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ACM’02 October 13-15, 2002 ALGIERS El Aurassi Hotel

Algerian Conference on Microelectronics. ACM’02 October 13-15, 2002 ALGIERS El Aurassi Hotel. ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER. Jean-Pierre Charles. Université de Metz. jp.charles@ieee.org C2EA – MOPS – CLOES Université de Metz SUPELEC 2, rue Edouard Belin 57070 Metz.

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ACM’02 October 13-15, 2002 ALGIERS El Aurassi Hotel

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  1. Algerian Conference on Microelectronics ACM’02 October 13-15, 2002 ALGIERS El Aurassi Hotel

  2. ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER Jean-Pierre Charles Université de Metz jp.charles@ieee.org C2EA – MOPS – CLOES Université de MetzSUPELEC2, rue Edouard Belin57070 Metz

  3. Université de Metz et SUPELEC • Université pluridisciplinaire • UFR Sci-FA • Institut Centre Lorrain d'Optique et d'Electronique des Solides (CLOES) : Dominique DURAND. • LaboratoireMatériaux Optiques, Photonique et Systèmes (MOPS) : Marc FONTANA • Composants, Electronique et Environnements Agressifs (C2EA) : Jean-Pierre CHARLES • " Défauts, comportement et fiabilité de composants sous conditions extrêmes. Durcissement de circuit"

  4. LaboratoireMatériaux Optiques, Photonique et SystèmesCNRS - FRE 2304 Merci de visiter: http://www.ese-metz.fr/mops/ • Les activités de recherche • Deux thématiques complémentaires sont engagées: • - matériaux et fonctionnalités optiques • -fonctions optiques et systèmes

  5. Université de Metz et SUPELEC • Université pluridisciplinaire • UFR Sci-FA • Institut Centre Lorrain d'Optique et d'Electronique des Solides (CLOES) : Dominique DURAND. • LaboratoireMatériaux Optiques, Photonique et Systèmes (MOPS) : Marc FONTANA • Composants, Electronique et Environnements Agressifs (C2EA) : Jean-Pierre CHARLES • " Défauts, comportement et fiabilité de composants sous conditions extrêmes. Durcissement de circuit"

  6. C2EA (CEHE) • Composants, • Electroniques et • Environnements • Agressifs Components, Electronics, and Harsh Environments Groupe de recherche multi-sites : Metz - Montpellier - Perpignan

  7. C2EA http://ceea.free.fr Site à visiter :

  8. ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER Simulation physique:outil de conception et caractérisation Jean-Pierre Charles (Metz) Francis Dujardin (Metz) Alain Hoffmann (Montpellier) Omar El Mazria (Nancy) etAhmed Haddi (Casablanca)

  9. ACM’02 – 13-15 octobre 2002 - ALGER Micro-opto-électronique SIMULATIONS en • Conception / simulation • de structures tests • de composants avec quoi…. les outilspar quoi…. le contextepourquoi…. des applications

  10. Simulation physique outil de conception et caractérisation • Plan • 1/ Introduction • 2/ Prévisions et procédés technologiques • 3/ Logiciels de simulation SILVACO • 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) • 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) • 6/ Conclusions

  11. Conception QUALITE FIABILITE Objectifs Fabrication (informations techno & process) Simulation SILVACO INFORMATION Caractérisation Dégradations Utilisation / environnement Méthode 1 2 3 4 5 Simulation électrique SPICE +

  12. Conception/simulation • La performance de tout composant dépend fortement de la technologie utilisée dans sa fabrication. • Miniaturisation complexité des process • L’approche expérimentale démarche hasardeuse coût élevé • Simulation de process réduire le coût & assurer de nouvelles innovations.

  13. Simulation physique outil de conception et caractérisation • Plan • 1/ Introduction • 2/ Prévisions et procédés technologiques • 3/ Logiciels de simulation SILVACO • 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) • 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) • 6/ Conclusions

  14. Prévisions technologiques La « Loi » de Moore des circuits intégrés (mémoires et circuits logiques): Depuis 35 ans: • - Croissance exponentielle de la vitesse et de la densité fonctionnelle • Décroissance exponentielle de la puissance dissipée et du coût de fonction. • le nombre de bits mémoire par puce a quadruplé tous les ¾ ans • la vitesse des microprocesseurs a doublé tous les 3 ans (2MHz pour le 8080 dans les années 70 à plus de 1GHz actuel.) • la techno est passée de 8µm en 1972 à 0,13µm en 2000

  15. ! Elément clé de l’intégration Lg : longueur physique de la grille d’un MOSFET Les projections faites en 99ont été avancées de 5 ansen 2001 ! Cette accélération dans la réduction d’échelle reflète le besoin de l’industrie de maximiser la vitesse des puces. Une vitesse maximalene va pas avecune puissance dissipéeminimisée ! ITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors from the Semiconductor Industry Association

  16. Dépôt de la couche Dépôt de la résine & Recuit de séchage UV Masque La réduction de taille est limitée par l’utilisation de masques transparents ! Développement ! Gravure Enlèvement de la résine Procédé de photolithographie classique 1 2 3 4 5 6

  17. Résolution: F ( K )

  18. RESOLUTION Résolution: F ( K ) Type de résine  K Résine ultra-mince (K=0.3)Résine multi-couche (K=0.5)Résine mono-couche (K=0.75)Résine sur surface réfléchissante (K=1.1)  : longueur d’onde Lampe à vapeur de mercure (le plus courant) 3 raies (proche UV): g (436nm), h(405nm), i(365nm) Lithographie UV lointain 248nm (laser eximer) Rayon X, électrons (F=qq nm)

  19. Extreme UltraViolet (EUV) • Optical lithography involves use of photon and transmission photomask • Photomasks have high coefficient of thermal expansion • Hence: due to masks errors  < 157 nm is lower limit of optical lithography

  20. Next Generation Lithography (NGL) • Candidates are: • EUV with  ~ 13.4 nm • There are no existing transparent materials • All optics and mask must be reflective • Multilayer films can be constructed (alterning Mo/Si) as reflectors • EUV masks are patterned absorbers on top • IPL : ion projection lithography • PEL : proximity electron lithography • PXL : proximity X-ray lithography • ML2 : maskless lithography

  21. Simulation physique outil de conception et caractérisation • Plan • 1/ Introduction • 2/ Prévisions et procédés technologiques • 3/ Logiciels de simulation SILVACO • 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) • 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) • 6/ Conclusions

  22. TonyPlot DevEdit DeckBuild Optimizer Cahier des charges Simulation de process ATHENA Masques Simulation de composant ATLAS Conditions de polarisation Extraction de paramètres UTMOST Description de la structure Simulation de circuit SMART SPICE Caractéristiques Paramètres du modèle Outils SILVACO Outils interactifs SUPREM 3-4FLASHOPTOLITHELITH PISCESBLAZELUMINOUSGIGAMIXEDMODE Outils de simulation Performances du circuit

  23. Simulation physique outil de conception et caractérisation • Plan • 1/ Introduction • 2/ Prévisions et procédés technologiques • 3/ Logiciels de simulation SILVACO • 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) • 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) • 6/ Conclusions

  24. IGBT x 25

  25. IGBT x 750

  26. 29 Grille Cathode N+ N+ N+ N+ P P+ N- N+ P+ IE=IC+IB et IC= IB Anode Présentation de l’IGBT • MOSFET alimentant la base d’un bipolaire • Structure de type Darlington • Présence d’une structure PNPN Effet thyristor (latchup)non désirable IGBT

  27. 30 Grille Cathode N+ N+ N+ N+ P P+ N- N+ P+ Anode Courants dans l’IGBT - Courant de base est le même que le courant dans le MOSFET - Courant de l’IGBT est le courant émetteur du bipolaire IB=IMOS IAK=IE=(+1)IB VAK=VDS+VBE Equation globale IGBT

  28. 3 types d’IGBTs IRGBC20S IRGBC20F IRGBC20U 100 VGK (V) = 8 V IAK (mA) 50 0 0 VAK (V) 1 Création de défauts dans le volume du SC Traitement par irradiation Augmentation de la vitesse de commutation Optimisation

  29. Simulation des IGBTsOptimisation de la dose IRGBC20S IRGBC20F IRGBC20U ATHENA ATLAS 2-D • Type d'irradiation : électrons de 4 MeV (NPL) • Irradier des composants standard IRGBC20S pour différentes doses (1, 4 et 8 Mrad(Si)) • Réaliser un recuit pour éliminer les charges piégées dans les oxydes (573 K 10mn) • Mesurer les caractéristiques dynamiques et statiques • Simuler les effets de l'irradiation sur la structure Introduction d'un niveau accepteur Ev+0.27 (eV) (sn=8 10-13 et sn=9.5 10-15 ) Introduction d'un niveau donneur Ec-0.16 (eV) (sn=2 10-15 et sn=2 10-15 ) Ajuster la densité de défauts

  30. IGBT à la fermeture IRGBC20S Durée de vie des porteurs minoritaires en fonction de la dose: Obtention de la durée de vie: Forme d'onde à la fermeture Gain du bipolaire: IEEE TNS, V44, N1, 1997

  31. Simulation des lignes de courant dans l’IGBT avant irradiation IRGBC20S

  32. Simulation des lignes de courant dans l’IGBT après irradiation par électrons de 4 MeV à 8Mrad(Si) IRGBC20S

  33. Comparaison simulation-mesure IRGBC20S Amélioration de la tenue au latchup: Amélioration du temps de commutation IEEE TNS, V44, N1, 1997

  34. T Dégradation de la tension de déchet IRGBC20S Optimisation des performances par le choix de la dose Fonctionnement: VAK pour IAK=100 mA et VGK=8 V Hautes fréquences: temps de fermetureprivilégié Hautes tensions: tension de déchet privilégiée IEEE TNS, V44, N1, 1997

  35. Simulation physique outil de conception et caractérisation • Plan • 1/ Introduction • 2/ Prévisions et procédés technologiques • 3/ Logiciels de simulation SILVACO • 4/ IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) • 5/ MCTs (MOS Controlled Thyristor) • 6/ Conclusions

  36. 39 VDMOSFET, IGBT, MCT • Le MCT est un thyristor commandéen blocage (ouverture) et en amorçage (fermeture)par des MOSFETs • Applications dans les domaines de forte puissance excellent pouvoir de coupure en blocage ( 200 A.cm-2) très faible tension de déchet après amorçage ( 1V) utilisation d’une seule grille pour la commande process de fabrication compliqué: à triple diffusion impossibilité de contrôle du courant faible aire de fonctionnement MCT

  37. 40 Photos d’un MCT MCT G35P60F1 Photos ESA-ESTEC

  38. 41 Structure du MCT MCTG35P60F1MCT65P100F2 • Thyristor PNPN • Commandé en fermeture (amorçage) par un P-MOSFET ON • Commandé en ouverture (blocage) par un N-MOSFET OFF • Schéma équivalent:deux transistors bipolaires (PNPN) commandés par les deux MOSFETs

  39. 42 10 mm Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF(89%) à ouverture 11 000 groupes de cellules en parallèlesur 0,413 cm2

  40. 43 10 mm Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF(89%) à ouverture 11 000 groupes de cellules en parallèlesur 0,413 cm2

  41. 44 10 mm Structure complète d’une cellule ON entourant les 8 cellules OFF Une cellule ON (11%) à fermeture entoure 8 cellules OFF(89%) à ouverture 11 000 groupes de cellules en parallèlesur 0,413 cm2

  42. 45 Simulation-2D du MCT à l’aide de ATLAS • Caractéristique de transfert IAK-VGA / P-MOSFET • Simulation de la structure et de la caractéristique C-V du MCT / N-MOSFET • Simulation-2D effectuée à partir du logiciel ATLAS et en utilisant les paramètres géométriques et les dopages donnés par [TEMPLE] • Modélisation de la structure MCT • Choix des modèles physiques • Régions et dopage • Définition du maillage • Calibrage des paramètres

  43. 46 -0,07 Région 2 (oxyde) 15 0 X (µm) Région 1 (silicium) 85 Y (µm) Construction de la structure ATLAS 2D Régions

  44. 47 GRILLE -0,07 Région 2 (oxyde) 0 ANODE X (µm) P+ N P- N+ CATHODE Y (µm) Profil de dopage Axe OY 15 Région 1 (silicium) 85 ATLAS 2D

  45. 48 N+ P+ J1 J2 N-well P-épi Construction du maillage de la structure test • Résultats précis  Maillage fin (beaucoup de nœuds)  temps de calcul important  recherche d’un compromis entre temps et précision de la simulation ATLAS 2D

  46. 49 Modèles physiques et calibrage des paramètres Modélisation  des phénomènes de forte injection, de forts dopages, de recombinaison et des effets du champ électrique... Calibrage des paramètres des modèles  influence des paramètres physiques et technologiques sur les caractéristiques électriques de la structure MCT simulée • Forts dopages: N+ et P+  forte injection model FERMIDIRAC • Tensions de seuil des MOSFETs • Gains des deux bipolaires • Recombinaison: Auger  model AUGER Shockley-Read-Hall  model RSH • Temps de commutation et tension de déchet du MCT • Durée de vie des porteurs minoritaires • Mobilité : concentration  model CONMOB champ électrique (effets des porteurs chauds)  model FLDMOB ATLAS 2D

  47. 50 Irradiation neutron • Effets après irradiation neutron • effet de déplacement des atomes du silicium • effet d’ionisation (présence de gammas) • Réacteur : PROSPERO (CEA-DAM Valduc) • Deux fluences ont été réalisées : • 5x1013 n équivalent 1MeV/cm2  7,8 krad(Si) • 1x1014 n équivalent 1MeV/cm2  11 krad(Si) CEA-DAM

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