Évaluation et modélisation de la sensibilité d'une technologie FinFET à l'environnement radiatif spatial

Evaluation and modeling of the susceptibility of a FinFET technology to the space radiation environment

• Auteur / Autrice : Matthieu Fongral
• Direction : Frédéric Saigne
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : RADIAtions et Composants (RADIAC)

Mots clés

Mots clés libres

FinFET

Effets singuliers

Modélisation TCAD

FinFET

Single-Event Effects

TCAD Modeling

Résumé

Les technologies CMOS de type FinFET tendent à remplacer les technologies planaires pour des gravures sub-20nm. Les composants commerciaux (COTS) les plus performants actuellement disponibles sur le marché s'appuient déjà sur ces technologies. Dans le domaine spatial, les prochaines générations de systèmes embarqués intègreront des composants numériques en technologies FinFET sous la forme de FPGA, de System-on-Chip (SoC) ou d'ASIC pour satisfaire aux besoins des missions en matière d'intégration et de puissance de calcul (autonomie décisionnelle, prétraitement des données…). La thèse proposée vise à caractériser et modéliser la sensibilité aux radiations d'une technologie FinFET qui domine actuellement le marché international du semiconducteur. Outre les aléas logiques classiques, l'un des risques particuliers identifiés sur cette technologie au regard des résultats récents de la littérature est l'occurrence d'un part de latchup ou de micro-latchup qui sont des évènements de type Single-Event Latchup à faible niveau de courant établi. Les micro-latchup sont souvent difficiles à distinguer des variations nominales de consommation d'un composant numérique complexe, ces évènements non destructifs ont un impact fonctionnel fort et induisent une dégradation latente des performances et de la durée de vie des composants (dégradations physiques). A partir des données technologiques issues de la littérature et d'analyses de premier niveau disponibles commercialement (analyses de rétro-engineering sur des produits en technologie FinFET), il s'agira d'étudier par simulation numérique (Synopsys TCAD) les mécanismes physiques de défaillance sous irradiation et les plages de paramètres (LET, tension, température, layout, circuit) associées. L'étude s'appuiera également sur des campagnes d'essais portant sur des structures de test mises à disposition dans le cadre d'un partenariat entre le CNES et un fabricant de composants utilisant cette technologie, ainsi que sur des composants du commerce (type Zynq Ultrascale + de Xilinx) embarquant des applications représentatives de différents cas d'utilisation (traitement d'image, calcul neuronal, benchmarks…) . Des tests sous faisceau de particules et sous faisceau laser seront mis en œuvre, les derniers permettant une localisation et une analyse fine des structures à l'origine des effets les plus critiques. A terme, ce travail doit permettre d'identifier les conditions et de proposer des solutions pour la mise en œuvre de cette technologie dans l'environnement radiatif spatial. Les données issues des simulations et des expériences constitueront également une référence de calibration/validation des outils industriels de prédiction de taux d'évènement (tels que TRADCARE) sur cette technologie.

CMOS technologies of the FinFET type tend to replace planar technologies for sub-20nm nodes. The most performant components-off-the-shelf (COTS) currently available on the market are already built with such technologies. In the space domain, the next generation of embedded systems will include digital components in FinFET technologies like FPGAs, Systems-on-Chip (SoCs) or ASICs to meet missions' requirements in terms of integration and computation resources (for autonomous decision-making, on-board preprocessing of data ). The proposed PhD thesis aims at characterizing and modelling the radiation susceptibility of a FinFET technology that currently dominates the international semiconductor market. Besides the classical single-event upsets, when considering recent results from the literature, one of the critical risks that was identified with this technology is the occurrence of latchup or micro-latchup, the last one being events of the Single-Event Latchup type with a low level of established current. Micro-latchups are often difficult to distinguish from the nominal supply current variations of a complex digital device and those non-destructive events can have a strong impact on the function and induce a latent degradation of the component's performances and life time (physical degradation). Starting from technology data taken from the literature and from commercially available first-level analysis reports (reverse engineering reports on FinFET products), the candidate will first focus on physical modelling, using TCAD simulation, of the mechanisms involved in the radiation-induced failures and the associated parameter ranges (LET, supply voltage, temperature, layout and circuit effects). The study will also rely on campaigns of experiments on test structures, made available in the context of a partnership between CNES and a device manufacturer, as well as on commercial components like Xilinx's Zynq Ultrascale+ embedding applications representing different kinds of use cases (image processing, neuromorphic computation, benchmarks ). Tests under particle beams and laser beams will be performed, the laser ones allowing for the mapping and the detailed analysis of the structures leading to the most critical events. In the end, this work will allow identifying the conditions and proposing solutions for using this technology in the space radiation environment. The simulation and experimental data produced by this work will also constitute a reference set for calibrating/validating industrial event-rate prediction tools (like TRADCARE) for this technology.