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Protection des circuits intégrés vis-à-vis des décharges électrostatiques (ESD)
Les circuits intégrés sont sujets à des décharges électrostatiques de manière constante. Depuis leur environnement de fabrication jusqu’à leur intégration dans une application électronique, nous sommes en présence de contraintes environnementales. Ainsi, la sensibilité des composants est aujourd’hui bien anticipée durant la fabrication. La problématique majeure réside alors dans l’utilisation, c’est à dire lorsque le composant arrive dans les mains du client. Dans cette série de contraintes environnementales, sont incluses également les décharges électrostatiques qui peuvent être produites par les opérateurs sur des objets situés à proximité du matériel principal. Cette définition traduit la compatibilité électromagnétique (CEM). La compatibilité électromagnétique définit l’aptitude d’un appareil, d’un système électrique ou électronique, à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante. Cette fonctionnalité doit rester valable sans produire elle-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement. Les méthodes de caractérisation des systèmes électroniques sont ainsi décrites dans un standard de la norme IEC61000-4-2 qui donne des spécifications pour les essais menés en laboratoire et les essais in situ réalisés sur le matériel dans l’installation finale.
Aujourd’hui, la norme IEC61000-4-2 a été détournée de la vérification de la compatibilité électromagnétique. Les clients des fondeurs de circuits intégrés se voient effectivement « imposer » cette évaluation de la compatibilité électromagnétique. Dans les spécifications, les broches de circuits intégrés ont parfois donc une robustesse requise à l’IEC 61000-4-2 alors que ce standard n’établit pas la procédure de ce type de caractérisation. La norme IEC 6000-4-2 n’y est pas destinée à son origine.
Les décharges électrostatiques
Le phénomène de décharge électrostatique, communément connu sous le nom d’ESD, apparaît lorsqu’un objet électriquement chargé est relié à la terre. Elle se traduit en anglais par ElectroStatic Discharge (ESD) et consiste en un transfert de charges électrostatiques entre deux corps ou deux surfaces qui présentent une différence de potentiel. Les ESD sont donc des phénomènes naturels dont les principales causes sont la triboélectricité et l’induction qui sont à l’origine de la génération de charges électrostatiques dans un objet. L’événement ESD constitue un sous-ensemble des phénomènes transitoires de surcharges électriques, communément appelés EOS (en anglais EOS pour Electrical Over Stress). Un objet exposé à un courant ou une tension supérieure à sa tension maximale de fonctionnement définit le phénomène EOS [1].
Généralement considérée comme une menace pour les circuits intégrés (CIs), l’ESD se manifeste par exemple lorsque des mains humaines touchent une connexion du circuit intégré ou lorsqu’une personne saisit la puce à l’aide d’une pince ou encore établit un contact entre le boitier et un objet métallique relié à la masse. D’autre part, les EOS sont des phénomènes très souvent caractérisés par des surtensions ou des pics transitoires pouvant apparaître dans certaines conditions de test des circuits intégrés et durant leur application après intégration sur une carte du système. Ainsi, la principale préoccupation avec les puces en microélectronique consiste en l’étude de l’ESD qui temporellement réside dans une échelle inférieure à la microseconde. Cependant, la surcharge électrique EOS fait souvent référence à des événements différents de l’ESD englobant aussi bien des échelles de la microseconde que des échelles de l’ordre de la milliseconde. Les ESD font l’objet de près de 50% des retours clients [2]. Ses effets sur les circuits intégrés sont très variés. Plusieurs mesures de protection sont donc mises en œuvre dans l’industrie de la microélectronique vis-à-vis des ESD. Après les avoir classifiés suivant leur mode de génération, nous disposons aujourd’hui, de différents modèles d’ESD selon que leur origine soit humaine, structurale ou liée à un équipement. Tous ces modèles sont établis à partir de circuits électriques constitués de résistances, de condensateurs et de bobines qui sont également les schémas de principe des testeurs industriels simulant des décharges.
Le modèle humain HBM
Dans leur montage et leur manipulation pendant la fabrication, les composants électroniques subissent diverses manipulations par des êtres humains ou des équipements. Ces contacts entre deux corps tendent à provoquer des décharges électrostatiques. La décharge d’une personne touchant du bout du doigt un composant électronique relié à la masse est décrite par le modèle de décharge humain ou Human Body Model (HBM). A partir de cette définition, les fabricants de composants microélectroniques modélisent un corps humain électriquement chargé à l’aide d’un condensateur de capacité 100 pF et d’une résistance de 1500 Ω.
Le mode de fonctionnement de ce montage est la charge succédée d’une décharge de la capacité dans la résistance par un basculement de l’interrupteur suivant les positions respectives ouverte et fermée sur le composant sous test.
Le modèle du composant chargé CDM
Le modèle du composant chargé ou Charged Device Model (CDM) reproduit la décharge d’un composant ou d’un circuit intégré assemblé qui s’est chargé. Un exemple typique de décharge CDM est un composant glissant de son tube de transport et atterrissant sur une surface conductrice. Les frottements des broches et du boitier avec le tube permettent de stocker des charges qui sont par la suite évacuées à travers une broche. Le phénomène CDM a donc lieu lorsqu’un contact métal à métal est établi suite à un transfert du composant dans une zone à champ électrique, ou sa charge par le phénomène de triboélectricité.
La quantité de charges stockées demeure très variable d’un composant à un autre et la forme de l’impulsion de l’ESD dépendra des conditions d’intégration en boîtier. Dès lors, il devient très difficile de simuler expérimentalement ce modèle. Néanmoins, plusieurs simulateurs de décharges ont été développés afin de reproduire la décharge avec des circuits à base d’une résistance. La différence fondamentale de ces simulateurs réside dans le moyen de charge du composant.
Le modèle HBM selon la norme IEC ou modèle du « pistolet »
Pendant plus de trois décennies, de nombreuses précautions ont été mises en place par les industriels face aux décharges électrostatiques sur les composants discrets en plus du système électronique entier [10]. Historiquement, le modèle accepté par les fabricants et les clients pour définir les menaces ESD était l’HBM. Récemment, un nouveau modèle a émergé. La norme IEC 61000-4-2 devenant le standard de l’industrie de la microélectronique pour simuler l’ESD, les clients exigent désormais que cette norme soit appliquée aux systèmes et parfois même aux circuits intégrés. Ainsi, le développement de ce modèle aussi appelé «pistolet» a permis d’évaluer l’immunité des produits dans leur application finale face aux diverses contraintes environnementales. En effet, le modèle du «pistolet» se définit comme étant la simulation de la décharge d’une personne, à travers un système électrique ou électronique, tenant du bout des doigts un objet métallique .
Modèle IEC 61000-4-2
En 1995, la Commission Electrotechnique Internationale (CEI) ou International Electrotechnical Community (IEC) publie un nouveau modèle HBM standard plus sévère connu sous le nom d’IEC 801-2 [12]. Cette spécification est destinée à définir les performances exigées de tous les composants électroniques dans une série de conditions d’interférences électromagnétiques. En effet, la norme IEC 801-2 résulte d’un marché commun Européen et d’une forte exigence à la fiabilité des systèmes électroniques. Ainsi, elle connaît successivement deux numérotations différentes par la CEI dans le but de regrouper toutes les spécifications électroniques au sein de la communauté Européenne. Jusqu’en 1997, la norme est connue sous le nom IEC 1000-4-2 avant de porter la numérotation actuelle : IEC 61000-4-2 [13]. Les modifications dans l’appellation ont été effectuées sans changement de la description du modèle. Elle a toujours consisté en une représentation schématique (Figure 8) d’un condensateur de capacité 150 pF se déchargeant à travers une résistance de 330 Ω. Dans un premier temps, l’interrupteur est fermé sur le générateur haute tension afin de charger le condensateur. Ensuite, un basculement de l’interrupteur en position ouverte initie la décharge du condensateur à travers la résistance de 330 Ω et l’bobine pour atteindre le composant sous test. La forme d’onde en courant vue par une résistance de 2 Ω substituant le composant sous test est caractéristique de la norme IEC 61000-4-2.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Protection des circuits intégrés vis-à-vis des décharges électrostatiques (ESD)
I. Introduction
II. Les décharges électrostatiques
II.1 Le modèle humain HBM
II.2 Le modèle de la décharge d’une machine MM
II.3 Le modèle du composant chargé CDM
II.4 Le modèle HBM selon la norme IEC ou modèle du « pistolet »
II.4.1 Modèle IEC 61000-4-2
II.4.2 La forme d’onde du pistolet
II.4.3 Les simulateurs de décharge
II.4.4 Le modèle HMM
II.5 Conclusion
III. La protection ESD dans le circuit intégré (CI) : exigences industrielles
III.1 Le circuit intégré sur silicium IPADTM
III.2 Problématique ESD sur Circuits Intégrés
III.3 Conception de la protection ESD pour un circuit intégré
III.4 Intérêt de l’étude de la fiabilité des circuits intégrés
III.5 Conclusion
IV. Analyse physique des défaillances ESD
IV.1 Le défaut et la défaillance
IV.2 Localisation de la défaillance
IV.2.1 La Microscopie Electronique à Balaye
IV.2.2 L’EMMI
IV.2.3 L’OBIRCh
IV.3 Caractérisation physique approfondie
IV.3.1 Le FIB
IV.3.2 La Révélation Chimique
IV.4 Conclusion
V. Conclusion
Références Bibliographiques
Chapitre II : Etude de la diode de protection ESD
I. Introduction
II. La diode bidirectionnelle
II.1 Architecture de la structure
II.2 Influence des paramètres géométriques
II.2.1 Variation de la distance entre jonctions N+
II.2.2 Géométrie de la diode
II.3 Conclusion
III. Fonctionnement dans un régime de « fort courant »
III.1 L’outil de caractérisation TLP : Dispositif électrique
III.2 Intérêt de la caractérisation à ligne de transmission
III.3 Comportement de la diode : Principe de mesure d’une caractéristique TLP
III.4 Caractérisation TLP des diodes bidirectionnelles
IV. Fonctionnement électrique statique
IV.1 Etude théorique de la caractéristique statique
IV.1.1 Polarisation de la jonction
IV.1.2 Caractéristique idéale
IV.1.3 Courant de fuite de la jonction
IV.1.4 Claquage de la jonction
IV.1.5 L’instabilité thermique
IV.1.6 L’effet tunnel
IV.1.7 La multiplication par avalanche
IV.2 Caractéristique statique courant-tension I(V)
IV.3 Dysfonctionnement et Critère de défaillance
IV.3.1 Réduction de la tension de claquage
IV.3.2 Augmentation du courant de fuite
IV.3.3 Critère de dégradation
V. Conclusion
Références Bibliographiques
Chapitre III : Robustesse ESD de la diode de protection, Contrainte non répétée
I. Introduction
II. Robustesse ESD des diodes de protection bidirectionnelles
II.1 Robustesse : Définition et Caractérisation
II.2 Résultats expérimentaux : Influence des paramètres de dessin
II.2.1 Eloignement des jonctions
II.2.2 Impact de la polarisation de la jonction
II.2.3 Résistance interne RS et robustesse de la structure VESD0
II.2.4 Etude de la surface des jonctions
II.3 Conclusion
III. Caractérisation électrique de la défaillance
III.1 Influence de la méthode de caractérisation
III.2 Incrémentation et répétition des décharges
IV. Analyse physique de la défaillance
IV.1 Méthode de localisation
IV.1.1 EMMI et OBIRCh
IV.1.2 Révélation chimique
IV.2 Nature de la défaillance
IV.3 Analyse FIB de la défaillance
V. Compréhension des phénomènes physiques : simulation électrothermique
V.1 L’outil de simulation Sentaurus WorkBench
V.1.1 Sentaurus WorkBench: Simulation technologique
V.1.2 Emulation du procédé de fabrication de la diode
V.1.3 Maillage de la structure
V.2 Réponse électrothermique du composant
V.3 Mécanisme de dégradation en impulsion unique
VI. Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre IV : Fiabilité de la diode vis-à-vis des décharges répétitives
I. Introduction
II. Tenue en répétitif de la diode bidirectionnelle
II.1 Conditions expérimentales
II.1.1 Choix du niveau de tension
II.1.2 Reproductibilité des impulsions
II.1.3 Echantillonnage
II.1.4 Impact de la fréquence de répétition
II.1.5 Polarisation
II.2 Résultats de caractérisation en répétitif
II.2.1 Influence de la distance entre jonctions
II.2.2 Géométrie
II.3 Conclusion
III. Etude statistique de la tenue en répétitif
III.1 Rappel de formalisme mathématique
III.2 Résultats de caractérisation
III.2.1 Paramètres expérimentaux
III.2.2 Résultats d’endurance
III.2.3 Analyse statistique
III.3 Conclusion
IV. Caractérisation des défaillances ESD
IV.1 Localisation et nature des défaillances
IV.1.1 Défaillance physique
IV.1.2 Dégradation électrique de la diode
IV.1.3 Discussion
IV.2 Corrélation des défaillances électrique et physique
V. Mécanisme de dégradation de la diode de protection dans le mode répétitif
V.1 Simulation électrothermique
V.2 Mécanismes de dégradation
V.2.1 Diode circulaire entourée
V.2.2 Diode circulaire latérale
VI. Optimisation: Implémentation d’une couche barrière
VI.1 Modification de la structure
VI.2 Résultats expérimentaux
VI.2.1 Caractérisation physique
VI.2.2 Etude de la tenue en répétitif
VII.Conclusion
Conclusion générale
