Published March 7, 2022 | Version v1
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Ultra-high dose effects and junction leakage current in CMOS technologies for analog applications

Description

The electronics circuit has become a central and essential tool in our modern society. It invested the objects of everyday life, and we directly or indirectly use dozens of them every day without even realizing it. Since the introduction of the transistor as we know it at the end of the 40's, electronics circuits have continued to improve and specialize to become more efficient in every application. Today, the most widely used technology for designing these electronics is the MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) technology.Therefore, it is pretty natural to find MOS electronics circuits in all the space and nuclear applications where they perform a multitude of essential functions. However, these environments have the particularity to have a high density of radiation which degrades the electronic components. These degradations are all the more problematic as the circuits exposed to such environments are often supposed to provide excellent performance and high reliability. In order to guarantee the proper functioning of these circuits, it is, therefore, necessary to study the effects of these environments on the MOS electronics performances.Moreover, and this is the motivation for this thesis, these applications in radiative environments are booming. Not only is the demand for such circuits increasing, but the maximum radiation dose received by the electronics over its lifetime is expected to exceed unprecedented levels. These new doses and their effects on electronics are still poorly investigated, and the study of these effects is, therefore, essential to allow the future use of electronics in these environments, whether in nuclear, space or elsewhere.In particular, this thesis studies the effects of high doses of ionizing radiation on MOS transistors (MOSFETs) for analog circuits, circuits that are often more exposed than others. All this with the aim of, on the one hand, being able to anticipate these effects better and, on the other hand, counteract them when possible.The thesis first deals with the degradation during irradiation of MOSFET parameters such as the maximum current, the threshold voltage, or the leakage currents. In particular, the effects of voltage, oxide thickness, design, and size of the transistor are investigated. The results highlight the decisive role of the voltages during the irradiations on the type of defects created, particularly in the gate, along with the appearance of a short channel effect (RISCE) in a larger technology node than previously observed. Finally, this study of the parameters of MOSFETs highlights the significant increase of the generation current after high ionizing doses in the pn-junctions of the transistor. An in-depth analysis of this current follows.In a second step, the thesis studies the phenomenon of RTS (Random Telegraph Signal) in this pn-junction leakage current of the transistors. For this purpose, a test structure capable of measuring tens of thousands of leakage currents in parallel is introduced. Thanks to this structure, the RTS is statistically studied before and after irradiations. The results, in agreement with atomic-scale simulations, support the hypothesis of metastable defects as the origin of the RTS phenomenon in leaky junctions. (author)

Abstract (French)

L'electronique est aujourd'hui un outil central et essentiel dans notre societe. Il a investi les objets du quotidien, et nous l'utilisons directement ou indirectement des dizaines de fois chaque jour sans meme nous en rendre compte. Depuis l'introduction du transistor tel qu'on le connait a la fin des annees 40, l'electronique n'a cesse de s'ameliorer et de se specialiser pour devenir plus efficaces dans chaque application. Aujourd'hui, leurs formes les plus repandues sont sans conteste la technologie MOS. C'est donc tout naturellement que l'on retrouve des circuits electroniques MOS dans les applications spatiales et nucleaires, ou ils remplissent une multitude de fonctions essentielles. Ces environnements ont cependant une particularite importante: ils sont charges en radiations, ce qui a pour effet de degrader les composants electroniques. Ces degradations sont d'autant plus problematiques que les circuits exposes a de tels environnements sont generalement censes fournir d'excellentes performances et garantir une haute fiabilite. Pour assurer un bon fonctionnement de ces circuits, il est donc necessaire d'etudier les effets de ces milieux radiatifs sur les performances de l'electronique MOS. De plus, et c'est la motivation de cette these, ces applications en milieux radiatifs sont en plein essor. Non seulement la demande pour ce genre de circuits augmente, mais la dose maximale de radiations recue par l'electronique sur sa duree de vie devrait depasser des niveaux inedits. Ces nouvelles doses et leurs effets sur l'electronique sont encore peu investigues, et l'etude de ces effets est donc primordiale pour permettre l'utilisation future de l'electronique dans ces milieux, que ce soit dans le nucleaire, le spatial ou ailleurs. En particulier, cette these etudie les effets des hautes doses de radiation ionisante sur des transistors MOS (MOSFETs) a destination de circuits analogiques, circuits qui s'averent etre souvent plus exposes que les autres. Tout cela dans le but de, d'un cote, etre capable de mieux anticiper ces effets et, d'un autre, pouvoir les contrecarrer quand cela est possible. La these traite d'abord de la degradation durant des irradiations des parametres des MOSFETs tel que le courant maximum, la tension de seuil ou le courant de fuite. Les effets de la tension, de l'epaisseur des oxydes, du design et de la taille du transistor y sont en particulier approfondis. Les resultats mettent en avant le fort role des tensions pendant les irradiations sur le type de defaut crees, en particulier dans la grille, ainsi que l'apparition d'un effet de canal court (RISCE) dans un noeud technologique plus gros que dans ceux ou il avait ete observe auparavant. En plus, cette etude des parametres des MOSFETs met en avant une importante augmentation du courant de generation apres de hautes doses ionisantes dans les jonctions pn du transistor. S'en suit une etude approfondie de ce courant. Dans un second temps, la these etudie le phenomene de RTS (Random Telegraph Signal) dans ce courant de fuite de jonction des transistors. Pour cela, une structure de test capable de mesurer en parallele des dizaines de milliers de courants de fuite est introduite. Grace a celle-ci, le RTS est etudie de maniere statistique avant et apres irradiations. Les resultats, en accord avec des simulations a l'echelle atomique, soutiennent l'hypothese de defauts metastables comme origine du phenomene RTS dans les fuites de jonctions

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Original title (English)
Effets des hautes doses de radiation et etude des fuites de jonction dans les technologies CMOS pour applications analogiques

Publishing Information

Imprint Pagination
206 p.
Report number
FRCEA-TH--14736

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
55086039
Subject category
S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
CHEMICAL RADIATION EFFECTS; DOSE RATES; ELECTRONIC EQUIPMENT; IONIZING RADIATIONS; MOS TRANSISTORS; NUCLEAR INDUSTRY; PHYSICAL RADIATION EFFECTS; RADIATION DOSES
Descriptors DEC
DOSES; EQUIPMENT; INDUSTRY; RADIATION EFFECTS; RADIATIONS; SEMICONDUCTOR DEVICES; TRANSISTORS

Optional Information

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