Augmentation de la profondeur de la r´ egion de base effective

valid´es sinon adapt´es aux r´egimes de tr`es forte injection et haute temp´erature.

3.3.5 Extrapolations aux tr`es forts courants

Fort des ´el´ements de compr´ehension apport´es par les simulations 2D dans les deux plans de coupe, nous pouvons risquer une extrapolation du fonctionnement du transistor aux plus forts niveaux de courant.

Sous l’effet de la limitation de la densit´e de courant maximum entraˆın´ee par la r´esistance s´erie de collecteur, la taille de la zone focalis´ee va progressivement s’´etendre, pour des niveaux de courant croissants, selon la longueur de l’´emetteur (comme observ´e dans le transistor MOS au chapitre pr´ec´edent). Cette extension sera limit´ee par la taille de l’´emetteur, `a condition qu’aucun ph´enom`ene de second claquage thermique ne se produise entre temps. Au-del`a de cette limite, le courant suppl´ementaire entraˆınera une augmentation de la densit´e de courant maximale. Durant l’extension, la tension de collecteur varie peu car la surface offerte au passage du courant s’accroˆıt et la r´esistance dynamique de la structure apparaˆıt tr`es faible. Ensuite, le composant pr´esente une r´esistance dynamique qui correspond aux r´esistances s´erie de collecteur et d’´emetteur. La densit´e de courant et la temp´erature au sein de la structure seront toujours fortement fluctuantes. La destruction du composant sera provoqu´ee par l’initialisation locale d’un second claquage thermique dans la r´egion de fort champ ´electrique et haute temp´erature situ´ee `a la fronti`ere des r´egions faiblement et fortement dop´ees de collecteur. Les analyses de d´efaillance r´ealis´ees grˆace `a la technique FIB (Focus Ion Beam) confirme que le d´efaut se situe bien `a cette fronti`ere [60].

Dans la dimension selon la largeur d’´emetteur, l’extension de la zone focalis´ee est limit´ee par l’effet de la r´esistance de base. Toutefois, on remarque sur les figures 3.5 (a) et (d), un d´ecalage entre la zone de plus forte densit´e de courant et la zone de plus haute temp´erature qui t´emoigne du d´eplacement de la zone focalis´ee sous l’effet de la temp´erature. Mais ce d´eplacement est ralenti sinon bloqu´e par l’effet de la r´esistance de base. Notons que dans les conditions de tr`es forte densit´e de courant, la principale diff´erence entre les simulations selon la longueur et la largeur d’´emetteur r´eside dans la pr´esence ou non d’un contact liant localement la r´egion P de base au potentiel de masse. La robustesse d’un composant dont la base serait laiss´ee flottante est donc potentiellement sup´erieure. Toutefois, les contraintes de conception demandent de garantir la passivit´e du composant de protection lors du fonctionnement normal du circuit. Les risques de perturbations, lors de transitoires rapides par exemple, sont trop ´elev´es pour permettre l’utilisation d’un transistor `a base flottante ou quasi-flottante (en la liant `a la masse par une r´esistance de forte valeur).

3.4 Augmentation de la profondeur de la r´egion de base effective

Les transistors bipolaires NPN poss´edant un collecteur faiblement dop´e rendent possible la conception de composant dont la profondeur de base effective (W_{bef f}) `a fort courant peut ˆetre bien sup´erieure `a la base physique (W_b).W_{bef f} peut ˆetre ajust´e en modifiant la profondeur W_i de la r´egion faiblement dop´ee de collecteur (Fig. 3.11). Hors probl`eme de r´ealisation, nous allons montrer dans quelles mesures le d´ecouplage thermique entre la r´egion chaude de collecteur et la jonction E-B peut ˆetre obtenu. Puis, nous ´etudierons l’impact de l’´elargissement de la profondeur effective de base sur la distribution du courant dans la structure.

3.4.1 D´ecouplage thermique

Nous avons montr´e au chapitre pr´ec´edent que l’impact de la temp´erature `a la jonction ´

emetteur-base conduit `a une augmentation du courant dans la zone ´echauff´ee. L’´echauffement de la jonction E-B peut donc induire une focalisation du courant.

N− n p W_i C dissipation thermique R´egion de forte Wb_{ef f} N⁺⁺ N⁺⁺ E W_b B P

Fig. 3.11 – Profils des porteurs libres (´electrons n et trous p) `a forte densit´e de courant dans un transistor NPN `a collecteur faiblement dop´e.

La r´egion de transition entre le collecteur faiblement et fortement dop´e, si`ege d’un fort champ ´

electrique, dissipe une importante quantit´e de chaleur qui va diffuser dans le milieu environnant. Compte tenu du coefficient de diffusion thermique du siliciumD= 0,09µm²/ns,^√Dtdonne la distance parcourue par le flux de chaleur en fonction du temps. Pour une impulsion de 200 ns, la chaleur aura donc diffus´e d’une distance de l’ordre de 4µm. Au-del`a d’une distance de 10µmde la source de chaleur, l’´el´evation de temp´erature devient totalement n´egligeable durant la dur´ee de l’impulsion [118]. Ceci nous donne un ordre de grandeur de la distanceW_{bef f} n´ecessaire pour assurer un bon d´ecouplage thermique entre la r´egion chaude du collecteur et la jonction E-B au cours d’un transitoire de courant ESD.

3.4.2 D´ecouplage ´electrique

Afin de limiter l’´etude aux seuls aspects ´electriques, les simulations physiques suivantes sont r´ealis´ees dans des conditions isothermes. Pour r´eduire les temps de calculs, seule une moiti´e de la longueur d’´emetteur est simul´ee, les conditions de simulation restant par ailleurs identiques aux pr´ec´edentes.

La r´epartition de la densit´e de courant obtenue au pic du courant de d´echarge est repr´esent´ee sur la figure 3.12(a) pour la structure originale (fort couplage) et dans la figure 3.12(b) pour une profondeur de base effective (W_{bef f}) ´elargie par l’augmentation de l’´epaisseur de la couche ´

epitaxi´ee. Aucun mouvement de la zone de forte densit´e de courant n’est observ´e, ce qui corrobore l’origine thermique de son mouvement.

L’impact de l’´elargissement de la base effective apparaˆıt clairement sur la figure 3.12. La fo-calisation du courant `a la jonction effective collecteur-base (J ON Cef f) est peu modifi´ee. Comme nous l’avons vu, cette focalisation d´epend principalement de la r´esistance s´erie de collecteur. En revanche, l’uniformit´e de la distribution du courant sous l’´emetteur est largement am´elior´ee. Les coupes des densit´es de courant et du potentiel sous l’´emetteur (Fig. 3.13) t´emoignent de l’uniformisation du courant.

La constriction du courant sous l’´emetteur est donc l’image de la focalisation du courant `a la jonction effective. La s´eparation spatiale du lieu de multiplication par avalanche et du ph´enom`ene d’injection `a la jonction E-B permet de b´en´eficier de la d´ecroissance de l’efficacit´e d’injection (du gain du bipolaire) avec l’augmentation de la densit´e de courant. Ce dernier ph´enom`ene tend `

a uniformiser le courant dans la jonction E-B de la mˆeme mani`ere que la r´esistance de ballast d’´emetteur. De plus, le d´ecouplage ´electrique permettra `a la r´egion de forte densit´e de courant de se d´eplacer plus facilement sous l’effet de la temp´erature.

La tension de maintien n’est pas significativement augment´ee par l’´elargissement de la r´egion de base (Fig. 3.14). En effet, la chute de potentiel dans la longueur suppl´ementaire de la r´egion de base, qui est en r´egime de tr`es forte injection, est particuli`erement faible.

3.4. Augmentation de la profondeur de la r´egion de base effective J ON C_{ef f} J ON C_{ef f} Wb Wb Wbef f Wbef f (a) (b) E E C C

Fig.3.12 – Simulation ´electrique bidimensionnelle de l’influence du d´ecouplage entre l’´emetteur et la r´egion de g´en´eration par avalanche. La densit´e de courant est repr´esent´ee dans le cas d’un fort couplage (a), et d’un faible couplage (b).

0 5 10 15 20 25

Largeur (µm)

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

Potentiel (V)

Potentiel fort couplage

Potentiel faible couplage

0

1e+05

2e+05

3e+05

4e+05

5e+05

Champ électrique (V/cm)

J fort couplage

J faible couplage

Bord émetteur

Fig. 3.13 – Coupe de la tension et de la densit´e de courant dans la base sous l’´emetteur dans la figure 3.12. Dans le cas d’un fort et d’un faible couplage entre ´emetteur et la r´egion de g´en´eration par avalanche.

L’effet positif de l’´elargissement de la base effective sur la distribution du courant vient d’ˆetre d´emontr´e. En revanche, il entraˆıne une importante augmentation de la tension de repliement Vt1, qui passe de 65 V `a 200 V au regard des r´esultats de simulation sur la structure simplifi´ee (Fig. 3.14). Cette augmentation d´ecoule de l’approfondissement de la r´egion faiblement dop´ee de collecteur (W<sub>i</sub>) qui, comme nous l’avons montr´e `a la section 3.3.1, influe directement sur la tension maximale avant le repliement. Cet aspect ne limitera pas la robustesse intrins`eque du transistor car il correspond `a un r´egime de relativement faible densit´e de courant o`u le courant est pratiquement uniforme dans le composant. En revanche, la diode de d´eclenchement (jonction

0 1e-08 2e-08 3e-08 4e-08 5e-08

Temps (s)

0

50

100

150

200

Potentiel (V) ^V_V

^C

^{faible couplage}

C

fort couplage

0

1

2

3

Courant (A)

I

C

Fig. 3.14 – Variation de la tension de collecteur en fonction du temps, simul´ee pour un stress HBM de 2kV, dans le cas d’un fort et d’un faible couplage entre l’´emetteur et la r´egion d’ava-lanche.

P⁺⁺/N⁻dans la coupe selon la largeur de l’´emetteur Fig. 3.1) pourrait ˆetre d´egrad´ee. De plus, la pr´esence de la surtension limite les possibilit´es d’utilisation du transistor. Il faudra donc envisager des techniques pour la r´eduire.

3.5 Influence du profil de dopage de collecteur sur la tension de

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