Contribution à l'évaluation de la technique de génération d'harmonique par faisceau laser pour la mesure des champs électriques dans les circuits intégrés (EFISHG)

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Sous la direction de Dean Lewis, Vincent Pouget
Thèse soutenue le 25 septembre 2009: Bordeaux 1
Ce travail contribue à l’évaluation de la technique de génération de seconde harmonique induite par un champ électrique quasi statique, ou technique EFISHG, appliquée au domaine de la microélectronique. Une description du principe de la technique EFISHG, basé sur l’optique non linéaire, permet d’appréhender l’origine physique de cette méthode. Un état de l’art a permis d’identifier deux champs d’applications liés à la microélectronique : l’analyse de défaillance, via la mesure en temps de réelle des variations de champs électriques internes dans les circuits intégrés, et la fiabilité par l’étude du piégeage de charges à l’interface Si/SiO2 et de la dégradation dite de « Negative Bias Temperature Instability » ou NBTI. Ce manuscrit présente les différentes étapes qui ont permis l’élaboration d’un banc de test en vue de l’évaluation de l’applicabilité de la technique EFISHG à ces problématiques. Les résultats expérimentaux obtenus avec ce montage ont permis de mettre en avant les possibilités qu’offre la technique EFISHG à caractériser et à accélérer le vieillissement NBTI.
-Génération de seconde harmonique induite par laser (EFISHG)
-Optique non linéaire
-« Negative Bias Temperature Instability » (NBTI)
-Mesure de champs électriques dans les circuits intégrés
-Piégeage de charge à l’interface Si/SiO2
This work concerns the elaboration of an industrial method for Single Event Effect (SEE) sensitivity testing on integrated circuits. The concerned SEEs are those produced by heavy ions and are mainly Single Event Upset (SEU) and Single Event Latchup (SEL). The original test approach chosen in this study relies on the use of infrared laser pulses striking the backside of the tested device. Laser pulse and heavy ion interaction with semiconductor materials are described and a presentation of the particle accelerator test and some former laser test methods is also given. Advantages and drawbacks of those two techniques are discussed. The developed experimental setup uses a near infrared fiber coupled Neodyme/YAG pulsed laser. Its different elements are described. Using this tool to characterise the SEU sensitivity of several modern SRAMs has allowed to define a test methodology. Its efficiency is discussed and illustrated by different experimental results.
-Electric field induced second harmonic generation (EFISHG)
-Electric field measurement in integrated circuits
-Charge trapping at Si/SiO2 interface
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13846/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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N° d'ordre : 3846
THÈSE
présentée à
L'UNIVERSITÉ BORDEAUX I
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR
Par Thomas Fernandez
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Electronique
***********************************************
CONTRIBUTION A L’EVALUATION DE LA TECHNIQUE DE
GENERATION D’HARMONIQUE PAR FAISCEAU LASER
POUR LA MESURE DES CHAMPS ELECTRIQUES DANS LES
CIRCUITS INTEGRES (EFISHG)
***********************************************
Soutenue le 25 Septembre 2009
Après avis de :
MM. P. Perdu Ingénieur HDR, CNES, Toulouse Rapporteur
J.M. Portal Professeur, IM2NP, Marseille Rapporteur
Devant la commission d'examen formée de :
MM. S. Ermeneux Ingénieur, Alphanov, Talence Examinateur
MME. N. Labat Professeur, IMS, Bordeaux 1 Président
MM. D. Lewis Professeur, IMS, Bordeaux 1 Examinateur
MM. P. Perdu Ingénieur, HDR, CNES, Toulouse Rapporteur
MM. J.M. Portal Professeur, IM2NP, Marseille Rapporteur
MM. V. Pouget Chargé de recherche, IMS, Bordeaux 1 Examinateur
- 2009- REMERCIEMENTS
Les travaux présentés dans ce mémoire se sont déroulés au laboratoire de l'Intégration des
Matériaux aux Systèmes (IMS) à Bordeaux.
Je tiens tout d’abord à remercier la région Aquitaine pour avoir financé ce travail.
Je remercie Pascal FOUILLAT, directeur du laboratoire IMS de m’avoir accueilli dans son
laboratoire.
Je tiens également à remercier Dean LEWIS pour avoir co-dirigé cette thèse et apporté toute
son expertise à ce travail.
Je témoigne également ma reconnaissance à Vincent POUGET pour avoir co-dirigé cette thèse
avec dynamisme et rigueur permettant l'aboutissement de ce travail.
Que Monsieur Philippe PERDU et Monsieur Jean-Michel PORTAL trouvent ici l’expression
de ma pleine reconnaissance pour le privilège qu’ils m’ont fait en ayant accepté d’examiner ce travail
en qualité de rapporteurs et en m’ayant aidé à améliorer la qualité de mon manuscrit.
Je suis sincèrement reconnaissant envers Madame Nathalie LABAT d’avoir accepté la
responsabilité de présider mon jury de thèse.
J’adresse mes très sincères remerciements à Monsieur Sébastien ERMENEUX pour avoir
accepté d’être membre invité du jury, ajoutant de fait leur expertise à celle des membres officiels.
Je souhaite également remercier l’ensemble des personnes qui m’ont aidé durant ma thèse, au
laboratoire IMS, dont notamment Frédéric DARRACQ, Fabien ESSELY, Patrice JAULENT,
Alexandre DOUIN et Simone DANG VAN.
Enfin, je ne n’énumèrerai pas ici toutes les personnes qui comptent pour moi, mais qu’elles
sachent que c’est au quotidien et par mes actes que j’essaie chaque jour de leur rendre une partie,
certes infime, de ce qu’elles me donnent. TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION.......................................................................................................................... 5
CHAPITRE 1 : PRINCIPE ET ETAT DE L’ART DE LA TECHNIQUE DE L’ELECTRIC FIELD
INDUCED SECOND HARMONIC GENERATION OU EFISHG ................................................................. 9
I. Introduction ................................................................................................................. 11
II. Les techniques laser en analyse de défaillance ........................................................... 12
II.1. Les différentes configurations expérimentales ................................................... 13
II.1.1. Type sonde....................................................................................................... 13
II.1.2. Type pompe ..................................................................................................... 14
II.1.2.1 La stimulation photothermique laser............................................................. 14
II.1.2.2 La stimulation photoélectrique laser ............................................................. 16
II.1.2.3 Applications industrielles .............................................................................. 17
II.1.3. Type pompe-sonde .......................................................................................... 17
II.2. Evolution des techniques d’analyse optiques ..................................................... 20
II.2.1. Les techniques de stimulation électrique dynamique ...................................... 20
II.2.1.1 Analyse fonctionnelle.................................................................................... 21
II.2.1.2 Analyse paramétrique.................................................................................... 22
II.2.2. Utilisation des lasers impulsionnels................................................................. 23
II.2.2.1 Développements des techniques pompe........................................................ 23
II.2.2.2 Développements des techniques sonde ......................................................... 24
II.2.2.3 Vers des techniques full dynamiques ............................................................ 24
II.2.2.4 Les techniques émergentes basées sur l’optique non linéaire ....................... 26
III. Principes physiques de la technique EFISHG............................................................. 26
III.1. Les équations de Maxwell .................................................................................. 26
III.2. Cas particuliers : les milieux centrosymétriques ................................................ 29
III.3. La génération de seconde harmonique dans le silicium ..................................... 30
III.3.1. Les termes indépendants du champ électrique ............................................... 30
II.3.1.1 Le terme de surface ....................................................................................... 30
II.3.1.2 Les termes d’ordre supérieur......................................................................... 30
III.3.2. Electric Field Induced Second Harmonic Generation ou EFISHG ................ 31
IV. Utilisations de l’EFISHG en microélectronique ......................................................... 33
IV.1. La cartographie de champ électrique.................................................................. 33
IV.2. La mesure de champ électrique en temps réel .................................................... 34
IV.2.1. La technique pompe-sonde ............................................................................ 35
IV.2.2. Les techniques sonde ..................................................................................... 35
IV.3. L’étude du piégeage d’électrons à l’interface ou dans l’oxyde .......................... 37
V. Conclusion................................................................................................................... 40
1CHAPITRE 2 : DEVELOPPEMENT EXPERIMENTAL DE LA TECHNIQUE EFISHG ................. 41
I. Introduction ................................................................................................................. 43
II. Le banc EFISHG disponible sur la plateforme ATLAS.............................................. 43
II.1. Objectif............................................................................................................... 43
II.2. Description de la plateforme ATLAS................................................................. 43
II.3. Description générale du banc de test EFISHG ................................................... 44
II.4. La source laser.................................................................................................... 46
II.4.1. Choix de la longueur d’onde............................................................................ 47
II.4.1.1 L’attaque par la face avant ............................................................................ 47
II.4.1.2 L’attaque par la face arrière........................................................................... 48
II.4.2. Le vitesse ......................................................................................................... 49
II.4.3. Caractérisation du faisceau.............................................................................. 50
II.4.3.1 Calibration énergétique ................................................................................. 50
II.4.3.2 Contrôle du blocage de mode du laser .......................................................... 51
II.5. Le système de visualisation ................................................................................ 53
II.6. Le système de détection...................................................................................... 54
II.7. Calibration du banc de test ................................................................................. 56
II.7.1. Mesure de la puissance incidente en temps réel .............................................. 56
II.7.2. Mesure de la puissance réfléchie en temps réel............................................... 57
II.8. Optical beam induced current, OBIC ................................................................. 58
III. Les caractéristiques des composants utilisés............................................................... 59
III.1. La puce « Céline ».............................................................................................. 59
III.2. La puce « ISLAND ».......................................................................................... 60
III.3. LM6181 .............................................................................................................. 61
III.4. HVPMOS ........................................................................................................... 61
IV. Développement du banc de test................................................................................... 62
IV.1. Caractérisation du banc de test à l’aide d’un cristal de KDP.............................. 62
IV.1.1. Soustraction de la composante linéaire .......................................................... 63
IV.2. Evolution du signal en fonction du temps .......................................................... 65
IV.2.1. Résultats obtenus............................................................................................ 65
IV.2.2. Interprétation des résultats ............................................................................. 67
IV.2.3. L’obturateur mécanique ................................................................................. 67
V. Automatisation du banc de test ................................................................................... 68
V.1. Le contrôle instrumental..................................................................................... 69
V.1.1. Le photomultiplicateur .................................................................................... 69
V.1.2. Les paramètres électriques .............................................................................. 70
V.1.3. L’obturateur mécanique................................................................................... 70
2V.2. Traitements, outils et modes de mesure.............................................................. 71
V.2.1. Les modes de mesures..................................................................................... 71
V.2.2. Les outils de caractérisation électrique............................................................ 72
V.2.3. Sauvegardes..................................................................................................... 72
VI. Conclusion................................................................................................................... 73
CHAPITRE 3 : RESULTATS ET PERSPECTIVES DE RECHERCHE............................................. 75
I. Introduction ................................................................................................................. 77
II. Mise en evidence de la seconde harmonique .............................................................. 77
II.1. Evolution du signal en fonction de la puissance................................................. 77
II.2. Résultats obtenus ................................................................................................ 78
III. Etude experimentale du signal EFISHG ..................................................................... 80
III.1. Etude dynamique du signal................................................................................. 80
III.1.1. Influence du rapport cyclique......................................................................... 82
III.1.2. Effet cumulatif et récupération....................................................................... 84
III.1.3. Rappels théoriques sur le piégeage de charges et l’absorption non linéaire .. 86
III.1.3.1 Les différents types de pièges à l’interface Si/SiO ..................................... 862
III.1.3.2 Absorption multiphotonique ........................................................................ 88
III.1.4. Interprétation du signal................................................................................... 88
III.1.5. Influence de l’injection de porteur de charge sur les caractéristiques d’un
PMOS 92
III.2. Influence de la tension sur le signal.................................................................... 95
III.2.1. Configuration du test et résultats obtenus ...................................................... 95
III.2.2. Interprétation du signal................................................................................... 96
IV. Application au Negative Bias Temperature Instability (NBTI) .................................. 99
IV.1. Définition d’une contrainte NBTI ...................................................................... 99
IV.2. Description du phénomène ................................................................................. 99
IV.3. Problématique du temps de caractérisation ...................................................... 100
IV.3.1. Accélération de la dégradation NBTI afin d’extrapoler une durée de vie.... 100
IV.3.2. Effet de la tension de grille .......................................................................... 101
IV.3.3. Effet de la température................................................................................. 101
IV.4. Problématique de la technique de caractérisation............................................. 103
IV.5. Protocole de test accéléré du phénomène NBTI............................................... 105
IV.5.1. Protocole ...................................................................................................... 106
IV.5.2. Mise en place du protocole sur la plateforme ATLAS................................. 108
V. Conclusion................................................................................................................. 110
CONCLUSION.......................................................................................................................... 113
ANNEXE.................................................................................................................................. 117
BIBLIOGRAPHIE..................................................................................................................... 123
34INTRODUCTION
5 6

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