Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication de composants de puissance en carbure de silicium

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1 N d ordre 2006-ISAL Année 2006 Thèse Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication de composants de puissance en carbure de silicium Présentée devant L institut national des sciences appliquées de Lyon Pour obtenir Le grade de docteur Formation doctorale : Génie électrique Ecole doctorale : Ecole doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique de lyon Par Heu VANG Ingénieur INSA Soutenue le 18 décembre 2006 devant la Commission d examen Jury MM. M. AMIET Ingénieur (DGA) Membre invité J. CAMASSEL Directeur de recherche (CNRS) Rapporteur J.-P. CHANTE Professeur (INSA Lyon) Président P. GODIGNON Professeur (CNM Barcelone) Rapporteur Mme M.-L. LOCATELLI Chargé de recherche (CNRS) D.PLANSON Professeur (INSA Lyon) Directeur S. SCHARNHOLZ Docteur (ISL)

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3 2006 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE E2MC E.E.A. E2M2 EDIIS EDISS Math IF MEGA CHIMIE DE LYON Responsable : M. Denis SINOU ECONOMIE, ESPACE ET MODELISATION DES COMPORTEMENTS Responsable : M. Alain BONNAFOUS ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE M. Daniel BARBIER EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION M. Jean-Pierre FLANDROIS INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR LA SOCIETE M. Lionel BRUNIE INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE M. Alain Jean COZZONE MATERIAUX DE LYON M. Jacques JOSEPH MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE FONDAMENTALE M. Franck WAGNER MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE M. François SIDOROFF M. Denis SINOU Université Claude Bernard Lyon 1 Lab Synthèse Asymétrique UMR UCB/CNRS 5622 Bât ème étage 43 bd du 11 novembre VILLEURBANNE Cedex Tél : Fax : sinou@univ-lyon1.fr M. Alain BONNAFOUS Université Lyon 2 14 avenue Berthelot MRASH M. Alain BONNAFOUS Laboratoire d Economie des Transports LYON Cedex 07 Tél : Alain.bonnafous ish-lyon.cnrs.fr M. Daniel BARBIER INSA DE LYON Laboratoire Physique de la Matière Bâtiment Blaise Pascal VILLEURBANNE Cedex Tél : Fax Daniel.Barbier@insa-lyon.fr M. Jean-Pierre FLANDROIS UMR 5558 Biométrie et Biologie Evolutive Equipe Dynamique des Populations Bactériennes Faculté de Médecine Lyon-Sud Laboratoire de Bactériologie BP OULLINS Tél : Fax E2m2 biomserv.univ-lyon1.fr M. Lionel BRUNIE INSA DE LYON EDIIS Bâtiment Blaise Pascal VILLEURBANNE Cedex Tél : Fax ediis@insa-lyon.fr M. Alain Jean COZZONE IBCP (UCBL1) 7 passage du Vercors LYON Cedex 07 Tél : Fax : cozzone@ibcp.fr M. Jacques JOSEPH Ecole Centrale de Lyon Bât F7 Lab. Sciences et Techniques des Matériaux et des Surfaces 36 Avenue Guy de Collongue BP ECULLY Cedex Tél : Fax Jacques.Joseph@ec-lyon.fr M. Franck WAGNER Université Claude Bernard Lyon1 Institut Girard Desargues UMR 5028 MATHEMATIQUES Bâtiment Doyen Jean Braconnier Bureau 101 Bis, 1 er étage VILLEURBANNE Cedex Tél : Fax : wagner@desargues.univ-lyon1.fr M. François SIDOROFF Ecole Centrale de Lyon Lab. Tribologie et Dynamique des Systêmes 36 avenue Guy de Collongue BP ECULLY Cedex Tél : Fax : Francois.Sidoroff@ec-lyon.fr Bât G8

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5 A ma mère, à mon père A ma famille

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7 Remerciements Remerciements Je voudrais tout d abord présenter mes plus sincères remerciements à M. Philippe GODIGNON et M. Jean CAMASSEL de m avoir fait l honneur d être les rapporteurs de mon travail. Cette thèse s est déroulée au sein du Laboratoire Ampère (anciennement CEGELY) de l Institut National des Sciences Appliquées de Lyon sous la direction de M. Dominique PLANSON. Ce travail a été possible grâce aux soutiens financiers de l Institut franco-allemand de recherche de Saint-Louis (ISL) et de la Délégation Générale à l Armement (DGA). Je tenais à remercier à ce titre, M. Emil SPAHN de l ISL et M. Michel AMIET de la DGA, pour m avoir permis de mener à bien cette thèse. Je voudrais témoigner toute ma gratitude au Professeur Jean-Pierre CHANTE, de m avoir suivi pendant toute cette thèse mais également depuis mon premier passage au CEGELY en 2000 lors d un stage. Je remercie tout particulièrement Dominique PLANSON de m avoir dirigé et conseillé durant cette thèse. Puis, je remercie également Sigo SCHARNHOLZ pour sa co-direction avec ses conseils très précieux et, son amitié. Je n oublie pas Pierre BROSSELARD, la personne à l origine de cette thèse mais également pour ses nombreux conseils et son aide tout au long de ses 3 années, je lui adresse un grand merci. De plus, ce travail n aurait pu être mené à bien sans l aide de toute l équipe SiC composé également de Mihai LAZAR et Christophe RAYNAUD que je tiens à remercier. Mais surtout ce travail a été possible avec l aide précieuse de l Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL, anciennement LEOM) pour l accès aux équipements en salle blanche. Et je tenais particulièrement à remercier Jean- Louis LECLERCQ et Pierre CREMILLIEU de leurs aides et disponibilités. Je

8 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC remercie aussi Jean-Marie BLUET pour son aide pour les étapes d oxydation thermique. Toujours pour les réalisations, je voudrais encore remercier M. Philippe GODIGNON sans qui une partie de ses travaux n aurait pu être aboutie, son aide pour les recuits métallisations a été indispensable. Bien entendu, un grand merci à tout le personnel du CEGELY que j ai côtoyé durant les deux dernières années. Et puis je souhaiterais également remercier tout le personnel du LEOM qui m a accueilli comme un des leurs. Pour terminer, je voudrais remercier toute l équipe EHI de l ISL pour leur accueil chaleureux.

9 Sommaire Sommaire Nomenclature Introduction générale Chapitre I : Le carbure de silicium pour l électronique de puissance Les applications de l ISL Pourquoi le SiC? Un peu d histoire Propriétés du SiC Cristallographie Propriétés électriques Qualité des substrats SiC disponibles sur le marché Les composants de puissance Composants en silicium Les composants de puissance en SiC Présentation Diode Schottky SiC Diode bipolaire SiC Diode Merged PiN/Schottky barrier (MPS) MOSFET SiC JFET SiC Thyristor SiC Résumé INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 11

10 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC 4. Systèmes d électronique de puissance en SiC Conclusion Chapitre 2 : Technologie de fabrication Chimie Nettoyage Gravure de métaux Optimisation de la photolithographie Etat de l art de l épitaxie SiC Oxydation Origine des états d interface Etat de l art Développement d un procédé d oxydation Dopage localisé Présentation Implantation ionique Dopants Masque d implantation Optimisation du recuit post-implantation La gravure plasma SiC Introduction Le plasma Définition Propriété d un plasma Températures Fréquences du plasma Interaction d un plasma avec une surface Mécanisme de gravure Les principaux réacteurs plasmas Etat de l art de la gravure SiC Développement de la gravure du SiC avec un réacteur plasma RIE Présentation du réacteur RIE utilisé Gaz utilisés Masque de gravure Sélectivité Choix du masque Influence de la pression Procédé de gravure optimal Morphologie Heu VANG / thèse en génie Electrique

11 Sommaire Mécanisme de gravure Stries Micromasking Influence de la cathode Influence du masque de gravure Conclusion Contact ohmique sur SiC-4H Présentation Dépôt des métaux Théorie du contact métal - semi-conducteur Cas idéal Фm = Фs Фm < Фs Фm > Фs Cas réel Effet des états d interface Indice d ionicité Modes de conduction d un contact métal semi-conducteur Exemple du contact ohmique sur Silicium Mesure de la résistance spécifique Transmission Line Method (TLM) Circular Transimission Line Method (CTLM) Cross Bridge Kelvin Resistance (CBKR) Etat de l art du contact ohmique sur SiC Etat de l art du contact ohmique sur SiC-4H type N Etat de l art du contact ohmique sur SiC-4H type P Développement d un contact ohmique Ni/Al sur SiC-4H type P Préparation de la surface Composition du contact Recuit Morphologie du contact Formation du contact ohmique Conclusion Conclusion du chapitre Chapitre 3 : Conception et caractérisation de composants de puissance Modélisation Outil de simulation Modèle de la mobilité Modèle de la durée de vie des porteurs INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 13

12 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC 1.4. Coefficient d ionisation Conception de diodes haute tension Introduction Diodes avec une protection périphérique mesa Présentation Résultats de la simulation Diodes N+P-P+mesa Diodes P+N-N+ mesa Résumé Diodes avec une protection périphérique JTE Présentation Résultats de simulation Diodes JTE 6kV : plaque avec une épitaxie de 60 µm Diodes 1,2 kv : plaque avec une épitaxie de 11 µm Résumé Jeu de masque Conclusion Fabrication des dispositifs Caractérisation Banc de caractérisation Diodes bipolaires SiC avec une protection périphérique JTE Caractérisation diodes PiN JTE 1,2 kv En régime direct En régime inverse Conclusion Caractérisation diodes PiN SiC 6 kv En régime direct En régime inverse Conclusion Résumé Diodes bipolaires SiC avec une protection périphérique mesa Diodes mesas N+P-P+ 1,2 kv En régime direct En régime inverse Diodes mesas P+N-N+ 1,2 kv En régime direct En régime inverse Conclusion Conclusion du chapitre Heu VANG / thèse en génie Electrique

13 Sommaire Conclusion générale Bibliographie Annexe I : Process de fabrication des diodes JTE Annexe II : Process de fabrication des diodes mesas INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 15

14 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC 16 Heu VANG / thèse en génie Electrique

15 Nomenclature Nomenclature AFM BJT BOE BPD CBKR CTLM CVD DECR DLC DRX ECR GTO ICP IGBT JBS JFET JTE LPE MBE MCT MEB MJTE MOS MOSFET MPS NPT PECVD PFC PT RCA Atomic Force Microscope Base Junction Transistor Buffer Oxide Etch Basal Plane Dislocation Cross Bridge Kelvin Resistor Circular Transmission Line Method Chemical Vapour Deposition Distributed Electron Cyclotron Resonance Diode bobine (L) condensateur Diffraction à Rayon X Electron Cyclotron Resonance Gate Turn Off Inductively Coupled Plasma Insulated Gate Base Transistor Junction Barrier Schottky Junction Field Effect Transistor Junction Termination Edge Liquid Phase Epitaxy Molecular Beam Epitaxy MOS controlled Thyristor Microscope à Balayage Electronique Multi-step JTE Metal Oxide Semiconductor Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Merged PiN/Schottky barrier Non Punch Through Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition Power Factor Corrector Punch Through Radio Corporation America INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 17

16 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC RF RIE RIE RMS SEM SIMS SIPOS TED TLM ZCE Radio Frequency Reactive Ion Etching Reactive Ion Etching Root Mean Square Scanning Electron Microscope Secondary Ion Mass Spectroscopy Semi-Insulating POlycrystalline Silicon Threading Edge Dislocation Transmission Line Method Zone de Charge d Espace 18 Heu VANG / thèse en génie Electrique

17 Introduction Introduction générale Cette thèse a fait l objet d une collaboration entre le laboratoire Ampère (anciennement CEGELY) et l Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL). Le financement de cette thèse a été assuré par la Délégation Générale à l Armement (DGA) et l Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL). L'Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL) est un établissement binational exploité en commun par la République Fédérale d'allemagne et la République Française sur la base d'une convention signée en L'Institut a pour mission d'effectuer "des recherches et études scientifiques et techniques fondamentales d'armement" dans le domaine des armes classiques. Le travail de cette thèse fait partie des recherches sur les alimentations électriques impulsionnelles de très forte puissance. Le laboratoire Ampère de l Institut National des Sciences Appliquées de Lyon travaille sur les systèmes d électronique de puissance. Une équipe travaille depuis plus de 10 ans sur le carbure de silicium pour les composants électroniques de puissance. Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande d énergie interdite qui présente des propriétés physiques et électriques supérieures à celles du silicium pour les composants de puissance. Les différents travaux à travers le monde démontrent un avenir prometteur pour le SiC dans la prochaine génération des composants de puissance. Ainsi, il était donc tout naturel que l ISL s intéresse à l emploi de ce matériau pour ses applications électriques impulsionnelles de très forte puissance. L objectif de l utilisation de ces nouveaux composants est l amélioration des performances et une réduction de l encombrement des systèmes. La collaboration avec l équipe SiC du laboratoire Ampère INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 19

18 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC a pour objectif de développer et fabriquer des composants de puissance haute tension en SiC (5 kv). Le travail de cette thèse s articule autour de la mise en place d une technologie pour la fabrication de composants de puissance en carbure de silicium. Ces travaux se présentent également dans le cadre d un projet de plateforme technologique SiC lyonnaise. Il met à contribution les moyens de plusieurs laboratoires du pôle scientifique de Lyon. Ainsi le laboratoire Ampère dirige les opérations et travaille surtout sur la conception de composants. Et la majorité des travaux technologiques se font dans les salles blanches de l Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL). L étape de l implantation ionique est effectuée à l Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) de l Université Claude Bernard alors que le recuit post-implantation est réalisé au sein du laboratoire Ampère. Dans le premier chapitre, les enjeux de l utilisation du SiC pour les applications de l ISL sont présentés. Puis l état de l art des composants de puissance en SiC et de leur intégration mettra en évidence tout l intérêt de ce matériau pour l ISL. Cet état permettra également de définir les lacunes actuelles pour la finalisation des dispositifs en SiC. Ensuite dans un second chapitre figurent les travaux sur l optimisation de plusieurs étapes technologiques nécessaires à la fabrication des composants de puissance. La gravure plasma du SiC et la métallisation sur le SiC de type P feront l objet d une attention plus particulière. Enfin, pour terminer, dans la troisième partie, suite à la mise en place d une technologie de fabrication, la conception et la réalisation des composants de puissance en carbure de silicium sont décrites. Puis les caractérisations de ces dispositifs permettront de valider les optimisations apportées par ce travail. 20 Heu VANG / thèse en génie Electrique

19 Chapitre 1 Le SiC pour l électronique de puissance Le carbure de silicium pour l électronique de puissance 1 L Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL) s intéresse aux circuits électriques impulsionnelles de très fortes puissances pour des applications militaires. Les tensions appliquées sont supérieures à 10 kv et les courants dépassent les 100 ka. Actuellement, les composants actifs utilisés dans ces systèmes sont des composants en silicium. Les composants en silicium permettent d obtenir de très bonnes performances en basse tension (<1 kv). En haute tension (>5 kv), les pertes à l état passant deviennent importantes, les dispositifs chauffent et de gros systèmes de refroidissement sont indispensables au bon fonctionnement. Le silicium atteint aujourd hui ses limites dans nos besoins. Le carbure de silicium est un semi-conducteur à large bande interdite. Ses propriétés physiques exceptionnelles laissent présager des possibilités plus étendues que le silicium (Si) pour l électronique de puissance. Dans les hautes tensions (>10 kv), plusieurs composants en silicium doivent être mis en série ce qui est le cas à l ISL, alors qu avec le SiC, il sera alors théoriquement possible de réduire considérablement le nombre de composants. De plus ses capacités à fonctionner à haute température permettent d envisager de nouvelles applications mais également de réduire l encombrement des systèmes de refroidissement. En recherche, plusieurs démonstrateurs ont été réalisés et ils démontrent un avenir prometteur pour les composants de puissance en SiC. Les premiers composants SiC sont commercialisés depuis 2002 sous la forme de diodes schottky. INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 21

20 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Des systèmes à base de ces composants ont permis de mettre en évidence ses atouts avec, à la clef, une réduction des pertes très conséquente. Ces encourageantes démonstrations de l utilisation des composants en SiC permettent de motiver d avantage l intérêt de l ISL pour les applications impulsionnelles de puissance. Le but de ce premier chapitre est de montrer vers quels types de composants il est nécessaire de se tourner pour l application visée. Après la justification du choix du carbure de silicium comme semi-conducteur nous ferons un état de l art des composants ayant fait l objet de publications ou étant commercialisés ou en passe de l être. Cet état mettra aussi en évidence les étapes de fabrication qui restent encore à maîtriser pour améliorer les caractéristiques des dispositifs finaux. 1. Les applications de l ISL A l Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, le groupe de recherche EHI (Elektrische Hochleistungsimpulsanlagen : Alimentations électriques impulsionnelles) travaille sur les circuits électriques permettant de générer des impulsions électriques de très forte puissance [Lehm 03]. Une des applications visée est la protection active (Figure 1). Figure 1. Schéma de fonctionnement du dispositif de la protection active [Lehm 03]. C est un système de défense qui permet de dévier un projectile. Une détection radar permet de déterminer la trajectoire du projectile. L information est traitée et permet de calculer la position d interception avec une plaque blindée. Une commande est alors générée pour propulser la plaque dans la direction voulue. Ainsi, la génération d impulsions (<1 ms) électriques de puissance permet de projeter cette plaque en question. Etant donné le poids important de la plaque, la vitesse et la distance de projection, des puissances très importantes sont nécessaires. Les tensions sont de l ordre de 10 kv et les courants sont supérieurs à 100 ka. Les interrupteurs du circuit électrique de puissance doivent pouvoir contrôler de telles grandeurs. 22 Heu VANG / thèse en génie Electrique

21 Chapitre 1 Le SiC pour l électronique de puissance Une autre application de ces circuits impulsionnels de puissance est le lanceur à rail (Figure 2). Le système permet de propulser un projectile à l aide d énergie électrique. Le projectile est placé sur un rail composé de deux barres conductrices sur lesquelles on vient connecter plusieurs électrodes couplées à des alimentations qui génèrent des impulsions électriques de puissance. La première impulsion propulse le projectile. Ensuite les autres impulsions, réparties tout le long du rail, permettent de l accélérer. La vitesse du projectile en sortie du rail peut atteindre 3 km/s. Sur le plus grand démonstrateur dénommé Pegasus, le rail possède une longueur de 6 mètres et permet de propulser un projectile de 1 kg, l énergie totale utilisée est de 10 MJ. Figure 2. Schéma de fonctionnement du lanceur à rail [Lehm 03]. Actuellement, les composants actifs utilisés sont des diodes et des thyristors en silicium. Les inconvénients sont l assemblage de plusieurs composants en série nécessitant une commande complexe et surtout un système de refroidissement très imposant. Un module de 50 kj utilisé dans les circuits impulsionnels de puissance de l ISL est présenté sur la Figure 3. En arrière plan se trouve la capacité de stockage de l énergie électrique, au centre figurent les composants actifs (diodes et thyristors). La bobine du circuit est au premier plan. Figure 3. Module de commutation de 50 kj réalisé par l ISL pour les applications impulsionnelles de puissance [Lehm 03]. L ensemble pèse aux environs de 60 kg. Pour la protection active, le nombre ces modules peut atteindre cinq unités, alors que le lanceur à rail requiert 200 de ces modules. Le volume nécessaire pour stocker tous ces INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 23

22 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC équipements correspond à plusieurs milliers de mètres cube (Figure 4). Avec un tel encombrement, il est donc inenvisageable pour le moment de pouvoir réaliser un système transportable de ces dispositifs. Figure 4. Photo du lanceur à rail Pegasus [Lehm 03]. L objectif à terme est de pouvoir rendre ces applications mobiles. L ISL s est alors intéressé au SiC pour l optimisation de ses applications. En effet, l utilisation du SiC semble théoriquement pouvoir apporter une solution pour les composants actifs du système en vue d une réduction de l encombrement. Tout d abord il serait possible de réduire de manière significative le nombre de composants ce qui améliorera le rendement puis la commande sera également simplifiée et l encombrement s en retrouvera réduit. La capacité du SiC pour les hautes températures permettra d augmenter la température de jonction pour un fonctionnement en multi-coups puisque le système actuel en raison de l échauffement n autorise que des «tirs» en mono-coup. L ensemble de tous ces avantages pourra à l avenir permettre la mobilité des différents systèmes étudiées par l ISL. Le paragraphe suivant donne les éléments justifiants l intérêt de l ISL pour le SiC en vue de ses applications. 24 Heu VANG / thèse en génie Electrique

23 Chapitre 1 Le SiC pour l électronique de puissance 2. Pourquoi le SiC? 2.1. Un peu d histoire Les premières mentions du carbure de silicium (SiC) remontent à 1824, cette découverte est attribuée à Berzelius. Sur Terre, ce matériau n existe pas sous forme naturelle, la plupart des échantillons naturels sont d origine extraterrestre, apportés par des météorites. En 1905, Moissan découvrit un de ces échantillons sur une météorite [Mois 05], d où le nom donné par la suite : moissanite pour nommer le SiC. La première synthèse de cristaux SiC a été réalisée par Acheson en 1892 [Ache 92]. Le résultat est le fruit d une tentative de synthèse accidentelle du diamant. Dès 1907, Round réalisa la première diode électroluminescente en SiC [Roun 07]. En 1955, Lely développa une méthode de synthèse de SiC mono-cristallin [Lely 55]. Par la suite, cette méthode a été approfondie par Tairov et Tsvetkov [Tair 78]. Leurs travaux permettent la croissance par sublimation du SiC à partir d un germe. Cette méthode fut nommée : méthode de Lely modifiée. Les principales applications de nos jours sont encore dans les machines outils de découpe qui mettent en avant les propriétés mécaniques du SiC (indice de dureté Mohs : 9.5) (diamant : 10). Sous sa forme mono-cristalline, le SiC est un semi-conducteur à large bande interdite. Depuis les travaux de Tairov et Tsvetkov, le SiC a eu un intérêt grandissant dans la réalisation de composants de puissance grâce à ses propriétés physiques exceptionnelles. La société américaine CREE [Cree 06], aujourd hui leader mondial de la fourniture de substrats de SiC monocristallin, a vu le jour en La plupart des échantillons utilisés dans la recherche mondiale sur le SiC proviennent de cette dernière. Plus récemment, de nouveaux fabricants sont apparus comme SiCrystal [Sicr 06], Norstel [Nors 06] ou encore II-VI Incorporated [ii-v 06] Propriétés du SiC Cristallographie Bien que le carbure de silicium monocristallin se compose d autant d atomes de silicium que d atomes de carbone, il existe plusieurs structures cristallines suivant la disposition des atomes sur la base de la liaison Si-C. On parle alors de polytype. La Figure 5 représente un arrangement tétragonal entre un atome de carbone et quatre atomes de silicium, la distance entre deux atomes de silicium est de 3,08 Å, et alors qu elle est de 1,89 Å entre un atome de silicium et un atome de carbone. INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 25

24 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Figure 5. Arrangement tétragonal entre un atome de carbone et quatre atomes de silicium. Le SiC monocristallin se présente sous la forme de polytypes, il en existe environ 200 différents. Les plus utilisés en électronique de puissance sont les polytypes hexagonaux (4H et 6H), cubique (3C) et rhomboédrique (15R). Cette nomenclature a été proposée par Ramsdell. Le polytype est identifié par le nombre de plans cristallins compacts d une séquence et le type cristallographique. Les trois polytypes les plus utilisés dans la recherche (3C, 4H et 6H) sont représentés sur la Figure 6. Figure 6. Représentation des polytypes 3C, 4H et 6H Propriétés électriques Les caractéristiques électriques du carbure de silicium diffèrent suivant le polytype. Le SiC est classé dans les semi-conducteurs à large bande interdite. Le Tableau 1 résume les propriétés électriques du SiC et d autres semiconducteurs. 26 Heu VANG / thèse en génie Electrique

25 Chapitre 1 Le SiC pour l électronique de puissance Tableau 1. Résumé des propriétés électriques de plusieurs semi-conducteurs. Matériau E g (ev) E c (MV/cm) ε r µ n (cm 2.V -1.s -1 ) µ p (cm 2.V -1.s -1 ) V sat (cm.s -1 ) λ (W.K -1.cm -1 ) Ge 0,66 0, ,5 0,6 Si 1,12 0,3 11, ,5 GaAs 1,4 0,4 12, ,5 3C-SiC 2,2 1,5 9, ,5 6H-SiC 2,9 2,2 9, ,5 4H-SiC 3,26 2, ,5 GaN 3, ,5 1,3 C 5,5 10 5, ,7 20 Le diamant est le semi-conducteur qui présente la bande interdite la plus grande, la plus grande rigidité diélectrique et le coefficient thermique le plus important. Ce qui fait du diamant le meilleur matériau pour les composants de puissance. En effet, avec une rigidité diélectrique de 10 MV/cm, il est possible de réaliser des composants avec des tenues en tension très élevées. Son grand gap et son coefficient thermique important lui confèrent des opportunités très intéressantes pour un fonctionnement à haute température. De plus avec une mobilité des porteurs élevée, les composants unipolaires hautes tensions en diamant sont possibles. A l heure actuelle, il subsiste deux limitations technologiques importantes pour utiliser ce matériau pour la réalisation de composants de puissance. D une part, bien que les progrès technologiques aient apporté une réponse à la synthèse du diamant, il est encore très difficile de fabriquer des substrats de grande dimension pour pouvoir produire des composants. D autre part, le dopage de type N avec le phosphore et le dopage de type P avec le bore sont très difficiles à réaliser et ils induisent des niveaux très profonds de 0,57 ev et 0,36 ev respectivement [Koiz 02]. De nos jours la majorité des composants de puissance sont réalisés en silicium. Il est donc intéressant de comparer les caractéristiques des «nouveaux» matériaux à celles du silicium pour en voir les avantages. Les autres semi-conducteurs présentant des caractéristiques intéressantes pour les composants de puissance sont le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC). Le premier possède des caractéristiques proches de celles du SiC à l exception du coefficient thermique qui est beaucoup plus faible d un facteur 3. En réalité la principale limitation est la disponibilité de substrat de GaN, puisque la technologie actuelle ne permet d obtenir que des couches de GaN sur des substrats de Si, Al2O3 (Saphir) ou SiC. Cet inconvénient empêche donc la réalisation des composants verticaux qui représentent la quasi-totalité des composants de puissance. Malgré cela, des premières diodes Schottky latérales ont été réalisées [Osva 05]. L inconvénient du SiC est la mobilité des porteurs qui est relativement faible, tout en restant du même ordre de grandeur que celle du silicium. Cela INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 27

26 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC est compensé par des dimensions réduites pour les composants SiC. Bien que le GaN possède une mobilité des électrons supérieure, le SiC présente encore l avantage de la possibilité de la croissance d un oxyde natif de type SiO2 qui est un point important pour les dispositifs à grille isolée, tels que le MOSFET ou l IGBT. Le carbure de silicium, lui, possède une rigidité diélectrique dix fois plus importante que celle du silicium. Ce qui signifie que pour une tenue en tension donnée, un composant avec la même structure en SiC sera plus performant puisque l épaisseur de la couche de drift qui tient la tension sera réduite avec un dopage plus élevé. Ces améliorations permettront donc de réaliser un composant avec un calibre en courant plus important et des pertes à l état passant considérablement réduites. La formule suivante permet de déterminer la résistance spécifique à l état passant d un composant unipolaire de type n : R ON 4 εµ 2 VB 3 nec = (1) Il est ainsi possible de tracer la courbe de la résistance spécifique en fonction de la tenue en tension (Figure 7). Résistance spécifique R ON (mω.cm 2 ) 10 3 Limite Si 10 2 Limite SiC-6H Limite SiC-4H Tension de claquage (V) Figure 7. Limite de la résistance spécifique à l état passant en fonction de la tension de claquage. En observant la Figure 7, la supériorité du SiC est nette. Alors que la limite du silicium pour un composant unipolaire avec des pertes à l état passant convenable se situe vers 1 kv, le SiC permet la réalisation de composants dépassant les 10 kv. De même pour une tension donnée, la résistance spécifique à l état passant est plus faible de trois décades en faveur du SiC. Avec une bande interdite trois fois supérieure et un coefficient thermique plus grand d un facteur trois, ces propriétés lui confèrent donc une plus grande capacité à fonctionner à haute température. En réunissant tous ces avantages, cela amène également à la réduction de l encombrement des dispositifs de puissance. Le premier effet est la réduction du nombre de 28 Heu VANG / thèse en génie Electrique

27 Chapitre 1 Le SiC pour l électronique de puissance composants puis le comportement en haute température permet de réduire de manière significative les systèmes de refroidissement. Enfin, ce qui permet des avancées technologiques conséquentes est la disponibilité de substrats de carbure de silicium. La taille des plaques n a pas cessé d augmenter au point d avoir atteint des tailles standard de wafer de silicium de 4 pouces commercialisés depuis A présent, il est donc possible de réaliser des composants sur des plaques SiC avec les équipements standard de la filière silicium. Ceci représente un avantage certain pour le transfert technologique. 35 mm (1 3/8) 50 mm (2 ) 75 mm (3 ) 100 mm (4 ) 02/95 06/97 06/01 09/05 Figure 8. Evolution de la taille des wafers en carbure de silicium avec la date d apparition en développement Qualité des substrats SiC disponibles sur le marché La majorité des recherches sur le SiC se fait sur des substrats fournis par la société Cree. Depuis quelques années, de nouveaux acteurs ont fait leur apparition notamment l européen SiCrystal, Norstel, II-VI,... Ces derniers présentent l inconvénient de ne pas proposer (pour l instant) la possibilité d épitaxie épaisse. La qualité des substrats actuels n est pas encore optimale puisqu ils présentent de nombreux défauts. Les deux principaux défauts sont les micropores [Hofm 99] et les dislocations [Blum 03]. Les micropores sont des «trous» issu d un défaut de croissance qui traverse de part en part le wafer. Ce défaut est une absence de matière et provoque des disfonctionnements pour les composants notamment des courants de fuites élevés en régime bloqué. Dernièrement, la société INTRINSIC a développé une technologie appelée «Zero Micropipe» (ZMP) permettant la production de wafer SiC sans micropores. Mais en juin 2006, la société a été rachetée par Cree. L autre type de défaut très présent dans les substrats SiC est constitué par les dislocations. Ce sont des défauts d empilement des couches atomiques. Les deux principales dislocations sont les dislocations suivant le plan de base (Basal Plane Dislocations, BPD) et les dislocations en «filetage» (Threading Edge Dislocations, TED). Ces défauts sont surtout mis en cause dans les INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 29

28 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC composants bipolaires dont leur effet est une altération de la caractéristique en direct (voir Chapitre 3, 4). La production de masse des composants de puissance en carbure de silicium dépend énormément de la qualité des substrats pour obtenir un rendement de fabrication élevé. Les composants de puissance SiC développés en laboratoire sont présentés dans le paragraphe suivant. 3. Les composants de puissance 3.1. Composants en silicium Les composants de puissance en semi-conducteur sont de nos jours généralement réalisés dans la filière silicium. Les composants dits de puissance ont des tenues en tension élevées (> 600V) et des calibres en courant importants (> 10 A). Ils se classent en deux catégories : bipolaire et unipolaire, le classement étant fait en fonction du mode de conduction des composants. Le composant le plus simple et le plus répandu est la diode bipolaire qui est l un des deux seuls composants redresseurs. Les interrupteurs de puissance sont beaucoup plus nombreux. Bien que le choix du composant idéal pour une application puisse être vaste, on peut observer sur la Figure 9 les composants en silicium les plus performants suivant la tension d utilisation, le courant et la fréquence de fonctionnement. Pour les plus grandes puissances, le thyristor et le GTO (Gate Turn Off thyristor) sont les plus appropriés mais ils restent limités à une faible fréquence d utilisation (fmax 1-2 khz). Pour les applications avec une fréquence de commutation élevée, les MOSFET auront la supériorité. Dans les moyennes puissances avec des fréquences moyennes, on retrouve les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), les MCT (MOS Controlled Thyristor) et les transistors bipolaires (BJT). En pratique, de nos jours, les MCT et les BJT ont été pratiquement remplacés par l IGBT et dans certains cas le thyristor aussi. Le choix se fait plus facilement puisqu on retrouve trois groupes : la famille des thyristors (bipolaire) pour les très grandes puissances, les MOSFET (unipolaire) pour les applications hautes fréquences et les IGBT (conduction mixte) pour les puissances moyennes et les fréquences moyennes. 30 Heu VANG / thèse en génie Electrique

29 Chapitre 1 Le SiC pour l électronique de puissance Thyristor Tension (kv) IGBT MOS MCT BJT GTO Fréquence (khz) 1 Courant (A) Figure 9. Schéma déterminant les performances électriques et fréquentielle pour chaque famille de composants en silicium [Dedo 03]. La famille des thyristors est la plus apte à drainer de très forts courants en raison du mode de conduction qui implique les deux types de porteurs de courant. Le courant est porté par les minoritaires qui ont des durées de vies importantes, d où une recombinaison lente qui engendre un temps de commutation lent, un temps de recouvrement nécessaire pour évacuer les charges stockées dans les jonctions. A la différence, le MOSFET est un composant unipolaire dont seuls les porteurs majoritaires génèrent le courant. De cette manière, il n y a pas de charges stockées et le composant peut commuter rapidement, d où l avantage du MOSFET pour les applications hautes fréquences. Par contre, le courant résultant d un seul type de porteurs, cela signifie que la résistance à l état passant dépend du dopage et de la dimension de la couche conductrice. Pour obtenir une faible résistance un dopage élevé est nécessaire, mais cela réduit d autant la tenue en tension. Compromis entre ces deux composants qui résulte de l intégration monolithique d un MOSFET et d un transistor bipolaire, l IGBT est le parfait candidat. La commande se fait comme un MOSFET et le courant est généré par les porteurs majoritaires et minoritaires. Ce composant est l un des derniers nés mais à ce jour, est le plus utilisé. Il a remplacé les transistors bipolaires et darlingtons et il remplace très souvent le thyristor dans les systèmes de puissance. La première limitation des composants en silicium concerne les applications très hautes tensions (>10 kv). En effet pour les réseaux de distribution électrique, ou des applications spécialisées nécessitant des tensions très élevées, l utilisation de plusieurs composants Si en série est nécessaire. Cette mise en série a plusieurs inconvénients : des pertes à l état passant importantes et, surtout dans le cas des interrupteurs, une commande très complexe afin de faire commuter tous les composants en même temps. INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 31

30 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Le second inconvénient provient de l impossibilité de fonctionnement à haute température. En effet, au-delà de 150 C les courants de fuites sont beaucoup trop élevés et les pertes à l état passant augmentent considérablement Les composants de puissance en SiC Présentation Comme il a été vu au paragraphe 1, le carbure de silicium possède des qualités indéniables pour les applications de puissance. Ainsi, de nombreux chercheurs ont travaillé sur la réalisation de démonstrateurs tels que les diodes (Schottky ou bipolaire), les JFETs, MOSFET et thyristors. La mise au point de certains composants a pu mettre en valeur de manière significative, les meilleurs performances du SiC par rapport au Si pour les très hautes tensions. Les travaux de certains groupes ont mené à la commercialisation de composants de puissance en SiC qui sont disponible depuis quelques années. La réalisation de composants de puissance en SiC impose des opérations différentes de celle des composants en Si dû à ses propriétés physicochimiques. Par exemple l impossibilité de doper par diffusion implique la nécessité du dopage localisé par implantation ionique, ou encore des structures gravées pour atteindre les couches enterrées. La mise en place des protections périphériques nécessite très souvent une gravure du SiC pour la protection mesa. Dans le cas du SiC, la gravure chimique s avère très difficile voir impossible et la gravure par plasma s impose. Dans cette partie, un état de l art des différents démonstrateurs réalisés jusqu à présent est présenté Diode Schottky SiC La diode Schottky a été le premier composant en carbure de silicium effectivement commercialisé [Infi 06] [Cree 06] [Micr 06]. Les avancées technologiques ont été importantes sur ce composant et ont permis la production industrielle. Mais ce composant est encore aujourd hui très peu connu des utilisateurs potentiels et l intérêt reste limité, surtout en l absence d un commutateur SiC. La diode Schottky est un composant unipolaire dont le courant est généré par les porteurs majoritaires. Son comportement redresseur est dû à la mise en contact d un métal avec le semi-conducteur et une approche plus détaillée sera faite au chapitre 2. Le démonstrateur possédant les meilleures caractéristiques en direct a été réalisé chez Cree par Singh [Sing 02]. La diode possède une résistance spécifique de 7,4 mω.cm 2 et le courant maximal atteint est de 130 A avec une surface active de 0,64 cm 2. Sa tension de claquage est de 300 V. Pour cette réalisation, il a utilisé un substrat de type N 32 Heu VANG / thèse en génie Electrique

31 Chapitre 1 Le SiC pour l électronique de puissance avec une couche épitaxiée de type N dopée à cm -3 de 15 µm d épaisseur était nécessaire. En terme de tenue en tension, un démonstrateur ayant une tension de claquage de 10 kv a été réalisé par Zhao [Zhao 03]. La structure de la diode est présentée sur la Figure 10. Cette diode a nécessité l utilisation d un substrat N + avec une première couche épitaxiée N - dopée à 5, cm -3 servant de couche de «drift» suivie d une seconde épitaxie N dopée à cm -3. Ensuite une dernière couche épitaxiée de type P + est utilisée pour mettre en place la protection périphérique MJTE qui a nécessité la gravure du SiC et l implantation ionique. D autres groupes de recherche ont réalisé des diodes Schottky avec des tenues en tension proche de 5 kv (Tableau 2). Figure 10. Vue en coupe de la diode Schottky SiC 10 kv réalisée par Zhao. Tableau 2. Récapitulatif de quelques diodes Schottkys dans la littérature. Référence Métal du contact Epaisseur couche de drift (µm) VBR (kv) If (A) R ON (mω.cm 2 ) [Zhao 06] Ni ,055 97,5 [Mcgl 99] Ni 50 4,9? 17 [Naka 05] Mo 33 4,15? 9,07 Depuis 2002, six fabricants de composants semi-conducteurs (Infineon, APT, Fairchild, Rockwell, Microsemi et Cree) ont commencé à proposer dans leurs catalogues des diodes Schottky SiC. Aujourd hui APT, Fairchild et Rockwell ont enlevé ces composants de leurs catalogues. Les premières générations étaient des diodes ayant une tenue en tension de 600 V et des calibres en courant de 6 et 12 A. Ces composants visent le marché domestique en remplacement, notamment dans les circuits redresseurs, de leurs homologues diodes PN en silicium. Depuis, des nouvelles diodes sont apparues avec des tenues en tension de 1,2 kv. Les premières applications utilisant des diodes Schottky SiC sont décrites au paragraphe 4. INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 33

32 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Tableau 3. Récapitulatif des meilleures diodes Schottkys disponibles de chaque fabricant sur le marché Fabricant Référence V BR (V) I F (A) V F (V) Cree C2D ,6 Infineon SDT ,5 Microsemi UPSC ,7 Par comparaison, la diode Schottky Si commerciale (Infineon BAT240A) ayant la plus haute tenue en tension est de 250 V pour un courant de 1 A. L équivalent des diodes Schottky SiC 1200 V serait plutôt des diodes Si bipolaires. En comparant la diode bipolaire 1,2 kv 12 A (Infineon IDB12E120) et la diode SiC 1,2 kv 10 A, les chutes de tensions en direct sont proches. Par contre, la diode Si présente l inconvénient d un courant inverse et d un temps de recouvrement pour évacuer les charges stockées. Ainsi, les pertes en commutation pour la diode SiC seront plus contenues en l absence d un courant inverse et d un temps de recouvrement. Cela permet d éviter de surdimensionner les composants du circuit de puissance Diode bipolaire SiC La diode bipolaire est une sorte de vitrine technologique pour le SiC et les démonstrateurs permettent de mettre en évidence la supériorité du SiC pour la réalisation de composants ayant des tenues en tension très élevées. A ce jour le record est de 19 kv [Suga 01]! La jonction PN est présente dans presque tous les commutateurs, et c est cette même structure qui est responsable de la tenue en tension du composant. Les performances en blocage des démonstrateurs de diodes PiN laisse donc présager de grandes possibilités pour les interrupteurs SiC. A partir d un substrat N + avec une couche de drift N - épitaxiée de 200 µm d épaisseur dont la concentration d atomes donneurs est de cm -3 et une couche P + pour l anode, Sugawara a réalisé une diode bipolaire permettant de bloquer une tension de 19 kv. Pour atteindre cette tension, une protection mesa/jte a été mise en place autour de la jonction PN. La structure est illustrée sur la Figure 11. La densité de courant dans le sens direct est de 100 A.cm -2 sous une polarisation de 6,5 V. Il a également fait une caractérisation en dynamique pour déterminer le temps de recouvrement. Il s est avéré très bon puisqu il n excède pas 43 ns pour un courant commuté de 100 ma. Il a ensuite comparé avec une diode silicium de puissance ayant une technologie de recouvrement rapide et dont la tenue en tension n est que de 400 V, le résultat est probant puisque le temps de recouvrement est 4 fois plus rapide pour la diode SiC. Il est à noter que le courant nominale de la diode Si est beaucoup plus important, donc la taille du composant est également plus 34 Heu VANG / thèse en génie Electrique

33 Chapitre 1 Le SiC pour l électronique de puissance grande. Cela explique en partie la grande différence des temps de recouvrement. Protection mesa+jte P Anode P+ P N - N + Cathode Figure 11. Structure de la diode SiC PiN 19 kv réalisée par Sugawara. Plus récemment, Hull a fabriqué une diode bipolaire PiN SiC ayant une tenue en tension de 4,5 kv pour un courant de 180 A sous une polarisation de 3,17 V [Hull 06]. Il a utilisé un wafer ayant une très faible densité de micropores (< 0,2 cm -2 ) qui autorisait la fabrication de diodes de 13,58 13,58 mm 2 de large. La structure de la diode est présentée sur la Figure 12. La diode est une jonction PiN avec également une protection périphérique mesa/jte (chapitre III). Le matériau utilisé est un substrat N + avec une épitaxie N - de 50 µm d épaisseur avec un dopage de cm -3. L anode est réalisée et une épitaxie P de 2,5 µm d épaisseur avec un dopage supérieur à cm -3. En commutation, la diode SiC présente un temps de recouvrement 10 fois inférieur à son homologue en silicium. Figure 12. Structure de la diode SiC PiN 4,5 kv 180 A réalisé par Hull. Dans ces mêmes études, il a été observé une dérive de la caractéristique en direct d une diode SiC PiN après un stress électrique en maintenant un courant élevé pendant des heures (Figure 13). La différence de potentiel augmente dans des proportions importantes, et la cause de cette altération est attribuée au développement de «stacking faults» [Jaco 03][Solo 04] qui sont des défauts d empilement des couches dans les couches épitaxiées. Pour un certain stress électrique, les défauts se propagent. Soloviev [Solo 04] a soumis une diode bipolaire à une polarisation constante et a pu observer l effet sur le cristal en fonction du temps, ses images sont présentées sur la Figure 14. INSA Lyon Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 35

34 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Figure 13. Caractéristiques d une diode PiN avant et après un stress à 100 A.cm -2 pendant 1 heure réalisée par Nakayama [Naka 05]. a) b) c) Figure 14. Polarisation en direct d une diode P + N N + a) au départ b) après 50 secondes c) après 150 secondes [Naka 05]. Les «stacking faults» se comportent comme des centres de recombinaison qui réduisent la durée de vie des porteurs. D autres groupes de recherche ont également réalisé des diodes PiN SiC avec de bonnes performances, elles sont présentées dans le Tableau 4. Tableau 4. Récapitulatif de quelques résultats de diodes SiC dans la littérature. Référence Couche de «drift» (µm / cm -3 ) V BR (kv) I f (A) V 100 A.cm -2 (V) [Suga 01] 200 / ? 8 [Mcgl 99] 50 / , ,17 [Sing 01] 150 / (Pulsed) 4,8 [Naka 05] 60 (C-face) / ,3? 4,1 [Pete 05] 35 / 2, ,5? 3,1 [Das 05] 100 / ,8 Comparons, par exemple, une diode Si 9 kv-1,2 ka (Infineon/Eupec D2601N90T) avec la diode SiC 10 kv développée par Singh [Singh 01]. La diode Si présente une différence de potentiel de 3 V au courant nominal. La diode SiC présente une chute de tension de 12 V à 200 A. Une partie de la chute de tension est causée par les contacts ohmiques et surtout le contact de l anode (type P). Il est donc évident que des progrès restent encore à faire sur la qualité du matériau et de la technologie pour réduire la différence de 36 Heu VANG / thèse en génie Electrique