Analyse des effets singuliers et des mécanismes de fautes dans des mémoires SRAM, FRAM et NAND Flash. Application au projet de nanosatellite MTCube

par Viyas Gupta

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de Luigi Dilillo et de Frédéric Wrobel.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - l'Institut Electronique et des Systèmes (laboratoire) et de Département Systèmes d'Energie, Fiabilité et Radiations (equipe de recherche) depuis le 14-10-2013 .


  • Résumé

    Titre de la Thèse: Test et fiabilité des mémoires dans le milieu spatial Contexte : le projet MTcube Depuis le milieu des années 1970, l'effet de l'environnement radiatif naturel sur les composants électroniques embarqués dans les satellites est connu. Il existe deux principaux effets pouvant induire des défaillances. Le premier est l'effet de dose correspondant à une dégradation lente des paramètres électriques des composants suite au passage répété des particules. Le second est causé par le passage d'une seule particule induisant un courant parasite (on parle d'événement singulier). Ce courant peut être à l'origine d'erreur logique ou Soft Errors (SEs). Ces erreurs logiques ne sont pas destructives mais sont source de dysfonctionnement majeur des composants et des systèmes. Dans les systèmes électroniques, les mémoires sont parmi les composants les plus sensibles aux erreurs du fait de leur forte intégration, souvent proche des limites technologiques. Les mémoires les plus communes et les plus étudiées dans la littérature sont les mémoires SRAM. C'est dans ce contexte qu'est né le projet MTCUBE dans lequel seront étudiées des mémoires SRAM avec différents nœuds technologiques et différentes architectures. Sur ces mémoires seront réalisées les tests statiques et dynamiques. En mode statique, aucune opération n'est réalisée sur la mémoire, alors qu'en mode dynamique, des accès en lecture/écriture sont constamment effectués. Pendant ces phases de lecture/écriture, les cellules élémentaires subissent un stress électrique, avec une réduction conséquente de la marge de bruit, ce qui les rend plus sensibles aux particules incidentes. Dans le cas d'un test statique, un motif connu est écrit dans la mémoire et après un certain temps d'exposition à la contrainte radiative, la mémoire SRAM est lue pour détecter les erreurs. Par ailleurs, de nouveaux types de mémoires sont actuellement en train d'émerger : mémoires magnétiques MRAM, ferroélectrique FeRAM, à changement de phase PRAM et à oxyde-résistif OxRAM sont quelques exemples des technologies prometteuses de mémoires non-volatiles. Les technologies MRAM et FeRAM sont particulièrement intéressantes du fait de leur vitesse d'opération proche de celle des SRAM. Dans le projet sera vérifiée la possibilité pour des applications spatiales de ces deux types de mémoires à travers des tests similaires à ceux réalisés sur les SRAM. De plus, une mémoire de type FLASH sera étudié afin d'explorer les problèmes de vieillissement et de rétention de données. Par le passé, nos équipes ont développé des techniques analytiques, expérimentales et des outils de simulations afin d'étudier les effets des radiations sur les mémoires aussi bien en environnement spatial que dans l'atmosphérique . Dans le cadre de ce projet, l'objectif est de continuer à développer ces techniques et ces outils pour les nouvelles mémoires développées actuellement. Nous développerons donc nos outils de prédiction pour étudier l'interaction des particules incidentes avec les mémoires et nous réaliserons des tests expérimentaux pour valider ces outils. Les tests expérimentaux seront réalisés au niveau du sol , sous faisceaux et laser, mais également en vol par le biais d'une carte de test que nous développerons et qui sera embarquée sur un nano-satellite. L'objectif le plus ambitieux sera la validation sur un CubeSat de toutes les méthodes mises au point au cours du projet. Les CubeSats sont des nano-satellites qui représentent une alternative intéressante aux grands systèmes orbitaux. Produit à moindre coût, ils peuvent être lancés comme charge utile secondaire sur Vega ou Soyouz ou par des lanceurs de petite taille. Une carte spéciale de test sera conçue, développée et montée dans un CubeSat. Les données recueillies seront comparées aux expériences réalisées au niveau du sol afin d'améliorer l'outil de prévision mis au point au cours du projet, et afin de valider les nouveaux modèles physiques et méthodes de test. Des recommandations pour la fiabilisation des mémoires destinés aux applications spatiales seront également fournies. Travail de Thèse. Dans l'espace, les particules à l'origine des événements singuliers sont principalement les protons, en particulier lorsque le satellite traverse la ceinture de radiation proton. La sensibilité des mémoires SRAM dépend du nœud technologique et n'est problématique que lorsque les protons ont une énergie supérieure à 5-10 MeV. A ces énergies, ce sont les réactions nucléaires induites par les protons qui induisent alors des erreurs, l'ionisation directe des protons ne mettant pas assez d'énergie (donc de charges) en jeu pour faire basculer la cellule dans son état complémentaire. Avec l'intégration technologique, la charge nécessaire au basculement de la cellule est cependant de plus en plus faible et il a déjà été observé un pic d'événements à basse énergie (quelque MeV) qui est attribué à l'ionisation directe des protons et ce, dès les technologies au dessus de 65nm. Les outils de prédiction qui permettent d'évaluer le taux d'erreurs d'une mémoire donnée durant une mission donnée sont capables de prendre en compte les deux contributions des protons (réactions nucléaires et ionisation directe). Cependant, pour le processus d'ionisation directe une connaissance de l'environnement matériel de la mémoire est indispensable pour tenir compte de la perte d'énergie du proton avant d'atteindre la zone sensible du composant. C'est dans ce contexte que cette thèse s'inscrit. Elle comporte trois parties assez distinctes mais complémentaires : 1. Modélisation détaillée d'une cellule de base composant une mémoire et simulations permettant d'obtenir des sections efficaces d'aléas logiques en fonction de l'énergie des protons. Une comparaison avec les neutrons pourra également être réalisée pour identifier la contribution liée à l'ionisation directe. 2. Etude à niveau électrique des pannes de la mémoire induites par les particules ionisantes. Dans cette approche la cellule de base est considérée dans l'ensemble de la structure de la mémoire avec les autres circuits (décodeur d'adresse, amplificateurs de sortie, circuits de synchronisation) qui permettent son fonctionnement. 3. La troisième partie est expérimentale. Elle consiste à la mise en place d'un banc de test mémoire (SRAM) pour différents nœuds technologiques (90nm, 65nm et 45nm) puis à l'irradiation du banc sous faisceaux de protons et de neutrons. L'ensemble de ces recherches sera axé principalement sur l'étude des mémoires SRAM, mais d'autres types de technologies (MRAM, FRAM) seront aussi traités. A l'issue de ce travail, il sera possible d'appréhender la variation de la sensibilité avec l'intégration technologique, de quantifier l'importance du processus d'ionisation directe dans les technologies les plus avancées, et de valider (ou modifier) les codes de prédiction actuels.

  • Titre traduit

    Analysis of single event radiation effects and fault mechanisms in SRAM, FRAM and NAND Flash. Application to the MTCube nanosatellite project


  • Résumé

    PhD Thesis title: Test and reliability of memories for space applications. Background: The MTcube project Since the mid 1970s, the space radiation environment effect on electronic components on-board satellite is known. There are two primary effects leading to failures. The first one is the Total dose effect leading to a slow degradation of the component's electrical parameters due to numerous particles passing through the components. The second effect is caused by a single particle inducing a parasitic current (single effect) when passing through the component. This current can trigger logical errors or Soft Errors (SE). These logical errors do not destroy the component but create major components and systems malfunctions. In electronic systems, mass memories are amongst the most sensitive components to errors due to their high integration, often close to the technological limits. The most common and most studied mass memories in literacy are the SRAM memories. In this frame was born the MTCUBE project, which will study the sensitivity of several types of memories, including SRAM with different technological nodes and different architectures. On those memories, static and dynamic tests will be performed. In the static mode, no operations will be performed on the memories during testing, whereas in the dynamic mode, read/write accesses will be performed. During those read/write phases, elementary cells will undergo electrical stress, leading to a reduction of the noise margin, increasing their sensitivity to incident particles. In the static test, a known frame is written in the memory, and after a given exposure time to radiation environment, the SRAM memory will be read to detect any errors. Besides, new types of random access memories are currently emerging: magnetic memories MRAM, ferroelectric memories FeRAM, phase change memories PRAM, oxide-based resistive memories OxRAM are amongst some examples of promising technologies in random access memories. MRAM and FeRAM technologies are particularly interesting due to their operation speed close to SRAM operation speed. In this project, the possibility for space applications of those two memories will also be investigated through tests similar to those performed on SRAMs. Furthermore, FLASH memory and SDRAM shall also be investigated to better understand the aging effect and the retention of data. In the past, our team has developed analytical, experimental and simulation tools in order to study the radiation effects on mass memories in the space environment but also in the atmosphere. In the frame of this project, the objective is to further develop these techniques and tools for the currently developed memories. We will develop our prediction tools to study the interaction of incident particles on memories and we will build experimental set-ups to validate those tools. Experimental tests will be performed on ground, under beam and laser, but also in flight through a test board currently being developed and planned to fly on-board a nanosatellite. The most ambitious objective will be the validation, using a CubeSat platform, of all the methods elaborated during this project. CubeSats are nanosatellites and represent an interesting alternative to big orbiting systems. Being cheaper to build, they can be launched as a secondary payload on-board Vega or Soyuz or other small launchers. A special test board will be designed, developed and installed on a CubeSat. The received data will be compared to the experiments run on-ground in order to improve the prevision tool elaborated during this project, and in order to validate the new physical models and test methods. Recommendations on reliability of memories for space applications shall be provided. Thesis description. In Space, particles causing Single Event Effects are primarily protons, in particular when the satellite is crossing the inner Van Allen radiation belt. The sensitivity of SRAM memories depends on the technological node and is problematic only when the protons have energies above 5-10 MeV. At those energies, proton induced nuclear reactions generate errors, direct ionisation of protons do not create enough energy, hence charges to flip the cell into its complementary state. With the technological integration, the the amount of charge carriers needed to switch the cell is however gradually reduced and peak events at low energies have already been observed (few MeV) attributed to the direct ionisation of protons and this for technologies above 65 nm. Prediction tools allowing evaluating the error rate of a given memory during a given mission are capable of taking into account both contributions (nuclear reactions and direct ionisation). However, for the direct ionisation process, knowledge of the material environment of the memory is compulsory to take into account the energy loss of the proton before it reached the component's sensitive zone. This PhD program has been built in this context. It is separated in three distinct but complementary phases: 1. Detailed modelisation of the basic cell of a memory and simulations allowing to extract SEE cross sections as a function of the proton energy. A comparison with neutrons may be mad to identify the contribution of direct ionisation. 2. Study at electrical level of memory failures induced by ionizing particles. In this approach, the basic cell is considered within the whole structure of the memory with the other circuits address decoder, output amplifier ans synchronization circuitry allowing it to work. 3. The third phase is experimental. It will consist of preparing a memory test bench (SRAM) for various technological knots (90 nm, 65 nm and 45 nm) then performing irradiation tests with proton and neutron beam. The research shall be primarily focused on studying SRAM memories, but other types of technologies (SDRAM, MRAM, FRAM) will be investigated. Following this work, it will be possible to foresee the sensitivity variation with the technological integration, quantify the importance of the direct ionizing process in the most advanced technologies, and validate (or modify) the current prediction codes.