Analyse de défaillance des circuits intégrés par émission de lumière dynamique : développement et optimisation d'un système expérimental

Mustapha Remmach

Description

Sous la direction de Dean Lewis, Philippe Perdu
Thèse soutenue le 03 septembre 2009: Bordeaux 1
L’émission de lumière est une puissante technique de localisation dans le domaine de l’analyse de défaillance des circuits intégrés. Depuis plusieurs années, elle est utilisée comme une technique capable de localiser et d’identifier des défauts émissifs, tels que les courants de fuites, en fonctionnement statique du composant. Cependant, l’augmentation d’intégration et des performances des circuits actuels implique l’apparition d’émissions de défauts dynamiques dus à l’utilisation de fréquences de fonctionnement de plus en plus élevées. Ces contraintes imposent une adaptation de la technique d’émission de lumière qui doit donc évoluer en même temps que l’évolution des circuits intégrés. C’est dans ce contexte que de nouveaux modes de détection, liés à l’émission de lumière, est apparu : PICA et TRE. Ainsi, les photons sont collectés en fonction du temps donnant ainsi une place importante à la technique par émission de lumière dynamique pour le debbug et l’analyse de défaillance en procédant à une caractérisation précise des défauts issus des circuits intégrés actuels. Pour répondre aux exigences dues à l’analyse du comportement dynamique des circuits intégrés, des méthodes ont été identifiées à travers la technique PICA et la technique d’émission en temps résolu connue sous le nom de technique mono-point TRE. Cependant, les techniques PICA et TRE sont exposées à un défi continu lié à la diminution des technologies et donc des tensions d’alimentation. Pour analyser des circuits de technologies futures à faible tension d’alimentation, il est nécessaire de considérer différentes approches afin d’améliorer le rapport signal sur bruit. Deux solutions sont présentées dans ce document : un système de détection optimisé et des méthodes de traitement de signal.
-Analyse de défaillance
-Emission par porteurs chauds
-Techniques PICA et TRE
-Défaut dynamique
Light emission is a powerful technique for the characterization of failed integrated circuits. For years, faults have been identified in a static configuration of the device. Just by providing the power supply, abnormal current leakage could be located. With the growing complexity of devices, some fault may appear only in the middle of the test sequence. As a result the evolution of light emission was to use the same detector to acquire the image of a running circuit. A new mode of light emission came became available: PICA or picoseconds IC analysis. With this configuration, photons are collected as a function of time. This technique became mainstream for IC debug and failure analysis to precisely characterize IC. Light emission has also reached dynamic IC requirements through PICA and Single-point PICA also known as TRE. However, light emission and TRE is facing a continuous challenge with technologies shrinkage and its associated power supply voltage drop. To work with recent IC technologies with ultra low VDD voltage, it is necessary to take a different approach, to improve the signal to ratio. Two solutions are presented in this document: A best detection system and TRE and PICA signal processing development.
-Failure Analysis
-Hot carrier Emission
-TRE Technique
-PICA Technique
-Dynamic Faults
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13830/document

Informations

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Extrait

oN d’ordre : 3830
THESE

PRESENTEE A

L’UNIVERSITE BORDEAUX 1

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR

par Mustapha REMMACH

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPECIALITE : Electronique

--------------------
ANALYSE DE DEFAILLANCE DES CIRCUITS
INTEGRES PAR EMISSION DE LUMIERE
DYNAMYQUE:
DEVELOPPEMENT ET OPTIMISATION D'UN SYSTEME
EXPERIMENTAL
--------------------

Soutenue le : 03 Septembre 2009

Après avis de :

MM. Jean GASIOT Professeur émérite Université de Montpellier II Rapporteur
Marise BAFLEUR Directrice de recherche LAAS - CNRS Rapporteur

Devant la commission d’examen formée de :

MM. Nathalie LABAT Professeur Université de Bordeaux I Président
Dean LEWIS Professeur Université de Bordeaux I Directeur
Jean GASIOT Professeur émérite Université de Montpellier II Rapporteur
Philippe Perdu Docteur-Ingénieur CNES Co-directeur
Vincent POUGET Chargé de recherche CNRS Examinateur
MME. Marise BAFLEUR Directrice de recherche LAAS - CNRS Rapporteur


- 2009 – 3
REMERCIEMENTS


Ce travail de thèse, réalisé dans les locaux du Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) au
sein du laboratoire d’analyse de défaillance, et effectué en collaboration avec le laboratoire
IMS de l’Université de Bordeaux 1, n’aurait pu être accompli sans le support et le soutien de
plusieurs personnes que je remercie honorablement :

Tout d’abord, je tiens à exprimer toute ma profonde reconnaissance et gratitude à Monsieur
Philippe Perdu, directeur de cette thèse, pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire et
m’avoir apporté son appui tout au long du cheminement de ce mémoire. Je tiens aussi à
exprimer ma profonde reconnaissance au Professeur Dean LEWIS, co-directeur de cette thèse,
pour m’avoir apporté son soutien et pour m’avoir accordé sa confiance pour préparer ce
travail de recherche.

Je tiens aussi à témoigner un profond respect au Professeur Emérite Jean GASIOT pour sa
disponibilité, son soutien, ses encouragements tout au long de mon cursus universitaire et
pour m’avoir fait l’honneur d’accepter la mission d’être rapporteur. Je tiens également à
remercier Madame Marise BABLEUR, directrice de recherche au LAAS, pour avoir accepté
d’être rapporteur de cette thèse et pour sa contribution qui a permis d’élever la valeur
scientifique de ce document.

Merci également aux autres membres du jury qui ont accepté de juger ce travail : La
présidente du jury le Professeur Nathalie LABAT, et Vincent POUGET, chargé de recherche
CNRS.

Je remercie amicalement Romain DESPLATS, Félix BEAUDOIN, Kevin SANCHEZ,
Abdellatif FIRITI, Frédéric DARRACQ pour leur aide, leur présence et surtout leurs
conseils. Je remercie également les personnes avec qui j’ai eu la chance de travailler : Fabien
ESSELY, Alexandre DOUIN, Roberto REYNA, Olivier CREPEL, Nicolas GUITARD….

Je tiens aussi à mentionner le plaisir que j’ai eu à travailler au sein du laboratoire d’analyse de
défaillance du CNES, et j’en remercie ici tous les membres. 4
Enfin, je suis totalement redevable envers mes parents pour leur soutien et leur appui
inconditionnel et ma compagne, pour sa compréhension, sa tolérance et son encouragement à
tout instant.
5


TABLE DES MATIERES


REMERCIEMENTS..............................................................................................................................................3
TABLE DES MATIERES .....................................................................................................................................5
INTRODUCTION..................................................................................................................................................9
CHAPITRE 1 :..................................13
LOCALISATION DE DEFAUTS DANS LES CIRCUITS INTEGRES : ETAT DE L’ART ET
IDENTIFICATION DES BESOINS...................................................................................................................13
I. INTRODUCTION................13
II. LA PROBLEMATIQUE LIEE A LA LOCALISATION DE DEFAUT DANS LES CIRCUITS
INTEGRES........................................................................................................................................................14
III. LES TECHNIQUES DE MESURES PONCTUELLES......................................................................17
III.1. LE TEST SOUS POINTES..............................................................................................................18
III.2. LE TEST PAR FAISCEAU D’ELECTRONS ..................................................................................20
III.3. LA TECHNIQUE LVP....................................................................................................................22
III.4. LIMITATION GENERIQUE DES TECHNIQUES DE MESURES PONCTUELLES.....................25
IV. LES TECHNIQUES DE CARTOGRAPHIE OPTIQUES PAR LA FACE ARRIERE.......................26
IV.1. LES PROPRIETES OPTIQUES DU SILICIUM.............................................................................26
IV.2. LA MICROSCOPIE INFRAROUGE ..............................................................................................28
IV.3. LES TECHNIQUES LASER30
IV.4. leS TECHNIQUES BASEES SUR L’EMISSION DE LUMIERE ....................................................32
IV.4.1. Principe de la photoémission................................................................................................................34
IV.4.1.1. Recombinaison par porteurs............................................................................................................34
IV.4.1.2. Courants d’oxyde ............................................................................................................................35
IV.4.1.3. Les porteurs accélérés par champs électrique..................................................................................35
IV.4.2. Investigation de la lumière en face arrière............................................................................................36
IV.4.3. Limitations............................................................................................................................................37
V. LES TECHNIQUES OPTIQUES DYNAMIQUES DE TEST DE CIRCUITS INTEGRES NOUVELLES
GENERATIONS...............................................................................................................................................37
V.1. lE LASER DYNAMIQUE................................................................................................................37
V.2. l’EMISSION DE LUMIERE DYNAMIQUE ...................................................................................39
VI. CONCLUSION...................................................................................................................................40 6
CHAPITRE 2 : .....................................................................................................................................................42
PHYSIQUE DE L’EMISSION DE LUMIERE DANS LES TRANSISTORS MOSFET EN
COMMUTATION................................................................................................................................................42
I. INTRODUCTION................42
II. PHYSIQUE DES PORTEURS CHAUDS DANS LES TRANSISTORS MOSFET................................43
II.1. LES PORTEURS CHAUDS DANS LES TRANSISTORS MOSFET................................................43
II.1.1. Principe......................................................................................................................................................43
II.1.2. Le champ électrique dans le canal d’un transistor MOSFET.....................................................................45
II.1.3. Le courant de substrat................................................................................................................................46
II.2. TRANSPORT ET DISTRIBUTION.................................................................................................47
II.2.1. Problématique............................................................................................................................................48
II.2.2. Les interactions électron – phonon ............................................................................................................49
II.2.3. Les interactions par ionisation par impact..................................................................................................50
II.2.4. Les interactions électron - électron (coulombiennes).................................................................................52
II.2.5. Distribution dans le transistor MOSFET........................................................................................