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1. 4 1 Proposition de calcul de taux d erreurs ions lourds 4 1 1 Pr sentation La mod lisation trop simpliste d un volume sensible par un parall l pip de et l impossibilit d en conna tre pr cis ment les dimensions ont conduit l abandon des m thodes bas es sur le volume sensible IRPP en particulier et ont amen chercher une m thode de calcul diff rente permettant d obtenir des taux d erreurs plus proches de ceux observ s en vol Dans le cadre de cette th se une m thode originale est propos e dont le principe est issu de l expression la plus g n rale du calcul de taux En effet l id e est d effectuer le calcul simple de taux de SEU ions lourds par le produit direct entre spectre de LET repr sentatif de la mission consid r e et la section efficace SEU repr sentative de la sensibilit propre du composant en fonction du LET de la particule et de son orientation N cEr 0 o LET 0 dLET d0 do o0 0 avec le spectre de LET o la section efficace d uspet O direction d incidence de la particule dans le plan perpendiculaire la surface du composant 6 direction d incidence de la particule dans le plan de la surface du composant cf Figure 41 Pour effectuer un tel calcul il faut conna tre le spectre de LET de la mission consid r e et la sensibilit du composant la fois pour l ensemble des valeurs de LET et pour toutes les directions de l espace Nous avons d j vu comment obtenir
2. Dod 97 P E Dodd M R Shaneyfelt F W Sexton Charge collection and SEU from Angles Ion Stricks IEEE Trans Nucl Sci NS 44 2256 December 1997 Dod 98 P E Dodd O Musseau G L Hash M R Shaneyfelt F W Sexton C D hose J L Leray P S Winokur Impact of ion Energy on single event Upset IEEE Transactions on Nuclear Science vol 45 No 6 pp2483 2491 December 1998 Dus 94 H Dusseau J W Howard Jr R C Block M R Pinto W J Stapor and A R Knudson The Effects of Ion Track Structure in Simulating Single Event Phenomena RADECS 93 Proceedings p 509 Dus 97 L Dusseau T L Randolphe R D Schrimpf K F Gallowy F Saign J Fesquet J Gasiot R Ecoffet Prediction of low rate effects in power metal oxide semiconductor field effect transistors based on isochronal annealing measurements J Appl Phys vol 81 No 5 pp2437 2441 March 1997 Eco 97 R Ecoffet S Duzellier J Barak J Levinson Y Lifshitz M Hass C Inguimbert C Detcheverry Estimation of Upset sensitive volume thickness and critical energy using low energy heavy ion beams RADECS 97 proceedings p 576 Edm 96a L D Edmonds A graphical method for estimating charge collected by diffusion from an ion track IEEE Trans Nuc Sci NS 43 n 4 p 2346 August 1996 Edm 96b L D Edmonds SEU Cross sections derived from a diffusion analysis IEEE Trans Nuc Sci NS 43 n 6 p 3207 December 1996 122 Ed
3. 60 deg 0 01 0 5 10 15 20 25 30 35 LET MeV cm2 mg Figure 28 Courbes de sections efficaces d Upset avant traitement des valeurs de LET 0 deg E 40 deg 60 deg Sseu cm2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 LET MeV cm mg Figure 29 Courbes de sections efficaces d Upset apr s traitement des donn es de test On s aper oit que ce traitement est n cessaire pour ne pas faire de mauvaises interpr tations des essais Ainsi tous les r sultats d essais concernant les composants amincis par face arri re subissent ce petit traitement identique pour tre exploit s 5 42 CHAPITRE 3 ANALYSE DES R SULTATS EN VOL La comparaison des r sultats obtenus par les mod les de pr diction standard et des mesures en vol pour un m me composant a r v l des carts importants amenant s interroger sur la validit de la d marche vis vis des technologies actuelles L objectif de cette th se a t d valuer les possibles sources d erreurs dans les diff rentes tapes de calcul d un mod le tel que l IRPP CREME pouvant amener un tel constat dans le but de trouver une solution d am lioration soit en modifiant le mod le existant soit en proposant un mod le de calcul diff rent Ce chapitre retrace le travail effectu dans le cadre de l exploitation des donn es en vol de la comparaison avec les mod les de pr diction standard et donnent l
4. 75As28Si Atom cm3 1 00E 16 4 1 00E 15 4 1 00E 14 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 um Figure 75 Profil de Phosphore et d Arsenic partir de la surface de la zone active du composant On remarque que le profil de Bore montre qu partir de 5 6um de profondeur le substrat n est plus dop Bore L analyse SCM en cross section a justement montr qu au del de cette profondeur on se retrouve en pr sence d un silicium dop N ce qui est donc en accord avec la disparition du dopage P observ e par SIMS 119 En cherchant quel dopant N tait utilis pour ce composant nous avons eu la surprise de trouver les deux types de dopants N Arsenic et Phosphore avec des profils pr sent s en Figure 75 L Arsenic est pr sent sur une profondeur de 200nm alors que le Phosphore d passe les 400nm de profondeur Les concentrations quant elle semblent tre identiques ce qui n est certainement pas le cas en r alit puisque comme il a t signal pr c demment la quantit d esp ce est ramen e sur la surface de la fen tre d tude qui ne repr sente pas la surface r elle occup e par les zones N Ainsi si les surfaces occup es par l Arsenic et le Phosphore sont diff rentes la concentration sera d autant modifi e Il n a pas t clairement identifi le r le de chacun de ces dopants N Nous avons pris le phosphore comme dopant des diffusions N puisque l analyse SCM montre une m me paisseur des zone activ
5. tat d expertise des sources probables d erreurs 3 1 Donn es de vol et donn es sol 3 1 1 Exploitation des mesures en vol 3 1 1 1 Pr sentation des exp riences Faisant suite l exp rience EXEQ Fal 00 les projets d exp riences embarqu es SPICA et ICARE station MIR et satellite SAC C ont pour m me objectif d associer une unit de mesure de l environnement spatial spectrom tre b ta protons et ions lourds avec un module d valuation des effets du rayonnement sur des composants lectroniques Ainsi nous avons des donn es concernant une palette de composants provenant des missions MIR99 une carte exp rience l int rieur une l ext rieur et SAC C que nous avons utilis es pour notre tude Les caract ristiques de ces missions sont _ MIR99 altitude 350x350km et 51 6 d inclinaison donn es de novembre 1998 juin 2000 SAC C altitude 707x707km et 98 2 d inclinaison donn es depuis novembre 2000 Les donn es collect es et stock es dans le module d exp rience sont transf r es au sol par divers moyens selon la mission carte PCMCIA pour MIR99 et t l mesure satellite pour SAC C De ce fait les formats des donn es les modes de datation et la m thode de localisation g ographique des v nements diff rent Le DESP a d velopp un logiciel de traitement des donn es afin de pouvoir s adapter aux diff rentes missions Ce logiciel assure la mise en forme des donn es bru
6. l INSA environ 400nm de profondeur L analyse en amplitude permet d tablir le profil de dopage du substrat cf Figure 73 ci dessous Par J Data Zoom Spectal Period 000 pm Spectral Fieq 0 00 am Spectal RMS Ampl 0121 V Temporal Frog 0 00 Hz U 214 0 102 0 051 4 000 0 032 0 020 0 00 Figure 73 SCM amplitude en micro section De plus on voit un gradient de dopage n gatif gradient SCM positif des zones actives vers le bulk Le dopage du substrat actif pitaxi diminue avec la profondeur Ceci est en accord avec le gradient de r sistance positif du substrat pitaxi obtenu par mesure de spreading resistance En effet plus la profondeur augmente plus le substrat actif est r sistif M me si l information du profil de dopage du substrat est tr s utile il reste inexploitable pour nos simulations tant que l on reste dans une description relative C est pourquoi ces r sultats ont t compl t s par une analyse SIMS sur l chantillon pr par pour SCM en face avant d termination quantitative des concentrations de dopants r alis e par INSA g nie physique 3 Analyses SIMS des dopages dans la zone active de la HM628512 L interaction d ions de quelques keV d nergie avec la surface d un solide donne naissance des missions secondaires vari es de photons d lectrons d atomes et de mol cules neutres ou ionis es Dans la mesure o ces missions sont caract ristiques de la nature chim
7. 123 Pai 95 P Paillet Effet du proc d de fabrication des isolants sur la charge d espace cr e par rayonnement X Application aux technologies silicium sur isolant Th se soutenue l Universit Montpellier 2 le 30 mars 1995 Pat 02 J D Patterson et al Modeling the contribution of diffusion to device Upset cross sections IEEE Trans Nuc Sci NS 49 n 6 p 3067 December 2002 Pau 94 F W S Paul E Dodd et P S Winokur Three Dimensional Simulation of Charge Collection and Multiple Bit Upset in Si Devices IEEE Transactions On Nuclear Science 1994 Pet 92 1 Petersen E Rate prediction for single event a critique IEEE Transaction on nuclear science Vol 39 No 6 dec 1992 Pet 92 2 Petersen E SEU Rate prediction techniques IEEE Transaction on nuclear science Vol 39 No6 dec 1992 Pet 96 Petersen E Cross section measurement and Upset rate calculation IEEE transaction on nuclear science Vol 43 No 6 dec 96 Pet 97 Petersen E Single Event analysis and prediction IEEE nuclear and space radiation effects conference short course section III 1997 Pic 80 Pickel J C and Blandford J T Cosmic ray induced errors in Mos devices IEEE Trans Nuc Sci NS 27 2 1006 1980 Pou 00 V Pouget Simulation exp rimentale par impulsions laser ultra courtes des effets des radiations ionisantes sur les circuits int gr s Th se soutenue l Universit de Bordeaux
8. Les courbes de sections efficaces SMU sont accompagn es sur la Figure 53 des courbes d ajustement avec leurs quations servant au calcul de taux Nous pouvons nouveau utiliser ces r seaux de courbes pour effectuer le calcul semi exp rimental de taux d erreur MBU et SMU par la m thode empirique pr sent e dans le chapitre pr c dent On utilise toujours les m me spectres de LET correspondant la mission SAC C En traitant les donn es de vol il est possible d en extraire les taux MBU et SMU quand il y en a observ s en vol ce qui nous donne un l ment de comparaison au calcul de pr diction Des r sultats sont fournis dans le tableau suivant pour la HM628512 en MBU et SMU et pour la KM68400 en MBU pas de SMU pour ce composant Les taux en vol sont trait s hors ruption hors SAA On rappelle qu il peut y avoir une part non connue du taux provenant de la contribution des protons des multiples doubles ont pu tre observ s en protons sous acc l rateur Taux par jour et Taux Pr dits Taux en vol Taux pr dits Taux en vol par composant MBU MBU SMU SMU M 1 BI 1 M 1 BI 1 HM628512 SAC C 0 003 0 0075 0 0013 0 0056 KM684000 SAC C 0 012 0 04 HM628512 MIR 0 00065 0 0022 KM684000 MIR 0 0049 0 01 Tableau 18 Pr dictions MBU et SMU pour MIR et SAC C avec la nouvelle m thode Les r sultats de la pr diction sont satisfaisants puisque nous sommes dans des rapports inf rieurs 5 da
9. at cm3 Figure 55 Vue en coupe des dopages Enfin la Figure 56 pr sente en d tail la structure d un point m moire retenue pour la simulation On y retrouve les deux transistors de stockage N2 et N3 avec les drains et sources repr sent s par les zones actives dop es N et les oxydes de grille sur lesquels sont appos es les grilles non visibles sur cette vue les m tallisations servant de contact pour les polarisations ne sont pas dessin es Les polarisations appliqu es pour simuler l tat bloqu de N3 et passant de N2 sont indiqu es le drain de N3 tant le drain tudi 86 N3 OV grille N2 5V grille Figure 56 Structure d une cellule simul e Le plan d incidence des particules est parall le au plan Y Z L angle d incidence est l angle entre la direction de l ion et l axe Z En incidence diff rente de la normale l ion p n tre dans la direction des Y positifs Dans tous les cas le point d impact est le centre du drain quand on parle d impact direct de la cellule dans le cas contraire on indiquera la distance du point d impact par rapport au centre du drain consid r 5 1 2 Conditions de simulations et formats des r sultats Il s agit de d finir les mod les physiques disponibles dans la biblioth que du logiciel qui doivent tre activ s pour d crire de mani re r aliste l volution de la charge d pos e par l ion Pour cela nous avons pris en compte les variations
10. aux travaux de simulations num riques des m canismes de collections de charges Coupl s des mod les analytiques simples ces travaux permettent de mettre en avant les diff rents ph nom nes prendre en compte et d en tudier la d pendance aux param tres technologiques des composants et aux caract ristiques des particules incidentes CHAPITRE 1 ENVIRONNEMENT SPATIAL ET EFFETS SUR LES M MOIRES Ce chapitre va pr senter les environnements radiatifs auxquels peut tre confront e l lectronique moderne les m canismes mis en jeu par l interaction particule mati re puis les diff rents effets qui en d coulent dans les m moires en particulier l effet singulier SEU Single Event Upset qui nous int resse dans cette tude 1 1 Environnement radiatif extra atmosph rique La terre et son environnement imm diat sont prot g s par l atmosph re Celle ci constitue un v ritable cran semi perm able laissant passer certaines particules mais arr tant la plus grande partie des radiations issues de l espace L environnement radiatif spatial peut tre d compos en quatre cat gories Bar 97 Bar 00 que nous allons d crire en d tail les ceintures de radiation le vent solaire les ruptions solaires et le rayonnement cosmique 1 1 1 Les ceintures de radiation D couvertes en 1958 par J A Van Allen mission Explorerl ces ceintures sont constitu es de particules l g res charg es
11. effectu e afin d en ressortir des mod les quantitatifs utilisables permettant de retrouver par le calcul les charges collect es simul es Nous pr sentons dans un premier temps les mod les retenus puis nous les avons appliqu s notre exemple pour en exploiter les r sultats 3 2 1 Mod le analytique retenu L article Kir 79 pr sente une mod lisation analytique de la collection de charges par diffusion Le cas de la trace d ionisation est repr sent par une colonne de charges lin ique constante hypoth se d un LET constant Avec ces hypoth ses le calcul de la charge collect e en tout point de la surface fonction de r distance au point d impact est r solu de mani re analytique exacte pour des incidences normales alors que les autres incidences constituent une situation plus complexe demandant une int gration num rique Le probl me est galement exprim de mani re exacte dans la g om trie constitu e par la pr sence d une couche enterr e Cette couche est prise en compte comme une deuxi me surface parfaitement absorbante Le syst me est alors constitu de deux surfaces parfaitement 92 STI absorbantes espac es d une certaine distance La r solution de ce probl me fait alors intervenir des fonctions de Bessel Une comparaison est faite entre les charges collect es pour une m me trace dans la structure avec et sans la couche pitaxi e permettant d valuer l impact de celle ci en f
12. on consid re que la collection de charges se fait uniquement par collection totale des charges d pos es directement dans le VS par la particule prenant alors mal en compte les ph nom nes de diffusion et de funneling pouvant participer aux charges collect es et s tendre aux cellules voisines pour le d tail des diff rents modes de collection de charges se r f rer au paragraphe 1 3 3 Ces consid rations sont expliqu es dans ce paragraphe Reprenons quelques l ments de description des ph nom nes de collection de charges pour bien comprendre Th oriquement la collection de charges peut tre dissoci e en deux contributions d origines diff rentes la collection de charges induite par le champ lectrique Qd et Qf de la Figure 10 la collection par diffusion des charges provenant de zones o le champ lectrique est Qdif 60 La premi re est orient e dans la direction de la trace de l ion la seconde est omnidirectionnelle due au m canisme de diffusion suppos isotrope et s tend sur une longueur de diffusion pas connue de mani re pr cise mais impliquant cette fois des dimensions radiales et longitudinales non n gligeables Un ion lourd qui traverse une structure silicium va d poser une nergie 4 par ionisation Cette nergie d pos e provoque la cr ation de charges O4 qui sous l action des champs lectriques pr sents seront collect es par les structures actives proximit
13. 7 fre Vip q Na Np O 5 Zap profondeur de la zone d pl t e d une diode abrupte cm g permittivit du silicium 10 7 10 F cm T 300K Na dopage du substrat Np dopage de la diffusion atome cm Vp tension de polarisation V q charge de l lectron 1 6 10 C 2 n l f N N Va tension de seuil V de la diode donn e par V Zi a a q n densit intrins que de porteurs dans le silicium 1 45 10 cm T 300K K constante de Boltzman 8 6 10 eV K 19 Les charges collect es dans la zone d peupl e sont soumises au champ lectrique Ea que l on consid re comme tant orthogonal la surface de la puce x y ro Cu aN an Q Zz E dep si Les porteurs de charges se s parent ainsi dans des directions oppos es cr ant un courant de conduction d pendant de la mobilit des porteurs de charges dans le silicium souvent appel courant de drift En pratique la collection est totale dans cette zone et donc la quantit de charges collect es qa dans la zone d peupl e d pend directement du transfert d nergie lin ique L ET cf chapitre 1 3 1 de la particule ionisante 1 e LET dz o est la distance parcourue en um dans la zone d peupl e par la particule incidente 13312 Dans la zone initialement neutre La collection de charges due au champ lectrique dans la zone initialement neutre trouve son
14. Si cette charge collect e Q est sup rieure la charge critique Q alors la cellule touch e basculera Par analogie avec Ou et Qe nous d finissons ici l nergie collect e Eco et critique Ee Cette nergie collect e est li e quantitativement l nergie d pos e par l ion dans cette m me zone sensible E4ep Il existe donc une relation entre l nergie d pos e et l nergie collect e Dans le mod le IRPP tudi ici la relation entre 4 et Eco est r duite sa plus simple expression Ecot Edep Mais est il vraiment l gitime de simplifier l ensemble des ph nom nes par cette expression Expliquons dans un premier temps pourquoi l hypoth se Er Edep implique forc ment que l on prend mal en compte diffusion et funneling Il est admis que l ensemble des charges soumises au champ lectrique sont collect es par la jonction il est donc l gitime d affirmer que toutes les charges d pos es dans la ZCE sont collect es Mais vient s ajouter le ph nom ne d aspiration qui augmente finalement la longueur de collection sur laquelle toutes les charges d pos es sont collect es On aurait tendance alors assimiler la profondeur sensible du VS la somme de la largeur de ZCE a cf Figure 10 et de la longueur de funneling b a Or le ph nom ne de funneling n a lieu que pour les particules traversant la ZCE Les particules traversant par exemple le VS horizontalement une profondeur z telle que a lt z lt b
15. a 60 deg D 9 oi 0 001 0 10 20 30 40 50 LET MeV cm2 mg KM684000 1 0 1 0deg T Su 20deg 2 4 40deg 5 60deg N o 0 001 0 0001 20 40 60 LET MeV cm mg 80 100 68 HM5165405 10 1 0 1 0deg _ 0 01 E 40deg E 60deg 0 001 N o 0 0001 0 00001 0 10 20 30 40 50 LET MeV cm2 mg Figure 45 Courbes de sections efficaces d Upset exp rimentales pour diff rents angles d incidence Chaque courbe peut tre ensuite d crite analytiquement en y appliquant une fonction d ajustement ad quate ex polynomial d ordre 2 4 selon les cas L quation des courbes d ajustement passant par les points exp rimentaux peut servir ensuite au calcul de taux On obtient pour chaque composant l expression de 6 0 LET o 20 LET o 40 LET 6 60 LET 4 1 2 3 Calculs de pr diction par la m thode empirique semi exp rimentale et r sultats Le calcul de taux semi exp rimental peut alors tre effectu par intervalle d angle On postule que la courbe o 0 LET co LET est valable pour l intervalle 0 20 1 o 20 LET pour 20 40 1 o 40 LET pour 40 60 1 o 60 LET pour 60 90 1 Le calcul de pr diction prend alors la forme suivante LET LET Nas PLET LED ALET Hinin f PLET LET 4LET 4r 47 E LET o LET Gus S Ca LET ALET Gogo gt O LET dALET 47 Le spectre de LET obtenu en sort
16. blindage 1g cm on surestime le taux pour tous les composants ce qui est plus logique et apporte de la cr dibilit cette m thode Les r sultats pour MIR sont en accord avec ceux obtenus pour SAC C la m thode empirique donne de tr s bons r sultats dans l ordre de grandeur des taux en vol facteur d erreur inf rieur 5 on constate que les pr dictions sont meilleures pour un blindage de 10g cm valeur estim e pour la station Nous venons de mettre en vidence l int r t de la m thode de calcul de pr diction propos e dans le cadre de cette th se Ce paragraphe donne des r sultats de calculs semi exp rimentaux puisqu ils sont bas s sur des mesures sous acc l rateurs pour plusieurs valeurs d angle d inclinaison du faisceau dans la limite des possibilit s du syst me de test Ce calcul n cessite alors un nombre sup rieur de point de mesures par rapport aux m thodes standard ce qui est au final un peu plus co teux mais plus efficace La deuxi me partie de l tude a alors t de chercher un moyen de r duire le volume d essais en trouvant par exemple une loi permettant d exprimer les courbes de sections efficaces en incidence quelconque partir d une seule d entre elles telle que la courbe incidence normale Dans ce cas nous serions capables de proposer une m thode empirique de calcul de taux efficace n cessitant seulement comme donn es initiales une courbe de section efficace d Upsets
17. e le temps de descente et les conditions de polarisation de la porte surtout dans le cas d une porte complexe Le SEU ou Single Event Upset est le changement d tat d un point m moire Son effet n est pas destructif Il est d clench par l impact des particules ionisantes sur les points 13 m moires en d posant une certaine charge Ces charges sont ensuite collect es par un des n uds du point m moire en provoquant le basculement de l tat logique de celui ci Ce ph nom ne est d crit en d tail dans le sous chapitre 1 3 Le MBU ou Multiple Bit Upset correspond au basculement SEU de plusieurs cellules m moires voisines suite au passage d une seule particule Le SMU ou Single word Multiple bit Upset qui d signe le basculement de plusieurs bits d un m me mot suite au passage d une particule unique Cela peut arriver lorsque les bits d un m me mot sont plac s physiquement our la puce Comme cit pr c demment les protons peuvent engendrer par effet indirect ou effet r actions nucl aires des ions par fragmentation du noyau de silicium Ce sont ces ions secondaires qui sont responsables de basculements de fa on indirecte Ces ions doivent appara tre dans la zone sensible du composant pour provoquer un v nement car ils ont un parcours dans le silicium tr s faible quelques microns L effet des protons sur les m moires est un sujet d actualit pour les quipementiers Des tudes sont men es pour comparer leu
18. e ayant bascul Ici le composant comporte 8 bits de donn es seuls les deux chiffres hexad cimaux de poids fort sont alors prendre en compte et leur conversion binaire d signe la donn e concern e Datation Adresse Masque erreur SEU 121 8130s 0001537A 10400 SEU 121 8212s 00015A99 0C00 SEU 121 8214s 00015AB9 10400 SEU 121 8218s 00015AF8 10400 SEU 121 8445s 00016F36 2000 SEU 121 8489s 00016F56 6000 SEU 121 8491s 00016F76 6000 SEU 121 8504s 00017081 E000 SEU 121 8506s 000170A1 4000 SEU 121 8508s 000170C0 4000 SEU 121 8510s 000170E0 E000 Tableau 29 Exemple de fichier r sultat g n r par le testeur Le syst me de test lit en continu le plan m moire dans l ordre logique des bits d adresse Lorsqu il rencontre un bit erron il stocke la datation correspondant au moment o il a lu l adresse l adresse du mot erron et le masque d erreur rencontr On remarque qu un masque de type 0C 00001 100 correspond un multiple donn e puisque deux bits donn e d une m me adresse m me mot ont bascul pendant l intervalle de temps correspondant une lecture compl te du plan m moire Puis le testeur r crit la donn e initiale La datation ne correspond donc pas au moment o l Upset a eu lieu mais au moment o il a t lu Nous sommes juste s rs qu il est intervenu entre sa derni re lecture et celle ci soit dans un intervall
19. gale 0 1um Dus 94 M me si celle ci d pend de l nergie et du type de particule des tudes montrent que cette approximation s av re correcte dans la plupart des cas On trouve dans la th se de J G Loquet Loq 01 des travaux d crivant les mod les de trace et des exemples permettant d appuyer cette hypoth se La Figure 8 donne l exemple des profils de trace des ions principaux utilis s sous acc l rateurs pour nos essais cf 2 2 1 On peut alors comparer les valeurs de densit de paires aux valeurs types de dopage des substrats entre 10 et 10 et s apercevoir que l on se trouve plut t dans des valeurs de rayon de trace de l ordre du nm montrant ainsi les limites des rayons d action du d p t de charges direct des ions dans la structure Vis vis des effets sur la structure on peut alors raisonnablement consid rer un rayon de trace de 0 1 nm 16 4 1 E 19 1 E 18 1 17 1 E 16 1 E 15 ca e CI 156MeV 1 E 14 nu a Ni 182MeV Ne 235MeV Kr 756MeV x Ni 500MeV 1 E 13 1 E 12 1 E 11 e Ar 372MeV mo E Aer 2 D lt 5 a o TD No N a D TD 1 E 10 1 E 09 1 E 08 1 E 07 1 E 05 1 E 04 1 E 03 1 E 02 1 E 01 1 E 00 1 E 01 rayon um Figure 8 Profils de trace dans le silicium calcul s pour les ions utilis s lors des essais suivant le mod le de Katz Kat 91 1 3 2 Section efficace cf au
20. la charge collect e par la cellule pour un LET gal au LET seuil exp rimental et pris cette valeur comme crit re de basculement Le LET seuil exp rimental en incidence normale peut tre estimer 2 MeV cm mg on obtient alors une charge critique gale 2 4E 14 C cf conditions de simulation Tableau 21 LET Point d impact Inclinaison Charge collect e par B2 MeV cm mg en C 2 B2 0 2 4E 14 Tableau 21 Param tres de simulation 5 1 3 1 2 D termination des sections efficaces d upset par simulation Ayant d finit une charge critique des sections efficaces d Upset ont pu tre d termin es par simulation Nous avons effectu l tude pour deux valeurs de LET 10 MeV cm mg et 20 MeV cm mg incidence normale par la m thode d crite ci dessus et compar es aux valeurs exp rimentales L ensemble des r sultats de simulation est donn dans le Tableau 22 LET Point d impact Inclinaison Charge collect e par B2 en MeV cm mg C 10 B2 0 1 4E 13 10 Yp2 lum 0 2E 13 10 Yp2 1 Sum 0 1 2E 14 10 YB2 lum 0 6 8E 14 10 XB2 1 um 0 3 2E 14 10 XB2 1lum 0 2 8E 14 20 B2 0 3 5E 13 20 Y 1 Sum 0 2 7E 14 20 YB2 2um 0 8 8E 15 Tableau 22 Charges collect es par B2 pour divers points d impact 89 On d duit de l tude des points d impact un rayon approximatif de basculement permettant de calculer une section efficace par bit comparable aux donn es ex
21. physiques et pratiques suivantes toute particule de LET LET et de direction d incidence 8 engendre le m me effet sur le composant quelle que soient sa nature et son nergie Cette hypoth se consiste postuler que le LET est constant sur toute l paisseur utile des composants et que le processus de collection de charges est ind pendant de la distribution radiale des porteurs dans la trace effet de structure de trace Cette hypoth se est la m me que pour la mod lisation IRPP et a d j t discut e dans les CHAPITRE 2 et CHAPITRE 3 On postule une sym trie azimutale pour la sensibilit du composant c est dire que la valeur de la section efficace d Upset O et LET constant est suppos e identique pour tout On comprend bien que ce ne sera pas rigoureusement le cas du fait de la g om trie des points 65 m moires pas forc ment les m me dimensions longitudinales et lat rales sur le plan de la surface du composant mais on montre que les variations sont n gligeables Nous avons effectu des mesures pour valeurs de espac es de 90 correspondant aux pi ces horizontales et verticales LE sur la Figure 42 pour la SRAM KM684000 et la SRAM628512 plusieurs angles d inclinaison pi pi ce horizontale pi ce verticale Figure 42 Illustration des essais de sym trie azimuthale Positions des pi ces test es Les deux figures suivantes illustrent les r sultats obtenus pour les deu
22. quand on fixe une adresse parmi les 2 calculer combien d adresses parmi les 2 1 autres diff rent d au plus xmax bits par rapport celle consid r e Ce nombre n est autre que X Max Ci C C Ci j 1 qui correspond au nombre de possibilit s de changer 1 bit d adresse parmi les n fix s 106 plus le nombre de possibilit s de changer 2 bits d adresse parmi les n fix s etc jusqu xmax bits d adresse Dans ce nombre de possibilit s quelques unes correspondent aux cas o les bits qui changent sont les LSB r els Si seul le LSB r el change on est s r que les deux adresses sont voisines De m me si les 2 LSB changent ainsi on a xmax cas qui correspondent des vrais voisins dans toutes ces possibilit s On a donc une probabilit pr d associer deux adresses ind pendantes qui ne sont en fait pas voisines gale X Max gt C Z x max j l Py D I Si l on consid re N adresses ind pendantes prises parmi les 2 le nombre d erreurs d association de deux adresses que le code peut commettre avec un XOR xmax est de X max DC xmax CE j l Gi Pr Alors si le test comporte un nombre sc de lectures on peut valuer le nombre moyen de SEU par lecture qui donne le nombre d adresses que le code va comparer par lecture On a donc un nombre d erreurs F d associations possibles en sortie du code gal CA SC SC F sc p s Py 2 SC Pr SC Soit R
23. statistique d erreurs sur les r sultats qui fournit un indice de confiance sur ceux ci Il en r sulte un code d extraction de MBU dont l efficacit est bas e et quantifi e sur les param tres d essais nombre de lecture de plan m moire nombre d erreurs enregistr es par lecture de plan et du composant nombre de bits d adresses Ce code d extraction des MBU le principe le calcul d erreurs en sortie et la validation sont d taill s en Annexe 1 4 2 1 Extraction des MBU mise en vidence des ph nom nes de diffusion Les calculs pr sent s en Annexe 1 sur le crit re de validit des r sultats en sortie du code d extraction ayant t trouv en fin de th se nous avions opt au d but de l tude pour une recherche de l adressage physique des m moires afin de pouvoir tudier de mani re fiable les multiples en utilisant l extraction r elle Pour cela nous avons utilis le laser de l IXL Pou 00 permettant de faire basculer localement un point m moire Ainsi en faisant basculer une par une les cellules sur une m me ligne et colonne on peut retrouver la progression physique des bits d adresse et retrouver leur poids du LSB au MSB r el Nous avons fait l exp rience sur trois des quatre composants tudi s une DRAM n tait plus fonctionnelle ce moment l ce qui nous a 78 permis d extraire les statistiques MBU exactes extraites partir de l adressage physique obtenues sous irradiation Le r sultat d
24. 07 0 00000 1 temps ens Figure 57 Courants collect s par les drains des 9 cellules au LET 10 Mev cm mg impact dans B2 Si on effectue les calculs d int grales des courants on obtient par exemple pour B1 B2 et B3 les charges totales collect es suivantes Drains B1 B2 B3 Charges 1 2p 2 1 4E 1 1 5E 2 en pC Tableau 20 Exemple de r sultats de calculs de charges collect es dans les drains nous n en donneront que les valeurs de charges Les temps de d but et fin de simulation seront toujours les m mes L ensemble des a e qui suivront dans ce sous chapitre sera obtenu de la m me mani re 5 1 3 Validation des simulations avec les donn es exp rimentales Etant donn le niveau de mod lisation choisie simplifications de la structure du point m moire et des g om tries il est difficile de postuler sur la validit des r sultats de simulations vis vis de leur repr sentativit de mani re qualitative et ou quantitative Nous avons donc dans un premier temps fourn un effort au niveau de la validation des param tres de simulatiofSchoisis de mani re pouvoir exploiter dans un second temps les r sultats pour notre tude des collections de charges Pour effectuer cette validation nous disposons de r sultats exp rimentaux de ce composant sous acc l rateur de particules Ce sont ces donn es qui nous servent de r f rences Il faut alors d finir des simulations nous permetta
25. 1 le 24 juillet 2000 Ree 94 R A Reed P J McNulty W G Abdel Kader Implication of angle of incidence in SEU testing of modern circuits IEEE Trans Nucl Sci vol41 No 6 december 1994 Roc 95 H De La Rochette Latchup d clench par ion lourd dans les structures CMOS lum Approche exp rimentale simulation 2D et 3D Th se soutenue l Universit Montpellier 2 le 11 janvier 1995 Sai 97 F Saign L Dusseau L Albert J Fesquet J Gasiot J P David R Ecoffet R D Schrimpf K F Gallowy Experimental determination of the frequency facrtor of thermal annealing processes in Metal Oxide Semiconductor gate oxides structures accept au J appl Phys Pour publication Octobre 1997 Saw 76 D Sawyer and J Vette AP 8 trapped proton environment for solar maximum and solar minimum National Space Science Data Center Report 76 06 Greenbelt Maryland 1976 Shi 92 Shimano Y New model of the heavy ion Upset cross section Rapport interne ONERA N 434706 CR COMP 74 1992 Smi 95 E C Smith et al Application of a diffusion model to SEE cross sections of modern devices IEEE Trans Nuc Sci NS 42 n 6 p 3207 December 1995 Sta 88 E G Stassinopoulos and J P Raymond The space radiation environnement for electronics Proceedings of the IEEE vol 76 No 11 pp 1423 1442 Nov 1988 Sze 81 S M Sze Physics of semiconductor devices 2 Edition 1981 Zie 85 J F Ziegler J P Bi
26. 1742 1753 November 1979 Kob 68 E Kobetich et R Katz Energy Deposition by Electron Beams and delta Rays Phys Rev 170 391 1968 Loq 01 J G Loquet Etude num rique et exp rimentale des dommages permanents induits par une particule lourde dans les composants lectroniques Th se 2001 May 79 T C May and M H Woods Alpha Particles Induced Soft Eroors in Dynamic Memories IEEE Trans On Electron Devices Vol ED 26 No 1 pp2 9 January 1979 McL 82 F B McLean and T R Oldham Charge Funneling in N and P type Si Substrates IEEE Transactions on Nuclear Science pp 2018 2023 1982 McN 91 1 P J McNulty W J Beauvais D R Roth Determination of SEU Parameters of NMOS and CMOS SRAMs IEEE Trans On Nucl Sci Vol 38 No 6 pp 1463 1470 December 1991 McN 91 2 P J McNulty et al Modelling charge collection and single event Upsets in microelectronics Nucl Instr and Meth In Phys Res B61 p 52 1991 Mes 92 G C Messenger et M S Ash The effect of Radiation on Electronic Systems Second Edition Van Nostrand Reinhold New york 1992 Mus 91 O Musseau Effets des ions lourds energetiques sur les circuits int gr s Application au cas de circuits MOS MOS sur Isolants et GaAs Th se 1991 Old 83 T Oldham et J M Lean Charge Collection Measurement for Heavy Ions Incident on N and P Silicon IEEE Transactions On Nuclear Science NS 30 6 pp 4493 4500 December 1983
27. 2 Application au cas d une couche enterr e La Figure 58 rappelle la g om trie du probl me de mani re illustrer les param tres de calcul Etant donn la pr sence de la jonction enterr e 6um de profondeur pour la HM628512 la profondeur neutre Ep du substrat prise pour le calcul devrait tre 6um or il faut tenir compte de la longueur de collection par funneling et drift Ze enterr e de cette jonction enterr e puisque dans cette paisseur les charges seront collect es en profondeur et ne participeront pas la diffusion 93 ih Zc enterr e Figure 58 Illustration des param tres de calcul En violet ZCE en rose zone dop e N Si l on calcule num riquement Ze enterr e Selon l expression du mod le de McLean pr sent en 1 3 3 1 2 on obtient des valeurs pouvant varier de 1 2um selon la valeur de LET comprise entre 2 et 20 MeV cm mg il faut alors tenir compte de cette paisseur non n gligeable pour estimer la profondeur E L expression de Ep devient alors E 6um L ozeni Po Cette nouvelle valeur de Ep d finit la limite sup rieure de l int grale adapt e notre g om trie nous pouvons faire de m me pour la limite inf rieure Dans cette g om trie l paisseur totalement absorbante en surface correspond la limite de la zone de charge d espace des jonctions en surface soit la profondeur Zim Z ce Zn Z tant la profondeur des zones actives type N gale 400nm Pour rapp
28. 5um 1 3E 14 1 2E 14 20 YB2 1 5um 2 5E 14 2 7E 14 Tableau 27 Charges collect es par B2 par diffusion calcul e analytiquement et par simulation 96 Nous observons une parfaite concordance des r sultats avec les simulations le mod le de diffusion choisi parait satisfaisant 5 2 5 Etude en incidence Les bons r sultats obtenus avec ce mod le de diffusion nous ont encourag s exploiter les cas de particules p n trant dans le composant avec un angle d inclinaison diff rent de z ro Le calcul des charges collect es par diffusion se fera comme pour le cas d un impact indirect par int gration sur un maillage de la cellule que l on prend identique celui de la Figure 59 En fonction de l angle d incidence il faut param trer la profondeur de la charge zi en fonction de sa position Z sur la trace et la distance r du point virtuel i d impact au centre de la cellule Les param tres sont illustr s sur la Figure 60 particule Figure 60 Param tres de calcul pour un angle d incidence 0 Pour chaque point de la trace sur laquelle nous effectuons l int gration de la charge q r zo il faut red finir les couples r z1 d finis tels que r r Z sin 0 si point d impact avant B2 r r z sin 0 si point d impact apr s B2 Z Z9 C080 La longueur de trace effective est modifi e par l inclinaison 0 E cosO L quation de la charge collect e par diffusion devient g 8 O gif 8 f
29. 95 Shi 92 Smith et Edmonds expliquent la forme de la section efficace d Upset ion lourd comme due uniquement des ph nom nes de diffusion de charge de la trace vers les n uds sensibles Edmonds donne une formule litt rale tr s simple pour la section efficace d Upset ion lourd qui est une alternative possible l ajustement de Weibull a O ion LET 0 e LET t Cependant pour certains composants les ajustements standard ne s appliquent pas toujours On pourra de mani re g n rale ajuster les donn es exp rimentales par des fonctions math matiques diverses logarithmique exponentielle polynomiale etc 2 2 2 3 Correction de l inclinaison par cos 0 Chaque syst me de test sous acc l rateur permet d incliner le composant afin d irradier celui ci plusieurs angle d inclinaison pour tudier la d pendance angulaire de la sensibilit C est aussi une mani re courante de cr er des points de mesure suppl mentaires en travaillant en LET effectif Le LET effectif est le LET de la particule cos Jon inclinaison ce qui LET Pa donne LET feens 0 ET c est ce qu on appelle la correction en cos 0 dont voici le principe N Particule de LET L A 1 aD Figure 24 Prise en compte de l effet de l inclinaison Dans le cas o les particules n arrivent pas incidence normale si l on consid re le parcours r de la particule de LET L dans le volume sensible celui ci est diff rent de
30. Barth Modeling Sapce Radiation Environments IEEE NSREC short course 1997 Bar 98 J A Barth Military and Aerospace Applications of Programmable Devices and Technologies Conference Radiation Environments Greebelt Maryland September 1998 Bar 95 J Barak J Levinson A Akkerman M Hass M Victoria A Zentner D David O Even and Y Lifshitz A new approach to the analysis of SEU and SEL data to obtain the sensitive volume thickness Proc RADECS 95 Arcachon France pp 321 325 Ben 83 W L Bendel and E L Petersen Proton Upsets in Orbit IEEE Trans Nucl Sci No 30 pp 4481 4485 1983 Bet 96 Review of Particle Physics Phys Rev D 54 pp 132 1996 Bou 95 J C Boudenot L Environnement Spatial Collection Que sais je Ed Presses Universitaires de France 1995 Cam 97 A B Campbell O Musseau V Ferlet Cavrois W J Stapor P T McDonald Analysis of SEE at grazing angle Radecs 97 pp 528 Dod 01 P E Dodd A R Shaneyfelt K M Horn D S Walsh G L Hash T A Hill B L Draper J R Schwank F W Sexton P S Winokur SEU sensitive volumes in bulk and SOI SRAMs from first principles calculations and experiments IEEE Trans Nucl Sci NS 47 n 6 Dec 2001 Dod 96 P E Dodd F W Sexton G L Hash M R Shaneyfelt B L Draper A J Farino R S Flores Impact of technology trends on SEU in CMOS SRAMS IEEE Trans On Nuclear Science vol 43 No 6 Part 1 pp 2797 2804 1996
31. Cela pourrait changer notre estimation des taux ions lourds effectu e partir des taux protons cf 3 2 2 mais on reste toujours dans un ordre de grandeur raisonnable sur les erreurs possibles provenant de l environnement On peut alors supposer que les erreurs importantes observ es sur les pr dictions ne sont pas dues l environnement 56 3 3 2 Influence du blindage Comme nous avons d j pu le voir dans ce rapport le blindage du satellite tudi est une donn e bien souvent inconnue Pour certaines missions les concepteurs peuvent fournir une estimation mais en plus de l paisseur de blindage du satellite il faudrait rigoureusement prendre en compte la position de l exp rience dans le satellite et la position des composants sur la carte pour obtenir les meilleures hypoth ses possibles Lorsque les donn es sont insuffisantes le blindage est estim ou choisi arbitrairement gal 1g cm nous avons d j pu observer l impact de la valeur de celui ci sur les pr dictions Le tableau suivant illustre les variations de taux en sortie pour diff rentes valeurs de blindage pour deux des composants tudi s dans le cas de SAC C les r sultats sont similaires sur MIR M 1 SRAM HM628512 DRAM HM5165405 blindage Taux en Taux en g cm SEU j comp SEU j comp 1 4 5 E 2 2 3 E 3 5 4 E 2 1 8 E 3 10 2 8 E 2 1 2 E 3 20 1 4 E 2 6 2 E 4 30 7 9 E 3 3 2 E 4 Figure 37 Variation du taux SEU en fonction du
32. L existence d un courant de fuite fait dispara tre progressivement l information et il faut donc la rafra chir r guli rement d o le terme dynamique pour d signer ces structures La lecture est destructive elle modifie l information et une r criture automatique est n cessaire apr s cette op ration Il faut alors 25 ajouter un circuit externe pour le rafra chissement des cellules m moires La gestion est plus complexe que pour les SRAM ce qui se traduit par un temps d acc s plus long 1 3 4 2 Le SEU dans les SRAM Diff rentes tudes ont montr que les transistors les plus sensibles au ph nom ne de SEU dans un point m moire taient les transistors NMOS bloqu s Dod 96 Quel que soit le type de substrat le transistor le plus sensible est le transistor NMOS bloqu Consid rons un point m moire deux inverseurs minimum sont n cessaires la r alisation de cette fonction comme il a t d crit dans le paragraphe 1 3 4 1 1 contenant une information donn e Supposons qu un ion traverse un des transistors bloqu s On peut r sumer la situation par la Figure 15 qui pr sente le m canisme de SEU dans un point m moire CMOS Vdd Vdd On Off A B Off Transistor N2 L Vss A B z mgm o a b c Figure 15 SEU dans un point m moire CMOS a Etat initial du point m moire b Passage d un ion lourd au niveau du transistor N2 c Changement d tat du point m moire Le circuit est con u de sorte qu
33. N Zzce Zzc 0 16um Z 0 5um Ze enterr e 2UM D o E 4um Ziim 0 56um et Zin 0 9pum On obtient Quis 3 5E 14 C La collection par drift et funneling donne une charge collect e Qar gale Qa LETxZmin 9 3E 14 C En additionnant l ensemble des contributions on obtient QuQuirrt Qar1 3E 13 C Cette valeur est compar e la charge collect e par B2 simul e dans les m me conditions soit 1 4E 13 C LET 20 MeV cm mg soit po 1 3E6 e um ro 0 66um Zzc 0 16um Z 0 6um Ze enterr e 2 5 um D o Ep 3 5um Ziim 0 56um et Zmin l um On obtient Qui 5 9E 14 C La collection par drift et funneling donne une charge collect e Qar gale Qa LETXZmin 2E 13C En additionnant l ensemble des contributions on obtient Qio QuaitrQa 2 6E 13 C Cette valeur est compar e la charge collect e par B2 simul e dans les m me conditions soit 3 5E 13 C Dans les deux cas tudi s les valeurs calcul es et simul es sont dans des proportions tr s encourageantes facteur 1 3 max Ce qui donne une certaine validit aux mod les simples retenus 95 3 2 4 Applications num riques pour un impact indirect Nous avons appliqu ces mod les dans une configuration o seule la diffusion intervient comme par exemple un impact loign du centre d un drain Or nous avons effectu des simulations pour plusieurs loignements sur l axe Y du centre de B2 et pour deux valeurs de LET dont les r sultats ont t repor
34. Progression binaire des bits d adresses et illustration du traitement en OU Exclusif L observation du param tre XOR au cours de cette d une progression binaire permet de noter que dans des cas de voisinage au plus deux bits d adresse les LSB diff rencient deux voisins ou encore dans 7 8 des cas au plus trois bits d adresse les diff rencient Reprenons alors le cas d une liste de SEUs issue d un essai sous acc l rateur de particules Ces SEUS sont repr sent s par leur adresse logique et sont suppos s al atoirement r partis sur la surface de la puce Consid rant l ensemble des SEUS intervenus pendant une m me lecture de plan m moire m me At la m thode consiste comparer deux deux toutes les adresses logiques de ces SEUS en calculant le O Exclusif et comptabiliser chaque fois le nombre de bits d adresse qui les diff rencient En fixant une barre haute pour la valeur du XOR on consid rera alors potentiellement appartenant un m me v nement multiple les SEUS qui diff rent d au plus le XOR max fix Ainsi prenant l exemple du XOR max gal 3 et supposant toujours une r partition al atoire des v nements cette m thode permet de trouver 7 8 des vrais voisins Tout repose sur le choix judicieux de la valeur de xmax XOR max fix Le code compare donc deux par deux les adresses du m me ensemble At et les associent lorsque la condition est bonne Il stocke alors dans une table les SEU retenus pour co
35. d environnement Ces donn es sont r guli rement mises Jour gr ce aux mesures effectu es par les agences spatiales telles que la NASA National Aerospace and Space Agency PESA European Space Agency et le CNES Centre National Etudes Spatiales Nous disposons entre autre au DESP D partement Environnement Spatial de l ONERA de mod les environnement bas s sur ces mesures Plus particuli rement pour les ions lourds l environnement est d crit l aide d un spectre qui pourra exprimer le flux de particules incidentes sur le composant en fonction du LET c est le spectre de LET qui est utilis pour les calculs de taux d v nements en vol Ce spectre exprim au niveau du composant est en g n ral obtenu pour chaque mission partir de donn es environnementales transpos es sur l orbite consid r e et tenant compte du blindage de l ensemble satellite composant il y a donc diff rentes tapes et hypoth ses poser avant d obtenir le spectre au niveau m me du composant Ces tapes sont les premi res prendre en compte dans les mod les de pr diction et sont d crites un peu plus loin dans le cas du code de calcul de pr dictions CREME Les spectres diff rentiels sont ensuite int gr s en spectres 28 int graux de LET pour chaque l ments puis les spectres de l hydrog ne l uranium sont somm s pour produire un seul spectre int gral combin Du fait de l hypoth se de l isotropie externe le s
36. d MA pour tablir les pr dictions Les param tres de calculs ayant t d finis dans ce paragraphe nous pouvons passer l tape suivante consistant comparer les pr dictions aux taux d erreurs en vol 3 2 2 Comparaison entre pr dictions et donn es de vol SAC C Les calculs sont faits pour les composants de la mission ICARE sur SAC C pr sent s dans le Tableau 5 vis vis des ions lourds issus du rayonnement cosmique et dans les diff rents cas d tude pr sent s en 3 2 1 Les taux SEU pr dits sont compar s aux taux en vol trait s pr alablement de mani re s affranchir de la SAA et des ruptions solaires comme d crit dans le paragraphe 3 1 1 4 On peut ajouter une r flexion sur la valeur de taux en vol qui nous sert de r f rence pour les comparaisons En effet les taux en vol sont trait s de mani re s affranchir de la SAA et des ruptions solaires mais il faut garder en m moire que ce taux englobe les effets la fois des ions lourds et des protons dans les zones restantes Donc il serait plus rigoureux d effectuer des comparaisons avec les taux en vol affranchis de la part proton Nous avons suivi la d marche suivante pour y parvenir Il est tabli que les pr dictions protons rencontrent moins d erreurs de pr diction du fait de l isotropie des r actions nucl aires paragraphe 2 1 2 2 2 En effet les r actions tant isotropes l int rieur du composant la section efficace SEU que l on mesu
37. de charges La d marche s est faite en trois temps d finition de la structure organisation et maillage optimal et des conditions optimales de simulation temps et pas de simulation 84 validation des simulations en confrontant des r sultats simples avec des donn es exp rimentales tude de la collection de charge par diffusion des upsets multiples et des effets angulaires 5 1 1 Structure simul e L ensemble des analyses technologiques pr sent es en Annexe 2 nous ont permis d identifier la structure la plus proche possible de ce composant int grer dans le simulateur elle est pr sent e dans ce paragraphe Ce sont les transistors NMOS bloqu s qui ont t identifi s comme tant les plus sensibles dans la structure du point m moire Dod 01 MceN 91 1 Nous focaliserons donc notre tude sur la collection de charges dans les drains OFF de ces transistors Seuls les transistors de stockage ont t retenus dans la structure L ensemble de la structure du transistor grille drain source a t simul pour tenir compte des niveaux de polarisation qui influe sur les m canismes de collection de charges Les transistors d acc s ont un tat qui d pend des modes de lecture et criture il est donc difficile de postuler sur leur tat pour les simulations De plus une simulation a t men e avec la structure compl te et seuls quelques pour cent de variation sur les charges collect es dans les jonctions
38. de surfaces sensibles estim es par simulation dans le cas d fi de la mani re suivante Surface sensible MeV cm m d inclinaison simul e par bit exp rimentale par bit cf g 0 en en um Figure 49 en um 60 Z 3 3 2 9 10 0 3 8 3 1 10 60 6 3 6 20 0 7 6 Tableau 26 Comparaison des surfaces sensibles obtenues pour diverses incidences et valeurs de LET Ces r sultats paraissent coh rents et les surfaces comparables Suite ces v rifications discr tes il serait ce niveau tr s int ressant de regarder les mod les analytiques pour approfondir l tude Le troisi me sous chapitre 5 2 suivant va permettre de quantifier la part de chaque contribution l aide de mod les analytiques de collection de charges On proposera alors des mod les analytiques simples et adapt s notre probl me permettant de s affranchir des simulations tr s co teuses en temps de calcul et d envisager d autres tudes en terme de d pendance aux param tres d entr e 5 2 Comparaison avec des mod les analytiques simples Le travail pr sent ici s inscrit dans la compr hension des ph nom nes de collection de charges Il vise tablir des lois simples permettant de d crire la charge collect e dans le composant lorsqu un ion lourd quelconque en LET voir en incidence le traverse Ainsi une revue bibliographique des mod les simples d crivant les processus de collection de charges a t
39. des v nements pour l ensemble des composants Un tel graphique nous permet de situer visuellement les ruptions solaires ce qui peut tre utile pour les enlever de la statistique en fonction de l tude 3 1 1 4 R partition g ographique des SEU La r partition g ographique des v nements traduit la pr pond rance de l anomalie de l Atlantique Sud puisque environ 80 des SEUs y sont localis s Compte tenu du temps r el pass par le satellite dans cette zone 5 il est clair que les protons constituent la source majeure d v nements Lors des ruptions les v nements exc dentaires sont localis s dans les zones polaires Figure 31 R partition g ographique des v nements Pour diff rencier les effets dus aux protons de ceux dus aux ions lourds dans les donn es on consid re g n ralement que 80 du taux global provient des protons dans l anomalie et que donc 20 de celui ci donne le taux d erreur en vol ions lourds en assimilant que l effet des ions cosmiques est pr pond rant hors de l anomalie par rapport aux protons On peut v rifier 46 ces proportions en comptant les SEUS localis s dans la SAA et hors SAA mais il reste une incertitude ce jour pour confirmer ou infirmer la proportion ions lourds protons hors de l anomalie Nous verrons par la suite un moyen qui a t trouv pour donner une r ponse cette interrogation paragraphe 4 1 2 A partir des fichiers de donn
40. diffusion cf 3 3 4 3 Or nous avons d j pu voir plusieurs reprises que ces charges collect es ne sont pas n gligeables puisque dans certains cas tudi s elles d passent m me le seuil de basculement C est le cas d un impact loign de 1 5um de B2 au LET 20 MeV cm mg cf Tableau 22 faisant basculer B2 ainsi qu un impact situ entre B2 et B3 partir d un LET de 8 MeV cm mg faisant basculer les 2 cellules simultan ment cf Tableau 24 Il n est pas n cessaire d effectuer plus de simulations pour noter l importance de la diffusion nous voyons que ce m canisme d finit les limites des surfaces sensibles et qu il devient donc un ph nom ne pr pond rant dans la mod lisation des effets des particules amenant au basculement Nous avons vu aussi la possibilit de faire basculer plusieurs cellules simultan ment uniquement par diffusion des charges depuis la trace de la particule en tudiant le cas d une particule p n trant dans la structure entre deux jonctions Ces ph nom nes multiples sont tout aussi probables que les v nements simples et d pendent de la situation du point d impact et des distances entre cellules Le deuxi me objectif tait l tude des effets angulaires Cette tude s est av r e finalement peu int ressante par simulation car elle ne permet d acc der un r sultat que sous forme de charges collect es ou encore de surfaces sensibles et non analytiquement en fonction des param tres d en
41. double Si non Stocke nouveau double i 1 Ajoute au cluster augmentant ainsi la multiplicit Si d j glans cluster du m me t i 1 Sii s Figure 62 Algorithme du code d extraction de MBU 105 Ainsi reprenant l exemple du XOR max gal 3 cette m thode permet de trouver 7 8 des vrais voisins mais elle peut associer aussi des adresses qui diff rent de moins de 3 bits qui ne seraient pas en r alit les 3 LSB Cela est possible puisque statistiquement si on prend deux l ments de mani re al atoire dans l ensemble des adresses il y a une probabilit que les deux adresses diff rent de moins de 3 bits autres que LSB Tout repose alors sur le choix judicieux du XOR max plus il sera grand moins la m thode oublira de vrais voisins mais plus elle pourra ajouter de faux voisins La probabilit d associer deux faux voisins en fonction du XOR max fix d pend d un certain nombre de param tres mais peut tre quantifi e par une tude statistique qui est pr sent e dans le paragraphe suivant 2 Calcul d erreurs en sortie du code On associe cette m thode un calcul d erreurs en sortie permettant de juger de la validit de celle ci selon le cas tudi En effet l efficacit de la m thode d pend des param tres d essais nombre de lectures de plan m moire nombre d erreurs enregistr es par lecture de plan et du composant nombre de bits
42. exprime donc en MeV cm2 mg Le L E T peut aussi tre donn en pC um Dans le cas du L E T pour une cible en silicium L E T Si la valeur en pC pm est environ 100 fois plus faible que celle en MeV cm mg Le d p t d nergie sur la distance parcourue 1 est alors E D p LET z dr et la quantit Qo de charges g n r es s crit alors 1 Zo f LET z dz o Zo est la port e de la particule ionisante distance pouvant tre parcourue par cette particule dans le composant avant d tre stopp e et 3 6 eV est l nergie moyenne de cr ation d une paire lectron trou On peut obtenir la valeur du LET d une particule en surface du composant en fonction de son nergie de son num ro atomique et de la nature du mat riau travers l aide des tables de Ziegler Zie 85 Une fois le LET de la particule calcul on s affranchit ainsi de la nature de la particule pour la suite des calculs d effet de l ion dans le mat riau Le LET des ions volue en fonction du parcours dans le mat riau cible puisque l ion y perd de l nergie et pr sente un pic plus ou moins aigu appel Pic de Bragg en fin de parcours ralentissement de l ion incident illustr dans la Figure 7 15 LET CHENE 6 N A 130 135 140 145 150 155 160 3 S parcours um 1 Carbone 92 MeV 0 d T j T T T T T 1 O 20 40 60 80 100 120 140 160 180 parcours um Figure 7 LET d un ion carbone de 92 MeV
43. ions dans l espace nous devons juste rester vigilants pour l exploitation des essais au sol o les port es des particules sont plus petites et impliquent de re valuer la valeur du LET dans les zones actives cf 2 2 2 4 ce qui a t fait 3 3 4 2 Incertitudes sur les param tres d finissant le volume sensible Du fait de la r p titivit de la structure d un plan m moire il para t coh rent de consid rer tous les VS identiques et de m me nergie critique Dans le cas du mod le IRPP qui nous int resse le taux de SEU est calcul en int grant la r ponse sur toute la courbe de section efficace d Upset ce qui suppose que l on consid re une section S du volume sensible diff rente chaque pas de calcul cf 2 1 2 2 1 Cette surface sensible tant issue des mesures exp rimentales on peut avoir confiance en sa valeur toujours en supposant que l nergie des pas d effet LET identique Le probl me essentiel de cette mod lisation est celui de l paisseur d du VS qui est un param tre inconnu On trouve dans la bibliographie quelques m thodes pour l obtenir Bar 95 Eco 97 mais elles n cessitent des tests suppl mentaires lourds par utilisation des faisceaux d ions de faibles parcours qui ne peuvent s appliquer dans le cadre de la pr diction du point de vue concepteur Ce probl me de connaissance de l paisseur sensible appara t comme une source vidente d erreurs dans le r sultat du calcul de ta
44. le nombre d associations que le code trouve Un multiple de 3 SEUS correspond 2 associations Le nombre moyen d associations par lecture de plan que le code sortira est de R sc on aura donc pas N adresses ind pendantes pouvant amener des erreurs mais plut t N R sc On rectifie alors la valeur de F de la mani re suivante F Cir sep SC Le nombre R d associations de SEU que le code sortira est la somme des vrais multiples v qu il d tectera et des erreurs probables F R v F On en d duit le nombre v de vrais multiples et le nombre O d oubli en fonction de po v P Po v R F et O0O 107 Cela permet donc d estimer les erreurs F et les oublis O F et O sont exprim s en nombre d associations du code en sortie qui sont fonction des param tres d essais s et sc du composant n et du param tre de calcul xmax On d duira de ces calculs de F et O la valeur optimale choisir pour xmax en fonction des cas tudi s Ce sera celle qui donnera un meilleur quilibre entre erreurs F et oublis O dans des proportions acceptables par rapport au r sultat R On jugera le r sultat R exploitable si F et O sont bien plus petits que R car dans le cas contraire cela voudrait dire que les vrais multiples sont noy s dans les erreurs et qu il y a trop d oublis pour tre repr sentatif de la r alit 3 Validation de la m thode En connaissant l adressage physique des m moires il est possible d extraire les vrais multiples
45. param tres mesur s exp rimentalement sont le LET seuil qui permet alors de calculer Ec puis Qc formules donn es pr c demment On fait une hypoth se sur la valeur de d qui esl repr sente la profondeur de collection de charge par exemple l paisseur de la couche pitaxi e ou la largeur de la zone de charge d espace la section efficace de saturation osat ME la surface d un volume sensible 6sat Nb Nb tant de nombre de bits de la m moire dont on d duit 1 et w en consid rant que I w o Ainsi le VS a la forme suivante VS JF 5 l V O sat Figure 21 Dimensions du VS d duites des donn es exp rimentales Cette m thode RPP ne prend pas en compte la forme r elle de la courbe de section efficace puisqu elle consid re une courbe en marche d escalier Le code de calcul CREME a 33 naturellement volu vers une version bas e sur le mod le IRPP Integral RPP model qui tient compte de la dispersion des nergies critiques Pet 97 et donc de la forme r elle de la courbe de section efficace exp rimentale en fonction du LET LET On utilise aujourd hui uniquement la mod lisation IRPP beaucoup plus r aliste M thode IRPP Pour la m thode RPP nous supposions que le volume sensible tait le m me quelle que soit la particule incidente Nous consid rions une section efficace d Upset en forme de marche d escalier au lieu de tenir compte de la croissance r guli re des donn es exp
46. pr sent e et valid e sur un ensemble de composant Une tude des v nements multiples a t men afin d en valuer l importance montrant que les ph nom nes de diffusion sont prendre en compte dans la mod lisation des m canismes de collections de charge mis en jeu Enfin des simulations coupl es avec des mod les analytiques simples permettent l tude de ces m canismes quantitativement les travaux effectu s sont d crits Mots cl s Single Event Upset SEU Multiple Bit Upset MBU ions lourds CREME OMERE pr diction section efficace SRAM DRAM ISE TCAD simulation num rique mod le analytique collection diffusion SUMMARY The Single Event Upset SEU corresponds to a soft error due to the strike of an ionising particle The devices like SRAM and DRAM are sensitive to SEU in space so it is important to predict their SEU sensitivity before including them in space missions The purpose of this work is to propose a reliable prediction model for aggressively scaled technologies able to calculate SEU heavy ion rates The analysis of space experiments allowed us to perform comparisons between in flight rates and predicted rate obtained using standard prediction model based on IRPP concept This study showed that the standard prediction model don t give good results The difficulty to easily improve it led us to propose a different rate calculation method named empirical method which was validated for few devices Th
47. protons et lectrons et de quelques ions lourds pi g s dans la magn tosph re par le champ magn tique terrestre Leur nergie se situe entre une dizaine de keV et quelques centaines de MeV Ces particules soumises la force de Lorenz ont des trajectoires h lico dales suivant les lignes de champ magn tique terrestre ce qui donne aux ceintures un aspect de tores ou pneus sym triques par rapport l axe du dip le magn tique Figure 1 A 7 DR pee Particle Mirror Point Pitch Angle of Helical Trajectrory 90 Magnetic Field Line a Ceintures de radiations Figure 1 Aspect des ceintures de radiation Les ceintures de Van Allen comptent e 2 ceintures d lectrons centr es aux altitudes de 3000km et 20000km e ceinture de protons l altitude de 3000km La dissym trie de ces ceintures est due la d formation de la magn tosph re sous l effet du vent solaire et par l inclinaison 23 26 entre l axe magn tique et l axe de rotation terrestre Ce d calage entre les deux axes donne lieu une r gion particuli rement riche en protons l anomalie Sud Atlantique SAA Le champ magn tique y est tr s faible et les flux de protons voluent en fonction de l altitude et de l activit solaire 7 Les orbites utilis es sont donc situ es sur le bord externe des ceintures orbite g ostationnaire GEO certaines les traversent orbites de transfert et en dessous d
48. qui tait d am liorer les m thodes de pr diction est atteint La m thode empirique propos e m riterait d tre tendue et utilis e par les concepteurs puisqu elle assure de bonnes pr dictions tout en restant facile mettre en uvre L approche semi exp rimentale est utilisable telle qu elle tandis que pour l approche analytique bas e sur la loi en LET effectif des travaux serait fournir pour bien d finir les bornes des int grales du calcul de taux Enfin les mod les analytiques propos s dans le dernier chapitre apportent des bases int ressantes pour tudier en d tail les m canismes sur des technologies connues L objectif initial qui tait de quantifier la d pendance angulaire des charges collect es en fonction de la technologie du composant n a pas pu tre atteint du fait de la difficult d identifier des mod les adapt s Le regret est de ne pas pouvoir les utiliser cet effet apr s avoir tant batailler pour enfin les valider peut tre des id es pour continuer les travaux entam s dans cette th se 102 ANNEXE 1 CODE D EXTRACTION DES MBU 1 Principe de la m thode Le principe d extraction des MBU de mani re statistique est illustr par l algorithme donn un peu plus loin Un exemple de fichier r sultats de test sous acc l rateur de particules est donn Tableau 29 afin de bien comprendre les donn es d entr e de l algorithme Le masque d erreur hexad cimal traduit le bit de donn
49. su susss css sscceesseessnnesssnnsennees 96 5 2 5 ETUDE EN NCDEN CE e ia tiarra E AA OAA A A AA A A O ARR 97 5 3 CONCLUSIONS EEE A EAEE N A N EE EEE N E A 99 OIE D DNE KD INRE E EEA E TE EE E EN ES este ado E ETE 101 ANNEXE 1 CODE D EXTRACTION DES MBU sienne 103 1 Principe de la m thode titine in estate retirent lee ue ae realite 103 2 Calcul d erreurs en sortie du code ss 106 3 Validation de la m thode sis 108 ANNEXE 2 BILANS DES ANALYSES TECHNOLOGIQUES saiisseesssessssssssssserssssrssssserssssee 112 1 Reverse engineering SRAM 4Mbits Hitachi HM628512 ss ssssssssssssseessssssssessessessssseese 112 2 Cartographie des zones actives par SCM sur Hitachi HM628512 114 3 Analyses SIMS des dopages dans la zone active de la HM628512 n se 118 TABLE DES SIGLES n Lan mnt nn Ai nn en M gts tr an ect ets t r Anne sat 121 REFERENCES nn nl lutte mate Mine fall CR 122 RESUME ne nd en Ale a no add Aus 125 INTRODUCTION Les premi res anomalies induites par les radiations de l espace sur les circuits lectroniques embarqu s ont t observ es il y a plus de trente ans mais la communaut scientifique internationale ne s est int ress e vraiment ce probl me que depuis les ann es 80 Ces recherches s tendent aujourd hui de l tude de l environnement spatial jusqu au test de composants sous acc l rateurs de particules en passant par la mod lisation du comportement des puces lectron
50. travers la grille d un MOS et correspond la destruction de l oxyde de grille Il peut survenir dans le cas ou il existe un champ lectrique suffisamment lev comme lors des op rations d criture des m moires EEPROM ou dans des transistors MOS de puissance Lorsqu un ion lourd traverse le di lectrique il se forme un filament de plasma entre le silicium et la grille qui va permettre aux charges d pos es de diffuser vers l interface S1 S102 L accumulation de charges cette interface entra ne l augmentation du champ lectrique dans l oxyde Lorsque ce champ est suffisamment important il peut entra ner la rupture locale de l oxyde de grille Les charges sont alors collect es travers l oxyde occasionnant une surchauffe locale de la structure Sous l effet de la temp rature le di lectrique peut fondre localement cr ant un court circuit permanent travers l oxyde de grille Le SET ou Single Event Transient est initi lorsqu une particule ionisante heurte la jonction bloqu e d un transistor MOSFET en provoquant une impulsion de courant qui se propage ensuite dans le circuit Au niveau d une porte logique l mentaire on parle d impulsion transitoire de tension SET En effet l impulsion transitoire de courant produite par une particule au niveau du composant est transform e en impulsion de tension d une amplitude et d une dur e qui d pendent des param tres de la porte logique comme la capacit de sortie le temps de mont
51. un spectre de LET gr ce aux mod les environnementaux disponibles ceux int gr s dans CREME ou OMERE par exemple fichier LET dat d crit dans le paragraphe 2 1 2 1 Ces spectres calcul s sous forme int grale ou diff rentielle sont des spectres isotropes int gr s sur tout l angle solide donn s sous forme d un tableau de valeur en fonction de quelques valeurs de LET discr tes impos es par le logiciel Nous sommes donc en mesure d exprimer num riquement LET 90 La difficult r side dans la connaissance de la courbe de section efficace d Upsets en fonction du LET de la particule et de son angle d inclinaison vis vis de la surface du composant En effet on dispose en g n ral de la sensibilit du composant mesur e incidence normale sous acc l rateur de particules la courbe exp rimentale de section efficace d upset qui n est pas forc ment repr sentative des autres directions d incidence Or il faudrait les conna tre pour le calcul de taux pr sent ci dessus La mod lisation IRPP tait alors une solution permettant d extrapoler la sensibilit du composant toutes les directions d incidence des particules de l espace Mais puisqu il est possible d incliner le composant par rapport au faisceau de particules avec les moyens d essais existants nous pouvons alors mesurer exp rimentalement la courbe de section efficace d Upsets pour diff rents angles d inclinaison et faire le calcul direct de taux d Upsets pr
52. unique ion lourd proton en un point sensible du circuit Prenons le cas de l ion lourd qui nous int resse plus particuli rement dans notre tude Le cas des SEU dus aux protons peut se ramener celui de l ions lourds puisque ce sont les ions secondaires issus de la collision proton atome qui vont ioniser leur tour Un ion lourd incident interagit dans un premier temps avec les lectrons qui plus denses constituent des cibles plus probables L ion transf re alors une part de son nergie aux lectrons qui s arrachent du noyau si l apport d nergie est suffisant diffusion coulombienne Le processus d ionisation est amorc Ainsi se cr ent localement par ionisation successive des paires lectrons trous le long de la trajectoire de l ion tant que ce dernier poss de assez d nergie cf Figure 5 De plus les lectrons lib r s peuvent leur tour ioniser les atomes voisins ce qui forme la trace d ionisation de l ion lourd ion incident lectrons secondaires lectron primaire rayon Figure 5 Trajectoire d un ion lourd dans un solide Les temps caract ristiques de ce m canisme temps de vol de l ion dans le semi conducteur temps de r organisation et de thermalisation des lectrons peuvent aller de quelques femtosecondes quelques picosecondes Le passage d une particule ionisante dans une m moire peut engendrer diff rents types d v nements pouvant conduire une d failla
53. 1 2 2 Mod lisation de l interaction particule composant calcul du taux d v nement SEU Le bilan sur la mod lisation de l interaction particule composant des mod les de pr diction standard pr sent dans ce paragraphe est issu d une tude effectu e l ONERA en 2002 visant tablir l tat de l art de ces mod les Ing 02 Les mod lisations des effets ions lourds et protons sont d crites dans les deux paragraphes suivants Ces mod lisations n cessitent comme point de d part de conna tre la sensibilit du composant mesur e sous acc l rateur de particules Ainsi l obtention de la courbe de section efficace SEU sera d taill e dans le sous chapitre 2 2 Cette courbe n tant repr sentative de la sensibilit du composant qu une direction d incidence unique des particules des mod lisations telles que l IRPP d crites ensuite ont t propos es afin d extrapoler la sensibilit toutes les directions de l espace d o les mod lisations RPP et IRPP pr sent es maintenant 2 1 2 2 1 SEU dus l ionisation directe ions lourds M thode RPP A l origine le mod le de calcul du logiciel CREME est bas sur l approche RPP Rectangular ParallelePiped RPP d velopp par Pickel et Blandford Pic 80 Ce calcul fait intervenir un volume sensible parall l pip dique dans le composant et les hypoth ses suivantes le LET des ions incidents est constant sur tout le parcours dans le VS Volume Sensibl
54. 12 de mani re observer le comportement de la sensibilit pour ces valeurs Les r sultats obtenus sont indiqu s dans la Figure 50 o nous avons trac les points de mesures incidence normale courbe Odeg et les points obtenus avec les ions Argon et Neon fortes inclinaisons en fonction du LET effectif On s aper oit que dans ce cas les points continuent s aligner avec la courbe en incidence normale Il est difficile de conclure sur une g n ralisation mais ce r sultat montre que pour certains composants on peut prendre l hypoth se que la m me loi d volution de la sensibilit avec l inclinaison peut tre prise jusqu l angle limite de 80 Pour les autres composants des tudes montrent que la loi en LET cos0 am ne une surestimation de la sensibilit Dod 97 75 1 00E 01 E e 1 00E 00 5 e 2 E e E PA BL R 1 00E 01 E Odeg F e Ar 0270275 280 285 1 00E 02 E m Ne 0270 275 280 285 z E 9 D 6 1 00E 03 E m Es 1 00E 04 r i 0 20 40 60 80 100 120 140 LET MeV cm mg Figure 50 Sensibilit de la SRAM HM628512 de fortes inclinaisons De m me il faut v rifier l volution du seuil en fonction de l angle d inclinaison Ces points sont trait s dans plusieurs publications Ree 94 Cam 97 Dod 97 ainsi Dodd tudie par simulation l volution du seuil en comparaison avec la loi en cos En effet se basant sur une volution suivant la lo
55. 28 E1 24 2 0 96 1 1 0 3 32 4 1 68 E 1 82 1 0 3 Tableau 8 Synth se des donn es exp rimentales ions lourds 48 Ener gie Sseu E 5 COMPOSANTS protons Param tres de Weibull Mey cm comp W S E seuil Osat 14 6 17 E 10 ORARI 17 8 07 E 9 HM5165405 27 4 69 E 8 9 43 0 8 14 1 3 E 7 43 9 52 E 8 64 1 31 E 7 15 8 75 E 8 23 2 75 E 7 SRAM HM628512 44 424 E7 0 48 0 45 15 4 5 E 7 65 4 52 E 7 6 3 34 E 9 DEAN 9 1 3 E 8 KM44V 16004 17 1 68 E 7 9 7 0 88 5 99 5 4 E 7 27 3 47 E 7 64 5 42 E 7 5 2 2 E 8 8 5 8 E 8 11 1 49 E 7 15 5 16 E 7 SRAM KM684000 18 1 07 EG 11 6 1 4 99 2 19 E 6 23 1 64 E 6 28 2 19 E 6 65 1 81 E 6 Tableau 9 Synth se des donn es exp rimentales protons 3 2 Pr dictions et comparaisons 3 2 1 Param tres de calcul Il est possible d effectuer des calculs de taux l aide du code CREME disponible gratuitement sur le site Internet de la NASA Mais il existe aussi des applications d clinant de ce logiciel tel que OMERE d velopp par la soci t TRAD bas sur le principe du volume sensible mod le IRPP et pouvant tre install sur PC ce qui vite de se connecter ea de la NASA Les mod les d environnement int gr s dans OMERE ont l avantage d tre mis jour r guli rement avec les avanc es des diff rents laboratoires de recherche C est cette application que nous avons utilis e pour
56. 93 du taux en vol affranchi de la zone SAA et des ruptions solaires Nous prendrons ces nouvelles valeurs pour notre tude Tous les r sultats de pr dictions OMERE sont report s dans le tableau et les histogrammes suivants Taux SEU Ions lourds Taux en vol SEU jour comp SEU jour comp SRAM HM628512 0 135 SRAM KM684000 0 700 DRAM HM516405 0 103 0 169 Tableau 12 R sultats du calcul de taux SEU ions lourds SAC C avec OMERE compar aux taux en vol 1 4 1 2 Bi vol sans proton i mMi_BH o M1_BI20 ES aM3_B 0 6 a M3_BI20 0 4 0 2 0 SRAM HM628512 SRAM KM684000 DRAM HM516405 DRAM KM44V 16004 Figure 33 Comparaison entre les diff rents taux SEU ions lourds SAC C obtenus avec OMERE et ceux en vol sans la part des protons normalis 1 Nous pouvons constater les carts irr guliers et importants obtenus avec OMERE en comparaison avec les taux SEU en vol Dans les conditions moyennes M 1 on constate que l on sous estime les taux dans tous les cas allant m me jusqu d un facteur 100 d erreur pour la DRAM HM516405 ce qui n est pas acceptable pour des pr dictions On remarque de plus que certains r sultats obtenus dans les conditions pire cas sous estiment encore le taux d erreurs ce qui semble vraiment critique dans le cadre d une sp cification De plus il n existe aucun couple param tre d environnement blindage pour coller dans tous les c
57. Aire maillage aC z dzodr E cos0 Po P Zo lt 0S0 O iif 0 DU ce f 35 dz dr 0 e zsino ko cosoP En effectuant le calcul sur les 9 points de maillage de la cellule on obtient 97 O jif Ur Po 27 9 2 j i E cos0 P Zg c0s8 1 0 K 2 sin0P coop p d Nous avons appliqu ce calcul plusieurs cas que nous avons pu simuler dans le sous chapitre 5 1 les r sultats sont donn s dans le tableau suivant LET Point Inclinaison Quirr B2 QaitrtQatQF Charge MeV cm mg d impact Oen mod le mod le collect e r analytique en C analytique en simul e par B2 C en C 5 YB2 0 5um 60 1 2E 14 4 5E 14 4 5E 14 5 YB2 1 5um 60 3 6E 14 3 7E 14 5 YB2 2um 60 2 7E 14 1 67E 14 10 YB2 2 5um 60 4 16E 14 2 6E 14 10 Yp2 1 5um 60 7 23E 14 8 6E 14 Tableau 28 Charges collect es par diffusion pour une incidence de 60 Nous remarquons que dans le cas LET 5 MeV cm mg au point d impact YB2 0 5um la charge collect e estim e par diffusion est bien inf rieure celle simul e Cela vient du fait que l on est encore dans une zone sous l influence du champ lectrique et qu une collection par drift et funneling vient s ajouter la diffusion On peut estimer cette contribution facilement Les jonctions ont un rayon de 0 5um auquel il faut ajouter la largeur de la ZCE pour d finir la distance sous influence du champ lectrique partir du centre de la cellule Nous a
58. E ETEO EEE E 11 1 2 2 FEETS SINGULIERS 5 Rte rest e le en te a M re A Rs en ee 12 1 3 LE PH NOM NE DE SINGLE EVENT UPSET SEU 14 1 3 1 PRINCIPE DE LA G N RATION DE CHARGES ET D FINITION DU LET s ssnnnns0s0000s0000000000 14 1 3 2 SECTION EFFICACE CF AUSSI PARAGRAPHE 2 2 2 1 44 17 1 3 3 DESCRIPTION DES PH NOM NES DE COLLECTION DE CHARGES 18 1 3 3 1 Collection de charges sous l effet du champ lectrique Sze 81 19 1 3 3 2 Collection de charges dans la zone de champ nul 22 1 3 3 3 Cons quences de la collection de charges dans les m moires 23 1 3 4 LE SEU DANS LES M MORE S e aa A A AE E A N atis 24 1 3 4 1 Rappels sur les diff rentes cat gories de m moires 24 1 3 4 2 LeSEU dansles SRAM E eaa ae a ET a a a ter a E EEEE 26 1 3 4 3 LeSEU dans les DRAM eerie a a i a a 27 1 4 CONCLUSIONS thin eh i e a ea e e e Ean E Coude 27 CHAPITRE 2 PR DICTION STANDARD DU TAUX D UPSET DANS L ESPACE 28 2 1 LE MOD LE DE PR DICTION STANDARD sssssssssesesissesrstistsestststssesestseseststiseseseststsssstseseseseste 28 2 1 1 NOTION DE SPECTRE INT GRAL DE LET sms nine sie inine 28 2 1 2 ECOD DE PREDICHON CREME sin net anse ne enfant ea a cine 29 2 1 2 1 Mod lisation de l environnement G n ration du fichier P LET 30 2 1 2 2 Mod lisation de l interaction particule composant calcul du taux d v ne
59. EU ions lourds pour les quatre composants sont r pertori s ci dessous pour les vols SAC C Figure 47 et MIR Figure 48 Les spectres de LET utilis s sont identiques ceux qui ont servi aux calculs avec OMERE de mani re prendre les m mes hypoth ses d environnement et pouvoir valuer la nouvelle m thode Les taux sont compar s aux taux en vol affranchis des effets de la SAA des ruptions solaires et des protons puisqu ils nous semblent tre les plus proches des hypoth ses de calcul d environnement Enfin pour le vol SAC C on effectue un calcul pour le param tre M 3 de mani re v rifier que le pire cas surestime bien les taux M Blindage Ions lourds SRAM HM628512 SRAM KM684000 DRAM HM516405 DRAM KM44V 16004 70 4 3 5 3 E vol 2 5 gMi_Bli 2 o M1t_BI20 j a M3_BI20 0 5 0 SRAM HM628512 SRAM KM684000 DRAM HM516405 DRAM KM44V 16004 Figure 47 R sultats du calcul de taux par la m thode semi exp rimentale pour le vol SAC C compar s aux taux en vol normalis s 1 Blindage ons lourds RAM HM628512 RAM KM684000 0 0 Hvol protons 3 0 Mi Bl1 OM1_B110 SRAM HM628512 SRAM KM684000 DRAM HM516405 DRAM KM44V16004 Figure 48 R sultats du calcul de taux par la m thode semi exp rimentale pour le vol MIR 4 1 2 4 Discussions Plusieurs observations peuvent t
60. L environnement spatial se caract rise par de fortes nergies et de faibles flux isotropes Ces conditions exp rimentales sont quasiment impossibles reproduire lors des exp rimentations au sol La r alisation d essais de caract risation ions lourds peut n anmoins se faire en utilisant des nergies plus faibles gr ce au fait que les valeurs de LET peuvent tre obtenues pour plusieurs nergies ou l ments diff rents Si on se place exp rimentalement dans des conditions telles que le LET est constant sur toute l paisseur sensible des composants et si on fait l hypoth se que le processus de collection de charges est ind pendant de la distribution radiale des porteurs dans la trace effet de structure de trace on peut avec des nergies faibles ou moyennes reproduire de d p t de charges obtenu plus fortes nergies quivalence de LET et consid rer ainsi les essais repr sentatifs 2 2 2 Exploitation des r sultats des essais 2 2 2 1 Courbes de sections efficaces exp rimentales Bien souvent l objectif des essais est de pouvoir tracer la courbe de section efficace d un composant en fonction du LET afin d valuer la sensibilit du composant vis vis des v nements singuliers tels que le Latchup le SEU etc dus aux ions lourds On effectue les m mes types d essais pour les protons mais en fonction de l nergie incidente Comme nous l avons vu pr c demment cette courbe est n cessaire pour le
61. N d ordre 467 Ann e 2006 THESE Pr sent e en vue de l obtention du titre de DOCTEUR de L COLE NATIONALE SUP RIEURE DE L A RONAUTIQUE ET DE L ESPACE COLE DOCTORALE Sciences de l univers de l environnement et de l espace SP CIALIT lectronique spatiale par Sophie PETIT tude des m thodes de pr diction de taux d erreurs en orbite dans les m moires nouvelle approche empirique Soutenue le 8 d cembre 2006 devant le jury M P MAGNAN Pr sident J P DAVID Directeur de th se R ECOFFET Mme V FERLET CAVROIS Rapporteur MM P FOUILLAT Rapporteur F SAIGNE TH SE Sp cialit lectronique spatiale TUDE DES M THODES DE PR DICTION DE TAUX D ERREURS EN ORBITE DANS LES M MOIRES NOUVELLE APPROCHE EMPIRIQUE Sophie PETIT ONERA INTRODUCTION menr aan in nn nn RE mnt ete nn A A rnee 5 CHAPITRE 1 ENVIRONNEMENT SPATIAL ET EFFETS SUR LES M MOIRES 7 1 1 ENVIRONNEMENT RADIATIF EXTRA ATMOSPH RIQUE esse 7 1 1 1 LES CEINTURES DE RADIATION sessssssoeresessssescoresssssseseeoesssssseeresessssesceresosssseseeoesssssseeeesesss 7 1 1 2 L VENT S10 87AN 1 eA EEA EE E E T OE 8 1 1 3 LES RUPTIONS SOLAIRES fe tn ET et ma tt fatalit 8 1 1 4 LERAYONNEMENT COSMIQUE spinsisicir i Eea EO OER EER A EEN 9 1 1 5 SYNTH SE DES PARTICULES RENCONTR ES DANS L ESPACE ner 9 1 2 EFFETS DES RAYONNEMENTS SUR LES M MOIRES urnes einer 10 1 2 1 EFFET DE DOSE CUMUL
62. V16004 D E 14948 1 4 2 E 8 HM5165405 4 4677 0 9 1 3 E 8 KM684000 6 33874 4 2 1 E 6 Tableau 6 Tableau statistique par composant L ensemble de ces composants est situ sur la m me carte donc expos s au m me rayonnement Le nombre de jour est calcul partir du temps r el de couverture des donn es re ues c est dire que l on ne comptabilise pas les p riodes o le satellite n a rien transmis au sol pour des raisons diverses Pour la p riode consid r e dans le tableau pr c dant le nombre brut de jours tudi s serait de 1570 alors qu en r alit on ne dispose que de 1360 jours r els de donn es c est donc ce chiffre qu on utilise pour les statistiques 3 1 1 3 R partition temporelle des SEU La Figure 30 ci apr s repr sente l volution du taux de SEU journalier de l exp rience sur une p riode de quelques ann es On remarque clairement l volution li e aux ruptions solaires par observation des pics de SEU ponctuels et tr s importants par rapport au nombre moyen de SEUSs observ en p riode calme 45 140 NSEU day 120 NSEU day SAA 100 80 60 40 20 pe n d 1 B pe H 42 11 03 4 08 04 02 03 03 03 04 03 05 03 06 03 07 03 08 03 09 03 10 03 12 03 01 04 02 04 03 04 04 04 05 04 06 04 07 04 09 04 10 04 11 04 12 04 01 05 02 05 Figure 30 R partition temporelle
63. a cellule travers e et m me de ses voisines Kir 79 Pau 94 La diffusion se caract rise par des dur es de collection beaucoup plus longues que pour les deux pr c dents ph nom nes de collection de charges Les porteurs non soumis un champ lectrique voluent dans le volume du semi conducteur suivant le gradient de leur concentration par diffusion Ils peuvent tre collect s si cette diffusion les am ne entrer sous l influence du champ de la ZCE de la jonction sensible Dans le cas contraire ils finissent par tre collect s ailleurs ou se recombiner Alors que la collection des charges par d rive ne peut s effectuer qu au voisinage imm diat d une jonction la port e de la diffusion s tend sur plusieurs microns autour du point d impact de u On trouve dans la bibliographie des publications montrant que certains se penchent de plus en plus sur les probl mes de diffusion qui peuvent aujourd hui dominer Ainsi Kirkpatrick Kir 79 McNulty McN 91 2 Smith Smi 95 et Edmonds Edm 96 a b Edm 98 proposent des mod lisations des ph nom nes de diffusion exp rimentales mais galement analytiques Tous ces mod les sont bas s sur une fonction d efficacit de collection de charges Q Kirkpatrick Smith et Edmonds ont d montr que cette fonction Q peut tre calcul e partir des quations de diffusion et de solutions particuli res de l quation d Helmotz ou de Laplace Dans ce cas le r sultat ne d pend que des
64. accumulation de charges dans les oxydes et l interface oxyde semi conducteur Il est noter que la physique r gissant le transport de charges dans les oxydes n est pas encore compl tement connue N anmoins les ph nom nes de cr ation de stockage et de relaxation des charges dans les oxydes sont bien d crits dans la bibliographie Dus 97 Sai 97 Fle 92 Pai 95 Les charges localis es dans l oxyde apr s irradiation sont l origine de champs lectriques internes parasites permanents qui perturbent le bon fonctionnement des composants Ces champs entra nent des diff rences de potentiel qui s ajoutent aux tensions de polarisation De 11 mani re g n rale la sensibilit des circuits utilis s est fortement d pendante de la qualit des oxydes Les orbites de SAC C et MIR dont on utilise les donn es dans cette th se n tant pas dans les ceintures de protons nous consid rons n gligeable l effet de dose cumul e sur les caract ristiques des composants tudi s il n est donc pas d taill dans ce m moire 1 2 2 Effets singuliers Les v nements singuliers SEE pour Single Event Effect peuvent tre consid r s comme des d faillances temporaires ou permanentes On distingue les effets r versibles non destructifs appel s al as logiques SEU SE U et les effets irr versibles destructifs appel s erreurs permanentes SEL SEGR Ils naissent de la cons quence du passage d une particule nerg tique
65. as Partant de ce constat on peut s interroger sur les diff rentes sources menant ces erreurs c est l objet du sous chapitre 3 3 3 2 3 Comparaison entre pr dictions et donn es de vol MIR La m me tude que celle effectu e pour le cas de SAC C peut tre faite sur les donn es issues de MIR et pour les quatre m me composants Le tableau suivant donne les r sultats de 53 pr diction pour les composants de la carte int rieure de mani re pouvoir tudier encore l influence de la valeur du blindage choisie On note que le calcul pire cas n est fait qu avec la valeur de blindage standard puisque finalement les calculs pire cas sont en g n ral faits dans le cadre de sp cification ing nieur qui n utilise que cette valeur de blindage CE 5 Blindage 17210 17 Ions lourds Taux SEU ions lourds Taux en vol Part ions lourds SEU jour comp SEU jour comp vol protons SRAM HM628512 0 015 0 013 0 039 0o29 SRAM KM684000 0 022 0 018 0 062 od DRAM HM516405 0 0004 0 0005 0 001 0 022 DRAM KM44V16004 0 009 0 010 0 029 0 034 Taux SEU protons J DRAM KM44V16004 0 017 0 017 0 036 0 034 IL vol 51 50 80 50 Tableau 13 R sultats de pr dictions avec OMERE pour MIR99 La part des ions cosmiques pour l orbite de MIR peut tre valu e 50 du taux en vol affranchi de la zone SAA et des ruptions solaires sauf pour la DRAM Hitachi 80 On note donc que ce
66. blindage SAC C On peut constater que pour une large variation de blindage les taux varient mais dans un m me ordre de grandeur facteur 7 maximum entre le blindage 1g cm et 30g cm M me si ces variations permettraient ventuellement de corriger des taux pr dits dans le bon sens les disparit s observ es entre les composants sur les pr dictions et le facteur d erreur pouvant atteindre quelques ordres de grandeurs sur certains montrent que la principale source d erreurs ne provient pas du blindage 3 3 3 Param tres de l ajustement de Weibull Le logiciel de calcul de pr diction OMERE ou CREME effectue un ajustement de Weibull partir des points exp rimentaux de section efficace d Upset cf 3 1 2 Etant donn que l on essaye de faire passer une courbe math matique par des points exp rimentaux il est en fait possible de trouver plusieurs valeurs de param tres variation de la valeur de quelques pour cent donnant des courbes qui suivent correctement les valeurs exp rimentales Nous proposons dans ce paragraphe d en tudier l impact sur les r sultats de pr diction Les quatre param tres d ajustement de Weibull sont W s Ls et Osat Prenons l exemple de la SRAM HM628512 en incidence normale pour laquelle les param tres calcul s dans OMERE sont W 33 9 s 2 9 L 0 006 et Osa 1 6 Nous avons fait varier W et s de 10 au del de 10 l ajustement n est plus aussi bon et le LET seuil jusqu la valeur de 2 M
67. certitudes des mod les d environnement desquels sont issus les spectres d environnement servant au calcul l importance de certaines hypoth ses sur les r sultats comme la valeur du blindage ou encore les courbes d ajustement et enfin la validit du principe m me du volume sensible et du mod le IRPP La r vision de tous ces points est donn e dans ce sous chapitre le but tant d identifier comment am liorer les mod les existants 3 3 1 Environnement Les donn es d environnement spectres d nergies puis de LET sont issues de bases de donn es et de mod les d environnement mis jour r guli rement en fonction des avanc es dans la mod lisation de l environnement spatial et dans la collecte de mesures C est entre autre le m tier de l quipe environnement du DESP D partement Environnement Spatial qui peut nous apporter quelques l ments de jugement sur les flux utilis s pour les pr dictions des missions SAC C et MIR99 Concernant les ions lourds cosmiques leur interaction avec l activit du soleil implique une modulation des flux dans le temps Cette modulation est illustr e par la Figure 35 a 10 ee 2 Ions M E 1 cosmiquef ri 4 7 Lo 2 of ON NP h 160 1 ji Activit J12 amp A A solaire 7 zop y rh 1955 196 1975 Modulation du flux et activit solaire Figure 35 Modulation des flux d ions cosmiques en fonction de l activit solaire 55 On constate a
68. ces d erreurs sont fix es d pendant des fonctions consid r es ce qui am ne distinguer diff rents types de projets ou syst mes tels que les projets d applications t l com et les projets scientifiques Ce chapitre va pr senter dans un premier temps les tapes de calculs de taux d erreurs en vol type SEU accompagn es de leurs hypoth ses pour permettre de comprendre les m thodes standard de pr diction et d identifier comment on pourrait les am liorer par la suite Cette pr sentation est orient e SEU dus aux ions lourds puisqu ils concernent nos travaux d am lioration des pr dictions l effet des protons sera juste voqu pour en donner bri vement le principe de calcul de taux qui nous serviront dans l tape d analyse des donn es de vol par la suite Les calculs de pr diction n cessitent de conna tre la courbe de section efficace du composant tudi cf paragraphe 1 3 1 qui est obtenue l issue d essais sous acc l rateurs de particules La deuxi me partie de ce chapitre pr sente le principe de ces essais et la mani re dont sont exploit s leurs r sultats 2 1 Le mod le de pr diction standard 2 1 1 Notion de spectre int gral de LET Avant de d crire les tapes de calculs de pr diction il est n cessaire de d finir la notion de spectre int gral de LET Pour une mission donn e on peut d finir et d crire l environnement radiatif dans lequel voluera l engin spatial par une courbe
69. code d extraction n est pas utilisable car aucune valeur de xmax ne donne des valeurs de O et F rentrant dans les crit res de validit Cela peut tre le cas par exemple si les tests ont t tr s rapides et que chaque lecture de plan m moire enregistre norm ment de SEU impliquant trop de probabilit d erreurs Cela a t le cas par exemple sur la DRAM HM5165405 que nous avons test trop fort flux pour pouvoir exploiter les v nements multiples avec le code d extraction statistique Prenons l exemple de l essai l ion Ni incidence normale Let Tilt xmax s sc R F O R F 0O 20 6 0 13 657 274 55 438 4 1524 934 39 629 Tableau 33 Evaluation des r sultats du code d extraction MBU pour la HM5165405 110 Dans ce cas pr cis nous avons enregistr plus de 1000 SEU par lecture de plan et les calculs d erreurs en sortie montrent que l on se retrouve finalement avec un nombre d erreurs F en trop grosse proportion dans le r sultat R quelle que soit la valeur de xmax choisie et une impossibilit de trouver un quilibre entre F et O il n est donc pas possible d en extraire une statistique MBU convenable Ce calcul probabiliste d erreur nous donne donc un crit re indispensable pour juger de la validit des statistiques en sortie du code dans le cas o l on ne conna trait pas l adressage physique des m moires Il est n cessaire chaque utilisation du code d extraction e
70. conditions aux limites et de la dur e de vie des porteurs La charge collect e par diffusion peut alors s crire o 0 L Q f f P x y 2 Q x y z dxdydz o 0 0 O Piest la densit de porteurs initiale Q l efficacit de collection de charges x y les coordonn es lat rales z la coordonn e longitudinale et L la longueur de p n tration Mais s il est possible de trouver des solutions de complexit d pendant du cas tudi celles ci reposent sur un certain nombre de simplifications et de consid rations g om triques pr cises des structures et ne s appliquent que sur des cas particuliers Smith propose ainsi une liste de solutions avec leur domaine d application Smi 95 Nous n essayerons donc pas d tablir une liste dans ce m moire la liste de r f rences est donn e comme support Nous nous int ressons tout de m me plus particuli rement l article Kir 79 qui pr sente une mod lisation analytique assez simple de la collection de charges par diffusion L application vis e est principalement les particules mais les exemples des lectrons protons et autres sont pris 22 L paisseur de la zone d sert e est n glig e Dans le mod le elle est remplac e par une surface totalement absorbante De ce fait le seul ph nom ne de collection prendre en compte est la diffusion La mod lisation exacte d marre de l analyse d une charge po initialement
71. culer sup rieures la charge critique LET Point d impact Inclinaison Charge collect e Charge MeV cm mg par B2 C collect e par B3 C 5 Milieu B2 B3 0 1 6E 14 1 34E 14 10 Milieu B2 B3 0 3 9E 14 3 3E 14 15 Milieu B2 B3 0 6 8E 14 5 8E 14 Tableau 24 Charges collect es par B2 et B3 en fonction du LET Par interpolation des r sultats pour les LET de 5 et 10 MeV cm mg on trouverait alors un LET seuil pour les v nements doubles de l ordre de 8 MeV cm mg L extraction de la statistique MBU pr sent e dans le paragraphe 4 2 1 permet d tablir le LET seuil pour les v nements double Celui ci est de l ordre de 10 MeV cm mg ce qui est en accord avec les simulations L ensemble de ces v rifications permet de valider la structure simul e et commencer les diff rentes tudes qui nous int ressent C est l objet du paragraphe suivant qui pr sente les diff rents r sultats obtenus 5 1 4 R sultats de l tude par simulation Un des premiers objectifs des simulations tait de mettre en avant les ph nom nes de diffusion et de confirmer leur importance dans les m canismes de collection de charges 90 La validation des conditions de simulation effectu e dans le paragraphe pr c dent nous permet de prendre les simulations comme support d tude Ainsi toutes les charges collect es par les cellules non impact es directement par la particule et hors du rayon de la trace proviennent de la
72. d nergie se caract rise essentiellement par la cr ation d une tr s forte densit de paires lectron trou 10 10 part cm sur une zone tr s localis e diam tre lum le long du parcours de la particule Le param tre habituellement utilis pour caract riser ce d p t d nergie est le transfert lin ique d nergie ou L E T pour Linear Energy Transfer qui est d fini par l quation de Bethe Bloch Bet 96 LET 1 dE z _ Z Z q N m gpl AMEZ p dz 8re m E Z M Im B cin 14 O Ze est le num ro atomique de la cible Zp est le num ro atomique du projectile _qest la charge l mentaire en C Na est le nombre d Avogadro mol _mist la masse du projectile en mg est la permittivit du vide en C V cm me est la masse au repos de l lectron en mg MA est la masse molaire de la cible en mg mol est l nergie d ionisation moyenne en MeV __pest la masse volumique du mat riau cible en mg cm Ecin z est l nergie cin tique du projectile en MeV en fonction de son parcours dans le mat riau cible repr sente la perte d nergie par unit de longueur le long de la trajectoire de l ion z a et s exprime en MeV cm En divisant la perte d nergie par unit de parcours par la masse volumique du mat riau cible le L E T est ainsi normalis et rendu moins d pendant de la nature du mat riau cible Il s
73. d parcours incidence normale et la correction en cos 0 consiste dire que l nergie d pos e et collect e par la particule dans le volume sensible qui est gale L r ou L d cos 0 est la m me qu aurait d pos e une particule de LET gal L cos sur une distance d en incidence normale Ainsi pour les particules de LET L incidence 0 on obtient un point pour la courbe de section efficace en incidence normale tel que N C L cos0 Dico 39 7 Cette astuce en Let effectif pour obtenir des points suppl mentaires repose sur la consid ration de volumes sensibles dont la g om trie permet de parcourir une distance plus longue quand on incline le faisceau intuitivement on voit que cela est possible si le VS est plus large que profond Dans ce cas les points peuvent s aligner correctement pour d crire la courbe de section efficace mais ce n est pas toujours le cas il faut donc rester vigilant quant son utilisation 2 2 2 4 Pr paration des composants Nous avons pu voir dans les tableaux du paragraphe 2 2 1 que les pouvoirs de p n tration des ions disponibles sous acc l rateur restent limit s Les boitiers des composants tant trop pais il est n cessaire de pr parer les pi ces avant irradiation Ainsi une ouverture du boitier est effectu e de mani re pr senter directement la puce sous le faisceau Selon le type de boitier on ouvre ce dernier soit par face avant soit par face arri
74. d adresses Ainsi les calculs suivants donnent les bases du raisonnement bas sur des statistiques que l on valide ensuite par comparaison des r sultats avec ceux que l on obtient en connaissant l adressage physique des m moires On note les param tres n le nombre de bits d adresse la m moire poss de 2 adresses diff rentes xmax le XOR max autoris pour l extraction nb de LSB consid r s s le nombre de SEU apparus pendant le test sc le nombre de lectures de plan m moire effectu es pendant le test On note xmax le XOR max consid rer Comme d crit pr c demment le code pourra X Max trouver des cas possibles d adresses voisines Ainsi plus xmax est grand plus on a 2 X Max de chance que le code extraie les vrais multiples il en extraira exactement une portion po du nombre r el exact si on consid re que ceux ci sont al atoirement r partis sur la surface de la puce F DAT T Po gamar Si xmax 3 alors le code trouvera 7 8 des vrais multiples Si xmax 4 alors le code trouvera 15 16 des vrais multiples Mais parall lement il est probable que le code associe deux SEUs ayant le bon XOR mais n tant pas r ellement voisins On peut valuer cette probabilit Il s agit de la probabilit que deux adresses prises au hasard dans les 2 possibles aient un XOR lt xmax sans tre pour autant des vrais voisins en enlevant donc les cas o le bon XOR trouv repose sur les vrais LSB Cela revient
75. d une jonction PN du transistor MOS et de la ZCE cf calculs 5 2 3 La structure compl te du composant est d finie dans le paragraphe 5 1 1 pour les besoins de simulation Transistor NMOS Zone P Sum Zone N Figure 39 G om trie du composant au niveau d une jonction PN Consid rant un drain de forme circulaire le rayon d action du champ lectrique est de 0 66um ce qui donne une surface en surface du composant de l ordre de 1 4um pour un bit Si l on compare cette valeur la surface sensible par bit pour diff rentes valeurs de LET obtenue sous acc l rateur on s aper oit qu partir d un certain LET inf rieur 10 MeV cm mg la surface sensible mesur e est largement plus tendue que la zone d action du champ lectrique Le tableau suivant r sume les valeurs exp rimentales obtenues pour la SRAM HM628512 cf 3 1 2 62 Type de LET oseu LET oseu LET 2 COMPOSANT MeV cm mg ions lourds ions lourd cm comp par bit 3 3 1 09 E 3 2 6 E 2 um SRAM HM628512 32 4 8 11 E 1 19 3um Figure 40 Valeurs de sections efficaces SEU par bit On d duit des ces observations que des charges d pos es en dehors de la ZCE m me en tenant compte du rayon de trace des ions estim 0 1 um comme nous avons pu le voir dans le paragraphe 1 3 1 arrivent tre collect es en quantit suffisante pour cr er des Upsets Les largeurs de traces cf 1 3 1 ne pouvant atteindre ces dimensio
76. de GOES satellite g ostationnaire indiquant temporellement les flux de protons pour plusieurs gammes d nergies A haute latitude on peut estimer que le satellite SAC C voit le m me environnement protons de haute nergie que GOES Ainsi lors des ruptions solaires on fait la corr lation entre les flux de SEU observ s sur les composants de SAC C et les flux de protons mesur s sur GOES On peut alors estimer une valeur d nergie de protons en dessous de laquelle les composants de SAC C ne sont pas sensibles aux ruptions ce qui permet d estimer que les protons d nergie inf rieure cette limite pour lesquels les composants devraient r agir normalement sont bloqu s par le blindage du satellite On retrouve alors simplement l paisseur d aluminium qu il faut pour absorber ces nergies de protons et on en d duit une valeur quivalente de blindage de SAC C de l ordre de 20g cm d aluminium L exp rience ICARE tant au centre du satellite celui ci est quivalent dans toutes les directions en premi re approximation Cette valeur tant issue des extrapolations pr sent es pr c demment on peut garder en m moire qu il s agit d une estimation On peut remarquer que nous n avons pas utilis les spectrom tres embarqu s sur SAC C du fait de leur gamme d nergie trop faible pour mesurer les flux de protons qui atteignent les composants 47 3 1 2 Donn es sol courbes de sections efficaces SEU Nous avons vu pr c demment qu
77. de la liste et donc le vrai nombre d associations que le code d extraction statistique devrait trouver Pour trois des composants tudi s nous avons d termin l adressage physique l aide d un faisceau laser cf paragraphe 4 2 1 de mani re pouvoir travailler dans un premier temps sur la r partition r elle des multiples et parall lement valider le code statistique Nous avons alors les l ments permettant de comparer les r sultats en sortie du code statistique corrig s par les erreurs et oublis avec la r partition r elle Nous allons donner l exemple de la SRAM HM628512 L ensemble des fichiers de test a t trait avec le code d extraction et un exemple de la statistique de multiples d duite pour le LET 32 4 MeV cm mg est donn dans le Tableau 31 pour plusieurs valeurs de xmax La r partition r elle est aussi calcul e afin d valuer le nombre R r el servant de r f rence Taille des multiples LET xmax Nb SEU INbscan 2 13 41516 Nb S sc associations R 32 4 r el 2411 80 2 754 754 3 2411 80 2 165913 665 4 2411 80 2 1694 26 5 761 5 2411 80 2 1660 79 20 14 14 920 Tableau 31 Distribution des v nements multiples pour la HM628512 par la m thode d extraction MBU et r elle On peut d j noter les diff rences obtenues au niveau de la r partition de la taille des multiples et du nombre d associations trouv selon la valeur de xmax Pour valider les
78. de mobilit en fonction du dopage du champ lectrique et de la densit de porteurs pris en compte les recombinaisons SRH et Auger En ce qui concerne la g n ration initiale de porteurs la forme radiale de la trace tait d crite par une gaussienne Es G r k e wt Sa largeur est fix e par le param tre w que nous avons pris gal w 10 cm valeur trouv e dans la bibliographie Dus 94 La port e des particules est choisie de mani re ce que la trace traverse enti rement la structure Ce qui nous int resse est l tude des charges collect es par les drains OFF pour diff rentes configurations de simulations Le simulateur donne en sortie dans un tableau les valeurs des courants totaux collect s par les drains pour chaque pas de calcul Pour obtenir les charges totales collect es on effectue l int grale du courant sur le temps de simulation A titre d exemple la Figure 57 montre l allure des courants collect s par les drains OFF des 9 cellules pour les conditions de simulation suivantes 87 LET Point d impact Inclinaison Temps d but Temps fin MeV cm mg 10 B2 0 1E 13 s 1E 6 s Tableau 19 Param tres de simulation 1 E 02 1 E 03 1 E 04 nu lt A2 o 1 E 05 A3 2 1 E 06 Bi B3 S 1 E 07 ci a S 1 E 08 C2 8 1 E 09 s oO ET B2 1 E 10 1 E 11 1E 13 1E 12 1E 11 1E 10 1E 09 1E 08 1E
79. de pr diction 1 3 3 Description des ph nom nes de collection de char ges Les m canismes d interaction intervenant entre un rayonnement ionisant et le silicium sont illustr s dans la Figure 10 ci dessous dans le cas simple d une jonction polaris e en inverse et travers e par un ion lourd Aspiration Funneling Qdif Diffusion Figure 10 Coupe d une jonction travers e par un ion lourd Quand une particule ionisante traverse une jonction PN polaris e en inverse elle produit sur son chemin des paires lectron trou le long de la trace par ionisation Pou 00 cf paragraphe 1 3 1 La colonne des paires lectron trou volue selon trois m canismes 18 la recombinaison directe Auger Recombinaison des porteurs Cette recombinaison peut r duire la collection des charges d une trace dense dans un composant en silicium Zout 88 On n glige souvent la recombinaison des porteurs pour simplifier l analyse de la colonne Mus 91 La diffusion ambipolaire des porteurs Les lectrons et les trous diffusent ensemble conservant ainsi la neutralit du semi conducteur G n ralement la charge totale collect e est calcul e en supposant que le transport des charges est r gi par une quation de diffusion ambipolaire avec des dur es de vie des porteurs et un coefficient de diffusion suppos s constants et uniformes le coefficient de diffusion D est de l ordre de 25 cm s La s paration des porteurs sous l effe
80. e les volumes sensibles sont tous identiques de longueur l largeur w et paisseur d les ner gies critiques E des VS sont toutes les m mes la collection de charge est totale dans les VS E 4 pos e E collect e 31 Le composant n est pas consid r comme uniform ment sensible aux impacts d ions mais comporte des n uds sensibles distincts les volumes sensibles que l on mod lise par un parall l pip de et dans lesquels la particule doit d poser une nergie minimale E pour cr er un Upset Le r sultat se pr sentera sous la forme d un taux d v nement par bit ou par composant Pet 92 1 Pet 92 2 Pet 96 et 97 Surface du composant 7 y P S w lt i gt Figure 19 Mod lisation du Volume sensible VS L Upset est donc ici consid r comme un ph nom ne seuil se produisant partir du d p t d une charge critique Qc dans le VS Cette charge critique est d termin e partir de la courbe de section efficace d Upset que l on consid re en marche d escalier Figure 22 En effet on postule que l ensemble des VS bascule partir d un certain LET seuil qui multipli par l paisseur d du VS donne la valeur de l nergie critique Ec LET d senit d 0 232 Ec MeV Qc pC 22 5 o J55 tant la conversion de pC en MeV LET en MeV cm mg denum 2 32g cm densit du silicium 5 Soit un ion de LET L appartenan
81. e 0 1um Cette largeur de trace tant bien inf rieure aux distances s parant deux cellules un point m moire de la SRAM HM628512 fait 3um sur Sum cf analyses technologiques en annexe 2 et la Figure 54 On peut alors tracer les courbes de multiplicit moyenne des v nements observ s sous acc l rateurs en fonction du LET et de l angle d inclinaison Les m mes courbes ont t leur tour trac es en fonction de LET cos0 de mani re v rifier si on observe la m me loi d volution angulaire des ph nom nes multiples que celle de la sensibilit SEU volution de section efficace SEU en fonction de l angle cf paragraphe 4 1 3 Les r sultats obtenus sont 79 pr sent s dans les figures suivantes pour les trois composants dont on dispose de l adressage physique HM628512 HM628512 7 7 26 S 5 0deg 5 5 0deg a A E 20deg S i E 20deg 23 000 we 40deg S 5 60deg gt 60deg x70degl 2 70deg 31 5 1 e E 0 0 0 20 40 60 0 20 40 60 80 100 LET MeV cm2 mg LET effectif MeV cm2 mg KM684000 KM684000 o 2 2 S 1 8 21 8 3 Odeg S Odeg 1 6 20deg 16 E 20deg S 14 40deg 14 40deg 60de
82. e At ant rieur la datation correspondant au temps n cessaire au testeur pour une lecture compl te du plan m moire Ne pourrons alors tre consid r s comme tant potentiellement multiples que les SEUs intervenus dans un m me At La m thode repose sur l hypoth se que l adressage physique de la m moire suit un codage binaire Partant de cette hypoth se une observation de la progression des bits d adresses premi re colonne du Tableau 30 entre deux adresses cons cutives et donc voisines permet d tablir la statistique suivante dans un cas sur deux seul le LSB change entre les adresses de deux voisins dans un cas sur quatre ce sont les deux LSB changent dans un cas sur huit les trois LSB changent asn etc Cette observation est quantifiable par un param tre not XOR qui correspond au r sultat du OU EXCLUSIF entre les adresses de deux cellules cons cutives Ce param tre est calcul 103 dans la deuxi me colonne du Tableau 30 au travers de l exemple tudi et informe par le chiffre binaire 1 la position des bits d adresses qui diff rent entre les deux cellules voisines Adresse O exclusif entre adresse Nombre de bits d adresse qui changent avec Binaire et la suivante l adresse suivante 0000 0001 1 0001 0011 2 0010 0001 1 0011 0111 3 0100 0001 1 0101 0011 2 0110 0001 1 0111 1111 4 1000 ne Tableau 30
83. e F illustre le r sultat en sortie du code un o 2 T Oo un un Kaa ke 0 lt GS E e S Figure 63 Illustration de l valuation des erreurs en sortie du code pour le cas LET 20 6 MeV cm mg et tilt 0 109 1000 800 600 400 200 nombre d associations 200 400 Figure 64 Illustration de l valuation des erreurs en sortie du code pour le cas LET 32 4 MeV cm mg et tilt 0 Ces histogrammes permettent de bien visualiser la meilleure valeur de xmax choisir selon les cas tudi s et comme il avait t indiqu dans le paragraphe pr c dant 2 il s agit de celle qui donne la plus petite diff rence entre F et O et pour des valeurs de F et O petites devant R On v rifie que dans ce cas la valeur de R est la plus proche de la valeur r elle Ainsi partir du Tableau 32 e LET 20 6 tilt 0 la meilleure valeur de xmax est 3 bien que la proportion d erreur soit quand m me grande devant le r sultat e LET 20 6 tilt 60 la meilleure valeur de xmax est 4 e LET 32 4 tilt 0 la meilleure valeur de xmax est 4 e LET 32 4 tilt 60 la meilleure valeur de xmax est 5 Dans les cas tudi s ci dessus il est possible de trouver une valeur de xmax donnant des r sultats exploitables mais il est possible aussi de se retrouver dans des cas o le r sultat en sortie du
84. e Weibull permet d ajuster les donn es obtenues lors des essais sous acc l rateur elle est donc couramment utilis e cet effet On peut r gler l ajustement l aide de deux param tres w et s il existe des codes permettant de trouver automatiquement ces param tres en fonction des points de mesure L expression de la fonction de Weibull adapt e celle de la section efficace s crit LET LET o LET 0 1 A 7 LET gt LET o LET LET en MeV cm mg Sion LET section efficace en cm bit ou composant 6 sat section efficace saturation LETc LET seuil w width et s shape param tres de fit Pour l exemple de la SRAM KM684000 points de la Figure 23 nous avons utilis un code d ajustement automatique et les param tres ad quats r sultants sont LETseuil 1 18MeV cm mg w 9 5 MeV cm mg o sat 0 17cm s 1 1 ce qui permet de tracer la courbe et v rifier qu elle passe bien par les points de mesure La courbe de section efficace peut tre d crite de diff rentes mani res il existe d autres expressions que les fonctions de Weibull pour ajuster les donn es exp rimentales On trouve par exemple dans la bibliographie des descriptions bas es sur des consid rations physiques des ph nom nes de collections de charges Certains auteurs ont obtenu des ajustements assez 38 convaincants en prenant la diffusion comme ph nom ne majeur de collection de charge Edm 96a Smi
85. e courbe de sensibilit condition de disposer de donn es de vol L tude des v nements multiples a apport la confirmation de l importance des ph nom nes de diffusion Le code d extraction des MBU propos et valid dans le cas o le mapping physique des m moires est inconnu est un outil tr s utile pour l tude des multiples mais aussi pour la pr diction Il m riterait m me d tre int gr dans une petite application de travail 101 Le dernier chapitre consacr l tude des m canismes de collections de charges a permis de valider l importance des ph nom nes de diffusion dans les technologies r centes La diffusion jouant un r le non n gligeable dans les m canismes mis en jeu elle montre la difficult de d finir un volume sensible fixe contribue la charge collect e par les cellules et d clenche des v nements multiples tous ces points n tant pas pris en compte par la m thode IRPP En couplant exp rience simulation num rique et mod le analytique nous avons pu d gager des quations simples d crivant les diff rentes contributions la charge collect e par une cellule Ce chapitre fournit finalement un d but de travail int ressant dans la quantification des charges collect es par les cellules des m moires apr s passage d un ion qu il serait profitable de continuer pour la compr hension des ph nom nes en fonction des technologies Pour les composants test s l objectif de la th se
86. e dernier d termine la valeur de la coupure magn tosph rique pour chaque 30 pas de calcul correspondant une position du satellite sur l orbite et en d duit une fonction de transmission qui permet ensuite d obtenir le spectre en nergie au niveau de l orbite Mod lisation satellite La premi re tape ce niveau est de transporter les spectres en nergie travers le blindage du satellite Ce blindage est consid r sph rique et en aluminium on fait donc l hypoth se d un blindage homog ne et d une forme particuli re Il faut donc fournir CREME une paisseur quivalente de blindage et on obtient les spectres en nergie par l ments au niveau du composant Ensuite il est possible de calculer les spectres de LET en fonction des spectres en nergie en s lectionnant les esp ces que l on veut prendre en compte et le mat riau cible En utilisant le spectre de LET pour les calculs on perd l information du type de particule consid r e on prend donc comme hypoth se que l effet de la particule dans le mat riau d pend uniquement de son LET On dispose ainsi d un spectre int gral de LET LET ou spectre diff rentiel au choix au niveau du composant et combinant tous les l ments du rayonnement qu il faut ensuite associer la sensibilit du composant pour obtenir le taux d erreurs Cette tape concerne la mod lisation de l interaction particule composant pr sent e dans le paragraphe suivant 2
87. e mod lisation IRPP permet d tablir des pr dictions de taux SEU Nous verrons dans le CHAPITRE 3 que l analyse des r sultats en vol remet en cause cette mod lisation standard du fait de grosses disparit s observ es entre les pr dictions et les mesures en vol 35 2 2 Essais sous acc l rateur de particules L irradiation sous acc l rateur de particules est le moyen le plus couramment utilis pour la caract risation d effets singuliers sur les circuits destin s une application spatiale Le circuit sous test est plac sous un faisceau d ions de type et d nergie donc de LET que l on peut choisir parmi un cocktail de faisceaux disponibles choix limit et le fonctionnement du circuit est contr l en temps r el sous faisceau de mani re d tecter un SEE Single Event Effect On en d duit la courbe de sensibilit du composant un effet donn 2 2 1 Caract ristiques des acc l rateurs couramment utilis s Les ing nieurs du DESP utilisent essentiellement trois moyens dont les caract ristiques typiques des ions sont r sum es ci dessous Ces caract ristiques sont donn es titre indicatif puisqu elles peuvent voluer avec les am liorations et r glages des acc l rateurs __ L acc l rateur d Orsay IPN L acc l rateur de Jyv skyl JYFL L acc l rateur de Louvain UCL cocktail grande p n tration 36
88. e pour effectuer les calculs de pr diction avec le code CREME il faut fournir les courbes de section efficace SEU Le code de calcul CREME int gre anerer permettant d effectuer l ajustement de Weibull partir des points de mesure On fourn alors uniquement un fichier texte contenant les points de mesures de sections efficaces SEU pour les diff rents LET dont on dispose ou nergie s il s agit de sensibilit protons et le code calcule les param tres de Weibull ad quats cf paragraphe 2 2 2 2 Le tableau suivant r sume les donn es exp rimentales ions lourds et protons utilis s pour nos calculs et les r sultats de l ajustement de Weibull Nous donnons les donn es protons galement puisqu elles nous serviront pour valuer des taux SEU protons utilis s dans les tapes d valuation de taux SEU ion lourd de cette sous partie Seuls les points de mesure incidence normale sont pris en compte Type de LET Sseu LET Param tres de Weibull COMPOSANT MeV emhng 905 lourds cf 2 2 2 2 cm comp W S LETseuil Osat 3 9 8 43 E 4 DRAM 11 4 8 85 E 2 HM5165405 J4 2 08 E1 22 5 3 6 0 03 0 51 37 5 14 E 1 3 3 1 09 E 3 10 1 1 19 E 1 SRAM HM628512 20 6 3 12 E 1 33 9 2 9 0 006 1 6 32 4 8 11 E 1 72 6 1 61 1 8 4 72 E 3 NT 5 5 9 3 E 2 KM44V16004 11 9 2 4 E 1 17 7 1 47 1 46 0 95 25 4 69 E 1 38 8 9 54 E 1 1 1 2 6 E 4 3 3 2 67 E 2 10 1 8 85 E 2 SRAM KM684000 219 1
89. eV cm mg qui visuellement semble encore convenir L ensemble des courbes pour ces diff rents param tres est trac dans la Figure 38 o l on peut v rifier qu elles ajustent tous les points exp rimentaux 57 Weibull OMERE w 10 w10 s 10 s 10 Ls 2 m Points exp rimentaux 40 60 LET MeV cm2 mg Figure 38 Variation des param tres d ajustement de Weibull au travers de l exemple de la SRAM HM628512 Nous avons alors effectu les pr dictions OMERE avec ces diff rentes courbes de sections efficaces SEU dans le cas de la mission SAC C et pour la SRAM HM628512 Les taux d erreur pr dits sont report s dans le tableau suivant Le param tre M est pris 1 et le blindage gal 20g cm Cas tudi Taux pr dits en SEU j comp Ven en us par A au cas normal normal ajustement 1 3 E 2 de OMERE W 10 1 7 E 2 30 W 10 1 E 2 23 s 10 2 1 E 2 61 s 10 9 5 E 3 27 Ls 2 MeV cm mg 6 2 E 3 52 Tableau 14 Calculs de pr diction en faisant varier les valeurs de param tres d ajustement Les r sultats obtenus montrent une variation des taux d Upsets inf rieur 60 ce qui para t n gligeable devant le facteur 10 observ entre pr diction et r alit pour ce composant et encore plus pour les composants pr sentant un facteur 100 d erreur 3 3 4 Limite du concept IRPP Reprenons les hypoth
90. eintures de radiations Tableau 2 Caract risation de l environnement radiatif spatial Roc 95 Bou 95 Les effets consid rer sur les composants sont d une part les effets cumulatifs ou effets de dose et d autre part les effets singuliers SEE ou Single Event Effect Les paragraphes suivant d crives bri vement ces diff rents effets pour en donner les caract ristiques ensuite le Single Event Upset qui nous int resse plus particuli rement est d taill 1 2 1 Effet de dose cumul e On d finit la dose cumul e comme tant l nergie d pos e dans un mat riau donn par unit de masse Cette nergie d pos e correspond un effet permanent susceptible de modifier les caract ristiques lectriques du composant Dans le cas de l environnement spatial cette nergie est d pos e soit directement par des lectrons ou protons soit indirectement par des lectrons g n r s par effet Compton effet photo lectrique ou effet de cr ation de paires La principale sp cificit de l environnement spatial est la tr s faible vitesse moyenne du d p t de dose le d bit de dose Compte tenu des doses d pos es on peut consid rer que l effet de dose est n gligeable dans les conducteurs ou les semi conducteurs o les charges sont rapidement vacu es En revanche la perturbation cr e dans les isolants est importante Les d gradations des caract ristiques des circuits CMOS dues la dose cumul e sont alors li es l
91. en fonction du LET et incidence normale un spectre de LET un outil de calcul num rique 4 1 3 D pendance angulaire et calcul analytique 4 1 3 1 Courbes en LET effectif Nous avons cherch une loi permettant d exprimer les courbes de sections efficaces en incidence partir de la courbe incidence normale La premi re id e a t de tracer les courbes en fonction du LET effectif loi en cos cf paragraphe 2 2 2 3 puisque l on a d j observ dans le pass que pour un certain nombre de composants l effet de l inclinaison peut simplement se traduire parun alignement des points de mesures exprim s en fonction du LET effectif et non du LET Nous avons alors retracer l ensemble de nos courbes de section efficaces d Upsets non plus en fonction du LET mais de 72 LET cos0 Les courbes de la Figure 49 illustrent les r sultats obtenus pour les quatre composants tudi s HM628512 10 00 1 00 0 10 Odeg m 20deg v A 40deg x 60deg 0 01 D X 70deg N o 0 00 0 00 0 20 40 60 80 100 LET MeV cm mg KM684000 1 0 1 Odeg E 20deg 0 01 T A 40deg KR X 60deg D e 0 001 0 0001 LET MeV cm mg 43 KM44V16004 LET MeV cm mg 0 deg i E 40 deg E 2 60 deg 2 LET MeV cm mg HM5165405 10 1 0 1 Odeg E 40deg wo 0 01 60deg 5 6 0 001 0 0001 Figure 49 Courbes de sections ef
92. ence de la particule En effet les fragments issus de la collision proton atome sont priori mis dans toutes les directions de mani re isotrope Cette isotropie justifie de pouvoir calculer le taux d erreurs par le calcul simple du produit direct du flux par la section efficace protons ce qui n est pas valable pour le cas des ions lourds La quasi totalit des codes utilis s par les industriels est bas e sur le mod le du volume sensible RPP ou IRPP partir des formulations de Bradford Pickel Adams ou Petersen Certains auteurs proposent des approches diff rentes pour le calcul des SEUS toutefois l utilisation de ces codes restant anecdotique nous ne les d crirons pas dans ce rapport Une synth se peut tre trouv e dans le rapport d tude Ing 02 2 1 3 Conclusions Les codes de pr dictions de taux SEU ion lourd standard utilis s par les industriels sont tous bas s sur la mod lisation IRPP qui vient d tre pr sent e Les principales hypoth ses pos es sont la valeur du blindage quivalent du syst me Satellite Composant consid r e gale 1g cm d aluminium si inconnue la mod lisation des zones sensibles du composants par un volume parall l pip dique le VS la profondeur du VS consid r e gale 2um si inconnue une collection totale des charges d pos es dans les VS Ainsi partir du spectre de LET et de la courbe de section efficace SEU du composant en incidence normale cett
93. erreurs en vol ion lourd constat s sur les composants dans l espace ceux fournis par les mod les de pr diction existants ont pu tre faites L objet de cette th se a alors t d effectuer un premier bilan des mod les de pr diction existants afin d en faire ressortir les l ments pouvant tre l origine des diff rences notables observ es entre les r sultats des mod les et ceux issus des exp riences embarqu es A partir de cette tude nous verrons qu une approche diff rente de calcul de taux 5 d erreurs ion lourd est propos e donnant des r sultats de pr diction tr s satisfaisants Une premi re validation semi exp rimentale est pr sent e et des pistes analytiques sont abord es de mani re simplifier la m thode et r duire le nombre d essais n cessaires sous acc l rateurs tout en la rendant plus repr sentative Ce manuscrit de th se s articule autour de cinq chapitres Le premier chapitre permet de situer le contexte de la th se Il pr sente l environnement spatial et les diff rents effets qui en d coulent sur l lectronique Le ph nom ne de Single Event Upset qui nous int resse plus particuli rement dans le cadre de cette th se est d crit en d tail ainsi que les m canismes de g n ration collection de charges dont il est issu Le deuxi me chapitre pr sente les moyens utilis s pour la pr diction savoir les mod les de pr diction standard ainsi que les moyens d essais a
94. ersack U Littmark The stopping and range of ions in matter New York Pergamon Press 1985 Zou 88 J A Zoutendyk et al Lateral charge transport from heavy ion tracks in integrated circuit chips IEEE Trans Nuc Sci NS 35 n 6 p 1644 December 1988 124 R SUM Le ph nom ne de Single Event Upset SEU correspond au basculement logique d un point m moire suite au passage d une particule nerg tique Les composants de type SRAM et DRAM soumis l environnement spatial sont sensibles aux SEU il est alors primordial de pr voir leur sensibilit avant de les int grer dans les missions spatiales L enjeu actuel est de concevoir un mod le de pr diction fiable utilisable pour tout type de composant m me fortement int gr Cette th se s inscrit dans cette probl matique concernant les SEU dus aux ions lourds Une analyse des retours d exp riences embarqu s a permis d valuer les mod les de pr diction standard bas s sur la mod lisation IRPP en comparant directement les taux d erreurs en vol avec les taux pr dits et d montrant leur incapacit fournir des pr dictions correctes L analyse des sources d erreurs possibles a montr la difficult d am liorer les mod les standard nous amenant alors proposer une toute autre technique de pr diction Ainsi la m thode de pr diction empirique bas e sur la sensibilit mesur e des composants aux SEU pour plusieurs angles d incidence des particules est
95. es ceintures internes orbites basses LEO type ISS o le flux augmente tr s rapidement avec l altitude cf les exemples de missions sur la Figure 2 ci dessous GPS 20000 km 55 GPS20000 km ER SPOT SPOT 7 98 4 A 989 Geostationnarys 35500 0 1 8 z W9 ONCE ON 1400 km 52 1400 kirasa Figure 2 Caract ristiques de diff rentes orbites et missions 1 1 2 Le vent solaire Le vent solaire na t de l arrachement d lectrons par excitation thermique ou chocs avec d autres particules de la couronne solaire haute atmosph re solaire compos e d un plasma une temp rature de plus d un million de degr s Celsius Cette activit constante implique aussi l mission radiative permanente de protons et d ions lourds positifs afin de r tablir l quilibre des charges 1 1 35 Les ruptions solaires D couvertes en 1610 par Galil e les taches solaires font depuis l objet de nombreuses observations Il est apparu que l activit solaire suit un cycle dont la p riodicit est de l ordre de 11 ans 4 ans de faible activit et 7 ans de forte activit ponctu e par diff rents v nements o v ue a i Activit solaire Activit solaire Activit solaire Activit solaire o 0 calme calme calme calme A r 4 m h Nn pA r so LA AN F OU v Q 3 FL m k k i f A t k i D 10 fr j i ai 22 Ooa ha T a 2 js d UL W i D Z g i f E Acti
96. es provenant de SAC C on peut tablir un tableau r capitulatif mettant en avant diff rents taux SEUS pour les composants tudi s dans le cadre de la th se que l on peut obtenir en distinguant SAA hors SAA mais galement avec et sans les ruptions solaires pour bien distinguer tout ce qu il est possible d exploiter Les taux sont donn s en SEU jour composant Composants KM44V160 HM5165405 HM628512 KM684000 04 Taux SEU j comp 1 4 0 9 1 1 42 Taux hors SAA 0 23 0 13 0 2 l hors SAA 16 15 18 23 Taux hors SAA hors 0 2 0 11 0 16 0 82 ruption hors SAA hors 14 12 15 19 ruption Tableau 7 Tableau comparatif des taux de SEUS pour divers composants pour une p riode d un an L int r t de pouvoir valuer le taux d erreurs r el en vol uniquement pour les ions lourds et hors ruption est pour l tude des mod les de pr diction vis vis des ions lourds qui est l objet de cette th se On peut alors maintenant comparer ces donn es aux r sultats obtenus avec un code de pr diction de type CREME 3 1 1 5 Blindage du satellite Le blindage quivalent de la station MIR a t donn par les concepteurs russes et estim 10g cm d aluminium Pour le satellite SAC C nous n avons aucune donn e de la part des concepteurs du satellite Une estimation a pu tre faite partir des donn es en vol En effet nous disposons des donn es provenant des spectrom tres
97. es source drain de 400nm Le r le de l Arsenic et sa localisation restent inconnus 120 TABLE DES SIGLES CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CNES Centre National d Etude Spatiale DESP D partement Environnement Spatial ONERA DRAM Dynamic Random Access Memory EDAC Error Detection And Correction EEPROM Electrically Erasable Read Only Memory ESA European Space Agency FOX Field OXide IRPP Integral Rectangular ParallelePiped ISS International Space Station LET Linear Energy Transfer LSB Least Significant Bit MBU Multiple Bit Upset MEB Microscope Electronique Balayage MOS M tal Oxyde Semi conducteur MSB Most Significant Bit NASA National Aerospace and Space Agency NRL Naval Research Laboratory ONERA Office National d Etude et Recherche Aerospatiales RAM Random Access Memory ROM Read Only Memory RPP Rectangular ParallelePiped SAA South Atlantic Anomaly SCM Scanning Capacitance Microscopy SEE Single Event Effect SEGR Single Event Gate Rupture SEL Single Event Latch up SET Single Event Transient SEU Single Event Upset SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry SMU Single word Multiple Bit upset SRAM Static Random Access Memory VS Volume Sensible XOR OU OR exclusif ZCE Zone de Charge d Espace 121 REFERENCES Bar 00 J A Barth Space environments and testing Single Event Effects Symposium April 2000 Bar 97 J A
98. exprim en fonction de la distance parcourue dans une cible Silicium Pic de Bragg L volution de la trace suivant le processus d ionisation est assez complexe Pour des raisons pratiques il existe plusieurs descriptions analytiques simples de distribution initiale de charges induites par un ion dans un mat riau Deux de ces mod les d finissent la distribution radiale de la trace comme tant de forme gaussienne pour l un et exponentielle pour l autre cf la description des mod les dans le manuel d utilisation du simulateur ISE TCAD utilis dans le cadre de cette th se ISE 991 Cependant ils ne reposent sur aucune r alit physique et sont mis au point l aide de param tres d ajustement g om trie de la trace Ces mod les permettent de r aliser une approximation sur les param tres de la distribution initiale de charges De plus leur utilisation num rique est plus ais e que celle de mod les plus r alistes tel que le mod le de Katz qui permet de d crire la distribution initiale de charges gr ce des relations semi empiriques Il ne s appuie donc pas sur des param tres d ajustement Cependant ce mod le ne s applique qu aux particules dont l nergie est comprise dans l intervalle 0 3keV 20MeV Sa description est fournie dans Kob 68 En r gle g n rale pour des repr sentations gaussiennes comme il a t utilis es pour nos travaux on fixe la valeur de rayon de trace des ions dans le silicium
99. ficaces d uspet exp rimentales exprim e en fonction de gu D CD CD On remarque alors que les points s alignent plut t bien sur une m me courbe qui est finalement celle de la section efficace SEU obtenue en incidence normale ce qui donne alors une relation simple pour passer des courbes de sensibilit aux diff rentes incidences partir de celle incidence normale C est ce que nous cherchions pour r duire le nombre d essai nous allons alors exploiter cette loi pour effectuer un calcul de taux d erreur enti rement LET cos 0 analytique et non plus par intervalles d angles 4 1 3 2 Nous avons vu dans le paragraphe pr c dant que pour l ensemble de nos composants si on poss de la courbe o 0 LET on peut exprimer o 0 LET par l expression simple suivante Calculs de taux SEU analytiques 74 o 0 LET ES cos cos On corrige la surface sensible par le terme cos0 de mani re exprimer la surface sensible quivalente vue dans le plan d incidence de la particule c est dire la surface quivalente perpendiculaire la direction d incidence On effectue cette correction puisque le spectre de LET est calcul dans chaque direction Cette relation simple permet de faire le calcul de taux par la m thode empirique de mani re analytique L expression du taux d erreur devient alors LET val AT 0 LET min 0 LET cos 0 27x sin dLET d0 cos 0 Un tel calcul implique de fixer les bornes de
100. g amp 60deg 312 Z 1 2 E E 1 j j 1 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 120 LET MeV cm mg LET effectif MeV cm mg HM5165405 HM5165405 2 4 2 4 2 2 e 2 2 o 5 2 ne S 0deg 0deg 8 18 E 1 8 8 40deg 2 H 40deg 5 16 60deg 5 16 60deg z 2 2 14 Z 14 J E 12 E 4 1 1 0 10 20 30 0 20 40 60 80 100 LET MeV cm2 mg LET effectif MeV cm2 mg Figure 51 Multiplicit moyenne des v nements en fonction du LET et LET effectif Ces courbes semblent montrer que les v nements multiples suivent la m me volution angulaire que la sensibilit SEU des composants montrant que m me si les ph nom nes de diffusion semblent importants ils d pendent du m me param tre g om trique dont d pendent les autres m canismes mais ne g n ralisons pas uniquement partir de ces quelques composants Outre la mise en vidence de la collection par diffusion l extraction des MBU apporte un int r t suppl mentaire en effet elle nous permet de faire des calculs de taux d erreurs non plus concernant les Upsets SEU en g n ral mais de mani re plus cibl e c est dire de faire un calcul de taux de MBU uniquement Puisque l on est capable d extraire les v nements multiples des v nements simples on peut tracer les courbes de sensibilit MBU en fonction du LET et de l angle et effectuer le calcul 80 de pr diction par la m thode empirique ce qui n tait pas possible pa
101. i re sont li es l nergie transf r e la mati re Cette nergie d pend du nombre de particules de leur nergie et du mat riau Ainsi les ions lourds produisent un grand nombre de paires lectron trou dans une zone localis e le long de leur trajectoire dans le dispositif les particules l g res telles que les protons ne g n rent qu une faible ionisation directe dans le silicium mais interagissent avec les atomes du mat riau cible les atomes de recul et les fragments de noyaux peuvent agir comme des ions lourds en d posant assez d nergie pour produire une d faillance 10 On peut r sumer l ensemble de ces ph nom nes et les environnements qui leur sont associ s dans le Tableau 2 Photon Cr ation de paires e trou Charges d oxyde Etats d interface Espace nucl aire Cr ation d tats d interface X ou y Photocourant d bit lev Ev nements transitoires Explosion nucl aire lon lourd Cr ation de paires e7h Ev nements transitoires Espace Neutron D placements d atomes R duction de la dur e de vie Nucl aire Recul d atomes Ev nements transitoires Avionique Proton Cr ation de paires e trou Charges d oxyde Etats d interface Ceintures de radiations D placement d atomes R duction de la dur e de vie Interactions nucl aires Ev nements transitoires Eruptions solaires Recul d atomes Ev nements transitoires Electron Cr ation de paires eh Charges d oxyde Etats d interface C
102. i en cos on pourrait estimer le LETi en fonction de l inclinaison de la mani re suivante LET onii 0 L s cos 0 L tant le seuil estim incidence normale Dodd montre dans le cas d une SRAM que le seuil volue assez bien selon cette loi jusqu un angle de 60 pour atteindre une valeur limite Au del de 60 estimer le LET seuil suivant la loi en cos am nerait une grande sous estimation du seuil pouvant engendrer de tr s forte surestimations du taux d erreur On pose alors comme hypoth se de calcul que Pour 0 lt 0 lt 60 LET a 0 L cos 0 L Au del de 60 LET sni 8 L cos 60 a Le tableau suivant donne les r sultats du calcul analytique de taux d erreurs pour la SRAM HM628512 SAC C effectu avec les hypoth ses de calculs pos es pr c demment concernant les limites des int grales Les taux obtenus sont l g rement sup rieurs ceux obtenus par la m thode semi exp rimentale et toujours coh rents avec les taux en vol Calcul Calcul semi exp rimental analytique B p E a Ions lourds Tableau 16 Comparaison des r sultats du calcul de taux par les m thodes empiriques semi exp rimentale et analytique pour le vol SAC C 76 Ainsi il est possible d effectuer un calcul analytique de taux utilisant la m thode empirique mais au prix de v rifications pr alables et d hypoth ses de calcul arbitraires pouvant amener une surestimation des taux En effet pour pouvoir appliq
103. ie de OMERE tant isotrope il repr sente le flux int gr sur ATT st radians les constantes a sont calcul es pour repr senter la portion d angle solide d une sph re que d crit un angle compris entre deux valeurs d angles O en tenant compte de la sym trie par rapport au plan de la surface du composant sym trie face avant face arri re Cf Figure 46 Cela permet d valuer la portion du flux que l on attribue au calcul pour les particules d inclinaison comprise entre 0 et 20 degr s puis entre 20 et 40 degr s etc 69 1 po Figure 46 Angle solide de la zone jaune Q f 27r sin d0 r 1 Ces constantes sont donc calcul es en divisant l aire de la surface de la sph re d crite entre deux angles 6 par celle de la sph re enti re On trouve 1 20 P don 2x rh 27r sin 0 d0 0 06 1 a 2 x 20 40 2 4x 40 Ja f 2a sin d0 0 17 1 60 pn aoia s a h 27 sin 0 d0 0 27 L pn es 2x Fh 27 sin0 d0 0 5 Ces coefficients tant calcul s les courbes de sections efficaces tant ajust es et le spectre tant valu sous OMERE on peut appliquer la formule et en d duire les taux de pr diction On rappelle que le spectre de LET est disponible sous forme d un tableau de valeurs en fonction de quelques valeurs de LET discr tes impos es par le logiciel on effectue alors un calcul num rique dont les pas sont fix s par ces valeurs de LET Les r sultats de calculs de taux de S
104. igne de s l ction ligne de s l ction CMOS NMOS Figure 13 technologies CMOS et NMOS En technologie CMOS une cellule m moire comporte quatre transistors Les deux transistors de type P peuvent tre remplac s par des r sistances polysilicium de grandes valeurs si le proc d de fabrication le permet Il s agit alors de structure NMOS Cette derni re permet de concevoir des points m moires en trois dimensions en int grant les r sistances d acc s sur les couches sup rieures du composant Ceci permet une plus grande compacit que les circuits en technologie CMOS quantit de stockage gale Cependant la consommation d une cellule CMOS est plus faible Chacune des deux technologies ayant autant _d avantages que d inconv nients le march des m moires se partage de moiti entre les iale 1 3 4 1 2 Les m moires DRAM Le support de l information est dans ce cas une capacit de stockage cf Figure 14 Le bit de donn e est assimil une quantit de charge ligne de s lection ligne de bit Transistor de s lection Capacit de c A stockage Figure 14 Principe de cellule m moire DRAM La cellule m moire SRAM CMOS de 1 bit donn e n cessite six transistors celle d une DRAM n en comporte qu un ce qui permet de gagner en nombre de transistors et d augmenter l int gration des circuits L inconv nient de ce type de m moire vient cependant de la faible dur e de r tention de la charge au niveau de la capacit
105. il a deux tats stables l un qui repr sente 0 et l autre qui repr sente un 1 Dans chacun des tats deux transistors sont dans un tat passant ON et les deux autres dans un tat bloquant OFF Un Upset se produit par exemple quand une particule nerg tique change l tat du transistor N2 bloqu L impulsion de courant produite dans le n ud B abaisse son potentiel cette variation est transmise l autre moiti de la cellule bistable Si cette impulsion produit une variation de tension suffisante pour modifier l tat du transistor P1 le n ud A changera d tat il y aura basculement logique Typiquement le temps de r ponse d une cellule SRAM au le passage de l ion est de quelques dizaines de picosecondes L apport de charge induit par un ion lourd peut provoquer un Upset si l ion traverse le composant au niveau des zones sensibles la zone la plus sensible a t identifi e comme tant la jonction PN bloqu e du transistor NMOS OFF du point m moire McN 91 1 la charge collect e est sup rieure une charge minimum appel e charge critique cette charge est li e la charge minimale permettant le stockage de l information 26 l impulsion de courant cr e par la charge induite est suffisamment longue pour que l effet de m morisation intervienne 1 3 4 3 Le SEU dans les DRAM Le ph nom ne de SEU dans les m moires DRAM peut tre d crit simplement Il est donn plus en d tail dans les tra
106. ion incident du fait des diff rents m canismes de collection de charges mis en jeu L tude des m thodes standard a finalement montr la difficult voire l impossibilit de trouver une solution d am lioration simple et fiable de ces mod les C est pourquoi une m thode tr s simple compl tement diff rente a t propos e pour obtenir des pr dictions de taux de SEU ions lourds La m thode empirique bas e directement sur la sensibilit mesur e des composants aux SEU dans plusieurs directions de l espace a alors t tudi e sur quatre composants et compar e a son tour aux donn es en vol Une premi re approche semi exp rimentale a t valid e et une volution plus analytique bas e sur la loi en cos0 a t abord e Dans tous les cas la m thode empirique est une solution appropri e pour la pr diction car aussi simple mettre en uvre que les m thodes standard et assurant de bonnes pr dictions Elle n cessite n anmoins plus de points de mesures lors des essais sous acc l rateurs tout en restant raisonnable surtout en regard de l apport pour les pr dictions La m thode empirique de pr diction peut s appliquer tout composant condition de disposer de courbes de sections efficaces d Upset pour plusieurs valeurs d angle d inclinaison et s applique aussi pour d autres types d effets que le SEU tels que les MBU SMU On pourrait valider cette m thode pour tout type d effet pouvant se traduire par un
107. ique des l ments qui composent le solide elles pr sentent un int r t analytique certain Nous en avons extrait le profil de dopage en BORE type P du substrat ainsi qu en Arsenic et Phosphore type N des diffusions Mais la plus petite fen tre d tude du SIMS tant beaucoup plus grande que la taille d une cellule la concentration en dopants N est l g rement erron e du fait que les zones dop es N que l on voit sur la Figure 68 ne remplissent par toute la surface visible mais correspondent des petites taches que l on peut estimer 50 de la 118 surface d tude Ainsi il faudrait modifier les niveaux de dopage mesur s en fonction de la surface r elle occup e par les zones N dans la fen tre ce qui double en fait les valeurs obtenues Pour le substrat il n y a pas de probl me car d s les zones N d pass es en profondeur 0 4um seul le substrat dop P est concern par la fen tre d tude Les r sultats sont illustr s par les courbes suivantes CAMECA IMS6f Sample name Puce 1puce dp 1 00E 19 1 00E 18 1 00E 17 4 11B Atom cm3 1 00E 16 4 1 00E 15 4 1 00E 14 T T T T T 0 0E 00 1 0E 00 2 0E 00 3 0E 00 4 0E 00 5 0E 00 6 0E 00 7 0E 00 8 0E 00 9 0E 00 um Figure 74 Profil de Bore partir de la surface de la zone active du composant CAMECA IMS6f Sample name Puce 3puce dp 1 00E 20 1 00E 19 4 1 00E 18 4 1 00E 17 4 31P
108. iques ainsi que le d veloppement de technologies durcies La fiabilit des infrastructures orbitales est un probl me important dont doivent tenir compte les concepteurs Il est n cessaire de d velopper un ensemble de techniques de durcissement afin de pr venir les effets des particules sur les composants Les concepteurs d engins spatiaux disposent de plusieurs approches pour prot ger l lectronique le blindage des solutions au niveau syst me durcissement syst me l utilisation de composants durcis politique restreinte notamment pour des raisons budg taires et politiques valuation au sol de la sensibilit des composants et s lection des composants les plus r sistants A l heure actuelle le volume d essai au sol de l lectronique s accro t consid rablement La sensibilit des composants aux ions lourds ou aux protons donn e requise pour l assurance qualit est habituellement tablie en irradiant ces circuits l aide d acc l rateurs de particules et en utilisant des mod les de pr diction de taux d erreur Parmi les effets des particules sur l lectronique on distingue le ph nom ne de dose qui vient progressivement mais de fa on permanente alt rer le fonctionnement des circuits et les v nements singuliers induits par le passage d une unique particule ionisante les SEE Single Event Effects qui provoquent des dysfonctionnements transitoires Parmi les al as transitoires on pe
109. is method is based on SEU measured sensitivity at different angle incidences of particles We also studied the Multiple Bit Upset to underline their importance and to demonstrate that diffusion phenomena must be taken into account in charge collection mechanism modelling These mechanisms were studied with numerical simulations and analytical modelling in order to understand the link with device technology parameters Key words Single Event Upset SEU Multiple Bit Upset MBU heavy ions CREME OMERE prediction cross section SRAM DRAM ISE TCAD numerical simulation analytical modelling collection diffusion 125
110. it un r sultat sous la forme d un taux d v nements par bit et par unit de temps ou par composant Nous allons orienter la description des diff rentes tapes de calcul pour le cas des ions lourds qui concerne vraiment notre tude le calcul de taux SEU protons est galement possible suivant quelques tapes diff rentes nous ne les d crirons pas dans ce manuscrit mais nous verrons que les r sultats protons nous serviront par la suite comme interm diaire dans l analyse des donn es de vol paragraphe 3 2 2 Les calculs peuvent se d composer en deux parties g n ration du fichier D LET repr sentant le spectre int gral de LET sp cifique la mission et transpos au niveau du composant calcul du taux d v nements par bit par mod lisation de l interaction particule composant 29 2 1 2 1 Mod lisation de l environnement G n ration du fichier D LET Cette tape est bas e sur quatre mod lisations Figure 18 Sch ma mod lisant les tapes de g n ration du spectre de LET Mod lisation des flux d ions lourds On distingue deux origines diff rentes d ions lourds hors syst me solaire avec les flux d ions lourds galactiques provenant du rayonnement cosmique galactique et dans le syst me solaire avec les flux li s aux ruptions solaires CREME utilise des spectres de r f rence combin s de diverses mesures satellite et d duit les spectres des diff rents l ments en foncti
111. lation du passage d une particule de LET gale au LET seuil mesur La charge collect e par la cellule impact e d finit alors la charge critique On d termine ensuite les surfaces sensibles par loignement du point d impact jusqu atteindre le seuil Ensuite une fois la structure valid e les simulations permettent l tude des surfaces sensibles en fonction du LET et de l angle d inclinaison de la particule ainsi que l tude des v nements multiples Nous avons pu ainsi comparer les r sultats de simulation aux exp riences et v rifier la coh rence des r sultats Enfin les travaux d analyse de mod les analytiques nous ont permis de d gager des mod les simples adapt s notre tude Ainsi le mod le de diffusion de Kirpatrick Kir 79 nous permet de calculer correctement les charges collect es par diffusion par les cellules dans plusieurs configurations int ressantes pour un impact direct dans le drain ou un impact loign de la zone de collection et pour toute direction d incidence des particules dans la structure Nous nous sommes arr t s dans cette tude finalement au moment o l on disposait enfin de mod les simples permettant d tudier l influence de l inclinaison de la particule sur la sensibilit en fonction de la g om trie du composant C est videmment par manque de temps que cela n a pas t fait les r sultats offrent cependant des possibilit s de travaux futurs imm diats pouvant r pondre ce
112. les calculs de pr diction standard Pour un composant donn les hypoth ses n cessaires au calcul et fournir au logiciel sont des points exp rimentaux de la courbe de section efficace en fonction du LET permettant au logiciel de trouver automatiquement les param tres de Weibull et tracer la courbe passant au mieux par ces points paragraphe 3 1 2 une paisseur pour le volume sensible les param tres d orbite la dur e de la mission ainsi que les hypoth ses d environnement 49 le blindage quivalent du satellite et le type de particules prendre en compte ions lourds cosmiques protons pi g s Les caract ristiques des missions reproduites SAC C et MIR99 ont t donn es dans le paragraphe 3 1 1 1 OMERE se pr sente comme une application avec diff rents menus qui permettent de choisir les param tres de calculs qui sont r sum s sch matiquement avec les noms de menu ci dessous pour nos deux cas d tudes Mission gt Param tres gt LEO1 Pol 98 800km 800km LEO2 ISS 51 5 400km 400km Ann e d part 2001 Ann e d part 1999 Dur e 4 ans Dur e 2 ans les deux missions ci dessus LEOI et LEO2 sont d j pr d finies dans OMERE il suffit de les cocher dans un sous menu Environnement Rayons cosmiques Rayons Cosmiques Ecrantage Magnetosph rique Minimum ou maximum solaire Particules de H U M 1 ou 3 M est le param tre temps interplan taire pour l valuation des spectres issu
113. lir les profils des zones actives des NMOS de stockage de la cellule et de confirmer la pr sence d une zone pitaxi e Ainsi une cross section SCM sur un transistor de stockage N2 ou N3 reli au WL profil des zones actives dans la profondeur dimension Z a t effectu e par le CNES et est illustr e dans la Figure 71 116 Metal 1 Wordline x10000 H 5 kV 4mm CNES DCT AQ LE Figure 71 Micro section MEB des transisitors NMOS de stockage L analyse SCM en phase a permis de d tecter une jonction PN enterr e 5 9um des canaux entre le silicium pitaxi type P et le silicium bulk type N Figure 72 o S A a 0 0 2 dOydY Phase 8 0 ym Figure 72 Cross section SCM phase sur les transistors NMOS de stockage de 2 cellules cons cutives La profondeur d pitaxie est mesur e par SCM 5 9um valeur l g rement sup rieure la valeur donn e par spreading resistance 5 lum Cela peut tre du la pente de 10 induite par le polissage pas tout fait perpendiculaire au composant Celle ci a pour effet d allonger les distances mesur es par rapport aux distances r elles On d duit des mesures sur ces images d autres informations utiles Ainsi le canal du transistor de stockage est mesur 627nm en accord avec les mesures faites en face avant et les zones 117 actives sources drains sont profondes de 412nm Nous verrons dans le paragraphe suivant qu elles sont en accord avec le profil SIMS effectu
114. lors une variation des flux pouvant atteindre 30 entre le minimum et maximum solaire et sur une certaine gamme d nergie des ions L exemple de quelques ions est donn dans la figure 49 10 5 Minimum Solaire A Maximum Solaire FLUX E m2 s sr MeV nucl ony 1 10 7 i 101 102 103 104 105 Figure 36 Illustration de la variation des flux en fonction de l nergie et de l activit solaire pour quelques ions Ainsi puisqu il faut choisir un param tre solaire minimum ou maximum pour les calculs de flux dans OMERE si la mission dure quelques ann es on peut avoir une erreur allant jusqu 30 sur la valeur du flux ce qui n est donc pas vraiment critique tant donn les erreurs que l on observe sur les taux en sortie qui sont de quelques ordres de grandeur Concernant les protons et le mod le AP8 mod lisation des protons pi g s Saw 76 utilis dans OMERE l incertitude peut tre plus grande En effet le calcul de flux de protons est bas sur un mod le de champ magn tique datant des ann es 70 Or nous savons que le champ magn tique volue d ann e en ann eS ce qui am ne des erreurs sur l estimation des flux Tout comme les ions cosmiques on observe une augmentation des flux de protons en minimum solaire et inversement au maximum On aura alors une sous estimation ou surestimation des flux selon le cas choisi AP8 max ou min On estime que l on peut faire une erreur d un facteur 2 maximum sur les flux
115. ls de taux SEU analytiques ss 74 4 1 4 DISCUSSIONS ET CONCLUSIONS ET SUR LA M THODE EMPIRIQUE suis csessseessns cesser 77 4 2 ETUDE DES V NEMENTS MULTIPLES ET PR DICTION s ssssssssssssesesessressreesresereesreesseesseesses 78 4 2 1 EXTRACTION DES MBU MISE EN VIDENCE DES PH NOM NES DE DIFFUSION 78 4 2 2 PR DICTION V NEMENTS MULTIPLES MBU SMU ss ssssssssesesssesesesrisesesrsreresesesssssessses 81 4 3 CONCLUSIONS rade ee a a a a a n a a aa N 83 CHAPITRE 5 ANALYSES PARTIR DES SIMULATIONS NUM RIQUES reae a 84 5 1 SIMULATIONS PHYSIQUES ISE TOADE nn daniel attente 84 5 1 1 STR UCTURE SIM L E 232128 ar a aa aa naaa aaa an ao dns SU Sat Petite Re it 85 5 1 2 CONDITIONS DE SIMULATIONS ET FORMATS DES R SULTATS esse 87 5 13 VALIDATION DES SIMULATIONS AVEC LES DONN ES EXP RIMENTALES ss 88 5 1 3 1 Comparaison entre les surfaces sensibles simul es et mesur es 89 5 1 3 2 Comparaison des seuils de multiplicit 90 5 1 4 R SULTATS DE L TUDE PAR SIMULATION rene current nentailels 90 5 2 COMPARAISON AVEC DES MOD LES ANALYTIQUES SIMPLES snmnrererenrrrerennee 92 5 2 1 MOD LE ANALYTIQUE RETENU su suisse sscceesseeesnesssnnsesneesneessnnsessnnsenneesne esse eneess 92 5 2 2 APPLICATION AU CAS D UNE COUCHE ENTERR E ue rrrrreneeenneeeneneonesneneneoneeneenee 93 3 5 2 3 APPLICATIONS NUM RIQUES POUR UN IMPACT DIRECT sue eeeeeceseeneeeeeeeeeeennnee 94 5 2 4 APPLICATIONS NUM RIQUES POUR UN IMPACT INDIRECT
116. m 98 L D Edmonds The influence of spatial variations of diffusion length on charge collected by diffusion from ion tracks IEEE Trans Nuc Sci NS 45 n 1 p 30 February 1998 Fal 00 D Falguere S Duzellier R Ecoffet I Tsourilo EXEQ I IV SEE in flight measurement on the MIR orbital station Radiation Effects Data Workshop 24 28 July 2000 pp 89 95 Fle 92 D M Fleetwood Border Traps in MOS Devices IEEE TNS Vol 39 No 2 pp269 271 April 1992 Gar 96 Franck Gardic Etude de l interaction des protons avec les composants micro lectroniques th se pr sent e l Universit Pris VI 1996 Gru 84 H L Grubin P P Keskovsky and B C Weinberg Numerical Studies of Charge Collection and Funneling in Silicon Device IEEE Transactions on Nuclear Science pp 1161 1166 December 1984 Hu 82 C Hu IEEE Electron Dev Lett EDL 3 p 31 1982 Ing 02 Inguimbert C amp al Study on SEE rate prediction analysis of existing models Rapport technique de synth se RTS 2 06224 DESP juin 2002 ISE 99 ISE TCAD Manuals 1999 Kat 91 R Katz Track physics model of radiation effects Radiation and its Effects on Devices and Systems RADECS 91 First European Conference on 9 12 Sept 1991 pp 558 560 1991 Kir 79 S Kirckpatrick Modeling Diffusion and Collection of Charge from Ionizing Radiation in Silicon Devices IEEE Transactions on Electron Devices Vol ED 26 N 11 pp
117. m du spectre et int gration sur toutes les valeurs discr tes de comprises entre 0 et 90 du fait de la sym trie face avant face arri re Le paragraphe suivant pr sente l ensemble des mesures effectu es sous acc l rateurs sur les quatre composants tudi s plusieurs angles d inclinaison du faisceau Les courbes de sections efficaces o LET 0 permettront ensuite d effectuer le calcul de taux semi exp rimental 4 1 2 2 Donn es exp rimentales Une s rie de mesures compl tes diff rents angles d inclinaison 6 et diff rents LET sous acc l rateurs de particules a t r alis e sur deux DRAM KM44V16004 et HM5165405 ainsi que deux SRAM HM628512 et KM684000 composants ayant vol la fois sur SAC C et MIR m me date code test Des mesures ont t faites aux angles arbitraires 0 0 20 40 et 60 de mani re recouvrir l ensemble de l intervalle angulaire avec un maximum m canique de 60 selon l acc l rateur utilis il a t possible d incliner jusqu 70 aujourd hui il est possible d incliner sans limite l UCL sauf limitation due aux port es des ions Les s ries de courbes suivantes synth tisent ces mesures 67 10 HM628512 0 1 Odeg 8 20deg Ca E 40deg oO S 0 01 gt 60deg N e 0 001 0 0001 0 10 20 30 40 LET MeV cm2 mg KM44V16004 10 1 e 0 deg T 0 1 m 40 deg
118. ment SEU31 2 1 3 CONCLUSIONS nn nn nl de nettes om ER 35 2 2 ESSAIS SOUS ACC L RATEUR DE PARTICULES named naesenniennete ts 36 2 2 CARACT RISTIQUES DES ACC L RATEURS COURAMMENT UTILIS S 36 222 EXPLOITATION DES R SULTATS DES ESSAIS 37 22 2 Courbes de sections efficaces exp rimentales nsnsssnsesssseesesseesoesoesresetsreseessesresseene 37 2 2 2 2 ATustement des co ibes uneni tisse naine dieadtere nets e RA T RA 38 2 2 2 3 Correction de l inclinaison par cos 8 ssesesesesessesnsseeeesseesessessseseessesetsseseessessesseese 39 2 2 2 4 Pr paration des composants 40 CHAPITRE 3 ANALYSE DES R SULTATS EN VOL 43 3 1 DONN ES DE VOL ET DONN ES SOL ner de ne nan net Semen rennes 43 3 1 1 EXPLOITATION DES MESURES EN VOL eee 43 3 1 1 1 Pr sentation des eXp TIENCES usines 43 3 1 1 2 R partition des SEU par composant 4 45 3 1 1 3 R partition temporelle des SEU ss 45 3 1 1 4 R partition g ographique des SEU s sssssssessseseesseseseseessesstsstssssseesrsseeseseessessessesest 46 3 1 1 5 Blindage du satellite 47 3 1 2 DONN ES SOL COURBES DE SECTIONS EFFICACES SEU sssseseesesreesreesreesrersreesseesseesses 48 3 2 PR DICTIONS ET COMPARAISONS oikee a a eea EE LSR 49 3 21 PARAMETRES DE CALCUL serieei ia a Ee nt ti E Or entres eeu 49 3 2 2 COMPARAISON ENTRE PR DICTIONS ET DONN ES DE VOL SAC C s nsssssssesesese
119. mettent aussi de distinguer les SMU lorsqu il y en a et de les comptabiliser directement On peut aussi tracer les courbes de sections efficaces SMU La SRAM HM628512 donne de part son architecture la possibilit d tudier les deux types d v nement multiples MBU et SMU les courbes de sensibilit MBU et SMU sont donn es ci dessous Il faut bien comprendre ici le SMU comme un multiple particulier du fait de l architecture du composant En effet dans ce composant tous les bits d un m me mot sont physiquement plac s cot favorisant ainsi l apparition de SMU Nous ne parlons pas ici de SMU pouvant appara tre al atoirement de mani re statistique dis 0 1 0 01 Odeg 20deg E 40deg z x 60deg S 0 001 70deg 0 0001 0 00001 0 10 20 30 40 50 60 70 80 LET MeV cm2 mg Figure 52 Section efficace MBU de la HM628512 pour diff rents angles d inclinaison 81 Odeg 20deg 40deg 60deg 70deg Lin aire 70deg 0 1 X X 0 01 y 0 0004 0 0432x 0 7229 Lin aire 60deg section efficace cm2 y 0 0673x 1 2169 Polynomial 40deg 0 001 y 0 0086x 0 2061 y 0 0934x 1 4789 Polynomial 0deg 0 0001 0 20 40 60 80 LET MeV cm2 mg Figure 53 Section efficace SMU de la HM628512 pour diff rents angles d inclinaison et quation des courbes d ajustement
120. nce voire la destruction du composant dont voici une liste celui que nous tudions dans le cadre de cette th se le SEU est d taill par la suite 12 Le SEL ou Single Event Latchup est un latchup induit par une particule Il s agit du d clenchement du thyristor parasite inh rent une structure CMOS Comme le montre la Figure 6 ci dessous le thyristor parasite npnp consiste en deux transistors bipolaires parasites coupl s positivement Puits N Substrat P Figure 6 Mise en vidence de la structure npnp parasite existant dans un inverseur CMOS et responsable du latchup Une impulsion de courant transitoire produite par l impact d une particule lourde peut amorcer la mise en conduction d un tel thyristor parasite Le latchup cr e un chemin de conduction direct entre la masse et l alimentation et par cons quent cause un chauffement important du composant pouvant conduire sa destruction Pour d samorcer le thyristor 1l est n cessaire de couper l alimentation du circuit D un point de vue circuit des syst mes anti latchup existent qui coupent l alimentation du circuit lorsqu un latchup est d tect En parall le des solutions de durcissement des composants sont propos es par les fondeurs modification de la g om trie des composants et des proc d s de fabrication concernant les niveaux de dopage substrats pitaxi s Le SEGR ou Single Event Gate Rupture est provoqu par le passage d un ion lourd
121. ne sont pas soumises au cham lectrique et seules les charges qui diffusent vers la ZCE seront collect es nous ne koae plus dans le cas Edep Eco Cette hypoth se implique donc qu on ne peut pas int grer facilement la longueur de funneling l paisseur sensible Le funneling est donc forc ment mal pris en compte dans la mod lisation De m me les charges d pos es au del de la zone de funneling peuvent tre collect es en partie par la jonction par diffusion cette collection s ajoute l nergie d pos e et collect e directement dans le VS mais avec un facteur de collection bien inf rieur 1 puisque les charges diffus es sont partag es entre toutes les cellules La diffusion n est donc pas prise en compte du fait de cette hypoth se Pour synth tiser en fixant une profondeur de collection d et un facteur de collection constant dans le VS il est impossible de prendre en compte tous les ph nom nes de collection de charges qui d pendent du trajet de la particule pour distinguer la part de la diffusion du funneling et de la collection directe Selon la direction d incidence de la particule cf exemple de la particule horizontale et la trajectoire par rapport la zone sous influence du champ lectrique le facteur de collection varie du LET de la particule qui influe sur la longueur de funneling Il est alors impossible de consid rer une profondeur fixe alors qu elle varie avec le LET Si l on pouvait n glige
122. ns il semble justifi d attribuer cette collection la diffusion des charges depuis la trace vers les zones sous influence du champ lectrique 34 Conclusions L analyse des r sultats en vol a d montr l incapacit de faire de bonnes pr dictions avec les m thodes standard faisant ressortir des erreurs pouvant d passer un facteur 100 et des pire cas ne couvrant pas les taux en vol Une tude des sources possibles d erreurs dans les tapes de calcul a permis de quantifier l importance de chaque hypoth se sur le r sultat et la mod lisation IRPP est compl tement remise en question l issue de cette analyse La complexit induite par la prise en compte de l ensemble des ph nom nes de collection qui d pendent de la g om trie et de la technologie du plan m moire alors que le composant est une boite noire pour les utilisateurs am ne mettre de cot le principe des mod lisations standard pour r fl chir une m thode diff rente de pr diction Les chapitres 4 et 5 sont consacr s la pr sentation et justification d une m thode de pr diction diff rente bas e sur des donn es exp rimentales et l extrapolation de la sensibilit mesur e du composant l ensemble des directions d incidences des particules de l espace Les fondements en sont analys s via des simulations ISE TCAD et des tudes analytiques des ph nom nes de collection dans des composants 63 CHAPITRE 4 M THODE DE PR DICTION EMPIRIQUE
123. ns tous les cas tudi s Nous voyons alors l norme avantage de la nouvelle m thode de pr diction par rapport aux m thodes standard qui ne permettent pas d effectuer de pr diction en v nements multiples 82 Le code d extraction offre la possibilit non seulement d extraire les v nements multiples pour leur tude mais aussi de faire des calculs de pr diction multiples 4 3 Conclusions L analyse des mesures en vol a permis d valuer pr cis ment les mod les de pr diction standard jusque l utilis s pour la validation de syst mes spatiaux mettant en avant les erreurs critiques commises sur les pr dictions La m thode de pr diction empirique propos e dans le cadre de cette th se r pond aux besoins d am liorer ces pr dictions Les travaux pr sent s dans ce chapitre valident cette m thode de deux mani res semi exp rimentalement et analytiquement m me si la plus adapt e aux besoins de sp cifications ing nieurs sera la m thode empirique semi exp rimentale Cette derni re n cessite un plus grand nombre de points de mesures que les m thodes standard sans pour autant tre vraiment plus co teuse Elle offre galement la possibilit d effectuer des pr dictions pour divers type d v nements nous en avons montr l exemple des SEU et des v nements multiples MBU et SMU Une des clefs de la r ussite de cette m thode est qu elle prend finalement en compte tous les m canismes de collection de cha
124. nsible et les fichiers de spectres utiliser La charge critique est ensuite directement calcul e partir de la valeur de l paisseur sensible indiqu e par l utilisateur valeur par d faut 2um SEE gt Taux de SEE gt nb cellules sensibles aux ions lourds gt 4194304 pour les SRAM 67108864 pour les DRAM SEE gt Taux de SEE epaisseur du volume sensible gt 2 microns valeur prise par d faut quand aucune n est connue Pour effectuer nos pr dictions afin d obtenir des taux que l on pourra comparer aux mesures en vol nous avons d cid de nous placer dans diff rents cas d tude correspondant diff rentes valeurs de blindage et du param tre M En effet la valeur du blindage restant tout de m me bas e sur des estimations incertaines pour les deux missions les taux ont t calcul s dans un cas avec la valeur de blindage estim e et dans l autre cas avec la valeur de blindage g n ralement prise dans les mod les ing nieurs quand elle est inconnue qui est de 1g cm Ensuite nous nous sommes plac s dans le cas d un rayonnement cosmique moyenn M 1 pour valuer des taux dans les conditions les plus proches de la r alit mais aussi dans le pire cas pour v rifier ou non que celui ci surestime bien la r alit Cela nous donne quatre cas d tude r sum s dans le tableau ci dessous qui donneront quatre taux pr dits comparer aux taux en vol 51 Blindage MIR ee 10 1 10 Tableau 10 Diff rents cas
125. nstruire les multiples L algorithme ci dessous r sume le principe du code nous verrons ensuite comment valuer la justesse du r sultat en sortie c est dire le nombre de MBU avec leur taille Soient n le nombre de bits d adresse la m moire poss de 2 adresses diff rentes xmax le XOR max autoris pour l extraction s le nombre de SEU apparus pendant la dur e du test entier 104 Liste brute SEU date adresse erreur masque data erreur Coupe les multiples data en v nements simples Code les bits donn e et leg ajoute en MSB aux bits d adresse Si infosupp en pour d partager galit cluster et compar com XOR Consid re les n SEU compris entre tp tp dt Si XOR max Si XOR max Liste SEU date code data adresse Liste de SEU simples date adresse erreur masque data erreur ii Liste de n SEU compris entre tp tp dt SEUp SEUp n 1 Calcul XOR entre s nombre de SEU supp par rapport l intervalle pr c dant SEUp n 1 s i SEUp j il0 s 1 et j 0 p n s i 1 Regarde si un des deux SEU est d j stock dans un cluster di ent Si SEUp j dans intervalle Si qui seulement dans temps pr c dant intervalle de temps Compare les XOR obtenus dans les deux cas SiXORa lt XOR Si XOR lt XORa y Casse ancien cluster pour stocke istance Conserve l ancien e pour le abandonne celui l nouveau
126. nt cosmique n est prendre en compte que pour des orbites hautes sauf dans les r gions polaires o la rigidit du champ magn tique est r duite et permet aux rayons cosmiques trajectoire polaire de p n trer aux faibles altitudes Ainsi les syst mes spatiaux embarqu s sur des orbites forts angles d inclinaison sont plus sensibles au rayonnement cosmique De plus les flux de particules du rayonnement cosmique sont directement modul s par l activit solaire La Figure 4 illustre l abondance relative des ions cosmiques Bar 98 1000 100 10 Abondance Relative 0 1 0 5 10 15 20 25 30 Num ro Atomique Z Figure 4 Abondance relative d atomes en fonction de leur num ro atomique Sta 88 1 1 5 Synth se des particules rencontr es dans l espace Les composants lectroniques plac s dans l environnement d crit pr c demment sont soumis l effet d lectrons de protons et d ions d origines et nergies diverses Le Tableau 1 r sume la provenance et la nature des particules rencontr es dans l espace ainsi que leur nergie et leur flux dans la magn tosph re Il permet d avoir une vue d ensemble des rayonnements ionisants que sont susceptibles de rencontrer les composants dans l espace PROVENANCE PARTICULES ENERGIES vs APE 2 6 RES Ceintures de radiations f Protons qq 100 Mey 10 10 cms Low Earth Orbit dont 99 lt 10 MeV Electrons 7 MeV 107 107cm s Geo Earth Orbit dont 99 l
127. nt d avoir des l ments de comparaison avec les donn es exp rimentales et valider ainsi les r sultats obtenus 5 1 3 1 Comparaison entre les surfaces sensibles simul es et mesur es Les donn es exp rimentales ne donnant pas d information sur les charges collect es nous ne pouvons utiliser que les valeurs de sections efficaces d Upset en fonction du LET comme l ment de comparaison Il nous faut alors d terminer par simulation des surfaces sensibles Cette surface pour un LET donn est d finie comme tant la surface dans laquelle toute particule de ce LET y p n trant d posera assez de charges dans la cellule pour cr er un Upset Puisque les r sultats de simulations permettent d extraire la charge collect e par la cellule on peut loigner le point d impact du centre du drain calculer la charge collect e et d finir partir de quel loignement la cellule ne collecte plus assez pour basculer rayon de basculement maximum Consid rant une zone de collection circulaire pour simplifier le calcul on obtient une surface sensible partir de ce rayon maximum Mais pour cela il nous faut conna tre la charge critique 5 1 3 1 1 D termination de la charge critique La structure retenue ne permettant pas de reproduire le fonctionnement d un point m moire et le basculement de l tat du transistor nous ne pouvons pas d terminer cette charge critique par simulation du fonctionnement de la cellule Nous avons alors simul
128. oly2 T1 T4 transistor de selection T2 T3 Transistor de stockage bascule Figure 66 Vue rapproch e du point m moire La destratification nous permet de situer pr cis ment les transistors de la cellule conna tre la taille des grilles ainsi que l organisation des cellules entre elles ce qui nous int resse pour reproduire la structure dans le simulateur Ainsi on peut d crire l organisation d une cellule N1 N4 transistors NMOS d acc s dont les grilles sont reprises au niveau Bit Line BL m tal 2 horizontal N2 N3 transistors NMOS de stockage dont les grilles sont reprises au niveau Word Line WL m tal 1 vertical P5 P6 r sistances de charge r le des PMOS de la cellule plac es au dessus des transistors NMOS de stockage N2 et N3 niveau poly 4 Une mesure de spreading resistance a t effectu e de mani re identifier clairement une couche pitaxi e et ses dimensions Figure 67 On trouve une paisseur d pitaxie de l ordre de Sum 113 pitaxie bulk Protondeur pm Figure 67 Mesure de spreading resistance sur SRAM Hitachi HM628512 date code 9701 Il manque ces analyses les informations de dopage et de dimensions des jonctions diffusions que l on ne peut pas voir en imagerie C est pourquoi ces analyses ont t compl t es par une analyse SCM Scanning Capacitance Microscopy en face avant et en coupe permettant de faire ressortir les types de dopage ainsi que les dimensions horiz
129. om triques des composants influant sur ces derniers Ainsi une premi re approche semi exp rimentale est propos e partir des courbes de sections efficaces SEU ions lourds mesur es plusieurs angles d inclinaison permettant de faire un calcul par intervalle d angles et reproduisant ainsi l ensemble des directions de l espace Une volution du calcul plus analytique est possible si l on v rifie par quelques points de mesures la loi en cos0 r duisant ainsi le volume d essais Dans tous les cas l approche semi exp rimentale est applicable tous les composants sans exception partir du moment o l on dispose de courbes de sensibilit du composant plusieurs angles Les r sultats obtenus sont tr s satisfaisants Le calcul n cessite donc plus de points de mesures que les m thodes standard de pr diction mais contrairement ce que l on pourrait penser effectuer les mesures quatre angles diff rents n est pas quatre fois plus co teux en temps En effet le changement d ions lors des essais sous acc l rateurs est beaucoup plus long en g n ral que le temps de test de sensibilit SEU du composant un ion donn Effectuer plusieurs essais plusieurs angles d inclinaison reste au final rapide ne multipliant pas le temps d essais de beaucoup par rapport aux mesures incidence normale La m thode empirique est alors une solution appropri e pour la pr diction car aussi simple mettre en uvre que les m thodes s
130. omparer le LET en surface pris en g n ral pour tracer la courbe de section efficace d Upset la valeur du LET 40um de profondeur pour l Argon on trouve ainsi LET 12 au lieu de 10 en surface et pour le Krypton LET 38 8 au lieu de 32 4 L erreur ici est raisonnable et ne change pas consid rablement l allure de la courbe de section efficace mais le probl me devient plus critique quand on incline le faisceau L paisseur de silicium travers e est alors multipli e par 1 cos8 ce qui am ne retraiter toutes les valeurs de LET pour chaque angle d inclinaison du faisceau Le tableau suivant r sume l tude des deux ions pour la DRAM KM44V 16004 aux angles de tilt 0 40 et 60 41 LET Argon zone LET Krypton zone active active MeV cm me MeV cm m g Figure 27 Valeur des LET recalcul s en profondeur Ce tableau permet de voir que l on peut faire des erreurs non n gligeables sur la valeur du LET des particules consid rer On peut voir directement l effet de ce traitement aval en corrigeant les points de mesures de section efficace SEU de la DRAM Sur la Figure 28 les points de mesures sont trac s en fonction du LET en surface alors que la Figure 29 montre les m mes donn es avec re valuation de la valeur du LET pour chaque particule en fonction de l paisseur de silicium r ellement travers e oseu em 0 001 10 1 0 deg 0 1 amp 40 deg
131. on de celles ci du cycle solaire et de diff rentes repr sentations de spectres d ruption Il en r sulte un ensemble de spectres par l ments fonction du param tre temps choisi calme orageux pire cas ruption ordinaire majeure Mod lisation du blindage magn tosph rique Le champ magn tique a deux effets pouvant influer sur les particules charg es la coupure magn tosph rique qui est r gie par la capacit pour une particule traverser les lignes de champ ce qu on appelle rigidit magn tique et donne pour chaque point de la magn tosph re et chaque direction consid r e la valeur de rigidit en dessous de laquelle les rayons cosmiques ne peuvent pas arriver CREME calcule la fonction de coupure verticale une altitude de 20km l aide de la description fine du champ magn tique terrestre incluant l effet de l ombrage et interpole aux autres altitudes Th orie de Stormer tout en tenant compte des orages magn tiques perturbant la magn tosph re Les ceintures de radiations seules les ceintures protons sont prises en compte pouvant pr senter des risques pour l lectronique mais CREME ne les prend en compte que si on lui fournit un fichier d crivant le spectre en nergie des protons moyenn sur l orbite consid r e Mod lisation de l environnement orbital Du point de vue des ions lourds en fournissant les param tres d orbite CREME apog e p rig e etc c
132. on dispose pour d crire le composant g om trie et dopage sont suffisants pour permettre aux mod les de d crire correctement le comportement du composant sous l effet d une particule La comparaison judicieuse des simulations avec l exp rience permet de le v rifier Mais si l on dispose alors de valeurs de charges collect es issues de mod les analytiques nous n en ma trisons ni les calculs ni l expression en fonction des param tres d entr e que l on tudie tels que le LET et l angle d incidence de la particule Les mod les analytiques sont int ressants du fait que l on ma trise toutes les tapes de calcul et que l on dispose de l expression des charges collect es en fonction des diff rents param tres Le probl me r side dans le choix de ces mod les qui sont multiples et plusieurs niveaux de simplification L int r t de les coupler avec les r sultats de simulation est de v rifier que le niveau de simplification des quations retenu est correct Cette tape effectu e ils permettent de s affranchir des simulations et de faire des tudes quantitatives ainsi que de l influence des param tres d entr e Ces travaux nous ont permis de d finir des m thodes d analyses et comment mettre profit les diff rents outils 99 La v rification de la structure simul e peut se faire correctement par comparaison des surfaces sensibles simul es et mesur es On d termine dans un premier temps une charge critique par simu
133. on et pour chaque angle nous avons enregistr la liste des SEUS apparus pendant la dur e de l essai cette derni re tant choisie assez longue de mani re avoir une statistique suffisante au niveau de l exploitation et flux assez faible afin de faciliter la d tection des v nements multiples en vitant par exemple les ph nom nes d empilement La difficult pour traiter les donn es de test et en extraire les v nements multiples vient du fait que la liste des SEU apparus durant le test est donn e dans l ordre logique des bits d adresses et par lecture de plan m moire Or g n ralement l adressage physique des m moires tudi es est inconnu L adressage logique tant dans la plupart des cas diff rent de l adressage physique des bits il est alors priori impossible de distinguer les SEU physiquement voisins partir de leur adresse logique C est pourquoi nous avons d velopp un code permettant d extraire les v nements multiples par une tude temporelle et logique au niveau des bits d adresse des SEUS observ s et d en fournir une statistique en fonction de la multiplicit m de ces MBUSs La multiplicit d signe le nombre de SEU formant le cluster La m thode permet alors d associer par une tude probabiliste les SEU pouvant provenir d un m me MBU sans conna tre l adressage physique des m moires Cette m thode probabiliste pouvant amener des erreurs en sortie elle est associ e un calcul
134. onction de la g om trie du probl me Dans certains cas comme pour notre composant o les dimensions de la structure le permettent nous pouvons utiliser les quations tablies en l absence de couche enterr e en prenant comme longueur de trace effective la profondeur de la zone pitaxi e Rappelons les quations qui vont nous servir Soit une charge po initialement ponctuelle plac e dans un milieu sans champ lectrique la profondeur zo La charge q r arrivant la surface une distance r du point d impact et apr s collection totale en th orie pour un temps infini vaut q r 4 r Z9 PoZo 2z z2 L article pr sente les expressions des charges collect es Q pour un impact au milieu de l lectrode en fonction de la profondeur de g n ration Zo pour une lectrode circulaire de rayon ro O r Z0 J2 gtar Do i Z I r 2 4 0 Selon ce formalisme il est donc possible de calculer une charge collect e cons cutive un impact normal pour une particule tr s nerg tique LET constant on non pic de Bragg par int gration de Q ro Zo en fonction de la profondeur zo Consid rant une int gration sur la trace de longueur R on obtient l expression suivante Q R OC Zo dzo Ainsi la charge collect e par un disque de rayon ro partir d une trace d posant po charges par unit de parcours dans un substrat d paisseur Ep est gale Q Ep polr A 70 0 2 22 5 2
135. one dop e N grises correspondent des zones ind termin es par de oxyde ou m tal 114 PE 500 0 nm Dz o E e T T E Er z A 1 ra F ei z 3 a snami ed e T 1 1 Height 10 0 pm i 2 dC dV Phase 10 0 pm K 3 Deflection Figure 68 SCM en phase FACE AVANT DANS TABLEAU SRAM NIVEAU ZONES ACTI VES N1 N4 NMOS de s lection N2 N3 NMOS de stockage SCM phase jaune canaux et substrat de type P SCM phase noir zones actives sources drains de type N Spectral Freq 0 607 um Temporal Freg 0 00 Hz 0 0667 458 770 85 202 211 0 000 0 000 94 93 576 1 0000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0000 0 000 2 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 f Figure 69 Dimension du canal du NMOS de stockage N2 en se basant sur le signal lectrique SCM phase qui provient de celui ci Cette analyse en phase nous situe les diff rents dopages Elle informe galement sur leurs dimensions XY tr s utiles pour notre tude S agissant de transistors NMOS nous sommes donc en pr sence de diffusion N sur substrat P La mesure du canal en prenant au milieu des zones d pl t es est de 667nm ce qui est en accord avec la valeur th orique du n ud technologique de fabrication 0 65um 650nm 115 Ensuite une tude en amplitude Figure 70 informe sur les niveaux de dopage mais de mani re relative uniquement En effet l analyse SCM en amplitude value les concentrations des porteurs majori
136. ontales et verticales des diffusions On dispose alors d une vue compl te de la g om trie des zones actives pour les simulations 2 Cartographie des zones actives par SCM sur Hitachi HM628512 L objectif initial du travail est une cartographie de la cellule SRAM d Hitachi HM628512 au niveau des zones actives en face avant c est dire les dimensions X Y des zones actives et des canaux concentration relative et type de dopants La m moire SRAM HM628512 date code 9701 a d j t analys e par MEB cross section et destratification d une mani re globale Cependant l analyse MEB ne permettant pas de d duire l organisation pr cise des zones actives dans la cellule SRAM elle m me une analyse SCM cibl e au niveau des zones actives d une cellule en face avant dans un premier temps et en cross section dans un deuxi me temps apporte ces l ments manquants Les analyses MEB auront permis d identifier l organisation de la cellule et les transistors de mani re cibler l analyse SCM Cartographie en face avant des zones actives de la cellule SRAM Les Figure 68 et Figure 69 donnent la cartographie SCM en phase effectu e en face avant dans le tableau SRAM au niveau des zones actives Elle permet de mettre en vidence le type de dopage par extraction du type de porteurs majoritaires Ainsi les zones jaunes correspondent des trous majoritaires zones dop e P noires correspondent des lectrons majoritaires z
137. opos pour des valeurs discr tes d angles Cette premi re approche 64 plus co teuse en nombre de points de mesure permet cependant de valider la m thode Les essais effectu s et les r sultats de pr diction sont pr sent s dans ce sous chapitre Cette m thode bas e sur les observations exp rimentales consid re le composant comme une boite noire et n en utilise que la sensibilit mesur e L tape suivante a t de d terminer s il existait une d pendance angulaire permettant d obtenir la courbe de section efficace pour n importe quel angle partir de celle incidence normale et r duisant ainsi le volume d essais 4 1 2 Nouvelles pr dictions de taux SEU avec l approche semi exp rimentale 4 1 2 1 Hypoth ses de calcul Les essais effectu s sur l ensemble des composants tudi s dans cette th se permettent de tracer exp rimentalement la courbe de section efficace d Upsets pour diff rents angles d inclinaison On peut donc faire le calcul direct de taux SEU formul ci dessous pour des valeurs discr tes d angles calcul que l on nomme alors semi exp rimental N LET 0 o LET 0 dLET d0 00 avec b le spectre de LET o la section efficace d uspet O direction d incidence de la particule Figure 41 Illustration des param tres angulaires La Figure 41 illustre les param tres angulaires de calcul L expression du taux telle qu elle est crite est bas e sur les hypoth ses
138. origine dans le processus suivant Mes 92 1 Le passage de l ion travers le mat riau produit une ionisation tr s forte et tr s localis e autour du parcours de l ion La forte densit de porteurs dans la trace provoque alors une r duction du champ lectrique dans la zone d peupl e et une redistribution des quipotentielles le long du parcours de la particule incidente dans la r gion sous jacente la zone d peupl e Ce ph nom ne cr e ce qu on appelle le funnel entonnoir ou aspiration 2 Suite la thermalisation due aux phonons et tant que la densit de porteurs est tr s lev e la trace s tend radialement par diffusion ambipolaire tout en maintenant l quilibre lectrique neutralit En effet les charges de m me signe tendent se repousser entre elles cr ant et subissant un champ lectrique local Les quipotentielles p n trent alors encore plus profond ment dans le substrat induisant une extension du funnel 3 Durant cette phase d expansion de la trace les paires lectron trou se s parent progressivement d abord en p riph rie de la trace l o le nombre de porteurs est comparable au dopage La composante verticale du champ lectrique provoque alors un d placement des trous vers le substrat Mis que les lectrons partent rapidement vers la jonction de la trace pour tre collect s 4 Lorsque la densit de porteurs dans la trace est r duite la zone d peupl e
139. ouvons aussi interpr ter la courbe d une mani re plus intuitive sans rien changer aux r sultats Consid rons une nergie critique unique E calcul e partir du LET seuil et applicable tous les volumes sensibles pris identiques mais de dimensions lat rales 1 et w variables A chaque valeur de LET on postule donc que tous les VS peuvent basculer Chaque point de la courbe de sensibilit repr sente alors une surface sensible totale partir de laquelle on d terminera les dimensions l w des VS de la mani re suivante 34 l WEEN O LET Le calcul de taux se fait alors pour les couples Ec li w 2 1 2 2 2 SEU dus aux r actions nucl aires protons Un proton incident peut frapper un noyau de silicium dont les fragments secondaires pourront leur tour cr er des SEU Le logiciel CREME utilise la formule de Bendel Ben 83 pour valuer cet effet Il utilise le spectre diff rentiel des protons au niveau du composant et en combinant P E et Gproton E section efficace d Upsets protons le taux d Upset est exprim selon E dE N 10 47 8E op 0 Gproton E peut tre obtenu par des mesures tout comme pour les ions lourds Mais dans le but de r duire le nombre de tests de nombreux mod les de pr diction de Oproton E partir des sections efficaces d upset ion lourd ont t propos s se r f rer au rapport Ing 02 On peut remarquer que cette formule ne tient pas compte de l angle d incid
140. p rimentales cf Tableau 23 LET Rayon de Surface sensible Surface sensible Surface sensible MeV cm m basculement simul e par bit exp rimentale par exp rimentale par g um en um composant cf Figure 49 bit en um en cm 10 1 1 3 8 1 3E 1 3 1 20 1 5 7 2 5E 1 5 9 Tableau 23 Comparaison des surfaces sensibles simul es et mesur es par bit On obtient des surfaces sensibles simul es dans les deux cas l g rement plus grandes que les surfaces sensibles mesur es ce qui est suffisant pour estimer qu il y a un bon accord entre les simulations et l exp rience tant donn s les niveaux de simplifications de l tude et l incertitude sur les essais Cette premi re v rification donne un bon indice de confiance quantitatif quant aux r sultats de simulation 5 1 3 2 Comparaison des seuils de multiplicit On peut galement regarder les seuils d v nements multiples comme par exemple le LET partir duquel deux cellules peuvent basculer simultan ment suite l impact d une particule On suppose intuitivement que le seuil pour les doubles aura lieu pour une particule p n trant au milieu de deux cellules et pour la configuration la plus proche entre deux drains OFF Comme on a une structure miroir le drain le plus proche de B2 est B3 nous avons alors simul le passage d un ion entre B2 et B3 pour diff rentes valeurs de LET jusqu obtenir de part et d autre assez de charges collect es pour bas
141. pectre de LET obtenu est un spectre isotrope Un exemple de spectre int gral de LET obtenu par les mod les environnement int gr s dans CREME est donn ci dessous s sintegral Spectrum Flux cm 2 5 1 10 ELA Ed 10 ji n D LET MeV cm2 g 1 10 10 Figure 17 Exemple de spectre int gral de LET issu du mod le environnement de CREME pour la mission SAC C A partir du flux int gral de LET de la courbe de section efficace o en fonction du LET obtenue pour le composant lors d essais au sol essais sous acc l rateurs de particules cf paragraphe 2 2 et l aide de codes sp cifiques de calcul tels que CREME nous pouvons quantifier le taux d erreur taux de SEU correspondant une mission donn e Nous allons voir dans le paragraphe suivant les diff rentes tapes de calculs et les hypoth ses prises pour obtenir ces taux de SEU en prenant pour exemple d tude le code CREME qui est librement accessible sur Internet et le plus couramment utilis aujourd hui 2 1 2 Le code de pr diction CREME Ce logiciel d velopp et am lior par le NRL Naval Research Laboratory propose un outil de calcul de taux d v nement de SEU pour un composant et une mission donn s Il est constitu d un ensemble de programmes Fortran et est distribu gratuitement premi re version uniquement la seconde est en acc s libre sur Internet Cet outil propose une approche au niveau du point m moire sensible et fourn
142. ponctuelle plac e dans un milieu sans champ lectrique la profondeur zo La charge q r arrivant la surface une distance r du point d impact et apr s collection totale en th orie pour un temps infini vaut oS q r paz Rar z2 Dans cette expression on peut noter que le coefficient de diffusion n intervient pas Ceci provient du fait qu elle r sulte d une int gration sur le temps En fait seul le temps n cessaire la collection totale varie en fonction du coefficient de diffusion Cette quation int gr e le long d une trace et sur une surface de collection donn e permet d acc der la charge collect e apr s le passage d une particule sur une lectrode et apr s collection totale Cette description analytique des ph nom nes de collection de charges sera utilis e dans le CHAPITRE 5 pour comparer les charges collect es analytiques celles obtenues par simulation avec l outil ISE TCAD 1 3 3 3 Cons quences de la collection de charges dans les m moires Les m canismes de collection par d rive assist s de funneling et par diffusion sont respectivement l origine des composantes rapides et lentes du courant induit Les lectrons et les trous collect s par ces m canismes de collection sont l origine de l apparition d une impulsion de courant transitoire dans le circuit La Figure 11 pr sente la forme de ce courant I Figure 11 Impulsion de courant transitoire La fo
143. r sultats en sortie du code d extraction nous avons valu les erreurs F et oublis O pour plusieurs des cas tudi s et la valeur de R F 0 doit tre en accord avec la vraie valeur de R obtenue l aide de l adressage physique Le tableau suivant r sume les calculs effectu s en suivant la d marche d crite en 2 Pour la Hitachi HM628512 n 22 Si XMAX 3 p 4 3e 4 et p 0 125 Si XMAX 3 ps 2 2e 3 et po 0 0625 Si XMAX 5 ps 8 5e 3 et p 0 0312 108 Let Tilt xmax s sC R F O JR F 0 20 6 10 R el 2038 74 6 52 0 0 52 3 64 21 J6 49 4 164 197 l4 71 60 R el 2322 55 2 1189 0 0 1189 3 985 13 1139 1111 1117153 71 1135 SLANO R el 2411 80 2 754 0 0 754 3 M 665 15 193 743 5 761 169 46 738 5 920 219 23 724 60 R el 3131 38 12377 0 0 2377 3 4 i 1951 14 277 2213 4 4 2088 156 135 2168 5 i 2326 125 71 2272 Tableau 32 Evaluation des r sultats du code d extraction MBU pour la HM628512 Le meilleur moyen d valuer les r sultats est de les tracer sur des histogrammes On indique la valeur de R du cas r el la valeur de R F qui ajout e O est celle comparer directement avec le cas r el On indique aussi la valeur de F en n gatif pour pouvoir comparer visuellement la proportion d oublis et d erreur et valuer le meilleur des cas Enfin les valeurs de R F juxtapos es avec celles d
144. r l exploitation des r sultats Prenons l exemple des essais LOUVAIN sur une DRAM L outil SRIM permet de tracer l volution du LET des particules dans le silicium en fonction de l l ment et de son nergie Nous pouvons alors tracer les profils de LET des ions utilis s pour les essais Louvain Prenons l exemple de l Argon 375Mev LET 10 1 MeV cm mg en surface et du Krypton 760MeV LET 32 4 en surface Les port es de ces particules sont respectivement 120um et 92um L aspect g om trique du probl me est illustr en Figure 26 40 Argon 375 MeV D O Surface face arri re du composant _ o 5 16 E 14 5 12 D 10 2 84 H 6 4 lt L Faisceau de articules Evolution du LET dans p le sili 120 100 80 60 FW 20 0 profondeur um Krypton 760 MeV Surface face arri re du composant Faisceau de particules LET MeV cm2 mg Evolution du LET dans le silicium 92 80 60 40 20 0 profondeur um Figure 26 Evolution du LET des ions Argon 375MeV et Krypton 760MeV dans le silicium chelle des abscisses invers e En face avant les couches sup rieures repr sentant environ 4um la valeur du LET 4um de profondeur partir de la surface n est alors que tr s l g rement affect e La DRAM KM44V16004 test e en face arri re a t amincie 40um environ On peut alors c
145. r le funneling et la diffusion il serait justifi de d finir un Volume Sensible aux dimensions correspondant la ZCE avec un facteur de collection gal 1 et la mod lisation IRPP aurait un sens Il faut alors s interroger sur l importance de chaque contribution 61 L Un des indice Indiquant l importance possible de la diffusion est l observation des ph nom nes multiples tels que les MBUs Multiple Bit Upset Ce ph nom ne montre qu une seule particule peut induire plusieurs SEUS simultan s et illustre directement les effets de la diffusion Nos mesures au sol mais galement en vol cf paragraphe 4 2 1 mettent en vidence l importance de ces ph nom nes consid rer d sormais autant que les autres modes de collection Enfin on peut se rendre compte de l importance des charges diffus es en comparant la surface sensible par bit la surface d finie par la ZCE Si cette premi re est sup rieure la ZCE cela montre parfaitement que des charges d pos es en dehors de la ZCE peuvent tre diffus en quantit suffisante pour cr er un Upset Les analyses technologiques que nous avons f amp tfaire sur la SRAM HM628512 cf Annexe 2 donnent les dimensions des jonctions des transistors NMOS OFF et les valeurs de dopage nous pouvons en d duire les dimensions de la ZCE d finissant la zone sous influence du champ lectrique Le dessin ci dessous illustre l aspect g om trique du probl me en donnant les dimensions
146. r les donn es en permanence Une fois que les donn es n cessaires y sont crites elles ne peuvent plus tre modifi es ou effac es Les RAM pr sentent une plus grande flexibilit en permettant de modifier facilement l tat de la m moire in situ De plus la plus grande facilit d int gration de la technologie MOS a conduit les industriels utiliser cette derni re pour l laboration des m moires vives forte capacit On en distingue deux types qui vont tre pr sent s plus en d tail par la suite les m moires dynamiques DRAM et les m moires statiques SRAM Chacune de ces cat gories de m moires a son application Nous d crirons dans ce rapport uniquement les RAM qui concernent notre tude 1 3 4 1 1 Les m moires SRAM Le point m moire est une bascule flip flop bistable compos e de deux inverseurs MOS r tro coupl s cf Figure 12 Figure 12 Sch ma d un point m moire Deux transistors sont ajout s pour constituer la cellule l mentaire Ils jouent le r le de portes de transfert et permettent ainsi d crire ou lire l information dans le point m moire tats logiques 1 ou 0 Le contenu du point m moire est conserv jusqu ce qu une criture le modifie La lecture est non destructive puisqu elle ne modifie pas l information Pour r aliser cette cellule m moire de base deux technologies peuvent tre utilis es NMOS ou CMOS cf Figure 13 24 Vdd ligne de ligne de Vss Vss l
147. r les m thodes standard bas es sur la possibilit d v nements uniques telle que l IRPP 4 2 2 Pr diction v nements multiples MBU SMU La pr diction d v nements multiples pr sente un int r t pour les concepteurs spatiaux En effet les multiples posent un probl me pour les codes correcteurs d erreurs EDAC La possibilit de pouvoir faire des calculs de pr diction d v nements multiples donne une information suppl mentaire pour la phase de dimensionnement des codes correcteurs Toute m moire est syst matiquement test e pour conna tre sa sensibilit aux radiations et pouvoir faire une s lection du type de code correcteur utiliser Le type d EDAC implique un nombre de bits suppl mentaires qui d pend de ce que l on veut d tecter des erreurs uniques D tecter et corriger D tecter des erreurs multiples Jusqu quelle taille Les v nements multiples essenciellement les SMU multiples dans un m me mot ajoutent de fortes contraintes pour les EDAC v me des impossibilit s de pouvoir les d tecter et corriger sans trop alourdir le syst me A l aide du code d extraction des v nements multiples nous pouvons comptabiliser uniquement les MBU apparus pendant l essai et tracer les courbes de sections efficaces d v nement multiples en fonction du LET et de l angle d inclinaison Un MBU est ici compt comme un v nement ind pendamment de sa multiplicit Les informations de masques d erreurs per
148. re On peut citer le cas par exemple des bo tiers flip chip dont la face avant de la puce est en vis vis des matrices de billes de connexions cf Figure 25 on ne peut donc pas ouvrir le bo tier en face avant pour y acc der sans affecter la fonctionnalit du composant Face arri re Face avant Figure 25 Exemple de l encapsulation Flip Chip du Virtex I On a alors recours l ouverture par face arri re donnant acc s la puce par le dessous Les zones actives tant sur le dessus de la puce directement sous les couches sup rieures d oxydes et m tallisations le faisceau doit alors traverser une paisseur de silicium pour atteindre les zones sensibles Or les puces silicium sont paisses de quelques centaines de microm tres ce qui est sup rieur aux port es des particules sous acc l rateur C est pourquoi une tape d amincissement de la puce doit tre ajout e de mani re pr parer le composant pour les essais Cette tape est r alis e au CNES de mani re atteindre une paisseur de silicium de l ordre de 50um il est difficile de faire moins tout en gardant le composant fonctionnel Lors des essais par face arri re il faut alors rester vigilant quant l paisseur de silicium travers e qui peut tre de l ordre des port es des particules Il peut tre n cessaire de faire un traitement aval pour valuer la valeur du LET r elle des particules dans les zones actives par rapport au LET en surface pris pou
149. re correspond directement une moyenne sur l ensemble des directions d incidence de l espace Du coup partir des courbes de sensibilit s protons obtenues exp rimentalement le taux de SEU s obtient simplement par convolution du spectre en nergie avec la courbe de section efficace et donne de bons r sultats Puisque l on dispose des courbes exp rimentales de sensibilit protons pour les composants tudi s on peut obtenir les taux de pr diction SEU protons dans les m me conditions de calcul avec OMERE et en consid rant que ces pr dictions sont correctes on peut soustraire le taux protons pr dit du taux en vol de mani re estimer la part du taux en vol uniquement due aux ions lourds Le tableau ci dessous pr sente les r sultats de pr dictions protons et l estimation du taux ions lourds qui en d coule Blindage 1 20 1 20 Taux SEU Protons Taux en vol Part ions lourds IL vol SEU jour comp SEU jour comp vol protons SRAM HM628512 0 025 0 025 0 085 0 085 0 16 0 135 SRAM KM684000 0 120 0 120 0 410 0 410 DRAM HM516405 0 007 0 007 0 024 0 024 0 700 0 103 DRAM KM44V16004 0 031 0 031 0 100 0 100 0 169 Tableau 11 R sultats du calcul de taux SEU protons SAC C avec OMERE compar aux taux en vol 52 Cette tude montre que pour la mission du satellite SAC C la part des ions lourds dans les taux SEU dus aux cosmiques varie entre 84 et
150. re faites partir des r sultats r sum s dans les Figure 47 et Figure 48 Les taux pr dits sont d sormais du m me ordre de grandeur erreur inf rieure au facteur 10 que les taux en vol et pour tous les composants de mani re homog ne La r gularit des r sultats et la bonne concordance entre pr dictions et taux r els d montre la validit de cette m thode 71 Ils nous am nent galement mettre une interrogation sur la valeur du blindage quivalent estim et pris pour le calcul En effet dans le cas de SAC C pour M 1 nous pouvons voir que les pr dictions donnent une erreur inf rieure au facteur 10 dans le cas du blindage 20g cm qui correspond l estimation et sont encore meilleures pour le blindage 1g cm avec une erreur inf rieure au facteur 2 pour tous les composants A la vue de ces r sultats nous aurions alors tendance dire que le blindage de SAC C serait plut t de l ordre de 1g cm Mais il est vident qu avec le nombre d hypoth ses prises dans le cadre de ce calcul les sym tries le calcul par intervalle d angles spectres issus des mod les et l incertitude sur le blindage il ne faut pas esp rer obtenir la valeur exacte du taux en vol sur lesquels nous basons notre comparaison Un r sultat homog ne sur l ensemble des composants et du m me ordre de grandeur que les taux de vol semblent tre des bons crit res plus raisonnables On peut remarquer que dans le pire cas ing nieur M 3
151. res cellules on pourrait voir comment faire ressortir des expressions de diffusion le param tre cosO pour retrouver la loi en LET effectif Ceci est une des perspectives directes de ce travail travail non fait pas manque de temps mais directement possible qui permettra de v rifier le LET effectif et rechercher les conditions pour que a marche ou pas 5 3 Conclusions Ce chapitre a pr sent une tude mettant en relation l exp rience les simulations et les mod les analytiques Chacune de ces m thodes permet d tudier le probl me d une certaine fa on et il appara t clairement qu elles sont compl mentaires et n cessaires pour l tude vis e L exp rience permet de faire les premi res observations De nos essais ont t mesur es des surfaces sensibles d Upset quantifiant la sensibilit du composant aux SEUS et nous permettant de faire des pr dictions La m thode empirique n cessitant des mesures plusieurs angles d incidence nous avons essay de trouver une relation angulaire la sensibilit partir de l observation des mesures Cette m thode exp rimentale ne permettant pas de g n raliser ou borner son champ d application il est apparu n cessaire d tudier les quations r gissant les m canismes de collection de charges Le simulateur ISE TCAD pr sente l avantage d int grer tous les m canismes de g n ration et collection de charges Il permet alors de v rifier que les param tres technologiques dont
152. retrouve peu peu sa forme initiale emportant les derni res charges g n r es dans la trace Le champ d cro t alors rapidement dans la zone initialement neutre et la jonction retrouve son tat initial Ce ph nom ne permet ainsi de collecter une quantit suppl mentaire de charges Mc Lean et Oldham McL 82 ont d velopp un mod le o la longueur du funnel Ze est d pendante 20 du temps et o la charge collect e par l effet du champ lectrique conduction et aspiration dt est donn e par Z 2 q af N z dz qN Z o No z est la densit lin ique de porteurs de charges initiale le long de la trace N est la densit lin ique moyenne de porteurs prise le long de la trace sur la longueur du funnel correspondant au L E T moyen sur cette distance L E T en C um Z est donn par Z VIT FE o Te est la dur e de collection des charges Zaep la profondeur de la zone d peupl e et v est la vitesse moyenne de d placement des charges depuis le substrat vers la jonction durant te Dans une jonction n p les lectrons sont les porteurs minoritaires dans le substrat donc Vi Un EL o EL est le champ lectrique longitudinal moyen donn par Er Vpp Ze Vopn est le potentiel auquel est polaris le composant et unest la mobilit des porteurs minoritaires On arrive Z c za Jiu 4 TV pp D Pour des champs EL tr s lev s la vitesse de d placement des po
153. rges de mani re aveugle L importance des ph nom nes de diffusion mis en avant dans ce chapitre au travers de l tude des MBU d montre l incapacit de la m thode IRPP pouvoir faire de bonnes pr dictions puisqu elle les d crit mal Seulement m me si l observation d v nements multiples illustre la diffusion elle ne la quantifie pas L observation de la loi en LET effectif sur nos composants n explique pas pour autant pour quelles raisons elle marcherait ou ne marcherait pas sur d autres composants On ressent tr s fortement ce niveau d observation le besoin de rentrer dans la compr hension physique des ph nom nes de mani re expliquer cette d pendance angulaire simple et comprendre pourquoi elle est v rifi e sur l ensemble de nos composants quel est alors le crit re technologique qui limiterait la validit de ces observations sur des familles de composants Il nous a paru alors utile d tudier les diff rents m canismes de collection drift funneling et diffusion afin de les quantifier en fonction du LET de l angle d inclinaison et des technologies tudi es C est l objet du dernier chapitre de ce manuscrit 83 CHAPITRE 5 ANALYSES PARTIR DES SIMULATIONS NUM RIQUES Une tude num rique a t r alis e l aide du logiciel ISE TCAD afin de confronter ses r sultats ceux obtenus exp rimentalement sur un des composants tudi s dans cette th se Le composant choisi pour cette tude e
154. rges ont t d crit de mani re servir de base pour l exploitation des r sultats exp rimentaux et de simulation qui vont tre pr sent s dans la suite de ce manuscrit Le chapitre 2 suivant est consacr la pr sentation des m thodes de pr diction SEU standard utilis es pour pr voir la sensibilit d un composant nombre de SEU par jour auquel on peut s attendre avant de l envoyer dans l espace 27 CHAPITRE 2 PR DICTION STANDARD DU TAUX D UPSET DANS L ESPACE La pr diction du taux d Upset en vol nombre d erreurs par jour auquel on peut s attendre pour tel composant dans telle mission est l un des enjeux importants de l lectronique spatiale autant pour la compr hension de ces ph nom nes pour les scientifiques que pour des raisons conomiques pour les industriels La pr diction n cessite de mod liser les ph nom nes mis en jeu dans les m canismes d Upset L volution constante des technologies peut remettre en question les diff rentes mod lisations d j propos es il est donc n cessaire de garder un il critique pour pr tendre obtenir des pr dictions correctes Il faut entre autre s adapter la diminution d chelle des technologies Lors des tapes de conception des projets spatiaux nous sommes amen s trouver un compromis entre les contraintes li es l environnement spatial et les consid rations techniques et conomiques qui pr valent bien souvent Des tol ran
155. rimentales Petersen a montr qu il tait n cessaire de tenir compte de la variation de sensibilit du composant en fonction du LET Il a mis au point la m thode RPP Int grale IRPP o l on int gre le spectre de LET avec la section efficace d Upset ion lourd Figure 22 et qui tient compte au mieux de la distribution des nergies critiques du composant 1 Osat 1 Osat W W 3 3 O A 2 se 08 ZN d riv e g 08 T ee 2 0 6 Fonction d 22 06 as 0 onction de D 0 6 B2 Weibull BA TD D S o o k o E 2 R 04 9 E 04 E Imin S a q o r o a5 024 02 5 5 A 0 fai ne RP 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 LET MeV mg cm LET MeV mg cm Figure 22 Section efficace d Upset ion lourd avec sa d riv e repr sentant la distribution de LET seuil et donc d nergie critique et Section efficace d Upset ion lourd th orique en forme de marche d escalier On interpr te la courbe r elle de sensibilit comme une dispersio c de l nergie critique autour de E Pet 97 Je permet de calculer pour chaque valeur d T une nergie critique Ec toujours fonctio l paisseur sensible d ainsi que le nombre nb de VS ayant bascul cette valeur de LET PeF o LET consid rant 1 et w fixes nb zn W On effectuera un calcul similaire celui d crit pour la m thode RPP mais en recalculant les couples Eci nbi pour chaque valeur de LET Cependant nous p
156. rme de ce courant transitoire met en vidence la succession des ph nom nes de collection par conduction ou d rive Qd puis par diffusion Qdif Dod 96 Les dur es caract ristiques des courants de d rive vont d une dizaine plusieurs centaines de picosecondes alors qu un courant de diffusion peut subsister jusqu plusieurs centaines de nanosecondes apr s l impact L amplitude et la dur e de l impulsion transitoire de courant d pendent de plusieurs facteurs ou param tres a param tres caract ristiques de l environnement radiatif l nergie de la particule incidente l angle d incidence la localisation de l impact sur la structure du composant 23 b param tres caract ristiques de la structure du composant le dopage l paisseur de l oxyde les dimensions internes du transistor et son tat de polarisation 1 3 4 Le SEU dans les m moires 1 3 4 1 Rappels sur les diff rentes cat gories de m moires Ce paragraphe d crit l architecture des m moires les plus couramment utilis es l heure actuelle dans le spatial et pr sente tr s bri vement leurs caract ristiques afin de mettre en vidence les l ments l origine de leur sensibilit aux SEU Il existe deux cat gories de m moires diff renci es par leur principe et leurs applications les m moires non volatiles appel es ROM Read Only Memory et les m moires vives appel es RAM Random Access Memory La m moire ROM est con ue pour conserve
157. rocher encore le formalisme de la r alit nous avons consid r que les charges participant la diffusion taient celles qui chappaient la collection par funneling de la jonction en surface en cons quence nous avons d plac la limite inf rieure d int gration la profondeur de funneling soit la profondeur Zmin Zn Zc Nous obtenons alors l expression ci dessous Qu D Gna e i min r z 2 avec Zc d termin toujours selon l expression du mod le de Mc Lean Pour les valeurs de E inf rieures Zmin nous supposons que la collection est totale Nous disposons alors d une expression de la charge collect e par diffusion par la zone active adapt e notre g om trie dont nous allons pouvoir comparer les r sultats aux simulations 3 2 3 Applications num riques pour un impact direct Prenons un cas simple servant de v rification du mod le par rapport aux simulations 94 Nous connaissons par simulation la charge collect e par B2 pour plusieurs LET en impact direct Ces charges sont normalement constitu es des contributions de la collection directe des charges dans la ZCE du funneling et des charges diffus es au del Nous proposons de calculer analytiquement la charge collect e totale suivant les mod les pr sent s pr c demment pour les LET 10 MeV cm mg et LET 20 MeV cm mg Applications num riques LET 10 MeV cm mg soit po 6 4E5 e um ro 0 66um rayon de la zone active dop e
158. rs effets ceux provoqu s par le passage d un ion lourd Gar 96 Il faut retenir que la part relative des effets directs provoqu s par les ions lourds et des effets indirects induits par les protons d pendent la fois de la nature de l orbite du satellite et du type de composant consid r 1 3 Le ph nom ne de Single Event Upset SEU Le SEU Single Event Upset correspond au changement d tat logique d un point m moire suite au passage d une particule unique Ce changement accidentel de niveau logique est r versible le point m moire peut tre corrig par le processus standard d criture et ne conduit pas la destruction du composant De mani re g n rale tout composant lectronique poss dant des points de m morisation est potentiellement sensible au SEU Nous allons voir dans ce sous chapitre l ensemble des m canismes de g n ration et collection de charges mis en jeu lors du passage de la particule de type ion lourd dans le composant afin d expliquer le processus d Upset dans les composants de type SRAM et DRAM Les deux paragraphes suivant donfe Jen pr liminaire les d finitions de deux notions importantes qui sont le LET et la section efficace d spat 1 3 1 Principe de la g n ration de charges et d finition du LET Les effets provoqu s par un ion interagissant avec un composant lectronique d pendent de la sensibilit du composant mais aussi de l nergie que celui ci aura d pos e Cette perte
159. rteurs sature on obtient alors V Vsa 10 cm s dans le silicium Durant les phases initiales d volution de la trace la distribution de charges s tend radialement par diffusion ambipolaire en suivant la loi r t Lpi 24Dp4t O _r t est la distance radiale par rapport au centre de trace Lpa est la longueur de diffusion ambipolaire et DpA la constante de diffusion ambipolaire 25 cm s dans le sigima La densit radiale de porteurs d cro t depuis le centre de la trace vers la p riph rie jusqu ce que n p NA le dopage du substrat La neutralit lectrique tant maintenue durant cette phase le taux de transfert des lectrons est alors gal celui des trous La dur e de collection est donn e par l quation 2 3 Z 3 NO Te m y 87 N 4 v D O 21 vp est la vitesse thermique des trous 1 65 10 cm s No est la densit initiale la surface correspondant au LET en surface La diff rence entre No et N n est significative que dans le cas de longueurs de trace lev es ou si le pic de Bragg est proche de la surface du composant Ce mod le est utilis pour les particules alpha ainsi que pour les ions lourds et a t valid lors d exp rimentations Old 83 1 3 3 2 Collection de charges dans la zone de champ nul Dans la r gion lectriquement neutre zones profondes du substrat sans champ lectrique les lectrons diffusent vers la zone d peupl e de l
160. s calculs de pr diction puisque dans le cas de la mod lisation IRPP il faut fournir la courbe n enti re de sensibilit du composant en fonction du LET Si l on expose en incidence normale un composant des ions de masse Z et d nergie donc de LET connu le nombre d Upsets observ s N est proportionnel au flux et la dur e T du tir la section efficace d Upset est alors obtenue par le calcul suivant N D T O ion LET Oion S eXprime en cm ou cm bit On va soumettre le composant aux diff rents ions disponibles de mani re couvrir une large gamme de LET et tracer l volution de la section efficace en fonction du LET bien souvent ne disposant que de quelques ions bien pr cis permettant d obtenir un nombre limit de points on utilise des courbes d ajustements comme les fonctions de Weibull pour tracer la courbe enti re cf Figure 23 37 o cm 0 01 0 001 0 0001 D 0 10 20 30 40 50 60 70 LET MeV cm mg Figure 23 SRAM KM684000 Comme dit pr c demment il est int ressant de trouver une courbe et son expression passant par tous ces points afin de Putiliser dans les calculs de taux Pour cela les fonctions de Weibull sont couramment utilis es puisqu elles pr sentent une grande flexibilit de r glage de la courbure et une valeur limite provoquant un plateau comme le ph nom ne de saturation 2 2 2 2 Ajustement des courbes La fonction d
161. s du rayonnement cosmique M 1 correspond une meilleure approximation moyenn e M 3 est une hypoth se pire cas permettant d avoir une id e des valeurs maximales instantan es il faut galement d finir si on se place dans une p riode de maximum ou de minimum solaire en fonction de la date de la mission Environnement Spectre de LET gt Calcul avec Rayons cosmiques Epaisseur blindage 1g cm gt let1 dat 10g cm gt let10 dat 20g cm gt let20 dat on choisit une paisseur de blindage correspondant la mission cf paragraphe 3 1 1 5 pour les deux missions tudi es 50 INTEGRAL LET SPECTRUM s s 10 g cm2 20 g cm2 430 g cm2 Flux cm 2 5 1 MU PEL LA 10 10 10 10 10 10 LET MeV cm2 g 1 Figure 32 Spectre int gral de LET pour plusieurs valeurs de blindage exemple Les fichiers de sortie letx dat de cette premi re tape de mod lisation de l environnement contiennent les valeurs du spectre int gral de LET et du spectre diff rentiel de LET pour des valeurs de LET discr tes impos es par le logiciel Ensuite on peut effectuer les calculs de taux SEE menu SEE gt taux de SEE qui utilisera les spectres de LET g n r s pr c demment C est cette tape que l on doit d finir le nombre de cellules des composants concern s les points de la courbe exp rimentale de section efficace d Upset par composant en fonction du LET paragraphe 3 1 2 une valeur d paisseur se
162. s int grales en terme de LET et d angle 0 Le LET max sera d termin par le spectre Le LET min correspond au LET seuil mais nous verrons un peu plus loin que celui ci d pend galement de l angle d inclinaison de la particule L angle min est videmment gal 0 L angle max m rite r flexion En effet se pose la question de l angle limite maximum consid rer Les mesures ont t effectu es jusqu l angle limite possible avec le syst me de test de 60 70 mais il se peut que d autres ph nom nes rentrent en jeu quand on approche les incidences rasantes pour lesquels la relation en LET effectif ne pourrait pas tre applicable ex lignes de cellules basculant le long de la trajectoire rasante de la particule Dans tous les cas on ne peut raisonnablement pas effectuer un calcul pour un angle de 90 qui physiquement correspond une particule de trajectoire parall le la surface du composant ce qui est un cas particulier impr visible aux niveaux des effets On consid rera alors un angle limite arbitraire de 80 ce dernier donnant une sensibilit du composant que l on pose valable pour l intervalle d angle restant Ce point m riterait d tre d velopper dans des travaux futurs Le nouveau syst me de positionnement des cartes lectroniques l UCL permet aujourd hui d atteindre de forts angles d inclinaison nous avons pu faire alors quelques mesures aux angles 70 75 80 et 85 pour la SRAM HM6285
163. s simulations est pr sent e dans un premier temps Dans un second temps nous pr senterons les r sultats de simulation mis en parall le avec quelques mod les simples analytiques issus de la bibliographie 5 1 Simulations physiques ISE TCAD Ces simulations ont t r alis es l aide du logiciel ISE TCAD Dans un premier temps nous avons compar les simulations 2D et 3D pour d terminer le domaine d application de chaque m thode Les simulations 2D offrant l avantage du temps de calcul r duit elles se sont av r es limit es en repr sentativit des ph nom nes Pour le v rifier nous avons effectu une simulation 2D et une 3D dans des conditions par ailleurs identiques structure ion incident et maillage dans le plan x z et l erreur commise en 2D justifie dans notre cas le co t de calcul demand par le 3D La n cessit de simulations 3D pour obtenir des r sultats quantitativement corrects a t signal e par de nombreux auteurs elle est m me une des conclusions de Gru 84 Il n est donc pas n cessaire de s terniser sur ce probl me commun ment admis et seuls les r sultats 3D seront pr sent s dans ce paragraphe Cette tude va nous permettre d tudier la collection de charges induite par un ion lourd dans la cellule impact e ainsi que dans les cellules voisines afin de confirmer l importance de la collection par diffusion et d tudier les effets angulaires sur l ensemble des modes de collection
164. seeeereseses1se 52 3 2 3 COMPARAISON ENTRE PR DICTIONS ET DONN ES DE VOL MIR ossiieseesessessressreesrresrresres 53 3 3 ANALYSE DES SOURCES POSSIBLES D ERREURS ET DISCUSSION 55 3 3 1 ENVIRONNEMENT Serii earen i a aie tee eues seen a eu tres lee des esse ee 55 3 3 2 INFLUENCE DU BLINDAGE iii 57 3 3 3 PARAM TRES DE L AJUSTEMENT DE WEIBULL sise sceessessssnscssesesneesnne sense esnesns 57 3 3 4 LIMITE DU CONCEPT IRP Pirai E A lee DR eee de 58 3 3 4 1 Valeur du LET de la particule 59 3 3 4 2 Incertitudes sur les param tres d finissant le volume sensible 59 3 3 4 3 Mode de collection de charges pris en compte 4 60 3 4 CONCLUSIONS nina eN a a eea ent tem Ni tente este u ere ent eee ane Monter nn Det ane Dee 63 CHAPITRE 4 M THODE DE PR DICTION EMPIRIQUE me 64 4 1 PROPOSITION DE CALCUL DE TAUX D ERREURS IONS LOURDS suisses 64 4 1 1 PR SENTATION ann M nee nn nn A ere TT 64 4 1 2 NOUVELLES PR DICTIONS DE TAUX SEU AVEC L APPROCHE SEMI EXP RIMENTALE 65 4 1 2 1 Hypoth ses de calcul 2 aae nea aeaa oiea A ET ETS E AR 65 4 1 2 2 Donn es exp rimentales ii fesannanin denim en re a dur ee eis 67 4 1 2 3 Calculs de pr diction par la m thode empirique semi exp rimentale et r sultats 69 4 1 2 4 DISCUSSIONS ii ho a a a a a A A a Th 71 4 1 3 D PENDANCE ANGULAIRE ET CALCUL ANALYTIQUE su erenneeneeneeneeneereeneeneenneenee 72 4 1 3 1 Courbes en LET effecti Sroine ne rte E teen tree een E 72 4 1 3 2 Calcu
165. ses de calcul du mod le IRPP paragraphe 2 1 2 2 1 Ce calcul fait intervenir un volume sensible VS parall pip dique et les hypoth ses suivantes 1 Hypoth se du LET constant le LET des ions incidents est suppos constant tout au long de son trajet dans le VS 58 2 Hypoth se du volume sensible un n ud sensible est mod lis par un volume sensible parall pip dique Tous les volumes sensibles sont consid r s comme identiques et constants chaque valeur de LET de longueur largeur w et d paisseur d 3 Hypoth se de l nergie critique l Upset est un ph nom ne seuil se produisant lorsque l nergie d pos e dans le VS est sup rieure une nergie seuil nergie critique Les nergies critiques E des VS sont consid r es comme identiques 4 Hypoth se de sym trie azimutale et de l absence d influence de l nergie de la particule incidente uniquement le LET et de son inclinaison LET effectif Chacune de ces hypoth ses est tudi e en d tail dans les paragraphes suivants afin d valuer leur validit 3 3 4 1 Valeur du LET de la particule L hypoth se du LET constant est assez grossi re puisqu elle n est pas strictement r alis e cf Figure 7 et Figure 26 Elle peut impliquer des erreurs sur le calcul de l nergie d pos e notamment pour des ions arrivant en bout de course dans le VS Cependant cette hypoth se peut tre consid r e correcte du fait des grandes port es des
166. ssi paragraphe 2 2 2 1 Pour un flux d ions de LET donn le nombre d v nements est d autant plus grand que la surface sensible du composant est elle m me plus grande C est pourquoi on introduit la notion de section efficace o ou cross section exprim e en cm qui permet d indiquer la sensibilit d un composant un ph nom ne donn mesure de la surface sensible Ne v nements CAE j Nbre particules cm Note v nements d signe le type d effet tudi SEU SEL etc Pour un composant donn l effet d un ion en incidence normale ne conduit une d faillance qu au dessus d un LET minimal appel LET seuil Ls exprim en MeV cm mg ou en pC um On caract risera un composant par le couple Ls osat o Ls est le LET seuil et osat la section efficace de saturation repr sentant la surface sensible maximale du composant On donne ci dessous un exemple de courbe de section efficace d Upset 1E 00 Osat 1E 01 H m we Section efficace d upset ion lourd normalis e 1E 05 j 0 20 40 60 80 100 Ls LET MeV mg cm Figure 9 Exemple de courbe type de section efficace normalis e la valeur de saturation en fonction du LET Cette notion de section efficace est tr s importante puisqu elle est le moyen d illustrer et quantifier la sensibilit d un composant l aide des acc l rateurs de particules et sert de point de d part aux mod les
167. st la SRAM HM628512 que nous avons abord e en d tail plusieurs reprises pour les essais les pr dictions et l tude des v nements multiples Cette tude va nous permettre d tudier la collection de charges induites par un ion lourd dans la cellule impact e ainsi que dans les cellules voisines afin de confirmer l importance de la collection par diffusion et d tudier les effets angulaires sur l ensemble des modes de collection de charges L outil de simulation ISE TCAD semblait alors appropri nos besoins puisqu il englobe toutes les quations qui r gissent les diff rents m canismes Il ne permet pas de les dissocier mais va permettre de calculer des charges collect es dans les diff rentes cellules En associant les simulations des calculs analytiques bas s sur des mod les simples de collection nous pourrons alors quantifier la part de chacune des contributions et les tudier Mais pour effectuer des simulations et des calculs repr sentatifs la g om trie des points m moires ainsi que les param tres technologiques dopages doivent tre connus le plus pr cis ment possible Dans cette optique des analyses technologiques ont t effectu es au CNES et des analyses SCM ainsi que SIMS ont t r alis e pour tudier le dopage des diff rentes zones g om triquement et quantitativement Les r sultats des analyses technologiques sont d crits en Annexe 2 et la structure du composant qui en d coule pour le
168. t 2 MeV Vent solaire Protons 100 keV 108 10 em s Electrons qq keV Particules 7 Eruptions solaires Protons 10 MeV I GeV Particules amp IONS LOURDS 10 MeV qq 100 MeV 107 10 em s Rayons cosmiques Protons 87 10 10 MeV em s 100 MeV 10t em s 106 MeV Particules 12 Fortes nergies IONS LOURDS 1 1 MeV 10 MeV Tableau 1 Caract ristiques des particules rencontr es dans l espace Roc 95 Bou 95 On s aper oit que les ions lourds proviennent uniquement du rayonnement cosmique et des ruptions solaires En conclusion les syst mes spatiaux subissent une contrainte radiative dont la nature d pend de leur position par rapport la terre dans les orbites basses de la terre ils sont prot g s des ions cosmiques par le champ g omagn tique terrestre en revanche ils sont expos s aux ceintures de protons pi g s Ces protons avec des nergies comprises entre 10 MeV et des centaines de MeV peuvent induire des chemins d ionisation et des effets sur les circuits comparables ceux provoqu s par des ions dans les orbites g ostationnaires et les orbites polaires les syst mes spatiaux sont expos s aux flux des ions galactiques et solaires Cet environnement contient des lectrons et un spectre allant du proton jusqu aux ions lourds 1 2 Effets des rayonnements sur les m moires Les perturbations cr es par les interactions entre le rayonnement et la mat
169. t s dans le Tableau 22 nous pouvons alors appliquer le mod le de diffusion et comparer les charges collect es obtenues Pour calculer Quir nous ne sommes plus dans le cas simple d une int gration sur une lectrode o le point d impact est situ au centre il faut alors int grer q r zo le long de la trace consid r e sur un maillage de la surface de la jonction prise ici carr e pour simplifier le calcul Cette configuration est illustr e dans la Figure 59 Point r d impact Figure 59 Illustration du maillage d int gration Ainsi pour chaque point du maillage de l lectrode nous calculons la distance r au point d impact qui nous servira pour le calcul de la charge collect e que nous consid rons constante sur la surface d une zone du maillage Nous avons fait le choix de couper l lectrode en 9 zones d aire gale 1 9 de l aire de collection totale Nous obtenons l expression de Q irr suivante E O jy j Aire ape 4020 dz dr A ass J mF TE dr 0 E r P 0 S M ou l 1 di RE a F Fr iff 27 i 1 7 PE Nous avons appliqu cette expression pour un impact loign de 1 5um sur l axe Y du centre de B2 et pour deux valeurs de LET 10 et 20 MeV cm mg afin de comparer Quir aux charges collect es simul es Les r sultats sont donn s dans le tableau suivant LET Point d impact Qaite B2 Charge collect e simul e MeV cm mg r mod le par B2 en C analytique en C 10 YB2 1
170. t au spectre combin de LET pour provoquer un Upset il doit d poser une charge sup rieure Qc dans le volume sensible donc parcourir au moins la distance pl 22 5 06 RE Pour chaque direction d incidence de l espace on calcule alors la distribution des longueurs de cordes possibles dans le VS et pour chaque valeur de LET on en value la proportion qui pr sente une longueur suffisante sup rieure p L pour qu il y ait Upset Le nombre d v nements ou taux d Upsets peut alors s crire N 22 5 7 A Qc DoLE dL Lmin 32 A aire des faces du volume sensible m Qc charge critique pC Lmin valeur minimale de LET produisant un v nement Lmax 100 MeV cm mg L LET en MeV cm g D L Spectre int gral de LET part m ster s D X distribution des cordes dans le volume sensible cf exemple sur la Figure 20 Distribution de cordes pour un 1 parall l pip de 5 10 20 um volumes parall l pip de 1000 um 20 _ C 0 5 1 Petersen 1997 Nombre de coups pour 10 particules tir es 0 15 20 25 Longueur um Figure 20 Spectre diff rentiel de cordes pour un parall l pip de rectangle 5 10 20 um Dans la majorit des cas on essaye de d duire les param tres technologiques 1 w d et Qc des r sultats exp rimentaux de sensibilit aux ions lourds essais sous acc l rateur de particules cf sous chapitre 2 2 Les
171. t donne un crit re de jugement sur l exploitation possible des multiples Ce code est alors un outil tr s utile et valide pour traiter les v nements multiples 111 ANNEXE 2 BILANS DES ANALYSES TECHNOLOGIQUES Une analyse la plus compl te possible a t faite sur la SRAM HM628512 date code 9701 technologie 0 65um de mani re avoir tous les l ments n cessaires pour les simulations 1 Reverse engineering SRAM 4Mbits Hitachi HM628512 Le but de cette analyse est de mettre en vidence la technologie utilis e dans l architecture de cette m moire et d crire pr cis ment la cellule m moire Nous disposons de r sultats de microsections Figure 65 o les diff rentes couches et leurs paisseurs sont identifi es ainsi que des r sultats de destratification Figure 66 avec l identification et taille de la cellule m moire du wordline et bitline Nous pouvons en r sumer quelques lignes Constitution du point m moire cellule 4 transistors et deux r sistances de charge Figure 13 2 NMOS d acc s 2 NMOS de stockage 2 r sistances jouant le r le des PMOS longueur de grille transistor de stockage 0 65um taille du point m moire Sumx3um cf Figure 66 5 niveaux de polysilicium 2 niveaux M tal x10000 S5KU Amm 154 DCIT7 AQ LE Figure 65 Micro section de la Hitachi HM628512 DC9701 112 i ai 54800 5 0kV 7 4mm x18 0k SE U Photo N 31 Zone m moire apr s retrait du p
172. t du champ lectrique qui r gne dans la zone de charge d espace ZCE ou zone d sert e situ e entre deux zones neutres Cette zone qui existe au voisinage de la jonction m tallurgique est une zone d pourvue de porteurs et pr sentant uniquement des charges fixes La collection de charges peut tre dissoci e en deux contributions d origine diff rentes qui vont tre d crites pr cis ment dans les deux paragraphes suivant la collection de charges induite par le champ lectrique Q4 et Q de la Figure 10 la collection par diffusion des charges provenant de zones o le champ lectrique est constamment nul Qui Enfin des tudes ont t faites pour d terminer l influence de la g om trie de la trace qui d pend de l nergie de la particule et non du LET sur la collection de charges et les cons quences sur les effets ex Dod 98 Elles montrent que l on peut en g n ral la n gliger ce qui simplifie le probl me On ne consid rera donc plus que le LET des particules pour l tude de la collection 1 3 3 1 Collection de charges sous l effet du champ lectrique Sze 81 1 3 3 1 1 Dans la zone d peupl e La profondeur de la zone d peupl e dans jonction PN des transistors MOS d pend du dopage du substrat mais aussi de la polarisation laquelle la jonction est soumise On montre que la ZCE s tend principalement le moins dop et s exprime de la mani re suivante 2 1 1 Z zcr Z dep
173. taires Ainsi les zones noires correspondent des zones tr s dop es zone active diffus e ou implant e claires correspondent des zones peu dop es canal substrat tr s claires sont des restes de m tal contact Al ou W tr s conducteurs grises sont ind termin es oxyde 500 0 nm 500 0 mY EEE 1 Height 10 0 ym 0 0 2 dC dY Amp 10 0 pm 0 0 3 Deflection Figure 70 SCM en amplitude face avant dans tableau SRAM niveau zones actives SCM amplitude clair zone au niveau de dopage faible 10 10 at cm canaux et substrat SCM amplitude sombre zone au niveau de dopage fort 10 10 at cm zones actives sources drains S D Ces informations en amplitude permettent de tracer un profil relatif de dopage ce qui pourra nous tre utile en coupe pour conna tre le profil de dopage dans le substrat Mais cette analyse ne permettant pas de conna tre les niveaux absolus de dopage il est n cessaire de l accompagner d une analyse SIMS Spectrom trie de Masse d Ions Secondaires qui permet d extraire la quantit de dopant par une analyse en profondeur d une zone On pourra alors corr ler les diff rentes analyses SCM et SIMS de mani re obtenir un profil absolu des zones dop es Les r sultats de l analyse SIMS sont pr sent s dans le paragraphe 3 Profil en Z des zones actives NMOS de stockage de la cellule SRAM Les objectifs de cette analyse en micro section taient d tab
174. tandard mais assurant de bonnes pr dictions Finalement puisque avec des courbes de sensibilit SEU mesur es plusieurs angles d inclinaison convolu es avec le spectre de LET repr sentatif de la mission nous sommes capables de faire des pr dictions de taux SEU nous pourrions utiliser la m me m thode pour d autres types d effets singuliers dont il est possible de mesurer une courbe de sensibilit Nous avons d j voqu les MBU Multiple Bit Upset qui sont int ressants pour mettre en avant la diffusion mais aussi dont la pr diction peut tre importante pour le dimensionnement des codes correcteurs d erreurs Nous proposons alors de tracer les courbes de sensibilit MBU partir des m me essais que nous avons utilis s pour les SEU et d effectuer les calculs 14 de pr diction que l on pourra leur tour comparer aux taux MBU observ s en vol C est l objet du sous chapitre 4 2 4 2 Etude des v nements multiples et pr diction L tude des v nements multiples dans les m moires MBU ou Multiple Bit Upset correspondant au basculement SEU de plusieurs cellules m moires voisines suite au passage d une seule particule un MBU tant compt comme un v nement ind pendamment de sa multiplicit peut tre int ressante et n cessaire pour diverses applications telles que l tude des m canismes de collection de charges par diffusion ou encore le dimensionnement des codes correcteurs d erreur Pour chaque i
175. tes leur traitement en v rifiant leur int grit et la localisation des v nements altitude longitude latitude et heure locale On dispose d une base de donn es Access mise jour r guli rement directement exploitable pour notre tude Concernant les effets de type SEU qui nous int ressent la mesure s effectue de fa on classique par la v rification d un plan m moire contenu dans des composants SRAM et DRAM Le test est effectu directement par un contr leur afin de minimiser l lectronique Dans le m me objectif le logiciel assure le rafra chissement des m moires DRAMSs Outre les m moires le logiciel v rifie aussi l int grit des m moires EEPROM qui assurent le stockage du code et des informations temporaires configuration v nements en attente de transmission 43 Les Tableau 3 Tableau 4 et Tableau 5 r sument les caract ristiques organisation de la m moire type de bo tier alimentation et Date Code des composants tudi s dans le cadre de cette th se pour chaque mod le de vol exploit Tous les composants sont test s avec un motif quiprobable en 0 et 1 pattern SSAA le pattern correspond aux donn es que l on stocke dans les bits du composant 0 ou 1 Fonction R f rence Organisation Bo tier Vce Date Code Nb Pi ces DRAM KM44V16004 4 16M 4 4 m moires 3 V 2000 0009 1 2 64Mbits Samsung c
176. tion de d donne des r sultats de taux pouvant varier de plus d un ordre de grandeur facteur 14 pour la HM628512 24 pour la KM684000 et m me 70 pour la DRAM HM5165405 non indiqu e dans le tableau ce qui n est plus n gligeable du tout De plus l paisseur sensible d pendant directement de la technologie et de la g om trie du composant elle diff re donc d un composant l autre l erreur que l on fait alors en prenant la valeur arbitraire de 2um pour tous est forc ment irr guli re Ce qui va dans le sens de la disparit observ e sur les r sultats entre les composants Nous voyons cette tape de l tude que l on se retrouve dans une impasse et face un probl me critique La m connaissance d un param tre majeur du mod le am ne s interroger sur la validit de celui ci et la possibilit de l am liorer Il faut garder en t te que l objectif de la th se est de proposer un mod le de pr diction ing nieur c est dire une m thode applicable avec le peu de donn es que l on a sur le composant il ne para t donc pas envisageable premi re vue d int grer facilement une m thode de d termination d paisseur sensible bien souvent accompagn e d essais de caract risation suppl mentaires 3 3 4 3 Mode de collection de charges pris en compte L Upset est un ph nom ne seuil se produisant lorsque l nergie d pos e dans le VS est sup rieure une nergie seuil Cette hypoth se repose sur le fait que l
177. tr es comme le LET ou l angle d inclinaison que nous voulons tudier E Nous avons alors juste men quelques v rifications de la loi en cos obser exp rimentalement pour des cas discrets pour une valeur d angle et deux valeurs de LET Nous avons effectu des simulations pour des particules p n trant 60 par rapport la normale la surface dans la direction des Y positifs et pour plusieurs points d impact autour de B2 de mani re d finir une section efficace d Upset au LET LET Cette section efficace a ensuite t compar e celle obtenue en incidence normale au LET LET cos Les r sultats des simulations en incidence sont donn s dans le Tableau 25 LET Point d impact Inclinaison Charge collect e par B2 en MeV cm mg C 5 Y82 1 5um 60 3 7E 14 5 YB2 2um 60 1 7E 14 5 YB2 0 5um 60 4 5E 14 5 YB2 0 7um 60 1 3E 14 5 XB2 0 5um 60 1 1E 13 5 XB2 0 9um 60 7 7E 15 10 YB2 1 5Sum 60 8 6E 14 10 YB2 2 Sum 60 2 6E 14 10 Yp2 3um 60 1 8E 14 10 YB2 0 7um 60 2 8E 14 10 XB2 1 3um 60 1 8E 14 Tableau 25 Synth se des charges collect es incidence 60 en fonction du point d impact 91 Ces r sultats nous permettent de d finir une section efficace d Upset en d terminant une surface dont les limites sont d finies par les points partir desquels la cellule ne collecte plus assez pour basculer dans chaque direction X Y Le tableau suivant donne les an
178. tte tude 100 CONCLUSION M me si les effets de type SEU ne sont pas destructifs leurs apparitions trop fr quentes dans les m moires am nent des pertes de donn es et peuvent affecter la fonction remplie par le composant La possibilit de pr voir la sensibilit d un composant avant de l int grer dans une mission spatiale facilite la tache des concepteurs pour le choix de ces derniers et le dimensionnement des codes correcteurs d erreurs Si les mod les de pr diction standard de taux SEU dus aux ions lourds semblaient convenir dans le pass les retours d exp riences embarqu es dont nous disposons aujourd hui ont amen des l ments de comparaison les remettant en question L analyse pr cise des donn es de vol pr sent e dans le troisi me chapitre a d montr l incapacit des mod les de pr diction bas s sur le Volume Sensible tels que l IRPP de pr dire des taux d erreurs fiables Une des principales raisons d une telle d rive provient du fait que ces m thodes reposent sur un param tre inconnu qui est l paisseur sensible du VS La valeur arbitraire de ce param tre intervenant plusieurs tapes du calcul explique en grande partie les erreurs commises sur les taux Nous avons galement discut la notion de volume sensible en d montrant que ce volume ne pouvait pas tre consid r comme un l ment fig mais qui tait fonction de la position de la direction d incidence et de l nergie de l
179. tte proportion ions lourds protons d pend de la mission On normalise les taux avec la valeur de taux SEU en vol ions lourds et l on trace les histogrammes suivants permettant de comparer visuellement les pr dictions aux taux r els 0 0 3 0 El vol protons m M1_Bl1 o M1_Bl10 go M3_BI1 SRAM HM628512 SRAM KM684000 DRAM HM516405 DRAM KM44V 16004 Figure 34 Comparaison entre les diff rents taux SEU ions lourds MIR obtenus avec OMERE et ceux en vol sans protons La conclusion sur ces pr dictions est la m me que pour le cas de SAC C les r sultats sont tr s irr guliers selon les composants et on arrive toujours des sous estimation critique dans certains cas 54 Il est important d valuer les m canismes d erreurs amenant de telles mauvaises pr dictions afin d y apporter une am lioration C est l objet de cette th se Une analyse des possibles sources d erreurs est donn e dans le sous chapitre suivant 3 3 Analyse des sources possibles d erreurs et discussion Les comparaisons entre les estimations faites par OMERE et les taux d v nement en vol cf paragraphe 3 2 observ s pour diverses exp riences telles que SPICA sur MIR ou encore ICARE sur SACC montrent que les calculs pr visionnels conduisent parfois des carts importants par rapport la r alit Les causes peuvent tre diverses et m ritent r flexion On peut s interroger sur les in
180. tudi es ont t observ s l effet tant n gligeable nous avons gard la structure simplifi e Nous avons extrait des tudes technologiques l organisation et la taille des cellules Figure 66 les dimensions XY des zones actives de type N source et drain des transistors Figure 69 leur profondeur Figure 72 la taille des grilles les valeurs de dopage et les profondeurs des zones dop es De mani re tudier la collection des charges dans la cellule impact e mais aussi dans les premiers voisins nous avons cr une structure de 9 cellules centr e sur la cellule B2 et de dimensions 15umx25umxl1Oum xyz Elle est pr sent e en Figure 54 Le maillage a t d termin de mani re d crire au mieux les variations des variables dans une taille maximum de maillage pour limiter le temps de calcul d un transitoire 96 heures de calcul sur le super calculateur du Centre ONERA de Toulouse Un maillage plus fin est d fini dans la zone d tude selon le point d impact de la particule son inclinaison et la cellule que l on veut tudier en g n ral B2 85 Figure 54 Stucture 9 cellules simul e Nous avons fait le choix de d finir des zones dopage constant pas de profil progressif dont les valeurs sont issues directement des analyses SIMS Nous obtenons le profil de dopage de la Figure 55 diffusion N 1 e at cm3 naa 17 lum dop P 3 e at cm3 5 um dop P 1 e at cm3 4 um dop N 1 e
181. u sol tels que les acc l rateurs de particules Cette pr sentation permettra ensuite de comprendre d o peuvent provenir les erreurs commises dans les calculs de taux de SEU ions lourds Dans le troisi me chapitre les limites des mod les existants sont mises en avant au travers d une analyse des r sultats de vol Apr s traitement des retours d exp riences embarqu es il est possible d effectuer des comparaisons des taux en vol avec les taux pr dits permettant de se rendre compte des carts importants entre pr diction et r alit vis vis des ions lourds Une analyse des sources d erreurs possibles dans les m thodes standard est alors fournie soulignant la difficult de les modifier Le quatri me chapitre pr sente une approche diff rente de pr diction de taux de SEU ions lourds dite m thode empirique accompagn e des r sultats illustrant son efficacit Une premi re approche semi exp rimentale est pr sent e et son applicabilit tout type de composant et d effet est d montr e Une volution plus analytique est propos e de mani re simplifier encore la m thode et r duire le nombre d essais n cessaires sous acc l rateurs Un travail sur les v nements multiples a aussi t men pour mettre en avant les ph nom nes de diffusion mal pris en compte par les mod les de pr diction standard et permettant galement de faire des pr dictions avec la m thode empirique Enfin le dernier chapitre est consacr
182. u traitement pour la SRAM HM628512 est pr sent dans la table suivante Les v nements multiples sont tri s par leur multiplicit m m 3 correspond un MBU de 3 SEU La multiplicit moyenne moy est calcul e de mani re rendre compte de la taille moyenne des clusters observ s W O W N R ON an N R ON N O N O es N N Un es N N Un N N AIN S CO CO amp Un ID S SN LD Kop fami Bn 2020 2014 O O un O O un N N 87 1676 204 2038 1936 48 1999 1713 143 114 1304 405 322 278 582 70 101 236 411 903 754 3580 985 1262 21 2589 268 550 3131 soj 88 3874 67 41 145 Tableau 17 Exploitation des r sultats de tests pour la SRAM HM628512 NJN N N N 2020 2020 Une premi re observation sur ces r sultats permet de mettre en vidence l importance des v nements multiples qui sont priori non n gligeables et qui d montrent bien la pr sence d un ph nom ne de collection de charges aux dimensions radiales tendues tel que la diffusion L tude de la structure de trace cf paragraphe 1 3 1 et les travaux de th se Loq 01 montre que le rayon d action de la particule en terme de charges d pos es suffisantes pour provoquer des effets est limit on postule un rayon de trace d
183. ube TSOP HM5165405AJB 16M 4 TSOP 3 V 9741 4 Hitachi SRAM HM628512 LFP 7 512k 8 SOJ SV 9631 6 4Mbits 00209330 sur empreinte Hitachi SOP KM684000 512k 8 SOP 3V 747 6 Samsung Tableau 3 Composants de test du mod le de vol int rieur MIR99 Fonction R f rence Organisation Bo tier Vcc Date Code Nb Pi ces DRAM KM44V16004 4 16M 4 4 m moires 3 V 2000 0009 1 2 64Mbits Samsung cube TSOP HM5165405AJB 16M 4 TSOP 3 V 9741 4 Hitachi SRAM HM628512 512k 8 SOJ 5V 9701 6 4Mbits Hitachi sur empreinte SOP KM684000 512k 8 SOP 3V 729 6 Samsung Tableau 4 Composants de test du mod le de vol ext rieur MIR99 Fonction R f rence Organisation Bo tier Vcc Date Code Nb Pi ces DRAM KM44V16004 4 16M 4 4 m moires 3 V 2000 0009 1 2 64Mbits Samsung TSOP 4198 HM5165405AJG 16M 4 TSOP 3V 9741 4 Hitachi 6NN A006 SRAM HM628512 LFP 7 512k 8 SOJ 5V 9631 6 4Mbits 00209330 sur empreinte Hitachi SOP KM684000 ALG 512k 8 SOP 3V 747 4 7 RKH 047 Samsung AA KM684000 ALG 512k 8 SOP 3V 729 2 TL RKO 130 Samsung BA Tableau 5 Composants de test du mod le de vol SAC C 44 Le format des donn es re ues permettant la datation des v nements ainsi qu une localisation g ographique assez fine des diff rents v nements on peut ainsi tablir des statistiques fournissant des taux d erreurs en vol par composant sur des p riodes choisies des zones g ographiques pr cises et en faire des cartographies On po
184. uer ce calcul il faut v rifier dans un premier temps que l volution de la sensibilit du composant peut tre d crite par la loi en cos impliquant d effectuer quelques points de mesures en incidence et v rifier qu ils s alignent avec la courbe en incidence normale Puisque l on cherche une m thode ing nieur permettant de faire des calculs simples il sera impossible de d terminer les bornes des int grales en terme de LET seuil en incidence et angle maximum autrement que de mani re arbitraire puisqu elles d pendent de param tres technologiques propres chaque composant Celles que nous avons fix es semblent convenir on gardera en t te qu elle peuvent influer l g rement sur la pr diction 4 1 4 Discussions et conclusions et sur la m thode empirique La m thode que nous proposons d utiliser pour effectuer les calculs de pr diction est bas e sur la sensibilit mesur e du composant vis vis de l effet SEU Pour s affranchir des hypoth ses de mod lisation des ph nom nes sur lesquelles reposent les mod les standard de pr diction IRPP et qui am nent des pr dictions irr alistes l id e a t de descendre au plus bas niveau de mod lisation qui consiste consid rer le composant comme une boite noire On simplifie le probl me de mani re s affranchir de la complexit de compr hension et description des ph nom nes de collection et de la difficult de conna tre les param tres technologiques et g
185. urra en particulier s parer les erreurs localis es dans l anomalie sud atlantique et donc li es essentiellement aux protons des erreurs hors SAA South Atlantic Anomaly li es essentiellement aux ions lourds Disposant d une statistique SEU li e aux ions lourds on peut alors les comparer aux pr dictions ions lourds Les paragraphes qui suivent done des exemples des r sultats de traitement des donn es du vol SAC C pour la p riode depuis le lancement 30 11 2000 jusqu au 21 03 2005 Ces exemples visent illustrer les traitements possibles des donn es pour bien comprendre ce que repr sentent les taux auxquels on va comparer les pr dictions 3 1 1 2 R partition des SEU par composant Un premier traitement consiste tablir le bilan des v nements apparus sur une p riode donn e afin d en d duire le taux d erreur en vol par composant NP d signe le nombre de pi ces pour chaque type de composant NSEU total le nombre total d v nements SEUSs sur l ensemble des pi ces d un m me type SEU jour comp le nombre de SEU par jour et par composant correspondant la moyenne des taux observ s sur chaque pi ce d un m me type de composant Le tableau ci dessous donne la r partition et les statistiques pour les quatre composants tudi s du vol SAC C pour la p riode depuis le lancement 30 11 2000 jusqu au 21 03 2005 Type NP NSEU total SEU jour comp SEU jour bit HM628512 6 8923 1 1 2 6 E 7 KM44
186. ut citer le SEU Single Event Upset qui correspond au basculement logique d un point m moire provoqu principalement par un ion lourd ou un proton Face l int r t de pr voir la sensibilit des composants avant de les int grer dans une mission spatiale de nombreuses quipes se sont int ress es l laboration de mod les de pr diction La zone sensible du composant est le plus souvent mod lis e par un parall l pip de rectangle RPP appel volume sensible VS auquel on associe une nergie critique Ee Le principe de calcul de ces mod les bas s sur le concept du volume sensible est de calculer l nergie d pos e dans le VS par les particules et de comptabiliser un Upset lorsque cette nergie d pos e est sup rieure une valeur seuil Ex L impossibilit de conna tre a priori les dimensions du volume sensible param tres essentiels de la mod lisation repr sente la limitation principale de cette m thode De fa on g n rale la valeur de l paisseur sensible d est choisie arbitrairement Si dans le pass ce choix donnait des r sultats globalement corrects il s av re tre de moins en moins satisfaisant pour certains composants aujourd hui En effet le CNES et l ONERA ont montr une volont depuis une dizaine d ann e de contr ler les pr dictions par des exp riences embarqu es Gr ce aux retours de ces exp riences qui commencent tre assez importants des comparaisons entre les taux d
187. ux puisque ce param tre intervient plusieurs reprises dans le calcul au moment de quantifier le nombre de particules traversant le VS obtenu en multipliant le flux total de particules par la surface totale du VS somme des surfaces de toutes les faces du VS Ce nombre d pend donc directement des dimensions du VS et donc de d pour d finir l nergie critique Ec LET u1xd qui sert de r f rence pour d terminer le chemin minimal parcourir dans le VS par l ion en fonction de son LET pour cr er un Upset et dans la distribution de longueur de corde On comprend bien que ce param tre est au centre du mod le et il para t fragile de baser un calcul sur un param tre inconnu 59 Pour illustrer l influence de ce param tre sur les r sultats nous pouvons le faire varier et observer les taux d erreurs qui en r sultent Nous donnons l exemple des SRAM HM628512 et KM684000 dans le Tableau 15 Les conditions sont toujours M 1 et blindage 20g cm Nous faisons varier d de O Sum 10um qui sont des valeurs possibles selon les technologies et g om trie des composants Epaisseur sensible d Taux pr dits HM628512 Taux pr dits KM684000 um SEU j comp SEU j comp 0 5 3 2 E 2 6 2 E 2 1 2 E 2 5 1 E 2 2 1 3 E 2 2 E 2 3 9 3 E 3 1 E 2 4 6 9 E 3 8 5 E 3 5 5 3 E 3 6 5 E 3 10 2 2 E 3 2 6 E 3 Tableau 15 Variation du taux de SEU en fonction de l paisseur sensible Nous constatons que la varia
188. vaux de T C MAY de 1979 May 79 Consid rons un point m moire DRAM repr sent sch matiquement par les Figure 16 a et b suivantes WORDLINE TE DILILIUE BITLINE a b Figure 16 a Repr sentation sch matique d une DRAM b Exemple de technologie utilis e pour la r aliser L information est d finie par la pr sence ou l absence de charge dans une capacit de stockage On appelle toujours charge critique la charge n cessaire pour changer l tat de la cellule Si le nombre de porteurs minoritaires charge d pos s par un ion et collect s est sup rieur cette charge critique la m moire va changer d tat et cr er un Upset Dans les DRAM l information contenue dans les m moires est p riodiquement rafra chie L tat de la cellule change si l impulsion de courant g n r e par le passage de l ion fait basculer la tension appliqu e au n ud avant que le cycle de rafra chissement n intervienne 1 4 Conclusions Ce chapitre a d crit l environnement radiatif auquel est soumis le composant lors d une mission spatiale Nous avons pu voir que les effets qui en d coulent dans le composant sont divers destructifs ou non cumulatifs ou transitoires et d pendent du type de particule incidente et du mat riau cible L effet que nous tudions dans le cadre de cette th se est le SEU induit par un ion lourd dans des m moires de type SRAM et DRAM L ensemble de m canismes de g n ration et collection de cha
189. vit solaire 1 20 importante f a Activit solaire Activit solaire importante importante 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Ann e Figure 3 Courbe d activit solaire On distingue dans le contexte radiatif deux types d ruptions solaires les ruptions solaires protons dont la dur e va de quelques heures quelques jours et dont l mission principale est constitu e de protons d nergie importante jusqu quelques centaines de MeV et les ruptions solaires ions lourds riches en ions de composition variable 1 1 4 Le rayonnement cosmique Le rayonnement cosmique a t d couvert par V Hess en 1912 Il correspond au flux de particules charg es et de haute nergie jusqu 10 eV d origine spatiale provenant de diverses sources soleil toiles supernova galaxies loign es Il se compose essentiellement de protons de particules a et d une tr s faible quantit d ions lourds num ro atomique Z gt 3 pr sentes uniform ment l ext rieur de la magn tosph re terrestre Malgr leur faible flux les ions lourds de forte nergie ont un fort pouvoir d ionisation et un fort pouvoir de p n tration blindage impossible qui peuvent les rendre responsables des d faillances fonctionnelles des circuits micro lectroniques forte int gration La magn tosph re terrestre constituant un bouclier naturel pour les orbites basses l influence du rayonneme
190. vons d j calcul cette valeur de la ZCE qui est de 0 16um Pour le point d impact Yp2 0 5um inclin 60 la particule parcourt une distance de 0 16um cos60 0 32um sur laquelle la collection des charges est totale A cette distance s ajoute la longueur de funneling qui est de 0 32um pour un LET de 5 MeV cm mg L ensemble de ces consid rations est illustr dans la Figure 61 Particule 60 Figure 61 Cas de la particule LET 5 MeV cm mg au point d impact Y3 0 Sum La collection par drift et funneling donne alors une charge collect e Qar gale Qar LETx0 64 3 3E 14 C 98 Si on ajoute cette charge Qui on obtient parfaitement la charge collect e obtenue par simulation dans cette configuration Dans le Tableau 28 on peut v rifier que le mod le marche bien pour les points d impact proches du centre de B2 mais que pour des points d impact loign s YB2 2um et 2 5um le mod le semble surestimer les charges collect es par diffusion En fait cela vient de la pr sence et donc l influence des autres cellules qui finalement sont plus proches pour certaines du point d impact que B2 et viennent collecter des charges en proportion non n gligeable Ce r sultats coh rents en incidence permettent d tudier la d pendance des quations au param tre angulaire En effet en fonction des valeurs des param tres g om triques tels que la profondeur de la zone pitaxi e le rayon des lectrodes les distances ent
191. x positions de pi ces et quelques ions On peut effectuer une comparaison entre les sections efficaces mesur es dans les deux cas et s apercevoir que la diff rence est assez faible elle peut tre consid r e comme n gligeable dans le calcul de taux 0 3 0 25 0 2 Ar horizontale Ar verticale 0 15 s Ar vertical Ni horizontale T Ni verticale 0 1 D o 0 05 0 0 20 40 60 80 angle d inclinaison degr Figure 43 Comparaison entre les sections efficaces SEU des pi ces KM684000 verticales et AE 66 horizontale verticale oseu cm 2 o 40 60 angle d inclinaison degr Figure 44 Comparaison entre les sections efficaces SEU des pi ces HM628512 verticales et horizontales Enfin on consid re une parfaite sym trie des effets entre le demi plan sup rieur et le demi plan inf rieur c est dire qu un angle d inclinaison et un LET donn on consid re que l effet de la particule p n trant dans le composant par la face avant ou par la face arri re est le m me Cette hypoth se n est valide que si les port es des ions sont grandes devant les dimensions du composant ce qui est le cas pour les ions cosmiques Ces hypoth ses tant pos es le calcul de taux s effectue sur une double int grale int gration sur toutes les valeurs de LET du LET seuil au LET maximu

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