Développement de solutions robustes aux radiations pour les systèmes à haute performance et faible consommation

Developing radiation-hardening solutions for high-performance and low-power systems

• Auteur / Autrice : Capucine Lecat-Mathieu de Boissac
• Direction : Jean-Luc Autran, Daniela Munteanu, Fady Abouzeid
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Société STMicroelectronics Rousset SAS
• Jury : Président / Présidente : Véronique Ferlet-Cavrois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Dutoit, Jan Andersson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Wrobel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes sur puce

Solides en vrac -- Écoulement

Technologie silicium sur isolant

Radioprotection

Rayonnements ionisants

Semiconducteurs

Systèmes embarqués (informatique)

Nanoélectronique

Nanotechnologie

Mots clés libres

Particules ionisantes

Aléas~logiques (SEU)

Set

(Ser)

Détection

Classification

Substrat massif

Silicium~sur~isolant totalement~déserté (FD-SOI)

28~nm

22~nm

40~nm

Durcissement électronique

Système-Sur-Puce (SoC)

Attaques laser

Ionizing particles

Single-Event upset (SEU)

Single-Event transient (SET)

Soft-Error~rate (SER)

Detection

Classification

Bulk

Fully-Depleted silicon~on~insulator (FD-SOI)

28~nm

22~nm

40~nm

Radiation hardening

Systems on chip (SoCs)

Laser attacks

Résumé

De nouveaux acteurs industriels déploient de larges constellations de satellites, tandis que d'autres domaines comme l'industrie automobile développent des systèmes robustes. Ces systèmes s'appuient sur des technologies avancées, telles que le UTBB FD-SOI, afin d'atteindre les performances nécessaires. La complexité et la vitesse croissantes des systèmes nécessitent une caractérisation précise de ces technologies, ainsi qu'une adaptation des techniques traditionnelles de durcissement. L'objectif est l'étude des effets des radiations dans les technologies FD-SOI et bulk, ainsi que la recherche de mécanismes innovants de durcissement. Une structure intégrée de mesures des SETs, auto-calibrée et conçue grâce à un flot de conception automatisé est d'abord présentée. Elle permet la caractérisation de 4 technologies. La réponse aux radiations des cellules numériques est ensuite évaluée par des tests sous faisceau et par le biais de simulations TCAD, permettant d'étudier l'influence de la tension, de la fréquence de fonctionnement ainsi que l'application d'une tension en face arrière sur la sensibilité. Le TID est également étudié à l'aide d'un bloc de mesure intégré. Les différents résultats sont ensuite utilisés afin de proposer une nouvelle solution de durcissement pour les systèmes sur puce, qui rassemble les précédents blocs de mesure dans un module d'évaluation en temps réel du milieu radiatif. Une unité de gestion de l'énergie pour adapter les modes de fonctionnement au profil de mission. Enfin, une utilisation détournée du détecteur de SETs est proposée dans un contexte de sécurité des systèmes pour détecter et contrer les attaques laser

New actors have accelerated the pace of putting new satellites into orbit, and other domains like the automotive industry are at the origin of this development. These new actors rely on advanced technologies, such as UTBB FD-SOI in order to be able to achieve the necessary performance to accomplish the tasks. Albeit disruptive in terms of intrinsic soft-error resistance, the growing density and complexity of spaceborne and automotive systems require an accurate characterization of technologies, as well as an adaptation of traditional hardening techniques. This PhD focuses on the study of radiation effects in advanced FD-SOI and bulk silicon processes, and on the research of innovative protection mechanisms. A custom, self-calibrating transient measurements structure with automated design flow is first presented, allowing for the characterization of four different technologies during accelerated tests. The soft-error response of 28~nm FD-SOI and 40~nm bulk logic and storage cells is then assessed through beam testing and with the help of TCAD simulations, allowing to study the influence of voltage, frequency scaling and the application of forward body biasing on sensitivity. Total ionizing dose is also investigated through the use of an on-chip monitoring block. The test results are then utilized to propose a novel hardening solution for system on chip, which gathers the monitoring structures into a real-time radiation environment assessment and a power management unit for power mode adjustments. Finally, as an extension of the SET sensors capability, an implementation of radiation monitors in a context of secure systems is proposed to detect and counteract laser attacks