Durcissement par conception (RHBD) et modélisation des évènements singuliers dans les circuits intégrés numériques en technologies Bulk 65 nm et FDSOI 28 nm

par Maximilien Glorieux

Thèse de doctorat en Micro et Nanoélectronique

Sous la direction de Jean-Luc Autran.

Le président du jury était Pascal Fouillat.

Les rapporteurs étaient Véronique Ferlet-Cavrois, Frédéric Saigné.


  • Résumé

    La miniaturisation des circuits intégrés numériques tend à augmenter leur sensibilité aux radiations. Ainsi le rayonnement naturel peut induire des événements singuliers et porter atteinte à la fiabilité des circuits.Cette thèse porte sur la modélisation des mécanismes à l'origine de ces événements singuliers et sur le développement de solutions de durcissement par conception permettant de limiter l'impact des radiations sur le taux d'erreur.Dans une première partie, nous avons notamment développé une approche dénommée RWDD (Random-Walk Drift- Diffusion) modélisant le transport et la collection de charges au sein d'un circuit, sur la base d'équations physiques sans paramètre d'ajustement. Ce modèle particulaire et sa résolution numérique transitoire permettent de coupler le transport des charges avec un simulateur circuit, tenant ainsi compte de l'évolution temporelle des champs électriques dans la structure. Le modèle RWDD a été intégré avec succès dans une plateforme de simulation capable d'estimer la réponse d'un circuit suite à l'impact d'une particule ionisante.Dans une seconde partie, des solutions de durcissement permettant de limiter l'impact des radiations sur la fiabilité des circuits ont été développées. A l'échelle des cellules élémentaires, de nouvelles bascules robustes aux radiations ont été proposées, en limitant leur impact les performances. Au niveau système, une méthodologie de duplication de l'arbre d'horloge a été développée. Enfin, un flot de triplication a été conçu pour les systèmes dont la fiabilité est critique. L'ensemble de ces solutions a été implémenté en technologie 65 nm et UTBB-FDSOI 28 nm et leur efficacité vérifiée expérimentalement.

  • Titre traduit

    Radiation-Hardening-By-Design (RHDB) and modeling of single event effects in digital circuits manufactured in Bulk 65 nm and FDSOI 28 nm


  • Résumé

    The extreme technology scaling of digital circuits leads to increase their sensitivity to ionizing radiation, whether in spatial or terrestrial environments. Natural radiation can now induce single event effects in deca-nanometer circuits and impact their reliability.This thesis focuses on the modeling of single event mechanisms and the development of hardening by design solutions that mitigate radiation threat on the circuit error rate.In a first part of this work, we have developed a physical model for both the transport and collection of radiation-induced charges in a biased circuit, derived from pure physics-based equations without any fitting parameter. This model is called Random-Walk Drift-Diffusion (RWDD). This particle-level model and its numerical transient solving allows the coupling of the charge collection process with a circuit simulator, taking into account the time variations of the electrical fields in the structure. The RWDD model is able to simulate the behavior of a circuit following a radiation impact, independently of the implemented function and the considered technology.In a second part of our work, hardening solutions that limit radiation impacts on circuit reliability have been developed. At elementary cell level, new radiation-hardened latch architectures have been proposed, with a limited impact on performances. At system level, a clock tree duplication methodology has been proposed, leaning on specific latches. Finally, a triplication flow has been design for critical applications. All these solutions have been implemented in 65 nm and UTBB-FDSOI 28nm technologies and radiation test have been performed to measure their hardening efficiency.


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