CONCEPTION DES MASQUES ET REALISATION TECHNOLOGIQUE

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Evolution des structures IGBTs unidirectionnelles en courant

L’un des critères de sélection des composants de puissance est leur commande. Il existe des composants commandables en courant tels que le transistor bipolaire et le triac. Ce genre de commande est toutefois complexe et relativement gourmande en puissance. Il existe également des composants commandés en tension tels que le MOSFET et l’IGBT. Ces dispositifs sont caractérisés par une très grande impédance d’entrée et nécessitent une puissance de commande relativement faible comparée aux dispositifs commandés en courant. Cett caractéristique permet de réduire la complexité du circuit de commande, qui doit simplement fournir assez de courant pour charger et décharger les capacités internes de ces composants [3].
La structure IGBT associe les avantages du transistor bipolaire en conduction et du transistor MOSFET en commutation. De ce fait, l’IGBT est devenu l’un des composants le plus utilisé en électronique de puissance pour des applications allant jusqu’à 10 kW avec des fréquences pouvant atteindre 20 kHz [4]. Les avantages apportés par la structure IGBT dans les applications de puissance depuis sa commercialisation ont stimulé la recherche sur ce composant afin d’améliorer constamment ses performances et par conséquent élargir son champ d’application. Cela a conduit par conséquent à l’émergence d’un grand nombre de structures dérivées de la structure IGBT classique. Dans ce qui suit, nous décrirons brièvement quelques structure IGBTs unidirectionnelles proposées dans la littérature.

IGBT unidirectionnel à technologie planar

Les deux premières structures IGBT développées sont la structure NPT (Non Punch Through) et la structure PT (Punch Through). La première structure est apparue en 1982 et la deuxième structure est apparue en 1985 [5]. A partir de cette datte et jusqu’à aujourd’hui plusieurs technologies ont été développées pour ces deux types de structure afin ’améliorerd davantage leurs caractéristiques électriques et de faciliter leur utilisations.

IGBT NPT (Non Punch Through)

La structure d’un IGBT NPT est représentée sur laFigure 1-2 ci-contre. Cette structure est constituée d’une zone N- épaisse faiblement dopée. L’épaisseur de cette zone permet à la charged’espace de s’étendre librement à l’état bloqué. Sa grande épaisseur faitque la zone de déplétion + n’atteint jamais la région P d’anode, d’où l’origine de son appellation (Non Punch Through). La structure NPT est destinée à des tensions de blocage supérieures à 1200 V [6]. L’avantage principal de la structure NPT est qu’ell e est technologiquement facile à réaliser et par conséquent moins coûteuse.
En effet, les régions qui la composent sont réalisées par simples diffusions ou implantations sur un substrat N-. La structure NPT permet en outre de supporter des tensions élevées en augmentant l’épaisseur du substrat N- mais cela est toutefois pénalisant pour la chute de tension à l’état passant. La quantité de charges stockées dans la zone N- lors ed la conduction peut être contrôlée par l’efficacité d’injection des trous côté anode, cela peut se faire en agissant par exemple sur l’épaisseur ou le + dopage de la région P d’anode [7].

IGBT PT (Punch Through)

La structure d’un IGBT PT est représentée sur la Figure 1-3.
Cette structure est une solution pour remédier au problème de la chute de tension élevée que présente la structure NPT. En fet,ef elle contient une couche d’épitaxie N plus fine qui lui permet de présenter une chute de tension plus faible que celle d’une structure NPT pour la même tenue en tension. Le substrat utilisé pour fabriquer un IGBTPT est de type P+ sur lequel on fait croître par épitaxie une couche N+ (couche tampon) puis la couche N- de la base. La couche tampon N fait décroître rapidement le champ électrique en polarisation directe bloquée, ec qui permet d’avoir une bonne tenue en tension pour une base N- fine.
Elle fait perdre en revanche au composant son aptitude à supporter des tensions à l’état bloqué inverse (tension anode-cathode négative). Cette couche contribue à la réduction de la charge stockée dans la base N- durant la conduction et également à l’extraire lors de l’ouverture de l’IGBT afin de permettre au composant de commuter plus rapidement. La couche tampon N réduit en revanche l’efficacité d’injection de la jonction (P+ d’anode/N) ce qui conduit à une augmentation de la chute d e tension à l’état passant. Toutefois, elle permet d’utiliser une base N- plus fine que dans un IGBT NPT, ce qui permet d’améliorer la chute de tension [8].
La structure PT est préférable pour des IGBTs dansdes applications où la tenue en tension est inferieure à 1200 V. Au-delà, il est nécessaire de faire croître par épitaxie une région N- épaisse, ce qui rend la réalisation difficile et coûteuse [5].

IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor)

Toshiba a proposé pour la première fois en 1993 unestructure IGBT à grille en tranchée avec amélioration du coeficient d’injection des électrons côté cathode appelé IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor) dans le but de combiner les avantages du thyristor GTO en conduction et les avantages de l’IGBT à grille en t ranchée en commutation [16]-[18]. Une vue en coupe de la structure avec illustration du profil des porteurs est donnée surla Figure 1-6.
L’objectif de cette technique est d’augmenter l’eff icacité d’injection des électrons αn (le rapport entre le courant des électrons et le courant total) côté cathode afin d’avoir un profil de porteurs qui se rapproche davantage de celui d’une diode PIN et par conséquent réduire la chute Figure 1-6. IEGT de tension à l’état passant.
L’étude effectuée sur cette structure a montré quel’efficacité d’injection côté cathode est directement proportionnelle au rapport DC/W (W, D : largeur et profondeur de la région du canal respectivement, C : largeur de la cellule) [16], [19]. Donc, pour améliorer davantage αn l’efficacité d’injection côté cathode, il est important d’avoir des tranchées aussi profondes et étroites que possible.
Un exemple de réalisation de structure de tenue en tension 4,5 kV montre que la capacité en courant à l’état passant de la structure IEGT proposée par Toshiba est largement supérieure à celle d’une structure IGBT à grille à tranchée convention nelle, et cela sans dégrader les performances en dynamique [16], [17].
L’IEGT peut remplacer le GTO dans les applications hautes tensions parce que la chute de tension dans l’IEGT est similaire à celle du GTO. E n outre, l’IEGT est commandable en tension par une grille MOS contrairement au GTO qui est commandable en courant par sa gâchette [9].

CSTBT (Carrier Stored Trench Bipolar Transistor)

La structure CSTBT (Figure 1-7) a été proposée par Mitsubishi Electric Corporation en 1996 [20]. Cette structure utilise une couche N sous les diffusions P tel que représenté en Figure1-7 ci- contre afin d’avoir une distribution de porteurs à l’état passant dans la zone drift N-similaire à celle d’une diode PIN. Cela permet de r éduire davantage la chute de tension à l’état passant [20][21]. En effet, les trous injectés par la région P+ dans la région drift N- diffusent à travers cette dernière et sont collectés par la région P de la cathode comme dans un IGBT conventionnel (planar ou à grille en tranchée TIGBT). Toutefois, la présence d’une couche N dans la structure CSTBT empêche les trous d’atteindre la région P de la cathode.
Ces trous sont stockés dans la région N- côté cathode [20], ce qui augmente la concentration des porteurs dans ce côté. Le profil de porteurs dans la région N- est ainsi similaire à celui d’une diode PIN et par conséquent la chute de tension devient proche de celle d’une diode PIN [20].
La chute de tension dans le CSTBT diminue en augmentant la profondeur de la couche N, mais la tension de claquage à l’état bloqué direct chute rapidement à partir d’une certaine profondeur [20]. Des caractérisations de structures CSTBT (1700 V) ont montré que le CSTBT offre une chute de tension faible à l’état passant et présente desperformances en dynamique équivalentes à celles d’un TIGBT (1700 V) conventionnel [20].

Autres structures IGBT dérivées de l’IGBT à technologie planar

HiGT (High Conductivity IGBT)

La structure HiGT (Figure 1-8) a été proposée en9981 par Hitachi [22]. La structure HiGT contient, par rapport à une struc ture IGBT planar conventionnelle, une couche N entourant la région Pde la cathode. Cette couche est connue sous l’appellation hole- barrier layer [22]. A l’état passant, une barrière de potentiel créée entre la ouche N barrière des trous et la région drift N- empêche les trous injectés par l’anode d’atteindre la région P de cathode. Ces trous sont stockés dans la zone N- proches de la cathode, ce qui module davantage la conductivité de la zone N- et permet de réduire davantage la chute de tension à l’état passant par rapport à un IGBT classique [22], [23]. La concentration en dopant de la couche barrière est contrôlée de telle sorte qu’à l’état bloqué direct cette couche N rajoutée soit complètement déplétée avant le claquage [22]. Selon leurs résultats de caractérisations, la structure HiGT par rapportà une structure IGBT classique permet de réduire les pertes en conduction sans affecter les pertes en commutation [22], [23].

SJBT (Super Junction Bipolar Transistor)

D’une façon générale, l’amélioration des performances des structures IGBT a été exclusivement basée sur trois principales technologies innovantes [24]:
– La technologie FS (Field Stop).
– La technologie à tranchée.
– La technologie permettant d’améliorer l’efficacité d’injection côté cathode (IEGT, CSTBT, HiGT…).
Par la suite, l’apparition de la technologie à supe r jonction a permis des structures silicium innovantes [24]-[26].
Ainsi, la technologie à super jonction a été utilisée pour la première fois sur les MOSFETs dont la tenue en tension à l’état bloqué et la chute de tension à l’état passant semblaient limitées par le dopage et l’épaisseur de la région drift. Cette technologie consiste à remplacer la région de drift par une alternance de régions verticales N et P fortement dopées (par rapport au dopage de la région de drift d’un MOSFET classique) et judicieusement agencées afin d’améliorer le compromis tenue en tension/chute de tension en direct sans affecter les autres performances [25].
Dans les structures à super jonction, les régions N et P sont conçues avec la même largeur et même dopage. Ces derniers doivent êtres optimisése dtelle sorte que les couches P et N soient complètement dépeuplées à l’état bloqué. Dans cesonditions,c la tenue en tension ne dépendra plus du dopage mais seulement de l’épaisseur de ces couches [24]-[27]. Ce principe permet donc d’améliorer la chute de tension à l’état passant en augmentant le dopage et la tenue en tension en augmentant l’épaisseur de ces couches P et N.
Une comparaison effectuée sur des dispositifs IGBT 1,2 kV de types FS-IGBT et SJBT a montré qu’il est possible, avec une structure SJBT, d’améliorer la chute de tension à l’état passant de 20% et les pertes à l’ouverture de 50% p ar rapport à un FS-IGBT [28]. L’inconvénient des structures à super jonctions est que leur procédé technologique est complexes [29].Une vue en coupe de la structure SJ IGBT ou SJBT [24] est présentée sur la Figure 1-9.

Thyristor planar à gachette isolée (TRIMOS)

Cette structure (Figure 1-11) a été proposée par James D.Plummer en 1980 [33]. Il est constitué de deux cellules de type DMOS séparées par une diffusion N+. Cette diffusion empêche l’inversion en surface de la zone de drift N – [33]. Selon le niveau de courant, cette structure est capable de fonctionner en mode DMOS, IGBT ou thyristor. Cette structure présente toutefois une tension de claquage faible (autour de 150 V) et de par sa configuration latérale, elle est limitée en densité de courant.

Lateral Planar MOS-gate AC switch

Ce dispositif a été proposé par M.Mehrotra et B.J aligaB [34] en 1997. Une vue en coupe de la structure est donnée sur la Figure 1-12. Le dispositif est composé principalement de deux structure MOS-thyristor montées tête-bêche. Chaque électrode grille est référencée par rapport à une électrode de puissance. En effet, la grille1 est référencée par rapport à l’anode et la grille2 est référencée par rapport à la cathode. Lorsqu’une tension positive est appliquée sur la grille1 par rapport à la cathode tandis que la grille2 est reliée à l’anode, un canal N sous la grille1se forme et des électrons sont injectés dans la zone de drift-N. Par conséquent des trous sont injectés par la base2-P dans la zone de drift N-. Une partie de ces trous se recombine dans la zone de drift et l’autre partie est collectée au niveau de la base1-P et circule latéralement sou la diffusion base1-N pour atteindre la cathode. Pour un faible courant de trous, le dispositif fonctionne en mode IGBT latéral. Cependant, le courant de trous croît avec l’augmentation de la tension appliquée sur l’anode et lorsque la jonction base1-P/base1-N devient passante, la région base1-N injecte des électrons dans la zone de drift N ce qui constitue le courant de base pour le transistor base2-P/N-/base1-P. Cette injection conduit au latch-up du thyristor base2-P/N-/base1-P/base1-N. Une fois le thyristor déclenché, le courant du dispositif n’est plus limité par le transistor MOS, ce qui permet audispositif de transiter des courants importants avec une faible chute de tension à l’état passant.
Les deux inconvénients majeurs de la structure sontnotamment le fait qu’elle soit limitée en densité de courant et également le fait que ses électrodes de grilles doivent être commandées par rapport à deux références de potentiels différents.

Bidirectional IGBT with P+ diverter

Une vue en coupe du LBIGBT (Lateral Bilateral IGBT) [34] est donnée sur la Figure 1-13. Dans le premier quadrant, l’électrode2 est polarisée positivement par rapport à l’électrode1. Lorsqu’une – tension positive est appliquée sur la grille1, des électrons sont injectés dans la zone de drift Net par + conséquent des trous sont injectés du côté de la base2-P est collectés par le P diverter qui est relativement plus profond que la base1-P et le dispositif fonctionne en mode IGBT. Pour le bloquer, il suffit de réduire la tension appliquée sur la grille1 en dessous de la tension de seuil. Lorsque le courant de trous collectés sur le côté base1-P est assez élevé pour permettre la mise en conduction de la jonction base1-P/base1-N le thyristor s’amorce. Le blocage du dispositif est possible par application d’une tension négative sur la grille1 (mode BRT). D’une manière semblable, dans le troisième quadrant, l’électrode2 est polarisée négativementt joue le rôle de cathode mais l’électrode1 joue le rôle d’anode avec la grille 1 reliée à l’électrode1 et la grille2 contrôle le fonctionnement du dispo sitif et elle est référencée par rapport à l’électrode2Vu. la nature symétrique du LBIGBT, le mode de fonctionnement dans le troisième quadrant est identique au fonctionnement obtenu dans le premier quadrant.
Les deux inconvénients majeurs de la structure sontnotamment le fait qu’elle soit limitée en densité de courant et également le fait que ses électrodes de grilles doivent être commandées par rapport à deux références de potentiels différents.

Table des matières

CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART DES INTERRUPTEURS UNIDIRECTIONNELS ET BIDIRECTIONNELS COMMANDES EN TENSION
I. INTRODUCTION
II. LES INTERRUPTEURS DE PUISSANCE
III. EVOLUTION DES STRUCTURES IGBTs UNIDIRECTIONNELLES EN COURANT
III-1. IGBT UNIDIRECTIONNEL A TECHNOLOGIE PLANAR
III-1-1. IGBT NPT (Non Punch Through)
III-1-2. IGBT PT (Punch Through)
III-1-3. IGBT Field Stop (IGBT FS)
III-2. IGBT UNIDIRECTIONNEL A GRILLE EN TRANCHEES
III-2-1. Trench Gate IGBT (TIGBT)
III-2-2. IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor)
III-2-3. CSTBT (Carrier Stored Trench Bipolar Transistor)
III-3. AUTRES STRUCTURES IGBT DERIVEES DE L’IGBT A TECHNOLOGIE PLANAR
III-3-1. HiGT (High Conductivity IGBT)
III-3-2. SJBT (Super Junction Bipolar Transistor)
IV. SYNTHESE DE LA FONCTION INTERRUPTEUR BIDIRECTIONNEL EN COURANT ET EN TENSION
IV-1. PAR ASSOCIATION D’ELEMENTS DISCRETS
IV-2. PAR UTILISATION DE STRUCTURES MONOLITHIQUES COMMANDEES PAR MOS
IV-2-1. Structures latérales
IV-2-2. Structures verticales
V. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE A BASE DE STRUCTURES IGBT COMPLEMENTAIRES
VI. L’INTEGRATION DE FONCTIONS AUXILIAIRES AVEC L’INTERRUPTEUR DE PUISSANCE
VII. CONCLUSION
CHAPITRE 2 ETUDE PAR SIMULATION D’UNE STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNEL
I. INTRODUCTION
II. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
II-1. STRUCTURE
II-2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
III. TECHNIQUES DE REALISATION DE LA STRUCTURE IGBT
BIDIRECTIONNELLE
III-1. TECHNIQUE BASEE SUR LA PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE
III-2. TECHNIQUE BASEE SUR LA SOUDURE DIRECTE SILICIUM SUR SILICIUM (SI/SI)
III-3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE CHAQUE TECHNIQUE
IV. SIMULATION DES STRUCTURES IGBTS BIDIRECTIONNELLES OBTENUES PAR LES DEUX TECHNIQUES
IV-1. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE REALISABLE PAR PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE
IV-1-1. Etat bloqué
IV-1-2. Etat passant
IV-1-3. Phénomène de latch-up du thyristor parasite
IV-1-4. Temps d’ouverture de l’IGBT bidirectionnel
IV-2. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE REALISABLE PAR SOUDURE DIRECTE SI/SI
IV-2-1. Impact de la durée de vie des porteurs minoritaires τ dans l’interface de collage sur les caractéristiques électriques de la structure IGBT bidirectionnelle
IV-3. COMPARAISON DES PERFORMANCES DES STRUCTURES IGBT BIDIRECTIONNELLES SANS ET AVEC COLLAGE
IV-3-1. Etat bloqué
IV-3-2. Etat passant
IV-3-3. Temps d’ouverture
IV-4. COMPARAISON DES PERFORMANCES DE LA STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE REALISABLE PAR PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE AVEC CELLES D’UN IGBT UNIDIRECTIONNEL
IV-4-1. Etat bloqué
IV-4-2. Etat passant
IV-4-3. Temps d’ouverture
V. PARAMETRES GEOMETRIQUES ET PHYSIQUES DES DEUX COMPOSANTS IGBT A REALISER
VI. DEUXIEME STRATEGIE D’INTEGRATION
VII. CONCLUSION
CHAPITRE 3 CONCEPTION DES MASQUES ET REALISATION TECHNOLOGIQUE
I. INTRODUCTION
II. CONCEPTION DES MASQUES
III. REALISATION TECHNOLOGIQUE
III-1. DESCRIPTION DES PRINCIPALES ETAPES DE LA FILIERE IGBT FLEXIBLE
III-2. TECHNIQUE DE PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE
III-2-1. Principe de réalisation
III-2-2. Technique d’alignement
III-2-3. Processus de fabrication du composant IGBT bidirectionnel
III-3. REALISATION DES IGBTS PAR LA TECHNIQUE DE SOUDURE DIRECTE SI/SI
III-3-1. Soudure directe Si/Si
III-3-2. Processus de fabrication de l’IGBT bidirectionnel par soudure directe Si/Si
IV. DISPOSITIFS REALISES ET RESULTATS DE CARACTERISATIONS
IV-1. DISPOSITIFS IGBT REALISES
IV-2. CARACTERISATION DES IGBTS REALISES PAR LA TECHNIQUE DE PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE
IV-3. CARACTERISATION DES DIODES REALISEES PAR COLLAGE
IV-4. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE REALISEE PAR SOUDURE SI/SI
V. CONCLUSION
CHAPITRE 4 ETUDE PAR SIMULATION D’UNE STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE A ELECTRODES COPLANAIRES
I. INTRODUCTION
II. STRUCTURE ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
II-1. STRUCTURE
II-2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET CIRCUIT EQUIVALENT
II-2-1. Rôle de la tranchée
III. ETUDE PAR SIMULATION DU FONCTIONNEMENT DE LA STRUCTURE
III-1. TENUE EN TENSION
III-1-1. Tenue en tension en fonction de l’épaisseur du substrat N-
III-1-2. Impact des paramètres géométriques de la tranchée
III-1-3. Amélioration de la tenue en tension
III-1-4. Impact de la largeur de la plaque de champ WFP sur la tension de blocage
III-2. ETAT PASSANT
III-2-1. Simulation de la structure entière
III-2-2. Fonctionnement de la demi-structure en mode thyristor
III-2-3. Fonctionnement de la demi-structure en mode DMOS/IGBT
III-2-4. Comparaison des caractéristiques I(V)
III-2-5. Impact des paramètres géométriques de la tranchée sur le fonctionnement à l’état passant
III-2-6. Importance du choix du nombre de cellules IGBT pour les simulations
III-3. ETUDE DE LA STRUCTURE EN COMMUTATION
III-3-1. Estimation des pertes sur un cycle de commutation
III-3-2. Durée et phases d’amorçage de la structure
IV. ETUDE DE LA FAISABILITE TECHNOLOGIQUE DE LA STRUCTURE
IV-1. CONCEPTION DES MASQUES
IV-2. ETUDE PRELIMINAIRE EN VUE D’UNE REALISATION TECHNOLOGIQUE
IV-2-1. Proposition de réalisation n°1
IV-2-2. Proposition de réalisation n°2
IV-2-3. Avantages et inconvénients de chaque proposition de réalisation
V. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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