Développement d’outils de diagnostic pour l’analyse des défaillances des circuits intégrés analogiques et mixtes

Diagnosis tool development for failure analysis of analog and mixed signal devices

• Auteur / Autrice : Tommaso Melis
• Direction : Emmanuel Simeu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giovanna Mura, Florence Azais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Haralampos Stratigopoulos, Nathalie Labat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détection de défaut (ingénierie)

Circuits intégrés analogiques numériques

Lasers

Microscopie électronique

Mots clés libres

Diagnostic analogique

Diagnostique de fautes

Simulation de fautes

Microscopie d'émission

Stimulation laser

Analog diagnosis

Fault diagnosis

Fault simulation

Emission microscopy

Laser Stimulation

Résumé

L'industrie automobile connaît aujourd'hui une évolution constante dans toutes les disciplines de ce secteur. L'électronique est également impliquée dans cette évolution. Les derniers nœuds technologiques sont aujourd'hui utilisés dans de nombreuses applications automobiles. De nouveaux défis sont donc à relever pour assurer la sécurité et la fiabilité de ces circuits. L'un d'eux est le diagnostic des défauts des circuits analogiques et à signaux mixtes. L'analyse des défaillances est aujourd'hui très difficile, en raison de l'absence de méthode de diagnostic automatisée standard. Les techniques standard ne fournissent pas toujours une analyse concluante en raison des contrôles de sécurité. Ces derniers sont pourtant nécessaires pour de telles applications. Il est donc courant de ne pas analyser directement l'état de défaillance du circuit, qui ne peut être activé pour des raisons de sécurité. Seules les conséquences d'un tel état sont analysées, ce qui entraîne un temps d'analyse inacceptable avec un faible taux de réussite.L'objectif de cette thèse est de fournir une solution de diagnostic robuste pour les circuits analogiques, avec des solutions de simulation et de conception pour l'analyse. Ceci permet à l'analyste de surmonter les limitations soulignées.Pour atteindre cet objectif, ce travail propose des développements dans trois domaines principaux. Le premier est la simulation pour reproduire les images des techniques de microscopie les plus utilisées pour l'isolation des défauts. Il s'agit de la microscopie par photoémission et de la stimulation thermique par laser. L'objectif de la simulation est d'accélérer les inspections avec ces outils. De plus, ils sont utilisés pour reproduire les images d'unités défectueuses afin de valider les hypothèses de défauts. Dans ce contexte, nous avons développé un outil de simulation automatique pour la photoémission. Par ailleurs, nous proposons une méthode de simulation innovante pour les techniques de stimulation thermique par laser. Les avantages de ces deux solutions sont prouvés par des analyses réelles résolues avec ces solutions. Le deuxième domaine de développement est l'accessibilité aux signaux internes. La mesure complète des signaux internes du dispositif implique un meilleur diagnostic des défauts. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle solution pour inspecter les signaux internes par des composants élémentaires émettant de la lumière. Ils sont connectés aux fonctionnalités principales et rapportent leur état par leur lumière émise. Cette solution est mise en œuvre dans un dispositif analogique en silicium réel, montrant une meilleure détection des défauts. Une autre technique explorée dans ce travail est l'utilisation du contraste de tension dynamique eBeam pour accéder au niveau le plus bas des métaux.Le troisième domaine concerne le diagnostic des défauts à l'aide de la simulation analogique. Nous proposons une solution pour trouver les signaux et les dispositifs pertinents d'un circuit intégré. Cette méthode aide l'analyste à se concentrer uniquement sur la liste des caractéristiques du circuit qui sont pertinentes par rapport à la défaillance. Nous l'avons développée en utilisant des simulateurs analogiques standards. En outre, nous introduisons également l'utilisation de simulateurs de défaillances analogiques modernes disponibles sur le marché. L'exploitation de ces simulateurs avec des techniques d'analyse de défaillance standard est présentée. Nous avons développé un nouveau flux de travail pour le diagnostic des défauts et l'avons appliqué à des cas réels. Grâce à cette méthode, une liste de candidats à examiner est disponible pendant les analyses.Enfin, nous proposons un flux de diagnostic robuste, dans lequel toutes les techniques et innovations présentées dans cette thèse sont mélangées. Son application permet à l'analyste de résoudre des cas critiques avec une multitude de solutions. Les analyses deviennent plus rapides et plus précises.

The automobile industry nowadays is in constant developments in all branches of this sector. Electronics is also involved in this evolution. The latest technological nodes are used in many automotive applications today. New challenges are thus faced to ensure the safety and reliability of these circuits. One of these is the fault diagnosis of analog and mixed-signal circuits. Performing failure analysis is today very difficult, due to the lack of standard automated diagnosis method. Standard techniques do not always provide a conclusive analysis due to the safety controls. These are required for such applications. It is thus common not to directly analyze the failure state of the circuit, that cannot be activated for safety reasons. Only the consequences of such a state are analyzed, causing an unacceptable analysis time with a low success rate. The goal of this thesis is to provide a robust diagnosis solution for analog circuits, with simulation and design solutions for analysis. This allows the analyst to overcome the highlighted limitations. To achieve this goal, this work proposes developments in three main areas. The first is the simulation to reproduce the images of the most used microscopy techniques for fault isolation. They are photoemission microscopy and thermal laser stimulation. The goal of the simulation is to speed up the inspections with such tools. Moreover they are used to reproduce the images of defective units to validate fault hypotheses. In this context we developed an automatic simulation tool for photoemission. Besides, we propose an innovative simulation method for thermal laser stimulation techniques. The benefits of both solutions are proven by real analyses solved with these solutions.The second area of development is the accessibility to the internal signals. Full measurement of internal device signals implies better fault diagnosis. In this work we propose a new solution for inspect the internal signals by light emitting elementary components. They are connected to the main functionalities and report their state through their light emitted. Such solution is implemented in a real silicon analog device showing an improved fault detection. Another technique explored in this work is the use of the eBeam dynamic voltage contrast to access the lowest level of metals.The third area concern the fault diagnosis using analog simulation. We propose a solution to find the relevant signals and devices of an integrated circuit. This method helps the analyst to focus only on the list of circuit features that are relevant respect to the failure. We developed it, using standard analog simulators. Besides we also introduce the use of modern analog fault simulation available on the market. The exploitation of such simulators along with standard failure analysis techniques is presented. We developed a new workflow for fault diagnosis and applied to real cases. Thanks to this method, a list of candidates to look at is available during the analyses. Finally, we propose a robust diagnosis flow, in which all the techniques and innovations presented in this thesis are mixed. Its application allows the analyst to solve critical cases with a multitude of solutions. The analyses become faster and more accurate.