Liste des symboles - Paul Sabatierthesesups.ups-tlse.fr/2149/1/2013TOU30218.pdfpremiers qui m¶ont...

1

En vue de lobtention du

DOCTORAT DE LUNIVERSITE DE TOULOUSE

Dlivre par : lUniversit Toulouse III - Paul Sabatier

Discipline ou spcialit : Conception de Circuits Microlectroniques et Microsystme

Prsente et soutenue par Moustafa ZERARKA

Le 19 juillet 2013

tude des rgimes extrmes de fonctionnement en

environnement radiatif des composants de puissance en vue de

leur durcissement pour les applications aronautiques et spatiales

JURY

F. MORANCHO Professeur, UPS, Toulouse Prsident

C. SCHAEFR Professeur, IPG, Grenoble Rapporteur

H. MOREL Directeur de Recherche, INSA, Lyon Rapporteur

D. FLORES Professeur, CSIC, Barcelone Examinateur

A. TOUBOUL Matre de Confrences, IES, Montpellier Examinateur

M. BAFLEUR Directrice de Recherche, LAAS, Toulouse invite

P. AUSTIN Professeur, UPS, Toulouse directeur de thse

Ecole doctorale : GEET Unit de recherche : LAAS-CNRS

Directeur de thse : Patrick AUSTIN

3

mon pre Abedelkader, ma mreZohra

mes surs Nacira,, Oumelkhier et Djahida

mes frres Abdelhadi et Omar

ma femme Khadidja

4

Remerciements

Les travaux prsents dans ce mmoire ont t effectus au sein du groupe Intgration des Systmes

de Gestion de lnergie (ISGE) du Laboratoire dAnalyse et dArchitecture des Systmes (LAAS) du

Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) Toulouse, dans le cadre de projet EPOPE

Effects of Particles On Power Electronics financs par le centre de recherche EADS Innovation

Works (IW) du groupe EADS.

lissue de cette thse, je souhaite tout d'abord remercier Messieurs CHATILA, SANCHEZ et

ARLAT directeurs successifs du LAAS pour mavoir accueilli au sein du Laboratoire. Je tiens aussi

remercier Madame Marise BAFLEUR et Monsieur Frdric MORANCHO, responsables successifs

du groupe ISGE, de mavoir ouvert les portes de leur quipe et permis dentreprendre cette tude. Je

tiens remercier galement Monsieur Alain CAZARRE directeur de lcole doctorale Gnie

Electrique, Electronique, Tlcommunications (GEET).

Je remercie tout particulirement Monsieur Patrick AUSTIN qui a dirig ces travaux pour ses qualits

scientifiques et pdagogiques, pour sa confiance et son soutien. En plus, ses qualits humaines, son

sens de lhumour et sa bonne humeur font quil est toujours agrable ctoyer et travailler avec lui. Je

lui adresse, par ces quelques mots, ma plus profonde gratitude.

Je remercie normment Messieurs Christian SCHAEFFER et Herv MOREL pour avoir accept

dtre les rapporteurs de mes travaux de thse. Je remercie galement les membres du jury, Messieurs

David FLORES, Antoine TOUBOUL et Monsieur Frdric MORANCHO qui ma fait lhonneur de

prsider le jury de ma thse.

Jexprime tous mes remerciements et ma sympathie Gatan TOULON pour avoir suivi et particip

mes travaux. Les discussions scientifiques que nous avons pu avoir durant toutes ces annes ont

toujours t trs enrichissantes pour moi. Je tiens vraiment lui exprimer ma profonde reconnaissance

pour le temps quil 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

frdric MORANCHO qui ont suivi de prs mes travaux et qui ont toujours pris le temps de rpondre

mes questions et corriger soigneusement les articles quon a fait ensemble.

Je voudrais galement remercier et exprimer mon amiti Houssem HARBESS et Hakim TAHIR, les

premiers qui mont appris construire une jonction P/N sous Sentaurus, pour leurs aides pertinents

dans ce travail, par lchange dinformations, les discussions instructives et par lentraide sur tous les

plans sans oublier les agrables moments familiaux et lambiance folle des petits adorables Tarik et

Wafa.

Je remercie particulirement Monsieur Henri SCHNIDER avec qui jai commenc mon aventure au

LAAS, Ctait trs agrable de mener le stage de MASTER2 avec toi. Merci pour la qualit

dencadrement qui ma donn lenvie de continuer dans la recherche, merci pour tes conseilles et

surtout ta gentillesse.

Je souhaite remercier vivement toute lquipe ISGE pour son bienveillance et son soutien durant ces

annes; Magali BRUNET, Abdelhakim BOURENNANE, Patrick TOUNSI, sans oublier laimable

secrtaire du groupe Madame Claude LAFORE.

Je remercie tous le service du personnel du LAAS en particulier Camille CAZENEUVE pour leurs

soutiens administratifs durant la thse.

5

Je tiens aussi saluer et remercier mes collgues et amis du laboratoire dont bon nombre a dailleurs

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 DjAGHLAF (croco de ponsan), mes deux anciens colocataires

les deux BOURENNANE Walid et Imad ainsi qu Toufik AZOUI (ghoulba) sans oublier Bilal

ALMASRI avec lesquels jai pass des aventures et des moments inoubliables, merci pour lentraide

sur tous les plans, vous tiez toujours prsent dans les moments difficiles. A propos de ces moments

jaimerais galement saluer et remercier infiniment Abedennasser HAMIDI davoir pris soin de moi

durant toute ma convalescence (merci encore !)

Je tiens aussi remercier nos amis dALSAT Aissa BOUTTE, Salah eddine BENTATA, Hichem

HENNA et Mahmoud pour les agrables moments que nous avons pass ensembles, merci encore

Aissa de maccueillir si chaleureusement ma 1ere arrive ici Toulouse et de bien morienter pour

toutes mes premires dmarches, merci pour ton soutiens durant toutes ces annes.

Je remercie normment ma femme pour sa patience et son soutien durant ces deux dernires annes

de la thse.

Enfin, les mots manquent au remerciement auprs de ceux qui nous donnent toujours du bonheur, ma

mre, mon pre, mes surs et mes frres, 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 lcole jusqu ce jour.

http://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=donnenthttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=bonheur

1

Table des matires

Liste des symboles ..................................................................................................................... 5

Liste des Figures ........................................................................................................................ 7

Introduction gnrale .............................................................................................................. 11

Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance

.................................................................................................................................................. 17

1 Introduction ........................................................................................................................ 19

2 Les composants de puissance ............................................................................................. 19

2.1 Le transistor MOS de puissance ............................................................................ 20

2.2 LIGBT .................................................................................................................. 22

3 Lenvironnement radiatif naturel........................................................................................ 24

3.1 Rayonnement cosmique ........................................................................................ 24

3.2 Effet du soleil ........................................................................................................ 25

3.2.1 Les ruptions solaires ............................................................................................ 25

3.2.2 Le vent solaire ....................................................................................................... 26

3.2.3 Cas reprsentatifs (GOES-5 et GOES-7) .............................................................. 27

3.3 Environnement spatial proche de la terre .............................................................. 27

3.3.1 Magntosphre ...................................................................................................... 27

3.3.2 Les ceintures de radiation ...................................................................................... 28

3.3.3 Cas reprsentatifs (Hipparcos) .............................................................................. 30

3.4 Rcapitulatif des particules prsentes dans lenvironnement spatial .................... 30

3.5 Environnement atmosphrique .............................................................................. 31

4 Interaction rayonnement - matire ..................................................................................... 33

4.1 Interaction neutron, proton - silicium .................................................................... 34

4.2 Interactions ion-silicium ........................................................................................ 35

Table des matires

2

5 Notion de Pouvoir dArrt et de Transfert dEnergie Linique ......................................... 36

6 Notion de range .................................................................................................................. 37

7 Rpartition spatiale et temporelle de la trace dionisation ................................................. 37

8 Effets des rayonnements sur les MOSFET de puissance ................................................... 38

8.1 Effets de dose ........................................................................................................ 38

8.2 Les Evnements Singuliers (SEE) ......................................................................... 39

8.2.1 Single Event Burn-out (SEB) ................................................................................ 39

8.2.2 Single Event Gate Rupture (SEGR) ...................................................................... 41

8.2.3 Single Event Latch-up (SEL) ................................................................................ 42

9 Reprsentation de la sensibilit radiative ........................................................................... 43

10 Etat de lart sur les phnomnes du Single Event Burn-out et Single Event Latch-up ...... 44

10.1 Le burn-out ............................................................................................................ 44

10.2 Le latch-up ............................................................................................................. 52

11 Conclusion ...................................................................................................................... 55

Chapitre II. Etude comportementale de dclenchement du SEB dans les composants de

puissance ................................................................................................................................. 57

1 Introduction ........................................................................................................................ 59

1 Description des outils des simulations TCAD et du vhicule test de simulation ............... 59

1.1 Loutil de simulations 2D TCAD .......................................................................... 59

2 Comparaison des rsultats SILVACO/SENTAURUS ....................................................... 63

2.1 Recherche du volume sensible et des critres de dclenchement ......................... 64

3 Recherche du volume sensible et critres de dclenchement pour diffrente technologie

par simulation TCAD-2D ......................................................................................................... 69

3.1 Vhicule test de simulation ................................................................................... 69

3.2 Conditions des simulations .................................................................................... 71

Table des matires

3

3.3 Analyse des rsultats de simulation pour le VDMOS et SJ-MOSFET ................. 72

3.3.1 Effet de la position dimpact ................................................................................. 72

3.3.2 Effet de la profondeur de limpact ........................................................................ 72

3.3.3 Effet du range de lion ........................................................................................... 74

3.3.4 Analyse des rsultats pour diffrentes polarisations VDS ...................................... 78

3.4 Analyse des rsultats de simulation pour lIGBT planar et lIGBT trench ........... 80

3.4.1 Effet de la position dimpact ................................................................................. 80

3.4.2 Effet de la profondeur dimpact ............................................................................ 81

3.4.3 Effet du range de lion ........................................................................................... 82

3.4.4 Analyse des rsultats pour diffrentes polarisations VCE ...................................... 84

3.5 Traces ionisantes horizontales gnres au sein de lpitaxie ............................... 89

3.6 Synthse des rsultats (MOSFETs / IGBTs) ......................................................... 91

3.7 Effet de la temprature .......................................................................................... 95

4 Conclusion .......................................................................................................................... 97

Chapitre III. Solutions de durcissement des composants de puissance ............................. 99

1 Introduction ...................................................................................................................... 101

2 Phnomnes physiques lors dun court-circuit dans un IGBT ......................................... 101

3 Diffrentes approches de durcissement ............................................................................ 102

3.1 Approche circuit (Circuits de protection rapproche contre les courts-circuits). 102

3.1.1 Circuits bass sur la dtection dune surtension .................................................. 102

3.1.2 Circuits bass sur la dtection de surintensit ..................................................... 106

4 Approche design ............................................................................................................... 107

4.1 Rappel sur le fonctionnement parasite de lIGBT ............................................... 107

4.2 Augmentation du niveau de courant de latch-up ................................................. 108

4.3 Structures IGBT proposes ................................................................................. 111

4.3.1 Description des structures ................................................................................... 111

4.3.2 Sensibilits des structures tudies...................................................................... 113

4.4 Nouvelle structure propose pour les composants de puissance grille isole

Table des matires

4

(VDMOS/IGBT) .................................................................................................................. 118

4.4.1 Principe de la structure ........................................................................................ 118

4.4.2 Influence des paramtres de la tranche .............................................................. 119

4.4.3 Comportement dynamique .................................................................................. 124

4.4.4 Sensibilit contre les ions lourds de la structure cathode en tranch................ 128

4.4.5 Etude prliminaire en vue dune ralisation technologique ................................ 134

2.4.5.1 Prsentation et description de la filire flexible ............................................ 134

2.4.5.2 Procd technologique propos ..................................................................... 135

5 Conclusion ........................................................................................................................ 141

Conclusion gnrale .............................................................................................................. 143

Bibliographies ........................................................................................................................ 149

Liste des publications ............................................................................................................ 157

Rsum ................................................................................................................................... 159

Abstract .................................................................................................................................. 160

Liste des symboles

5

Liste des symboles

CAK Capacit interlectrode collecteur - cathode

CCE Capacit interlectrode collecteur - metteur

CDS Capacit interlectrode source - drain

CGA Capacit interlectrode grille anode

CGC Capacit interlectrode grille collecteur

CGD Capacit interlectrode grille drain

CGE Capacit interlectrode grille metteur

CGK Capacit interlectrode grille cathode

CGK1 Capacit doxyde mince de la zone de canal

CGK2 Capacit de dpltion entre la grille et le N+ de cathode

CGK3 Capacit due la prsence doxyde pais entre grille et cathode

CGS Capacit interlectrode grille source

DMOS Double Diffused Metal Oxide Semiconductor

E champ lectrique

E Energie de lion incident

EC Valeur du champ lectrique critique

EES Effets d'Evnements Singuliers

Eox paisseur de loxyde

GLET : Energie de Transfert Linaire

GTO Gate Turn-Off Thyristor

IA Courant danode

IC Courant de collecteur

ID Courant de drain

IG Courant du gnrateur de grille

IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor

JFET Junction Field Effect Transistor

LDMOS Lateral Double diffus Metal Oxide Semiconductor

LE1 longueur contenant l'metteur N+

LE2 longueur contenant l'metteur N+

et la rgion de diffusion P+

LET Linear Energy Transfer (transfert dnergie linique)

LT largeur de la tranche

MOS Metal Oxide semiconductor

Liste des symboles

6

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

NPT Non-Punch-Through

PT Punch-Through

R(w) variation spatiale du taux de gnration

RON la rsistance ltat passant

Rp rsistance de la rgion 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 Operating Area

T(t) variation temporelle du taux de gnration

TCAD Technology Computer Aided Design

VAK Tension cathode anode

VBE Tension metteur base

VCE Tension metteur collecteur

VDMOS Vertical Double Diffused MOS

VDS Tension source drain

VGK Tension cathode grille

VGS Tension source grille

WT profondeur de la tranche de la structure propose

XP+ profondeur de jonction de la rgion de diffusion P+

Liste des Figures

7

Liste des Figures

Figure1- 1 : volution de la gamme dutilisation des composants de puissance ....................................................... 20

Figure1- 2 : Coupe verticale dun transistor MOSFET. VDMOS (a), SSJMOS (b), SJMOS (c). ......................... 22

Figure1- 3 : Coupe verticale dun transistor IGBT. IGBT NPT (a), IGBT PT (b) et IGBT trench (c). ................ 24

Figure1- 4 : Nombre de tches solaires depuis 1750 et jusqu 2012[SOLA-12] ..................................................... 25

Figure1- 5 : Reprsentation de la dformation de la magntosphre exerce par le vent solaire .............................. 27

Figure1- 6 : Carte de rigidit de coupure verticale (en Giga Volts) .......................................................................... 28

Figure1- 7 : Mouvement des particules piges dans la magntosphre terrestre (daprs [STASS-88]). ................ 29

Figure1- 8 : Les ceintures de radiations .................................................................................................................... 30

Figure1- 9 : Effet des radiations spatiales sur la magntosphre et ses dformations sous l'interaction avec le vent

solaire [LUU-09] ...................................................................................................................................................................... 31

Figure1- 10 : Gerbe atmosphrique lie l'interaction d'une particule ionisante avec la haute atmosphre. ............ 32

Figure1- 11 : Flux total des particules se trouvant dans l'atmosphre en fonction de leur altitude [BRIE-71] ......... 33

Figure1- 12 : Parcours et les diffrents mcanismes dinteractions dune particule nergtique dans la matire. .... 34

Figure1- 13 : Reprsentation schmatique des deux catgories d'interactions nuclaires ......................................... 35

Figure1- 14 : Interaction ion-silicium [HUBE-01].................................................................................................... 35

Figure1- 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

Figure1- 16 : Mcanismes de dclenchement du SEB. ............................................................................................. 41

Figure1- 17 : Single Event Burnout dans une MOSFET ........................................................................................... 41

Figure1- 18 : Mcanismes de dclenchement du SEGR. .......................................................................................... 42

Figure1- 19 : Thyristor parasite dans un IGBT NPT ................................................................................................. 43

Figure1- 20 : Single event latchup dans les IGBTs [LORF-99] ................................................................................ 43

Figure1- 21 : Safe Operating Area (SOA) (a) et section efficace pour un ion incident (b) pour un ion donne ....... 44

Figure1- 22 : SEB sections transversales en fonction de la tension drain-source V, pour un transistor MOSFET de

puissance 2N6766. ................................................................................................................................................................... 45

Figure1- 23 : Collection de charge dun burnout mesure laide dun systme danalyseur de hauteur de pulses

coupl avec un amplificateur sensible. ..................................................................................................................................... 48

Figure1- 24 : Dpendance de SEB sur la temprature [JOHN-92] ........................................................................... 48

Figure1- 25 : Rsultat de la simulation d'une seule cellule. variations de courant points

d'impact diffrents pour un ion Br de 180 MeV [ROUB-93]. .................................................................................................. 49

Figure1- 26 : Variation de la densit de courant du collecteur en fonction de temps pour un MOSFET standard et un

MOSFET super jonctions [HUAN-00] .................................................................................................................................. 50

Figure1- 27 : Superposition de la cartographie laser face arrire et de la photo de sa face avant correspondante pour

2 types de MOS [Luu-08] ......................................................................................................................................................... 51

Figure1- 28 : Schma des traces d'ionisation pntrant par la face avant ou arrire dans une cellule MOSFET

d'IRF830A pour diffrentes paisseurs de substrat. .................................................................................................................. 52

Figure1- 29 : Comparaison dimmunit au latchup entre (a) ALL, (b) carr et (c) hexagonales (les flches indique le

flux du courant des trous) ......................................................................................................................................................... 53

Figure1- 30 : Modifications proposes sur la diffusion P+ de lmetteur par Lorfevre [LORF-99] ......................... 54

Figure1- 31 : Simulations du LET seuil SEL en fonction de la position d'impact de lion en surface pour 3

technologies dIGBT : canal N PT et NP et canal P NPT .................................................................................................. 54

Figure1- 32 : Taux de dfaillance SEB en fonction de la tension applique pour diffrent technologie dIGBT

[NISH-10] ................................................................................................................................................................................ 54

file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347388file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347388file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347392file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347406file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347406file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347407file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347407

Liste des Figures

8

Figure1- 33 : Structure Semi-SJ IGBT...................................................................................................................... 55

Figure 2- 1: Paramtres dun ion lourd pntrant un semi-conducteur [SENT-09]................................................... 62

Figure 2- 2: Reprsentation de maillage de la zone active de la demi-cellule dIGBT planar simul ....................... 62

Figure 2- 3 : Allure de la trace d'ionisation pour des simulations 2D [LORF-99] .................................................... 63

Figure 2- 4: Profil de dopage de la cellule de MOSFET simule en fonction de la profondeur (SILVACO). Section

perpendiculaire de la cellule travers la source, le corps P, la zone pitaxie et le substrat N++ (gauche), image de la demi-

cellule simule avec ses niveaux de dopage (SENTAURUS) (droite) ..................................................................................... 64

Figure 2- 5: Schmatisation de traces ionisantes dans la demi-cellule de MOSFET polarise 500V et simules

par SILVACO et SENTAURUS .............................................................................................................................................. 65

Figure 2- 6: Schmatisation de traces ionisantes dans la demi-cellule de MOSFET polarise 500V. Les traces sont

positionnes la mme abscisse x mais diffrentes profondeurs et sont simules chacune indpendamment. ..................... 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) ....................................... 67

Figure 2- 8: Exemple de zones rectangulaires [SENT-09] ........................................................................................ 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 diffrent niveau de maillage ............................................................................. 68

Figure 2- 10: Figure demi-cellules simules avec leurs dimensions gomtriques ( gauche), profil de dopage de

chaque cellule simule en fonction de la profondeur ( droite). ............................................................................................... 70

Figure 2- 11: LET minimal provoquant un SEB dans un VDMOS (a) et un SJ-MOSFET (b) pour diffrentes

positions d'impact (x = variable, y=0, range=10m, VDS=400 V) .......................................................................................... 72

Figure 2- 12: LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de pntration 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

m, VDS=400 V) ..................................................................................................................................................................... 73

Figure 2- 13: Traces positionnes deux profondeurs diffrentes dans un VDMOS ( gauche) et SJ-MOSFET (

droite) ....................................................................................................................................................................................... 74

Figure 2- 14: LET minimal provoquant un SEB et la charge dpose correspondante en fonction de la profondeur

de pntration de l'ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi-cellule VDMOS ( gauche) et SJ-MOSFET

( droite) (range=variable, VDS=400 V) .................................................................................................................................. 75

Figure 2- 15: volution du champ lectrique suite un impact ionisant vertical dun grand range ( droite) et dun

petit range ( gauche) dans les demi-cellules de VDMOS (haut) et SJ-MOSFET (bas) polarise 400V ............................... 78

Figure 2- 16: Comparaison de lvolution du courant Ids en fonction du temps suite un impact ionisant vertical

dun grand et dun petit range dans la demi-cellule de VDMOS .............................................................................................. 78

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 m, VDS= variable) .................................................................................... 79

Figure 2- 18: LET minimal provoquant un SEB dans un IGBT planar (a) et un IGBT trench (b) pour diffrentes

positions d'impact (x = variable, y=0, range=10m, VCE=400 V) .......................................................................................... 80

Figure 2- 19: LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de pntration de l'ion arrivant en

incidence normale sur la face avant de la demi-cellule dIGBT planar ( gauche) et IGBT trench ( droite) (y=variable,

range=10 m, VCE=400 V) ..................................................................................................................................................... 81

Figure 2- 20: LET minimal provoquant un SEB et la charge dpose correspondante en fonction de la profondeur

de pntration de l'ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la demi-cellule dIGBT planar ( gauche) et IGBT

trench ( droite) (range=variable, VCE=400 V) ....................................................................................................................... 82

Figure 2- 21: volution du courant de collecteur en fonction du temps suite un impact ionisant (VCE=400 V) ... 83

file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347606file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347612file:///C:/moustafa/rapport%20de%20these/Rapport%20de%20these%20complet.docx%23_Toc356347612

Liste des Figures

9

Figure 2- 22: Evolution du champ lectrique suite un impact ionisant vertical dun grand range ( droite) et dun

petit range ( gauche) dans les demi-cellules dIGBT planar (haut) et IGBT trench (bas) polarise 400V .......................... 84

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 m, y=0m, range=30,70 et 90 m) ................................................................................. 85

Figure 2- 24: Distribution de lignes de courant des trous aprs limpact et avant le dclenchement du thyristor

parasite dans une structure dIGBT planar (a) et trench (b)..................................................................................................... 86

Figure 2- 25: Les paramtres gomtriques de la zone active pour lanalyse de la densit de courant de latchup dun

IGBT planar (a) et dun IGBT trench (b) ................................................................................................................................. 88

Figure 2- 26: Schmatisation de traces ionisantes horizontales dans la demi-cellule de VDMOS polarise 400V.

Les traces sont positionnes la mme profondeur z=30 m mais diffrentes abscisses et sont simules chacune

indpendamment. Le LET est en pC/m et le range en m ..................................................................................................... 89

Figure 2- 27: Schmatisation de traces ionisantes horizontales dans la demi-cellule dIGBT polarise 400V. Les

traces sont positionnes la mme profondeur z=30 m mais diffrentes abscisses et sont simules chacune

indpendamment. Le LET est en pC/m et le range en m ..................................................................................................... 90

Figure 2- 28: LET minimal provoquant un SEB en fonction de la profondeur de pntration (a) et en fonction de

range (b) de l'ion arrivant en incidence normale sur la face avant de chaque cellule ............................................................... 91

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 diffrent 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 pntrant 2/3 de la region pitaxie ................................................. 94

Figure 2- 31: Comparaison entre les traces ionisantes horizontales et verticales pour un VDMOS (a) et pour un

IGBT planar (b) ........................................................................................................................................................................ 95

Figure 2- 32: sensibilit normalise en fonction de la temprature pour un ion pntrant 2/3 de la region pitaxie

de chaque composant (x=30, y=0, VDS&VCE=400V) ............................................................................................................ 96

Figure 2- 33: Distribution de la temprature dans les structures (haut) de type planar (VDMOS et IGBT), (bas)

IGBT de type trench ................................................................................................................................................................. 97

Figure3- 1 : Phnomnes physiques lors dun C.C dans un IGBT .......................................................................... 101

Figure3- 2 : (a) Circuit de protection contre les courts-circuits, (b) Capteur de tension danode ........................... 103

Figure3- 3 : Fonctionnement de la structure si le court-circuit est prsent sur la charge au moment de la mise en

conduction de linterrupteur. .................................................................................................................................................. 104

Figure3- 4 : Fonctionnement de la structure si le court-circuit se produit alors que linterrupteur de puissance se

trouve dj l'tat passant. ..................................................................................................................................................... 105

Figure3- 5 : Structure intgre du circuit de dtection et de protection .................................................................. 105

Figure3- 6 : Coupe schmatique du circuit quivalent du circuit de protection par dtection du courant ............... 106

Figure3- 7 : Latchup du thyristor parasite dans un IGBT ....................................................................................... 108

Figure3- 8 : (a) Gomtrie dun IGBT planar montrant les segments LE1 et LE2, (b) influence du segment LE1 sur

la densit de courant du latchup et la tension de seuil. ........................................................................................................... 109

Figure3- 9 : Caractristiques IA(VAK) dun IGBT planar pour deux concentrations en surface de la rgion P-well et

pour deux paisseurs doxyde de grille diffrentes. ............................................................................................................... 110

Figure3- 10 : Caractristiques IA(VAK) (a) et IA(VGK) (b) dun IGBT planar pour deux paisseurs doxyde de

grille diffrentes. ................................................................................................................................................................... 111

Figure3- 11 : Reprsentation schmatique de la premire modification de la structure par la diffusion de P+ dans la

rgion intercellulaire (IGBT-1). ............................................................................................................................................. 112

Liste des Figures

10

Figure3- 12 : (a) Reprsentation schmatique de la deuxime modification de la structure par la diffusion de P+

dans la rgion N+ metteur (IGBT-2), (b) coupe 2D dans AA ............................................................................................. 112

Figure3- 13 : caractristiques de sortie IA = f(VAK) de (a) lIGBT standard, (b) lIGBT-1 et (c) lIGBT-2 ............ 113

Figure3- 14 : Minimal LET dclenchant un SEB pour diffrentes polarisations dun ion lourd provenant de la face

avant dIGBT standard, IGBT-1 et IGBT-2 ........................................................................................................................... 114

Figure3- 15 : Distribution de courant total diffrents instants aprs limpact dans lIGBT-1 ............................. 115

Figure3- 16 : Distribution de lignes de courant des trous dans une structure standard (a), lIGBT-1 (b) et lIGBT-2

(c). .......................................................................................................................................................................................... 116

Figure3- 17 : Cellule de lIGBT propos (cathode en tranche) ............................................................................. 119

Figure3- 18 : Demi-cellules dIGBT standard (a) et lIGBT propos (b) .............................................................. 119

Figure3- 19 : Caractristiques IA(VAK) (a) et IA(VGK) (b) de lIGBT standard et lIGBT propos pour diffrentes

longueur de la tranche LT. .................................................................................................................................................... 120

Figure3- 20 : Caractristiques IA(VAK) (haut) et IA(VGK) (bas) de lIGBT standard et lIGBT propos pour

diffrentes profondeurs de la tranche WT............................................................................................................................. 121

Figure3- 21 : Caractristiques IA(VAK) (haut) et IA(VGK) (bas) de lIGBT standard et lIGBT propos pour

diffrentes profondeurs de dopage P+. ................................................................................................................................... 122

Figure3- 22 : Caractristiques IA(VAK) (haut) et IA(VGK) (bas) de la structure IGBT propose et standard. ..... 123

Figure3- 23 : Circuit de commutation sur une charge rsistive ............................................................................... 124

Figure3- 24 : Allure du courant danode durant un cycle de commutation pour les structures VDMOS (haut) et

IGBT (bas). ............................................................................................................................................................................ 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 lvolution de la tension danode et du courant danode en fonction

du temps (bas) pour toutes les structures tudies. ................................................................................................................. 127

Figure3- 27 : Localisation des capacits inter-lectrodes des structures proposes (droite) et standards (gauche) . 128

Figure3- 28 : Minimal LET dclenchant un SEB pour diffrentes polarisations et diffrents 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 propose (a) et une structure standard (b).

............................................................................................................................................................................................... 132

Figure3- 30 : Rpartition du champ lectrique dans la structure standard avant et aprs le latchup. ...................... 132

Figure3- 31 : Rpartition du champ lectrique dans la structure propose aux mmes instants que la Figure 3-25.133

Figure3- 32 : Distribution de la temprature et la densit de courant dans les structures standards (a), (b) et propose

(c), (d) respectivement suite un dclenchement SEB. .......................................................................................................... 134

Figure3- 33 : Enchanement des tapes pour la ralisation des puces IGBT [LEGA-10] ...................................... 135

Figure3- 34 : Comparaison des profils de dopage en surface sous la grille obtenus partir de lditeur utilis dans

les simulations lectriques prsentes prcdemment, et celui obtenu avec les simulations technologiques. ........................ 140

Tableau 1- 1 : Rcapitulatif des particules prsentes dans lenvironnement spatial [LAMB06]...31

Tableau 2- 1 : Caractristiques de la cellule VDMOS.64

Tableau 3-1 : Paramtres physiques et gomtriques de la structure IGBT utiliss pour simulation..124

Tableau 3- 2 : tableau rcapitulatif des composants tests126

11

Introduction gnrale

Introduction gnrale

13

Les transistors de puissance base de la technologie MOS (Metal Oxide Semi-

conductor) sont des dispositifs attractifs pour les applications spatiales et aronautiques en

raison de la simplicit de la commande de grille, du faible volume et du poids des circuits par

rapport ceux utilisant des transistors bipolaires. En outre, ils sont plus efficaces dans les

gammes de frquences leves et pour des alimentations dcoupage, ce qui les rend

appropris pour diffrentes utilisations comme dans les engins spatiaux ou aronautiques.

Cependant, l'environnement radiatif naturel prsente de nombreux dangers pour ces

composants lectroniques. Le 1ier

Mai 1958, Van Allen annonce la dcouverte des ceintures

de radiation 3 mois aprs le lancement du satellite Amricain Explorer I quip dun

compteur destin mesurer le niveau de rayonnements cosmiques dans lespace [ALLE-59].

Quelques annes plus tard, 21 fvrier 1963, le premier satellite de tlcommunication Telstar

est perdu cause des radiations. Lenqute mene par le constructeur de ce satellite rvle que

laugmentation du courant de fuite collecteur-base des transistors bipolaires est responsable de

cette perte [PECK-63]. Dsormais de nombreuses tudes ont t lances sur les

environnements radiatifs et leurs effets sur les diffrents types de composants semi-

conducteurs afin de comprendre les phnomnes associs et trouver des techniques de

fabrication des systmes de prdiction et de durcissement. Les environnements radiatifs

naturels sont constitus 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 rencontres dans l'espace. On distingue deux types denvironnement radiatif :

atmosphrique et spatial. Bien que l'environnement radiatif atmosphrique soit beaucoup

moins agressif, des dfaillances ont dj t observes dans des quipementiers ferroviaires

o plusieurs travaux ont montr que des dfaillances radiatives se produisaient dans les

composants de puissance au niveau du sol [ZIEG-96, ZIEG-98]. Il est donc capital de

dterminer le degr de sensibilit des dispositifs lectroniques qui sont intgrs dans les

systmes spatiaux, comme les MOSFET de puissance, et ceux qui sont utiliss dans les

systmes avioniques, ferroviaires ou mme automobiles comme les IGBT. Les effets de dose

ionisante contribuent la dtrioration d'un dispositif au fil du temps, et les effets

d'vnements singuliers (EES) sont les effets des rayonnements qui surviennent de faon

imprvisible avec des consquences irrversibles sur le bon fonctionnement des systmes.

Certains de ces effets entranent un "soft-error" qui ne cause pas de dommages permanents et

peuvent tre remis zro par des signaux de correction. D'autres effets ne sont pas aussi

banals et peuvent aboutir la dgradation permanente ou mme la destruction de

dispositifs ; on les appelle hard errors ou vnements destructifs. Ainsi, certains de ces

Introduction gnrale

14

vnements ont fait l'objet de ce travail qui sest focalis sur deux types dvnements

majeurs qui menacent la fiabilit des composants de puissance comme les MOSFET et les

IGBT. Ces vnements destructifs sont le Single Event Burnout (SEB) et le Single Event

Latchup (SEL).

Ces phnomnes destructifs sont dclenchs par le passage dune particule ionisante

comme un ion lourd dans les structures de puissance. Il est ncessaire de dfinir les critres de

dclenchement du phnomne et dterminer la sensibilit et le comportement des diffrentes

structures de puissance vis--vis de ces particules afin dapporter une meilleure

comprhension de la physique de ces mcanismes de dfaillances. Ainsi, prvoir un taux de

dfaillance li ces phnomnes est dun grand intrt pour les industriels utilisant des

transistors de puissance dans le cadre dapplications sensibles. Cela ncessite une

connaissance du volume sensible associ. La complexit des phnomnes physiques induisant

un burn-out ou un latch-up et la multitude des gomtries des structures de puissance rendent

difficile une dfinition purement thorique de ce volume.

Pour faire face la dfaillance des interrupteurs de puissance, de nombreux circuits de

protection ont ts proposs pour tre utiliss dans des conditions extrmes tels que le milieu

radiatif. Le rle de ces circuits est d'annuler la tension aux bornes du composant lorsqu'il est

dclench par une radiation ionisante pendant un temps suffisant. Or, ces phnomnes

peuvent napparatre que dans une seule cellule lmentaire mettant en jeu lensemble de la

puce de puissance. Cest pour cela quil est primordial de chercher des solutions de

durcissement au niveau de la conception de la cellule.

Dans ce contexte, nos travaux de thse effectus au centre de recherche LAAS

Laboratoire dAnalyse et dArchitecture des Systmes , 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 affects par lEnvironnement

Radiatif Naturel, plus particulirement les ions lourds. Des simulations utilisant les outils

Synopsys TCAD ont t mens afin de mieux comprendre les mcanismes de dfaillance en

comparant la sensibilit et le comportement des structures de puissance de diffrentes

technologies. Ces tudes nous ont permis de proposer et dvaluer des solutions de

durcissement au niveau de design permettant la dsensibilisation contre les phnomnes de

dclenchement lis aux structures parasites inhrentes dans les composants de puissance.

Le premier chapitre prsente dans un premier temps une description globale des

composants de puissance utiliss dans le domaine spatial ou aronautique, en rappelant leurs

modes de fonctionnement. Les diffrents mcanismes d'interaction particule-matire seront

Introduction gnrale

15

expliqus aprs avoir dtaill les diffrents types de radiations naturelles atmosphriques et

spatiales auxquelles sont soumis ces composants lectroniques de puissance. Les principaux

types dvnements destructifs seront prsents, en expliquant les mcanismes de dfaillance

associs aux structures parasites inhrentes 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 tudis.

Dans le second chapitre, nous allons valuer le comportement de diffrentes

structures : VDMOS, SJ-MOSFET, IGBT planar et IGBT trench. Dans un premier temps,

nous dfinirons le volume sensible de ces composants l'aide de simulations numriques 2D.

Dans un second temps, nous nous intresserons plus particulirement aux mcanismes

physiques du SEB afin de bien dfinir les critres de dclenchements du phnomne. Le LET,

la position d'impact de la particule (la profondeur) et la tension de polarisation sont les

principaux paramtres que nous faisons varier dans cette tude.

Pour finir, nous proposons des solutions de durcissement. Dans un cadre gnral, les

solutions proposes concernent la protection dun certain ion de la cellule nombre

dinterrupteurs de puissance grille isole comme les MOSFET et les IGBT contre les

dclenchements parasites et en particulier, contre les radiations. Dans une premire partie,

nous verrons brivement quelques circuits extrieurs dont le rle est d'annuler temporairement

la tension aux bornes dun composant de puissance pour dsamorcer un dclenchement

intempestif des structures parasites. Dans une seconde partie, nous prsentons certaines

modifications, ralises au niveau de la cellule du composant permettant une dsensibilisation

vis--vis des phnomnes de dclenchement lis aux structures parasites, permettant ainsi

d'amliorer la tenue aux radiations des composants de puissance grille isole.

17

Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet

sur les composants de puissance


19

1 Introduction

De nombreuses applications utilisant les composants de puissance ncessitent un

fonctionnement dans des environnements de fortes radiations. Ces applications sont

gnralement de type spatiale ou militaire et mme certaines applications civiles comme les

centrales nuclaires, les acclrateurs de particules, les installations mdicales et les

quipements industriels. Les premires prvisions des vnements singuliers en

microlectronique taient en 1962 par Allmark et Marcus [WALL-62], des chercheurs et des

ingnieurs qui travaillent sur des systmes embarqus de lespace ont t proccups par les

effets de rayonnement cosmiques sur la fiabilit des missions spatiales. Cette inquitude est

devenue relle en 1975, quand une anomalie dans un systme spatial a t attribue au

passage d'ions lourds de haute nergie [BIND-75]. Depuis, une longue liste des effets

d'vnement singulier dans les semi-conducteurs et les circuits intgrs ont t identifis.

Certains de ces effets entranent un "soft error" qui ne cause pas de dommages permanents et

peuvent tre remis zro par des signaux de correction. D'autres effets ne sont pas aussi

banals et peuvent aboutir la dgradation permanente ou mme la destruction des

dispositifs (ce qu'on appelle hard errors ou vnements destructifs). Ces vnements

destructifs sont le Single Event Burn-out (SEB) et le Single Event Latch-up (SEL).

Nous prsenterons dans ce chapitre dans un premier temps une description globale sur

les composants de puissance utiliss dans le domaine spatial ou aronautique, en rappelant

leurs modes de fonctionnement. Les diffrents mcanismes d'interactions particule-matire

seront expliqus aprs avoir dtaill les diffrents types de radiations naturelles

atmosphriques et spatiales auxquelles sont soumis ces composants lectroniques de

puissance. Les principaux types dvnements destructifs seront prsents, en expliquant les

mcanismes de dfaillance associs aux structures parasites inhrentes 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 lhistoire du dveloppement des technologies servant dans le domaine de

llectronique de puissance, diffrents types dlments de puissance ont t labors assurant

des performances diverses et varies au niveau de la tenue en tension, de la rapidit et des

pertes relatives la phase fonctionnelle blocage ou conduction . Par exemple, les


20

transistors MOS peuvent tre trs rapides, cependant leurs pertes ltat passant sont

importantes, plus prcisment des tensions de blocage leves. A linverse des MOSFET,

les transistors bipolaires ont des pertes en conduction beaucoup plus faibles, mais des pertes

en commutation assez importantes dues laccumulation de charges ncessaires son

fonctionnement ce qui les rend inutilisables des frquences leves. Les caractristiques de

ces deux composants les rendent complmentaires dans les applications de faible et moyenne

tension do lide de les combiner sur le mme substrat de silicium pour obtenir le fameux

transistor bipolaire grille isole (IGBT) qui nous permet dassocier les faibles pertes en

conduction la grande capacit en courant avec une tenue en tension. La Figure 1-1 rsume

les gammes de puissance dutilisation en fonction de la frquence pour les principaux

interrupteurs de puissance. Lutilisation des MOSFET est rserve essentiellement aux

applications haute frquence allant au-del de 100 kHz et aux puissances moyennes ou faibles

[LUTZ-11], alors que lIGBT est utilis pour des applications allant jusqu 500 kVA avec

des frquences pouvant atteindre 20 kHz [LEFE-01]. Les composants SCR ( Silicon

Controled Rectifier ), ou thyristor et les GTO ( Gate Turn-off thyristor ), reprsents sur la

figure 1 sont rservs aux applications de trs fortes puissance, au-del du MVA, mais sont

limites par leur faible frquence de fonctionnement (jusqu quelques kHz).

Figure 1- 1 : volution de la gamme dutilisation des composants de puissance [NACE-12]

2.1 Le transistor MOS de puissance

Le MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) a t conu de

faon thorique en 1920 par Julius Edgar Lilienfeld qui le breveta comme tant un composant

servant contrler le courant. Mais le premier MOSFET na t construit quen 1959 par

Atalla et Khang des laboratoires Bell car la complexit du MOSFET requiert des techniques

plus prcises que ce qui tait disponible avant cette poque. Comme tous les transistors, le

MOSFET module le courant qui le traverse l'aide d'un signal appliqu son lectrode

http://fr.wikipedia.org/wiki/Julius_Edgar_Lilienfeldhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Laboratoires_Bellhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor


21

d'entre ou grille. Il trouve ses applications dans les circuits intgrs numriques, en

particulier avec la technologie CMOS, ainsi que dans l'lectronique de puissance.

Les MOSFET de puissance sont des composants unipolaires distingus par leurs temps

de commutations trs courts (de l'ordre de 100 ns). Contrairement aux composants bipolaires,

il nexiste 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 quelques ampres. Le composant MOS de puissance de base dans la

technologie planar est le transistor DMOS (D pour double diffus), l se trouve gnralement

dans une configuration verticale (VDMOS) ou latrale (LDMOS). Puisque cette dernire ne

peut supporter le blocage des hautes tensions et est limite 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) reprsente une coupe dun transistor VDMOS. Cette

architecture est obtenue par la croissance dune couche pitaxie faiblement dop N- avec une

grande paisseur afin dviter que le champ lectrique natteigne des seuils critiques et

permettre lextension de la zone de charge despace impose par la tension VDS lorsque le

MOSFET de puissance bloque une tension leve. En contrepartie, cela peut entrainer des

valeurs leves de chute de tension ltat passant. Cela est lorigine dun compromis entre

la tension de blocage et la rsistance ltat passant RDS-ON.

Afin de coupler les performances en commutations et de faibles rsistances

quivalentes l'tat passant (RDS-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 faon pour faire diminuer la rsistance de la couche pitaxie

N-. Avec des caractristiques identiques celles dun transistor MOSFET de puissance, la

conduction est exclusivement assure par les porteurs majoritaires. Le dopage de la zone de

conduction est augment denviron un ordre de grandeur, avec une couche dpitaxie

toujours faiblement dope afin dassurer la tenue en tension. Pour sparer les zones de

blocage et de conduction, des bandes verticales de type P sont ajoutes. Ces dernires

limitent la surface effective pour le courant dlectrons qui permet daugmenter localement

les densits de courant. Nanmoins, cette forte diminution de la rsistivit dans cette zone

permet de rduire considrablement la chute de tension en conduction aux bornes de llment

par rapport la technologie MOSFET standard.

Lors de la polarisation en inverse du transistor, un champ lectrique latral se forme

conduisant les charges vers les zones de contact. Une zone de dpltion se forme le long de

http://fr.wikipedia.org/wiki/Circuit_int%C3%A9gr%C3%A9_num%C3%A9riquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/CMOShttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectronique_de_puissance


22

la jonction physique PN enveloppant la totalit de la structure de bandes pour une tension

bloque suprieure 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. Linconvnient

majeur de cette structure est la complexit de sa ralisation. Le principe de superjonction

peut galement tre utilis pour un IGBT mais, pour le moment, il est valid et

commercialis uniquement pour les MOSFET.

Figure 1- 2 : Coupe verticale dun transistor MOSFET. VDMOS (a), SSJMOS (b), SJMOS (c).

2.2 LIGBT

La technologie IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) a t brevete aux tats-

Unis en 1982 par Hans W. Beck et Carl F. Wheatley, Jr., sous le nom de MOSFET de

puissance avec une rgion d'anode (Power MOSFET with an Anode Rgion). Cest une

technologie rcente qui succde aux thyristors, aux transistors Darlington et aux thyristors

GTO. La premire gnration dIGBT a connu des problmes importants de verrouillage (ou

latching), qui ont t corrigs dans la deuxime gnration apparue au dbut des annes

1990. Les IGBT disponibles peuvent bloquer des tensions jusqu 6,5 kV et peuvent transiter

des densits de courant de plus de 150 A/cm. Ce dispositif possde une structure proche de

celle du transistor MOS vertical [MOHA-95]. Toutefois la principale diffrence est la

prsence dune couche P+ la place du drain du MOSFET, injectant des porteurs

minoritaires dans la base donnant ainsi le collecteur (anode) de lIGBT. En effet, cette

injection assure ltat passant la modulation de conductivit qui reprsente un dfaut

majeur aux composants unipolaires de type MOS. Son principal inconvnient est que ces

(a) (b) (c)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Brevethttp://fr.wikipedia.org/wiki/1982http://fr.wikipedia.org/wiki/MOSFEThttp://fr.wikipedia.org/wiki/Thyristorhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor_Darlingtonhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Thyristor_GTOhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Thyristor_GTOhttp://fr.wikipedia.org/wiki/IGBT#Verrouillage_.28Latching.29#Verrouillage_.28Latching.29http://fr.wikipedia.org/wiki/IGBT#Verrouillage_.28Latching.29#Verrouillage_.28Latching.29http://fr.wikipedia.org/wiki/Ann%C3%A9es_1990http://fr.wikipedia.org/wiki/Ann%C3%A9es_1990


23

composants ont des temps de commutation plus levs, de lordre 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 premire structure tient le nom

de (NPT) du fait que la base est suffisamment profonde pour que la couche de dpltion ne

puisse jamais atteindre la couche dinjection P+ lorsque le transistor IGBT est ltat bloqu.

Lorsque lIGBT est en conduction, 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 utilise pour la fabrication dIGBT dans le but de diminuer les

pertes en conduction. En effet, elle contient une couche dpitaxie N- plus fine grce une

couche tampon N+ qui fait dcrotre rapidement le champ lectrique, ce qui permet la

structure de prsenter une chute de tension plus faible que celle dune structure NPT pour la

mme tenue en tension. Cette structure est fabrique partir dune base de silicium dope

positivement, sur laquelle la couche tampon et la base N sont ajoutes par croissance

pitaxiale. Linconvnient principal de ces structures est le cot de fabrication des couches

pitaxies, en particulier pour des tensions de blocage leves (> 1.2kV) [BALI-96]. Aprs

ces deux structures de type planar, les derniers progrs technologiques ont fait apparaitre de

nouvelles structures, parmi lesquelles des IGBT tranches (cf. figure 1-3 (c)). Cette

technologie a t utilise bien avant cette date sur des structures VDMOS dont le but est

damliorer la chute de tension en rduisant la rsistance 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 impose technologiquement par les limites de la

photolithographie et la diffusion, cette technologie permet de rduire la taille des sections

MOS afin dexploiter utilement la surface de la puce destine cette ralisation. Cette

technologie amliore le niveau de courant de latch-up du thyristor parasite [CHAN-87] et

limine compltement leffet JFET entre les substrats P des cellules N-IGBT [CHAN-89].

Les principaux inconvnients de cette technologie sont dabord les procds technologiques

complexes pour sa ralisation par rapport la technologie planar ainsi que le niveau du

courant trs fort en court-circuit cause de sa grande transconductance.


24

Figure 1- 3 : Coupe verticale dun transistor IGBT : IGBT NPT (a), IGBT PT (b) et IGBT trench (c).

3 Lenvironnement radiatif naturel

Il est ncessaire de connatre lenvironnement radiatif naturel afin de pouvoir

comprendre les phnomnes de radiations et leurs effets sur les composants de puissance

prsents dans les paragraphes prcdents. De ce fait, une description des types de radiations

rencontres sera effectue.

3.1 Rayonnement cosmique

Ce type de rayonnement a t dcouvert par V. Hess en 1912. Trente-huit ans plus

tard, la nature de ce rayonnement a t identifie. Les particules prsentes se dplacent une

vitesse proche de celle de la lumire. Elles sont constitues de deux composantes, lune

dorigine galactique, lautre contenant des ions plus nergtiques dorigine extra galactique.

Ce rayonnement est constitu principalement de 85 90 % de protons, de 9 14 % de noyaux

d'hlium et de 1% d'ions de trs grande nergie (>1 MeV), le reste tant constitu de

diffrents nuclons (noyaux d'atomes), d'lectrons ainsi que de quantits infimes d'antimatire

lgre (antiprotons et positrons) [AUDA-04]. Malgr le fait que le flux associ ce

rayonnement est relativement faible, la probabilit doccurrence d'un vnement

potentiellement destructif, dans le cas de missions spatiales longues par exemple, est non

ngligeable car ce rayonnement reste extrmement nergtique (certains ions atteignent 1010

GeV) [LUU-09].

(a) (b) (c)


25

3.2 Effet du soleil

3.2.1 Les ruptions solaires

Les ruptions solaires apparaissent pendant les priodes ou lactivit solaire est

maximale. Ce sont des clats de radiation produits la surface de la photosphre (couche de

gaz qui constitue la surface visible du soleil) dus ljection de jets de plasma ioniss par le

soleil (cf. Figure 1-9). Les ruptions solaires sont fortement corrles aux cycles des taches

observs sur le soleil. Lapparition et la disparition des taches la surface du soleil

reprsentent le cycle solaire dont la priodicit, correspond approximativement une dure de

11 ans [STAS-88]. Le cycle de variation des taches solaires depuis 1750 jusqu nos jours est

prsent dans la Figure 1-4 [SOLA-12]. Une importante priode dactivit solaire est donc

caractrise par un nombre de taches lev dont lintensit des photons et des particules

jects en permanence varie selon le cycle. On peut distinguer grossirement 7 ans de forte

activit et 4 ans de faible activit [HOLM-02].

Figure 1- 4 : Nombre de tches solaires depuis 1750 et jusqu 2012[SOLA-12]

Deux types druptions solaires sont distingus et dpendent du type des particules

mises :

Les ruptions solaires dont l'mission principale est constitue d'ions lourds de numro

atomique pouvant tre suprieur 44 et possdant des nergies comprises entre 1 10 MeV.

La dure de telles ruptions est de quelques heures au plus.


26

Les ruptions solaires protons, dont la dure va de quelques heures quelques jours,

et dont lmission principale est constitue de protons dnergies importantes. La rfrence en

ce domaine est lruption proton daot 1972 [LUU-09].

La dernire ruption importante ce jour date de 15 fvrier 2011, elle est de classe X (le plus

haut des quatre chelons) du 24 cycle solaire. Celle-ci s'est nanmoins dissipe sur le Ple

Nord sans provoquer de dgts.

Les orages provoqus 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 particulirement dans l'espace cause de l'absence de l'atmosphre

terrestre. Ces orages peuvent crer de fortes radiations qui sont une vraie menace pour les

astronautes et les composants des satellites (le satellite amricain Telstar 401 fut ainsi). Ils

peuvent nuire aussi aux installations des rseaux lectriques (Canada le 13 mars 1989, un

violent orage magntique provoque une saturation des transformateurs lectriques).

Cependant, l'observation permanente du Soleil permet de prvoir ces orages magntiques et

de prendre des mesures de protection (dconnexion des liens formant le rseau lectrique,

arrt de certains appareils sensibles...).

3.2.2 Le vent solaire

Il y a environ une trentaine dannes que le vent solaire a t observ. Cest un gaz

ionis peu dense, constitu essentiellement de protons, dlectrons et datomes dhlium. Sa

vitesse moyenne est de lordre de 400 km.s-1

, au niveau de lorbite terrestre. En effet, dautres

phnomnes peuvent augmenter considrablement cette vitesse comme les ruptions solaires.

Quand le vent solaire se dirige vers la Terre (cf. Figure 1-5), il scoule le long du bouclier

magntique terrestre appel magntosphre (dformation ovodale du champ dipolaire).

http://21decembre2012-maya.com/lexique.php#intensite_eruption_solaire


27

Figure 1- 5 : Reprsentation de la dformation de la magntosphre exerce par le vent solaire

3.2.3 Cas reprsentatifs (GOES-5 et GOES-7)

En 1989, la CTU (central telemetry unit) du satellite gostationnaire GOES-5 a connu

10 SEU (Single Event Upset), dont six ont t associs aux ruptions solaires. En outre, une

ruption solaire majeure le 19 Octobre 1989 a endommag llectronique des panneaux

solaires diminuant ainsi le courant de sortie de 0,5 ampre de ces derniers.

Pendant une priode d'intense ruption solaire de rayons X (du 22 au 24 Mars 1991),

des chercheurs ont trouv des preuves de la dgradation des panneaux solaires sur le satellite

GOES-7. Lintensit hautement nergtique du rayonnement endommagea de faon

permanente llectronique des panneaux solaires et provoqua une dgradation de puissance

acclre au-dessus des attentes de la fiabilit prvue puisque l'esprance de vie du satellite a

t diminue de 3 annes [KANP-94].

Dautres anomalies associes aux rayonnements solaires sont dtailles dans [BEDI-

96].

3.3 Environnement spatial proche de la terre

3.3.1 Magntosphre

Cest lespace domin par linteraction entre le champ gomagntique et le vent

solaire. Son rle principal est de protger la Terre des phnomnes extrieurs en formant une

cavit au milieu de lespace interplantaire. En effet, le bouclier magntique terrestre dvie le

vent solaire en passant au voisinage de la Terre et modifie la forme et la structure du champ.


28

Lorsque des particules tentent de traverser la magntosphre, elles sont dvies par le champ

magntique filtre particules . Cette dviation se caractrise par son rayon de courbure

ainsi que la rigidit magntique de lion. Toutefois, cause de la rigidit gomagntique

rduite au niveau des rgions polaires, les particules provenant des rayonnements cosmiques

peuvent pntrer de basses altitudes. Laugmentation de la rigidit de la particule augmente

sa dviation. Ainsi, une particule ne pourra jamais avoir les conditions ncessaires pour

atteindre une altitude donne au-del dune limite (appele rigidit de coupure ). Cest

pourquoi 99,99% des particules issues des vents solaires contournent la magntosphre

[BARTH-97].

Figure 1- 6 : Carte de rigidit de coupure verticale (en Giga Volts)

La Figure 1-6 prsente 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

lorsquon se rapproche de lquateur, la rigidit augmente. Cela fait quune particule aura

moins de chances de traverser latmosphre sur lquateur que sur les ples. Cest pourquoi le

phnomne daurore borale se produit dans les latitudes leves.

3.3.2 Les ceintures de radiation

Les ceintures de radiation ou les ceintures de Van Allen (cest le nom du scientifique

qui les a dcouvertes en 1958 [ALLE-59]) sont constitues essentiellement de particules

nergtiques piges par le champ magntique terrestre de faon plus ou moins stable dans un

environnement proche de la Terre. Elles sont composes dlectrons, de protons, et de


29

quelques ions lourds. Le dplacement de ces particules suit un mouvement complexe

caractris gnralement par ces trois mouvements lmentaires (cf. Figure 1-7) :

- un mouvement de giration d leffet de la force de Lorentz et du champ magntique

terrestre reprsent par lenroulement des particules autour des lignes de champ,

- un mouvement oscillatoire provoqu par leffet miroir magntique,

- un mouvement de drive azimutale cr par la non-uniformit des lignes de champs

[HESS-68].

Les ceintures de radiation sont divises en deux parties (cf. Figure 1-8), une premire

contenant deux ceintures dlectrons, se situe environ 9000 km et 30000 km d'altitude et la

seconde contient une ceinture de protons environ 12000 km d'altitude. Linclinaison

(2326) entre laxe magntique et laxe de rotation terrestre et la dformation de la

magntosphre sous leffet du vent solaire introduit une dissymtrie des ceintures de

radiation. Cela donne lieu lAnomalie Sud-Atlantique (SAA), une rgion particulirement

riche en protons. Les flux de protons voluent en fonction de lactivit solaire et de laltitude

et le champ magntique y est trs faible. Ainsi, les orbites utilises pour les missions devront

tre choisies hors des ceintures (orbites basses, LEO type ISS ou orbite gostationnaire GEO).

Figure 1- 7 : Mouvement des particules piges dans la magntosphre terrestre (daprs [STASS-88]).


30

Figure 1- 8 : Les ceintures de radiations

3.3.3 Cas reprsentatifs (Hipparcos)

Aprs plus de 3 ans d'efficacit et de succs des oprations, les communications entre

lAgence spatiale europenne (ESA) et le satellite europen Hipparcos ont pris fin le 15 Aot

1993. La cause du problme tait attribuable des dgradations de certains composants par

les effets des radiations. Plusieurs tentatives pour relancer les oprations se sont avres

infructueuses et la mission a t rsilie [ELSE-87].

Dautres anomalies associes aux rayonnements ionisants sont dtailles dans [BEDI-

96].

3.4 Rcapitulatif des particules prsentes dans lenvironnement

spatial

Le tableau 1-1 reprend les diffrentes particules prsentes dans lespace indiquant leur

nature et leur provenance. Les diffrents phnomnes radiatifs de lenvironnement spatial

prsents prcdemment sont rsums dans la figure 1-9.


31

Tableau 1- 1 : Rcapitulatif des particules prsentes dans lenvironnement spatial [LAMB06]

Provenance Particules Energies Flux (cm-2.s-1)

Rayonnement cosmique

Vent solaire

Eruptions solaires

Ceintures de radiation

Protons (entre 85 et 90%)

Particules (entre 9 et 14%)

Ions lourds (environ 1%)

Protons

Electrons

Particules (7 8%)

Protons

Particules

Ions lourds

Protons

Electrons

100 106 Mev

Fortes nergies

1Mev 1014Mev


32

En revanche les particules hautement nergtiques, qui ne sont pas piges par le champ

magntique terrestre, peuvent entrer en collision avec les atomes de latmosphre et donner

lieu un phnomne de cascade appel douche cosmique. Ce phnomne est la source

majeure de lenvironnement radiatif naturel atmosphrique.

Une douche cosmique ou gerbe atmosphrique est un phnomne li l'interaction des

atomes de latmosphre avec des particules hautement nergiques de l'ordre du Tra

lectronvolt (1012

eV). La Figure 1-10 prsente les deux manires dinteraction entre ces

particules. Dans un premier temps, les particules hautement nergiques issues des

rayonnements cosmiques peuvent ioniser directement les lments de latmosphre en perdant

une partie de leur nergie. Deuximement, elles dclenchent sur ces lments atmosphriques

des ractions nuclaires en cascade, formant ainsi une chaine de particules secondaires

comme des protons (p), des neutrons (n) ou des pions ( ). Ces particules sont susceptibles

dinteragir avec les systmes embarqus et plus particulirement les semi-conducteurs.

Figure 1- 10 : Gerbe atmosphrique lie l'interaction d'une particule ionisante avec la haute

atmosphre

Le flux total des particules atmosphriques diffrentes altitudes est prsent sur la

Figure 1-11. Elle montre que les particules prdominantes au niveau des altitudes avioniques

sont les lectrons et les neutrons. La masse trop faible des lectrons ne permet pas de dposer

suffisamment de charges de manire localise pour introduire directement une dfaillance

dans les quipements lectroniques. Il en est de mme pour les neutrons car ils ne sont pas

ionisants. En revanche, ces derniers ont la capacit de gnrer des ions secondaires suite des


33

collisions avec les atomes des diffrentes couches semi-conductrices des composants

lectroniques. Cela peut dclencher des dfaillances lectriques.

0,7 1,4 2,1 2,8 3,8 4,8 6,1 7,6 9,6 12,3 17 30

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

1

101

neutrons

protons

electrons

muons

pions chargs

latitude : 54

Flu

x t

ota

l (c

m-2

.s-1

)

Altitude (km)

A

V

I

O

N

I

Q

U

E

Figure 1- 11 : Flux total des particules se trouvant dans l'atmosphre en fonction de leur altitude

[BRIE-71]

4 Interaction rayonnement - matire

Les diffrentes particules nergtiques prsentes dans le milieu spatial rendent cet

environnement le plus hostile du point de vue radiatif. Mais il nest pas la seule source

naturelle de rayonnement, plusieurs lments terrestres peuvent galement ltre. Ltude des

effets des particules sur la matire reste primordiale en raison de la part croissante des

composants et systmes lectroniques bord des engins aronautiques et spatiaux. L'effet

d'une particule dpend de ses proprits physiques et de la matire cible. La Figure 1-12

rsume bien le parcours et les diffrents mcanismes dinteractions dune particule

nergtique dans la matire. Une interaction peut tre soit de type coulombienne par

interaction des champs lectriques des diffrentes entits en jeu ou nuclaire, c'est--dire

interaction avec le noyau cible sous forme lastique ou inlastique. Les travaux prsents dans

cette thse traitant des composants semi-conducteurs, nous allons donc nous focaliser sur les

diffrents mcanismes dinteractions entre les ions, les protons et les neutrons avec le

silicium.


34

Figure 1- 12 : Reprsentation du parcours et des diffrents mcanismes dinteractions dune

particule nergtique dans la matire [NACE-12].

4.1 Interaction neutron, proton - silicium

Le neutron est une particule non charge de masse voisine de celle du proton

(1,67262310-27

kg). La possibilit dune ionisation coulombienne est donc nulle. Par contre,

les neutrons peuvent gnrer des charges libres de faon consquente en produisant des ions

lourds par raction nuclaire. En ce qui concerne le proton, la possibilit d'interaction

nuclaire avec le rseau cristallin est non ngligeable grce sa charge. Il peut en effet

engendrer un nombre de particules secondaires trs varies, noyaux ioniss, neutrons, protons

ou lectrons suite des interactions par chocs avec les noyaux des atomes du silicium. La

Figure 1-13 prsente schmatiquement les diffrentes ractions nuclaires provoques par des

protons ou des neutrons. On distingue deux types de ractions nuclaires. Le premier consiste

conserver la nature des particules en interaction et lnergie cintique (ractions lastiques).

Dans le second type, une partie de lnergie incidente est utilise pour modifier lnergie

dexcitation du noyau de silicium, lnergie cintique nest donc pas conserve (ractions

inlastiques et non-lastiques).


35

4.2 Interactions ion-silicium

Lorsque le silicium est pntr par une particule charge, cette dernire interagit

principalement sous leffet des forces coulombiennes avec les particules charges qui

constituent les atomes de silicium [HUBE-01]. 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 il perd progressivement de l'nergie. La probabilit d'un choc

direct avec le noyau atomique est trs faible. Les lectrons vont subir une transition vers un

tat excit par le phnomne d'ionisation qui gnre d'autres dlectrons capables de

reproduire de nouvelles ionisations, comme illustr sur la Figure 1-14 (a).

Lorsque le silicium est pntr par une particule charge, elle interagit principalement

sous leffet des forces coulombiennes avec les particules charges qui constituent les atomes

de silicium [HUBE-01]. 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 il perd

progressivement de l'nergie. La probabilit d'un choc direct avec le noyau atomique est trs

faible. Les lectrons vont subir une transition vers un tat excit par le phnomne

d'ionisation qui gnre d'autres dlectrons capable de reproduire de nouvelles ionisations,

comme illustre sur la Figure 1-14 (a).

Electrons secondaires

Electrons primaires (rayon)

Cration de dfaut

Ion incident

Figure 1- 14 : Interaction ion-silicium [HUBE-01]

28

Si n

n/p

p

Mg, Al

Collision lastique

Collision non-lastique

n/p

n/p

h

28

Si*

Collision inlastique

28

Si

28

Si

Figure 1- 13 : Reprsentation schmatique des deux catgories d'interactions

nuclaires


36

5 Notion de Pouvoir dArrt et de Transfert dEnergie

Linique

Le mcanisme dionisation que nous avons expliqu dans le prcdent paragraphe est

donc responsable du ralentissement et de la perte dnergie de la particule charge. Cette perte

d'nergie cde par unit de longueur (dE/dx) est appele pouvoir d'arrt et mesure en

MeV/cm. Il en existe deux types : le pouvoir darrt nuclaire et le pouvoir darrt

lectronique. Le premier est gnralement ngligeable (cf. Figure 1-15), il est produit par les

collisions lastiques entre l'ion incident et les noyaux des atomes du rseau cristallin. Le

second provient du ralentissement par des collisions inlastiques de l'ion incident avec les

lectrons des atomes du matriau [LUU-09]. En effet, l'unit la plus couramment utilise dans

ce genre dtudes est le LET (Linear Energy Transfer) ou transfert dnergie linique car il

permet dannuler la dpendance entre le pouvoir darrt et la densit du matriau. Il est dfini

comme le rapport du pouvoir darrt total sur la masse volumique du matriau cible exprim

en MeV.cm.mg-1

ou en pC/m (1 pC/m 100 MeV.cm/mg), sachant que, pour crer une

paire lectron-trou dans le silicium,

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