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.

Les convertisseurs d'électronique de puissance sont de plus en plus compacts. Les pertes générées dans les différents composants restent sensiblement constantes, voire croissantes, pourune puissance donnée, car l'augmentation des fréquences de travail 'est pénalisante à ce niveau. Les puissances volumiques à évacuer sont donc en augmentation et nécessitent la conception de· refroidisseurs plus efficaces. Les meilleures performances sont actuellement obtenues par des refroidisseurs en cuivre à microcanaux parcourus par un fluide caloporteur. Afin.de limiter les problèmes de fatigue thermique, due à la présence de différents matériaux, et d'augmenter la compacité, nous présentons dans cette thèse une démarche visant à réaliser des refroidisseurs à microcanaux en technologie silicium. Après avoir rappelé une méthode de calcul des pertes et les lois de la thermique et de l'hydraulique, nous présenterons les avantages attendus par notre approche; puis nous décrirons les technologies disponibles et celles retenues pour la réalisation de prototypes. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux simulations des dispositifs comparées aux résultats expérimentaux, ainsi qu'à une recherche de conception optimale.

L'augmentation des pertes thermiques générées dans les composants semiconducteurs a amené le LEG à travailler sur l'intégration de refroidisseurs dans les systèmes de puissance. L'apport des caloducs miniatures plats dans ce domaine permet d'assurer une extraction thermique des énergies dissipées et de réduire les densités de flux thermique. Dans un premier temps, des modélisations thermique et hydraulique ont été conduites pour concevoir et réaliser des prototypes métalliques. Des bancs expérimentaux ont été réalisés pour les caractériser. Deux types de réseau capillaire ont été étudiés. Le premier est constitué de rainures axiales trapézoïdales et le second d'un dépôt de poudres frittées. Enfin, la seconde partie de ces travaux s'est orientée sur l'utilisation du silicium comme matériau support. L'ensemble des études conduites montre l'apport des nouvelles technologies pour concevoir des drains thermiques et des répartiteurs uni et bidimensionnels intégrés dans les substrats de puissance.

Les composants semiconducteurs de puissance sont depuis toujours à la base des développements des convertisseurs statiques. Le rôle d'interrupteur qu'ils jouent, conditionne l'évolution des structures. Avec l'apparition au début des années quatre vingt des IGBT, le monde des composants de puissance a été bouleversé. Issu des structures MOS, ce nouveau composant a ouvert à la famille des composants à grille isolée les applications de moyennes et de fortes puissances. Deux raisons expliquent cette évolution. D'une part, les progrès effectués par les fabricants de semiconducteurs (Front End) ont permis d'obtenir des tenues en tension de plusieurs kilovolts, et, d'autre part les progrès effectués sur l'encapsulation (Back End) ont autorisé de forts pouvoirs d'évacuation de la chaleur et donc de fortes intensités. Au cours de nos dix années de recherche, nous nous sommes attachés à participer au développement de ces nouveaux composants. Sur le plan électrique, avec une approche de concepteur de convertisseur, nous avons mis en évidence l'apport des IGBT en électronique de puissance en participant, entre autres, à des développements d'associations de composants pour répondre aux applications de la traction électrique. Nous avons rapidement montré, l'importance des assemblages sur lesquels ces composants sont reportés et particulièrement de leurs caractéristiques thermiques. La seconde partie de notre travail a concerné l'étude thermique de ces assemblages. L'étude des stratégies de refroidissement par microthermie a été initiée pour repousser les limites des structures classiques de refroidissement. Enfin, pour répondre à la fois à des considérations thermiques et électriques, une action a été engagée sur la connectique interne aux composants. Un nouveau concept de boîtier a été réalisé et breveté. Dans une démarche d'intégration système, nous avons initié des travaux d'intégration de micro refroidisseurs dans le semiconducteur pour concevoir, de manière cohérente, la fonction interrupteur. Pour assurer une approche fonctionnelle sécurisée, des travaux sont aussi engagés sur l'intégration monolithique d'éléments de commande et de protection. Dans notre projet de recherche, en prospective, nous développons l'idée que l'électronique de puissance doit, comme l'électronique l'a fait, évoluer vers une intégration pour répondre tant aux besoins des utilisateurs que des concepteurs.

Cette thèse a pour objectif d'étudier les potentialités des pompes électrocinétiques pour des applications de type refroidissement de composants de l'électronique de puissance. En effet, les pompes mécaniques utilisées aujourd'hui présentent des problèmes en terme de fiabilité, de bruit, de coût et de volume. Après une étude bibliographique et comparative entre les différentes pompes statiques fonctionnant à partir d'un champ électrique, nous avons choisi d'étudier plus en détail les pompes électro-osmotiques poreuses. Une modélisation de ce type de pompe a été proposée et validée expérimentalement. Nous avons également développé une formulation analytique de l'efficacité thermodynamique optimale d'une pompe électroosmotique poreuse. Deux types de fonctionnement ont été abordés dans cette thèse : une étude avec une tension continue et une autre étude avec une tension alternative. Nous avons mis en oeuvre la pompe fonctionnant en alternatif dans une boucle de refroidissement diphasique. Une densité de flux de 100W/cm2 a pu être évacuée. D'autres applications industrielles de la pompe électro-osmotique ont également été envisagées.

Dans cette thèse, nous abordons la conception des composants d'électronique de puissance, intégrés sur semi-conducteur. Dans cette large problématique, nous nous intéressons plus particulièrement aux méthodes et outils logiciels et numériques pour le dimensionnement technologique et géométrique. Ainsi, nous abordons le dimensionnement en faisant des compromis d'intégration entre la technologie du composant de puissance et les fonctions électriques de ses composants annexes, en prenant en compte la fiabilité de la réalisation technologique en salle blanche et les impacts de l'environnement électronique. Pour cela, nous avons proposé des démarches, méthodes et outils pour repousser les limites existantes de la conception, visant à offrir le support correspondant en terme de " design kit ". Finalement, nous appliquons les méthodes et les démarches choisies et développées, au dimensionnement d'un MOSFET de puissance (VDMOS), pour différents cahiers des charges.

Dans cette thèse, nous abordons la conception des composants d'électronique de puissance, intégrés sur semi-conducteur. Dans cette large problématique, nous nous intéressons plus particulièrement aux méthodes et outils logiciels et numériques pour le dimensionnement technologique et géométrique. Ainsi, nous abordons le dimensionnement en faisant des compromis d'intégration entre la technologie du composant de puissance et les fonctions électriques de ses composants annexes, en prenant en compte la fiabilité de la réalisation technologique en salle blanche et les impacts de l'environnement électronique. Pour cela, nous avons proposé des démarches, méthodes et outils pour repousser les limites existantes de la conception, visant à offrir le support correspondant en terme de « design kit ». Finalement, nous appliquons les méthodes et les démarches choisies et développées, au dimensionnement d'un MOSFET de puissance (VDMOS), pour différents cahiers des charges. / The thesis deals with the design of integrated power electronics components. In this large problematic, the thesis focuses on the methods and numerical and software tools for the geometrical and technological sizing. So, the thesis deals with the sizing carrying out compromises between the technology of a power component and the electrical characteristics of its auxiliary components, taking into account the reliability of the technological making and the impacts of the electronic environment. In this way, approaches, methods and tools are proposed to push away the existing design limits, to offer the corresponding elements for the design kit. Finally, the developed and chosen methods and approaches are applied to the sizing of a power MOSFET (VDMOS) according to several cases of specifications

Le terme SOI (Silicon On Insulator) identifie une structure du type «substrat silicium / film isolant / couche mince de silicium». Depuis les années 70, de nombreux travaux ont été menés afin d'élaborer ce type de structures. Le LEGO (Lateral Epitaxial Growth over Oxide) est une technique basée sur la fusion et la recristallisation de motifs épais de silicium poly-cristallin sur oxyde, et qui permet d'obtenir des motifs localisés de SOI sur un substrat de silicium. Elle a été développée en premier lieu par G. Celler et al. dans les années 80 et est désormais reconsidérée à cause d'un nouveau marché pour les structures SOI partielles à faible coût, celui de l'intégration de composants de commande et de puissance sur une même puce avec une isolation diélectrique efficace.<br />Après une présentation des différentes technologies permettant d'obtenir des substrats SOI, ce mémoire décrit plus particulièrement le procédé LEGO, et le travail d'optimisation qui a été mené sur ce procédé afin d'obtenir des motifs SOI monocristallins jusqu'à 2mm². Par la suite, nous abordons la fabrication de composants de type MOS sur SOI partiel, et nous démontrons que ce procédé permet d'accueillir des composants entièrement fonctionnels et présentant les mêmes caractéristiques électriques que sur substrat silicium massif. Enfin nous concluons sur les perspectives d'applications de ce procédé.

Ce rapport de synthèse présente l'activité de recherche conduite au LEG par<br />Jean-Christophe Crébier sur intégration monolithique autour et au sein des<br />composants de puissance. La première partie présente les grandes lignes de ce<br />thème de recherche à travers la présentation des activités de recherche passées et<br />en cours et leurs positionnements par rapport à la communauté nationale et<br />internationale, scientifique et industrielles. Deux volets traitent par en particulier<br />des thèmes : auto-alimentation des commande de grille et protection réflexe en<br />tension. L'approche système, le contexte particulier de l'intégration monolithique<br />et les forts couplages de l'activité aux procédés technologiques sont abordés en<br />détails. La seconde partie du document de synthèse présente les perspectives de<br />recherche rattachées à cette thématique. On découvre entre autres les évolutions<br />futures envisagées vis à vis des travaux actuels. En particulier, la vision globale<br />des perspectives intégration de l'environnement électronique du composant de<br />puissance est bien détaillée, depuis l'alimentation, l'amplification de l'étage de<br />commande rapprochée jusqu'aux protections et dispositifs d'interfaçages. Un<br />volet particulier aborde le thème de la conception et plus particulièrement celui<br />de la conception assistée et de la capitalisation en intégration des systèmes de<br />puissance sur silicium.

Une nouvelle méthodologie d'extraction de modèles thermiques compacts (CTMs) pour les composants électroniques est proposée dans cette thèse. L'originalité de cette méthodologie réside dans la prise en compte du comportement thermique des composants comportant plusieurs puces ou sources de chaleur, plusieurs surfaces de refroidissement et des matériaux à propriétés non-linéaires, tout en gardant une structure simple et récurrente des modèles générés. Cette méthodologie concerne aussi les modèles thermiques dynamiques, ceci est rendu possible par l'utilisation d'un réseau simple de type " étoile ". La précision du réseau en étoile est améliorée en utilisant des résistances variables liées aux flux thermiques afin que le modèle compact puisse s'adapter à toutes les conditions aux limites possibles. De plus, la méthode choisie permet d'obtenir ceci avec un nombre limité de mesures ou de simulations thermiques 3D. Par ailleurs, tout au long du travail effectué, nous avons choisi de maintenir le lien avec la physique de façon à pouvoir toujours faire les analyses et les interprétations des phénomènes mis en jeu. Ainsi, une étude basée sur les phénomènes de répartition 3D du flux thermique a abouti à des solutions argumentées et validées pour rendre les modèles générés plus précis. L'extension des modèles thermiques compacts au régime dynamique, rendue possible par la méthodologie choisie, est proposée par le biais de trois techniques différentes. L'ajout d'un modèle électrique compatible avec les modèles thermiques développés, rendra aisée la modélisation électrothermique.