CONTRIBUTION À L'ÉTUDE DU PHÉNOMÈNE DE LATCHUP INDUIT DANS LES CIRCUITS INTÉGRÉS EMBARQUÉS DANS UN ENVIRONNEMENT RADIATIF SPATIAL

APPLIED PHYSICS CONTRIBUTION À L'ÉTUDE DU PHÉNOMÈNE DE LATCHUP INDUIT DANS LES CIRCUITS INTÉGRÉS EMBARQUÉS DANS UN ENVIRONNEMENT RADIATIF SPATIAL NADJIM MERABTINE, DJAOUIDA SADAOUI, MALEK BENSLAMA Laboratoire Electromagnétisme et Télécommunications, Département d Electronique. Faculté des Sciences de l Ingénieur Université de Constantine, Algérie Na_merabtine@hotmail.com Received August 4, 2006 Les équipements électroniques fonctionnant en milieux hostiles peuvent subir, outre les défaillances dues au vieillissement normal des composants, des dégradations provoquées par le milieu dans lequel ils sont utilisés. L interaction des particules rencontrées dans un environnement radiatif avec les matériaux constitutifs d un circuit intégré peut induire des défaillances perturbant la fonctionnalité de celui-ci, voire conduisant à sa destruction. L étude des effets des radiations sur les circuits intégrés et en particulier l effet de latchup a donc pour enjeu la fiabilité des systèmes électroniques soumis à une irradiation. L objectif de ce travail sera focalisé sur l étude du phénomène de Latchup induit dans les composants embarqués. Mots-Clés: Radiations ionisantes, ions lourds, Evènements singuliers, SEL (Single Event Latchup). 1. INTRODUCTION Les systèmes embarqués dans l'espace, l'électronique à proximité d'explosions nucléaires ou des faisceaux dans les accélérateurs de particules, les robots d'intervention dans les centrales nucléaires et dans les usines de traitement des déchets nucléaires, sont tous soumis à des radiations. Les rayonnements interagissent avec les matériaux constituant les composants électroniques, provoquant des défauts dont la nature dépend du type de particules présentes dans leur environnement. Les effets des radiations sur les composants électroniques peuvent être diffus, dus le plus souvent à la dose intégrée créée par des particules légères (protons, électrons), ou localisés, dus à des effets singuliers produits par des particules lourdes de forte énergie. Dans son ensemble, cette étude vise, pour un système et un environnement donnés, à déterminer les mécanismes de défaillances possibles, à évaluer leur Rom. Journ. Phys., Vol. 52, Nos. 1 2, P. 119 129, Bucharest, 2007

120 Nadjim Merabtine, Djaouida Sadaoui, Malek Benslama 2 probabilité et, si nécessaire, à proposer des solutions permettant de garantir un certain niveau de fiabilité du système en question. Le test des circuits intégrés est une phase essentielle à chacune de ces étapes. 2. L ENVIRONNEMENT RADIATIF SPATIAL En milieu radiatif, le comportement d un composant électronique dépend notamment de la nature et du flux du rayonnement incident. Le domaine spatial est certainement le plus complexe est le plus contraignant en matière de fiabilité des circuits intégrés. La grande variété des particules et la quasi inaccessibilité des systèmes au cour de leur mission contribuent à faire de la spécification une étape à la fois délicate et cruciale. La complexité de l environnement spatial provient du fait qu il comporte quatre composantes qui interagissent entre elles et avec la magnétosphère de la terre [1]. Les ceintures de radiations : Elles sont constituée de particules chargées légères piégées dans la magnétosphère terrestre. On distingue une ceinture interne et une ceinture externe composées essentiellement de protons et d électrons. Leur énergie est comprise entre quelques dizaines de KeV et plusieurs centaines de MeV, avec des flux localisés dans la ceinture interne atteignant 109 protons/m 2 /s. parmi les particules piégées dans la magnétosphère, des ions lourds faiblement ionisés ont également été découverts. Le rayonnement cosmique : Les rayons cosmiques sont des particules chargées très énergétiques provenant de l extérieur du système solaire. Ils sont principalement constitués de protons, de particules α et de tous les éléments ayant un numéro atomique compris entre 1 et 92. leur flux est très faible mais étant constitué de particules hautement énergétiques (plusieurs centaine de GeV). Ils ont des parcours important dans la matière, ils peuvent traverser les blindages et même les satellites de part en part. Le vent solaire : composé principalement de protons et d électrons de basse énergie (qq KeV). Ces particules ne sont pas susceptibles d induire des perturbations dans les composants embarqués, elles peuvent cependant être à l origine d anomalies de fonctionnement au niveau des systèmes électroniques lorsque des décharges électrostatiques se produisent au niveau des revêtements de contrôle thermique des satellites [2]. Les éruptions solaires: elles peuvent être de deux types. Les éruptions riches en protons qui ont un spectre d énergie pouvant aller jusqu à une centaine de MeV et les éruptions solaires à ions lourds qui ont un spectre en énergie allant de quelques dizaines à quelques centaines de MeV. Si le spectre est moins dur ici que pour les rayons cosmiques, le flux d ions peut être en revanche 100 à 1000 fois plus important.

3 Contribution à l étude du phénomène de Latchup 121 3. INTERACTION PARTICULES SEMICONDUCTEUR Les particules naturelles interagissant avec les circuits intégrés sont essentiellement les photons, les électrons, les protons et les ions lourds. Nous proposons de décrire brièvement la manière dont ces particules agissent sur les matériaux composant les circuits intégrés. A. INTERACTION AVEC LES PARTICULES CHARGÉES Il s agit des protons ; des particules alpha et des ions. Plus les particules ont une masse et une énergie importante, plus elles provoquent de dommages. Les protons s avèrent avoir un pouvoir ionisant insuffisant pour provoquer des effets directs mais ils peuvent produire des interactions nucléaires en interagissant avec les noyaux rencontrés. Les particules chargées (ion et particules alpha) sont les plus dangereuses ; elles sont responsables de SEEs tel que le latch-up et le SEU. B. INTERACTION AVEC LES NEUTRONS Les neutrons ne produisent pas de façon directe des SEEs car ils sont électriquement neutres. Cependant, ils ont des effets indirects importants. Le neutron est une particule ayant une masse, mais pas de charge électrique, il ne peut être décéléré ou arrêté que lors d une collision, des phénomènes différents peuvent survenir ; phénomènes qui ont pour conséquence soit la déformation du réseau matériel avec des atomes qui quittent la maille cristalline, émissions secondaires de rayons ou de particules alpha selon l énergie incidente du neutron [3]. Ce fut seulement en 1992 que les premiers SEEs dus aux neutrons ont été observé dans les mémoires SRAMs. 4. EFFETS DES RADIATIONS SUR LES COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES L'exposition des circuits intégrés aux radiations provoque différents phénomènes pouvant entraîner des anomalies dont la gravité dépend du type de rayonnement incident et du type de circuit exposé et sa technologie de conception (bipolaire, CMOS,...). Parmi les radiations, celles ayant une haute énergie peuvent agir sur les atomes ou molécules constituants de la matière des équipements embarqués à bord des véhicules spatiaux [4]. Cette action se manifeste, dans le cas des circuits intégrés, par deux types de phénomènes : effets de dose cumulée dus principalement aux particules légères et événements singuliers provoqués par un dépôt local d'énergie dû à l'ionisation tout au long du parcours d'un ion lourd (création de paires électron-trou).

122 Nadjim Merabtine, Djaouida Sadaoui, Malek Benslama 4 A. L EFFET DE DOSE L'effet de dose due aux particules légères faiblement énergétiques est une accumulation de charges au niveau des oxydes et des interfaces dans les composants. Il en résulte des effets tels que la diminution de la mobilité des porteurs et la création d'un champ électrique parasite. Dans le cas de la technologie MOS cela se traduit par des déplacements des tensions de seuil, des courants de fuite et une moins bonne immunité au bruit. Les composants analogiques ne sont pas ou sont peu utilisés en environnement radiatif, car un faible dépôt d'énergie peut modifier sensiblement leur comportement. Ainsi, dans le cas des composants numériques, les effets de dose conduisent à des dérives paramétriques permanentes qui limitent la durée de vie du composant et parfois même du système. Ces effets peuvent être minimisés par blindage (protection par une feuille d'aluminium) et par l'utilisation de technologies appropriées (dites durcies). Dans le cas des équipements spatiaux, on fait en sorte que la durée de vie des composants soit supérieure à la durée de la mission. Les effets de dose ne sont alors pas critiques pour sa réussite. B. LES ÉVÉNEMENTS SINGULIERS Les effets singuliers, regroupés sous le sigle SEP (Single Event Phenomena), correspondent aux phénomènes déclenchés par le passage d'une particule unique. Le plus souvent, il s'agit de particules chargées et fortement énergétiques, telles que des ions lourds ou des protons énergétiques. On peut distinguer deux classes d'effets singuliers, les défauts transitoires ou erreurs logicielles (SEU) et les dégradations permanentes ou erreurs matérielles (SEL). 1) Le phénomène de Single Event Upset (SEU) correspond au changement d'état logique d'un point mémoire suite au passage d'une particule unique. Ce changement accidentel de niveau logique dans une mémoire est réversible (le point mémoire pourra être corrigé par le processus normal d'écriture) et ne conduit pas à la destruction du composant. De manière générale, tout composant électronique possédant des points de mémorisation est sensible au SEU [5]. 2) Le phénomène de Single Event Latchup (SEL) est un bien connu est dû à la mise en conduction involontaire d une succession de jonctions PNPN formant un thyristor parasite entre l alimentation et la masse. Le déclenchement de thyristor parasite provoque un court-circuit entre l alimentation et la masse du circuit intégré qui peut être destructif. Son étude est l'objet de cet article [6]. 5. PHENOMENE DE LATCHUP Un Single Event Latchup' est la mise en conduction d'un thyristor (structure PNPN) parasite présent dans tous les circuits intégrés CMOS [1, 7, 8], comme représenté sur la Fig. 1.

5 Contribution à l étude du phénomène de Latchup 123 Fig. 1 Phénomène de latchup dans les circuits intégrés. Une impulsion transitoire de courant produite par l'impact d'une particule lourde peut amorcer la mise en conduction d'un tel thyristor parasite, qui en condition normale est inactif. Le latchup crée un chemin de conduction parasite direct entre la masse et l'alimentation et, par conséquent, cause un échauffement supplémentaire important dans le circuit et entraîne une forte augmentation de la consommation. Le court circuit engendré peut conduire à la destruction du circuit si le courant de l alimentation n est pas contrôlé. Le désamorçage de cet effet passe généralement par une coupure de l alimentation et entraîne donc une réinitialisation du circuit [9]. Le phénomène de latchup joue un rôle très important surtout pour les systèmes spatiaux. L évolution technologique augmente la sensibilité au latchup des futurs circuits intégrés, et le phénomène s avère de plus en plus gênant dans les circuits à faible tension d alimentation et à faible consommation. Parfois, le phénomène de latchup peut entraîner de faible changement de consommation de courant dans les circuits. Alors, les tests logiques ou les tests I DDQ ne peuvent pas les détecter pace que le circuit ne présente pas d erreur ni de fautes détectables dans un test de courant. 6. MOYENS D ACTION FACE AUX EFFETS DES PARTICULES Un moyen de faire face aux risques des radiations consiste à minimiser la probabilité d apparition des effets qui leurs sont dus. Compte tenu de la gravité des effets des ions lourds sur l électronique, des moyens d action face aux radiations s avèrent nécessaires. Nous distinguons les moyens de prévention et les moyens de prévision.

124 Nadjim Merabtine, Djaouida Sadaoui, Malek Benslama 6 A. MOYENS DE PRÉVENTION De nombreuses techniques ont été développées pour limiter la sensibilité des composants aux différents effets des radiations ou atténuer l impact des défaillances sur le fonctionnement global d un système. On peut distinguer les techniques de «durcissement» selon le niveau auquel elles interviennent. An niveau initial, les technologies semi-conducteur sur isolant (Silicon On Insolator : SOI) permettent de limiter le volume d interaction particule-semiconducteur, et donc la quantité de charge collectés. Dans le technologies GaAs, la croissance à basse température (Low temperature Ga As : LTGa As) permet de limiter la durée de vie des porteurs générés. Au niveau du dessin des masques (layout), on peut citer notamment les anneaux de garde issu des protections au Latchup, ainsi que les transistors fermés «edgeless». Au niveau circuit, de nombreuses solutions originales ont été proposées, notamment pour le durcissement des cellules mémoires statiques ou dynamiques. Enfin au niveau système, on utilise couramment plusieurs techniques des circuits de surveillances contrôlent le courant d alimentation, ou le flux de données d un processeur («watchdogs») des codes embarqués de détection et de correction d erreurs (Error Detection and Correction Code : EDAC, or Error Correction Code : ECC) permettent dans une certaine mesure, de rétablir des données corrompus [10]. B. MOYENS DE PRÉVISION Tous les moyens de prévention précédemment cités ne permettent pas à priori une immunité totale face aux SEE s et en particulier aux latchups. Un moyen d'assurer un fonctionnement et une durée de vie optimaux à une mission spatiale est, de prendre les précautions maximales de protection. Pour cela, des tests au sol et un calcul de prédiction sont nécessaires. Une fois un composant caractérisé, il est alors possible de l'éliminer s'il est trop sensible ou de prévoir les actions adéquates (watchdog timer, reset périodique,...) afin de diminuer les risques en orbite. Une étude statistique des défaillances induites par les radiations permet, dans une première approche, de dégager des informations quant à la fiabilité d une famille de circuits dans un environnement radiatif déterminé. Cependant, l évaluation prédictive de la fiabilité (i.e. la spécification) d un système nécessite la connaissance des paramètres indicateurs de la sensibilité aux SEE des circuits utilisés. La caractérisation expérimentale a pour objectif de définir et de mesurer ces paramètres.

7 Contribution à l étude du phénomène de Latchup 125 Le coût des tests SEL expérimentaux est extrêmement élevé et s ajoute à celui, non négligeable de la fabrication des composants à tester. D ailleurs, les applications commerciales ne peuvent pas se permettre un coût très élevé de conception et de processus technologiques. D autres précautions doivent donc être prises en compte au niveau du système. Il est donc indispensable de pouvoir évaluer la sensibilité d un circuit au système et de décider du niveau de protection nécessaire pour ne pas augmenter le coût du système de façon injustifié. Pour ce faire, des simulations de l impact d une particule énergétique avec des calculs de prédictions sont nécessaires. Une fois qu un circuit ou un composant est caractérisé, il devient possible soit de l éliminer, soit de prévoir les actions adéquates, pour diminuer les risques lorsque ces systèmes fonctionnent dans l espace ou dans des environnements à risques. MOYENS DE SIMULATION DES LATCHUPS La simulation de latchup au sol, appelée aussi «test aux ions lourds» consiste à exposer le circuit à caractériser à un rayonnement qui soit aussi représentatif que possible de celui qu'il rencontrera durant son utilisation finale (mission spatiale). L'évaluation sous ambiance radiative du comportement des circuits intégrés, soulève différents problèmes. Le premier est la reproduction de l'environnement spatial par un faisceau de particules (ions lourds, électrons, protons) similaire à celui rencontré dans l'espace. Il est aussi nécessaire de développer un environnement électronique faisant l'interface entre le circuit sous test et le monde extérieur durant son irradiation et collectant les résultats, il s'agit du système de test. Enfin, une stratégie de test destinée à évaluer la sensibilité du composant doit être développée [11]. Le but de tels tests est d'obtenir une caractérisation de la sensibilité face aux latchup du circuit étudié et cela pour différentes valeurs de LET, afin de déterminer la courbe de section efficace. La mesure de la section efficace est effectuée tout en contrôlant les paramètres d expérience que sont les conditions d irradiation et les paramètres électriques du circuit. Le LET est le seul paramètre de l ion conditionnant la réponse du circuit [12]. On mesure donc la section efficace pour plusieurs valeurs du LET, obtenu en changeant l énergie et le type des ions (ainsi que l angle d incidence)[3]. Les points expérimentaux sont généralement ajustés par une distribution de weibull de la forme : S ( ) ( LET ) 1 Exp( ( LET L ) W ) σ =σ 0 0 La Fig. 2 présente la section efficace de latchup en fonction du LET pour la LCA200K Gate Array.

126 Nadjim Merabtine, Djaouida Sadaoui, Malek Benslama 8 Fig. 2 Section efficace de latchup en fonction du LET pour la LCA200K Gate Array. La charge générée par un ion à incidence normale dans un volume de profondeur d est donnée par : Qn = L d (1) Où L est le LET est exprimé en charge par unité de longueur. Dans le cas général d un ion incident avec un angleα, l ion dépose une charge Qθ Q n. Afin d obtenir une forme similaire à (1), on définit le LET effectif : Tel que : Leff n = L cosθ (2) Q = L d (3) eff Ainsi, si l on suppose que la sensibilité d un circuit est uniquement fonction de la quantité de charge générée sur une certaine profondeur, on peut augmenter le LET «vu» par le circuit en l inclinant par rapport au faisceau incident. Cette méthode est fréquemment utilisée pour accroître le nombre de valeurs de LET accessibles sans augmenter le nombre de couples ion-énergie (Zi, Ei) utilisés. Les angles utilisés s étendent couramment jusqu à 60. L utilisation de LETs effectifs pour tracer la courbe σ ( LET ) paraît cependant hasardeuse. D après Koga, [13] cette pratique devrait être proscrite pour des circuits fortement intégrés. Des simulations numériques ont en effet montrés

9 Contribution à l étude du phénomène de Latchup 127 que la dépendance du LET seuil en fonction de l angle ne pouvait se résumer à une simple loi en 1 cosθ pour des angles supérieur à 30. Les points obtenus pour des angles trop importants peuvent introduire des discontinuités dans la courbe de section efficace. Ils doivent alors être corrigés via une modélisation avancée, ou être faiblement pondérés lors du processus d exploitation de la courbe. L augmentation avec l angle d incidence de l épaisseur de couches supérieures traversée constitue une source d incertitude supplémentaire associée à l utilisation du LET effectif. Fig. 3 Section efficace de latchup en fonction du LETeffectif pour la 128 Mb Sumsung SDRAM. En dehors de la méthode du LET effectif, l étude de la dépendance angulaire de la sensibilité d un circuit permet une modélisation plus fine des mécanismes de défaillances. CONCLUSION Des radiations sont présentes dans l'environnement spatial et sont dues essentiellement à deux types de particules: les particules lourdes et les particules légères. Elles interagissent avec les composants électroniques embarqués et peuvent conduire, sous certaines conditions, à leurs défaillances fonctionnelles.

128 Nadjim Merabtine, Djaouida Sadaoui, Malek Benslama 10 Ces dernières résultent en particulier des effets de la dose cumulée et des effets singuliers des ions lourds et peuvent être catastrophiques sur le système entier, notamment si la partie de l'engin affectée par les particules est vitale (système de contrôle par exemple). D'ou la nécessite d'étudier les différents moyens d'actions, au niveau des composants ou au niveau système, permettant de faire face aux effets des rayonnements. Deux techniques sont utilisées, la prévention et la prévision, la première consiste a minimiser la probabilité d'apparition de ces effets tandis que la seconde consiste à calculer le taux d'erreurs en mission des composants candidats, à partir d'une simulation au sol (test aux ions lourds) et d'un moyen de calcul de prédiction. Les tests aux ions lourds nécessitent de disposer de moyens de simulation de l'environnement radiatif, des systèmes de test permettant d'interfacer le circuit sous test ainsi que des stratégies de test destinées a déterminer sa sensibilité. REFERENCES 1. E. Walter and F. Norman, Combining Single-Event Latchup and Reliability Requirements for Space Vehicles, Proceedings Annual Reliability and Maintainability Symposium, IEEE 1995. 2. N. Buchanan, D. M. Guingritch, Proton induced Radiation Effects On a Xilins FPGA and Estimates of SEE in the ATLAS Environment, Center of Subatomic Research University of Alberta, Edmonton, AB, Canada, TRIUMF, Vancouver, BC, Canada, April 24, 2001. 3. P. Shaneyfelt, James R. Schwank, and Gerald L. Hash, Neuron- induced LATCHUP in SRAMq at Ground Level, IEEE 3CH37400. 41st Annual International Reliability Physics Symposium, Dallas, Texas, 2003. 4. Dj. Sadaoui, N. Merabtine, A. Benslama, M. Benslama, Effets des Radiations Ionisantes sur les Composants Electroniques Embarqués à bord de Satellites, 1 er Congrès International sur le Génie Electrique Octobre 2004 UFA Sétif, Algérie. 5. D. Binder, E. C. Smith et A. B. Holman, Satellite anomalies from galactic cosmic rays, IEEE Transactions on Nuclear Science, NS-22, N 6, pp. 2675 2680, décembre 1975. 6. S. Baffreau, Suseptibilite des micros controleurs aux agréssions électromagnétiques, thèse de doctorat en électronique de l Institut Nationale des Sciences appliques de Toulouse 2004. 7. P. James Spratt, James C. Pickel, E. Leadon, Steven C. Moss, and D. Stephen, A Single Event Latchup Suppression Technique for COTS CMOS Ics, IEEE, Transactions on Nuclear Science, vol. 50, no. 6, December 2003. 8. Dj. Sadaoui, A. Benslama et M. Benslama, Etude de l Aléa Logique (SEU) Induit Dans Les Mémoires SRAM, 3 rd Internationalrnational Conference: Sciences of Electronic, Technologies of Information and Telecommunications March 27 31, 2005 TUNISIA. 9. Fred W. Sexton, Destructive Single-Event Effects in Semiconductor Devices and ICs, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 50, no. 3, June 2003. 10. J. C. Boudenot, L environnement spatial, Ed. Presses Universitaires de France, Collection «Que sais-je?», Octobre 1995. 11. S. Buchner I, L. Tran J. Mann I, T. Turflinger, D. McMoitow, A. Campbell, and C. Dozier, Single-Event Eeffects in Resolver-to-Digital Converters, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 46, no. 6, December 1999. 12. E. Normand, Extensions of the FOM Method Proton SEL and Atmospheric Neutron SEU, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 51, no. 6, December 2004.

11 Contribution à l étude du phénomène de Latchup 129 13. G. Bruguier and J-M. Palau, Single Particle-Induced Latchup, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 43, no. 2, April, 1996. 14. M. S. Gussenhoven et E. G. Mullen, Space Radiation Effects Program: An Overview. 15. R. Koga, Single-Event Effect Ground Test Issues, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 40, no. 2, 1993, pp. 221 227. IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 43, no. 2, 1996, pp. 661{670. 16. M. Huhtinen, F. Faccio, Computational Method to Estimate Single Event Upset Rates in an Accelerator Environment, CERN, CH-1211 Geneva 23, Switzerland, Preprint submitted to Elsevier Preprint 11 October 1999. 17. E. Normand, Single-event effects in avionics, IEEE Trans.Nucl. Sci., vol. 43, no. 2, pp. 461 474, April 1996.