Dégradations et défauts de l’IGBT modes de défaillance d’une cellule de
2.3. Présentation de l’objet d’étude (composant de puissance)
2.3.3 Procédé de fabrication : du wafer au module IGB T complet
Maintenant que nous avons vu les différentes technologies sur lesquelles sont basés les composants de puissance, nous allons nous intéresser aux techniques mises en œuvre pour leurs conceptions. Dans notre étude de fiabilité, nous devons tenir compte de tous ces aspects. Les puces IGBT, par exemple, conçues selon des architectures différentes (Trench Gate, couche épitaxié…) ont peut-être des taux de défaillance différents. Pour une technologie de module IGBT bien précis, les différents procédés de fabrication, techniques et matériaux utilisés ont peut-être aussi une influence sur le taux de défaillance du composant. Il est nécessaire de faire un bref rappel des ces différentes techniques (dopage, passivation, encapsulation, connexions…) [Leclercq].
2.3.3.1 Formation des jonctions
Ces techniques sont mises en œuvre sur des barreaux de silicium dopé N-. Les couches P et N sont obtenues par formation d’une sous-couche qui présentera le dopage approprié par l’introduction des impuretés de dopage dans le matériau de base.
Les techniques de formation de ces couches dépendent du type de dopant utilisé. Les plus couramment utilisées aujourd’hui sont décrites si dessous.
a) L’épitaxie
Ce procédé permet de former de fines couches de semi-conducteur dopé sur un substrat de même nature, tout en préservant sa structure cristalline. Cela est réalisé dans des réacteurs d’épitaxie, à température contrôlée, le substrat est soumis au flux d’un composé gazeux du silicium additionné d’un composé gazeux de l’agent dopant. La couche croit de manière progressive (2 à 2.5 µm/min pour des épaisseurs de 10 à 200µm). Ce procédé demande que l’état de surface du substrat soit parfait sous peine d’amplifier la moindre imperfection.
b) La diffusion
Dans ce procédé, le substrat est placé dans un tube de quartz avec l’agent dopant sous atmosphère contrôlée. Ce tube est placé dans un four à diffusion et porté à une température de l’ordre de 1200°C. Il existe deux techniques : soit le tube de quartz est scellé, alors l’agent dopant est utilisé sous forme de poudre ou de copeaux. Lors du chauffage, l’agent dopant se vaporise dans le gaz et diffuse dans le silicium. Une autre technique consiste à ne pas sceller le tube. Dans ce cas là, le substrat est soumis au flux d’un gaz. L’agent dopant peut être apporté par le gaz ou être déjà présent sous forme solide.
c) L’implantation ionique
L’implantation ionique consiste à projeter sur la pastille de silicium un faisceau d’ions de forte énergie (≅ 100 KeV). En électronique de puissance, cette technique est utilisée pour certains dispositifs dans lesquels les profondeurs de pénétration sont très faibles par rapport à leurs dimensions. Elle peut être utilisée pour créer une source de dopage parfaitement définie, source qui sera redistribuée pour produire une couche diffusée dont le profil est ainsi contrôlé.
d) l’oxydation thermique
La formation d’une couche de dioxyde de silicium peut être nécessaire pour plusieurs raisons : formation d’une couche de masquage, opération de diffusion sélective de phosphore ou de bore, passivation d’une surface, création d’une couche isolante entre grille et source dans des dispositifs MOS, ... Cette oxydation s’effectue à chaud (≅ 1200°C), en soumettant la plaquette de silicium à un flux d’oxygène. Suivant
Vce Ic
Vce Ic
que celui-ci est pur (oxydation sèche) ou chargé de vapeur d’eau (oxydation humide), la vitesse de formation de la couche varie beaucoup (0.5 µm en 6 heures à 0.5µm en 18 minutes).
e) Masquage, création de motifs
Tous les dispositifs semi-conducteurs de puissance nécessitent la réalisation sélective de certaines opérations sur des zones bien délimitées. Les techniques de masquage utilisées peuvent être la sérigraphie ou la photolithographie. Cette dernière technique, plus coûteuse, permet d’obtenir une précision plus importante. Il faut déposer sélectivement à la surface de la pastille une substance protectrice avant une attaque chimique. Celle-ci peut avoir pour but d’ouvrir des fenêtres dans une couche d’oxyde ou de supprimer une couche déposée pour accéder à la couche sous-jacente.
f) Le contrôle de durée de vie des porteurs
Les dispositifs de puissance à quatre couches peuvent nécessiter une maîtrise parfaite de la durée de vie des porteurs minoritaires afin d’obtenir les performances recherchées. Ceci a été exposé plus haut dans le cas de l’IGBT de type PT. Cette durée de vie est fortement liée à la présence dans le cristal d’impuretés ou de défauts qui agissent comme des centres recombinants. Une durée de vie trop courte génère une chute de tension directe importante, par contre, une durée de vie trop importante amène une augmentation des temps de blocage et de la charge recouvrée. Des précautions doivent être prises lors des différents stades de fabrication de la puce afin de ne pas dégrader la pureté initiale du silicium. Il est possible, pour augmenter cette durée de vie, de faire migrer par diffusion solide à haute température les impuretés déjà présentes dans la couche concernée, vers des zones périphériques moins sensibles. Pour diminuer cette durée de vie, on procède par diffusion d’or pour des dispositifs faibles tension (< 1000V), ou par des techniques d’irradiation pour des dispositifs haute tension. Cette dernière technique consiste à bombarder la zone concernée par un faisceau d’électrons entre 2 et 20 MeV, un rayonnement γ entre 1 et 100 Mrad ou un faisceau de protons à quelques MeV. Ce bombardement provoque, dans le cristal, des micro-dislocations qui agissent comme centres recombinants. Des études ont montré, par des moyens de simulation, qu’il est possible de modifier la vitesse de recombinaison des porteurs minoritaires dans la couche N- et la valeur de la résistance de la couche P+ grâce à une irradiation de la puce par des électrons. Ceci permet d’agir sur le courant de latch-up du transistor IGBT [Elmazria].
Toutes ces techniques sont utilisées pour la fabrication des puces IGBT et diodes. Ces puces subissent encore des étapes de traitement avant d’être encapsulées dans un boîtier.
2.3.3.2 Traitement des surfaces, préparation des connexions
a) Le contournage
Dans une jonction à l’état bloquée, le champ électrique dans le volume peut atteindre des valeurs de l’ordre de 10KV/mm et des phénomènes de rupture diélectrique en surface peuvent se produire (contournement de la puce). Pour éviter ceci, il faut biseauter la tranche de la pastille de silicium de façon à répartir, aussi uniformément que possible, les équipotentielles aux abords des puces.
b) La passivation
Cette opération consiste à recouvrir les surfaces libres du composant d’une couche de diélectrique. Celle-ci doit présenter une grande rigidité diélectrique, pour supporter des champs électriques intenses, une grande stabilité vis-à-vis des contraintes électriques, thermiques et mécaniques, et enfin assurer une bonne protection du silicium contre la pollution extérieure. Cette passivation peut être réalisée avant ou après les opérations de métallisation. Elle peut être de deux types :
- Passivation dure réalisée à haute température, avant métallisation, à partir de verre ou d’un système multicouche à base de silicium polycristallin dopé. Cette technique est utilisée pour des composants montés en boîtiers non étanches.
- Passivation tendre réalisée au moyen de caoutchoucs silicones, de résines et de polyamides qui sont appliqués à l’état liquide, puis polymérisés à des températures inférieures à 300°C. Cette technique, n’assurant qu’une faible protection contre la pollution, n’est utilisée que pour des composants montés en boîtiers étanches.
Comme nous le verrons plus tard, cette passivation peut avoir un effet bénéfique sur la fiabilité du module IGBT, au niveau des métallisations des puces IGBT (cf. mode de défaillance).
c) La métallisation
La prise de contacts sur une pastille de silicium nécessite une métallisation des zones concernées. Par un choix judicieux du métal utilisé et de la quantité de dopant dans le semi-conducteur, il est possible d’atténuer l’effet Schottky présent à l’interface entre le métal et le semi-conducteur (différence entre le niveau de Fermi du semi-conducteur et la bande de valence du métal en contact, limitant le passage des porteurs de charges), ce qui rend le contact symétrique et faiblement résistif. Les techniques les plus couramment utilisées sont :
- dépôt d’aluminium ou de nickel par évaporation sous vide, - dépôt chimique d’or,
-
technique de frittage consistant à presser le métal contre le silicium, sous une température inférieure à la température de fusion du métal, de façon à créer une pénétration de ce métal dans le silicium.Le choix de la technique de métallisation dépend du type de prise de contact et d’encapsulation des puces. d) La connexion
Dans le cas d’une encapsulation de type module de puissance (puces placées sur un substrat isolant), les techniques de prise de connexions sont les suivantes :
- Le soudage de fil par thermocompression ultrasonique (bonding) utilise un ou plusieurs fils d’or ou d’aluminium écrasés sur un dépôt du même métal. C‘est la technique utilisée pour relier les puces aux connecteurs extérieurs du boîtier. Nous verrons plus tard que cette technique de prise de contacts peut induire des défaillances à cours ou moyen terme (cf. paragraphe sur le cyclage). - Le brasage dit “tendre” est réalisé sur une pièce de contact, généralement en cuivre, avec un
matériau à basse température de fusion (entre 180°C et 300°C) : étain-plomb, plomb-indium- argent, … Dans ce cas, la surface de la pastille de silicium est métallisée au nickel de façon à présenter une mouillabilité importante. Cette technique permet d’absorber par déformation plastique les efforts entre la puce et le substrat, efforts dus aux différences de coefficient de dilatation entre les matériaux de ces deux couches. Par contre, dans le cas de déformations de grande amplitude et de fréquence importante (cyclage thermique), cette couche de brasure peut présenter un risque de dégradation. Cette technique de brasage, très économique, est limitée aux dispositifs de faibles dimensions, car elle présente une tenue au cyclage limitée.
2.3.3.3 L’encapsulation
Afin de pouvoir être facilement intégrées dans un équipement, les puces IGBT et diodes formant un interrupteur de puissance sont placées dans un boîtier. Pour les composants de type “bras d’onduleurs”, les quatre puces IGBT et diodes sont brasées sur le même substrat isolant. Cette technique dite DCB (Direct Copper Bonding) consiste à recouvrir d’une feuille de cuivre, les deux faces d’une plaquette d’alumine servant à isoler électriquement les puces entre elles, ainsi que les puces du système de refroidissement. Sur l’une des faces, la feuille de cuivre peut être photogravée pour former des plages conductrices dissociées, puis nickelées. Sur ces plages peuvent être réalisés directement le brasage tendre des pastilles de silicium et les connexions de fils par bonding vers les connecteurs extérieurs. De l’autre côté, cet assemblage est brasé sur une semelle en cuivre de plusieurs millimètres d’épaisseur. Cette semelle tient lieu de support mécanique au composant mais aussi permet l’évacuation des pertes générées par les puces. Le boîtier est complété par un capot en plastique supportant les connexions extérieures, et par un gel silicone remplissant l’intérieur du module. La figure II.10 nous montre la structure complète d’un module IGBT de type bras d’onduleur.
Nous avons énuméré les différents procédés appliqués au wafer de silicium afin d’obtenir un module IGBT complet. Ces différentes étapes de fabrication font intervenir plusieurs types de matériaux totalement différents (silicium, aluminium, composés gazeux…) sous des températures très importantes, proches de la température de fusion du silicium (1420°C) : 1200°C pour réaliser une diffusion par exemple. Ces opérations très nombreuses, peuvent générer des micro-défauts d’origine chimique ou structurelle pouvant dégrader la fiabilité du composant. Des tests de déverminage sont menés par les constructeurs afin d’écarter de la vente les lots de composants ayant un défaut de fabrication.
Néanmoins, toutes ces étapes de fabrication peuvent avoir une influence sur la fiabilité “à long terme” des composants. Pour abonder dans ce sens, beaucoup d’études ont été menées sur la fiabilité des oxydes de grille des composants de type MOS. Comme nous le verrons à la fin du paragraphe 2.3.6, le vieillissement de ces oxydes est lié à la présence de site de défaut induit par l’oxydation thermique du silicium.
E2 E1C2 C1 G bonding Substrat en nitrure d’aluminium AlN ou en alumine (AL2O3) Puces IGBT + diode Semelle en cuivre Gel silicone
Boîtier (époxy) bonding
Puce silicium Brasure Substrat Métallisation cuivre Terminaison de jonction Passivation Semelle en cuivre Métallisation
Figure II.10 : Module IGBT complet : packaging et montage d’une puce
Un moyen de pouvoir connaître cette influence consiste à mener une campagne d’essais de fiabilité comme nous l’avons défini précédemment (cf. chapitre I), et à effectuer des analyses post-défaillances fines des modules IGBT. Ces analyses seront corrélées avec la campagne de suivi des caractéristiques de chaque puce.