Effets des neutrons atmosphériques sur les dispositifs microélectronique avancés, normes et applications

10/10/2017
Publication REE REE 2005-9
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-9:20223
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Résumé

Effets des neutrons atmosphériques sur les dispositifs microélectronique avancés, normes et applications

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	    <date dateType="Created">Tue 10 Oct 2017</date>
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m Effets des neutrons atmosphériques sur les dispositifs microélectronique avancés, normes et applications es es Par Jean-Luc LERAY, Jacques BAGGIO, Véronique FERLET-CAVROIS, Olivier FLAMENT CEA-DIF 1. Introduction Durant les trente dernières années, les hommes ont fait confiance à l'électronique, conscients que les systèmes électro- niques seront de plus en plus présents dans l'environnement de tous les jours, qu'ils soient utilisés seuls ou enfouis dans d'autres systèmes. Les applications les plus novatrices visent à créer une « intelligence ambiante » et gérer au mieux la sécurité dans des domaines critiques, comme ceux de l'énergie, de la santé et du transport. La technologie des systèmes électroniques évoluant sans cesse, il est essentiel pour préserver la confiance des utilisateurs que tous les efforts de recherche et industriels soient mis en oeuvre dans le développement de technologies permettant de réaliser des systèmes futurs sûrs tout en restant dans une gamme de coûts compétitifs. 2. Provenance des neutrons atmosphériques et leurs effets sur les dispositifs électroniques Les neutrons atmosphériques sont les produits finaux des interactions entre les rayons cosmiques et l'atmosphère. Les rayons cosmiques interagissent avec les atomes des constituants de l'air et créent des particules isolées comme les protons, neutrons, etc. L'intensité de la radiation est maximale à 20 km d'altitude L'E S S E N T 1 E L On sait depuis les années 80 que les rayons cosmiques ter- restres, peuvent provoquer des fautes de logique dans les circuits intégrés et la destruction de dispositifs de puissance. Les plus courants, dénommés neutrons atmosphériques, de forte énergie, supérieure à 10 mégaélectronvolts, peuvent traverser les murs des bâtiments et à l'intérieur de ceux-ci franchir les enceintes pro- tectrices des équipements et de leurs circuits. Le flux de ces neu- trons s'étend de 10 particues/cml/heure au niveau de la mer à environ 10'particules/cml/heure à 30 000 pieds (10 000 mètres), altitude typique de vol des avions, avec une modulation due aux éruptions solaires, Dans les années 90, ce phénomène s'est de plus en plus accentué comme prévu par la « Roadmap)} des dis- positifs électroniques, spécialement en raison de la réduction d'échelle des transistors élémentaires, de l'augmentation de la bande passante du signal et de l'accroissement de la taille des mémoires DRAM et SRAM utilisées soit séparément, soit enfouies dans des processeurs ou des systèmes sur une puce. L'accroissement du nombre de défaillances et du taux des fautes de logique devenant inacceptables, des normes de test et des solutions de conception ont été établies en vue de maintenir la fiabilité des produits commerciaux et d'améliorer celle d'équipements à haute fiabilité comme les calculateurs d'avions. Après une description des caractéristiques du flux de neutrons atmosphé- riques, cet article présente ses effets sur les principales classes de dispositifs ainsi que le cas spécifique de l'erreur logique iso- lée (SEU : Single Event Upset) provoquée par un seul neutron dans un circuit, ainsi de quelque possibilités de réduction de la probabilité de cet effet. Dans cet article, un modèle est propo- sé, appelé CCPM (Critica ! Cross-point Model). Il permet de construire des graphes explicitant les raisons de l'évolution de la sensibilité des transistors CMOS et CMOS/SOI avec la réduc- tion d'échelle de leurs mailles technologiques. YNOPSIS Since the 80s it is known that Terrestrial Cosmic Rays, mainly reported as Atmospheric Neutrons, can penetrate the natural shielding of buildings, equipments and circuit package and induce Soft Errors in integrated circuits and Breakdown of power devices. The high-energy neutron fluxes of interest, larger than 10 megaelectronvolts, range between 10 particle S/CM2/hour at sea level and lû-'particies/cml/hour at typical airplanes flight altitude of 30 000 feet, with modulation due to Solar Flares. In the 90s the phenomenon has pervaded as a consequence of the roadmap of electronic devices especially the downscaling of transistor dimen- sions, the increase of signal bandwidth and the increase of the size of DRAM and SRAM memory, standalone or embedded on processors and System-on-Chips. Failure-In-Time and Soft Error Rate became unacceptable. Test Standards and design solutions have been proposed to maintain reliability of commercial products and improve those used in special high-reliability equipments such as avionic computers. The paper describes the Atmospheric Neutron flux, the effects in the main classes of devices and spe- cific cases such as neutron induced single event upset observed in CMOS vs. CMOS/SOI and some mitigation issues. ln this paper, a model called CCPM (Critical Cross-Point Modell is propo- sed to provide critical graphs of technology node sensitivity along the scaling trend of CMOS. REE NO 9 Octobre 2005 > L'article invité > Effets des neutrons atmosphériques sur les dispositifs microélectroniques avancés, normes et applications < (environ 60 000 pieds) et diminue progressivement jusqu'au niveau de la mer où le flux de neutrons est encore significatif. A l'altitude de vol d'un avion (environ 10 km), le flux de radiation est de plusieurs centaines de fois supérieur à celui constaté au niveau du sol. On sait que ces effets sont modulés par l'activité solaire, et les corrélations sont enregistrées depuis les années 60 [Holt-66], [Dirk-03]. Aujourd'hui un journal est consacré à cet aspect particulier de la géophysique [SpWeat]. c L'accumulation des charges dans les jonctions est le princi- pal mécanisme qui détermine la sensibilité des circuits intégrés aux radiations. Cette accumulation constatée dans le sillage d'un ion lourd résulte des charges générées dans ou prés de jonctions p-n polarisées en inverse. Comme telle, l'accumulation des charges est due à une unique particule d'où le nom « d'effet singulier » dérivé de l'anglais « Single (Particle) Event » qui a été très modélisée et caractérisée depuis la fin des années 70 [Kirt-79]. Les conséquences des sur-courants qui en découlent, dépendent évidermnent du type de dispositifs (discrets, processeurs, DRAM, SRAM, de puissance, analogiques) et ont fortement évoluées pen- dant les trente dernières années du fait de la réduction d'échelle prédite par la « Roadmap ». Comme dépeint par la suite, les ions lourds devenaient le problème majeur, suivis par ceux posés par les particules alpha, les protons et enfin les neutrons. A la suite de la constatation que le basculement d'un bit dans les circuits électroniques embarqués dans un avion était provoqué par un choc par un rayon cosmique, effet d'abord appelé « Single Event Effect » (SEE), les neutrons atmosphériques ont été reconnus responsables depuis plus de dix ans de certains des incidents dans les systèmes électroniques des avions et des motrices des chemins de fer. Sur ces systèmes, les effets vont de l'altération d'un code ou d'une donnée à la destruction des composants électroniques. 3. Effets ionisants d'un neutron, d'une particule alpha ou d'un proton sur les dispositifs Le choc provoqué par un proton ou une particule alpha sur un atome d'un semi-conducteur, a pour effet de déplacer cet atome. Lorsque l'énergie du neutron incident est suffisante, le premier atome heurté peut provoquer un grand nombre de déplacements d'autres atomes dans le réseau (de l'ordre de 500 pour un neutron de 1 MeV). Ces défauts affectent directement la durée de vie et la mobilité des porteurs minoritaires dans le semi-conducteur, et provoquent une modification des caractéristiques électriques du composant. Les dispositifs optoélectroniques sont plus sensibles, une irradiation neutro- nique de seulement quelques 10 " neLitron/cm2 provoque leur nette dégradation. Le second effet intéressant est l'ionisation localisée causée par une particule le long de sa trace. Sur la fig.l, la particule (proton ou neutron) interagit avec les noyaux des atomes du silicium et chacune de ces interactions produit des particules ionisées secondaires (ions en reculs, protons, particules alpha) qui à leur tour, par ionisation, créent des paires d'électrons- trous (jusqu'à 5.10') dans les isolants et les régions actives des dispositifs semi-conducteurs [Hub-01]. IXC ! SC ! ; C ) j cr 1eu!r;:» / 10 MeV) vont de 10 parti- cules/cm'/heure au niveau de la mer à IO'particuleS/CM2/heureà l'altitude typique de 30 000 pieds de vol des avions, avec une modulation due aux éruptions solaires [Bart-03]. 5. Comparaison entre les effets des ions, neutrons, particules alpha et protons L'efficacité de l'ionisation provenant des particules rencon- trées dans la nature diffèrent fortement. On peut caractériser cette efficacité en l'exprimant en coulomb par micromètre le long des traces des noyaux ionisés. . L'énergie E des ions lourds (Z>2) d'origine spatiale peut prendrede très grandesvaleurs, leur spectrede probabilité en énergie étant en I/E 2; ils causent directement l'ioni- sation le long de sur leur parcours rectiligne (traces). Leur LCD est compris entre 10 et 1000 fC/) J.m avec un spectrede probabilité en I/LET ", dansla gamme de LET de 1 à 100 MeV.cm'/mg [Pete-82]. . Les neutrons atmosphériques ont un spectre en liE jusqu'à 500 MeV. Les neutrons n'interagissent pas de façon coulombienne (leur charge est nulle) mais de façon nucléaire avec les noyaux. A leur tour, les noyaux ou fragments de noyaux mis en mouvement causent l'ionisation le long de leur sillage, de la même façon que les ions lourds cosmiques. L'effet ionisant des neutrons n'est donc qu'indirect. Mais il n'en est pasmoins violent et trèslocalisé,le LCD de cesnoyaux en recul étantd'envi- ron 100fCI/lm (2,5 MeV//lm, ou LET = 10 MeY.cm'/mg) sur une courte trajectoire de 3 tm en moyenne. L'effet d'un seul neutron est donc tout à fait redoutable. . Les particules alpha induites par la radioactivité (énergie de plusieurs MeV) provoquent le long de leur parcours l'ionisation directe, et ont un LCD de 10 fCI/lm (0,25 MeV/im, ou un LET de 1 MeV.cm=/mg) sur un parcours de 30mm en moyenne. On voit donc que l'effet d'un alpha est environ dix fois moins intense que celui d'un neutron. . Les protons de la ceinture de Van Allen ont des énergies allant de quelques keV à plusieurs centainesde MeV ; ils sont ionisants avec deux possibilités : une ionisation directe « bénigne », notamment dans le cas des protons de basse énergie (moins de 10 MeV), conduisant à un LCD de i fCI/lm et LET de 0,0025 MeV//lm, ou une ionisation indirecte « violente » par les protons de haute énergie (plus de 20 MeV) qui provoquent, à l'instar des neutrons, des réactions nucléaires. Dans ce cas, ces ions des fragments de reculs sont puissamment ionisants (LCD de 100 fC/pm et LET de 10 MeY.cm'/mg). 6. Effets de réduction d'échelle (roadmap) Lors d'un basculement logique accidentel (SEU : Single Event Upset) provoqué par les rayons cosmiques, spectre de probabilité du LET en I/LET' et les traces ionisées supposées linéaires ont permis le calcul d'un facteur de mérite, dû à Petersen [Pete-83]. Dès 1983, ce dernier a prédit que le taux du basculement logique en orbite géostationnaire devait être proportionnel à la section efficace de la trace ionisée et à l'inverse du carré de la valeur critique du LET, ou à l'inverse du carré de la charge critique Qcrit. Ce critère ne s'applique pas aux neutrons atmosphériques, parce que leurs schémasd'interaction sont principalement de nature nucléaire puis coulombienne et non simplement coulombienne. Une approche radicalement différente doit donc être développée. REE Nn 9 Octobre 2005 r > L'article invite microélectroniques avancés, normes et applications < Le CCPM (Critical Cross-Point Model), décrit ici, relie les comportements différents de Qcrit et de Qcoll à la réduction d'échelle. Son intérêt est de coupler aisément des schémas d'atténuation des effets à trois niveaux : nucléaire, technolo- gique, et système (ou conception de circuit). 6.1. Effet de la réduction d'échelle sur Qcoll (interaction et collecte de charges) Cet effet n'est pas le même dans le cas des ions lourds et dans celui des neutrons, parce que les ions libèrent de l'énergie d'ionisation d'une manière continue par interaction coulom- bienne avec les électrons dans le solide le long de leurs traces linéaires, tandis que les neutrons libèrent de l'énergie de point en point par interaction nucléaire avec les noyaux des atomes. Autour de chaque point d'ionisation, les produits atomiques secondaires sont des fragments de noyaux dont le parcours est de quelques micrométres avant leur arrêt. Les effets de l'ionisation dans le silicium sont donc limités à un volume sphérique donné (sphère) de quelques micromètres autour de l'interaction spora- dique (fig. 3) [Lamb-04]. 01 O.iPpmJ U.I Spm 190 1 = Neutron 90' 18 () 39E Figure 3. Coiiiparaisoii des voltiiiies ioiiisés daiis le cas des ions lourds et des neutrons En ce qui concerne les neutrons, le basculement logique dépend des positions respectives du transistor et de la sphère ionisée. De ces positions dépend la quantité de charges qui sera transférée (collectée) au transistor (Qcoll). Pratiquement, ceci permet de définir le volume sphérique effectif de collecte des charges autour du transistor (fig. 4). Stet) ndar, iracks eross the fransiclnY frlncicfnY ir-tmittftf ______- NK.,.. ! s.n m.,..-.,.,, < !. -..mr.......ri...i.- *-T--nun.,mnrL 1'<' a f___'''- '', _ _t_ m *y " " -. '''''' " s''' " "' t '' :..,.',.- "' Radiaaotiae atont or lIelltroll rrrrrlear irrteractiort Figtire 4. Modes de collecte de charges dans le voliiiiie sphérique autour du transistor. Pour bien comprendre le phénomène d'ionisation par un flux de neutrons, de deux simulations de Monte Carlo sont en principe nécessaires. L'une relevant de la physique nucléaire donne la probabilité d'une interaction nucléaire avec les noyaux du silicium, et l'autre détermine l'endroit dans le silicium qui sera frappé et quelle quantité de charges sera transférée dans un transistor situé à un autre endroit du fait du dessin du circuit. Un troisième code simule enfin les comportements transitoires du courant et de la tension dans le transistor. Cet enchaînement de codes a été développé et ses simplifications possibles ont fait l'objet d'analyses [Murl-96], [Tosa-971, [Dyer-99], [Roch- 99], [Wrob-01], [Pala-02], [Pala-0 31, [Lamb-04]. 6.2. Effet de réduction d'échelle sur Qcrit (Charge critique des données en mémoire) En CMOS, la charge critique a tendance à se réduire avec la taille de la cellule (avec les corrections prévues par la Roadmap de paramètres comme Vdd, la capacité de l'oxyde de grille) [Lage-93], [Joha-98]. Il en résulte que la réduction est approxi- mativement proportionnelle aux capacités de la grille et des interconnections et à la tension ; elle varie donc au premier ordre comme L. Pour que les particules alpha n'aient pas d'effet sur les DRAM, il faut concevoir ces mémoires de manière que leur LED reste inférieure à 10 fC, parce que leurs capacités externes échappent à la tendance de réduction d'échelle du fait de leur architecture étagée ( « stacked »), et en raison de l'usage de matériau à haut k comme isolant [John-97], [Tosa- 00]. Concernant le CMOS, Intel a publié un catalogue des taux d'erreurs logiques dans les technologies des semi-conducteurs et des produits actuels et futurs, dans l'hypothèse d'une réduction d'échelle agressive [INTEL-01]. re e c 30' j 1 1.9 a .. Zi 7 1 0, ;., 0 .. .1D Il n V^. 4 4 Tableai l. Rédi (ctioti d,échelle seloii [INTEL-01]. Ce tableau extrait de cette étude est approximativement en accord avec les calculs précis (fig. 5) basés sur les paramètres ' ' .............,.. ....,. ....,. ;.... ! i ! i t i i 1 -----) ---- i-----, ! jfi.*') 'r ! < . y !U ! , 'U 'L.'-' ;, l'l' 1 1 7 C^2G; 0 i 6 e', ! ! f'i ! l ",--, -1---' Lg(nanomter) ed'r'-c 3 q.t % l -,n, h- ",7, - Il , li 'rç 1,,p- uiS Figure 5. Calcal Spice.fait sur la cellule élén2entaire d'une SRAM 4-T avec les paramètres ITRSOI. REE NO 9 Octobre 2005 ITRSOI de la Roadmap et effectués sur la cellule élémentaire de la SRAM 4-T supposée excitée par une impulsion brève [Lera-01]. Cet accord justifie pleinement la diminution pro- gressive de la collecte des charges avec la réduction d'échelle. c 6.3. Le CCPM (Critical Cross-Point Madel) En admettant pour simplifier que Qcrit CV e,,,S/t,, V L' et Qcoll longueur de diffusion (ou épaisseur du silicium dans le cas d'un transistor sur isolant « SOI ! ) ==L, on peut porter sur une figure les variations des logarithmes de Qcrit et de Qcoll en fonction de Log L pour une excitation ionisante donnée (femto- coulomb/um). Les deux droites correspondantes se croisent nécessairement en un point qui donne la valeur critique de L pour une technologie et une conception de circuit données. Menatve t 1 L. Techno !ogy noc Figvre 6. S (-héiiici de bcise de I£i CCPM (Ci-ili ( (il Cross-Poiiit Moclel). Ceci est vrai pour un type de technologie donnée (SOI, dopage...) et de conception (transistors et circuits en surface), mais diffère d'un fabricant à l'autre (Qcoll et Qcrit), et pour une excitation donnée (ions lourds fournissant 10 à 1000 fC/um, secondaires en provenance de protons et neutrons de 10 à 20 fC/tm, etc). Les DRAM peuvent être maintenues en dessous de 10 fC à cause de leurs capacités externes, ce qui ne cause pas de pro- blème dans le cas des particules alpha, mais peut en occasion- ner dans le cas des neutrons ou des protons. Les SRAM, les registres de processeurs et les mémoires caches ne peuvent être maintenus en dessous de 10 fC parce qu'ils sont uniquement composés de transistors des plus petites dimensions possibles afin d'obtenir les meilleures performances en vitesse. Dans les grands circuits (SRAM), l'échelle des sections efficaces varie comme WxL [L'I alors que la complexité du circuit est proportionnelle au nombre N de transistors, soit à [L 21 (à surface de circuit constante). Le taux de défaillance d'un circuit exposé aux neutrons pendant un temps donné varie donc comme [L] ", ce qui explique l'observation fréquente que le taux des basculements logiques accidentels exprimé en FIT/Mbit est assez constant. Pour tester ce modèle de réduction d'échelle, des expé- riences sur des neutrons ont été entreprises au Laboratoire national de Los Alamos sur des noeuds technologies de SRAM c commerciales. Trois échantillons en provenance de vendeurs différents ont été choisis comme représentatifs en terme de sensibilité et ne montrant pas de comportements anormaux contrairement aux autres dispositifs également testés (mais non présentés). Toutes ces expériences ont été faites dans les conditions suivantes : mesures statiques, motifs en échiquier (alternant les bits 0 et les bits 1), application de la tension d'alimentation nominale et faisceau en incidence normale. La détection de « latchup » a été utilisée durant toutes les expé- riences pour s'assurer que le taux d'effets accidentels (SER : Single Event Effect) était correctement mesuré. Les expérimentations faites dans les installations du WNR de Los Alamos démontre que le calcul direct du taux de bascu- lements logiques (SEU : Single Event Upset) dans le spectre des neutrons atmosphériques au niveau du sol est en accord avec les normes actuelles [JESD-89]. Le faible flux relatif (comparé aux faisceaux mono-énergétiques utilisés précédem- ment) ne provoque que quelques centaines de basculements logiques par dispositif durant un essai. La déviation standard donnée par o = I/--Jn est égale à 10 % pour 100 basculements. Les résultats en FIT/Mbits (c'est-à-dire en nombre d'erreurs par Mbits en 10'heures) sont présentés tableau 2. La variation de sensibilité avec la réduction de la longueur de grille est en accord avec les données publiées. La décroissance de la charge critique est contrebalancée par la réduction du volume sensible [HaZLI-031. Device B D (1%10s () 5 CNIOS O2 :' CMOSO.18 cnos o_> cTOS o.z ; cvcos o. s _ un m Am j ice Size 1 \lbit 1 -.fbit 4 vfbit ) 1111 11111 um --J R 866 ± 86 8, ; 5 ± 116 (i24 ± 62 1 i Tcibleait 2. Me.sures de SER déiiis les iiistallatioiis de Los Alatiios (WNR) poiti- iiii pectre netiti-oiiiqiie de 10 MeV ci 1 GeV représeiit (itf des coiiditioiis atiiiospliét-iclites aii iiiveati du sol [Laiiib-04]. 6.4. Echelle de complexité et bande passante des circuits et systèmes Comme montré précédemment, la probabilité de bascule- ment logique exprimée en terme de FIT/Mbit paraît assez c constante, ou est rendue constante par les efforts de conception, bien que les prévisions de la Roadmap des systèmes électroniques fassent croître la vitesse d'horloge et la quantité des données mises en mémoire. Pour une classe donnée de systèmes et de produits, l'accroissement de la probabilité de basculement logique (SEU : Single Event Upset) est donc limité, sauf si le système est mal conçu. Ceci est le plus souvent différent lorsqu'on considère le taux d'effets accidentels (SER : Single Event Rate), qui est pro- portionnel à la fréquence du circuit. Comme la bande passante et la vitesse varient comme [L]', la sensibilité croît avec la réduction des dimenstions des technologies [Acte-02], sauf si re c un dispositif correcteur d'erreur (EDAC) est utilisé. REE NO 9 Octobre 2005 > L'article nv ! te i v D > Effets des neutrons atmosphériques sur les dispositifs microélectroniques avancés, normes et applications < t- 1 Ll -------- " --------***---'------------------'- " " " --- "' " ",jj) M " "'S 1 \.-'0.-, j ! 1i) : f 9 ; -'u''- :'t ! - " SU.f Cf CC ?..t Pr » TehIOV Figi (re 7. Illiistrcitioii de tciux d'e.ffets acciclentels (SER) dans des ci-ci (its coiiillexes pot (j- tti cii-cttit à haiite,fréqueiice d'horloge slécialeiiieiit coizçti loiti- , être sensible [Actel-02]. A la fin des années 90 (technologie 0,25 flm et moins), ces effets SEU et SER ont été reconnus comme majeurs concernant la fiabilité des microprocesseurs parce que les SRAM sont obli- gatoirement utilisées dans les mémoires caches et que l'applica- tion d'EDAC y est impossible car ce système pénalise la vitesse. Lorsque la taille de la cellule décroît, la SER augmente généralement en raison de la réduction de la capacité de son noeud et de celle de sa tension de fonctionnement. Une SRAM avec une capacité additionnelle du même type que les capacités MIM (W-Si3N4-TiN) des DRAM a été proposée [Jung-03], ou avec un transistor spécifiquement conçu [Jung-02]. Mais le LIC (Local Interconnections Capacitance) peut faire croître la capa- cité parasite au noeud de stockage des données, ce qui est très utile pour améliorer l'immunité de la SER (Soft Error Rate). C'est enfin l'une des motivations de l'utilisation du SOI pour réaliser des circuits et des processeurs rapides. 6.5. Roadmap des électroniques de puissance Les dispositifs de puissance n'obéissent pas à la prévision usuelle de réduction des dimensions et des tensions. A titre d'exemple moteurs des motrices des chemins de fer demandent plus de puissance électrique, et par conséquent une tension plus élevée. L'augmentation des tensions sensibilise les composants en les exposant au claquage. Cet effet a été constaté par Peter Voss dans les fonctionnements des diodes à haute tension [Norm-97] et des thyristors dès le début des années 90 et confir- mé ensuite [Laie-98], [Shoe-00]. Il a été montré que les neu- trons énergétiques dont le spectre correspond à celui des neu- trons atmosphériques, peuvent provoquer la défaillance acci- dentelle des composants de puissance, et des systèmes électro- niques fonctionnant à tension élevée (plus de 3000 V) même lorsqu'ils sont utilisés à des tensions inférieures à 50 % de la tension nominale. Le taux des défaillances obtenu en laboratoi- re est assez bien corrélé avec le taux de défaillances mesuré (motrices de chemin de fer). Ces résultats mettent en lumière la très forte sensibilité aux effets induits par les neutrons, même au niveau de la mer où pourtant le flux est moins élevé. 7. Réduction des effets ionisants En dessous de Ollpm, la charge critique se réduit suffisam- ment pour que n'importe quel transistor situé dans le volume de la trace de recul de l'ion (environ 3 J.lm) capture une charge (Qcoll) en excès de Qcrit. Comme le montre la fig. 8, la proba- bilité qu'une réaction nucléaire produite par un neutron soit la cause d'une erreur logique est de 100 % lorsque la dimension de la maille technologique décroît suffisamment. 100% Ptobability that a nucteaf réaction of a neutron cause an electronic upsel Qcolf » Qciit Modulation by probability and collection efficiency Qcrit « Qcoll Downsca ! ing ofMOS Upscali,g f V'lge b,g tn Pow,re ctoni,s Technotogy node (in a broad sensa) Figure 8. Croissaiice et satiiration de l'éiiïission d'iiii neutroti. Comme précédemment expliqué, la vulnérabilité d'un circuit aux neutrons dépend d'une suite de trois probabilités : 'La probabilité d'une réaction nucléaire au voisinage du transistor est donnée par la physique nucléaire. 'La probabilité que des reculs d'ions génèrent une impulsion électrique dans le transistor est donnée par la technologie électronique, essentiellement par la conception de l'architecture. 'Et finalement la probabilité que la perturbation se propage et cause une défaillance dépend de la conception du dessin et de la vitesse d'horloge. c La réduction des effets ionisants peut donc se faire en trois étapes comme le montre la figure 9. NUClEAR PlmllCS ProbabMy of e rK « Mw reactm stv in vttf L'article invite > Effets des neutrons atmosphériques sur les dispositifs microélectroniques avancés, normes et applications < pour obtenir une réduction de la probabilité significative est de réduire Qcoll par uneisolation du transistor de manièreà diminuer le nombre des traces de reculs interceptant le volume actif du transistor. Ce principe est aiséà mettre en oeuvreen technologie SOI (Silicon on Insulator) [Gasi-03]. L'avantage du SOI par rapport au silicium massif croît de plus en plus au fur et à mesure de la réduction d'échelle, parce que la section efficace du transistor et le volume de collecte des charges sont généralement beaucoup plus petits en SOI. Mais le SOI n'est pas totalement immunisé, comme rappelé dans [Gasi-03]. Schwank, et al., examine la possibilité d'upsets cau- sés dans différents bits adjacents par le passaged'un seul neu- tron (MBU, Multiple Bit Upset) [Schw-02]. On peut cependant espérer que la section efficace diminuera lorsque la largeur de trait serafortement réduite,par exemple65 nanomètres[Hare-0 1]. [Roch-03] estime cetteamélioration comme atteignant un facteur 10 pour la particule alpha concernant les technologies SOI de 250 nm à 65 nm. Dans le même article, les auteurs confirment ce facteur 10 en faveur du SOI concernant le taux d'erreurs de logiciel dû aux neutrons atmosphériques comme mesuré pour des noeudsde SOI et de silicium massif de 130 et 90 nm. 7.3. Réduction de la probabilité par la conception En dessous de 0,1 lm, le taux des erreurs logiques ne dépend plus de la technologie utilisée ([L] ") et croît avec la fréquence d'horloge. L'utilisation d'EDAC est la seule solution qui permet de contenir le flux de ces erreurs. Il existe de nombreux schémas de conception qui dérivent des deux principales classes suivantes : la redondance spatiale et la redondance temporelles. Un compromis est à trouver entre la surface de silicium utilisée et la performance en vitesse (en plus du temps alloué à la détection et à la correction d'une erreur logicielle ou matérielle) [Baum-02]. Evidemment, chaque système a seslimitations et une stratégie optimale est à définir pour obtenir la meilleure solution pour un type donné de circuit et d'application. 100% Probabillty electronic upset propagatas Precautionary mssura (casi tradaottaj 0 1 Product roadmap (In abroad senssj Figure 7. Réduction de la probabilité au niveau de la conception. La situation du FPGA est particulièrement intéressante, avec les deux casextrêmes suivants : FPGA à mémoire EPROM [Actel-02] et FPGA basé à mémoire SRAM [XILI-03]. Habituellement, les conceptions de FPGA conduisent à desdis- positifs dont les nombreuses ressources ne sont pas utilisées. Un surplus de logique et un meilleur routage peuvent permettre l'insertion d'un système de réduction de la probabilité d'erreur. Maintenant que l'on comprend mieux les modes de défaillances accidentelles, et que l'on dispose d'une solution pour évaluer les types d'erreurs qui seproduisent, les efforts futurs porteront sur des techniques susceptibles d'exploiter les ressourcesinuti- lisées desFPGA pour en améliorer leur fiabilité. Avec les efforts de réduction de la probabilité de défaillances, il est prouvé que jusqu'à maintenant les deux approches satisfont aux besoins de l'avionique [MiIA-04]. 8. Situation courante et risques Les défaillance duesaux radiations (effet SEU) serencontrent dans beaucoup de domaines différents : Avionique : des taux de défaillances d'environ 1 par 100 heures ont été évaluées sur certains calculateurs non spécifi- quement conçus pour les éviter (auto-pilote [Dyer-02]), ce qui dépassede beaucoup les tolérances spécifiées par les directives desconstructeurs d'avions (10'défaillance par heure). Cestaux d'erreurs peuvent avoir de graves conséquencessur des vols de plusieurs heures. Un effort significatif a été entrepris en sur- veillance de l'environnement et en analyse des défaillances accidentelles des systèmes opérationnels [Joha-98]. Des standards existent et sont appliqués par les constructeurs (IEC). Chemins de fer : dans ce domaine, les composantsélectro- niques sont de beaucoupde plus grandesdimensionsparcequ'ils doivent supporter des puissances,tensionset courants beaucoup plus élevés.De cefait, ils sonttrèssensiblesaux effetsdesneutrons atmosphériques,même au niveau du sol où leur flux est faible. L'expériencemontre qu'il devient deplus en plus difficile de main- tenir le taux de défaillancesaccidentellesà moins de 10'à 10 7 par dispositif électriqueet par heure. Automobile : du fait du très grand nombre de véhicules, fonctionnant simultanément, le taux desdéfaillancesaccidentelles par dispositif doit être très faible : des taux de 10'à 10'par heure sont exigés pour les systèmesde conduite et de freinage de l'automobile, et encore moins pour les circuits spécifiques de base(ASIC). Thérapie médicale et instrumentation : en médecine l'utilisation des hadrons (neutrons, protons, ions lourds) est d'un grand intérêt en thérapie du cancer parce que ces par- ticules, mieux focalisées, sont plus efficaces que les rayons X et gamma et provoquent moins de dommage dans les tissus adjacents. Les systèmes électroniques utilisés dans ces centres hospitaliers ont cependant à résister aux effets des neutrons résultant des interactions entre les protons et les murs de la salle. Le problème à résoudre est de même nature que celui posé par les neutrons atmosphériques et sa solution doit nécessai- rement permettre une application sûre de cette thérapie. Les pacemakers ont aussi été reconnus comme vulnérables [Brad-98]. Applications de sécurité : beaucoup d'applications (du trafic aérien aux centrales nucléaires) impliquent l'utilisation de dispositifs électroniques de régulation dont le taux de défaillances doit être nécessairement très faible en raison du très haut risque associé à leurs fonctionnements. Ceci doit être démontré aux autorités de sécurité. Une technologie capable de concevoir des systèmesrobustespar construction est donc cruciale. REE N 9 Octobre 2005 > L'article invité i v > Effets des neutrons atmosphériques sur les dispositifs microélectroniques avancés, normes et applications < Les technologiesde l'information et la e-Société: la dis- ponibilité du e-commerce, les processus « enfouis » conduisent naturellement à desquestionsconcernant la sécurité du stockage des informations sur des mobiles et celle de leurs transmission. Les risques de propriété et financiers sont aussi accrus dans le contexte de la e-société: e-transaction,automaticité de la maison. Quelques donnéesrappellent que ce sujet est omniprésent : en Union européenne,400 millions de citoyens utilisent plus de 200 millions d'automobiles et de camions (300 millions en Amérique, dont 221 millions aux USA), une moyenne de 100 000 personnes voyagent par avion chaque jour, de plus en plus depatientssont soignéspar proton thérapie avecaujourd'hui des implants cardiaques(tels que des pacemakers), desdéfibril- lateurs, des distributeurs internes de médicaments et de futures prothèsesbio artificielles. 9. Panorama des activités de recherche Un programme de travail typique pourrait être organisé c c autour de trois principaux thèmes : Simulation et test (S&T), Composants (Co), Systèmeset Produits (S&P), chacun fournis- sant les informations et outils utilisés par les autres, comme suit. Thème 1 : Simulation et Test (S&T) L'objectif de ce thème est d'établir les bases théoriques nécessairesaux autres thèmes pour qu'ils fournissent produits ou servicesen cohérenceavec les objectifs du programme. Il sera divisé en plusieurs sous-thèmes, centrés sur le développement d'un spectre précis et large d'outils de simulation. L'événement le plus important enregistré au niveau du sol s'est produit en février 1956 où a été observée en Angleterre une augmentation des taux de neutrons par un facteur 50, et beaucoup plus en altitude [Dyer-03b]. Dans le premier thème, la simulation a pour but d'établir l'influence des variations des flux de neutrons cosmiques, sur le taux de défaillances acci- dentelles du niveau de la mer à la haute atmosphère [Bart-03]. Cette science des flux de radiations, d'origine solaire, galac- tique ou extragalactique, est maintenant connue sous le nom de « météorologie spatiale » (ou « SpaceWeather ») [SpWeat]. La rnodélisation précise des environnements de neutrons dépend d'une manière critique des données mesuréesau niveau du sol et en altitude, à des latitudes et des altitudes variées. Il y a un besoin réel d'effectuer une même collecte de donnéesdans les autres domaines d'applications en raison de leurs environ- nementsdifférents et souvent spécifiques [Wund-98], [Joha-98]. L'ensemble de ces résultats préliminaires alimentera alors une basede donnée aboutissant à modèle coiiiplet. Les codes de transport desradiationspeuventcalculer l'influence desradiations sur l'environnement intérieur d'un objet (avion, automobile, implant médical, etc). La structure peut engendrer certains effets de protection, tandis que la thermalisation du flux de neutrons dans l'enceinte peut conduire à accroissement des défaillances accidentellesde sesdispositifs. De nouvelles théories devront être développées et confrontées aux résultats des tests afin d'améliorer la précision des prédictions [Dyer-Ol]. Mais la précision des mesures et de la modélisation ne peut être obtenue qu'à la condition que soient disponibles les équipements de test nécessaires. Des sources de radiations naturelles et peu coûteuses sont disponibles dans des labora- toires situés à haute altitude (tels que « Jungfrau » en Suisse [Jung] et « Pic de Bure » en France [Bure]). Ces sourcesnatu- relles utilisent le fait que le flux de neutrons croît avec l'alti- tude. Thème 2 : Niveau composant (Co) Le développement de nouveaux con2posants etlou de nou- velles technologies, robustes aux neutrons atiiiosphériclttes, est le problème clé de ce thème central. Les composants devront être caractérisés, simulés et testés. L'importance du test et de l'analyse du comportement d'un composant dans son envi- ronnement électronique réel (processeur, mémoire, senseur, électronique de puissance, etc) avec son logiciel, est à prendre en compte : cet aspect est également à développer [Dhos-99]. Des normes de test ont été déjà établies par un groupe SEMATEC. A titre d'exemple, la norme de test JEDEC [JESD- 89] décrit en détails les différentes méthodes de caractérisation des dispositifs électroniques. Concernant les méthodes de test accéléré à partir de faisceaux de haute énergie, deux solutions sont proposées : . L'utilisation de la source du Laboratoire national de Los Alamos, appelée WNR (Veapons Neutron Research). Cet équipement produit un faisceau dont le spectre d'énergie de neutrons très similaire à celui au sol. La section efficace obtenue peut être directement utilisée pour estimer la SER en environnement terrestre. Une exposition d'une heure dans le faisceau WNR corres- pond à 0' heures dans l'environnement de la ville de New York. . L'estimation à l'aide d'un test accéléré par des sources mono énergétiques. La section efficace est mesuréepour quatre énergies (normalement 14, 50, 100 et 150 MeV). La SER est déterminé en utilisant les formules données dans JESD. La seconde méthode permet à l'utilisateur de choisir entre différents équipements en tenant compte de leurs disponibilités, et d'utiliser des données expérimentales préalablement publiées (section efficace du proton pour une application satellite par exemple). Néanmoins quelques points doivent être définis avec précision avant d'entreprendre l'expérimentation. Un autre point important à considérer concerne les énergies à choisir pour calculer la sensibilité au spectre terrestre. La norme JEDEC suppose que la section efficace mesurée à 150 MeV est représentative des énergies supérieures à 150 MeV, et extrapole la valeur de cette section efficace jusqu'à 2 GeV En d'autres termes, la variation de la section efficace en fonction de l'énergie est supposéeavoir atteint savaleur asymp- totique, ce qui fait l'objet de discussions ; de plus des résultats additionnels de tests effectués à très haute énergie peuvent contribuer à l'amélioration de la méthode décrite dans la norme JEDEC. Enfin, la dépendance angulaire de la section efficace devra être étudiée. Cet effet déjà observé au cours de testseffec- tués à 14 MeV [Gasi-02], est couramment étudié à très hautes énergies [Blom-03]. Thème 3 : Systèmeset produits (S&P) C'est le niveau où les solutions inatérielles et logicielles, nouvelles technologies et nouvelles conceptions, devront être c développées pour résoudre les problèmes réels [Dhos-99]. Le thème 3 qui utilise les résultats des deux thèmes précédents, REE N9 Octobre 2005 > L'article invité i w D > Effets des neutrons atmosphériques sur les dispositifs microélectroniques avancés, normes et applications < sera également divisé en plusieurs sous-thèmes, couvrant les principaux problèmes rencontrés dans le domaine des applica- tions. Parce que les paramètres caractérisant un domaine d'ap- plications différent d'un domaine à l'autre, il est probable que dans chaque domaine la robustesse sera obtenue par des solu- tions différentes : « de bonnes pratiques » doivent alors être fournies et des règles pour obtenir des marges de sécurité doi- vent être développées. De telles spécifications sont en prépara- tion dans le domaine de l'avionique par un groupe de travail de l'IEC [MiIA-041, [Acte-04]. Ce thème doit avoir pour résultat clé la standardisation, afin que les principaux acteurs de l'industrie puissent appliquer des normes de robustesse validées et compatibles avec les autres corpus de standards. Les effets de l'environnement de neutrons sur les dispositifs électroniques ne concernent pas uniquement l'avionique, mais aussi la physique des hautes énergies. Dans la décade actuelle, des instruments de la physique vont être mis en service ou sont au niveau de leur conception détaillée ou conceptuelle : le Large Hadron Collider et le Laser MégaJoule (LMJ) en Europe, le National Ignition Facility (NIF) aux USA, et l'International Thermonuclear Fusion Reactor (ITER) [Bour-04]. Les faisceaux de particules de très forte puissance fourniront de très nombreux neutrons comme sous-produits, donc correspondront à l'équi- valent de plusieurs milliers d'années de vols à haute altitude. Il sera très intéressant et efficace de marier ces deux types de besoins, les hauts flux par la physique des hautes énergies et la haute fiabilité en avionique, et de comparer compromis, retours d'expérience, coûts et méthodes [Bour-05]. Richet, Raoul Velazco, Clive Dyer and E.G. Stassinopoulos, pour des discussions et échanges de données fructueux. 10. Conclusion Pour que l'ingénierie des systèmes profite des nombreux résultats de la physique des dispositifs, la diffusion et la fertili- sation croisée de ces résultats sont essentielles. Un Groupe de travail appelé SECSTAN : « Susceptibility of Electronic Components and Systems To Atmospheric Neutrons ».a été constitué et se réunit depuis 2003 dans le cadre des congrès RADECS et IEEE-SEE [SECSTAN]. Un site web a été ouvert [SECSTAN] dans la structure de 1TEEE/NPSS afin de diffuser de l'information et de publier davantage. De plus, les communautés RADECS et IEEE qui réunissent entre autres des spécialistes du domaine de l'électro- nique durcie, apporteront leurs concours. Comme déjà men- tionnées, de nouvelles normes de robustesse en électronique sont essentielles pour la qualité des résultats et leur garantie par les principaux acteurs de ces domaines. Dans ce contexte, pour- quoi ne pas promouvoir le logo « Neutron-safe inside » ? Remerciements Les auteurs remercient vivement leurs collègues de travail et amis des groupes de travail SECSTAN de l'IEEE-SEE et de RADECS [SECSTAN], spécialement Jean-Luc Autran, Fabrice Auzanneau, Jacques Baggio, Guy Berger, Jean-Claude Boudenot, Rémi Gaillard, Jon Blomgren, Jo Borel, Giorgio Cellere, Pascal Fouillat, Jean Gasiot, Erik Heijne, Olivier Lauzeral, Alessandro Paccagnella, Bertrand Pollet, Arnaud Références [Actel-021 [Bart-031 [Bind-951 [Blom-031 [Bour-041 [Actel-021 Effects of neutrons on Programmable Logic, 2002. http ://www.actei.com/products/rescenter/ser/ ! nfo.htm Ihttp ://www.actel.com/documents/RadiationArticle,pdf [Bart-031 J.L. BARTH, C.S. DYER, Stassinopoulos, "Space, fmospDer/c & Terrestrial Radiation Environments ", IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume : 50, 3, pp. 466 - 482, June 2003. [Baum-021 R. BAUMANN, " The Impact of Technology Scaling on Soft Error Rate Performance and Limits to the Efficacy of Error Correction ", ! EDM Tech. 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