Influence des paramètres géométriques

Les concepteurs de circuits intégrés projettent inlassablement de diminuer les capacités de jonction par des moindres surfaces, tout en cherchant à satisfaire les exigences grandissantes du client vis-à-vis du durcissement des conditions de fiabilité ESD [7,8].C’est dans ce contexte que s’inscrit la variation des paramètres géométriques visant à améliorer les performances ESD pendant que la réduction des surfaces et la forte robustesse demeurent deux effets antagonistes pour obtenir une structure de protection idéale de faible capacité et de forte robustesse ESD [9]. En effet, les modifications des règles de dessin sont connues pour influencer fortement la robustesse de la protection [10]. Les investigations menées dans ces travaux de thèse cherchent à mettre en évidence des stratégies d’optimisation de la fiabilité de la protection ESD à travers le dessin de la structure. Pour mener à bien cette recherche, trois principaux paramètres ont été pris en compte : la distance entre jonctions N+_{, l’ouverture contact et la géométrie de la diode [11,12].} Nous considérons d’abord pour notre étude des diodes bidirectionnelles avec des surfaces variables. La réduction des surfaces de jonction mène à une diminution de l’encombrement de la protection dans un circuit intégré. Ensuite, par le biais d’une restriction de la distance entre jonctions N+, les tailles des protections devraient être encore plus petites. Ainsi, nous maintiendrons un dimensionnement minimal, c'est-à-dire étudier une surface de la région N+ la plus faible possible, dans les limites autorisées par les règles de dessin. A partir de cette structure modèle, différentes formes de structure sont conçues par une modulation des différents paramètres que nous présenterons dans ce paragraphe.

II.2.1 Variation de la distance entre jonctions N+

Les surfaces des régions dopées sont maintenues constantes dans l’optique de réduire uniquement la distance D séparant les deux jonctions N+. Dans cette configuration, nous observons une modification de la surface du substrat entre les deux diodes qui se traduit par une variation de la résistance interne de la diode. La résistance série sera donc d’autant plus grande que les jonctions sont éloignées du fait d’une distribution homogène du courant avec les larges distances. Nous traiterons cet aspect dans la suite avec la caractérisation TLP.

L’éloignement, D, entre les jonctions N+ est susceptible de réduire les densités de courant maximales obtenues dans le composant durant la décharge électrostatique [13] pour ainsi mener à de meilleures valeurs de robustesse ESD.

Chapitre II : Etude de la diode de Protection ESD

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II.2.2 Géométrie de la diode

L’aspect géométrique concerne la forme empruntée par la jonction d’entrée et/ou la jonction de masse. Trois cas de figure sont pris en compte : la diode circulaire entourée, la diode rectangulaire latérale et la diode circulaire latérale (Figure 19). L’intérêt de la forme circulaire réside dans un meilleur rapport faible capacité et distribution du courant de décharge comparée à une diode de capacité équivalente (surface identique) possédant une géométrie rectangulaire.

 La diode circulaire entourée dissipe de manière homogène le courant de décharge. Pour des diodes totalement symétriques comme les diodes rondes entourées de la Figure 19 a) [14], la distribution du courant est connue pour s’effectuer de manière homogène puisque la jonction de masse entoure l’intégralité de la jonction d’entrée à distance D égale. Cette configuration représentée sur la Figure 19 a) constitue les conditions les plus favorables pour une distribution uniforme du courant à travers la structure. Cependant, nous sommes très vite confrontés à la problématique d’intégration dans les circuits IPADTM car il est impossible de connecter, dans cette configuration, la jonction d’entrée au reste du circuit par une piste métallique.

Figure 19: Géométrie de la diode de protection ESD bidirectionnelle circulaire totalement entourée, rectangulaire latérale, mixte ou circulaire latérale.

 La diode bidirectionnelle dite rectangulaire est reproduite sur la Figure 19 b). Elle conserve une équidistance des jonctions de manière à toujours maintenir une distribution du courant la plus homogène possible. Ainsi, en favorisant une distribution homogène du courant de décharge par une géométrie qui y est favorable, toute focalisation devrait être évitée. Cependant, nous pouvons remarquer que, contrairement au cas précédent, cette configuration se prête à une

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intégration dans un circuit intégré grâce à un accès possible aux deux jonctions d’entrée et de masse.

 En considérant la diode mixte illustrée sur la Figure 19 c), nous présentons un cas favorable à la focalisation du courant de décharge. Elle est constituée d’une diode rectangulaire constituant la jonction de masse et d’une diode ronde comme jonction d’entrée. En effet, pour ce dernier cas, le courant ESD est supposé être plus important dans le rayon de la diode possédant la plus faible distance avec la jonction de masse.

II.3

Conclusion

L’influence de chaque paramètre de dessin de la diode bidirectionnelle sera étudiée de manière indépendante. A cet effet, la variation de la largeur d’ouverture contact s’effectuera sur des diodes rondes entourées afin de limiter la combinaison des paramètres pris en compte.

La modification d’un des trois paramètres considérés affectant la distribution du courant de décharge dans le composant de protection ; l’objectif est de modéliser l’évolution de la robustesse ESD suivant chaque facteur géométrique et de dessin.

Pour finir, nous avons remarqué que quelle que soit la géométrie des diodes, nous retrouvons, dans une vue en coupe sans symétrie, une architecture commune à tous les motifs. En considérant les géométries : cylindrique, latérale ou mixte ; nous obtenons la vue en coupe de la Figure 18. Par ailleurs, les dopages des jonctions étant identiques, nous supposons qu’ils confèrent à toutes les diodes issues d’un même processus de fabrication une seule et unique caractéristique électrique statique. Les caractéristiques intrinsèques au composant sous test sont étudiées à partir d’un dispositif à ligne de transmission connu sous l’acronyme anglais TLP (en anglais Transmission Line Pulsing). Nous obtenons ainsi le comportement électrique de la diode bidirectionnelle sous de très forts courants électriques.

Chapitre II : Etude de la diode de Protection ESD

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