L’objectif principal du projet est d’étudier les techniques d’analyses de défaillances des circuits intégrés VLSI basées sur l’emploi de laser. Les études ont été effectuées sur l’équipement à balayage laser MERIDIAN (DCGSystems) et le testeur Diamond D10 (Credence) disponible au CNES. Les travaux de thèse concernent l’amélioration des techniques dynamiques dites DLS comme « Dynamic Laser Stimulation ». Les techniques DLS consistent à perturber le fonctionnement d’un circuit intégré défaillant par effet photoélectrique ou effet photothermique, en fonctionnement dynamique, à l’aide d’un faisceau laser continu balayant la surface du circuit. Un faisceau laser modulé avec des impulsions supérieures à la nanoseconde et de façon synchrone avec le test électrique à l’aide d’un signal TTL peut être également avantageusement utilisé pour localiser des défauts non accessibles par des techniques purement statiques (OBIRCh, OBIC etc.). L’analyse de la réponse des paramètres électriques à la perturbation laser conduit à une identification de l’origine de la défaillance dynamique. L’optimisation des techniques DLS actuelles permet d’augmenter le taux de succès des analyses de défaillance et d’apporter des informations difficilement accessibles jusqu’alors, qui permettent la détermination de la cause racine de la défaillance.Dans un premier temps, le travail réalisé a consisté en l’amélioration du processus d’analyse des techniques DLS par l’intégration étroite avec le test de façon à observer tout paramètre électrique significatif lors du test DLS. Ainsi, les techniques de « Pass-Fail Mapping » ou encore les techniques paramétriques de localisation de défauts ont été implémentées sur le banc de test constitué du Meridian et du D10. La synchronisation du déroulement du test opéré par le testeur avec le balayage laser a permis par la suite d’établir des méthodologies visant à rajouter une information temporelle aux informations spatiales. En effet, en utilisant un laser modulé nous avons montré que nous étions capable d’identifier avec précision quels sont les vecteurs impliqués dans le comportement défaillant en modulant l’éclairement du faisceau laser en fonction de la partie de la séquence de test déroulée. Ainsi nous somme capable de corréler la fonction défaillante et les structures du CI impliquées. Cette technique utilisant le laser modulé est appelée F-DLS pour « Full Dynamic Laser Stimulation ». A l’inverse, nous pouvons connaitre la séquence de test qui pose problème, et par contre ne pas connaitre les structures du CI impliquées. Dans l’optique de rajouter cette l’information, il a été développé une technique de mesure de courant dynamique. Cette technique s’est avérée efficace pour obtenir des informations sur le comportement interne du CI. A titre d’exemple, prenons le cas des composants « latchés » où les signaux sont resynchronisés avant la sortie du composant. Il est difficile, même avec les techniques DLS actuelles, d’avoir des informations sur une dérive temporelle des signaux. Cependant l’activité interne du composant peut être caractérisée en suivant sur un oscilloscope l’évolution du courant lorsque le circuit est actif, sous la stimulation laser. L’information sur la dérive temporelle peut être extraite par observation de cette activité interne.Enfin, ces techniques de stimulation laser dynamique, ont également prouvé leur efficacité pour l’étude de la fiabilité des CI. La capacité de ces techniques à détecter en avance d’infimes variations des valeurs des paramètres opérationnels permet de mettre en évidence l’évolution des marges de ces paramètres lors d’un processus de vieillissement accéléré. L’étude de l’évolution de la robustesse des CI face aux perturbations externes est un atout majeur qu’apportent les techniques DLS à la fiabilité.Les méthodologies développées dans cette thèse, sont intégrées dans les processus d’analyse et de caractérisation de CI au laboratoire. / The principal objective of the project is to investigate laser based techniques for failure analysis of VLSI integrated circuits. The investigations will be performed on the DCGSystems’ Meridian laser scanning microscope coupled with the Credence’s Diamond D10 tester available at CNES. This study was interested more specifically in the improvement of dynamic laser stimulation techniques said DLS like Dynamic Laser Stimulation. DLS techniques consists in modifying the operation of a dynamically failing integrated circuit by photoelectric effect or photothermal effect using a continuous laser beam sweeping the surface of the circuit. A laser beam modulated in the nanosecond range synchronously with the electrical test through a TTL signal can also be advantageously used. Analysis of the electrical parameters response to the laser disturbance leads to an identification of the dynamic failure origin. The optimization of current DLS techniques will increase the failure analyses success rate and bring information hardly accessible by other means, which allows determining the failure root cause. The work performed was the improvement of the DLS process flow by closely integrating the test to monitor any relevant electrical parameters upon DLS. The « Pass-Fail Mapping » technique and the parametric techniques were implemented on the test tools combining the D10 and the Meridian. The synchronization of the test with the laser scan allows establishing methodologies and techniques in order to add timing information to the defect localisation. Indeed, by modulating the laser beam depending on the test pattern sequences, we show our capability to identify precisely which are the vectors responsible for the IC defective behaviour. We are able now to correlate the defective IC functions with the IC structures involved. This technique is known as F-DLS for Full Dynamic Laser Stimulation.In some cases, we know when the failure occurs in the test pattern but we ignore which IC structures are involved. So, we also developed a dynamic current measurement under laser stimulation technique. This technique proved to be efficient to obtain information about the internal IC behaviour. As an example, for the latched component which signals are synchronised just before the outputs, it is hard to measure shift in the signal propagation. Nevertheless, the IC internal activities can be characterized by monitoring on a scope the current variations under laser stimulation when the IC is activated. The information about the shift in the signal propagation could be extracted then by observing of the IC internal activities.Finally, these DLS techniques proved their efficiency for device qualification for reliability issues. Their accuracy allows early detection of operational parameter tiny variations. This is used to highlight electrical parameter margin evolutions during accelerated aging process. DLS techniques demonstrate their potential to deal with the IC robustness evolution facing external perturbation for reliability purposes.The techniques and methodologies developed during this work have been successfully integrated in the IC analysis and characterisation process in the laboratory. We exposed these techniques but the main case studies remain confidential.

Les techniques de localisation de défauts basées sur la stimulation laser restent aujourd'hui les techniques parmi les plus avancées qui existent. Elles permettent la stimulation thermique ou photoélectrique de façon très localisée sans contact physique. Les travaux dans ce mémoire sont consacrés au développement et à l’application de techniques d'analyse par faisceau laser impulsionnelles destinées à l'analyse des circuits intégrés. Le développement matériel et les investigations de méthodologies d'analyse ont été portés par la motivation du projet MADISON (Méthodes d’Analyse de Défaillances Innovantes par Stimulation Optique dyNamique), qui a pour but d'augmenter le taux de succès des analyses des circuits complexes VLSI par stimulation laser. L'utilisation de systèmes optiques très performants comprenant des sources laser impulsionnelles fibrées nous a permis d'explorer les capacités en termes d'analyse par stimulation laser photoélectrique impulsionelle. Une étude originale de l’étude du phénomène Latchup a montré une augmentation de la résolution latérale avec l'utilisation du processus d’absorption non linéaire. / The fault location based on laser stimulation are now among the most advanced available techniques. They allow thermal or photoelectric stimulation localized without physical contact.This Ph.D works was devoted to the development and application of techniques using pulsed laser for integrated circuits’ analyses.Material development and investigation of analysis methodologies have been held by the motivation of the MADISON project (Methods of Analysis of Failures by Innovative Dynamic Optical Stimulation), which aims to increase the success rate analysis of complex circuits VLSI by laser stimulation.We used high-performance optical systems including fibered pulsed laser sources to explore the capabilities in terms of analysis by photoelectric laser stimulation. An original study of the Latchup phenomenon showed an improving lateral resolution by using nonlinear absorption process.

Ce travail se situe dans le cadre d'un projet pluridisciplinaire visant à développer une prothèse visuelle. La technique la plus utilisée actuellement dans de nombreux types de neuroprothèses est basée sur l'excitation par voie électrique via des électrdes. Les inconvénients d'une telle technique (très invasive, de faible résolution spatiale et par contact) pourraient être surmontés en utilisant une stimulation par laser infra-rouge. Nous présentons dans un premier temps les caractéristiques des trois diodes lasers fibrés émettant à 1875 nm, 1535 nm et 1470 nm pour des gammes de puissances optiques de quelques centaines de mW qui ont été utilisés et intégrés à deux dispositifs de mesures permettant l'observations de variations d'échanges ioniques transmembranaires (imagerie de fluorescence des ions calciums et mesure électrophysiologique par la technique de patch clamp). Nous montrons ensuite que des réponses biologiques ont été obtenues par les trois lasers, non seulement sur des cellules ganglionnaires de la rétine et du vestibule de culture mais aussi sur des tranches de rétine. L'influence des paramètres clés comme la longueur d'onde, la durée de stimulation, les seuils d'énergie a été étudié, et a permis d'établir que les seuils d'énergie de stimulation dépendent de la valeur du coefficient d'absorption de l'eau qui varie suivant la longueur d'onde utilisée. Enfin, une étude est consacrée pour expliquer les mécanismes physiques et biologiques apparaissant au cours de l'interaction du laser avec le neurone au niveau cellulaire. Des simulations numériques quantifiant l'élévation de température associées à des tests pharmacologiques cherchant à déterminer la nature des canaux ioniques spécifiques mis en jeu suggèrent la prédominance d'un effet thermique. / This work is part of a pluridisciplinary project, aiming at developing a visual prosthesis. The most used technique for this kind of neuroprosthesis is based on the electrical stimulation of nerves by electrodes. Drawbacks of such a technique (very intrusive, low spatial resolution and physical contact) could be overcome by the use of an infra red laser based stimulation. We present first the three fibre pigtailed laser diode characteristics emitting few hundred of mW at 1875 nm, 1535 nm and 1470 nm. These lasers have been integrated on two measurement devices (a fluorescence microscope and a microscope using patch clamp recording), for the observation of ionic membrane exchanges. Our results show that action potentials have been obtained by laser stimulation from the three lasers, both on retinal or vestibular ganglion cells from mass cultures and on retinal slices. The effect of key parameters as the wavelength, the stimulation time, the energy thresholds has been studied and show that the energy thresholds clearly depend on the absorption coefficient of water which varies with the wavelength. Finally, we present the results of a preliminary study aiming at determining the biophysical interaction mechanisms at cell level. Numerical simulations giving the local increase of temperature and tests of specific blocking molecules in order to know the exact nature of the ionic channels involved suggest a predominant thermal mechanism.

Les travaux présentés concernent l'exploration des techniques de localisation utilisées en analyse de défaillance dans le but de les appliquer au domaine de la sécurité numérique des circuits et systèmes intégrés. Ces travaux contribuent, d'une part à étendre le champ d'application des techniques d'analyses de vulnérabilités, et d'autre part à apporter des éléments de réponses sur la faiblesse des implémentations cryptographiques sur circuits de type FPGA. Cette thèse s'inscrit donc dans une démarche à la fois de prévention mais aussi de veille technologique en matière d'attaque en apportant un complément d'information sur la faiblesse des implémentations matérielles de systèmes sécurisés. Dans le cadre de l'évaluation des composants de traitement de l'information par les laboratoires agréés (CESTI), l'analyse de vulnérabilité, et plus spécifiquement la cryptanalyse matérielle, a pour but d'éprouver la sécurité des systèmes d'information (composants cryptographiques, carte bancaire, systèmes de cryptage, etc..) dans le but de tester leur résistance face aux attaques connues. En parallèle, dans le cadre de l'analyse de défaillance des circuits utilisés dans le domaine spatial, la localisation de défauts consiste à collecter et analyser les données d'un circuit défaillant afin d'identifier la source du défaut à l'aide de puissants outils. La combinaison de ces deux activités nous a permis dans un premier temps, d'exploiter la lumière émise par un circuit comme un signal de fuite de type « side-channel » par le biais d'une méthode d'attaque semi-invasive par canal auxiliaire, Differential Light Emission Analysis (DLEA). Cette attaque, basée sur un traitement statistique des courbes d'émission de lumière, a permis d'extraire les sous-clés utilisées par un algorithme DES implanté sur circuit FPGA. Dans un second temps, nous avons proposé une seconde technique basée sur la stimulation laser consistant à exploiter l'effet photoélectrique afin d'améliorer les attaques par canaux auxiliaires « classiques ». Pour cela, une attaque DPA améliorée par stimulation laser a été mise en place. Ainsi nous avons démontré que le balayage du faisceau laser sur certains éléments du cryptosystème (algorithme DES implanté sur FPGA) augmente sa signature DPA permettant ainsi de diminuer sensiblement le nombre de courbes de consommation nécessaires pour extraire les sous-clés utilisées par l'algorithme. / The purpose of failure analysis is to locate the source of a defect in order to characterize it, using different techniques (laser stimulation, light emission, electromagnetic emission...). Moreover, the aim of vulnerability analysis, and particularly side-channel analysis, is to observe and collect various leakages information of an integrated circuit (power consumption, electromagnetic emission ...) in order to extract sensitive data. Although these two activities appear to be distincted, they have in common the observation and extraction of information about a circuit behavior. The purpose of this thesis is to explain how and why these activities should be combined. Firstly it is shown that the leakage due to the light emitted during normal operation of a CMOS circuit can be used to set up an attack based on the DPA/DEMA technique. Then a second method based on laser stimulation is presented, improving the “traditional” attacks by injecting a photocurrent, which results in a punctual increase of the power consumption of a circuit. These techniques are demonstrated on an FPGA device.

Cette thèse est consacrée à l’étude des mécanismes d’interaction laser-matière en régime femtoseconde pour l’analyse de circuits intégrés par stimulation photoélectrique non-linéaire. Cette technique permet d’accroitre la résolution pour répondre à la miniaturisation des composants électroniques. Les milieux étudiés dans ce travail sont plus particulièrement le silicium, matériau constitutif des circuits intégrés, et la silice pour le transport des impulsions laser dans une fibre optique. En effet, l’émergence de cette technique d’analyse en milieu industriel requiert l’utilisation de systèmes compacts, fiables et sécuritaires. Les simulations réalisées montrent la génération de charges dans le silicium et la propagation des impulsions dans des fibres photoniques à cœur creux identifiées pour limiter les effets non-linéaires. Des expérimentations sur composants permettent de les confronter aux simulations et de valider l’utilisation de ce type de fibres.Enfin, ce travail a permis de déterminer les paramètres optiques et laser essentiels ainsi que les technologies compatibles avec les contraintes industrielles en analyse de circuits intégrés. / This thesis is dedicated to the study of laser-matter interaction mechanisms in femtosecond regime for the analysis of integrated circuits by nonlinear photoelectric laser stimulation. This technique improves the resolution in order to deal with the miniaturization of electronic components. The materials studied in this work are silicon, a major chemical component in semiconductor electronics, and silica used for transporting laser pulses in optical fibers. Indeed, the emergence of this analysis technique in industrial environments needs the use of compact, reliable and safe systems. The performed simulations show charge generation in silicon and propagation of pulses in photonic fibers identified for limiting nonlinear effects. Some experiments on components allow a comparison with simulations and validation of the use of this type of fibers. Finally, this work was able to identify key optical and laser parameters along with technologies compatible with industrial constraints in integrated circuit analysis.

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).

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.

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.

Face à la densité importante d’intégration des transistors et du nombre de niveau de métallisation, la localisation de défaut en analyse se fait principalement par la face arrière du composant. Cette analyse par la face arrière impose l’utilisation systématique de lentille à immersion solide et de la microscopie à balayage laser afin de limiter la contrainte de la résolution spatiale et de la sensibilité. Les objectifs sont de déterminer les dégradations induites par un laser 1340 nm continu sur la technologie 28FDSOI et de fournir un outil de simulation permettant de prédire la dose admissible par les transistors. L’étude commence par la reproduction et la caractérisation du défaut induit par le laser. Les résultats montrent principalement une diffusion des interconnexions grille-contacts en NiPtSi. Basé sur ces observations, un modèle de stimulation laser thermique est construit, puis testé sur une structure élémentaire. Les résultats montrent que la température peut atteindre des valeurs suffisamment élevées pour provoquer la diffusion du siliciure et expliquer les observations. Dans la dernière partie, le modèle est mis à l’épreuve sur des structures réelles. Le défaut est caractérisé paramétriquement en utilisant la cartographie de fréquence. Parallèlement, la simulation est appliquée sur ces mêmes structures. Les résultats montrent une bonne capacité du modèle à prédire le seuil de dégradation des transistors sous stimulation thermique laser. / Faced with the high density of integration of the transistors and the number of metallization level, fault localization in analysis is mainly done by the rear face of the component. This backside analysis requires the systematic use of solid immersion lenses and laser scanning microscopy to limit the stress of spatial resolution and sensitivity. The objectives are to determine the degradation induced by a continuous 1340 nm laser on the 28FDSOI technology and to provide a simulation tool for predicting the allowable dose by the transistors. The study begins with the reproduction and characterization of the laser-induced defect. The results mainly show a diffusion of grid-contact interconnections in NiPtSi. Based on these observations, a model of thermal laser stimulation is built and then tested on an elemental structure. The results show that the temperature can reach sufficiently high values to cause the diffusion of the silicide and to explain the observations. In the last part, the model is put to the test on real structures. The defect is characterized parametrically using frequency mapping. Simultaneously, the simulation is applied to these same structures faithfully. The results show a good ability of the model to predict the degradation threshold of the transistors under laser thermal stimulation.