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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
2
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
6
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
12
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.
16
17
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet
sur les composants de puissance
18
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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants 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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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.
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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)
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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.
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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.
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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]).
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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.
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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.
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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).
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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
Chapitre I. Lenvironnement radiatif naturel et son effet sur les composants de puissance
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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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