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C2EA ACM02 October 13-15, 2002 ALGIERS El Aurassi Hotel Algerian Conference on Microelectronics.

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1 C2EA ACM02 October 13-15, 2002 ALGIERS El Aurassi Hotel Algerian Conference on Microelectronics

2 C2EA Jean-Pierre Charles ACM02 – octobre ALGER Université de Metz C2EA – MOPS – CLOES Université de Metz SUPELEC 2, rue Edouard Belin Metz

3 C2EA 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 C2EA Les activités de recherche Deux thématiques complémentaires sont engagées: - matériaux et fonctionnalités optiques - fonctions optiques et systèmes Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes CNRS - FRE Merci de visiter:

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

7 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 C2EA 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) ACM02 – octobre ALGER

9 C2EA SIMULATIONS en Micro-opto-électronique avec quoi…. les outils par quoi…. le contexte pourquoi…. des applications ACM02 – octobre ALGER Conception / simulation de structures tests de composants

10 C2EA 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 Simulation physique outil de conception et caractérisation

11 C2EA Méthode Objectifs QUALITE FIABILITE Conception Fabrication (informations techno & process) Simulation SILVACO Caractérisation Dégradations INFORMATION Utilisation / environnement Simulation électrique SPICE

12 C2EA Conception/simulation La performance de tout composant dépend fortement de la technologie utilisée dans sa fabrication. Miniaturisation complexité des process Lapproche expérimentale démarche hasardeuse coût élevé Simulation de process réduire le coût & assurer de nouvelles innovations.

13 C2EA 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 Simulation physique outil de conception et caractérisation

14 C2EA 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 C2EA

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

17 C2EA Procédé de photolithographie classique UV Dépôt de la couche Dépôt de la résine & Recuit de séchage Masque Développement Gravure Enlèvement de la résine ! La réduction de taille est limitée par lutilisation de masques transparents !

18 C2EA

19 Résolution: F ( K )

20 C2EA RESOLUTION : longueur donde 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) Résolution: F ( K ) 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)

21 C2EA 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) ? ? ?

22 C2EA 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 C2EA 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 Simulation physique outil de conception et caractérisation

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25 Outils SILVACO Outils interactifs Outils de simulation Simulation de process Simulation de composant Extraction de paramètres Simulation de circuit ATHENA ATLAS UTMOST SMART SPICE TonyPlotDevEditDeckBuildOptimizer 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 Performances du circuit

26 C2EA 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 Simulation physique outil de conception et caractérisation

27 C2EA IGBT x 25

28 C2EA IGBT x 750

29 C2EA Présentation de lIGBT N+ P+ N+ N- N+ Anode Grille Cathode P P+ MOSFET alimentant la base dun bipolaire Présence dune structure PNPN Effet thyristor (latchup) non désirable I E =I C +I B et I C = I B IGBT Structure de type Darlington 29

30 C2EA Courants dans lIGBT - Courant de base est le même que le courant dans le MOSFET I B =I MOS I AK =I E =( +1)I B V AK =V DS +V BE - Courant de lIGBT est le courant émetteur du bipolaire N+ P+ N+ N- N+ Anode Grille Cathode P P+ Equation globale IGBT 30

31 C2EA 3 types dIGBTs Création de défauts dans le volume du SCTraitement par irradiation Augmentation de la vitesse de commutation Optimisation I AK (mA) V AK (V) V GK (V) = 8 V IRGBC20S IRGBC20F IRGBC20U IGBTARSRS Standard Fast Ultrafast2.23.3

32 C2EA 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) ( n = et n = ) Introduction d'un niveau donneur Ec-0.16 (eV) ( n = et n = ) Ajuster la densité de défauts

33 C2EA IGBT à la fermeture IEEE TNS, V44, N1, 1997 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: IRGBC20S

34 C2EA Simulation des lignes de courant dans lIGBT avant irradiation IRGBC20S

35 C2EA Simulation des lignes de courant dans lIGBT après irradiation par électrons de 4 MeV à 8Mrad(Si) IRGBC20S

36 C2EA Comparaison simulation-mesure IRGBC20S Amélioration de la tenue au latchup: IEEE TNS, V44, N1, 1997 Amélioration du temps de commutation

37 C2EA Dégradation de la tension de déchet IRGBC20S IEEE TNS, V44, N1, 1997 Fonctionnement: V AK pour I AK =100 mA et V GK =8 V Optimisation des performances par le choix de la dose Hautes fréquences: temps de fermeture privilégié Hautes tensions: tension de déchet privilégiée

38 C2EA 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 Simulation physique outil de conception et caractérisation

39 C2EA 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 dune seule grille pour la commande process de fabrication compliqué: à triple diffusion impossibilité de contrôle du courant faible aire de fonctionnement MCT 39

40 C2EA Photos dun MCT 40 Photos ESA-ESTEC MCT G35P60F1

41 C2EA Structure du MCT Thyristor PNPN Commandé en fermeture (amorçage) par un P-MOSFET Schéma équivalent:deux transistors bipolaires (PNPN) commandés par les deux MOSFETs Commandé en ouverture (blocage) par un N-MOSFET 41 ON OFF MCTG35P60F1 MCT65P100F2

42 C2EA Structure complète dune cellule ON entourant les 8 cellules OFF 42 Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture 10 m groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm 2

43 C2EA Structure complète dune cellule ON entourant les 8 cellules OFF m groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm 2 Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture

44 C2EA Structure complète dune cellule ON entourant les 8 cellules OFF m groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm 2 Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture

45 C2EA Simulation-2D du MCT à laide de ATLAS Caractéristique de transfert I AK -V GA / P-MOSFETtransfert 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][TEMPLE] Modélisation de la structure MCT Régions et dopage Définition du maillage Choix des modèles physiques Calibrage des paramètres 45

46 C2EA Construction de la structure Régions Y (µm) X (µm) 0 -0,07 Région 2 (oxyde) 15 Région 1 (silicium) 85 ATLAS 2D 46

47 C2EA Profil de dopage Y (µm) X (µm) 0 -0,07 Région 2 (oxyde) 15 Région 1 (silicium) 85 CATHODE ANODE GRILLE Axe OY ATLAS 2D 47 P+ N P- N+

48 C2EA Construction du maillage de la structure test Résultats précis Maillage fin (beaucoup de nœuds) temps de calcul important recherche dun compromis entre temps et précision de la simulation P-épi N-well J1J1 J2J2 N+ P+ ATLAS 2D 48

49 C2EA Modèles physiques et calibrage des paramètres Forts dopages: N+ et P+ forte injection model FERMIDIRAC Recombinaison: Auger model AUGER Shockley-Read-Hall model RSH Mobilité : concentration model CONMOB champ électrique (effets des porteurs chauds) model FLDMOB 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 Tensions de seuil des MOSFETs Gains des deux bipolaires Temps de commutation et tension de déchet du MCT Durée de vie des porteurs minoritaires ATLAS 2D 49

50 C2EA Irradiation neutron Effets après irradiation neutron effet de déplacement des atomes du silicium effet dionisation (présence de gammas) CEA-DAM Deux fluences ont été réalisées : 5x10 13 n équivalent 1MeV/cm 2 7,8 krad(Si) 1x10 14 n équivalent 1MeV/cm 2 11 krad(Si) 50 Réacteur : PROSPERO (CEA-DAM Valduc)

51 C2EA Simulation des effets dus à lirradiation neutron / MCT ATLAS-2D Application au composant MCT densités de défauts introduites = 5x10 13 et 1x10 14 cm -3 Simulation en statique caractéristique de sortie I AK -V AK 51

52 C2EA Simulation des effets dus à lirradiation neutron : MCT ATLAS-2D Simulation en statique tension de déchet 52

53 C2EA Simulation des effets dus à lirradiation neutron : MCT ATLAS-2D Simulation en dynamique évolution de t f et Simulation en dynamique Forme donde du courant 53

54 C2EA 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 douverture dégradation de la tension de déchet et des courants de fuite éloignement du verrouillage vers des tensions plus grandes 54

55 C2EA Conclusion 1 55 Simulation physique: outil de conception La caractérisation reste incontournable pour le calibrage (la réalité physique….!) SIMULATION – octobre ALGER

56 C2EA Conclusion 2 56 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 C2EA Simulation physique: outil de conception et caractérisation Jean-Pierre Charles (Metz) Francis Dujardin (Metz) Alain Hoffmann (Montpellier) Omar ElMazria (Nancy) et Ahmed Haddi (Casablanca) ACM02 – octobre ALGER

58 C2EA COMPLES2k3 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 C2EA 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"


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