contribution à l'étude du phénomène de latchup induit dans les

APPLIED PHYSICS

CONTRIBUTION À L'ÉTUDE DU PHÉNOMÈNE DE LATCHUPINDUIT 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’IngénieurUniversité de Constantine, Algérie

[email protected]

Received August 4, 2006

Les équipements électroniques fonctionnant en milieux hostiles peuvent subir,outre les défaillances dues au vieillissement normal des composants, des dégradationsprovoquées par le milieu dans lequel ils sont utilisés. L’interaction des particulesrencontrées dans un environnement radiatif avec les matériaux constitutifs d’uncircuit intégré peut induire des défaillances perturbant la fonctionnalité de celui-ci,voire conduisant à sa destruction. L’étude des effets des radiations sur les circuitsintégrés et en particulier l’effet de latchup a donc pour enjeu la fiabilité des systèmesélectroniques soumis à une irradiation. L’objectif de ce travail sera focalisé surl’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 proximitéd'explosions nucléaires ou des faisceaux dans les accélérateurs de particules, lesrobots d'intervention dans les centrales nucléaires et dans les usines detraitement des déchets nucléaires, sont tous soumis à des radiations. Lesrayonnements interagissent avec les matériaux constituant les composantsélectroniques, provoquant des défauts dont la nature dépend du type departicules présentes dans leur environnement.

Les effets des radiations sur les composants électroniques peuvent êtrediffus, dus le plus souvent à la dose intégrée créée par des particules légères(protons, électrons), ou localisés, dus à des effets singuliers produits par desparticules lourdes de forte énergie.

Dans son ensemble, cette étude vise, pour un système et un environnementdonnés, à déterminer les mécanismes de défaillances possibles, à évaluer leur

Rom. Journ. Phys., Vol. 52, Nos. 1–2 , P. 119–129, Bucharest, 2007

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probabilité et, si nécessaire, à proposer des solutions permettant de garantir uncertain niveau de fiabilité du système en question. Le test des circuits intégrés estune phase essentielle à chacune de ces étapes.

2. L’ENVIRONNEMENT RADIATIF SPATIAL

En milieu radiatif, le comportement d’un composant électronique dépendnotamment de la nature et du flux du rayonnement incident. Le domaine spatialest certainement le plus complexe est le plus contraignant en matière de fiabilitédes circuits intégrés. La grande variété des particules et la quasi inaccessibilitédes systèmes au cour de leur mission contribuent à faire de la spécification uneétape à la fois délicate et cruciale. La complexité de l’environnement spatialprovient du fait qu’il comporte quatre composantes qui interagissent entre elleset avec la magnétosphère de la terre [1].

• Les ceintures de radiations : Elles sont constituée de particules chargées légèrespiégées dans la magnétosphère terrestre. On distingue une ceinture interne etune ceinture externe composées essentiellement de protons et d’électrons.Leur énergie est comprise entre quelques dizaines de KeV et plusieurscentaines de MeV, avec des flux localisés dans la ceinture interne atteignant109 protons/m2/s. parmi les particules piégées dans la magnétosphère, des ionslourds faiblement ionisés ont également été découverts.

• Le rayonnement cosmique : Les rayons cosmiques sont des particules chargéestrès énergétiques provenant de l’extérieur du système solaire. Ils sont princi-palement constitués de protons, de particules α et de tous les éléments ayantun numéro atomique compris entre 1 et 92. leur flux est très faible mais étantconstitué de particules hautement énergétiques (plusieurs centaine de GeV).Ils ont des parcours important dans la matière, ils peuvent traverser lesblindages et même les satellites de part en part.

• Le vent solaire : composé principalement de protons et d’électrons de basseénergie (qq KeV). Ces particules ne sont pas susceptibles d’induire desperturbations dans les composants embarqués, elles peuvent cependant être àl’origine d’anomalies de fonctionnement au niveau des systèmes électroniqueslorsque des décharges électrostatiques se produisent au niveau des revête-ments de contrôle thermique des satellites [2].

• Les éruptions solaires: elles peuvent être de deux types. Les éruptions richesen protons qui ont un spectre d’énergie pouvant aller jusqu’à une centaine deMeV et les éruptions solaires à ions lourds qui ont un spectre en énergie allantde quelques dizaines à quelques centaines de MeV. Si le spectre est moins durici que pour les rayons cosmiques, le flux d’ions peut être en revanche 100 à1000 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 essen-tiellement les photons, les électrons, les protons et les ions lourds. Nousproposons de décrire brièvement la manière dont ces particules agissent sur lesmatériaux composant les circuits intégrés.

A. INTERACTION AVEC LES PARTICULES CHARGÉES

Il s’agit des protons ; des particules alpha et des ions. Plus les particules ontune masse et une énergie importante, plus elles provoquent de dommages. Lesprotons s ‘avèrent avoir un pouvoir ionisant insuffisant pour provoquer des effetsdirects mais ils peuvent produire des interactions nucléaires en interagissant avecles noyaux rencontrés. Les particules chargées (ion et particules alpha) sont lesplus 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 sontélectriquement neutres. Cependant, ils ont des effets indirects importants. Leneutron est une particule ayant une masse, mais pas de charge électrique, il nepeut être décéléré ou arrêté que lors d’une collision, des phénomènes différentspeuvent survenir ; phénomènes qui ont pour conséquence soit la déformation duréseau matériel avec des atomes qui quittent la maille cristalline, émissionssecondaires 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 étéobservé dans les mémoires SRAMs.

4. EFFETS DES RADIATIONS SUR LES COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES

L'exposition des circuits intégrés aux radiations provoque différentsphénomènes pouvant entraîner des anomalies dont la gravité dépend du type derayonnement incident et du type de circuit exposé et sa technologie deconception (bipolaire, CMOS, ...). Parmi les radiations, celles ayant une hauteénergie peuvent agir sur les atomes ou molécules constituants de la matière deséquipements embarqués à bord des véhicules spatiaux [4]. Cette action semanifeste, dans le cas des circuits intégrés, par deux types de phénomènes :effets de dose cumulée dus principalement aux particules légères et événementssinguliers provoqués par un dépôt local d'énergie dû à l'ionisation tout au longdu parcours d'un ion lourd (création de paires électron-trou).


A. L’EFFET DE DOSE

L'effet de dose due aux particules légères faiblement énergétiques est uneaccumulation de charges au niveau des oxydes et des interfaces dans lescomposants. Il en résulte des effets tels que la diminution de la mobilité desporteurs et la création d'un champ électrique parasite. Dans le cas de latechnologie MOS cela se traduit par des déplacements des tensions de seuil, descourants de fuite et une moins bonne immunité au bruit. Les composantsanalogiques ne sont pas ou sont peu utilisés en environnement radiatif, car unfaible dépôt d'énergie peut modifier sensiblement leur comportement. Ainsi,dans le cas des composants numériques, les effets de dose conduisent à desdérives paramétriques permanentes qui limitent la durée de vie du composant etparfois même du système. Ces effets peuvent être minimisés par blindage(protection par une feuille d'aluminium) et par l'utilisation de technologiesappropriées (dites durcies). Dans le cas des équipements spatiaux, on fait ensorte 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 EventPhenomena), correspondent aux phénomènes déclenchés par le passage d'uneparticule unique. Le plus souvent, il s'agit de particules chargées et fortementénergétiques, telles que des ions lourds ou des protons énergétiques. On peutdistinguer deux classes d'effets singuliers, les défauts transitoires ou erreurslogicielles (SEU) et les dégradations permanentes ou erreurs matérielles (SEL).

1) Le phénomène de Single Event Upset (SEU) correspond au changementd'état logique d'un point mémoire suite au passage d'une particule unique. Cechangement accidentel de niveau logique dans une mémoire est réversible (lepoint mémoire pourra être corrigé par le processus normal d'écriture) et neconduit pas à la destruction du composant. De manière générale, tout composantélectronique possédant des points de mémorisation est sensible au SEU [5].

2) Le phénomène de Single Event Latchup (SEL) est un bien connu est dûà la mise en conduction involontaire d’une succession de jonctions PNPNformant un thyristor parasite entre l’alimentation et la masse. Le déclenchementde thyristor parasite provoque un court-circuit entre l’alimentation et la masse ducircuit 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.


Fig. 1 – Phénomène de latchup dans les circuits intégrés.

Une impulsion transitoire de courant produite par l'impact d'une particulelourde peut amorcer la mise en conduction d'un tel thyristor parasite, qui encondition normale est inactif. Le latchup crée un chemin de conduction parasitedirect entre la masse et l'alimentation et, par conséquent, cause un échauffementsupplémentaire important dans le circuit et entraîne une forte augmentation de laconsommation. Le court circuit engendré peut conduire à la destruction ducircuit si le courant de l’alimentation n’est pas contrôlé. Le désamorçage de ceteffet passe généralement par une coupure de l’alimentation et entraîne donc uneréinitialisation du circuit [9].

Le phénomène de latchup joue un rôle très important surtout pour lessystèmes spatiaux. L’évolution technologique augmente la sensibilité au latchupdes futurs circuits intégrés, et le phénomène s’avère de plus en plus gênant dansles circuits à faible tension d’alimentation et à faible consommation. Parfois, lephénomène de latchup peut entraîner de faible changement de consommation decourant dans les circuits. Alors, les tests logiques ou les tests IDDQ ne peuvent pasles détecter pace que le circuit ne présente pas d’erreur ni de fautes détectablesdans un test de courant.

6. MOYENS D’ACTION FACE AUX EFFETSDES PARTICULES

Un moyen de faire face aux risques des radiations consiste à minimiser laprobabilité d’apparition des effets qui leurs sont dus. Compte tenu de la gravitédes effets des ions lourds sur l’électronique, des moyens d’action face auxradiations s’avèrent nécessaires. Nous distinguons les moyens de prévention etles moyens de prévision.


A. MOYENS DE PRÉVENTION

De nombreuses techniques ont été développées pour limiter la sensibilitédes composants aux différents effets des radiations ou atténuer l’impact desdéfaillances sur le fonctionnement global d’un système. On peut distinguer lestechniques de « durcissement » selon le niveau auquel elles interviennent.

• An niveau initial, les technologies semi-conducteur sur isolant (Silicon OnInsolator : SOI) permettent de limiter le volume d’interaction particule-semi-conducteur, et donc la quantité de charge collectés. Dans le technologiesGaAs, 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 lesanneaux de garde issu des protections au Latchup, ainsi que les transistorsfermés « edgeless ».

• Au niveau circuit, de nombreuses solutions originales ont été proposées,notamment pour le durcissement des cellules mémoires statiques oudynamiques.

• Enfin au niveau système, on utilise couramment plusieurs techniques descircuits de surveillances contrôlent le courant d’alimentation, ou le flux dedonnées d’un processeur (« watchdogs ») des codes embarqués de détection etde correction d’erreurs (Error Detection and Correction Code : EDAC, orError Correction Code : ECC) permettent dans une certaine mesure, de rétablirdes données corrompus [10].

B. MOYENS DE PRÉVISION

Tous les moyens de prévention précédemment cités ne permettent pas àpriori une immunité totale face aux SEE’s et en particulier aux latchups. Unmoyen d'assurer un fonctionnement et une durée de vie optimaux à une missionspatiale est, de prendre les précautions maximales de protection. Pour cela, destests au sol et un calcul de prédiction sont nécessaires. Une fois un composantcaractérisé, il est alors possible de l'éliminer s'il est trop sensible ou de prévoirles actions adéquates (watchdog timer, reset périodique, ...) afin de diminuer lesrisques en orbite.

Une étude statistique des défaillances induites par les radiations permet,dans une première approche, de dégager des informations quant à la fiabilitéd’une famille de circuits dans un environnement radiatif déterminé. Cependant,l’évaluation prédictive de la fiabilité (i.e. la spécification) d’un système nécessitela connaissance des paramètres indicateurs de la sensibilité aux SEE des circuitsutilisés. La caractérisation expérimentale a pour objectif de définir et de mesurerces paramètres.


Le coût des tests SEL expérimentaux est extrêmement élevé et s’ajoute àcelui, non négligeable de la fabrication des composants à tester. D’ailleurs, lesapplications commerciales ne peuvent pas se permettre un coût très élevé deconception et de processus technologiques. D’autres précautions doivent doncêtre prises en compte au niveau du système. Il est donc indispensable de pouvoirévaluer la sensibilité d’un circuit au système et de décider du niveau de protectionnécessaire pour ne pas augmenter le coût du système de façon injustifié. Pour cefaire, des simulations de l’impact d’une particule énergétique avec des calculs deprédictions sont nécessaires. Une fois qu’un circuit ou un composant estcaractérisé, il devient possible soit de l’éliminer, soit de prévoir les actionsadéquates, pour diminuer les risques lorsque ces systèmes fonctionnent dansl’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 aussireprésentatif que possible de celui qu'il rencontrera durant son utilisation finale(mission spatiale). L'évaluation sous ambiance radiative du comportement descircuits intégrés, soulève différents problèmes. Le premier est la reproduction del'environnement spatial par un faisceau de particules (ions lourds, électrons,protons) similaire à celui rencontré dans l'espace. Il est aussi nécessaire dedévelopper un environnement électronique faisant l'interface entre le circuit soustest et le monde extérieur durant son irradiation et collectant les résultats, il s'agitdu système de test. Enfin, une stratégie de test destinée à évaluer la sensibilité ducomposant doit être développée [11].

Le but de tels tests est d'obtenir une caractérisation de la sensibilité faceaux latchup du circuit étudié et cela pour différentes valeurs de LET, afin dedéterminer la courbe de section efficace.

La mesure de la section efficace est effectuée tout en contrôlant lesparamètres d’expérience que sont les conditions d’irradiation et les paramètresélectriques du circuit. Le LET est le seul paramètre de l’ion conditionnant laréponse du circuit [12]. On mesure donc la section efficace pour plusieursvaleurs du LET, obtenu en changeant l’énergie et le type des ions (ainsi quel’angle d’incidence)[3].

Les points expérimentaux sont généralement ajustés par une distribution deweibull de la forme :

( ) ( )( )( )0 01S

LET Exp LET L Wσ = σ − −

La Fig. 2 présente la section efficace de latchup en fonction du LET pour laLCA200K Gate Array.


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 deprofondeur d est donnée par :

nQ L d= ⋅ (1)

Où L est le LET est exprimé en charge par unité de longueur. Dans le casgénéral d’un ion incident avec un angleα, l’ion dépose une charge .nQ Qθ ⟩ Afind’obtenir une forme similaire à (1), on définit le LET effectif :

coseffL L= θ (2)

Tel que :

n effQ L d= ⋅ (3)

Ainsi, si l’on suppose que la sensibilité d’un circuit est uniquementfonction de la quantité de charge générée sur une certaine profondeur, on peutaugmenter le LET « vu » par le circuit en l’inclinant par rapport au faisceauincident. Cette méthode est fréquemment utilisée pour accroître le nombre devaleurs 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 ( )LETσ paraît cepe-ndant hasardeuse. D’après Koga, [13] cette pratique devrait être proscrite pourdes circuits fortement intégrés. Des simulations numériques ont en effet montrés


que la dépendance du LET seuil en fonction de l’angle ne pouvait se résumer àune simple loi en 1 cosθ pour des angles supérieur à 30°. Les points obtenuspour des angles trop importants peuvent introduire des discontinuités dans lacourbe de section efficace. Ils doivent alors être corrigés via une modélisationavancée, ou être faiblement pondérés lors du processus d’exploitation de lacourbe. L’augmentation avec l’angle d’incidence de l’épaisseur de couchessupérieures traversée constitue une source d’incertitude supplémentaire associéeà l’utilisation du LET effectif.

Fig. 3 – Section efficace de latchup en fonction du LETeffectifpour la 128 Mb Sumsung SDRAM.

En dehors de la méthode du LET effectif, l’étude de la dépendance angulairede la sensibilité d‘un circuit permet une modélisation plus fine des mécanismesde défaillances.

CONCLUSION

Des radiations sont présentes dans l'environnement spatial et sont duesessentiellement à deux types de particules: les particules lourdes et les particuleslégères. Elles interagissent avec les composants électroniques embarqués etpeuvent conduire, sous certaines conditions, à leurs défaillances fonctionnelles.


Ces dernières résultent en particulier des effets de la dose cumulée et des effetssinguliers 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 decontrôle par exemple). D'ou la nécessite d'étudier les différents moyensd'actions, au niveau des composants ou au niveau système, permettant de faireface aux effets des rayonnements.

Deux techniques sont utilisées, la prévention et la prévision, la premièreconsiste a minimiser la probabilité d'apparition de ces effets tandis que laseconde consiste à calculer le taux d'erreurs en mission des composants candi-dats, à partir d'une simulation au sol (test aux ions lourds) et d'un moyen decalcul de prédiction. Les tests aux ions lourds nécessitent de disposer de moyensde simulation de l'environnement radiatif, des systèmes de test permettantd'interfacer le circuit sous test ainsi que des stratégies de test destinées adéterminer sa sensibilité.

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