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

C2EA

ACM’02

October 13-15, 2002

ALGIERS

El Aurassi Hotel

ACM’02

October 13-15, 2002

ALGIERS

El Aurassi Hotel

Algerian Conference on MicroelectronicsAlgerian Conference on Microelectronics

C2EA

Jean-Pierre CharlesJean-Pierre Charles

ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGERACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER

Université de Metz

Université de Metz

[email protected]

C2EA – MOPS – CLOES

Université de MetzSUPELEC2, rue Edouard Belin57070 Metz

C2EAUniversité de Metz et

SUPELECUniversité de Metz et

SUPELEC

• Université pluridisciplinaire

• UFR Sci-FA

• Institut Centre Lorrain d'Optique et d'Electronique des Solides (CLOES) : Dominique DURAND.

• Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (MOPS) : Marc FONTANA

• Composants, Electronique et Environnements Agressifs (C2EA) : Jean-Pierre CHARLES

• " Défauts, comportement et fiabilité de composants sous conditions extrêmes. Durcissement de circuit"

Supélec

C2EA

Les activités de recherche

Deux thématiques complémentaires sont engagées:

- matériaux et fonctionnalités optiques

- fonctions optiques et systèmes

Les activités de recherche

Deux thématiques complémentaires sont engagées:

- matériaux et fonctionnalités optiques

- fonctions optiques et systèmes

Laboratoire

Matériaux Optiques, Photonique et SystèmesCNRS - FRE 2304

Laboratoire

Matériaux Optiques, Photonique et SystèmesCNRS - FRE 2304

http://www.ese-metz.fr/mops/http://www.ese-metz.fr/mops/

Merci de visiter:Merci de visiter:



SUPELEC


• UFR Sci-FA


• Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (MOPS) : Marc FONTANA

• Composants, Electronique et Environnements Agressifs (C2EA) : Jean-Pierre CHARLES


Supélec

C2EA C2EA (CEHE)C2EA (CEHE)

Groupe de recherche multi-sites :

Metz - Montpellier - Perpignan

Groupe de recherche multi-sites :

Metz - Montpellier - Perpignan

Composants,Electroniques et

EnvironnementsAgressifs

Components,Electronics, and

HarshEnvironments

C2EA C2EAC2EA

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

http://ceea.free.frhttp://ceea.free.frSite àvisiter :Site à

visiter :

C2EA

Simulation physique:outil de conception et

caractérisation


caractérisation

Jean-Pierre Charles (Metz)

Francis Dujardin (Metz)

Alain Hoffmann (Montpellier)

Omar El Mazria (Nancy)

et Ahmed Haddi (Casablanca)


C2EA

SIMULATIONSSIMULATIONS enen Micro-opto-électroniqueMicro-opto-électronique

avec quoi…. les outilspar quoi…. le contextepourquoi…. des applications

avec quoi…. les outilspar quoi…. le contextepourquoi…. des applications


Conception / simulation• de structures tests• de composants

Conception / simulation• de structures tests• de composants

C2EA

Plan

1/ Introduction

2/ Prévisions et procédés technologiques

3/ Logiciels de simulation SILVACO

4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor)

5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor)

6/ Conclusions

Simulation physiqueSimulation physique

outil de conception et caractérisationoutil de conception et caractérisation

C2EA MéthodeMéthode

ObjectifsObjectifs QUALITEFIABILITEQUALITE

FIABILITEConceptionConception

Fabrication (informations techno & process)

Fabrication (informations techno & process)

Simulation SILVACO

Simulation SILVACO

Caractérisation

Caractérisation

DégradationsDégradations

INFORMATIONINFORMATION

Utilisation / environnementUtilisation / environnement

Simulationélectrique

SPICE

Simulationélectrique

SPICE++

11 22

33

4455

C2EA Conception/simulation

La performance de tout composant dépend fortement de la technologie utilisée dans sa fabrication.

Miniaturisation complexité des process

L’approche expérimentale démarche hasardeuse

coût élevé

Simulation de process réduire le coût

& assurer de nouvelles innovations.

C2EA

Plan

1/ Introduction





6/ Conclusions



C2EA Prévisions technologiquesPrévisions technologiques

La « Loi » de Moore des circuits intégrés (mémoires et circuits logiques):La « Loi » de Moore des circuits intégrés (mémoires et circuits logiques):

Depuis 35 ans:Depuis 35 ans:

- Croissance exponentielle de la vitesse et de la densité fonctionnelle- Décroissance exponentielle de la puissance dissipée et du coût de fonction.

- 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

- 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’intégrationElément clé de l’intégration

ITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors from the Semiconductor Industry AssociationITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors from the Semiconductor Industry Association

Lg : longueur physique de la grille d’un MOSFETLg : longueur physique de la grille d’un MOSFET

Les projections faites en 99ont été avancées de 5 ansen 2001 !

Les projections faites en 99ont été avancées de 5 ansen 2001 !

Cette accélération dans la réduction d’échelle reflète le besoin de l’industrie de maximiser la vitesse des puces.

Cette accélération dans la réduction d’échelle reflète le besoin de l’industrie de maximiser la vitesse des puces.

!!Une vitesse maximalene va pas avecune puissance dissipéeminimisée !

Une vitesse maximalene va pas avecune puissance dissipéeminimisée !

C2EA Procédé de photolithographie classique

UV

Dépôt de la couche

Dépôt de la résine & Recuit de séchage

Masque

Développement

Gravure

Enlèvement de la résine

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

!!La réduction de taille est limitée par l’utilisation de masques transparents !

La réduction de taille est limitée par l’utilisation de masques transparents !

C2EA

C2EA

Résolution: F ( K )

C2EA RESOLUTION

: longueur d’onde

Lampe à vapeur de mercure (le plus courant)

3 raies (proche UV): g (436nm), h(405nm), i(365nm)

Lithographie UV lointain248nm (laser eximer)

Rayon X, électrons (F=qq nm)

Résolution: F ( K ) Type de résine K

Résine ultra-mince (K=0.3)Résine multi-couche (K=0.5)Résine mono-couche (K=0.75)Résine sur surface réfléchissante (K=1.1)

C2EA Extreme UltraViolet (EUV)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) ProductionYear

(nm)

130 2001 248 - 157

90 2004 193 - 157

65 2007 157

45 2010 13.4 ?

32 2013 13.4 ?

22 2016 13.4 ?

C2EA Next Generation Lithography (NGL)Next Generation Lithography (NGL)

Candidates are: EUV with ~ 13.4 nm

There are no existing transparent materials All optics and mask must be reflective Multilayer films can be constructed (alterning Mo/Si) as reflectors EUV masks are patterned absorbers on top

IPL : ion projection lithography PEL : proximity electron lithography PXL : proximity X-ray lithography ML2 : maskless lithography

C2EA

Plan

1/ Introduction





6/ Conclusions



C2EA

C2EA Outils SILVACOOutils SILVACO

Outilsinteractifs

Outilsinteractifs

Outils desimulationOutils de

simulation

Simulationde processSimulationde process

Simulationde composant

Simulationde composant

Extraction deparamètres

Extraction deparamètres

Simulationde circuit

Simulationde circuit

ATHENAATHENA

ATLASATLAS

UTMOSTUTMOST

SMART SPICESMART SPICE

TonyPlotTonyPlot DevEditDevEdit DeckBuildDeckBuild OptimizerOptimizer

Cahier descharges

Cahier descharges

Conditions depolarisation

Conditions depolarisation

Description dela structure

Description dela structure

MasquesMasques

CaractéristiquesCaractéristiques

Paramètresdu modèle

Paramètresdu modèle

SUPREM 3-4FLASH

OPTOLITHELITH

SUPREM 3-4FLASH

OPTOLITHELITH

PISCESBLAZE

LUMINOUSGIGA

MIXEDMODE

PISCESBLAZE

LUMINOUSGIGA

MIXEDMODE

Performances du circuitPerformances du circuit

C2EA

Plan

1/ Introduction





6/ Conclusions



C2EA IGBT x 25IGBT x 25

C2EA IGBT x 750IGBT x 750

C2EA Présentation de l’IGBTPrésentation de l’IGBT

N+

P+

N+ N+N+

N-

N+

Anode

Grille

Cathode

P

P+

MOSFET alimentant la base d’un bipolaire

Présence d’une structure PNPN Présence d’une structure PNPN

Effet thyristor (latchup) non désirableEffet thyristor (latchup) non désirable

DSDS

THGSOXMOS V2

VVVC

L

ZµI

IE=IC+IB et IC= IBIE=IC+IB et IC= IB

IGBT

Structure de type Darlington

29

C2EA Courants dans l’IGBTCourants dans l’IGBT

- Courant de base est le même que le courant dans le MOSFET- Courant de base est le même que le courant dans le MOSFET

IB=IMOSIB=IMOS

IAK=IE=(+1)IBIAK=IE=(+1)IB

VAK=VDS+VBEVAK=VDS+VBE

- Courant de l’IGBT est le courant émetteur du bipolaire- Courant de l’IGBT est le courant émetteur du bipolaire

N+

P+

N+ N+N+

N-

N+

Anode

Grille

Cathode

P

P+

BEAKBEAKTHGKOX

AK VVVVVV2L2

ZC1I

Equation globaleEquation globale

IGBT

30

C2EA 3 types d’IGBTs3 types d’IGBTs

N+

P+

N+ N+N+

N-

N+

Anode

Grille

CathodeP

P+

Création de défauts dans le volume du SC Traitement par irradiation

Augmentation de la vitesse de commutation Optimisation

0

50

100

0

1

IAK (mA)

VAK (V)

VGK (V) = 8 V IRGBC20SIRGBC20FIRGBC20U

IGBT A RS

Standard 3.0 0.7

Fast 2.2 0.8

Ultrafast 2.2 3.3

C2EA Simulation des IGBTsOptimisation de la doseSimulation des IGBTs

Optimisation de la dose

IRGBC20SIRGBC20FIRGBC20U

ATHENAATLAS 2-D

Type d'irradiation : électrons de 4 MeV (NPL) Irradier des composants standard IRGBC20S pour

différentes doses (1, 4 et 8 Mrad(Si))Réaliser un recuit pour éliminer les charges piégées

dans les oxydes (573 K 10mn) Mesurer les caractéristiques dynamiques et statiques Simuler les effets de l'irradiation sur la structure

Introduction d'un niveau accepteur Ev+0.27 (eV) (n=8 10-13 et n=9.5 10-15 ) Introduction d'un niveau donneur Ec-0.16 (eV) (n=2 10-15 et n=2 10-15 ) Ajuster la densité de défauts

C2EA IGBT à la fermetureIGBT à la fermeture

IEEE TNS, V44, N1, 1997

1 1 f i

K Durée de vie des porteurs minoritaires en fonction de la dose:

Obtention de la durée de vie:

K

A

n+P+

N-épi

P+

pnp

NMOS

G

P

Temps

t1

t2

IAK

IAK

1

2I MOS

I2

0.63 I2

I

I

I

I

I

Ic

b PNP

cPNP

MOS MOS

2

Forme d'onde à la fermeture

I I t 2 exp( / )

Gain du bipolaire:

IRGBC20S

C2EA

Simulation deslignes de courantdans l’IGBTavant irradiation

Simulation deslignes de courantdans l’IGBTavant irradiation

IRGBC20SIRGBC20S

C2EA

Simulation deslignes de courantdans l’IGBTaprès irradiationpar électronsde 4 MeVà 8Mrad(Si)

Simulation deslignes de courantdans l’IGBTaprès irradiationpar électronsde 4 MeVà 8Mrad(Si)

IRGBC20SIRGBC20S

C2EAComparaison simulation-

mesureComparaison simulation-

mesureIRGBC20S

IV

RAKp

BENPN

p

( )11

Amélioration de la tenue au latchup:

IAKI

B

IC

pn

Rp

A

G

K

IEEE TNS, V44, N1, 1997

Amélioration du temps de commutation

C2EA

Dégradation de la tension de déchet

Dégradation de la tension de déchet

IRGBC20S

IEEE TNS, V44, N1, 1997

Fonctionnement: VAK pour IAK=100 mA et VGK=8 V Optimisationdes

performances

par le choixde la dose

T

Hautes fréquences:temps de fermeture

privilégié

Hautes fréquences:temps de fermeture

privilégié

Hautes tensions:tension de déchet

privilégiée

Hautes tensions:tension de déchet

privilégiée

C2EA

Plan

1/ Introduction





6/ Conclusions



C2EA VDMOSFET, IGBT, MCTVDMOSFET, IGBT, MCT

Le MCT est un thyristor commandéen 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 faible aire de fonctionnement

MCT

39

C2EA Photos d’un MCTPhotos d’un MCT

40

Photos ESA-ESTECPhotos ESA-ESTEC

MCT G35P60F1MCT G35P60F1

C2EA Structure du MCTStructure du MCT

Thyristor PNPN

Commandé en fermeture (amorçage) par un P-MOSFET

Commandé en fermeture (amorçage) par un P-MOSFET

Schéma équivalent:deux transistors bipolaires (PNPN) commandés par les deux MOSFETs

Schéma équivalent:deux transistors bipolaires (PNPN) commandés par les deux MOSFETs

Commandé en ouverture (blocage) par un N-MOSFET

Commandé en ouverture (blocage) par un N-MOSFET

41

ONON

OFFOFF

MCTG35P60F1MCT65P100F2MCTG35P60F1MCT65P100F2

C2EA

Structure complète d’une cellule ON entourant les 8

cellules OFF


cellules OFF

42

Une cellule ON(11%) à fermeture

entoure8 cellules OFF(89%) à ouverture



10 m10 m

11 000 groupes de cellules en parallèlesur 0,413 cm2


C2EA


cellules OFF


cellules OFF

43

10 m10 m







C2EA


cellules OFF


cellules OFF

44

10 m10 m







C2EA Simulation-2D du MCT à l’aide de ATLAS

Simulation-2D du MCT à l’aide de ATLAS

Caractéristique de transfert IAK-VGA / P-MOSFET Caractéristique de transfert IAK-VGA / P-MOSFET

Simulation de la structure et de la caractéristique C-V du MCT / N-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]

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 Modélisation de la structure MCT

Régions et dopage Régions et dopage

Définition du maillage

Définition du maillage

Choix des modèles physiques Choix des modèles physiques

Calibrage des paramètres Calibrage des paramètres

45

C2EA Construction de la structureConstruction de la structure

RégionsRégions

Y (µm)Y (µm)

X (µm)X (µm)00

-0,07-0,07Région 2 (oxyde)Région 2 (oxyde) 1515

Région 1 (silicium)Région 1 (silicium)

8585

ATLAS 2D

46

C2EA Profil de dopageProfil de dopage

Y (µm)Y (µm)

X (µm)X (µm)00

-0,07-0,07Région 2 (oxyde)Région 2 (oxyde) 1515

Région 1 (silicium)Région 1 (silicium)

8585CATHODECATHODE

ANODEANODE

GRILLEGRILLE

Axe OYAxe OY

ATLAS 2D

47

P+

N

P-

N+

C2EA

Construction du maillage de la structure test

Construction du maillage de la structure test

Résultats précis Maillage fin (beaucoup de nœuds) temps de calcul

important recherche d’un compromis entre temps et précision de la simulation Résultats précis Maillage fin (beaucoup de nœuds) temps de calcul

important recherche d’un compromis entre temps et précision de la simulation

P-épiP-épi

N-wellN-well

J1J1 J2J2

N+N+P+P+

ATLAS 2D

48

C2EA Modèles physiques et calibrage des paramètres

Modèles physiques et calibrage des paramètres

Forts dopages: N+ et P+ forte injection model FERMIDIRAC Forts dopages: N+ et P+ forte injection model FERMIDIRAC

Recombinaison: Auger model AUGER Shockley-Read-Hall model RSH

Recombinaison: Auger model AUGER Shockley-Read-Hall model RSH

Mobilité : concentration model CONMOB champ électrique (effets des porteurs chauds) model FLDMOB

Mobilité : concentration model CONMOB champ électrique (effets des porteurs chauds) model FLDMOB

Modélisation des phénomènes de forte injection, de forts dopages, de recombinaison et des effets du champ électrique...

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

Calibrage des paramètres des modèles influence des paramètres physiques et technologiques sur les caractéristiques électriques de la structure MCT simulée

Tensions de seuil des MOSFETs Tensions de seuil des MOSFETs

Gains des deux bipolaires Gains des deux bipolaires

Temps de commutation et tension de déchet du MCT Temps de commutation et tension de déchet du MCT

Durée de vie des porteurs minoritaires Durée de vie des porteurs minoritaires

refn

0

N

N1

ATLAS 2D

49

C2EA Irradiation neutronIrradiation neutron

Effets après irradiation neutron effet de déplacement des atomes du silicium effet d’ionisation (présence de gammas)

CEA-DAM

Deux fluences ont été réalisées : 5x1013 n équivalent 1MeV/cm2 7,8 krad(Si) 1x1014 n équivalent 1MeV/cm2 11 krad(Si)

50

Réacteur : PROSPERO (CEA-DAM Valduc)

C2EA

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

ir. 1x1014 n/cm2

ir. 5x1013 n/cm2

non irradié

I AK (

A)

VAK (V)

Simulation des effets dus à l’irradiation neutron / MCTSimulation des effets dus à l’irradiation neutron / MCT

ATLAS-2D

Application au composant MCT

densités de défauts introduites = 5x1013 et 1x1014 cm-3

Simulation en statique

caractéristique de sortie IAK-VAK

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

0

1x10-7

2x10-7

3x10-7

4x10-7

5x10-7

6x10-7

Nt=1x1014 cm-3 Nt=5x1013 cm-3 non irradié

I AK

(A/µ

m)

VAK (V)

51

C2EA

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Simulation

Mesures

Ten

sion

de

déch

et (

V)

Densité de défauts (1014 cm -3)

Simulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCTSimulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCT

ATLAS-2D

Simulation en statique

tension de déchet

52

C2EA Simulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCTSimulation des effets dus à l’irradiation neutron : MCT

ATLAS-2D

Simulation en dynamique

évolution de tf et

Simulation en dynamique

Forme d’onde du courant

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-5,0x10-7

0,0

5,0x10-7

1,0x10-6

1,5x10-6

2,0x10-6

2,5x10-6

3,0x10-6

Nt=1x1014 cm-3

Nt=5x1013 cm-3

Nt=0

I AK

(A/µ

m)

t (µs)

0,0 5,0x1013 1,0x10140

100

200

300

400

500

600

700

800

900

simulé mesuré tf simulé tf mesuré

t f et (

ns)

densité de piège (cm -3) ou fluence (n/cm -2)

53

C2EA Conclusion / composantsConclusion / 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

54

C2EA Conclusion 1Conclusion 155

Simulation physique:outil de conception

Simulation physique:outil de conception

La caractérisation

reste incontournable

pour le calibrage

(la réalité physique….!)

La caractérisation

reste incontournable

pour le calibrage

(la réalité physique….!)

SIMULATION – 13-15 octobre 2002 - ALGERSIMULATION – 13-15 octobre 2002 - ALGER

C2EA Conclusion 2Conclusion 256


de caractérisation de dégradations


de caractérisation de dégradations

La simulation

permet de vérifier et confirmer

les hypothèses issues

des résultats de la caractérisation

La simulation

permet de vérifier et confirmer

les hypothèses issues

des résultats de la caractérisation SIMULATION – 13-15 octobre 2002 - ALGERSIMULATION – 13-15 octobre 2002 - ALGER

C2EA


caractérisation


caractérisation

Jean-Pierre Charles (Metz)

Francis Dujardin (Metz)

Alain Hoffmann (Montpellier)

Omar ElMazria (Nancy)

et Ahmed Haddi (Casablanca)


C2EA COMPLES’2k3 First CallCOMPLES’2k3 First Call

MEDITERRANEAN CONFERENCE

onENERGY 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,...

MEDITERRANEAN CONFERENCE

onENERGY 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/comples2k3WEB SITE

http://www.univ-perp.fr/comples2k3



SUPELEC


• UFR Sci-FA


• Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes(MOPS) : Marc FONTANA

• Composants, Electroniques et Environnements Agressifs(C2EA) : Jean-Pierre CHARLES


Documents

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