Etude de la thermomigration de l'aluminium dans le silicium pour la réalisation industrielle de murs d'isolation dans les composants de puissance bidirectionnels

par Benjamin Morillon

Thèse de doctorat en Conception des circuits micrélectroniques et microsystèmes

Sous la direction de Jean-Marie Dilhac.

Soutenue en 2002

à Toulouse, INSA .


  • Résumé

    Ce mémoire présente nos travaux sur la thermomigration de l'aluminium dans le silicium comme alternative à la diffusion bore pour la réalisation des murs d'isolation dans les composants de puissance bidirectionnels. Dans un premier temps, nous avons ainsi mis en évidence les limites de la diffusion du bore à l'état solide, limites dues essentiellement à son bilan thermique prohibitif. Parmi les solutions alternatives envisagées, la thermomigration de l'aluminium présente un certain nombre d'avantages parmi lesquels un bilan thermique très faible et un dopage élevé et constant. Le procédé consiste en la migration d'un alliage liquide A1/Si sous l'effet d'un gradient de température vertical avec cristallisation, dans le sillage de la goutte, d'une solution solide de silicium dopé aluminium (à 1019 at/cm3 environ). L'exigence de gradient thermique vertical impose l'utilisation d'un four de recuit rapide spécialement conçu à cet effet. L'étude expérimentale du phénomène nous a permis de mettre en évidence les problématiques " industrielles " liées au procédé et à l'équipement. Ainsi, l'utilisation nécessaire d'oxygène pendant le recuit de thermomigration pertube très fortement le déroulement du procédé et nous avons dû apporter des réponses nouvelles à ce problème, notamment en considérant les paramètres géométriques du motif d'aluminium. De même, l'analyse approfondie des résultats obtenus sur le four de laboratoire nous a permis de donner les spécifications d'un nouveau four en vue du transfert industriel de la thermomigration. Enfin, grâce à la maîtrise relative du procédé dans son ensemble, nous avons conçu et réalisé une structure nouvelle de puissance, le thyristor sur épitaxie, dont la fonction de tenue en tension inverse a été démontrée. Même si un certain nombre de problèmes restent en suspens, les résultats obtenus au cours de cette étude sont très prometteurs en vue d'une industrialisation future du procédé

  • Titre traduit

    Study of aluminium thermomigration in silicon for the industrial realization of isolation walls in bidirectional power devices


  • Résumé

    The thermomigration of aluminium in silicon has been studied as an alternative means to boron diffusion for the realization of isolation walls in bi-directional power devices. The process of boron solid-state diffusion is limited mainly by its huge thermal budget. Among alternative solutions, the thermomigration offers many advantages such as thermal budget reduction and constant, high doping level. The process is based on the migration of Al/Si liquid droplets by means of a vertical temperature gradient with deposition, in the droplet path, of a silicon solid solution doped with aluminium (at about 1019 at/cm3). The requirement of a vertical temperature gradient leads to the design of a specific rapid thermal processor (RTP). The experimental study has given the main issues raised by the industrialization of this technique, form both "process" and "equipment" side. For example, the necessary introduction of oxygen during the thermomigration annealing dramatically influences the droplet migration. Therefore, new answers have been given to address this problem, especially by considering geometrical parameters of aluminium pattern. Moreover, thorough analysis of the results obtained with the laboratory RTP furnace has given the main specifications of a new equipment allowing industrial application of thermomigration. Finally, thanks to our knowledge of the process, we designed and realized a new power structure, namely a thyristor on epitaxy, whose reverse blocking capability has been demonstrated. Although further investigations are necessary to solve remaining problems, the results we obtained during this study are very promising as regards future industrialization of the process.

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Informations

  • Détails : 222 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury après une confidentialité de 2 ans
  • Annexes : Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées. Bibliothèque centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2002/645/MOR
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