L'analyse de défaillances joue un rôle important dans l'amélioration des performances et de la fabrication des circuits intégrés. Des défaillances peuvent intervenir à tout moment dans la chaîne d'un produit, que ce soit au niveau conception, durant la qualification du produit, lors de la production, ou encore lors de son utilisation. Il est donc important d'étudier ces défauts dans le but d'améliorer la fiabilité des produits. De plus, avec l'augmentation de la densité et de la complexité des puces, il est de plus en plus difficile de localiser les défauts, et ce malgré l'amélioration des techniques d'analyses. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à étudier et développer une nouvelle technique d'analyse de défaillance basée sur l'étude de l'onde laser réfléchie le "Laser Voltage Imaging" (LVI) pour l'analyse de défaillance des technologies ultimes (inférieur à 45nm). / The Failure analysis plays an important role in the improvement of the performances and themanufacturing of integrated circuits. Defects can be present at any time in the product chain,during the conception (design), during the qualification, during the production, or still duringits use. It is important to study these defects in order to improve the reliability of the products.Furthermore, with the density increasing and the complexity of the chips, it is harder andharder to localize the defects. This thesis work consists to develop a new failure analysis technique based on the study of thereflected laser beam the "Laser Voltage Imaging" LVI, for the ultimate technologies (below45nm).

Les technologies VLSI (« Very large Scale Integration ») font partie de notre quotidien et nos besoins en miniaturisation sont croissants. La densification des transistors occasionne non seulement des difficultés à localiser les défauts dits « hard » apparaissant durant les phases de développement (débug) ou de vieillissement, mais aussi l’apparition de comportements non fonctionnels purs du composant liées à des défauts de conception. Les techniques abordées dans ce document sont destinées à sonder les circuits microélectroniques à l’aide d’un outil appelé émission de lumière dynamique (Time Resolved Imaging - TRI) à la recherche de comportements anormaux au niveau des timings et des patterns en jeu dans les structures. Afin d’aller plus loin, cet instrument permet également la visualisation thermographique en temps résolue de phénomènes thermiques transitoires au sein d’un composant. / VLSI ("Very Large Scale Integration") technologies are part of our daily lives and our miniaturization needs are increasing. The densification of transistors not only means trouble locating the so-called "hard defects" occurring during the development phases (debug) or aging, but also the appearance of pure non-functional behaviors related to component design flaws. Techniques discussed in this document are intended to probe the microelectronic circuits using a tool called dynamic light emission (Time Resolved Imaging - TRI) in search of abnormal behavior in terms of timings and patterns involved in structures. To go further, this instrument also allows viewing thermographic time resolved thermal transients within a component.

Dans ce travail, de nouveaux développements sur les techniques de localisation des composants électroniques en trois dimensions sont montrés. Ces développements sont réalisés grâce à l'introduction de simulations pour une technique déjà existante: la Microscopie Magnétique (MM). Dans la première partie, l'état de l'art de l'assemblage des nouveaux composants tridimensionnels est décrit. Il est ensuite suivi par une description du processus FA actuel, tout en le gardant aussi général que possible. Une description de la fiabilité des dispositifs, en fonction de leur temps d'utilisation est décrite, permettant au lecteur de comprendre pourquoi initialement l'Analyse de défaillance est apparue nécessaire. L'ensemble du processus d'analyse de défaillance est alors décrit de manière générale, à partir de la caractérisation électrique du défaut, jusqu'aux résultats finaux. Dans la deuxième partie est ensuite expliquée dans le détail la technique de microscopie magnétique, qui utilise les propriétés des champs magnétiques générés par les courants, et permet de localiser précisément les défauts des composants électroniques standards. La troisième partie de ce travail est consacrée à l'approche de simulation (SA): une nouvelle méthodologie développée pour étendre les capacités des techniques de microscopie magnétique. Le principe de base est de comparer la simulation magnétique générée par des hypothèses de distributions de courant aux acquisitions magnétiques de la distribution réelle. L'évaluation de la corrélation entre les deux donnera ensuite une mesure de la distance entre eux. Par ailleurs, cette approche est capable de surmonter les limitations de la technique: le défaut peut désormais être localisé en trois dimensions. Enfin, dans la quatrième partie, la nouvelle technique est appliquée et validé sur un ensemble de cas d'études. / In this work, new developments on localization techniques for three-dimensional electronic components are shown and demonstrated. These are performed through the introduction of simulations for an already existing technique: Magnetic Microscopy (MM). In the first part, a state of the art of new three-dimensional components assembly is described. It is then followed by an up to date FA process description, while keeping it as general as possible. A description of component reliability, in function of the time of usage of such devices is shown, allowing the reader to understand why the need for Failure Analysis arose in the first place. The whole process of Failure Analysis is then described in a general way, starting from the electrical characterization of the defect, to the final results. The second part then explains the Magnetic Microscopy technique in more detail. This technique uses the properties of the magnetic fields, which are generated by the currents, to precisely localize the defects in standard electronic components. The third part of this work is dedicated to the Simulation Approach (SA): a new methodology developed to extend the capabilities of Magnetic Microscopy techniques. The basic principle is that of comparing magnetic simulations generated by hypothetical current distributions to the magnetic acquisitions of the real current distribution. The evaluation of the correlation between the two then gives a measurement of the distance between them. This approach is able to overcome the previous limitations of the technique: the defect can now be localized in three dimensions. Finally, in the fourth part the new technique is applied and validated on a set of case studies.

Les approches basées sur la stimulation thermique laser restent largement privilégiées par rapport à la stimulation photoélectrique laser. Ceci est en partie du au fait que la stimulation thermique laser permet dans la plupart des cas de pointer directement le défaut cherché (bien souvent l’élément le plus sensible). Ce n’est pas forcément le cas en mode photoélectrique où de nombreuses structures sont sensibles bien qu’elles ne présentent aucune anomalie. Les techniques à base de stimulation photoélectrique laser statique sont donc peu employées. Un travail a ainsi été mené pour mieux appréhender les résultats obtenus dans le cadre de la stimulation photoélectrique laser statique, mais aussi et surtout pour évaluer le potentiel de cette technique pour des applications en laboratoire d’analyse de défaillance. Pour cela, dans un premier temps des explications ont été apportées sur l’interaction du laser photoélectrique avec les dispositifs élémentaires. La mise en application de techniques a ensuite été possible grâce au développement de méthodologies flexibles et adaptables à chaque cas d’étude, qui sont maintenant intégrées dans le flot d’analyse de défaillance. Enfin, les perspectives de la stimulation photoélectrique laser statique sont présentées, notamment les techniques qui ont été développées suite à l’évolution des technologies, ainsi qu’une étude originale révélant que le laser photoélectrique pourrait être utilisé comme outils de caractérisation électrique (fiabilité des oxydes) en plus de son utilisation traditionnelle dédiée à la localisation de défauts. / Thermal laser stimulation based approaches remain widely privileged compared to photoelectric laser stimulation ones. This is partly due to the fact that thermal laser stimulation allows in most of cases to directly highlight the looked default (often the most sensitive element). This is not necessarily the case in photoelectric mode where a lot of structures are sensitive although they do not present any anomaly. Consequently static photoelectric laser stimulation based techniques are not often used. A work has thus been led to better understand results obtained in the field of photoelectric laser stimulation, but also and overall to estimate the potential of this technique for failure analysis laboratory applications. For that, some explanations have first been brought about photoelectric laser interaction with elementary devices. The implementation of techniques has then been possible thanks to the development of flexible methodologies, adaptable to each study case, that are now integrated in the failure analysis flow. Finally, static photoelectric laser stimulation perspectives are presented, notably techniques that have been developed following technologies evolution, as well as an original study revealing that the photoelectric laser could be used as an electrical characterization tool (oxide reliability) in addition to its traditional use dedicated to default localization.

Les progrès dans la miniaturisation des transistors permettent de réaliser des circuits toujours plus performants. En contrepartie, dans le cas où il y a défaillance, l'analyse de ces circuits est plus délicate. L'étape de localisation du défaut est la plus critique de ce processus. En effet, il s'agit de rechercher des éléments de plusieurs dizaines de nanomètres sur une surface de plusieurs centimètres carrés.Les techniques optiques telles que l'émission de lumière dynamique (TRI) sont particulièrement pertinentes dans ce contexte. Celle-ci est basée sur l'acquisition et l'exploitation des photons émis par une structure CMOS lorsqu'il y a commutation. De par son principe physique, cet outil possède donc un effet invasif limité et est adaptée à l'analyse de défauts qui se manifestent lors d'une stimulation dynamique du composant. La complexité des circuits de technologies avancées a mis en évidence certains verrous physiques et technologiques qui peuvent compromettre les analyses réalisées à l'aide de cet outil. Ainsi, le faible rapport signal sur bruit, une résolution spatiale non nécessairement adaptée aux éléments étudiés et l’énorme quantité de données/signaux générés sont autant d'éléments qui contre-indiquent une approche d'analyse des acquisitions purement manuelle.Ces travaux de thèse ont pour objectif d’explorer les possibilités offertes par un traitement post-acquisition des observations, dans le but de résoudre ou contourner les problématiques susmentionnées. Cela permettra alors à l’expert de formuler un diagnostic plus précis. En définitive, il s'agit d’une extraction et d’une synthèse d’informations à partir de signaux de tailles importantes et fortement bruités. Dans cette optique, deux approches principales originales ont été développées. La première vise à établir la cartographie d’un paramètre électrique variant dans le temps et dans l'espace. En conséquence, elle fait appelle aux outils de traitements signaux de dimension 2D et 1D. La seconde approche est fondée sur l'utilisation d'outils de statistiques exploratoires. Plus précisément, il s’agit de la combinaison d’outils de classification non-supervisée et d’une étude statistique des classes résultantes dans l’optique d’une recherche d’évènements de commutation aux propriétés anormales (suggérant un lien du nœud considéré avec le défaut) ou d’émission manquante ou additionnelle (qui résultent d'une différence de comportement logique entre deux composants). Ces deux approches s'avèrent complémentaires puisque ce sont deux regards différents d’un même jeu d'observations et chacune apporte de nouvelles informations à l’expert. / Scaling progresses has the benefit of making chips always more powerful. On the other hand, when there is a failure, the analysis of such advanced devices has became more sensitive. The defect localization step of this process is the critical one. Indeed, the aim is to find transistors which dimensions range in several nanometers on a device which surface is several square centimeters.Optical techniques like dynamical photon emission, also named Time Resolved Imaging (TRI), have proved to fit in such context. The later is based on the acquisition and exploitation of photons emitted by a switching CMOS structure. Due to its physical bacground, this tool has a limited invasive effect and can be used to analyze defect generating faults during a dynamical stimulation of the device. The complexity of the chips manufactured in advanced technologies has brought out some physical and technical limitations which can jeopardize analysis performed with this tool. To be more specific, signal over noise ratio can be quite low, so as the spatial resolution compared to the studied structures. In addition, complex circuits require long test sequences, generating huge quantities of photons to analyse. As a conclusion, all of these phenomenon forbid a simple manual procedure if ones expect to extract the emission signature of the defect in such data.The work reported in this thesis aims to develop new approaches of processing at the post-acquisition level, in order to solve or workaround the various aforementioned issues. It will enable the analyst to formulate an even better and more precise diagnosis.The task consists in extracting and synthesizing the information available in large amount of noisy signals. With that superpose in mind, two main approaches have been studied and developed. The first one establish a mapping of one parameter the electrical signals varying through time and space inside the acquisition area. It is based on a mixture of signal processing tools for 2D 1D signals. The second approaches uses data mining. More precisely, it combines clustering to statistical analyses of the resulting classes in order to find an emission event which is unexpected or having unusual properties, suggesting a candidate for failure. These two processes are complementary as they bring different information to the analyst.

L’amélioration des systèmes de conversion d’énergie rend les dispositifs à base de SiC très attractifs pour leur efficacité, compacité et robustesse. Cependant, leur comportement en réponse à un défaut de court-circuit doit être soigneusement étudié pour assurer la fiabilité des systèmes. Ce travail de recherche porte sur les problèmes de robustesse et de fiabilité du MOSFET SiC sous contraintes de court-circuit. Cette étude repose sur des caractérisations électriques et microstructurales. La somme de toutes les caractérisations avant, pendant et après les tests de robustesse ainsi que l’analyse microstructurale permet de définir des hypothèses sur l’origine physique de la défaillance pour ce type de composants. De plus, la mesure de la capacité est introduite au cours des tests de vieillissement en tant qu’indicateur de santé et outil clé pour remonter à l’origine physique du défaut. / The improvement of power conversion systems makes SiC devices very attractive for efficiency, compacity and robustness. However, their behavior in response to short circuit mode must be carefulli studied to ensure the reliability of systems. This research work deals with the SiC MOSFET robustness and reliability issues under short-circuit constraints. It is based upon electrical and microstructural characterizations. The sum of all the characterizations before, during and after the robustness tests as well as microstructural analysis allow to define hypotheses regarding the physical origin of failure of such components. Also, caoacitance measurement is introduced during aging tests as a health indicator and a key tool to go back to the physical origin of the defect.

Les technologies VLSI (" Very large Scale Integration ") font partie de notre quotidien et nos besoins en miniaturisation sont croissants. La densification des transistors occasionne non seulement des difficultés à localiser les défauts dits " hard " apparaissant durant les phases de développement (débug) ou de vieillissement, mais aussi l'apparition de comportements non fonctionnels purs du composant liées à des défauts de conception. Les techniques abordées dans ce document sont destinées à sonder les circuits microélectroniques à l'aide d'un outil appelé émission de lumière dynamique (Time Resolved Imaging - TRI) à la recherche de comportements anormaux au niveau des timings et des patterns en jeu dans les structures. Afin d'aller plus loin, cet instrument permet également la visualisation thermographique en temps résolue de phénomènes thermiques transitoires au sein d'un composant.

A bord des véhicules électriques (VE) et Hybrides (VEH), les fonctions de tractions sont assurées par des convertisseurs électroniques de puissances. Ces derniers sont constitués de module de puissance (IGBTs ou MOSFETs). Au cours de leur fonctionnement, ces modules sont parfois soumis à de fortes contraintes électriques et thermiques qui amènent à une défaillance ou même à une destruction. Le premier objectif sera de réaliser un banc expérimentale permettant d'étudier le vieillissement des modules IGBTs en régîmes extrêmes de fonctionnement (mode de court-circuit). Ainsi, nous évaluerons les différents indicateurs de vieillissements permettant de prédire la défaillance du composant. Il sera question aussi de suivre le vieillissement ou une dégradation initié sur les composants IGBTs par thermographie infrarouge. Le second objectif sera de modéliser et simuler par éléments finis différentes structures d'IGBTs, afin de valider les modèles en fonctionnement statique et dynamique. L'avantage de l'approche multicellulaire par rapport à l'approche unicellulaire sera mis en avant.

Cette étude constitue une contribution dans un grand projet européen dénommé : 3DICE (3D Integration of Chips using Embedding technologies). La fiabilité mécanique et thermomécanique des composants 3D a été étudiée par des essais normalisés et des simulations numériques. L’essai de chute et le cyclage thermique ont été sélectionnés pour la présente étude. Des analyses de défaillance sont menées pour compléter les approches expérimentales. Les propriétés mécaniques des éléments constituant les composants ont fait l’objet d’une compagne de caractérisation complétée par des recherches bibliographiques. Les simulations numériques, dynamiques transitoires pour l’essai de chute et thermomécanique pour l’essai de cyclage thermique, ont été réalisées pour une estimation numérique de la tenue mécanique des composants. Les modèles numériques sont utilisés pour optimiser le design des composants et prédire les durées de vie en utilisant un modèle de fatigue. / This work establishes a contribution in an important European project mentioned 3DICE (3D Integration of Chips using Embedding technologies). The mechanical and thermomechanical reliability of 3D microelectronic components are studied by employing standardized tests and numerical modeling. The board level drop test and thermal cycling reliability tests are selected for this study. Failures analysis has been used to complete the experimental study. The mechanical properties of elements constituting the microelectronic components were characterized using DMA, tensile test and nanoindentation. Bibliographical researches have been done in order to complete the materials properties data. Numerical simulations using submodeling technique were carried out using a transient dynamic model to simulate the drop test and a thermomechanical model for the thermal cycling test. Numerical results were employing in the design optimization of 3D components and the life prediction using a fatigue model.

L'objectif de la thèse fut d'étudier plusieurs techniques d'analyse de défaillance (Microscopie magnétique, Thermographie à détection synchrone, Tomographie à Rayons X, Réflectométrie Temporelle) sur leur propriété de localisation de défaut électrique (Court-circuit, circuit ouvert, ouvert résistif, etc.) sur des systèmes et composants électroniques 3D. Des possibilités d'évolution de ces techniques sont suggérées afin de permettre d'assurer la localisation des défauts dans ces nouveaux composants électroniques. Ceci passe notamment par la mise en place d'analyses magnétiques sur des échantillons inclinés ainsi que par l'introduction d'une imagerie de phase, et d'amplitude magnétique. Ce travail a également permis de proposer le couplage d'informations obtenues par microscopie magnétique et tomographique à rayons X dont l'ensemble serait piloté par simulation magnétique 3D. / The thesis purpose was to explore several failure analysis techniques (Magnetic microscopy, Lock-in Thermography, X-rays Tomography, Time Domain Reflectometry) on their capabilities to localize the electrical defect (Short circuit, open circuit, resistive open, etc.) on 3D electronic component and system. Assessment possibilities of these techniques are suggested in order to ensure the defect localization in these new components. In particular, implementations of magnetic analysis in tilted sample as well as introduction of phase and amplitude magnetic images have been realized. This work also proposes to couple information obtain from magnetic microscopy to X-rays Tomography where the all system would be driven by 3D magnetic simulation