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Procédé de caractérisation de la sensibilité de composants
électroniques vis-à-vis de mécanismes destructifs
La présente invention a pour objet un procédé de caractérisation de la
sensibilité de composants électroniques vis-à-vis de mécanismes destructifs.
Un des buts de l'invention est de déterminer la sensibilité des composants de
puissance vis-à-vis de l'environnement radiatif naturel, autrement dit, les
particules de type ions lourds, neutrons et protons ou tout autres
phénomènes menant à la génération de charges par intéraction directe ou
indirecte dans les composants électroniques, de sorte à déterminer les
conditions d'utilisation préférables de ce composant.
Le fonctionnement des composants de puissance peut être perturbé
par l'environnement dans lequel ils évoluent, par exemple l'environnement
radiatif naturel ou artificiel ou l'environnement électromagnétique. Des
agressions extérieures provoquent la création de courants parasites par
interaction avec la matière constitutive du composant. Ces derniers peuvent
être à l'origine du dysfonctionnement transitoire ou permanent du composant
et de l'application qui l'utilise.
Les environnements radiatifs naturels ou artificiels (neutrons, protons,
ions lourds, flash X, rayons gamma) peuvent perturber le fonctionnement des
composants de puissance. Ces perturbations sont dues à des interactions
entre la matière du composant et les particules de l'environnement radiatif.
Une des conséquences de ces perturbations est la création de courants
parasites dans le composant. Selon l'endroit où ont lieu les interactions
entre
la matière du composant et les particules, les courants parasites produits
seront plus ou moins importants. Ceci traduit la présence de zones localisées
de collection de charges dans le composant.
De telles agressions par des ions lourds et des protons sont
typiquement rencontrées, dans l'espace, par des satellites et des lanceurs. A
des altitudes moins élevées où évoluent des avions, on note surtout la
présence d'agressions par des neutrons. Au niveau de la mer, de telles
agressions peuvent aussi être rencontrées et affecter les composants
électroniques embarqués dans des appareils portables, ou dans des
voitures.
II existe de manière intrinsèque aux composants de puissance, tels
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que les transistors de type power MOSFET et les IGBTs, des structures
bipolaires parasites. Lors d'un fonctionnement normal du composant de
puissance, ces structures bipolaires parasites sont inactives. Lorsqu'une
particule de l'environnement radiatif naturel entre en interaction avec la
matière du composant, un courant parasite est généré et peut rendre
passant les structures bipolaires parasites (illustré à la figure 1).
En effet, comme le montre la figure 1, dans un transistor 1 de
puissance power MOSFET à canal N, les charges positives créées lors de
l'interaction 3 particule 2/ matière 4 vont migrer vers le contact de puits 5
sous l'effet des champs électriques et des mécanismes de diffusion. En se
déplaçant, ces charges positives vont engendrer localement des
augmentations de potentiel. La jonction 6 Source (N)/Puits (P), initialement
bloquée, peut dès lors se retrouver polarisée en directe.
Dans la mesure où, à l'état bloqué, la jonction puit/drain est déjà
polarisée en inverse, le transistor 7 bipolaire parasite Source/Puits/Drain
devient passant.
Dans ce cas, un deuxième mécanisme se met alors en place. Ce
mécanisme est appelé mécanisme d'avalanche et produit des charges
additionnelles au niveau de la jonction puit/drain pour laquelle la valeur du
champ électrique est maximale. Si les conditions de champ électrique sont
suffisantes et que le courant délivré n'est pas limité par ailleurs, le
mécanisme d'avalanche et l'injection de porteurs par le transistor bipolaire
s'entretiennent et s'amplifient jusqu'à ce que localement, l'élévation de
température consécutive au passage du courant provoque la dégradation
physique du composant. La figure 2 est un exemple d'une telle dégradation.
Ce mode de défaillance est commun aux structures de types MOSFET
et IGBT de puissance.
Pour les IGBT en particulier, il existe également un autre mode de
défaillance du composant plus connu sous le nom de phénomène
latchup . Ce phénomène Latchup correspond à la mise en conduction
d'un thyristor parasite de type structure NPNP qui n'existe que dans les
IGBTs et non dans les MOSFETs comme illustré à la Figure 3.
Par ailleurs, pour d'autres structures de puissance, comme les diodes,
il n'y a pas de structure bipolaire parasite, mais les conditions relatives au
champ électrique sont telles qu'elles peuvent néanmoins suffire à provoquer
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un effet destructif par avalanche lors de l'interaction d'une particule ou
toute
autre interaction menant à la génération de charges.
Le laser est principalement utilisé comme outil de pré-caractérisation
de la sensibilité des composants aux radiations. En effet, comme les
particules de l'environnement radiatif, le laser peut, lorsque sa longueur
d'onde est appropriée, générer des courants parasites à l'intérieur des
composants.
Le laser présente ainsi un avantage très intéressant pour l'étude de
l'effet des radiations. Dans la mesure où la résolution spatiale du laser peut
atteindre des dimensions relativement faibles par rapport aux structures
élémentaires contenues dans les composants électroniques, il est possible,
tout comme dans le cas du micro faisceau d'ions, de cartographier un
composant électronique et d'identifier ses zones de collection de charges. En
variant le point de focalisation en profondeur du faisceau, la cartographie de
sensibilité peut également être faite dans la troisième dimension, et ce de
façon aisée industriellement.
Toutefois, cette connaissance n'est pas suffisante pour connaître le
comportement global du composant électronique vis-à-vis des radiations.
Il existe donc dans l'état de la technique pour remédier à ce problème,
un procédé de détermination de la sensibilité des composants électroniques
par simulation. Une fois la carte de sensibilité du composant acquise, celle-
ci
se présente sous la forme d'un modèle, une matrice en pratique, à quatre ou
cinq dimensions, en X Y Z et coefficient de sensibilité ou en X Y Z T et
coefficient de sensibilité. On soumet alors ce modèle de ce composant, à
une agression simulée et on mesure sa réponse simulée. Par exemple
schématiquement, si à un instant T donné, un ion simulé (qu'il s'agisse d'un
ion primaire ou produit d'une réaction nucléaire) passe au travers d'une zone
élémentaire de coordonnées XYZ, et si, à cet instant, la zone élémentaire
concernée a une sensibilité s, on attribue au composant la valeur de qualité
s. Puis on réitère l'expérience pour un autre ion simulé. Ainsi de suite, sur
une durée d'étude donnée alors que le cas échéant, le temps varie et que
l'application mise en service par le composant se déroule, on collecte les
valeurs s, puis, par exemple à l'issue d'une durée donnée de mesure, on
compile les valeurs de qualité mesurées pour connaître la qualité réelle du
composant. En agissant ainsi, plutôt que de disposer d'une cartographie
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soumise à conjecture, on obtient une véritable mesure de cette qualité.
Dans le cadre de la présente invention, on se place dans le domaine
de tension SOA (la plus grande tension par valeur inférieure). La SOA
( Safe Operating Area ) correspond, pour les caractéristiques de la
particule ou du faisceau incident donné, au domaine de tension au-delà
duquel des évènements destructifs peuvent être déclenchés. Le fait de se
placer dans ce domaine assure que le test ne sera pas destructif même si
aucun montage de protection n'est prévu. La présente invention propose de
travailler sur les évènements (les évènements transitoires) déclenchés
lorsque l'on travaille dans la SOA. Ces signaux sont par définition différents
des signaux observés en dehors de la SOA, pour lesquels le test est
destructif mais qui sont les signaux d'intérêt pour déterminer la sensibilité
du
composant de puissance. La présente invention repose ensuite sur un lien
qui est fait entre les signaux transitoires et les signaux destructifs
d'intérêt.
On connaît dans l'état de la technique les publications scientifiques
suivantes :
= SEB Characterization of Commercial Power MOSFETs with
Backside Laser and Heavy Ions of Different Ranges (LUU A
et al, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 34, no. 4, ter
août 2008) ;
= SEB Characterization of Commercial Power MOSFETs with
Backside Laser and Heavy Ions of Different Ranges (LUU A
et al, Radiation and its Effects on Components and Systems,
RADECS 2007, pages 1 à 7, 10 septembre 2007) ; et
= Characterization of Single-Event Burnout in Power MOSFET
Using Backside Laser Testing (MILLER F et al, IEEE
Transactions on Nuclear Science, vol. 53, no. 6, 1 er décembre
2006).
Ces trois documents de l'art antérieur font état de tests effectués en
dehors de la SOA, ce qui correspond à l'état de l'art, et qui, par définition,
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sont destructifs si aucun montage de protection n'est prévu. Même en
présence d'un montage de protection, certains de ces évènements peuvent
être destructifs. La différence fondamentale entre la présente invention et
ces trois documents de l'état de la technique est donc le domaine de travail
5 dans lequel est réalisé le test : dans le cadre de la présente invention, le
composant est mis en service dans sa SOA, et pour les trois documents cités
de l'état de la technique, il est mis en service en dehors de sa SOA.
Ces trois documents de l'état de la technique ne divulguent, ni ne
suggèrent d'exciter le composant électronique mis en service avec les
caractéristiques de la particule ou du faisceau incident, dans des conditions
de fonctionnement proches de la plus grande valeur de tension du domaine
de tension SOA déterminé.
La caractérisation de la sensibilité des composants de puissances aux
événements destructifs déclenchés par les radiations est difficile à obtenir
par les moyens usuels de caractérisation précédemment cités. En effet, une
caractérisation exhaustive nécessite de tester la sensibilité pour différents
niveaux de tensions et différents niveaux d'énergie/LET de la particule
incidente.
Par ailleurs, le test expérimental du composant, qu'il soit basé sur un
laser ou sur un faisceau de particules, est souvent destructif, du fait de
l'importante quantité d'énergie stockée en interne et cela, malgré
l'utilisation
de montages de limitation des effets d'amplification de courant
classiquement mis en oeuvre. On entend notamment par montage des
limitations des effets d'amplification de courant, l'utilisation d'une
résistance
de limitation du courant d'alimentation et éventuellement d'une capacité de
décharge pour fournir un pic en courant plus important, de manière à
discriminer plus facilement les événements transitoires des événement
destructifs.
Du fait de ces limitations, les tests sous faisceau de particules
nécessitent d'utiliser beaucoup de pièces pour avoir des statistiques
d'évènements suffisantes et sont très consommateurs de temps, ce qui
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implique un coût associé à la campagne d'essai très important.
L'objet de l'invention est de remédier à ce problème en proposant
d'utiliser un procédé de caractérisation de la sensibilité de composant de
puissance vis-à-vis de mécanismes destructifs. En ce sens, l'invention
propose une utilisation combinée d'un système de caractérisation électrique
du composant, d'un procédé de test, et éventuellement, pour améliorer la
précision des résultats, d'un moyen de test laser et, pour extrapoler les
résultats à d'autres types de particules, d'un code de prédiction aux
radiations. L'invention permet de caractériser la sensibilité aux événements
destructifs pour des conditions de test pour lesquelles le composant se
trouve dans une zone sécurisée appelée SOA. Cette analyse d'événement
destructif repose sur l'analyse d'événements transitoires précurseurs.
L'invention a donc pour objet un procédé de caractérisation de la
sensibilité d'un composant électronique vis-à-vis d'un environnement radiatif
naturel, dans lequel :
- on met le composant électronique en service,
caractérisé en ce que,
- pour des caractéristiques d'une particule ou d'un faisceau incident
données, telles que l'énergie et/ou l'incidence et/ou le parcours et/ou
autres,
on détermine un domaine de tension SOA au-delà duquel des événements
destructifs dudit composant peuvent avoir lieu,
- on excite le composant électronique ainsi mis en service avec les
caractéristiques de la particule ou du faisceau incident, dans des conditions
de fonctionnement proches de la plus grande valeur de tension du domaine
de tension SOA déterminé,
- on détermine une section efficace des évènements transitoires
amplifiés, cette section efficace correspondant à une estimation des
phénomènes destructifs dudit composant,
- on modifie les caractéristiques de ladite particule ou dudit faisceau,
et on réitère l'excitation dudit composant,
- on détermine la section efficace pour chaque modification de
caractéristiques.
L'invention comporte l'une quelconque des caractéristiques
suivantes
- lors de la détermination de la section efficace, on applique des
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conditions de test audit composant, lesdites conditions étant des
polarisations, des conditions de fonctionnement dynamiques tels que la
fréquence, le rapport cyclique, ou des conditions d'environnement tel que la
température ;
- pour déterminer le domaine de tension SOA d'un composant, on
détermine les caractéristiques électriques donnant l'évolution du courant
d'une électrode de sortie dudit composant en fonction de la tension
appliquée sur ladite électrode de sortie, lorsque le composant est à l'état
bloqué ;
- on mesure la probabilité d'occurrence de phénomènes de défaillance
pour lesquelles le composant laisse apparaître un défaut de fonctionnement,
à partir des sections efficaces déterminées ;
- l'excitation est réalisée à l'aide d'un rayonnement laser ou au moyen
d'un accélérateur de particules ou tout autre moyen d'injection de charges ;
- - les phénomènes destructifs étudiés sont ceux du SEB, du latchup ou
tout autre phénomène mettant en jeu le déclenchement d'une structure
bipolaire parasite et/ou le déclenchement de mécanismes d'entretien et /ou
d'amplification du courant ;
- utilisation d'une estimation de la section efficace en entrée d'un code
de prédiction ;
- le code de prédiction est un code de prédiction du même type que
SMC DASIE.
L'invention a également pour objet un dispositif de test comportant
des moyens aptes à mettre en ceuvre le procédé décrit précédemment.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit
et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées
qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures
montrent :
Figure 1 : représentation schématique d'un transistor Power MOSFET
et d'une structure bipolaire parasite (déjà décrite) ;
Figure 2 : représentation schématique d'un événement destructif
déclenché par une particule dans une structure de type Power MOSFET
(déjà décrite) ;
Figure 3 : représentation schématique d'un thyristor parasite dans les
composants IGBT (déjà décrite) ;
Figure 4: représentation schématique d'un montage de test de la
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sensibilité aux radiations des composants de puissance selon l'état de la
technique ;
Figure 5 : représentation schématique de l'évolution du courant de
drain en fonction de la tension drain source pour un power MOSFET, selon
un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 6 : Allure schématique des courbes attendues pour le dépôt de
charge par unité de longueur de la particule dans un composant power
MOSFET en fonction de la tension drain source, selon un mode de
réalisation de l'invention ;
Figure 7 : courbes représentant le niveau d'énergie laser nécessaire
pour déclencher un évènement destructif dans un power MOSFET en
fonction de la tension drain source appliquée, selon un mode de réalisation
de l'invention ;
Figures 8a-8b : courbes de prédiction de la sensibilité d'un composant
en environnements ions lourds, neutron et proton, selon un mode de
réalisation de l'invention ;
Figures 9a-9d : Allure d'événements déclenchés par le laser pour des
conditions de test dans le domaine de tension SOA et en dehors, selon un
mode de réalisation de l'invention ;
Figure 10 : représentation schématique d'une identification par laser
des zones de sensibilité au SEB d'un transistor Power MOSFET de 500V,
selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 11 : représentation des cartographies laser des événements
transitoires SET précurseurs et phénomènes d'entretien et d'amplification de
courants parasites SEB d'un power MOSFET;
Figure 12 : représentation schématique pour différents niveaux de
tension de l'évolution de la section efficace sur le composant des
événements destructifs en fonction de l'amplitude de l'événement mesuré.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la caractérisation de la
sensibilité d'un composant de puissance s'effectue en deux étapes :
Une première étape correspond à une caractérisation du domaine de
tension pour lequel des événements destructifs peuvent avoir lieu dans un
composant de puissance soumis à des particules ou à un rayonnement de
caractéristiques données. Ce domaine de tension sera appelé par la suite
SOA pour Safe Operating Area . Le domaine de tension SOA correspond
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à l'intervalle de tensions pour lequel le composant ne présente pas de
défaillances destructives (ou phénomènes destructifs) lorsqu'il est soumis à
des particules ou un rayonnement de caractéristiques données (notamment
d'énergie, de parcours dans la matière,...).
Ce domaine de tension est borné par la tension VSOA qui représente
la plus grande tension pour laquelle le composant ne présente pas de
défaillances destructives, pour les caractéristiques de la particule ou du
rayonnement incident. Au dessus d'un certain niveau de polarisation Drain
Source (pour un transistor power MOSFET), la combinaison des
caractéristiques de la particule et des conditions électriques à l'intérieur
du
composant de puissance sont telles que des mécanismes d'amplification par
avalanche peuvent se déclencher et être entretenus jusqu'à aboutir à un
emballement électrique puis thermique du composant.
Une deuxième étape correspond à une caractérisation de la
probabilité- d'occurrence du phénomène d'avalanche. Cette probabilité
d'occurrence de ce phénomène dépend d'une part des caractéristiques de la
particule, et d'autre part des conditions de test appliquées au composant
notamment de polarisation, de fréquence, de température, de
fonctionnement dynamique,...etc.
Les phénomènes destructifs dans les composants de puissance tels
que l'entretien d'un courant parasite dit SEB pour Single Event Burnout et
un déclenchement d'un thyristor parasite, dit latchup ou SEL pour Single
Event Latchup, ne se déclenchent que lorsque le composant est à l'état
bloqué ou en commutation. En exemple, la tension de grille est dans ces
conditions soit nulle, soit négative pour un transistor power MOS à canal N.
Pour caractériser le domaine de tension pour lequel des événements
destructifs peuvent avoir lieu, il est nécessaire de déterminer les
caractéristiques électriques donnant l'évolution du courant d'une électrode de
sortie dudit composant en fonction de la tension appliquée sur ladite
électrode de sortie, lorsque le composant est à l'état bloqué.
Dans le cas d'un transistor power MOSFET, l'évolution du courant du
drain est déterminée en fonction de la tension Drain Source, lorsque la
tension Grille Source est nulle ou négative.
Dans le cas d'un IGBT, l'évolution du courant du collecteur est
déterminée en fonction de la tension du collecteur, lorsque la tension Grille
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Source est nulle ou négative.
De manière similaire, pour les autres types de composants de
puissance (diodes, thyristors, ....), l'évolution du courant d'une électrode
de
sortie est déterminée en fonction de la tension appliquée sur cette électrode.
5 La figure 5 est une représentation schématique de l'évolution du
courant de drain en fonction de la tension drain source pour un tel transistor
power MOSFET à canal N. Sur cette courbe 50, on note la présence de deux
paramètres correspondant très pertinents pour permettre la détermination de
la sensibilité du composant de puissance face aux radiations. Ces deux
10 paramètres sont respectivement la tension la plus basse pour laquelle une
particule ou un rayonnement de caractéristiques données peut déclencher un
mécanisme destructif, appelé par la suite Vhold, et la tension au dessus de
laquelle le claquage électrique du composant intervient, appelé par la suite
BVDS. Comme nous le montre cette figure, lorsque la valeur de la tension
Drain Source est inférieure à Vhold, alors il n'existe qu'un seul état 51
possible du courant de Drain. Lorsque la valeur de la tension Drain Source
est comprise entre les valeurs Vhold et BVDS, le transistor présente trois
états 52, 53, 54 de courant possible. En effet, un premier état dit état
bloqué,
correspond à la plus faible valeur de courant. Un deuxième état dit état
instable, correspond à la valeur de courant intermédiaire. Un troisième état
dit état de fort courant, correspond à un état où une défaillance à été
déclenchée.
La valeur BVDS est également très utile dans la mesure. En effet,
lorsque la tension Drain Source dépasse cette valeur, le champ électrique
devient suffisamment important pour déclencher à lui seul un mécanisme
destructif d'amplification de courant.
La figure 6, représente une allure 60 schématique d'une
caractérisation de l'évolution du domaine de tension 61 (hachuré sur la figure
6) au-delà duquel des événements destructifs peuvent être déclenchés par
des radiations ou tout autre moyen d'injection de charges dans un
composant électronique (laser, CEM, ...). Dans ce domaine 61 de tension
SOA, et pour les caractéristiques de la particule ou du moyen d'injection de
charges, il ne peut pas y avoir d'événement destructif du composant
déclenché.
La courbe 60 montre ainsi deux zones distinctes dont une zone avec
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un comportement asymptotique pour les faibles valeurs de tension inférieure
à Vhold. Un comportement proche du comportement linéaire avec une pente
négative entre Vhold et BVDS, qui coupe l'axe des abscisses à la valeur
BVDS positionnée pour la valeur de LET ou l'énergie de la particule dans le
composant est nulle.
La Figure 7 est une illustration d'une courbe expérimentale donnant le
niveau d'énergie laser en fonction de la tension appliquée pour une référence
power MOS de 500V. On retrouve bien les principales caractéristiques
présentées sur la représentation schématique de la Figure 6, notamment le
domaine de tension SOA.
La valeur de BVDS obtenue expérimentalement pour les radiations ou
par laser diffère légèrement de la valeur donnée par le fabricant car, il est
possible que le claquage électrique intervienne sur des structures autres que
les cellules de puissance.
II faut de plus- tenir compte de la variabilité de la production- qui
introduit des variations, tant pour la valeur BVDS (électrique) que pour la
valeur BVDS (radiation). Néanmoins, il apparaît que les valeurs sont assez
proches dans la pratique.
Ainsi, comme le montre la figure 6, la courbe 60 caractéristique
donnant l'évolution de la valeur LET ou de l'énergie seuil à partir de
laquelle
un événement destructif peut être déclenché en fonction du niveau de
polarisation peut être modélisée simplement par deux droites 64, 66. La
première droite 64 est verticale et son abscisse est donnée en réalisant la
caractérisation électrique de la tension de maintien Vhold. La deuxième
droite 65 nécessite deux points 66, 67, pour être bien définie. Le premier
point 66 est obtenu en caractérisant électriquement la tension de claquage
BVDS. Le deuxième point 67 doit être obtenu expérimentalement en utilisant
un laser ou en réalisant un test en accélérateur de particules.
Les deux droites étant définies, il est ensuite possible de prédire
l'évolution de la tension seuil à partir de laquelle des événements
destructifs
peuvent être déclenchés, en fonction des caractéristiques de la particule (ou
laser) incidente.
D'autres modèles plus détaillés peuvent également être utilisés pour
décrire le comportement théorique attendu d'évolution entre le LET ou
l'énergie seuil permettant de déclencher un SEB et la tension de polarisation
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du composant, autrement dit la tension Drain Source ou VDS. Ces modèles
reposent sur des paramètres qui peuvent être déterminés en connaissant la
caractérisation électrique de la structure, notamment BVDS et Vhold, ainsi
qu'en obtenant un point expérimental obtenu soit en accélérateur de
particules soit par laser.
Par ailleurs, cette modélisation peut être couplée à un code de
prédiction tel que le code de prédiction connu sous le nom de SMC DASIE.
Ce code de prédiction SMC DASIE pour Simplified Monte Carlo Detailed
Analysis of Secondary Ion Effects a été décrit dans "A review of DASIE
codes family : contribution to SEU/MBU understanding" par G. Hubert et AI
publié dans 11th IEEE International On-Line Testing Symposium en
2005. Une version dédiée aux composants de puissance, Power DASIE, est
présentée dans le manuscrit de thèse d'Aurore Luu intitulé Méthodologie
de prédiction des effets destructifs dus à l'environnement radiatif naturel
sur
les MOSFETs et IGBTs de puissance (Université de Toulouse - thèse
soutenue le 12 Novembre 2009). Les différentes versions de ce code sont
basées sur le même principe, l'exploitation des bases de données
nucléaires, couplées avec des modèles de collection de charges et des
critères de déclenchement des effets. Le laser permet d'extraire les données
de procédé et de sensibilité à l'injection de charges localisées pour un
composant particulier de technologie inconnue au départ. Ces outils de
calcul Monte-Carlo reposent sur le tirage aléatoire d'un grand nombre
d'interactions reproduisant les conditions de traces ionisantes possibles
consécutives à l'interaction ions lourds ou aux réactions nucléaires neutron
ou proton avec les noyaux constituant le composant. Ils calculent donc la
fréquence des erreurs (SER, Single Event Rate).
Ce code de prédiction est donc utilisé selon l'invention pour effectuer
des prédictions passerelles entre les différents types de particules, comme
illustré sur les figures 8a, 8b. Dans l'exemple de ces figures, les résultats
ions lourds sont utilisés en entrée du code power DASIE pour prédire la
sensibilité en environnements neutron et proton.
Pour certains composants de puissance et plus particulièrement pour
les composants qui ont un fort calibre en courant, il est très difficile
d'empêcher le caractère destructif des événements radiatifs malgré
l'utilisation de montage de protection. Lorsqu'un test est réalisé en
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accélérateur de particules, cela se traduit par la nécessité de tester un très
grand nombre de composants d'une même référence de manière à avoir une
statistique d'événements suffisante afin de minimiser les marges d'erreurs et
d'incertitudes. Par exemple, en termes de statistique, 20 composants détruits
donneront un résultat avec une incertitude de 30% environ, conformément à
la norme de test radiations JEDEC pour Joint Electron Device Engineering
Council .
Le procédé présenté selon l'invention permet également de limiter très
fortement le nombre d'échantillons effectivement nécessaires pour obtenir
une bonne statistique d'événements.
Ce procédé s'appuie sur le fait de caractériser la fréquence
d'occurrence d'événements transitoires amplifiés pour des conditions de test
effectués dans la zone de sécurité qui n'est autre que le domaine de tension
SOA.
Les figures 9a à 9d présentent les différents types d'allures
d'événements ou mécanismes qui peuvent être déclenchés par laser pour
des conditions de test dans le domaine de tension SOA et hors de ce
domaine.
Sur les figures 9a-9b puis 9c-9d, on observe pour des conditions de
test dans le domaine de tension SOA, deux types d'événements transitoires
ou SET d'amplitudes distinctes qui sont respectivement l'événement
transitoire amplifié et l'événement transitoire non amplifié.
La nature amplifiée ou non des événements transitoires pour des
conditions de test dans le domaine de tension SOA dépend de la position
d'impact de la particule ou du laser sur le composant électronique (et du
déclenchement associé ou non des structures d'amplification ou d'entretien
de courant)
Dans l'exemple de la figure 9a, est représentée une allure d'un
événement transitoire amplifié sous la tension Vhold, dans le domaine de
tension SOA, à 80V pour ce composant.
Dans l'exemple de la figure 9b, est représentée une allure d'un
événement transitoire se trouvant hors du domaine de tension SOA (à 200V
pour ce composant), avec pour la même position d'impact un événement
destructif déclenché.
Dans l'exemple de la figure 9c, est représentée une allure d'un
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événement transitoire non amplifié sous la tension Vhold, dans le domaine
de tension SOA, à 80V pour ce composant.
Dans l'exemple de la figure 9d, est représentée une allure d'un
événement transitoire se trouvant hors du domaine de tension SOA (à 200V
pour ce composant), avec pour la même position d'impact aucun événement
destructif déclenché.
Il est connu, pour les composants power MOSFET, que les zones les
plus sensibles aux mécanismes destructifs déclenchés par les radiations
sont au niveau du canal de la cellule d'un composant de puissance et que la
zone au niveau du plug p+, comme le montre la figure 10, est une zone très
peu sensible. Une des raisons pour laquelle les zones autour du canal sont
sensibles aux événements destructifs est que ces zones favorisent le
déclenchement des structures d'amplification bipolaire formées par la source,
le puit P et le drain des composants de puissance. Ce sont ces mêmes
zones qui, pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA,
déclencheront des événements transitoires amplifiés. Au contraire, les
impacts proches de la zone de plug p+ ne déclencheront que des
événements non amplifiés.
La figure 10 représente une identification par laser des zones de
sensibilité au phénomène d'entretien de courant parasite ou SEB d'un power
MOSFET de 500V. Il apparait sur cette figure que les événements
transitoires ou SET amplifiés obtenus pour des conditions de test dans le
domaine de tension SOA sont directement liés aux événements destructifs
déclenchés hors de ce dit domaine. La caractérisation de la probabilité
d'occurrence de ces événements transitoires amplifiés permet d'estimer
l'occurrence des événements destructifs attendus en dehors du domaine de
tension SOA. Pour cette raison, les événements transitoires SET amplifiés
seront appelés, dans la suite du texte, SET précurseurs.
Cette caractérisation se faisant sur des événements transitoires, il n'y
a aucune dégradation des composants. Il est donc possible de réaliser un
test avec un grand nombre d'événements de manière à réduire les
incertitudes liées au caractère probabiliste des phénomènes radiatifs, tout en
limitant le nombre d'échantillons effectivement nécessaire pour obtenir une
bonne statistique d'évènements comme dans l'état de la technique.
La figure 11 est une représentation des cartographies laser des
CA 02803054 2012-12-18
WO 2012/001119 PCT/EP2011/061034
événements transitoires SET précurseurs et phénomènes d'entretien de
courant parasite SEB, réalisées sur des power MOSFET de 500V pour des
tensions drain source dans un domaine de tension SOA entre 70V et 80V,
ainsi qu'une tension drain source de 150V lorsque la cartographie laser est
5 réalisée hors du domaine de tension SOA.
Il est constaté un très bon accord entre la localisation des zones de
sensibilité aux SET précurseurs et les zones de sensibilité au SEB.
Ce constat confirme que les zones provoquant les SET de plus
grandes amplitudes pour des conditions de test dans le domaine de tension
10 SOA correspondent bien à celles qui déclencheront des événements
destructifs pour des conditions de test hors de ce dit domaine.
La courbe de la figure 12 montre, pour différents niveaux de tension,
l'évolution de la section efficace sur le composant des événements
destructifs ou population des événements destructifs en fonction de
15 l'amplitude de l'événement mesuré. Il y a clairement, pour les courbes 60V,
80V, 90V et 100V, deux types de populations en termes d'événements
transitoires SET.
Pour la courbe obtenue à 80V dans le domaine de tension SOA, il n'y
a que des événements transitoires et pas d'événement destructif. Ces
événements transitoires sont répartis en 2 catégories qui sont :
- les événements d'amplitude inférieure à 4V. Il s'agit d'événements
transitoires SET non amplifiés.
- les événements d'amplitude supérieure à 12V. Il s'agit d'événements
transitoires SET précurseurs.
Comme le montre la figure 11, la grande majorité des positions
d'impact sur le composant pour lesquelles les événements transitoires
étaient d'amplitudes inférieures à 4 V ne déclenchera pas de SEB pour des
niveaux de tension hors du domaine de tension SOA. A l'inverse, la grande
majorité des positions pour lesquelles les événements transitoires SET
avaient une amplitude supérieure à 12V déclenchera des SEB.
Le procédé de test selon l'invention est donc le suivant :
- Détermination du domaine de tension SOA pour les caractéristiques
de la particule ou du faisceau incident. Cette détermination engendrera la
destruction d'un seul composant maximum.
- Pour les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident,
CA 02803054 2012-12-18
WO 2012/001119 PCT/EP2011/061034
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réalisation d'un test avec un accélérateur de particules ou un laser pour des
conditions proches des limites interne du domaine de tension SOA
prédéterminé.
- caractérisation de la section efficace des événements transitoires
SET précurseurs. Comme précédemment montré, la section efficace des
événements transitoires SET amplifiés est une très bonne estimation de la
section efficace des événements destructifs.
- utilisation possible de cette estimation de la section efficace en
entrée d'un code de prédiction pour extrapoler la sensibilité pour d'autres
types de particules par rapport aux conditions d'utilisation.
- Le procédé est réitéré pour d'autres conditions de test du composant
comme l'incidence de la particule ou du laser, les caractéristiques de ladite
particule ou dudit rayonnement ou autre....
Sur la figure 12, pour un niveau d'énergie (de façon équivalente, pour
une caractérisation obtenue en accélérateur de particules, pour une énergie
neutron ou proton ou pour un niveau de LET donné), la première partie du
procédé permet de déterminer la tension VSOA qui correspond à la tension
en dessous de laquelle, étant données les caractéristiques de la particule par
rapport au faisceau incident, il n'est pas possible de déclencher des
événements destructifs. La deuxième partie du procédé indique qu'il faut se
placer juste en dessous de la tension VSOA pour caractériser les
événements précurseurs et déterminer avec une bonne précision la valeur
de section efficace à saturation des évènements destructifs.
Ces deux paramètres sont suffisants pour ensuite permettre de
comparer la sensibilité de différents composants entre eux mais également
pour faire des calculs de taux de défaillances attendus.
