Etude et mise en oeuvre de cellules résistantes aux radiations dans le cadre de l'évolution du détecteur à pixels d'Atlas technologie CMOS 65 nm

Studies or rad-hard cells for the future ATLAS pixel detector in 65 nm CMOS technology

• Auteur / Autrice : Denis Fougeron
• Direction : Hervé Barthélemy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 15/01/2020
• Etablissement(s) : Toulon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mer et Sciences. ED 548 (Toulon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) (Marseille, Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Cristinel Diaconu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Barthélemy, Jean-Baptiste Begueret, Sylvain Bourdel, Marlon Barbero, Edith Kussener-Combier, Patricia Desgreys, Mohsine Menouni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Baptiste Begueret, Sylvain Bourdel

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Cartes à mémoire

Microélectronique

Optoélectronique

Expérience ATLAS

Irradiation

Capteurs d'images CMOS

Rayonnement ionisant

Mots clés libres

Code de Hamming

Dose ionisante

Single Event Upset

Single Event Transient

Complementary Metal Oxide Semiconducteur 65 nm

Dual Interlocked Cell

Transition Radiation Tracker

Single Event Upset

Single Event Transient

Tota Ionizing Dose

Hamming Code

Complementary Metal Oxide Semiconducteur 65 nm

Dual Interlocked Cell

Transition Radiation Tracker

Résumé

Cette étude s’inscrit dans le cadre d’une collaboration internationale, RD53, et qui vise à fournir à la communauté scientifique un ASIC « Front-End » de lecture du futur détecteur pixels courant 2022. La technologie 65 nm choisie par la communauté scientifique devra fonctionner dans un environnement extrêmement radioactif (10 MGray) pendant cinq ans d’exploitation sans maintenance possible.Deux approches expérimentales sont décrites dans ce mémoire : 1. Des études en irradiation ont été réalisées afin d'estimer la tolérance à la dose (TID) du process 65 nm pour fixer des règles de conception qui peuvent être respectées pour les cellules numériques et analogiques implantées dans le circuit final. Des véhicules de test (PCM) ont été définis pour être irradiés à l’aide d’une source de rayons X (10 keV – 3 kW) afin d'estimer les effets de dose. Les résultats obtenus sont synthétisés dans les chapitres concernés. 2. Dans le but d'optimiser l'immunité des points mémoires aux effets des SEU, plusieurs circuits prototypes ont été conçus. Ils incluent différentes architectures en vue d’être irradiées. Plusieurs campagnes d'irradiation ont été menées en utilisant un faisceau d'ions lourds et un faisceau de protons à dessein de comparer leur comportement et d’en extraire une cross-section la plus précise possible.

This study is inside an international collaboration context, RD53, which its goal is to provide to the scientific community an electronic front-end for the readout of the future pixel detector in 2022. The 65 nm technology chosen by the collaboration will have to be operational in a highly radioactive environment (10 MGray) for five years without maintenance operation.Two experimental approaches are described in this thesis: 1. Irradiation studies were carried out to estimate the dose tolerance (TID) of the 65 nm process to fix all essentials design rules for digital and analog cells implanted in the final circuit. Test vehicles (PCM) were defined for irradiation using an X-ray source (10 keV - 3 kW) to estimate dose effects. The results we obtained are summarized in the document. 2. In order to optimize the tolerance of memories to the SEE effects, several ASIC prototypes havebeen designed. These prototypes include different architectures for irradiation characterization. Several irradiation campaigns have been carried out using a heavy ion beam and a proton beam in order to a cross-section as accurate as possible.