssseeteresssssseeeeresssssseeeeeesssssssees 33 4 1 Interaction neutron proton SIGN 2e dan 34 4 2 Interactions 10n S111CIUM seen 35 1 Table des mati res 5 Notion de Pouvoir d Arr t et de Transfert d Energie Lin ique ccccccccccceeeeeeeeeeeeeees 36 o NOUOD OS sce cs nee de be D sa en de amd ee 37 7 R partition spatiale et temporelle de la trace d ionisation cc eeeeeseeeeeeeceeeeeeeeeeeeaeeaees 37 8 Effets des rayonnements sur les MOSFET de puissance ccc eeceecececeeceeeeeseeeeeeeeeeeeeaas 38 8 1 I TICES COS E E O N E 38 8 2 Les Ev nements Singuliers SP en Renan ist 39 Bost Sins le Event BUM OUl SERBE adore een 39 0 2 2 ingle Event Gate R pt re SEGR 2 41 8 2 3 Single Event Latch up SEL 42 9 Representation de la sensibilit radiative vices sisciaecseantvsssraseacencasbetiviasdiaatentesivcaseadsecasietielies 43 10 Etat de l art sur les ph nom nes du Single Event Burn out et Singl
64. sur la face avant de la structure cathode et l autre sur la face arri re anode La grille de commande est situ e sur la face avant La particularit de cette nouvelle structure est de mettre une tranch e au niveau de la cathode avec des dimensions pr cises comme la profondeur de la tranch e sa longueur et la profondeur de dopage de la r gion P La Figure 3 17 montre sch matiquement la modification g om trique r alis e sur une cellule d IGBT planar 118 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance lt _ Demi cellule simul e Grille N N Emetteur P well n n Drift Substrat pt Collecteur Figure3 17 Cellule de l IGBT propos cathode en tranch e 4 4 2 Influence des param tres de la tranch e Plusieurs simulations ont t faites en jouant sur les param tres de la tranch e Wr Lr et XP cf Figure 3 18 pour d finir la structure optimale qui donne la fois une grande immunit contre les d clenchements parasites tout en maintenant les m mes caract ristiques lectriques statiques et dynamiques des structures standards Nous avons simul la structure propos e en utilisant toujours les m mes param tres physiques et g om triques donn s dans le tableau 3 1 et en utilisant d abord diff rentes profondeurs Wr snsuite diff rentes largeurs Lr de la tranch e et enfin diff rentes profondeurs de diffusion de la r gion de P Xp
65. temporelles et spatiales donn es par les quations suivantes Eq 2 1 Eq 2 2 Eq 2 3 et Eq 2 4 Le taux de g n ration pour une trace ionisante verticale R w 1 0 G DRW DT t Eq 2 1 Gzgr Energie de Transfert Lin aire R w et T t sont des fonctions qui d crivent la variation spatiale et temporelle du taux de g n ration Le 2 zex cP Shi Eq 2 2 su Zea to temps initial de la gaussienne temporelle en s T t La distribution spatial R w l peut tre d finie comme une fonction exponentielle R w l a H Eq 2 3 Ou une gaussienne 2 R w D an aa Eq 2 4 w 1 w rayon de la trace ionisante en cm w rayon caract ristiqueen fonctiondelalongueur figure II 1 La figure 2 1 montre la p n tration d une particule ionisante dans un mat riau semiconducteur 61 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance Heavy lon Figure 2 1 Param tres d un ion lourd p n trant un semiconducteur SENT 09 Le temps initial de g n ration de la trace to est 3 10 s et le rayon de la trace ionisante est fix 0 05 um Le maillage de la demi cellule simul e est repr sent Figure 2 2 Puisque le taux de g n ration d ions lourds peut changer tr s rapidement dans l espace le maillage est relativement resserr au niveau de la trace d ionisation Cathode Grille Maillage de la Y um trace ionisante 0 10
66. voltage V Figure l 32 Taux de d faillance SEB en fonction de la tension appliqu e pour diff rents technologies d IGBT NISH 10 En 2009 Marina et al ANTO 09 proposaient une nouvelle structure de 3 3 kV semi Superjonction Insulated Gate Bipolar Transistor semi SJ IGBT cf Figure 1 33 A l aide de 54 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance simulations 2D il a t montr que cette structure affiche une grande immunit contre le rayonnement cosmique par rapport a la structure standard Trench FS IGBT Gate Cathode sum LE Ymid Zum E n pillar A a ee 3 1S5um 3 5 um Y cell n drift n buffer p anode Anode Figure l 33 Structure Semi SJ IGBT Le SEB continue d tre un sujet de pr occupation dans les composants commerciaux et doit tre consid r comme faisant partie d un plan d assurance de la duret pour une utilisation de tous les composants de puissance dans les applications spatiales En outre l apparition de SEB de neutrons terrestres cr e un probl me de fiabilit pour les g n rations technologiques du futur La majorit des tudes existent et concernent plus particuli rement les MOSFET Le volume sensible par exemple n a t d termin que dans les MOSFET alors qu il n a pas t abord suffisamment dans que les autres technologies pour l instant laissant tout un domaine de recherche d couvrir C
67. zone de charge d espace est insuffisant et ou si le courant de trous est trop faible le bipolaire parasite s teint et le ph nom ne se traduit simplement par un courant transitoire suivi du retour l tat initial En revanche si la condition de champ lectrique est suffisante dans la zone de charge d espace et si le courant provenant du filament d ionisation est important le m canisme de SEB est initi par la diffusion lat rale de ce courant de trous sous la source dans le caisson P jusqu polariser en direct la jonction metteur base du transistor bipolaire Apres avoir mis en conduction le transistor parasite les lectrons sont inject s de l metteur vers la r gion pitaxi e pr cipitant le ph nom ne d avalanche l aide de champ lectrique important dans la r gion pitaxi e HOHL 87 En effet les lectrons traversant la zone de charge d espace acqui rent une nergie cin tique suffisante pour arracher un lectron un atome du r seau cristallin cr ant ainsi une paire lectron trou lors des collisions LUU 09 Le ph nom ne s auto entretient le bipolaire fournit de plus en plus d lectrons aux ph nom nes d avalanche provoquant une g n ration de trous de plus en plus importante qui alimente le bipolaire et ainsi de suite Le tr s fort courant r sultant qui passe dans une seule cellule l mentaire conduit a la destruction de la cellule puis du composant par emballement thermique
68. 06 F Miller MILL 06 a utilis une nouvelle m thodologie bas e sur des irradiations laser pour caract riser la sensibilit des dispositifs de puissance vers un SEB Il est montr que cette technique peut tre utilis e pour d finir le SOA d un VDMOS En 2008 A Luu LUU 08 a d montr l efficacit d utilisation de faisceaux laser impulsionnels pour cartographier la sensibilit des composants diff rents types d effets singuliers dont le SEB comme le montre la Figure 1 27 Cette tude confirme les avantages li s l tatisation d un laser impulsionnel En effet le co t d utilisation et les consid rations d acc s rendent un laser plus souple et plus pratique qu un microfaisceau d ions La cartographie pr sent e dans la Figure 1 27 permet d identifier les zones les plus sensibles Energie laser AE LAN nJ APO ee oe Le DUR MOSI MOS2 Figure l 27 Superposition de la cartographie laser face arri re et de la photo de sa face avant correspondante pour 2 types de MOS Luu 08 Dans la suite de ce travail Luu et al ont aussi pr sent une tude testant diff rentes conditions de d clencher un SEB pour des ions g n r s a diff rentes profondeurs de p n tration incident sur la face avant ou sur la face arri re du composant Les diff rentes conditions de test de transistors IRF830A sont r sum es dans la Figure 1 28 Luu 08 La comparaison de ces traces montre que lorsque l ion a d j
69. 2 1995 37 151 Bibliographies LAMBO6 Damien LAMBER Analyse par simulation Monte Carlo de la sensibilit aux al as logiques des m moire SRAM soumises a un environnement protonique spatial ou neutronique terrestre These de Doctorat de l Universite Montpellier IT 2006 LEFE 01 St phane Lefebvre Francis Miserey composants semi conducteur pour l lectronique de puissance 2001 LEGA 10 Julie Le Gal Int gration des fonctions de protection avec les dispositifs IGBT PhD thesis Universit Paul Sabatier Toulouse LI 2010 LIU 06 S Liu M Boden D A Girdhar and J L Titus Single Event Burnout and Avalanche characteristics of power DMOSFET IEEE TNS Volume 53 No 6 decembre 2006 LIU 08 S Liu J L Titus C DiCienzo H Cao M Zafrani M Boden R Berberian Recommended test conditions for SEB evaluation of planar power DMOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 55 N 6 pp 3122 3129 December 2008 LORF 97 Lortfevre E Dachs C Detcheverry C Palau J M Gasiot J Roubaud F Calvet M C Ecoffet R Heavy ion induced failures in a power IGBT Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 44 Issue 6 Dec 1997 LORF 98 E Lorfevre D faillances induites par les rayonnements ionisants dans les composants de puissance IGBT et VIP Solutions de durcissement these Universit Montpellier II 1998 LORF 99 E Lorfevre B Sanges G Bruguier J M Palaue
70. 20 30 40 X um Figure 2 2 Repr sentation de maillage de la zone active de la demi cellule d IGBT planar simul Dans ce chapitre toutes les simulations sont en 2D La troisi me dimension est fix e par d faut une valeur gale 1 um afin de conserver l unit usuelle de chaque grandeur lectrique champ lectrique tension courant Cela ne posera pas de probl me dans le cas d une cellule de VDMOS ou d une IGBT o la variation de la g om trie et des param tres de dopage selon la troisi me dimension est nulle Cependant le parcours des porteurs et la g om trie ne sont plus respect s pour un profil gaussien d une trace d ionisation comme l indique la Figure 2 3 Par cons quent des erreurs quantitatives seront forc ment introduites dans les r sultats de ces simulations 2D La cons quence est qu il est impossible d tre repr sentatif la fois de la quantit de charges g n r es et du LET LUU 09 En effet les r sultats recherch s dans ce travail comme les valeurs minimales de LET sont de type 62 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance qualitatif Nous les comparerons de mani re relative entre elles car leurs valeurs seront peu significatives Profil 3D r el Figure 2 3 Allure de la trace d ionisation pour des simulations 2D LORF 99 2 Comparaison des r sultats SILVACO SENTAURUS Pour commencer bien maitriser l out
71. 234 1239 1987 Roubaud F Dachs C Palau J M Gasiot J Tastet P Experimental and 2D simulation study of the single event burnout in N channel power MOSFETs Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 40 Issue 6 Part 1 2 Dec 1993 Page s 1952 1958 Sentaurus TCAD Tools Synopsys 2009 F W Sexton Destructive single event effects in semiconductor devices and ICs IEEE Trans Nucl Sci vol 50 pp 603 621 June 2003 F W Sexton Microbeam studies of single event effects IEEE Trans Nucl Sci vol 43 pp 687 695 Apr 1996 K Sheng et al A review of IGBT Models IEEE Trans Nuc Sci Vol 15 N 6 pp 1250 1266 November 2000 Shen Z J and Robb S P Monolithic integration of the vertical igbt and intelligent pro tection circuits Power Semiconductor Devices and ICs ISPSD pages 295 298 1996 37 39 Shimizu Y Nakano Y Kono Y Sakurai N Sugawara Y and Otaka S A high performance intelligent igbt with overcurrent protection Power Semiconductor Devices and ICs ISPSD pages 37 41 1994 36 W Shockley Electrons and Holes in Semiconductors Princeton NJ Van Nostrand 1950 p 112 D F SMART and M A SHEA The Use of Offset Dipole Coordinates for Interpoling Cosmic Ray Cut Off Rigidities in Three Dimensions 15th Int Cosmic Ray Conference 11 Bulgarian Academy of Science 1977 http solarscience msfc nasa gov SunspotCycle shtmlhttp solarscience msfc n asa gov Sunsp
72. Figure 2 17 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la tension de polarisation VDS pour un VDMOS haut et SJ MOSFET bas range 30 70 et 90 um VDS variable ss 79 Figure 2 18 LET minimal provoquant un SEB dans un IGBT planar a et un IGBT trench b pour diff rentes positions d impact x variable y 0 range 10um VCE 400 V siennes 80 Figure 2 19 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi cellule d IGBT planar gauche et IGBT trench droite y variable ON CE OO el ass 81 Figure 2 20 LET minimal provoquant un SEB et la charge d pos e correspondante en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi cellule d IGBT planar gauche et IGBT trench a drone range variable VCES4OO V vascarossecceceoswrdesensasttinasatiacevsaalecusanntidessaniadacswidularsansieneaeaiadartaadddasdebiadaideniadsctenseas 82 Figure 2 21 volution du courant de collecteur en fonction du temps suite un impact ionisant VCE 400 V 83 Liste des Figures Figure 2 22 Evolution du champ lectrique suite un impact ionisant vertical d un grand range droite et d un petit range gauche dans les demi cellules d IGBT planar haut et IGBT trench bas polaris e 400V c 0ee 84 Figure 2 23 LET minimal provoquant un SEB en fonctio
73. GBT contrairement aux VDMOS ROUB 93 ces premiers constats Figure 2 19 montrent aussi qu un d p t de charges ponctuel au niveau de la zone de charge d espace constitue le cas le plus efficace entrainant un burn out To L TODT Trench IGBI 0 25 ae __ Zone de charge A __ Zone de charge E 0 204 d espace V 400V E f d espace V 400 x Q amp 0 154 a a z k z E 2 4 2 3 0 10 t E z 4 27 0 00 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 f Face avant y um Face ca Face avant y um Face arri re Figure 2 19 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi cellule d IGBT planar gauche et IGBT trench droite y variable range 10 um Vcr 400 V 81 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance 3 4 3 Effet du range de l ion La Figure 2 20 donne le LET minimal et la charge minimale d clenchant un burn out en fonction du range de l ion pour les IGBT Les simulations montrent que la valeur du LET n cessaire pour provoquer un burn out diminue avec l augmentation du range de l ion incident dans la zone d pitaxie dans les deux IGBT Cela est attendu comme nous l avons expliqu pr c demment dans le cas du VDMOS voir paragraphe 2 4 3 3 Dans les deux cas le LET attient des valeurs minimales pour des range
74. GBT propos Pas de 600 d clenchement parasite Pas de VDMOS propos 800 d clenchement parasite IGBT propos Pas de SEB 600 VDMOS propos Pas de SEB 800 La distribution des lignes de courant des trous avant le d clenchement du transistor parasite NPN dans la structure standard et la structure propos e IGBT ou MOSFET simul es avec Wr 4 um Lr 16 um et X 10 um est donn e Figure 3 29 On peut remarquer que dans le cas de la structure avec cathode en tranch e le courant passe directement dans la r gion P sans passer par la jonction J Ipi lt Ip2 Dans la structure standard une grande partie du courant passe au dessous de la jonction J Ip1 gt gt lp2 cr ant ainsi un potentiel de d clenchement En outre dans la structure propos e le dopage P est assur au dessous de toute la jonction J3 en minimisant la r sistivit R sans modifier la concentration en surface de la r gion P le long du canal ce qui garantit que la tension de seuil n est pas modifi e par rapport un VDMOS classique 131 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Emetteur Emetteur Figure3 29 Lignes de courant de trous dans la structure propos e a et une structure standard b La comparaison des trajets internes du courant dans les structures montre donc qu une plus grande partie des lignes de courant est attir e par la tranch e surtout au niveau de la
75. Or le taux de g n ration d ions lourds pouvant changer tr s rapidement dans l espace l erreur d approximation d une telle approche peut conduire des erreurs importantes sur un maillage grossier Pour liminer cette source d erreur num rique SENTAURUS essaye de donner une solution pour une meilleure int gration spatiale Il propose de contr ler chaque volume de maillage par un ensemble de petites zones rectangulaires en int grant num riquement le taux de g n ration l int rieur de ces zones voir Figure 2 8 Pour activer cette solution suppl mentaire le mot cl RecBoxIntegr doit tre sp cifi dans la section Math comprenant les mod les math matiques utilis s avec trois param tres suppl mentaires pour contr ler la pr cision de cette proc dure SENT 09 RecBoxIntegr lt Epsilon gt lt MaxNumberOfLevels gt lt MaxNumberOfBoxes gt 67 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance AecBox Level 1 RecBox Level 0 Figure 2 8 Exemple de zones rectangulaires SENT 09 Afin de mettre en vidence cette solution nous avons refait la m me simulation de la structure VDMOS plusieurs fois en augmentant a chaque fois le niveau de maillage Il faut bien noter que le raffinement du maillage a t appliqu sur toute la structure et pas uniquement au niveau de la trace ionisante Maillage moyen fin oo ee tres fin Fi
76. P A SiO E Gre D laquage r sine plasma O SS a a ae min 800W Nettoyage RCA Oxydation thermique de grille paisseur d oxyde 550 D p t LPCVD de poly silicium paisseur de poly silicium 3000 Dopage du poly silicium diffusion POCI L paisseur de l oxyde de diffusion cr lors du dopage de poly silicium est de l ordre de 600 136 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance D laquage r sine plasma O D laquage r sine plasma O 15 min 800W min 800W Nettoyage RCA Oxydation thermique de grille paisseur d oxyde 550A D p t LPCVD de poly silicium paisseur de poly silicium 3000 Dopage du poly silicium diffusion POCI L paisseur de l oxyde de diffusion cr lors du dopage de poly silicium est de l ordre de 600 Substrat N E Sio BAM Bore Substrat P Eii SE DERRRARRRRRRRARRRARRARARRRARARARARRRARRRARARARRRRRRARARRRARARARRRRARRRRRR Photolithographie poly Si face avant avec alignement masque 3 gravure poly Si face avant Gravure humide SiO 600A HF 10 1 min rin age EDI s chage azote Gravure s che de poly Si 3000A jusqu la couche d oxyde t 230 D laquage r sine plasma O 15 min 800W E SiO C JBore PolySi Substrat P EM R sine Photolithographie P face avant avec alignement masque 4 EE face avant Implantation P face a
77. Proton ocuit wd Pull down circuit n epi Main IGBT employing the floating Pwell M LDMOS Figure3 6 Coupe sch matique et circuit quivalent du circuit de protection par d tection du courant 106 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Ces circuits de protection peuvent tre utilis s dans des conditions extr mes comme le milieu radiatif Le r le de ces circuits est d annuler la tension aux bornes du composant lorsqu il est d clench par une radiation ionisante pendant un temps suffisant Cependant leur fiabilit comme circuit de protection ext rieur est tr s limit e car g n ralement dans le cas d un 1on lourd le d clenchement n apparait que dans une seule cellule Dans ce cas il faut donc penser prot ger chaque cellule par un circuit de protection Or cela peut d abord compliquer leur int gration en outre la plupart de ces circuits de protection contiennent d j des dispositifs actifs qui peuvent tre eux m mes vuln rables aux d clenchements radiatifs C est pour cela que nous avons d cid de chercher des solutions de durcissement au niveau du design de la cellule Dans la suite de ce travail nous allons donc proposer certaines modifications r alis es au niveau design permettant d am liorer la tenue aux radiations des composants de puissance 4 Approche design 4 1 Rappel sur le fonctionnement parasite de l IGBT Il existe trois modes de d
78. T 1 et c VPIGBT 2 113 Figure3 14 Minimal LET d clenchant un SEB pour diff rentes polarisations d un ion lourd provenant de la face avant d IGBT standard LGB Fa Ct HZ nine a e tii eersseiscaveietbeumiasser tes 114 Figure3 15 Distribution de courant total diff rents instants apres impact dans VIGBT 1 115 Figure3 16 Distribution de lignes de courant des trous dans une structure standard a IGBT 1 b et VPIGBT 2 A dt A ON TA sees 116 Figure3 17 Cellule de 1 IGBT propos cathode en tranch e ss 119 Figure3 18 Demi cellules d IGBT standard a et VIGBT propos b cc ccccccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseeeees 119 Figure3 19 Caract ristiques IA VAx a et IA Vox b de l IGBT standard et IGBT propos pour diff rentes longueur de la ranches EPP irn AE E aE TT TE TOT Cr erro Tate re Tween Te Merry Ter een Cray ann re 120 Figure3 20 Caract ristiques I Vax haut et IA VGx bas de l IGBT standard et l IGBT propos pour diff rent s profondeurs d la tranch e WU ve sississdusieasavetwedesaeotencdtesdeseaaanbiadavetnsdesdestuaaataactdeasaaetedd des recto castor 121 Figure3 21 Caract ristiques IA VAx haut et IA VGx bas de l IGBT standard et IGBT propos pour difr rentes profondeurs de dop ge PE ani astres Eura rE E Enno ENKE re ar EEaren ree kend i saro edion nsc 122 Figure3 22 Caract ristiques IA V AK haut et IA VGK bas de la struct
79. T et de range seront utilis es lors de toute cette tude Elles permettent de mieux analyser le comportement et la sensibilit des composants semi conducteurs face aux v nements singuliers que nous allons d finir dans la suite de ce chapitre 7 R partition spatiale et temporelle de la trace d ionisation Les lectrons libres provoqu s par une trace d ionisation poss dent une forte nergie transmise par un 1on lourd au moment de l ionisation d un atome Elle est de l ordre de plusieurs keV donc bien sup rieure l nergie n cessaire pour ioniser les atomes du r seau cristallin de silicium 3 6 eV La cr ation d une paire lectron trou est donc assur e par un lectron qui poss de alors une nergie cin tique tr s importante et qui peut ioniser les atomes du silicium Ces lectrons hautement nerg tiques sont appel s lectrons delta ou rayons Ils contribuent l tendue spatiale de la trace 1onisante La formule empirique suivante dimensionne le parcours moyen R des rayons de la trace en fonction de l nergie cin tique EQUE 88 R um 1 83 x 10 E keV Eq 1 2 37 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Il est vident que la valeur du parcours moyen R des rayons 6 diminue au fil du parcours de l ion car ce dernier perd de l nergie cin tique avec la profondeur du range Par ailleurs l tablissement du range d pend
80. T trench droite range variable Vcp 400 V Il est important de rappeler bri vement le m canisme du SEB dans VIGBT d j expliqu dans le premier chapitre Dans ce dernier le mod le d ionisation par impact peut diminuer sa sensibilit dans la simulation des d faillances induites par ions lourds mais il n est pas essentiel LORF 97 En effet 11 s agit bien du ph nom ne de latch up c est dire de la mise en conduction du thyristor parasite N PNP inh rent aux IGBT de puissance 82 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance g x am oO 5 O oO ge am lt 1E 13 1E 11 1E 09 Time s Figure 2 21 volution du courant de collecteur en fonction du temps suite un impact ionisant Vce 400 V Le premier pic de courant Figure indique que les porteurs g n r s le long de la trace d ions sont acc l r s par le champ lectrique dans la zone de d pl tion tant donn que les porteurs passent l ext rieur du composant le courant diminue voir Figure 2 21 section B Cependant lorsque le pic du champ lectrique se d place de la jonction P N la jonction N Substrat le champ critique atteint cette jonction voir IGBT planar sur Figure 2 22 t 0 1 ns ce qui induit de nouveaux porteurs g n r s et entrainant le d clenchement du transistor parasite PNP La modification de la polarisation de la jonction N P augmente
81. a charge au moment de la mise en conduction de l interrupteur 104 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Si le ph nom ne de court circuit se produit alors que l interrupteur de puissance se trouve d j l tat passant la tension Vax passe de quelques volts la tension d alimentation Le capteur de tension d anode d livre alors une tension sup rieure la tension de seuil du MOS de coupure qui d charge alors la grille de l IGBT Dans ce cas il n existe pas de temps de d lai car la commande de grille du MOS de d lai est d j tablie cf Figure 3 4 AUST 03 20 06 46 06 be O06 Ge 0b Te 05 126 05 146 05 Transient tine 2 Figure3 4 Fonctionnement de la structure si le court circuit se produit alors que l interrupteur de puissance se trouve d j l tat passant Une coupe sch matique de ce circuit de d tection et de protection int gr monolithiquement est pr sent e dans la Figure 3 5 Commande Cathode R sistance MOS de Capteur de Interrupteur de de coupure tension puissance d lai i d anode grille isol e Figure3 5 Structure int gr e du circuit de d tection et de protection 105 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 3 1 2 Circuits bas s sur la d tection de surintensit Les circuits de d tection cit s dans ce paragraphe sont donc bas s sur la d tection du courant G n ralement ces circuit
82. able secr taire du groupe Madame Claude LAFORE Je remercie tous le service du personnel du LAAS en particulier Camille CAZENEUVE pour leurs soutiens administratifs durant la these Je tiens aussi saluer et remercier mes coll gues et amis du laboratoire dont bon nombre a d ailleurs quitt le laboratoire Youcef GHERFI abedelilah ELKHADIRI Abedenour AOUINA Fahed BETAHER Chafe CHABALA Hamza BOUKABACH Sylvain NOBLECOURT Emanuel Yoann CHARLON Mehdi BRAHAMI Lyamine HIDJAZI Youcef ZATOUT Mourad BENKACI Sami HEBIB Hamada METMAT Mohamed LALAMI Amin BOUKADJAR Farouk ZAHAR Aymen Nadia BELAID Hamida Sabeha ZEDEK Asma Amel ALI SLIMAN Ali KARA Djaffar BELHARET Ibrahim Albluwi Ahmed DAROUICHE merci beaucoup pour les bons moments que nous avons pass ensembles Je tiens exprimer mon amiti lyes DJ AGHLAF croco de ponsan mes deux anciens colocataires les deux BOURENNANE Walid et Imad ainsi qu Toufik AZOUI ghoulba sans oublier Bilal ALMASRI avec lesquels j ai pass des aventures et des moments inoubliables merci pour l entraide sur tous les plans vous tiez toujours pr sent dans les moments difficiles propos de ces moments J aimerais galement saluer et remercier infiniment Abedennasser HAMIDI d avoir pris soin de moi durant toute ma convalescence merci encore Je tiens aussi remercier nos amis d ALSAT Aissa BOUTTE Salah eddine BENTATA Hichem HENNA et Mahmoud pour les agr abl
83. acterization of Single Event Burnout in Power MOSFET Using Backside Laser Testing IEEE Trans Nucl Sci Volume 53 Issue 6 Dec 2006 p 3145 3152 Ned Mohan T Undeland and W Robbins Power Electronics John Wiley amp sons 1995 O Musseau A Torr s A B Campbell A R Knudson S Buchner B Fischer M Schlogl P Briand Medium Energy Heavy Ion Single event Burnout Imaging of Power MOSFET s IEEE Trans Nucl Sci vol 46 p 1415 Dec 1999 M NACE Impact des ions lourds sur la fiabilit des MOSFET de puissance embarqu s en environnement spatial these Universit Montpellier IT 2012 D K Nichols et al Observations of Single Event Failure in Power MOSFETs IEEE NSREC Data Workshop Record pp 41 54 juillet 1994 S Nishida T Shoji T Ohnishi T Fujikawa N Nose M Ishiko K Hamada Cosmic ray ruggedness of IGBTs for hybrid vehicles 22nd International Symposium on Power Semiconductor Devices amp IC s ISPSD 2010 pp 129 132 6 10 June 2010 E Normand J L Wert D L Oberg P P Majewski and P Voss Neutron induced single event burnout in high voltage electronics IEEE Trans on Nucl Sci vol 44 pp 2358 2366 Dec 1997 D L Oberg and J L Wert First nondestructive measurements of power MOSFET single event burnout cross sections IEEE Trans Nucl Sci vol 34 pp 1736 1741 1987 D L Oberg J L Wert E Normand P P Majewski and S A Wender Fi
84. alis es au niveau de la cellule du composant permettant une d sensibilisation vis vis des ph nom nes de d clenchement li s aux structures parasites permettant ainsi d am liorer la tenue aux radiations des composants de puissance grille isol e 15 16 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance 17 18 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance 1 Introduction De nombreuses applications utilisant les composants de puissance n cessitent un fonctionnement dans des environnements de fortes radiations Ces applications sont g n ralement de type spatiale ou militaire et m me certaines applications civiles comme les centrales nucl aires les acc l rateurs de particules les installations m dicales et les quipements industriels Les premi res pr visions des v nements singuliers en micro lectronique taient en 1962 par Allmark et Marcus WALL 62 des chercheurs et des ing nieurs qui travaillent sur des syst mes embarqu s de l espace ont t pr occup s par les effets de rayonnement cosmiques sur la fiabilit des missions spatiales Cette inqui tude est devenue r elle en 1975 quand une anomalie dans un syst me spatial a t attribu e au passage d ions lourds de haute nergie BIND 75 Depuis une longue liste des effets d v nement singulier dans les semi conducteurs et les circuits int gr s ont t
85. and D M Long Burnout of WASK 88 WROB 85 ZIEG 96 ZIEG 98 power MOS transistors with heavy ions of Californium 252 IEEE Trans Nucl Sci vol 33 pp 1710 1713 1986 A E Waskiewicz and J W Groninger Burnout thresholds and cross sections of power MOSFET transistors with heavy 1ons Rockwell Int Rep Nov 1988 Wrobel 1985 Current induced avalanche in epitaxial structures Nuclear Science IEEE Transactions on 32 3991 3995 J F Ziegler Terrestrial cosmic ray IBM Journal of Research and Development Vol 40 Jan 1996 pp 19 40 J F Ziegler Terrestrial cosmic ray intensity IBM Journal of Research and Development Vol 42 Janv 1998 pp 117 139 155 156 Liste des publications Liste des publications Brevet en cours M Zerarka P Austin M Bafleur Nouveau design sp cifique des composants de puissance grilles isol es permettant des d sensibilisations contre les ph nom nes de d clenchement li s aux structures parasites Revues scientifiques M Zerarka P Austin M Bafleur Comparative study of sensitive volume and triggering criteria of SEB in 600V planar and trench IGBTs Microelectronics Reliability Vol 51 N 9 11 pp 1990 1994 Septembre 2011 M Zerarka P Austin G Toulon F Morancho H Arbess J Tasselli Behavioural study of single envent burnout in power devices for natural radiation environment applications
86. anents comme le claquage de la grille d un transistor MOS Ils sont donc divis s en deux cat gories v nements destructives et v nements non destructifs Les v nements destructifs engendrent des pertes de fonctionnalit s irr versibles Les principaux v nements que l on retrouve dans les composants de puissance sont le Single Event Latchup SEL le Single Event Gate Rupture SEGR et le Single Event Burnout SEB Ces m canismes destructifs seront d crits par la suite plus en d tail dans le cas des structures de puissance Les v nements non destructifs engendrent des pertes de fonctionnalit s r versibles Ils sont li s des ph nom nes transitoires dont les erreurs peuvent tre corrig es On retrouve principalement deux types d effets parmi ces v nements le Single Event Upset SEU et le Single Event Transient SET Ces v nements touchent g n ralement la fois des composants analogiques ou digitaux Le SEU intervient dans les composants logiques base de technologie MOS comme les m moires SRAM ou SDRAM Il s agit d une corruption de l information dans ces blocs m moires par le basculement d un tat logique vers l tat logique compl mentaire Cependant la r versibilit est expliqu e par le fait qu un circuit de rattrapage de bits suffira corriger un SEU dans une m moire RAM par exemple En ce qui concerne le SET il provoque un courant temporaire parasite r sultant des charges cr
87. ans les engins spatiaux ou a ronautiques Cependant l environnement radiatif naturel pr sente de nombreux dangers pour ces composants lectroniques Le 1 Mai 1958 Van Allen annonce la d couverte des ceintures de radiation 3 mois apr s le lancement du satellite Am ricain Explorer I quip d un compteur destin mesurer le niveau de rayonnements cosmiques dans l espace ALLE 59 Quelques ann es plus tard 21 f vrier 1963 le premier satellite de t l communication Telstar est perdu cause des radiations L enqu te men e par le constructeur de ce satellite r v le que l augmentation du courant de fuite collecteur base des transistors bipolaires est responsable de cette perte PECK 63 D sormais de nombreuses tudes ont t lanc es sur les environnements radiatifs et leurs effets sur les diff rents types de composants semi conducteurs afin de comprendre les ph nom nes associ s et trouver des techniques de fabrication des syst mes de pr diction et de durcissement Les environnements radiatifs naturels sont constitu s de diverses particules provenant du soleil ou d origine extra galactique Les chercheurs ont identifi la nature de ces particules ainsi que les gammes d nergies rencontr es dans l espace On distingue deux types d environnement radiatif atmosph rique et spatial Bien que l environnement radiatif atmosph rique soit beaucoup moins agressif des d faillances ont d j t observ es dans des
88. apitre III Solutions de durcissement des composants de puissance TOUL 10 Etant donn que cette tape a lieu apr s le premier recuit de diffusion qui rappelons le est le plus long les dopants du polysilicium risqueront moins de diffuser dans le silicium Afin d obtenir la profondeur de jonction au niveau de la diffusion P en fond de tranch e un recuit assez long gt 5h est n cessaire L implantation dans le fond de la gravure pourrait poser des probl mes d ombrage shadowing et d parpillement scattering ce qui entrainerait une distribution non uniforme des dopants Heureusement le temps de recuit est suffisamment long pour estomper ces irr gularit s Habituellement une tape de d p t de nitrure Si3N4 est effectu e avant celle d ouverture des contacts Pour ouvrir les contacts une gravure s che est n cessaire Cependant comme le nitrure est d pos de fa on isotrope y compris sur les flancs de la tranch e apr s la gravure qui elle est anisotrope il restera de l isolant sur les parois verticales d gradant fortement la qualit du contact lectrique de cathode Nous avons donc remplac ce d p t de nitrure par un oxyde qui lui peut tre retir par une gravure humide isotrope L oxyde pourra tre retir des flancs de la tranch e 5 Conclusion Dans ce chapitre nous avons propos des solutions de durcissement pour les MOSFET et les IGBT de puissance Nous avons d abor
89. ar L explication possible que l on peut donner est la diff rence de sensibilit l effet Kirk Dans un IGBT planar non punch througth NPT les traces les plus profondes seront plus sensibles l effet Kirk Par exemple pour un ion provenant de la face avant y 0 le champ lectrique critique n atteint pas la jonction N P substrat dans l IGBT planar NPT mais il est d j tabli au niveau de l homo jonction N N dans les autres structures y compris P IGBT trench car il est de type punch througt PT voir Figure 2 22 pour un range 10 um Tout a d j t expliqu pr c demment concernant le volume sensible et l effet de range de chaque structure Malgr cette similitude qualitative c est dire du comportement entre la majorit des structures tudi es que ce soit IGBT ou MOSFET la diff rence quantitative est consid rable voir l chelle de la Figure 2 28 b La Figure 2 28 b montre qu 400 V PIGBT trench est le moins sensible par rapport aux autres structures et IGBT planar est le plus sensible tandis que les deux MOSFETs ont presque la m me sensibilit d ions lourds Dans ces conditions Vps amp Vcg 400 V la r solution pour les valeurs de LET minimal indique que l IGBT planar peut tre 100 fois plus sensible que le trench d un facteur 2 a 4 par rapport aux MOSFET En effet la diff rence de sensibilit entre ces structures est fortement li e a la tension de polarisation comm
90. atmosph re en fonction de leur altitude BRIE 71 4 Interaction rayonnement matiere Les diff rentes particules nerg tiques pr sentes dans le milieu spatial rendent cet environnement le plus hostile du point de vue radiatif Mais il n est pas la seule source naturelle de rayonnement plusieurs l ments terrestres peuvent galement l tre L tude des effets des particules sur la mati re reste primordiale en raison de la part croissante des composants et syst mes lectroniques bord des engins a ronautiques et spatiaux L effet d une particule d pend de ses propri t s physiques et de la mati re cibl e La Figure 1 12 r sume bien le parcours et les diff rents m canismes d interactions d une particule nerg tique dans la mati re Une interaction peut tre soit de type coulombienne par interaction des champs lectriques des diff rentes entit s en jeu ou nucl aire c est dire interaction avec le noyau cible sous forme lastique ou in lastique Les travaux pr sent s dans cette th se traitant des composants semi conducteurs nous allons donc nous focaliser sur les diff rents m canismes d interactions entre les ions les protons et les neutrons avec le Silicium 33 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance coo oe coe coe coe coe coe coe coe coe ee ee eee ee eee eee ee oo Particule 1 pluchage de inn aident 2 Capture d
91. burn out SEXT 96 Ces r sultats obtenus l aide de simulations ont t confirm s exp rimentalement avec une source de californium C 252 par F Roubaud ROUB 93 cf Figure 1 25 SOUFCE 0 1 0 01 0 001 channel 0 001 0 01 0 1 1 10 100 Figure l 25 R sultat de la simulation d une seule cellule variations du courant diff rents points d impact pour un ion Br de 180 MeV ROUB 93 Les structures qui se d clenchent par des ions lourds avec des LET seuils au dessous de 15 MeV cm me peuvent tre galement d clench es par des protons WASK 88 et des neutrons OBER 96 travers des interactions nucl aires avec le r seau et les atomes dopants du dispositif ce n est pas par ionisation directe comme le cas des ions lourds Les premiers SEB caus s par des protons ont t observ s dans des MOSFET de 200V durant l exp rience CRUX Cosmic Ray Upset Experiment sur le satellite APEX ADOL 96 Le satellite rencontre les protons issus de l anomalie de Atlantique Sud SAA Leurs mesures du taux de SEB ont bien t corr l es avec celle estim e par Oberg et al OBER 96 a partir de donn es de terrain D apr s les donn es de neutrons obtenues sur le simulateur de neutrons terrestre Los Alamos WNR Oberg a galement conclu que le ph nom ne de SEB serait un probl me pour l avionique et potentiellement pour les syst mes bas s au sol en raison de neutrons terrestres Pour un MOSFET de 500 V
92. ce e Les ruptions solaires protons dont la dur e va de quelques heures quelques jours et dont l mission principale est constitu e de protons d nergies importantes La r f rence en ce domaine est l ruption proton d ao t 1972 LUU 09 La derni re ruption importante ce jour date de 15 f vrier 2011 elle est de classe X le plus haut des quatre chelons du 24 cycle solaire Celle ci s est n anmoins dissip e sur le P le Nord sans provoquer de d g ts Les orages provoqu s par certaine ruptions qui frappent la Terre et qui peuvent parfois traverser les ceintures de radiation ont des effets parfois catastrophiques pour l homme et l lectronique plus particuli rement dans l espace cause de l absence de l atmosph re terrestre Ces orages peuvent cr er de fortes radiations qui sont une vraie menace pour les astronautes et les composants des satellites le satellite am ricain Telstar 401 fut ainsi Ils peuvent nuire aussi aux installations des r seaux lectriques Canada le 13 mars 1989 un violent orage magn tique provoque une saturation des transformateurs lectriques Cependant l observation permanente du Soleil permet de pr voir ces orages magn tiques et de prendre des mesures de protection d connexion des liens formant le r seau lectrique arr t de certains appareils sensibles 3 2 2 Le vent solaire Il y a environ une trentaine d ann es que le vent solaire a t observ
93. ce 57 58 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance 1 Introduction Pr voir un taux de d faillance li au SEB est d un grand int r t pour les industriels utilisant des transistors de puissance dans le cadre d applications sensibles En ce qui concerne certains effets singuliers se produisant sur des composants de plus basse puissance SEU SET l tendue du volume sensible volume dans lequel la particule doit d poser suffisamment de charges pour induire l effet singulier est une donn e fondamentale de l estimation du taux de d faillance L extension des m thodes d estimation de taux d v nements classiquement utilis es pour les composants de faible puissance au ph nom ne de SEB n cessite une connaissance du volume sensible associ La complexit des ph nom nes physiques induisant un burn out et la multitude des g ome tries des structures de puissance rend difficile une d finition purement th orique de ce volume Pour cela nous allons valuer dans ce chapitre le comportement des diff rentes structures VDMOS SJ MOSFET IGBT planar et IGBT trench Nous d finirons le volume sensible de ces composants l aide de simulations num riques 2D La comparaison de leurs comportements lectriques vis vis des diff rentes conditions de polarisation et de g n ration d ions lourds permettra de bien d finir les crit res de d clenchement du ph nom n
94. ch atteint une temp rature voisine de 500 K dans tout le reste de la structure cause de la largeur des cellules trench 2 um qui est beaucoup plus faible que celle des planars 40 um Canal LatticeTemperature K 3 000e 05 2 3930e 05 2 100e 05 1 650e 05 1 200e 05 7 500e 02 3 000e 02 Grille Cathode LatticeTemperature K 1 2E 03 1 0E 03 8 4E 02 6 6E 02 4 8E 02 3 0E 02 0 0 5 1 1 5 X um Figure 2 33 Distribution de la temp rature dans les structures haut de type planar VDMOS et IGBT bas IGBT de type trench 4 Conclusion A l aide des r sultats de simulation 2D nous avons commenc ce chapitre par une analyse bas e sur la confrontation SILVACO SENTAURUS qui r v le l existence d carts des r sultats au niveau de la valeur du LET minimal provoquant un SEB entre les deux 97 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance simulateurs En revanche les tendances des ph nom nes observ s sont identiques ce qui confirme donc la validit qualitative de chaque mod le mais ne garantit pas leur pr cision quantitative surtout par rapport aux erreurs num riques li es au maillage Ensuite nous avons d fini le volume sensible des diff rents transistors de puissance VDMOS SJ MOSFET IGBT planar et IGBT trench Les conditions les plus favorables pour d clencher un SEB ont t d finies en simulant des traces ionisantes de diff ren
95. clenchement du latch up qui sont tous li s au d passement d un courant critique Iag Le premier appara t lorsque le composant est l tat passant faible Vax et que le courant passant lag exc de cette valeur seuil de d clenchement L augmentation du courant Iag peut tre li e par exemple une augmentation de la temp rature ou l apparition d un sur courant g n r par le circuit ext rieur au composant Le second intervient durant les phases de commutations o les dV dt peuvent tre importants et g n rer des courants de d placement significatifs dans la zone de charge d espace Le troisi me mode se produit pendant la phase de blocage du composant o une particule ionisante g n re des paires lectron trou dans la zone de charge d espace c est le Single Event Latch up SEL Le d clenchement de ce thyristor parasite doit donc tre d sensibilis car il entra ne la perte du contr le de l IGBT et bien souvent sa destruction Comme nous l avons mentionn pr c demment l tat passant le courant total est compos d un courant d lectrons fourni par le MOSFET et d un courant de trous inject s par la jonction J3 et collect s par la jonction J Ce courant de trous est la somme des courants I et Io cf Figure 3 7 L repr sente les trous collect s du c t droit de la cellule ces trous circulent vers la cathode travers la r sistance Rp sch matis e sur la Figure 3 7 Ce c
96. ctrode grille cathode CGk1 Capacit d oxyde mince de la zone de canal Cck2 Capacit de d pl tion entre la grille et le N de cathode Ccx3 Capacit due a la pr sence d oxyde pais entre grille et cathode Cos Capacit inter lectrode grille source DMOS Double Diffused Metal Oxide Semiconductor E champ lectrique E Energie de l ion incident Ec Valeur du champ lectrique critique EES Effets d Ev nements Singuliers Eox paisseur de l oxyde Grier Energie de Transfert Lin aire GTO Gate Turn Off Thyristor Ia Courant d anode Ic Courant de collecteur 1 Courant de drain 16 Courant du g n rateur de grille IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor JFET Junction Field Effect Transistor LDMOS Lateral Double diffus Metal Oxide Semiconductor Lg longueur contenant l metteur N Lez longueur contenant l metteur N et la r gion de diffusion P LET Linear Energy Transfer transfert d nergie lin ique Lr largeur de la tranch e MOS Metal Oxide semiconductor Liste des symboles MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor NPT Non Punch Through PT Punch Through R w variation spatiale du taux de g n ration Ron la r sistance l tat passant Rp r sistance de la r gion P sous la diffusion N de cathode SEB Single Event Burnout SEE Single Event Effect SEGR Single Event Gate Rupture SEL Single Event Latchup SEU Single Event Upset SJ Superjunction SOA Safe Operati
97. d donn quelques exemples de protection d j existants au niveau circuit afin de rappeler la n cessit de trouver des solutions locales au niveau de chaque cellule Dans un premier temps deux modifications technologiques sur des IGBT classiques de type planar ont t s propos e La premi re consiste ajouter une zone P dans la r gion intercellulaire de telle sorte qu elle soit en court circuit avec la cathode La deuxi me modification consiste remplacer certaines parties de la diffusion N par une diffusion P au niveau de la cathode Ces deux modifications permettent d am liorer la tenue aux radiations de la structure initiale quelle que soit la tension de polarisation et augmentent la tension seuil de d clenchement Ensuite nous avons propos une structure avec une nouvelle topologie pour les VDMOS et les IGBT permettant des d sensibilisations contre les ph nom nes de d clenchement li s aux structures parasites Cette structure montre d abord une grande immunit contre les d clenchements parasites que ce soit l tat passant ou bloqu Elle permet aussi d augmenter consid rablement le durcissement contre l effet d ionisation provoqu par un ion lourd dans les VDMOS et les IGBT de type planar Un VDMOS peut tre en s curit totale par rapport au ph nom ne de SEB gr ce cette 141 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance modification Enfin des simulations
98. de charge d espace est relativement petite dans le VDMOS En effet pour les traces positionn es en dehors de la zone de charge d espace un seul type de porteurs est l origine de la multiplication en traversant la zone de champ lectrique voir Figure 2 13 0 30 Zone de charge Aone de charge g sa d espace V__ 400V E 0 254 d espace V ps 400V P DS x 3 Q 0 20 2 E os z F E 0 154 E 5 Z 2 F S 0 10 a E fom 0 05 0 00 i 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Face avant y um Face arri re Face avant y um Face arri re Figure 2 12 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi cellule VDMOS gauche et SJ MOSFET droite y variable range 10 um Vps 400 V En revanche dans le SJ MOSFET toutes les traces sont situ es l int rieur de la zone de charge d espace qui s tale horizontalement et qui occupe toute la structure D apr s ces premiers constats on peut dire que pour le VDMOS le cas le plus efficace entra nant un Burn out correspond un d p t de charges ponctuel au niveau de la zone de charge d espace Dans le SJ MOSFET le volume sensible est situ dans la partie sup rieure de la r gion pitaxi e Dans ce dispositif le champ lectrique est r parti verticalement de fa on homog ne le long de la jonction verticale PN ce qui
99. de dose lev dans les deux MOSFET de puissance DMOS et des transistors NPN construits avec des couches pitaxi es l g rement dop es WROB 85 Hohl et Galloway HOHL 87 ont d velopp un mod le analytique de SEB afin d tudier la sensibilit des composants de puissance au burn out Ils ont d termin que l intensit du champ lectrique dans la r gion faiblement dop e N pitaxi e a t le principal facteur la sensibilit de SEB donnant une meilleure explication du m canisme de SEB cf paragraphe 1 7 3 Dans leurs travaux Hohl et Galloway ont montr que les MOSFET de puissance peuvent tre durcis contre le ph nom ne de SEB en r duisant la distance entre la r gion P et le P well mais cette solution est limit e par la lithographie et par la tension maximale de fonctionnement de la structure ce stade la g n ration des trous de l ionisation par impact est maximale Ils ont galement constat la d pendance du gain du transistor NPN parasite de la r sistance de diffusion dans la r gion de base et de la multiplication par avalanche dans la r gion de drain Afin d augmenter la tenue en tension inverse dans les MOSFET de puissance l paisseur de la couche pitaxi e doit tre augment e et le niveau de dopage r duit Bien que cela conduise a une tension de blocage sup rieure le dispositif est aussi plus sensible au SEB Dans certains cas le SEB n est pas d tect dans les structures de 100 V fonctionnant a
100. droite de la structure c est dire que le courant circule beaucoup plus travers le transistor parasite NPN voir figure Cela n est pas le cas dans le SJ MOSFET o la taille du transistor parasite NPN est de l ordre de la cellule ce qui fait que le courant occupe toute la structure Apres le burn out trina cf Figure 2 15 le champ lectrique est aussi maximal au niveau de l homo jonction N N dans les deux cas Cela augmente le taux de multiplication des trous par impact activant en permanence le transistor bipolaire par un courant de base suffisant tinitia Cf Figure 2 25 la profondeur maximale de la zone de charge d espace et le champ lectrique intense rencontr par les lectrons leurs permettent d tre acc l r s et multipli s par impact En revanche lorsque les trous rencontrent les plus fortes valeurs de champ lectrique ils n ont qu une faible distance parcourir dans ce dernier Par cons quent leur multiplication est faible par rapport celle des lectrons et ce d autant plus que leur coefficient d ionisation est plus faible ap lt an En revanche apr s un burn out ttina lorsque le champ lectrique est maximal au niveau de la jonction N N les trous se multiplient plus que les lectrons en compensant leur faible coefficient d ionisation ap Au moment ou le ph nom ne d avalanche assure le courant de base courant des trous du transistor bipolaire ce dernier permet son tour d entretenir
101. du temps mis par lion pour s arr ter Ainsi l tendue radiale de son tour d pend du temps mis par l lectron delta rayons 6 pour effectuer leur parcours maximal Le temps n cessaire pour tablir une trace de charge dans un semi conducteur est de l ordre de quelques picosecondes RICH 87 8 Effets des rayonnements sur les MOSFET de puissance Nous avons vu pr c demment que le passage d une particule nerg tique est l origine de la creation d un filament dense de paires lectrons trous le long de la trace Nous pr senterons dans cette partie les diff rents effets induits par le rayonnement sur les composants lectroniques de puissance Nous distinguerons deux types de ph nomenes li s aux effets des rayonnements Les ph nom nes cumulatifs ce sont les effets li s la dose ionisante qui sont l origine des erreurs fonctionnelles Les ph nom nes induits par une unique particule ce sont les effets singuliers qui sont l origine d une perte transitoire ou permanente de la fonctionnalit 8 1 Effets de dose Ces effets cumulatifs interviennent dans tous les mat riaux isolants pr sents dans les composants lectroniques actifs Leur d gradation entrain e par la dose cumul e est principalement li e l interface Si SiO des structures Suite au passage des particules ionisantes dans une structure MOS une partie des charges g n r es se retrouve pi g e dans le milieu de l oxyde de g
102. e Figure3 15 115 SS ey ae le 16 5C ak D 50 le sl 0 de ep 4 fi D clenchement du PNP parasite L i a et C nd _ Vi D but du latch up Disparaissions du latch up Distribution du courant diff rents instants apr s l impact dans l IGBT 1 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Emetteur Emetteur DopingConcentiation cm3 8 9E 19 Z 4 8E 16 x 2 6E 13 1 8E4 13 33 16 6 1E 19 Figure3 16 Distribution du courant de trous dans une structure IGBT standard a l IGBT I b et l IGBT 2 c Les lignes de courant des trous repr sentant la r partition de ce courant avant le d clenchement du thyristor parasite dans les trois structures simul es est donn e sur la Figure 3 16 On peut remarquer que dans le cas de la structure standard o le latch up se produit une grande partie du courant de trous circule vers l metteur travers la r gion P well augmentant la tension de polarisation de la jonction N metteur P well En revanche dans l IGBT I et l IGBT 2 le latch up ne se produit pas Une grande partie des trous circule verticalement et rejoint les zones P ajout es sans passer par la r gion P well ce qui diminue l efficacit d injection dans cette zone 116 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Comme nous avons vu pr c demment dans le chapitre IT le latch up se pr
103. e 30um 80 12 range 0um 70 3 10 4range 90um z 60 50 lt Non SEB _ gt gt f SH r 40 PR 30 i 20 10 0 0 0 200 400 600 0 200 400 600 Vos v Vps v 0 9 0 7 range 10um 4 range 10um E 06 range 40um 3 5 4 tange 40um Zo range 0um D 3 4 4range 70um ai 52 5 Oi 2 j lt Non SEB gt Fa aie PT id 0 2 1 L 0 1 0 5 0 200 400 600 O 100 200 300 400 500 600 VcE v VcE V Figure3 28 LET minimal d clenchant un SEB pour diff rentes polarisations et diff rents ranges pour des ions lourds provenant de la face avant du VDMOS IGBT standard et du VDMOS IGBT propos La pr sente structure propos e montre une grande immunit contre les d clenchements parasites que ce soit l tat passant ou bloqu Nous rappelons que cette comparaison pr sent e Figure 3 28 est faite entre des structures standards d ja optimis es qui ont t pr sent es dans le chapitre 2 et ayant une tension de seuil Vox 6V et les structures propos es dans lesquelles Vck 3V Le tableau 3 2 montre l augmentation de la fiabilit l tat passant et l tat bloqu du design propos pour les deux tensions de seuil 130 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Tableau 3 2 tableau r capitulatif des composants test s Composant P Tension de Tension de claquage V d clenchement parasite V I
104. e Event Latch up 44 10 1 LO UT OU lesee s EEEE EEE EEE EE E 44 10 2 ESA ie n soso E E E ee 32 11 ODA CO LEO dee sonata entire yoyo daa EE E E E sent J Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de EN ANC A E E E E E E E E E E A E A E E 57 L MNT OCU CHOI eesse EEEE E E EE E E E EEE 59 1 Description des outils des simulations TCAD et du v hicule test de simulation 59 1 1 L outil de simulations 2D TCAD eee sscrssstnn tessssierresie etes 59 2 Comparaison des r sultats SILVACO SENTAURUS Re 63 2 1 Recherche du volume sensible et des crit res de d clenchement 64 3 Recherche du volume sensible et crit res de d clenchement pour diff rente technologie Pat Sw ON ee E dena 69 3 1 V hicule test de simulation ccc cc cececcececcsceccccsccccsceccececescecescscescscesescecescecesees 69 3 2 Conditions des simMulAtIONS seen srene rene enene senc sreneseeneseeneeeeneeesee 71 Table des mati res 3 3 Analyse des r sultats de simulation pour le VDMOS et SJ MOSFET 72 3 3 1 Effet de la position d impact 12 3 3 2 Ener de la profondeur de PiMPACL 8 reste lasser ere 72 zoo PC OU CARD OS VOM eneeier vanecncvececdnesaeceususheveses EEEE EEEE 74 3 3 4 Analyse des r sultats pour diff rentes polarisations Vps ccccccccceceessseeeeeeeeees 78 3 4 Analyse des r sultats de simulation pour IGBT planar et l IGBT trench 80 341
105. e Radiation Effects Conference Short Course Snowmass Colorado USA 1997 BEDI 96 K L Bedingfield R D Leach and M B Alexander Spacecraft System Failures and Anomalies Attributed to the Natural Space Environment BIND 75 D Binder E C Smith and A B Holman Satellite anomalies from galactic cosmic rays IEEE Trans Nucl Sci vol 22 pp 2675 2680 Dec 1975 BRIE 71 K O Brien The Naturel Radiation Enivrements United Stat Departement of Energy 720805 P1 1971 BRUC 87 G J Brucker P Messel D Oberg J Wert and T Criswell SEU sensitivity of power converters with MOSFETS in space IEEE Trans Nucl Sci vol 34 pp 1792 1795 1987 CARA 04 Caramel C Austin P SanchezJ L Imbernon E and Breil M Short circuit protection structure for insulated gate power devices Bipolar BiCMOS Circuits and Technology pages 297 300 2004 41 149 Bibliographies CHAN 87 Chang H R Baliga B J Kretchmer J W Piacente P A Insulated gate bipolar transistor IGBT with a trench gate structure IEEE Vol 33 1987 Page s 674 677 CHAN 87 Chang H R Baliga B J Kretchmer J W Piacente P A Insulated gate bipolar transistor IGBT with a trench gate structure IEEE Vol 33 1987 Page s 674 677 CHAN 89 Chang H and Baliga B 500 V n Channel Insulated Gate Bipolar Transistor with a Trench Gate Structure IEEE Transactions on Electron Devices Vol 36 No 9
106. e centre de recherche EADS Innovation Works IW du groupe EADS Vissue de cette th se je souhaite tout d abord remercier Messieurs CHATILA SANCHEZ et ARLAT directeurs successifs du LAAS pour m avoir accueilli au sein du Laboratoire Je tiens aussi remercier Madame Marise BAFLEUR et Monsieur Fr d ric MORANCHO responsables successifs du groupe ISGE de m avoir ouvert les portes de leur quipe et permis d entreprendre cette tude Je tiens remercier galement Monsieur Alain CAZARRE directeur de l cole doctorale G nie Electrique Electronique T l communications GEET Je remercie tout particuli rement Monsieur Patrick AUSTIN qui a dirig ces travaux pour ses qualit s scientifiques et p dagogiques pour sa confiance et son soutien En plus ses qualit s humaines son sens de l humour et sa bonne humeur font qu il est toujours agr able c toyer et travailler avec lui Je lui adresse par ces quelques mots ma plus profonde gratitude Je remercie norm ment Messieurs Christian SCHAEFFER et Herv MOREL pour avoir accept d tre les rapporteurs de mes travaux de th se Je remercie galement les membres du jury Messieurs David FLORES Antoine TOUBOUL et Monsieur Fr d ric MORANCHO qui m a fait l honneur de pr sider le jury de ma these J exprime tous mes remerciements et ma sympathie a Ga tan TOULON pour avoir suivi et particip a mes travaux Les discussions scientifiques qu
107. e d un signal appliqu a son lectrode 20 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance d entr e ou grille Il trouve ses applications dans les circuits int gr s num riques en particulier avec la technologie CMOS ainsi que dans l lectronique de puissance Les MOSFET de puissance sont des composants unipolaires distingu s par leurs temps de commutations tr s courts de l ordre de 100 ns Contrairement aux composants bipolaires il n existe pas de retard associ la recombinaison de porteurs minoritaires dans la phase de blocage Ce type de transistors est utilis dans de nombreuses applications de 10 500 kHz pour des gammes de tensions allant de 10 1200 Volts et pour un calibre en courant allant de quelques 100 mA a quelques amp res Le composant MOS de puissance de base dans la technologie planar est le transistor DMOS D pour double diffus se trouve g n ralement dans une configuration verticale VDMOS ou lat rale LDMOS Puisque cette derniere ne peut supporter le blocage des hautes tensions et est limit e en courant les structures de puissance que nous utiliserons dans ce travail seront verticales vu les tenues en tension que nous voulons atteindre La figure 2 a repr sente une coupe d un transistor VDMOS Cette architecture est obtenue par la croissance d une couche pitaxi e faiblement dop N avec une grande paisseur afin d viter que le champ
108. e de SEB Le LET la position d impact de la particule la profondeur et la tension de polarisation sont les principaux param tres que nous faisons varier dans cette tude 1 Description des outils des simulations TCAD et du v hicule test de simulation Nous avons simul des v hicules tests de type MOS et IGBT de puissance dont les param tres technologiques sont en grande partie impos s par la fili re technologique du LAAS IMBE 02 Les simulations 2D ont t r alis es en utilisant les outils TCAD Technology Computer Aided Design de Sentaurus SENT 09 Les principaux modules utilis s sont Sentaurus structure editor Sentaurus Device et Tecplot_sv 1 1 L outil de simulations 2D TCAD Synopsys Sentaurus TCAD Technology Computer Aided Design est l outil utilis pour l ensemble des simulations pr sent es dans ce m moire ce logiciel est bien connu en 59 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance Conception Assist e par Ordinateur utilis pour la fabrication de semi conducteurs Processus TCAD et pour la mod lisation du fonctionnement lectrique Device TCAD Ce dernier mod lise le comportement lectrique d une structure d apr s sa topologie La partie Process mod lise les diff rentes tapes technologiques telles que la photolithographie la gravure l implantation ionique ou la diffusion Dans la grande partie de ce travail nous nous i
109. e dernier cart entre les deux pentes n a aucune influence sur la chute de tension ou sur le courant d anode Grille Grille SiO Lo l 2 Coax CGAmax P well SiO Lo GK Cex CoAmnx Lis P well T TET Cathode Cathode le Le n drift n drift Substrat P su Substrat N IGBT VDMOS Substrat P A Substrat N IGBT VDMOS Anode Anode Figure3 27 Localisation des capacit s inter lectrodes des structures propos e droite et standard gauche 4 4 4 Sensibilit contre les ions lourds de la structure a cathode en tranch Afin de mettre en vidence l influence de la tranch e propos e au niveau de la cathode sur le courant de d clenchement des structures parasites et de valider les param tres technologiques et g om triques que nous avons fix s nous avons simul les structures IGBT et VDMOS planar en utilisant les param tres physiques et g om triques donn s dans le tableau 3 1 128 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Tableau 3 1 Param tres physiques et g om triques de la structure IGBT utilis s pour la simulation Dimension Concentration Profil de Coefficient de um en surface cm dopage diffusion lat rale LG 30 z Cox 0 055 W 90 10 Uniforme 0 8 L 40 ie 10 10 Gaussien 0 8 XN 1 Lp 20 2 5x10 Gaussien 0 8 Xp 5 Lp 16 3x10 Gaussien 0 8 Xp 7 Wanode 360 3x10 Uniforme _
110. e la cellule Dans ce contexte nos travaux de th se effectu s au centre de recherche LAAS Laboratoire d Analyse et d Architecture des Systemes dans le cadre du projet EPOPE Effects of Particules On Power Electronics traite de la fiabilit des composants lectroniques de puissance comme les MOSFET et les IGBT affect s par l Environnement Radiatif Naturel plus particuli rement les ions lourds Des simulations utilisant les outils Synopsys TCAD ont t men s afin de mieux comprendre les m canismes de d faillance en comparant la sensibilit et le comportement des structures de puissance de diff rentes technologies Ces tudes nous ont permis de proposer et d valuer des solutions de durcissement au niveau de design permettant la d sensibilisation contre les ph nomenes de d clenchement li s aux structures parasites inh rentes dans les composants de puissance Le premier chapitre pr sente dans un premier temps une description globale des composants de puissance utilis s dans le domaine spatial ou a ronautique en rappelant leurs modes de fonctionnement Les diff rents m canismes d interaction particule mati re seront 14 Introduction g n rale expliqu s apr s avoir d taill les diff rents types de radiations naturelles atmosph riques et spatiales auxquelles sont soumis ces composants lectroniques de puissance Les principaux types d v nements destructifs seront pr sent s en expliquan
111. e le montre la Figure 2 29 92 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance range 30um range 70um range 90um LETmimn pC pum ea 0 100 200 300 400 500 600 O 1 E range 3 0um J range 0um 0 08 ge 90 0 06 4 0 04 4 0 02 4 LETanun pC pum 100 200 400 500 600 Vist LET min pC un 100 200 300 400 500 V y LETmin pC um 0 200 400 600 VcE V Figure 2 29 Evolution du LET minimal en fonction de la tension de polarisation pour des ions arrivant en incidence normale sur la face avant de chaque cellule avec diff rents ranges 93 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance La zone de s curit la plus large est celle de l IGBT trench qui a une sensibilit aux ions lourds voisine de 280 V pour une tension de claquage de 600 V Au dela de la tension seuil de chaque structure leurs sensibilit s varient avec la tension de polarisation et d pendent du type de la structure La Figure 2 30 r sume la variation de sensibilit entre toutes les structures tudi es pour un 1on p n trant aux deux tiers de la r gion pitaxi e VDMOS MSJ MOSFET APlanarIGBT TrenchIGBT S E 0 04 Sensitivity LETmun pC um 0 100 200 300 400 S00 600 TOO Vos amp VCE V Figure 2 30 Evolution du LET minimal en fonction de la tension de polari
112. e nous avons pu avoir durant toutes ces ann es ont toujours t tr s enrichissantes pour moi Je tiens vraiment lui exprimer ma profonde reconnaissance pour le temps qu il a consacr pour corriger et finaliser ce travail dans les bonnes conditions Un grand merci Mesdames Marise bafleur Josiane TASSILI et Karine ISOIRD ainsi que Monsieur fr d ric MORANCHO qui ont suivi de pres mes travaux et qui ont toujours pris le temps de r pondre a mes questions et corriger soigneusement les articles qu on a fait ensemble Je voudrais galement remercier et exprimer mon amiti a Houssem HARBESS et Hakim TAHIR les premiers qui m ont appris a construire une jonction P N sous Sentaurus pour leurs aides pertinents dans ce travail par l change d informations les discussions instructives et par l entraide sur tous les plans sans oublier les agr ables moments familiaux et l ambiance folle des petits adorables Tarik et Wata Je remercie particuli rement Monsieur Henri SCHNIDER avec qui j ai commenc mon aventure au LAAS C tait tr s agr able de mener le stage de MASTER avec toi Merci pour la qualit d encadrement qui m a donn l envie de continuer dans la recherche merci pour tes conseilles et surtout ta gentillesse Je souhaite remercier vivement toute l quipe ISGE pour son bienveillance et son soutien durant ces ann es Magali BRUNET Abdelhakim BOURENNANE Patrick TOUNSI sans oublier l aim
113. effet sur les composants de puissance quelques ions lourds Le d placement de ces particules suit un mouvement complexe caract ris g n ralement par ces trois mouvements l mentaires cf Figure 1 7 un mouvement de giration d l effet de la force de Lorentz et du champ magn tique terrestre repr sent par l enroulement des particules autour des lignes de champ un mouvement oscillatoire provoqu par l effet miroir magn tique un mouvement de d rive azimutale cr par la non uniformit des lignes de champs HESS 68 Les ceintures de radiation sont divis es en deux parties cf Figure 1 8 une premi re contenant deux ceintures d lectrons se situe environ 9000 km et 30000 km d altitude et la seconde contient une ceinture de protons environ 12000 km d altitude L inclinaison 23 26 entre l axe magn tique et l axe de rotation terrestre et la d formation de la magn tosph re sous l effet du vent solaire introduit une dissym trie des ceintures de radiation Cela donne lieu l Anomalie Sud Atlantique SAA une r gion particuli rement riche en protons Les flux de protons voluent en fonction de l activit solaire et de l altitude et le champ magn tique y est tr s faible Ainsi les orbites utilis es pour les missions devront tre choisies hors des ceintures orbites basses LEO type ISS ou orbite g ostationnaire GEO K TRAJECTORY OF TRAPPED PARTICLE
114. ela signifie qu un range important est plus favorable l effet Kirk pour l tablissement d un courant J qu un d p t de charges ponctuel avec une faible p n tration c est ce qui explique aussi la rapidit du burn out voir fl che 2 Figure 2 16 juste apr s le premier pic de courant ligne verticale pointill e Figure 2 16 Pour la structure SJ MOSFET l effet Kirk ne peut se produire que horizontalement y car la variation du champ lectrique selon le sens de la p n tration de lion x est nulle ce qui explique l effet mineur du range dans ce cas Globalement pour les deux structures tudi es l influence du range ne peut tre expliqu e que par l effet Kirk c est dire le d placement du champ lectrique voir Figure 2 15 avec les densit s de courant circulant dans la zone de charge d espace dans le cas o les porteurs augmentent r g n rativement jusqu ce que leurs concentrations deviennent largement sup rieures au dopage de la r gion pitaxi e LUU 09 BALI 95 77 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance gt initial 0 ns t ns gt i final initial es pare t t ns 3 6 final 1 0E 06 T Electric field v cm Electric field v cm K t n r w 1 i PP L p ALLIE 1 0 0E 00 f os 0E C0 JO ED um BI 40 50 VDMOS depth
115. elativement long car ce LET minimal provoquant un Burn out est recherch par plusieurs simulations successives Afin de faciliter l interpr tation des r sultats le LET est constant le long de la trace d ionisation simul e ce qui n est pas le cas r ellement La quantit de charge d pos e peut donc tre d duite de l quation 2 5 LET pC um range um Qa pos e PC Eq 2 5 Dans la premi re partie de simulation toutes les traces d ionisation sont g n r es verticalement au sein de la demi cellule de chaque structure a diff rentes positions x afin de d terminer la position la plus sensible Cette position sera fix e dans la deuxieme partie de ces simulations qui tudie le cas d un ion de 10 um de longueur g n r a partir de diff rentes profondeurs dans la r gion pitaxi e qui est le lieu d finissant le volume sensible La troisi me partie tudie le cas d ions g n r s verticalement avec diff rents ranges dans la m me position x la plus sensible Dans un premier temps toutes les simulations sont effectu es pour une polarisation de 400V de chaque cellule Cette tension correspond peu pr s d un point de vue applicatif la tension de fonctionnement en r gime normal dans le domaine a rospatial La tension de polarisation sera ensuite modifi e afin de d terminer la SOA de chaque structure Enfin le mod le thermique a t pris en compte pour simuler les structures diff rentes valeurs de temp rature
116. ent pour diff rente technologie par simulation TCAD 2D 3 1 V hicule test de simulation Afin d appr hender les m canismes du SEB diverses simulations 2D utilisant les outils TCAD ont t conduites par le pass sur diff rentes structures de MOSFET de puissance et dIGBT Ces simulations ont permis d valuer qualitativement leur comportement vis a vis d un impact ionisant Dans le cadre de nos travaux de recherche ce type de simulations a t repris et approfondi sur diff rentes technologies Les structures utilis es sont MOSFET de puissance de type planar classique VDMOS SJ MOSFET IGBT planar et IGBT trench Ces structures sont bas es sur une fili re technologique flexible d velopp e au LAAS ref these Eric I La tenue en tension de ces composants est de 800V pour le VDMOS et 600V pour les autres structures La Figure 2 10 montre une coupe de ces structures et indique le profil de dopage en fonction de la profondeur dans chaque cellule 69 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance bus En gt i 90 um bam amp S ro ce a VDMOS bus S ba Abs DopingConcentration fem 3 en S bey gt Z a 2 MT la 100 Depth um bons 100 um b SJ MOSFET Abs Doping Concentration cm 3 1 20 6 SO 100 Depth um ns Ln u k IA 90 um c IGBT planar m amp md
117. ent suite un d clenchement SEB 4 4 5 Etude pr liminaire en vue d une r alisation technologique 2 4 5 1 Pr sentation et description de la fili re flexible Cette fili re technologique est d velopp e au LAAS CNRS elle est compos e d tapes technologiques de base et d tapes sp cifiques optimis es et compatibles entre elles Le processus technologique de fabrication d une structure assurant une fonction lectrique est tabli a partir des tapes optimis es de cette fili re La fili re flexible est bas e 134 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance principalement sur un processus auto align avec des grilles en polysilicium permettant de r aliser des dispositifs de puissance de base de la famille MOS Bipolaire IGBT MOS Thyristor qui peut tre compl t e par des tapes technologiques sp cifiques permettant de r aliser par exemple des r gions diff renci es N ou P sur la face arri re deux types de caissons P des terminaisons de jonction P IMBE 02 L enchainement des tapes se fait en respectant le bilan thermique final de chacune d entre elles Cette notion de fili re flexible permet d introduire des tapes suppl mentaires par rapport celles du composant de puissance Les principales tapes de cette fili re qui permettent de r aliser un dispositif IGBT par exemple sont pr sent es dans La Figure 3 33 LEGA 10 tapes Briques Technologiques r
118. er les simulateurs puisque nous changeons de mat riau Une fois ces tudes faites il faudra entamer ventuellement des tudes permettant de d finir des structures durcies 148 Bibliographies Bibliographies ADOL 96 Adolphsen J W Barth J L Gee G B First observation of proton induced power MOSFET burnout in space the CRUX experiment on APEX Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 43 Issue 6 Part 1 Dec 1996 Page s 2921 2926 ALLE 59 J A V Allen C E MclIlwain and J H Ludwig Radiation Observations with satellite 1958 EX Journal of Geophysical Sciences Vol 64 pp 271 286 1959 ALLE 59 Van Allen 1959 Radiation around the Earth to a radial distance of 107 400 km Nature 183 ANTO 09 Marina Antoniou Florin Udrea Friedhelm Bauer The 3 3kV Semi SuperJunction IGBT for Increased Cosmic Ray Induced Breakdown Immunity 978 1 4244 4673 5 09 2009 IEEE AUDA 04 N Audard g Carnal b Confino c Frankel Au coeur des toiles et des galaxies AUST 03 P Austin Contribution au d veloppement de l int gration fonctionnelle HDR Universit Toulouse II 2003 BALI 95 B Jayant Baliga Power semiconductor device 1995 BALI 96 B JAYANT BALIGA Trends in power semiconductor devices IEEE transactions on electronics devices Vol 43 n 10 October 1996 P 1717 1731 BARTH 97 J BARTH Modeling Space Radiation Environments IEEE Nuclear and Spac
119. es moments que nous avons pass ensembles merci encore Aissa de m accueillir si chaleureusement ma lere arriv e ici Toulouse et de bien m orienter pour toutes mes premieres d marches merci pour ton soutiens durant toutes ces ann es Je remercie norm ment ma femme pour sa patience et son soutien durant ces deux derni res ann es de la these Enfin les mots manquent au remerciement aupres de ceux qui nous donnent toujours du bonheur ma m re mon p re mes s urs et mes fr res je vous adresse par ces quelques mots ma plus profonde reconnaissance et gratitude pour vos encouragements votre patience votre soutien et tous ce que vous avez fait pour moi depuis mon premier pas l cole jusqu ce jour Table des mati res ISO US SD ONCS en titane been ee dia tn tin late 5 Le COS TICU de nie nine taen de de dense ce Pise E a ae leeines ie oi 7 Introduction LES 1 CO dpi OR Se ST RER 11 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance EE E EE E E EE A E EE A EE 17 MOG CUO e EE E E T E E E E E T E 19 2 L escomposants de PUISSANCE en nadia AREE E cie di 19 2 1 Le transistor MOS de DUISSANCE 2 40 nidan iiaia 20 22 L IOD RP odeceecaacuee cee deiiiecoge tec oceedeeeeceectiiectedeeiaecs 22 gt L OM Me rae i alc Wal Me TAU Te RS ea a ae Ea 24 3 1 Rayonnement OS WANING SE nn se a ne lees 24 32 PPP CE oE o 23 Ie Eo O S ES Rd cie 25 Date ASC VME SOA ee ne 26 3 2 3 Cas
120. es traces verticales afin de mettre en vidence l influence de l orientation de la trace d ionisation 90 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance 3 6 Synth se des r sultats MOSFETs IGBTs 1 ET m n E LEI min OT 0 12 ___ Zone de charge Re Zone de charge S 0 25 d espace V 400V a 0 10 3 0 204 x a no 0 08 S T 0 104 E si 7 0 0 05 0 02 DE 0 00 3 20 40 60 80 190 0 20 40 60 80 10 Face avant y um Face arri re Face avant Range um 0 25 eN Zone de charge _ Zone de charge T d espace V 400V d espace V 400V E pace A Ds E 0 204 Psg 1306 Ss re S 0 15 a ty eae 3 lt 4 S 3 x E 2 3 21 2 E A 0 10 3 1 5 E 41 0 amp z 0 054 5 lt z 05 5 0 20 40 60 80 100 a af JA BA a i K E y u m Face arri re Face avant Range um Face arri re Zone de charge a A Zone de charge 3 d espace V p 400V E d espace V p 400V 5 Q x Q amp 2 gt oy ao E 2 2 5 2 E D E Gla E Dr F E 9 Sum E m O i r 0 0 9 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Face avant y um Face arri re Face
121. est dans ce contexte que nous allons d tailler une tude de comportement de diff rentes technologies affect es par l Environnement Radiatif Naturel et plus particuli rement les ions lourds en comparant leur volume sensible leur crit res de d clenchement et leur sensibilit En outre les travaux pr c dents montrent que les v nements destructifs comme le SEB ou le SEL peuvent n apparaitre que dans une seule cellule l mentaire Cependant les solutions de protection contre les d clenchements parasites qui existent ne sont plus efficaces dans une telle condition ex ions lourds d ou la n cessit de proposer des solutions au niveau du composant design 11 Conclusion Nous avons pr sent dans ce chapitre l ensemble de l tude des effets des radiations issus de l environnement radiatif naturel spatial et atmosph rique sur les composants lectroniques de puissance embarqu s utilis s dans le domaine spatial et a ronautique Les 55 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance diff rents m canismes d interactions particule mati re plus particuli rement 1on silicium ont t expliqu s apr s avoir d taill les diff rents types de l environnement radiatif naturel atmosph rique et spatial Les principaux types d v nements destructifs ont t pr sent s en expliquant les m canismes de d faillance induite par des particules et associ s aux
122. gure 2 9 LET minimal provoquant un SEB en fonction du range de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la cellule VDMOS simul avec diff rent niveau de maillage La Figure 2 9 montre qu un maillage moyen donne un d clenchement SEB plus tot qu un autre plus lev et a chaque fois que le maillage augmente dans toute la structure les valeurs de LET seront plus pr cises Or ces r sultats montrent aussi que le comportement de LET minimal par rapport au range est le m me quel que soit le niveau de maillage c est dire que ce dernier n influe pas sur l aspect qualitatif de r sultats Cela peut expliquer la diff rence quantitative trouv e entre SILVACO et SENTAURUS Ces r sultats signifient aussi l inefficacit de la m thode propos e par SENTAURUS pour liminer les erreurs num riques li es au maillage dans le cas d un 1on lourd Mais cela n est pas fatal tant que le c t qualitatif de r sultat est respect car la base l aspect quantitatif est moins important 68 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance dans ce genre de simulations 2D et comme nous l avons dit pr c demment les r sultats recherch s dans ce chapitre sont de type qualitatif et les valeurs de LET donn es seront compar es de mani re relative entre elles mais leurs valeurs ne seront pas significatives 3 Recherche du volume sensible et crit res de d clenchem
123. ifs sont d clench s par le passage d une particule ionisante comme un ion lourd dans les structures de puissance Il est n cessaire de d finir les crit res de d clenchement du ph nomene et d terminer la sensibilit et le comportement des diff rentes structures de puissance vis a vis de ces particules afin d apporter une meilleure compr hension de la physique de ces m canismes de d faillances Ainsi pr voir un taux de d faillance li ces ph nom nes est d un grand int r t pour les industriels utilisant des transistors de puissance dans le cadre d applications sensibles Cela n cessite une connaissance du volume sensible associ La complexit des ph nom nes physiques induisant un burn out ou un latch up et la multitude des g om tries des structures de puissance rendent difficile une d finition purement th orique de ce volume Pour faire face a la d faillance des interrupteurs de puissance de nombreux circuits de protection ont t s propos s pour tre utilis s dans des conditions extr mes tels que le milieu radiatif Le r le de ces circuits est d annuler la tension aux bornes du composant lorsqu il est d clench par une radiation ionisante pendant un temps suffisant Or ces ph nomenes peuvent n apparaitre que dans une seule cellule l mentaire mettant en jeu l ensemble de la puce de puissance C est pour cela qu il est primordial de chercher des solutions de durcissement au niveau de la conception d
124. il de simulation 2D Synopsys TCAD nous avons refait les m mes simulations faites par Aurore Luu durant sa th se sur la structure VDMOS LUU 09 Les simulations ont t faites par SILVACO et ont t confront es des r sultats exp rimentaux ce qui nous permettra de valider les mod les physiques que nous utiliserons avec SENTAURUS Dans un premier temps nous allons garder la m me structure du VDMOS et les m mes conditions de simulation qui avaient t utilis es dans les simulations SILVACO pour les adapter dans SENTAURUS afin de comparer les deux outils de simulations La structure utilis e est un VDMOS de puissance La tenue en tension de ces composants est de 600V Une coupe de la structure indiquant le profil de dopage en fonction de la profondeur dans la structure est pr sent e Figure 2 4 Les diff rentes grandeurs caract ristiques de la cellule VDMOS sont r sum es dans le tableau 2 1 63 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance Tableau 2 I Caract ristiques de la cellule VDMOS R gion Dopage cm Largeur um Profondeur um 1 Source N 9x10 4 1 1 A 1 Caisson Phody 1x10 20 5 Prise P 3x10 16 7 on a 14 Epitaxie N 1x10 40 50 1 Substrat N 3x10 40 70 O ime N source 10 35 10 019 r Re y N m D gt 10 Doping Concentration em 3 io 8 9E 19 he W 5 5E 16 ik N_epi 34E 13 ion BO 0 10 20 30 40 50 60 70 Profondeur um
125. initial t 0 1 ns t ns 5E 05 final range 70um range 10um ano a bo oe m t DDD fi Electric field v cm Electric field v cm 4 F AO 100 Planar IGBT depth um 20 40 BC BC 100 Planar IGBT depth um as t initial _ t 0 1 ns range 10um tiniti initial QUES eu L range 60um an final os t 0 1 ns j Pal tb te PO po fH NS i amp tE amp wt E TAV we aren final LT 7 qi S i E g LY i 4 gt g at gt en F i 6 06 ii 0E 05 gt gt L i j Pod 4 4 so i pu 4 w amp 4 0E 0 4 _ w 6 fi ia a RJ 0E 4 4 7 i Ly i f P OF el Af S35 d Lt Eel 0 0E 00 4 ar A 1 4 50 Trench IGBT depth um Trench IGBT depth um Figure 2 22 Evolution du champ lectrique suite un impact ionisant vertical d un faible range gauche et d un range lev droite dans les demi cellules d IGBT planar haut et IGBT trench bas polaris es a 400V Malgr le fait qu il y a une grande similarit de comportement entre les deux IGBT il est clair que les valeurs des LET minimales d un IGBT planar que l on peut lire sur la Figure 2 20 sont tres faibles si on les compare a celles des trench Dans ces conditions 400 V la sensibilit de l IGBT planar est 100 fois plus que celle du trench Afin de bien valuer leurs sensibilit s
126. ion monolithique PhD thesis Universit Paul Sabatier Toulouse III 2002 P 41 46 47 49 J C Irvin Resistivity of bulk silicon and diffused layer in silicon Bell System Tech 41 1962 A H Johnston et al The effect of temperature on single particle latchup IEEE Trans Nucl Sci Vol 38 N 6 pp1435 1441 1991 G H Johnson Temperature dependence of single event burnout in NChannel Power MOSFETs IEEE Trans Nuc Sci Vol 39 N 6 pp 1605 1612 December 1992 G H Johnson J M Palau C Dachs K F Galloway and R D Schrimpf A review of the techniques used for modeling single event effects in power MOSFET s IEEE Trans Nucl Sci vol 43 pp 546 560 Apr 1996 KANP 94 Knapp Bill Telsat Ponders Using Thrusters To Salvage Anik Space News KIRK 62 KUBO 92 KUDO 95 Vol 5 No 5 January 31 February 6 1994 p 1 C T Kirk A theory of transistor cut off frequency f falloff at high current densities IEEE Trans Electron Devices vol ED 9 no 2 pp 164 174 Feb 1962 S Kuboyama S Matsuda T Kanno and T Ishii Mechanism for single event burnout of power MOSFET s and its characterization technique IEEE Trans Nucl Sci vol 39 pp 1698 1703 Dec 1992 Kudoh M Otsuki M Obinata S Momota S Yamazaki T Fujihira T and Sakurai K Cur rent sensing igbt structure with improved accuracy Power Semiconductor Devices and ICs ISPSD pages 119 12
127. ion silicium HUBE 01 35 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance 5 Notion de Pouvoir d Arr t et de Transfert d Energie Lin ique Le m canisme d ionisation que nous avons expliqu dans le pr c dent paragraphe est donc responsable du ralentissement et de la perte d nergie de la particule charg e Cette perte d nergie c d e par unit de longueur dE dx est appel e pouvoir d arr t et mesur e en MeV cm Il en existe deux types le pouvoir d arr t nucl aire et le pouvoir d arr t lectronique Le premier est g n ralement n gligeable cf Figure 1 15 1l est produit par les collisions lastiques entre l ion incident et les noyaux des atomes du r seau cristallin Le second provient du ralentissement par des collisions in lastiques de l ion incident avec les lectrons des atomes du mat riau LUU 09 En effet l unit la plus couramment utilis e dans ce genre d tudes est le LET Linear Energy Transfer ou transfert d nergie lin ique car 1l permet d annuler la d pendance entre le pouvoir d arr t et la densit du mat riau Il est d fini comme le rapport du pouvoir d arr t total sur la masse volumique du mat riau cible exprim en MeV cm2 me ou en pC um 1 pC um 100 MeV cm mg sachant que pour cr er une paire lectron trou dans le silicium il faut en moyenne 3 6 eV La Figure 1 14 montre le LET d ion aluminium Al d ion Fer Fe
128. ique pour l essai de charge de grille courant de grille constant pour un VDMOS haut et un IGBT bas Par analogie entre les VDMOS et les IGBT nous allons essayer d analyser ces courbes simultan ment Les courbes peuvent se d composer en trois tapes Pendant la premi re mont e de Vgx la capacit Cex constante se charge Pendant cette phase la tension de la grille atteint la valeur de tension de seuil le transistor devient passant et le courant augmente lin airement jusqu sa valeur statique La seconde phase de t a tz cf Figure 3 26 les lignes discontinues et continues correspondent aux structures standard et propos e respectivement la tension anode cathode d cro t lin airement augmentant ainsi la capacit Coa suite la r duction de la zone de charge d espace dans la r gion N L augmentation de Cga ralentit la croissance de la tension de grille Dans un m me temps le courant de drain reste toujours sa valeur nominale A ce moment l la totalit de son courant sert charger la capacit Coa effet Miller et l ugmentation de tension de grille est interrompue Lors de la derni re phase partir de tz la grille peut continuer de se charger apr s que la tension anode 126 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance cathode ait atteint sa valeur statique La nouvelle valeur de la capacit d entr e est alors gale Cox CGA max TOUL 10 et les transisto
129. iquement est d di a la protection des dispositifs de puissance a grille isol e contre les courts circuits Cette architecture propos par CARA 04 est repr sent sur la Figure 3 2 gauche Ce circuit est compos de deux transistors LDMOS un d di la fonction de coupure et un d di la fonction de d lai d un capteur de tension d anode IMBE 02 et d une r sistance de d lai qui est associ e la capacit du MOS de d lai ce qui permet d viter la mise en conduction du LDMOS de blocage pendant le fonctionnement normal de l IGBT La d tection des deux types de court circuit se fait par l augmentation de la tension anode cathode d tect e par le capteur de tension d anode Masse Vcapteur Masse anes IGBT Alimentation de puissance Xy i Rdeki MOS de coupure Rg __ MOS de dela Eg T fE Anode Figure3 2 Circuit de protection contre les courts circuits gauche et capteur de tension d anode droite 103 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Lors de l apparition d un court circuit le capteur de tension d anode d livre une tension image continue Vapteur de la tension d anode cf Figure 3 3 Cette tension correspond la commande du MOS de coupure via le MOS de d lai Ce dernier doit tre calibr de fa on obtenir une tension sur la grille du MOS de coupure sup rieure sa tension de seuil Vro En fonctionnement n
130. ir s par l interface S10 Substrat sous l effet de la polarisation drain source conduisant l apparition d une charge image dans l lectrode de grille et induisant une augmentation du champ travers l oxyde M me si cette augmentation est transitoire elle peut entrainer la perte d finitive de fonctionnalit du composant L augmentation brusque et significative du courant de fuite de grille caract rise l aspect lectrique de ce ph nom ne M lon incident source oy i neck N epi layer N epi layer o LEP ro N substrat N substrat drain Trace de l ion drain race de ton Figure l 18 M canismes de d clenchement du SEGR 8 2 3 Single Event Latch up SEL Le m canisme de Single Event Latch up se produit aussi pendant la phase de blocage du composant o une particule ionisante d pose des paires lectron trou dans la zone de charge d espace Les technologies vuln rables ce ph nom ne sont les composants MOS et IGBT La Figure 1 19 pr sente le m canisme de d clenchement du SEL dans un IGBT planar Ce ph nom ne de SEL est provoqu par un courant critique dans la base d un des transistors parasites PNP ou NPN qui conduit au latch up c est dire au verrouillage du thyristor parasite inh rent cf Figure 1 19 pour la condition Qpnp Opyp 1 En effet les porteurs g n r s suite au passage d une particule ionisante d clenchent dans un premier temps
131. ire de telle sorte qu elle soit en court circuit avec la cathode La deuxi me modification consiste remplacer certaines parties de la diffusion N par une diffusion P au niveau de la cathode Cela permet ces IGBT planar de retarder la mise en conduction du thyristor parasite par le d clenchement du transistor parasite PNP issu de la modification apport e car ce dernier n cessite le ph nom ne d impact par ionisation pour qu il tienne un d clenchement comme le cas d un VDMOS Ces deux modifications permettent d am liorer la tenue aux radiations de la structure initiale quelle que soit la tension de polarisation et augmentent la tension seuil de d clenchement de 2 et 3 fois Ensuite nous avons propos une structure avec une nouvelle topologie pour les VDMOS et les IGBT permettant des d sensibilisations contre les ph nom nes de d clenchement li s aux structures parasites Sa particularit est de mettre une tranch e au niveau de la cathode avec des dimensions pr cises profondeur et longueur de la tranch e et profondeur de dopage de la r gion P Cette structure montre d abord une grande immunit contre les d clenchements parasites que ce soit l tat passant ou bloqu Elle permet d augmenter consid rablement le durcissement contre l effet d ionisation provoqu par un ion lourd dans les VDMOS et les IGBT de type planar Un VDMOS peut tre en s curit totale par rapport au ph nom ne de SEB gr ce ce
132. is problem is considered to be part of the component reliability While it concerned initially with components which work in severe radiation environment for aerospace the evolution and complexity of embedded electronics that can interact with this environment which have potentially damaging effects lead us to take these radiative constraints into account as the case of heavy ion From this scope this work was conducted Simulations were carried out with Synopsys TCAD simulator in order to give a better understanding of the failure mechanisms such as the Single Event Burn out SEB or Single Event Latch up and to define the criteria of triggering the behavior and the sensitivity of different structure VDMOS SJ MOSFET IGBT planar and IGBT trench This study allows us to propose and evaluate hardening solutions in design against the triggering phenomena related to the parasites structures KEY WORDS VDMOS SJ MOSFET IGBT planar IGBT trench SEB SEL Burn out Latch up Power devices heavy ion radiation Ionizing radiation TCAD Hardening solutions DISCIPLINE ADMINISTRATIVE Conception de Circuits en Micro lectronique et Microsystemes LABORATOIRE LAAS CNRS Laboratoire d Analyse et d Architecture des Syst mes 7 avenue du Colonel Roche 31077 Toulouse Cedex 4 France 160
133. it de ne pas perturber le fonctionnement normal des composants Le bon fonctionnement lectrique qualitatif des structures IGBT 1 et IGBT 2 a t v rifi en simulant les caract ristiques de sortie TA V ar cf Figure 3 13 et de transfert IA Vox ainsi que la tenue en tension Les simulations permettent de montrer que ces modifications du design par rapport a VIGBT non modifi n introduisent pas de modifications sur les comportements et performances lectriques en r gime normal de fonctionnement Par contre nous n avons pas tudi l influence sur les commutations Nous allons dans un premier temps maintenant tudier l influence de ces modifications sur la fiabilit de l IGBT 1E 03 4 1E 03 8E 04 6E 04 i m 4E 04 4E 04 2E 04 2E 04 4 Anode current A jum Anode current A jum Anode current A jum 0E 00 1 OE 00 Be 10 0 5 10 0 5 10 Gate voltage V Gate voltage V 5 Gate voltage V Figure3 13 Caract ristiques de sortie I f V4x de a l IGBT standard b l IGBT I et c l IGBT 2 4 3 2 Sensibilit s des structures tudi es Les r sultats de simulation sont donn s pour diff rentes tensions V AK et pour une seule position d impact de l ion x 30 um qui est la position la plus sensible trouv e dans la structure standard voir chapitre II paragraphe 2 4 4 1 La profondeur de p n tration de la particule incidente est conserv e
134. l et son effet sur les composants de puissance En revanche les particules hautement nerg tiques qui ne sont pas pi g es par le champ magn tique terrestre peuvent entrer en collision avec les atomes de l atmosph re et donner lieu un ph nom ne de cascade appel douche cosmique Ce ph nom ne est la source majeure de l environnement radiatif naturel atmosph rique Une douche cosmique ou gerbe atmosph rique est un ph nom ne li l interaction des atomes de l atmosph re avec des particules hautement nergiques de l ordre du T ra lectronvolt 107 eV La Figure 1 10 pr sente les deux mani res d interaction entre ces particules Dans un premier temps les particules hautement nergiques issues des rayonnements cosmiques peuvent 1oniser directement les l ments de l atmosph re en perdant une partie de leur nergie Deuxi mement elles d clenchent sur ces l ments atmosph riques des r actions nucl aires en cascade formant ainsi une chaine de particules secondaires comme des protons p des neutrons n ou des pions Ces particules sont susceptibles d interagir avec les syst mes embarqu s et plus particuli rement les semi conducteurs Entr e d un proton de 1015 eV 35 km d altitude dans l atmosph re Douche i 3 n 4 TL atmosph rique pyr 5 She j at LH Le ri y nt LEE 8 gt Y e P da D ART od y n a i a K x ur y t x p D w FE et
135. l sur le courant de latch up du thyristor parasite nous avons simul l IGBT planar dont les param tres physiques et g om triques sont donn s dans le chapitre 2 en utilisant deux concentrations en surface de la r gion P well et deux paisseurs d oxyde diff rentes en 109 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance gardant toujours la m me tension de seuil Vox 3V la concentration en surface de la r gion P est de l ordre de 9 10 cm pour une paisseur d oxyde de grille de 100 nm et de l ordre de 2 5 10 7 cm pour une paisseur de l oxyde de grille de 50 nm Les caract ristiques TA V AK obtenues par simulation de la structure IGBT planar pour deux concentrations en surface de la r gion P well et pour deux paisseurs diff rentes d oxyde de grille sont pr sent es sur la Figure 3 9 Les caract ristiques IA VAK montrent qu tensions de seuil gales le ph nom ne de latch up se produit un niveau de courant plus lev dans l IGBT o l paisseur d oxyde de grille est de 50 nm que dans celui d paisseur de 100 nm 4E 03 3E 03 x Eox 0 05um f nF F a FA ETS Eox 0 1 um G ZE 03 o 2E 03 ee TETOJ T SE 02 OE 00 OE 00 2E 01 4E 01 6E 01 SE 01 Anode voltage v Figure3 9 Caract ristiques I 4 V4x d un IGBT planar pour deux concentrations en surface de la r gion P well et pour deux paisseurs d oxyde de grille diff ren
136. la jonction J Cela est possible par exemple par l augmentation de la concentration de la r gion N En revanche cela conduit la diminution de la tenue en tension l tat bloqu Mais il est possible d introduire une couche buffer N c t anode et d augmenter le dopage effectif dans la base N La deuxi me technique est bas e sur la r duction du facteur de transport dans la base N BALI 95 Cela peut tre obtenu par la r duction de la dur e de vie des porteurs minoritaires et la longueur de diffusion dans la base N Elle r duit le temps d ouverture du composant mais augmente la chute de tension l tat passant Cette technique demande des m thodes de 108 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance r alisation sp cifiques comme l irradiation par exemple afin de diminuer la dur e de vie des porteurs La r duction du gain en courant du transistor NPN peut aussi augmenter le niveau de courant de d clenchement de latch up du thyristor parasite La technique la plus connue et la plus largement utilis e qui permet de r duire efficacement le gain en courant du NPN consiste ajouter une r gion P profonde et fortement dop e dans la r gion P well c est dire dans la base P du transistor NPN Comme nous l avons d j vu dans le chapitre 2 un IGBT planar contient deux segments sous la r gion d metteur N 1 le segment de longueur Lg contenant l mette
137. le transistor parasite PNP La modification de la polarisation de la jonction N P augmente Pinjection des lectrons depuis l metteur dans la zone d pitaxi e qui constitue le courant de base du transistor parasite PNP cet instant plus la tension appliqu e est lev e plus le champ lectrique est intense et le courant augmente Par cons quent les trous sont inject s dans la zone d pitaxi e depuis le substrat et atteignent la zone P ils fourniront le courant de base du transistor NPN Celui ci assure son tour le verrouillage du thyristor parasite en 42 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance d clenchant le latch up Comme les autres v nements singuliers le SEL peut tre d clench dans une seule cellule l mentaire entra nant la destruction totale du composant par la fusion locale du silicium cf Figure 1 20 LORF 97 SEXT 03 Contrairement au ph nom ne de SEB l avalanche n est pas essentielle au m canisme de SEL LORF 97 Ce dernier est bas principalement sur la capacit d amplification des gains des structures parasites Ion Grille mette Emetteur N epi Substrat P Collecteur Figure l 19 Thyristor parasite dans un IGBT NPT Figure l 20 Single event latch up dans les IGBT LORF 99 9 Repr sentation de la sensibilit radiative La sensibilit aux radiations dans les composants lectroniques plu
138. le ph nom ne d avalanche en injectant un courant d lectrons LUU 09 En effet le d placement du pic du champ lectrique de la jonction P N la jonction N N est expliqu par l effet Kirk KIRK 62 HOHL 89 La figure 2 25 montre aussi que dans le cas du VDMOS les pentes du champ lectrique sont diff rentes entre les deux valeurs du range cause de la collection des charges d pos es dans chaque cas alors que dans le cas du SJ MOSFET le niveau du champ lectrique avant le tna diminue que le long de la trace La modification du champ lectrique par rapport a l volution de l injection est d crite par l quation de Poisson 76 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance VDMOS E J E LN noi 2 Yy Eq 2 6 dx E qV SJ MOSFET dE J Fm TN n y a n 2 y IYn Eq 2 7 dE o dx Ces quations peuvent expliquer les constats de la figure 2 25 c est dire l inversement de la pente du champ lectrique et le d placement de son pic de la jonction metteur base P N vers l homo jonction pi substrat En effet avec l apport de la trace la densit de porteurs Jn augmente de telle sorte que le terme J qv devient sup rieur au dopage Np de la couche Nepi Dans un VDMOS le champ lectrique devient tr s vite maximum la jonction N N pour une trace traversant une grande partie de l pitaxie Figure 2 15 VDMOS range 70 um c
139. les deux simulateurs Elle montre que le LET n cessaire pour amorcer un SEB diminue avec l augmentation du range de l ion dans la zone d pitaxie N Il existe une saturation du LET sur les deux figures a partir d un range de 30 um qui correspond a deux tiers de la zone pitaxi e dans les deux cas Par contre on voit que les valeurs des LET minimales trouv es par SENTAURUS sont presque deux fois sup rieures a celles obtenues par SILVACO 66 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance Face avant Face ari re Face avant Face ari re Face avant 0 1 gt Nei Substrat N D Substrat N Le O gt E a Q 2 Ww LETmin pC um 2D r 30 40 Range l ion um Figure 2 7 LET minimal provoquant un SEB en fonction du range de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la cellule VDMOS simul par SILVACO gauche et par SENTAURUS droite En g n ral il existe des carts des r sultats entre les deux simulateurs m me si les tendances des ph nom nes observ s sont identiques Cela ne pose donc pas la question sur la validit de chaque mod le mais plut t sur leur pr cision par rapport aux erreurs num riques li es au maillage En effet l int gration du taux de g n ration des porteurs est associ e chaque point de maillage en supposant que le taux de g n ration est constant l int rieur du volume
140. lev e dans cette r gion ainsi que de la grande r sistivit thermique de l oxyde Cette zone critique est plus large dans la structure standard Dans cette derni re la densit de courant est maximale dans la r gion du canal cf Figure 3 32 b l inverse dans la structure propos e cette densit se localise vers la tranch e cf Figure 3 32 d o la temp rature va tre absorb e par la faible r sistivit thermique de la cathode Contrairement a la structure propos e une augmentation de la temp rature de 700 K environ est localis e au niveau de la trace ionisante dans la structure standard cf Figure 3 32 ligne discontinue Enfin les structures propos es ont le m me comportement que les standards vis vis de la variation de la temp rature c est a dire que la sensibilit au burn out pour un VDMOS diminue avec l augmentation de la temp rature et augmente pour un IGBT NPT cf Figure 2 32 chapitre 2 133 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Cathode LatticeTemperature K 3 000e 03 2 590e8 03 2 100e 03 1 650e 03 1 200e 05 7 300e 02 3 000e 02 a b Cathode Canal Cathode LatticeTemperature K 3 000e 03 2 550e 03 2 100e 03 ke 1 650e 03 N Drift 1 200e 03 7 500e 02 3 000e 02 c d Figure3 32 Distribution de la temp rature et de la densit de courant dans les structures standards a b et propos e c d respectivem
141. male sur la face avant de la demi cellule VDMOS gauche et SJ MOSFET droite range variable Vps 400 V Afin de mieux comprendre l influence du range des traces sur le m canisme du SEB il est important de rappeler bri vement ce m canisme dans les MOSFETs Le m canisme est bas sur l activation d un transistor bipolaire parasite inh rent la structure MOS et Pionisation par impact qui joue un r le essentiel dans ce m canisme En effet le ph nom ne 75 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance d avalanche se retrouve dans des conditions favorables gr ce l association d un fort champ lectrique et de grandes densit s de porteurs D ACH 95 Pour que le ph nom ne de burn out soit irr versible et destructif les m canismes de conduction du transistor bipolaire et d avalanche doivent s autoalimenter en charge c est dire que le transistor bipolaire doit tre aliment par le courant de trous provenant du m canisme d avalanche qui doit tre aliment e par le courant d lectrons inject par le transistor bipolaire La Figure 2 15 montre l volution du champ lectrique dans les structures simul es aux diff rents instants avant et apr s le burn out Dans le cas du VDMOS le champ lectrique est toujours maximal la jonction P well N en fin de simulation quel que soit le range Ceci est d la forte localisation du courant dans la partie
142. mod le d analyse de burn out Johnson et al ont d montr une densit de courant critique de burn out plus lev e certains Vps et ils ont estim une augmentation de 3 5 pour 100 C JOHN 92 Cela se traduit par une forte augmentation de la tension Vps seuil comme le montre la Figure 1 24 Dans ce travail Johnson a galement expliqu la forme de la courbe de SEB en fonction du LET en termes d influence de l emplacement de l impact sur le d clenchement de l metteur base du transistor parasite 10 pi IRF150 Cross section cm Figurel 24 D pendance de SEB avec la temp rature JOHN 92 48 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Les impacts les plus loign s des contacts de masse ont t les premiers d clencher un SEB exigeant un LET minimal Ce dernier diminue avec le rapprochement de la position de l impact par rapport au contact de masse La zone sensible augmente avec l augmentation du LET ou de la tension de polarisation jusqu la saturation la zone enti re de la r gion de source tant sensible au SEB Une tude plus d taill e du volume sensible avec simulations 2D Medici a t publi par Dachs et al en 1994 celle ci confirme que la r gion intercellulaire situ e imm diatement sous l oxyde de grille entre les deux r gions P well neck et la r gion du canal constituent les zones les plus sensibles au
143. n le canal du MOSFET commence injecter des lectrons dans la base permettant un effet transistor dans la partie bipolaire P NP La technologie Punch Through PT est utilis e pour la fabrication d IGBT dans le but de diminuer les pertes en conduction En effet elle contient une couche d pitaxi e N plus fine gr ce une couche tampon N qui fait d croitre rapidement le champ lectrique ce qui permet la structure de pr senter une chute de tension plus faible que celle d une structure NPT pour la m me tenue en tension Cette structure est fabriqu e partir d une base de silicium dop e positivement sur laquelle la couche tampon et la base N sont ajout es par croissance pitaxiale L inconv nient principal de ces structures est le co t de fabrication des couches pitaxi es en particulier pour des tensions de blocage lev es gt 1 2KV BALI 96 Apr s ces deux structures de type planar les derniers progr s technologiques ont fait apparaitre de nouvelles structures parmi lesquelles des IGBT tranch es cf figure 1 3 c Cette technologie a t utilis e bien avant cette date sur des structures VDMOS dont le but est d am liorer la chute de tension en r duisant la r sistance du canal UEDA 85 Contrairement la technologie planar o les sections MOS occupent une surface importante par unit de surface vu leur taille qui est impos e technologiquement par les limites de la photolithographie et la diff
144. n conduction aux bornes de l l ment par rapport la technologie MOSFET standard Lors de la polarisation en inverse du transistor un champ lectrique lat ral se forme conduisant les charges vers les zones de contact Une zone de d pl tion se forme le long de 21 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance la jonction physique PN enveloppant la totalit de la structure de bandes pour une tension bloqu e sup rieure 50V Le comportement est alors semblable celui observ dans les diodes PIN Cette structure ne diminue en aucun cas les performances dynamiques du transistor MOS mais apporte une forte baisse des pertes en conduction L inconv nient majeur de cette structure est la complexit de sa r alisation Le principe de superjonction peut galement tre utilis pour un IGBT mais pour le moment il est valid et commercialis uniquement pour les MOSFET Grille Grille Grille N epi N epi INS Substrat N Substrat N Substrat N a Drain b Drain c Drain Figure 1 2 Coupe verticale d un transistor MOSFET VDMOS a SSJMOS b SJMOS c 2 2 L IGBT La technologie IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor a t brevet e aux tats Unis en 1982 par Hans W Beck et Carl F Wheatley Jr sous le nom de MOSFET de puissance avec une r gion d anode Power MOSFET with an Anode R gion C est une technologie r cente qui succ de aux thyristo
145. n de la tension de polarisation VCE pour un IGBT planar haut et IGBT trench bas x 30 um y Oum range 30 70 et 90 pm 85 Figure 2 24 Distribution de lignes de courant des trous apr s l impact et avant le d clenchement du thyristor parasite dans une structure IGBT planar a et trench b EES 86 Figure 2 25 Les param tres g om triques de la zone active pour l analyse de la densit de courant de latchup d un Kab planar ajeli d un GBT trench esse a a 88 Figure 2 26 Sch matisation de traces ionisantes horizontales dans la demi cellule de VDMOS polaris e a 400V Les traces sont positionn es a la m me profondeur z 30 um mais a diff rentes abscisses et sont simul es chacune ind pendamment Le LET est en pC um et le range en um sesse sereacimewscacse savaadinesxexccndoncadensaddacgucausidinretsnserteuendeanersuseetensdoceetives 89 Figure 2 27 Sch matisation de traces ionisantes horizontales dans la demi cellule d IGBT polaris e 400V Les traces sont positionn es la m me profondeur z 30 um mais diff rentes abscisses et sont simul es chacune ind pendamment Le LET est en pC um et le range en pm 90 Figure 2 28 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration a et en fonction de range b de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de chaque cellule ss 91 Figure 2 29 Evolution du LET minimal en fonction de la tension de polarisation pour
146. nces diverses et vari es au niveau de la tenue en tension de la rapidit et des pertes relatives la phase fonctionnelle blocage ou conduction Par exemple les 19 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance transistors MOS peuvent tre tr s rapides cependant leurs pertes l tat passant sont importantes plus pr cis ment des tensions de blocage lev es A l inverse des MOSFET les transistors bipolaires ont des pertes en conduction beaucoup plus faibles mais des pertes en commutation assez importantes dues l accumulation de charges n cessaires son fonctionnement ce qui les rend inutilisables a des fr quences lev es Les caract ristiques de ces deux composants les rendent compl mentaires dans les applications de faible et moyenne tension d o l id e de les combiner sur le m me substrat de silicium pour obtenir le fameux transistor bipolaire grille isol e IGBT qui nous permet d associer les faibles pertes en conduction la grande capacit en courant avec une tenue en tension La Figure 1 1 r sume les gammes de puissance d utilisation en fonction de la fr quence pour les principaux interrupteurs de puissance L utilisation des MOSFET est r serv e essentiellement aux applications haute fr quence allant au dela de 100 kHz et aux puissances moyennes ou faibles LUTZ 11 alors que l IGBT est utilis pour des applications allant jusqu
147. ncipaux capteurs et circuits de protection Nous avons tabli deux groupes un groupe de circuits dont la d tection est bas e sur le suivi en tension et un second groupe dont la d tection est bas e sur le suivi du courant Nous d taillerons un exemple de protections pour chaque groupe 3 1 1 Circuits bas s sur la d tection d une surtension Les circuits que nous allons pr senter dans cette partie sont bas s sur la d tection de la tension Cette d tection peut tre effectu e partir d un capteur de tension d anode d un circuit int gr d un caisson P flottant ou d une diode et d un transistor MOS Les principaux circuits de protection bas s sur la d tection d une surtension sont les suivants gt Circuit utilisant un capteur de tension d anode CARA 04 102 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance gt Circuit utilisant un circuit int gr IR2125 Data Ir gt Circuit de protection contre les courts circuits int gr bas sur un caisson P flottant HWAN 06 gt Circuit de protection des IGBT lat raux SHEN 96 e Circuit de d tection et de protection contre le court circuit utilisant le capteur de tension d anode CTA Le capteur de tension d anode CTA est une cellule cf Figure 3 2 droite qui donne sur la face avant de la plaquette une image continue du potentiel pr sent sur l anode de la face arri re IMBE 02 Le circuit int gr monolith
148. ne coupe sch matique de la modification g om trique r alis e 111 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance n Drift Substrate P Collecteur Figure3 11 Repr sentation sch matique de la premi re modification de la structure par l ajout d une diffusion P dans la r gion intercellulaire IGBT 1 Les dopages de l IGBT standard sont conserv s Notons que ceci devrait avoir un effet b n fique seulement sur la sensibilit au latch up d un IGBT puisque la modification apport e va dans le sens de d clencher le transistor parasite cr e par la zone P ajout e afin de retarder le d clenchement du thyristor parasite inh rent cf Figure 3 11 La deuxi me modification consiste remplacer certaines parties de la diffusion N par une diffusion P au niveau de la cathode Cette deuxi me structure propos e est appel e IGBT 2 et pr sent e sur la Figure 3 12 cellule simul e pete ee ee ee eee eee eee eee i Wea p Grille Emetteur N P well n Drift Substrat P n Drift Collecteur Substrate P Collecteur Figure3 12 Repr sentation sch matique de la deuxi me modification de la structure par la diffusion de P dans la r gion N metteur IGBT 2 gauche coupe 2D suivant AA droite 112 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Les modifications apport es sont limit es par la n cess
149. ne de latch up ne se produit pas La Figure 3 19 bas montre que l augmentation de la longueur de la tranch e Lr n influe pas sur la valeur de la tension de seuil Cela permet donc de fixer la valeur de Ly a 16 um 120 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 4 4 2 2 Effet de la profondeur de la tranch e Wr Les caract ristiques LA Vox et IA V ax l tat passant direct obtenues par simulation de la structure IGBT propos e pour diff rentes valeurs de la profondeur de la tranch e Wr avec Lr 16 um et Xp 9 um sont donn es sur la Figure 3 20 3E 03 IGET standard DE WT 1 pm FRET WT 2 um a BTE um Z 2E 03 WTA um D 2E 03 1 4 D J D 1E 03 m i i i T 5602 QE 00 M OE 00 2E 02 4 E 02 GE 02 GE 02 Anode voltage v 1E 04 IGBT_ standard E BERSA e WT 1 um 2 WT 2 um 1606 05 T z WT 3 um WT 4 um j D A0 A a TD Q a 2E 05 OE 00 Gate voltage v Figure3 20 Caract ristiques I V4x haut et IA Vox bas de l IGBT standard et de l IGBT propos pour diff rentes profondeurs de la tranch e Wy La Figure 3 20 haut montre que le ph nom ne de latchup ne se produit pas d s la quelle que soit la profondeur de la tranch e Wr Or la veleur de Wr change la valeur la tension de seuil sauf pour W7 4 um comme le montre la Figure 3 20 bas Nous
150. ng Area 7 t variation temporelle du taux de g n ration TCAD Technology Computer Aided Design Vak Tension cathode anode VBE Tension metteur base Vce Tension metteur collecteur VDMOS Vertical Double Diffused MOS Vos Tension source drain Vex Tension cathode grille Vas Tension source grille Wr profondeur de la tranch e de la structure propos e Xp profondeur de jonction de la r gion de diffusion P solaire LUU 09 Figurel 10 NISH 10 Figurel 1 Figurel 2 Figurel 3 Figurel 4 Figurel 5 Figurel 6 Figurel 7 Figurel 8 Figurel 9 Figurel 11 Figurel 12 Figurel 13 Figurel 14 Figurel 15 Figure1 26 MOSFET super jonctions HUAN 00 Figurel 27 2 types de MOS Luu 08 Liste des Figures Liste des Figures Evolution de la gamme d utilisation des composants de puissance 20 Coupe verticale d un transistor MOSFET VDMOS a SSJMOS b SJMOS c 22 Coupe verticale d un transistor IGBT IGBT NPT a IGBT PT b et IGBT trench c 24 Nombre de t ches solaires depuis 1750 et jusqu 2012 SOLA 121 25 Repr sentation de la d formation de la magn tosph re exerc e par le vent solaire ccceeeeeeeeeeees 27 Carte de rigidit de coupure verticale en Giga Volts 28 Mouvement des particules pi g es dans la magn tosph re terrestre d apr s STASS 88 29
151. ng Area SOA a et section efficace pour un ion incident b pour un ion donn e 44 Figurel 22 SEB sections transversales en fonction de la tension drain source V pour un transistor MOSFET de POUT Se NOT OO ee a de D oo 45 Figurel 23 Collection de charge d un burnout mesur e l aide d un syst me d analyseur de hauteur de pulses coupl avec UN amplificateur sensible 5er dresse tes ete nnrdnen slot bese nettes cite bnsenen aient adore ben eDiben anale bue dat henete ons 48 Figurel 24 D pendance de SEB sur la temp rature JOHN 92 eee 48 Figurel 25 R sultat de la simulation d une seule cellule variations de courant points d impact diff rents pour un ion Br de 180 MeV ROUB 93 wo ccccsssssseeeeeeeeeeeeeeeaaaeeesseeeeeeeeeeeeeeeaasaeaeseneeeeeeeeeeeeeeaaas 49 Variation de la densit de courant du collecteur en fonction de temps pour un MOSFET standard et un Superposition de la cartographie laser face arri re et de la photo de sa face avant correspondante pour PPPOE SHOE HEHE SESE HEHEHE EEE HEHEHE E EOE EEE OES EHESE SHEESH SESE HEHE EE EESE SE SEHESE OE EESES ESE HES E SE EEEE EE SEHESE SHEESH ESE HEE H OS EEEE EEE EHESE SES EDEL ES EHESESELEOS Figurel 28 Sch ma des traces d ionisation p n trant par la face avant ou arri re dans une cellule MOSFET d IRF830A pour diff rentes paisseurs de substrat ss Figurel 29 flux du courant des trous Figure1 30 Comparaison d immunit au
152. nous avons d termin les seuils de sensibilit pour diff rentes tensions de polarisation 3 4 4 Analyse des r sultats pour diff rentes polarisations Vcr Les r sultats de simulation sont pr sent s sur la Figure 2 23 Elle pr sente l effet de la tension de polarisation respectivement sur le LET minimal indiquant la zone de s curit SOA Safe Operating Area de chaque IGBT pour une position d impact de l ion donn e x 30 um et pour diff rents ranges 84 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance LETmin pC um 100 200 300 400 500 600 VcE V 2 5 gt 2 range 10pm p range 30 um S 1 5 range 60 um 5 I m gt LA 0 5 100 200 300 400 500 Vc V Figure 2 23 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la tension de polarisation VCE pour un IGBT planar haut et IGBT trench bas x 30 um y 0um range variable Pour les deux IGBT le LET minimal diminue pour tous les ranges c est dire que la sensibilit augmente lorsque la tension de polarisation Vcg augmente Certaines observations faites pr c demment sont confirm es le LET minimal diminue avec l augmentation du range quelle que soit la valeur de la tension de polarisation dans les deux IGBT Cependant la zone de charge d espace s tend proportionnellement dans les deux cas avec l augmentation de la tension Vcg et cela r duit les diff rences existantes
153. ns une structure d IGBT planar a et trench b La distribution des lignes de courant de trous avant le d clenchement du thyristor parasite dans la structure planar et la structure trench simul es est repr sent e Figure 2 24 On peut remarquer que dans le cas de la structure planar une grande partie du courant de trous circule vers l metteur travers la r sistance Rp indiqu e sur la Figure 2 24 par les fl ches Ce courant cr e ainsi une chute de tension aux bornes de la r sistance R qui rend la jonction metteur N P well passante Dans la structure trench Figure 2 24 b le latch up ne se produit pas La majeur partie du courant de trous circule verticalement dans la zone de P well sans passer sous la jonction metteur N P well Courant du latch up dans les IGBT planar et trench Pour calculer la chute de tension directe a travers la jonction PN un courant de trous circulant sous la longueur enti re d metteur Lg peut tre utilis La tension aux bornes de la r sistance P well est donn e par La relation entre le courant de trous et d lectrons est donn e par _ Apne Eg 2 9 a l1 pyp 86 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance O amp est le gain en courant du transistor PNP En outre le courant d metteur est donn par an a 2 Eq 2 10 1 pyp En appliquant les quations Eg 2 9 et amp q 2 10 a l q
154. nt ressons la mod lisation du fonctionnement lectrique Device TCAD pour r soudre les quations de transport dans un dispositif semiconducteurs Un des inconv nients de ces simulations est le temps de calcul tr s important ce qui n cessite des ordinateurs relativement puissants Les quations utilis es dans ces simulations sont des quations aux d riv es partielles telles que les quations de transport et de continuit ou l quation de Poisson Parmi les m thodes les plus utilis es pour r soudre num riquement ces quations est la m thode dite des l ments finis Le travail typique de cette m thode consiste l Diviser le domaine du probleme traiter en un ensemble de sous domaines chaque sous domaine repr sent par un ensemble d l ments qui sont des triangles constituant le maillage dont les n uds permettent de r soudre une partie des quations aux d riv es partielles 2 Recombiner syst matiquement it rations successives tous les ensembles d quations d l ments dans un syst me global d quations pour le calcul final La solution globale sera d autant plus pr cise que le maillage est dense Or ce dernier est directement li au temps de calcul ce qui impose un compromis entre les deux c est dire la qualit des r sultats recherch s densit du maillage et le temps de calcul En g n ral le niveau du maillage est relativement resserr avec la variation de la sensibilit
155. nt fortement corr l es aux cycles des taches observ s sur le soleil L apparition et la disparition des taches la surface du soleil repr sentent le cycle solaire dont la p riodicit correspond approximativement une dur e de 11 ans STAS 88 Le cycle de variation des taches solaires depuis 1750 jusqu nos jours est pr sent dans la Figure 1 4 SOLA 12 Une importante p riode d activit solaire est donc caract ris e par un nombre de taches lev dont l intensit des photons et des particules ject s en permanence varie selon le cycle On peut distinguer grossi rement 7 ans de forte activit et 4 ans de faible activit HOLM 02 Monthly Averaged Sunspot Numbers t W 0 110 W J Z T 2 i Vi Lt h 190 1700 170 1780 1790 1800 1810 180 1600 100 1850 1850 1060 1870 1880 1890 1900 1910 192 1900 100 1960 1090 1060 1970 1960 1900 2000 2010 207 2000 20O 2080 DATE DATE ATE Figure l 4 Nombre de t ches solaires depuis 1750 et jusqu 2012 SOLA 12 Deux types d ruptions solaires sont distingu s et d pendent du type des particules mises e Les ruptions solaires dont l mission principale est constitu e d ions lourds de num ro atomique pouvant tre sup rieur 44 et poss dant des nergies comprises entre 1 10 MeV La dur e de telles ruptions est de quelques heures au plus 25 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissan
156. nte huit ans plus tard la nature de ce rayonnement a t identifi e Les particules pr sentes se d placent une vitesse proche de celle de la lumi re Elles sont constitu es de deux composantes l une d origine galactique l autre contenant des 1ons plus nerg tiques d origine extra galactique Ce rayonnement est constitu principalement de 85 90 de protons de 9 14 de noyaux d h lium et de 1 d ions de tr s grande nergie gt 1 MeV le reste tant constitu de diff rents nucl ons noyaux d atomes d lectrons ainsi que de quantit s infimes d antimati re l g re antiprotons et positrons AUDA 04 Malgr le fait que le flux associ ce rayonnement est relativement faible la probabilit d occurrence d un v nement potentiellement destructif dans le cas de missions spatiales longues par exemple est non n gligeable car ce rayonnement reste extr mement nerg tique certains ions atteignent 1010 GeV LUU 09 24 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance 3 2 Effet du soleil 3 2 1 Les ruptions solaires Les ruptions solaires apparaissent pendant les p riodes ou l activit solaire est maximale Ce sont des clats de radiation produits la surface de la photosph re couche de gaz qui constitue la surface visible du soleil dus l jection de jets de plasma 1onis s par le soleil cf Figure 1 9 Les ruptions solaires so
157. oduit lorsque la condition suivante est valid e Onpy Opyp l Eg 3 1 Cette derni re se produit lorsque le gain en courant du transistor NPN est suffisamment lev ce qui signifie que la chute de tension aux bornes de la r sistance Rp est sup rieure 0 7 V permettant de rentre passante la jonction N metteur P well s l ve au m me potentiel Vi 0 7 V Ainsi le courant de latch up est exprim par Vii C pnp R Eg 3 72 Latchup P La densit de courant de latch up de l IGBT standard s est crit comme suit Vii SS Fq 3 3 Wei Planar PNP P s Ley Psp Lp2 J tatchup Planar Nous avons vu dans l IGBT standard Figure 3 16 a que le courant de trous total n a qu une seule composante Ip Dans les IGBT propos s le courant total des trous se divise en deux parties I et I cause de la r gion de diffusion P ajout e dans chaque structure cf Figure 3 16 b et c Le courant qui provoque le latch up du thyristor s crit comme suit un Ta eS O Lp est la largeur de la r gion P comme montre la Figure 3 11 La r sistance de cette cellule est donn e par L R a Eq 3 5 Ou Z est la largeur de la cellule Rappelons toujours que le latch up se produit lorsque la polarisation directe sur la Jonction N P s l ve au potentiel Vy 0 7 V Le courant de latch up s exprime comme suit Latchup V Z teen l Eg3 6 QO pup Psp Lo Lr La densit de couran
158. ormal c est dire sans la pr sence d un tat de court circuit la tension Veapteur d livr e par le capteur doit tre nettement inf rieure a la tension seuil du MOS de coupure V capteur lt Wrc AUST 03 Dans le cas ou le court circuit est pr sent sur la charge au moment de la mise en conduction de l interrupteur le MOS de d lai permet de charger la grille du MOS de coupure avec un d lai d termin par la constante de temps RC form e par sa capacit de grille et par la r sistance de d lai Ainsi pendant une commutation normale ce temps de d lai permet a la grille de l interrupteur de se charger pendant que la tension d anode chute jusqu la valeur correspondant celle de l tat passant En effet sans ce temps de d lai le MOS de coupure serait aussit t passant actif et l interrupteur ne pourrait pas commuter Une fois actif le MOS de coupure permet de d charger la grille de commande de l interrupteur de puissance en r alisant un court circuit command de cette derni re la masse La commutation a l tat passant de l interrupteur est alors impossible cf Figure 3 3 AUST 03 Commande Eg Liles Poo gr _ GG ge le Tension de grille de l IGBT sans court circuit V Tension de grille de l IGBT lors d un court lt circuit V p di ms 4e OF be 0F7 dei 1 06 1 20 06 Transient time 5 Figure3 3 Fonctionnement de la structure si le court circuit est pr sent sur l
159. osante horizontale du champ lectrique qui permet de d vier les trous directement vers le contact de source travers les piliers P Vds 350V LET 0 17pC um standard MOSFET SJ MOSFET log Ic Amps cm2 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00 time 107 8 s Figure l 26 Variation de la densit de courant du collecteur en fonction de temps pour un MOSFET standard et un MOSFET supe jonctions HUAN 00 En revanche les travaux de N Ikeda et al ne montrent pas de diff rence de vuln rabilit entre les deux technologies IKED 04 Cela peut tre d l effet de la tension de polarisation car dans une partie de notre travail nous allons monter l effet de quelques param tres comme la tension de polarisation sur la sensibilit de diff rentes technologies y compris la superjonction 50 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Cependant Liu LIU 08 a tudi l effet de range la fois sur les ph nom nes de SEB et de SEGR il a recommand l utilisation d ions courts afin de ne pas confondre avec l apparition de SEGR lors des tests SEB Les r sultats des tests effectu s sur des structures de 600V ne montrent aucun effet significatif du range sur la zone de s curit de SEB SOA pour les ranges de 30 a 300 um ainsi que Marec et al MARE 09 ce qui sugg re que les crit res de d clenchement sont une charge critique d pos dans l pitaxi e En 20
160. otCycle shtml Stassinopoulos 1988 The space radiation environment for electronics Proceedings of the IEEE 76 1423 1442 E G Stassinopoulos G J Brucker P Calvel A Baiget C Peyrotte and R Gaillard Charge generation by heavy ions in power MOSFET s burnout 154 Bibliographies TITU 89 TITU 91 TOUL 10 space predictions and dynamic SEB sensitivity IEEE Trans Nucl Sci vol 39 pp 1704 1711 1992 J L Titus L S Jamiolkowski and C F Wheatley Development of cosmic ray hardened power MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 36 pp 2375 2382 1989 J L Titus G H Johnson R D Schrimpf and K F Galloway Singleevent burnout of power bipolar junction transistors IEEE Trans Nucl Sci vol 38 pp 1315 1322 1991 G Toulon Conception de transistors MOS haute tension en technologie CMOS 0 18 um sur substrat silicium sur isolant SOI pour les nouvelle g n rations de circuits int gr s de puissance th se Universit Toulouse III 2010 UEDA 85 Ueda D Takagi H and Kano G A New Vertical Power MOSFET Structure with Extremely Reduced On Resistance IEEE Transactions on Electron Devices Vol 32 No 1 1985 pp 2 5 WALL 62 J T Wallmark and S M Marcus Minimal size and maximum packing density of nonredundant semiconductor devices Proc IRE vol 50 p 286 1962 WASK 86 A E Waskiewicz J W Groniger V H Strahan
161. ourant 107 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance cr e ainsi une chute de tension aux bornes de la r sistance R qui rend la jonction J passante En fonctionnement normal de l IGBT cette chute de tension peut tre minimis e en r duisant la valeur de r sistance R correspondant la r sistance de la r gion P sous la diffusion N d metteur Dans ces conditions le gain en courant du transistor NPN est tr s faible minimisant le risque de latch up Cependant quand la densit du courant l tat passant augmente la polarisation en direct de la jonction J peut devenir suffisante pour augmenter le gain en courant du transistor NPN Si la somme des gains en courant des transistors NPN et PNP exc de l unit le ph nom ne du latch up se produit et par cons quent le courant circule directement de l anode vers la cathode sans pouvoir tre control Substrat P Collecteur Figure3 7 Latch up du thyristor parasite dans un IGBT 4 2 Augmentation du niveau de courant de latch up La diminution du gain en courant du transistor PNP est le principal facteur pour augmentation de la densit du courant de latch up Pour cela il faut augmenter le courant d lectrons du MOSFET et r duire le courant de collecteur du PNP Le gain en courant du transistor PNP peut tre r duit par deux techniques de base La premi re technique consiste r duire l efficacit d injection de
162. p rature comme le montrent aussi des travaux ant rieurs JOHN 92 A l oppos le pire des cas pour un IGBT planar apparait a haute temp rature r v lant une grande sensibilit au SEB Ces r sultats seraient galement compatibles avec ce qui est d ja connu sur la sensibilit au latch up en fonction de la temp rature SHEN OO JOHN 91 Pour les MOSFET le taux d ionisation par impact nombre de paires lectron trou g n r es par unit de longueur diminue avec l augmentation de la temp rature CROW 66 Ceci est attribu au libre parcours moyen plus court des porteurs Puisque le taux d ionisation par impact est 95 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance utilis explicitement dans la solution de l quation de Poisson la densit de courant de trous g n r e par avalanche diminue avec l augmentation de la temp rature pour la m me densit de courant d lectrons inject s et la m me tension source drain de polarisation L IGBT trench PT suit la m me tendance que celle du MOSFET car la pr sence de la couche tampon diminue localement la dur e de vie des porteurs ce qui n est le cas de notre IGBT planar NPT Dans ce dernier le gain du transistor bipolaire PNP d j lev temp rature ambiante augmente avec l augmentation de la temp rature en raison de l efficacit d injection de l metteur Cela favorise le d clenchement du thyristor
163. parasite latch up et par cons quent la sensibilit au burn out avec la temp rature 6 VDMOS SJI MOSFET PlanaIGBT TrenchIGBT Normalized Sensitivity LET T LET 300K 300 320 340 360 380 400 Temperature K Figure 2 32 sensibilit normalis e en fonction de la temp rature pour un ion p n trant 2 3 de la r gion pitaxi e de chaque composant x 30 y 0 Vps amp Vcr 400V La Figure 2 33 montre la distribution de la temp rature dans les structures de type planar et trench suite un d clenchement SEB en fin de simulation Pour le VDMOS et les deux IGBT tudi s la zone de la fusion est localis e au niveau du canal o la temp rature peut d passer 3000 K En effet la densit du courant tr s lev e dans cette r gion ainsi que la conductivit thermique tr s faible de l oxyde par rapport aux lectrodes font que cette r gion du canal devient la plus critique thermiquement Dans les structures planar VDMOS ou IGBT par exemple on constate que la temp rature se propage avec le sens du courant en suivant l extension de l oxyde jusqu la moiti de la zone N de cathode Contrairement la structure planar ou une augmentation de la temp rature environ 700 K est localis e seulement au niveau de la trace ionisante cf Figure 2 33 ligne discontinue la structure 96 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance tren
164. patial ou a ronautique l volution et la complexit de l lectronique embarqu e qui peut interagir avec ce type d environnement et avoir des effets potentiellement dommageables nous am ne prendre en compte ces contraintes radiatives comme le cas d ion lourd C est dans ce cadre que nous avons effectu les travaux pr sent s dans ce m moire Des simulations utilisant les outils Synopsys TCAD ont t men es afin de mieux comprendre les m canismes de d faillances comme le Single Event Burn out SEB et le Single Event Latch up SEL ainsi que la d finition de crit res de d clenchement de comportement et de la sensibilit de diff rents composants VDMOS SJ MOSFET IGBT planar et IGBT trench Ces tudes nous ont permis de proposer et d valuer des solutions de durcissement au niveau de design permettant la d sensibilisation contre les ph nom nes de d clenchement li s aux structures parasites MOTS CLES VDMOS SJ MOSFET IGBT planar IGBT trench SEB SEL Burn out Latch up composants de puissance irradiations ions lourds rayonnement ionisant TCAD solutions de durcissement 159 Abstract TITLE Study of extreme conditions for operating in radiation environment of power devices view to their hardening for aeronautics and space applications Abstract This work deals with the reliability of electronic components such as power MOSFET and IGBT affected by Radiative Natural Environment Nowadays th
165. pel e rigidit de coupure C est pourquoi 99 99 des particules issues des vents solaires contournent la magn tosph re BARTH 97 Magnetic field 53192 25 3 Saai a aaah aS Vial SCT 49357 51 60 ESSN 46522 77 43183 02 30 39853 28 36518 54 30 33183 80 Geocentric Latitude deg 29849 05 60 H 26514 31 La 4 nn de pt amd nn RS ES n 180 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150 Geographic Longitude deg 90 23179 57 Figure l 6 Carte de rigidit de coupure verticale en Giga Volts La Figure 1 6 pr sente les valeurs de rigidit de coupure pour une particule incidente normale la surface de la Terre une altitude de 500 km SMAR 77 On constate que lorsqu on se rapproche de l quateur la rigidit augmente Cela fait qu une particule aura moins de chances de traverser l atmosph re sur l quateur que sur les p les C est pourquoi le ph nom ne d aurore bor ale se produit dans les latitudes lev es 3 3 2 Les ceintures de radiation Les ceintures de radiation ou les ceintures de Van Allen c est le nom du scientifique qui les a d couvertes en 1958 ALLE 59 sont constitu es essentiellement de particules nerg tiques pi g es par le champ magn tique terrestre de fa on plus ou moins stable dans un environnement proche de la Terre Elles sont compos es d lectrons de protons et de 28 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son
166. pointe dans le cas de la structure durcie La d viation des lignes de courant vers la pointe de la tranch e diminue efficacement l injection des lectrons par l metteur du NPN priv d une grande partie de son courant de base Le courant d croit brutalement Au contraire dans la structure standard les lignes de courant traversent la zone P et constituent le courant de base Les Figure 3 30 et 3 31 repr sentent la r partition du champ lectrique au point A dans les deux structures avant et apres le d clenchement du latch up Le point A repr sente l endroit critique dont le transistor NPN se d clenche Si on compare les deux points A des deux structures on observe dans la structure propos la pr sence d un champ lectrique intense ce qui n est pas le cas dans la structure standard Figure3 30 R partition du champ lectrique dans la structure standard avant et apr s le latch up 132 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Figure3 31 R partition du champ lectrique dans la structure propos e aux m mes instants que la Figure 3 25 La Figure 3 32 a et c montre la distribution de la temp rature suite un d clenchement SEB en fin de simulation dans une structure standard VDMOS ou IGBT a et celle propos e c Dans les deux cas la zone de la fusion est localis e au niveau du canal o la temp rature peut d passer les 5000 K cause de la densit du courant tr s
167. qua une d gradation de puissance acc l r e au dessus des attentes de la fiabilit pr vue puisque l esp rance de vie du satellite a t diminu e de 3 ann es KANP 94 D autres anomalies associ es aux rayonnements solaires sont d taill es dans BEDI 96 3 3 Environnement spatial proche de la terre 3 3 1 Magn tosph re C est l espace domin par l interaction entre le champ g omagn tique et le vent solaire Son r le principal est de prot ger la Terre des ph nom nes ext rieurs en formant une cavit au milieu de l espace interplanetaire En effet le bouclier magn tique terrestre d vie le vent solaire en passant au voisinage de la Terre et modifie la forme et la structure du champ 27 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Lorsque des particules tentent de traverser la magn tosph re elles sont d vi es par le champ magn tique filtre particules Cette d viation se caract rise par son rayon de courbure ainsi que la rigidit magn tique de l ion Toutefois cause de la rigidit g omagn tique r duite au niveau des r gions polaires les particules provenant des rayonnements cosmiques peuvent p n trer de basses altitudes L augmentation de la rigidit de la particule augmente sa d viation Ainsi une particule ne pourra jamais avoir les conditions n cessaires pour atteindre une altitude donn e au del d une limite ap
168. r droite 70 Figure 2 11 LET minimal provoquant un SEB dans un VDMOS a et un SJ MOSFET b pour diff rentes positions d impact x variable y 0 range 10um VDS 400 V siens 72 Figure 2 12 LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi cellule VDMOS gauche et SJ MOSFET droite y ariable range 10 D ea E E A rea steadier aera N 73 Figure 2 13 Traces positionn es a deux profondeurs diff rentes dans un VDMOS a gauche et SJ MOSFET a CO a eas D de a ers 74 Figure 2 14 LET minimal provoquant un SEB et la charge d pos e correspondante en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi cellule VDMOS gauche et SJ MOSFET droite range variable V DS 400 Y scx stiscnursncaenssesauulubenccunronauseienuhlocatansasuiuansstenasnasuunueeion sous stuiasnssseacsiueseineeghelgeiedcuaneees 75 Figure 2 15 volution du champ lectrique suite un impact ionisant vertical d un grand range droite et d un petit range gauche dans les demi cellules de VDMOS haut et SJ MOSFET bas polaris e 400V 0 0 eeeeeeeeeees 78 Figure 2 16 Comparaison de l volution du courant Ids en fonction du temps suite un impact ionisant vertical d un grand et d un petit range dans la demi cellule de VDMOS rennes 78
169. r de ces caract ristiques la bonne optimisation de la tranch e qui garantit une grande immunit contre le latch up tout en maintenant la valeur de la tension de seuil de 122 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance VIGBT planar est obtenue pour une profondeur de la tranch e Wr 4 um une largeur de la tranch e Lr 16 um et une profondeur de jonction de la r gion de diffusion P Xp 9 um Les simulations ont montr que la tranch e optimis e peut garantir une grande immunit contre le latch up tout en maintenant une tension de seuil identique celle de l IGBT planar Les r sultats pr sent s Figure 3 22 correspondent aux dimensions suivantes Wr 4 um Lr 16 um et Xp 9 um tensions de seuil quivalentes les caract ristiques TA V ax de la Figure 3 22 montrent qu effectivement le ph nom ne de latch up se produit seulement dans la structure standard 3E 03 x Standard IGBT 3E 03 4 a Proposed IGBT lt 2603 D 2E 03 oO oO D 2 1E 03 a lt 5E 02 OE 00 OE 00 1E 02 2E 02 3E 02 4E 02 5E 02 6E 02 7E 02 Anode voltage v 1E 04 Standard IGBT 8E05 proposed IGBT T BES lt 4605 oO lt 2605 OE 00 Gate voltage V Figure3 22 Caract ristiques I Vax haut et I4 Vcx bas de la structure IGBT propos e et standard Pour la structure VDMOS nous avons obtenus les m mes r
170. ravure RIE de nitrure jusqu silicium 1 30 HF 10 30s rincage EDI s chage azote D p t aluminium face arri re Lift off aluminium 139 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Recuit aluminium 20min a 400 C Losi ES gt Bore PolySi GE Arsenic C SiN ay A Le polysilictum est habituellement dop juste apr s sa croissance Or dans notre composant le bilan thermique qui suit est important principalement pour obtenir une profondeur de jonction de 9 um pour les caissons P Par cons quent les dopants de phosphore dans le polysilicium vont diffuser au travers l oxyde et vont se retrouver en surface du silicium comme le montre la figure suivante o est repr sent le dopage en surface sous la grille Concentration de dopage cm 20 25 30 35 40 X um Figure3 34 Comparaison des profils de dopage en surface sous la grille obtenus partir de l diteur utilis dans les simulations lectriques pr sent es pr c demment et celui obtenu avec les simulations technologiques La modification du dopage en surface comme obtenu sur la Figure 3 34 va influencer les caract ristiques lectriques du composant tension de seuil plus basse augmentation du courant de fuite Nous avons donc d cid de r aliser le dopage du polysilicium en m me temps que la diffusion N de cathode comme cela se fait en fabrication micro lectronique 140 Ch
171. re propos e pour les composants de puissance grille isol e Table des mati res MO OT taepscdocseevsavanevss tssansecasententscseoaadiaeesae 118 4 4 1 Principe de la structure ss 118 4 4 2 Influence des param tres de la tranch e 119 4 4 3 Comportement dynamique seen 124 4 4 4 Sensibilit contre les ions lourds de la structure cathode en tranch 128 4 4 5 Etude pr liminaire en vue d une r alisation technologique 134 2 4 5 1 Pr sentation et description de la fili re flexible 0 0 00 eeeeceecceeeeeeeeeeeeees 134 2 4 5 2 Proc d technologique DI DOS tin dessine 135 PON gettin actrees nen ee 14 Conclusion generale Wsscsc cezccccssccucoecsavivesevavcssasecsuenesssesesccveciesssvaveeasassuvensaesseessssesiessiueveeasseorues 143 PVM OO Eee 0 1 CSS carn A E E E E O Eee 149 ISLE des PUL MCA ONS rss goyasetevesacecerescscsevescceasgasadebevasateceuescuensuceesecs este 157 KES en Genet leg io bee ce oil ou e 159 Pa AS E PPS PT EP RE ER LE 160 Liste des symboles Liste des symboles Cak Capacit inter lectrode collecteur cathode Cce Capacit inter lectrode collecteur metteur Cos Capacit inter lectrode source drain Coca Capacit inter lectrode grille anode Coc Capacit inter lectrode grille collecteur Cop Capacit inter lectrode grille drain CGE Capacit inter lectrode grille metteur Cox Capacit inter le
172. rille Dans ce milieu isolant elles ne peuvent ni se combiner avec des porteurs libres inexistants ni participer au ph nom ne de recombinaison initial contrairement aux charges g n r es dans les parties semi conductrices et m talliques Le d placement des charges d pend de leur mobilit les lectrons sont assez rapidement vacu s de l oxyde et les trous se d placent tr s lentement vers l interface S1 S10 cause de leur mobilit r duite En effet certains trous peuvent rencontrer des centres de d fauts et tre pi g s dans l oxyde La tension aux bornes de l isolant peut tre augment e dans le cas o les trous se retrouvent pi g s au niveau de l interface Une charge quasi permanente va voluer tr s lentement dans l oxyde une fois que la migration des trous termin e LAMB 06 L un des principaux 38 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance probl mes provoqu s par les effets de la dose dans les transistors MOS est la d rive de leur tension de seuil de la commande de grille 8 2 Les Ev nements Singuliers SEE SEE Single Event Effect est le ph nom ne associ au passage d une particule unique fortement charg e dans les mat riaux semi conducteurs Les v nements singuliers peuvent tre l origine de dysfonctionnements temporaires comme le changement transitoire de l tat d une m moire ou bien l origine de dysfonctionnements perm
173. rogressivement vers une charge plus lev e Lorsqu un SEB se produit un pic de charge lev appara t correspondant l tat d emballement de courant d avalanche La charge la plus lev e mesur e juste avant le d but de SEB correspond au courant critique n cessaire pour d clencher un SEB Cette valeur de Qin ou Qmin reste constante dans toutes les conditions qui peuvent causer un burn out indiquant qu elle d pend seulement des param tres physiques et g om triques de la structure et non pas des conditions de fonctionnement ou de l ion induisant un SEB 47 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance 2SK725 Ni ions Vog 340V 320V 300V 2 S 280V 8 o nnANM Om _ 250V ___ B AA 200V f 150V 50V bL erinmi sord sereni 9 sound ronud 2 surf 10 10 10 10 10 10 10 Collected Charge pC Figure l 23 Collection de charge d un burn out mesur e l aide d un syst me d analyseur de hauteur dimpulsions coupl avec un amplificateur sensible Contrairement au latch up l augmentation de la temp rature diminue la sensibilit au SEB suite l effet de l ionisation par impact dans la zone de charge d espace Le taux d ionisation par impact diminue lorsque la temp rature augmente diminuant le flux de courant des trous dans la r gion de base et la tension metteur base dans la r gion P well En int grant les effets de la temp rature dans un
174. rs aux transistors Darlington et aux thyristors GTO La premi re g n ration d IGBT a connu des probl mes importants de verrouillage ou latching qui ont t corrig s dans la deuxieme g n ration apparue au d but des ann es 1990 Les IGBT disponibles peuvent bloquer des tensions jusqu a 6 5 kV et peuvent transiter des densit s de courant de plus de 150 A cm Ce dispositif poss de une structure proche de celle du transistor MOS vertical MOHA 95 Toutefois la principale diff rence est la pr sence d une couche P la place du drain du MOSFET injectant des porteurs minoritaires dans la base donnant ainsi le collecteur anode de l IGBT En effet cette injection assure a l tat passant la modulation de conductivit qui repr sente un d faut majeur aux composants unipolaires de type MOS Son principal inconv nient est que ces 22 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance composants ont des temps de commutation plus lev s de l ordre de plusieurs centaines de nanosecondes Les structures les plus courantes sont les IGBT Non Punch Through NPT et les IGBT Punch Through PT cf figure 1 3 a et b La premi re structure tient le nom de NPT du fait que la base est suffisamment profonde pour que la couche de d pl tion ne puisse jamais atteindre la couche d injection P lorsque le transistor IGBT est l tat bloqu Lorsque l IGBT est en conductio
175. rs atteignent leur mode de conduction t t t H 1 14 l l I l 12 Cox Coa l l FI I Fa I st 5 l I JE AH itt ith c Standard VDMOS 6 AB Hoe AE 7 Standard IGBT 7 Proposed VDMOS f i l Proposed IGBT TE DE of 2 I l z a l l oE i 0 o4 06 08 1 14 16 18 2 l I Time s x 10 l L l V y Standard VDMOS I l I Proposed IGBT L Standard VDMOS k V i Proposed IGBT 95 L tL Proposed VDMOS E l o Vig Standard IGBT Vg Proposed VDMOS I l I Standard IGBT 20 I 2 z E oY 3 A z I x e lt lt I gt gt 10 l PAA EREE RE DRASS TES E l Q Oo Fey 5 to gl O OA ey JT au D no mon amp Fk ie dk 5 0 l 02 04 06 08 1 12 14 16 18 02 04 06 08 1 14 146 18 Time s x 10 Time s x 10 Figure3 26 Essai de charge de grille haut et volution de la tension d anode et du courant d anode en fonction du temps bas pour toutes les structures tudi es Bien que les modifications sont apport es au niveau des
176. rst observations of power MOSFET burnout with high energy neutrons IEEE Trans Nucl Sci vol 43 pp 2913 2920 1996 Vijay Parthasarathy K C So Z Shen and T Paul Chow 500 V N Channel Atomic Lattice Layout ALL IGBT s with Superior Latching Immunity IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS VOL 16 NO I JULY 1995 D S Peck R R Blair W L Brown and F M Smit Surface effects of radiation on transistors Bell System Technical Journal Vol 42 pp 95 129 1963 Pickel 1985 Heavy ion induced permanent damage in MNOS gate insulators Nuclear Science IEEE Transactions on 32 4176 4179 D Peyre Ch Binois R Mangeret F Bezerra R Ecoffet Power MOSFET study Fluence effect on SEE response of power MOSFET presentation at the 153 Bibliographies REED 03 RICH 87 ROUB 93 SENT 09 SEXT 03 SEXT 96 SHEN 00 SHEN 96 SHIM 94 SHOC 50 SMAR 77 SOLA 12 STAS 88 STASS 92 9th ESA ESTEC D TEC QCA meeting Villigen Switzerland January 27th2009 R A Reed J Kinnison J C Pickel S Buchner P W Marshall S Kniffin and K A LaBel Single event effects ground testing and on orbit rate prediction methods The past present and future IEEE Trans Nucl Sci vol 50 pp 622 634 June 2003 A K Richter and I Arimura Simulation of heavy charged particule tracks using focused laser beams IEEE Trans Nucl Sci vol 34 p 1
177. ructures standards a b et propos e c d respectivement suite un d clenchement SEB erresiren ei i ei E E E S 134 Figure3 33 Encha nement des tapes pour la r alisation des puces IGBT LEGA 10 eneneeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee 135 Figure3 34 Comparaison des profils de dopage en surface sous la grille obtenus partir de l diteur utilis dans les simulations lectriques pr sent es pr c demment et celui obtenu avec les simulations technologiques 140 Tableau 1 1 R capitulatif des particules pr sentes dans l environnement spatial LAMB06 31 Tableau 2 1 Caract ristiques de la cellule VDMOS sie se ssteessessssesauiseitessessanstee 64 Tableau 3 1 Param tres physiques et g om triques de la structure IGBT utilis s pour simulation 124 Tableau 3 2 tableau r capitulatif des composants test s 126 10 Introduction g n rale 11 12 Introduction g n rale Les transistors de puissance a base de la technologie MOS Metal Oxide Semi conductor sont des dispositifs attractifs pour les applications spatiales et a ronautiques en raison de la simplicit de la commande de grille du faible volume et du poids des circuits par rapport a ceux utilisant des transistors bipolaires En outre ils sont plus efficaces dans les gammes de fr quences lev es et pour des alimentations a d coupage ce qui les rend appropri s pour diff rentes utilisations comme d
178. rver la nature des particules en interaction et l nergie cin tique r actions lastiques Dans le second type une partie de l nergie incidente est utilis e pour modifier l nergie d excitation du noyau de silicium l nergie cin tique n est donc pas conserv e r actions in lastiques et non lastiques 34 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Collision lastique A Me Al p Collision non lastique n p S 12 Collision in lastique Figure 1 13 Repr sentation sch matique des deux cat gories d interactions 4 2 Interactions 1on silicium Lorsque le silicium est p n tr par une particule charg e cette derni re interagit principalement sous l effet des forces coulombiennes avec les particules charg es qui constituent les atomes de silicium HUBE O1 L ion incident qui traverse un milieu comportant une forte population d lectrons subit un grand nombre d interactions avec ces lectrons au cours desquelles 1l perd progressivement de l nergie La probabilit d un choc direct avec le noyau atomique est tr s faible Les lectrons vont subir une transition vers un tat excit par le ph nom ne d ionisation qui g n re d autres d lectrons capables de reproduire de nouvelles 1onisations comme illustr sur la Figure 1 14 a Ion incident Electrons secondaires Cr ation de d faut Figure l 14 Interaction
179. s particuli rement dans les structures de puissance est g n ralement repr sent e par deux 43 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance grandeurs la zone de s curit radiative appel e SOA Safe Operating Area et la section efficace La SOA radiative est exprim e par une dimension li e la trace 1onisante nergie quantit de charge d pos e LET en fonction de la tension de polarisation Cf Figure 1 21 a Cette grandeur sera utilis e dans ce travail La section efficace est exprim e par le nombre d v nements sur le nombre total de particules Elle est souvent trac e en fonction du LET ou de la tension de polarisation Cf Figure 1 21 b range 1 a Brange 30um arange 60um a id al ef 2 Osat E 2 geen on eee nunnnnnnnnnnnnnnnuunuxs N T 5 5 i 5 mesure EH 7 a 3 LL on Vak v LET MeV cm2 mg ou Vax V a b Figure l 21 Safe Operating Area SOA a et section efficace pour un ion incident b pour un ion donn e 10 Etat de l art sur les ph nom nes du Single Event Burn out et Single Event Latch up 10 1 Le burn out Le ph nom ne du burn out a t expliqu pour la premi re fois par Wrobel en 1985 sur un VDMOS canal N Il l a attribu au second claquage induit sur la structure NPN bipolaire parasite WROB 85 L observation de ph nom ne de Single Event Burn out SEB a t d abord
180. s se diff rencient uniquement par les technologies utilis es Les principaux circuits de protection bas s sur la d tection de surintensit sont les suivants gt Circuit de protection contre les courts circuits bas sur un caisson P flottant int gr d tection du courant HWAN 06 gt Circuit de protection utilisant un IGBT et un MOSFET SHIM 94 gt Circuit limitant la tension de grille de IGBT lors d une surintensit KUDO 95 gt Circuit permettant la d tection des surintensit s et de l chauffement SHEN 96 e Pr sentation du circuit de protection contre les courts circuits bas sur un caisson P flottant int gr d tection du courant Le circuit de protection propos par HWAN 06 est repr sent sur la Figure 3 6 Cette structure est compos e de deux transistors LDMOS de leurs r sistances polysilicium et d un caisson P flottant Le bloc Floating P well current sensing circuit compos du LDMOS M r sistance poly assure le r le de capteur de courant provenant du caisson P flottant Le bloc pull down circuit compos du transistor LDMOS M r sistance poly assure le r le de circuit d ouverture en cas de court circuit Cette technique permet d avoir un temps de r action rapide il r agit en 1 2 us et n affecte pas l tat passant de l IGBT Cette structure a t valid e par simulation en Mixed mode dans le cas d un court circuit de type I Emitter p
181. s sup rieurs 60 um pour le planar et 40 um pour le trench Ces valeurs correspondent l extension de la zone de charge d espace 400 V dans les deux cellules Dans les deux IGBT le pire cas pour provoquer un SEB correspond a un ion p n trant dans la zone intercellulaire et traversant toute la zone de charge d espace La Figure 2 20 montre aussi une saturation du LET LET seuil qui commence a partir 60 um et 40 um dans l IGBT planar et trench respectivement Cette saturation a aussi t expliqu e pr c demment dans le cas du VDMOS voir paragraphe 2 4 3 3 Cela signifie que l effet du range est aussi influent que pour les MOSFET Le crit re de d clenchement dans les IGBT ne porte pas que sur la charge d pos e un 0 06 T _ Zone de charge A ane i 3 d es g 0 05 d espace V_ 400V 5 40 3 a 5 3 0 04 ane 7 S R z 7305 E 0 03 3 E g 3 2 ce 2 g F E 510 0 02 ajo F A z D 10 z 0 01 s Q E U 0 00 0 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 Face avant Range um Face arri re Face avant Range um Face arri re Figure 2 20 LET minimal provoquant un SEB et charge d pos e correspondante en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi cellule d IGBT planar gauche et IGB
182. sation d clenchant un SEB le plus faible possible Ces r sultats nous ont aussi permis de comparer la sensibilit de ces composants 400 V l IGBT trench est le moins sensible par rapport aux autres structures et l IGBT planar est le plus sensible tandis que les deux MOSFETs ont presque la m me sensibilit aux ions lourds Nous avons d termin la tension seuil de sensibilit pour chaque structure Le SOA d un IGBT de type trench par rapport aux autres structures est bien meilleure En effet la diff rence de sensibilit entre ces structures est fortement li e la tension de polarisation faible tension de 146 Conclusion g n rale polarisation lt 300V le SJ MOSFET est plus sensible que les autres structures La sensibilit de l IGBT trench est toujours inferieure aux autres En revanche sous une tension de polarisation lev e gt 400V le SJ MOSFET devient le moins sensible Enfin nous avons montr l influence de la temp rature sur la sensibilit de chaque structure L IGBT planar NPT a une grande sensibilit de burn out a haute temp rature contrairement aux autres Structures Dans le dernier chapitre nous avons essay de proposer des solutions de durcissement pour les MOSFET et les IGBT de puissance Dans un premier temps nous avons propos deux modifications technologiques sur des IGBT classiques de type planar La premi re consiste ajouter une zone P dans la r gion intercellula
183. sation pour des ions arrivant en incidence normale sur la face avant de chaque cellule et p n trant 2 3 de la region pitaxi e De cette figure nous pouvons retenir faible tension de polarisation lt 300V le SJ MOSFET est plus sensible que les autres structures La sensibilit de l IGBT trench est toujours inf rieure aux autres 400 V la diff rence de sensibilit entre ces structures diminue et puisque la sensibilit de la structure SJ MODFET est constante l IGBT planar devient le plus vuln rable aux ions lourds Sous une tension de polarisation lev e gt 400V le SJ MOSFET est le moins sensible Ces constats pourraient expliquer pourquoi par exemple Huang et al HUA 00 ont trouv qu un transistor SJ MOSFET tait moins vuln rable au d clenchement SEB par rapport un MOSFET standard Or Ikeda et al IKED 04 ont constat qu il n y avait aucun avantage de tol rance au d clenchement SEB pour une structure SJ MOSFET Enfin il faut rappeler que nous avons d j fait des simulations des traces horizontales afin de les comparer avec des traces verticales Dans le cas du VDMOS la Figure 2 31 a montre que les traces g n r es horizontalement sont moins efficaces que celles g n r es 94 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance verticalement On trouve un facteur 2 entre les LETs qui correspond un range de 10um Ce rappor
184. structures parasites inh rentes aux composants de puissance Ces d faillances peuvent tre le r sultat de l interaction d une particule cumul e effets de dose ou d une seule particule Single Event Effects Les trois principales d faillances ont t d taill es dans le domaine qui nous pr occupe particuli rement MOSFET de puissance et IGBT en fonction du type d effet et du type de composant Ceux ci sont le Single Event Burn out SEB se trouvant dans les MOSFET et les IGBT le Single Event latch up SEL touchant seulement l IGBT et le Single Event Gate Rupture SEGR qui peut tre provoqu dans les deux structures tudi es Nous avons termin ce chapitre par un tat de l art capital pour bien conna tre la sensibilit de ces composants dans de tels environnements radiatif Notre compr hension actuelle est le r sultat des efforts de nombreux chercheurs qui ont cherch clairer ces ph nom nes souvent confus et al atoires Toutefois cela n emp che pas la d couverte de nouveaux effets dans les nouvelles technologies et les dispositifs qui sont encore d velopper Il est n cessaire d appliquer cette compr hension afin d identifier les m canismes de d faillance li s l environnement radiatif et laborer des strat gies d att nuation robustes pour assurer un fonctionnement fiable de ces semi conducteurs 56 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissan
185. substrat L 40 IGBT N Wanode 360 3x10 Uniforme substrat L 40 VDMOS Canal Ley 3 2 2 _ Afin d exploiter et v rifier les atouts de la tranch e propos e sur des conditions extr mes nous ferons l approximation d assimiler le ph nom ne de d clenchement du Single Event Burn out SEB pour des ions lourds dans un VDMOS et un IGBT planar Les traces d ionisation sont g n r es juste proximit du canal position la plus sensible dans les structures standard en faisant varier le range Toutes les simulations sont effectu es pour diff rentes polarisation a l tat bloque Ces tudes nous ont permis d observer l cart de durcissement contre l effet d ionisation provoqu par un ion lourd dans un VDMOS et dans un IGBT de type planar avec et sans tranch e de la cathode La Figure 3 28 montre que dans le VDMOS propos il n y a pas de d clenchement SEB quels que soient le parcours des ions dans le substrat et la tension de polarisation l tat bloqu En revanche un VDMOS standard est sensible tous ces ions a partir de 90V Dans VIGBT planar propos il n y a pas de ph nom ne destructif les tensions inf rieures 500 V tandis que cette m me tension est limit e 90 V dans l IGBT standard pour une m me tension de claquage dans les deux structures 600 V 129 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 18 100 16 90 E 14 rang
186. sultats en statique car il poss de la m me zone active que l IGBT planar Les dimensions de la tranch e propos e vont donc tre les m mes que celles de l IGBT planar En effet en r gime normal nous n avons pas constat de d clenchement de la structure NPN parasite dans la structure VDMOS standard car elle est d j optimis e mais nous allons montrer dans la suite de ce chapitre 123 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance l avantage de la structure VDMOS propos e par rapport la structure standard dans les conditions extr mes comme le cas de radiation par ion lourd 4 4 3 Comportement dynamique Dans cette partie nous allons comparer le comportement dynamique entre les structures standard VDMOS et IGBT et celles propos es Leurs comportement en commutation est observ en simulation a partir du circuit pr sent sur la Figure 3 23 La dur e de la largeur d impulsion appliqu e sur la grille est T 2 1 us pour le VDMOS et 200 us pour l IGBT La Figure 3 24 montre l allure du courant d anode en fonction du temps pour les deux structures On peut constater que la tranch e propos e au niveau de la cathode de chaque structure n a pas d influence sur le comportement dynamique par rapport aux structures standards l exception d une l g re diminution au niveau du courant a cause de la r duction de la zone conductrice suite a la gravure de la tranch e Va A
187. t de latchup de l IGBT 1 est crite comme suit 117 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 2V tt Eq 3 7 OA pyp Psp Em Le J ratchup IGBT 1 D apr s cette derni re quation l IGBT 1 n cessite une densit de courant de d clenchement qui est au minimum le double par rapport l IGBT standard La densit de courant de latch up de l IGBT 2 est donn e ci dessous I Latchup IGBT stan dard Eq 3 EL g ZW cell J Laichup IGBT 2 O 7 est la largeur de la r gion N cf Figure 3 12 Par cons quent 1l est clair que la diminution de la taille dans cette r gion Z augmente significativement le courant de latch up par rapport une cellule standard 4 4 Nouvelle structure propos e pour les composants de puissance grille isol e VDMOS IGBT La structure propos e porte sur une nouvelle topologie contre les ph nom nes de d clenchement parasite pour des interrupteurs de puissance grille isol e Les interrupteurs qui peuvent en b n ficier sont le VDMOS et l IGBT planar Dans ce cadre g n ral la pr sente structure concerne un design sp cifique des r gions de cathode des composants de puissance grille isol e permettant la d sensibilisation contre les ph nom nes de d clenchement li s aux structures parasites 4 4 1 Principe de la structure L ensemble des interrupteurs possede deux lectrodes de puissance Une est situ e
188. t diminue avec l augmentation du range jusqu ce qu ils soient presque quivalents Cependant la Figure 2 31 b montre que dans un IGBT planar les traces de moins de 20 um sont plus efficaces horizontalement que verticalement mais les ranges sup rieurs sont quivalents On observe galement jusqu un facteur 10 entre les traces horizontales d un VDMOS et celles d un IGBT amp Traceshorizontales Traces verticales Traceshorizontales X Traces verticales VDMOS IGBT planar m O O 2 O o O amp UT a LETmin pC um Oo oO range um range um Figure 2 31 Comparaison entre les traces ionisantes horizontales et verticales pour un VDMOS a et pour un IGBT planar b Donc pour des ranges sup rieurs plus de 20 um l orientation de la trace d ionisation n a que peu d influence sur les valeurs de LET seuils Pour le VDMOS toutes les traces verticales requi rent les LET seuils les plus faibles En revanche pour des ranges faibles moins de 20 um qui traversent l IGBT l orientation des traces est importante et les cas les plus vuln rables correspondent aux traces horizontales 3 7 Effet de la temp rature La Figure 2 32 montre que pour un VDMOS un SJ MOSFET et un IGBT trench la valeur du LET n cessaire pour provoquer un burn out diminue avec l augmentation de la temp rature Cela signifie que pour ces trois structures le cas le plus critique se trouve a basse tem
189. t les m canismes de d faillance associ s aux structures parasites inh rentes aux composants de puissance Enfin nous terminons avec l tat de l art sur l tude du burn out et du latch up dans les composants de puissance tudi s Dans le second chapitre nous allons valuer le comportement de diff rentes structures VDMOS SJ MOSFET IGBT planar et IGBT trench Dans un premier temps nous d finirons le volume sensible de ces composants a l aide de simulations num riques 2D Dans un second temps nous nous int resserons plus particuli rement aux m canismes physiques du SEB afin de bien d finir les crit res de d clenchements du ph nom ne Le LET la position d impact de la particule la profondeur et la tension de polarisation sont les principaux param tres que nous faisons varier dans cette tude Pour finir nous proposons des solutions de durcissement Dans un cadre g n ral les solutions propos es concernent la protection d un certain ion de la cellule nombre d interrupteurs de puissance a grille isol e comme les MOSFET et les IGBT contre les d clenchements parasites et en particulier contre les radiations Dans une premiere partie nous verrons bri vement quelques circuits ext rieurs dont le r le est d annuler temporairement la tension aux bornes d un composant de puissance pour d samorcer un d clenchement intempestif des structures parasites Dans une seconde partie nous pr sentons certaines modifications r
190. technologiques ont t faites afin de proposer des proc d s de r alisation adapt s cette nouvelle structure 142 Conclusion g n rale 143 144 Conclusion g n rale Les MOSFET de puissance et les IGBT sont les dispositifs les plus utilis s dans les syst mes d di s la puissance pour la gestion et la conversion de l nergie lectrique Bien qu ils soient largement int gr s au niveau du sol les MOSFET sont utilis s en tr s grand nombre dans les syst mes embarqu s spatiaux Quant aux IGBT ils sont utilis s beaucoup plus dans les syst mes embarqu s de l a ronautique Cependant diverses contraintes s opposent la fiabilit de ces derniers Parmi ces contraintes l environnement radiatif naturel peut conduire les composants semi conducteurs et les syst mes associ s des fonctionnements en r gimes extr mes et peut m me les d truire Plusieurs ph nom nes de radiations peuvent causer des probl mes catastrophiques ces composants Dans ce travail nous nous sommes int ress s en particulier aux ph nom nes de Single Event Burnout SEB et Single Event Latch up SEL Ces ph nom nes sont destructifs ils sont d clench s par le passage d une particule ionisante comme un ion lourd dans les structures de puissance Afin d apporter une meilleure compr hension de la physique de ces m canismes de d faillance cette tude consiste d finir les crit res de d clenchement du ph nom ne et
191. tes Les m mes structures ont t simul es en ne changeant cette fois c1 que l paisseur de l oxyde e et en fixant la concentration en surface de la r gion P well Par cons quent les tensions de seuil des deux structures ne sont plus les m mes et cela permet de v rifier l influence exacte de l paisseur de l oxyde de grille sur le courant de latch up du thyristor parasite Les caract ristiques Ia Vax de la structure IGBT obtenues par simulation planar pour deux paisseurs diff rentes d oxyde de grille 55 nm et 100 nm sont repr sent es sur la Figure 3 10 gauche Cette fois ci les caract ristiques I4 Vax montrent des tendances inverses de ce qui est repr sent sur la Figure 3 9 le ph nom ne de latch up se produit un niveau de courant tr s sup rieur dans l IGBT o l paisseur d oxyde de grille est de 100 nm que dans celui de 55 nm 110 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 4E 03 4 1F 04 REIS 4 T Eox 0 055 pm ei 1 oE 05 Fox 0 1 pm j Z 3E 03 4 lt EE ic D 2E 03 H 6E05 di di i A i seraa E l E rer Fe 2 AGE 4E 05 pee 1E 03 eo ae 2 ET a pe STE eens ah eee oS wR E seus 0E 00 amp OE 00 sa OE 00 1E 02 2E 02 3E 02 4E 02 0 1 23 4 5 6 7 8 9 10 Anode voltage v Gate voltage v Figure3 10 Caract ristiques I V4x gauche et I4 Vcx droite d un IGBT planar pour deux
192. tres structures 98 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 99 100 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance 1 Introduction Dans ce chapitre nous proposons des solutions de durcissement contre les radiations afin d augmenter les zones de s curit de fonctionnement SOA des composants de puissance Dans un cadre g n ral les solutions propos es concernent la protection d un certain nombre d interrupteurs de puissance grille isol e comme les MOSFET et les IGBT contre les d clenchements parasites et en particulier contre les radiations Dans une premi re partie nous verrons bri vement l effet d un circuit ext rieur dont le r le est d annuler temporairement la tension aux bornes d un composant de puissance pour d samorcer un d clenchement intempestif des structures parasites Dans une seconde partie nous pr sentons certaines modifications r alis es au niveau design permettant la d sensibilisation contre les ph nom nes de d clenchement li s aux structures parasites afin d am liorer la tenue aux radiations des composants de puissance grilles isol es 2 Ph nom nes physiques lors d un court circuit dans un IGBT La Figure 3 1 montre un organigramme qui explique les diff rents ph nom nes physiques internes de la r gion de base N d un IGBT lors d un court circuit sans prise en compte des ph nom nes thermiques Figure3 1
193. ts ranges g n r es diff rentes profondeurs au sein du volume des structures tudi es 400 V ces conditions sont toujours pour des VDMOS IGBT planar et trench une p n tration normale d un ion lourd traversant toute la zone de charge d espace Cependant le LET le plus faible d clenchant un v nement dans un transistor MOS superjonction est obtenu pour un ion traversant la totalit de la zone pitaxi e Ces r sultats nous ont galement permis de comparer la sensibilit de ces composants A 400 V PIGBT trench est le moins sensible par rapport les autres structures et VIGBT planar est le plus sensible tandis que les deux MOSFETs ont presque la m me sensibilit d ion lourd Nous avons d termin la tension seuil de sensibilit pour chaque structure Le SOA d un IGBT de type trench par rapport aux autres structures est bien meilleur En effet la diff rence de sensibilit entre ces structures est fortement li e la tension de polarisation faible tension de polarisation lt 300V le SJ MOSFET est plus sensible que les autres structures La sensibilit de l IGBT trench est toujours inferieure aux autres En revanche sous une tension de polarisation lev e gt 400V le SJ MOSFET devient le moins sensible Enfin nous avons montr l influence de la temp rature sur la sensibilit de chaque structure L IGBT planar NPT a une grande sensibilit au burn out haute temp rature contrairement aux au
194. tte tranch e Quant l IGBT planar la tension seuil de d clenchement SEB augmente de 90 V 500 V pour une m me tension de claquage de 600V Enfin nous avons fait des simulations technologiques afin de proposer des proc d s de r alisation adapt s a cette structure Ces simulations montrent quelques contraintes comme la diffusion de phosphore du polysilicium au travers l oxyde a cause du bilan thermique qui est important dans ce composant 147 Conclusion g n rale Bien videmment ce travail n est pas termin car il ouvre des perspectives importantes et fondamentales pour l lectronique de puissance utilis e dans le domaine spatial et a ronautique Nous donnons ci dessous trois principaux axes de perspectives e R aliser des exp riences sous laser ou acc l rateur permettant de valider les r sultats de simulation en particulier la SOA et les tensions seuil de d clenchement des structures que nous avons pour la premi re fois tudi es comme les IGBT trench et les MOSFET super jonction e D velopper les briques technologiques afin de r aliser des composants tests permettant de valider exp rimentalement les nombreuses solutions de structures durcies qui ont t d velopp es l aide de simulations lectriques e Refaire l ensemble de ces tudes savoir d finir les SOA et les tensions de seuil des structures de puissance sur mat riau GaN ou SiC Avant cela bien videmment il faudra calibr
195. uation g 2 8 nous obtenons Eg 2 11 V Q pyp Ra In Le latch up se produit lorsque la condition suivante est valid e Anpy pwp 1 Eq 2 12 Cette derni re se produit lorsque le gain en courant du transistor NPN est suffisamment lev lorsque la polarisation directe sur la jonction N P atteint le potentiel Vi 0 7 V ainsi le courant de latch up est exprim par Voi Eg 2 13 i liain Apup Rp Pour un IGBT planar il existe deux segments sous la r gion d metteur N 1 le segment de longueur Lg contenant l metteur N et la r gion P base ayant une r sistivit relativement grande P 2 le segment de longueur Lx contenant l metteur N et la r gion de diffusion P ayant une faible r sistivit P Voir Figure 2 25 87 Chapitre II Etude comportementale de d clenchement du SEB dans les composants de puissance CW cell planar LE Sd i L 1 a CW cen trench 2 gt W m 2 Emitter Figure 2 25 Param tres g om triques de la zone active pour l analyse de la densit de courant de latch up d un IGBT planar a et d un IGBT trench b La densit de courant de latch up de l IGBT planar est crite comme suit Vri Jia chu Planar tO Eq 2 15 Done Ween Planar PNP ose Li Psp Lr Pour simplifier nous avons CK ne P ep Lei Pop LE2 Eg 2 16 En l appliquant l quation Eg 2 15 nous obtenons V CT
196. ue le seuil de d clenchement gale 3 fois celui de la structure standard L efficacit d injection du transistor NPN est un param tre important dans le m canisme de d faillance d un IGBT Tout changement de cette efficacit modifie le gain du thyristor parasite et donc la sensibilit de la structure La Figure 3 15 pr sente une s quence de l volution de la distribution du courant total juste apr s l impact d un ion lourd dans la structure IGBT 1 Elle montre que le transistor PNP form par la diffusion P N drift substrat P se d clenche dans un premier temps en diminuant consid rablement l efficacit d injection du transistor NPN ce qui diminue le gain du thyristor parasite Dans ce cas le latch up ne se produit pas car en effet cette structure se comporte comme une structure MOSFET qui se d clenche plus rapidement par rapport un IGBT standard mais qui exige le ph nom ne d avalanche ce qui signifie que plus de porteurs sont n cessaires pour tenir le d clenchement du transistor PNP contrairement l IGBT ou le m canisme d ionisation par impact n est pas n cessaire au d clenchement du SEL LORF 97 LORF 98 Par cons quent le d clenchement ne sera que transitoire dans l IGBT propos cf Figure 3 15 114 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance UT F of te i 3 t iE MM Ih at oT O M aS a ao 29 25 re gt ei if le a ee
197. uit par un ion lourd cf Figure 1 31 et qu il y a le m me m canisme du latch up dans les trois type d IGBT a S102 SiO a IGBTHDI N J IGBTHD2 N 53 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Figure 1 30 Modifications propos es sur la diffusion P de l metteur par Lorfevre LORF 99 0 1 a 2 PT N channel IGBT PPT al gt P chanriel IGBT T Mescees p i or 0 01 N channel IGBT 0 0 5 1015 20 25 Figure l 31 Simulations du LET seuil SEL en fonction de la position d impact de l ion en surface pour 3 technologies d IGBT canal N PT et NP et canal P NPT R cemment une tude comparative entre diff rentes structures d IGBT punch through PT planar punch through PT tranch e et field stop FS tranch e a t men e par une quipe japonaise De cette tude on peut retenir que la structure FS IGBT pr sente la tension seuil de d clenchement SEB la plus lev e et qu elle a une tol rance particuli rement lev e contre les rayons cosmiques NISH 10 cf Figure 1 32 Planar gate n emitter Emitter electrode n drift layer 2 n drift layer 2 g 0 n buffer layer 3 p collector layer amp Collector electrode 5 Collector electrode Collector electrode 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 a PT type planar b PT type trench c FS type trench Applied
198. ume sensible et criteres de d clenchement en environnement radiatif ion lourd dans des composants de puissance VDMOS et IGBT Journ es Nationales du R seau Doctoral en Micro lectronique JNRDM 2011 Paris France 23 25 Mai 2011 M Zerarka D termination par simulations num riques 2D de la zone de s curit de fonctionnement SOA en Environnement radiatif des composants de puissance avanc s Journ es Nationales du R seau Doctoral en Micro lectronique JNRDM 2012 Marseille France 18 20 Juin 2011 M Zerarka Etude des r gimes extr mes de fonctionnement en Environnement radiatif des composants de puissance avanc s en vue de leur durcissement JOURNEE ANNUELLE DE L COLE DOCTORALE GEET 2012 Toulouse France 04 05 2012 158 R sum AUTEUR Moustafa ZERARKA TITRE Etude des r gimes extr mes de fonctionnement en environnement radiatif des composants de puissance en vue de leur durcissement pour les applications a ronautiques et spatiales DIRECTEUR DE THESE Patrick Austin Professeur R sum Ce travail traite de la fiabilit des composants lectroniques de puissance comme les MOSFET et les IGBT affect s par l Environnement Radiatif Naturel dans lequel ils voluent Cette probl matique fait de nos jours partie int grante de la fiabilit des composants Alors qu elle concernait initialement les composants destin s travailler en environnement radiatif s v re du type s
199. ur N et la r gion P well ayant une r sistivit PA lev e et 2 le segment de longueur Lez contenant l metteur N et la r gion de diffusion P ayant une faible r sistivit cf Figure 3 8 gauche Cependant cela ne prot ge pas compl tement la jonction J car la r gion P localis e dans la r gion P well est limit e par un compromis entre une r sistance R minimale et une tension de seuil non affect e Figure 3 8 droite Par cons quent le point repr sent sur la figure 3 7 reste toujours vuln rable au passage des trous ce qui peut cr er un potentiel sup rieur a 0 7 V ce point en d clenchant la jonction J Pour cela il y a une autre technique utilis e qui permet de r duire consid rablement la valeur de la r sistance Rp et repousser le niveau de courant de latch up Elle consiste augmenter la concentration en surface de la r gion P well et diminuer l paisseur de l oxyde de grille ox pour maintenir la valeur de la tension de seuil BALI 95 6000 N 5000 Emetteur Grille D Tension de seuil v 4000 on 3000 gt 2000 wo 1000 Densit de courant du latchup A sq cm LE um Figure3 8 G om trie d un IGBT planar montrant les segments Lg et Lp gauche influence du segment Lg sur la densit de courant du latch up et la tension de seuil droite Afin de v rifier l influence de la concentration en surface de la r gion P wel
200. ure IGBT propos e et standard 123 Figure3 23 Circuit de commutation sur une Charge r sistive ssssss 124 Figure3 24 Allure du courant d anode durant un cycle de commutation pour les structures VDMOS haut et KELLOT EEE 125 Figure3 25 Montage de charge de grille courant constant pour un VDMOS haut et un IGBT bas 126 Figure3 26 Essai de charge de grille haut et l volution de la tension d anode et du courant d anode en fonction du temps bas pour toutes les structures CUICICES sais cuseconsccceues eaveseanecsacencetenebeaatouven rn Enar NN aen NE EEE EEEE EENE r Sr Oai aare aies 127 Figure3 27 Localisation des capacit s inter lectrodes des structures propos es droite et standards gauche 128 Figure3 28 Minimal LET d clenchant un SEB pour diff rentes polarisations et diff rents range pour des ions lourds provenant de la face avant de VDMOS IGBT standard et du VDMOS IGBT propos 130 Figure3 29 Distribution de lignes de courant des trous dans la structure propos e a et une structure standard b Seats A A N E E E yeas E A A A E E E A N E E 132 Figure3 30 R partition du champ lectrique dans la structure standard avant et apr s le latchup 0 132 Figure3 31 R partition du champ lectrique dans la structure propos e aux m mes instants que la Figure 3 25 133 Figure3 32 Distribution de la temp rature et la densit de courant dans les st
201. usion cette technologie permet de r duire la taille des sections MOS afin d exploiter utilement la surface de la puce destin e cette r alisation Cette technologie am liore le niveau de courant de latch up du thyristor parasite CHAN 87 et limine compl tement l effet JFET entre les substrats P des cellules N IGBT CHAN 89 Les principaux inconv nients de cette technologie sont d abord les proc d s technologiques complexes pour sa r alisation par rapport la technologie planar ainsi que le niveau du courant tr s fort en court circuit cause de sa grande transconductance 23 Chapitre I L environnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance Grille Grille Grille p N neck NTS p p a neck ask p P well P well P well P well N epi N epi gt Nepi Couche tampon N Substrat P Substrat P Substrat P a Collecteur b Collecteur c Collecteur Figure l 3 Coupe verticale d un transistor IGBT IGBT NPT a IGBT PT b et IGBT trench c 3 L environnement radiatif naturel Il est n cessaire de conna tre l environnement radiatif naturel afin de pouvoir comprendre les ph nom nes de radiations et leurs effets sur les composants de puissance pr sent s dans les paragraphes pr c dents De ce fait une description des types de radiations rencontr es sera effectu e 3 1 Rayonnement cosmique Ce type de rayonnement a t d couvert par V Hess en 1912 Tre
202. vant 137 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance D laquage r sine plasma O 15 min 800W Nettoyage PIRANHA H S0 H20 1 1 2 min rin age EDI s chage Photolithographie P face avant avec alignement masque 5 P face avant Implantation P face avant Bore Dose 1 10 cm Energie 50 kev ree eee eee eee eee E Sio Bore EER PolySi Substrat P DEMI R sine D laquage r sine plasma O 15 min 800W Nettoyage PIRANHA H S0 H 0 1 1 2 min rin age EDI s chage Redistribution P et P lation RS Photolithographie N face avant avec alignement masque 6 EE face avant Implantation N face avant 10 138 Chapitre III Solutions de durcissement des composants de puissance Contact et m tallisation Etape ge 12 D p t LPCVD de nitrure Siz3N 1200 Csi sio PolySi HE Arsenic Ld SiN Photolithographie contact face avant avec alignement masque 7 contact face avant Gravure RIE de nitrure jusqu silicium 1 30 HF 10 30s rincage EDI s chage azote D p t aluminium face avant Gravure Si3N4 et du SiO2 face arri re Substrat P Lift off Aluminium Protection face avant d p t r sine 2 7 um suivi d un recuit a 105 C 1 min Photolithographie contact face arri re avec alignement masque 8 contact face arri re G

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