Conception et réalisation de composants de puissance à superjonction et à tranchées profondes pour des applications 600 V et 1200 V

Conception and realization of power devices based on superjonction and deep trenches 600 V and 1200 V applications

• Auteur / Autrice : Sylvain Noblecourt
• Direction : Frédéric Morancho, Josiane Tasselli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 01/12/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrotechnique

Facteur de puissance (électricité)

Mots clés libres

Benzocyclobutène

Composants de puissance

Energie

Superjonction

Benzocyclobutène

Power devices

Energy

Superjonction

Résumé

Dans une première partie, les travaux de thèse se sont focalisés sur la conception et l'optimisation de composants à superjonction et à tranchées profondes dans les gammes de 600V et 1200V. L'objectif est d'obtenir le meilleur compromis tenue en tension/ résistance à l'état passant pour ces gammes de tension. L'étude théorique a permis de comprendre le comportement de la tenue en tension de différents paramètres technologiques et géométriques. La tenue en tension est très sensible à l'équilibre des charges et à la verticalité des tranchées. La résistance passante, elle, est sensible à la profondeur de diffusion autour des tranchées et, plus généralement, au ratio de conduction entre la surface de la zone N et la surface totale. La structure a donc été optimisée afin de garantir le meilleur ratio " tenue en tension/résistance à l'état passant " en vue d'une réalisation technologique. De plus, les composants à Supe! rjonction nécessitent une protection en périphérie adaptée. En effet, les terminaisons surfaciques telles que les anneaux de garde ne permettent pas d'étaler la zone de charge d'espace à des profondeurs suffisantes. La terminaison qui est la plus adaptée à cette technologie est la Deep Trench Termination car elle permet de conserver l'équilibre des charges en périphérie et ne rajoute pas d'étapes technologiques supplémentaires. Cette terminaison a donc fait l'objet d'une optimisation aux cours de ces travaux de thèse. La seconde partie de mes travaux concerne la réalisation de la structure optimisée précédemment. L'optimisation de la diode à Superjonction est liée à certains paramètres technologiques pouvant s'avérer critiques pour obtenir les performances électriques désirées: la verticalité des tranchées, l'implantation des zones de type P sur les flancs des tranchées et la maîtrise de leur remplissage par un diélectrique. Afin d'assurer un parfait équilibre des charges entre les régions N et P, la fabrication des tranchées profondes a été optimisée afin d'obtenir des flancs de gravure les plus verticaux possible avec une rugosité de surface la plus faible possible. De plus, un procédé visant à obtenir une même profondeur de gravure quelle que soit l'ouverture a été mis en place afin de permettre un remplissage total des tranchées profondes avec du BenzoCycloButene (BCB). L'étude du remplissage des tranchées a permis de mettre au point un procédé permettant le remplissage des tranchées en un seul dépôt.

New technological ways allowing the realization of deep trench Superjunction devices (diodes or MOS transistors) with a deep trench termination are investigated. The aim of this work is to propose an alternative to conventional MOSFETs in high voltage range (600 V and above): the major challenge is to find the best trade-off between the two main parameters characteristics of these structures: specific on-resistance / breakdown voltage. We developed a technology based on a single N- epitaxial layer (thus reducing the realization cost) and the use of BCB filled, wide and deep trenches associated to boron doping on the trenches sidewalls. Previous works have demonstrated the feasibility of such junction termination and have led to the fabrication of a 1200 V Deep Trench Termination Diode (DT2-Diode). We chose to validate our termination technology by fabricating a Deep trench Superjunction Diode (DT-SJDiode) for 600 V applications. By means of Sentaurus TCAD 2D-simulations, we have first determined the optimal physical and geometrical parameters leading to a best "Breakdown voltage/on-resistance" trade-off. We presented technological results focusing on the more critical points: the control of deep trenches verticality by Deep Reactive Ion Etching technique, according to the Bosch process, and the trench filling with dielectric. We have studied the influence of SF6 etch and C4F8 passivation times on resulting trench verticality: the best anisotropy for 6 µm wide central trenches and 40 µm wide termination trenches is obtained for the couple SF6 (2 s)/ C4F8 (3.5 s). A thermal oxidation after the etch step allows to reduce the size of the scallops that appear on the trenches sidewalls and characteristics of the Bosch process (alternation of etch and passivation steps): the related peak-to-valley distance is lowered from 100 nm to 50 nm. Finally we have successfully filled deep and wide trenches by optimising the BCB spin-coating parameters, the high viscosity of this material rending difficult its spreading all over the wafer. We found that a dispensing rotation speed down to 100 rpm, an implementation of two 10 min rest steps improve BCB spreading and its flowing along the trenches. The BCB excess removing by reactive ion etching is under study: first encouraging results give an etch rate of 0.75 µm.min-1 with a SF6/02 gas mixture.