Etude par modélisation des évènements singuliers (SET/SEU/SEL) induits par l’environnement radiatif dans les composants électroniques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Modeling of single event effects (SET/SEU/SEL) induced by the radiation environment in CMOS technologies

Etude par modélisation des évènements singuliers (SET/SEU/SEL) induits par l’environnement radiatif dans les composants électroniques

Résumé

The spatial radiative environment is particularly critical for the reliability of integrated circuits and embedded electronic systems. This environment loaded with energetic particles (proton, electron, heavy ions, etc.) can lead to transient (SET), or permanent (SEU) and in some cases destructive failures (Latchup, SEL) in embedded devices. The effect of a single particle is identified as a single event effect (SEE). The constraints imposed by technological integration push micro-electronics manufacturers to consider the vulnerability of their components to Latchup while considering non-destructive phenomena such as data corruption (SEU/MBU). This thesis is the result of collaboration between ONERA and Sofradir, an electronic manufacturer of infrared imagers. The aim of this thesis is to study the singular effects (SET / SEU / SEL) of the CMOS technology used by Sofradir under cryogenic temperature conditions, and more particularly the Latchup effect. First, this thesis allowed to analyze the impact of cryogenic temperatures on the SET sensitivity of two readout circuit of infrared image sensor designed by Sofradir. Experimental SETs data have been measured during SEE test campaign at UCL (Université Catholique de Louvain la Neuve) with the heavy ion test facility in Belgium for a wide temperature range from 50K to 300K. The measurements show a limited temperature dependence of the SETs susceptibility of the two infrared image read circuits (ROIC). The SEE sensitivities of the two ROICs are relatively low and conform to Sofradir requirements. Finally, the multiplicity dependence of SETs according to their duration has been quantified and analyzed. The MUSCA SEP3 prediction tool confirmed the assumptions made in this analysis. No Latchup has been measured during this campaign. This robustness Latchup at cryogenic temperatures was investigated. First, a simulation model was developed by selecting the most relevant physical models to describe the specific behaviors of the component at low temperatures. The methodology of this study is based on a theoretical analysis (TCAD/SPICE simulations) of the Latchup trigger for academic technology. This first study made it possible to understand the parameters involved in the triggering mechanisms at low temperatures. This analysis shows a good correlation of the trends with the experimental data of the literature. In order to generalize the study to Sofradir's technology, TCAD simulations were carried out on three CMOS structures corresponding to different inverter geometries used by Sofradir during the design of its read circuits. The simulations show an immunity of Sofradir technology against Latchup at low temperatures. On the other hand, some Latchup events were observed at high temperatures. A specific study of the design and doping effects on Latchup sensitivity was conducted in order to propose Latchup hardening solutions. Finally, an electrical modeling of the Latchup has been proposed in order to integrate with the SEE prediction platform MUSCA SEP3 developed by ONERA with the aim of addressing both evaluation, characterization and support Development of CMOS circuits in a space environment.
L’environnement radiatif spatial est particulièrement critique pour la fiabilité des circuits intégrés et systèmes électroniques embarqués. Cet environnement chargé en particules énergétiques (protons, électrons, ions lourds, etc) peut conduire à des pannes transitoires (SET) ou permanentes (SEU) et, dans certains cas, destructives (type Latchup, SEL) dans les dispositifs embarqués. L'effet d'une seule particule est identifié comme un événement singulier (SEE). Les contraintes imposées par l'intégration technologique poussent les fabricants de micro-électroniques à prendre en considération la vulnérabilité de leurs composants vis-à-vis du Latchup tout en considérant les phénomènes non destructifs tels que la corruption de données (SEU/MBU). Cette thèse est le fruit d'une collaboration entre l'ONERA et Sofradir, fabricant électronique d'imageurs infrarouges. L'objectif de cette thèse est d'étudier les effets singuliers (SET/SEU/SEL) de la technologie CMOS utilisée par Sofradir dans des conditions de températures cryogéniques, et plus particulièrement l'effet Latchup. Tout d’abord, cette thèse a permis d’analyser des données expérimentales d’événements transitoires (SET) mesurés sur différents circuits de lecture irradiés par faisceau d’ions lourds pour une large gamme de température de 50 K à 300 K. Les mesures mettent en évidence une dépendance à la température limitée de la sensibilité SET des deux circuits de lecture des imageurs infrarouges (ROIC). Les sensibilités SEE des deux ROIC sont relativement faibles et conformes aux exigences de Sofradir. Pour terminer, la dépendance mesurée de la multiplicité des SET selon leur durée a été quantifiée et analysée. L’outil de prédiction MUSCA SEP3 est venu confirmer les hypothèses formulées lors de cette analyse. Enfin, aucun événement Latchup n’a été mesuré. Cette robustesse au Latchup aux températures cryogéniques a été investiguée. Dans un premier temps, un modèle de simulation a été développé en sélectionnant les modèles physiques les plus pertinents afin de décrire les comportements spécifiques du composant à basses températures. La méthodologie de cette étude s’appuie sur une analyse théorique (simulations TCAD/SPICE) du déclenchement du Latchup pour la technologie académique. Cette première étude a permis de comprendre les paramètres impliqués dans les mécanismes de déclenchement à basses températures. Cette analyse montre une bonne corrélation des tendances avec les données expérimentales de la littérature. Afin de généraliser l’étude à la technologie de Sofradir, des simulations TCAD ont été réalisées sur trois structures CMOS correspondant à différentes géométries d’inverseurs utilisés par Sofradir lors du design de ses circuits de lecture. Les simulations montrent une immunité de la technologie Sofradir vis-à-vis du Latchup à basses températures. En revanche, certains événements Latchup ont été observés à hautes températures. Une étude spécifique des effets technologiques de l’inverseur sur la sensibilité Latchup a alors été conduite. L’impact des paramètres dopage et design est étudié afin de proposer des solutions de durcissement au Latchup. Enfin, une modélisation électrique du Latchup a été proposée afin de s’intégrer à la plateforme de prédiction SEE, MUSCA SEP3, développée par l’ONERA dans le but d’adresser à la fois l’évaluation, la caractérisation et l’aide au développement de circuits CMOS en environnement spatial.
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Identifiants

  • HAL Id : tel-01716472 , version 2

Citer

Ahmad Al Youssef. Etude par modélisation des évènements singuliers (SET/SEU/SEL) induits par l’environnement radiatif dans les composants électroniques. Electronique. INSTITUT SUPERIEUR DE L'AERONAUTIQUE ET DE L'ESPACE (ISAE), 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01716472v2⟩
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