Fiabilité des diodes de protection ESD soumises à des décharges électrostatiques répétitives

National audienceThe sensitivity of integrated devices towards electrostatic discharge (ESD) is still highly topical with the reduction of technological dimensions. The electronic applications that have become more portable suffer in their harsh external environment. Indeed, the industrial developments associated to the severity of the environment lead to high reliability requirements from customers. Thus, the specifications that were initially limited to electronic systems are now being extended to integrated circuits and discrete devices. To ensure excellent levels of reliability, including for repetitive ESD, we implemented a methodology to study and understand the failure mechanisms by means of physical characterization, electrical characterization and electro-thermal simulation. New customer specifications require not only an ESD robustness of 15 kV (following IEC 61000-4-2 type of standard) but also a guaranteed endurance to the repetition of 1000 electrostatic discharges at 15 KV stress level. Bidirectional diodes are often localized at the input and output connections of integrated circuits. These devices are used to ensure protection against electrostatic discharge that may arise during the lifetime of the system. In this work, physical investigations and failure analyses were performed to draw the degradation scenario describing the nature of the defect and its evolution. By confronting electro-thermal simulation and experimental results, we confirmed the physical phenomena such as electro-thermo-migration arise during repeated ESD event. Finally, an optimization of the diode reliability in term of endurance is demonstrated by an improvement of the manufacturing process.La sensibilité des composants vis-à-vis des décharges électrostatiques (ESD) reste d’actualité avec la réduction des dimensions technologiques. En effet, les développements industriels et la sévérité de l’environnement subi par les applications électroniques, qui sont devenues de plus en plus portatives, mènent aujourd’hui au durcissement des conditions de fiabilité requises par les clients. Des spécifications initialement limitées aux systèmes électroniques se voient désormais étendues aux circuits intégrés. Afin de garantir d’excellents niveaux de fiabilité ESD, la méthodologie qui a été mise en œuvre consiste à comprendre des mécanismes de dégradation en ESD répétitives à travers les moyens de caractérisation physique, électrique et de simulation électrothermique. En effet, une nouvelle spécification client exige non seulement une immunité ESD de 15 kV suivant une norme de type IEC 61000-4-2, mais réclame aussi une garantie de la non dégradation des fonctionnalités, suite à la répétition de 1000 décharges de 15 kV sur le circuit intégré. La diode bidirectionnelle constitue le composant à la base de notre étude. Elle est très souvent localisée en entrée et en sortie des circuits intégrés et permettant ainsi d’assurer leur protection vis-à-vis des décharges électrostatiques (ESD) pouvant surgir durant la durée de vie du système. Les investigations physiques sur la défaillance ont permis de redessiner le scénario de dégradation en étudiant la nature du défaut et les causes de sa génération, et ainsi décrire l’évolution jusqu’à la défaillance. Confronter la simulation électrothermique aux résultats expérimentaux a confirmé l’importance des phénomènes physiques tels que l’électro-thermo-migration durant la répétition d’un stress ESD. A l’issue de ces analyses, l’optimisation de la fiabilité et ne particulier de l’endurance de la diode a été confirmée grâce à la suppression du défaut initial au travers de l’amélioration du processus de fabrication