Home

1.1 L`environnement radiatif naturel - Accueil thèses

1. 1 E 07 1 E 08 m O 1 E 10 1 E 11 0 100 200 300 400 900 Tension Vps V XS exp cm 63 MeV E XS DASIE cm 63MeV A XS exp 30MeV XS DASIE 30MeV Figure 3 35 sections efficaces neutrons obtenues exp rimentalement et par Power DASIE pour le 1 E 06 MOS2 1 E 07 1 E 08 Section efficace cm 1 E 09 1 E 10 0 100 200 300 400 500 Tension Vds V Proton 55 MeV XS exp XS DASIE Figure 3 36 sections efficaces protons obtenues exp rimentalement et par Power DASIE pour le MOS3 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 1 E 06 1 07 E 1 E 08 Proton 55 MeV 1 E 09 E 2 m XS DASIE D 9 4610 1 E 11 0 100 200 300 400 500 Tension Vads V Figure 3 37 sections efficaces protons obtenues exp rimentalement et par Power DASIE pour le MOS2 3 5 Conclusion Nous avons d fini dans ce chapitre le volume sensible des transistors VDMOS classiques de type planar Les r sultats exp rimentaux obtenus en ions lou
2. BUC90 MCM94 MEL94 MOS95 BUC96 BUC97 MCMOO BUC04 Malgr les diff rences entre les traces d ionisation g n r es par un ion et une impulsion laser il a par ailleurs t montr que des formes de courants transitoires parasites obtenues par le laser taient identiques a celles obtenues avec des ions lourds MCM94 Pour les composants plus complexes des m thodologies permettant de corriger l effet de taille de spot ont t d velopp es MILO6 Jusqu a pr sent deux m thodes diff rentes d injection de charges utilisant le rayonnement laser ont t d velopp es pour l tude des v nements singuliers La premi re approche bien tablie est bas e sur l absorption d un seul photon pour la cr ation d une paire lectron trou m canisme d absorption lin aire La seconde d velopp e plus r cemment repose sur l absorption simultan e de deux photons dont l nergie est inf rieure au gap du mat riau m canisme d absorption non lin aire La s lection de la longueur d onde de l nergie et de la largeur du pulse permettent de s lectionner l un ou l autre de ces processus MEL941 Il y a actuellement cinq installations de lasers puls s utilis s pour tudier les SEEs Deux se trouvent aux Etats Unis un au Naval Research Laboratory MEL94 MCMO0 et l autre a l Aerospace Corporation MOS95 LALO2 Il en existe un en Angleterre a Matra BAE Dynamics CHU02
3. j 5000 1000 15000 20000 Numer dela r action nucl aire tir e Figure 3 23 LET des ions secondaires ayant un parcours minimum de 30um Ces ions sont issus des r actions nucl aires neutrons noyaux de silicium pour des neutrons incidents d nergie de 63 et 200MeV La Figure 3 24 repr sente le range et le LET de tous les ions secondaires qu il est possible de produire en fonction de leur num ro atomique pour une nergie de neutron incident de 200 MeV Lorsque le LET de l ion augmente son parcours associ dans le silicium diminue naturellement Le LET maximum qu un ion secondaire puisse avoir est d environ 14 MeV cm mg pour un range inf rieur 10um et correspond l ion aluminium Z 13 Au regard des valeurs exp rimentales donn es au d but de ce paragraphe cet ion secondaire ne pourra g n rer de SEB Une fois de plus des ions poss dant la fois des LETs et des ranges importants n existent pas dans les bases de donn es La Figure 3 25 repr sente le LET des ions secondaires mis en fonction de leur range dans le silicium et toujours pour une nergie neutron de 200 MeV Les 14 courbes correspondent aux 14 ions secondaires qu il est possible de produire Z 14 tant le silicium La courbe la plus basse en LET correspond aux particules de num ro atomique Z gal 1 la courbe au dessus correspond a Z 2 h lium et ainsi de suite Les particules poss dant des LETs importants compris entre 12 et 14 MeV cm mg pos
4. 1963 1370 1973 1990 1985 1330 1335 Year Figure 1 1 Cycles d activit solaires Corr lation entre les fluences de protons n s d v nements solaires et le nombre de taches solaires pour les cycles 20 a 22 Le nombre de taches solaires est repr sent par la courbe et les fluences de protons solaires par les lignes verticales BAR97 Il existe deux types d ruptions solaires en fonction de la pr dominance des particules mises Les ruptions solaires dont l mission principale est constitu e de protons particule d hydrog ne ionis e d nergie importante jusqu quelques centaines de MeV et dont la dur e est de quelques heures a quelques jours L ruption solaire a protons de r f rence est celle d Ao t 1972 repr sent e sur la Figure 1 1 Cet v nement a repr sent lui seul 84 de la fluence totale de protons de haute nergie re ue par l un des huit satellites OSO durant la totalit du 20 cycle solaire qui a dur 11 ans Les ruptions solaires dont l mission principale est constitu e d ions lourds de num ro atomique pouvant tre sup rieur 44 et poss dant des nergies comprises entre 1 10 MeV La dur e de telles ruptions est de quelques heures au plus La r f rence en ce domaine est l ruption 1ons lourds de septembre 1977 19 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 1 1 2 Le vent sola
5. Figure 1 15 m canisme d absorption inter bande Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Un autre m canisme de cr ation de paires lectron trou est celui de l absorption de l nergie du photon par les impuret s pr sentes en sites de conduction Bien entendu ces impuret s sont principalement les atomes dopants Les impuret s dopantes introduisent des niveaux d nergie proches de la bande de conduction dopant type N ou de la bande de valence dopant type P et r duisent par cons quent la bande interdite apparente du semiconducteur La transition d un lectron ne n cessite plus alors de phonon cf Figure 1 15 et le m canisme d absorption est alors plus efficace et ce d autant plus que le mat riau est fortement dop L absorption par porteurs libres est un m canisme qui permet de retarder la recombinaison d une paire lectron trou En effet les lectrons quasi libres pr sents dans la bande de conduction peuvent galement absorber des photons et acc der ainsi des niveaux d nergie plus lev e de la bande Le processus r ciproque pour les trous dans la bande de valence est galement possible Ce m canisme d absorption est un m canisme intra bande car il n y a pas de passage d un porteur d une bande l autre Il est pr pond rant pour des photons dont l nergie est inf rieure au gap Lorsque l intens
6. partir d une base de donn es nucl aires d interactions particule silicium adapt e de calculer le taux d erreurs induit dans les m moires SRAM par des neutrons atmosph riques et des protons spatiaux En effet il est bon de rappeler que outre les ions lourds les neutrons et les protons en milieu atmosph rique ou spatial g n rent dans le silicium des ions secondaires qui peuvent d clencher des SEB Un tel outil pour la pr diction n existe pas pour les composants de puissance et en particulier pour les MOSFETs L objet de cette partie est de d velopper une premi re version de ce code adapt e aux structures de puissance et permettant de pr dire leur sensibilit aux neutrons et aux protons Les parties pr c dentes nous ont permis de d finir le volume sensible et les crit res de d clenchements du SEB dans les VDMOS classiques de type planar L analyse des bases de donn es nucl aires au vu de ces informations va nous permettre de construire ce code que nous appellerons Power DASIE et d adapter les crit res de d clenchement du SEB au cas des protons et des neutrons 3 4 1 Pr sentation des bases de donn es nucl aires Les bases de donn es nucl aires synth tisent les informations relatives aux produits secondaires mis lors de la r action nucl aire entre un proton ou un neutron sur un noyau de silicium WRO03 Ces donn es portent sur le nombre la nature et l nergie des particules mises Elles ont t une fois
7. Dans les deux cas le design des composants est retrouv gr ce la cartographie laser et les zones les plus sensibles aux SEB correspondent au canal et la zone n pitaxi e sous la grille les zones roses et rouges sur la Figure 2 17 a et bleu clair blanc sur la Figure 2 17 b La zone la moins sensible correspond la prise p se trouvant sous le contact de source zones bleues et vertes sur la Figure 2 17 a et bleu fonc noir sur la Figure 2 17 b puisqu elle demande une impulsion laser d nergie plus importante pour provoquer un SEB Ces r sultats sont tout fait en accord avec les r sultats des simulations num riques de la litt rature cf chapitre I partie VI 1 nergie a Plus laser nJ hee sensible gt mus Es Moins sensible Canal ans sensible _ Plug RES TR ar TI ENG P COURS IT a LENN a b Figure 2 17 superposition de la cartographie laser face arri re et de la photo de sa face avant correspondante pour a le MOS 1 b le MOS 2 La Figure 2 18 montre la cartographie en tension seuil du MOS 5 1kV L nergie laser est fix e une valeur de 3 4nJ La cartographie de sensibilit obtenue est coh rente avec les r sultats pr c demment observ s sur des MOS de structure hexfet o on retrouve la topologie du design et la zone intercellulaire comme la plus sensible Cependant pour ce dernier point la cartographie est plus pr cise puisqu elle permet d observer la di
8. LALO2 LEWO1 LOR97 LOR98 MCMO00 MCM94 Naomi Ikeda Satoshi Kuboyama and Sumio Matsuda Single Event Burnout of Super Junction Power MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 51 no 6 Dec 2004 G H Johnson J M Palau C Dachs K F Galloway and R D Schrimpf A review of the techniques used for modeling single event effects in power MOSFET s IEEE Trans Nucl Sci vol 43 pp 546 560 Apr 1996 G H Johnson R D Schrimpf K F Galloway R Koga Temperature dependence of single event burnout in n channel power MOSFETs for space application Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 39 Issue 6 Part 1 2 Dec 1992 Page s 1605 1612 C T Kirk A theory of transistor cut off frequency f falloff at high current densities IEEE Trans Electron Devices vol ED 9 no 2 pp 164 174 Feb 1962 W A Kolasinski et al Simulation of cosmic ray induced soft errors and Latchup in integrated circuits computers memories IEEE Transactions on Nuclear Science Vol NS 26 N 6 pp 5087 5091 d cembre 1979 S Kuboyama N Ikeda T Hirao S Matsuda Improved model for single event burnout mechanism IEEE Trans Nucl Sci vol 51 No 6 Dec 2004 S Kuboyama S Matsud T Kanno T Ishii Mechanism for single event burnout of power MOSFETs and its characterization technique Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 39 Issue 6 Part 1 2 Dec 1992 Page s
9. La configuration pire cas de d clenchement d un SEB a 300V LET 15 20 MeV cm mg et range 50 um n apparait pas dans les produits de la r action nucl aire d un proton ou un neutron Cela explique pourquoi les SOA exp rimentales proton neutron observ e dans la litt rature et qui seront confort es par nos r sultats exp rimentaux sont bien sup rieures a celles obtenues avec des ions lourds Les crit res de d clenchement du SEB que nous avons identifi s dans le paragraphe 3 3 ne s appliquent donc qu aux ions lourds et 142 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique sont particuli rement utiles pour des tests en acc l rateur Ces crit res qui sont une incidence normale et un range traversant toute l pitaxie pour des VDMOS classiques permettent de se placer dans les conditions de d clenchement les plus favorables et permettent ainsi d obtenir les seuils de d clenchement les plus faibles en SOA et LET Puisque les seuils de SEB sont beaucoup plus lev s aux protons et aux neutrons qu aux ions lourds nous devons d finir de nouveaux crit res de d clenchement du Burnout qui s appliquent aux particules l g res Les observations sur les m canismes du ph nom ne de SEB pr sent es dans le paragraphe 3 3 1 nous ont amen consid rer l effet de deux partic
10. arr t nucl aire Le premier provient du ralentissement par des collisions in lastiques de l ion avec le cort ge lectronique des atomes du mat riau Ces collisions ionisent la mati re et donc g n rent des paires lectron trou dans les mat riaux semiconducteurs Le second est produit par les collisions lastiques entre l ion et les noyaux des atomes du r seau cristallin C est la phase ultime du ralentissement puisque le trajet de la particule incidente finit par se terminer par choc sur un ou quelques atomes du r seau cristallin La contribution nucl aire est en g n rale n gligeable except pour les basses nergies cf Figure 1 13 Elle intervient donc soit en fin de parcours soit pour des nergies incidentes faibles L unit de l axe des abscisses de la Figure 1 13 correspond la vitesse et la masse de la particule Ainsi les pouvoirs d arr t voluent au fur et mesure que la particule est ralentie Il existe diff rents mod les semi empiriques pour calculer le pouvoir d arr t notamment le mod le de Ziegler Biersack et Littmark d crit l origine dans leur ouvrage ZIE85 et d sormais largement utilis par l interm diaire de programmes t l chargeables SRIM 3 0E 04 2 5E 04 D 2 0E 04 5 z e S E lectronique a S E nucl aire x 1 5E 04 Le S 1 0E 04 O a 5 0E 03 0 0E 00 T CTA T TT TTI 0 01 0 1 1 10 100 1000 10000 Energi
11. arri re N drain CNRS LAAS 10 0kV 10 3mm x180 SE M CNRS LAAS 10 0kV 11 6mm x500 SE U b Figure 2 10 images MEB des coupes a de la puce d IGBT 2 et b du MOS 1 apr s r v lations chimiques TI Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Puisque le faisceau laser est r fl chi par les m tallisations de la face avant injection des charges dans la puce doit se faire au travers d une ouverture pratiqu e dans le contact de drain en face arri re comme le sch matise la Figure 2 11 Une partie du cuivre constituant le contact de drain et poss dant une paisseur d environ 2 mm doit tre supprim e m caniquement gr ce une machine utilisant des forets millim triques machine ASAP La dimension minimale de l ouverture r alisable l aide de ce proc d est de 3x3 mm C est cette dimension que nous avons choisie Cette technique permet d arr ter l usinage de mani re relativement pr cise a l interface cuivre silicium impr cision de l ordre de la trentaine de microns Cependant afin d viter des probl mes de r flexion du faisceau laser le silicium doit poss der une surface de faible rugosit et doit donc tre poli l aide d un foret adapt Cette tape entame environ 30 um du silicium La profondeur totale d usinage dans le silicium varie de mani re contr l e et peut atteindre plusieurs dizaines quelques ce
12. diminue lorsque le range de la trace augmente et ce quelque soit sa profondeur de g n ration dans la zone de charge d espace Cette observation rejoint la conclusion des r sultats des simulations et des tests ions lourds pr sent s dans les paragraphes 3 2 1 et 3 2 2 a savoir que l efficacit des porteurs d pos s est d autant plus grande que ceux ci sont d pos s dans la zone de charge d espace o s tend le champ lectrique Consid rant chaque longueur de range s par ment suivant la position en profondeur de la trace ionisante le LET n cessaire pour d clencher un SEB varie et il existe un optimum pour le d p t de charges Pour une polarisation de 200V la zone de charge d espace s tend sur un peu moins de 40 um La Figure 3 13 montre clairement que les traces positionn es en dehors de cette zone n cessitent un LET beaucoup plus important puisqu un seul type de porteur est l origine de la multiplication en traversant la zone de champ lectrique Par ailleurs et comme nous l avons vu dans le paragraphe 3 2 1 pour que les porteurs puissent tre multipli s au plus grand nombre par le m canisme d ionisation par impact le parcours des lectrons et des trous dans la zone de charge d espace doit tre aussi grand que possible 126 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement a
13. hese PN O fel 2a a ae a 0 10 Figure 3 1 repr sentation de maillage de la demi cellule de VDMOS simul e 110 4 CR LS CRU LS SES Contact de drain LET Y Xa C exp exp gro lc 0 Te Contact de grille T FINAN NES UN AE SRE SSS NSS Maittage de Og trace PSP SSNs ET ENEN d ionisation LAN SSS EENS SSS ES SE RENNES EE FINE RAEAN 20 30 40 um Eq 3 1 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Pour les simulations 2D afin d exprimer dans leur unit usuelle les diff rentes grandeurs lectriques courant champ lectrique la troisi me dimension est simul e par une translation perpendiculaire au plan 2D d une valeur gale a 1 um par d faut Cette translation ne pose pas de probl me dans la mesure o elle respecte le parcours des porteurs et la g om trie de la structure simul e comme dans le cas d une cellule de VDMOS Cependant pour une trace d ionisation dont le profil est une gaussienne le parcours et la g om trie ne sont plus respect s cf Figure 3 2 et la simulation 2D introduit une erreur La cons quence est qu il est impossible d tre repr sentatif la fois de la quantit de charges g n r es et du LET N anmoins dans le cadre des trava
14. n tration du faisceau laser Dans le cas d absorptions lin aires c est dire l absorption d un seul photon pour cr er une paire lectron trou l intensit optique I au centre du faisceau et en fonction de la p n tration dans le silicium z est donn e par la loi de Beer Lambert I 1 e W cm Eq 1 5 o Ip est l intensit optique du faisceau incident en surface du mat riau z 0 a est le coefficient d absorption du mat riau et R le coefficient de r flexion la surface La valeur du coefficient va donc conditionner la profondeur moyenne de p n tration du faisceau l int rieur du mat riau consid r Ce coefficient est fonction principalement de la longueur d onde du faisceau incident et du niveau du dopage du cristal semi conducteur Ainsi pour du silicium de type P peu dop le coefficient d absorption a temp rature ambiante et pour des longueurs d onde comprises entre 0 7um et 1 07um est calcul par la formule empirique donn e par Ger93 La Figure 1 16 montre cette variation en fonction de la longueur d onde du faisceau pour un dopage P de 10 7 cm La profondeur de p n tration d du faisceau optique est directement li e a l intensit optique et donc son param tre d absorption a Plus le param tre a est important plus la profondeur de p n tration est faible Figure 1 16 D autre part la profondeur de p n tration du faisceau diminue avec la longueur d onde
15. ph nom ne de Burnout ainsi que la d finition de crit res de d clenchement et du volume d interaction MOTS CLES VDMOS IGBT v nements singuliers SEB SEL test laser irradiations ions lourds protons neutrons cartographie laser simulation TCAD code de pr diction de sensibilit DISCIPLINE ADMINISTRATIVE Conception de Circuits en Micro lectronique et Microsystemes LABORATOIRE LAAS CNRS Laboratoire d Analyse et d Architecture des Syst mes 7 avenue du Colonel Roche 31077 Toulouse Cedex 4 France
16. ressante de l origine de la sensibilit du circuit ou de cartographier les zones sensibles d un composant MUS99 Les meilleurs r solutions disponibles sont de l ordre de um Ces installations sont encore rares et les valeurs de LET accessibles sont g n ralement limit es SEXT96 D autre part les cartographies ne permettent de r v ler que de maniere surfacique la localisation des zones de collection de charges SEXT96 BAR96 BAR98 mais ne permettent pas d acc der aux volumes sensibles du fait des nergies limit es disponibles 1 2 4 Les lasers L utilisation de lasers puls s picosecondes pour reproduire les effets des ions lourds dans les composants a semi conducteurs est plus r cente Cet outil a t d velopp en compl ment des acc l rateurs puisqu il fournit en particulier la r solution spatiale et temporelle qui leur fait d faut cf chapitre 2 partie 2 1 D autre part c est un tr s bon outil de 28 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar pr caract risation En effet au cours des ann es ces lasers ont permis d valuer avec succ s les effets des ions lourds dans diff rents composants et circuits dont les SRAMs les DRAMs les circuits logiques les convertisseurs analogique digitaux etc notamment les effets de type des v nements singuliers SEEs que nous d finirons dans la partiel 4 1 BUC87
17. riques de composants est qu elles ne correspondent pas une approche circuit La mod lisation TCAD se compose en deux grandes parties La partie Process mod lise les diff rentes tapes de la fabrication d un 108 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique composant telles que l implantation ionique ou les diffusions par exemple La partie Device mod lise le comportement lectrique d une structure d apr s sa topologie Nous avons utilis les outils de simulation SILVACO pour l ensemble des simulations pr sent es dans ce chapitre La m thode utilis e pour r soudre num riquement les quations aux d riv es partielles telle que l quation de Poisson ainsi que les quations de transport et de continuit est la m thode dite des l ments finis Son principe de base repose sur une discr tisation par l ments des quations traiter Ces l ments sont des triangles constituant le maillage de la structure simul e Les intersections de ces mailles sont des n uds o une partie des quations de la physique des semiconducteurs est r solue permettant d obtenir un vecteur solution des diverses quations mise en jeu Les conditions initiales et aux limites des d riv es partielles sont prises sur les n uds adjacents Des it rations successives
18. sur le range et la charge d pos e par ces particules en tenant compte de l influence de la tension de polarisation Ces criteres de d clenchement du Burnout ont t impl ment s dans le code de Power DASIE et les r sultats de section efficaces obtenus par ce code pour les MOSFETs test s ont montr un tr s bon accord avec les r sultats exp rimentaux et validant ainsi nos crit res Les informations n cessaires pour le code de pr diction sont donc des informations simples relatives au design des VDMOS et les bases de donn es nucl aires A termes le but sera de consolider l quivalence LET nergie laser afin de pouvoir utiliser les courbes exp rimentales laser en entr e du code de pr diction Les r sultats laser pouvant tre obtenus tr s rapidement et avec beaucoup plus de facilit qu en acc l rateur la sensibilit proton neutrons d un nombre cons quent de composants pourra tre valu e par ce code et seul un nombre restreint de composants s lectionn s pourra subir des tests compl mentaires en acc l rateurs Ce code pourra en outre tre tendu des composants de puissance de conception diff rente notamment aux VDMOS int grant une couche tampon 167 Conclusion g n rale et perspectives entre la couche faiblement dop e N et le substrat N et aux IGBTS planar aux IGBTS Trench et toutes les structures de type superjonction Dans un futur plus lointain toutes ces tudes pourront tre compl t es sur
19. 10000 10000 coefficient d absorption profondeur de p n tration 1000 1000 3 O 5 3 Cc S a 100 100 O TD u M ia _ a gt 3 D 10 10 2 O T 3 0 70 0 75 0 80 0 85 0 90 0 95 1 00 1 05 Longueur d onde um Figure 1 16 coefficient d absorption et profondeur de p n tration en fonction de la longueur d onde pour du silicium de type P peu dop lt 10 cm temp rature ambiante 41 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 3 4 3 R partition spatiale et dur e d impulsion R partition spatiale Au m me titre que pour les ions lourds le faisceau laser est caract ris par une r partition spatiale Cette r partition est fonction du mode de l onde lectromagn tique et de l objectif de microscope utilis pour focaliser le faisceau Dans le cas d un faisceau laser de mode fondamentale TEMbo la r partition spatiale est mod lis e de fa on id ale par une gaussienne radiale 2 r2 I r z feng ee E 2 Eg 1 6 CZ 1 Zama 2 T n 0 OU Wo est le beam waist c est dire largeur du faisceau au point de focalisation ici en Z Zo d fini pour Ip e et n l indice de r fraction du milieu En r 0 c est dire au centre du faisceau I Ip e qui correspond l quation Eq 1 5 La taille la plus petite du diam tre a mi hauteur du spot laser qui peut
20. 100fs Polarizer camera Data Acquisition System Figure 1 9 sch matisation d une installation typique de laser puls pour simuler l effet des particules PDI et PD2 sont des photodiodes DUT est le composant sous test xyz est une platine de d placement motoris e et 2 est une lame demi onde BU Mc05 Les autres l ments optiques symbolis s sur la Figure 1 9 sont communs toutes les installations laser d di es au test d v nements singuliers bien que certains d tails varient suivant la longueur d onde utilis e C est le cas pour la lame demi onde combin e au polariseur utilis s pour un ajustement continu de l nergie du pulse laser Ces l ments peuvent tre compl ment s par des filtres non indiqu s sur la figure Des photodiodes permettent de mesurer l nergie du pulse laser incident sur PD2 et du pulse r fl chi par la surface du composant sous test sur PD1 Il est noter que les filtres gris ainsi que les photodiodes doivent tre calibr s pour chaque longueur d onde Le faisceau optique est localis dans le composant sous test gr ce a un objectif de microscope fixant la taille du spot laser Cette taille peut tre d approximativement 1 um au minimum pour les longueurs d onde dans le visible et quelques microns pour des longueurs d onde dans l infrarouge Le composant sous test est mont sur des platines motoris es et contr l es suivant les directions X y Z avec une r solutio
21. 2 4 7 D termination de SOA par laser pour les IGBTSs 102 Ne COOP MSI EE RE ace en ne en De D ee ce Do 104 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutron proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmospherique ccccccccsccssssscsssssscsees 107 3 1 Description des outils des simulations TCAD et du v hicule test de simulation 108 3 11 L outil de simulations 2D TCAD sicrie 108 2 1 2 V hicule teste sim N eese E a O 111 3 2 Recherche du volume sensiDle 5 220 an a a eenn 112 3 2 1 Recherche du volume sensible par simulations 113 3 2 2 Recherche exp rimentale du volume sensible en acc l rateur 118 3 2 3 Recherche du volume sensible l aide du laser cc eeeeeeeeeeeeees 123 3 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB l aide des simulations 125 3 3 1 Traces ionisantes verticales g n r es diff rentes profondeurs au sein de FEDA G se nee ANR Mn D on ie DM te nuit 125 3 3 2 Traces ionisantes horizontales g n r es au sein de pitaxie 133 3 4 Adaptation du code MC DASIE aux MOSFETs de puissance cce 136 3 4 1 Pr sentation des bases de donn es nucl aires cccccceeeeesseeeeeeeeeees 136 3 4 2 Pr sentation des codes de pr diction MC DASIE pour les SRAM 138 3 4 3 Analyse des bases d
22. 200V rrm Non sensible Figure 3 10 sch ma des traces d ionisation p n trant par la face avant ou arri re dans une cellule MOSFET d IRFS30A IR Les Figure 3 11 a et b synth tisent en les pr sentant de mani re diff rente les r sultats pr sent s sur la Figure 3 10 en les comparant avec des simulations effectu es dans des conditions de tension et de LET similaires et en y ajoutant les tensions seuils Les simulations ont t r alis es sur la demi cellule de VDMOS pr sent e partie 3 1 1 La Figure 3 11 a synth tise les r sultats face arri re et la Figure 3 11 b synth tise les r sultats face avant Les LETs ne sont pas indiqu s sur les graphiques puisqu ils sont de toute fa on tr s suffisants pour induire un Burnout et que donc l absence d v nement ou une tension seuil plus importante est caus par un range insuffisant dans le volume sensible Sur la Figure 3 11 a le r sultat exp rimental qui ne montre aucun d clenchement quand l ion n atteint pas la zone pitaxi e point avec une fl che vers le haut est confort par la simulation Les d clenchements n interviennent que lorsque les ions atteignent la zone de charge d espace L ion d clenchant un SEB a partir de 200V ne traverse pas toute la zone de charge d espace et n cessite donc une tension plus importante Les ions arrivant jusqu la face avant c est dire traversant tout ou une grande partie de la zone de charge d espace constituent la configura
23. 22 SOULS naturelle TAI OACUIY CO nn anna nee 28 123 Microrasceau d ions IOUrdS 38 nine a ie 28 kam ASS AGS CR 28 I eS IMteractions particule MAC hihihi 31 Eo FG a fot OUS Rd in ar ot a a te terres renee ey ret 31 ESTA INGUTEC TE l INICTOACIION et ren meute 31 1 3 1 2 Parcours d un ion lourd dans la mati re notion de range 32 1 3 1 3 R partition spatiale et temporelle de la trace d ionisation 33 L32 PrOLONS Ct MCU IRONS en Nan Ait Mini dise 34 1 3 3 Notion de Pouvoir d Arr t et de Transfert d Energie Lin ique 36 1 3 4 L interaction faisceau laser silicium ccccccccsssseseeeceeeeceeaeeeeeseeeeeeeeeaas 38 1 3 4 1 Nature de l interaction photon silicium c e 38 1 3 4 2 Profondeur de p n tration du faisceau laser 41 1 3 4 3 R partition spatiale et dur e d impulsion ees 42 1 4 Effets des radiations sur les composants lectroniques 43 14 1 Les Evenements Sinseulhers SEB nest teintes 44 LEZ Eits de COSC nn den 46 t3 LeScomposants VMIOSEE Fet IGB ESS n ed en ne ii te 46 Pe MOSS ER a a ae os 47 ROME Pr SeRMAIORECNOPAIES RE Se teste 47 1 5 1 2 La structure et le fonctionnement parasite du MOSFET 49 LS EOB eaersemre mere ees ene at a en ene een Ree eee eee 50 Dazd Pese aton SORCIER rte at cie 50 1 5 2 2 Les structures et fonctionnements parasites de l IGBT 52 1 6 Etat de l art sur les ph nom nes du
24. E est donn e par l quation Eq 1 1 o les valeurs des bornes d int gration correspondent l ion arr t en fin de parcours E 0 et a l nergie cin tique E du d but de parcours r E dE Eq 1 1 dx Total Les fluctuations autour de ce range sont le r sultat de la d viation due a l incertitude concernant le nombre et l efficacit de chaque collision Cependant pour les ions lourds ces fluctuations sont peu importantes et la trajectoire reste rectiligne comme l illustre la Figure 1 10 a Ceci s explique par la diff rence de masse entre l ion incident et l lectron cible du r seau cristallin qui conduit un transfert d nergie AE faible lors de l interaction coulombienne BOUD99 Il faut noter que sans tre un ion lourd le proton poss de une trajectoire du m me type A tire d exemple et pour r aliser une comparaison la Figure 1 10 b montre les trajectoires d lectrons incident dans du silicium Les lectrons tant l gers par 32 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar rapport aux noyaux cibles chaque collision conduit une forte d viation entra nant des trajectoires dispers es Le range d pend donc de la masse et de l nergie de la particule incidente mais aussi de la densit du mat riau Plus le mat riau est dense plus les ranges sont courts En fonction de ces param tres la gam
25. Historiquement l tude de ce ph nom ne sur les SRAM a fait l objet de tr s nombreuses publications et th ses D ARO031 CAS03 HUBO2 ROCH99 DETC97 Par ailleurs la diminution des dimensions des cellules l mentaires des circuits int gr s a entrain l apparition de SEU multiples provoqu s par une seule particule incidente On distingue entre autre le Multiple Bit Upset MBU et le Multiple Cell Upset MCU Il existe en outre le Single Event Functional Interrupts SEFT qui provient d un SEU survenant dans la partie de configuration d un composant complexe Le composant est alors inutilisable jusqu ce que sa m moire soit r initialis e e Le SET Single Event Transient Cette d faillance correspond la perturbation transitoire d une cellule d un circuit analogique Elle est provoqu e par la collection des 44 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar charges cr es par le passage d une particule ionisante dans la cellule Le courant temporaire parasite r sultant peut ventuellement entra ner des perturbations dans la r ponse du composant et dans tout le syst me environnant Principales d faillances li s aux v nements singuliers destructifs e Le SEL Single Event Latch up Cette d faillance est le ph nom ne de latchup toujours induit par une particule incidente Elle appara t dans les composants de tech
26. Ionisantes Techniques de l Ing nieur Vol E 3 950 K O Brien The Natural Radiation Environment Report N 720805 P1 United States Department of Energy 1971 p 15 K O Brien Report NPEML 338 United States Department of Energy 1978 S Buchner D McMorrow C Poivey J W Howard Jr R L Pease M Savage L W Massengill and Y Boulghassoul Comparison of Single Event Transients in an Operational Amplifier LM124 by Pulsed Laser Light and a Broad Beam of Heavy Ions IEEE Trans Nucl Sci vol 51 No 5 pp 2776 2781 Oct 2004 S Buchner D Wilson K Kang D Gill J A Mazer W D Raburn A B Campbell and A R Knudson Pulsed Laser Induced SEU in Integrated Circuits A Practical Method for Hardness Assurance Testing IEEE Trans Nuc Sci vol 37 pp 1825 1831 Dec 1990 BUC90 BUC96 BUC97 BU Mc05 CHAP90 CHUO2 DACH9S DACH9S DARO2 DAV04 DELA95 ENG72 S Buchner K Kang W J Stapor A B Campbell A R Knudson and P T McDonold Laser Simulation of Single Event Upsets IEEE Trans Nuc Sci vol 34 pp 1288 1233 Dec 1987 S Buchner D McMorrow J Melinger A B Campbell Laboratory Tests for Single Event Effects IEEE Trans On Nucl Sci vol 43 n 2 pp 678 686 Apr 1996 S Buchner M Baze D Brown D McMorrow and J Melinger Comparison of Error Rates in Combinational and Sequential Logic IEEE Trans Nuc Sc
27. Le circuit de test doit permettre la polarisation des structures tests et les prot ger lors du d clenchement d un v nement Comme l tude porte sur le d clenchement de SEB cf chapitre I la polarisation se r duit uniquement l tat bloqu Ce circuit de protection a t initialement mis en uvre en 1987 pour tester la sensibilit des MOSFETs au ph nom ne de SEB OBER87 FIS87 Il a t l g rement adapt pour tudier les IGBTs L une de ses principale caract ristiques est la limitation en courant afin d viter la destruction par emballement thermique des composants test s Le circuit est d crit dans la Figure 2 5 Il faut noter que ce circuit est aussi utilis pour les tests sous acc l rateur 71 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Vo T RP 1 MQ CT 1 nF Lom Laser F gt VRI zt Particule R s R1 50 Q L gt GND Figure 2 5 sch ma lectrique du circuit de test des SEB et SEL pour les MOSFETs et IGBTs La tension d alimentation V alimentation permet d ajuster la tension de polarisation Vax Vps dans le cas des MOSFETs l tat bloqu La grille est reli e la masse au travers d un filtre RC et non pas une tension n gative comme dans les applications standards afin d viter de favoriser le SEGR dans le cas de tests ions lourds Il faut noter que dans le cas des tests laser il n existe p
28. Relativement peu de travaux ont t r alis s par le pass sur la sensibilit aux SEEs des IGBTs et aucune tude exp rimentale laser n existe Aussi notre tude s est concentr e sur les structures les plus couramment utilis es que sont les IGBTs punch through et non punch through 1 5 2 2 Les structures et fonctionnements parasites de l IGBT Comme dans la structure VDMOS il existe dans l IGBT un transistor bipolaire parasite NPN pouvant conduire au m canisme de Burnout c est dire le SEB quand ce m canisme est initi par une particule ionisante De plus la structure interne de l IGBT est structur e autour de deux transistors bipolaires NPN et PNP retroboucl es qui sous certaines conditions peuvent se d clencher en mode thyristor c est le ph nom ne de Latchup Il existe trois modes de d clenchement du latchup qui sont tous li s au d passement d un courant critique lax Le premier appara t lorsque que le composant est l tat passant faible Vax et que le courant passant Iag exc de donc cette valeur seuil de d clenchement L augmentation du courant Iag peut tre li e par exemple a une augmentation de la temp rature ou l apparition d un sur courant g n r par le circuit ext rieur au composant Le second intervient durant les phases de commutations o les dV dt peuvent tre importants et g n rer des courants de d placements significatifs dans la zone de charge d espace Le troi
29. Single Event Burnout et Single Event Latchup A ee ee 53 L61 L SEB dans les MOSEE TS eu tcc ie une at bed ne ie 53 1 6 2 Le SEL et le SEB dans les IGBTS coe ccc sececsececeecsceececes 59 CONCLUSION Meee eeeee rete eerie a nO NONS Me erm ert Ta nce OMT re oe a nev TUE cree mr 61 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit AU SED Dab TESLIASCE sirina 63 2 1 Les limitations des acc l rateurs pour les tests SEE 64 2 2 Interet dulaser pour l tude d s SEE ie ass lens lies 66 2 3 Pr sentation de l installation exp rimentale 69 DS UM E DAC AS nee ae detente tite ete es 69 2 9 2 LE CILCUIL de TeS ben en ad ne 71 2 3 3 Caract ristiques et pr paration des composants pour les tests SEES 76 24 R sultats exp rimentaux et analyses siv cssiastvsccdsweieststichacsdeosdavedaaticendyonguetebaciwerdecdes 79 2 4 1 D finitions d une cartographie laser des sections efficaces et de la SOA 10 DA Vel CAROTA PES VASE SR Ne none SO DAA SSCCUONM CMOS nt eme rennes S1 DAVIS AGC SCCUTIVC SOA EE Ne 83 2 4 2 R sultats des cartographies laser nada 83 2 4 3 Comparaison des sections efficaces obtenues par laser et acc l rateur 85 2 4 4 Comparaison des SOA obtenues par laser et acc l rateur 00 90 2 4 5 Ebauche d une quivalence entre le LET et l nergie laser 98 246 D sr d uon de l oxvd de Cile onemryne e eens 101
30. Subbandgap Laser Induced Single Event Effects Carrier Generation via Two Photon Absorption IEEE Trans Nucl Sci vol 49 No 6 p 559 2002 J S Melinger S Buchner D McMorrow W J Stapor T R Weatherford A B Campbell H Eisen Critical Evaluation of the Pulsed Laser Method for Single Event Effects Testing and Fundamental Studies IEEE Trans On Nucl Sci vol 41 No 6 pp 2574 2584 Dec 1994 F Miller A Germain N Buard R Gaillard P Poirot C Chatry T Carriere and R Dufayel Interest of laser test facility for the assessment of natural radiation environment effects on integrated circuits based systems Proceedings of the 7th European Conference on Radiation and its Effects on Components and Systems RADECS 2003 ESA Publications Division Noordwijk pp 199 210 2004 F Miller Etude exp rimentale et th orique des effets d un faisceau laser puls sur les composants lectroniques et comparaison avec les v nements singuliers induits par l environnement radiatif naturel These Universit de Montpellier II F vrier 2006 F Miller A Luu F Prud homme P Poirot R Gaillard N Buard T Carriere Characterization of Single Event Burnout in Power MOSFET Using Backside Laser Testing IEEE Trans Nucl Sci Volume 53 Issue 6 Dec 2006 p 3145 3152 F Morancho De nouvelles limites pour le compromis r sistance passante sp cifique tenue en tension des composants unipolaires de pu
31. Telecommunications Energy Conference 2004 INTELEC 2004 26th Annual International 19 23 Sept 2004 Page s 503 507 H De La Rochette Latchup d clench par ion lourd dans des structures CMOS lum approche exp rimentale simulation 2D et 3D Th se Universit Montpellier IT 1995 H A Enge Introduction la Physique Nucl aire Masson et Cie 1972 171 EQU88 FAG93 FISC87 GHA85 HARO7 HOHL87 HOHL89 HUAOO HUBO1 HUBO2 HUBOS5 HUBO6 172 B Equer Les d tecteurs semiconducteurs du cristal aux couches minces dans Instrumentation en Physique Nucl aire et en Physique des Particules Les ditions de Physique 1988 O Fageeha J Howard and R C Block Distribution of radial energy deposition around the track of energetic charged particles in silicon J appl Phys 75 p 2317 1993 T A Fischer Heavy ion induced gate rupture in power MOSFETS IEEE Trans Nucl Sci vol 34 p 1786 1791 Dec 1987 M Gharbi La tenue en tension et le calibre en courant du transistor MOS vertical dans la gamme de tension 300 V a 1000 V Th se de 3 Cycle Universit Paul Sabatier de Toulouse 1985 A Haran J Barak D David N Refaeli B E Fischer K O Voss G Du M Heiss Mapping of Single Event Burnout in Power MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci Volume 54 Issue 6 Dec 2007 Page s 2488 2494 J K Hohl K F Gallo
32. amabilit Un grand merci a Monsieur Christian Binois qui m a donn un sacr coup de pouce en nous fournissant les plans de sa maquette tr s ing nieuse con ue pour le test de MOSFETs au GANIL Sans aucun doute la manip la plus riche de ma th se J adresse aussi un clin d ceil Monsieur Guy Berger mon coll gue belge ainsi qu Messieurs Renaud Mangeret Daniel Peyre et G rard Salvaterra mes coll gues d Astrium que j ai toujours beaucoup de plaisir a retrouver en manip ou en conf rence J exprime tous mes remerciements Monsieur R mi Gaillard avec qui les discussions ont t tr s instructives et qui a suivi de pr s mes travaux Je souhaite remercier vivement mon quipe du LAAS qui m a accueillie si chaleureusement Nicolas Mauran dont la bonne humeur est communicative Sandrine Assie Souleille je suis d finitivement addict de la boutique de th s Toulouse Magali Brunet Fabrice Caignet Patrick Austin qui je tenais remettre un petit mot plus personnel car tu as fait de cette p riode de r daction intensive un vrai bon souvenir il m arrive de rire seule en repensant certaines de tes blagues David Tremouilles qui m a fait en 2 2 un programme aux p tits oignons pour recalculer des tensions et dont les graphes ou courbes j ai toujours un doute sont dans ce m moire merci encore Nicolas Nolhier Isabelle Nolhier Karine Isoird Patrick Tounsi Jean Louis Sanchez Chri
33. applications a ronautiques En respectant des normes de s curit classiques les tenues en tension des composants de puissance doivent donc tre d environ SOOV et 1200V Au regard de ces niveaux de tension des structures MOS et IGBT de type planar classique seront respectivement utilis es 46 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Il est bon de rappeler que les composants de puissance fonctionnent comme des interrupteurs commutant d un tat passant un tat bloqu Leur optimisation passe par une r duction de la r sistance l tat passant et par une augmentation de la capacit de la tenue en tension Cette optimisation conduit au compromis bien connu des gens de l tat de l art qui porte sur la tenue en tension et les vitesses de commutation Les structures utilis es dans cette tude sont commandables l amor age et au blocage par l application d une tension Les principales caract ristiques physiques et lectriques de ces structures vont tre rappel es bri vement dans un premier temps Dans un deuxi me temps les structures et fonctionnements parasites seront d crits puisque ces m canismes sont l origine des ph nom nes de d clenchement des SEEs 1 5 1 Le MOSFET 1 5 1 1 Pr sentation g n rale Dans le domaine de l lectronique de puissance l av nement de la technologie MOS au niveau industr
34. au niveau du composant lectronique tester Une cam ra CCD pouvant d tecter les longueurs d onde dans le visible et l infrarouge permet d observer la surface mise nue du composant le faisceau laser et la surface oppos e du composant au travers de l paisseur du silicium Des platines motoris es permettent de d placer le composant dans le plan de sa surface x y La translation de l objectif suivant l axe z se fait soit manuellement grace une molette microm trique gradu e soit automatiquement gr ce une platine motoris e Il est ainsi possible de mesurer l paisseur des puces test es Le Tableau 2 1 r capitule les principales caract ristiques des deux bancs laser et la Figure 2 4 est une photo du banc num ro 2 o sont indiqu s les divers l ments mentionn s pr c demment Longueur d onde 1064 nm 1064 nm Durge rer ons Proche de 620 ps Proche de 620 ps Taille du spot au ne Sii point de focalisation H H R solution des pas de d placements x y oe eee Tableau 2 1 principales caract ristiques des bancs laser d EADS IW 70 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Fibre laser E EE Collimateur Cam ra IR Lame semi r fl chissante Source de lumi re blanche be EE f Obj p ders microscope Platines moforis es Figure 2 4 photo du banc laser d EADS IW 2 3 2 Le circuit de test
35. capables de traverser plusieurs dizaines quelques centaines de microm tres de silicium Quelque soit le type d acc l rateur le faisceau acc l r est conduit vers une ligne de test maintenue g n ralement sous vide de fa on ne pas d grader ses qualit s nerg tiques Des tests l air libre ne peuvent tre effectu s qu avec les acc l rateurs les plus nerg tiques tels que celui du GANIL plucheur Source d ions VI Enceinte de gaz sous pression Source d ion VI a b Figure 1 8 principe d acc l ration pour un acc l rateur tandem Van de Graaff a et un acc l rateur circulaire b Les principaux acc l rateurs utilis s pour tester la sensibilit des composants sont e Type Tandem Van de Graaff IPN Orsay France BNL Upton USA TASSC Tandem Accelerator Superconducting Cyclotron in Canada e Type acc l rateur circulaire GANIL Caen France GSI Darmstadt Allemagne CYCLONE Louvain la neuve Belgique IUCF Bloomington USA LBL Berkeley USA TAMU Texas A amp M s University cyclotron USA synchrotron SATURNE Saclay France Dans le cadre de nos travaux de recherche nous avons utilis les acc l rateurs de Caen le GANIL et de Louvain La Neuve le CYCLONE 27 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 2 2 Source naturelle radioactive Un autre moyen de caract
36. dans toute la profondeur de la zone pitaxi e et particuli rement la zone de charge d espace cf Figure 3 13 La seconde particule est repr sent e par la trace num ro 2 sur la Figure 3 26 qui correspond au cas largement tudi dans les paragraphes pr c dents Le range associ doit donc tre de l ordre de grandeur de la zone pitaxi e qui correspond au volume sensible d fini pr c demment dans ce chapitre Le d clenchement du 143 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique transistor bipolaire tant pris en charge par la premi re particule on peut supposer que le LET requis par cette seconde particule puisse tre plus faible Une fois de plus ce type de caract ristiques existe parmi les ions secondaires issus des r actions nucl aires Ces deux particules tant issues d une m me r action nucl aire initi e par un neutron ou un proton il est naturel que le point initial des traces soit commun Les simulations pr sent es dans les paragraphes suivant vont permettre de d finir plus pr cis ment les caract ristiques des particules et 2 ainsi que le volume sensible associ la particule 1 Figure 3 26 repr sentation du couplage de deux particules avec leur volume sensible associ pour le d clenchement d un SEB 3 4 4 1 Mise en conduction
37. de simuler uniquement une 113 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique demi cellule et de gagner des temps de calculs En effet avec une telle position l influence d une demi cellule adjacente peut tre consid r e comme n gligeable Afin de pouvoir comparer plus facilement les r sultats l ensemble des traces simul es est repr sent sur le m me sch ma de la Figure 3 4 mais tal suivant l axe des abscisses La cellule sch matique a t largie pour contenir toutes les traces et n est donc pas l chelle suivant cet axe Dans un premier temps toutes les simulations sont effectu es pour une polarisation de 500V de la cellule qui correspond a la tension d utilisation maximum fournie par la datasheet du fabricant Analyses des r sultats de simulation par face avant La Figure 3 4 sch matise le parcours d ions dans une demi cellule de MOSFET et la Figure 3 5 reprend ces r sultats sous forme de graphe donnant le LET minimum entrainant un SEB en fonction du range de l ion Les simulations montrent que le LET n cessaire pour amorcer un SEB diminue avec l augmentation du range de l ion dans la zone d pitaxie N L cart est significatif puisque le LET associ a un range de 10 um est 8 fois sup rieur au LET associ a un range de 50 um En effet ce
38. demi cellule de VDMOS pour deux tensions diff rentes 500V et 300V La Figure 3 28 sch matise cette trace dans la structure sa position correspond celle de la trace 1 dans l tude pr c dente son LET est fix a 0 2 pC um et son parcours 5 um cette valeur de LET a t choisie ainsi car elle est l g rement sup rieure au LET seuil de SEB a 500V Cette trace engendre un Burnout pour la tension de 500V tandis que le courant s annule et la structure revient a l tat initial pour la tension de 300V La Figure 3 29 donne le courant de drain de la structure pour ces deux tensions de polarisation Si le transistor bipolaire est effectivement mis en conduction dans le cas a 500V qu en est il pour la polarisation de 300V En effet il peut y avoir un d clenchement du transistor bipolaire de mani re momentan e qui s teint si le courant d avalanche est trop faible Afin de d terminer si ce d clenchement a lieu le courant d lectrons inject par l metteur a t observ La Figure 3 30 et la Figure 3 31 montent la r partition de ce courant dans la zone sensible d finie plus haut c est dire dans le caisson P pour des polarisations de 500V et 300V respectivement 146 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Source OV Grille OV 0 10 20 30 40um Oum pe
39. e elle s appuiera sur une meilleure compr hension du ph nomene de d faillance grace a des simulations 2D Le premier chapitre pr sente le contexte de notre tude Les diff rents environnements radiatifs naturels sont pr sent s ainsi que les moyens exp rimentaux permettant de reproduire les effets de ces radiations en particulier les acc l rateurs de particules et les lasers Les interactions ion silicium d une part et photons d un faisceau laser silicium d autre part sont 14 Introduction g n rale expliqu es puis les diff rents types de d faillances qu elles engendrent sur les composants semiconducteurs sont expos s Enfin les composants tudi s qui sont les VDMOS et les IGBTs sont bri vement pr sent s et l tat de l art sur l tude de leur d faillance li e a l environnement radiatif naturel est donn Le second chapitre pr sente la m thodologie de test laser par face arri re mise en uvre pour d terminer la sensibilit aux radiations de composants VDMOS classiques Des premiers r sultats sur les IGBTs sont donn s Nous exposons en d tails dans un premier temps les limitations des tests en acc l rateurs et l int r t des lasers puls s pour l tude des d faillances li es aux radiations Puis les diff rents r sultats obtenus l aide du laser et des acc l rateurs sur des MOS de puissance commerciaux sont analys s Enfin le troisi me chapitre pr sente la m thodologie de pr diction de sens
40. effets de pouvoir les pr dire et de s en pr munir Parmi les diff rents types de syst mes lectroniques nous nous sommes int ress s en particulier aux syst mes d di s la puissance Ces syst mes sont utilis s pour la gestion et la conversion de l nergie lectrique Ils utilisent des composants discrets tels que les VDMOS et les IGBTs Les premiers sont largement int gr s dans les syst mes spatiaux Les IGBTs quant 13 Introduction g n rale eux ne sont utilis s que dans les syst mes avioniques quoique leur int gration dans les syst mes spatiaux soit en discussion Ces deux types de composants sont en outre utilis s en tr s grand nombre au niveau du sol Afin de caract riser exp rimentalement ces composants vis a vis des rayonnements naturels la technique couramment utilis e est celle reproduisant les rayonnements l aide d acc l rateurs de particules Cependant diverses limitations s opposent ces derniers Les heures de tests en acc l rateurs ont en effet des co ts cons quents associ s des contraintes de test lourdes et une faible accessibilit de ces moyens En outre la part d lectronique embarqu e augmentant continuellement et les composants durcis aux radiations ayant un cout prohibitif pour des performances lectriques r duites l utilisation de composants commerciaux standards se voit augment e de mani re significative augmentant du m me temps les besoins de tests et les co ts li
41. espace Pour une tension suffisante un v nement ne peut tre d clench que si l ion parcourt une distance non n gligeable de cette zone 500 S 400 S 5 2 300 A E c 200 c S OS dp v D D 100 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 A Profondeur de p n tration um A A Profondeur de p n tration um j Face arri re Face avant F Fe i ace arriere lons lourds Face avant C Simulations Simulations lons lourds a b Figure 3 11 tension seuil de SEB en fonction de la p n tration de lion dans le MOS 3 500V a pour un ion en incidence normale en face arri re b pour un ion en incidence normale en face avant 122 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 3 2 3 Recherche du volume sensible l aide du laser Des tests de sensibilit au SEB l aide du laser sont r alis s afin de conforter les r sultats exp rimentaux et ceux obtenus par simulation Le MOSFET test est le m me que celui utilis et pr sent dans le chapitre II cf paragraphe IV 3 savoir le MOS de 500V de type 3 Contrairement aux tests ions lourds il est possible d utiliser tous les types de MOS puisque le laser ne g n re pas de d gradations de l oxyde de grille Nous avons compl ment ces tests par le MOS de IkV de type 5 Il faut rappeler
42. et deux sont en France l IMS Bordeaux POU99 LEWO1 et a EADS IW Suresnes DARO2 MILO4 Nous pr senterons en d tails ce dernier dans le chapitre IT puisque c est celui que nous avons utilis pour nos travaux La Figure 1 9 illustre sch matiquement une installation d un laser puls pour reproduire effet des radiations Il s agit d un sch ma g n rique qui peut s appliquer au laser un photon ou deux photons En g n ral les installations laser pour le test d v nements singuliers requierent une source laser puls e dans laquelle la fr quence des impulsions peut tre contr l e du tir simple jusqu une fr quence de l ordre du MHz La dur e du pulse peut tre de l ordre de quelques femtosecondes quelques centaines de picosecondes Les nergies de ces lasers d pendent de leur longueur d onde 29 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Deux types de cavit s laser sont principalement utilis s parmi les installations d di es aux tests SEEs Il s agit des lasers puls s ND YAG et des lasers puls s Ti sapphire Les lasers ND YAG offrent une large gamme de longueurs d onde du visible au proche infrarouge et poss dent des dur es d impulsion typiquement de 1 ps 100 ps Les lasers Ti sapphire ont des longueurs d onde de 770 nm 900 nm dans le proche infrarouge avec des dur es d impulsion de l ordre de
43. et illustrent le cas ou le MOS ne se comporte pas comme un interrupteur id al R cup ration des valeurs de V t acquises et stock es dans un fichier excel Val 1 Eq 2 3 i t lp Val Vos to fiar Lg Vos t1 Ve Veg O 93 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Sur la Figure 2 27 les mesures laser ont t faites avec une nergie de 6nJ tr s suffisante pour d clencher un Burnout cf Figure 2 25 Les mesures ions lourds ont t r alis es avec des ions plomb utilis s pr c demment avec une nergie de 5 GeV une forte p n tration de 258 um et un fort LET de 72 MeV cm mg On peut observer qu en dessous d une tension Vps de 90V aucune chute de tension n est observ e aux bornes de R1 le MOSFET reste l tat off et aucun SEB n est d clench et ce malgr la forte nergie ou le fort LET et la forte p n tration du laser et des ions Cette tension d finie la SOA ions lourds Les r sultats obtenus avec le laser et les ions lourds sont tout fait en accord Le laser une nergie de 6 nJ est une fois encore repr sentatif des ions lourds de fort LET et forte p n tration Cette figure montre d autre part qu il existe un cart entre la tension VR et la tension d alimentation Cet cart est d autant plus faible que cette derni re est lev e no SEB SEB PR VS AE PR PR antes erases sjacsceacessaecoresienc
44. identique que ce soit pour un impact face avant ou pour un impact face arri re Elle se trouve approximativement au milieu de la zone de charge d espace puisque la polarisation est rappelons le de 500V A cette profondeur les lectrons et les trous g n r s par la trace ionisante poss dent suffisamment d espace pour tre multipli s par le ph nom ne d impact par avalanche et nous sommes donc dans l optimum de g n ration des lectrons et des trous En fait chaque type de porteur parcourt une distance gale la moiti de la zone de charge d espace En r alit la profondeur n est pas exactement situ e au milieu de la zone de charge d espace mais une profondeur de 30 um ce qui correspond un d calage d une dizaine de microns vers la r gion de substrat N Ainsi les lectrons poss dent un parcours d environ 20 um et les trous de 25 um en effet la profondeur de jonction est de 5 um Cet cart entre les distances n cessaires aux trous et aux lectrons peut s expliquer par un plus faible coefficient d ionisation des trous qui doivent donc parcourir une plus grande distance en compensation En conclusion le volume sensible pour 500V est d fini par un impact dans la r gion intercellulaire ou dans le canal et a partir du moment ou la trace ionisante atteint le milieu de la zone de charge d espace partir de la face avant ou de la face arri re 117 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB da
45. ion Cela reviendrait a d caler ces points vers la droite sur la figure r duisant de ce fait l cart observ sur les SOA pour les faibles valeurs de LET et d nergie laser Cet cart peut aussi tre d en partie aux incertitudes li es aux tests acc l rateurs savoir sur la pr cision de la valeur des LET 99 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Cette partie fait l objet d une classification Confidentiel EADS 100 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser La recherche d quivalence propos e dans ce paragraphe des r sultats de SOA laser et ions lourds sur une gamme tendue de LET et d nergies a permis de montrer la coh rence de l volution de la SOA en fonction de ces deux param tres Elle a montr qu une quivalence nergie laser LET pour des VDMOS classiques n tait pas impossible n1 aberrante mais qu elle n tait peut tre pas aussi simple qu une relation lin aire Les bases de cette quivalence ont donc t pos es des tests exp rimentaux compl mentaires seront n anmoins n cessaires pour permettre de consolider la corr lation propos e 2 4 6 D gradation de l oxyde de grille Lorsque nous avons pr sent s les r sultats ions lourds des sections efficaces nous avons mentionn pour les MOS de type 1 et 2 l absence de mesures pour des tensions moyennes imp
46. la tension de polarisation Dans les composants de puissance verticaux l tat bloqu les zones sensibles se trouvent principalement dans le volume du semiconducteur Il est donc n cessaire que les traces d ionisation traversent toute la r gion pitaxi e Si le laser ne pose pas de probleme pour y acc der il est n cessaire de choisir des ranges lev s pour les tests sous acc l rateur Puisque nous voulons tracer les sections efficaces en fonction de la tension de polarisation il faut tre s r que les autres param tres n ont pas d influence sur le d clenchement C est la raison pour laquelle l nergie laser choisie est lev e et les LETs des ions importants Ainsi le laser a une profondeur de p n tration sup rieure 400um et une nergie de 6nJ et l ion lourd utilis est le plomb qui poss de un LET de 72 MeV cm mg un 85 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser range de 258 um et une nergie de 5 GeV tests r alis s au Grand Acc l rateur National d Ions Lourds Caen Comme nous l avons pr cis pr c demment le faisceau laser p n tre par la face arri re des composants Par contre les ions lourds peuvent en fonction du choix des conditions de manipulation p n trer dans le cristal par la face avant ou par la face arri re Il est donc n cessaire de montrer que cette derni re condition n a pas d influence sur les sections efficaces pu
47. les orbites ont de grands angles d inclinaison sont donc soumis a de plus forts risques de d faillances Les propri t s de la cavit magn tosph rique ne sont pas constantes en raison des variations du vent solaire et du champ magn tique interplan taire Il en r sulte une dynamique complexe l origine des orages magn tiques dont les manifestations les plus spectaculaires sont les aurores bor ales et les perturbations radio lectriques 1 1 1 4 Le rayonnement cosmique Le rayonnement cosmique a t d couvert par V Hess en 1912 gr ce des mesures effectu es partir de ballons sondes La nature de ce rayonnement dont les origines sont mal connues n a toutefois t entrevue qu aux environs de 1950 FREI 48 Il est constitu de 1 d ions de tr s grande nergie gt 1 MeV de 87 de protons H et de 12 de noyaux 20 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar d h lium FLEI 75 La Figure 1 2 donne l abondance relative des ions cosmiques en fonction de leur num ro atomique STAS 88 PRIC 70 Les ions les moins nerg tiques sont d origine galactique et les plus nerg tiques sont d origine extragalactique Quelque soit leur origine ces rayonnements restent extr mement nerg tiques certains ions atteignent 10 GeV mais les flux associ s sont relativement faibles Cependant dans le cas de missions spatiales longues
48. ne bas e sur le d clenchement du transistor bipolaire parasite et sur le ph nom ne d avalanche dans le collecteur qui conduit a l emballement thermique et la fusion locale du silicium dans une cellule Figure 1 23 De nombreuses autres tudes du SEB ont par la suite suivi En 1987 D L Oberg et T A Fischer publient de fa on ind pendante des techniques permettant des tests non destructifs du Burnout en limitant le courant par une forte r sistance en s rie OBER87 FIS87 L observation du Burnout se fait grace a une capacit externe qui fournit suffisamment de courant pour voir l initiation du ph nom ne mais pas assez pour d truire le composant FIS87 L efficacit de cette technique repose sur le fait que l nergie stock e en interne par le MOSFET n est pas suffisante pour aboutir a un Burnout Figure 1 23 vue optique d un Burnout la surface d une puce de MOSFET STASS92 54 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Lors de ses tests D L Oberg observe que l nergie des ions incidents a une influence sur les valeurs de sections efficaces et que le LET n est pas le param tre cl En effet pour des ions dont les valeurs de LET sont similaires il trouve des valeurs de surface sensible de puce sections efficaces que nous d finirons dans le chapitre II jusqu 2 ordres de grandeur diff rents suivant l nergie d
49. peut tre d fini partir d un range de 40 um 00 35 LET 0 006 0 um Q 0 35 LET 0 007 10 Q 0 4 LET 0 008 20 LET pC um Q 0 4 LET 0 01 30 Q3 LET 0 1 40 Qu pos e pC 7Oum Figure 3 6 sch matisation de traces d ions arrivant en incidence normale sur la face arri re et s arr tant diff rentes profondeurs dans la cellule de MOSFET Toutes les traces sont simul es la m me position suivant l axe x symbolis e par les pointill s verticaux violets 116 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Face arri re Face avant 10 Es E O eae re aan a a a e e sss ates ete aioe 1 ei ee LA D ne nn ae Py 5 Substrat N N Nepi e T ee oe Lae ee H N LU t gt i 2 gt 0 10 20 30 40 50 60 70 Range de l ion um Figure 3 7 LET minimum provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face arri re de la cellule Synth se des r sultats en face avant et face arri re La Figure 3 8 r capitule les r sultats obtenus en face avant et en face arri re pour une polarisation de 500V La profondeur la plus sensible que doit atteindre la trace 1onisante c est dire pour laquelle le LET n cessaire pour engendrer un SEB devient tr s faible est
50. porteurs par avalanche Le ph nom ne est initi par la captation de trous diffusant lat ralement sous la source dans le caisson P jusqu polariser en direct la jonction metteur base du transistor bipolaire cf Figure 1 20 Une fois ce dernier actif des lectrons sont inject s de l metteur vers la r gion pitaxi e par effet bipolaire Si la condition de champ lectrique est suffisante dans la r gion pitaxi e cette arriv e d lectrons a pour cons quence de pr cipiter le ph nom ne d avalanche En effet les lectrons traversant la zone de charge d espace acqui rent une nergie cin tique suffisante pour arracher un lectron un atome du r seau cristallin cr ant ainsi une paire lectron trou lors des collisions Le ph nom ne s auto entretient l avalanche fournit de plus en plus de trous au bipolaire parasite provoquant une injection d lectrons du bipolaire de plus en plus importante qui alimente l avalanche et ainsi de suite Le tr s fort courant r sultant qui passe dans une seule cellule conduit la destruction du composant par emballement thermique Dans le cas d une particule incidente les trous proviennent dans un premier temps de la trace d ionisation cr e par le passage de cette derni re Si le courant provenant du filament d ionisation est trop faible et ou si le champ lectrique dans la zone de charge d espace est insuffisant le bipolaire parasite s teint et le ph nom ne
51. pr sentation de l installation exp rimentale utilis e et des composants test s les diff rents r sultats sont expos s et analys s Ces r sultats portent sur la d termination de cartographies laser de sensibilit des sections efficaces d finissant la sensibilit aux SEB et des aires de s curit Des premiers r sultats sur les IGBTs seront de plus donn s 63 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser 2 1 Les limitations des acc l rateurs pour les tests SEE Les acc l rateurs de particules permettent d irradier un composant semi conducteur dans des conditions de manipulation relativement bien maitris es En effet les conditions de polarisation sont contr l es D autre part la nature et l nergie de la particule incidente sont fix es et connaissant la nature du mat riau 1l est possible de d duire la profondeur de p n tration et le LET En outre les flux utilis s peuvent tre beaucoup plus grands que les flux naturels de l espace ou de l atmosph re ce qui permet d augmenter la fr quence d apparition d un v nement Cependant outre les probl mes que la radioprotection pose le co t et l accessibilit aux acc l rateurs sont deux param tres qui limitent les fr quences et les dur es de campagne de test Avec un co t moyen d environ 500 euros h et des r servations effectuer plusieurs mois l avance il est donc n ce
52. que les tests laser ne permettent pas de d finir des ranges puisque le faisceau traverse syst matiquement la totalit de la puce Cependant 1l est possible de focaliser le faisceau de mani re obtenir une densit photonique importante a une profondeur voulue Ceci veut dire que la densit de paires lectron trou g n r es au point de focalisation est plus importante que sur le reste du parcours du laser Le d placement de ce point de focalisation permet de d terminer les zones les plus sensibles Les tests sont r alis s partir de la face arri re du composant mais pour une meilleure lisibilit des r sultats ceux ci seront pr sent s depuis la face avant Oum correspond la surface avant La Figure 3 12 a repr sente l nergie laser minimale requise pour d clencher un Burnout sur le MOS de type 3 en fonction de la profondeur de focalisation du laser et pour des tensions de polarisation de 200V et 400V Si le laser est focalis dans la zone pitaxi e l nergie n cessaire pour d clencher un v nement est minimale Par contre si le laser est focalis dans la r gion N l nergie n cessaire pour d clencher un v nement est plus importante et augmente avec l loignement de ce point de focalisation La zone pitaxi e appara t une nouvelle fois comme tant le volume sensible Ce r sultat corrobore parfaitement ceux obtenus par la simulation et pr sent s dans la Figure 3 8 D autre part l nergie laser n cessai
53. que sur 10um a positionnement de traces identique Figure 3 13 a et c Cela signifie d ores et d j que le crit re de d clenchement ne peut pas tre uniquement un crit re portant sur la charge d pos e mais plus vraisemblablement sur des associations de crit res dont l influence du range fait parti L influence du range des traces sur le ph nom ne de SEB peut s expliquer comme suit Le m canisme de SEB est li deux m canismes l avalanche et la mise en conduction du transistor bipolaire qui s auto alimentent en charges Afin que le ph nom ne de Burnout devienne irr versible les m canismes d avalanche et de conduction du transistor bipolaire doivent tre maintenus C est dire que l avalanche doit tre aliment e par le courant d lectrons inject par le transistor bipolaire et ce dernier doit tre aliment par le courant de trous provenant du m canisme d avalanche L observation syst matique du champ lectrique dans la structure simul e suite un Burnout nous a montr s que le taux de multiplication des porteurs par avalanche tait toujours le plus fort au niveau de l homo jonction N N lieu du maximum du champ lectrique en fin de simulation c est dire bien apr s le Burnout C est en effet cette configuration du champ lectrique qui permet d obtenir le plus fort taux de multiplication des trous par impact assurant au transistor bipolaire un courant de base suffisant afin que ce dernier reste allum
54. se traduit simplement par un courant transitoire suivit du retour a l tat initial bloqu Le transistor bipolaire parasite doit donc tre d sensibilis l aide d un design sp cifique de la structure du VDMOS Pour cela une zone P fortement dop e est implant e sous la zone de source permettant de diminuer la r sistance lat rale et de retarder la mise en conduction de la jonction metteur base du transistor bipolaire cf Figure 1 20 49 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Augmentation du potentiel localement gt Polarisation en direct de la Jonction Figure 1 20 structure d une cellule de VDMOSFET illustrant le m canisme de mise en conduction du transistor bipolaire parasite NPN par une particule ionisante 1 5 2 L IGBT 1 5 2 1 Pr sentation g n rales Introduit dans les ann es 1980 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor a fait l objet d un d veloppement tr s rapide et constitue aujourd hui un composant standard dans la gamme des interrupteurs de moyenne puissance Les dispositifs disponibles peuvent bloquer des tensions jusqu 6 5 kV et peuvent transiter des densit s de courant de plus de 150 A cm Les transistors IGBT sont des dispositifs mixtes dont la structure d rive de celle des VDMOS de puissance par substitution d un metteur P la place de la r gion N de drain Figure 1 21 Cet me
55. section efficace donnant la sensibilit au SEB des MOS peuvent aussi tre trac es en fonction du LET des ions ou de l nergie laser Dans ce cas la tension de polarisation reste fixe La Figure 2 23 et la Figure 2 24 repr sentent les sections efficaces du MOS 1 d termin es par des ions lourds et par le laser respectivement et pour diff rentes tensions de polarisation L acc l rateur utilis est celui de l Universit Catholique de Louvain La Neuve UCL les caract ristiques des ions sont donn es dans le Tableau 2 4 du paragraphe 2 4 4 Les ions poss dent un range tr s sup rieur la taille de l pitaxie de 92 a 199 um et les tests sont r alis s en face avant Les tests laser sont quant a eux toujours r alis s en face arri re et la courbe est extraite d une cartographie laser en nergie seuil 88 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser La Figure 2 23 montre que la section efficace qui repr sente la surface sensible du composant diminue avec la tension Cela est coh rent avec la diminution du champ lectrique qui entraine une plus faible multiplication des porteurs par impact et donc une plus faible efficacit des charges d pos es mesure que la tension baisse La comparaison des deux figures montre que les courbes ont globalement la m me allure c est dire qu elles tendent vers une saturation pour les plus fortes valeurs de LET et d nergie l
56. sent peut initier le ph nom ne d ionisation par impact Si les niveaux initiaux de courant et de champ lectrique sont suffisants le bipolaire parasite et l avalanche s auto alimentent en charges jusqu aboutir la fusion locale du silicium de la cellule si le courant n est pas limit par le circuit ext rieur WASK86 OBER87 FIS87 Ce m canisme est l objet de notre recherche et sera tudi plus en d tails dans la suite de ce m motre e Le SEGR Single Event Gate Rupture Le SEGR est la destruction d un composant a grille isol e due au claquage de l oxyde de grille induit par le passage d un 45 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar unique ion lourd dans le silicium En effet sous polarisation drain source suffisante les charges d pos es dans le silicium peuvent s accumuler sous l oxyde de grille conduisant l apparition d une charge image dans l lectrode de grille L augmentation transitoire du champ lectrique r sultant aux bornes de l oxyde peut conduire la destruction de ce dernier et donc la perte de fonctionnalit totale du composant JOHN96 Ce m canisme est accentu par la pr sence d une tension de grille Le ph nom ne lectrique caract ristique du SEGR est une augmentation brusque et significative du courant de fuite de grille l oxyde est perc De r centes tudes on
57. singuliers pr sent s dans le chapitre suivant SCE z LET oe MeV cm2 mg Eq 1 4 p 100 10 Al eo Fe o He gt 10 At gt 2 EK EE r 1 T T TTT T T oor HE RE 1 T 1 0 1 T T Fee A T T ao dd A 0 1 10 0 1 1 10 parcours um parcours um Figure 1 14 LET MeV cm mg en fonction du parcours dans le silicium des ions Al Fe et He pour des nergies initiales de SOMeV 40Mev et 5MeV respectivement 1 3 4 L interaction faisceau laser silictum 1 3 4 1 Nature de l interaction photon silicium La gamme de longueurs d onde des lasers utilis s pour l tude des effets des radiations naturelles est telle que l interaction pr dominante est l effet photo lectrique Les autres interactions comme l effet Compton ne sont significatifs que lorsque les photons ont des 38 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar nergies sup rieures 10 eV WROO2 CHEV86 Comme les lasers utilis s fournissent des photons d nergies inf rieures quelques nJ c est dire dizaines de peV cf paragraphe 1 2 4 ces derniers ne sont pas pris en compte L effet photo lectrique dans un semiconducteur r sulte de diff rents m canismes d absorption conduisant a la cr ation de paires lectron trou Lorsqu un photon poss de une nergie hv au moins gale la largeur de la bande interdite le ga
58. sont inconnues et ont t estim es 50 cm pour la couche pitaxi e et 100 cm pour le substrat N La Figure 2 32 repr sente le LET laser ainsi calcul et superpos a la courbe de SOA ions lourds de la Figure 2 30 600 500 A A 400 i ions lourds fortes i p n trations 4 300 l A LET laser quivalent 8 IE 200 4 A 100 A x Ir R n 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 LET MeV cm mg Figure 2 32 tension seuil de d clenchement d un SEB en fonction du LET quivalent laser et du LET des ions de ranges tr s sup rieurs l pitaxie N La figure met en vidence que pour des valeurs de LET sup rieures 30 MeV cm2 mg les SOA obtenues par le laser et les ions lourds sont tout a fait comparables En dessous de ces valeurs les ordres de grandeurs sont coh rents mais un cart appara t Celui ci peut ventuellement s expliquer par certaines sp cificit s du test acc l rateur qui ne peuvent pas tre reproduites par le laser comme notamment l volution du LET de la particule au cours de son parcours Dans notre cas les ions argon nickel et krypton de LET 10 1 26 et 32 4 MeV cm mg respectivement pr sentent une variation importante de leur LET puisque le pic de Bragg se positionne dans la zone pitaxi e du composant La valeur du LET a prendre en compte est alors plus grande que la valeur habituellement consid r e pour nergie incidente de l
59. type planar 1 2 Les outils exp rimentaux permettant de simuler les effets de l environnement naturel Avant d utiliser dans un environnement naturellement radiatif un composant commercial standard ou bien un composant sp cialement durci il est crucial de conna tre son v ritable degr de sensibilit lors de sa mission effective Pour ce faire des moyens exp rimentaux permettent de reproduire des v nements radiatifs Les moyens de test sont les acc l rateurs de particules les sources naturelles radioactives les microfaisceaux d ions lourds et le laser Dans ce paragraphe nous allons d crire ces diff rents moyens de simuler les eftets du rayonnement naturel sur la mati re sachant que seuls les acc l rateurs et le laser seront utilis s dans le cadre de nos travaux de recherche 1 2 1 Les acc l rateurs L un des moyens de caract risation le plus utilis pour d terminer la sensibilit des composants lectroniques est donc l acc l rateur de particules Ce dernier produit des ions plus ou moins charg s et les acc l re sous l action d un champ de force Il faut toutefois noter que les nergies des particules produites en acc l rateurs restent souvent inf rieures celles pouvant tre rencontr es dans l espace Les acc l rateurs les plus utilis s pour le test de sensibilit aux SEEs sont les acc l rateurs lectrostatiques lin aires notamment ceux de type Tandem Van de Graaff TVDG et les ac
60. 0 25 7 S S any o gt 309 O Mesures laser D S 200 D 5 100 O e 0 100 200 300 400 500 600 700 Tension drain source V Figure 2 26 chute de la tension de polarisation aux bornes du MOS 5 lors du d clenchement d un v nement en fonction de la polarisation initiale Mesures faites avec une nergie laser incidente de 6nJ Les m mes types de courbes ont t obtenus pour tous les 5 MOSFETs de puissance test s Le Tableau 2 3 a la fin de ce paragraphe r capitule les r sultats obtenus Parmi les 4 MOSFET de 500V le MOS 2 de type superjonction avec une topologie de type stripfet ne 92 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser pr sente pas de diff rence en ce qui concerne la valeur de la SOA avec les MOS 1 et 3 de technologie planar classique et de design hexfet Pour ces deux derniers MOS il est a priori normal d obtenir la m me SOA puisqu ils poss dent la m me tenue en tension et donc les m mes caract ristiques de la couche pitaxi e Le MOS 4 en revanche poss de une SOA sup rieure de 22 Le MOS 5 de tenue en tension 1000V a une tension seuil de SEB sup rieure de 67 Il est difficile d expliquer ces carts observ s sur la SOA entre tous ces composants puisqu ils sont par nature de technologie et de design diff rents Cependant il semble que les structures superjonction poss dent des SOA sup rieures aux structur
61. 00V w E 05 200V E a 300V 8 1 E 05 gt 400V x 500V Q z 5 5 E 04 AEE 60 70 0 E 00 Profondeur dans la cellule um Figure 3 16 valeur du champ lectrique suivant une coupe verticale dans la demi cellule de MOSFET au milieu de la source N diff rentes polarisations Vps 131 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Position en x pour la g n ration de toutes les traces LET pC um Qu pos e pC Vps 500V a traces ionisantes LET 0 03 Q 0 6 LET 0 015 Q 0 45 b traces ionisantes LET 0 007 Q 0 28 LET 0 006 70um d traces ionisantes e traces ionisantes Figure 3 17 sch matisation de traces ionisantes dans la demi cellule de MOSFET polaris e 500V Les traces sont positionn es la m me abscisse x mais diff rentes profondeurs et sont simul es chacune ind pendamment La longueur des traces est de a 10 um b 20 um c 30 um d 40 um et e 50 um Le LET est en pC um la charge Q est en pC et le range en um 132 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 3 3 2 Traces ionisantes horizon
62. 1 9 e es e TER E 3 02 A face avant amincissement de 200um eb A amincissement de 300um 2 1 E 03 O 9 1 E 04 es 0 0 200 300 400 500 Tension drain source V Figure 2 19 section efficace du MOS 3 obtenue avec des ions lourds p n trant par la face avant et la face arri re 86 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Des tests ions lourds et laser ont donc t effectu s sur 3 MOS 500V MOSI 2 et 3 et les r sultats sont donn s sur les Figure 2 20 Figure 2 21 et Figure 2 22 Les tensions seuil de d clenchement obtenues par les deux moyens de test sont identiques pour chaque composant Les valeurs des sections efficaces saturation pour le MOS 3 sont tr s proches dans les deux cas Pour des tensions plus faibles l cart observ peut provenir de l extrapolation de la cartographie laser r alis e sur une dimension de 100x100 um l ensemble de la puce D autre part une partie de cet cart de mesure peut provenir de l valuation de la surface ouverte dans le cas d une ouverture chimique en face avant pour les tests ions lourds Sur les MOS 1 et 2 les mesures ions lourds se limitent a des tensions de polarisation faibles car ces composants se sont montr s tr s sensibles au ph nom ne de SEGR cf paragraphe 2 4 6 La conclusion de cette tude est que les tests laser forte nergie permettent d o
63. 1 et valide de fait l utilisation du laser Nez N substrat Nepi N substrat a 3 3 a 77 D D f f O O 2 2 e 2 Vds 200V iT 5 Vds 300V 1gg3 gse e Vds 400V i 0 T T T I T T T T I T T T T I T T T T I T T T T I T T T T 0 T T T T T T T T I I I I I I I I I T 0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 400 Profondeur de focalisation depuis la face avant um Profondeur de focalisation depuis la face avant um a b Figure 3 12 nergie laser minimum d clenchant un SEB en fonction de la profondeur de focalisation du laser a pour le MOS 3 500V b pour le MOS 5 1000V En conclusion interm diaire de ce paragraphe concernant la recherche du volume sensible d un VDMOS classique de type planar nous pouvons dire que les simulations les tests 1ons lourds et les tests laser convergent vers la m me localisation de ce volume Il correspond en profondeur la r gion d pitaxie et plus particuli rement la zone de charge d espace En surface 1l est localis a la r gion intercellulaire et au canal r sultat connu gr ce a l tude portant sur la cartographie et ceux aussi d crits dans la litt rature La connaissance de ce volume va permettre lors de tests en acc l rateur de choisir des ions de range adapt afin de ne pas surestimer la SOA d un composant ou sous estimer sa section efficace Cette donn e nous sera d autre part utile pour d velopper le code de pr diction DASIE pour les MOSF
64. 1698 1703 S D LaLumondiere R Koga P Yu M C Maher and S C Moss Laser Induced and Heavy Ion Induced Single Event Transient SET Sensitivity Measurements on 139 Type Comparators IEEE Trans Nucl Sci vol 49 No 6 pp 3121 3128 Dec 2002 D Lewis V Pouget F Beaudoin P Perdu H Lapuyade P Fouillat and A Touboul Backside laser testing of ICs for SET sensitivity evaluation IEEE Trans Nuc Sci vol 48 pp 2193 2201 Dec 2001 E Lorfevre C Dachs C Detcheverry J M Palau J Gasiot F Roubaud M C Calvet R Ecoffet Heavy ion induced failures in a power IGBT Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 44 Issue 6 Dec 1997 E Lorf vre D faillances induites par les rayonnements ionisants dans les composants de puissance IGBT et VIP Solutions de durcissement th se Universit Montpellier IT 1998 D McMorrow J S Melinger S Buchner T Scott R D Brown and N F Haddad Application of Pulsed Laser for Evaluation and Optimization of SEU Hard Designs IEEE Trans Nuc Sci NS 47 pp 559 565 Dec 2000 D McMorrow J S Melinger N Thantu A B Campbell T R Weatherford A R Knudson L H Tran and A Peczalski Charge Collection 173 MCMORO2 MEL94 MIL04 MIL06 MILO6B MOR04 MOR99 MOS95 MUS99 NICH86 NICH94 174 Mechanchisms of Heterostructure FETs IEEE Trans Nuc Sci NS 41 1994 D McMorrow et al
65. 4 V 10 14 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Drain Voltage V Drain Current A Figure 1 24 LIU06 relation entre la tension de second claquage et la tension seuil de d clenchement du SEB sur une structure durcie d IR En 1991 et 1992 des tests sont r alis s afin d valuer la sensibilit au Burnout en fonctionnement dynamique P Calvel et al CAL91 observent une nette diminution de 56 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar cette derni re de deux ordres de grandeur entre les sections efficaces saturations statique et dynamique Stassinopoulos et al font les m mes observations STAS92 En revanche Tastet et al n observent pas de diff rence de sensibilit entre les deux modes de fonctionnement TAS92 Cela peut tre expliqu par le fait que la temp rature est stabilis e dans les exp riences de Tastet alors qu il se produit un chauffement des composants d au fonctionnement en commutation dans les tests de P Calvel ce qui d favorise le d clenchement du Burnout JOHN96 Figure 1 25 Le Burnout se produisant pendant l tat OFF le rapport cyclique peut d autre part expliquer la diff rence de sensibilit entre le mode dynamique et le mode statique STAS92 Par ailleurs la communaut scientifique a cherch d finir une norme exp rimentale pour les tests en acc l rateurs En effet P Taste
66. Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 7 Conclusion Les environnements radiatifs naturels spatiaux et atmosph riques ont t pr sent s dans ce chapitre Ces milieux naturellement radiatifs sont hostiles pour les syst mes lectroniques embarqu s puisqu ils peuvent tre la source de d faillances potentiellement critiques pour le syst me lectrique impact Il est donc capital de conna tre la sensibilit des composants lectroniques dans de tels environnements Il existe pour cela divers outils permettant de reproduire exp rimentalement les d faillances li es aux radiations Les plus utilis s sont les acc l rateurs de particules et les plus r cents les lasers Face aux diff rences entre les m canismes de g n ration des charges de ces outils et afin de comprendre l origine des d faillances observ es nous avons explicit les m canismes d interactions entre les ions les protons les neutrons sur la mati re d une part et les photons d un faisceau laser sur la mati re d autre part Le laser permet de g n rer des paires lectron trou le long d un parcours rectiligne comme dans le cas d un ion avec n anmoins une profondeur d interaction bien sup rieure aux ions disponibles en acc l rateur ce qui est repr sente un grand avantage Malgr la diff rence concernant les m canismes d interactions et la diff rence des profils de traces d ioni
67. Consid rons la configuration initiale du champ 127 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Position en x pour la g n ration de toutes les traces LET pC um Qu pos e pC Vps 200V LET 0 41 LET 0 08 Q 8 2 Q 2 4 LET 0 45 Q 13 5 d traces ionisantes de 40um e traces ionisantes de 50um Figure 3 13 sch matisation de traces ionisantes dans la demi cellule de MOSFET polaris e a 200V Les traces sont positionn es la m me abscisse x mais diff rentes profondeurs et sont simul es chacune ind pendamment La longueur des traces est de a 10 um b 20 um c 30 um d 40 um et e 50 um Le LET est en pC um la charge Q est en pC et le range en um 128 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique lectrique dans Figure 3 14 courbe titi Dans cette configuration les lectrons situ s proches de la surface du composant rencontrent un champ lectrique intense et une profondeur maximale de la zone de charge d espace leur permettant d tre acc l r s et multipli s par impact de mani re significative Les trous en revanche n ont plus qu une faible distance parcourir dans l
68. Description des outils des simulations TCAD et du v hicule test de simulation Afin de d finir le volume sensible et des crit res de d clenchement du SEB valables pour des ions lourds pour les MOSFETs de technologie planar classique 1l est n cessaire de mieux comprendre les m canismes du ph nom ne de SEB l aide de simulations num riques Nous avons donc simul un v hicule test de type MOS de puissance dont les param tres physiques et g om triques sont repr sentatifs de la technologie de type planar classique de design hexfet 3 1 1 L outil de simulations 2D TCAD Dans le domaine de la micro lectronique la simulation num rique est devenue une activit incontournable pour la mise au point des fili res technologiques pour l analyse de l impact de nouveaux mat riaux et pour la conception de nouvelles architectures de dispositifs semiconducteurs Ces simulations aident la compr hension des m canismes physiques et lectriques mis en jeu dans ces dispositifs Parmi les diff rents niveaux de mod lisation la mod lisation TCAD Technology Computer Aided Design appel e galement mod lisation num rique car elle se base sur la r solution num rique des quations de la physique se situe au niveau le plus microscopique permettant de voir le comportement interne des dispositifs lectroniques Ces simulations sont born es par la puissance des ordinateurs et les temps de calcul L inconv nient de ces simulations num
69. EE Trans Nuc Sci Vol 34 No 6 pp 1736 1741 dec 1987 D L Oberg J L Wert E Normand P P Majewski S A Wender First observations of power MOSFET burnout with high energy neutrons Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 43 Issue 6 Part 1 Dec 1996 Page s 2913 2920 J M Palau G Hubert K Coulie B Sagnes M C Calvet S Fourtine Device simulation study of the SEU sensitivity of SRAMs to internal ion tracks generated by nuclear reactions IEEE Trans Nuc Sci Vol 48 No 2 225 231 April 2001 Une collection de mesures exp rimentales compil e par H Paul sur le site de l universit de Linz D Peyre C Poivey C Binois R Mangeret G Salvaterra M Beaumel F Pontoni T Bouchet L Pater F Bezerra R Ecoffet E Lorfevre F Sturesson G Berger J C Foy B Piquet SEGR Study on Power MOSFETs Multiple Impacts Assumption IEEE Trans Nucl Sci vol 55 pp 2181 2187 Aug 2008 V Pouget Simulation exp rimentale par impulsions laser ultra courtes des effets des radiations ionisantes sur les circuits int gr s These Universit de Bordeaux I 2000 V Pouget D Lewis H Lapuyade R Briand P Fouillat L Sarger and M C Calvet Validation of Radiation Hardened Designs by Pulsed Laser Testing and SPICE Analysis Microelectron Reliab vol 39 pp 931 935 1999 A K Richter and I Arimura Simulation of heavy charged particule tracks using focused laser
70. ET c est dire des param tres physiques et g om triques Par ailleurs des travaux de simulation utilisant les outils TCAD ont t men s afin de mieux comprendre les m canismes de d clenchements du SEB dans les VDMOS Les travaux de F Roubaud ROUB93 C Dachs DACH95 et O Musseau MUSS99 montrent que le SEB est favoris lorsque la position d impact de l ion incident est localis e soit au niveau du canal soit dans la r gion intercellulaire Cette derni re se situe imm diatement sous 57 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar l oxyde de grille entre les canaux des cellules l mentaires r gion que l on appelle de neck F Roubaud r alise des exp rimentations avec une source de californium C 252 qui viennent appuyer cette conclusion obtenue l aide de simulations Les premi res tudes exp rimentales sur l effet des protons et des neutrons comme source de SEB dans des MOSFETs 200 V 500V sont publi s en 1988 par A Wasciewicz WAS88 et en 1996 par D L Oberg OBER96 Toujours en 1996 Adolphsen rend compte de SEB caus s par des protons dans des MOSFETs de 200V durant l exp rience CRUX Cosmic Ray Upset Experiment sur le satellite APEX ADOL96 L orbite du satellite rencontre les protons pi g s dans les ceintures de radiations et par l anomalie de l Atlantique Sud SAA Cette orbite est a vite
71. ETs de puissance 124 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 3 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB l aide des simulations Maintenant que le volume sensible dans un VDMOS classique de type planar est d termin 1l est n cessaire de trouver des crit res de d clenchement du ph nom ne de SEB afin d adapter le code de pr diction DASIE aux MOSFETS de puissance Ces crit res de d clenchement qui doivent tre relativement simples et accessibles sont des conditions permettant de statuer sur le d clenchement ou non d un v nement Ces crit res peuvent par exemple porter sur la tension inverse de polarisation sur les caract ristiques de la particule incidente sur son parcours dans le volume sensible Si les diff rentes conditions d finies sont remplies un v nement est alors comptabilis L influence du range de la profondeur de d p t de charge et de la tension de polarisation sur le ph nom ne de SEB ont t tudi s gr ce des simulations de traces ionisantes verticales et horizontales de diff rentes longueurs et g n r es au sein du volume de la cellule de VDMOS polaris e a diff rentes tensions L volution des LETS seuils d clenchant un v nement ainsi que du champ lectrique dans la cellule ont t observ s en pa
72. K Soliman et D K Nichols Latchup in C MOS devices from heavy ions IEEE Transactions on Nuclear Science Vol NS 30 N 6 pp 4514 4519 d cembre 1983 SRIM Stopping and Ranges of Ions in Matter logiciel gratuit E G Stassinopoulos GJ Bruckel P CalveP A Baiget C PeyrotteJ R Gaillard Charge generation by heavy ions in power MOSFETs Burnout space predictions and dynamic SEB sensitivity IEEE Transactions on Nuclear Science Vol 39 N 6 d cembre 1992 C Sudre Synth se et mod lisation des ph nom nes induits par une irradiation transitoire sur des diodes et transistors Photocourants g n r s par flash X Th se Universit Montpellier IT septembre 1995 P Tastet J Garnier Heavy Ions Sensitivity of Power Mosfets IEEE Trans Nucl Sci vol 39 p 357 361 1992 J L Titus C F Wheatley Experimental study of single event gate rupture and burnout in vertical power MOSFET s IEEE Trans Nucl lt Sci vol 43 pp 533 545 Apr 1996 A E Waskiewicz and J W Groninger Burnout Thresholds and Cross Sections of Power MOSFET Transistors with Heavy Ions Rockwell International Report Nov 1988 A E Waskiewicz and J W Groninger Burnout Thresholds and Cross Section of Power MOS Transistors with Heavy Ions Defense Nuclear Agency DNA MIPR 88 507 February 1990 C Weulersse A Bougerol G Hubert F Wrobel T Carriere R Gaillard N Buard Investigation of the Influence of Proc
73. LET fixe Range fixe 10 20 30 40 50 70um Drain V Simulations pour e VDS 500V gt activation du bipolaire et SEB e VDS 300V gt activation du bipolaire sans SEB Figure 3 28 influence de la polarisation sur la mise en conduction du bipolaire parasite simulation d une trace ionisante de LET range et position fix s pour les tensions 500V et 300V 1 E 02 1 E 01 es amp 2 1E 00 Burnout _ 1 E 01 o 1 F 02 3 1 503 ee Vds 500V i 1 E 04 Vds 300V 1 605 TD 1 E06 ar 5 1 E07 O O 1 E08 1 E 09 Aucun Burnout 1 E10 i to 60 1 E11 1612 1 611 1 610 1 E 09 1 E 08 1 E 07 1 E06 1 E05 Temps s Figure 3 29 volution du courant de drain en fonction du temps suite un impact ionisant identique pour deux tensions de polarisation La Figure 3 30 a repr sente la jonction l instant t 4 ps o la trace ionisante est d pos e Les figures suivantes visualisent l allumage progressif de la jonction metteur base avec un envahissement d lectrons inject s dans la r gion de base A l instant t 10 s l metteur injecte totalement des porteurs et le transistor est verrouill en conduction par 147 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique l injection des trous provenant du substrat Nepi donc g n
74. Plus la tension inverse de polarisation augmente plus l nergie laser minimum n cessaire un d clenchement diminue Ceci est d au fait que la zone de charge d espace s largissant avec l augmentation de la tension les charges d pos es susceptibles d tre collect es par la base du transistor parasite NPN sont plus importantes et sont en outre multipli e en plus grand nombre O iN NO Energie laser seuil de SEB nJ O 0 100 200 300 400 500 Tension de polarisation Vps V Figure 2 25 LET minimum d clenchant un SEB en fonction de la polarisation Vps pour un MOSFET SOOV classique de type hexfet Tout en gardant la m me m thode de mesure il est aussi possible de repr senter la SOA sur une courbe donnant l amplitude de la chute de tension survenant sur le drain du VDMOS lors du d clenchement d un venement en fonction de la tension de polarisation Les variations de la tension drain source sont mesur es directement au moyen d une sonde haute tension Il est noter que ce dernier type de mesure n est pas possible en acc l rateur en 91 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser raison de la longueur tr s limit e du cable de la sonde Son imp dance tant de 1 MQ le c ble ne peut tre prolong par plusieurs BNC classiques d imp dance 50Q sans alt rer le signal de fa on cons quente Pour ces mesures l nergie laser p
75. Poivey d avoir accept d tre membre de mon jury J exprime tous mes remerciements et ma sympathie a Monsieur Thierry Carri re pour avoir Suivi et particip avec enthousiasme mes travaux Les discussions scientifiques que nous avons pu avoir ont toujours t tr s clairantes pour moi Je remercie galement Monsieur Patrick Heins pour l int r t qu il a port a ce travail et pour avoir accept d tre membre invit du jury Je souhaite remercier chaleureusement Monsieur Richard Dufayel qui m a tout appris de la machine ASAP et de l ouverture chimique des composants Merci d autre part pour tous les coups de main demand s souvent en urgence et pour les heures sup que tu as faite bien volontiers pour nous Je remercie sincerement Monsieur Eric Imbernon qui a pris le temps de tout me montrer et de tout m apprendre lors de mes s jours reverse engineering au LAAS J ai eu plaisir retourner en salle blanche et j ai beaucoup appr ci ta p dagogie et ton entrain Je remercie particuli rement Monsieur Patrick Poirot dont l aide fut r ellement pr cieuse tout au long de cette these et maintenant encore Merci de croire en moi et de m entrainer vers le haut Je tiens a remercier Monsieur Fr d ric Morancho qui m a appris a construire une cellule de MOS digne de ce nom sous Silvaco et qui a toujours pris le temps de r pondre a mes questions Merci pour ta disponibilit et ton
76. S simul e avant un impact ionisant tinitial et apr s un SEB tinal 2 0E 05 Temps t suite un impact ionisant gt t 4 ps Substrat N 1 5E 05 t 10 ps t 100 ps 1 0E 05 x t 1E3 ps t 1E4 ps o t 1E5 ps 5 OE 04 t gt 1E6 ps Valeur du champ lectrique V cm 0 0E 00 0 10 20 30 40 50 60 70 Profondeur z de la demi cellule MOSFET um Figure 3 15 volution du champ lectrique suite un impact ionisant vertical traversant toute l pitaxie en t 2 ps dans la demi cellule de MOSFET polaris e 200V Pour une polarisation de 200V le cas le plus favorable au d clenchement d un SEB est donc celui ou lion traverse toute la r gion pitaxi e profonde de 50 um Cette configuration requiert le plus faible LET et la plus faible quantit de charges d pos es Pour des traces plus courtes au regard de la Figure 3 13 d par comparaison des niveaux de LET et de charge requis pour entrainer un Burnout suivant la position de celles ci il apparait clairement que les traces doivent traverser toute la zone de charge d espace afin d avoir un maximum d efficacit pour d clencher un Burnout 130 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique La Figure 3 17 reprend les simulations de la Figure 3 13 pour une polarisatio
77. Ts est deux fois plus petite que celles des MOS test s et que d autre part le m canisme du Latchup entraine des densit s de courants sup rieures celles engendr es par un Burnout en particulier lorsque le courant est tr s fortement limit et que le taux d avalanche est par cons quent relativement faible Afin de tenter de limiter ces densit s de courants nous avons supprim la capacit ext rieure de nF sur le circuit de test Cela a permis d observer des v nements non destructifs sur la r f rence d IGBT 600V jusqu une polarisation d environ 400V les v nements tant au del destructifs Les tests sont en revanche rest s destructifs sur la r f rence d IGBT 1200V MOSFET IGBT sous test Ouverture dans le contact de drain pour le faisceau laser Figure 2 8 photo de la maquette de tests de SEB utilis e pour le banc laser La Figure 2 8 montre la maquette de test utilis e avec le banc laser pr sent dans le paragraphe pr c dent 2 3 1 Pour les tests ions lourds en acc l rateur une autre maquette a t con ue La Figure 2 9 est une photo de la maquette de test utilis e au GANIL et a UCL BINO6 La carte peut supporter six MOSFETs en m me temps L avantage d avoir plusieurs composants sur une m me maquette est l conomie du temps d acc s la salle d irradiation pour changer le composant dans le cas du GANIL ou du temps mis pour rompre et refaire le vide dans l enceinte a vide dans le c
78. a pr sence d une toile indique que ces positions sont les plus sensibles puisque leur LET est le plus faible Afin de permettre au lecteur une bonne compr hension de l analyse des r sultats nous rappelons que les lectrons et les trous sont collect s aux contacts de source et de drain respectivement cf Figure 3 1 paragraphe 1 2 En outre deux conditions sont requises afin que les porteurs puissent tre multipli s par le m canisme d ionisation par impact les lectrons et les trous doivent atteindre leurs vitesses de saturation sous l effet d un champ lectrique et ils ont besoin de parcourir une distance minimum cette vitesse afin d acqu rir l nergie suffisante pour pouvoir cr er une nouvelle paire lectron trou KUBO4 Ainsi plus les porteurs parcourent de distance dans la zone de charge d espace plus le nombre de paires qu ils g n rent est important autrement dit plus le taux de multiplication est grand Analyse des r sultats pour les simulations partir des Figure 3 13 et Figure 3 17 L int r t de r aliser des analyses 200V sur des structures de tenue en tension de SOOV est de prendre en compte les cas o la zone de charge d espace ne s tale pas enti rement dans la zone pitaxi e D autre part d un point de vue applicatif cette tension correspond a peu pr s a la tension de fonctionnement en r gime normal Une premiere observation est que le LET minimum requis pour entra ner un SEB
79. acc l rateur Diverses tudes laser ont donc t r alis es sur des MOSFETs de puissance afin de d terminer leur sensibilit au SEB Des cartographies de sensibilit en nergie laser seuil et en tension seuil ont t r alis es et ont permis de visualiser avec pr cision la sensibilit relative des diff rentes zones de la surface des puces Ces cartographies laser ont permis de d duire des courbes de sections efficaces en fonction de l nergie laser ou de la tension de polarisation La comparaison des r sultats obtenus l aide du laser et des l acc l rateurs d ions lourds sur les sections efficaces en fonction de la polarisation et sur la SOA ont montr un tr s bon accord et ont de fait valid l utilisation du laser D autre part le ph nom ne de la d gradation progressive de la grille lors de tests en acc l rateur n a jamais t observ au laser malgr des centaines de Burnout d clench s par laser Ce dernier point est un avantage consid rable du laser que de permettre l tude du SEB de mani re compl tement d corr l e du SEGR Enfin nous avons propos une premi re approche d quivalence entre le LET des ions et l nergie laser pour des VDMOS classiques ainsi que des premiers r sultats laser sur la sensibilit des IGBTs aux radiations 105 106 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodol
80. alors tre obtenue d pend de l objectif qui est utilis pour focaliser le faisceau Il s agit de la limite de diffraction Cette valeur minimale est donn e par 1 22 D 7 a Eq 1 7 O N o O N est l ouverture num rique A 1 06 um pour une ouverture num rique de 0 75 D vaut 1 7 um Il est possible de r gler exp rimentalement wo et Zo en contr lant les conditions de focalisation du faisceau laser La Figure 1 17 donne une repr sentation en coupe suivant l axe de propagation du faisceau d une onde gaussienne La divergence 0 du faisceau est d finie par l angle form par l axe de propagation du faisceau z avec les asymptotes l infini de l enveloppe de I onde 42 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar propagation du faisceau Radial distance r r Figure 1 17 Repr sentation du caract re radial gaussien de l onde laser DARO3 Dur e d impulsion De nombreuses applications des lasers et en particulier l tude des d faillances dues aux radiations demandent que son intensit soit d livr e de fa on finie dans le temps et selon un taux de r p tition connu S il est possible d utiliser des interrupteurs optiques externes la cavit laser pour transformer un faisceau continu en succession d impulsions pratiquement carr es 1l est beaucoup plus efficace de faire en sorte que la ca
81. angereuses car elles requi rent les LETs seuils les plus faibles 0 10 20 30 40um 0 10 20 30 40um Oum 10 20 3 LET 0 51 aa LET 1 1 LET 0 37 _ LET 0 52 Q 11 70um 70um 0 10 20 30 40um 0 10 20 30 40um Oum Oum 10 10 20 20 LET 0 36 LET 0 22 LET 0 23 Q 10 8 30 30 40 40 50 50 c traces ionisantes de 30um d traces ionisantes de 40um LET pC um X Qu pos e pC e Vps 200V Z e z 20um profondeur de g n ration de toutes les traces Figure 3 18 sch matisation de traces ionisantes dans la demi cellule de MOSFET polaris e 200V Les traces sont positionn es la m me profondeur z 20um mais diff rentes abscisses et sont simul es chacune ind pendamment La longueur des traces est de a 10 um b 20 um c 30 um et d 40 um Le LET est en pC um et le range en um 134 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 0 10 20 30 40um 0 10 20 30 40um Oum Oum 10 10 LET 0 41 20 Q 8 2 20 30 40 50 70um a traces ionisantes de 10um 0 10 20 30 40um Oum 10 LET 0 28 LET 0 24 Q 8 4 20 Q 9 6 20 70um c traces ionisantes de 30um d traces ionisantes de 40um 70um LET pC um X Qu pos e pC e Vps 200V Z e z 0um profondeur de g n ration de toutes les traces Figure 3 19 sch m
82. ansistor bipolaire parasite est tr s fortement aliment par le m canisme d avalanche En effet pour des tensions inf rieures 350V et donc pour des zones de charges d espace moins d velopp es qui affaiblissent la multiplication des porteurs par avalanche le temps d allumage du transistor parasite est plus long et conduit des tensions VR plus faibles en valeur absolue Ce n est en revanche pas le cas du MOS 3 puisque la tension Vr n atteint que 67 de Vaim Pour les deux MOSFETs plus la tension d alimentation se rapproche des tensions seuil d apparition du SEB plus l cart entre les tensions Vpr et Vaim se creuse Les commutations des MOSFETs s loignent de plus en plus de l interrupteur id al et il existe un temps de mise en conduction qui ralentit l tablissement du courant de d charge de la capacit Cl La tension VR qui est l image de ce courant d croit par cons quent plus lentement et atteint des valeurs minimum bien sup rieures Vaim cf Figure 2 7 paragraphe 2 3 2 L cart qui existe entre le MOS 1 et le MOS 3 est certainement d aux caract ristiques physiques et g om triques propres a chaque composant 100 e 0 00000 80 eee _ e D Toas os is a 30 MOS 1 S MOS 3 4 e 20 l e 0 TT E e ES CR RE EC EP RE RE a 0 100 200 300 400 500 Valim V Figure 2 29 pourcentage Vr Vatim en fonction de la tension d alimentation Mesures pour le MOS I et le MOS 3 Le Tableau 2 3 r
83. ant dans le milieu Comme l nergie cin tique de l ion diminue au fil de son parcours la valeur maximale du parcours moyen R des rayons 6 diminue d autant En d autres termes le rayon de la trace d ionisation diminue avec la profondeur du range La Figure 1 11 b illustre ce ph nom ne en montrant la trace d ionisation d p t de charges par abus de langage pour diff rents ions lourds de ranges identiques H a Fe g Ion O incident ns me tea ey me a alr p p i Ne Na Mg Si Ca Ti Fe N Le pe ty QO i Figure 1 11 trajectoire de quelques ions lourds H Fe dans le silicium BOU96 R partition temporelle Deux processus r gissent la cin matique de la cr ation de paires lectron trou dans le silicium L tablissement de sa longueur totale c est dire du range d pend du temps mis par l ion pour s arr ter au plus quelques picosecondes L tablissement de son tendue radiale d pend du temps mis par les rayons 6 pour effectuer leur parcours maximal quelques centiemes voire dixi mes de picosecondes Dans le m me temps se produit au sein de la trace la thermalisation des lectrons libres par d croissance phononique vers le minimum de la bande de conduction du semiconducteur Cette dynamique se produit suivant une chelle temporelle limit e a quelques picosecondes RIC87 La trace de charges s tablit donc en quelques picosecondes Un ion lour
84. ants lectroniques et g n rer des ions secondaires qui peuvent d clencher des d faillances lectriques Ce sont ces derni res qui seront tudi es par la suite dans ce m moire Les m canismes indirectes d ionisation dus aux protons sont les m mes que ceux dus aux neutrons mais en raison d un 24 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar flux beaucoup plus faible cf Figure 1 7 la probabilit d un v nement li un proton une altitude avionique est n gligeable Il est noter que dans le cas des protons par rapport aux neutrons il existe aussi une ionisation directe de la mati re Flux total cm 2 s Rayons cosmiques Basses nergies d vi es Figure 1 6 Repr sentation sch matique de la production des particules secondaires dans l atmosph re ALL 84 neutrons protons DOTE DIT muons TITI l on electrons N I TEUN m N O9 pions charg s p lt TITI latitude 54 p MET Na Fi 1 P 2 1 2 8 3 8 4 8 6 1 7 6 9 6 Altitude km Figure 1 7 flux total des particules se trouvant dans l atmosph re en fonction de leur altitude BRIE71 BRIE78 25 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de
85. as de UCL Ces temps peuvent repr senter une partie importante du temps de faisceau total s il y a beaucoup de changements de composants a effectuer 75 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Tous les composants sont polaris s la m me tension si l un ou plusieurs d entre eux entrent en court circuit de fa on temporaire ou d finitive suite une d faillance le circuit est tel que la polarisation des autres MOSFETs reste constante gr ce la forte r sistance de protection Le faisceau de l UCL est fixe et permet d irradier chaque composant tour tour Le faisceau du GANIL en revanche balaie horizontalement la carte de test Pour cette raison des caches en laiton motoris s ont t ins r s afin de prot ger ou bien exposer les composants sous test L ensemble est pilot distance et il est possible de visualiser les composants via une cam ra dans la salle d irradiation ou un hublot dans l enceinte vide LA Ea m HE A gt j ka r a n Pi oder pm i a an RE S EN eo aa i Lu D g Figure 2 9 maquette pour les tests ions lourds des MOSFETs 2 3 3 Caract ristiques et pr paration des composants pour les tests SEEs L tude a principalement t r alis e sur des MOSFETs commerciaux de 500V de conception hexfet et MDmesh type superjonction ou semi superjonction cf
86. as de ph nom ne de d gradation de la grille et sa polarisation peut tout fait tre n gative Une r sistance R de forte valeur 1 MO est plac e en s rie avec l alimentation afin de limiter le courant continu fournit l interrupteur de puissance dans le cas d un d clenchement d un v nement Ce courant permet aussi de charger la capacit C1 de valeur 1 nF Le r le de cette capacit est de fournir un courant transitoire permettant d observer le d clenchement d un SEB Cette capacit doit tre dimensionn e de fa on tre suffisamment faible pour ne pas fournir le courant n cessaire la destruction d une cellule mais doit toutefois tre suffisante pour d tecter le ph nom ne de Burnout Sa valeur peut donc tre ajustable chaque composant La tension support e par cette capacit quand elle est charg e correspond la tension d alimentation Vaim la tension Vax aux bornes de l interrupteur de puissance a l tat bloqu est donc gale la tension Vaim Si on consid re le composant de puissance comme un interrupteur id al et donc l ensemble des cellules l mentaires lorsqu un SEB est initi suite une trace ionisante la cellule impact e se comporte comme un court circuit Le circuit de la Figure 2 5 se r duit donc a la capacit Cl charg e sous Vaim se d chargeant dans la r sistance R1 de valeur 50 La valeur du courant maximum de d charge Igmax est donc gale Vaim R1 et ce courant di
87. aser et vers une valeur de LET seuil et d nergie laser seuil de d clenchement du Burnout pour les plus faibles valeurs de ces param tres Pour les mesures laser r alis es une tension de 480V cf Figure 2 24 la section efficace atteint la valeur saturation pour une nergie d environ 4 nJ La surface repr sent e par la section efficace vaut alors la surface totale de la puce soit 0 06 cm Pour les mesures ions lourds cf Figure 2 23 cette derni re valeur n est pas atteinte soit que les tensions 350V et 450V ne le permettent pas soit que les valeurs de LET sont trop faibles La courbe laser d finie assez nettement la valeur d nergie laser seuil qui est d environ 1 5 nJ a 480V Sa pr cision d pend du pas d incr mentation en nergie choisi pour la cartographie Pour les courbes ions lourds la pr cision sur la mesure du LET seuil d pend principalement des valeurs de LET disponibles Ainsi a 350V la valeur du LET seuil est comprise entre 3 3 et 10 1 MeV cm mg et est inf rieure 3 3 MeV cm mg a 450V Le laser permet donc de d finir la section efficace d un VDMOS en fonction de l nergie laser de mani re assez pr cise et relativement rapide en comparaison de tests en acc l rateur le changement d nergie est imm diat et n est restreint que par la valeur d nergie maximum N anmoins un travail de corr lation entre le LET des ions et l nergie du laser reste faire pour pouvoir exploiter pleinement ce type d
88. ation peuvent tre ajust es jusqu obtenir le d clenchement d un v nement partir d une impulsion Cette m thode permet de r aliser une cartographie de type seuil en nergie laser ou en Vds Il est noter que la pr cision de la cartographie d pend du pas de d placement ainsi que de la taille du spot laser Laser Ouverture partielle du contact de cuivre Contact de drain en face arri re Y d placement lt M X Figure 2 13 principe du test laser par face arri re 80 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser M Sensibilit maximum COCOON Sane hic nin Spot laser NH COC Figure 2 14 sch matisation du principe d une cartographie laser 2 4 1 2 Section efficace La sensibilit d un composant aux SEEs est d crite par une courbe appel e courbe de section efficace repr sent e Figure 2 15 Cette courbe repr sente la surface sensible du composant en cm en fonction d un des param tres des conditions exp rimentales les autres tant constants Classiquement pour des tests ions lourds la sensibilit est mesur e en fonction du LET des ions incidents pour une tension de polarisation donn e Pour les composants de puissance qui supportent une large plage de tensions de la centaine de volts a quelques kV il est int ressant de d finir la sensibilit du composant en fonction de la tension de polarisati
89. atisation de traces ionisantes dans la demi cellule de MOSFET polaris e 200V Les traces sont positionn es la m me profondeur z 10 um mais diff rentes abscisses et sont simul es chacune ind pendamment La longueur des traces est de a 10 um b 20 um c 30 um et d 40 um Le LET est en pC um et le range en um 135 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 3 4 Adaptation du code MC DASIE aux MOSFETs de puissance Les outils de pr diction permettant d valuer le risque li l utilisation des composants lectroniques dans un environnement radiatif donn sont indispensables De nombreux logiciels de simulation lectrique des composants existent comme ceux d velopp s par Synopsys ou SILVACO mais les temps de calcul pour une structure l mentaire peuvent prendre plusieurs heures et n cessitent la connaissance de nombreux param tres technologiques des composants souvent tr s difficiles obtenir de la part des fondeurs EADS a d velopp en collaboration avec le laboratoire IES Institut Electronique du Sud Universit de Montpellier Il un logiciel nomm DASIE Detailed Analysis of Secondary Ions Effects d di aux composants SRAM Ce code initialement analytique a ensuite volu vers une version Monte Carlo appel e MC DASIE Ce code permet
90. beams IEEE Trans Nucl Sci vol 34 p 1234 1239 1987 F Roubaud C Dachs J M Palau J Gasiot P Tastet Experimental and 2D simulation study of the single event burnout in N channel power MOSFETs Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 40 Issue 6 Part 1 2 Dec 1993 Page s 1952 1958 F Roubaud Etude du comportement sous ions lourds des MOSFETs de puissance canal N These Universit Montpellier IT novembre 1993 F Saign Une nouvelle Approche de la Selection des Composants de type MOS pour l Environnement Radiatif Spatial Th se de Doctorat Universit Montpellier H 1998 175 SEXTO3 SEXT96 SIGOS SIG72 SILVACO SOLI83 SRIM STAS92 SUDR95 TAS92 TIT96 WASK88 WASK90 WEU08 176 F W Sexton Destructive single event effects in semiconductor devices and ICs IEEE Trans Nucl Sci vol 50 pp 603 621 June 2003 F W Sexton Microbeam Studies of Single Event Effects IEEE Trans Nucl Sci vol 43 No 2 p 687 1996 P Sigmund Particle Penetration and Radiation Effects General Aspects and Stopping of Swift Point Charges Springer coll Solid state sciences 2005 H J Sigg G D Vendelin T P Cauge J Kocsis D MOS transistor for microwave applications IEEE Transactions On Electron Devices Vol 19 n 2 pp 45 53 1972 ATLAS User s Manual manuel d utilisation des logiciels de SILVACO 2002
91. btenir des sections efficaces semblables celles obtenues aux tests en acc l rateur avec des ions de forts LET et forte p n tration Cette conclusion conforte l int r t de l utilisation du test laser DR I CONOR PRE DRS CA ions lourds forts LET amp range PEPPER EEEE A T en cescdenccasssincdeaseacessacscsscessdcsccesassasescesuceeccsaccssessseecsscccasesecesassaccssceuenseces aser forte nergie Section efficace cm 200 300 400 500 Tension drain source V Figure 2 20 section efficace en fonction de Vds pour le MOS 3 500V Superposition des mesures exp rimentales laser et ions lourds 87 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser 1 02 ee ene enna net ions lourds forts LET amp range laser forte nergie 10 Deeb RE ER AE A E EE E A G ciesesie de secceaose socgece E sue ER en SRE Section efficace cm 107 0 200 300 Tension drain source V 400 500 Figure 2 21 section efficace en fonction de Vds pour le MOS 2 500V Superposition des mesures exp rimentales laser et ions lourds 10 a a cai ee ions lourds forts LET amp range A an Ie eee nn eee E eae eee laser forte nergie Section efficace cm2 300 500 Tension drain source V Figure 2 22 section efficace en fonction de Vds pour le MOS I 500V Superposition des mesures exp rimentales laser et ions lourds Les courbes de
92. c l rateurs circulaires de type cyclotron et synchrotron La Figure 1 8 a et la Figure 1 8 b montrent respectivement ces deux types d acc l rateurs Les acc l rateurs lin aires de type TVDG permettent d acc l rer des ions lourds entre deux lectrodes soumises une diff rence de potentiel de l ordre de 10 MV Le principe de base est d utiliser le changement d tat de charge des ions entre deux acc l rations Une source produit initialement des ions n gatifs qui subissent une premi re acc l ration entre les lectrodes 1 et 2 cf Figure 1 8 a L ion change de signe en traversant un plucheur cibles minces de carbone ou milieu gazeux qui lui arrache assez d lectrons pour qu il soit charg positivement Il subit alors une deuxi me phase d acc l ration entre les lectrodes 2 et 3 avant d tre pr lev et dirig vers la chambre d analyse Les acc l rateurs circulaires utilisent la fois l acc l ration par un champ lectrique mais aussi la courbure de la trajectoire des ions par l action d un champ magn tique Son 26 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar utilisation fournit l norme avantage de pouvoir faire passer les 1ons plusieurs fois entre les lectrodes d acc l ration et donc d augmenter le domaine d nergies accessibles Ces acc l rateurs offrent donc une plus grande vari t d ions
93. capitule les SOA d termin es par laser et par ions lourds la pr cision est de 10V Pour les MOS 1 2 et 3 la valeur de la SOA mesur e par cette m thode laser est identique a celle obtenue par ions lourds l int r t du laser est une nouvelle 95 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser fois confort e D autre part la SOA obtenue repr sente 15 22 de la tenue en tension VBrps des composants L observation par le pass de la SOA de MOSFETs de 200V avait permis de fixer de mani re empirique une r gle de derating 50 de la tension nominale au blocage Les valeurs de SOA trouv es dans cette tude confirment que cette r gle de derating n est pas valable sur des composants de plus forte tenue en tension ae Tenue en SOA ions Reference du tension Vgr SOA laser V lourds fort de Veros MOSFET forte nergie LET forte V p n tration repr sent par la SOA 500 9 9 18 500 90 9 18 soo 9 9 18 500 uo f O 22 Moss 1000 SO a 15 Tableau 2 3 tableau r capitulatif des SOA des composants test s L influence du LET sur la valeur de la SOA a t valu e sur les MOS 1 et 3 Les tests ont t r alis s l Universit Catholique de Louvain La Neuve UCL et au Grand Acc l rateur National d Ions Lourds Caen GANIL Les valeurs de LET balay es se situent entre 3 3 et 72 MeV
94. cas de p n tration des ions depuis la face avant et depuis la face arri re permettent de d limiter l paisseur et la profondeur du volume La position d impact en surface se situe dans la r gion intercellulaire imm diatement droite du canal puisque les pr c dentes tudes de simulations et d exp rimentations ont montr que cette r gion tait la plus sensible aux charges d pos es cf chapitre I paragraphe VI I et chapitre I cartographies paragraphe V 2 Le volume est d termin par le d clenchement d un v nement associ au LET le plus faible Ce LET minimum provoquant un SEB est recherch par simulations successives Il faut noter qu la diff rence du cas r el le LET est constant le long de la trace d ionisation simul e afin de faciliter l interpr tation des r sultats La quantit de charge d pos e peut donc tre d duite de la relation Eq 3 2 LET pC um range UM Qi PC Eq 3 2 L indication donn e par la quantit de charge d pos e ne nous a pas sembl le param tre le plus pertinent vis vis du seuil de d clenchement car toutes les charges d pos es ne contribuent pas forc ment au d clenchement du SEB Conditions des simulations Le rayon de la trace est de 0 05um et la dur e de la g n ration est de 2ps Toutes les traces d ionisation sont g n r es juste proximit du canal cf Figure 3 4 Cette position qui est la plus sensible comme nous l avons d j vu permet en outre
95. cas des ions lourds et dans une moindre mesure des protons soit le r sultat d une ionisation indirecte dans le cas des neutrons et des protons L interaction de cette particule peut engendrer une perturbation qui peut avoir des cons quences sur les composants lectroniques ou le circuit Les v nements les plus s v res peuvent conduire la destruction du syst me Les effets sont donc class s en deux cat gories les v nements non destructifs et les v nements destructifs Les v nements non destructifs sont li s a un ph nom ne transitoire principalement un courant dont les erreurs engendr es peuvent tre corrig es Les v nements destructifs correspondent la d rive importante d un param tre d tat courant tension etc entra nant une perte de fonctionnalit totale et permanente Il existe principalement deux types d effets parmi les v nements non destructifs et trois parmi ceux destructifs Principales d faillances li s aux v nements singuliers non destructifs e Le SEU Single Event Upset Cette d faillance intervient dans les composants logiques du traitement du signal et de l information en technologie MOS m moire SRAM SDRAM Il s agit du basculement d un tat logique vers l tat logique compl mentaire Cet effet est r versible dans une m moire RAM car il suffit uniquement de r crire le bit Cette correction est r alis e l aide de circuit de rattrapage de bits
96. chapitre 1 4 et a t compl ment e par un MOSFET de 1 kV Deux r f rences d IGBTs PT ont t test es de 600V et 1200V Afin d obtenir un maximum d informations sur les caract ristiques physiques et g om triques un reverse engineering a t effectu sur chacun de ces composants dans la centrale technologique du LAAS Les bo tiers en poxy type TO220 ont t supprim s l aide d une solution de H SO 96 chauff e 200 C Le contact de cuivre face en arri re a t dissous gr ce une solution contenant du HCl H2O et de l eau d min ralis e en proportions gales Enfin une solution de HF 40mL K2Cr2O7 0 88g et H20 20mL sur les 76 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser puces cliv es suivie d un bain ultrasons a permis de r v ler les jonctions Le Tableau 2 2 r capitule les principales donn es concernant les composants test s La Figure 2 10 montre des photos prises au microscope lectronique balayage de la coupe des puces de l IGBT 2 et du MOS 1 Les jonctions N P et N N sur les figures a et b respectivement sont clairement marqu es ce qui permet de d limiter l paisseur des couches pitaxi es Epaisseur Surface de la puce active On cellules MOS 3 o classique Stripfet type superjonction classique Tableau 2 2 Principales caract ristiques des composants test s face Race arri re
97. ci e a la particule 1 a t d termin pour les tensions de 400V 300V et 100V Ce LET seuil augmente lorsque la tension de polarisation diminue puisque la multiplication des porteurs par impact diminue avec la valeur du champ lectrique Le LET seuil de la particule 2 reste inf rieur au LET seuil de la particule 1 pour les tensions de 400V et 300V Pour la tension de 100V 1il rejoint le niveau du LET de la particule 1 Cette derni re particule 2 poss dant a la fois un LET et un range importants n existe pas dans ions secondaires produits comme nous l avons vu pr c demment Les SOA exp rimentales d termin es sur nos MOSFETs de 500V sont de l ordre de 350V ce qui signifie que les v nements n apparaissent qu au del de 350V Nos simulations paraissent donc tout a fait coh rentes en ce qui concerne le niveau de LET de la particule 2 a savoir qu partir d une certaine tension son LET devient suffisamment faible pour correspondre a des ions secondaires existants naturellement 154 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Particule 2 Particule 1 LET 0 009 pC um 500V Range 50 um Aucune Charge 0 45 pC LET 0 001 pC um 500 V Range 50 um Charge 0 05 pC LET 0 004 pC um 400 V Range 50 um Charge 0 02 pC LET 0 1 pC um Range 5 um Charge 0 5
98. cm mg et pour des ranges tous tr s sup rieurs la zone pitaxi e N SOum Les configurations de tests sont telles que les ions traversent toujours toute la zone N Le Tableau 2 4 r sume les caract ristiques des diff rentes particules utilis es Ces ET MeV cm mg um MeV Fe SR MURS Ni 206 9 500 Pb R2 2358 510 P 95 92 210 GANIL Pb 8 6 110 taser 7 gt 40 6n EADSIW Tableau 2 4 caract ristiques des particules utilis es pour le test de SOA des MOS 1 et 3 de 500V La Figure 2 30 et la Figure 2 31 pr sentent la variation de la SOA en fonction du LET des particules et de l nergie laser respectivement Les tendances des variations de ces deux 96 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser courbes sont similaires Deux domaines de LET et d nergie laser se distinguent Le premier correspond la gamme de LET et d nergies laser pour lesquels la SOA semble varier de mani re lin aire La diminution du LET des ions incidents ainsi que de l nergie laser entrainent une augmentation de la tension requise pour engendrer un SEB Cela est tout a fait coh rent avec le fait qu il faille augmenter le champ lectrique dans la zone pi pour augmenter la multiplication des charges afin de compenser la plus faible quantit de charges d pos es et donc les plus faibles courants induits Le second domaine corres
99. cules limit cf chapitre 1 paragraphe 1 2 3 Dans le cas des composants de puissance cette solution n est donc pas ad quate Il existe aussi un probleme de synchronisation L instant d arriv e de chaque ion ne peut tre contr l individuellement Il est donc impossible de d terminer exp rimentalement les phases critiques dans le fonctionnement dynamique d un circuit Il est aussi impossible de r aliser une synchronisation de mesure avec l instant d impact d une particule 2 2 Int r t du laser pour l tude des SEE Comme cela a t montr dans le premier chapitre les interactions 1on silicium et laser silicium peuvent g n rer des paires lectron trou malgr des m canismes physiques diff rents Les ions incidents ionisent directement les atomes de silicium par des interactions coulombiennes tandis que les photons d un faisceau laser interagissent avec le silicium par effet photo lectrique Dans les deux cas une trace d ionisation est cr e localement dont la longueur la r partition spatiale et la r partition temporelle sont compar es dans les paragraphes suivants La longueur du parcours d un ion est finie puisqu elle d pend de son nergie elle peut s tendre de quelques microns la totalit de l paisseur de la puce voire au dela Malgr le caract re vanescent de l onde on consid re que la profondeur de p n tration du faisceau laser est significative jusqu ce qu
100. d nerg tique peut donc conduire a la formation d une densit de porteurs atteignant plus de 10 paires lectron trou par centimetre cube sur une profondeur variable quelques um quelques 100 um dans le semiconducteur 1 3 2 Protons et neutrons Le proton tant une particule charg e 1l poss de naturellement la capacit d ioniser les atomes qu il rencontre sur son parcours au travers d interactions coulombiennes Cette capacit est cependant beaucoup moins efficace que celle d un ion lourd et n appara t que 34 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar pour des nergies inf rieures au MeV Le principal mode d interaction du proton est l interaction nucl aire Un proton peut en effet interagir par chocs avec les noyaux des atomes du semiconducteur BOU98 en leur transmettant une partie de son nergie Pour des nergies suffisamment lev es 1l peut fragmenter les noyaux des atomes du silicium par interactions nucl aires Parmi les produits r sultant de ces fragmentations il existe des ions lourds mobiles appel s aussi ions de recul dont le comportement est beaucoup plus agressif en termes d ionisation que le proton incident Ainsi un proton incident suffisamment nerg tique peut induire dans un mat riau un nombre de charges significatif Il n en reste pas moins vrai que la nature des produits r sultant de la r action pro
101. de MC DASIE utilise en entr es les bases de donn es nucl aires les courbes SRIM d crivant l volution du LET des ions lors de leur passage dans le silicium et des informations technologiques relatives au composant telles que la topologie et la profondeur des diffusions de drains par exemple Les diff rentes particules c est dire les ions lourds ou bien les ions secondaires provenant des bases de donn es nucl aires sont g n r es al atoirement dans le volume d une cellule tirage Monte Carlo Le code mod lise la diffusion des charges d pos es et calcule la quantit de charges collect es au niveau des volumes sensibles mod lis s par des parall l pip des rectangles mod le RPP HUBO1 PALO1 HUBO2 La comparaison avec un crit re de charge seuil propre chaque technologie permet de statuer sur l apparition d un v nement La Figure 3 21 illustre le principe de l outil de pr diction du taux de d faillances MC DASIE BdD nucl aires MC DASIE Tirage d une r action nucl aire I Calcul de la charge collect e SEU a Crit re Efficacit de collection gt Calcul pour chaque cellule Section efficace SEU MBU Figure 3 21 Principe de l outil de pr diction du taux de d faillances MC DASIE Deux d clinaisons de ce code existent Le code SMC DASIE Simplified Monte Carlo DASIE est d di aux m moires SRAM et permet de calculer tr s rapidement des sections efficaces et des ta
102. de l ordre de 50um pour les 163 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique MOS 500V test s L analyse des bases de donn es nucl aires et une tude plus approfondie du m canisme de Burnout nous a conduit consid rer l effet de 2 particules simultan es ainsi que l effet de la tension sur les caract ristiques de ces derni res Nous avons ainsi pu d finir des crit res pour le d clenchement du SEB d aux protons et aux neutrons Ces crit res impl ment s dans le code de Power DASIE ont donn des sections efficaces tout fait comparables celles que nous avons obtenues exp rimentalement sur des MOSFETS de SOOV Cette version reste n anmoins une premiere version du code Power DASIE et de futurs d veloppements pourront tre apport s Le code pourra d autre part tre tendu d autres technologies de MOS notamment aux VDMOS int grant un couche tampon entre l pitaxie N et le substrat N et aux IGBTs 164 Conclusion g n rale et perspectives Conclusion g n rale et perspectives Les composants de puissance semi conducteurs embarqu s dans des applications a ronautiques et spatiales sont soumis aux environnements radiatifs naturels Les particules qui composent ces environnements peuvent d truire les composants de puissance en interagissant avec
103. des tant r alis es pour le domaine spatial le ph nom ne a t tudi dans un premier temps avec les particules les plus ionisantes les ions lourds L effet des particules 53 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar l g res telles que les neutrons et les protons fut observ et d montr plus tard sur les MOSFETs Cette chronologie sera respect e pour la pr sentation de l tat de l art du SEB dans les MOSFETs Sans toutefois mentionner le terme de Burnout ce m canisme dans les MOSFETs de puissance est postul pour la premi re fois par T Wrobel et al en 1985 WRO85 Celui ci propose un mod le d avalanche induite par un courant CIA pour Current Induced Avalanche pour d crire le m canisme de destruction de MOSFETs de puissance irradi s par des radiations ionisantes T Wrobel explique la destruction des MOSFETs par le second claquage de la structure parasite NPN induit par une particule ionisante Le terme de Burnout en r f rence au Single Event Burnout tel qu il est d fini aujourd hui ainsi que les premi res exp rimentations sont publi s pour la premi re fois par A Waskiewicz et al en 1986 WASK86 A Waskiewicz rend compte exp rimentalement du ph nom ne de Burnout induit par des ions lourds d une source de Californium 252 sur des MOSFETs de puissance a canal n et propose une premi re interpr tation du ph nom
104. des structures base de mat riaux grand gap tels que le SiC ou le GaN 168 169 Bibliographie ADOL96 BAL84 BAR96 BAR97 BET 30 BEZO5 BINO6 BOU96 BOUD99 BRIE71 BRIE78 BUC04 BUC87 170 Adolphsen J W Barth J L Gee G B First observation of proton induced power MOSFET burnout in space the CRUX experiment on APEX Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 43 Issue 6 Part 1 Dec 1996 Page s 2921 2926 B J Baliga et al Suppressing latch up insulated gate transistors IEEE Electron Device Lett EDL 5 323 325 1984 J Barak et al A New Approach to the Analysis of SEU and SEL Data to Obtain the Sensitive Volume Thickness IEEE Trans Nucl Sci Vol 43 n 3 p 907 1996 J L Barth Modeling Space Radiation Environments 1997 IEEE NSREC Short Course Snowmass CO Article original de Bethe Annalen der Physik 1930 Cosmic ray abundance in space vehicles according to their LET and range Bezerra F Corominas Murtra A Ecoffet R Lorfevre E Rolland G Radiation and Its Effects on Components and Systems 2005 RADECS 2005 8th European Conference on 19 23 Sept 2005 Page s PD5 1 PD5 5 Principe du masquage concu par Christian Binois Astrium V l zy J C Boudenot L Environnement Spatial Collection Que sais je Ed Presses Universitaires de France 1996 J C Boudenot Tenue des Circuits aux Radiations
105. deur de la taille des diff rentes zones pour une tension d environ 1000V tenir des tensions lev es mais la contrepartie est qu ils ont une chute de tension a tat passant importante Les IGBTs de type PT sont r alis s par pitaxie sur un substrat dop P ils ont une chute de tension a l tat passant plus faible mais peuvent tenir des tensions galement plus faibles Les derniers progr s technologiques ont fait merger de nouvelles structures de type IGBT parmi lesquelles des IGBTs a tranch es Trench IGBT r f rences et des IGBT Field stop aussi appel s Soft punch through IGBT La Figure 1 21 sch matise des structures d IGBT planar de type PT et NPT ainsi qu une structure d IGBT tranch e permettant de montrer l volution technologique La structure en tranch e a pour int r t d liminer l effet JFET parasite des cellules IGBT classiques La chute de tension l tat passant et la r sistance de canal de l IGBT sont galement r duites La faible largeur de la grille enterr e non plus dispos e en surface comme dans une cellule planar conventionnelle autorise une densit de courant plus importante tandis que les effets de latchup sont minimis s L inconv nient principal est l accroissement de la capacit grille metteur qui modifie le comportement dynamique de l IGBT 5I Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar
106. du transistor bipolaire parasite tude de la particule 1 La premiere partie de cette tude porte sur la d finition du volume sensible associ a la mise en conduction du transistor bipolaire parasite par la particule 1 L influence de la tension de polarisation sur le d clenchement du bipolaire et sur les caract ristiques de la particule 1 sera tudi e dans une seconde partie Volume sensible associ la particule I pour une tension maximum de 500V La Figure 3 27 sch matise les diff rentes configurations de positions et de ranges simul es dans la structure polaris e 500V Nous nous sommes plac s ce niveau de tension lev car dans ce cas le d clenchement du bipolaire parasite devient le m canisme critique l avalanche se d clenchant facilement Pour chaque simulation le LET minimum induisant un SEB est recherch par it rations successives Les variations sur les valeurs des LETs et des 144 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique charges associ es vont nous permettre d valuer la sensibilit des diff rentes zones et de d limiter ainsi un volume sensible Les positions des traces sont les suivantes La particule 1 de range 5um est positionn e sous le canal m1 hauteur du caisson P et coupe la jonction PN afin que les porteurs d pos
107. e r sume les diff rentes grandeurs des diverses r gions de la cellule Toutes les simulations ont t effectu es en 2D Dopage em ETS SET 9 10 Caisson P CS 90 a E 2 Prise P 310 7 D EpitaieN 0 o ao o Substrat N 380 4A 70 Tableau 3 1 caract ristiques 10 0 20 de i amp N source 10 10 i 108 20 10 10 10154 40 T ET 13 Zs 10 N_ pi 10 60 10 0 10 20 30 40 50 60 70 Profondeur um Pebody N 30 Dopage cm 125 Ve a gt A fee Figure 3 3 a gauche profil de dopage de la cellule de MOSFET simul e en fonction de la profondeur Section perpendiculaire de la cellule travers la source le corps P la zone pitaxi e et le substrat N A droite image de la demi cellule simul e avec ses niveaux de dopage 3 2 Recherche du volume sensible Le volume sensible est d fini comme la r gion d un composant initiant un v nement de type SEE pour des conditions d ionisation minimum et quelque soit la nature de la particule incidente Les charges permettant de d clencher un v nement a partir de ce volume sensible sont d pos es et ou g n r es soit dans cette r gion soit dans une r gion adjacente Dans ce dernier cas les porteurs sont en transit dans le volume sensible La localisation de ce volume permet de choisir le range des ions incidents permettant d atteindre ce dernier pour les tests en acc l
108. e quivalence entre l nergie du laser et le LET des ions ne se pose Toutefois pour la gamme d nergies laser o la valeur de la SOA varie la question redevient d int r t Afin de tenter d y r pondre nous proposons dans ce paragraphe une m thodologie qui permettrait de corr ler ces deux grandeurs Nous tenons souligner que nous n exposerons que la d marche afin de donner des premiers l ments de r flexion de futures tudes et que d autres tests seront mettre en uvre afin de valider cette m thodologie Le nombre de paires lectron trou cr es par unit de longueur pour une surface de dimensions a et b est donn par la relation Eq 2 4 Cette relation est d taill e dans le m moire de th se de F Miller cf MILO6 quations V 6 V 9 int gr es sur x et y A R 4E a b _ n cm n er erf a e Eq 2 4 7 ho T ibe 2 q L efficacit quantique n est consid r e proche de 1 hc A est l nergie des photons Eo est l nergie laser incidente o est le rayon du faisceau laser en 1 e de son nergie R est le coefficient de r flexion et a est le coefficient d absorption La surface sensible pour une cellule de VDMOS correspond comme nous l avons vu dans la partie 2 4 2 presque toute la surface de la cellule de l ordre de 30x30um pour le MOS 3 Les param tres a et b sont donc grands devant Wo de l ordre de 2um et les fonctions d erreur tendent vers 1 Afi
109. e MeV Figure 1 13 pouvoirs d arr t nucl aire et lectronique pour l ion aluminium dans le silicium Le LET Linear Energy Transfer ou transfert d nergie lin ique est le rapport du pouvoir d arr t total sur la masse volumique du mat riau cible exprim en MeV cm mg cf Eq 1 4 Il permet de supprimer la d pendance du pouvoir d arr t de la densit du mat riau C est l unit la plus couramment utilis e Toutefois il peut tre pratique d exprimer le LET en a7 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar pC um Pour le silicium il existe un facteur 100 entre ces deux unit s 1 pC um 100 MeV cm mg sachant qu il faut 3 6 eV en moyenne pour cr er une paire lectron trou dans le silicium Plusieurs tables donnant la valeur du LET existent la plus connue et la plus compl te est celle de Ziegler qui donne le LET pour tous les ions de l hydrog ne l uranium dans tous les mat riaux pour des nergies incidentes comprises entre 0 2 MeV nucl on et 1000 MeV nucl on La Figure 1 14 montre le LET de quelques ions en fonction de leur parcours le mat riau cible tant le silicium Un peu avant la fin du parcours on note que la perte d nergie passe par un maximum le pic de Bragg Ces notions de LET nergie et p n tration de la particule incidente seront utilis es lors de la caract risation des composants face aux venements
110. e champ lectrique lorsqu ils rencontrent les plus fortes valeurs de ce dernier Ils sont par cons quent multipli s en moins grand nombre que les lectrons et ce d autant plus que leur coefficient d ionisation est plus faible Dans la configuration finale du champ lectrique suite un Burnout lorsque celui ci est maximum au niveau de la jonction N N Figure 3 14 courbe tfina le ph nom ne est invers et les trous peuvent tre multipli par impact en plus grand nombre compensant en outre leur plus faible coefficient d ionisation dp Ce courant de trous provenant de l avalanche est plus critique que le courant d lectrons provenant de l avalanche puisque comme nous l avons dit 1l assure l tat en conduction du transistor bipolaire qui son tour permet d entretenir le ph nom ne d avalanche par l injection d un courant d lectrons Le d placement du maximum du champ lectrique de la jonction P N la jonction N N est du l effet Kirk KIRK62 HOHL89 Le courant provenant de la collection des charges d pos es par l ion modifie la pente du champ lectrique Cette pente du champ lectrique s crit en effet en partant de l quation de Poisson dE _ p x dx E En se pla ant du c t N de la jonction Base Collecteur c est dire Pon Nogi p 9 33 A ay na a dx E n Si la densit de porteurs J augmente telle que le terme J qv devient sup rieur au dopage Na de la couche Nepi la p
111. e d clenche aucun v nement m me pour la tension maximum de 500V En effet cette trace n atteint pas la zone pitaxi e qui est rappelons le de 50um La premi re conclusion interm diaire est de confirmer ce qui avait t trouv par la simulation savoir que pour d clencher un v nement l ion doit atteindre la zone de charge d espace Les traces 3 et 4 sont effectu es pour un LET de 98 MeV cm m g et un range de 64 um Dans les deux cas il existe un d clenchement avec une tension de seuil de 100V pour la trace 3 et de 200V pour la trace 4 Pour la trace 3 en face avant l ion traverse toute la zone de charge d espace de 30um et d clenche un v nement Or pour cette tension de 100V la trace 4 ne p n tre uniquement que de 6um dans cette zone ce qui est insuffisant pour d clencher un v nement et conduit naturellement l augmentation de la tension seuil Ainsi 200V la zone de charge d espace est de 40um et l ion y parcourt donc 14um Ce r sultat confirme que lion doit p n trer suffisamment dans la zone de charge d espace pour d clencher un v nement Nous avions trouv en simulation que le volume sensible devait aller jusqu la moiti peu pr s de la zone de charge d espace avec un l ger d calage vers la r gion N li la diff rence des coefficients d ionisation entre les lectrons et les trous La valeur de 14um confirme ce constat puisque l ion s arr te 1 3 de la zone de charge d espace Les trac
112. e de temps Te La tension Vps remonte la tension Vaim avec cette m me constante de temps Cette derni re a pour valeur Ims et Tg a pour valeur 50ns La Figure 2 6 repr sente les chronogrammes des formes d ondes en tension et en courant pour ce cas id al o l interrupteur est consid r comme un court circuit et ou le courant seu est gal z ro Dans ce cas id al la mise en conduction de l interrupteur de puissance est instantan e et la r sistance l tat passant est nulle Dans le cas non id al il existe un temps d tablissement de la mise en conduction du composant de puissance et une r sistance l tat passant non nulle Ces deux derniers param tres sont tr s complexes estimer mais au premier ordre ils peuvent exprimer l intensit du d clenchement du SEB Le courant de d charge de la capacit CI s tablit progressivement suivant le temps de mise en conduction du composant de puissance jusqu la tension Vp rejoigne sa courbe th orique Par cons quent le minimum atteint par la tension Vp est sup rieur Valim plus le temps d tablissement du courant sera faible plus la tension Vp sera faible La capacit Cl se d charge donc avec une constante de temps sup rieure au cas id al et gale R1 Rmos C1 o Rmos correspond la r sistance l tat passant de la cellule La tension Vps diminue jusqu une valeur correspondant la chute de tension l tat passant du transistor de puissance avant de r
113. e donn es nucl aires pour les MOSFETs de puissance 3 4 4 Simulations de l effet de deux particules coupl es sur le d clenchement dino D D bas tstey Sesto cesta ee ee 143 3 4 4 1 Mise en conduction du transistor bipolaire parasite tude de la DOTA CU Cd Sie Pax Ge AE T T RTE eee 144 3 4 4 2 Acc l ration du ph nom ne d avalanche tude de la particule 2 153 SAAS Lecodede Power DASE SERRE Re edie use 158 33 COMUS lOi nd Mn ne ner en ren 163 Conclusion g n rale et Perspectives cccccscssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssees 165 BiDHOSraphi srra Nan Re O 170 11 12 Introduction g n rale Introduction g n rale Les syst mes lectroniques fonctionnent dans divers environnements dont les caract ristiques peuvent tre tr s vari es Ce peut tre par exemple des environnements corrosifs des environnements caract ris s par une tr s haute ou tr s basse temp rature des vibrations ou encore des ph nom nes radiatifs Tous ces environnements peuvent conduire des fonctionnements en r gimes extr mes qui peuvent d truire les composants semi conducteurs et les syst mes associ s Notre tude s est concentr e sur les environnements radiatifs On distingue parmi ceux ci les radiations artificielles produites par l homme de celles naturelles Les environnements radiatifs naturels sont constitu s de particules diverses provenant du soleil ou d origine extra galactiques La nature de ce
114. e la sensibilit au SEB par test laser La Figure 2 34 montre un SEB SEL d clench par un tir laser en face arri re sur un IGBT de 600V Le contraste des photos est peu lev car la face avant du composant est visualis e au travers de l paisseur de silicium de la puce depuis la face arri re gr ce une cam ra infrarouge La photo 1 montre la puce avant tir laser la photo 2 montre la position de l impulsion laser situ e dans le canal d une cellule la tension Vcg tant insuffisante pour que l v nement soit destructif et la photo 3 r unie les conditions de polarisation et d nergie laser pour voir appara tre une zone d ombre o le silicium a fondu suite un SEB SEL La d gradation existante est tr s localis e car la r sistance de protection R en s rie avec l alimentation limite fortement le courant et la tension de polarisation est au seuil d apparition de l v nement destructif La SOA ainsi obtenue correspond la tension partir de laquelle le composant est d truit Il est donc impossible d obtenir des courbes de sections efficaces par laser et d autre part de SOA en fonction de l nergie laser sauf changer de composant pour chaque mesure comme ce qui est fait en acc l rateur Pour l IGBT 1 dont la tenue en tension est de 600V la SOA obtenue par laser est de 300V et pour l IGBT 2 dont la tenue en tension est de 1200V la SOA laser est de 620V Les r sultats obtenus en laser forte nergie donn
115. e la valeur de l intensit du faisceau atteigne 37 de l intensit initiale Ce pourcentage correspond une profondeur gale l inverse du coefficient d absorption a ce qui conduit diviser l intensit initiale Ig par e cf quation 1 5 chapitre 1 La profondeur de p n tration d pend donc du coefficient d absorption a qui d pend lui m me du dopage du mat riau et de la longueur d onde du laser La Figure 2 2 pr sente l volution du coefficient d absorption a pour le silicium en fonction du dopage et pour une longueur d onde du faisceau incident de 1 06 um Deux remarques peuvent tre faites La premi re est que pour des dopages inf rieurs 10 cm la variation du coefficient a est moindre La deuxi me remarque est que la variation de ce param tre d pend du type du dopage et qu elle est importante pour des dopages sup rieurs 10 cm Ces deux remarques 66 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser ont des cons quences sur l utilisation du laser dans les structures de puissance semi conducteurs o il existe un empilement de couches semi conductrices de type et de dopages diff rents Comme cela a t expliqu dans le premier chapitre les tests laser se font par la face arri re Afin d atteindre la r gion de faible dopage N cf figure 1 18 chapitre 1 le faisceau laser doit franchir les couches N ou P
116. e section efficace Une telle d marche sera propos e plus en amont dans le chapitre cf paragraphe 2 4 5 En conclusion de cette partie la comparaison des r sultats obtenus par les tests laser et les tests ions lourds montre que les sections efficaces sont comparables Nous allons donc tudier de mani re plus pr cise la SOA 89 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser 1 E 01 1 E 02 1 E 03 a E Vds 450V Vds 350V 1 E 04 b 1 E 05 1 E 06 re a I o TT T_T Er T_T ta TT T_T 0 5 10 15 20 25 30 35 40 LET MeV mg cm section efficace cm Figure 2 23 section efficace en fonction du LET des ions pour le MOS 1 BV 500V 1 E 01 cooo eo 1 E 02 1 E 03 e Vds 480V 1 E 04 section efficace cm 1 E 05 1 E 06 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Energie laser nJ Figure 2 24 section efficace en fonction de l nergie laser pour le MOS 1 BV S00V 2 4 4 Comparaison des SOA obtenues par laser et acc l rateur Des mesures de SOA ont t r alis es dans les m mes conditions de manipulation que pour le paragraphe pr c dent savoir un laser forte nergie et des ions lourds traversant la zone pitaxi e Nous tudierons de plus l influence du LET et de l nergie laser sur la sensibilit Il faut noter que les mesures de SOA dans le cas du laser ne se sont pas d duit
117. e zone c est dire traversant seulement le substrat N le LET requis pour d clencher un SEB est 30 fois plus important que pour l ion parcourant 10 um dans la zone Nepi et 500 fois plus important que pour l ion traversant toute la cellule En effet les charges d pos es dans le substrat N ne se situent pas dans le champ lectrique Seuls les trous collect s au contact de source traversent la zone de charge d espace et peuvent donc tre multipli s les lectrons tant directement collect s au contact de drain ils ne peuvent participer la multiplication par avalanche contrairement aux lectrons directement d pos s dans la zone de charge d espace situ e dans la zone pitaxi e Par ailleurs la Figure 3 7 montre qu partir d un range de 40 um c est dire 20 um dans la r gion pitaxi e polaris e en inverse l volution du LET n cessaire pour d clencher un SEB est moins importante Cependant et contrairement la saturation franche du LET observ e dans le cas d un impact par face avant cf Figure 3 5 il existe une l g re diminution du LET partir d un range de 40 um Contrairement a un ion impactant par la face avant le LET le plus faible d clenchant un v nement est obtenu pour les ions traversant la totalit de la zone pitaxi e Pour ce dernier cas il existe un cart uniquement de 17 sur le LET avec celui obtenu avec un range de 40 um En d autres termes pour une polarisation de 500V le volume sensible
118. efficace pour rendre passante la jonction Les cas de traces situ es dans le caisson P n ont pas t explor s puisque une pr c dente tude montr une tr s faible sensibilit de cette zone face des impacts verticaux cf chapitre 1 bibliographie 1 6 et chapitre 2 cartographies 2 4 2 Le volume sensible associ la mise en conduction du transistor bipolaire a donc t d fini de la mani re suivante il correspond toute surface de la cellule moins la zone du caisson P et il s tend en profondeur jusqu la jonction peu profonde P N 145 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Source OV Grille OV Num ro de LET Range Charge la trace pC um um d pos e pC 20 Figure 3 27 d finition du volume sensible pour l activation du transistor bipolaire parasite A droite sch matisation de la position et du range des diff rentes traces ionisantes simul es A gauche tableau donnant les caract ristiques des traces cellule polaris e a 500V Etude de la mise en conduction du transistor bipolaire Afin d valuer l influence d une tension de polarisation plus faible sur le d clenchement du transistor bipolaire parasite par une trace horizontale une trace ionisante de caract ristiques fig es a t simul e dans la
119. eir sensitivity in an atmospheric environment To this end TCAD simulations are achieved they allow for a better understanding of the Burnout phenomenon as well as the definitions of the triggering criteria and the volume of interaction AUTEUR Aurore LUU TITRE METHODOLOGIE DE PREDICTION DES EFFETS DESTRUCTIFS DUS A L ENVIRONNEMENT RADIATIF NATUREL SUR LES MOSFETS ET IGBTS DE PUISSANCE DIRECTEUR DE THESE Patrick Austin Professeur LIEU ET DATE DE SOUTENANCE Toulouse le 12 Novembre 2009 RESUME Ces travaux contribuent a d finir une nouvelle m thodologie de caract risation et de pr vision de la sensibilit des composants de puissance de type VDMOS vis a vis de l environnement radiatif naturel Cette m thodologie est bas e sur le test laser d une part et sur le d veloppement d un logiciel de pr diction nomm MC DASIE d autre part La m thode de caract risation par laser de MOS de puissance est valid e a partir de la comparaison des r sultats obtenus avec des acc l rateurs de particules En outre des cartographies laser de sensibilit s sont pr sent es et l int r t du laser comme outil compl mentaire des acc l rateurs est mis en lumiere Le d veloppement d une extension du logiciel de pr diction MC DASIE aux MOS de puissance permet de pr dire leur sensibilit dans un environnement atmosph rique A cette fin des simulations TCAD sont r alis es elles permettent une meilleure compr hension du
120. ellement des neutrons des protons des lectrons des muons des pions et des photons Ces particules peuvent leur tour interagir avec les mol cules de l atmosph re Du fait de ces collisions multiples et de la perte d nergie cons cutive le flux de radiations diminue mesure qu il se rapproche du sol Il est environ 300 fois moins s v re au niveau de la mer qu il ne l est 12 km d altitude Par ailleurs il varie aussi en latitude et il est 4 fois plus important aux p les qu l quateur La Figure 1 6 repr sente la production en cascade de particules issues d un unique rayon cosmique nerg tique La Figure 1 7 repr sente les flux des diff rentes particules en fonction de l altitude a une latitude de 54 Elle montre en particulier qu au niveau des altitudes avioniques les particules pr dominantes sont les neutrons et les lectrons Toutefois ces derniers ne jouent aucun r le dans les m canismes de d faillance lectriques d origine ionisante qui sont tudi s dans cette th se Par contre ils peuvent entratner des d faillances de type cumulatives de charges conduisant par exemple a des ruptures d oxydes Les neutrons quant eux ne sont pas directement l origine des d faillances observ es dans les quipements lectroniques car ces particules ne sont pas ionisantes Ils peuvent en revanche entrer en collision avec les atomes constitutifs des diff rentes couches semi conductrices des compos
121. emi superjonction A titre d illustration la Figure 1 19 montre l volution des technologies des MOS de puissance La figure a correspond une structure hexfet classique et la figure b une semi superjonction type stripfet D autre part ces repr sentations 3D montrent bien l aspect multicellulaire de la conception qui peut varier d une technologie a une autre Back metal Figure 1 19 coupe sch matique 3D de la structure a MOS classique et b MOS semi superjonction 48 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 5 1 2 La structure et le fonctionnement parasite du MOSFET Dans les structures de type MOSFET et en particulier le VDMOS de puissance il existe un transistor bipolaire parasite NPN comme indiqu sur la Figure 1 20 La source N constitue l metteur le caisson P la base et la couche pitaxi e N avec le substrat N forment le collecteur Ce transistor bipolaire parasite normalement inactif peut tre mis en conduction lors de commutations rapides fort dV dt ou bien par le passage de radiations ionisantes Sa mise en conduction coupl e au m canisme d avalanche peut alors provoquer un emballement irr versible en courant que l on appelle le second claquage Le principe de fonctionnement n cessite d tre en polarisation inverse avec une zone de charge d espace suffisamment tendue permettant de g n rer des
122. emonter tr s lentement la valeur Vaim La Figure 2 7 repr sente les formes d ondes associ es aux diff rentes tensions dans ce cas non id al 173 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser 74 V Tensions Tensions V PT Ner 600 400 200 O De 5 400 600 2 0E 07 0 0 00 2 0E 07 4 0E 07 6 0E 07 80E0O7 1 0E06 1 2E 06 14 06 Temps s Vc Vps Vr Ve Figure 2 6 formes d ondes des tensions Vc Vds et Vr dans le cas id al 600 400 Vci 200 Vr Vds 200 Vr th orique 400 600 1 0E 07 0 06 00 1 0E 07 2 0E 07 3 0E 07 Temps s Vdson OS Ve vel Zs Vr Vdsox Vec Figure 2 7 formes d ondes des tensions Vc Vds et Vr dans le cas non id al Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Pour les IGBTs test s en revanche le circuit de protection s est av r inefficace et les tests ont donc t destructifs que ce soit en laser ou en acc l rateur Cela peut s expliquer par l importance de la densit de courant qui traverse une seule cellule lors d un v nement Cette densit de courant est en effet tr s sup rieure celle circulant dans une des cellules des MOS puisque d une part la taille des cellules de ces IGB
123. end du gain du transistor bipolaire parasite NPN de la r sistance de la r gion de base p et de la multiplication par avalanche dans la r gion du drain En 1989 J H Hohl et G H Johnson HOHLS89 explorent le changement d intensit du champ lectrique lors du ph nom ne de SEB Ils montrent qu avec l augmentation du courant le pic de champ lectrique se d place de la jonction PN vers la jonction homotype N N entre la couche pitaxi e et le substrat avec une rapide augmentation de la g n ration de trous a cet endroit C est a ce niveau que le taux de g n ration maximum de trous se produit par ionisation par impact Cela est coh rent avec le mod le d avalanche induite par un courant CIA propos par T Worbel WRO85 En 2006 S Liu LIU06 tudie l influence d une couche tampon buffer N entre la zone pitaxi e faiblement dop e N et le substrat N Ses simulations montrent qu une telle structure est moins vuln rable au SEB en comparaison d une structure classique principalement grace a la diminution du maximum du champ lectrique dans la zone de charge d espace D autre part elle relie directement la valeur du 55 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar second claquage la valeur de la tension seuil de d clenchement du SEB en recoupant ses simulations num riques des tests en acc l rateur cf Figure 1 24 El
124. ent une SOA d environ 50 de Vgros Impact laser SEB et ou SEL Source Plug p R gion intercellulaire N Canal Figure 2 34 photo des m tallisations vues au travers de la puce Si par cam ra infrarouge de l IGBT I Visualisation d un v nement destructif SEB SEL d clench par laser 2 5 Conclusion Nous avons pr sent dans ce chapitre l int r t du laser pour les tudes de sensibilit aux SEEs des composants semiconducteurs et nous avons montr la pertinence de tels tests sur des VDMOS commerciaux Comme nous l avons vu le laser permet de r pondre certaines limitations des acc l rateurs d ions lourds et se positionne ainsi comme un outil 104 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser compl mentaire d une grande utilit pour l analyse des sensibilit s aux SEEs En effet les lasers puls s fournissent en particulier la r solution spatiale et temporelle qui fait d faut aux acc l rateurs La maitrise de ces deux param tres est primordiale pour la recherche des zones sensibles et la compr hension des m canismes d erreur Les lasers sont en outre plus souples d acc s et d utilisation et sont ainsi parfaitement adapt s pour des tests param triques Ils poss dent d autre part une profondeur de p n tration pouvant tre sup rieure l paisseur des puces ce qui permet de s affranchir du probleme de la limitation des ranges pos en
125. ente du champ lectrique s inverse et le maximum du champ se d place de la jonction metteur base P N vers la jonction pi substrat Ainsi une trace traversant la r gion pitaxi e sera plus favorable l effet Kirk pour l tablissement d un courant J qu un d p t de charges ponctuel La Figure 3 15 illustre l effet Kirk observ sur notre structure de transistor MOS bloqu e suite un impact ionisant d clenchant un Burnout L influence du range peut donc tre expliqu e par ce ph nom ne de d placement du champ lectrique avec les densit s de courant circulant dans la zone de charge d espace dans le cas o les porteurs deviennent en concentration tr s largement sup rieur au dopage de la r gion pitaxi e 129 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 2 0E 05 P Nepi Substrat N 080888668689 SSSSSSSSSESSCSECEE x O O A gt Tension Vps S00V t initial t final ec y O O A O 1 5E 05 A R he PIVVIDIDIDIVIIIDIVDIVDIVDIIDIIIVIISDESD 1 0E 05 5 0E 04 Champ lectrique E V cm L da d do d da do do dia dia da dia dia a dia a da da da da da da da da adaa aA 0 0E 00 0 10 20 30 40 50 60 70 Profondeur dans la cellule 1m Figure 3 14 allure du champ lectrique dans la cellule de VDMO
126. er le bureau Christine Mongault Bruno Foucher Patrick Luna et bien s r Paulo mon fournisseur officiel de petits sachets de th abandonn s sur les chariots Les gars Sachez que je vous aime un truc gros comme a Enfin je termine avec une pens e et un grand sourire pour Florence A nos brunchs du Dimanche dans Paris et a nos bavardages de filles A mon grand p re Jean Avec toute mon affection La science a eu de merveilleuses applications mais la science qui n aurait en vue que les applications ne serait plus de la science elle ne serait plus que de la cuisine Henri Poincar Table des mati res Introduction enerale sistema rE EEEE Ee raorao sss keek 13 Chapitre 1 Effet de Penvironnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar ssssscccccccsssssseceocccsssssceeoosossso 17 tE L environnement radidtit naturel a E n 18 LiL EL envronnentspatd enirere a ne nee 18 Fdal LES CTUDHONS SOLOS Enr EENT O E 18 hdi Leven SOTE mise a a aE 20 LL LS LamacnelOs Phere sinire no aT T NE Meta Oued 20 LE LA Lerayonnement COSTING WC rere a AEA EA AREA 20 PADS TCS CCIMIUIES de radions arean E inden weesuunainaanteneedess 21 1 1 1 6 Synth se de l environnement radiatif spatial 22 1 12 Lenvironnent atmos phenOUe sen den nains 24 1 2 Les outils exp rimentaux permettant de simuler les effets de l environnement DUO a A en ee 26 ALES ACCORD ni te 26 1
127. ergies Ions lourds 1 1 MeV 10 MeV 1 em 2s 100 MeV 10 cm 2s 10 MeV Tableau 1 1 caract ristiques des diff rentes particules rencontr es dans le milieu radiatif spatial 23 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 1 2 L environnent atmosph rique La terre est prot g e par l atmosph re qui constitue un v ritable cran semi perm able laissant passer la lumi re mais arr tant la plus grande partie des radiations issues de l espace L environnement radiatif atmosph rique est donc beaucoup moins agressif que l environnement spatial mais n en reste pas moins potentiellement dangereux Il est principalement d l interaction du rayonnement cosmique avec les atomes de l atmosph re DYRE 97 Les particules hautement nerg tiques des dizaines de MeV nucl ons des centaines de GeV nucl ons issues des rayonnements cosmiques ne sont pas pi g es par le champ magn tique terrestre Elles entrent alors en collision avec les atomes constituant l atmosph re et interagissent de deux mani res diff rentes Dans la premi re elles perdent une partie de leur nergie en ionisant directement les l ments de l atmosph re Dans la deuxi me elles d clenchent sur ces l ments des r actions nucl aires en cha ne formant ainsi une cascade de particules secondaires Figure 1 6 Les particules secondaires g n r es sont essenti
128. es classiques et quelques explications physiques simples permettent d abonder dans ce sens En effet puisque les valeurs de SOA sont faibles la multiplication par avalanche n a que tr s peu d impact sur le d clenchement et seul le nombre de porteurs collect s sous la r gion de source ainsi que la valeur de la r sistance de cette r gion semble tre la diff rence entre une structure a Superjonction et une structure classique En tout tat de cause une tude plus complete a la fois sur l explication physique et en nombre de composants test s m riterait d tre r alis e En acc l rateur la mesure de SOA se fait LET et ou nergie fix s La tension inverse est progressivement augment e jusqu obtenir un v nement on proc de g n ralement par pas de 10V jusqu obtenir une certaine fluence ou un v nement La Figure 2 27 donne pour le MOS 3 la valeur maximale de la chute de tension VR aux bornes de la r sistance R en fonction de la tension inverse cf paragraphe 2 3 2 Une acquisition du signal VR est repr sent e sur la Figure 2 28 pour une polarisation initiale de 300V v nement provoqu par un ion Les tensions Vps et Vc ont t recalcul es a partir de la tension Vp acquise grdce a un programme contenant les quations de ces tensions Ces tensions sont donn es par l quation Eq 2 3 Les signaux sont tout fait en accord avec ce que nous avions expliqu lors de la pr sentation du circuit de test
129. es des courbes de sections efficaces mais sont obtenus par une m thode compl mentaire permettant d obtenir directement la SOA en s affranchissant du temps d acquisition d une cartographie 90 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Les mesures de SOA par laser se font de la mani re suivante le laser est positionn la verticale du canal ou de la r gion intercellulaire les zones les plus sensibles cf paragraphe 2 4 2 gr ce une cam ra infrarouge L nergie laser minimale d clenchant un SEB est recherch e sur la gamme de tensions de polarisation s talant de OV la tension inverse de claquage BVpss Les courbes recherch es vont donner l nergie laser seuil d un d clenchement de SEB en fonction de la tension de polarisation La Figure 2 25 montre les r sultats obtenus pour le MOS 3 500V o les SEB apparaissent partir d une tension de 90V Cette tension d limite tr s clairement la SOA du composant M me en augmentant l nergie du laser d un facteur trois aucun d clenchement n appara t en dessous de cette tension Nous tenons rappeler que cette valeur est la tension minimale pour d clencher un SEB mais qu elle ne donne aucune information sur la qualit de ce d clenchement Il faut d autre part rappeler que les points avec les fl ches sur les figures ne correspondent pas des mesures r elles mais un symbole stipulant un non venement
130. es 1 7 et 8 ont pour caract ristiques un LET de 72 MeV cm mg donc plus faible que les traces tudi es pr c demment et un range maximum de 258um Les traces 7 et 8 traversent enti rement les plaquettes amincies Les tensions de seuil pour les trois traces sont ici aussi de 100V ce qui conduit dire qu elles traversent enti rement la zone de charge d espace La comparaison de ces traces montre que la g n ration de charges en dehors de la zone de charge d espace est superflue pour d clencher un v nement lorsque l ion a d j travers la zone de champ lectrique La comparaison des traces 4 et 8 indique clairement que si l ion p n tre suffisamment dans la zone de charge d espace un v nement peut tre d clench avec un LET plus faible et une tension de seuil plus faible La pertinence du parcours des ions dans la zone de charge d espace est donc vidente 120 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Pb JE P n tration de l ion y y y Face avant depuis la face avant Substrat N 95 92 72 258 6 7 400um 208ph P n tration de l ion m Face arri re depuis la face arri re v A P n tration des ions par la face avant arri re 72 258 LET MeV cm mg range um EN Tension seuil de SEB 90 100V SRE Tension seuil de SEB
131. es de Van Allen sont au nombre de trois e 2 ceintures d lectrons centr es aux altitudes de 9000km et 30000km e ceinture de protons l altitude de 12000km Il existe une dissym trie des ceintures due d une part la d formation de la magn tosph re sous l effet du vent solaire et d autre part l inclinaison 23 26 entre l axe magn tique et l axe de rotation terrestre Ce d calage entre les deux axes donne lieu une r gion particuli rement riche en protons l Anomalie Sud Atlantique SAA Le champ magn tique y est tr s faible et les flux de protons voluent en fonction de l altitude et de l activit solaire Ainsi les orbites utilis es sont donc situ es hors des ceintures orbite g ostationnaire GEO ou orbites basses LEO type ISS Des exemples de missions sont donn s sur la Figure 1 4 Les ceintures de Van Allen subissent des perturbations dues des variations de flux du vent solaire durant l activit solaire et ne sont pas stables 10 GPS 20000 km 55 GPS 20000 km 55 oO oO SPOT Geostationnaly ssl wy 9 89 35500 09 3 i O Saon JF Geostationnar 35500 0 S z W9 XNA L ONSTELLATTON 1400 km 52 2 KONNE ONI ECN 2a 0 2 3 4 5 6 7 0 2 4 5 6 Rayon terrestre Rayon terrestre Figure l 4 ceintures de radiations et caract ristiques de diff rentes orbites et missions Rayon terrestre 6371Km 1 1 1 6 Synt
132. es ions Des tests ou le composant est inclin par rapport au faisceau incident r v lent de plus que la loi du cosinus d finie dans le chapitre IT pour calculer le LET effectif ne s applique pas puisque la section efficace diminue lorsque I angle d incidence augmente La m me ann e A K Richter et al d montrent sur un IRF120 MOSFET 100V qu un SEB peut tre simul avec un laser puls de type Nd Yg de longueur d onde 1064 nm permettant une p n tration sup rieure 700 um dans le silicium RIC87 Ses tests sont r alis s par la face avant travers une ouverture dans la m tallisation de source et les r sultats sont corrobor s par ceux de D L Oberg OBER87 Afin d apporter une meilleure compr hension de la physique du SEB des mod lisations du ph nom ne sont donn es par diff rents auteurs J H Hohl et K F Galloway HOHLS87 d veloppent en 1987 un mod le analytique afin d tudier la sensibilit au SEB en fonction des param tres du composant Ils d terminent que l intensit du champ lectrique dans la r gion faiblement dop e N p1 contribue de fa on pr dominante la sensibilit Ils montrent d autre part que r duire le maximum du champ lectrique dans la zone de d pl tion et diminuer la r sistance de la zone du caisson P sous la source ainsi que sa distance au contact de source permet de durcir le MOSFET au SEB Ils notent de plus que le m canisme r g n ratif de r troaction d p
133. es tensions soit une trentaine de microns pour les MOS test s cf chapitre 2 3 3 158 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Cette partie fait l objet d une classification Confidentiel EADS 159 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Lorsque cette particule 2 est associ e la particule pour le d clenchement d un v nement les simulations ont montr que le LET seuil de la particule 2 diminuait de mani re significative d un facteur 10 500V Ce facteur a t retenu pour le code L algorithme concernant la partie du code Power DASIE permettant de d terminer si un SEB est d clench est donc le suivant Un tirage Monte Carlo d une r action nucl aire est effectu dans les bases de donn es nucl aires La r action est ensuite g n r e al atoirement dans le volume de la cellule du VDMOS tudi La charge d pos e dans le volume sensible num ro 1 est calcul e Qeotiect e 1 La charge d pos e dans le volume sensible num ro 2 est calcul e Qeollect e 2 Cas o la particule 1 uniquement d clenche un SEB S1 Qcollect e 1 Z Qseuil 1_SEB Un SEB est comptabilis Sinon le ca
134. ess and Design on Soft Error Rate in Integrated CMOS Technologies thanks to Monte Carlo Simulation IRPS2008 Phoenix AZ USA April 27 May 1 2008 WROO3 ZIE85 F Wrobel Elaboration d une base de donn es des particules responsables des dysfonctionnements dans les composants Electroniques expos s A des flux de protons ou de neutrons Application au calcul des taux d erreurs dans les m moires SRAM en environnement radiatif naturel Universit de Montpellier I 2003 J F Ziegler J P Biersack et U Littmark The Stopping and Range of Ions in Matter vol 1 Pergamon Press 1985 177 TITLE METHODOLOGY OF PREDICTION OF THE DESTRUCTIVE EFFECTS DUE TO THE NATURAL RADIATION ENVIRONMENT ON POWER MOSFETS AND IGBTS SUMMARY These works define a new methodology for the characterisation and prediction of the sensitivity of power devices type VDMOS to the natural radiation environment This methodology is based on laser tests on one hand and on the development of a prediction software named MC DASIE on the other The method of characterisation of power MOSFETs with laser testing 1s validated through the comparison of the results obtained with particle accelerators Furthermore laser mapping of the sensitivity is presented and the advantage of using the laser as a complementary tool of accelerators is highlighted The development of an extension of the MC DASIE prediction software to power MOSFETs allows one to predict th
135. etahc stesiecssdnepus oscsesenceucoseeeosanweve sane gt _ Laser forte nergie 6nJ Oo ee E E A ee lons lourds we i forts LET amp range 50 i rca eee ee eee nier earn ee eee 0 100 200 300 400 500 Tension drain source V Chute de tension de R lors d un SEB V Figure 2 27 chute de la tension aux bornes de la r sistance RI lors du d clenchement d un Burnout en fonction de la polarisation initiale Mesures faites avec une nergie laser incidente de 6nJ et des ions de LET 72 MeV cm mg et range 258um 0 1 2 3 4 5 6 7 Temps s 8 le Figure 2 28 acquisition de la tension Vp lors d irradiations ions lourds sur le MOS 3 Tension Vps et Vc d duites par le calcul 94 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser La Figure 2 29 repr sente l cart en pourcentage entre la tension VR et la tension Vaim en fonction de Vaim pour les MOS 1 et 3 500V Comme nous l avons expliqu dans le paragraphe 2 3 2 cf Figure 2 6 dans le cas id al o le MOS est consid r comme un interrupteur parfait et est assimil un court circuit lorsqu il subit un SEB la tension VR chute brutalement un minimum gal Vaim il n y a pas de temps d tablissement du courant Le comportement du MOS 1 se rapproche de ce cas id al o Vp d passe 90 de Vaim a partir de 350V Ce comportement sugg re un ph nom ne de SEB intense o le tr
136. eut tre gard e constante et d une valeur importante ou bien ajust e au seuil de d clenchement d un v nement La valeur de l nergie tant qu elle est sup rieure au seuil ne modifie pas l amplitude ni la forme du signal de Vps si l v nement d clench est un Burnout Ce n est en revanche pas le cas lorsque la tension est devenue trop faible pour provoquer un SEB et que l v nement d clench est un courant transitoire Ce dernier point est un autre moyen de d tecter la SOA La Figure 2 26 pr sente les r sultats de SOA pour le MOS 5 1 kV sous cette repr sentation En dessous d une polarisation de 150V aucun Burnout n est d clench et seuls des courants transitoires ou Transient sont observ s Cette tension d finie la SOA du composant Le passage d v nements de type Transient des v nements de type Burnout est marqu par une brusque variation de l amplitude de la tension Vps En effet lors d un Burnout la circulation des deux types de porteurs permet de moduler la conductivit de la cellule et peut donner lieu une r sistance l tat passant extr mement faible La tension Vps on qui en r sulte peut donc tre de m me tr s faible ce qui se traduit dans nos mesures par une chute de la polarisation initiale Vps d autant plus grande que les porteurs sont en nombre important et que le ph nom ne d avalanche est d clench fortement 700 no SEB SEB a i gt 600 O S S 500 gt 500 2 40
137. eux et mettre ainsi potentiellement en chec la mission Il est donc n cessaire de d terminer correctement la sensibilit aux radiations des composants de puissance afin de pouvoir faire un choix adapt de composants ou pr voir des syst mes de protection Le principal outil exp rimental utilis pour reproduire l environnement radiatif est l acc l rateur de particules Toutefois les co ts cons quents li s aux tests en acc l rateurs leur faible disponibilit et les contraintes de tests importantes et inh rentes ces outils ont conduit l utilisation du laser comme moyen de test compl mentaire La pertinence et l efficacit de cet outil pour reproduire les effets des rayonnements ont t d montr es sur les composants du traitement du signal Aucune tude en revanche n avait t r alis e pour les composants de puissance Cette tude a donc consist d velopper une nouvelle m thodologie de caract risation de la sensibilit au SEB de VDMOS classiques bas e sur le test laser et d velopper une premi re version du logiciel de pr diction pour l environnement atmosph rique Power DASIE Le chapitre 1 a pr sent le contexte de cette tude Les diff rents environnements radiatifs naturels et les rayonnements qui les composent ont t expos s Nous avons pr sent les divers moyens exp rimentaux permettant de reproduire les effets de ces rayonnements sur les composants a semi conducteurs a savoir les acc l ra
138. ever la valeur du second claquage revient donc lever la tension seuil de SEB ce qui peut tre r alis en r duisant le dopage de la r gion de N de source diminution de l efficacit d injection du transistor bipolaire En 2000 et 2004 des travaux de simulations num riques sont r alis s sur la sensibilit au SEB des MOS super jonctions S Huang et al HUAQ00 analysent la distribution du champ lectrique dans une structure de cette technologie Leurs travaux montrent qu elle est plus robuste au SEB en comparaison de la technologie classique gr ce l augmentation du dopage dans la zone active la diminution du maximum du champ lectrique et l existence d une composante horizontale du champ permettant de rabattre les trous vers les piliers P et de les vacuer directement vers le contact de source Les travaux de N Ikeda et al en revanche ne montrent pas de diff rence de sensibilit entre les deux technologies IKE04 Une explication possible cela peut tre que les structures qu utilise N Ikeda sont en r alit des semi super jonctions o les caissons P sont moins profonds que dans les structures classiques et o 1l existe une r gion N de faible paisseur pitaxi e sur le substrat N cf partie 1 5 1 1 Quasi Stationary Avalanche Simulation 10 40 10 2 103 104 10 5 10 6 Bipolar turn on 107 V 880V I 9 18x105A 10 cu 1 0 10 1 0 11 No beam 12 device 10 avalanches 10 13 at 70
139. fortement dop es Dans le cas d IGBT NPT l paisseur de ces couches n exc de pas une dizaine de microns et dans le cas des VDMOS et des IGBT PT elle peut atteindre plusieurs centaines de microns L intensit initiale du faisceau doit donc tre suffisamment importante Dans la pratique des mesures en transmission de l nergie laser permettent de s assurer que le faisceau traverse la totalit de l paisseur de la puce 700 650 dopage N Arsenic Sch81 600 Dar94 Sch81 zi Dar94 900 O Hab64 450 400 350 300 250 200 150 100 50 ses dopage P Bore HR amp coefficient d absorption cm 10 10 40 10 dopage cm Figure 2 2 volution du coefficient d absorption dans le silicium pour une longueur d onde de 1 06um en fonction du dopage type P ou N La Figure 2 3 pr sente pour diff rents niveaux de dopage et longueurs d onde la distance d 1 a sur laquelle le faisceau perd 63 de son nergie initiale Ip L ordre de grandeur des paisseurs des plaquettes silicium pour les composants de puissance standards est compris entre 200 um et 1000 um au maximum Il est donc n cessaire de travailler avec une longueur d onde permettant de couvrir cette gamme d paisseurs Une longueur d onde de 1 064 um est donc parfaitement adapt e pour r aliser des tests laser par la face arri re cf Figure 2 3 A ce stade le laser a un avantage sur les acc l rateurs puisq
140. h se de l environnement radiatif spatial La Figure 1 5 sch matise les diff rents ph nom nes radiatifs de l environnement spatial et le Tableau 1 1 r sume la nature et la provenance des particules rencontr es dans l espace Au regard de ces donn es l environnement radiatif spatial appara t comme un milieu 22 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar hostile Il est donc capital de caract riser les syst mes lectroniques embarqu s spatiaux et de comprendre les d faillances engendr es Ceintures de radiations Vents solaires Particules Protons lectrons Particules Protons gt H lium et lectrons we 4 Eruptions solaires Particules Protons ions lourds Ravons cosmiaues Particules Protons H lium et ions lourds Figure 1 5 effet des radiations spatiales sur la magn tosph re et ses d formations sous l interaction avec le vent solaire PORVENANCE PARTICULES ENERGIES FLUX lt qq 100MeV Ceintures de Protons dont 99 lt 10MeV 10a 10 cms radiations Electrons lt 7MeV 107 10 cm 2s dont 99 lt 2MeV protons Vent solaire Electrons NOIRE 10 10 cms Particules a 7 8 A Protons 10MeV 1 GeV Eruptions solaires Particules a 10MeV qq Ions lourds 100MeV 10 cms 10 10 cm 2s Protons 87 10 10 MeV Rayons cosmiques Particules a 12 Fortes n
141. hement d un SEB est le plus favoris Les valeurs des ranges ont t d finis par les simulations dans les paragraphes pr c dents Les valeurs des LETS seuils associ es ont t d termin es exp rimentalement par des ions lourds tr s p n trants dans le chapitre II pour certains niveaux de polarisation Ces diff rentes donn es exp rimentales sont synth tis es ci dessous pour le MOS 3 e Pour une polarisation moyenne environ 300V LET 15 20 MeV cm mg Range taille de l pitaxie N soit 50um e Pour une polarisation proche de la tension nominale 400V LET 3 MeV cm mg Range gt 30um 139 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Ces caract ristiques peuvent tre consid r es comme celles d ions secondaires g n r es par un neutron ou un proton incident Or l analyse des bases de donn es nucl aires indique qu il n existe pas d ion secondaire g n r par un proton ou un neutron poss dant de tels ranges associ s de tels LETs ou en de tr s faibles proportions et uniquement de fortes nergies de neutrons ou protons incidents nergies sup rieures 150 MeV En d autres termes les ions utilis s sous acc l rateur pour d clencher des v nements n ont pas d quivalent en ions secondaires g n r s par des neutrons et des prot
142. i vol 44 pp 2209 2216 Dec 1997 Steve Buchner Dale McMorrow Single Event Transients in Linear Integrated Circuits 2005IEEE NSREC shortcourse Seattle Washington T Chapuis H C Erems et L H Rosier Latchup on CMOS epi devices IEEE Transactions on Nuclear Science Vol NS 37 N 6 pp 1839 1842 d cembre 1990 A M Chugg R Jones M J Moutrie C S Dyer C Sanderson and A Wraight Probing the Charge Collection Sensitivity Profile using a Picosecond Pulsed Laser at a Range of Wavelengths IEEE Trans Nucl Sci vol 49 No 6 pp 2969 2976 Dec 2002 C Dachs F Roubaud J M Palau G Bruguier J Gasiot M C Calvet P Calvel P Tastet Evidence of the sensitivity inhomogeneity of power MOSFETs cells to single event burnout Radiation and its Effects on Components and Systems 1995 RADECS 95 Third European Conference on 18 22 Sept 1995 Page s 387 390 C Dachs Etude et mod lisation du ph nom ne de Burnout induit par ion lourd dans un MOSFET de puissance a canal N Th se Universit Montpellier II septembre 1995 F Darracg H Lapuyade N Buard F Mounsi B Foucher P Fouillat M C Calvet and R Dufayel Backside SEU Laser Testing for Commercial Off The Shelf SRAMs IEEE Trans On Nucl Sci vol 49 no 6 pp 2977 2983 Dec 2002 C D Davidson E W Blackmore J I Hess Failures of MOSFETs in terrestrial power electronics due to single event burnout
143. ibilit d velopp e pour un environnement atmosph rique Cette m thodologie est bas e sur un code de calcul existant appel MC DASIE et utilis pour des composants base de SRAM Afin de d velopper cette m thode pour les composants de puissance les crit res de d clenchement du ph nom ne de d faillance sur les VDMOS sont recherch s par simulations et exp rimentations et les r sultats sont analys s 15 16 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Les particules de l environnement radiatif naturel peuvent interagir avec l lectronique embarqu e et avoir des effets potentiellement dommageables et donc compromettant pour le succ s de la mission Les ph nom nes associ s aux ions lourds ont t d couverts et pris en compte seulement au d but des ann es 1980 L impact des ions lourds n avait jusqu alors que peu d effet sur l lectronique les composants tant beaucoup moins int gr s qu aujourd hui En 1996 des tests ont montr une sensibilit des syst mes et composants lectroniques de puissance aux neutrons OBER96 La part croissante d lectronique embarqu e dans les missions spatiales l allongement de ces missions et l volution des technologies font qu aujourd hui la prise en compte de
144. iel date du d but des ann es 70 et a permis le d veloppement de transistors MOS qui sont utilis s dans de nombreuses applications pour des gammes de tensions allant de 10 600 Volts pour un calibre en courant allant de quelques 100 mA a quelques amperes Les structures MOS ont un comportement de type unipolaire et poss dent donc des temps de commutation rapides En effet il ne pr sente pas de retard associ a la recombinaison de porteurs minoritaires dans la phase de blocage contrairement aux composants bipolaires Les temps de commutation sont de l ordre de 100 ns La contre partie r side dans des tenues en tension moyenne en raison d une r gion de drift N non modul e en conductivit qui entra nerait pour des tensions lev es des chutes de tensions l tat passant lev es En technologie planar classique c est le transistor DMOS D pour double diffus qui est aujourd hui encore le composant MOS de puissance de base Il se d cline en une configuration verticale VDMOS ou lat rale LDMOS La structure VDMOS est de conception multicellulaire La Figure 1 18 a en repr sente une cellule l mentaire Le calibre en courant du composant est directement li au nombre de cellules mises en parall le Cette dimension multicellulaire apparait donc comme fondamentale dans le cadre de nos travaux de recherche puisqu une particule ionisante incidente impactera une seule cellule l mentaire 47 Chapitre 1 Effet de l en
145. ionis e qui se perd dans la couronne solaire a des centaines de milliers de kilom tres d altitude avant de se diluer dans l espace environnant cf Figure 1 5 En plus des particules et des rayons cosmiques l ruption solaire s accompagne d un intense rayonnement UV rayons X etc qui perturbe les transmissions radio lectriques terrestres orage magn tique et provoque l apparition d aurores bor ales L activit du soleil est cyclique et se compose d ann es actives suivies d ann es calmes La p riode des cycles solaires r cents a vari entre 9 et 13 ans L intensit de cette activit est caract ris e par le nombre de taches visibles observ es sur la surface du soleil La Figure 1 1 montre la corr lation entre le nombre de taches solaires courbe continue et la 18 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar fluence de protons mis raies de rayonnement BAR97 Une p riode d activit solaire importante est donc caract ris e par un nombre de taches lev et par des fluences de protons significatives De plus cette figure illustre le caract re cyclique des ruptions solaires Event Fluences For Cycles 20 22 10 J vole if vole vole 200 a 10 Me 2 10 prom ae 30 Mar gt 107 p omi 190 l zurioh Sneoothed Suncoot Murmber Aout 1972 10 120 Protonsi cmi Zunch Smoothed Sunspot Number
146. ire La couronne solaire est d finie par un flot de mati re ionis e et n a pas de fronti re pr cise puisque son expansion se fond dans le milieu interplan taire Cette extension correspond au vent solaire cf Figure 1 5 qui est donc un plasma peu dense r sultant de l vaporation de la couronne proche du soleil Ce plasma est essentiellement constitu d lectrons de protons et d h lium et sa densit est de l ordre de 10 particules cm au niveau du soleil et tombe 10 particules cm au niveau de l orbite terrestre Le vent solaire est observ depuis une trentaine d ann es Au niveau de l orbite terrestre sa vitesse moyenne est de l ordre de 400 km s mais peut tre consid rablement augment e par les ruptions solaires 1 1 1 3 La magn tosph re La magn tosph re est une r gion de l espace domin e par l interaction entre le vent solaire et le champ g omagn tique En effet en passant au voisinage de la Terre le bouclier magn tique terrestre d vie le vent solaire qui en modifie la forme et la structure du champ La magn tosph re se pr sente comme une cavit au centre de laquelle se trouve la Terre jouant ainsi le r le de bouclier la prot geant des ph nom nes radiatifs spatiaux Figure 1 5 Toutefois au niveau des r gions polaires les particules issues des rayonnements cosmiques peuvent p n trer a de basses altitudes en raison de la rigidit g omagn tique r duite Les satellites dont
147. isque le principal tant que les traces ionisantes traversent la r gion pitaxi e Pour ce faire nous avons donc compar des r sultats de tests ions lourds face avant avec des r sultats face arri re Pour cette derni re configuration afin d tre s r de traverser la zone pitaxi e les puces ont t amincies de 200 um et 300 um en supprimant une partie du substrat hors pitaxie La Figure 2 19 montre les valeurs de sections efficaces obtenues pour les tests face avant et face arri re amincie pour le MOS 3 L allure g n rale des variations de la section efficace est identique pour les trois configurations de tests et les valeurs de la section a saturation et de la tension de seuil de d clenchement de SEB sont les m mes Il faut noter que pour ces derni res tensions qui sont symbolis es par des points et une fl che vers le bas aucun v nement n a t observ pendant la dur e de l irradiation Cependant afin de pouvoir repr senter ces sections efficaces de valeur nulle sur une chelle log on considere qu au maximum un v nement a eu lieu pour la fluence re ue par le composant La conclusion de ces r sultats est que le sens de p n tration des ions par la face avant ou par la face arri re du MOS n a pas d influence et il est donc possible de comparer simplement des irradiations laser et ions lourds dans ce cas d tude 1 E 0
148. issance Habilitation Universit Paul Sabatier Toulouse ler D cembre 2004 F F Moreno Mechanisms of Radiation Interaction with Materials RADECS Short Course 1999 S C Moss S D LaLumondiere J R Scarpulla K P MacWilliams W R Crain and R Koga Correlation of Picosecond Laser Induced Latchup and Energetic Particle Induced Latchup in CMOS Test Structures IEEE Trans Nuc Science 42 pp 1948 1955 Dec 1995 O Musseau A Torr s A B Campbell A R Knudson S Buchner B Fischer M Schlogl P Briand Medium Energy Heavy Ion Single event Burnout Imaging of Power MOSFET s IEEE Trans Nucl Sci vol 46 p 1415 Dec 1999 D K Nichols et al Discovery of heavy ions induced Latchup in CMOS epi devices IEEE Transactions on Nuclear Science Vol NS 33 N 6 pp 1696 d cembre 1986 D K Nichols et al Observations of Single Event Failure in Power MOSFETs IEEE NSREC Data Workshop Record pp 41 54 juillet 1994 NORM97 OBER87 OBER96 PALO1 PAU PEY08 POU00 POU99 RIC87 ROUB93 ROUB93B SAIG98 E Normand J L Wert D L Oberg P R Majewski P Voss S A Wender Neutron induced single event burnout in high voltage electronics Nuclear Science IEEE Transactions on Volume 44 Issue 6 Part 1 Dec 1997 Page s 2358 2366 D L Oberg and al First non destructive measurements of Power MOSFET Single Event Burnout Cross Sections IE
149. it optique est suffisamment importante le ph nom ne d absorption non lin aire peut permettre le passage d un lectron de la bande de valence la bande de conduction m me si l nergie des photons est inf rieure au gap indirect du silicium Ce m canisme n cessite l absorption de deux photons McMORO2 Une des interpr tations possibles de ce ph nom ne est l existence d un niveau virtuel dans la bande interdite du silicium L absorption d un premier photon permet l lectron de la bande de valence de passer au niveau virtuel Un deuxi me photon est alors quasiment simultan ment absorb pour faire passer l lectron du niveau interm diaire la bande de conduction La probabilit d absorption simultan e de deux photons tant faible l intensit optique doit tre importante pour g n rer une tr s grande quantit de photons Ainsi un laser ayant une longueur d onde telle que l nergie des photons est inf rieure au gap du silicium peut tout de m me cr er des paires lectron trou C est typiquement le cas pour des longueurs d ondes sup rieures 1 15 um Le laser d EADS IW met une longueur d onde de 1 06 um ce dernier type d absorption non lin aire n entre donc pas dans les m canismes de cr ation de paires lectron trou 40 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 3 4 2 Profondeur de p
150. ja Chatilla Directeur du LAAS pour m avoir accueillie dans leur soci t et laboratoire Je remercie galement Madame Marise Bafleur qui dirige le groupe ISGE ainsi que Madame Nadine Buard qui dirigeait l quipe Environnement Radiatif Naturel ERN avant de devenir la Directrice du d partement des syst mes lectroniques d EADS IW Je les remercie de m avoir ouvert les portes de leurs quipes et J adresse un merci particulier a Nadine qui m a fait confiance et qui m a encourag e avec beaucoup de bienveillance Je remercie tout particuli rement Monsieur Patrick Austin qui a dirig ces travaux Ses qualit s p dagogiques et l aide sans faille qu il m a fournie aux moments opportuns m ont beaucoup appris et ont par ailleurs grandement contribu la clart de ce m moire Je remercie tr s chaleureusement Monsieur Florent Miller qui a encadr ces travaux Son enthousiasme et ses id es foisonnantes ont rendu le travail a ses c t s tr s stimulant En outre sa bonne humeur et son sens de l humour font qu il est toujours agr able de travailler avec lui J exprime tous mes remerciements Monsieur Pascal Fouillat et Monsieur Christian Schaeffer pour le privil ge qu ils m ont fait en acceptant d tre rapporteurs de ce m moire Je remercie tr s sinc rement Monsieur Thierry Parra pour m avoir fait l honneur de pr sider le jury de ma th se Je tiens galement remercier Monsieur Christian
151. l effet des ions lourds est d une importance majeure dans le choix de certains composants pour la fiabilit d un satellite Il en va de m me pour les syst mes avioniques qui Sont principalement concern s par les effets des neutrons et en particulier dans le cadre du projet de l avion plus lectrique dans lequel des commandes lectriques de puissance sont impl ment es en compl ment des commandes hydrauliques Ce chapitre pr sente dans un premier temps les diff rents types de radiations naturelles spatiales et atmosph riques auxquelles sont soumis les syst mes lectroniques Les outils exp rimentaux permettant de reproduire les effets de ces radiations sur les composants semiconducteurs sont ensuite d crits Ceux sont principalement les acc l rateurs de particules les sources naturelles radioactives et les lasers Les diff rents m canismes d interactions particule mati re d une part et faisceau laser mati re d autre part sont expliqu s Les effets lectriques r sultant de ces interactions peuvent conduire une d faillance des composants Les diff rents types de d faillances sont identifi s et bri vement pr sent s Celles faisant l objet de cette tude sont le Single Event Burnout et le Single Event Latchup Ces v nements peuvent se produire dans les transistors de puissance de type MOSFET et IGBT Apr s avoir rappel le mode de fonctionnement de ces transistors leur structure 17 Chapitre 1 Effet de l e
152. la base du transistor PNP Les deux transistors NPN et PNP sont alors conducteurs simultan ment ils s alimentent mutuellement en boucle ferm e et le thyristor associ est amorc c est le latchup de l IGBT Une fois le latchup activ la commande de grille n a plus aucun contr le sur la structure et donc sur le courant total La seule mani re de couper le courant dans l IGBT est celle utilis e dans le cas d un thyristor c est le passage par z ro du courant Dans le cas de IGBT la dur e de la phase de Latchup doit tre br ve afin d viter sa destruction 1 6 Etat de l art sur les ph nom nes du Single Event Burnout et Single Event Latchup Comme nous venons de le voir dans le paragraphe pr c dent les ph nom nes de SEB et SEL peuvent entra ner la destruction des transistors de type MOSFET et IGBT La gravit des cons quences est relative la criticit de l application dans laquelle se trouve le composant impact Afin de comprendre les m canismes de ces d faillances et de pouvoir s en pr munir de nombreuses tudes ont t conduites Ces ph nom nes ont d abords t observ s et tudi s pour le domaine spatial o sont utilis s des MOSFETs Les IGBTs n tant utilis que dans les syst mes avioniques et donc soumis uniquement l environnement atmosph rique moins s v re les tudes sont plus r centes et sont relativement peu nombreuses 1 6 1 Le SEB dans les MOSFETS Les tu
153. lenchement d un v nement Ces bases ont t cr es pour un chantillonnage repr sentatif de 12 nergies de neutrons et de protons incidents comprises entre IMeV et 200MeV Pour chaque nergie un fichier synth tise un chantillon de 100 000 r actions nucl aires lastiques et non lastiques et pour chaque r action l ensemble des ions secondaires mis sont d crits par leur nombre nucl aire Z leur nombre de masse A leurs nergies et leurs caract ristiques d mission cf Figure 3 20 Ces bases de donn es nucl aires servent comme nous l avons dit de donn es d entr e aux codes de pr diction MC DASIE A Z E MeV Angle R action 1 R action 2 R action 3 n p R action 4 R action 1F Figure 3 20 sch matisation d une r action nucl aire entre un proton ou un neutron et un noyau de silicium tableau sch matisant les informations contenues dans la base de donn es nucl aires v nementielle 137 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 3 4 2 Pr sentation des codes de pr diction MC DASIE pour les SRAM Le code Monte Carlo DASIE MC DASIE a t d velopp initialement afin de pr dire le taux d v nements induit par des protons des neutrons et des ions lourds dans des composants de type SRAM et CMOS HUBOS WEU08 Ce co
154. ll s a 100 et 200um symbolisent l paisseur des plaquettes apr s amincissements pour des impacts en face arri re Ainsi en fonction du range les ions peuvent traverser la plaquette ou bien s arr ter dans le volume du cristal Dans le cas des impacts face avant les plaquettes ne sont pas amincies Les traits verticaux roses repr sentent le parcours de l ion dans le volume du composant arrivant par la face avant ou par la face arri re amincie indiqu par les fl ches Pour chacune des configurations indiqu es sur cette figure la tension Vps seuil provoquant un SEB est recherch e 119 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Dans un premier temps nous allons analyser les traces de LET 95 MeV cm mg et range 92 um traces 2 5 et 6 Les traces 2 et 5 initient un Burnout pour une tension seuil de 100V L extension de la zone de charge d espace est de 30um pour cette tension L ion de la trace num ro 2 traverse enti rement cette zone de charge d espace alors que l ion de la trace num ro 5 ne parcours que 22um dans la zone de charge d espace Il devrait donc y avoir une l g re diff rence sur les tensions seuils mais le niveau des LETS d une part et le pas d incr mentation de la tension 10V d autre part emp che de la quantifier La trace num ro 6 quant elle n
155. me du range peut tre comprise entre quelques microns et plusieurs millim tres Ions Mg de 500 MeV Electrons de 100keV Silicium Figure 1 10 image du parcours d ions magn sium d nergie initiale 500 MeV et d lectrons d nergie initiale 100 keV dans 500 um de silicium 1 3 1 3 R partition spatiale et temporelle de la trace d ionisation R partition spatiale L nergie transmise l lectron par un ion lourd au moment de l ionisation d un atome du r seau cristallin peut atteindre plusieurs keV L nergie d ionisation tant peine de quelques lectronvolts 3 6 eV l lectron poss de alors une nergie cin tique importante et peut son tour ioniser les atomes du mat riau cr ation d une paire lectron trou Ces lectrons hautement nerg tiques sont appel s rayons et s loignent de la trajectoire suivie par l ion incident suivant un parcours pratiquement perpendiculaire cf Figure 1 11 a Ils augmentent donc l tendue radiale de la zone de d p t effectif de charges FAG93 Le parcours moyen R d un rayon 6 d nergie cin tique E dans le silicium est estim par la formule empirique suivante EQU88 R wm 1 83 x 10 E keV Eq 1 2 33 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Ce parcours peut atteindre plusieurs microm tres selon l nergie dont dispose l ion en entr
156. minue de mani re exponentielle avec une constante de temps Ta gale RIC1 La tension aux bornes de la capacit diminue de la m me mani re La tension VR aux bornes de la r sistance R1 donne donc une image du courant I de d charge de la capacit Cette tension T2 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser augmente avec la constante de temps Tq de la valeur Vaim c a d Vps l tat bloqu la valeur nulle C est l apparition de cette tension qui montre que le transistor de puissance est devenu conducteur suite un v nement La tension Vps passe donc de Vaim OV de mani re discontinue Si le ph nom ne de Burnout tait permanent MOSFET en court circuit par exemple la capacit Cl ne pourrait pas se recharger En r alit le Burnout ne peut tre maintenu dans un interrupteur de puissance si le courant est inf rieur une valeur seuil Iseuil Ainsi quand le courant de d charge de la capacit C1 devient inf rieur ce courant seu que nous allons consid rer gal z ro dans l id al VR OV l interrupteur se r ouvre et la capacit C1 peut alors se recharger travers la r sistance Rp avec une constante de temps Te gale R CI Le courant maximum de charge max est gal Valim Rp AU moment de la charge la tension Vr devient brusquement positive a la valeur tr s faible RIVaim R et diminue exponentiellement jusqu z ro avec la constant
157. minution de la 84 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser sensibilit au SEB au centre de la r gion intercellulaire zones bleues au sein des zones noires sur la figure Cette pr cision accrue est due au fait que le diam tre du faisceau au point de focalisation ainsi que le pas de balayage sont plus fins 2 um et 0 5 um respectivement La diminution de la sensibilit peut s expliquer par une baisse de l efficacit de la collection des porteurs par une cellule puisque les charges g n r es se r partissent de maniere quasiment quitable entre les cellules adjacentes Ce qui a pour cons quence d lever les seuils de d clenchement d une cellule A Haran a galement observ ce ph nomene avec un microfaisceau d ion argon sur un MOSFET de 400V HARO7 Tension Vas seuil 5 056 2 4 19E 2 R gion intercellulaire Prise p 3 326 2 2 466 2 1 596 2 Figure 2 18 MOSFET 1 kV cartographie laser en tension Vds seuil pour une nergie laser fixe de 3 4nJ Canal 7 0 200 900 41000 2 4 3 Comparaison des sections efficaces obtenues par laser et acc l rateur Comme nous l avons vu dans le paragraphe 2 4 1 2 la section efficace d un composant peut tre extraite des cartographies laser en seuil et des tests en acc l rateur Afin de pouvoir comparer les r sultats obtenus les sections efficaces ont t d termin es en fonction de
158. n des sections efficaces et de l aire de s curit Ces diff rents r sultats permettent de d finir la sensibilit des composants de puissance vis vis des radiations Les r sultats obtenus en acc l rateur seront compar s ceux obtenus en laser afin de montrer la validit de ce dernier sur les MOSFETS de puissance Les notions de cartographie de section efficace et de SOA vont donc tre d finies dans un premier temps 79 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser 2 4 1 D finitions d une cartographie laser des sections efficaces et dela SOA 2 4 1 1 Cartographies laser L un des avantages du laser est la ma trise du point d impact du faisceau dans le temps et dans l espace En contr lant la position du faisceau laser par rapport au composant il est possible de d terminer quelles sont les zones sensibles aux SEEs d un composant Une cartographie de ces zones sensibles peut alors tre tablie en fonction de l nergie du faisceau incident ou de la tension de polarisation Le laser balaie la surface du composant avec un pas d incr mentation AX et AY Une impulsion laser est envoy e pour chaque position et la r ponse lectrique du composant est observ e sur un oscilloscope Le syst me est automatis et les donn es peuvent tre analys es l aide d un PC Pour une position donn e l nergie du laser ou bien la tension de polaris
159. n gative de la grille ne changerait pas la valeur de la SOA relative au SEB cependant le ph nom ne de SEGR serait favoris en particulier lors de tests en acc l rateurs 2 4 2 R sultats des cartographies laser Gr ce la ma trise de la position d impact de l impulsion laser et l automatisation du banc il est possible de sonder la sensibilit d une puce sur une surface d finie et de r aliser des cartographies de sensibilit en seuil Le principe a t pr sent dans le paragraphe 2 4 1 1 Les composants cartographi s sont le MOS 1 et le MOS 2 dont les caract ristiques principales 83 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser sont dans le Tableau 2 2 Nous allons maintenant pr senter les r sultats obtenus sur des MOSFETs de 500 V et 1 kV La taille du faisceau laser au point de focalisation est de 4 um et le pas de balayage de 2 um La zone cartographi e a une dimension de 100x100 um et est situ e approximativement au centre de la puce Ces cartographies sont r alis es en nergie laser seuil pour des polarisations en inverse de 480V pour le MOS 1 et le MOS 2 La Figure 2 17 montre les cartographies ainsi r alis es pour les deux types de technologies Sur ces cartographies ont t superpos es une photo de la topologie de la face avant des composants correspondants afin de relier la sensibilit des diff rentes zones l architecture des puces
160. n d obtenir une relation homog ne un LET la quantit de charge Neharges Cr es par cm est multipli e par la charge lectrique l mentaire de 1 6 10 C Le coefficient entre une unit en pC um et en MeV cm mg est d environ 100 cf chapitre 1 paragraphe 1 3 3 Dans le cas de test laser par face arri re la part d nergie absorb e par le substrat fortement dop N doit tre prise en compte Cette quantit est repr sent e par l exponentielle e o a correspond au coefficient d absorption du substrat N et z l paisseur de ce substrat Le second coefficient a de la relation Eq 2 5 correspond au coefficient d absorption de la r gion pitaxi e N puisque c est dans cette couche que le LET laser quivalent est calcul La relation ainsi obtenue est donn e par l quation Eq 2 5 et permet d estimer quel serait le LET laser quivalent a celui d un ion lourd Cette approche purement analytique lie 98 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser l nergie laser au LET dans le cas des structures de MOS de puissance par une relation de type lin aire 1 4E LET Moraea a e laser quivalent h a _ e q 100 Eq 2 5 IT Nous avons fait ce calcul pour les nergies laser de la courbe Figure 2 31 r alis e pour le MOS 3 dont les caract ristiques sont donn es dans le paragraphe 2 3 3 Seules les valeurs des coefficients d absorption nous
161. n de SOOV c est dire pour une tension proche du claquage de la cellule On retrouve les constations r alis es pour les simulations faites 200V avec en plus des variations de LET et de charges d pos es entre chaque simulation relativement faibles dues au tr s fort champ lectrique d j tabli dans la zone pitaxi e N cf Figure 3 16 repr sentant la valeur du champ lectrique en fonction de la profondeur et de la tension La quantit de charges d pos es au LET seuil varie relativement peu entre les traces de 30 40 et 50 um Pour une polarisation de 500V le cas le plus favorable l apparition du SEB n est plus celui o l ion traverse toute l pitaxie mais correspond celui o l ion ne p n tre que de 30 um dans le volume sensible partir de la surface les p n trations sup rieures apportent une quantit de charges suppl mentaire superflue du fait du champ lectrique important d j tabli dans la cellule En conclusion les crit res de d clenchement du SEB dans les VDMOS portent sur le range et le LET Les traces ionisantes doivent traverser toute la zone d pitaxie N ou pour des niveaux de tension proches de la tenue en tension du composant seulement une partie de la zone de charge d espace Ce range critique est associ une valeur seuil de LET qui ne pourra tre d termin qu exp rimentalement 3 E 05 P N pi Substrat N 2 E 05 a z Tension Vps gt gt e 1
162. n de l ordre de 0 1 um typiquement Un syst me d imagerie optique permet d observer la position du spot laser au niveau de la surface de la puce De plus avec 30 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar une source de lumi re blanche focalis e par l objectif de microscope il est possible d observer la surface du composant en regard de l objectif ainsi que la surface oppos e en regard des platines grace a une cam ra CCD 1 3 Les interactions particule mati re Les particules de l environnement radiatif naturel peuvent interagir avec la mati re et en particulier avec le silicium des composants semi conducteurs Ces interactions peuvent avoir des effets sur les composants que les gens de la communaut ont cherch reproduire par les diff rents moyens exp rimentaux pr sent s dans la partie pr c dente Si les acc l rateurs et les sources naturelles radioactives sont commun ment accept s et utilis s car ils g n rent des particules du m me type que celles de l environnement radiatif les lasers se doivent d tre plus discut s car leurs m canismes d interactions pour reproduire les effets des radiations sont diff rents Nous allons donc expliquer dans ce paragraphe les diff rents m canismes d interactions entre les ions les protons et les neutrons avec la mati re d une part et d autre part entre les photons d u
163. n faisceau laser avec la mati re Nos travaux traitant des composants semi conducteurs 1l sera souvent fait r f rence au silicium 1 3 1 Ions lourds 1 3 1 1 Nature de l interaction L interaction des ions lourds Z gt 2 avec la mati re peut tre de deux types Le premier est une interaction coulombienne qui est une collision in lastique d une particule charg e incidente c d un 1on avec le cort ge lectronique du r seau cristallin Le second est une interaction r sultant de collisions lastiques de l ion sur les noyaux des atomes du r seau cristallin La probabilit d interaction forte avec les noyaux qui correspond au deuxi me type est g n ralement n gligeable ENG72 sauf en fin de parcours Le processus de d p t d nergie de l ion incident est donc l ionisation des atomes du r seau cristallin accompagn e ventuellement de rayonnements Bremsstralung et Cerenkov MOR99 Il est noter que les pertes d nergie des particules incidentes sont quantifi es par la notion de LET qui sera d finie dans le chapitre II Le m canisme d ionisation se produit lorsque l nergie de la particule incidente est sup rieure l nergie n cessaire la cr ation d une paire lectron trou 31 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Des relations empiriques issues de mesures exp rimentales BOUD98 existent pour relie
164. n laser de longueur d onde 1 06 um En termes de r partition spatiale le laser est donc plus proche des ions tr s nerg tiques Malgr les diff rences de diam tre des traces d ionisation qu il peut exister elles restent tr s inf rieures aux dimensions des volumes sensibles des composants de puissance La dur e d tablissement de la colonne d ionisation est de quelques picosecondes pour un ion Pour les lasers impulsionnels cette dur e est variable et peut aller de quelques femtosecondes quelques centaines de picosecondes suivant les installations Il faut noter que ces temps restent beaucoup plus courts que les temps de commutation des composants de puissance qui sont de l ordre de la microseconde Dans le cadre d une tude dynamique ce qui n est pas le cas de nos travaux la dur e du d p t de charge ne devrait pas poser de probl me majeur 68 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser PSN 7 Comme cela a d j t dit les param tres utilis s pour caract riser les ions incidents et le faisceau laser sont diff rents Pour rappel l nergie le range et le LET d finissent les caract ristiques d un ion p n trant dans un mat riau et la longueur d onde l intensit I et le diam tre d finissent celles du faisceau laser Ces diff rences conduisent naturellement au probleme de l quivalence nerg tique ion laser En d autre
165. nant un Burnout pour quatre tensions de polarisations 500V 400V 300V et 100V Plusieurs tensions sont effectivement simul es afin de bien mesurer l impact de la particule 2 sur le maintien en conduction du transistor parasite puisque c est elle qui alimentera en trous la base de ce dernier Les r sultats sont synth tis s dans le Tableau 3 4 Il 153 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique est bon de rappeler que nos simulations 2D sont uniquement qualitatives et en aucun cas quantitatives Les valeurs de LET seront donc simplement compar es entre elles de mani re relative 0 IO 20 30 40 urm LET1 0 1 plum R1 5 um 11 0 5 po Figure 3 32 sch matisation des positions et longueurs des traces simul es dans la demi cellule de VDMOS Une premi re constatation est que le couplage de la particule 1 avec la particule 2 permet de diminuer de mani re significative la valeur du LET seuil de cette derni re lorsque la tension est de 500V Cette derni re poss de alors un LET tr s inf rieur a celui de la particule facteur 100 Des caract ristiques de LET tres faible associ a un range important sont typiquement des caract ristiques que l on retrouve en grand nombre parmi les produits de la r action nucl aire n Si et p Si Le LET seuil de la particule 2 asso
166. nergie des ions pour les tests en acc l rateur sont toujours discut s Concernant les IGBTs ces composants n tant jusqu pr sent pas utilis s dans les applications spatiales relativement peu d tudes ont t men es sur le sujet Le second chapitre a pr sent la m thodologie de test laser d velopp e pour les VDMOS de puissance Les limitations des acc l rateurs de particules pour les tests de SEE ont tout d abord t expos es Outre les couts lourds et la faible disponibilit dont nous avons d j parl ces outils irradient de fa on globale et continue dans le temps Les r solutions spatiale et temporelle qui leur font d faut sont pourtant n cessaires pour la compr hension des m canismes de d faillance et pour la localisation physique et lectrique des origines de ces d faillances D autre part et plus particuli rement pour les tests de SEB le range des ions qui est un param tre critique peut avoir une valeur insuffisante dans les acc l rateurs ce qui conduit sous estimer la sensibilit d un transistor MOS La m thodologie laser compl mentaire qui est propos e permet de palier ces diff rentes limitations puisque le faisceau impulsionnel permet d irradier de fa on tr s pr cise et de mani re contr l e dans l espace et dans le temps et permet en outre de traverser compl tement les puces des composants s affranchissant ainsi du probl me de la limitation du range Les conditions d utilisation son
167. nge important de l ordre de l paisseur de l pitaxie n a pas d quivalent parmi les ions secondaires produits par la r action nucl aire d un proton ou d un neutron sur un noyau de silicium L observation des SOA exp rimentales d termin es sur nos MOSFETs de 500V cf chapitre I a montr que le SEB n apparaissait qu partir de 350V nous confortant dans nos r sultats de simulation Ces diff rentes constatations nous ont permis de d gager pour la particule num ro 2 des crit res de d clenchement d un SEB que nous impl menterons dans le code Power DASIE Puisque les SEB induits par des protons et des neutrons ont lieu pour les tensions lev es et que pour ces niveaux de tension la quantit de charges d pos es au LET seuil ne 157 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique varie pas tant que le range reste sup rieur ou gal aux 2 3 de la zone pitaxi e soit 30um nous avons choisi un crit re de range minimum coupl avec un crit re de charge d pos e minimum Si un ion secondaire provenant des bases de donn es nucl aires et g n r dans une cellule de VDMOS poss de au minimum ce parcours dans l pitaxie et d pose au moins cette charge un Burnout sera comptabilis 3 4 4 3 Le code de Power DASIE Le code Power DASIE que nous allons d finir dan
168. nologie MOS et IGBT Ce ph nom ne est la mise en conduction d une structure thyristor parasite PNPN d clench par un courant seuil circulant dans la base d un des deux transistors NPN ou PNP qui conduit au verrouillage de la structure thyristor La particularit de cette derni re est de pr senter une r sistance l tat passant de tr s faible valeur entra nant des courants pouvant devenir importants s ils ne sont pas limit s par le circuit ext rieur Cette d faillance est d autant plus marqu e dans les composants de puissance de conception multicellulaire En effet la particule incidente peut d clencher le ph nom ne de latchup d une unique cellule dans laquelle la densit de courant d passe un seuil critique alors m me que le courant total aux bornes du composant reste admissible Ce seuil critique entra ne la fusion locale du silicium ou des pistes m talliques SEXTO3 DRES 81 SCHW 96 e Le SEB Single Event Burnout Le SEB est la destruction d un composant de puissance suite l emballement thermique r sultant de la combinaison du d clenchement d un transistor bipolaire parasite et du m canisme d avalanche TIT96 JOH96 SEXT03 La structure bipolaire parasite NPN pour un composant canal N peut tre mise en conduction par un courant de trous provenant d une trace d ionisation laiss e par une particule incidente Lorsque le composant est l tat bloqu le champ lectrique pr
169. ns les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Face avant Face arri re 4 4 P n tration de l ion par Y face avant A face arri re LET pC um Profondeur z dans la cellule depuis la face avant um Figure 3 8 LET minimum provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration de l ion depuis la face avant ou la face arri re pour une polarisation de 500V 3 2 2 Recherche exp rimentale du volume sensible en acc l rateur Des tests de sensibilit au SEB l aide de l acc l rateur ont t r alis s afin de valider exp rimentalement les r sultats obtenus par simulation Le MOSFET test est le MOS de SOOV de type 1 d j utilis et pr sent dans le chapitre II cf paragraphe IV 3 Il faut rappeler que ce MOS est de technologie classique de type planar de m me que pour les simulations Le MOS 1 de m me technologie n a pas t test car ce composant s est trouv tr s sensible au ph nom ne de SEGR Les tests ont t conduits au Grand Acc l rateur National d Ions Lourds le GANIL Caen Les ions lourds choisis ont eu comme caract ristiques un LET lev afin que celui ci ne soit jamais le param tre limitant dans le d clenchement du SEB Les profondeurs de p n trations varient de 64 258 um l impact des ions se fait en face avant et en face arri re et les diff rents amincissemen
170. ntaines de microns Dans le cas de tests en acc l rateur o les ranges sont limit s ce contr le de la profondeur d usinage permet de diminuer l paisseur du substrat N de mani re localiser le point d impact des ions lourds Cette op ration n alt re pas la fonctionnalit lectrique du composant puisque la couche N assure simplement la tenue m canique de la puce de MOS Des tests lectriques sont quoiqu il en soit syst matiquement r alis s avant et apr s ouverture Ce type de mesures ainsi que des simulations report es dans MILO6B n ont montr aucune diff rence sur les caract ristiques lectriques suite une ouverture en face arri re La Figure 2 12 a montre le cas d un IGBT NPT o la difficult de la m thode vient de la technologie du composant En effet comme d crit dans la partie 1 5 2 du chapitre 1 les technologies Non Punch Through NPT et Soft Punch Through SPT ou Field Stop pr sentent une couche dop e P en face arri re appel e anode transparente et dont l paisseur est de l ordre de quelques microns Cette couche joue un r le dans le fonctionnement de VIGBT elle assure la conduction bipolaire elle ne peut donc tre supprim e L ouverture des composants se faisant par micro usinage et l tape de polissage tant n cessaire pour les tests laser la couche d anode P a toutes les chances d tre supprim e sur les dimensions de l ouverture pratiqu e Pour cette raison seul
171. nvironnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar parasite et les m canismes de d faillance associ s sont expliqu s Enfin nous terminons avec l tat de l art sur l tude de ces ph nom nes dans les composants tudi s 1 1 L environnement radiatif naturel Les environnements radiatifs spatial et atmosph rique auxquels sont soumis les syst mes lectroniques et en particulier ceux affect s la gestion de l nergie structur s partir de composants de puissance MOSFET et IGBT sont d crits dans ce paragraphe Ces deux environnements radiatifs naturels se distinguent principalement par la nature des particules qui les composent 1 1 1 L environnent spatial Il existe principalement quatre sources de rayonnement dans l environnement spatial qui sont successivement les ruptions solaires le vent solaire le rayonnement cosmique la magn tosph re et les ceintures de radiations Les composants de puissance plong s dans cet environnement sont soumis des particules d origines et nergies diverses telles que des photons des lectrons des protons et des ions couvrant une large gamme de num ros atomiques BOUD 95 1 1 1 1 Les ruptions solaires Une ruption solaire est un v nement primordial dans l activit du soleil Elle se produit la surface de la photosph re couche de gaz qui constitue la surface visible du soleil et projette un jet de mati re
172. observer de mani re non destructive le ph nom ne de SEB Les composants tudi s sont des MOSFETs et des IGBTs commerciaux 2 3 1 Le banc laser La source laser utilis e est une source Nd YAG puls e mettant une longueur d onde de 1064 nm L int gralit du banc de test est fibr e afin d en faciliter l utilisation et d augmenter la s curit oculaire L automatisation des tests laser est rendue possible par le pilotage par ordinateur de divers l ments Ces l ments sont e Une commande de l impulsion laser en mono coup ou en fr quence e Un att nuateur variable permettant de contr ler l nergie du faisceau 69 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser e Des platines de d placements en x y e La carte de test du composant caract riser commande de la tension de polarisation par exemple Le chemin optique emprunt par le faisceau laser est le suivant La source laser fibr e en sortie met une impulsion laser suite une commande du PC de manipulation Le faisceau se propage dans une fibre optique jusqu un att nuateur variable permettant de r gler l nergie Le faisceau att nu est conduit jusqu un collimateur point d injection du laser dans la t te du microscope Une lame semi r fl chissante permet de renvoyer une partie du faisceau vers une photodiode L autre partie arrive dans un objectif qui la focalise
173. ogie power DASIE pour l environnement atmosph rique Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutron proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Le chapitre pr c dent a permis de montrer la validit du laser puls pour induire le ph nom ne de SEB et de SEL dans les transistors de puissance de mani re similaire ce qui peut tre obtenu avec des ions lourds sous acc l rateurs En particulier la pertinence du laser pour d terminer la SOA et les sections efficaces de ces composants a t montr e N anmoins tester exp rimentalement l influence de toutes les particules atmosph riques et spatiales sur l ensemble des composants embarqu s serait trop on reux et trop long En outre s il existe bien un domaine d nergies laser correspondant au LET des particules l g res le laser ne permet pas de prendre en compte l aspect statistique li aux interactions nucl aires Afin de r pondre ces probl mes une m thodologie de pr diction des SEEs a t d velopp e depuis 1998 et continue l tre par EADS en collaboration avec l universit de Montpellier sur les composants de type SRAM et portes logiques Cette m thodologie consiste en un code de pr diction appel MC DASIE qui n cessite en entr e des bases de donn es nucl aires ainsi que des informations simples relatives au design des structures et comp
174. ogie power DASIE pour l environnement atmosph rique Source Grille Source Grille 0 1 2 3 4 5 i l lg G Ig a as 10 12 14 16 18 20 22 24 a Vns 300V t 4 10 s b Vps 300V t 1 10 s Source Grille F Source Grille o 2 3 4 5 10 12 14 16 18 20 27 74 10 12 14 16 18 20 22 24 c Vps 300V t 1 10 s d Vps 300V t 1 10 s ae ee a PU ell elles p 1 2 3 4 5 10 12 14 15 18 20 22 24 16 12 14 16 18 20 22 24 e Vps 300V t 1 10 s f Vps 300V t 1 10 s Figure 3 31 volution au cours du temps du courant d lectrons et des lignes de potentiel au niveau de la jonction metteur_N base_P Structure polaris e a 300V trace ionisante g n r e to 1 0 s en x 20 y 3 x2 25 y2 3 150 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Influence de la tension sur le LET seuil de la particule et crit re de d clenchement Les simulations pr c dentes ont montr que la quantit de charges n cessaire pour d clencher le transistor bipolaire parasite tait identique pour une tension de SOOV et de 300V Le mise en conduction de ce transistor ne signifie pour autant pas qu un Burnout ait lieu Les simulations suivantes vont donc permettre de d terminer la quantit de charges et les LETs seuil n cessaire pour d clenche
175. on Vps pour un LET donn Dans le cas de tests protons ou neutrons le LET des ions de recul cf chapitre 1 n est pas accessible et la section efficace se d finie avec nergie des protons ou neutrons incidents Quant aux tests laser ils permettent de tracer deux types de sections efficaces qui sont soit fonction de la tension Vps soit de l nergie laser incidente Pour des tests sous acc l rateur la section efficace not e o est d finie par la relation suivante ou la fluence est le nombre de particules re ues par cm pour la dur e d irradiation nombre d v nements SEEs o cm Eq 2 1 fluence particules cm2 Pour des tests laser la section efficace d un composant peut tre extraite des cartographies de sensibilit en seuil En effet la d finition de la section efficace renvoie la notion de surface sensible du composant Il est donc possible de tracer la courbe de section 81 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser efficace en fonction de la tension de polarisation ou en fonction de l nergie laser en r alisant alors des cartographies plusieurs nergies laser Afin de pouvoir comparer la sensibilit de diff rentes technologies il est pratique de donner des valeurs de section efficace normalis es par rapport la surface active des puces dans le cas de MOSFETs La Figure 2 15 montre un exemple de l voluti
176. on de la section efficace en fonction du LET ou d une tension de polarisation Deux valeurs peuvent tre d finies e a section efficace saturation Osat qui correspond la valeur asymptotique atteinte pour de forts LETs ou de fortes tensions de polarisation Cette valeur repr sente la surface sensible maximale du composant Elle peut tre gale la surface totale de la puce ou m me tre sup rieure dans le cas d v nements multiples MBU MCU etc cf chapitre 1 paragraphe 1 4 1 e le LET seuil ou la tension Vps seuil de d clenchement d un SEE Cette valeur correspond a la valeur minimale du d clenchement d un v nement T E f Osat O amp 00000000000000000 00000 000000e 6 e eeeeaeeseene0e0e20e2020808080800 ee a c S bd LL L LET y ou Vos th op a J Ye LET MeV cm mg ou VDS V Figure 2 15 courbe de section efficace typique en fonction du LET ou de Vps Dans le cas des composants du traitement du signal et de l information o les profondeurs des zones actives sont faibles il est pratique de d finir le LET effectif Eq 2 2 En effet comme le sch matise la Figure 2 16 la cr ation d un angle 0 entre le composant sous test et le faisceau incident augmente le parcours de la particule dans le volume sensible dans le cas o ce dernier est plus large que profond Le LET effectif correspond une augmentation fictive du LET de l ion incident et perme
177. ons lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique La particularit de notre activit de recherche est de simuler un impact ionisant d un ion lourd La solution utilis e est de g n rer des paires lectrons trous dans une r gion pr cise de la structure gr ce une fonction donnant le taux de g n ration des charges cr es Les dimensions de la r gion sont ajustables et permettent donc de simuler une trace semblable a celle cr e par un ion lourd D autre part l avantage de cette m thode est de pouvoir positionner la trace n importe o dans la structure Le taux de g n ration des porteurs est mod lis par des gaussiennes spatiales et temporelles et est donn par l quation Eq 3 1 Le rayon de la trace 1onisante est fix 0 05 um la largeur Tc de la gaussienne temporelle est de 2 10 s et le temps To de g n ration de la trace est 4 10 s La Figure 3 1 repr sente le maillage de la demi cellule simul e avec un resserrement au niveau de la trace d ionisation Taux de g n ration pour une Pour y lt y lt y rate x y LET en pC cm trace ionisante verticale rayon de la trace ionisante en cm X abscisse de la trace ionisante en cm T temps initial de la gaussienne temporelle en s T largeur de la gaussienne temporelle en s Contact de source CNN D PATATA T VV eb AAYAN VV VW VV aes ee led bas
178. ons Cependant les tests neutrons et protons que nous avons effectu s sous acc l rateurs et qui seront pr sent s plus en avant dans le chapitre ont montr une sensibilit non nulle des composants au SEB pour des nergies incidentes comprises entre 30 et 60 MeV Cela signifie que les ions de recul ou secondaires responsables des SEB ont des caract ristiques diff rentes de celles obtenues sous acc l rateur dans les cas les plus favorables Il est donc n cessaire de d terminer d autres crit res de d clenchement permettant d engendrer un Burnout L analyse de la population des ions secondaires r pertori s dans les bases de donn es montre que les particules poss dant un range relativement important sup rieur la trentaine de microns sont presque exclusivement des particules l g res dont les LETS sont inf rieurs au MeV cm mg comme l indique la Figure 3 23 Cette figure donne la r partition des LETs des ions secondaires ayant un parcours minimum de 30 um dans le silicium en fonction du num ro de tirage des r actions nucl aires impl ment es dans la base de donn es Il faut noter que cette courbe correspond 20000 r actions nucl aires tir es successivement et al atoirement dans la base de donn es nucl aires et produites par des neutrons d nergies incidentes de 63 MeV et 200 MeV Pour un neutron incident de 63 MeV aucune particule secondaire ne poss de un LET sup rieur 0 6 MeV cm m g Cette gamme de LETS com
179. onsacr au d veloppement du code de pr diction de sensibilit Power DASIE d di aux composants VDMOS classiques de type planar Pour ce faire nous avons d fini la profondeur du volume sensible ainsi que les crit res de d clenchement du Burnout pour des irradiations ions lourds d une part et neutrons protons d autre part Les simulations r alis es sur une cellule de VDMOS ont montr que l paisseur de ce volume correspondait la profondeur de la zone pitaxi e qui est la zone o s tend le champ lectrique Les crit res de d clenchement d finis pour des irradiations ions lourds sont un range traversant l int gralit du volume sensible associ une valeur de LET minimum Dans le cas d interactions n Si et p Si une telle configuration n existe plus puisque qu aucun ion secondaire ne peut poss der un tel range associ un tel LET Ainsi d autres crit res de d clenchement ont t d finis pour le code de pr diction power DASIE gr ce l analyse des caract ristiques des 1ons secondaires r pertori s dans les bases de donn es nucl aires et aux simulations de traces verticales horizontales et de traces coupl es Ces crit res sont bas s sur deux types de particules secondaires associ es chacune un volume sensible particulier et interagissant de mani re simultan e ou non Ces deux particules permettent respectivement de d clencher le transistor bipolaire parasite et le ph nom ne d avalanche Les crit res portent
180. or LET pC um LET 0 007 30 Qu pos e PC Q 0 2 LET 0 006 i 50 LET 0 006 Q 0 3 LET 0 006 Q 0 36 70um LET 0 006 O 0 4 Figure 3 4 sch matisation de traces d ions arrivant en incidence normale sur la face avant et s arr tant diff rentes profondeurs dans la cellule de MOSFET Toutes les traces sont simul es la m me position suivant l axe x symbolis e par les pointill s verticaux violets Face avant Face arri re Range l ion um Figure 3 5 LET minimum provoquant un SEB en fonction de la profondeur de p n tration de l ion arrivant en incidence normale sur la face avant de la cellule Analyses des r sultats de simulation par face arri re Les conditions de simulation en termes de polarisation et de positions de l impact selon l axe des abscisses sont identiques au cas des simulations par face avant La Figure 3 6 sch matise le parcours d ions p n trant par la face arri re dans une demi cellule de MOSFET et le graphe Figure 3 7 synth tise les r sultats De m me que pour les r sultats en face avant 115 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique les simulations montrent que la valeur du LET n cessaire pour provoquer un SEB diminue avec l augmentation du range de l ion incident Pour l ion ne d posant aucune charge dans cett
181. ortantes en raison de la s v re d gradation de l oxyde de grille par les ions avant m me de pouvoir observer un SEB cf Figure 2 22 et Figure 2 21 En effet la valeur du courant de fuite de grille ig r sultant de l impact des ions s est vu cro tre rapidement avec le temps d exposition sous le faisceau Cette augmentation a conduit dans presque tous les cas la rupture complete de l oxyde de grille Le temps de test et les tensions Vps applicables ont par cons quence t fortement limit s La Figure 2 33 pr sente l augmentation du courant de grille en fonction de la fluence re ue par le MOS 1 polaris a 100V soit 20 de tenue en tension Vgr ps pendant une exposition de 100s A la fin de l exposition le courant de grille ig est pass de 0 1uA 16uA soit une augmentation de 160 fois pour une fluence de 6 10 particules cm le comportement lectrique du composant est nettement d grad Ce graphe montre que le ph nom ne de d gradation de l oxyde de grille est tr s d pendant de la fluence Cependant cette rapide d gradation n est pas repr sentative de ce qui peut se produire dans l environnement spatial ou atmosph rique o les flux sont beaucoup moindres Ce ph nom ne n a pas t observ en test laser Le laser utilis de longueur d onde 1 06um ne permet pas le d placement d atomes dans l oxyde ni son ionisation Certaines tudes ont montr es que le SEGR notamment le SEGR cumula
182. osants semiconducteurs Cet outil permet de pr dire directement la sensibilit d un composant dans un environnement radiatif donn ou de la d duire pour un autre type d environnement partir de sa connaissance dans un autre environnement Ce type de code n existe pas pour les transistors de puissance et en particulier pour les VDMOS L objet de ce chapitre sera donc d adapter la version de DASIE existante qui deviendra Power DASIE Pour cela nous d finirons dans un premier temps le volume sensible de ces composants l aide de simulations num riques et de r sultats exp rimentaux Dans un second temps nous nous int resserons plus particuli rement aux m canismes 107 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique physiques du SEB en vue de d gager des crit res de d clenchements du ph nom ne Ces crit res seront d finis pour des interactions 1ons lourds d une part et neutrons protons d autre part La connaissance des crit res de d clenchement ions lourds du SEB permettra de d finir les conditions exp rimentales optimales pour des tests ions lourds en acc l rateurs de composants VDMOS classiques Les crit res de d clenchement neutrons protons du SEB permettront de construire le code de pr diction Power DASIE qui sera valid sur les composants test s 3 1
183. p du mat riau il peut tre absorb pour faire passer un lectron de la bande de valence dans la bande de conduction C est l effet photo lectrique par absorption inter bandes Pour un gap direct cf Figure 1 15 a l lectron passe directement de la bande de valence la bande de conduction par une transition verticale dans l espace r ciproque en absorbant au moins l nergie gale au gap direct Esap direct Lorsque le gap est indirect ce qui est le cas du silicium l lectron passe de la bande de valence a la bande de conduction soit par une transition verticale en absorbant l nergie gale au gap direct Egap direct SOit par un m canisme d absorption indirect cf Figure 1 15 b On rappelle que le gap du silicium a une valeur de 1 12 eV La transition se fait alors vers le niveau le plus bas en nergie de la bande de conduction de mani re non verticale Ce type de transition n cessite un photon incident d nergie sup rieure Egap indirect 1 12eV pour le silicium ainsi qu une impulsion fournie par les phonons du r seau Dans le cas du silicium et pour le domaine de longueurs d ondes du laser utilis cf chapitre IT seule l absorption indirecte interviendra Energie Bande de Energie Bande de conduction conduction E gap indirect Esap direct Vecteur d onde k Bande de valence Gap direct sap direct Vecteur d onde k Bande de valence Gap indirect
184. pC LET 0 008 pC um 300 V Range 50 um Charge 0 4 pC LET 0 1 pC um 100 V Range 50 um Charge 5 pC Tableau 3 4 caract ristiques des particules I et 2 entrainant un SEB d termin es par simulations Influence de la particule I et de la tension sur le range de la particule 2 Les simulations sur l association des particules 1 et 2 ont t poursuivies en tudiant cette fois l influence de la diminution du range de la particule 2 sur son LET Les positions des particules restent identiques au paragraphe pr c dent La Figure 3 33 sch matise les positions et ranges des traces simul es ainsi que l extension de la zone de charge d espace repr sent e par une bande grise De m me que pr c demment le LET seuil de la particule num ro 2 induisant un SEB est recherch Le Tableau 3 5 synth tise les r sultats de ces simulations Pour une polarisation de 500V cf Figure 3 33 a la r duction du range d un facteur 3 de 50um 17um entraine une augmentation du LET seuil d un facteur 3 et ne change donc pas la quantit de charges d pos es M me augment e la valeur du LET de la particule 2 reste tr s inf rieure au LET de la particule 1 facteur 33 Il en va de m me pour la polarisation de 300V o il existe un facteur d environ 1 6 sur les ranges r percut sur les valeurs de LET associ s La quantit de charges d pos es varie relativement peu Pour la 155 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchemen
185. permettent de faire converger une solution globale pour un point de fonctionnement donn La solution globale sera d autant plus pr cise que le maillage est dense Toutefois un compromis s impose car le nombre de n uds est directement proportionnel au temps de calcul Il convient de d finir un maillage relativement l che dans les zones les moins sensibles lectriquement et de le resserrer dans les zones influentes En tout tat de cause la qualit et la densit du maillage dans une zone d une structure d pendent des r sultats recherch s Les diff rents mod les utilis s pour nos travaux sont e le mod le de recombinaisons Shockley Read Hall avec une d pendance des dur es de vie des porteurs en fonction de la concentration en impuret s e le mod le de recombinaison Auger e le mod le de d pendance de la mobilit en fonction des champs lectriques et de la concentration en impuret s e le mod le permettant de tenir compte du r tr cissement de la largeur du gap du silicium dans les r gions de fort dopage bandgap narrowing e le mod le d ionisation par impact essentiel pour mod liser les ph nom nes de claquage et de Burnout dans les MOSFETs e La statistique utilis e est une celle de Fermi Tous ces mod les sont parfaitement d crits dans le manuel d utilisateur de SILV ACO SILVACO 109 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions i
186. pond aux plus fortes valeurs de LET et d nergie laser et se traduit par une saturation de la SOA a 90V Ce plateau indique que le seuil de d clenchement du Burnout ne d pend plus que des conditions lectriques Il faut noter que pour un LET sup rieur a 72 MeV cm mg et une nergie laser sup rieure a 3 nJ les valeurs de SOA sont identiques et correspondent a la plus faible valeur possible Il est donc possible d affirmer qu un laser haute nergie indiquera la SOA la plus faible sans risquer de commettre une quelconque surestimation Une fois de plus le laser peut avantageusement compl menter un acc l rateur 500 400 300 F op 2 200 gt 0 20 40 60 80 100 120 LET MeV cn mg Figure 2 30 mesures de la SOA en fonction du LET des ions les ranges tant tous sup rieurs l pitaxie N pour le MOS 3 600 500 l 400 l 300 l 200 100 SOA V Energie laser nJ Figure 2 31 mesures de la SOA en fonction de l nergie laser pour le MOS 3 97 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser 2 4 5 Ebauche d une quivalence entre le LET et l nergie laser Comme nous venons de le voir la courbe laser donnant la tension seuil de d clenchement d un Burnout en fonction de l nergie laser permet donc de d terminer la plus faible valeur de la SOA d un VDMOS sans que la question d un
187. pour toute calcul es partir de codes faisant intervenir des lois 136 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique de la physique fondamentale nucl aire Compte tenu de l tendue nerg tique de 1 MeV 1 GeV des diff rents types d interactions nucl aires lastiques ou non lastiques il est difficile pour un seul code de d crire tous les m canismes d interaction Diff rents codes ont donc t utilis s suivant le type de r action et d nergie consid r pour alimenter les bases de donn es nucl aires Parmi ces codes de calcul on peut citer HETC MC RED MC Recoil GEANT4 GNASH ou MCNP Les premieres bases de donn es nucl aires cr es synth tisaient l ensemble des ions secondaires mis et associent a chacun d eux une probabilit d apparition en fonction de leur nergie Les ions secondaires taient alors ind pendants les uns des autres Ces derni res bases de donn es ont t remplac es par les bases de donn es nucl aires dites v nementielles qui respectent la conservation du nombre de nucl ons du silicium Ainsi pour chaque proton ou neutron incident l ensemble des produits de la r action sont mis simultan ment ce qui permet d tre plus repr sentatif de la r alit et de prendre en compte l effet cumul des particules pour le d c
188. pris entre 0 et 0 6 MeV cm mg correspond aux ions l gers c est dire aux particules de num ro atomique Z gal a 1 et 2 proton deut ron triton alpha et h lium Ces derniers peuvent parcourir jusqu 8 cm dans le silicium et donc traverser enti rement de fait les plaquettes des composants de puissance Pour autant elles ne peuvent engendrer de SEB dans les MOSFETs de puissance puisque leurs LETs sont trop faibles Une nergie de neutron incident de 200 MeV permet d observer des particules de LET sup rieur 0 6 MeV cm m g Toutefois elles ne repr sentent que 0 3 des ions mis et leur LET n atteint que 4 MeV cm mg au maximum cf Figure 3 23 Ces particules correspondent aux ions lourds c est dire aux particules dont le num ro atomique Z est sup rieur ou gal 3 Leurs parcours dans le silicium est toutefois relativement limit ce 140 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique d autant plus que leur LET augmente Ces particules peuvent cr er un Burnout pour des tensions lev es d s 400V environ pour nos MOS de 500V N anmoins elles existent en de trop faible proportion pour correspondre aux sections efficaces observ es exp rimentalement En AO het D a ees D o oo go i Ex 63 hlel teh Tare 4 sate eS LET Me cm2ma
189. r s par le ph nom ne d avalanche Le Burnout est effectif La Figure 3 31 reprend ce type de simulations pour une tension de 300V De m me que pour la tension de 500V on observe sur les figures a b c et d la mise l tat passant progressive de la jonction metteur base et donc de l injection d un courant d lectrons dans la r gion de base Le transistor bipolaire parasite est donc bien mis en conduction pour une tension de 300V N anmoins comme le montrent les Figure 3 31 e et ce courant d lectrons n est pas maintenu et retombe z ro et conduit l extinction du transistor bipolaire Le retour l tat initial de la structure de VDMOS s explique par le fait que le champ lectrique 300V ne permet pas une multiplication des porteurs et en particulier des trous suffisante pour maintenir un courant de base suffisant En conclusion la tension de polarisation n a pas ou peu d influence sur la mise en conduction du transistor bipolaire parasite lorsque les traces ionisantes sont d pos es proximit de la jonction N P dans le volume sensible num ro 1 associ la particule 1 L activation du bipolaire ne signifie pas forc ment qu un Burnout est d clench en particulier si la tension de polarisation est trop faible Cependant une polarisation faible pourra tre compens e par la pr sence de la particule 2 Ce dernier cas sera tudi plus en amont dans le texte Pour le code de Power DASIE no
190. r la valeur de l nergie moyenne n cessaire la cr ation d une paire lectron trou la valeur du gap du mat riau consid r G n ralement les ions issus de l environnement spatial sont fortement charg s et ont donc une forte interaction coulombienne avec les lectrons li s du semiconducteur La grande efficacit en termes de g n ration de charges libres d un ion lourd r side dans le fait qu il ne perd qu une quantit infime de son nergie cin tique lors de l interaction avec un lectron li En effet le pourcentage maximal d nergie que peut prendre un lectron un ion lourd est de l ordre de 0 05 dans le cas d une particule alpha He de 0 02 pour un ion se de 0 005 pour un ion gt Fe et moins encore pour des ions plus lourds Le nombre de charges que peut g n rer un ion lourd dans un semiconducteur est donc tr s important 1 3 1 2 Parcours d un ion lourd dans la mati re notion de range Chaque ion a une trajectoire propre r sultant de ses interactions avec le mat riau cible La longueur de cette trajectoire est appel e le range Cette longueur reste dans l absolu inconnue puisque le comportement d un faisceau de particules est gouvern par les lois de la statistique Ces lois permettent toutefois de d finir et calculer un range moyen Il est calcul partir de la perte d nergie de l ion par unit de longueur Ainsi pour un ion incident d nergie E le range r
191. r puisqu elle expose les composants a des nergies sup rieures 50 MeV et des flux d environ 10 particules cm2 s L effet des neutrons au niveau du sol est d montr sur des MOSFETS de 500 600V par C Davidson DAVO04 en 2004 Ces tests r alis s l acc l rateur du TRIUMF o le spectre d nergies des neutrons reproduit est proche de celui au niveau de la mer montrent l apparition de SEB d s 77 de la valeur de la tenue en tension Pour d autres structures 1l faut noter que le SEB induit par des neutrons est observ au niveau du sol par E Normand et al en 1997 NORM97 dans des diodes et thyristors utilis s dans les trains Le m canisme d injection de l metteur n existant pas dans une diode suggere que le m canisme de SEB est domin par la multiplication par avalanche au niveau de la jonction pitaxie substrat et est exacerb dans le MOSFET de puissance par amplification du bipolaire ni to So Cross section em gt FR ni op Figure 1 25 d pendance du SEB avec la temp rature Section efficace en fonction de Vps et de la temp rature pour le MOSFET I R6766 JOHN92 58 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 6 2 Le SEL et le SEB dans les IGBTs Comparativement aux MOSFETs relativement peu de publications existent sur le ph nomene de SEL dans les IGBTs La principale raison e
192. r un Burnout a des tensions de 500V 300V et LOOV La position et le range de la particule simul e correspondent la trace de l tude pr c dente cf Figure 3 28 Le Tableau 3 3 synth tise les r sultats obtenus Le LET de la particule 1 augmente de mani re cons quente lorsque la tension diminue En effet la diminution du champ lectrique n assure plus un taux de multiplication des porteur par impact suffisant afin de maintenir le courant de base du transistor bipolaire qui s teint par cons quent Les niveaux de LET seuil et de charge d pos e deviennent importants et risquent de ne pas trouver d quivalent parmi les ions secondaires issus des bases de donn es nucl aires Vps 500V Vps 300V Vps 100V Tableau 3 3 synth se des r sultats de simulations sur le LET minimum de la particule I entrainant un SEB en fonction de la tension Afin de d terminer si un SEB a t d clench uniquement par la particule 1 dans le code Power DASIE nous avons d fini de mani re empirique une fonction permettant d obtenir la quantit de charge n cessaire un Burnout en fonction de la tension de polarisation La quantit de charge Qseuill_bipolaire repr sente la charge n cessaire pour mettre en conduction le transistor bipolaire parasite constante quelque soit la tension A SOOV cette quantit est suffisante pour engendrer un Burnout puisque le champ lectrique d ja lev permet de multiplier les porteurs en nombre suffi
193. rateur D autre part les dimensions du volume sensible constituent des donn es d entr e importantes pour le code de pr diction DASIE pour les VDMOS Le volume sensible est d fini pour des polarisations donn es L tude va porter sur une tension maximale de 112 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique polarisation du composant et donc pour un d veloppement de la zone de charge d espace maximum Cette condition est choisie car elle correspond au cas le plus favorable au d clenchement d un v nement Des simulations num riques sur une demi cellule l mentaire de type VDMOS pr sent e dans le paragraphe pr c dent ont t r alis es afin de d terminer son volume sensible Des tests exp rimentaux sous laser et acc l rateurs vont tre r alis s afin de conforter les r sultats obtenus par simulation Il faut noter que des premi res tudes de recherche du volume sensible des IGBTs par simulations ont aussi t effectu es 3 2 1 Recherche du volume sensible par simulations Dans ce paragraphe des traces ionisantes simulant un ion lourd en incidence normale par rapport la cellule l mentaire et de profondeurs de p n trations diff rentes ont t simul es sur la structure d finie dans le paragraphe 3 1 2 afin de d terminer le volume sensible Deux
194. rcours pour des ions plomb d nergie initiale 29 MeV A Les faisceaux de particules issus des acc l rateurs poss dent des diam tres de quelques centimetres Les puces et circuits lectroniques tester sont donc irradi s de mani re globale Afin d obtenir une irradiation s lective il est possible de collimater le faisceau pour affiner la zone irradier mais il n en reste pas moins que la position d impact des particules ne peut tre d finie au micrometre pr s Ce probl me de r solution spatiale rend impossible la d termination fine de zones sensibles et de la cartographie associ e de l ensemble de la puce Par exemple l identification des ressources les plus critiques et l analyse de la propagation de l erreur sont impossibles dans le cas de circuits logiques tels que par exemple les FPGA si la position d impact de la particule correspondant l erreur observ e n est pas connue En effet il est n cessaire de localiser la ressource associ e l erreur pour pouvoir mod liser les m canismes physiques impliqu s et concevoir des syst mes de mitigation connaissant les 65 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser ressources responsables d erreurs critiques Pour r soudre ce probl me une solution serait d utiliser un microfaisceau d ions lourds avec les contraintes inh rentes installations rares nergies et ranges faibles choix des parti
195. rds et au laser ainsi que les simulations 2D ont permis de d limiter la profondeur et l paisseur de ce volume qui correspondent celles de la couche pitaxi e Sa surface comme nous l avons vu dans le chapitre 2 correspond la diffusion de source au canal et la r gion intercellulaire L tude par simulations de traces ionisantes de diff rents ranges g n r es au sein du volume de la cellule de VDMOS nous a permis de d finir les conditions exp rimentales les plus favorables a l apparition d un SEB pour des tests ions lourds en acc l rateurs Ces conditions sont toujours pour des VDMOS classiques de type planar une incidence normale et un range traversant toute l paisseur de la couche pitaxi e Ces conditions permettent d obtenir le LET et la tension de polarisation d clenchant un SEB les plus faibles possibles Dans l optique de d velopper une version du code MC DASIE adapt e aux MOS de puissance et d di e a la pr diction de la sensibilit en environnement atmosph rique des simulations compl mentaires ont permis de d gager des crit res de d clenchement du SEB pour les protons et les neutrons En effet les crit res d finis pr c demment ne peuvent plus s appliquer puisqu aucun ion secondaire issu de la r action nucl aire n Si ou p Si ne poss de un range sup rieur ou gal l pitaxie associ un LET cons quent Cette couche pitaxi e peut tre importante dans les composants de puissance elle est
196. re pour d clencher un v nement quelque soit le point de focalisation est sup rieure pour la tension de 200V Ceci est la cons quence de la compensation d une zone de charge d espace plus troite a 200V qu 400V Si on regarde de mani re plus pr cise le niveau d nergie n cessaire pour d clencher un v nement dans la r gion pitaxi e on remarque que les plateaux ne poss dent pas la m me largeur Le plateau pour 200V est plus court que celui correspondant a la tension de 400V Ceci traduit tr s clairement comme nous l avons vu lors des simulations et des tests ions lourds que la zone sensible correspond plus particuli rement la r gion d limit e par l extension de la zone de charge d espace Il nous a sembl int ressant dans l optique de d montrer l int r t du laser dans le cadre de notre tude de tester une structure poss dant une tenue en tension diff rente afin de valider ce type d exp rimentation La Figure 3 12 b est r alis e pour le MOS de type 5 de IkV 123 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique polaris 300V L allure de la courbe est identique celle obtenue pr c demment et montre un plateau qui d croche un peu avant la jonction N amp N L analyse conduit aux m mes conclusions que celles donn es pour le MOS de type
197. riser la sensibilit d un composant aux effets des radiations est d utiliser des sources naturelles radioactives Les deux principales utilis es sont la source californium Cf et la source Co Cette derni re est utilis e pour reproduire les effets de dose d pos e dans les oxydes mais n est pas utilis e pour les tests de SEE car elle met principalement des particules l g res alpha b ta etc La source PCF met quant elle diff rents types de particules alpha b ta rayons gamma et ou neutrons et dans 3 des missions les fragments de la fission du californium sont deux ions lourds La principale limitation de la m thode vient du parcours des ions En effet l nergie des ions mis par la source Californium est tr s faible en regard de l nergie des ions obtenus en acc l rateur et a plus forte raison en environnement spatial Leur parcours dans le silicium est par cons quent faible typiquement de 6 um a 15 um Ainsi les ions mis par la source peuvent ne pas atteindre les zones sensibles si elles sont enterr es dans le silicium ou si les diff rentes couches en surface ont des paisseurs importantes BUC96 1 23 Microfaisceau d ions lourds Les microfaisceaux d ions lourds permettent d adresser une premi re limitation des acc l rateurs classiques puisqu ils fournissent la localisation spatiale du point d impact des particules Cela permet de remonter a l information particuli rement int
198. rticulier L ensemble des r sultats de simulation va donc nous permettre de d gager des crit res de d clenchement du SEB 3 3 1 Traces ionisantes verticales g n r es diff rentes profondeurs au sein de l pitaxie Cette partie tudie le cas d ions g n r s verticalement dans le volume de la demi cellule du VDMOS Les traces ont des longueurs de 10 20 30 40 et 50um et sont g n r es partir de diff rentes profondeurs dans la r gion pitaxi e qui est le lieu d finissant le volume sensible L abscisse de g n ration reste celle d finie dans le paragraphe pr c dant cf partie 3 2 1 c est dire dans la r gion intercellulaire proximit du canal qui est la plus sensible Les simulations sont faites pour deux tensions de polarisation 200V et 500V Pour chaque cas on recherche le LET minimum provoquant un SEB La Figure 3 13 et la Figure 3 17 repr sentent les r sultats obtenus pour des tensions de 200 et 500V respectivement De m me que dans le paragraphe 3 2 1 les traces ionisantes sont g n r es le long de laxe violet repr sent en pointill s Afin de faciliter la comparaison et la lecture des r sultats les traces sont repr sent es de fa on d cal e suivant l axe des abscisses 125 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique L
199. s Ces diff rents points ont donc conduit d velopper des outils compl mentaires permettant de pallier aux diff rentes limitations des acc l rateurs nonc es Le premier outil est bas sur les lasers puls s qui permettent de reproduire les effets des radiations gr ce des interactions photo lectriques La validit de cette m thode a d ores et d j t d montr e pour les syst mes lectroniques de traitement du signal En revanche tr s peu d tudes ont t r alis es pour les composants de puissance La seconde m thode est bas e sur un logiciel de calcul permettant de pr dire la sensibilit aux radiations des composants de puissance partir d informations simples relatives au design des structures De m me que pr c demment un tel code appel MC DASIE Monte Carlo Detailed Analysis of Secondary Ions Effects a d j t d velopp pour les systemes lectroniques de traitement du signal uniquement Ce code n existe pas pour les composants de puissance car il n cessite la connaissance de crit res de d clenchement du m canisme de d faillance qui ne sont a ce jour pas clairement identifi s Dans ce contexte le but de ces travaux est de d finir une nouvelle m thodologie exp rimentale de caract risation de la sensibilit des composants de puissance de type VDMOS bas e sur le test laser par face arri re En outre une premi re version du logiciel de pr diction MC DASIE adapt e aux VDMOS sera d velopp
200. s dent des parcours dans le silicium inf rieurs une dizaine de micrometres Inversement les particules ayant des parcours d au moins 50 um ont des LETs faibles inf rieurs 2 MeV cm mg Pour des nergies incidentes de neutrons plus faibles la population de particules poss dant des LETs importants se rar fie et les particules de LET interm diaires 141 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique disparaissent Les ions secondaires sont d autre part d autant moins nerg tiques que l nergie incidente des protons et des neutrons diminue 100 ag O r GO 50 Range UM LET Me caving Range cum LET hte comma 0 ral 10 O 1 2 3 4 6 6 7 8 amp 8 8 AW 11 12 13 144 15 Z atomique de l ion secondaire m is Figure 3 24 Range et LET des ions secondaires issus des bases de donn es nucl aires en fonction de leur num ro atomique Pour une nergie de neutron incident de 200 MeV Z 14 Ti z T ES LLI Z 1 E z0 J1 mE oO 100 Range pm Figure 3 25 LET des ions secondaires issus des bases de donn es nucl aires en fonction de leur range dans le silicium Pour une nergie de neutron incident de 200 MeV En conclusion aucun ion secondaire ne r unit a la fois des crit res de LET et de range importants
201. s variations de sensibilit en surface que pour des impacts normaux savoir une sensibilit maximale au niveau du canal et de la r gion intercellulaire et une sensibilit faible au niveau du caisson P cf chapitres et 2 L influence de la profondeur de g n ration se v rifie par comparaison des LET seuils de d clenchement obtenus pour les Figure 3 18 et Figure 3 19 La profondeur z de 10um est moins sensible que celle de 20um puisque les trous sont multipli s par avalanche sur une distance plus faible Enfin la comparaison des valeurs de LET seuils entre les simulations verticales et horizontales montre que le cas des ranges de 10um sont quivalents mais que tous les ranges sup rieurs sont moins efficaces g n r s horizontalement que verticalement On observe jusqu un facteur 10 entre la trace traversant toute la longueur de la cellule et celle traversant toute sa largeur En conclusion pour des ranges courts jusqu environ 20um l orientation de la trace d ionisation semble avoir peu d influence sur les valeurs de LETs seuils d clenchant un SEB 133 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique En revanche pour des ranges plus cons quents voire traversant toute l pitaxie l orientation des trace est importante et les traces verticales sont les plus d
202. s ce paragraphe permettra de pr dire la sensibilit aux neutrons et aux protons de VDMOS de puissance classiques de type planar Ce code d velopp par EADS comporte 1556 lignes dont nous pr sentons les grandes lignes de l algorithme de la partie codant le d clenchement d un SEB Les diff rentes tudes pr sent es dans les paragraphes pr c dents nous ont permis de d gager des crit res de d clenchement du SEB portant sur les caract ristiques des particules 1 et 2 associ es ou non pour provoquer un Burnout Ces particules nous le rappelons correspondent aux 1ons secondaires provenant de la r action nucl aire d un proton ou d un neutron avec un atome de silicium du cristal Le crit re de d clenchement retenu pour la particule 1 est un crit re de charges minimum d pos es uniquement Lorsque la particule 1 est associ e la particule 2 cette charge critique permet simplement de mettre en conduction le transistor bipolaire parasite Lorsqu elle est seule cette charge permet de provoquer un SEB et doit donc tre sup rieure Pour la particule 2 compte tenu de la gamme de tensions relativement lev es pour lesquelles des SEB neutrons protons se produisent nous avons d fini un crit re de charges minimum associ un crit re de range minimum L observation des r sultats de simulation nous a permis de fixer le range critique de la particule 2 aux 2 3 de la zone pitaxi e qui correspond la zone de charge d espace pour c
203. s de ces d faillances E Lorfevre et al LOR97 explorent en d tails pour la premi re fois le m canisme de d faillance des IGBTs du aux radiations En 1997 E Lorf vre LOR97 tudie exp rimentalement le ph nom ne de destruction d IGBTs 600V par irradiations au californium 252 grace a un circuit de protection bas sur la limitation du courant par une forte r sistance et une coupure de l alimentation ajustable dans le temps La Figure 1 26 a montre une cellule IGBT d truite par un ion lourd Il tudie ainsi les formes de courants suivant la tension de polarisation Des simulations 2D lui permettent d observer que le m canisme d ionisation par impact n est pas n cessaire au d clenchement de la d faillance dans VIGBT contrairement au MOSFET LOR97 LOR98 Cela indique que la mise en conduction et le verrouillage du thyristor parasite NPNP suffit a d truire l IGBT et qu il s agit donc d un Single Event Latchup N anmoins il observe que l avalanche favorise le d clenchement du Latchup tension Vax fix e le latchup arrive plus t t dans le temps si le mod le d ionisation par impact est activ Ses 59 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar simulations lui permettent d autre part de d terminer les zones en surface les plus sensibles au SEL pour un impact normal la surface Comme dans le MOSFET le canal et la
204. s des IGBTs de type Punch Through pr sentant une paisse couche P cot collecteur ont t choisis pour le test laser Cette m thode pr sente l avantage d tre relativement facile d utilisation et donne un taux de composants d faillants assez faibles 1 pour 10 suivant l habilet de l op rateur Une ouverture en face avant se fait chimiquement et est beaucoup plus fastidieuse suivant la 78 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser composition de l poxy du packaging Elle est d autre part tr s d licate car les divers niveaux de m tallisations ainsi que les bondings se trouvent en face avant Ouverture Figure 2 11 photo d un MOSFET 500V IRF830A ouvert en face arri re Les dimensions de l ouverture sont de 5x3 mm a IGBT NPT b IGBT PT Grille Emetteur Cathode Grille Emetteur Cathode XX 10um r Collecteur ea Anode Anode Suppression partielle du contact face arri re n drift 400um Figure 2 12 sch mas des structures d IGBT NPT et MOS vertical et de l ouverture face arri re 2 4 R sultats exp rimentaux et analyses Ce paragraphe porte sur l analyse des r sultats exp rimentaux effectu s l aide du laser et de l acc l rateur sur les composants de puissance d finis pr c demment L analyse porte sur les cartographies de la sensibilit au SEB d une puce de MOS sur la d terminatio
205. s particules ainsi que les gammes d nergies rencontr es dans l espace sont tr s vari es Lorsque ces particules arrivent vers la Terre elles rencontrent l atmosph re qui agit comme un filtre puisqu elle permet d arr ter la plus grande partie des ces rayonnements L environnement radiatif atmosph rique est ainsi beaucoup moins agressif que l environnement spatial mais 1l n en reste pas moins potentiellement dangereux Plus les particules p n trent dans l atmosph re plus celles ci sont frein es voire stopp es Ainsi au niveau du sol l environnement radiatif naturel est inoffensif pour l tre humain Il reste peu agressif pour les syst mes lectroniques bien que des destructions IGBTs utilis s dans les syst mes ferroviaires aient d j t observ es et imput s aux radiations Au regard du nombre important et en constante augmentation des syst mes lectroniques utilis s et au vu de leurs int grations toujours en progression des normes radiations ont t tr s r cemment mises en place pour le domaine de l automobile afin de garantir la s curit des quipements lectroniques Pour ces m mes raisons et parce que l environnement radiatif spatial est beaucoup plus s v re il est capital de d terminer le degr de sensibilit des syst mes lectroniques embarqu s De nombreuses tudes ont t r alis es depuis une trentaine d ann es sur tous les diff rents types de composants semiconducteurs afin d en comprendre les
206. s rencontrent le champ lectrique et soient s par s par celui ci Cette position est priori la plus sensible puisque tous les trous devront circuler sous la diffusion de source N La position de la trace num ro 3 est identique celle de la trace 1 le param tre qui varie est son range de lum La trace num ro 2 de range 5um est situ e la m me hauteur que la trace mais dans la r gion intercellulaire La trace num ro 4 de range lum est positionn e tout au bas du caisson P sous la trace 3 Enfin la trace num ro 5 de range lum est situ e au bas du caisson P toujours dans le champ lectrique et mi chemin de la longueur de la diffusion de source L analyse des r sultats de simulation montre que pour les traces num rot es de 1 4 et situ es a droite de la source la quantit de charges d pos e au LET seuil est relativement constante et vaut 0 6 pC Ainsi une trace 5 fois plus courte n cessite un LET 5 fois plus important Cela indique que la sensibilit est relativement homog ne dans cette zone La particule num rot e 5 g n r e sous la source au milieu du caisson P n cessite un LET et une charge de 1 7 fois sup rieurs pour engendrer un Burnout Ce r sultat n est pas surprenant puisque g n r es cet endroit les charges circulant sous la source ne peuvent induire une chute de potentiel que sur la moiti de la longueur de la jonction N P Au regard du niveau de LET cette trace reste n anmoins relativement
207. s simulations ont t r alis es pour une tension de polarisation de 500 V c est dire pour une extension de la zone de charge d environ 50 um qui correspond la quasi totalit de la profondeur de la zone pitaxi e Ainsi quelque soit les ranges des charges sont syst matiquement d pos es dans la zone de charge d espace Un range important permet de g n rer des porteurs par avalanche dans la zone de charge d espace et n cessite donc un faible LET A contrario un faible range n cessite un LET important puisque le parcours des charges d pos es dans la zone de charge d espace tant plus faible il existe moins de g n ration par le ph nom ne d avalanche Le pire cas de d clenchement d un SEB n est donc pas celui d une trace courte venant simplement mettre en conduction le transistor bipolaire parasite mais celui d une trace longue traversant une grande partie de la zone de charge d espace Il existe une saturation du LET sur la Figure 3 4 partir d un range de 40 um Pour une polarisation de 500V cette profondeur correspond a la zone sensible et il n est donc pas n cessaire que la trace ionisante traverse enti rement la zone pitaxi e 114 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Position en x de g n ration de toutes les traces 0 um 10 Q 0 5 20
208. s suivant est examin Cas o la particule 2 uniquement d clenche un SEB S1 Qcollect e 2 2 Qseuil 2 Si range2 gt 2 3 ZCE Un SEB est comptabilis Sinon le cas suivant est examin Cas ou les particules 1 et 2 associ es d clenchent un SEB S1 Qcollect e 1 Z Qseuil 1_bipolaire Si Qcollect e jy Qseuil 2 10 Si range2 gt 2 3 ZCE Un SEB est comptabilis Sinon une autre r action nucl aire est g n r e dans la cellule Une fois le nombre de r actions choisi atteint la section efficace en fonction de la tension de polarisation est calcul e pour la surface d une cellule La connaissance du nombre de cellules permet de ramener cette section a la surface active du composant La Figure 3 34 et la Figure 3 35 montrent les r sultats de sections efficaces obtenues exp rimentalement et par Power DASIE Les points sont en accord ce qui valide de fait nos crit res d velopp s dans cette these pour le d clenchement du SEB des transistors de puissance de tenue en tension 500V Le code de Power DASIE a t appliqu sur une structure commerciale de 160 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique MOS 200V le code a montr qu aucun v nement n avait lieu pour des protons d nergie incidente de 62 MeV quelque soit la tension ce qui corrobore tout fait avec le
209. s termes il existe un travail r aliser avant de pouvoir utiliser le laser pour caract riser de mani re quantitative l impact d un ion donn Diff rents auteurs se sont pench s sur ce probl me complexe notamment POU00 DARO3 MILO6 Ce probleme ne sera pas le c ur de notre tude et nous proposerons simplement une d marche permettant de corr ler l nergie laser au LET des ions pour les MOSFETS de puissance test s Peu d tudes laser ayant t r alis es par le pass sur des composants de puissance nous allons donc montrer que malgr la diff rence des m canismes de g n rations des charges le laser peut tout fait simuler les effets lectriques dus l impact d ions lourds dans les MOSFETs de puissance Les r sultats obtenus l aide de ces deux moyens de tests seront compar s Ces r sultats portent sur la d termination des sections efficaces de l aire de s curit et de cartographies laser de sensibilit Les paragraphes suivant commencent donc par pr senter les installations exp rimentales puis d finissent ces notions avant d aborder les r sultats proprement dit 2 3 Pr sentation de l installation exp rimentale Dans ce paragraphe le banc laser utilis le circuit de test de SEB ainsi que les composants test s sont pr sent s Le laser a t d velopp par EADS IW et est utilis dans les locaux de Suresnes Le circuit de test permet de polariser les composants de puissance et d
210. s tests exp rimentaux que nous avons r alis s Des travaux futurs devront n anmoins tre faits afin de v rifier les crit res sur des MOSFETS de tenue en tension diff rente Le code Power DASIE permet donc de d terminer la sensibilit aux neutrons et aux protons de composants VDMOS Il a t cr dans l optique de s appliquer n importe quel MOS de puissance commercial classique de type planar des travaux devront toutefois tre r alis s afin de valider les crit res de d clenchement sur d autres tenue en tension Le code n cessite pour fonctionner diff rentes donn es d entr e qui sont les bases de donn es nucl aires le nombre de cellules du MOS consid r la g om trie de ses cellules taille de l pitaxie et du caisson P qui peuvent tre d termin s par le laser et des courbes ions lourds donnant la SOA en fonction du LET 1 E 05 1 E 06 5 1 E 07 O XS exp 63MeV 2 1 08 XS DASIE 63MeV _e XS exp 30MeV 5 1 E 09 A XS DASIE 30MeV op 1 E 10 1 611 0 100 200 300 400 500 Tension Vps V Figure 3 34 sections efficaces neutrons obtenues exp rimentalement et par Power DASIE pour le MOS 3 161 Chapitre 3 162 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique cm Section efficac 1 E 06
211. sant pour aboutir l emballement des courants La quantit de charge Qui sep est alors gal Qseuil1 bipolaire 151 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Cette partie fait l objet d une classification Confidentiel EADS 152 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique 3 4 4 2 Acc l ration du ph nom ne d avalanche tude de la particule 2 Le volume sensible associ la particule num ro 2 correspond au volume sensible d fini par les simulations et les tests ions lourds pr sent s dans le paragraphe 3 2 Nous rappelons qu il correspond en surface la diffusion de source au canal et la r gion intercellulaire et s tend en profondeur jusqu la jonction N N Lorsque le d clenchement d un SEB incombe la particule 2 seule ce qui est typiquement le cas dans des tests ions lourds cette derni re doit poss der un range de l ordre de l paisseur de l pitaxie Dans le cas toutefois de polarisations relativement proches de la tension de claquage il suffit que cette particule ne traverse que les 2 3 de la r gion pitaxi e qui correspond l extension de la zone de charge d espace pour
212. sations r sultantes les lasers aussi bien que les acc l rateurs cr ent des paires lectron trou dans le volume du semiconducteur et permettent d engendrer des d faillances dans les composants telles que celles g n r es par l environnement radiatif naturel Ces d faillances peuvent tre le r sultat de l interaction d une seule particule ou celui de particules cumul es Ceux sont respectivement les Single Event Effects SEEs et les effets de dose que nous avons pr sent s Parmi ces effets le Single Event Burnout SEB et le Single Event Latchup SEL nous pr occupent particuli rement puisqu ils se produisent dans les transistors VDMOS et IGBTS tudi s dans ces travaux De nombreux travaux ont permis d appr hender le sujet par le biais d exp rimentations de simulations et de mod lisations Pour autant ces ph nom nes ne sont pas encore enti rement compris et de nombreux travaux d investigations restent faire Dans cette optique le laser se pose comme un outil tr s utile et compl mentaire l acc l rateur de particules Ce dernier poss de en effet certaines limitations que nous d taillerons dans le chapitre 2 et qui ont conduit l mergence des lasers pour les tests de SEEs La validit de cet outil a d ores et d j t montr e sur des composants logiques et analogiques Nous nous attacherons dans le chapitre 2 montrer sa pertinence sur les composants de puissance de type MOSFETs et IGBTs 61 62 Chapi
213. si me mode se produit pendant la phase de blocage du composant o une particule ionisante d pose des paires lectron trou dans la zone de charge d espace c est le Single Event Latchup SEL d fini dans le paragraphe 1 4 1 Le d clenchement de ce thyristor parasite doit donc tre d sensibilis au m me titre que celui du transistor bipolaire parasite dans le MOSFET car il entra ne la perte du contr le de l IGBT et bien souvent sa destruction Grill Cathode ak Cathode pe Il pitaxie Anode Figure 1 22 cellule d IGBT type NPT PA 52 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Quelque soit la cause entra nant le d passement de la valeur critique de courant Iak le m canisme de latchup qui en r sulte est le m me Les trous se d placent normalement de l anode vers la m tallisation de cathode suivant deux parcours cf Figure 1 22 Le premier I est direct et correspond au d placement majoritaire des porteurs et n a aucune incidence sur le d clenchement du Latchup Le second correspond l itin raire IT de la Figure 1 22 et est emprunt par une faible partie du courant de trous Ce courant passe donc lat ralement sous la source N dans le caisson P provoquant une chute de tension qui peut d passer la tension de mise en conduction de la jonction NP Figure 1 22 Le transistor NPN devient alors passant et alimente
214. sisi i G f 3 i in oF i Universit deTouloue THESE En vue de l obtention du DOCTORAT DE L UNIVERSIT DE TOULOUSE D livr par l Universit Toulouse III Paul Sabatier Discipline ou sp cialit Conception de Circuits en Micro lectronique et Microsyst mes Pr sent e et soutenue par Aurore LUU Le 12 Novembre 2009 Titre M thodologie de pr diction des effets destructifs dus l environnement radiatif naturel sur les MOSFETS et IGBTS de puissance JURY M Thierry Parra Universit Toulouse III Pr sident M Pascal Fouillat IMS Bordeaux Rapporteur M Christian Schaeffer INP Grenoble Rapporteur M Florent Miller EADS IW France Examinateur M Christian Poivey ESA ESTEC Examinateur Mme Marise Bafleur Universit Toulouse III Invit M Thierry Carri re Astrium Space Transportation Invit M Patrick Heins Airbus France Invit Ecole doctorale GEET Unit de recherche LAAS CNRS Directeur s de Th se M Patrick Austin Rapporteurs M Pascal Fouillat M Christian Schaeffer Remerciements Le travail pr sent dans ce m moire a t effectu au sein du centre de recherche EADS Innovation Works IW du groupe EADS Suresnes ainsi qu au sein du groupe Int gration de Syst mes pour la Gestion de l Energie ISGE du Laboratoire d Analyse et qd Architecture des Syst mes LAAS Toulouse Je remercie Monsieur Yann Barbaux Directeur d EADS IW ainsi que Monsieur Ra
215. sph rique Tension Particule 2 Particule 1 LET 0 001 LET 0 003 500 V Range 50 Range 17 Charge 0 05 Charge 0 051 LET 0 008 LET 0 012 LET 0 011 sa s 300 V Range 50 Range 30 Range 27 Ta a um Charge 0 4 Charge 0 36 Charge 0 30 Charge 0 5 C LET 0 1 LET 0 6 100 V Range 50 Range 27 Charge 5 Charge 16 2 Tableau 3 5 r sultats des simulations sch matis es Figure 3 33 Le LET est en pC um le range en um et la charge d pos e en pC Ces tudes nous ont donc permis d observer l influence de la particule 1 et de la tension de polarisation sur le LET et le range de la particule 2 n cessaires pour d clencher un SEB Pour la gamme des tensions lev es c est dire d environ 300V la tension maximum de 500V le LET de la particule 2 n cessaire pour entrainer un Burnout est de 12 a 100 fois plus petit que celui de la particule 1 D autre part son range ne doit plus n cessairement traverser toute la zone pitaxi e mais peut se limiter au 2 3 de celle ci sans que la quantit de charges d pos es au LET seuil ne varie ou que le LET n atteigne des valeurs prohibitives Pour des tensions plus faibles le LET de la particule 2 devient de l ordre de grandeur de celui de la particule 1 et toute diminution de son range entraine une forte augmentation de son LET et de la charge d pos e associ e Cette seconde particule qui poss de un LET comparable a celui de la particule 1 associ un ra
216. ssaire de bien planifier ce type de manipulations Par ailleurs en raison des contraintes li es aux dimensions de la chambre vide lorsqu il y en a une et du fait que l environnement du faisceau repr sente un danger potentiel pour l utilisateur et peut perturber les appareils de mesure et de commande ces derniers peuvent tre loign s de plusieurs metres de la carte o se trouvent les composants sous test Ainsi la longueur de c ble n cessaire peut engendrer des probl mes de bruit et d int grit du signal notamment de diaphonie et de r flexion limitant la fr quence de test au dessous du GHz Les conditions de test sous vide peuvent d autre part tre probl matiques au regard de l chauffement des composants dans des conditions de test en dynamique Il faut alors mettre en uvre des syst mes de refroidissement plus ou moins contraignants qui s adaptent la chambre sous vide et qui ne masquent pas le composant du faisceau En d autres termes la souplesse d utilisation n est pas des plus adapt e pour des tests param triques couramment r alis s dans des laboratoires classiques et qui sont bien souvent n cessaires pour caract riser de mani re complete un composant vis a vis des radiations Le boitier du composant sous test repr sente un obstacle pour la majeure partie des ions disponibles en acc l rateur Il est donc g n ralement ouvert par des moyens chimiques afin de mettre la puce a jour Cette ouver
217. st que ces composants ne sont pas encore utilis s dans le domaine spatial les tensions utilis es n allant gu re au del de 500V pour des applications fonctionnant au maximum a 300V mais uniquement dans les systemes avioniques o l environnement atmosph rique est beaucoup moins s v re neutrons majoritairement d faut d une proc dure de test norm e comme dans le cas des VDMOS et d outils de pr diction d erreurs les constructeurs utilisent des r gles de s curit importantes derating pour se pr munir contre une ventuelle d faillance D autre part les tudes concernent majoritairement l influence des ions lourds et l influence des particules l g res n a que tr s peu t abord e pour l instant Tout un domaine de recherche reste donc en friche Bien que plusieurs travaux aient montr que les ph nom nes de Latchup et second claquage pouvaient tre provoqu s par une radiation ionisante de type flash ou ion lourd en particulier en laboratoire ROUB93B DELA95 DACH95 SUDR95 relativement peu de publications existent sur le sujet de d faillances d IGBTs de puissance provoqu es par radiations en environnement r el d utilisation Les premieres observations de destructions d IGBTS ont t faites par Rockwell et Boeing en 1992 et 1993 et publi es en 1994 NICH94 Il est noter que cette publication ne donne pas d explications quant aux causes et m canismes de d clenchement responsable
218. stophe Salam ro qui s est occup de moi avec enthousiasme quand j ai d barqu e G rard Sarrabayrouse Pierre Aloisi Abdelhakim Bourennane Je garde un excellent souvenir de mes passages au LAAS Je tiens aussi saluer et remercier mes coll gues de th se dont bon nombre a d ailleurs fini Rodolphe de Maglie qui m a fait mon arriv e un cours lumineux sur les IGBTs Nicolas Lacrampe et Jean Baptiste Sauveplane qui m ont accueillie tous les 2 dans leur bureau et m ont fait profiter du caf amp carr de chocolat Christian Caramel Loic Th olier Yann Weber Julie Legal Florence Capy Mathieu Boutillier Simon Rocheman Mathias Marinoni Enfin je remercie du fond du c ur mes coll gues de Suresnes qui ont fait passer ces 3 ans de these si vite C cile Weulersse si gentille et toujours pr te m aider Alexandre Douin qui est arriv tel un vent de fra cheur dans l quipe et avec qui il a t extr mement enrichissant de travailler Alexandre Bocquillon Bruno Vece l homme qui a rencontr le loup t te de renard ET corps de renard heuu ben c tait un renard non haaa tu nous as bien fait rire S bastien Morand qui m a fait d couvrir l excellent jeu du time s up et a qui je souhaite le meilleur pour la suite de sa th se Antonin Bougerol Nicolas Guibbaud Florent Miller Guillaume Hubert qui est parti vers d autres horizons mais dont j ai eu le plaisir de partag
219. sur plusieurs ann es la probabilit d occurrence d un v nement potentiellement destructif est non n gligeable 1000 Abondance Relative 0 1 0 5 10 15 20 25 30 Num ro Atomique Z Figure 1 2 Abondance relative des ions cosmiques 1 1 1 5 Les ceintures de radiations Les particules charg es qui entrent en contact avec le champ magn tique terrestre peuvent tre pi g es de fa on plus ou moins stable dans un environnement proche de la Terre appel ceintures de radiations D couvertes en 1958 par J A Van Allen mission Explorer I ces ceintures sont constitu es de protons d lectrons et de quelques ions lourds Leur nergie se situe entre une dizaine de keV et quelques centaines de MeV Elles sont soumises la force de Lorentz et ont des trajectoires h lico dales suivant les lignes de champ magn tique terrestre donnant ainsi aux ceintures un aspect de tores ou pneus sym triques par rapport l axe du dip le magn tique Figure 1 3 fi Proton e Electron Drift Drift gh Trapped Particle Trajectory Magnetic Field Line j N Ceintures de radiations Figure 1 3 gauche mouvement d une particule charg e prise au pi ge dans le champ magn tique de la terre droite aspect des ceintures de radiations 21 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Les ceintur
220. t TAS92 observe que le LET n est pas le parametre le plus ad quat pour d finir correctement la sensibilit d une structure MOS au Burnout et met l hypoth se qu il faut lui associer l nergie et le parcours des particules ou tout au moins l un des deux T Fischer FIS87 arrive la m me conclusion puisqu il observe que pour une m me valeur de LET les particules ayant les ranges les plus grands d clenchent des SEB a des polarisations plus faibles Des tests r alis s en mode statique et pour une polarisation donn e sur des IRF150 MOS 100V par E Stassinopouloss STAS92 montrent que le volume sensible correspond a la zone pitaxi e et que la trace d ionisation doit la traverser En tudiant la variation du LET dans ce volume sensible il postule que la distribution de charges le long de la trace 1onisante ainsi que la quantit de charges collect e dans la r gion pitaxi e sont les param tres critiques pour le d clenchement du Burnout Pour sa part S Kuboyama KUB92 d finit une charge collect e critique de d clenchement d un Burnout qu il mesure avec un syst me d analyseur de hauteur de pulses coupl avec un amplificateur sensible Cette technique lui permet d estimer la charge seuil de d clenchement du SEB qui se trouve tre constante quelque soit la valeur du LET et quelque soit la tension de polarisation du MOSFET Il d montre donc que cette charge critique ne d pend que de la conception du MOSF
221. t d Energie Lin ique Pour les ions lourds et les protons les notions de pouvoir d arr t et de transfert d nergie lin ique sont couramment utilis es pour caract riser leur comportement d ionisation directe dans un mat riau donn Cependant ces notions sont tr s peu utilis es pour les protons en raison de leur faible valeur et on pr f rera utiliser la notion d nergie incidente Pour les neutrons ces notions ne sont absolument pas utilis es car ces derniers 1onisent la mati re de mani re indirecte par r actions nucl aires Les particules charg es ionisent les atomes et les mol cules de la mati re travers e en perdant peu peu leur nergie cin tique Le pouvoir d arr t mesur en MeV cm est la perte moyenne d nergie de la particule par distance parcourue Eq 1 1 Le pouvoir d arr t est calcul en supposant que les interactions entre la particule les lectrons et les noyaux atomiques sont de type coulombiennes Il d pend du type de la particule de son nergie cin tique et de la mati re travers e Mais la valeur et les unit s sont les m mes et cette valeur est positive Pouvoir d arr t S E MeV cm Eq 1 3 x 36 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Il existe en r alit deux types de pouvoir d arr t qui interviennent de mani re simultan e le pouvoir d arr t lectronique et le pouvoir d
222. t d accroitre la quantit de charges 82 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser d pos es sans changer l nergie de l ion utilis Cette astuce n est toutefois plus valable dans le cas de transistors de puissance puisqu ils ont des volumes sensibles plus profonds que larges Diff rents tests sous acc l rateurs ont par ailleurs confirm ce r sultat cf chapitre I partie VI 1 Particule incidente IN Figure 2 16 effet de l inclinaison sur la charge d pos e et le LET le LET effectif Lg LET cos Eq 2 2 QO L yg d Volume sensible 2 4 1 3 Aire de s curit SOA L aire de s curit ou SOA pour Safe Operating Area d signe la zone de fonctionnement lectrique autoris dans le plan courant tension de sortie d un composant semiconducteur Elle est d finie a partir de la puissance maximale que peut supporter la structure Pour le domaine des radiations la notion de SOA inclue d autres param tres Pour les composants de puissance type MOSFET et IGBT elle est d finie uniquement a l tat bloqu et pour des tensions o aucun v nement destructif de type SEB ou SEL ne peut tre d clench Par exemple sur la courbe de section efficace Figure 2 15 la SOA correspond a la plage de tensions comprises entre OV et Vps seuil Pour nos travaux nous avons d fini la SOA pour une tension de grille de OV Une polarisation
223. t d autre part beaucoup plus souples tant au niveau des contraintes de s curit que des contraintes exp rimentales il est par exemple beaucoup plus facile de faire varier l nergie du laser qu il ne l est de changer de LET ou d ion en acc l rateur Afin de valider la m thode de test SEB par laser les r sultats de tests obtenus l aide du laser et d acc l rateurs d ions lourds ont t compar s Les valeurs de SOA et de sections efficaces se sont r v l es en tr s bon accord D autre part les r sultats de cartographies de sensibilit au SEB obtenu avec le laser ont t pr sent s Ces r sultats permettent d acc der la topologie du composant et en r v le les zones sensibles Un autre avantage consid rable du laser est de pouvoir tester la sensibilit au SEB sans tre g n par les effets de SEGR observ s simultan ment lors de tests en acc l rateurs puisque le laser ne d grade pas l oxyde de grille de mani re directe ou indirecte Une premi re bauche d quivalence entre le LET des 1ons et l nergie du laser a t 166 Conclusion g n rale et perspectives esquiss e pour les VDMOS Cette premi re approche montre qu une telle quivalence n est pas impossible et les bases en ont t donn es Des tests compl mentaires restent n anmoins r aliser afin de consolider l quivalence Enfin des premiers r sultats de SOA laser sur les IGBTs ont t pr sent s Le troisi me chapitre a t c
224. t du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique polarisation de 100V en revanche cette m me r duction du range entraine une augmentation du LET seuil d un facteur 6 et la quantit de charges d pos es est multipli par 3 Pour ce faible niveau de tension il existe clairement une influence du range sur les valeurs des LET seuils et des charges associ es qui n est plus n gligeable En conclusion pour des tensions lev es de 500V environ 300V l association des particules 1 et 2 permet de diminuer le range n cessaire de la particule 2 sans que cela n ait d impact sur la quantit de charges d pos es au LET seuil Les valeurs de LET varient dans les m mes proportions que les ranges Pour des polarisations plus faibles une diminution du range de la particule 2 entraine une forte augmentation de la charge d pos e et du LET associ r 3 n 3 Tog Tg a Vps 500V range 2 50 et 17 um b Vps 300V range 2 50 30 et 27 um c Vps 100V range 2 27 um Figure 3 33 sch ma des positions et des ranges des particules I et 2 simul es simultan ment L extension de la ZCE est repr sent e par la bande grise 156 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmo
225. t mis en lumi re un deuxi me ph nom ne qui lui est cumulatif L effet de plusieurs particules successives peut entra ner une augmentation progressive du courant de fuite de grille PEYO8 Le transistor reste commandable malgr la fuite importante 1 4 2 Effets de dose Les particules de l environnement radiatif en particulier les photons y X les protons et les lectrons sont susceptibles de d poser des charges dans les parties isolantes des composants lectroniques Ces charges s accumulent dans le temps dans les oxydes contrairement aux charges g n r es dans les parties m talliques et semi conductrices qui sont soumises aux lois de la conduction lectronique L accumulation de charges est d finie par la dose qui est l nergie d pos e dans un mat riau donn par unit de masse Les unit s utilis es sont le rad 1 rad 10 J kg ou le gray 1 Gy 1 J kg Les effets provoqu s par la dose sur les composants lectroniques sont nombreux et prennent diff rents aspects L un des principaux probl mes rencontr s concerne la d rive des param tres lectriques comme par exemple la d rive de la tension de seuil des transistors MOS M tal Oxyde Semi conducteur Une d rive importante de ces param tres peut rendre un composant totalement inutilisable SAIG98 1 5 Les composants MOSFET et IGBT Les applications dans le domaine spatial travaillent aux alentours de 200V et aux alentours de 600V pour les
226. tales g n r es au sein de l pitaxie L tude pr c dente a permis de d finir les conditions exp rimentales permettant d obtenir le LET et la tension de d clenchement d un SEB les plus faibles possibles pour des traces verticales Il s agissait d une particule poss dant un range au moins gal l paisseur de la couche pitaxi e et traversant celle ci en incidence normale Dans le cas des r actions nucl aires n Si et p Si les ions de recul peuvent tre mis dans toutes les directions Afin d valuer dans quelle mesure la sensibilit au Burnout diminue lorsque l ion s carte d un parcours vertical nous avons simul des traces ionisantes horizontales de diff rentes longueurs g n r es au sein du volume sensible de la demi cellule Les simulations ont t r alis es pour une tension de 200V qui contrairement a une tension maximum de 500V permet d observer une plus grande variation de sensibilit entre les diff rentes positions Les r sultats sont repr sent s sur la Figure 3 18 et sur la Figure 3 19 pour des profondeurs de g n ration de 20um et 10um respectivement De m me que pour l tude pr c dente le LET seuil n cessaire pour entrainer un Burnout diminue avec l augmentation du range des ions Toutefois les variations ne sont marqu es que pour le range de 10um par rapport aux autres cf figures a et sont faibles pour les parcours sup rieurs figures b c et d On retrouve d autre part les m me
227. teurs de particules les sources naturelles radioactives et les lasers impulsionnels Afin de comprendre l origine des effets des radiations sur les syst mes lectroniques et de justifier l emploi du laser puls comme outil de simulation de ces effets nous avons d taill les interactions d un ion sur le silicium et d un faisceau de photons sur le silicium montrant dans les deux cas la cr ation d un filament de paires lectron trou Nous avons ensuite pr sent les diff rents types de d faillances r sultants celles li es l effet d une seule particule et qui sont de type Single Event Effect SEE et celles provenant d un effet cumulatif et qui r sultent en un effet de dose touchant les oxydes des composants Enfin nous avons pr sent les composants faisant l objet de cette tude savoir les MOSFETs de puissance et dans une moindre mesure les IGBTs Apr s 165 Conclusion g n rale et perspectives avoir rappel bri vement leur fonctionnement nous avons d taill leurs structures parasites et leur m canisme de d faillance sous radiations qui sont respectivement le Single Event Burnout SEB et le Single Event Latchup SEL L tat de l art sur les tudes de ces d faillances dans ces composants a t donn Il a montr que si un certain nombre d tudes avait t r alis au sujet du SEB dans les MOSFETs le ph nom ne n tait pas enti rement compris En particulier les choix pertinents du LET range et
228. tif PEY08 pouvait aussi tre d clench par des ions ne traversant qu une partie de l pitaxie sans atteindre l oxyde mais induisant de forts courants de Burnout Or malgr des centaines de SEB d clench s par laser sur un m me composant aucune d gradation des caract ristiques de grille n a t observ e 101 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Une explication peut r sider dans la diff rence entre les profils de d p t de charges d un ion et du laser Quoiqu il en soit cela reste un avantage consid rable du laser sur l acc l rateur que de permettre le test SEB en s affranchissant du probl me de SEGR ou SEGR progressif Courant de Grille A 0 0 1x104 2x10 3x104 4x10 5x10 Fluence part cm Figure 2 33 volution du courant de grille en fonction de la fluence recue par le MOS I polaris a 100V 2 4 7 D termination de SOA par laser pour les IGBTs La grande difficult pour caract riser la sensibilit des IGBTs au SEB et SEL a r sid dans le caract re destructif des tests la protection en courant utilis e pour les MOSFETs tant inefficace cf partie 2 3 2 102 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Cette partie fait l objet d une classification Confidentiel EADS 103 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination d
229. tion pire cas au vu du SEB et d clenchent au plus faible niveau de tension possible d s 100V 121 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Sur la Figure 3 11 b les trois ions repr sent s sur le graphe traversent toute l pitaxie et s arr tent plus ou moins loin dans le substrat fortement dop N Ces ions d clenchent tous un SEB d s 100V quelque soit leur parcours dans le substrat Ce r sultat vient appuyer l hypoth se selon laquelle la zone pitaxi e dans laquelle se trouve la zone de charge d espace correspond au volume sensible puisque d poser des charges au del n abaisse pas la tension seuil de d clenchement Des simulations ont t faites pour des ions arrivant par la face avant et s arr tant a diff rentes profondeurs dans l pitaxie Leur LET est fix une valeur lev e et la tension minimum provoquant un Burnout est recherch e Les simulations montrent que la SOA est d autant plus surestim e que le parcours des 1ons est faible dans la zone de charge d espace En conclusion de ce paragraphe les r sultats de tests en ions lourds confortent les simulations pr sent es dans le paragraphe pr c dent Le positionnement du volume sensible est situ dans la r gion pitaxi e du VDMOS et de mani re plus pr cise la zone de charge d
230. tmosph rique Les lectrons et les trous circulant en sens oppos et le coefficient d ionisation des trous tant plus faible que celui des lectrons le parcours des trous dans la zone de charge d espace doit tre l g rement sup rieur celui des lectrons Ainsi la profondeur optimum du d p t des charges se situe un peu plus bas que le milieu de la zone de charge d espace cf Figure 3 8 De ces premiers constats on pourrait tre amen penser qu un d p t de charges ponctuel au niveau du centre de la zone de charge d espace constitue le cas le plus efficace entrainant un Burnout Cependant il n en est rien au regard des r sultats des simulations En effet le range des traces a une influence sur le ph nom ne de Burnout puisque la quantit de charges d pos es au LET seuil diminuent avec l augmentation du range En effet il n est pas quivalent de d poser la m me quantit de charges sur 10um ou 30um le cas le plus favorable pour un range de I0um n cessite une charge beaucoup plus lev e que le cas optimum pour un range de 30um savoir 6 pC contre 2 pC respectivement Figure 3 13 a et c C est aussi ce que l on voit sur les valeurs de LET En effet dans le cas du positionnement optimum des traces s il n existe qu un rapport de 3 entre le range de 10um et de 30um il faut par contre un rapport de 9 sur les LETs LET j0um LET30um 9 pour d clencher un SEB Il appara t donc plus efficace de d poser sur 30um
231. ton silicium est difficile a pr voir car elle varie beaucoup en fonction de nergie du proton En ce qui concerne les neutrons l ionisation coulombienne n a plus cours puisque cette particule poss de par d finition une charge nulle Comme pour les protons ils peuvent cependant produire des ions lourds par r action nucl aire pouvant g n rer des charges libres de fa on cons quente Fleu95 Les diff rentes r actions nucl aires provoqu es par des neutrons ou des protons se divisent en deux cat gories et sont repr sent es sch matiquement sur la Figure 1 12 2 2 e 28 28 7 e Les r actions lastiques n ou p Si n ou p Si Suite au choc du neutron ou du proton sur le noyau de silicium l nergie cin tique et la nature des particules en interaction sont conserv es f E J D8 as e Les r actions in lastiques et non lastiques n ou p Si A B C L nergie cin tique n est pas conserv e car une partie de l nergie incidente est utilis e pour modifier la nature du noyau cible ou son nergie d excitation 35 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar Collision lastique 28 Collision non lastique __ ee aan Collision in lastique Figure 1 12 repr sentation sch matique des deux cat gories d interactions nucl aires 1 3 3 Notion de Pouvoir d Arr t et de Transfer
232. tre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Les composants lectroniques des syst mes voluant en milieu spatial ou atmosph rique sont soumis aux divers rayonnements naturels de ces environnements Ainsi afin de garantir au mieux le succ s de la mission la tenue aux radiations de ces composants doit imp rativement tre valu e Pour ce faire l outil exp rimental classique et faisant r f rence est l acc l rateur de particules Malgr l utilit ind niable de cet outil l acc l rateur comme n importe quel outil pr sente certaines limitations qui font obstacle l tude de certains types de tests SEEs et a la compr hension de certains de ces m canismes d erreurs Ces derni res ann es ont ainsi vu l mergence des lasers puls s comme outils compl mentaires aux acc l rateurs La validit de ces derniers a d ores et d j t d montr e sur des composants logiques et analogiques Peu d tudes ont en revanche t effectu es sur les composants de puissance type MOSFETs et IGBTs Ce chapitre aura donc pour objet de montrer la validit d une m thode de test de SEB sur ces composants par laser Le chapitre commence donc par pr senter les limitations des acc l rateurs de particules pour certaines tudes SEEs et l int r t des lasers puls s Apr s une
233. tre la plus efficace possible Cela est d la pr sence d un champ lectrique d j fort qui g n re un taux important de porteurs par avalanche Ainsi si la tension de polarisation est suffisamment importante un SEB peut tre d clench uniquement par cette particule 2 Nous avons tudi dans les paragraphes pr c dents la mise en conduction du transistor bipolaire parasite par la particule num ro 1 de faible range et situ e en surface proximit de la jonction N P La particule num ro 2 mise simultan ment a donc pour tache de faciliter et d acc l rer l apparition du ph nom ne Kirk qui conduira au taux de multiplication des trous le plus important Des simulations ont t r alis es afin d valuer l influence de la pr sence de la particule 1 et de la tension sur l abaissement des valeurs du LET et du range de la particule 2 pour entrainer un Burnout Influence de la particule I et de la tension sur le LET de la particule 2 Des simulations ont t effectu es pour les 2 particules mises simultan ment dans la demi cellule de VDMOS La position et le range des traces sont repr sent es sur la Figure 3 32 Les caract ristiques et la position de la particule 1 sont invariables et sont celles not es sur la figure Le range et la position de la particule 2 restent de m me identiques elle est verticale et traverse toute la r gion pitaxi e Nous avons recherch le LET minimum de la particule num ro 2 entrai
234. ts du substrat face arri re permettent de fixer des parcours atteignant la zone pitaxi e Le Tableau 3 2 r capitule les caract ristiques des 1ons disponibles et utilis s 118 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique LET Range in Si Energie MeV cm mg um GeV Cu La ui Tableau 3 2 LETs ranges et nergies des ions plomb utilis s au GANIL Diff rentes configurations de tests ont t mises en place afin de varier plus encore l influence de la p n tration des ions dans le but de d duire le volume sensible Ces configurations sont sch matis es sur la Figure 3 9 Dans le cas a l ouverture est faite chimiquement du cot de la face avant c est le cas des irradiations classiques Dans les cas b et c l ouverture est faite en face arri re avec un amincissement partiel du substrat de silicium de 200 300 um permettant des irradiations par la face arri re atteignant la zone pitaxi e N wn 007 un OI wn OOP a b c Figure 3 9 sch mas des diff rentes ouvertures pour les tests ions lourds a ouverture face avant pour les ions lourds b ouverture face arri re avec amincissement de 200um c ouverture face arri re avec amincissement de 300um La Figure 3 10 synth tise les conditions de manipulation Les pointi
235. tteur a pour fonction d injecter dans la r gion faiblement dop e N des porteurs minoritaires trous afin d assurer a l tat passant la modulation de conductivit qui fait d faut aux composants unipolaires de type MOS Il est ainsi possible d augmenter la capacit de la tenue en tension sans que la chute de tension l tat passant ne devienne prohibitive La contre partie est que ces composants ont des temps de commutation plus importants de l ordre de plusieurs centaines de nanosecondes La technologie des IGBT reste troitement apparent e a celle des transistors MOS de puissance notamment dans la conception multicellulaire Parmi les structures les plus courantes il existe des structures punch through PT IGBT et non punch through NPT IGBT r f rences Les IGBTs de type NPT sont r alis es sur des substrats massifs et l anode P est diffus e sur la face arri re Ils permettent donc de 50 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar PT IGBT NPT IGBT Trench IGBT Emetteur Cathode Grille Emetteur Cathode Grille Canal J Emetteur Cathode J niet n j Oxyde p base J i 15 um n buffer n drift Substrat P 250 um Collecteur Anode OE a pancge vupare Collecteur Anode Collecteur Anode a b Figure 1 21 coupe de demi cellule d IGBT a PT b NPT c Trench et ordre de gran
236. ture est d licate et impose des pr cautions pour viter d une part d endommager la partie semiconductrice et d autre part l oxydation des m tallisations de surface lors de la conservation des composants 64 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser Pour les composants du traitement du signal et de l information o l paisseur de la zone active ne d passe pas quelques microns par rapport a la surface la sensibilit aux SEEs peut tre d finie uniquement par un LET critique Par contre pour d clencher des ph nom nes de type SEB dans les transistors de puissance la profondeur de p n tration des particules incidentes dans le silicium doit pouvoir atteindre plusieurs dizaines de microns puisque les structures sont verticales cf chapitre I partie 1 5 Dans ce cas il est n cessaire d avoir des profondeurs de p n tration des particules incidentes du m me ordre de grandeur Pour un m me LET il suffit d augmenter l nergie E de la particule pour augmenter la profondeur de p n tration comme le monte la Figure 2 1 La difficult r side dans le fait que tous les acc l rateurs ne disposent pas d une nergie suffisante permettant d obtenir de telles profondeurs de p n tration O O O1 90 _ Ey E 85 80 dE dx Mev mg cm 75 70 0 50 100 150 200 250 Parcours um Figure 2 1 courbe de LET en fonction du pa
237. ue ces derniers ne permettent pas d obtenir des profondeurs de p n tration aussi lev es et qui pourrait aboutir sous estimer de la sensibilit des composants test s C est en outre plus repr sentatif d une 67 Chapitre 2 D veloppement d une m thodologie de d termination de la sensibilit au SEB par test laser partie importante de la population des ions rencontr s dans l espace qui ont des LET faibles a interm diaires associ s a des parcours forts rayons cosmiques galactiques BEZOS Nd YAG laser 1 064 um D eee a Epaisseur Effet du dopage sur la E PRE profondeur de penetration 100 17 3 4 dopage lt 10 cm s dopage 3x10 om 5 p S 10 m En 2 o A 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 Longueur d onde um Figure 2 3 Distance sur laquelle le faisceau laser perd 63 de son nergie initiale en fonction de sa longueur d onde et pour diff rents dopages d apr s DARO3 Les r partitions spatiales et temporelles des d p ts de charges cr s par les ions et par le laser pr sentent des diff rences mais peuvent tre comparables sous certaines conditions d nergie et de dur e d impulsion Pour un ion le rayon de la trace d ionisation peut aller de 0 05 um jusqu a quelques micrometres suivant son nergie Dans le cas du laser le rayon de la trace d ionisation est limit par les lois de la diffraction il peut valoir au minimum um pour u
238. ules simultan es provenant de la m me r action nucl aire Le paragraphe suivant pr sente cette tude qui permettra d alimenter le code Power DASIE 3 4 4 Simulations de l effet de deux particules coupl es sur le d clenchement d un SEB Le ph nom ne de SEB repose sur deux m canismes la mise en conduction du transistor bipolaire parasite et le ph nom ne d avalanche Puisqu il n existe pas comme nous venons de le voir dans le paragraphe pr c dent de particule secondaire poss dant les caract ristiques de LET et de range permettant de d clencher a elle seule les deux m canismes nous avons donc pens associer chacun d eux et de mani re simultan e une particule La premi re particule doit activer le bipolaire parasite qui se situe en surface de la structure Sa trace doit rendre passante la jonction metteur base situ e dans le caisson P du VDMOS Elle est repr sent e par la trace num ro dans la Figure 3 26 Au regard de la technologie du VDMOS un range de quelques microns devrait suffire ce qui induit la possibilit d avoir des LETS importants Ce type de caract ristiques existe parmi les 1ons secondaires cf Figure 3 25 A priori le volume sensible associ la particule peut tre d fini par le rectangle horizontal englobant le canal le caisson P et la r gion intercellulaire Le second m canisme est celui de l avalanche dont l tablissement est acc l r par la g n ration de porteurs
239. us consid rerons donc que le transistor bipolaire sera mis en conduction si la charge d pos e dans le volume sensible 1 est sup rieure un crit re de charge constant quelque soit la tension Densit du courant e Acm Potentiel V 7 46 PT 0 6 15 T 5 8 8 10 12 14 1 4 0 8 0 6 0a 0 3 0 2 0 06 0 07 0 2 0 3 0 5 148 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique Source Grille Source Grille 1 2 3 4 5 10 12 14 16 1B 20 22 24 10 12 14 16 18 20 22 24 a Vps 500V t 4 10 s b Vps 500V t 1 10 s HUE Source Grille Source Prise P 19 12 14 16 18 20 22 24 10 12 14 16 1E 20 22 24 c Vps 500V t 1 10 s d Vps 500V t 1 10 s Source Grille Source Grille Prise P 2 10 12 14 16 18 20 22 24 10 12 14 16 18 20 22 24 e Vps 500V t 1 10 s fF Vps 500V 1 1 107 s Figure 3 30 volution au cours du temps du courant d lectrons et des lignes de potentiel au niveau de la jonction metteur_N base_P Structure de VDMOS polaris e 500V trace ionisante g n r e to 1 gl S en x1 20 y1 3 x2 25 y2 5 149 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodol
240. ux de SEU et MBU Le code TMC DASIE Tansient MC DASIE permet 138 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph rique quant lui de calculer les formes d onde des courants transitoires parasites g n r s dans des portes logiques CMOS Coupl e avec le logiciel SPICE TMC DASIE permet de calculer les taux de d faillances induit par un ou plusieurs de ces courants transitoires HUB06 La Figure 3 22 est un exemple de courants transitoires pr dits par TMC DASIE pour une technologie particuli re dont le layout illustr dans cette figure est fourni en entr e 0 3 0 25 0 2 TMC DASIE 5015 D gt 0 05 0 izes tina Layout d une cellule logique LEE nent A LE LES avec les zones sensibles en rouge Exemple d impulsions de courants pr dits par TMC DASIE pour une nergie neutron donn e Figure 3 22 exemple illustrant l outil de pr diction TMC DASIE 3 4 3 Analyse des bases de donn es nucl aires pour les MOSFETs de puissance Les tudes de simulations dans les paragraphes pr c dents ont permis de d finir le volume sensible des VDMOS ainsi que les crit res de d clenchement du SEB Les crit res d finis portent sur le LET et le range des ions et constituent la configuration de d clenchement pire cas c est dire telle que le d clenc
241. ux pr sent s dans ce chapitre les r sultats recherch s sont de type qualitatif et leurs valeurs de LET donn es seront compar es de maniere relative entre elles mais leurs valeurs ne seront pas significatives Profil 3D r el Ga Figure 3 2 allure de la trace d ionisation pour des simulations 2D 3 1 2 V hicule test de simulation Comme nous l avons indiqu dans le chapitre I cf paragraphe 4 2 2 diverses simulations 2D utilisant les outils TCAD ont t conduites par le pass sur des structures acad miques de transistors VDMOS afin d appr hender les m canismes du SEB Ces simulations ont permis en particulier d valuer les positions les plus sensibles en surface vis a vis d un impact ionisant en incidence normale Ce type de simulations a t repris et approfondi dans le cadre de nos travaux de recherche La structure utilis e est un MOSFET de puissance repr sentative de la technologie de type planar classique de design hexfet Cette structure est bas e sur une fili re technologique flexible d velopp e au LAAS La tenue en tension de ce composant est de 600V La Figure 3 3 montre une coupe de la structure et indique le profil de dopage en fonction de la profondeur dans la cellule Le Tableau 3 1 111 Chapitre 3 Recherche des crit res de d clenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutrons proton sur silicium M thodologie power DASIE pour l environnement atmosph riqu
242. vironnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar dont la r sistance a une perturbation est bien plus faible que celle de l ensemble Il existe diff rentes formes de cellules l mentaires li es la g om trique du caisson P hexagonale HEXFET carr e align es ou non align es triangulaire ou bandes parall les Nos tudes se sont principalement concentr es sur des motifs hexagonaux Outre ces diff rentes g om tries du caisson P de surface il existe de nouvelles architectures dont les MOS superjonction et semi superjonction telles que le coolMOS d Infineon ou le MDmesh de STMicroelectronics commercialis es en 1999 et 2000 respectivement Les technologies utilis es different de la technologie planar classique par la r alisation des caissons P comme l indiquent les Figure 1 18 b et c Ces structures permettent de d passer les limites du silicium MORO4 d finie par le compromis r sistance passante sp cifique tenue en tension Il faut toutefois noter que la technologie de r alisation est plus complexe que dans le cas des structures VDMOS classiques Grille Grille Grille Source Source Couche Couche Couche pitaxi e N pitaxi e N pitaxi e N Substrat N Substrat N Substrat N Drain Drain Drain Figure 1 18 structure de cellule de type a VDMOS classique b VDMOS a Superjonction type coolMOS Infineon et c transistor MOS s
243. vit laser produise elle m me des impulsions lumineuses C est notamment l unique moyen de parvenir des dur es d impulsion inf rieures la dizaine de nanosecondes Une large gamme de dur es d impulsion laser est ainsi disponible des lasers femtosecondes aux lasers continus La forme temporelle de l impulsion laser est correctement d crite par une gaussienne 1 4 Effets des radiations sur les composants lectroniques Les interactions des particules avec la mati re constituant les composants lectroniques semi conducteurs peuvent engendrer des effets lectriques non d sirables Ces effets peuvent tre g n r s par une unique particule ou par un ph nom ne cumulatif Le premier cas correspond aux v nements singuliers et le second des effets de dose Ces effets interviennent la fois dans le milieu spatial et le milieu atmosph rique Ils sont d crits ci dessous sachant que seuls les v nements singuliers seront tudi s par la suite 43 Chapitre 1 Effet de l environnement radiatif naturel sur les composants semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 1 4 1 Les Ev nements Singuliers SEE Un v nement singulier ou plus commun ment Single Event Effect SEE est l effet li l interaction d une seule particule incidente avec les mat riaux semiconducteurs le silicium dans notre cas Cet effet peut tre le r sultat soit d une ionisation directe du mat riau dans le
244. way Analytical model for Single Event Burnout of power MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 34 No 6 Dec 1987 J K Hohl G H Johnson Feature of triggering mechanism for Single Event Burnout of power MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 36 No 6 Dec 1989 S Huang G A J Amaratunga and F Udrea Analysis of SEB and SEGR in super junction MOSFETs IEEE Trans Nucl Sci vol 47 pp 2640 2647 Dec 2000 G Hubert J M Palau K Castellani Coulie M C Calvet S Fourtine Detailed analysis of secondary ions effect for the calculation of neutron induced SER in SRAMs IEEE Trans Nuc Sci Vol 48 No 6 pp1953 1959 Dec 2001 G Hubert Elaboration d une m thode de pr diction du taux d al as logiques induits dans les m moires SRAM par les neutrons atmosph riques Montpellier II 2002 G Hubert N Buard C Weulersse T Carriere M C Palau J M Palau D Lambert J Baggio F Wrobel F Saigne R Gaillard A review of DASIE code family contribution to SEU MBU understanding 11 IEEE International On Line Testing Symposium IOLTS 2005 6 8 July 2005 Page s 87 94 G Hubert A Bougerol F Miller N Buard L Anghel T Carriere F Wrobel R Gaillard Prediction of transient induced by neutron proton in CMOS combinational logic cells 12 IEEE International On Line Testing Symposium IOLTS 2006 IKE04 JOH96 JOHN92 KIRK62 KOL79 KUB04 KUB92
245. zone intercellulaire sont les r gions les plus sensibles Il compare enfin le m canisme de d faillance par un ion lourd dans trois types d IGBTs deux IGBTs canal N punch through et non punch through et un IGBT canal P non punch through Il observe que le m canisme est le m me dans les trois type d IGBTs et correspond celui du Latchup La structure punch through canal N qu il a utilis e tant toutefois moins sensible au latchup induit par un ion lourd comme le monte la Figure 1 26 b La d faillance d IGBT caus e par des particules l g res est observ e en 1996 et 1997 par D Oberg OBER96 et E Normand NOR97 Leurs tests en acc l rateur sur des IGBTs de 600V et 1200V montrent des d faillances induites par des protons d nergie 150 MeV et par des neutrons dont le spectre d nergie est similaire celui des neutrons atmosph riques acc l rateur du Laboratoire National de Los Alamos Weapons Neutron Research WNR Ces publications font tat de ces d faillances mais ne rentrent pas dans l explication des m canismes li s gt PT N channel IGBT chantfel GBT b Figure 1 26 d apr s Eric Lorf vre LOR98 a Observations microscope d une d faillance induite par un ion lourd dans un IGBT x100 b Simulations du LET seuil SEL en fonction de la position d impact de lion en surface pour 3 technologies d IGBT canal N PT et NP et canal P NPT 60

1.1 L`environnement radiatif naturel - Accueil thèses

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

1.1 L`environnement radiatif naturel - Accueil th&egrave;ses

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

1.1 L`environnement radiatif naturel - Accueil thèses