Etude des décharges électrostatiques dans les circuits MOS submicroniques et optimisation de leurs protections

par Pascal Salomé

Thèse de doctorat en Dispositif de l'électronique intégrée

Sous la direction de Jean-Pierre Chante.

Le jury était composé de Jean-Pierre Chante, Yves Danto, Pierre Rossel, Pierre Gentil.

Les rapporteurs étaient Yves Danto, Pierre Rossel.


  • Résumé

    Ce manuscrit concerne l'analyse des phénomènes physiques intervenant lors d'une décharge électrostatique (ESD) dans les technologies CMOS submicroniques. On trouve, aujourd'hui, différents types de test (normalisés ou non) pour quantifier la tenue aux ESD des structures de protection. Cependant, ils ont tous un point commun, les ondes de tension et de courant résultant de ces stress sont difficilement interprétables. Ainsi, le manuscrit débute par la conception d'un autre type de générateur basé sur le principe des lignes à transmission. Celui ci fournit des ondes carrés qui sont plus simples à analyser. Le transistor NMOS est l'élément le plus courant des structures de protection. Il contient une structure bipolaire parasite qui est utilisée pour assurer la protection. Les analyses menées sur ce composant sont décrites dans le chapitre III de ce manuscrit. Elles ont permis d'identifier les différents facteurs de design et du procédé de fabrication ayant un rôle sur son comportement. Le chapitre IV traite d'un de ces facteurs, la distance entre les contacts et le bord de la grille. Nous montrons que la tenue aux ESD d'un NMOS sature dans certains cas. Nous discutons alors des raisons de ce comportement et nous analysons en détail ce phénomène 3D grâce à des mesures dynamiques de l'émission lumineuse résultante d'une décharge. Le chapitre V tente d'expliquer le mécanisme complexe de la dégradation thermique des transistors NMOS. Les analyses se fondent sur les observations faites au MEB et à l'AFM. Il semble que le court-circuit des transistors soit imputé à 2 étapes successives durant la focalisation des lignes de courant résultant de l'élévation de température au sein de bipolaire.

  • Titre traduit

    = Study of ESD phenomena in submicron CMOS devices and optimization of their protection circuits


  • Résumé

    Physical phenomena involved during electrostatic discharges (ESD) in submicron CMOS devices are analyzed in this thesis. Several kinds of test (according to standards or not) are used today to quantify the ESD failure threshold level of protection circuit. Ali these models lead to complex voltage and current waveforms which are difficult to understand and to study. Therefore, a pulse generator based on the transmission line principle has been developed and is described in the second chapter of this thesis. This generator supplies a square pulse of current which is simpler to analyze than the usual ESD models. The NMOS transistor is the most common device involved in ESD protection circuit. The parasitic bipolar transistor included in the NMOS architecture is used to ensure the protection. Investigations performed on grounded gate NMOS transistor (ggNMOS) are described in the third chapter of the manuscript. Several parameters are studied and classified in both design and process dependent. Their impacts on the ggNMOS behavior are analyzed. Chapter IV is a comprehensive study of one of the design parameters, the contact to gate spacing. It is shown that the ESD failure threshold of an NMOS can saturate depending on the triggering mechanism. Using transient measurements of light emission, a three dimensional triggering of the NMOS is revealed. This effect is analyzed and shown to be responsible for the saturation. Chapter V is an attempt to explain the thermally induced failures of an NMOS during an ESD transient. Assumptions are based on several observations made during SEM and AFM measurements. It seems that the short circuit of NMOS transistors results from two successive mechanisms occurring when the current is localized, leading to a high increase of the temperature and the melting of silicon in two spots.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (246 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.p.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2163)
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