i m s journées scientifiques du cnfrs : "nanosciences et radioélectricité", 20 et 21...

I M SI M SI M SI M SJournées scientifiques du CNFRS : "Nanosciences et Radioélectricité", 20 et 21 Mars 2007, PARIS

Nouvelles approches d'évaluation de la fiabilité : Perspectives pour les nanotechnologies - New approaches of reliability assessment :

Prospects for nanotechnologies

Nouvelles approches d'évaluation de la fiabilité : Perspectives pour les nanotechnologies - New approaches of reliability assessment :

Prospects for nanotechnologies

L. Bechou*, Y. Danto*, JY. Deletage*, F. Verdier*D. Laffitte**, JL. Goudard**

*Laboratoire IMS – Université Bordeaux 1 - UMR CNRS n°5218351, Cours de la Libération – 33405 Talence Cedex

mél. [email protected]**AVANEX-France, Route de Villejust, 91625 Nozay Cedex

mél. [email protected]

1


Evaluation de la fiabilité: Contexte et enjeux

Nanotechnologies: Contraintes liées aux approches "top-down" et "bottom-up"

Construire la fiabilité: Nouvelles approches de prévision de durée de vie (Cas d'étude)

Synthèse : Feuille de route pour l'évaluation de la fiabilité des nanotechnologies

Plan de l'exposé

2


La réduction de l'échelle technologique s'accroît rapidement

La complexité des fonctions augmente

Les environnements sévères se banalisent

Changements technologiques récents et majeurs (nouveaux mécanismes physiques)

Exigence "haute" fiabilité irréversible

Challenge fiabilité: "critique"

MAIS…

1- Evaluation de la fiabilité : Contexte et enjeux

Vers la fiabilité construite

3


Objectifs de fiabilité pour les nanotechnologies*

* Critical Reliability Challenge for The ITRS, published by RTAB at Sematech, 2005

ITRS = International Technology Roadmap for Semiconductors

4


Le challenge actuel de la fiabilité…

Taux de défaillance ≈ 0

Taux de défaillance

Défaillancesprématurées

Défaillancesaléatoires

Défaillancesd'usure

Temps

Taux de défaillance

Temps

Courbe en "baignoire" ("Bath curve")

"Roal coaster curve"

Vieillissement

F(t)= Ndef / N

Aucune défaillance (ou quasi) sur une durée spécifiée

Une courbe des défaillances cumulées où les défaillances sont concentrées dans un intervalle de temps réduit

Déf. : Taux de défaillance (hazard rate): 1FIT= 1def/109h

F

t

1

5


Exemple de nanocomposants/nanocircuits destinés à être incorporés dans des systèmes mixtes (SOCs)

Circuits multi-technologies et multi-interconnexions : phénomène analogue aux cartes, aux microassemblages et aux microsystèmes

Mêmes exigences de fiabilité que les technologies "micro"

CEMES

6


"TOP-DOWN": Extension des procédés actuels "micro" vers les dimensions nanométriques

"BOTTOM-UP": Synthèse chimique et exploitation des structures moléculaires ou atomiques

Points communs :

=> Nouveaux matériaux: diélectriques, interconnexions…=> Evolution des procédés de lithographie: Extrême UV, Optique

Faisceaux d’électrons, Nanoimpression… => Introduction de « désordre » intrinsèque dans les procédés :

1D-nanowire, réseaux CNT pour biocapteurs=> Fort impact des fluctuations technologiques/dispersions

paramétriques

2- Nanotechnologies: Contraintes liées aux approches "top-down" et "bottom-up"

F(t)

temps (h)

1t

)t(

t

e1)t(F

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

1%2%5%

10%20%50%90%99%

104 105 106

=1,2

=10

=1,2

=4

~ 10 FIT

11 ans

technologie maîtrisée (faible dispersion)

technologie robuste dispersive

technologiefragile

technologie peu mature (fortement dispersive)

7


Contraintes associées aux dispositifs nanotechnologiques

- Faible population de composants => faible rendementde fabrication

- Structures élémentaires et défauts de tailles identiques

- Sensibilité aux EOS/rad SEU

- Sensibilité aux agressions chimiques (surfaces)

- Fragilité thermique (organiques)

- Susceptibilité thermomécanique, fatigue mécanique

- Connexion avec l’environnement « micrométrique »

IMEC

CEMES

8


3- Construire la fiabilité: Nouvelles approches de prévision

de durée de vie

9


• Lentille SiO2

• Puce InGaAs/GaAs

• Support Fe/Ni

• Miroir

- Criticité du stockage actif ( 125 °C – 110 mA)

- Vieillissement prématuré (après 400 h)

DEL A3

- Caractérisations électriques/optiques

- Etude des mécanismes de dégradation

- Caractérisations électriques/optiques

- Etude des mécanismes de dégradation

Ex. 1 - Fiabilité de DELs InGaAs/GaAs 935 nm encapsulées : Du mécanisme physique de dégradation … à la distribution des durées de vie (Collaboration IXL-CNES)

10


Hypothèse : Augmentation du courant de

recombinaison => diminution de la durée

de vie des porteurs dans la zone active

Hypothèse : Augmentation du courant de

recombinaison => diminution de la durée

de vie des porteurs dans la zone active

)kT2

qVexp(II hj)II(

)T(f

2

NNkdqna 1a0i

)t(gDt16

K

Dt16

mMb

)bVexp()T(aII)T(I 0hjhjcrhj

Courant induit par la présence

de centres recombinants (non-radiatifs)

Paramètres analysés en température et en durée de vieillissement

Paramètres analysés en température et en durée de vieillissement

Deshayes, Thèse de Doctorat, Université Bordeaux 1 , (2002)

11


I M SI M SI M SI M SOrigine du mécanisme de défaillance : Evolution du profil de dopage et augmentation du niveau de dopage P dans la zone active InGaAs (activée en température)

Origine du mécanisme de défaillance : Evolution du profil de dopage et augmentation du niveau de dopage P dans la zone active InGaAs (activée en température)

InGaAs

Na1

Na

N0

Concentration

0 -d

K1200

K600

x

a (T) ~ 10-11A/V1/2

b (t) = 5,5 V-1

T = 300 K T = 398 K

a (T) ~ 10-8A/V1/2

b (t) = 5,5 V-1

D 4,5.10-23 m².s-1

K (600h) ~ 10.10-19 m².s-1

K

(1200h)

~ 3.10-19 m².s-1

Relation courant de saturation =f(a, b) – constantes de diffusion (D, K)

T. Mozume, J. of Crystal Growth, 227, p. 577-581, 2001

12


%201/texpP

Pa

0

opt

Impact de la distribution paramétrique de la puissance optique initiale sur la distribution

des durées de vie en conditions opérationnelles (100 mA, 125°C)

Impact de la distribution paramétrique de la puissance optique initiale sur la distribution

des durées de vie en conditions opérationnelles (100 mA, 125°C)

accop

a

op

accTI T

1

T

1

k

Eexp

I

IAFAFAF

:T) (I, mixte Contrainte

ta = Constante de dégradation (s-1)

0

50000

100000

150000

200000

250000

6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

Initial optical power (mW)

t EO

L (h

ours

)1-1-2

Average P0

2

Deshayes et al. QREI, 21, p. 571-594 , (2005)

Donnée fabricant => Pmin = 4,7 mW

13


Non-linéarité optique :Non-linéarité optique :

Multiplexage

Conversion de

Régénération optique

Non-linéarité optique :Non-linéarité optique :

Multiplexage

Conversion de

Régénération optique

IntégrationIntégration : :

Amplification optique

en ligne

Pré-amplification

(Booster)

IntégrationIntégration : :

Amplification optique

en ligne

Pré-amplification

(Booster)

Commutation : Commutation :

portes logiques

Commutation : Commutation :

portes logiques

Ex. 2 - Fiabilité d'amplificateurs optiques (SOA) InGaAsP/InP 1,55 µm : Technologie en maturité – Reconstruction statistique de durées de vie

(Collaboration IXL-ALCATEL Optronics-OPTO+)

14


InP(P)InP(P)

InGaAsPInGaAsPZone active

Zone passive

InP(N)InP(N)

Vue d’un ruban Vue d’un ruban après gravure et restaurationaprès gravure et restauration

Wafer 2

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 168 336 504 672Time (h)

Po

tp/P

op

t (%

)

0

5

10

15

20

25

[email protected]

W/I@

0.6mW

(%)

SOA 2ASOA 2BSérie2Série3

Wafer 1

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 168 336 504 672Time (h)

Po

pt/

Po

pt

(%)

0

5

10

15

20

25

[email protected]

W/I@

0.6mW

(%)

SOA 1A

SOA 1B

SOA 1B

Série3

Comparaison technologique sur deux wafers sous contraintes accélérées 40kA/cm² - 100°C

(technologie transférée OPTO+ => ALCATEL Optronics)

Comparaison technologique sur deux wafers sous contraintes accélérées 40kA/cm² - 100°C

(technologie transférée OPTO+ => ALCATEL Optronics)

Qualité épitaxie InP-p/InGaAsP

Défauts dans zones latérales du ruban

700 µm

6 µm

9.2 µm

15


Extrapolation par une loi de dégradation de la dérive de [email protected] analysée :

- Distribution des couples (a, m) expérimentaux en conditions accélérées (10 SOAs)- Couples (a,m) sont corrélés linéairement

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Temps (h)

Ith/

Ith@

0.6m

W (%

)

7FG1H7FG1I7FG1H calc7FG1I calc

y=0.0318t0.892

y=0.0327t0.755

Critère de défaillance

y = -4.2799x + 0.9902

R2 = 0.5903

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

a

m

Coefficient a Coefficient m

Minimum 0.0173133 0.673

Maximum 0.0727788 0.964

Moyenne 0.0369274 0.832

Ecart-type 0.0172234 0.096

m=-4,227ln(a)+0,99(estimateur RMS)

)kT

Eexp(atI am

mW6,0

Renforcement statistique du nombre d'échantillons par tirages Monte-Carlo

(Ea expérimental = 0,7 eV)

Renforcement statistique du nombre d'échantillons par tirages Monte-Carlo

(Ea expérimental = 0,7 eV)

Objectif : Reconstruire la distribution des durées de vie en tenant compte du biais

(m) sur la loi de corrélation

Objectif : Reconstruire la distribution des durées de vie en tenant compte du biais

(m) sur la loi de corrélation

A. Guichardon, Ph.D, Univ Paris XI, Juin 1995 M. Pommies, , Ph.D, Univ. Limoges, Janvier 2002

BalnAmm iii

16


Répartition de l'erreur entre les distributions cumulées expérimentale et simulée (%)

Distribution cumulée simulée Fan(a, m) – 1024 points

Reconstruction statistique de la distribution des durées de vie d'un SOA en conditions opérationnelles

Distribution des instants de défaillance en fonction du paramètre a

Prévision des 1ers instants de défaillance

≈ 5.104 h (5 ans)

sous 25°C-200 mA (AF = 355)

Prévision des 1ers instants de défaillance

≈ 5.104 h (5 ans)

sous 25°C-200 mA (AF = 355)

Huyghe et al. Microel. Rel., 45, p. 1593-1599 , (2005)

17


Ex. 3 - Fiabilité de microassemblages à forte intégration : Prise en compte des dispersions paramétriques – Modèles mixtes (Collaboration IXL-SOLECTRON-ALCATEL)

CSP 48 I/O

Distribution des durées de vie

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

device parameter

np

df

SPC datafitting law

Dispersion technologique

Dispersion technologique

Modèle physiquede dégradationSimulations FEMSimulations FEM Tests accélérésTests accélérés

- Assemblages de matériaux très hétérogènes – Criticité des interconnexions (joints de brasure) - Comportement thermo-mécanique fortement lié aux différences de coefficient d'expansion thermique- Conditions opérationnelles : 0/80°C

Deletage, Thèse de Doctorat, Université Bordeaux 1 , (2004)

18


Choix d'un critère de défaillance

(fissuration complète du joint)

Loi de distribution cumulée de

défaillance (Weibull)

Tests accélérés (-55/+125 °C)

N = 33 Cartes

Analyse par microsections

de la surface des phases de plomb

)kT

Eexp(tNAS a

pcb

0

0,25

0,5

0,75

1

0 1000 2000observation date (number of cycles)

fail

ure

func

tion

F

FmaxFwFmin

0

0,25

0,5

0,75

1

0 1000 2000observation date (number of cycles)

fail

ure

func

tion

F

FmaxFwFmin

Problème : Comment prendre en compte la dispersion technologique ?

19


FEM : calcul de =f(hauteur des billes)

à partir des données SPC (Loi normale)

Calcul des distributions de (Loi normale)

Calcul des distributions de défaillance

en conditions accélérées et de mission

(AFmoy ≈ 10)

)kT

E2exp(NoNc ab2

f

)]T

1

T

1(

k

E2exp[

tp

tp

Nc

NcAF

12

a

2

1

2

1

1

2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

pdf

exp. data

fitting law

mean value

3

2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

pdf

exp. data

fitting law

mean value

3

2

0

50

100

0 5 10103

Distribution function

050100150200250

Probability density

cycles de NombreNc

cN

c e1)N(F

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

100 1000 10000 100000number of cycles

F (W

eibu

l sca

le)

CSP48

PBGA192

Weibul fits

test conditions user conditions

Tests accélérés

Profil de mission

20


Intégrer l’objectif fiabilité dès la mise au point technologique

Choix technologiques: matériaux, procédés, configurations

Stabiliser les procédés (approche "bottom-up")

Identifier les paramètres critiques et les contraintes actives (AMDEC)

Analyser l’effet des dispersions technologiques et les contrôler

Répertorier et classer les mécanismes de défaillance (tests accélérés)

Intégrer dans le développement les aspects interconnexions et packaging

Développer des architectures circuits tolérantes (reconfiguration, redondance)

4- Synthèse

21


Proposition d'une feuille de route pour l'évaluation de la fiabilité des dispositifs nanotechnologies

Construction/Intégration de la fiabilité dès la conception

Analyse comportementalesous contraintes

Analyse comportementalesous contraintes

Modélisation desdégradations

Modélisation desdégradations

Prévision de la fiabilité

Prévision de la fiabilité

- Stratégies de tests accélérés

- Caractérisations – Indicateurs précoces

- Modèles analytiques/simulation physique

- Analyses physico-chimiques

- Méthodes statistiques/Impact des dispersions

- Simulation "système" => connectivité "micro"

22


Modèles physiques Modèles physiques multi-composantesmulti-composantes

)]0²(n)t(²n[B)0(I)t(II

)N(fI

FPµm3.1Laser.Ex

ththnrnrth

défautsth

Dérive

Cassidy et al. JAP, 95/5, 2264-2271, (2004)

Vers la prise en compte de l'aspect microscopique pour la simulation de la fiabilité…

Non-radiatif Recuit de défauts

Collaboration IMS – Université McMaster (Ontario)Collaboration IMS – Université McMaster (Ontario) Proposition d'un projet blanc ANR : "FIQnano" (IMS-CENBG-ICB-LPCNO/INSA)Proposition d'un projet blanc ANR : "FIQnano" (IMS-CENBG-ICB-LPCNO/INSA)

0 1 2 3 4 5 6 7 8*10-10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50*10-7

0 1 2 3 4 5 6 7 8*10-10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50*10-7

0 1 2 3 4 5 6 7 8*10-10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50*10-7

0 1 2 3 4 5 6 7 8*10-10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50*10-7

t = 0t = 0 t = 25 anst = 25 ans

Collaboration IMS-XLIM-FT R&D-ALCATEL CIT

23

i m s journées scientifiques du cnfrs : "nanosciences et radioélectricité", 20 et 21...

Documents