Présentation technologique et défaillance .1 Présentation du produit .1 Présentation du produit

Avec le développement des télécommunications sans fil, les produits de consommation tels que les téléphones portables sont soumis à des interférences en radiofréquence ce qui peut générer des interférences électromagnétiques (EMI) dans les composants du téléphone et perturber alors le fonctionnement des éléments (comme par exemple la caméra) [ST10]. De manière à améliorer la qualité du signal et éliminer ces interférences, des filtres, réalisés à partir de composants discrets (condensateur, résistance, inductance), étaient jusqu’au début des années 2000 montés sur la carte du téléphone. A ces éléments s’ajoutaient aussi des composants de protection ESD (décharges électrostatiques) avec des diodes discrètes (fig. 45). [ST05]

Figure 45: Filtre RC et protection ESD en composants discrets

Cependant, la diminution de la taille des mobiles et l’augmentation des fonctionnalités des téléphones ont nécessité de développer des filtres et des éléments de protection avec des réponses plus rapides dans un emplacement plus restreint. Ainsi, des circuits intégrés comportant à la fois des filtres RC et des diodes de protection ESD ont d’abord été conçus (fig. 46) puis des circuits RLC atténuant les fréquences de 200MHz à 2GHz. [ST10,ST05]

Figure 46: Filtre RC et protection ESD en circuit intégré

Ces circuits intégrés permettent, sur un même substrat de silicium, de relier entre eux divers composants électroniques. Ils peuvent être constitués de composants actifs (diodes…) et de composants passifs (résistances, condensateurs, inductances). Chacun de ces composants est alors relié aux autres par des lignes de métallisation et des vias destinés au transfert du signal électrique entre les différents éléments. Ces circuits intégrés permettent de diviser par trois la surface occupée [ST05].

Pour intégrer des bobines dans les circuits RLC, il est indispensable d’utiliser un métal de faible résistivité. En utilisant du cuivre à la place de l’aluminium, la résistance des lignes est alors jusqu’à 25 fois plus faible. Mais parce que l’épaisseur de cuivre utilisée peut atteindre 6µm, il est nécessaire d’utiliser un autre type de diélectrique que l’oxyde de silicium pour conserver la planéité de chaque niveau. Des diélectriques organiques à faible constante diélectrique tel que le BCB (benzocyclobutène) arrivent en effet à améliorer la planéité de la surface même avec de hautes marches de métallisation. L’oxyde de silicium n’a pas cette particularité et aurait tendance à conserver le relief ce qui rend complexe les étapes suivantes de la fabrication [STA06]. La technologie utilisant la combinaison de couches de cuivre et de diélectriques à faible constante diélectrique est communément appelée Cu/low-k.

Au-delà de ces filtres, ces technologies Cu/low-k trouvent leur intérêt dans d’autres circuits intégrés pour lesquels des résistances et capacités parasites perturbent le signal et limitent les performances du circuit, notamment la vitesse de propagation de l’information dans l’ensemble du circuit. Le temps de propagation dépend de deux paramètres : [BRI07]

- Le temps lié à la commutation des composants actifs

- Le temps nécessaire à la transmission du signal par les interconnexions intervenant comme composants passifs aux fréquences de fonctionnement utilisées

Ainsi, le choix du cuivre permet de réduire le délai de transmission et l’utilisation d’un isolant avec une constance diélectrique plus faible permet de limiter les capacitances parasites entre les lignes (fig.47) [TSU00] [BRI07] [WU03].

Figure 47: Capacité parasite entre les niveaux de métallisation

CL-L : capacité ligne à ligne (line-to-line) C_{L_G} : capacité ligne à masse (line-to-ground)

Dans cette partie, nous allons nous intéresser aux structures RLC encapsulées dans un boitier plastique avec des métallisations en cuivre utilisées pour les inductances, les lignes de métallisation et les vias et des diélectriques en BCB. Une structure type est donnée en exemple dans la figure 48 en coupe et en vue de dessus.

A.

B.

Figure 48: Exemple de structure d’un circuit intégré totalement passif sur

substrat en verre A. Vue de dessus B. Vue en coupe

2.1.2 Evaluation des défauts physiques pouvant être rencontrés

L’intégration de ces nouveaux matériaux dans les composants génère de nouveaux mécanismes de défaillance qu’il est essentiel d’évaluer et d’anticiper de manière à s’assurer des compétences d’analyse des laboratoires avant la mise sur le marché des nouveaux produits.

L’assemblage des produits issus de cette technologie étant similaire à d’autres déjà existants, les défaillances liées à des défauts d’assemblage sont considérées comme connues et leur analyse suit donc la méthodologie standard. La nouveauté de ces produits concerne les couches supérieures de la puce. Par conséquent, nous nous intéressons ici uniquement aux défauts liées à ces couches.

Nous avons différencié la fabrication du produit de sa vie dans la recherche des défauts.

Dans le tableau 5, les défauts physiques pouvant apparaitre au cours du procédé de fabrication ont été détaillés. Dans le tableau 6, nous avons relevé les mécanismes de défaillance susceptibles de se produire dans la vie du produit. Pour chacun de ces défauts ou mécanismes, le mode de défaillance qui en découlerait, est décrit.

Selon la nature de ces modes de défaillances, dans l’analyse, il sera nécessaire d’utiliser un équipement de localisation spécifique qui pourra solliciter électriquement la défaillance et détecter le défaut. Cet équipement donnera une indication sur le type d’accès qu’il est utile de réaliser pour pouvoir localiser le défaut (face avant, face arrière…).

Défauts de fabrication Modes de défaillances électriques pouvant être associés Résidus de diélectrique au

niveau des contacts⁽¹⁾

Circuit ouvert Résistance élevée Manque de diélectrique entre

deux lignes ou deux niveaux de métallisation⁽¹⁾

Court-circuit Courant de fuite Mauvaise adhérence du

diélectrique⁽¹⁾

Pas de défaillance directe mais peut générer des problèmes en fiabilité avec la corrosion du cuivre (voir conséquences ci-dessous) et peut aller jusqu’à la rupture du contact (résistance élevée/circuit ouvert)

Epaisseur de diélectrique non correcte⁽¹⁾

Pas de défaillance directe mais peut générer des problèmes en fiabilité en particulier claquage du diélectrique si épaisseur trop faible (voir conséquence ci-dessous)

Capacité parasite entre niveaux de métallisation pouvant modifier le gain en RF

Manque de cuivre⁽¹⁾ Circuit ouvert Résistance élevée Résidus de cuivre entre deux

lignes de métallisation⁽¹⁾

Court-circuit

Variation de la valeur de l’inductance pouvant modifier le gain en RF Fuites entre les niveaux de métallisation

Epaisseur de cuivre non correcte Modification de la résistance des inductances Corrosion du cuivre⁽¹⁾ Résistance + élevée

Tableau 5. Défauts de procédés spécifiques aux technologies BCB/Cu et leurs modes de défaillances associés

Mécanisme de défaillance Modes de défaillances électriques pouvant être générées Electromigration du cuivre⁽²⁾ Circuit ouvert

Résistance élevée

Délamination des couches⁽¹⁾⁽²⁾ Pas de défaillance directe mais peut générer des problèmes en fiabilité avec la corrosion du cuivre (voir conséquences ci-dessous) et peut aller jusqu’à la rupture du contact (résistance élevée/circuit ouvert)

Fissuration du diélectrique ^{(1) (2)} Pas de défaillance directe mais peut générer des problèmes en fiabilité avec la corrosion du cuivre (voir conséquences ci-dessous) et peut aller jusqu’à la rupture du contact (résistance élevée/circuit ouvert)

Déplacement de cuivre dans le diélectrique⁽²⁾

Court-circuit Courant de fuite Claquage du diélectrique ^{(1) (2)} Court-circuit

Corrosion du cuivre Résistance plus élevée Courant de fuite

Fusion du cuivre Circuit ouvert

Tableau 6. Mécanismes de défaillances spécifiques aux technologies BCB/Cu et leurs modes de défaillances associés

(⁽¹⁾ [TSU00], ⁽²⁾[WU03])

D’après ce tableau, nous révélons que les modes de défaillances électriques que l’on peut caractériser sur ces technologies sont de cinq types :

- Des courants de fuite - Des défauts résistifs - Des circuits ouverts - Des courts-circuits

- Des modifications du gain en RF