Simulation multi-physiques de circuits intégrés pour la fiabilité

UNIVERSITÉ DE STRASBOURG
ÉCOLE DOCTORALE MATHÉMATIQUES, SCIENCES de l’INFORMATION et de
l’INGÉNIEUR
Laboratoire ICube UMR 7357
THÈSE présentée par :
Maroua GARCI
Soutenue le : 20 Mai 2016
Pour obtenir le grade de : Docteur de l’Université de Strasbourg
Discipline: Instrumentation et microélectronique
Spécialité : Micro et nanoélectronique
Simulation multi-physiques de circuits
intégrés pour la fiabilité
THÈSE dirigée par :
M. HEBRARD Luc Professeur, Université de Strasbourg
M. KAMMERER Jean-Baptiste Maître de conférences, HDR, Université de Strasbourg
RAPPORTEURS :
M. SALLESE Jean-Michel Maître d’Enseignement et de Recherche, Ecole Polytechnique
Fédérale de Lausanne (EPFEL), Suisse
M. O’CONNOR Ian Professeur, Ecole Centrale de Lyon
EXAMINATEUR:
M. JACQUEMOD Gilles Professeur, Ecole Polytech’ Nice Sophia

Remerciements
J’aimerais tout d’abord remercier mon directeur de thèse, Luc Hébrard, pour ses
précieux conseils et pour sa correction méticuleuse de chacun des chapitres de cette
thèse qui m’a certainement permis une meilleure présentation de mon travail.
Je remercie également mon co-directeur Jean-Baptiste Kammerer. Son avis critique
et son savoir faire m’ont été d’une grande utilité.
Je tiens à exprimer mes vifs remerciements à Ian O’Connor, Jean-Michel Sallese,
Gilles Jacquemod, André Baguenier Desormeaux et Renaud Gillon d’avoir accepté
de faire partie de mon jury de thèse.
J’adresse mes remerciement aux membres de l’équipe SMH du laboratoire ICube
et je tiens à saluer mes collègues doctorants : Imane, Laurent, Simon, Fitsum, Ju-
lien, Thomas et Rémi.
Je remercie mes copines Noura, Wafa et Marion pour leur disponibilité et pour
les bons moments que nous avons passés ensemble.
Je voudrais remercier particulièrement ma famille qui m’a soutenue et encouragée
tout au long de mon cursus scolaire et universitaire.
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0.0
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Table des matières
Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Table des figures ix
Liste des tableaux xiii
Introduction générale xvii
I État de l’art 1
1 Fiabilité et conception pour la fiabilité des circuits intégrés 5
1.1 La notion de fiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Approches en fiabilité, robustesse et sûreté de fonctionnement en mi-
croélectronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Fiabilité et robustesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 L’analyse de la défaillance et l’étude de la durée de vie d’un
circuit ............................... 7
1.2.3 L’analyse des modes de défaillance . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 La fiabilité en conception microélectronique . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Méthodologie de conception des circuits intégrés . . . . . . . . 11
1.3.2 L’approche descendante ou "top-down"............. 12
1.3.3 L’approche ascendante ou "bottom-up" ............. 12
1.3.4 Importance de la conception pour la fiabilité . . . . . . . . . . 14
2 Les mécanismes de défaillance des circuits CMOS 17
2.1 Les facteurs de défaillances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Les mécanismes de défaillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Electromigration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2 Claquage de l’oxyde de grille : Time Dependant Oxyde Break-
down................................ 23
2.2.3 Bias Temperature Instability- BTI . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.4 La dégradation par porteurs chauds . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Les outils de simulation de la fiabilité 37
3.1 Les simulateurs de fiabilité basés sur le comportement électrique . . . 37
3.1.1 Le simulateur HOTRON : Circuit Hot-Electron Effect Simulator 38
3.1.2 Le simulateur BERT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
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