Soutenance de thèse de Victor MALHERBE

Les effets du rayonnement cosmique sur les systèmes électroniques ont été étudiés dès les débuts de l’exploration spatiale, en raison des sévères contraintes de fiabilité que l’environnement spatial impose à l’électronique embarquée. Néanmoins, les évolutions récentes dans le paysage de l’industrie spatiale bouleversent les pratiques et les méthodologies en matière d’effets des rayonnements, les technologies standard devenant de plus en plus attrayantes pour réaliser des circuits durcis aux radiations. Du fait de leurs fréquences de fonctionnement élevées et des nouvelles architectures de transistors, les puces fabriquées suivant les tout derniers procédés CMOS posent de nombreux défis, tant d’un point de vue expérimental que pour des perspectives de modélisation. Ce travail se focalise donc sur la simulation des aléas logiques permanents (Single-Event Upsets, ou SEU) et transitoires (Single-Event Transients, ou SET), en technologies silicium sur isolant totalement déserté (Fully-Depleted Silicon On Insulator, ou FD-SOI) et silicium massif (bulk silicon) avancées. La réponse radiative des transistors FD-SOI 28 nm est tout d’abord étudiée par le biais de simulations « Technology Computer-Aided Design » (TCAD), ce qui permet le développement de deux modèles innovants pour décrire les courants induits par les particules ionisantes en FD-SOI. Le premier est principalement comportemental, tandis que le second capture des phénomènes complexes tels que l’amplification bipolaire parasite et des effets circuit dynamiques, à partir des premiers principes de semi-conducteurs et en accord avec les simulations TCAD poussées. Ces modèles compacts sont ensuite interfacés à une plateforme complète de simulation Monte Carlo du taux d’erreurs radiatives (Soft Error Rate, ou SER), conduisant à une large validation sur des données expérimentales recueillies sur plusieurs véhicules de test sous faisceau de particules accélérées. Enfin, des études par simulation prédictive sont présentées sur des cellules mémoires et des portes logiques séquentielles et combinatoires en FD-SOI 28 nm et bulk Si 65 nm, permettant d’approfondir la compréhension des mécanismes qui contribuent au SER en orbite des circuits intégrés modernes.

The effects of cosmic radiation on electronic systems have been studied since the early days of space exploration, given the severe reliability constraints that harsh space environments put on the on-board electronics. However, recent evolutions in the space industry landscape are changing radiation effects practices and methodologies, with mainstream technologies becoming increasingly attractive for radiation-hardened integrated circuits. Due to their high operating frequencies and new transistor architectures, chips manufactured in latest CMOS processes pose a variety of challenges, both from an experimental standpoint and for modeling perspectives. This work thus focuses on simulating single-event upsets and transients in advanced Fully-Depleted Silicon On Insulator (FD-SOI) and bulk silicon processes. The soft-error response of 28 nm FD-SOI transistors is first investigated through Technology Computer-Aided Design (TCAD) simulations, allowing to develop two innovative models for radiation-induced currents in FD-SOI. One of them is mainly behavioral, while the other captures complex phenomena, such as parasitic bipolar amplification and dynamic circuit effects, from first semiconductor principles and in agreement with detailed TCAD simulations. These models are then interfaced to a complete Monte Carlo Soft-Error Rate (SER) simulation platform, leading to extensive validation against experimental data collected on several test vehicles under accelerated particle beams. Finally, predictive simulation studies are presented on bit-cells, sequential and combinational logic gates in 28 nm FD-SOI and 65 nm bulk Si, providing insights into the mechanisms that contribute to the SER of modern integrated circuits in orbit.