Défaillance physique

Dans ce paragraphe, la défaillance physique puis la défaillance électrique sont mises en évidence. Différentes techniques de caractérisations physiques sont exploitées dont la révélation chimique et l’analyse par faisceaux d’ions focalisés (FIB).

Les composants étudiés sont restreints à des géométries symétriques en courant d’une part et non symétriques d’autre part. Le composant symétrique en courant distribue de manière homogène le courant de décharge. La géométrie circulaire entourée est représentative d’une diode symétrique en courant. Cependant, la diode circulaire latérale sera une diode dissymétrique en courant puisque sa géométrie ne favorise pas la distribution homogène du courant dans la structure.

IV.1.1.1 Composant Symétrique en courant

Lorsque la diode est symétrique en termes de distribution du courant de décharge, les analyses de défaillance indiquent la présence de filaments de fusion en périphérie de jonction comme le montrent les images de la Figure 70.

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Figure 70 : Localisation de la défaillance en ESD répétitives sur une diode circulaire « entourée » par une dé-métallisation et une observation au microscope électronique à Balayage (MEB).

Sur la Figure 70, la diode a subi une dé-métallisation puis une révélation chimique SIRTL. Ainsi une épaisseur de 1 à 2 µm a été supprimée de la surface avec une gravure plus profonde de la région N+ _{qui reste la plus dopée. La défaillance qui est visualisée réside donc dans les} profondeurs du silicium. Lorsque le silicium présente des défaillances induites par des ESD, la dégradation se traduit par une augmentation abrupte du courant de fuite seulement si les défaillances sont situées à proximité de la zone de charge d’espace [17].

Nous remarquons que ces fusions, sous forme de filaments et de par leur localisation, sont semblables à celles observées dans le cas de diodes dysfonctionnelles en caractérisation à impulsion unique. Pour la diode symétrique, la dégradation a lieu avec un très grand nombre d’impulsions ESD. En effet, ce nombre de décharges excède généralement la limite raisonnable de 1000 impulsions avec une tension de répétition référencée à 90% du médian

VESD0. Dès lors, la très faible proportion de diodes à géométrie circulaire entourée, se

dégradant de manière prématurée en endurance, correspond à la population extrinsèque de l’échantillonnage.

Des analyses de révélation chimique ont été effectuées pour différentes diodes, à des niveaux intermédiaires entre le composant vierge et le composant défaillant. Les résultats de caractérisation indiquent qu’aucune dégradation physique n’existe avant la défaillance physique qui se traduit par une dégradation électrique. Cependant, malgré la hausse du courant de fuite d’une décade, les dégradations physiques ne sont pas visibles. L’apparition de la défaillance est donc soudaine et liée à une fusion locale du silicium à la jonction métallurgique qui est le siège des plus hautes températures.

Chapitre IV : Fiabilité de la diode vis-à-vis des décharges répétitives

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IV.1.1.2 Composant dissymétrique en courant

La géométrie dissymétrique en courant ou la diode circulaire latérale, quant à elle, montre une défaillance tout à fait différente. En plus du filament de fusion en périphérie de la jonction d’entrée, qui est la cause de la rupture électrique de la jonction, de multiples points de fusions sont localisés en bordure de l’ouverture contact en direction de la jonction de masse comme l’indique la Figure 71.

Figure 71 : Localisation de la défaillance en ESD répétitives sur une diode circulaire « entourée » par une dé-métallisation et une observation au microscope électronique à Balayage (SEM).

Ce mode de défaillance est relatif à une distribution non homogène du courant et demeure la cause majeure de dégradation [18]. Toutefois, il est important de mentionner que toutes les diodes qui ne possèdent pas une symétrie homogène en courant possèdent des signatures de défaillances similaires. Elles se résument en des dégradations localisées en ouverture contact et en périphérie de jonction. Comme l’explicite l’exemple de la diode rectangulaire latérale de la Figure 72, les fusions à l’ouverture contact de la jonction d’entrée ont lieu préférentiellement dans le périmètre en vis-à-vis de la jonction de masse. Finalement, la défaillance à la périphérie de jonction est favorisée par les angles qui sont sujets à un resserrement des lignes de courant. Nous retiendrons que le filament de fusion qui provient de la bordure de l’ouverture contact et se dirigeant vers la jonction de masse est à l’origine de la dégradation électrique de la jonction d’entrée.

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a)

b)

Figure 72 : a) Localisation de la défaillance ESD suite à des impulsions multiples par la technique de l’OBIRCH et b) Visualisation MEB de la défaillance après dé-métallisation et révélation chimique de la

jonction d’entrée.

Pour finir, la géométrie dissymétrique en courant des jonctions d’entrée et de masse génère, durant l’application des impulsions répétées, des micro-fusions en ouverture contact et des filaments de fusion reliant le contact métallique à la ZCE de la jonction d’entrée. C’est ainsi qu’apparaît la dégradation électrique de la structure bidirectionnelle. Pour effectuer une analyse comparative des modèles de défaillance physique et électrique, l’étude de l’évolution

Chapitre IV : Fiabilité de la diode vis-à-vis des décharges répétitives

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de la réponse électrique avec la multiplication des décharges fait l’objet de la section suivante. Cette étude constitue une étape aidant la compréhension des mécanismes.