Outils CNES pour le support à la conception et à l analyse de défaillanced. Kevin Sanchez

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1 Outils CNES pour le support à la conception et à l analyse de défaillanced Kevin Sanchez 1

2 2 Sommaire Analyse électrique Buts & moyens Analyse optique Présentation des moyens et des techniques basés sur: Emission de lumière Stimulation laser Localisation de défaut Diagnostic, caractérisation de structures, «design/debug» Quelques exemples Conclusion

3 3 Analyse et test électrique Diagnostic de CI Évaluation des performances et identification des défaillances Analyse de défaillanced Reproduction du mode de défaillance Couplage avec les outils d analyses optiques Moyens de test électriques EXA voies numériques à 400MHz (multiplexage pour 1.6GHz, 4 voies analogiques Sapphire 96 voies numériques à 400MHz Deux IMS 96 voies à 200MHz 176 voies à 200MHz, analogique 30kHz Instrumentations diverse Traceur I de V, "Time Domain Reflectometry", etc.

4 4 Les techniques d analyses d optiques Deux modes: CI émetteur (Observation) Émission de lumière CI Récepteur (Stimulation) Stimulation laser Stimulation électrique Emission de photons CI statique CI dynamique laser Mise en œuvre Microscopie classique et à balayage laser Accès possible en face avant et en face arrière Information électrique

5 5 Microscopie optique et à balayage laser Optica PHEMOS-1000 Détecteur TRE, PICA Stimulation laser à 1340nm et à 1064nm Chambre noire et anti-vibrations Caméra CCD aminci face arrière Stimulation laser à 1340nm Chambre noire et anti-vibrations

6 6 Émission de lumière Différentes sources d éd émissions Émission de lumière statique Point chaud Jonction PN polarisée (directe / inverse) Émission de lumière dynamique Activité dynamique des transistors MOS

7 7 Émission de lumière dynamique Émission de lumière d un d inverseur CMOS Vdd V in V out V in V out Emission Probability

8 8 Émission de lumière statique et dynamique Deux modes d acquisition: d Intégration Localisation de défaut franc Localisation des zones dynamiques Dynamique Identification de portes présentant une faiblesse Analyse dynamique de la propagation des signaux Besoin d information partielle ou complète du design 3500 Photons counts W = 0,45 µm W = 0,3 µm W = 0,15 µm W = 0,6 µm ,3 5,76 9,22 12,7 16,1 19, , ,4 36,9 40,3 43,8 47,2 50,7 54,1 57,6 61,1 64, ,4 74,9 78,3 81,8 85,2 88,7 92,2 95,6 99,1 Time (ns)

9 9 Émission de lumière dynamique «Probing» des zones d éd émissions Mesure des temps de propagation Timing

10 10 Émission de lumière dynamique «Probing» des zones d éd émissions Mesure des temps de propagation Analyse des formes d ondes

11 11 Exemple d application, d R & T, FPGA Émission de lumière dynamique Intégration 120s Objectif 0.5X V DD = 2.5V Activation électrique dynamique (10MHz) Acq.2 Acquisition de l él émission de lumière dynamique et statique

12 12 Exemple d application, d R & T, FPGA Émission de lumière statique Intégration 120s Objectif 0.5X V DD = 2.5V Polarisation statique (input=0) Acquisition de l él émission de lumière statique

13 13 Exemple d application, d R & T, FPGA Soustraction des acquisitions Soustraction des acquisitions => Zones d émissions dynamiques Cluster activé électriquement I/O buffers

14 14 Exemple d application, d R & T, FPGA «Time Resolved Emission» 5 2 4

15 15 Émission de lumière dynamique PICA: "Picosecond" Imaging Circuit Analysis"

16 16 LASER Stimulation laser reflection Amplitude Phase Polarisation... absorption Device under test transmission Electrical parameters

17 17 Stimulation Thermique Laser (TLS) Laser à λ 1300nm Élévation locale de température -> deux perturbations électriques Variation de résistance Thermal expansion Metal resistivity Resistance variation dr = ρ L ( 0 α 2δ )dt S TCR T Temperature variation Création d une force électromotrice, "Seebeck effect" Jonctions Temperature gradient Electromotive force V = K ( T T TH 0 )

18 18 Stimulation photoélectrique laser (PLS) Laser à λ = 1064nm Génération de paires électrons trous dans le silicium Séparation des e - / h + induit un courant Silicon Absorption e - / h + Generation G( r, z) = ηα I( r, z ) Quantum efficiency (<1) Laser intensity

19 19 Stimulation laser, CI statique Microscopie à balayage laser Ctrl. Source laser Y X Video Video Stimulation thermique Stimulation photoélectrique DUT Amplificateur

20 20 Stimulation laser, CI statique, localisation de défautd I leakage ~ 5V TLS (20x) I leakage ~ 3V TLS (20x) TLS (200x) Polymeric metallic short (M1-M2) Parasitic via (M2-M3)

21 21 Stimulation dynamique laser Ctrl. Source laser Y X Video Video Étude du test fonctionnel sous balayage laser DUT Test fonctionnel

22 22 Effet dynamique de la stimulation laser Inverseur CMOS sous stimulation thermique laser TLS on n-mos TLS on p-mos I DD I DD V OUT V OUT

23 23 Effet dynamique de la stimulation laser Augmentation de la température: variation de résistancer Localisation de défauts résistifs TLS: T( C) R Defect

24 24 Effet dynamique de la stimulation laser Chaleur affecte le comportement dynamique des MOS Caractérisation temporelle TLS: T( C)

25 25 Effet dynamique de la stimulation laser Effet photoélectrique modifie la dynamique des MOS Caractérisation temporelle & localisation de défaut

26 Stimulation dynamique laser 26 Input sequence Stimulation laser IC Output signals Les sorties et les réponses attendues sont égales «FTest= PASS» Les sorties et les réponses attendues sont différentes «FTest= FAIL» = or Expected outputs

27 Stimulation dynamique laser 27 Sélection des conditions initiales: Tension, fréquence, température, etc. Sous stimulation laser le test fonctionnel bascule: Fail vers Pass ou Pass vers Fail Analyse électrique en 2D, Shmoo Localisation de zones sensibles

28 28 Stimulation Dynamique Laser, Test Functional Evolution des conditions initiales de part et d autre de la limite de fonctionnalité Analyse électrique en 2D, Shmoo PASS FAIL

29 29 Stimulation Dynamique Laser, Application Marginalité en température 25 C fonctionnel 70 C non fonctionnel Stimulation thermique laser PASS FAIL Localisation de via résistif

30 30 Stimulation Dynamique Laser, Application ASIC défaillantd Marginalité en température FAIL TLS PASS PASS Temperature 2 ASIC ok à 25 C & à 125 C 1 «fail» à 80 C 2 «fail» à 50 C Pas de sensibilité au laser sur ASIC non défaillant Test fonctionnel sous laser (5X & 50X) Black PASS, White FAIL

31 31 Stimulation Dynamique Laser, caractérisation risation Analyses paramétrique sous balayage laser Mesure du temps de propagation Mesure de fréquence en sortie Analyse spectral du courant de consommation Etc Chaîne d inverseurs, 180nm

32 32 Conclusion Localisation de défautsd Emission de lumière statique Stimulation laser statique & dynamique Support à la conception Mode dynamique Emission de lumière et stimulation laser Caractérisation de structure de test Étude temporelle de la propagation des signaux «design/debug»