C2EA - Metz - Montpellier - Perpignan
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C2EA Algerian Conference on Microelectronics ACM’02 October 13-15, 2002 ALGIERS El Aurassi Hotel C2EA ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER Jean-Pierre Charles [email protected] C2EA – MOPS – CLOES Université de Metz SUPELEC 2, rue Edouard Belin 57070 Metz Université de Metz 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 Supélec 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" C2EA Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes CNRS - FRE 2304 Merci de visiter: http://www.ese-metz.fr/mops/ Les activités de recherche Deux thématiques complémentaires sont engagées: - matériaux et fonctionnalités optiques - fonctions optiques et systèmes 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 Supélec 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" C2EA C2EA (CEHE) Composants, Electroniques et Environnements Agressifs Components, Electronics, and Harsh Environments Groupe de recherche multi-sites : Metz - Montpellier - Perpignan C2EA 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 : http://ceea.free.fr C2EA ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER Simulation physique: outil de conception et caractérisation Jean-Pierre Charles (Metz) Francis Dujardin (Metz) Alain Hoffmann (Montpellier) Omar El Mazria (Nancy) et Ahmed Haddi (Casablanca) C2EA ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER SIMULATIONS en Micro-opto-électronique Conception / simulation • de structures tests • de composants avec quoi…. les outils par quoi…. le contexte pourquoi…. des applications C2EA Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions Méthode C2EA Conception 1 Objectifs QUALITE FIABILITE 2 Fabrication (informations techno & process) 3 Simulation SILVACO INFORMATION 4 Caractérisation Dégradations Utilisation / environnement 5 Simulation + électrique SPICE C2EA Conception/simulation La performance de tout composant dépend fortement de la technologie utilisée dans sa fabrication. Miniaturisation L’approche expérimentale complexité des process démarche hasardeuse coût élevé Simulation de process réduire le coût & assurer de nouvelles innovations. C2EA Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions 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 C2EA C2EA Elément clé de l’intégration Lg : longueur physique de la grille d’un MOSFET Les projections faites en 99 ont été avancées de 5 ans en 2001 ! Cette accélération dans la réduction d’échelle reflète le besoin de l’industrie de maximiser la vitesse des puces. ! ITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors from the Semiconductor Industry Association Une vitesse maximale ne va pas avec une puissance dissipée minimisée ! C2EA Procédé de photolithographie classique 1 Dépôt de la couche 2 Dépôt de la résine & Recuit de séchage UV 3 4 5 6 Masque Développement ! Gravure Enlèvement de la résine La réduction de taille est limitée par l’utilisation de masques transparents ! C2EA C2EA Résolution: F ( K ) C2EA RESOLUTION Résolution: F ( K ) Type de résine K : longueur d’onde 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) 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) 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) 130 2001 248 - 157 90 2004 193 - 157 65 2007 157 45 2010 13.4 ? 32 2013 13.4 ? 22 2016 13.4 ? Next Generation Lithography (NGL) C2EA 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 C2EA Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions C2EA Outils SILVACO C2EA Outils interactifs TonyPlot Cahier des charges Masques Outils de simulation DevEdit Simulation de process DeckBuild ATHENA SUPREM 3-4 FLASH OPTOLITH ELITH PISCES BLAZE LUMINOUS GIGA MIXEDMODE Conditions de polarisation Simulation de composant ATLAS Description de la structure Extraction de paramètres UTMOST Caractéristiques Simulation de circuit SMART SPICE Paramètres du modèle Performances du circuit Optimizer C2EA Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions C2EA IGBT x 25 C2EA IGBT x 750 29 Présentation de l’IGBT C2EA Structure de type Darlington Grille MOSFET alimentant la base d’un bipolaire Cathode N+ N+ N+ P+ N- P N+ Z V IMOS µ COX VGS VTH DS VDS L 2 IE=IC+IB et IC= IB N+ P+ Anode Présence d’une structure PNPN Effet thyristor (latchup) non désirable IGBT 30 Courants dans l’IGBT C2EA - Courant de base est le même que le courant dans le MOSFET Grille Cathode N+ N+ N+ P P+ N+ - Courant de l’IGBT est le courant émetteur du bipolaire IB=IMOS N- IAK=IE=(+1)IB N+ P+ VAK=VDS+VBE Anode Equation globale I AK 1 ZC OX 2VGK VTH VAK VBE VAK VBE 2L IGBT 3 types d’IGBTs C2EA 100 IRGBC20S IRGBC20F IRGBC20U VGK (V) = 8 V IAK (mA) Grille Cathode N+ N+ N+ P N+ 50 P+ N- IGBT A RS Standard 3.0 0.7 Fast 2.2 0.8 Ultrafast 2.2 3.3 N+ P+ Anode 0 0 Création de défauts dans le volume du SC Augmentation de la vitesse de commutation 1 VAK (V) Traitement par irradiation Optimisation C2EA Simulation des IGBTs Optimisation de la dose ATHENA ATLAS 2-D Type d'irradiation : électrons de 4 MeV (NPL) Irradier des composants standard IRGBC20S pour différentes doses (1, 4 et 8 Mrad(Si)) Réaliser un recuit pour éliminer les charges piégées dans les oxydes (573 K 10mn) Mesurer les caractéristiques dynamiques et statiques Simuler les effets de l'irradiation sur la structure Introduction d'un niveau accepteur Ev+0.27 (eV) (sn=8 10-13 et sn=9.5 10-15 ) Introduction d'un niveau donneur Ec-0.16 (eV) (sn=2 10-15 et sn=2 10-15 ) Ajuster la densité de défauts IRGBC20S IRGBC20F IRGBC20U IGBT à la fermeture C2EA IRGBC20S Durée de vie des porteurs minoritaires en fonction de la dose: 1 1 K f i Obtention de la durée de vie: G K NMOS P n+ P+ N-épi pnp I AK 1 I AK 2 I 2 0.63 I 2 I MOS P+ Temps t1 A Gain du bipolaire: I I2 exp( t / ) t2 Forme d'onde à la fermeture I c PNP Ic I2 I b PNP I MOS I MOS IEEE TNS, V44, N1, 1997 C2EA Simulation des lignes de courant dans l’IGBT avant irradiation IRGBC20S C2EA Simulation des lignes de courant dans l’IGBT après irradiation par électrons de 4 MeV à 8Mrad(Si) IRGBC20S C2EA Comparaison simulation-mesure IRGBC20S Amélioration de la tenue au latchup: A I I B AK p n G I R p C K I AK Amélioration du temps de commutation 1 VBENPN (1 ) p Rp IEEE TNS, V44, N1, 1997 C2EA Dégradation de la tension de déchet IRGBC20S Fonctionnement: VAK pour IAK=100 mA et VGK=8 V Optimisation des performances par le choix de la dose Hautes fréquences: temps de fermeture privilégié Hautes tensions: tension de déchet privilégiée T IEEE TNS, V44, N1, 1997 C2EA Simulation physique outil de conception et caractérisation Plan 1/ Introduction 2/ Prévisions et procédés technologiques 3/ Logiciels de simulation SILVACO 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) 6/ Conclusions 39 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 d’une seule grille pour la commande process de fabrication compliqué: à triple diffusion impossibilité de contrôle du courant faible aire de fonctionnement MCT 40 C2EA Photos d’un MCT MCT G35P60F1 Photos ESA-ESTEC 41 C2EA Structure du MCT MCTG35P60F1 MCT65P100F2 Thyristor PNPN ON Commandé en fermeture (amorçage) par un P-MOSFET OFF Commandé en ouverture (blocage) par un N-MOSFET Schéma équivalent:deux transistors bipolaires (PNPN) commandés par les deux MOSFETs 42 C2EA Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture 11 000 groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm2 10 m 43 C2EA Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture 11 000 groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm2 10 m 44 C2EA Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF (89%) à ouverture 11 000 groupes de cellules en parallèle sur 0,413 cm2 10 m 45 C2EA Simulation-2D du MCT à l’aide de ATLAS Caractéristique de transfert IAK-VGA / P-MOSFET Simulation de la structure et de la caractéristique C-V du MCT / N-MOSFET Simulation-2D effectuée à partir du logiciel ATLAS et en utilisant les paramètres géométriques et les dopages donnés par [TEMPLE] Modélisation de la structure MCT Régions et dopage Choix des modèles physiques Définition du maillage Calibrage des paramètres 46 Construction de la structure C2EA ATLAS 2D Régions -0,07 0 Région 2 (oxyde) X (µm) Région 1 (silicium) 85 Y (µm) 15 47 Profil de dopage C2EA Axe OY -0,07 0 GRILLE Région 2 (oxyde) ANODE P+ N 15 X (µm) Région 1 (silicium) P- 85 N+ Y (µm) CATHODE ATLAS 2D 48 C2EA Construction du maillage de la structure test P+ N+ J1 J2 N-well P-épi Résultats précis Maillage fin (beaucoup de nœuds) temps de calcul important recherche d’un compromis entre temps et précision de la simulation ATLAS 2D 49 C2EA Modèles physiques et calibrage des paramètres Modélisation des phénomènes de forte injection, de forts dopages, de recombinaison et des effets du champ électrique... Calibrage des paramètres des modèles influence des paramètres physiques et technologiques sur les caractéristiques électriques de la structure MCT simulée Forts dopages: N+ et P+ forte Tensions de seuil des MOSFETs Gains des deux bipolaires Temps de commutation et tension injection model FERMIDIRAC Recombinaison: Auger model AUGER Shockley-Read-Hall model RSH Mobilité : concentration model CONMOB champ électrique (effets des porteurs chauds) model FLDMOB de déchet du MCT Durée de vie des porteurs minoritaires 0 N 1 N ref n ATLAS 2D 50 Irradiation neutron C2EA Effets après irradiation neutron effet de déplacement des atomes du silicium effet d’ionisation (présence de gammas) Réacteur : PROSPERO (CEA-DAM Valduc) Deux fluences ont été réalisées : 5x1013 n équivalent 1MeV/cm2 7,8 krad(Si) 1x1014 n équivalent 1MeV/cm2 11 krad(Si) Fluence totale Fluence équivalente Temps d’exposition Dose équivalente neutrons cm-2 1MeV (Si) (secondes) d’ionisation 1,23x1014 5x1013 1403 7,8 krad 1,67x1014 1x1014 2806 11 krad CEA-DAM 51 Simulation des effets dus à l’irradiation neutron / MCT C2EA Application au composant MCT densités de défauts introduites = 5x1013 et 1x1014 cm-3 Simulation en statique caractéristique de sortie IAK-VAK 6x10 -7 0,12 5x10 -7 0,10 -7 0,08 3x10 -7 0,06 non irradié IAK (A) IAK (A/µm) 4x10 2x10 -7 non irradié Nt=5x1013 cm-3 Nt=1x1014 cm-3 1x10 -7 0 0,0 ir. 5x1013 n/cm2 ir. 1x1014 n/cm2 0,04 0,02 0,00 0,5 1,0 1,5 2,0 VAK (V) 2,5 3,0 3,5 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 VAK (V) 2,0 2,5 3,0 3,5 ATLAS-2D C2EA Simulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCT Simulation en statique tension de déchet 4,0 3,5 Tension de déchet (V) 52 Mesures 3,0 Simulation 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Densité de défauts (10 14 cm-3) ATLAS-2D 53 Simulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCT C2EA Simulation en dynamique Forme d’onde du courant évolution de tf et 3,0x10-6 900 2,5x10-6 800 Nt=0 600 Nt=1x1014 cm-3 1,5x10-6 1,0x10-6 5,0x10 tf mesuré tf simulé mesuré simulé 700 Nt=5x1013 cm-3 -6 tf et (ns) 2,0x10 IAK (A/µm) Simulation en dynamique -7 500 400 300 200 0,0 100 -5,0x10-7 0 0 1 2 3 4 5 6 t (µs) 7 8 9 10 11 0,0 5,0x10 13 1,0x10 14 densité de piège (cm -3) ou fluence (n/cm -2) ATLAS-2D 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 d’ouverture dégradation de la tension de déchet et des courants de fuite éloignement du verrouillage vers des tensions plus grandes 55 C2EA Conclusion 1 Simulation physique: outil de conception La caractérisation reste incontournable pour le calibrage (la réalité physique….!) SIMULATION – 13-15 octobre 2002 - ALGER 56 C2EA Conclusion 2 Simulation physique: outil de conception et de caractérisation de dégradations La simulation permet de vérifier et confirmer les hypothèses issues des résultats de la caractérisation SIMULATION – 13-15 octobre 2002 - ALGER C2EA ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER Simulation physique: outil de conception et caractérisation Jean-Pierre Charles (Metz) Francis Dujardin (Metz) Alain Hoffmann (Montpellier) Omar ElMazria (Nancy) et Ahmed Haddi (Casablanca) C2EA COMPLES’2k3 First Call MEDITERRANEAN CONFERENCE on ENERGY and ENVIRONMENT, MATERIALS and SYSTEMS Aleppo - Syria, March 16 - 17, 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 http://www.univ-perp.fr/comples2k3 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"
