Soutenance mémoire
La problématique des effets des rayonnements sur l’électronique est apparue dans les années 1970 avec les contraintes liées aux applications militaires. L’intégration croissante des technologies microélectroniques, poussée par la nécessité d’augmentation des performances et des capacités des circuits intégrés, entraîne une diminution des dimensions géométriques des dispositifs. Cette diminution modifie la sensibilité vis-à-vis de l’environnement radiatif. Depuis les années 1980, la problématique de la fiabilité de l’électronique en environnement spatial a été révélée et les premiers aléas logiques dans les avions ont été mesurés au début des années 1990. La nécessité pour les équipementiers de sécuriser le fonctionnement de leurs systèmes implique de connaître et comprendre l’origine de ces dysfonctionnements afin de mettre en place des outils de prédiction pouvant évaluer le niveau de sensibilité des composants utilisés.
Les particules (protons, neutrons, électrons, ions lourds, photons, etc.) peuvent engendrer des dysfonctionnements dans les composants. Ces dysfonctionnements se classent en deux catégories : les effets permanents et les effets transitoires. Les effets permanents se caractérisent par une dégradation lente des caractéristiques électriques. Parmi les effets transitoires, les effets singuliers ou Single Event Effects (SEE) sont des phénomènes induits par le passage d’une particule ionisante de type ion lourd, ils peuvent provenir d’une ionisation directe ou indirecte. Si l’ion vient de l’extérieur du composant et le traverse, l’ionisation est dite directe. Si l’ion est issu de l’interaction d’un neutron ou d’un proton avec un atome du composant, l’ionisation est dite indirecte. Cette dernière problématique a orienté la présente étude de la sensibilité des composants SRAM aux protons et aux neutrons.
Durant ce travail de thèse, un code de prédiction (MC-DASIE) de la sensibilité aux aléas logiques de mémoires SRAM soumises à un environnement protonique terrestre ou neutronique terrestre a été développé. Dans un premier temps, cet outil a été validé avec des données expérimentales. Puis dans un second temps, ce logiciel a été utilisé afin d’étudier l’effet de l’intégration sur la sensibilité, les différences entre les irradiations neutroniques et protoniques et la contribution des matériaux du composant cible.
L’environnent radiatif naturel
L’environnement radiatif spatial
L’environnement radiatif solaire
Le système solaire subit le rayonnement cosmique auquel s’ajoute l’influence du Soleil que ce soit de façon continue par le vent solaire ou discontinue par les éruptions solaires.
Le rayonnement cosmique
Découvert par Hess en 1912 (prix Nobel), le rayonnement cosmique est constitué de particules chargées. Ce rayonnement provient d’un rayonnement galactique dont l’abondance relative a été modifiée par des réactions de spallation au cours de sa trajectoire. Ainsi, la composition en ions de ce rayonnement explique son parcours. Les énergies des ions varient de 1 GeV à 10²¹ eV et leurs flux décroissent rapidement avec l’énergie (inverse au carré).
Le vent solaire
Plasma résultant de l’évaporation de la couronne solaire, le vent solaire est essentiellement constitué d’électrons, de protons et d’hélium (7 à 8 %). Il remplit l’ensemble du système solaire et interagit avec les champs magnétiques planétaires (Mercure, Terre, Jupiter, Saturne) créant des cavités magnéto-sphériques.
Les éruptions solaires
Observée depuis Galilée (1610), l’activité du soleil est cyclique d’une période moyenne de 11 ans (± 2 ans). Chaque cycle est composé d’une période « d’activité maximum » de 7 ans suivie d’une période « d’activité minimum » de 4 ans. Ces activités sont liées à l’apparition de taches sur la surface du soleil. Ces taches solaires sont l’image de centres d’activités dus à l’émergence de boucles magnétiques. les variations cycliques du nombre de taches solaires. Les éruptions solaires les plus significatives apparaissent pendant les périodes d’activité maximum . Ces événements sont imprévisibles dans leur apparition, amplitude, durée et composition. Deux types d’éruptions sont distingués : les éruptions à protons et les éruptions à ions lourds. [Boudenot – 1995] .
Les éruptions à protons sont constituées de protons d’énergies élevées (jusqu’à quelques centaines de MeV). Nous distinguons des événements ordinaires (~10 par an, où la fluence n’excède pas quelques 10⁹ protons/cm²) et des événements anormalement grands (~1 par an, la fluence d’un événement anormalement grand est grande devant celle de l’ensemble des fluences des événements ordinaires d’un cycle). La référence est l’éruption à protons de l’été 1972 où la fluence de protons énergétiques (> 30 MeV) a été multipliée par 10 000 en quelques heures. Les ions des éruptions solaires à ions lourds (~3 par an) proviennent de la couronne solaire. La composition de ces éruptions varie d’une éruption à l’autre et correspond à la composition de la couronne solaire modulée par la configuration et l’intensité des champs magnétiques perçue lors de ces événements. L’énergie des ions lourds varie de quelques dizaines de MeV par nucléon, à quelques centaines de MeV par nucléon. [Cohen – 2005] Le spectre des ions des éruptions solaires à ions lourds est moins étendu que celui des ions lourds cosmiques. Cependant le flux d’ions lourds pendant une éruption peut être 1000 fois supérieur au flux continu cosmique. La référence communément prise est l’éruption à ions lourds du 24 septembre 1977 (à cause de son amplitude).
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : L’environnent radiatif
II.1. Le dépôt de charge dans la matière lors du passage d’un ion
II.1.1. Pouvoir d’arrêt d’un ion dans la matière (LET)
II.1.2. Range ou parcours total d’un ion dans la matière
II.1.3. Relations entre le LET et le range
II.2. Interaction nucléon-noyau
II.2.1. Les sections efficaces
II.2.2. Le processus d’interaction nucléon-atome
II.2.3. Utilisation de codes de physique nucléaire
II.2.4. Constitution d’une base de données
Conclusion
Références
Chapitre II : Interaction particule – matière
II.1. Le dépôt de charge dans la matière lors du passage d’un ion
II.1.1. Pouvoir d’arrêt d’un ion dans la matière (LET)
II.1.2. Range ou parcours total d’un ion dans la matière
II.1.3. Relations entre le LET et le range
II.2. Interaction nucléon-noyau
II.2.1. Les sections efficaces
II.2.2. Le processus d’interaction nucléon-atome
II.2.3. Utilisation de codes de physique nucléaire
II.2.4. Constitution d’une base de données
Conclusion
Références
Chapitre III : Effets des radiations sur un composant électronique
III.1. Problématique de l’électronique en milieu radiatif
III.2. Description des mémoires étudiées
III.2.1. L’architecture des SRAM
III.2.2. Les technologies des transistors étudiées
III.3. Effets d’un dépôt de charges dans une SRAM
III.3.1. Effets d’un dépôt de charges ponctuel dans un bloc de silicium
III.3.2. Présentation des principaux effets d’un dépôt de charges ponctuel dans un transistor
III.3.3. Effet d’un dépôt de charges dans une cellule mémoire de SRAM
Conclusion
Annexes
Références
Chapitre IV : Principes de fonctionnement de la simulation de prédiction de taux d’aléas logiques dans les SRAM
IV.1. Les codes de prédiction de taux d’aléas logiques
IV.2. La modélisation du code de prédiction MC-DASIE
IV.2.1. Réactions nucléaires gérées en base de données
IV.2.2. Description des structures d’un point de vue matériaux
IV.2.3. Evaluation du basculement
IV.2.4. Détermination d’une section efficace SEU pour un volume d’interaction
IV.2.5. Gestion des volumes d’interaction
IV.3. Conclusion
Annexe
Références
Chapitre V : Simulations et caractérisations expérimentales
V.1. Caractérisations pour le spectre neutronique terrestre
V.1.1. Expérimentations
V.1.2. Simulations MC-DASIE
V.1.3. Analyse des résultats de simulation
V.1.4. Conclusion
V.2. Analyse de sections efficaces SEU quasi-monoénergétiques neutronique et monoénergétiques protoniques
V.2.1. Problématique
V.2.2. Expérimentations
V.2.3. Résultats expérimentaux
V.2.4. Analyse des données
V.2.5. Comparaison entre les sections efficaces SEU neutroniques et protoniques . 174
V.2.6. Résumé
V.3. Caractérisations mono-énergétiques « n-Si + n-O » apport de la prise en compte de deux matériaux
V.3.1. Introduction
V.3.2. Expérimentations
V.3.3. Simulations MC-DASIE
V.3.4. Discussion-Conclusion
V.3.5. Evaluation de la contribution d’autres matériaux
V.4. Conclusion
Références
Conclusion
