Modèles de stress ESD 124

L'aspect le plus difficile pour la fiabilité ESD est l'efficacité des circuits de protection, en particulier pour les technologies CMOS avancées qui sont très sensibles. La forte réduction des dimensions verticales et horizontales et la présence de siliciure qui réduit les résistances de ballast favorisent une focalisation des courants et dégradent la performance ESD [5], [6].

Actuellement, les modèles les plus couramment utilisés pour décrire les différentes catégories de stress ESD affectant les circuits intégrés sont :

 Modèle du corps humain : Human Body Model (HBM)

 Modèle de la machine : Machine Model (MM)

 Modèle du dispositif chargé : Charged Device Model (CDM).

4.2.1 Modèle du corps humain (HBM)

Le modèle de base pour la protection ESD est le modèle HBM qui simule les ESD causées lors de la manipulation humaine des circuits intégrés. Ce modèle décrit la décharge de la capacité équivalente du corps humain (environ 100 pF) quand un doigt touche la broche du dispositif. Si la charge initiale du corps humain est au niveau de 1000 V ou plus, alors le courant de stress, qui est limité par la résistance du corps (environ 1500 Ω), peut être suffisamment élevé pour détruire le dispositif connecté à la broche. Le test HBM est la méthode la plus largement utilisée pour qualifier la performance ESD de circuits de protection. En général, les événements HBM se produisent à 2 kV - 4 kV, par conséquent, des niveaux de protection dans cette gamme sont requis. La Figure 4.3 présente le circuit électrique équivalent du générateur lié au modèle suivant la norme JEDEC JESD22-A114F [7].

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Figure 4.3 : Modèle du corps humain HBM (Human body model)

4.2.2 Modèle de la machine (MM)

En plus de la manipulation humaine, le contact avec les machines peut aussi produire un stress de type ESD. Mais dans ce cas, comme la résistance du corps n’est pas impliquée, le stress est plus intense et il y a une génération d’un niveau de courant très élevé. Ainsi un niveau de protection de 200 V pour ce modèle assure en général la fiabilité des dispositifs.

Le test MM est destiné à modéliser un signal ESD produit par un objet chargé entrant en contact avec un circuit intégré pendant l’assemblage ou pendant les tests. Le testeur MM délivre une oscillation amortie de courant de stress (≈ 20MHz), (le niveau du courant dans la première période est entre 1 A et 10 A). Contrairement au modèle HBM, il n’existe pas une définition unique pour le MM [8].

La Figure 4.4 présente le schéma électrique équivalent du modèle de la machine défini par la norme IEA/JESD22-A115-A [9].

Figure 4.4 : Modèle de la machine MM (Machine model)

4.2.3 Modèle du dispositif chargé (CDM)

Le modèle CDM est destiné à modéliser la décharge d’un circuit intégré préalablement chargé. Les charges peuvent être générées dans les circuits intégrés pendant l’assemblage ou lors du transport [10]. Le testeur CDM charge électriquement le DUT (DUT : Device Under Test ou dispositif sous test) et ensuite le décharge dans la masse, ceci produit une impulsion de fort courant et de courte durée (≈ 10 ns). Comme dans le cas du modèle MM, il n’y a pas un accord industriel unique sur les spécifications de CDM [8], [11]. La norme CDM actuellement la plus reconnue est basée sur la génération de charges dans le composant par

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induction (Field-induced CDM). La Figure 4.5 présente le modèle du dispositif chargé défini par la norme JEDEC JESD22-C101C [12].

Figure 4.5: Modèle du dispositif chargé CDM (charged device model)

Une structure de protection efficace doit être capable de protéger les circuits intégrés vis-à-vis de n’importe quel modèle de stress cité plus haut.

Figure 4.6 : Formes d’onde de courant de décharge pour les trois modèles de stress basiques: HBM, MM, et CDM comparés à une impulsion TLP [10]

La Figure 4.6 montre les formes d’ondes des différents modèles de stress ESD. La forme d’onde du testeur TLP (Transmission Line Pulsing) est la plus proche de celle du modèle HBM. Outre les trois principaux modèles ESD décrits ci-dessus, la technique TLP [13] est la plus appropriée pour le développement et la caractérisation des structures de protection ESD. La durée d’une impulsion TLP est ajustable de quelques nanosecondes jusqu’à une centaine de nanosecondes. Puisque la mesure DC conduit à l’auto échauffement, et ne permet pas de connaître les caractéristiques transitoires des dispositifs, la technique TLP est nécessaire pour caractériser le comportement des dispositifs sur l’échelle de temps ESD concernée.

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L’idée de base du testeur TLP est d’appliquer une impulsion carrée au DUT, puis de mesurer le courant et la tension aux bornes de ce dispositif. Le schéma d’un système TLP et le principe de la caractérisation sont illustrés dans la Figure 4.7. Une ligne de transmission est chargée à une tension de test spécifiée et ensuite déchargée dans le DUT lorsque l’interrupteur se ferme. La durée de l’impulsion d’un signal TLP ainsi que l’amplitude de la tension d’entrée au dispositif peuvent être contrôlées par la longueur physique de transmission du câble formant la ligne et de la tension initiale sur ce câble. Actuellement et dans la plupart des cas, la longueur du câble TLP est choisie pour fournir une durée d’impulsion de 100 ns.

Outre la technique TLP, la mesure HBM sous pointes a été utilisée dans ce travail. L’équipement utilisé est le testeur HED-W5000M du Hanwa [14], capable de mesurer la forme d’onde de la tension et du courant durant le stress (Figure 4.8). Le banc HBM utilise un condensateur 100 pF et une résistance série égale à 1,5 kΩ, conduisant à un courant transitoire avec 500 ns de temps de décroissance.

Figure 4.7: Présentation schématique du testeur TLP

Figure 4.8 : Présentation du circuit équivalent du testeur HBM (Hanwa)