Algerian Conference on Microelectronics

Présentation au sujet: "Algerian Conference on Microelectronics"— Transcription de la présentation:

1 Algerian Conference on Microelectronics
ACM’02 October 13-15, 2002 ALGIERS El Aurassi Hotel

2 Jean-Pierre Charles jp.charles@ieee.org C2EA – MOPS – CLOES
ACM’02 – octobre ALGER Jean-Pierre Charles C2EA – MOPS – CLOES Université de Metz SUPELEC 2, rue Edouard Belin Metz Université de Metz

3 Université de Metz et SUPELEC
Université pluridisciplinaire UFR Sci-FA Institut Centre Lorrain d'Optique et d'Electronique des Solides (CLOES) : Dominique DURAND. Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (MOPS) : Marc FONTANA Composants, Electronique et Environnements Agressifs (C2EA) : Jean-Pierre CHARLES " Défauts, comportement et fiabilité de composants sous conditions extrêmes. Durcissement de circuit"

4 Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes CNRS - FRE 2304
Merci de visiter: Les activités de recherche Deux thématiques complémentaires sont engagées: - matériaux et fonctionnalités optiques - fonctions optiques et systèmes

5 Université de Metz et SUPELEC
Université pluridisciplinaire UFR Sci-FA Institut Centre Lorrain d'Optique et d'Electronique des Solides (CLOES) : Dominique DURAND. Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (MOPS) : Marc FONTANA Composants, Electronique et Environnements Agressifs (C2EA) : Jean-Pierre CHARLES " Défauts, comportement et fiabilité de composants sous conditions extrêmes. Durcissement de circuit"

6 Metz - Montpellier - Perpignan
C2EA (CEHE) Composants, Electroniques et Environnements Agressifs Components, Electronics, and Harsh Environments Groupe de recherche multi-sites : Metz - Montpellier - Perpignan

7 Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes CNRS-FRE-2304
C2EA Metz, le MOPS Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes CNRS-FRE-2304 Montpellier, le CEM2 Centre d'Electronique et Micro-optoélectronique de Montpellier UMR CNRS 5507 Perpignan, le CSTIC Centre des Sciences et Techniques pour l'Innovation et la Communication Semiconductor Physics / Energy / Microelectronics Site à visiter :

8 Simulation physique: outil de conception et caractérisation
ACM’02 – octobre ALGER Simulation physique: outil de conception et caractérisation Jean-Pierre Charles (Metz) Francis Dujardin (Metz) Alain Hoffmann (Montpellier) Omar El Mazria (Nancy) et Ahmed Haddi (Casablanca)

9 Micro-opto-électronique
ACM’02 – octobre ALGER Micro-opto-électronique SIMULATIONS en Conception / simulation de structures tests de composants avec quoi…. les outils par quoi…. le contexte pourquoi…. des applications

10 outil de conception et caractérisation
Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions

11 Fabrication (informations techno & process)
Méthode Objectifs QUALITE FIABILITE Conception Fabrication (informations techno & process) Simulation SILVACO Caractérisation Dégradations INFORMATION Utilisation / environnement 1 2 3 4 5 Simulation électrique SPICE +

12 Conception/simulation
La performance de tout composant dépend fortement de la technologie utilisée dans sa fabrication. Miniaturisation complexité des process L’approche expérimentale démarche hasardeuse coût élevé Simulation de process réduire le coût & assurer de nouvelles innovations.

13 outil de conception et caractérisation
Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions

14 Prévisions technologiques
La « Loi » de Moore des circuits intégrés (mémoires et circuits logiques): Depuis 35 ans: - Croissance exponentielle de la vitesse et de la densité fonctionnelle Décroissance exponentielle de la puissance dissipée et du coût de fonction. le nombre de bits mémoire par puce a quadruplé tous les ¾ ans la vitesse des microprocesseurs a doublé tous les 3 ans (2MHz pour le 8080 dans les années 70 à plus de 1GHz actuel.) la techno est passée de 8µm en 1972 à 0,13µm en 2000

15

16 Elément clé de l’intégration
Lg : longueur physique de la grille d’un MOSFET Les projections faites en 99 ont été avancées de 5 ans en 2001 ! Cette accélération dans la réduction d’échelle reflète le besoin de l’industrie de maximiser la vitesse des puces. Une vitesse maximale ne va pas avec une puissance dissipée minimisée ! ! ITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors from the Semiconductor Industry Association

17 Procédé de photolithographie classique
UV Dépôt de la couche Dépôt de la résine & Recuit de séchage Masque Développement Gravure Enlèvement de la résine 1 2 3 4 5 6 ! La réduction de taille est limitée par l’utilisation de masques transparents !

18

19 Résolution: F ( K )

20 RESOLUTION Résolution: F ( K )  : longueur d’onde Type de résine  K
Résine ultra-mince (K=0.3) Résine multi-couche (K=0.5) Résine mono-couche (K=0.75) Résine sur surface réfléchissante (K=1.1)  : longueur d’onde Lampe à vapeur de mercure (le plus courant) 3 raies (proche UV): g (436nm), h(405nm), i(365nm) Lithographie UV lointain 248nm (laser eximer) Rayon X, électrons (F=qq nm)

21 Extreme UltraViolet (EUV)
Optical lithography involves use of photon and transmission photomask Photomasks have high coefficient of thermal expansion Hence: due to masks errors  < 157 nm is lower limit of optical lithography Node (nm) Production Year (nm) 130 2001 90 2004 65 2007 157 45 2010 13.4 ? 32 2013 22 2016

22 Next Generation Lithography (NGL)
Candidates are: EUV with  ~ 13.4 nm There are no existing transparent materials All optics and mask must be reflective Multilayer films can be constructed (alterning Mo/Si) as reflectors EUV masks are patterned absorbers on top IPL : ion projection lithography PEL : proximity electron lithography PXL : proximity X-ray lithography ML2 : maskless lithography

23 outil de conception et caractérisation
Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions

24

25 Outils SILVACO Outils interactifs TonyPlot DevEdit DeckBuild Optimizer
Simulation de process de composant Extraction de paramètres de circuit ATHENA ATLAS UTMOST SMART SPICE Cahier des charges Conditions de polarisation Description de la structure Masques Caractéristiques Paramètres du modèle SUPREM 3-4 FLASH OPTOLITH ELITH PISCES BLAZE LUMINOUS GIGA MIXEDMODE Outils de simulation Performances du circuit

26 outil de conception et caractérisation
Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions

27 IGBT x 25

28 IGBT x 750

29 Présentation de l’IGBT
29 Présentation de l’IGBT Structure de type Darlington N+ P+ N- Anode Grille Cathode P MOSFET alimentant la base d’un bipolaire IE=IC+IB et IC= IB Epaisseur d’oxyde de grille: 0.1µm Tension de claquage de grille: 60V Tension limite de grille constructeur: 20V Le courant de latchup correspond à la perte de contrôle de l’IGBT par la grille. L’amélioration de la tenue de l’IGBT au latchup avec la dose (augmentation du courant de déclenchement) est due à une diminution de gain en courant b du transistor PNP. Présence d’une structure PNPN Effet thyristor (latchup) non désirable IGBT

30 30 Courants dans l’IGBT - Courant de base est le même que le courant dans le MOSFET N+ P+ N- Anode Grille Cathode P - Courant de l’IGBT est le courant émetteur du bipolaire IB=IMOS IAK=IE=(+1)IB VAK est la somme: Chute de tension dans le canal du MOSFET + Chute de tension dans la jonction base-émetteur P+N- La chute de tension aux bornes d’un IGBT en polarisation directe ne peut pas descendre en dessous de la tension de seuil de la diode Vbi :: tension de déchet. VAK=VDS+VBE Equation globale IGBT

31 3 types d’IGBTs VAK (V) Création de défauts dans le volume du SC
100 IRGBC20S IRGBC20F IRGBC20U VGK (V) = 8 V IAK (mA) IGBT A RS Standard 3.0 0.7 Fast 2.2 0.8 Ultrafast 3.3 50 La caractéristique de la jonction base-émetteur permet de différentier simplement les types d’IGBT. La variation de Rs correspond à la variation de la conductance du canal MOS et à celle de la couche épitaxiée. Parsuite d’études comparatives avec des VDMOSFETs: Une irradiation produit un retrécissement de la zone de charge d’espace et un rallongement de la zone de diffusion: Augmentation de densité des centres recombinants modifie la proportion du courant passant par le canal (réduction du gain). EN FAIT c’est cette re-distribution des lignes de courant (préférentielle par le canal) qui produit l’allongement apparent de la zone de diffusion. VAK (V) 1 Création de défauts dans le volume du SC Traitement par irradiation Augmentation de la vitesse de commutation Optimisation

32 Simulation des IGBTs Optimisation de la dose
IRGBC20S IRGBC20F IRGBC20U ATHENA ATLAS 2-D Type d'irradiation : électrons de 4 MeV (NPL) Irradier des composants standard IRGBC20S pour différentes doses (1, 4 et 8 Mrad(Si)) Réaliser un recuit pour éliminer les charges piégées dans les oxydes (573 K 10mn) Mesurer les caractéristiques dynamiques et statiques Simuler les effets de l'irradiation sur la structure Introduction d'un niveau accepteur Ev+0.27 (eV) (sn= et sn= ) Introduction d'un niveau donneur Ec-0.16 (eV) (sn= et sn= ) Ajuster la densité de défauts La simulation réalisée est une pseudo-3D car SILVACO permet de faire une simulation 2D à symétrie cylindrique. - La structure hexagonale est bien approximée par un cylindre. - L’axe du cylindre est le centre d’une cuvette « source ».

33 IGBT à la fermeture IRGBC20S Durée de vie des porteurs minoritaires en fonction de la dose: Obtention de la durée de vie: Forme d'onde à la fermeture Gain du bipolaire: IEEE TNS, V44, N1, 1997

34 Simulation des lignes de courant dans l’IGBT avant irradiation
Lignes de courant obtenues pour une polarisation situant l’IGBT à la limite de l’apparition du latchup :: fonctionnement normal. Ib: courant du canal en surface de la zone P sous la grille. Ic: courant direct entre Anode et Cathode. IRGBC20S

35 Simulation des lignes de courant dans l’IGBT après irradiation
par électrons de 4 MeV à 8Mrad(Si) Après irradiation: La proportion du courant passant par le canal est plus importante: Ceci illustre la diminution du gain b lorsque la dose augmente. IRGBC20S

36 Comparaison simulation-mesure
IRGBC20S Amélioration de la tenue au latchup: Le courant de latchup correspond à la perte de contrôle de l’IGBT par la grille. L’amélioration de la tenue de l’IGBT au latchup avec la dose (augmentation du courant de déclenchement) est due à une diminution de gain en courant b du transistor PNP. La condition de déclenchement du latchup a lieu quand le transistor parasite NPN est polarisé en direct: Rp.Ic >= Vbe(NPN) IAK = Ib + Ic b = Ic / Imos Amélioration du temps de commutation IEEE TNS, V44, N1, 1997

37 Dégradation de la tension de déchet
IRGBC20S Fonctionnement: VAK pour IAK=100 mA et VGK=8 V Optimisation des performances par le choix de la dose T Hautes fréquences: temps de fermeture privilégié Evolution du temps de fermeture en fonction de la tension de déchet: Pour applications à hautes fréquences: Le temps de fermeture doit être privilégié. Pour applications à hautes tensions: La tension de déchet sera privilégiée. Hautes tensions: tension de déchet privilégiée IEEE TNS, V44, N1, 1997

38 outil de conception et caractérisation
Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions

39 39 VDMOSFET, IGBT, MCT Le MCT est un thyristor commandé en blocage (ouverture) et en amorçage (fermeture) par des MOSFETs Applications dans les domaines de forte puissance  excellent pouvoir de coupure en blocage ( 200 A.cm-2)  très faible tension de déchet après amorçage ( 1V)  utilisation d’une seule grille pour la commande  process de fabrication compliqué: à triple diffusion  impossibilité de contrôle du courant SOA Aire de sécurité Safe Operating Area Capacité pour un transistor de supporter des niveaux élevés de tension et de courant simultanément.  faible aire de fonctionnement MCT

40 40 Photos d’un MCT MCT G35P60F1 Photos ESA-ESTEC

41 Structure du MCT Thyristor PNPN
41 Structure du MCT MCTG35P60F1 MCT65P100F2 Thyristor PNPN Commandé en fermeture (amorçage) par un P-MOSFET ON Commandé en ouverture (blocage) par un N-MOSFET OFF Schéma équivalent:deux transistors bipolaires (PNPN) commandés par les deux MOSFETs

42 Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF
42 Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm2 10 mm

43 Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF
43 Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm2 10 mm

44 Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF
44 Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm2 10 mm

45 Simulation-2D du MCT à l’aide de ATLAS
45 Simulation-2D du MCT à l’aide de ATLAS Caractéristique de transfert IAK-VGA / P-MOSFET Simulation de la structure et de la caractéristique C-V du MCT / N-MOSFET Simulation-2D effectuée à partir du logiciel ATLAS et en utilisant les paramètres géométriques et les dopages donnés par [TEMPLE] Modélisation de la structure MCT Régions et dopage Choix des modèles physiques Définition du maillage Calibrage des paramètres

46 Construction de la structure
46 Construction de la structure Régions ATLAS 2D -0,07 Région 2 (oxyde) 15 Région 1 (silicium) 85 Y (µm) X (µm)

47 Profil de dopage Axe OY CATHODE ANODE GRILLE -0,07 Région 2 (oxyde) 15
47 Profil de dopage Axe OY CATHODE ANODE GRILLE -0,07 Région 2 (oxyde) 15 Y (µm) X (µm) P+ N P- N+ Région 1 (silicium) 85 ATLAS 2D

48 Construction du maillage de la structure test
48 Construction du maillage de la structure test P-épi N-well J1 J2 N+ P+ Résultats précis  Maillage fin (beaucoup de nœuds)  temps de calcul important  recherche d’un compromis entre temps et précision de la simulation ATLAS 2D

49 Modèles physiques et calibrage des paramètres
49 Modèles physiques et calibrage des paramètres Modélisation  des phénomènes de forte injection, de forts dopages, de recombinaison et des effets du champ électrique... Calibrage des paramètres des modèles  influence des paramètres physiques et technologiques sur les caractéristiques électriques de la structure MCT simulée Forts dopages: N+ et P+  forte injection  model FERMIDIRAC Tensions de seuil des MOSFETs Gains des deux bipolaires Recombinaison: Auger  model AUGER Shockley-Read-Hall  model RSH Temps de commutation et tension de déchet du MCT Durée de vie des porteurs minoritaires Mobilité : concentration  model CONMOB champ électrique (effets des porteurs chauds)  model FLDMOB ATLAS 2D

50 Irradiation neutron Effets après irradiation neutron
50 Irradiation neutron Effets après irradiation neutron effet de déplacement des atomes du silicium effet d’ionisation (présence de gammas) Réacteur : PROSPERO (CEA-DAM Valduc) Deux fluences ont été réalisées : 5x1013 n équivalent 1MeV/cm2  7,8 krad(Si) 1x1014 n équivalent 1MeV/cm2  11 krad(Si) CEA-DAM

51 Simulation des effets dus à l’irradiation neutron / MCT
51 Simulation des effets dus à l’irradiation neutron / MCT Application au composant MCT densités de défauts introduites = 5x1013 et 1x1014 cm-3 Simulation en statique caractéristique de sortie IAK-VAK ATLAS-2D

52 Simulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCT
52 Simulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCT Simulation en statique tension de déchet ATLAS-2D

53 Simulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCT
53 Simulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCT Simulation en dynamique Forme d’onde du courant Simulation en dynamique évolution de tf et  ATLAS-2D

54 Conclusion / composants
54 Conclusion / composants Caractérisation & simulation  étude des « dégradations » Irradiations à effets de déplacement introduction de défauts dans le volume du semiconducteur même tendance pour les différentes structures testées: amélioration du temps d’ouverture dégradation de la tension de déchet et des courants de fuite éloignement du verrouillage vers des tensions plus grandes

55  La caractérisation reste incontournable
55 Conclusion 1 Simulation physique: outil de conception La caractérisation reste incontournable pour le calibrage (la réalité physique….!)  SIMULATION – octobre ALGER

56  La simulation permet de vérifier et confirmer
56 Conclusion 2 Simulation physique: outil de conception et de caractérisation de dégradations La simulation permet de vérifier et confirmer les hypothèses issues des résultats de la caractérisation  SIMULATION – octobre ALGER

57 Simulation physique: outil de conception et caractérisation
ACM’02 – octobre ALGER Simulation physique: outil de conception et caractérisation Jean-Pierre Charles (Metz) Francis Dujardin (Metz) Alain Hoffmann (Montpellier) Omar ElMazria (Nancy) et Ahmed Haddi (Casablanca)

58 MEDITERRANEAN CONFERENCE ENERGY and ENVIRONMENT, MATERIALS and SYSTEMS
COMPLES’2k3 First Call MEDITERRANEAN CONFERENCE on ENERGY and ENVIRONMENT, MATERIALS and SYSTEMS Aleppo - Syria, March , 2003 Renewable Energies: solar, wind, biomass, geothermal, conversion, production, control and storing, new technologies,... Developments: use of materials, architecture, drying, air conditioning,... Environment and Pollution: atmospheric, ocean, ground and interfaces qualities, treatment and recycling of wastes,... WEB SITE

59 Université de Metz et SUPELEC
Université pluridisciplinaire UFR Sci-FA Institut Centre Lorrain d'Optique et d'Electronique des Solides (CLOES) : Dominique DURAND. Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (MOPS) : Marc FONTANA Composants, Electroniques et Environnements Agressifs (C2EA) : Jean-Pierre CHARLES " Défauts, comportement et fiabilité de composants sous conditions extrêmes. Durcissement de circuit"