Caractérisation électrique et vieillissement de résistances de silicium polycristallin modifiées par laser

La technologie CMOS et les procédés de fabrication conventionnels pour des circuits intégrés sont associés à une incertitude sur la valeur des composants. Cette variabilité des procédés de fabrication peut avoir des conséquences sur les performances des circuits et plus particulièrement dans le domaine des circuits analogiques. De nos jours, les circuits intégrés sont constitués de technologies numériques qui tolèrent une incertitude de fabrication et de composants analogiques, tels que des résistances, qui nécessitent un ajustement précis de leur valeur. Cet ajustement peut être effectué à l'aide d'une méthode de post-fabrication ou bien par une modification du procédé de fabrication, afin d'obtenir des circuits performants et compétitifs. Plusieurs méthodes ont été développées pour améliorer les performances des résistances par des méthodes de post-fabrication dont l'ajustement de la valeur des résistances par laser. Dans ce mémoire, les composants utilisés sont des résistances de silicium polycristallin (Poly-Si) fabriquées à l'aide d'une technologie CMOS de 180 nm sur des circuits intégrés permettant une intervention laser sur la surface des résistances. Pour réaliser les différents ajustements, un laser pulsé nanoseconde est utilisé dont la fluence d'opération est située autour ou en dessous de la fluence seuil de fonte du Poly-Si pour éviter des dommages à la structure du matériau. Cette méthode présente plusieurs avantages dont la diminution des risques d'endommager des circuits sensibles environnants. En effet, la forte localisation du traitement par laser permet de ne pas affecter les autres composants du circuit lors d'une intervention. De plus, les structures utilisées ne nécessitent pas d'étapes de fabrication supplémentaires, ce qui permet de réduire les coûts et prend peu de place sur le circuit. Cette méthode permet de réaliser un ajustement fin, précis et reproductible de la résistance avec une erreur maximale de 500 ppm. L'objectif de ce projet de maîtrise est d'analyser les différents paramètres laser qui permettent d'obtenir un ajustement précis des résistances avec la meilleure stabilité possible. Des mesures par spectroscopie Raman permettent d'observer et de caractériser les changements structuraux sur la couche de Poly-Si engendrés par l'intervention laser. Les mesures électriques de plusieurs résistances permettent de caractériser les paramètres laser permettant d'obtenir les composants les plus performants et les plus stables lors d'une irradiation par laser. Des mesures ont été réalisées à l'aide d'un four de chauffage pour simuler le vieillissement prématuré des structures et pour pouvoir caractériser la stabilité des résistances dans le temps. Il est démontré

Abstract

Several classes of integrated microelectronic circuits require highly precise and stable analog components that cannot be obtained directly through standard CMOS fabrication processes. Those components must thus be calibrated either by a modification of the fabrication process or by the application of a post-fabrication tuning procedure. Many successful post-fabrication tuning processes have been introduced in the field of resistor calibration, including resistor laser trimming which is the core subject of this thesis. In this thesis, trimmed components are standard CMOS 180nm technology polysilicon resistors, integrated in circuits specially designed to allow laser intervention on their surface. The laser used is a nanosecond pulsed laser for which the fluence is set below the melting threshold of polysilicon in order to prevent damage to the material structure. This novel low-power highly localized procedure reduces the risk of damaging sensitive surrounding circuits and requires no additional fabrication step, allowing smaller dies areas and reduced costs. Precise, reliable and reproducible devices have been tuned using this technique with a precision below 500 ppm. The main objective of this research is to study and analyze the effect of the laser parameters variation on the trimmed component properties and to optimize those parameters in regard of the desired precision and stability of the final product. Raman spectroscopic measurements are performed to observe and characterize structural modifications of the polysilicon material following laser irradiation as precise resistance measurements and standardized in-oven aging tests allow the complete characterization of the device in regard of precision and stability. It is shown that for a given precision, this novel low-power trimming technique produces devices with a stability comparable to those obtained with another trimming technology such as the pulsed current method. An electrical model is also developed to predict the resistance modification with the laser fluence, the number of pulses as well as the duration of those pulses. The model is shown to be 1 500 ppm accurate when laser fluence is set accordingly to the melting threshold of polysilicon. Concerning stability, results show that, following a 300 h, 150 °C aging procedure, laser trimmed components present a 1.2% resistance drift from their initial resistance value whereas a 0.7% drift is observed on untrimmed samples. Those results are comparable to those obtained with the pulsed current trimming technique which produces trimmed component with a 1% resistance drift following a 200 h 162 °C aging procedure.