Protection ESD pour MESFET SiC

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Submitted on 30 Jun 2016

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Protection ESD pour MESFET SiC

Tanguy Phulpin, Karine Isoird, David Trémouilles, Patrick Austin

To cite this version:

Tanguy Phulpin, Karine Isoird, David Trémouilles, Patrick Austin. Protection ESD pour MESFET SiC. Journées Intégration et Systèmes de Puissance 3D (ISP3D), Mar 2015, Tours, France. 2015.

�hal-01339804�

Source Drain Body Gate

Protection ESD pour MESFET SiC

T.PHULPIN, K.ISOIRD, D.TREMOUILLES, P. AUSTIN

1 CNRS ; LAAS ; 7 avenue du colonel Roche, F-31077 Toulouse, France Tel : 05 61 33 64 47

E-Mail : tphulpin@laas.fr

Trois MESFETs conçus au laboratoire Ampère (Lyon) et réalisé au CNM (Barcelone)

Ces MESFETs sont dédiés à la réalisation de driver monolithique de JFET de puissance en SiC, travaillant en environnement sévère (>300 °C)

• Composants SiC prometteurs pour électronique embarquée de puissance: fonctionne à plus haute fréquence, à plus haute tension et à plus haute température.

• ESD, problèmes majeurs de fiabilité sur les circuits intégrés.

• Etude TLP afin de qualifier un Mesfet pour des applications (de puissance, de signal, de fonctions logiques) et ainsi faciliter sa mise sur le marché et son développement.

• Solution de robustesse aux ESD: utilisation d’une diode Zener

Test TLP selon le modèle HBM

Conclusions

Afin de tester les MESFETs, on utilise un testeur Transmission Line Pulse:

• Impulsion électriques de 100ns, impédance de source 50Ω

• Les électrodes Body&gate sont flottantes

• Température ambiante

• On incrémente l’amplitude du pulse jusqu’à destruction ou changement des caractéristiques (+/-10% / initiales)

Grille

Observation après coupe FIB

• Une structure de protection ESD a été conçue pour protéger des MESFETS en SiC. Les travaux ont portés sur l’amélioration de cette structure.

• Deux types de défauts ont été observés:

 Un lié à l’oxyde de passivation,

 L’autre lié au déclenchement d’un transistor parasite et à une mauvaise répartition du courant lié à la résistance répartie de sa base.

• Considérable amélioration de la robustesse aux ESDs de ce driver de puissance (en passant de 20mA à 1A).

• Les caractéristiques de ce composant ouvre la porte aux applications embarqués tels que dans le ferroviaire, l’automobile ou le spatial

Défaillance

Résultat du test TLP sur MZD:

=>Claquage simultané aux jonction PN, à l’angle du drain

Gate

Drain Source

• Via

• Metal 1

• Metal 2

• contact

Gate

Layout et localisation du défaut

Schéma explicatif pour la différence de potentiel entre le métal deux et le SiC

Zener on source, MR Schottky on drain, MSD Zener on drain, MZD

• P+

• Schottky metal

• N+

• Ohmic metal

Source Gate

Drain

Gate Drain

Source

Body

Body Body

Semi- insulating

layer P layer

4,5μm 5.10

cm

N channel 0,5μm 10

cm

P+

4.10

cm

N+

3.10

cm

DRAIN GATE BODY

SOURCE

DEFAILLANCE

MR et MSD ont des résultats similaires:

=> Fusion de la métallisation de l’électrode de drain.

Localisation de défaillances

Claquage de l’oxyde pour MR et MSD

Coupe MEB après une opération FIB

Déclenchement de transistor parasite pour MZD

• Déclenchement d’un NPN parasite entre la source (N), l’épaisseur d’isolation (P) et le drain (N).

• Le dopage du body implique une résistance répartie du body.

• Cette résistance répartie implique une focalisation du courant aux jonctions PN, à l’extrémité de la plaque de champ de l’électrode de drain

• Le NPN est modélisé par plusieurs transistors répartis.

• Composant MR et MSD : claquage soudain

• Composant MZD supporte 1 A avant destruction

Caractéristique I(V)

Source Gate Drain Source Gate Drain

N+

P layer 5.10¹⁵cm^-3

Semi insulating N layer 10¹⁷cm^-3 N+

Source Gate Drain

Metal3 Metal2 Metal1

Nickel

SiO2_3 SiO2_2 SiO2_1 Body

Body

P+ P+

X=300A°

X=200A°

X=1000A°

X=4,5um X=500A°

Body Body Body Body

Drain N+ Body P+

Body P+ Zener Source N+

Zener

Metal schottky