Effets des radiations naturelles sur l électronique au niveau atmosphérique et terrestre p. 23

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1 N 3 - Mars 2010 Revue de la Société de l Électricité, de l Électronique et des Technologies de l Information et de la Communication ENERGIE, TELECOMMUNICATIONS, SIGNAL, COMPOSANTS, AUTOMATIQUE, INFORMATIQUE FOCUS DOSSIER Effets des radiations naturelles sur l électronique au niveau atmosphérique et terrestre p. 23 Avec l intégration croissante des technologies, la sensibilité des circuits aux radiations naturelles devient un mécanisme-clé dans la fiabilité des systèmes électroniques en fonctionnement, au sol et en vol. Les télécoms et l énergie au service d Haïti p. 10 INDUSTRIE & MARCHÉS La publicité sur Internet résiste à la crise p. 8 Télécoms : toujours plus de Français abonnés aux mobiles p. 9 INNOVATION & RECHERCHE Avec Orange France-Telecom et Alcatel-Lucent, les services innovants se lèvent à l Ouest p. 14 Les travaux de l Inria Lille-Europe s exposent aux industriels p. 15 REPÈRES Méthodes et techniques optiques pour l industrie p. 78 ISSN ARTICLE INVITÉ Le programme Galileo : un enjeu stratégique pour l Europe p. 104

2 ÉDITION / ADMINISTRATION : SEE (Société de l Electricité, de l Electronique et des Technologies de l Information et de la Communication) 17, rue de l Amiral Hamelin Paris Cedex 16 Tél. : DIRECTEUR DE LA PUBLICATION Paul FRIEDEL, Président de la SEE PRÉSIDENT DU COMITÉ DE PUBLICATION Pierre BORNE RÉDACTION Micheline BERTAUX Catherine VANNIER 17, rue de l Amiral Hamelin Paris Cedex 16 Tél. : Fax : Eric Saudemont Tél. : Ont également collaboré à ce numéro : Denys Klein J. Louis Guiraud Philippe Lacomme Michel Lemistre Michel Sirieix Jean-Paul Villepelet ABONNEMENTS Tél. : Fax : Prix de l abonnement en 2010 (coupon d abonnement en page intérieure) : 11 numéros par an (dont un numéro double) France : 165 Euros T.T.C. Etranger (UE) : 165 Euros T.T.C. Etranger (hors UE) : 175 Euros hors T.V.A. Tarif spécial adhérent SEE pour la France : 102 Euros T.T.C. Renseignements : Catherine Vannier ( ) Vente au numéro : Prix du numéro en 2010 France : 18 Euros T.T.C. Etranger (UE) : 18 Euros T.T.C. Etranger (hors UE) : 20 Euros hors T.V.A. PUBLICITÉ AU SUPPORT Tél. : MISE EN PAGES Jean-Claude MALATERRE & J2C Communication IMPRESSION JOUVE MAYENNE Siège social : 11, Bd. de Sébastopol Paris Cedex 1 Tél : Commission paritaire : 1010 G COPYRIGHT La, Organe d expression de la SEE, est née de la fusion de la Revue Générale de l Electricité & de l Onde Electrique. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente publication, faite sans l autorisation de l éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d une part les reproductions strictement réservées à l usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d information de l œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois, les copies peuvent être utilisées avec l autorisation de l éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Copyright 20, rue des Grands-Augustins Paris Tél. : Fax : auquel la SEE a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs (loi du 11 mars art. 40 & 41 et Code Pénal art. 425). Édito DOSSIER Effets des radiations sur l électronique au niveau atmosphérique et terrestre En raison de l intégration technologique toujours plus poussée qui fait dorénavant entrer la microélectronique dans le monde des nanotechnologies, l effet des radiations naturelles sur les composants électroniques ne concerne donc plus uniquement l environnement spatial et ses fortes contraintes : c est maintenant un problème qui peut altérer la fiabilité de l électronique intégrée pour l ensemble des applications aéronautiques et terrestres, c est-à-dire au niveau du sol, là où la contrainte radiative est extrêmement faible mais non nulle. Son origine est à fois externe et interne aux circuits car ces derniers sont non seulement sensibles aux particules énergétiques présentes dans l atmosphère terrestre (principalement les neutrons et protons) mais sont également sensibles aux particules alpha Jean-Luc Leray émises en leur sein par d infimes traces d impuretés radioactives que les fabricants de semi-conducteurs cherchent à éliminer. A travers un panorama très complet rédigé par des spécialistes du domaine, et présenté dans le «Dossier» de la présente édition de la, nous espérons vous convaincre que la problématique des effets des radiations sur l électronique pour les applications au sol est en pleine émergence et qu une véritable communauté technique, largement pluridisciplinaire (des physiciens spécialistes de l environnement aux intégrateurs de systèmes et end-users) est en phase de structuration au niveau national. Le projet de création d un GDR CNRS intitulé «ERRATA» et la tenue des troisièmes journées RADSOL en juin prochain en sont quelques illustrations. Nous ne pouvons conclure cet Edito sans avoir une pensée émue et reconnaissante envers notre collègue et ami Jean-Claude BOUDENOT, décédé le 15 octobre 2008, qui, en qualité de Vice-président du Club CO (Composants) de la SEE et de directeur de la communication scientifique de Thales Research&Technology, s était impliqué avec passion dans cette problématique émergente ainsi que dans l organisation et la promotion des journées RADSOL. Ce dossier lui est dédié. Jean-Luc Autran Jean-Luc LERAY Président du Club Composants Membre Emérite de la SEE Commissariat à l Energie Atomique et aux Energies Alternatives Jean-Luc AUTRAN Membre Senior de la SEE Membre de l Institut Universitaire de France Aix-Marseille Université & CNRS N 3 Mars

3 Dossier présentation Effets des radiations naturelles sur l électronique au niveau atmosphérique et terrestre Jean-Luc LERAY Président du Club Composants (CO) Membre émérite (2006) de la SEE Commissariat à l Energie Atomique et aux Energies Alternatives Jean-Luc Autran Membre Senior (2008) de la SEE Membre de l Institut Universitaire de France Aix-Marseille Université & CNRS Le présent dossier rassemble six articles consacrés aux effets des radiations terrestres et atmosphériques naturelles sur la fiabilité des composants et circuits microélectroniques. Il fait suite aux deux premières journées nationales «RADSOL» organisées par les laboratoires IES-CNRS (Montpellier) et IM2NP-CNRS (Marseille) en 2008 et 2009 à Paris. Ces journées d études ont pour la première fois permis à la communauté nationale industrielle et académique de faire le point sur cette problématique clé de la microélectronique ; elles ont également clairement montré la dynamique qui existe aujourd hui sur ce sujet et l intérêt qu il y a à structurer la communauté française. Pour estimer et prédire au mieux la sensibilité des composants soumis aux particules atmosphériques ou aux impuretés radioactives, il faut pouvoir dimensionner la contrainte et déterminer les causes et mécanismes de défaillances. Les deux premiers articles du dossier intitulés «Effets des radiations naturelles sur l électronique : de la contrainte à la prédiction» et «Contraintes radiatives et associées aux matériaux composants micro et nanoélectroniques» sont signés Frédéric Saigné et Frédéric Wrobel. Ils traitent précisément de ces fondamentaux et proposent un panorama des connaissances à l état de l art dans le domaine. Les deux articles suivants présentent en détails des installations pour l expérimentation, le test et éventuellement la qualification des composants et équipements ; l une en altitude (ASTEP), l autre souterraine (LSM). Jean-Luc Autran, Daniela Munteanu, Sébastien Sauze et leurs collègues de l IM2NP présentent la caractérisation de circuits électroniques soumis au flux naturel de particules atmosphériques dans l article «La plateforme ASTEP du Plateau de Bure. Tests en environnement radiatif naturel de composants et circuits électroniques». Guillaume Warot et Pia Loaiza dans «Mesures de très faibles radioactivité au laboratoire souterrain de Modane» présentent la métrologie et les mesures de très faible radioactivité pour la quantification de la contamination en émetteur alpha des matériaux de la microélectronique. Le cinquième article signé Olivier Flament et Jacques Baggio «Tests accélérés pour la détermination du taux d erreurs induites par les particules uniques pour les applications Mars

4 Dossier présentation terrestres» passe en revue différentes procédures de tests accélérés, complémentaires des expériences en environnement naturel, pour la détermination du taux d erreurs induites par les particules dans les dispositifs et circuits microélectroniques. Dans l article «Effets destructifs par les particules de l environnement naturel dans les composants de puissance», Florent Miller, Nadine Buard et Aurore Luu présentent une nouvelle méthodologie de test complémentaire aux essais sous faisceau de particules. Cette approche est mise en œuvre sur des composants de puissance dont la vulnérabilité aux radiations naturelles est également un problème crucial pour les applications au sol en plein essor (commandes et véhicules électriques notamment). Sommaire Dossier Présentation Par Jean-Luc Leray, Jean-Luc Autran... p Mars 2010

5 Dossier Effets des radiations naturelles sur l électronique au niveau atmostphérique et terrestre La plateforme ASTEP du Plateau de Bure Tests en environnement radiatif naturel de composants et circuits électroniques Mots clés Effets des radiations sur l électronique, Environnement radiatif terrestre naturel, Neutrons atmosphériques, Tests temps réel, Mémoires SRAM Jean-Luc Autran 1, Daniela Munteanu 1, Sébastien Sauze 1, Philippe Roche 2, Gilles Gasiot 2, Joseph Borel 3 Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP, UMR CNRS 6242) Aix-Marseille Université et Centre National de la Recherche Scientifique 1, Groupe Radiations, Recherche et Développement Central, STMicroelectronics-Crolles 2, JB R&D, Saint-Etienne en Dévoluy 3 Cet article présente la plateforme ASTEP ( Altitude Single-event effects Test European Platform ), dédiée à la caractérisation temps réel de composants et circuits électroniques dans l environnement radiatif terrestre naturel. L article présente la problématique des neutrons atmosphériques et les travaux de recherche menés depuis quatre ans sur cette installation située à m d altitude sur le Plateau de Bure, dans le massif du Dévoluy près de Gap. 1. Introduction Depuis que les rayons cosmiques terrestres ont été identifiés comme l une des principales causes d apparition d erreurs dans les circuits intégrés (communément appelés «aléas logiques» ou soft error dans le cas des circuits digitaux), la mesure et la prédiction du taux d aléas logiques (Soft Error Rate ou SER) sont rapidement devenues une préoccupation majeure des études de fiabilité dans ce domaine [1]. Pour les technologies actuelles largement submicroniques, voire déca-nanométriques, l impact de ces rayons cosmiques est devenu si important par rapport aux anciennes générations de circuits que le taux d erreurs induites par ces interactions particules atmosphériques circuit est l un des plus élevé comparativement parlant à tous les autres mécanismes connus de défaillance (électromigration, rupture du diélectrique de grille ou encore NBTI Negative Bias Thermal Instabilities). Différentes approches expérimentales ou par modélisation/simulation sont couramment utilisées pour estimer le taux d erreur des circuits induits par la contrainte radiative naturelle : I) tests accélérés utilisant des sources ou des faisceaux de particules 1 ; II) tests temps réel en environnements naturels ; III) modélisation et simulation numérique au niveau cellule ou circuit (à l aide d outils de type TCAD ou SPICE) ; iv) combinaison de mesures expérimentales et de données de simulation [1-6]. Contrairement aux essais accélérés qui sont relativement faciles à conduire (un seul circuit sous test), peu onéreux (hormis la location du moyen d irradiation, et les frais de transport) et rapides (quelques heures ou journées sont généralement suffisantes pour obtenir des résultats statistique- 1 Voir l article d Olivier Flament et Jacques Baggio dans le présent dossier thématique. L e s s e n t i e l S y n o p s i s La réduction des dimensions des composants microélectroniques et l augmentation de la densité d intégration des circuits qui en découle (suivant la fameuse Loi de Moore) a pour conséquence une augmentation de la sensibilité des circuits à l environnement radiatif terrestre naturel. Reducing the size of microelectronic devices and increasing the integration density of circuits lead (following the famous Moore s law) to an increased sensitivity of circuits to natural terrestrial radiation environment. Such sensitivity to atmospheric particles (mainly neutrons) can Mars

6 Dossier Effets des radiations naturelles sur l électronique au niveau atmostphérique et terrestre Tableau 1. Principales caractéristiques de la plateforme ASTEP du Plateau de Bure. ment représentatifs), les tests en environnement naturel sont nettement plus longs et coûteux car ils nécessitent la mise en œuvre d une grande quantité de circuits exposés au faible flux de particules naturellement présentes dans l atmosphère. On parle alors de tests «temps réel» car la durée d exposition ne peut être raccourcie du fait que l on travaille avec la contrainte radiative réelle (i.e. le flux de particules atmosphériques à la position géographique du test longitude, latitude, altitude) et non pas accélérée. Toutefois, cette approche présente l avantage de donner une estimation du taux SER la plus fiable possible, éliminant la plupart des sources d artefacts, comme par exemple les problèmes liés aux éventuelles fluctuations et inhomogénéités d un faisceau de particules en sortie d accélérateur, les problèmes de dosimétrie à fort flux, ceux liés aux problèmes d alignement de la puce par rapport au faisceau ou encore à la différence entre le spectre énergétique de la source accélérée et celui caractérisant l environnement radiatif atmosphérique naturel. Enfin, les tests temps réel permettent d aborder la mesure du taux SER au niveau d un système complet ne pouvant pas forcément être irradié sous accélérateur (en raison de la taille par exemple). Lorsque ces tests temps réel sont conduits dans un site souterrain protégé du rayonnement cosmique, ils s avèrent être une méthode efficace pour évaluer la contribution au taux SER de la contamination radioactive résiduelle (principalement en émetteurs de particules alpha), des circuits eux-mêmes (matériaux de la puce) ou des boîtiers de packaging. Au contraire, lorsque ces tests sont déployés en altitude pour augmenter le flux de particules (principalement de neutrons, mais aussi des protons et des pions), on peut espérer amplifier la contrainte radiative d un facteur variant de 2 à 15 (suivant l emplacement du site sur Terre) et évaluer ainsi plus rapidement, qu au niveau de la mer, la contribution des particules atmosphériques au taux SER d un circuit donné. Le projet de développer une plateforme de test permanente au niveau européen, à double vocation industrielle et académique et dédiée à la caractérisation temps réel de composants et circuits électroniques dans l environnement radiatif terrestre naturel a été initié par STMicroelectronics et JB R&D en La plateforme ASTEP ( Altitude Single-event effets Test European Platform ) a été créée formellement en 2003 dans le cadre d un programme européen de financement d infrastructures (programme FEDER) et exploitée depuis par le laboratoire L2MP (devenu IM2NP en 2008). Après une phase d installation et d instrumentation du site, la première campagne de tests SER sur des composants de type mémoire SRAM a débuté en mars La plateforme ASTEP La plateforme ASTEP est une installation permanente située sur le désertique Plateau de Bure, dans le massif du Dévoluy, à m. Hébergée par l Institut de Radioastronomie Millimétrique, elle bénéficie d un environnement idéal (2π sr d angle solide sans aucun obstacle) à très faible bruit, notamment électromagnétique. La plateforme est référencée dans le standard industriel mondial JEDEC JESD89A [14] comme l un des principaux sites de recherche de ce domaine associant physique nucléaire, géophysique, métrologie, technologie micro-nanoélectronique, design et test des circuits et des équipements électroniques. Les caractéristiques environnementales principales de la plateforme ASTEP sont récapitulées dans le tableau 1. Les figures 1a et 1b montrent L e s s e n t i e l S y n o p s i s Cette sensibilité aux particules atmosphériques directement (protons) ou indirectement (neutrons) ionisantes peut provoquer des défaillances non destructives (aléas logiques) ou destructives (latchup) dans la plupart des circuits électroniques, notamment les mémoires volatiles de type RAM statique (SRAM), objet d étude des travaux menés depuis 2004 sur la plateforme de test européenne ASTEP du Plateau de Bure. Cet article présente en détail la plateforme ASTEP, son implantation, les instruments (moniteur neutron du Plateau de Bure) et expériences (testeurs de mémoires) actuellement installées sur le Plateau de Bure ainsi qu une synthèse des principaux résultats portant sur la caractérisation de mémoires SRAM fabriquées en technologies 130 nm et 65 nm sur silicium massif. cause non-destructive (soft-errors) or destructive (latchup) failures in most electronic circuits, including volatile static memories (SRAM), object of the research work carried out since 2004 on the European Test Platform ASTEP. This paper presents in details the ASTEP platform, its location, the instruments (neutron monitor of the Plateau de Bure) and the experiences (memory tester) currently installed on the Plateau de Bure. In a second part, we also report a synthesis of the key results concerning the natural radiation sensitivity of SRAM fabricated in 130 nm and 65 nm bulk silicon technologies. 2 Mars 2010

7 La plateforme ASTEP du Plateau de Bure. Tests en environnement radiatif naturel de composants et circuits électroniques une vue générale du plateau de Bure (observatoire de l IRAM) et une vue extérieure du bâtiment ASTEP, respectivement ; l extension du bâtiment (premier étage) a été achevée en juillet 2008 et accueille depuis cette date le Moniteur Neutron du Plateau de Bure (PdBNM, figure 1c). Cet instrument permet de suivre en temps réel (toutes les minutes) le flux moyen de neutrons atmosphériques incident sur les expériences de la plateforme. Il est composé de trois tubes (détecteurs) cylindriques He3 haute pression (2 280 Torr), chacun des trois tubes étant entouré d une gaine coaxiale de polyéthylène haute densité (modérateur de neutrons) et d anneaux de plomb jointifs d épaisseur 25 mm (producteur de neutrons secondaires), le tout situé à l intérieur d un «sarcophage» en polyéthylène d épaisseur 8 cm (modérateur et réflecteur de neutrons). Une chaîne Canberra de détection électronique a été choisie en complément d un module d acquisition Keithley pour interfacer le moniteur neutrons avec le PC de contrôle. La conception et la construction de l instrument ont suivi en tous points les recommandations publiées dans la littérature [15-16] concernant l optimisation de la réponse de l appareil. La figure 2 montre la réponse moyenne du moniteur neutrons (un point par heure) au cours de l année Cette réponse, non corrigée de la pression atmosphérique, donne directement la variation temporelle du flux de neutrons arrivant sur la plateforme ASTEP ; Figure 1. a) Vue d ensemble du Plateau de Bure montrant les installations de l IRAM et le bâtiment ASTEP. b) Vue extérieure du bâtiment ASTEP abritant les expériences de microélectronique au rez-de-chaussée et le moniteur neutron au premier étage. c) Détail du moniteur neutron du Plateau de Bure (PdBNM). Mars

8 Dossier Effets des radiations naturelles sur l électronique au niveau atmostphérique et terrestre Figure 2. Réponse du moniteur neutron enregistrée entre le et le montrant l évolution du flux moyen de neutrons atmosphériques incident sur le Plateau de Bure. Les variations observées sont essentiellement dues aux variations de pression atmosphériques. elle est moyennée par la fonction de réponse de l appareil sur une gamme d énergie allant typiquement de l énergie thermique à quelques dizaines de GeV, mettant en évidence des variations du flux de neutrons au niveau du sol de plus de 30 %, essentiellement induites par les variations de la pression atmosphérique. En effet, lorsque la pression diminue (hauteur moins importante de la colonne d air à la verticale du site), les gerbes de particules atmosphériques se développent à plus basse altitude dans l atmosphère (i.e. plus près du sol) et le flux de neutrons résultant est donc plus important ; à l inverse lorsque la pression atmosphérique est forte, les interactions entre les particules et les molécules de l air sont plus importantes, ce qui conduit à un développement des gerbes à plus haute altitude dans l atmosphère et donc à un flux de neutrons moins important au niveau du sol. Lors de son installation, le moniteur neutron a été utilisé pour déterminer expérimentalement le facteur d accélération (AF) de la plateforme ASTEP, c est-à-dire le coefficient d amplification moyen du flux de neutrons au niveau du Plateau de Bure par rapport au flux de référence au niveau de la mer. Pour mesurer précisément ce facteur d accélération grâce aux deux séries de données obtenues à Marseille et sur ASTEP strictement avec le même appareil, nous avons profité du fait que l appareil a été assemblé et testé à Marseille durant l année , puis transporté et installé sur le Plateau de Bure en juillet La figure 3 montre la réponse barométrique du moniteur neutron, i.e. la variation du taux de comptage en fonction de la pression atmosphérique [17]. La différence de taux de comptage entre les deux nuages de points expérimentaux (~ 700 données horaires, ce qui correspond à un enregistrement sur une durée d un mois) donne directement la valeur du facteur d accélération de la plateforme ASTEP par rapport à Marseille, ici estimée à 6,7. Tenant compte de la latitude, la longitude et les corrections d altitude pour la localisation de Marseille par rapport au niveau de référence, à savoir New York, la valeur finale du facteur d accélération est AF = 6,7 x 0,94 6,3. Cette valeur est très proche de 6,2, le facteur d accélération moyen rapporté dans l annexe A de la norme JEDEC JESD89A [14-18], et proche de 5,9, la valeur donnée par le modèle QARM [19-20], l un des modèles numériques actuellement les plus aboutis de l environnement radiatif atmosphérique. Dans la suite de nos expériences, nous utilisons donc la valeur expérimentale AF = 6,3 comme étant le facteur d accélération du flux naturel de neutrons atmosphériques de la plateforme ASTEP. 3. Les expériences en cours Depuis 2006, des expériences de caractérisation de la tenue aux radiations naturelles de mémoires SRAM ont été continûment réalisées sur la plateforme ASTEP et suivies à distance depuis Marseille grâce à une ligne internet à haut débit. Des expériences complémentaires ont également été conduites à distance au Laboratoire Souterrain de Modane 2 pour évaluer la contamination résiduelle en émetteurs de particules alpha dans ces mêmes composants. Les circuits fabriqués par STMicroelectronics en technologies sur silicium massif 130 nm et 65 nm. Ces procédés de fabrication utilisent des matériaux d encapsulation BEOL (Back-End Of Line) sans boro-phospho-silicates qui éliminent la source principale de 10 B dans les circuits 3 et réduit considérablement l interaction possible entre le 10 B et les neutrons de faible énergie (dans la gamme thermique et en-dessous) [24-26]. Le véhicule de test pour la technologie 130 nm est composé de mémoires SRAM Single Port (SP-SRAM) de 4 Mbit de capacité avec une surface de la cellule mémoire élémentaire de 2,50 μm 2. Une mémoire SP-SRAM correspond à une cellule mémoire standard à transistors 6 conçue avec un transistor 2 Voir l article de Guillaume Warot et Pia Loaiza dans le présent dossier thématique consacré au Laboratoire Souterrain de Modane, le LSM. 3 Voir les articles de Frédéric Saigné et Frédéric Wrobel dans ce dossier. 4 Mars 2010

9 La plateforme ASTEP du Plateau de Bure. Tests en environnement radiatif naturel de composants et circuits électroniques Figure 3. Evolution du taux de comptage du moniteur neutron en fonction de la pression atmosphérique pour Marseille (altitude 124 m) et le Plateau de Bure (altitude m). Le coefficient d amplification du flux de neutrons (également appelé coefficient d accélération pour les expériences d irradiation des circuits) est de 6,7 pour le Plateau de Bure par rapport à Marseille ; il et de 6,3 par rapport à New York (point de référence). d accès sur chaque nœud interne. Ces expériences ont concerné Mbits de capacité mémoire totale. Pour la technologie 65 nm, la puce de test contient 8,5 Mbit de SP-SRAM (surface de la cellule 0,525 μm 2 ). Ainsi, un total de 384 puces (soit plus de 3 Gbits de capacité totale) a été mis en œuvre. Deux équipements de test différents, spécialement conçus pour l étude, ont été élaborés et assemblés par Bertin Technologies (Aix-en-Provence, France) pour les dispositifs 130 nm [10-12] et par iroc Technologies (Grenoble, France) pour les dispositifs 65 nm [13], respectivement. La figure 4 représente une vue générale de ces équipements de test. L équipement de test embarquant les mémoires 130 nm a été successivement installé sur ASTEP au cours de la période [31 mars novembre 2006], puis transporté au LSM et installé le 16 octobre Pour l expérience 65 nm, deux configurations identiques ont été construites ; ces configurations ont été installées sur AS- TEP le 21 janvier 2008 et au LSM le 11 avril Les trois bancs de test fonctionnent sans discontinuer depuis ces dates respectives. Dans la configuration actuelle, chaque système est capable de contrôler plusieurs centaines de circuits (1 280 circuits mémoire pour la technologie 130 nm et 384 circuits pour la 65 nm), en effectuant toutes les opérations requises telles que l écriture/lecture des données dans les circuits, la comparaison des données lues avec les données écrites, l enregistrement des éventuelles erreurs détectées dans le plan mémoire entre les configurations écrite et lue. Un soin tout particulier a été apporté au développement des configurations matérielles et du logiciel de pilotage de ces machines (suivant les spécifications du standard industriel JEDEC JESD89A [14]) afin d être certain que les erreurs détectées proviennent bien des dispositifs en cours de test et non du testeur lui-même [24-28]. L algorithme de test développé permet la détection des événements de type SBU (Single Bit Upset, i.e. changement d état logique d une seule cellule mémoire), MCU (Multiple Cell Upset, i.e. basculement simultané de plusieurs cellules dans le plan mémoire), SEFI (Single-Event Functional Interrupt) et SEL (Single-Event-Latchup 4 ). La consommation de courant sur l ensemble de les lignes d alimentation fournies par le testeur est surveillée en temps réel et enregistrée pendant le test. En cas d événement de type Latchup (verrouillage), le circuit est ainsi immédiatement déconnecté de façon à éviter sa destruction physique. 4. Synthèse des résultats Dans cette dernière partie, nous présentons une synthèse de nos résultats les plus récents obtenus pour la technologie 65 nm. Une comparaison avec les données obtenues pour la technologie 130 nm est également présentée et discutée. Dans la suite et pour des raisons de confidentialité des informations, tous les taux d erreur ont été normalisés par un même facteur arbitraire, choisi inférieur à 3 fois. Le véritable ordre de grandeur pour les données publiées n est donc pas significativement modifié. 4 Le Latch-up est un court-circuit entre deux transistors adjacents, parmi les centaines de millions pouvant constituer une mémoire. Il est provoqué par les électrons et les trous générés dans le silicium par excitation due à l énergie de la particule transférée au silicium lorsqu elle traverse le circuit. Le court-circuit conduit au blocage du composant et donc du système, ou pire encore, à la destruction du composant par fusion du silicium ou des matériaux composant le circuit. Mars

10 Dossier Effets des radiations naturelles sur l électronique au niveau atmostphérique et terrestre Figure 4. Vue d ensemble des bancs d expériences dédiés à la mesure du taux d erreur SER des mémoires fabriquées en technologies 130 nm et 65 nm. Les vues détaillées montrent l architecture interne des testeurs et les cartes (circuits imprimés) sur lesquelles sont montées les circuits à tester. Figure 5. Distribution cumulée en fonction du temps d expérience (exprimé en Mbit h) des erreurs détectées (bit flips) dans les circuits mémoires 65 nm sous test pour les expériences en altitude et souterraine. Les distributions des erreurs simples (Single Bit Upset ou SBU) et multiples (Multiple Cell Upset ou MCU) pour l expérience en altitude sont également représentées. 6 Mars 2010

11 La plateforme ASTEP du Plateau de Bure. Tests en environnement radiatif naturel de composants et circuits électroniques Tableau 2. Synthèse des expériences en altitude et souterraine concernant les mémoires SRAM Single-Port 65 nm testées. La figure 5 montre le nombre cumulé de basculements de points mémoires élémentaires (bit flips) détectés dans SP-SRAM en fonction de la durée de test (exprimée en Mbit heure) à la fois pour les tests en altitude et en souterrain. Etant donné que les deux expériences ont été lancées à des dates différentes, le nombre de Mbit h cumulés en altitude (3, Mbit h) est supérieur à la valeur atteinte dans l expérience en souterrain (2, Mbit h). Une analyse des données résumées dans le tableau 2 montre que pour l expérience en altitude, un total de 57 événements (impliquant 90 basculements de cellule) a été détecté, dont 41 basculements élémentaires de cellules (MBU) et 16 basculements multiples (MCU). Il est important de noter qu aucun SEL ou micro-latchup 5 n a été détecté. Les événements multiples impliquent un total de 49 basculements de cellules qui sont dans tous les cas physiquement adjacentes avec une multiplicité allant de 2 à 7 (cluster de cellules dans les deux directions x et y 5 Un micro-latchup est un courant de conduction parasite entre deux transistors adjacents. L augmentation graduelle de ce courant de fuite au cours du temps peut conduire au déclenchement d un latchup, défini précédemment. du plan mémoire). La répartition de ces MCU est donnée dans la figure 6. Cette contribution des MCU représente 16/57 = 28 % des événements détectés et 49/90 = 54 % du nombre total de basculements de cellule détectés, confirmant par le biais d une expérience en temps réel l importance des mécanismes MCU dans une telle technologie fortement submicronique. Pour l expérience souterraine, seulement 16 événements (impliquant 27 basculements de cellule) ont été enregistrés, correspondant à 11 SBU et 5 MCU (16 basculements de cellule). La fraction de MCU est égale, dans ce cas, à 31 % des événements détectés et 59 % du nombre total de basculements. Dans ce cas également, aucun événement SEL n a été détecté. La cohérence des données expérimentales avec un processus d apparition des erreurs aléatoire a été vérifiée pour l expérience en altitude (le nombre de basculements est statistiquement représentatif) en termes de distribution statistique de basculements 0 1 et 1 0 et la cartographie des erreurs dans le plan mémoire : la fréquence des basculements est proche de 50 % pour chaque transition et les basculements sont distribués aléatoirement dans le plan mémoire, sans effet de Mars

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