Impact des ions lourds sur la fiabilité des MOSFET de puissance embarqués en environnement spatial

L'objectif de cette thèse s'oriente principalement sur l'étude du de puisclaquage post-radiatif des MOSFET sances irradiés aux ions lourds. Nous avons pu constater, pour la première fois, une réduction des paramètres de fiabilité et de durée de vie des MOSFET de puissance irradiés aux ions lourds grâce à un protocole de test combinant les connaissances sur les effets des rayonnements et des tests électriques accélérés. Les MOSFET ont été irradiés principalement en absence de polarisation, dans le but de discriminer tout effet dû aux polarisations. Grâce à des irradiations réalisées à différentes valeurs d'énergie, nous nous sommes intéressés aux effets de l'énergie des particules et des pertes d'énergie associées. Nous avons pu constater que la dégradation de la fiabilité des MOSFET ne peut pas être corrélée uniquement à l'énergie perdue par excitation électronique (LET), ou pour des ions avec la même valeur de LET obtenue pour deux énergies différentes, le pire cas a été observé à l'énergie la plus faible. Cette dégradation est même plus importante que celle obtenue à la valeur maximale de LET (au pic de Bragg). Appuyé par des résultats obtenus grâce à des irradiations aux neutrons, nous avons pu proposer une hypothèse qui est basée sur une corrélation entre l'effet des pertes d'énergie associées aux passages des ions et les mécanismes de claquage des diélectriques.The goal of this thesis is oriented mainly on the study of Post Irradiation Gate Stress (PiGS) of power MOSFETs irradiated with heavy ions. We have seen, for the first time, a reduction of reliability parameters and lifetime of power MOSFETs irradiated with heavy ions using a test panel combining the knowledge of the effects of radiation and accelerated electrical test. MOSFETs were irradiated mainly with no polarization, in order to discriminate any effect attributed to the polarizations. Using irradiation performed at different energy values, we investigated the effects of the energy and energy lost by ionizing and non ionizing process. We have seen that the reliability degradation of MOSFETs can't be correlated only to the energy lost by electron excitation (LET), or ions with the same LET value obtained for two different energies, the worst case was observed at the lowest energy. This degradation is even greater than that obtained with the maximum value of LET (the Bragg peak). Supported by results obtained by neutrons irradiation, we could propose a hypothesis that is based on a correlation between the effect of energy lost associated with the passage of ions and mechanisms of dielectric breakdown.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Validation expérimentale des outils de simulation des réactions nucléaires induites par les neutrons et les protons dans le silicium (irradiation d'une diode silicium et d'une caméra CCD)

L'environnement spatial est un environnement radiatif principalement composé de protons. En plus de représenter un danger pour l'électronique, ces particules sont à l'origine de neutrons secondaires dans l'atmosphère. Lorsqu'elles traversent la matière, ces protons et ces neutrons peuvent provoquer des réactions nucléaires et ainsi créer des particules ionisantes. Par ce biais, les réactions nucléaires induites avec le silicium des composants électroniques peuvent provoquer des dysfonctionnements. Ces erreurs posent de réels problèmes dans les applications avioniques et spatiales. Des outils de simulation de réactions nucléaires ont été développés pour prévoir l'occurrence de ces erreurs. Des bases de données décrivant les réactions nucléaires neutron silicium et proton silicium entre 1 MeV et 200 MeV ont été générées à partir d'un code de calcul. L'objectif de ce travail de thèse est de valider ces bases de données. Dans un premier temps, des données expérimentales publiques de physique nucléaire nous ont permis de vérifier certains aspects des bases de données. Dans un second temps, nous avons irradié deux détecteurs à base de silicium (une diode et un capteur de caméra CCD) et confronté les simulations de ces expériences à l'aide des bases de données aux résultats expérimentaux.The spatial environment is a radiative environment mostly composed of protons. These particles are not only a danger for electronic component but they also leads to secondary neutrons in the atmosphere. When these protons and neutrons go through matter, they can induce nuclear reaction and then create ionizing particles. By this mean, nuclear reactions induced with silicon in electronic component can cause malfunctions. These mistakes are a real issue for applications in planes or space. Some nuclear reaction simulation tools have been developed to predict the error rate. For neutron - silicon and proton - silicon reactions between 1 and 200 MeV, databases have been generated by a nuclear physic code. The aim of this work of thesis is to validate the databases. In a first step, nuclear physic public experimental data have been used to verify some aspects of the databases. In addition, we irradiated two silicon based sensors (a diode and a CCD camera) and we confronted the simulation of these experiment using databases to experimental results.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Contribution à la validation expérimentale de l'approche Monte-Carlo de l'interaction neutron-silicium utilisée dans des codes de physique nucléaire dédiées au calcul de SER des mémoires SRAM

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Comparison of the transient current shapes obtained with the diffusion model and the double exponential law — Impact on the SER

International audienceWe calculated neutron induced Single Event Upset (SEU) cross-section as well as the Soft Error Rate (SER) at ground level. For this purpose, we first used an accurate model based on simulation of atmospheric neutron-induced transient currents in a 90-nm drain electrode, through a detailed diffusion model. Then, we performed the same simulations by replacing each transient current by a simple double exponential law model, for which the parameters were set in order to keep the same total charge as for the diffusion model, as well as the same value of maximum current and its corresponding occurrence time. Our results show a little increase of the cross section while using the double exponential law and we established a correlation between the parameters characterizing the double exponential and the diffusion model curves

Etude des critères de formation des défauts morphologiques induits par des ions lourds de haute énergie dans des structures élémentaires SiO2 Si (incidence sur la fiabilité des technologies CMOS embarquées)

Les ions lourds naturellement présents dans l'Espace sont à l'origine de la formation de défauts morphologiques nanométriques au niveau de l'oxyde de grille des composants MOS. Ce mémoire de thèse est dédié à l'étude des critères de formation et de développement de ces défauts dans l'oxyde des structures élémentaires SiO2 Si représentatives des dispositifs MOS embarqués. Les dysfonctionnements des composants liés à une modification du matériau à l'échelle atomique ne sont actuellement pas pris en compte par les normes standard de tests relatives à la contrainte ion lourd. Cette étude contribue à la mise en place des premières briques d'une méthodologie de tests permettant de mieux appréhender la vulnérabilité des composants MOS embarqués. Ce travail s'attache aussi à apporter, en amont, des données utiles notamment aux fondeurs lors des phases de sélection du matériau pour les composants destinés à l'industrie spatiale. L'étude bibliographique proposée dans les premiers chapitres a permis d'identifier les différents types de contraintes vis-à-vis des composants MOS évoluant en environnement radiatif sévère, de recenser les effets potentiels au niveau fonctionnel ainsi que les différents aspects connus concernant l'endommagement morphologique des structures SiO2 Si. Les différents tests aux ions lourds réalisés en incidence rasante sur structures SiO2 Si ont permis la caractérisation directe des défauts en microscopie à force atomique. L'analyse globale de nos résultats montre le rôle de l'épaisseur d'oxyde sur la formation des défauts morphologiques. Les recuits à l'air mettant en évidence la stabilité thermique des défauts morphologiques observés ont permis de corréler ceux-ci avec les défauts latents initiant le claquage prématuré de l'oxyde de grille des dispositifs MOSFETs de puissance, par application répétée d'un champ électrique post-irradiation. Cette étude a également permis de mettre en exergue l'inhomogénéité de la densité électronique dans l'oxyde suite au passage des ions lourds de haute énergie et d'évaluer expérimentalement le rayon d'endommagement structurel d'un ion lourd dans le SiO2 amorpheSwift heavy ions of the space environment can induce the formation of morphological defects in the gate oxide of abroad spacecraft components. Those morphological defects are currently not taken into account by the standard military MIL-STD-750 test specifications when dealing with heavy ion-induced CMOS degradation. The present study is about the definition of the swift heavy ion-induced morphological defects formation criteria in SiO2 Si elementary structures, as a contribution to the elaboration of a new prediction model of MOS failure during space applications. Our results show that very thin oxide layers seem to inhibit morphological defects formation in SiO2 Si structures under swift heavy ion bombardment. We have also pointed out an experimental evidence of the discontinuous energy deposition at the nanometric scale in amorphous SiO2. This experimental upshot gives a better understanding of the physical mechanisms during the oxide degradation under swift heavy ion irradiation. Besides, the thermal stability of the morphological defects observed provides information about the potential role of those defects in the post-irradiation gate oxide breakdownMONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale et théorique des effets d'un faisceau laser pulsé sur les composants électroniques et comparaison avec les évènements singuliers induits par l'environnement radiatif naturel

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Neutron detection through an SRAM-based test bench

International audienceIn this paper, we propose a technique for the detection of neutrons that relies on the sensitivity of SRAM cells to particle radiation. In particular, we introduce a system based on a memory test bench that records the neutron reactions in the memory array. This system allows a good flexibility from different points of view. It is conceived to be modular, programmable, low power consuming and portable. Consequently, it can operate in various experimental conditions such as under artificial sources of particles as well as in natural ambience, from the earth surface to spatial environment. The system is also independent of the type of memory, allowing the use and the study of the interaction between particles and electronic devices built with different technologies

Use of CCD to Detect Terrestrial Cosmic Rays at Ground Level: Altitude Vs. Underground Experiments, Modeling and Numerical Monte Carlo Simulation

International audienceMulti-site characterization of terrestrial radiation using a CCD camera and numerical simulations demonstrate the CCD sensitivity to low energy protons and muons and the role of alpha-emitters in its response at sea level