Evaluation de la robustesse de circuits intégrés vis-à

N°d'ordre : 02ISAL0044 Année 2002
Thèse
Evaluation de la robustesse de circuits
intégrés vis-à-vis des décharges
électrostatiques
Présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
Pour obtenir
Le grade de docteur
Formation doctorale : Dispositifs de l’Electronique Intégrée
École doctorale : Electronique, Electrotechnique et Automatique
Par
Agnès GUILHAUME
(Ingénieur)
Soutenue le 20 Septembre 2002 devant la Commission d’examen
Jury MM.
M. BAFLEUR Directeur de recherche Rapporteur
J-P. CHANTE Professeur
Y. DANTO Professeur Rapporteur
P. GALY Professeur assistant
M. LEMITI Maître de conférences
I. LOMBAËRT-VALOT Chef de service
Thèse préparée dans le service Composants Electroniques et Optoélectroniques du
Centre Commun de Recherches du groupe EADS France

Le réel n’est jamais « ce qu’on pourrait croire »
mais il est toujours ce qu’on aurait dû penser.
Gaston Bachelard

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Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au Centre Commun de Recher-
ches (CCR) du groupe EADS, en collaboration avec l’INSA de Lyon et le Pôle
Universitaire Léonard de Vinci (Paris-La-Défense), dans le cadre d’une convention
avec l’ADERA (Association pour le Développement de l’Enseignement et des Re-
cherches auprès des universités, des centres de recherches et des entreprises
d’Aquitaine).
A l’issue de cette thèse, je souhaite remercier Monsieur M. Lecoq pour m’avoir
accueillie dans le département « Techniques de base physique et mathématiques »
du CCR. Je tiens également à témoigner toute ma reconnaissance à Madame
I. Lombaërt-Valot, responsable du service « Composants électroniques et opto-
électroniques » pour les encouragements, le suivi et la confiance qu’elle m’a ac-
cordés au cours de ces trois années et des trois années de stage précédentes.
Je remercie sincèrement Monsieur B. Foucher pour m’avoir proposé ce sujet et
pour m’avoir encadrée dans ce travail. Par ses compétences, ses grandes qualités
humaines et ses précieux conseils, il a rendu ce travail particulièrement intéressant.
Sans les discussions que nous avons eues, cette étude n’aurait pu aboutir.
Je témoigne toute ma reconnaissance à Monsieur JP. Chante, professeur à l’INSA
de Lyon, pour avoir accepté de diriger cette thèse. Je remercie également Monsieur
P. Galy, chargé de recherche et professeur assistant au Pôle Universitaire Léonard
de Vinci, d’avoir co-dirigé ces travaux avec tant d’intérêt et de disponibilité. La
clarté de leurs analyses et leurs qualités scientifiques m’ont permis de progresser.
Qu’ils trouvent ici le témoignage de ma profonde reconnaissance.
J’adresse également mes remerciements aux personnes qui ont accepté de partici-
per à mon jury de thèse : à Madame M. Bafleur, directeur de recherche au LAAS
de Toulouse et à Monsieur Y. Danto, professeur à l’IXL de Bordeaux, qui en qua-
lité de rapporteurs, ont jugé mon travail et porté une grande attention à la relecture
de ce mémoire, ainsi qu’à Monsieur M. Lemiti, maître de conférence à L’INSA de
Lyon.

Ce travail a été réalisé en étroite collaboration avec la société STMicroelectronics.
Je tiens à remercier Monsieur P. Salomé, Mademoiselle C. Richier et les membres
de leurs équipes. Ils ont rendu ces échanges possibles et m’ont fait part de leur ex-
périence de fabricants dans le domaine des ESD. Ces semaines passées sur les sites
de Crolles et du Polygone ont été très enrichissantes.
De nombreux travaux de mesures et de simulations ont aussi été réalisés en colla-
boration avec Philips Composants à Caen. Je dois beaucoup à Monsieur S. Bardy,
Monsieur F. Blanc et à Monsieur S. Dufrenne pour leur accueil, leurs conseils et
pour la confiance qu’ils m’ont accordée pendant ces trois années.
Je tiens à remercier Monsieur Guerveno et Monsieur Caignard du service Expertise
et Technologie Composant de la société MBDA pour leurs observations EMMI.
J’en profite également pour témoigner, à l’équipe du service « Composants électro-
niques et optoélectroniques », ma profonde sympathie : en particulier à Madame C.
Munier, qui m’a accueillie au cours de mes premiers stages au CCR et qui a ac-
cepté de relire mon manuscrit et à Agnès, Alix, Alain, Christophe, Faresse, Gregor,
Guillaume, « Maître » Hieu, Jean-Pierre, Julien, Laëtitia, Olivier, Patrick, Régis,
Vincent et aux nombreux stagiaires. Certains d’entre eux sont déjà partis vers
d’autres horizons. Pour d’autres, cette année sera décisive, aussi, je leur adresse
mes encouragements.
Enfin, c’est avec beaucoup d’émotion que je remercie mes parents, mes frères et
sœurs, Nicolas et tous mes amis pour le soutien et la confiance qu’ils m’ont tou-
jours accordés.

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1.1 Introduction. 16
1.2 Modèles de décharges 16
1.2.1 Tests en qualification 17
1.2.2 Tests d’aide à la conception 21
1.2.3 Discussion 24
1.3 Phénomènes physiques et modes de défaillances associés aux ESD 25
1.3.1 Effets parasites du boîtier 25
1.3.2 Réponse d’un transistor MOS à une décharge électrostatique 26
1.3.3 Modes de défaillances et techniques d’analyses 28
1.4 Protection des composants électroniques contre les décharges électrostatiques 32
1.4.1 Protection des circuits intégrés 32
1.4.2 Structures de protection 34
1.4.3 Procédés technologiques. 36
1.5 Conclusions 39
41
2.1 Introduction 42
2.2 Procédés de fabrication 43
2.2.1 Simulation des principales étapes technologiques 43
2.2.2 Calibrage des résultats 43
2.2.3 Discussions 44
2.3 Comportement physique 45
2.3.1 Formalisme et équations locales 45
2.3.2 Résolution numérique 51
2.3.3 Simulation du test TLP 55
2.3.4 Simulation du test HBM 59
2.3.5 Simulation du test CDM 60
2.3.6 Discussions 66