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.

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.

Les circuits intégrés (CI) devenant de plus en plus complexes et vulnérables face aux décharges électrostatiques (ESD pour ElectroStatic Discharge), la capacité à vérifier de manière fiable la présence de défauts de conception ESD sur des puces comptant plusieurs milliards de transistors avant tout envoi en fabrication est devenu un enjeu majeur dans l’industrie des semi-conducteurs. Des outils commerciaux automatisés de dessin électronique (EDA pour Electronic Design Automation) et leur flot de vérification associé permettent d’effectuer différents types de contrôles qui se sont révélés être efficaces pour des circuits avec une architecture classique. Cependant, ils souffrent de limitations lorsqu’ils sont confrontés à des architectures inhabituelles, dites custom. De plus, ces méthodes de vérification sont généralement effectuées tard dans le flot de conception, rendant toute rectification de dessin coûteuse en termes d’efforts correctifs et de temps. Cette thèse de doctorat propose une méthodologie de vérification ESD systématique et multi-échelle introduite dans un outil appelé ESD IP Explorer qui a été spécifiquement implémenté pour couvrir le flot de conception dans sa globalité et pour adresser des circuits dits custom. Il est composé d’un module de reconnaissance et d’un module de vérification. Le module de reconnaissance identifie tout d’abord et de manière automatisée les structures de protection ESD, embarquées sur silicium dans le circuit intégré pour améliorer leur robustesse ESD, selon un mécanisme de reconnaissance topologique. Le module de vérification convertit ensuite le réseau de protection ESD, formé des structures de protection ESD, en un graphe dirigé. Finalement, une analyse ESD quasi-statique reposant sur des algorithmes génériques issus de la théorie des graphes est effectuée sur la globalité du circuit à vérifier. Des algorithmes d’apprentissage automatique ont été employés pour prédire les comportements quasi-statiques des protections ESD à partir des paramètres d’instance de leurs composants élémentaires sous la forme d’une liste d’interconnexions. L’avantage ici est qu’aucune simulation électrique n’est requise pendant toute la durée d’exécution d’ESD IP Explorer, ce qui simplifie l’architecture de l’outil et accélère l’analyse. Les efforts d’implémentation ont été concentrés sur la compatibilité d’ESD IP Explorer avec le nœud technologique 28nm FD-SOI (pour Fully Depleted Silicon On Insulator). L’outil de vérification développé a été utilisé avec succès pour l’analyse d’un circuit incorporant des parties numériques et à signaux mixtes et comprenant plus de 1,5 milliard de transistors en seulement quelques heures. Des circuits custom qui n’ont pas pu être vérifiés au moyen d’outils de vérification traditionnels du fait de problèmes d’incompatibilité ont également pu être soumis à analyse grâce à ESD IP Explorer. / As Integrated Circuits (ICs) become more complex and susceptible to ElectroStatic Discharges (ESD), the ability to reliably verify the presence of ESD design weaknesses over a multi-billion transistor chip prior to the tape-out is a major topic in the semiconductor industry. Commercial tools dedicated to Electronic Design Automation (EDA) and related verification flows are in charge of providing checks that have been proven to be efficient for circuits with a mainstream architecture. However, they suffer limitations when confronted with custom designs. Moreover, these verification methods are often run late in the design flow, making any design re-spin costly in terms of corrective efforts and time. This Ph. D. thesis proposes a systematic and scalable ESD verification methodology embodied in a tool called ESD IP Explorer that has been specifically implemented to cover the entire design flow and to comply with custom circuit architectures. It is composed of a recognition module and a verification module. The recognition module first automatically identifies ESD protection structures, embedded in integrated circuits to enhance their ESD hardness, according to a topology-aware recognition mechanism. The verification module then converts the ESD protection network that is formed by ESD protection structures into a directed graph. There, technology-independent and graph-based verification mechanisms perform a chip-scale quasistatic ESD analysis. Machine learning algorithms have been used in order to infer the quasistatic behavior of ESD IPs from the netlist instance parameters of their primary devices. This approach has the advantage that no simulation is required during the execution of ESD IP Explorer, which makes the tool architecture simpler and improves execution times. Implementation efforts pertained to the compliance of ESD IP Explorer with the 28nm Fully Depleted Silicon On Insulator (FD-SOI) technology node. The developed verification tool has been used to successfully analyze a digital and mixed-signal circuit prototype counting more than 1.5 billion transistors in several hours, as well as custom designs that could not be analyzed by means of traditional verification tools due to incompatibility issues.