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 ; Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : RADIAtions et Composants (RADIAC)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Wrobel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Saigne, Karine Coulie, Régis Leveugle, Vincent Pouget, Julien Mekki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Coulie, Régis Leveugle

Mots clés

Mots clés libres

FinFET

Effets singuliers

Modélisation TCAD

FinFET

Single-Event Effects

TCAD Modeling

Résumé

Les technologies CMOS (« Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ») de type FinFET (« Fin Field-Effect Transistor ») tendent à remplacer les technologies planaires pour des finesses de gravure inférieures à 20 nm. Pour des applications dans le domaine du spatial, les récentes générations de systèmes embarqués intègrent déjà des composants numériques en technologies FinFET entre autres sous la forme de SoC (« System-on-Chip »). Or, les composants électroniques exposés à l’environnement radiatif spatial sont susceptibles de connaitre différents types de défaillances. Au cours de cette thèse, les travaux menés nous ont permis d’étudier la sensibilité aux effets singuliers (SEE) des radiations de la technologie bulk FinFET en 16 nm à travers la modélisation de la technologie et l’expérimentation sous faisceau laser en mode Single-Photon Absorption (SPA). Nous présentons dans un premier temps un état de l’art des technologies FinFET et de leurs sensibilités aux effets singuliers. Une modélisation de la technologie est ensuite réalisée à l’aide de simulations TCAD (« Technology Computer Aided Design ») de transistors FinFET élémentaires NMOS et PMOS et d’un inverseur CMOS, permettant d’observer des effets transitoires liés à l’irradiation de ces structures. Sur le plan expérimental, notre cas d’étude a porté sur le SoC complexe AMD Zynq Ultrascale+. Dans un premier temps, une analyse de la sensibilité de ce composant au Single-Event Latchup (SEL) est réalisée. Les résultats de section efficace SEL obtenus par test laser présentent une très bonne corrélation avec les données ions lourds issues de la littérature. Nos résultats confirment l’absence de SEL dans cette technologie pour les structures de cœur logique polarisés à 0.8 V. Une méthode de localisation du SEL dans ce type de composant par triangulation de la signature thermique à partir d’oscillateurs en anneau est également proposée. Nous présentons et discutons par la suite des résultats de sensibilité au Single-Event Transient (SET) obtenus lors des tests laser nous permettant de mettre en évidence la différence d’énergie seuil entre le SET et le Single-Event Upset (SEU) dans la logique programmable du composant étudié. L’impact de cette différence sur la prédiction des taux d’évènements singuliers en orbite est évalué, confirmant l’intérêt du test laser en complément des tests sous ions lourds pour l’analyse des SEE dans les composants complexes. Enfin, les limitations de nos résultats et des perspectives sont identifiées.

CMOS (“Complementary Metal-Oxide-Semiconductor”) technologies of the FinFET (“Fin Field-Effect Transistor”) type tend to replace planar technologies for sub-20nm process. For space applications, recent generations of embedded systems are already integrating digital components based on FinFET technologies like SoCs (“System-on-Chip”). However, electronic devices exposed to the space radiation environment are susceptible to various types of failure. In this thesis, we study the Single-Event Effects (SEE) sensitivity of 16 nm FinFET bulk technology under space radiation. We perform TCAD (“Technology Computer Aided Design”) modeling of this technology and conduct experiments with pulsed laser beams in Single-Photon Absorption (SPA) mode. We first present the state of the art of FinFET technologies and their sensitivity to single-event effects. TCAD simulations of elementary NMOS and PMOS FinFET transistors and a CMOS inverter are performed to study transient events during the heavy ion irradiation of these structures. In the laser experiments, our case study focuses on the AMD Zynq Ultrascale+ SoC. First, we analyze the sensitivity of this device to Single-Event Latchup (SEL). We note that the correlation between laser and heavy ion data from the literature is particularly good, both for the SEL LET threshold and the SEL saturation cross-section. Our results confirm the absence of SEL in this technology for 0.8 V-biased logic core resources. A method to detect the SEL in this device by triangulating the thermal signature from ring oscillators is also proposed. We then present and discuss Single-Event Transient (SET) sensitivity results obtained during laser tests. These results highlight the threshold energy difference between SET and Single-Event Upset (SEU) in the programmable logic of the device. The impact of this difference on the prediction of in-orbit single-event rates is evaluated. This difference shows an interesting complementarity of laser and heavy ion test methods on a specific case study for a complex device. Finally, the limitations of our results and prospects are presented.