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Contribution à l’analyse de signaux acquis par émission de photons dynamique pour l’étude de circuits à très
haute intégration
Samuel Chef
To cite this version:
Samuel Chef. Contribution à l’analyse de signaux acquis par émission de photons dynamique pour l’étude de circuits à très haute intégration. Electronique. Université de Bourgogne, 2014. Français.
�NNT : 2014DIJOS032�. �tel-01128218�
Thèse de Doctorat
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é c o l e d o c t o r a l e s c i e n c e s p o u r l ’ i n g é n i e u r e t m i c r o t e c h n i q u e s
U N I V E R S I T É D E B O U R G O G N E
Contribution `a l’analyse de signaux acquis par ´emission de photons
dynamique pour l’ ´etude de circuits `a tr `es haute int ´egration
S AMUEL C HEF
Thèse de Doctorat
é c o l e d o c t o r a l e s c i e n c e s p o u r l ’ i n g é n i e u r e t m i c r o t e c h n i q u e s
U N I V E R S I T É D E B O U R G O G N E
TH `ESE pr ´esent ´ee par
S AMUEL C HEF
pour obtenir le Grade de Docteur de l’Universit ´e de Bourgogne
Sp ´ecialit ´e :Instrumentation et informatique de l’image
Contribution `a l’analyse de signaux acquis par ´emission de photons dynamique pour l’ ´etude de circuits `a tr `es haute int ´egration
Unit ´e de Recherche : Le2i UMR CNRS 6306
Soutenue publiquement le 25 Novembre 2014 devant le Jury compos ´e de :
F. MORAIN-NICOLIER Rapporteur Professeur `a l’Universit ´e de Reims Champagne-Ardenne
L. TORRES Rapporteur Professeur `a l’Universit ´e Montpellier 2
P. PERDU Invit ´e Expert Senior CNES
H. YAHIA Examinateur Charg ´e de recherche INRIA
K. SANCHEZ Responsable de th `ese Docteur-Ing ´enieur au CNES
S. JACQUIR Co-encadrant de th `ese Maˆıtre de conf ´erences `a l’Universit ´e de Bourgogne
S. BINCZAK Directeur de th `ese Professeur `a l’Universit ´e de Bourgogne
R EMERCIEMENTS
Je souhaite commencer ces remerciements en exprimant toute ma gratitude `a mes di- recteur et co-encadrant de th `ese St ´ephane Binczak et Sabir Jacquir. Vous m’avez laiss ´e une grande libert ´e dans la conduite de ces travaux, qualit ´e, `a mon sens, fondamentale dans la recherche. Nos ´echanges journaliers m’ont r ´eellement permis de progresser et je vous dois ´enorm ´ement.
J’aimerais remercier tout particuli `erement Kevin Sanchez, responsable de ma th `ese pour le CNES. Tu m’as fait confiance, tout d’abord en tant que stagiaire de master, puis pour ce doctorat, et tu as toujours tenu tes engagements. J’ai ´enorm ´ement appris `a ton contact sur l’analyse de d ´efaillance des circuits int ´egr ´es, un champ d’application singulier de part la richesse des domaines abord ´es et de son aspect industriel. J’ai aussi une profonde re- connaissance pour Philippe Perdu, expert senior au CNES. Nos diff ´erentes discussions ont toujours ´et ´e un plaisir. Tes vastes connaissances et ton aptitude `a proposer des solu- tions innovantes lors des diff ´erentes r ´eunions de d ´eveloppement, comme `a Hamamatsu ou Renesas, m’ont toujours impressionn ´e.
A vous quatre, j’esp `ere sinc `erement que nous aurons `a nouveau l’occasion de collaborer.
Je remercie ´egalement Fr ´ed ´erique Morrain-Nicolier, Lionel Torres et Hussein Yahia d’avoir accept ´e d’ ˆetre, respectivement, rapporteurs et examinateur. Vos remarques m’ont donn ´e
´enorm ´ement `a r ´efl ´echir et m’ont permis d’am ´eliorer grandement la qualit ´e de ce docu- ment. Elles m’ont aussi offert de nouvelles perspectives, que j’esp `ere avoir l’opportunit ´e d’explorer dans un futur proche.
Un grand merci `a Bastien et Maxime Y. pour leur relecture du manuscrit. Avoir des avis ext ´erieurs est n ´ecessaire dans ce genre d’exercice et permet de prendre un certain recul vis `a vis de sa production. Je pense aussi qu’on a form ´e une terrible ´equipe de nageurs du midi.
Merci `a Marie et Laurence d’avoir tent ´e de sauver du naufrage grammatical la premi `ere partie de ce m ´emoire. J’aurais aim ´e vous faire relire la suite, malheureusement, le temps
v
vi
a manqu ´e.
Merci `a tous les doctorants que j’ai eu l’occasion de c ˆotoyer, que ce soit au Le2i, Nicolas, Maxime B., Jacques, Hugues, Xingbo, Pierre-Jean, Amadou, Mamadou, Rachid, Roland, Aurore, Anthony, Hassan, ou au CNES, Guillaume, Kevin, Nicolas. Les discussions-caf ´e journali `eres sont n ´ecessaires `a l’ ´equilibre de tout doctorant !
Avoir des amis en-dehors l’est aussi. Pour cela, merci `a Aur `el, Clarisse, Stef, Flo, Funckle, JB, Jer, Ju et Vincent. Je ne sais pas comment j’aurais surv ´ecu `a ces trois ann ´ees sans vous ! Merci `a Charlotte pour avoir cette incroyable capacit ´e `a toujours me surprendre et
`a m’entraˆıner dans toutes sortes d’aventures (j’avoue que faire un semi-marathon ne me serait pas venu spontan ´ement `a l’esprit). Tu restes une source d’inspirations.
Enfin, l’usage veut que l’on termine ce chapitre en remerciant les gens qui comptent le plus. C’est pour cela que je ne remercie que maintenant mes parents et mes fr `eres. Vous m’avez toujours soutenu et encourag ´e. Si j’en suis l `a aujourd’hui, c’est gr ˆace `a vous.
G LOSSAIRE
ACP : Analyse en Composantes Principales.
AFM : Atomic Force Microscope.
APD : Avalanche PhotoDiode.
CAD : Computer Aided Design. Peut d ´esigner le sch ´ema du circuit dans ce contexte.
CCD : Coupled Charge Device.
CI : Circuit Int ´egr ´e.
CMOS : Complementary Metal-Oxyde-Semiconductor. Structure qui r ´esulte de l’associa- tion de plusieurs transistors NMOS et PMOS.
DBSCAN : Desnity Based Clustering for Application with Noise.
DGF : Descripteur G ´en ´eralis ´e de Fourier.
DSP : Densit ´e Spectrale de Puissance.
DUT : Device Under Test. ´Equivalent `a circuit ou composant sous test.
EMMI : EMission MIcroscopy. Technique de localisation de d ´efauts par ´emission de lumi `ere statique. ´Equivalent `a PEM.
ESD : ElectroStatic Discharge.
FPGA : Field Programmable Gate Array.
KPPV : K Plus Proches Voisins.
LIVA : Light Induced Voltage Alteration. Technique de localisation de d ´efauts par modifi- cation des potentiels ´electriques `a l’aide d’un laser.
MCBL : Microscopie Confocale `a Balayage Laser.
MCP : MicroChannel plates.
MEB : Microscope ´Electronique `a Balayage. Terme franc¸ais de SEM.
vii
viii
MOSFET : Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor.
NMOS : Transistor de type MOSFET dont le drain et la source sont dop ´es n ´egativement (exc `es d’ ´electrons).
OBIC : Optical Beam Induced Current. Technique de localisation de d ´efauts par g ´en ´eration optique de courant.
OBIRCh : Optical Beam Induced Resistance Change. Technique de localisation de d ´efauts par variation de r ´esistance par effet photo-thermique.
OCE : Object Consistency Error.
OSD. OverStress Discharge.
PEM : Photon Emission Microscopy. Technique de localisation de d ´efauts par ´emission de lumi `ere statique. ´Equivalent `a EMMI.
PICA : Picosecond Imaging Circuit Analysis. Technique de localisation de d ´efauts par
´emission de lumi `ere dynamique. ´Equivalent `a TRI.
PMOS : Transistor de type MOSFET dont le drain et la source sont dop ´es positivement (exc `es de trous).
PMT : PhotoMultiplier Tubes.
PSF : Point Spread Function. Cette fonction est aussi appel ´ee la r ´eponse impulsionnelle d’un syst `eme optique.
RO : Ring Oscillator. Oscillateur en anneaux constitu ´e d’une chaˆıne d’inverseurs boucl ´ee sur elle-m ˆeme.
SEM : Scanning Electron Microscope. Terme anglais de MEB.
SIL : Solid Immersion Lens.
SOI : Silicon On Insulator.
SPAD : Single Photon Avalanche Diode.
SQUID : Superconducting QUantum Interference Device.
SNR : Signal to Noise Ratio.
SSPD : Superconducting Single Photon Diode.
STED : STimulated Emission Depletion. Technique de microscopie par fluorescence per-
ix
mettant de d ´epasser les limites de r ´esolution du syst `eme optique.
STORM : STochastic Optical Reconstruction Microscopy. Technique de microscopie par fluorescence permettant de d ´epasser les limites de r ´esolution du syst `eme optique.
STPC : Spatio-Temporal Photon Correlation. Technique de filtrage des donn ´ees TRI.
SVM : S ´eparateurs `a Vaste Marge. Aussi appel ´es machines `a vecteurs de support.
TCSPC : Time Correlated Single Photon Counting. Comptage de photon r ´esolu en temps.
TRE : Time Resolved Emission. D ´esigne l’acquisition mono point en fonction du temps de l’ ´emission de l’ ´emission de lumi `ere.
TRI : Time Resolved Imaging. Technique de localisation de d ´efauts par ´emission de lumi `ere dynamique. ´Equivalent `a PICA.
ULSI : Ultra Large Scale Integration. D ´esigne un circuit int ´egr ´e avec plus d’un million de transistors.
VLSI : Very Large Scale Integration. D ´esigne un circuit int ´egr ´e avec plus de cent mille transistors.
S OMMAIRE
Remerciement v
Glossaire vii
Introduction 1
1 Electroluminescence pour l’analyse de VLSI´ 7
1 Introduction . . . 8
2 Analyse de d ´efaillances et localisation de d ´efauts . . . 10
2.1 Description du processus g ´en ´eral . . . 10
2.2 Terminologie du test ´electrique . . . 11
2.3 La localisation/caract ´erisation de d ´efauts sans contact . . . 12
3 Pr ´ecisions sur les techniques optiques . . . 14
3.1 L’analyse par face-arri `ere . . . 14
3.2 Microscopie infrarouge . . . 17
3.3 Les techniques laser . . . 18
3.3.1 Mode pompe . . . 19
3.3.2 Mode sonde . . . 19
3.4 Emission de photons . . . 21´
4 M ´ecanismes de photon- ´emission dans le silicium . . . 22
4.1 Recombinaisons ´electrons/trous ou recombinaison inter-bandes . . 22
4.2 G ´en ´eration de photons par porteurs chauds . . . 24
5 Electroluminescence en fonctionnement statique . . . 25´ xi
xii SOMMAIRE
5.1 Jonctionpn . . . 25
5.2 Transistor bipolaire . . . 26
5.3 MOSFET . . . 26
5.3.1 Emission en saturation . . . 26
5.3.2 Fuite `a l’oxyde de grille . . . 27
5.4 Thyristor parasite ou latch-up . . . 28
5.5 Consid ´erations spectrales . . . 29
5.6 Cas des VLSI fortement submicroniques . . . 30
5.6.1 Impact de l’analyse par face arri `ere . . . 30
5.6.2 Impact spectral . . . 31
6 Conclusion . . . 32
2 Emission de lumi `ere dynamique´ 33 1 Introduction . . . 34
2 Emission dans les circuits logiques CMOS en dynamique . . . 35´
2.1 Rappel du principe de fonctionnement d’une structure CMOS simple : l’inverseur . . . 35
2.2 Emission dans l’inverseur CMOS non charg ´e . . . 37´
2.3 Cas de l’inverseur charg ´e . . . 38
3 Instrumentation . . . 40
3.1 Vue g ´en ´erale du syst `eme d’acquisition . . . 40
3.1.1 R ´ef ´erencement temporel des photons . . . 40
3.1.2 D ´etecteurs pour comptage de photons . . . 41
3.2 Pr ´esentation d ´etaill ´ee des galettes `a micro-canaux . . . 43
3.3 Introduction aux donn ´ees TRI . . . 45
3.3.1 Donn ´ees brutes . . . 45
3.3.2 Information spatiale . . . 46
SOMMAIRE xiii
3.3.3 Information temporelle . . . 47
4 Probl ´ematiques de l’ ´emission dynamique . . . 49
4.1 Bruit . . . 49
4.1.1 Origines du bruit . . . 49
4.1.2 Rapport signal sur bruit . . . 51
4.1.3 Discussion autour des potentielles fluctuations du niveau de bruit . . . 52
4.2 R ´esolution . . . 54
4.2.1 Syst `eme optique limit ´e par la diffraction . . . 54
4.2.2 Influence de l’imageur . . . 56
4.3 Cas de l’incertitude li ´ee au repliement et `a la gigue. . . 58
4.4 Discussion sur la complexit ´e des donn ´ees . . . 58
5 Conclusion . . . 59
3 Traitement post-acquisition en TRI 61 1 Introduction . . . 62
2 R ´eflexion autour des strat ´egies de traitement . . . 62
3 Discrimination signal-bruit . . . 67
3.1 Filtrage Temporel : Positive Photon Discrimination . . . 67
3.2 Filtrage spatial : identification automatis ´ee des nœuds d’ ´emission . 68 3.2.1 Traitements d’images usuels . . . 69
3.2.2 Seuillage d’image `a partir d’estimation de distribution . . . 69
3.2.3 Seuillage d’image coupl ´e `a un filtrage g ´eom ´etrique . . . . 69
3.2.4 Identification des nœuds `a partir du layout . . . 70
3.2.5 Identification des transistors actifs avec pr ´ecision sub- r ´esolution : Ajustement CAD/PSF . . . 71
3.3 Filtrage 3D : Spatio-Temporal Photon Correlation . . . 72
xiv SOMMAIRE
4 Extraction d’information . . . 75
4.1 Pattern matching . . . 75
4.2 Propagation de signal par d ´etection synchrone . . . 77
5 Acquisition modifi ´ee pour le traitement post-acquisition . . . 80
5.1 Maˆıtrise de la stimulation ´electrique pour am ´elioration de r ´esolution optique . . . 80
5.2 Acquisition comprim ´ee pour am ´elioration du rapport signal sur bruit 82 6 Discussion autour de l’ ´etat de l’art . . . 83
7 Conclusion . . . 84
4 Identification des nœuds par seuillage it ´eratif 85 1 Introduction . . . 86
2 Processus de seuillage it ´eratif . . . 87
2.1 Analyse des images TRI . . . 87
2.2 Strat ´egies de seuillage . . . 88
2.3 Processus du seuillage it ´eratif . . . 89
2.4 Traitements d’images compl ´ementaires . . . 92
2.4.1 Morphologie math ´ematique . . . 92
2.4.2 D ´etection de contours . . . 93
2.4.3 Reconstruction par morphologie math ´ematique et labelli- sation . . . 93
2.4.4 Suppression des couronnes p ´eriph ´eriques . . . 94
2.5 Exemple d’application . . . 96
3 Etude comparatives d’algorithmes de seuillages . . . 98
3.1 Description des algorithmes de seuillage utilis ´es . . . 99
3.1.1 Forme de l’histogramme : Choix du seuil par diff ´erence d’enveloppe convexe . . . 99
SOMMAIRE xv
3.1.2 Classification non supervis ´ee : Maximisation de la va-
riance inter-classe . . . 100
3.1.3 Entropie : Maximisationa posteriori . . . 101
3.1.4 Pr ´eservation d’attribut : Conservation des moments sta- tistiques . . . 101
3.1.5 Spatiale : Ensembles al ´eatoires . . . 102
3.1.6 Locale : Caract ´erisation du contraste . . . 103
3.2 Processus d’ ´evaluation . . . 104
3.2.1 Description g ´en ´erale . . . 104
3.2.2 Pr ´ecisions sur la cr ´eation d’images de synth `eses . . . 104
3.2.3 M ´etrique d’ ´evaluation . . . 106
3.3 Pr ´esentation et analyse des r ´esultats . . . 108
4 Perspectives . . . 111
4.1 Compl ´ementarit ´e approche locale et globale . . . 111
4.2 Classification par attributs fr ´equentiels des r ´esultats de seuillage it ´eratif . . . 113
5 Conclusion . . . 115
5 Synth `ese spatiale d’informations temporelles 117 1 Introduction . . . 118
2 Probl ´ematiques de la cartographie fr ´equentielle . . . 119
2.1 M ´ethodes d’analyse spectrale usuelles . . . 120
2.2 Limites des approches usuelles . . . 121
2.2.1 Limites de la recherche de maximum dans le domaine de Fourier . . . 121
2.2.2 Cas de l’autocorr ´elation . . . 122
2.2.3 Intervalle inter-pics . . . 123
xvi SOMMAIRE
3 Estimation dans le contexte de fr ´equences connues . . . 124
4 Cas de l’absence totale d’information . . . 126
4.1 Rappel sur les ondelettes . . . 126
4.2 Description du processus de traitement . . . 129
5 Analyse d’acquisitions par cartographie s ´equentielle . . . 131
5.1 Protocole de d ´etermination automatique de la fr ´equence . . . 131
5.2 Pr ´esentation du cas d’ ´etude . . . 132
5.3 Identification des sources . . . 132
5.4 R ´esultats d’estimation de fr ´equences . . . 134
5.4.1 Acquisition A . . . 134
5.4.2 Acquisition B . . . 136
5.5 Comparaison de base de donn ´ees . . . 139
6 Perspectives . . . 140
6.1 R ´eduction de dimension et classification des spectres . . . 140
6.2 Analyse par pixel . . . 143
7 Conclusion . . . 146
6 Statistique exploratoire en ´emission de lumi `ere 149 1 Introduction . . . 150
2 Choix d’un algorithmes de classification en TRI . . . 152
2.1 G ´en ´eralit ´es sur la classification . . . 152
2.2 Comparatif des types de m ´ethodes . . . 153
2.2.1 Pr ´esentation des classes d’algorithmes . . . 153
2.2.2 R ´eflexion par rapport aux donn ´ees TRI . . . 154
3 Density Based Clustering for Applications with Noise - DBSCAN . . . 155
3.1 D ´efinitions . . . 157
SOMMAIRE xvii
3.2 Fonctionnement de l’algorithme DBSCAN . . . 158
3.3 Variantes de DBSCAN et autres algorithmes de classification par densit ´e . . . 160
4 Application en TRI et ´etude de classes pour l’analyse de VLSI . . . 161
4.1 Description du processus . . . 162
4.2 Cas d’ ´etudes et isolation des groupes de photons li ´es au d ´efaut . . 164
4.2.1 Cas `a haute densit ´e de signal . . . 165
4.2.2 Cas `a faible densit ´e de signal . . . 173
4.3 Discussion . . . 177
4.3.1 Etape de pr ´eclassement adaptatif . . . 177´
4.3.2 Pr ´eclassement adaptatif et densit ´e de bruit variable . . . . 180
4.3.3 Choix des param `etres . . . 181
5 Appariement de classes pour l’analyse logique de VLSI en TRI . . . 183
5.1 D ´efinition du probl `eme . . . 183
5.2 Description du processus d’appariement . . . 184
5.3 Application `a l’analyse de circuits . . . 187
5.3.1 Pr ´esentation . . . 187
5.3.2 R ´esultats d’applications . . . 189
5.3.3 Discussion . . . 194
6 Conclusion . . . 195
Conclusion et perspectives 199
Production scientifique 205
Bibliographie 207
Table des figures 219
xviii SOMMAIRE
Liste des tables 225
A Algorithme de seuillage it ´eratif 227
I NTRODUCTION
Les circuits micro ´electroniques `a tr `es haute int ´egration (VLSI - Very Large Scale Integra- tion et ULSI - Ultra Large Scale Integration) occupent un r ˆole central dans le monde mo- derne. Les v ´ehicules spatiaux comme les satellites ou sondes, ainsi que les instruments qu’ils embarquent, ne font pas exception `a cet ´etat de fait. Le co ˆut de tels syst `emes est complexe `a chiffrer puisqu’en plus d’inclure le d ´eveloppement du v ´ehicule, il faut
´egalement prendre en consid ´eration les ´el ´ements p ´eriph ´eriques tels que le lanceur et les infrastructures au sol. `A terme, le bilan financier est extr ˆemement ´elev ´e. Une panne, suivant son niveau de criticit ´e, peut s’av ´erer d ´esastreuse pour le bon fonctionnement de l’engin et compromettre sa mission. La fiabilit ´e des composants ´electroniques est donc un enjeu majeur dans ce type d’application.
La qualification d’un composant pour une application spatiale implique son utilisation pour une, voir quelques, dizaine(s) d’ann ´ees. L’objectif est d’utiliser un composant dont les capacit ´es sont ´eprouv ´ees dans un environnement tel que l’espace, afin de mi- nimiser le risque de d ´efaillance. D’un autre cot ´e, l’industrie micro ´electronique est en perp ´etuelle ´evolution technologique. Il s’agit de r ´epondre `a une demande toujours ac- crue en int ´egration de transistors par unit ´e de surface pour am ´eliorer les ressources fonctionnelles du circuit. Il existe donc un certain d ´ecalage entre les technologies pro- pos ´ees pour des applications grand public et celles utilis ´ees dans le spatial. N ´eanmoins, les missions spatiales requi `erent toujours une plus grande charge utile tout en minimisant son impact sur la masse ou le volume de l’engin. Il y a donc une int ´egration progressive de composants de technologies avanc ´ees dans des applications spatiales.
Les VLSI de technologies fortement submicroniques, c’est `a dire constitu ´es de transistors MOS (Metal/Oxide/Semi-Conducteur) dont la largeur de grille est inf ´erieure `a la centaine de nanom `etres, pr ´esentent une architecture complexe. L’augmentation des nombres de transistors et de couches de mat ´eriaux n’en est qu’un exemple parmi d’autres. La puce sur laquelle est grav ´e le circuit poss `ede g ´en ´eralement une surface allant de quelques millim `etres carr ´es `a plusieurs centaines de millim `etres carr ´es. Au vu des dimensions de
1
2 SOMMAIRE
celle-ci et des ´el ´ements qui la constituent, dans le cas o `u un circuit s’av `ere d ´efaillant, il apparaˆıt que l’ ´etape de la localisation du d ´efaut peut ˆetre la plus compliqu ´ee du processus d’analyse de d ´efaillance.
L’ ´emission de lumi `ere dynamique est une des techniques de localisation et de ca- ract ´erisation de d ´efaut adapt ´ees `a ces technologies. Elle est fond ´ee sur l’exploitation des photons ´emis lors d’une commutation d’une structure CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor). De part son principe physique, le signal optique g ´en ´er ´e par ce ph ´enom `ene est variable en temps et en espace, car li ´e au signal ´electrique transitant dans la structure. Il permet donc de d ´eduire l’activit ´e ´electrique d’une portion du circuit, celle-ci ´etant d ´efinie par la zone d’acquisition.
Les progr `es d’int ´egration entraˆınent un plus grand nombre de structures CMOS au sein de la r ´egion d’acquisition. De m ˆeme, une bonne couverture des fonctionnalit ´es offertes par le circuit requiert des s ´equences de test plus longues et complexes. Ces deux ph ´enom `enes engendrent un plus grand volume de donn ´ees `a investiguer : il y a une mul- tiplication du nombre de nœuds (ensemble de structures CMOS) `a ´etudier et les signaux associ ´es `a chacun d’eux sont plus longs et complexes. A ces probl ´ematiques viennent s’ajouter des verrous physiques et technologiques tels que la limite de r ´esolution optique ou de faibles rapports signal sur bruit. Ces derniers ´el ´ements augmentent l’incertitude sur l’observation.
Depuis les premiers d ´eveloppement de l’ ´emission de lumi `ere dynamique, l’effort a ´et ´e port ´e sur une am ´elioration de l’instrumentation. Si celui-ci a permis de diminuer l’im- pact des facteurs sus-mentionn ´es sur la qualit ´e des acquisitions, la question de la quan- tit ´e et de la complexit ´e des observations n’en reste pas moins toujours pr ´esente. Il est alors l ´egitime de se demander si des traitements post-acquisitions des signaux optiques g ´en ´er ´es par ´emission de lumi `ere dynamique constituent une r ´eponse pertinente `a ces diff ´erentes probl ´ematiques. La r ´eponse `a cette interrogation est essentielle afin de pou- voir am ´eliorer et faciliter les diagnostics formul ´es `a partir de cette technique sur ces cir- cuits de technologies avanc ´ees.
Les travaux pr ´esent ´es dans ce manuscrit de th `ese visent `a adresser ces probl ´ematiques.
Ils r ´esultent d’une collaboration scientifique, technique et financi `ere entre le CNES (Centre National d’ ´Etudes Spatiales), le Le2i UMR CNRS 6306 (Laboratoire ´electronique, informatique et image, sous tutelle de l’Universit ´e de Bourgogne) et le conseil r ´egional de
SOMMAIRE 3
Bourgogne. L’objectif est d’ ´etudier, d ´evelopper et proposer des solutions bas ´ees sur les outils du traitement du signal applicables `a l’ ´emission de lumi `ere dynamique, en vue d’ex- traire des informations pertinentes pour l’expert en analyse de d ´efaillances des circuits int ´egr ´es.
Cette t ˆache requiert une double comp ´etence. En effet, il s’agit `a la fois d’avoir une bonne compr ´ehension du domaine d’application, et plus particuli `erement de la technique de l’ ´emission de photons dynamique, pour d ´efinir des solutions adapt ´ees, mais ´egalement d’avoir une vue globale du traitement du signal. Cette n ´ecessit ´e d’appr ´ehension du contexte applicatif s’est traduit par la r ´ealisation d’acquisitions sur des circuits de na- tures diff ´erentes `a l’aide du syst `eme TriPHEMOS disponible au CNES. Celles-ci ont ´et ´e n ´ecessaires pour l’application et la validation des traitements propos ´es au cours de ces recherches.
Dans ce m ´emoire, nous pouvons distinguer deux parties :
– La premi `ere, des chapitres 1 `a 3, s’attache `a introduire le lecteur au contexte d’ ´etude et lui pr ´esenter les solutions rencontr ´ees dans la litt ´erature.
– La seconde, des chapitres 4 `a 6, pr ´esente les ´etudes des diff ´erentes solutions d ´evelopp ´ees pendant ces recherches.
Le premier chapitre a pour ambition de situer l’ ´emission de lumi `ere dynamique dans le processus d’analyse des circuits int ´egr ´es. La localisation de d ´efaut est une des ´etapes de ce processus et il existe un certain nombre d’outils compl ´ementaires `a celle-ci. Les prin- cipes physiques sur lesquels reposent l’ ´emission de photons dans le silicium, mat ´eriau de base de l’ ´electronique moderne, sont aussi pr ´esent ´es. Nous verrons de plus qu’il existe une certaine vari ´et ´e de sources d’ ´emission parmi les structures `a base de silicium. Cette
´etude est justifi ´ee par la nature mixte des circuits rencontr ´es `a l’heure actuelle.
Le second chapitre est d ´edi ´e `a l’ ´emission de lumi `ere dynamique et `a son instrumen- tation. Les principes physiques ´etant pr ´esent ´es dans le chapitre pr ´ec ´edent, l’origine de l’ ´emission sur la commutation d’une structure CMOS, fondement de cette tech- nique d’analyse des VLSI, peut ˆetre d ´etaill ´ee. Nous pr ´esentons ensuite les diff ´erents syst `emes d’acquisition fr ´equemment rencontr ´es, dont celui utilis ´e pour l’int ´egralit ´e des travaux rapport ´es dans ce manuscrit. Une connaissance de l’instrumentation, et plus par- ticuli `erement des capteurs utilis ´es, permet d’expliciter les diff ´erents verrous physiques et technologiques rencontr ´es en ´emission de lumi `ere dynamique.
4 SOMMAIRE
Le troisi `eme chapitre propose une ´etude bibliographique des solutions rencontr ´ees dans la litt ´erature scientifique et technique pour l’analyse des signaux acquis en ´emission de lumi `ere. A partir de cette ´etude et d’une r ´eflexion autour des diff ´erentes strat ´egies de trai- tement possibles, nous d ´efinissons les approches sur lesquelles les ´etudes des chapitres suivants sont fond ´ees. Ainsi ce sont deux approches distinctes qui sont d ´evelopp ´ees.
La premi `ere repose sur un traitement s ´equentiel bas ´e sur des projections des donn ´ees.
Plus pr ´ecis ´ement, il s’agit d’un traitement d’abord purement spatial avant de proc ´eder
`a un traitement temporel. La seconde approche vise `a utiliser des outils de statistique exploratoire pour identifier directement dans un espace 3D les groupes de photons po- tentiellement li ´es au d ´efaut. Il est important de souligner que ces deux approches ne doivent pas ˆetre plac ´ees en concurrence. La premi `ere vise `a r ´ealiser une synth `ese spa- tiale d’un param `etre ´evoluant en fonction du temps, `a partir de l’information lumineuse.
La seconde cherche `a estimer o `u et quand le composant a pr ´esent ´e un comportement singulier en ´emission de lumi `ere.
Le quatri `eme chapitre pr ´esente l’analyse spatiale des donn ´ees acquises en ´emission de lumi `ere dynamique. L’objectif est d’arriver `a identifier l’int ´egralit ´e des sources de pho- tons, malgr ´e leur nombre ou diff ´erence d’intensit ´e. L’approche propos ´ee se base sur un seuillage appliqu ´e de fac¸on it ´erative. Ce chapitre incorpore aussi une ´etude comparative de diff ´erents algorithmes r ´ealis ´ee dans l’optique de trouver une m ´ethode de d ´efinition automatique du seuil adapt ´ee `a cette application.
Le cinqui `eme chapitre aborde la probl ´ematique de l’extraction d’un param `etre qui est fonction du temps pour en ´etablir la cartographie. L’ ´etude se concentre sur la d ´etermination automatique de la fr ´equence du signal optique associ ´e `a chacune des sources identifi ´ees par l’analyse spatiale. Plusieurs m ´ethodes sont propos ´ees et sont `a consid ´erer en fonction du contexte d’application et de la quantit ´e de connaissances a priori.
Le sixi `eme chapitre se focalise sur l’approche de statistique exploratoire appliqu ´ee `a la repr ´esentation tri-dimensionnelle des donn ´ees de l’ ´emission de lumi `ere dynamique. La classification non supervis ´ee y joue un r ˆole central pour identifier les groupes de pho- tons correspondant `a la commutation d’un nœud. Une fois cette t ˆache accomplie, il est possible d’arriver `a identifier les nœuds et instants o `u le composant pr ´esente un compor- tement anormal, soit par analyse des propri ´et ´es de dispersion des groupes ou classes,
SOMMAIRE 5
soit par comparaison de bases de donn ´ees.
A la fin de ce manuscrit, une synth `ese et un bilan de l’ensemble des d ´eveloppements r ´ealis ´es dans le cadre de cette th `ese sont disponibles dans un chapitre de conclusion.
Quelques perspectives, fruits des observations formul ´ees au court de ces ´etudes, ter- minent ce m ´emoire.
1
E ´ LECTROLUMINESCENCE POUR L ’ ANALYSE DE VLSI
Sommaire
1 Introduction . . . . 8 2 Analyse de d ´efaillances et localisation de d ´efauts . . . . 10 2.1 Description du processus g ´en ´eral . . . . 10 2.2 Terminologie du test ´electrique . . . . 11 2.3 La localisation/caract ´erisation de d ´efauts sans contact . . . . 12 3 Pr ´ecisions sur les techniques optiques . . . . 14 3.1 L’analyse par face-arri `ere . . . . 14 3.2 Microscopie infrarouge . . . . 17 3.3 Les techniques laser . . . . 18 3.3.1 Mode pompe . . . . 19 3.3.2 Mode sonde . . . . 19 3.4 Emission de photons . . . .´ 21 4 M ´ecanismes de photon- ´emission dans le silicium . . . . 22 4.1 Recombinaisons ´electrons/trous ou recombinaison inter-bandes 22 4.2 G ´en ´eration de photons par porteurs chauds . . . . 24 5 Electroluminescence en fonctionnement statique . . . .´ 25 5.1 Jonctionpn . . . . 25 5.2 Transistor bipolaire . . . . 26 5.3 MOSFET . . . . 26 5.3.1 Emission en saturation . . . . 26 5.3.2 Fuite `a l’oxyde de grille . . . . 27
7
8 CHAPITRE 1. ´ELECTROLUMINESCENCE POUR L’ANALYSE DE VLSI
5.4 Thyristor parasite ou latch-up . . . . 28 5.5 Consid ´erations spectrales . . . . 29 5.6 Cas des VLSI fortement submicroniques . . . . 30 5.6.1 Impact de l’analyse par face arri `ere . . . . 30 5.6.2 Impact spectral . . . . 31 6 Conclusion . . . . 32
1/ I
NTRODUCTIONL’industrie du semi-conducteur s’est b ˆatie autour de l’objectif d’une int ´egration toujours plus importante. La r ´eduction des dimensions des transistors MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor), briques ´el ´ementaires de l’ ´electronique num ´erique moderne, a donn ´e lieu `a une ´evolution de l’architecture des composants, aussi bien au niveau nanom ´etrique que macroscopique. Ainsi, `a l’ ´echelle du transistor, une couche d’oxyde de silicium a ´et ´e ins ´er ´ee entre les caissons et le puits (SOI - Silicon on Insu- lator), l’isolant de grille classique a ´et ´e remplac ´e par des mat ´eriaux `a forte constante di ´electrique et on trouve des mat ´eriaux `a faible constante di ´electrique au niveau des in- terconnexions [1, 2, 3]. A l’heure actuelle, plusieurs composants ULSI (Ultra-Large Scale Integration) `a base de transistors FinFET (Fin-Shaped Field Effect Transistor) [4] sont disponibles pour des applications grand public. L’int ´egration n’est plus seulement pla- naire mais aussi tri-dimensionnelle. Au niveau du conditionnement de la puce au sein du boˆıtier, l’introduction sur le march ´e de package dit flip-chip ou C4 a constitu ´e une certaine r ´evolution, notamment dans le monde de l’analyse des circuits int ´egr ´es (CI), puisque la puce est retourn ´ee par rapport au boˆıtier, ce qui n’ ´etait pas le cas pr ´ec ´edemment. La technologie dite “stacked-die”, o `u plusieurs puces sont superpos ´ees afin de gagner en performance et encombrement, repr ´esente aussi un type de composant qui n ´ecessite une approche diff ´erente de celles mises en œuvre sur des composants `a une seule puce.
Ces quelques exemples illustrent la diversit ´e des technologies que peut rencontrer un la- boratoire d’analyse de d ´efaillance. En contrepartie des gains de performance, les circuits int ´egr ´es se sont donc ´enorm ´ement complexifi ´es. Cela n’est pas sans cons ´equence pour l’expert en analyse de fiabilit ´e :
− Le nombre de transistors par unit ´e de surface est plus ´elev ´e. Il y a donc un plus grand
1. INTRODUCTION 9
nombre de candidats aux d ´efauts sur un circuit de technologie avanc ´ee que sur un circuit moins ´evolu ´e.
− Le nombre de couches est plus ´elev ´e. Encore une fois, cela implique un plus grand nombre de candidats `a la d ´efaillance.
− Les dimensions des ´el ´ements sont plus faibles. En cons ´equence, un d ´efaut de tr `es petites dimensions a plus de chances d’ ˆetre critique pour le fonctionnement du circuit.
− L’introduction de nouveaux mat ´eriaux, aux propri ´et ´es moins connues, am `ene de nou- veaux modes de d ´efaillances.
− Le d ´eveloppement de packages comme le flip-chip a rendu impossible l’analyse par face avant et a n ´ecessit ´e des m ´ethodes d’analyse par face arri `ere.
Afin d’assurer une capacit ´e d’analyse de ces circuits `a forte int ´egration, soit pour loca- liser et caract ´eriser des d ´efauts, soit pour ´etudier le fonctionnement interne [5], cher- cheurs et ing ´enieurs ne cessent de mettre au point de nouveaux outils. C’est dans ce contexte qu’ont ´et ´e d ´evelopp ´ees des techniques pour la localisation de d ´efauts telles que l’ ´emission de lumi `ere dynamique, principal sujet de ce manuscrit.
L’objectif de ce chapitre est de donner des ´el ´ements permettant de comprendre l’ana- lyse de circuits int ´egr ´es par ´emission de lumi `ere dynamique. Nous commencerons par la situer dans le processus g ´en ´eral d’analyse de d ´efaillance et ainsi donner quelques terminologies propres `a ce domaine. Une attention particuli `ere sera port ´ee aux tech- niques optiques proche infrarouge. Une fois ces ´el ´ements pr ´esent ´es, nous rentrerons plus pr ´ecis ´ement dans les ph ´enom `enes physiques responsables de l’ ´emission de pho- tons dans le silicium. Nous verrons aussi diff ´erentes structures `a base de silicium sus- ceptibles d’ ´emettre de la lumi `ere dans un CI. L’int ´egration croissante am `ene la possibilit ´e de rencontrer diff ´erentes structures dans une zone d’acquisition en ´emission de lumi `ere dynamique. Bien que dans la majeure partie du manuscrit, toute l’attention sera port ´ee sur des transistors MOSFET en technologie classique (sur “bulk”), les autres structures responsables d’ ´emission seront ainsi pr ´esent ´ees. Ce chapitre se terminera sur quelques
´el ´ements relatifs `a l’ ´electroluminescence dans le cas de circuits fortement submicro- niques.
10 CHAPITRE 1. ´ELECTROLUMINESCENCE POUR L’ANALYSE DE VLSI
2/ A
NALYSE DE DEFAILLANCES ET LOCALISATION DE D´
EFAUTS´
2.1/ DESCRIPTION DU PROCESSUS GEN´ ERAL´
CLK
DUT Testeur
Signal pin 250
Diagnostic Electrique
Localisation de défauts
Analyse Physique
FIGURE1.1 – Processus global d’analyse de d ´efaillances des circuits int ´egr ´es. L’image d’illustration de l’analyse physique est extraite de [6].
De fac¸on simplifi ´ee, le processus d’analyse de d ´efaillances comporte trois ´etapes :
− Le diagnostic (ou test) ´electrique. On ´etudie la r ´eponse du circuit face `a diff ´erents stimuli ´electriques. Un int ´er ˆet particulier est apport ´e aux signaux et conditions fai- sant entrer le composant en d ´efaillance. La r ´eponse du circuit est compar ´ee `a une sp ´ecification th ´eorique.
− La localisation/caract ´erisation de d ´efauts. L’objectif est de d ´efinir une zone candi- date o `u r ´ealiser l’analyse physique. Celle-ci doit ˆetre la plus petite possible. Par ca- ract ´erisation est entendue la manifestation du d ´efaut. Autrement dit, il s’agit de son impact local sur . Cela peut, par exemple, se traduire par champ ´electrique localement excessif ou alors un retard dans la propagation d’un signal.
− L’analyse physique. On vient inspecter la zone d ´efinie lors de la localisation de d ´efauts avec un outil de tr `es grande pr ´ecision, comme un microscope ´electronique `a balayage (MEB) ou `a force atomique (AFM).
La FIGURE1.1 pr ´esente une illustration du processus. Ce sch ´ema n’est fourni qu’ `a titre indicatif et ne r ´esulte d’aucune analyse r ´eelle. Celui-ci apparaˆıt comme s ´equentiel et chaque ´etape conditionne la suivante. Ainsi, la r ´eponse du test ´electrique va conditionner le choix de la technique `a utiliser pour la localisation de d ´efaut et celle-ci va permettre de d ´eduire o `u inspecter plus pr ´ecis ´ement ( ´echelle de l’ordre du microm `etre ou de la dizaine de nanom `etre suivant la technologie). Comme l’objectif de la localisation de d ´efauts est de d ´elimiter une zone d’int ´er ˆet pour trouver un d ´efaut de tr `es faibles dimensions sur une
2. ANALYSE DE D ´EFAILLANCES ET LOCALISATION DE D ´EFAUTS 11
puce dont la largeur et la longueur sont de l’ordre du centim `etre, il apparaˆıt clairement que cette t ˆache peut ˆetre la plus difficile du processus. Le choix de l’outil appropri ´e est primordial et une bonne compr ´ehension des interactions mises en jeu suivant l’outil est n ´ecessaire.
Avant de pr ´esenter plus pr ´ecis ´ement les outils de la localisation/caract ´erisation de d ´efauts, nous allons pr ´eciser quelques termes li ´es au test ´electrique. ´Etant donn ´e l’emploi intensif de termes anglo-saxons par la communaut ´e, seront donn ´es `a chaque emploi, une traduction la plus pr ´ecise possible et le terme correspondant en anglais. L’analyse phy- sique n’est pas d ´etaill ´ee dans ce manuscrit pour ´eviter des informations non n ´ecessaires
`a la compr ´ehension du contexte d’utilisation de l’ ´emission de lumi `ere dynamique.
2.2/ TERMINOLOGIE DU TESTELECTRIQUE´
L’objectif du test ´electrique est de v ´erifier si le circuit sous test remplit l’int ´egralit ´e des fonctions qui lui sont demand ´ees. Si c’est le cas, le composant est d ´eclar ´e fonctionnel (pass), sinon il y a d ´efaillance (fail). La s ´equence de test peut ˆetre exhaustive, auquel cas toutes les fonctions du circuit sont test ´ees, ou n’offrir qu’une couverture partielle et se limiter `a l’application pour laquelle le composant est pr ´evu. Avec un nombre de pattes et de fonctions embarqu ´ees toujours plus important, le test ´electrique de l’int ´egralit ´e d’un circuit int ´egr ´e requiert des ´equipements automatis ´es de plus en plus sophistiqu ´es.
Deux modes de test principaux se distinguent :
− Le modestatique, dans lequel les entr ´ees du composant sont fig ´ees `a des niveaux de tensions fixes au cours du temps.
− Le mode ditdynamique: les entr ´ees ne sont pas forc ´ement constantes.
− Il existe une alternative, le mode dit pseudo-statique ou pseudo-dynamique o `u les entr ´ees, hormis les signaux d’horloges, restent constantes au cours du temps.
La variation des conditions de fonctionnement du circuit est un autre point important du test ´electrique. Ainsi on parlera de d ´efaut franc ou hard defect si celui-ci entraˆıne une d ´efaillance du composant de fac¸on ind ´ependante des facteurs de fonctionnement, comme par exemple la fr ´equence, la temp ´erature ou les tensions d’alimentation. Si ceux- ci influent sur la r ´eussite au test, on parle alors ded ´efauts ambigusousoft defect. L’outil de synth `ese pour les d ´efauts ambigus est le diagramme de Shmoo dont un exemple est
12 CHAPITRE 1. ´ELECTROLUMINESCENCE POUR L’ANALYSE DE VLSI
FIGURE 1.2 – Exemple de diagramme de Shmoo o `u l’effet des variations de tensions d’alimentation et de p ´eriodes du signal est ´etudi ´e [7].
disponible en FIGURE1.2. Sur ce type de diagramme, deux param `etres varient, ici la ten- sion d’alimentationVddet la p ´eriode du signal d’horloge. Les couples(Vdd, p ´eriode)pour lesquels le composant est fonctionnel sont marqu ´es par un carr ´e vert alors qu’un carr ´e rouge indique les valeurs pour lesquelles il y a d ´efaillance. Ces r ´esultats sont `a comparer aux sp ´ecifications du composant fournies par le fabricant pour statuer s’il y a r ´eellement un probl `eme et ´evaluer la n ´ecessit ´e de r ´ealiser des investigations plus pouss ´ees.
En termes de param `etres ´etudi ´es lors du test ´electrique, ce ne sont pas seulement les
´etats logiques des sorties qui sont analys ´es mais aussi les instants et dur ´ees de tran- sition, temps de propagation, les possibles court-circuits entre les entr ´ees/sorties, les consommations de courant au repos (IDDQ) etc [8]. Une fois ces r ´esultats ´etablis, l’ana- lyste poss `ede d ´ej `a certaines connaissances sur la manifestation du d ´efaut et peut choisir un outila priori adapt ´e pour la localisation.
2.3/ LA LOCALISATION/CARACTERISATION DE D´ EFAUTS SANS CONTACT´
Comme nous l’avons vu pr ´ec ´edemment, la localisation est l’ ´etape la plus d ´elicate du processus d’analyse de d ´efaillance. Au fur et `a mesure des diff ´erentes ´evolutions des CIs, de nouvelles m ´ethodes ont ´et ´e d ´evelopp ´ees afin d’assurer une capacit ´e d’analyse en d ´epit du nombre croissant de couches et de transistors. Il existe aujourd’hui un large
´eventail d’outils dont le choix est conditionn ´e par les r ´esultats du test ´electrique. En dres- ser une liste exhaustive sortirait du cadre de ce manuscrit. Rappelons simplement qu’une
2. ANALYSE DE D ´EFAILLANCES ET LOCALISATION DE D ´EFAUTS 13
premi `ere distinction se fait entre les techniques n ´ecessitant un contact (type sondes m ´ecaniques ou `a nanopointe) et celles qui n’en requi `erent pas. Les secondes pr ´esentent l’avantage d’ ˆetre plus simples `a mettre en œuvre.
Les techniques sans contact peuvent ˆetre class ´ees en fonction du mode de d ´etection utilis ´e :
− Optique - Proche IR. Ces techniques sont bas ´ees sur l’exploitation des interactions au sein du triplet lumi `ere/champ ´electrique/semi-conducteur. On trouve principalement deux grandes familles, les m ´ethodes utilisant un faisceau laser dans le proche infra- rouge et celles o `u l’ ´emission spontan ´ee de photons est ´etudi ´ee. ´Etant donn ´e que l’ ´emission de lumi `ere dynamique appartient `a cette classe, plus de d ´etails sur cette famille sont donn ´es dans la sous-section suivante.
− Magn ´etique. Le d ´eplacement de charges ´electriques induisant un champ magn ´etique, il est naturel de chercher `a observer le chemin emprunt ´e par le courant `a l’aide de magn ´etom `etres tels que les capteurs SQUID (Super Quantum Inductive Device) ou magn ´eto-r ´esistifs. En termes d’applications, il est possible de d ´etecter les courts- circuits au niveau des alimentations, d’analyser des courants de fuite ou encore d’ ´etudier des circuits ouverts (opens) fortement r ´esistifs [9]. Les techniques comme la r ´eflectom ´etrie spatiale (Space Domain Reflectometry) [10] appartiennent `a cette fa- mille.
− Thermique. Une surconsommation de courant est un exemple de cons ´equence fr ´equente d’un d ´efaut. Plus l’intensit ´e du courant est ´elev ´ee, plus la puissance dis- sip ´ee par effet Joule est importante (on rappelle qu’il y a un lien quadratique entre l’intensit ´e du courant et la puissance dissip ´ee). Il y a alors un accroissement local de la temp ´erature et la recherche de ces points chauds permet de d ´efinir des lieux po- tentiellement li ´es au d ´efaut. Si la thermographie infrarouge ”classique” constitue un choix ´evident au premier abord, l’utilisation de cristaux liquides ou plus r ´ecemment de fluorophores permet une localisation avec une meilleure r ´esolution spatiale [11, 12].
A l’heure actuelle, les meilleures r ´esolutions thermiques sont atteintes par thermo- graphie `a d ´etection synchrone (Lock-in thermography) [13]. Cette technique pr ´esente aussi l’avantage de permettre une acquisition d’images du circuit (image de pattern), chose impossible lorsqu’il y a ajout de mat ´eriaux thermo-sensibles comme les cristaux liquides sur la surface de la puce.
− Faisceau d’ ´electrons. Le principe du microscope ´electronique `a balayage (MEB ou
14 CHAPITRE 1. ´ELECTROLUMINESCENCE POUR L’ANALYSE DE VLSI
SEM - Scanning Electron Microscope) est d’utiliser une sonde constitu ´ee d’ ´electrons afin de balayer un ´echantillon et d’imager les variations du spectre d’ ´emission des
´electrons dits secondaires g ´en ´er ´es par la sonde. Une variation dynamique du poten- tiel ´electrique va influer sur l’intensit ´e moyenne de ce signal et par cons ´equent, cette sonde ´electronique devient un vecteur capable de transporter l’information du poten- tiel ´electrique en fonction du temps. On retiendra deux modes principaux d’utilisation.
Le premier est le mode image, o `u une cartographie spatiale du potentiel ´electrique est r ´ealis ´ee, c’est l’imagerie `a contraste de potentiel (Voltage Contrast Imaging). Le second est le mode sonde, l’acquisition est faite en un nœud du circuit, de la m ˆeme fac¸on qu’une sonde m ´ecanique d’oscilloscope le fait `a l’ ´echelle macroscopique. On parle alors de sonde `a faisceau d’ ´electrons (e-beam probing/testing) [14].
Cette richesse d’outils d’analyse est la cons ´equence de la vari ´et ´e des ph ´enom `enes phy- siques par lesquels peuvent se manifester les d ´efauts, mais aussi de la diversit ´e des circuits que peut ˆetre amen ´e `a analyser un laboratoire. Ainsi, par exemple, les tech- niques de sondage (probing) par faisceau d’ ´electrons requi `erent un acc `es aux couches de m ´etallisation, op ´eration d ´elicate et complexe sur les circuits modernes o `u leur nombre est ´elev ´e (de l’ordre de la dizaine). Cet outil n’est donc pas forc ´ement adapt ´e `a ces com- posants. La r ´esolution spatiale est un autre exemple de crit `ere de choix important. Par exemple, bas ´ee sur l’utilisation de signaux radiofr ´equences (grandes longueurs d’onde), la r ´eflectom ´etrie spatiale ne permet pas d’obtenir la m ˆeme r ´esolution que la thermogra- phie par fluorescence. En d ´efinitive, il est courant de ne pas se restreindre `a un seul outil et de confirmer un diagnostique `a l’aide d’analyses compl ´ementaires.
3/ P
RECISIONS SUR LES TECHNIQUES OPTIQUES´
3.1/ L’ANALYSE PAR FACE-ARRIERE`
La multiplication du nombre de couches de m ´etallisation a rendu d ´elicate l’analyse par m ´ethodes optiques par face avant : les lignes de m ´etal cachent le silicium. Par face avant, est entendu le cot ´e de la tranche de silicium o `u se situent les puits et jonctions entre m ´etallisations ou polysilicium et semi-conducteur. La face arri `ere d ´esigne la face du cot ´e du substrat.
3. PR ´ECISIONS SUR LES TECHNIQUES OPTIQUES 15
En marge de cette multiplication, les contraintes de dissipation thermique ont entraˆın ´e le d ´eveloppement de nouveaux types de conditionnement de la puce au sein du boˆıtier, comme le package Flip Chip. Tous ces ´el ´ements ont particip ´e `a l’essor de m ´ethodes d’analyse capables d’op ´erer en face arri `ere. Une vue en coupe sch ´ematis ´ee d’un pa- ckage flip-chip est disponible en FIGURE 1.3. Par rapport au boˆıtier, les m ´etallisations sont en bas du composant, afin de faciliter la mise en œuvre de la connexion entre le circuit et les pattes (pin) `a l’ext ´erieur du boˆıtier via des billes de soudure (ou autre).
FIGURE1.3 – Sch ´ema d’une vue en coupe d’un composant Flip-Chip. Image extraite de [15].
Au vue de la FIGURE 1.3, il est ´evident que l’acc `es aux diff ´erents signaux `a l’int ´erieur du composant par les m ´etallisations devient difficile `a mettre en œuvre avec ce type de boˆıtier. Si l’on souhaite avoir une connaissance de l’activit ´e ´electrique interne du circuit, il convient d’exploiter des m ´edias qui arrivent `a passer au travers du substrat en silicium sur lequel repose l’int ´egralit ´e des transistors. Les travaux de Soref et Bennett en 1987 ont montr ´e qu’il existe un petit intervalle de longueurs d’onde dans le proche infrarouge pour lequel le silicium dop ´e est moins absorbant [16]. Leurs r ´esultats ont ´et ´e report ´es en FIGURE1.4. On note que les auteurs ont choisi de pr ´esenter l’absorption en fonction de l’ ´energie des photons eneV, et non directement en fonction des longueurs d’ondes. On rappelle le lien entre longueur d’onde et ´energie :
λ= hc
E, (1.1)
o `uλest la longueur d’onde,h la constante de Plank avech ≈ 6,62.10−34J.s,c la c ´el ´erit ´e de la lumi `ere dans le vide avecc≈2,99.108m.s−1 etEl’ ´energie du photon.
16 CHAPITRE 1. ´ELECTROLUMINESCENCE POUR L’ANALYSE DE VLSI
(a) (b)
FIGURE1.4 – Absorption du silicium en fonction de l’ ´energie des photons pour diff ´erents profils de dopage [16]. Cas de type n (a) et de typen (b).
Dans le cas du silicium intrins `eque, aucune ´energie n’est absorb ´ee en dec¸ `a de 1,12 eV, ce qui correspond `a la largeur de la bande interdite ougap. Cette valeur est ´equivalente
`a une longueur d’onde de 1109 nm. D’apr `es les figures 1.4 (a) et 1.4 (b), lorsqu’il y a dopage, l’absorption n’est plus nulle au-del `a du gap. La nature (p ou n) et l’intensit ´e du dopage influent sur le profil d’absorption mais on observe que pour les deux types, quelle que soit la concentration en porteurs libres, il existe un intervalle situ ´e autour du gap (plus pr ´ecis ´ement entre 0.9 eV et 1.2 eV, soit des longueurs d’ondes correspondant `a 1370 nm et 1033 nm) o `u l’absorption est minimis ´ee. On note aussi que plus le dopage est important, plus le minimum semble se d ´eplacer vers une plus haute ´energie, donc une longueur d’onde plus petite.
En r `egle g ´en ´erale, le substrat poss `ede un profil de type p avec des concentrations de porteurs inf ´erieures aux cas les plus extr ˆemes pr ´esent ´es par Soref et Bennett. Il est donc possible pour une onde ´electromagn ´etique de longueur d’onde situ ´ee dans le proche infrarouge (entre 1033 et 1370 nm) de passer au travers du substrat et d’ ˆetre utilis ´ee pour l’analyse par face arri `ere.
3. PR ´ECISIONS SUR LES TECHNIQUES OPTIQUES 17
3.2/ MICROSCOPIE INFRAROUGE
FIGURE1.5 – Sch ´ema de principe de la microscopie confocale. Extrait de [17].
La transparence du substrat au proche infrarouge am `ene une premi `ere m ´ethode d’ins- pection ´evidente : la microscopie infrarouge. Une source lumineuse dont le spectre se situe dans la bande de transparence du silicium vient ´eclairer l’ ´echantillon. Les rayons lumineux sont r ´efl ´echis sur les couches de m ´etallisations et sont int ´egr ´es par un imageur sensible `a ces longueurs d’ondes, comme par exemple, un capteur CCD InGaAs. L’inser- tion d’un st ´enop ´e dans le plan conjugu ´e de l’objectif et du capteur, associ ´ee `a une source lumineuse coh ´erente, am ´eliore `a la fois la r ´esolution spatiale et axiale par rapport `a la microscopie `a champ large.
C’est la microscopie confocale [18, 17]. Un sch ´ema de principe est disponible en FIGURE
1.5. Seuls les rayons lumineux focalis ´es par rapport `a la lentille C peuvent passer au travers du st ´enop ´e A pour atteindre le sp ´ecimen S, situ ´e dans le plan image de C et le plan focal de l’objectif O. Les rayons g et h, qui ne passent pas par le point focal, ne peuvent pas passer au travers du st ´enop ´e B et atteindre le capteur P. Il en r ´esulte une faible profondeur de champ et l’image peut ˆetre interpr ´et ´ee comme une section optique. Dans le cas d’utilisation d’un laser comme source lumineuse, celui-ci vient balayer l’ ´echantillon
`a la mani `ere d’une trame pour le signal vid ´eo composite. On parle alors de microscopie confocale `a balayage laser (MCBL).
Pour illustrer le gain de r ´esolution amen ´e par la MCBL par rapport `a l’ ´eclairage clas- sique, deux images de la m ˆeme sc `ene avec les deux m ´ethodes d’imagerie diff ´erentes sont rapport ´ees en FIGURE1.6. Ces images ont ´et ´e acquises par face arri `ere sur un mi- crocontr ˆoleur de technologie 90 nm avec un grossissement de 50x. Outre une r ´esolution plus fine, on observe aussi un meilleur contraste en MCBL. Le champ de vue n’est pas aussi exactement le m ˆeme pour les deux techniques.
18 CHAPITRE 1. ´ELECTROLUMINESCENCE POUR L’ANALYSE DE VLSI
(a) (b)
FIGURE1.6 – Images de la m ˆeme sc `ene en microscopie infrarouge `a champ large (a) et microscopie confocale `a balayage laser (b).
L’inspection du composant par microscopie infrarouge pour la localisation de d ´efaut a
´et ´e rapport ´ee dans [19]. Le changement des propri ´et ´es optiques locales suite au d ´efaut est exploit ´e pour mettre ce dernier en ´evidence. Toutefois, ´etant donn ´ee la taille des transistors par rapport `a celle du circuit complet, et les r ´esolutions permises par ces techniques de microscopie, la recherche de d ´efauts intervenant au sein de celui-ci par simple visualisation n’est pas envisageable sur des technologies avanc ´ees. L’inspection IR est g ´en ´eralement utilis ´ee pour mettre en ´evidence des d ´efauts au niveau packaging (bonding, encapsulation, etc.) [20, 21].
L’approfondissement des connaissances sur les interactions lumi `ere/semi- conducteur/champ ´electrique a permis de d ´evelopper des techniques plus efficaces pour la localisation de d ´efauts, toujours en se basant sur l’exploitation d’ondes lumineuses situ ´ees dans la bande d’absorption limit ´ee du substrat. Comme mentionn ´e en section 2.3, on distingue deux grandes familles de techniques. D’un c ˆot ´e les techniques qui op `erent `a l’aide d’un laser proche IR et de l’autre les techniques o `u des photons ´emis sous certaines conditions par le circuit sont acquis.
3.3/ LES TECHNIQUES LASER
Lorsqu’une onde monochromatique traverse plusieurs milieux de natures diff ´erentes, trois possibilit ´es peuvent ˆetre consid ´er ´ees du point de vue ´energ ´etique : r ´eflexion aux in-
3. PR ´ECISIONS SUR LES TECHNIQUES OPTIQUES 19
terfaces, transmission ou absorption par un des milieux impliqu ´es. En r `egle g ´en ´erale, il se produit une combinaison des trois. Les techniques laser exploitent ces diff ´erents ph ´enom `enes.
Tout d’abord, le faisceau laser peut ˆetre utilis ´e pour fournir de l’ ´energie au circuit, c’est le mode pompe. Dans un autre cadre d’exploitation, on va chercher `a ˆetre le moins invasif possible en se servant du faisceau laser comme d’un vecteur d’information, `a la mani `ere de la sonde ´electronique pour les techniques par faisceau d’ ´electrons. C’est le mode sonde.
3.3.1/ MODE POMPE
En mode pompe, les candidats aux d ´efauts sont localis ´es par balayage de la zone sus- pecte et la mise en ´evidence d’un nœud anormalement sensible `a la stimulation. Cela se traduit par un changement de r ´esultats au test ´electrique. Le balayage est r ´ealis ´e de la m ˆeme fac¸on qu’en MCBL. L’ ´energie fournie au circuit peut ˆetre de forme photo-
´electrique ou photo-thermique en fonction de la longueur d’onde de travail (typiquement 1064 nm pour l’effet photo- ´electrique et 1340 nm pour le photo-thermique dans le cas du silicium). Les techniques comme OBIC (Optical Beam Induce Current) [22], OBIRCh (Optical Beam Induced Resistance Change) [23], LIVA (Light Induced Voltage Alteration) [24] sont quelques exemples d’outils d’analyse laser en mode pompe.
3.3.2/ MODE SONDE
Lorsque le champ ´electrique varie, deux principaux ph ´enom `enes physiques vont avoir un impact sur les propri ´et ´es optiques du silicium. La pr ´esence d’un fort champ ´electrique modifie la structure de bande du silicium. Des ´electrons occupent par effet tunnel des niveaux d’ ´energie normalement situ ´es dans la bande interdite. Des photons avec des
´energies inf ´erieures au gap peuvent ˆetre absorb ´es par ces ´electrons et leur permettre une transition de la bande de valence vers la bande de conduction. C’est l’ ´electro-absorption ou effet Franz-Keldish [25]. Un deuxi `eme ph ´enom `ene d’interaction laser/semiconducteur est li ´e `a la concentration de porteurs libres ( ´electrons ou trous). Aux bornes d’une jonc- tion pn, un changement de polarisation va induire une injection de porteurs libres. Ceux-ci s’ajoutent `a ceux d ´ej `a pr ´esents en l’absence de polarisation. En cons ´equence, l’absorp-
20 CHAPITRE 1. ´ELECTROLUMINESCENCE POUR L’ANALYSE DE VLSI
FIGURE1.7 – Cartographie fr ´equentielle par sonde laser (EOFM/LVI) [26].
tion d’ ´energie lumineuse par porteurs libres est plus importante lorsqu’il y a polarisation.
Les travaux de Soref et Bennett mentionn ´es en section 2.1 ont montr ´e que sauf en cas de tr `es faible dopage, l’absorption par porteurs libres est largement majoritaire devant l’ ´electro-absorption [16].
Ces deux ph ´enom `enes induisent un changement d’indice d’absorption et de r ´efraction du silicium lorsque le champ ´electrique varie. L’onde laser r ´efl ´echie va donc ˆetre modul ´ee
`a la fois en amplitude et en phase lorsqu’il y a une activit ´e ´electrique. L’acquisition de cette onde r ´efl ´echie via un d ´etecteur photo-sensible type photo-diode permet de d ´eduire l’activit ´e ´electrique au nœud consid ´er ´e, de la m ˆeme mani `ere qu’une sonde m ´ecanique ou ´electronique.
Comme en analyse par faisceau d’ ´electrons, il existe une application de type cartographie et une application de type sonde mono-point. Dans cette derni `ere, des formes d’onde sont extraites. Pour le mode cartographie, on cherche `a synth ´etiser un param `etre de fonctionnement, g ´en ´eralement la fr ´equence. L’image obtenue en sortie de chaˆıne d’ac- quisition est cr ´e ´ee `a partir de l’intensit ´e d’une composante fr ´equentielle d ´etect ´ee par analyseur de spectre ou amplificateur `a d ´etection synchrone [27, 28]. D’autres types d’in- formations peuvent ˆetre cartographi ´es, comme la propagation thermique d’un signal sur
3. PR ´ECISIONS SUR LES TECHNIQUES OPTIQUES 21
une ligne passive [29] ou la phase des signaux `a une fr ´equence donn ´ee [30]. Historique- ment, les premi `eres applications mono-point utilisaient une source laser impulsionnelle [31, 32] mais des difficult ´es de synchronisation pour l’acquisition de longues s ´equences de test ont d ´emocratis ´e l’utilisation de lasers continus [33]. La m ˆeme source est alors utilis ´ee pour la cartographie et la sonde.
La FIGURE 1.7 montre un exemple de cartographie fr ´equentielle r ´ealis ´ee par sonde la- ser superpos ´ee `a une image de pattern. Plus le pixel est rouge, plus l’amplitude de la fr ´equence mesur ´ee dans le signal observ ´e est importante.
3.4/ E´MISSION DE PHOTONS
Dans le cas des techniques laser en mode sonde, il a ´et ´e vu que si elles restent extr ˆemement attractives de par les possibilit ´es offertes pour l’analyse par face arri `ere des VLSI/ULSI, la question du caract `ere invasif de la mesure, m ˆeme `a 1340 nm, reste tou- jours ouverte. Le pendant des techniques laser, o `u l’op ´erateur “fournit” la lumi `ere servant de vecteur d’information, serait une technique o `u le circuit fournit lui-m ˆeme un vecteur d’information ´equivalent, en fonctionnement normal.
Comme nous le verrons de fac¸on d ´etaill ´ee en section 4, il est possible qu’il y ait ´emission de photons dans le silicium sous certaines conditions, en d ´epit du fait qu’il s’agisse d’un semiconducteur `a gap indirect. Suivant la structure ´etudi ´ee - par exemple un transistor bipolaire ou un MOSFET, voir la section 5 - et les conditions de stimulation ´electrique, les interactions physiques mises en jeu peuvent diff ´erer.
Du point de vue de la terminologie, il existe une premi `ere distinction globale li ´ee au mode d’acquisition. Historiquement, les premi `eres observations d’ ´electroluminescence indiquaient directement la position du d ´efaut en analyse par face avant. Les cap- teurs utilis ´es ´etaient des imageurs CCD op ´erant dans le visible. Par la suite, une meilleure compr ´ehension des m ´ecanismes de photon ´emission dans les composants et l’am ´elioration des capteurs pour le comptage de photons ont permis d’acqu ´erir une infor- mation temporelle en plus de l’information spatiale. Dans le cas o `u seule la donn ´ee spa- tiale est consid ´er ´ee, on parle d’ ´emission de lumi `ere statique, abr ´eg ´ee EMMI (EMission MIcroscopy) ou PEM (Photon Emission Microscopy). Dans le second cas, la technique est qualifi ´ee de dynamique. Les principales abr ´eviations rencontr ´ees sont PICA (Picose-
22 CHAPITRE 1. ´ELECTROLUMINESCENCE POUR L’ANALYSE DE VLSI
cond Imaging Circuit Analysis) ou TRI (Time Resolved Imaging). Il convient de pr ´eciser que les acronymes PICA et TRI sont li ´es aux fabricants de syst `emes d ´edi ´es `a l’analyse en ´emission de lumi `ere dynamique.
Il faut distinguer les termes statiques/dynamiques avec ceux employ ´es en test ´electrique puisqu’ils sont li ´es ici au mode d’acquisition et non n ´ecessairement `a la nature de la sti- mulation. Ainsi, il est possible d’acqu ´erir avec un capteur 2D (donc acquisition statique) une cartographie d’ ´emission sur un composant stimul ´e ´electriquement de fac¸on dyna- mique, tout comme l’inverse est envisageable. Pour le reste de ce manuscrit, l’ ´emission de lumi `ere statique fera r ´ef ´erence au mode d’acquisition, purement spatiale, et non `a la stimulation. De la m ˆeme fac¸on, le cas dynamique fera r ´ef ´erence `a une acquisition en temps r ´esolu, m ˆeme s’il est ´evident que l’int ´er ˆet de cette technique est d’ ´etudier des r ´egions du circuit dont les signaux ´electriques varient au cours du temps.
4/ M ´
ECANISMES DE PHOTON- ´
EMISSION DANS LE SILICIUMComme mentionn ´e dans le paragraphe 3.4, il est possible qu’il y ait ´emission de photons dans le silicium (semiconducteur `a gap indirect) sous certaines conditions, m ˆeme si le rendement n’a rien de comparable avec les semiconducteurs habituellement utilis ´es pour les composants d’opto ´electroniques comme l’Indium, le Gallium, etc (mat ´eriaux `a gap direct).
4.1/ RECOMBINAISONS ELECTRONS´ /TROUS OU RECOMBINAISON INTER-
BANDES
Les interactions photons/ ´electrons sont conditionn ´ees par les lois de conservation d’ ´energies et de quantit ´es de mouvement (choc ´elastique entre particules) :
Ef −Ei =±Eph, (1.2)
~
pf −~pi =±~pph, (1.3)
avec Ex repr ´esentant l’ ´energie de l’ ´electron `a l’ ´etat x, p est la quantit ´e de mouvements, i et f sont les indices d’ ´etats initial et final et ph indique l’ ´etat du photon. L’utilisation
4. M ´ECANISMES DE PHOTON- ´EMISSION DANS LE SILICIUM 23
du symbole ± permet de d ´ecrire les cas o `u il y a absorption (signe +) et ceux o `u il y a ´emission (signe -) `a partir d’une seule ´equation. ´Etant donn ´e que la quantit ´e de mouvement et le vecteur d’onde d’une particule sont li ´es par
~p=~~k, (1.4)
avec~la constante de Planck r ´eduite et~kle vecteur d’onde de la particule, l’ ´equation 1.3 devient
~kf −~ki=±~kph. (1.5)
Sauf pour un cas bien particulier que nous ne d ´etaillerons pas ici, le vecteur d’onde du photon est toujours n ´egligeable devant celui de l’ ´electron, donc~kf ≈ ~ki dans le cadre de l’interaction photon/ ´electron [34], le vecteur d’onde de l’ ´electron n’est pas modifi ´e. En premi `ere approximation pour le semi-conducteur, dans l’espace des vecteurs d’onde, les transitions ´energ ´etiques d’un ´electron d’un ´etat de haute ´energie vers un ´etat de plus basse ´energie se font donc verticalement (m ˆeme vecteur d’onde) s’il y a ´emission d’un photon.
Etant donn ´e que le minimum de la bande de conduction du silicium intrins `eque n’est´ pas situ ´e sur le m ˆeme vecteur d’onde que le maximum de la bande de conduction, ce mat ´eriau entre dans la cat ´egorie des semi-conducteurs `a gap indirect. La recombinaison d’un ´electron du minimum de la bande de conduction avec un trou du maximum de la bande de valence peut se faire de deux mani `eres : soit une transition oblique, soit une transition assist ´ee.
La FIGURE1.8 pr ´esente une vue sch ´ematis ´ee de ces deux m ´ecanismes de recombinai- sons inter-bandes. Dans le cas d’une transition oblique (cas A, en bleu sur la FIGURE
1.8), la r `egle de conservation du vecteur d’onde n’est pas satisfaite et cette transition n’est donc pas ´emissive au premier ordre. Dans le cas d’une transition assist ´ee (cas B, en rouge sur la FIGURE 1.8), le changement de coordonn ´ees est assur ´e par une tierce particule, typiquement un phonon. Les r `egles de conservation de l’ ´energie et de la quan- tit ´e de mouvement ´enonc ´ees dans les ´equations 1.2 et 1.3 se voient donc modifi ´ees pour y int ´egrer l’ ´etat du phonon. La lib ´eration d’ ´energie d’un ´electron se recombinant avec un trou de la bande de valence peut alors se faire sous la forme d’un photon. Pr ´ecisons que cette interaction quadripartite ( ´electrons/trous/phonon/photon), du fait du nombre
