Tribute to failure mechanism analyse during ESD and heavy ion radiation on SiC MESFET devices
Contribution à l’analyse des mécanismes de défaillance lors de décharges électrostatiques et de radiations aux ions lourds de composants MESFET en carbure de silicium
Résumé
World is nowadays consuming electric power for so many applications that it becomes fundamental to take into consideration his management. For this reason, wide bandgap semi-conductors are used to move forward into the electronic efficiency. Indeed Silicon-Carbide (SiC) presents better physical properties than Silicon with a better tradeoff between the internal resistance and the breakdown voltage and a bigger range of temperature.
However, the devices developed with this technology needs qualification and reliability expertise for being integrated in embedded circuit. With the electronic miniaturization, devices become more sensible. For this reason, ESD and radiation experiment have to be lead in order to qualify the harsh environment ability of this technology and his maturity against stress conditions.
In this work, several SiC MESFET working in harsh environment (over 200 °C) and coming from the collaboration with the Ampère laboratory and the CNM laboratory are experimentally tested. Their internal electrical behavior during ESD and heavy ion radiation is simulated with TCAD Sentaurus.ESD tests (Test Line Pulse and Human Body Model) are run on these devices. Failures are analyzed and Lock-in thermography was validated as failure analysis device.
An internal protection structure without over-cost and without perturbations on static performances was demonstrated. A Zener diode was added on the drain electrode and gives possibility to derivate an ESD over current. The robustness is therefore increase from 1A to 1C in the JEDEC HBM Classification. The failure analysis indicates two failures mechanism: one related to the intermetallic dielectric, the other to the sublimation of SiC with the triggering of a parasitic structure. The hole created bring difficulties for the analysis because electrical signature doesn’t correspond to Silicon failure signature. Lock-in thermography was then used for separating the defect nature. Eventually, the efficient protection against ESD has no impact on the radiation robustness. A conclusion is not possible with the simulation results of heavy ion radiation.
Globally, even if the failure mechanisms are specific to the SiC due to his properties (sublimation, high critical field), results on ESD and radiations robustness are still a problem like for Silicon devices. However some improvements against ESD problems are possible but a protection for both radiation and ESD is difficult to create on these MESFET.
The study doesn’t condemn the SiC uses for the future. However, some works have still to be done in order to fully understand and to increase the capacity of SiC
Alors que les besoins en énergie électrique ne cessent d’augmenter, que les applications électroniques se multiplient et que les sources d’énergie fossiles s’épuisent, nos sociétés ont besoin de solutions de gestion de l’énergie toujours plus performantes. Dans ce contexte, le marché de l’électronique de puissance connaît aujourd’hui un renouveau avec l’arrivée des composants dit « grand gap ». Ainsi le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur très étudié afin de repousser les limites atteintes aujourd’hui par les composants de puissance en silicium.
Néanmoins, ces futures générations de composants de puissance requièrent d’être qualifiées vis-à-vis de la robustesse aux décharges électrostatiques (ESD) qui sont responsables de nombreuses défaillances électriques. Ces composants ont également besoin d’avoir une tenue aux radiations suffisante pour garantir leur bon fonctionnement dans des systèmes embarqués notamment spatiaux ou aériens. Les concepteurs ont donc besoin de solutions pratiques, qui pourraient être communes, pour optimiser la fiabilité et connaître les mécanismes de défaillance propres à cette technologie.
Dans ces travaux, l’étude des mécanismes de défaillance de transistors MESFET SiC fournis dans le cadre de la collaboration avec le laboratoire Ampère et le CNM, capables de fonctionner à haute température (200 °C), a été menée en corrélant mesures et simulations TCAD. Des tests ESD (Test Line Pulse et Human Body Model) ont été réalisés et simulés sur ces composants. Ainsi, les défaillances observées ont pu être analysées ; l’utilisation de la thermographie infrarouge active a été évaluée en tant qu’outil d’analyse de défaillance.
Il a été démontré sur un composant MESFET l’efficacité d’une structure de protection sans coût additionnel et sans perturbation des performances statiques du composant. En effet, l’ajout d’une diode Zener sur l’électrode de drain permet au composant de dériver le courant additionnel à une agression ESD et de passer ainsi de la classe 1A de la classification JEDEC ESD HBM à la classe 1C. L’analyse de défaillance a démontré clairement une limite liée au claquage des diélectriques intermétalliques. L’étude a également permis de mettre en évidence un second mécanisme de défaillance correspondant au déclenchement d’une structure parasite. Le défaut observé est alors lié à la sublimation sous forte température du SiC qui laisse un trou dans le semi-conducteur. Cela complique la détection électrique d’une défaillance dans le composant car la défaillance ne modifie pas clairement les caractéristiques électriques. Nous avons alors démontré que la thermographie infrarouge active permet de discriminer entre ces deux types de défaillance (dégradation de l’oxyde ou du SiC). Enfin, l’étude par simulation démontre que la structure de protection proposée contre les ESD n’augmente ni ne dégrade la tenue aux radiations aux ions lourds. Les résultats ne permettent pas de conclure sur une défaillance du composant face à ce stress.
Dans l’ensemble, les résultats obtenus démontrent qu’assurer la robustesse aux ESD et aux radiations des composants en SiC reste aussi problématique que pour les composants en silicium. Des solutions de protections sont envisageables contre les agressions ESD. Les mécanismes de défaillance sont assez similaires à ceux observés pour le silicium, mais présentent des spécificités liées aux propriétés intrinsèques du SiC (sublimation, fort champ de rupture). Pour le cas des radiations, aucune conclusion ne peut être tirée pour le moment. Dans l’ensemble l’étude ne met pas en évidence de phénomène qui pourrait compromettre la future utilisation de ces technologies. Toutefois, assurer la robustesse de ces technologies n’apparaît pas plus simple que pour les composants en silicium.