Destruction du composant : aspect thermique

2.6.1 Chemin vers la destruction du composant

Si l’ajout d’une r´esistance de ballast permet de limiter la densit´e de courant maximale en d´ebut de d´echarge et d’´eviter une destruction pr´ematur´ee, son rˆole est aussi tr`es important dans la stabilisation thermique du composant `a plus fortes densit´es de courant. Il est important de souligner ici que nous avons affaire `a un syst`eme physique qui est tr`es ´eloign´e de son ´equilibre thermodynamique. Mˆeme si `a premi`ere vue le courant se distribue de mani`ere uniforme dans le composant, il existe au cours du temps de fortes fluctuations de la densit´e de courant. La ro-bustesse du dispositif r´eside dans sa capacit´e `a limiter l’amplitude de ces fluctuations. En effet, si cette amplitude est trop importante, les ´el´evations locales de temp´erature vont pr´ecipiter la destruction du composant en initialisant pr´ecocement le ph´enom`ene de second claquage ther-mique. La r´esistance de ballast permet de limiter cette amplitude maximum. S’il apparaˆıt une augmentation locale de la densit´e de courant due `a un ´echauffement, elle est compens´ee par la

2.6. Destruction du composant : aspect thermique

Fig. 2.23 – Images EMMI du transistor de distance DCG 5,2 µm (rang´ee du haut) et de celui de distance DCG de 8,2 µm (rang´e du bas) pour des valeurs de courant statiques de 50, 70 et 100 mA de gauche `a droite.

chute de tension dans la r´esistance de ballast qui d´epolarise cette r´egion et concourt ainsi `a la stabilisation thermique de l’ensemble.

Le m´ecanisme de d´egradation des transistors NMOS `a ´et´e ´etudi´e par Pascal SALOME dans [96] `a partir des r´esultats d’analyse de d´efaillance. Nous allons rapidement r´esumer les r´esultats pr´esent´es dans sa th`ese de doctorat [58]. Il apparaˆıt que les d´efauts sont initialis´es `a la jonction collecteur-base et d´ecoulent du second claquage thermique. Ces d´efauts initiaux se traduisent par une l´eg`ere augmentation du courant de fuite du composant et ne semblent pas ˆetre catas-trophiques vis-`a-vis de la fiabilit´e [97]. En particulier, ils ne sont pas un site privil´egi´e pour un nouveau d´efaut lors de stress suivants. Ces d´efaut sont qualifi´es de «soft breakdown». Pour des stress plus longs ou plus intenses, les d´efauts initialis´es `a la jonction collecteur-base entraˆınent la focalisation du courant d’´emetteur. Il apparaˆıt alors un nouveau d´efaut dans la jonction ´

emetteur-base. Lorsque les deux d´efaut se rejoignent, il forment un filament qui court-circuite le drain et la source. Cette d´efaillance, qui se traduit par un courant de fuite important, est qualifi´e de «hard breakdown».

L’utilisation du mod`ele semi-analytique permet d’´etudier l’impact de la temp´erature sur les diff´erentes r´egions ´electriques ind´ependamment. Si l’on reprend le mod`ele d’un TBA par la mise en parall`ele de transistors ´el´ementaires associ´es `a leurs r´esistances de ballast (Fig. 2.19), nous pouvons ´etudier l’effet de l’´echauffement de la r´egion d’´emetteur ou de collecteur du transistor de l’une des sections.

du param`etre de recombinaison d’´emetteur h<sub>E</sub> [98]. La figure 2.24 montre l’impact de cette diminution sur la tension aux bornes d’une section en fonction de la densit´e de courant. Le param`etre de recombinaison d’´emetteur est de 1,5 10⁻¹⁴ pour la courbe originale. Pour une augmentation de temp´erature de 200 K, ce param`etre est r´eduit `a 1 10⁻¹⁴(courbe ”h_E” Fig. 2.24). Pour une tension donn´ee de 8 V, l’´echauffement entraˆıne un accroissement de la densit´e de courant (Fig. 2.24). L’emballement thermique peut alors entraˆıner une focalisation du courant dans cette section.

Pour une augmentation de temp´erature de 200 K dans la r´egion de collecteur, les coefficients de multiplication par avalanche sont r´eduits de moiti´e environ. Dans ces conditions, on constate une diminution de la densit´e de courant (courbe ”avalanche” Fig. 2.24) dans la section ´echauff´ee, qui tend `a limiter l’emballement thermique et la focalisation du courant dans la section.

1×10⁴ 1×10⁵ 1×10⁶

J

(A/cm²)

Vav (V)

Avalanche

orig

h

Fig. 2.24 – Effet de la temp´erature de 200 K sur la tension aux bornes de la zone d’avalanche en fonction de la densit´e de courant. Courbe originale (orig) (T=300 K). Effet de la diminution du param`etre de recombinaison d’´emetteur (h<sub>E</sub>), et de la diminution des param`etres d’avalanche A_n etA_p (avalanche), pour une augmentation de la temp´erature de 200 K dans ces r´egions.

2.6.2 Proposition d’un nouveau type de composant

Le couplage thermique de la zone d’avalanche qui est tr`es chaude, avec la jonction ´ emetteur-base, apparaˆıt comme un ph´enom`ene qui peut pr´ecipiter la destruction du composant. De plus, on peut intuitivement comprendre que le fort couplage ´electrique des deux ph´enom`enes de mul-tiplication que sont l’effet bipolaire et la mulmul-tiplication par avalanche favorise la concentration spatiale du courant. La r´egion de collecteur, qui est la r´egion la plus chaude du composant lors d’un stress ESD, poss`ede la propri´et´e d’´eviter l’emballement thermique, contrairement `a la r´egion d’´emetteur qui va le favoriser. Un dispositif dans lequel les couplages ´electriques et thermique entre la jonction ´emetteur-base et la r´egion de collecteur seraient fortement diminu´es, doit poss´eder une forte robustesse aux ESD. Pour obtenir un d´ecouplage important, il est n´ e-cessaire d’´eloigner significativement la jonction ´emetteur-base de la r´egion de multiplication par avalanche, ce qui revient `a augmenter la profondeur de base effective du TBA.

D’apr`es les r´esultats obtenus au moyen du mod`ele semi-analytique, seuls les transistors NPN sont de bons candidats pour r´ealiser ce type de composant. Leur tension de maintien n’augmente pas rapidement lorsque leur profondeur de base est agrandie contrairement au transistor bipolaire

2.7. Conclusion et perspectives