La problématique des agressions par décharges électrostatiques (ESD) est un facteur critique dans la fiabilité des circuits intégrés. Ce document effectue la synthèse des travaux menés au LAAS-CNRS dans ce domaine. Les points suivants seront plus particulièrement abordés : - L'étude des mécanismes physiques qui gèrent le comportement d'un composant lors d'une décharge ESD - La mise en place d'une méthodologie de conception de structures de protection - Son application au développement de solutions de protection innovantes La dernière partie de ce document propose les perspectives de cet axe de recherche qui sont principalement motivés par les progrès technologiques des circuits intégrés, l'évolution des normes de robustesse et l'extension de nos travaux au niveau du système.

Ces travaux s'inscrivent dans un contexte où les contraintes vis-à-vis des décharges électrostatiques sont de plus en plus fortes, les circuits de protection sont un problème récurrent pour les circuits fonctionnant à hautes fréquences. La capacité parasite des composants de protection limite fortement la transmission du signal et peut perturber fortement le fonctionnement normal d'un circuit. Les travaux présentés dans ce mémoire font suite à une volonté de fournir aux concepteurs de circuits fonctionnant aux fréquences millimétriques un circuit de protection robuste présentant de faibles pertes en transmission, avec des dimensions très petites et fonctionnant sur une très large bande de fréquences, allant du courant continu à 100 GHz. Pour cela, une étude approfondie des lignes de transmission et des composants de protection a été réalisée à l'aide de simulations électromagnétiques et de circuits. Placés et fragmentées le long de ces lignes de transmission, les composants de protection ont été optimisés afin de perturber le moins possible la transmission du signal, tout en gardant une forte robustesse face aux décharges électrostatiques. Cette stratégie de protection a été réalisée et validée en technologies CMOS avancées par des mesures fréquentielles, électriques et de courant de fuite.

La miniaturisation des circuits intégrés se poursuit de nos jours avec le développement de technologies toujours plus fines et denses. Elle permet une intégration des circuits toujours plus massive, avec des performances plus élevées et une réduction des coûts de production. La réduction de taille des circuits s'accompagne aussi d'une augmentation de leur sensibilité électrique. L'électronique automobile est un acteur majeur dans la nouvelle tendance des véhicules autonomes. Ce type d'application a besoin d'analyser des données et d'appliquer des actions sur le véhicule en temps réel. L'objectif à terme est d'améliorer la sécurité des usagers. Il est donc vital de garantir que ces modules électroniques pourront effectuer leurs tâches correctement malgré toutes les perturbations auxquelles ils seront exposés. Néanmoins, l'environnement automobile est particulièrement sévère pour l'électronique. Parmi tous les stress rencontrés, les décharges électrostatiques (ESD - Electrostatic Discharge) sont une importante source d'agression électrique. Ce type d'évènement très bref est suffisamment violent pour détruire des composants électroniques ou les perturber pendant leur fonctionnement. Les recherches présentées ici se concentrent sur l'analyse des défaillances fonctionnelles. À cause des ESD, des fonctions électroniques peuvent cesser temporairement d'être opérantes. Des méthodes d'analyse et de prédiction sont requises au niveau-circuit intégré afin de détecter des points de faiblesses susceptibles de générer des fautes fonctionnelles pendant l'exposition à un stress électrostatique. Différentes approches ont été proposées dans ce but. Une méthode hiérarchique de modélisation a été mise au point afin d'être capable de reproduire la forme d'onde ESD jusqu'à l'entrée du circuit intégré. Avec cette approche, chaque élément du système est modélisé individuellement puis son modèle ajouté au schéma complet. Un cas d'étude réaliste de défaillance fonctionnelle d'un circuit intégré a été analysé à l'aide d'outils de simulation. Afin d'obtenir plus de données sur cette faute, une puce de test a été développée, contenant des structures de surveillance et de mesure directement intégrées dans la puce. La dernière partie de ce travail de recherche est concentrée sur le développement de méthodes d'analyse dans le but d'identifier efficacement des fautes par simulation. Une des techniques développées consiste à modéliser chaque bloc d'une fonction individuellement puis permet de chaîner ces modèles afin de déterminer la robustesse de la fonction complète. La deuxième méthode tente de construire un modèle équivalent dit boite-noire d'une fonction de haut-niveau d'un circuit intégré. Ces travaux de recherche ont mené à la mise au point de prototypes matériels et logiciels et à la mise en évidence de points bloquants qui pourront constituer une base pour de futurs travaux. / Miniaturization of electronic circuits continues nowadays with the more recent technology nodes being applied to diverse fields of application such as automotive. Very dense and small integrated circuits are interesting for economic reasons, because they are cheaper to manufacture in mass and can pack more functionalities with elevated performances. The counterpart of size reduction is integrated circuits becoming more fragile electrically. In the automotive world, the new trend of fully autonomous driving is seeing tremendous progress recently. Autonomous vehicles must take decisions and perform critical actions such as braking or steering the wheel. Those decisions are taken by electronic modules, that have now very high responsibilities with regards of our safety. It is important to ensure that those modules will operate no matter the kind of disturbances they can be exposed to. The automotive world is a quite harsh environment for electronic systems. A major source of electrical stress is called the Electrostatic Discharge (ESD). It is a very sudden flow of electricity of large amplitude capable of destroying electronic components, or disturb them during their normal operation. This research focuses on functional failures where functionality can be temporarily lost after an ESD with various impact on the vehicle. To guarantee before manufacturing that a module and its components will perform their duty correctly, new analysis and prediction methods are required against soft-failures caused by electrostatic discharges. In this research, different approaches have been explored and proposed towards that goal. First, a modelling method for reproducing the ESD waveforms from the test generator up to the integrated circuit input is presented. It is based on a hierarchical approach where each element of the system is modelled individually, then added to the complete setup model. A practical case of functional failure at silicon-level is analyzed using simulation tools. To acquire more data on this fault, a testchip has been designed. It contains on-chip monitoring structures to measure voltage and current, and monitor function behavior directly at silicon-level. The last part of this research details different analysis methods developed for identifying efficiently functional weaknesses. The methods rely heavily on simulation tools, and prototypes have been implemented to prove the initial concepts. The first method models each function inside the chip individually, using behavioral models, then enables to connect the models together to deduce the full function's robustness. It enables hierarchical analysis of complex integrated circuit designs, to identify potential weak spots inside the circuit that could require more shielding or protection. The second method is focused on constructing equivalent electrical black box models of integrated circuit functions. The goal is to model the IC with a behavioral, black-box model capable of reproducing waveforms in powered conditions during the ESD. In summary, this research work has led to the development of several hardware and software prototypes. It has also highlighted important modelling challenges to solve in future works to achieve better functional robustness against electrostatic discharges.

Ces travaux s'inscrivent dans un contexte où les contraintes vis-à-vis des décharges électrostatiques sont de plus en plus fortes, les circuits de protection sont un problème récurrent pour les circuits fonctionnant à hautes fréquences. La capacité parasite des composants de protection limite fortement la transmission du signal et peut perturber fortement le fonctionnement normal d'un circuit. Les travaux présentés dans ce mémoire font suite à une volonté de fournir aux concepteurs de circuits fonctionnant aux fréquences millimétriques un circuit de protection robuste présentant de faibles pertes en transmission, avec des dimensions très petites et fonctionnant sur une très large bande de fréquences, allant du courant continu à 100 GHz. Pour cela, une étude approfondie des lignes de transmission et des composants de protection a été réalisée à l'aide de simulations électromagnétiques et de circuits. Placés et fragmentées le long de ces lignes de transmission, les composants de protection ont été optimisés afin de perturber le moins possible la transmission du signal, tout en gardant une forte robustesse face aux décharges électrostatiques. Cette stratégie de protection a été réalisée et validée en technologies CMOS avancées par des mesures fréquentielles, électriques et de courant de fuite. / Advanced CMOS technologies provide an easier way to realize radio-frequency integrated circuits (RFICs). However, the lithography dimension shrink make electrostatic discharges (ESD) issues become more significant. Specific ESD protection devices are embedded in RFICs to avoid any damage. Unfortunately, ESD protections parasitic capacitance limits the operating bandwidth of RFICs. ESD protection size dimensions are also an issue for the protection of RFICs, in order to avoid a significant increase in production costs. This work focuses on a broadband ESD solution (DC-100 GHz) able to be implemented in an I/O pad to protect RFICs in advanced CMOS technologies. Thanks to the signal transmission properties of coplanar / microstrip lines, a broadband ESD solution is achieved by implementing ESD components under a transmission line. The silicon proved structure is broadband; it can be used in any RF circuits and fulfill ESD target. The physical dimensions also enable easy on-chip integration.

Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une méthodologie permettant de prédire, à l'aide d'un outil de simulation physique, le niveau de robustesse d'une structure de protection ESD réduisant ainsi le nombre d'itérations silicium. Cette méthode ne peut être appliquée que si un calibrage minutieux de la simulation est préalablement réalisé. L'originalité de notre méthodologie repose sur le fait que la simulation ne sera réalisée que dans le domaine de validité en température des modèles physiques utilisés (c'est-à-dire pour des températures inférieures à 600K). Plutôt que d'utiliser directement la valeur de la température comme critère de défaillance du composant, notre méthode se base sur des paramètres physiques dépendants de la température. Ces derniers sont le taux d'ionisation par impact (Gi) et celui de Schokley Read Hall (RSRH) dont l'extrapolation de leur évolution respective permet de prédire le niveau de robustesse ESD du composant. La méthode a été validée pour différents dispositifs ESD réalisés dans deux technologies de puissance intelligente (Smart Power : 0.35mm et 0.25mm) différentes. La méthodologie développée durant cette thèse procure donc le double avantage de prédire des niveaux de robustesse ESD précis (c'est-à-dire proches des valeurs mesurées) avec des temps de simulation considérablement réduits en comparaison avec ceux que consommeraient d'autres méthodes proposées dans la littérature.

Les décharges électrostatiques (ESD) constituent un problème majeur de fiabilité pour les entreprises de semi-conducteurs. Pour enrayer les défauts générés par les ESD sur les circuits intégrés (ICs), des éléments de protection sont implantés directement dans les puces. La constante poussée de l'intégration des circuits a pour conséquence la réduction des dimensions des cellules technologiques élémentaires ainsi que l'accroissement du nombre d'applications supportées par les ICs. Les conditions restrictives imposées par les procédés technologiques et par la complexité croissante des systèmes entraînent un défi considérablement accru pour le développement de produits robustes aux ESD. Dans ce travail de recherche, le problème émergeant des défaillances des couches d'oxydes minces d'épaisseur Tox = 8 à 1.1nm sous contraintes ESD est adressé dans les technologies CMOS les plus avancées, par une contribution à la compréhension des mécanismes de dégradation de la fiabilité du diélectrique et des dispositifs sous contraintes ESD. Une nouvelle approche de caractérisation des oxydes minces sous des stress à pulses ultra-courts (20 ns) est décrite jusqu'à la modélisation complète de la dépendance temporelle du claquage du diélectrique. Basé sur un ensemble cohérent de modélisations, une nouvelle méthodologie est proposée pour ajuster la détermination de la fenêtre ESD de façon mieux adaptée aux intervalles de tension et d'épaisseur d'oxyde de grille pour l'ingénierie des concepts de protection. Ceci a permis d'améliorer la prise en compte des problèmes ESD pour une meilleure fiabilité et robustesse des produits conçus en technologies CMOS fortement sub-microniques vis-à-vis des décharges électrostatiques.

Les travaux présentés dans ce mémoire visent à améliorer la méthodologie de conception et les performances des stratégies de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) dans les circuits intégrés. Pour cela, l'approche choisie est basée sur une analyse approfondie de la physique des composants soumis aux ESD et plus particulièrement, les effets des très fortes densités de courant. L'étude, focalisée sur les transistors bipolaires autopolarisés, s'appuie sur la simulation physique 2D et l'utilisation des outils de localisation de défaillance basés sur les techniques de stimulation laser. L'analyse physique en résultant a permis d'une part, de définir des règles de dessin universelles pour l'obtention d'une robustesse ESD élevée et d'autre part, de proposer des macro-modèles de type SPICE originaux pour prendre en compte les effets des fortes densités de courant. Enfin, après avoir mis en évidence plusieurs phénomènes limitant les performances des réseaux de protection, nous avons défini une méthodologie de conception améliorée permettant de les prendre en compte et de garantir la performance des solutions de protections fournies aux concepteurs de circuits.

Les futures architectures des systèmes de communication présenteront une forte complexité due à des besoins de reconfiguration à la fois en termes de fréquence, de puissance émise et/ou reçue, de puissance consommée et de fiabilité. Une solution consiste à utiliser les MEMS RF pour obtenir ces fonctionnalités augmentées. Ces composants seront soumis à des agressions à la fois électrostatiques et/ou électromagnétiques dont il est important d'analyser et de comprendre leur impact. D'autre part la tenue en puissance de ces composants est un paramètre qualitatif de leur robustesse. Étant donné qu'ils présentent également des intérêts pour les applications spatiales, il est important de comprendre leur sensibilité face au rayonnement. Le sujet de thèse vise à analyser l'impact de ces agressions sur les paramètres fonctionnels (tensions d'actionnements, vitesse de fonctionnement, pertes d'insertion et isolation) à partir du développement d'une plateforme appropriée ainsi qu'une analyse fine des mécanismes de dégradation apparaissant suite aux stress appliqués ; tension continu, décharges électrostatiques (de type HBM ou TLP), puissance RF et rayonnement. Ces stress seront appliqués sur des composants aux architectures différentes (types de diélectrique différentes, épaisseur membrane, géométrie des dispositifs, topologie des zones d'actionnement) afin de déterminer si certaines architectures et ou filières technologiques sont plus résistantes que d'autres. Enfin, afin de valider ces travaux, il sera conçu un design plus complexe présentant des résistances aux ESD/EMI améliorées et un circuit de vieillissement de ces composants sera également proposé. Ce projet de thèse rentre dans le cadre d'un réseau d'excellence AMICOM sur les microsystèmes RF où la fiabilité a été identifiée comme étant un des enjeux majeurs pour leur intégration et commercialisation.

Les agressions électriques, du type décharges électrostatiques (ESD) et surcharges électriques (EOS), sont à l'origine de plus de 50% des défaillances des circuits intégrés. De plus, avec l'avènement des technologies sans fil et des applications dites "plus électriques" en automobile et dans l'aviation, les spécifications de robustesse à ces agressions se sont considérablement durcies. Dans le même temps, la réduction des dimensions et la complexité croissante des technologies pose le problème de leur susceptibilité à ces contraintes EOS/ESD et de la probabilité non négligeable de génération de défauts latents. Enfin, les niveaux de fiabilité exigés maintenant dans la plupart des applications sont extrêmement élevés. Afin de répondre à ces nouvelles exigences, la détection des défauts latents est devenue indispensable, notamment pour des applications comme celles du domaine spatial. Or, la diminution des dimensions lithographiques a pour conséquence une augmentation des courants de repos des circuits microélectroniques. Cette augmentation rend difficile voire impossible la détection de défauts latents susceptibles de " dé-fiabiliser " des systèmes microélectroniques. Nous avons, dans cette thèse, étudié l'impact de défauts latents induits par stress ESD de type CDM sur la fiabilité de circuits et proposé une nouvelle méthodologie pour leur détection. Issue du domaine des radio fréquences, cette méthodologie basée sur des mesures du bruit basse fréquence nous a permis de mettre en évidence, avec une meilleure sensibilité, des défauts latents dans de simples structures de protections ESD mais aussi dans des circuits commerciaux complexes soumis à des décharges de type CDM. Différentes techniques de localisation par stimulation laser ont été mises en oeuvre pour la détection physique des défauts générés et corroborer l'analyse des mécanismes physiques à l'origine de l'augmentation du bruit.

La première partie de ce manuscrit rappelle l'implication des décharges électrostatiques au sein des circuits CMOS submicroniques, les moyens d'évaluation de la protection d'un circuit ainsi que les différentes stratégies de protection couramment employées pour protéger un circuit vis-à-vis des décharges électrostatiques et présente également les résultats silicium obtenus des structures de test utilisant le bipolaire parasite comme élément de protection (ggNMOS, LVTpnp). Par la suite, notre travail s'est concentré principalement sur la conception et le développement des protections centrales utilisant la conduction MOS pour évacuer les décharges électrostatiques. Nous apportons notamment une amélioration significative vis-à-vis des déclenchements intempestifs causés par les phénomènes de bruit rencontrés sur les alimentations, un dimensionnement robuste du circuit de déclenchement ainsi qu'une approche permettant de s'affranchir des effets néfastes rencontrés lors de mise sous tension très lente du circuit sont proposés. Nous présentons également une méthode de conception d'une protection centrale dynamique associée à la présentation d'un flot global de caractérisation automatisé dans le cadre de l'utilisation d'une stratégie de protection globale d'un circuit.