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 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.

Ce travail porte sur l’analyse et l’étude du comportement de circuits intégrés en technologie CMOS soumis à un impact laser. Une méthodologie d’implémentation d’un impact laser a été développée et améliorée. Ainsi, elle est applicable à n’importe quelle description électrique d’un circuit CMOS, qu’il soit digital ou analogique. Ce procédé est conçu pour permettre aux concepteurs de circuits intégrés pouvant être soumis à des attaques laser, de tester leur circuit en simulation avant leur fabrication et de démontrer leur robustesse.Notre étude s’est focalisée sur le développement d’un outil de simulation intégrant un modèle électrique de l’impact laser sur les transistors MOS afin de reproduire de façon qualitative le comportement du circuit face à un impact laser (attaque semi-invasive en face arrière du circuit), et ce quelques soient ses propriétés physiques.Une première partie d’état de l’art est consacrée à la synthèse des différentes attaques sur circuits sécurisées que l’on peut rencontrer dans le domaine de la microélectronique, telles que les attaques semi-invasives, non invasives ou invasives par exemple. Une seconde partie théorique dédiée à l’interaction laser-silicium au niveau physique nous permet d’étudier les différents acteurs mis en jeu (propriétés physiques du laser – puissance, diamètre et profil du faisceau), avant de les importer comme paramètres dans le domaine électrique.Cette étude se poursuit alors par l’élaboration d’un modèle électrique et d’une méthodologie de simulation dont le but est de permettre de reproduire le comportement de n’importe quel circuit impacté par un laser. Le flot de modélisation passe ainsi en revue l’ensemble des paramètres contrôlables en entrée, qu’il s’agisse des propriétés physiques du laser, traduites dans le domaine électrique, ou encore de la réalité géométrique du circuit impacté, quel que soit sa complexité. Par ailleurs, la flexibilité de cette approche permet de s’adapter à toute évolution du modèle de l’impact laser en lui-même. Il est ainsi possible de simuler un impact intégrant ou non tout ou partie des phénomènes parasites déclenchés par le photocourant. Enfin, il couvre aussi bien des analyses de comportement dans le domaine statique, que dans celui temporel, où la durée d’impulsion du laser prend toute son importance.Afin de démontrer la cohérence de cette méthodologie face à nos attentes théoriques, le comportement de transistors NMOS, PMOS et un inverseur CMOS ont été étudiés au niveau simulation. Cette étude préliminaire nous a permis de calibrer et de valider notre modèle et sa méthodologie d’utilisation avec la théorie attendue: création d’un photocourant proportionnel au potentiel appliqué sur la jonction de drain et couplé au potentiel photoélectrique ainsi qu’à la surface impactée, déclenchement des bipolaires parasites latéraux, etc…. L’analyse sur un inverseur CMOS bufférisé ou non nous donne encore plus d’informations quant aux analyses dynamiques ou statiques : un impact sur un état statique (0 ou 1) ne peut entraîner que des fautes fonctionnelles, alors qu’un impact sur une transition ralentit ou accélère le signal en sortie, au risque de générer une faute fonctionnelle.Enfin, l’étude de différents circuits complexes sur silicium face à plusieurs types de faisceau laser nous a permis de confronter notre méthodologie à la mesure. Une chaîne d’inverseurs, une bascule de type D, et un circuit de verrouillage ont ainsi été impactés. Les résultats observés en simulation sont cohérents avec la mesure, notamment du point de vue comportemental et fonctionnel. / This present work deals with the analysis and study of the integrated circuits behavior in CMOS technology under laser injection. An implementation methodology of a laser impact has been developed and optimized. The study has been focused on the development of a simulation tool integrating an electrical model of a laser impact on MOS transistor. This allows to reproduce in a qualitative way the behavior of a circuit under laser impact (semi-invasive attack on rear face of the circuit), whatever the physical properties of the laser.A preliminary study allowed us to calibrate a new electrical model and its use methodology based on the expected theory: photocurrent creation proportional to the applied potential on the drain junction and linked to the photoelectrical potential with the impacted area; triggering of the lateral parasitic bipolar transistors.The analysis of different complex circuits on silicon under different kind of laser beam allowed us also to validate the developed tool and its implementation methodology: it will help designers to prevent or predict such behavior of their circuits under laser attack, allowing them to find solutions of countermeasures and thus making their integrated circuits more robust in critical applications.