Optimisation et modélisation de protections intégrées contre les décharges électrostatiques

Les Décharges électrostatiques

Les décharges électrostatiques sont des phénomènes naturels qui se produisent dans une large gamme d’échelles. L’éclair qui déchire le ciel ou la petite étincelle qui surgit au bout de votre doigt touchant la poignée d’une porte en sont les manifestations les plus communes et spectaculaires, parfois destructrices pour la première, souvent douloureuses pour la seconde.
Lors de ces deux phénomènes, l’´émission de lumière visible témoigne de l’ionisation des molécules contenues dans l’air, le plasma ainsi créé permettant le passage d’un courant de forte intensité.
L’origine de ce courant est associée à un déséquilibre de charges électriques entre deux corps électriquement isolés : le corps humain et un objet métallique, ou les nuages et la terre pour les éclairs. La création ou l’apparition d’un chemin de conduction permet de rétablir l’équilibre, par le transfert d’une quantité importante de charges d’un corps `a l’autre. Comme ce chemin est très peu résistif, le courant est très intense et la durée du transfert des charges extrêmement courte. Nous n’entrerons pas dans les détails des mécanismes de la génération du déséquilibre de charges qui, d’une part, est largement traité pour les phénomènes de la vie courante et d’autre part, occupe encore beaucoup de scientifiques concernant la foudre. Nous décrirons simplement les plus significatives dans l’environnement de la microélectronique, la triboélectrification, l’induction et la conduction. Le premier de ceux-ci est le plus courant. L’exemple typique est une personne qui marche sur une moquette. En effet, lors du contact entre deux matériaux de nature différente (les chaussures et le sol), un transfert d’électrons libres peut avoir lieu entre les objets. Si l’un d’eux au moins est isolant, une charge résiduelle persiste (dans l’isolant) lors de la séparation. Cette charge en excès va induire une différence de potentiel qui est fonction de la capacité entre l’objet ou la personne et la terre. La quantité de charges transférée et leur polarité dépendent des caractéristiques des matériaux (Travaux de sortie). La triboélectrification est d’autant plus importante que les surfaces sont lisses et d’aire importante, et que la pression et la vitesse de frottement entre les matériaux sont grandes.

Modèles de décharge et testeurs industriels

Beaucoup de paramètres peuvent influer sur la forme du courant, et la durée totale d’une décharge électrostatique. Plusieurs modèles de décharges ont donc été développés en fonction des différentes situations rencontrées en microélectronique. Le plus courant est le modèle du corps humain, en anglais Human Body Model (HBM) qui, chargé électriquement, se décharge au travers d’un composant. De la même manière, le modèle de la machine (MM) décrit la décharge engendrée par un équipement. Le modèle du composant chargé, en anglais Charged Device Model (CDM), considère le cas où le composant lui-même est chargé, et se décharge en entrant en contact avec un conducteur.
Les testeurs utilisés dans l’industrie reproduisent les modèles de décharge précédents en respectant certaines normes. La caractérisation de la robustesse d’un circuit vis-à-vis des ESD consiste à soumettre le composant à une série de décharges d’intensité croissante, jusqu’`a sa destruction.
Modèle HBM : Considéré comme le principal modèle de décharges électrostatiques, il est également le plus ancien. Il décrit la décharge d’un être humain debout, par l’extrémité d’un de ses doigts. En première approximation, on peut le représenter par un simple réseau RC, composé d’une capacité de 100 pf et d’une résistance de 1500 Ω .
Avant la décharge, la capacité est typiquement chargée à des tensions de l’ordre de quelques kV. Cette tension de précharge est utilisée pour caractériser l’intensité de la décharge HBM. L’impédance offerte par un circuit intégré au courant de décharge ESD pouvant en général être considérée comme très faible, la décharge HBM est assimilée à une impulsion de courant indépendante du composant testé. La durée totale de l’impulsion est d’environ 300 ns avec un temps de montée qui peut varier entre 2 et 10 ns. Le pic d’intensité a une valeur comprise entre 1 et 10 A.
Sans protection, la robustesse d’un circuit est de l’ordre d’une centaine de Volts et seulement de quelques dizaines de Volts pour les têtes de lecture magnétiques. Ces chiffres sont à comparer au seuil de perception humain d’une décharge qui est d’environ 3 kV.
Pour les circuits, une robustesse minimum de 2 kV est généralement requise pour permettre leur manipulation dans des conditions classiques de stockage et d’assemblage.

Le banc de caractérisation TLP

La méthode utilisée dans un banc de mesure TLP permet d’obtenir la caractéristique fort courant d’un composant en s’affranchissant des problèmes thermiques qui pourraient le détruire. En effet, lors d’une décharge électrostatique, des courants importants sont mis en jeu, mais la durée de l’impulsion étant très faible, l’énergie totale dissipée est finalement limitée. Ainsi un composant de protection ESD est amené à fonctionner sous de forts courants sans pour autant être endommagé.
Le principe du banc de mesure TLP est de générer une impulsion carrée de courant dans le composant testé, pendant une durée suffisamment courte pour ne pas le détruire et assez longue pour obtenir un courant et une tension constants et stables pour permettre de les mesurer. Grâce à plusieurs impulsions successives d’intensité croissante, on obtient point par point la caractéristique I(V) du composant. Le courant et la tension étant constants au cours de chaque mesure, on peut considérer que cette caractéristique est statique ou quasi statique. Entre chaque impulsion, l’évolution des caractéristiques électriques classiques peut être suivie pour mettre en évidence d’éventuelles dégradations du composant et déterminer sa robustesse maximale. Pour réaliser l’impulsion et contrôler sa durée, on utilise une ligne de transmission en câble coaxial d’où le nom de TLP (Transmission Line Pulse). Enfin, une inductance LS peut être ajoutée en série avec la résistance pour contrôler le temps de montée de l’impulsion d’une façon identique au testeur HBM.
Les caractéristiques de l’impulsion de courant sont proches de celles du modèle HBM. Des signatures de défaillance identiques entre ces stress ont été rapportées pour une durée d’impulsion TLP de 100 ns. Cependant, il n’existe pas de constante de corrélation précise entre ces deux types de stress. La tension HBM maximale (en kV) est généralement comprise entre 1,5 et 2 fois le courant maximum (en A) obtenu par la mesure TLP . D’une manière générale, la corrélation entre les tests ESD dépend des caractéristiques des impulsions, temps de montée et durée, ainsi que des technologies dans lesquelles sont réalisés les composants. Trouver une corrélation entre les différents modèles n’est évidemment possible que dans les cas où ils engendrent le même type de défaillance.

Techniques d’analyse et de localisation de défaillance

L’ensemble des méthodes d’analyse de défaillance courantes sont utiles pour étudier la nature des défauts engendrés par les décharges électrostatiques . La localisation de points chauds par des cristaux liquides, la microscopie optique et électronique, la découpe par les techniques FIB (focus ion beam), la microscopie à force atomique (AFM), en constituent une liste non exhaustive. Parmi ces techniques, la photoémission est particulièrement adaptée à la localisation de défauts. La technique des cristaux liquides, qui permet de mettre en évidence des points chauds, est rarement efficace pour localiser des défauts crées par les décharges électrostatiques. En effet, les courants de fuite de faible intensité associés au défaut n’engendre pas d’élévation de température suffisante. Les performances de nouvelles techniques de localisation basées sur l’utilisation des lasers, ont été récemment mises en évidence pour la détection et l’analyse de défauts, même de taille réduite, créés par les décharges électrostatiques . Ces méthodes de localisation présentent l’avantage de ne pas être destructrices.

Effets des fortes densités de courant dans les transistors bipolaires

Les décharges électrostatiques sont des transitoires de courant de forte intensité, de l’ordre de quelques ampères pour les modèles HBM et MM et jusqu’à quelques dizaines d’ampère pour le CDM. La taille des protections ESD dans lesquelles transitent ces courants est extrêmement réduite comparée à celle de composants utilisés en électronique de puissance. Evidemment, l’´énergie dissipée dans un composant de puissance, pendant quelques heures d’utilisation, est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle dissipée lors d’une décharge électrostatique dont la durée est extrêmement courte, de l’ordre de la centaine de nanoseconde. Il n’en reste pas moins que les densités de courants rencontrées dans un transistor de protection, jusqu’à quelques 106 A/cm² sont gigantesques vis-à-vis de celle des composants de puissance qui sont de l’ordre de 200 A/cm². Les composants pour l’électronique haute fréquence fonctionnent à de très fortes densités de courants, mais les technologies employées mettent en jeu des dopages de valeur élevée qui retardent les effets des fortes densités de courant à des niveaux de quelques 105 A/cm². La connaissance des phénomènes spécifiques aux fortes densités de courant dans ces deux domaines, l’électronique de puissance et haute fréquence, facilite l’accès à la compréhension du comportement des dispositifs de protection contre les ESD.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Décharges électrostatiques et outils de caractérisation
1.1 Les Décharges électrostatiques
1.1.1 Généralités
1.1.2 ESD et microélectronique
1.2 Modèles de décharge et testeurs industriels
1.2.1 HBM
1.2.2 MM
1.2.3 CDM
1.2.4 Comparaison de différents types de stress
1.3 Outils de caractérisation
1.3.1 Le banc de caractérisation TLP
1.3.2 La microscopie à émission lumineuse
1.4 Techniques d’analyse et de localisation de défaillance
1.4.1 La photoémission
1.4.2 Les techniques de stimulation laser
1.4.3 Analyse par la face arrière
1.5 Conclusion
Chapitre 2 Etude des transistors bipolaires autopolarisés (TBA)
2.1 Composants de protection ESD basés sur le TBA
2.1.1 Les différents types de composants
2.1.2 Principe de fonctionnement
2.1.3 Eléments d’optimisation
2.2 Effets des fortes densités de courant dans les transistors bipolaires
2.2.1 Chute du gain en courant
2.2.2 Limitation de l’aire de sécurité d’utilisation
2.2.3 Effet Kirk
2.2.4 Cas des TBA
2.3 Eléments d’une approche régionale unidimensionnelle
2.3.1 Comportement de l’émetteur
2.3.2 Comportement de la région de base
2.3.3 Comportement de la région de collecteur
2.4 Etude unidimensionnelle fort courant des TBA
2.4.1 Mise en équation du problème
2.4.2 Caractéristique tension-courant
2.4.3 Effets spécifiques des fortes densités de courant
2.5 Phénomène de focalisation du courant
2.5.1 Etude théorique
2.5.2 Vérification expérimentale
2.6 Destruction du composant : aspect thermique
2.6.1 Chemin vers la destruction du composant
2.6.2 Proposition d’un nouveau type de composant
2.7 Conclusion et perspectives
Chapitre 3 Optimisation de transistors bipolaires autopolarisés
3.1 Utilisation des simulateurs électrothermiques
3.1.1 GIGO law
3.1.2 Limitation des modèles physiques
3.1.3 Approche et solutions retenues
3.2 Cas d’un composant bipolaire NPN vertical
3.2.1 Description de la structure
3.2.2 Modes de fonctionnement lors d’une décharge électrostatique
3.2.3 Caractéristiques électriques
3.3 Etude de son fonctionnement par la simulation physique bidimensionnelle
3.3.1 Surtension avant le repliement
3.3.2 Repliement de la tension, élargissement de la région de base
3.3.3 Phénomènes de focalisation du courant
3.3.4 Comportement selon la longueur de l’émetteur
3.3.5 Extrapolations aux très forts courants
3.4 Augmentation de la profondeur de la région de base effective
3.4.1 Découplage thermique
3.4.2 Découplage électrique
3.5 Influence du profil de dopage de collecteur sur la tension de maintien
3.6 Bilan : Eléments d’optimisation pour la conception
3.7 Résultats expérimentaux
3.7.1 Description des composants réalisés
3.7.2 Coupes technologiques
3.7.3 Critère de défaillance
3.7.4 Influence de la distance collecteur-émetteur
3.7.5 Influence de la géométrie
3.7.6 Comparaison des performances avec les composants standards
3.7.7 Techniques de déclenchement
3.7.8 Analyse de défaillance
3.8 Cas d’un TBA PNP
3.9 Conclusion
Chapitre 4 Modélisation de composants bipolaires autopolarisés
4.1 Etat de l’art de la modélisation de type SPICE des protections ESD
4.1.1 Transistors bipolaires NPN
4.1.2 Transistors NMOS
4.2 Approche retenue et justification
4.3 Modélisation des TBA à collecteur faiblement dopé
4.3.1 Présentation générale du modèle
4.3.2 Méthode de calcul du facteur de multiplication
4.3.3 Variation du coefficient de multiplication avec la densité de courant
4.4 Remarques pour la modélisation de transistors NMOS
4.5 Modélisation du TBA de la technologie
4.5.1 Modélisation de la diode DD
4.5.2 Extraction des paramètres statiques
4.5.3 Résultats de simulation, limitation du modèle
4.6 Etude de la dynamique
4.6.1 Dynamique du déclenchement
4.6.2 Déclenchement par dv/dt
4.6.3 Méthode d’optimisation du couplage de grille
4.7 Conclusion
Chapitre 5 Etude des Stratégies de protections
5.1 Stratégies de protection des circuits
5.1.1 Protection d’entrée
5.1.2 Protection de sortie
5.1.3 Protection du bus d’alimentation
5.1.4 Stratégie de protection globale
5.2 Etude d’une stratégie de protection
5.2.1 Description du circuit de test
5.2.2 Confrontation des résultats expérimentaux et simulés
5.2.3 Analyse de défaillance
5.3 Etude et optimisation des circuits de protection élémentaires
5.3.1 Résultats sur les circuits de test
5.3.2 Analyse par la simulation physique
5.3.3 Règles de dessin et validation
5.4 Cas particulier pour le stress MM
5.4.1 Résultats expérimentaux
5.4.2 Origine du problème
5.4.3 Solution et recommandations
5.5 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie