M´ ethodes d’analyse de d´ efaillance

Les ´electrodes surfaciques sont s´epar´ees les unes des autres par un d´etourage grav´e dans la surface jusqu’`a la silice (Figure 3.6). Un d´efaut de surface localis´e dans ces isolations peut alors ˆetre source d’une fuite de courant entre les ´electrodes. Il faut donc analyser l’ensemble des chemins d’isolation de la puce, dont le p´erim`etre total s’´etend `

a plusieurs mm. De mˆeme, les r´eseaux contiennent entre 400 et 30 000 motifs (selon G1-2 ou G3) susceptibles d’ˆetre en court-circuit, de taille microm´etrique sur une surface de plusieurs mm2. Il est donc indispensable de disposer d’outils d’analyse capables de balayer (rapidement) une grande surface, tout en ayant une r´esolution suffisante pour distinguer un motif d’un autre, espac´e de quelques microns. Des techniques usuelles en micro´electronique se sont rapidement impos´ees `a nous :

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– EMMI ou EMission MIcroscopy : des recombinaisons radiatives de paires ´electron/trou ont lieu au niveau des d´efauts. Les photons ´emis dans le visible sont d´etect´es par une cam´era ultra sensible ;

– la thermographie infrarouge (IR) : les d´efauts ´electriques constituent des r´esistances locales sur l’´echantillon. Au passage d’un courant, ces d´efauts chauffent et ´emettent un rayonnement dans l’infrarouge, d´etect´e par une cam´era ultra- sensible ;

– MEB `a contraste de potentiel : l’´echantillon est polaris´e in-situ dans un microscope ´electronique `a balayage. Les propri´et´es des ´electrons secondaires ´emis varient en fonction du potentiel ´electrique de la surface et apparaissent diff´eremment sur l’image. On obtient ainsi une image des d´efauts par contraste de potentiel (voir Chapitre5) ;

– la d´ecoration ´electrochimique : on r´ealise un d´epˆot ´electrolytique sur l’´echantillon (utilis´e comme ´electrode). Seules les r´egions en court-circuit pourront ˆetre “d´ecor´ees” par des agr´egats m´etalliques par exemple (voir Chapitre5).

D’autres techniques d’analyse de d´efaillance approuv´ees par la micro´electronique m´eriteraient d’ˆetre essay´ees, telles que l’EBIC (Electron-Beam Induced Current ) [128] ou l’Obirch (Optical Induced Resistance Change) [129] par exemple. Ces techniques n’´etant pas disponibles au laboratoire ou chez les partenaires, notre choix s’est concentr´e sur les m´ethodes EMMI et de thermographie IR.

Photo´emission ou EMMI

La technique EMMI est utilis´ee en micro´electronique pour d´etecter les d´efauts dans les semi-conducteurs [130]. Au passage du courant, des recombinaisons ´electroniques radiatives peuvent se produire lorsqu’un ´electron passe de la bande de conduction `a la bande de valence, c´edant ainsi son ´energie sous forme de photon. Dans les semi- conducteurs, la photo´emission peut avoir lieu naturellement, comme dans les transistors bipolaires satur´es ou dans les diodes en polarisation directe par exemple. Mais elle peut ´

egalement ˆetre significative de d´efauts tels que des trous dans les oxydes de grille, des fuites au niveau des jonctions PN, des ´electrons chauds, ou des transistors endommag´es par des d´echarges ´electrostatiques.

Sa mise en œuvre n´ecessite une cam´era tr`es grande sensibilit´e pour d´etecter les faibles quantit´es de lumi`ere ´emises localement par les d´efauts. L’exp´erience prend g´en´eralement place dans une chambre noire afin d’´eviter toute perturbation lumineuse ext´erieure qui saturerait la cam´era par exemple (Figure 3.29). Cette derni`ere n´ecessite d’ailleurs un syst`eme de refroidissement efficace pour ´eviter tout bruit thermique (refroidissement par effet Peltier dans le syst`eme utilis´e).

L’´echantillon `a analyser est plac´e sous l’objectif d’un microscope surmont´e de la cam´era CCD (sensible du visible au proche IR dans le syst`eme utilis´e). Il est polaris´e par un syst`eme de pointes. Le syst`eme d’acquisition int`egre les donn´ees sur des temps de l’ordre de la dixi`eme de seconde pendant plusieurs minutes (cela peut prendre plusieurs heures

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Figure 3.29: Photo d’un appareil de caract´erisation EMMI.

pour certains dispositifs). La mesure se fait en prenant alternativement des images avec polarisation (cens´ees r´ev´eler les points lumineux) et des images de r´ef´erence, sans pola- risation, qui leur sont soustraites.

Utilisant des objectifs de microscope optique, cette m´ethode permet `a la fois d’observer une zone importante (typiquement une puce enti`ere de 10x10mm2) mais aussi de grossir l’image pour observer plus en d´etails (jusqu’`a 250x250µm2 _{avec un objectif adapt´e par}

exemple). L’avantage de cette m´ethode est sa grande r´esolution spatiale. Le ph´enom`ene de recombinaison des paires ´electrons/trous, et par suite de radiation, est local. La d´etection des fuites est donc limit´ee par la sensibilit´e et la r´esolution de la cam´era. Avec la collaboration du Laboratoire d’Analyse des Technologies et Proc´ed´es Industriels de TRT (LATPI) qui poss`ede un tel syst`eme, nous avons pu identifier avec une haute r´esolution un d´efaut pr´esent sur une cathode `a grille (Figure 3.30).

Figure 3.30: D´etection de d´efaut ´electrique par EMMI `a faible grossissement, puis grossissement plus fort pour localiser pr´ecis´ement le d´efaut et l’identifier au MEB.

L’inconv´enient de cette technique est principalement la nature des d´efauts d´etect´es. En effet, seuls les d´efauts permettant les recombinaisons radiatives sont identifi´es. Pour- tant, la recombinaison radiative dans un mat´eriau `a gap indirect (tel le silicium) est un ph´enom`ene lent car elle met en jeu un ´etat interm´ediaire d’´energie avec ´emission ou absorption d’un phonon. Cela signifie que la plupart des recombinaisons prenant place dans le mat´eriau ne seront pas radiatives, et s’effectueront simplement aux points de

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d´efaut ou aux joints de grain par exemple. Des courts-circuits de nature ohmique ou m´etallique ne peuvent pas ˆetre d´etect´es. La lumi`ere ´emise par des sites sous les m´etaux est, quant `a elle, g´en´eralement bloqu´ee. Une simple analyse EMMI ne permet donc pas toujours de d´etecter tous les d´efauts pr´esents sur l’´echantillon (Figure 3.31). Elle doit ˆ

etre coupl´ee avec une autre m´ethode permettant la d´etection d’autres d´efauts, telle que la thermographie.

Figure 3.31: Analyse compl´ementaire par thermographie IR. En orange : d´etection d’un d´efaut d´ej`a r´ev´el´e par EMMI (et observ´e par MEB). En rouge : d´efaut non visible

par EMMI. Points chauds vu `a travers un objectif x1 `a gauche et x12 `a droite.