Published May 20, 1994 | Version v1
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Theoretical study of radiation sensitivity of CMOS/SOI technologies using 3D Monte Carlo simulation

Description

We present a theoretical study of the behavior of CMOS inverters and static memory cells struck by an ionizing particle. Interaction of an energetic particle with matter results in generating electron-hole pairs. The main features of the created carriers are their high densities, their high energies (a few eV) and their very localized creation zone. To take into account the three-dimensional radiations features we have extended the particle Monte Carlo model of the Institut d'Electronique Fondamentale to three-dimensional device simulations in geometric space. To save computer memory and CPU time, we replaced the non-irradiated transistor by an electrical model which parameters were obtained from preliminary Monte Carlo simulations of each single transistor. Simulations of inverter in CMOS/SOI technology with channel tie (contact) show that irradiation of the off-state transistors induces a transient change of the output logic state whereas irradiation of the on-state transistors has weak effects on the output voltage. For this technology, a linear energy transfer (LET) of about 15 MeV.cm2.mg-1 induces a logical state swinging of a static memory cell, which is compatible with experimental results. We have then studied the radiation effects on an inverter in fully-depleted SOI technology. Although fully-depleted technology presents active zones with a reduced volume, the excess minority carriers resulting from irradiation remain trapped in the transistor because of the lack of channel tie. In an inverter it results in a change of the logic state which lasts for the minority carrier lifetime. In a memory cell this single event upset may induce a loss of information. (author)

Abstract (French)

Cette etude theorique concerne l'effet des rayonnements d'ions lourds sur le fonctionnement des inverseurs et des points memoires statiques CMOS. L'interaction d'une particule energetique avec la matiere conduit a la creation de paires electron-trou. Les caracteristiques essentielles des porteurs crees sont leurs tres fortes densites, leurs grandes energies (quelques eV) et le caractere tres localise de leur zone de creation. Le caractere tridimensionnel du passage d'un ion lourd dans un dispositif nous a conduit a faire evoluer le simulateur particulaire de type Monte Carlo de l'Institut d'Electronique Fondamentale afin de pouvoir simuler des structures en trois dimensions dans l'espace geometrique. Afin de limiter l'encombrement memoire et le temps de simulation, le transistor non-irradie a ete simule par un modele electrique dont les elements ont ete obtenus a partir de simulations Monte-Carlo. La simulation sous irradiation d'un inverseur CMOS/SOI avec des contacts de canal nous a permis de mettre en evidence la grande sensibilite de l'inverseur lorsque les transistors bloques sont irradies et le peu d'effet de l'irradiation sur les transistors initialement passants. Pour cette technologie, un point memoire statique bascule pour un transfert d'energie lineique (TEL) de l'ordre de 15 MeV.cm2.mg-1 ce qui est tout a fait compatible avec les resultats experimentaux. Nous avons egalement etudie un inverseur sous irradiation en technologie SOI - totalement deserte ou 'fully-depleted'. Bien que la technologie a transistors totalement deserte offre l'avantage d'avoir un volume des zones actives reduit, l'absence de prise de canal fait que les porteurs minoritaires generes ne peuvent etre evacues. Il en resulte un changement de l'etat logique qui, dans le cas d'un inverseur durerait pendant un temps de l'ordre de la duree de vie des minoritaires et qui, dans le cas d'un point memoire, perdurerait. (auteur)

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Original title (French)
Etudes theoriques par simulation Monte Carlo 3D de la sensibilite aux irradiations des technologies CMOS/SOI

Publishing Information

Imprint Pagination
193 p.
Report number
FRNC-TH--13307

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Notes
56 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses