Prévision des effets de vieillissement par

THESE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialité
Microelectronique
École doctorale Informatique, Télécommunications et Électronique (Paris)
Présentée par
M. Boukary OUATTARA
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Sujet de la thèse :
Prévision des effets de vieillissement par électromigration dans les circuits
intégrés CMOS en nœuds technologiques submicroniques.
soutenue le 08/07/2014
devant le jury composé de : (préciser la qualité de chacun des membres).
M. WOUTERS Yves Professeur Rapporteur
M. ROUZEYRE Bruno Professeur Rapporteur
M. KOKABI Hamid Professeur Examinateur
M. VIVET Pascal Ingénieur chercheur Examinateur
M. MEHREZ Habib Professeur Directeur de thèse
M. BAZARGAN-SABET Maitre de Conférence Co-encadrant de thèse
Mlle. DOYEN Lise Docteur-ingénieur Encadrante industrielle de thèse
Thèse préparée au Laboratoire d’Informatique de Paris 6 (LIP6) en collaboration avec
l’entreprise STMicroelectronics

Table des matières
Table des matières........................................................................................................................... 9
Table des Figures .......................................................................................................................... 14
Introduction générale .................................................................................................................... 19
I. Historique et évolution de la microélectronique .................................................................... 19
1. Découverte du premier transistor ...................................................................................... 19
2. Les circuits intégrés (puces) .............................................................................................. 20
3. Le taux d’intégration des transistors dans les circuits ....................................................... 21
II. La problématique de la fiabilité dans les circuits intégrés .................................................... 22
1. La notion de fiabilité .......................................................................................................... 22
2. Les conséquences de la miniaturisation des interconnexions ............................................ 22
3. Objectifs de la thèse ........................................................................................................... 23
Chapitre 1. Phénomène d’électromigration (EMG) dans les interconnexions .......................... 25
I. Définition ............................................................................................................................... 25
1. Historique .......................................................................................................................... 25
2. Les causes physiques du phénomène d’EMG ................................................................... 26
a. La densité de courant (j) ............................................................................................. 27
b. La température (T) ...................................................................................................... 28
3. Les interconnexions métalliques ....................................................................................... 28
4. Mécanisme de dégradation d’une interconnexion par EMG ............................................. 31
a. Divergence de flux due à la barrière de tantale .......................................................... 31
b. La nucléation et croissance de la cavité ...................................................................... 32
c. La localisation de la cavité ......................................................................................... 34
d. Contraintes mécaniques dans les lignes courtes dues à l’EMG .................................. 35
e. Condition d’immortalité des lignes ............................................................................ 37
5. Impact de la microstructure sur le mécanisme de dégradation par EMG .......................... 38
II. Détection de l‘EMG dans les interconnexions au niveau silicium ....................................... 39
1. Les structures de test de durée de vie ................................................................................ 39
2. Tests de durée de vie ......................................................................................................... 40
a. Équipement et banc de test ......................................................................................... 40
b. Détermination de la section réelle de la ligne à tester ................................................ 41
c. Le test ......................................................................................................................... 42
3. Extrapolation des résultats de test aux conditions réelles de fonctionnement ................... 44
a. Paramètres de Black ................................................................................................... 44
i. Le facteur d’accélération en courant (n) ................................................................. 45
ii. L’énergie d’activation apparente du phénomène (Ea) ............................................. 45
b. Extrapolation aux conditions réelles ........................................................................... 46
4. Les règles de fiabilités vis-à-vis de l’EMG ....................................................................... 47
a. Le courant moyen (IEM) .............................................................................................. 47

b. Le courant efficace (IRMS) ........................................................................................... 48
III. Les recherches vers l’amélioration des règles de courant ................................................... 48
1. Effet réservoir et effet puits ............................................................................................... 49
2. Effet de transition de la largeur de lignes .......................................................................... 50
3. Amélioration des méthodes de détermination de TTF ...................................................... 50
4. Structure en arbre ............................................................................................................... 51
5. Effet thermique. ................................................................................................................. 52
6. Synthèse ............................................................................................................................. 52
Chapitre 2. Méthodologie de validation EMG au niveau de la conception d’un circuit intégré 54
I. La conception d’un circuit intégré (puce) .............................................................................. 54
1. La spécification de la puce ................................................................................................ 54
2. La description des blocs fonctionnels ................................................................................ 55
a. Les blocs fonctionnels numériques............................................................................. 55
b. Les cellules standards ................................................................................................. 55
c. Les blocs fonctionnels analogiques ............................................................................ 56
3. Implémentation de la puce ................................................................................................. 56
a. Le Floorplan (plan de circuit intégré) ......................................................................... 56
b. Placement de cellules standards dans la grille d’alimentation ................................... 57
c. Routage ....................................................................................................................... 58
d. Synthèse d’arbre d’horloge ......................................................................................... 59
e. Cellules de données .................................................................................................... 59
4. Vérification : la validation du schéma du circuit ............................................................... 60
a. Validation électrique ................................................................................................... 60
b. Validation temporelle ................................................................................................. 60
c. Validation comportementale ....................................................................................... 61
II. Structure des circuits intégrés ............................................................................................... 61
1. Structure des cellules standards ......................................................................................... 61
a. Le réseau d’alimentation électrique d’une cellule standard ....................................... 62
b. Le réseau signal d’une cellule standard ...................................................................... 63
2. Les blocs fonctionnels ....................................................................................................... 63
a. La composition des blocs ........................................................................................... 63
b. Réseaux d’interconnexions ......................................................................................... 64
3. Les enjeux de la fiabilité dans les circuits intégrés ........................................................... 65
III. Méthodes de validation EMG des dessins (layout) de circuits intégrés .............................. 66
1. Stratégie de validation des circuits vis-à-vis de l’EMG .................................................... 66
a. L’approche plane (flat) ............................................................................................... 66
b. L’approche hiérarchique ............................................................................................. 66
i. Flot ascendant ......................................................................................................... 66
ii. Flot descendant ....................................................................................................... 66
2. Processus de vérification des risques EMG ....................................................................... 67

3. Extraction du réseau d’interconnexion RC ........................................................................ 68
a. Le principe .................................................................................................................. 68
i. La résistance (R) des interconnexions .................................................................... 68
ii. Capacité de couplage (C) ........................................................................................ 69
b. Les outils d’extraction du réseau RC .......................................................................... 69
4. Paramètres clés du calcul du courant ................................................................................. 69
a. Régime de fonctionnement des transistors ................................................................. 70
b. La tension (V) ............................................................................................................. 71
c. Température ................................................................................................................ 72
d. La pente d’entrée/ sortie ............................................................................................. 72
e. Impact de la capacité de charge (C) de sortie des cellules sur le courant ................... 73
f. Le taux de basculement (TR) des blocs fonctionnels ................................................. 73
5. Calcul de courant ............................................................................................................... 74
a. Analyse statique .......................................................................................................... 75
b. Analyse dynamique .................................................................................................... 75
c. La fenêtre de simulation (temps de cycle) .................................................................. 76
d. Outils de calcul de courant ......................................................................................... 77
6. Détection des interconnexions vulnérables à l’EMG ........................................................ 77
a. Violation du courant moyen ....................................................................................... 77
b. Violation du courant efficace ..................................................................................... 78
7. Corrections en cas de risque de défaillances ..................................................................... 78
IV. Méthodes de validation proposées dans les publications .................................................... 79
1. La méthodologie ................................................................................................................ 79
a. La probabilité de défaillance d’une puce .................................................................... 79
b. La loi des nœuds ......................................................................................................... 80
c. Les conditions de simulation des dégradations due à l’EMG .................................... 81
d. Dispositif d’auto guérison .......................................................................................... 82
2. Outils de vérification ......................................................................................................... 83
3. Synthèse ............................................................................................................................. 83
Chapitre 3. Analyse des risques de l’électromigration dans les circuits intégrés ...................... 86
I. Rappel sur le mécanisme de dégradation dans les lignes ...................................................... 86
II. Vérification EMG dans les cellules standards ...................................................................... 87
1. Vérification des risques EMG ........................................................................................... 87
a. Structure d’un inverseur ............................................................................................. 88
b. Le fonctionnement ...................................................................................................... 89
2. Impact des conditions de vérification d’une cellule standard ............................................ 89
a. Résultats...................................................................................................................... 90
b. Synthèse ...................................................................................................................... 91
3. Analyses des violations des courants limites ..................................................................... 92
a. Le réseau signal .......................................................................................................... 93