Brevet FR2729498A1 — publié le 19960719

La présente invention conceme le domaine des perturbations des mémoires soumises à un rayonnement et a plus particulièrement pour objet un procédé permettant de déterminer la valeur du débit de dose d'un rayonnement ionisant transitoire au dessus de laquelle le contenu d'une mémoire est perturbé. L'étude de la bibliographie disponible dans le domaine, telle que la revue américaine, IEEE Transactions on Nuclear Science qui sert de référence pour tous les nouveaux résultats concernant les études portant sur les effets de radiations sur les composants ou systèmes électroniques, montre qu'est acquis le fait que le phénomène provoquant un changement d'état de cellules d'une mémoire lors d'une irradiation ionisante transitoire est dû à la chute de tension aux bomes des cellules mémoire lors de leur exposition à un flash photonique. En effet, lors d'une irradiation ionisante transitoire, le dépôt d'énergie du rayonnement incident (photons) dans les régions semiconductrices a pour effet de produire un nombre important de paires électron-trou dans les matériaux constitutifs des composants irradiés.L'ionisation provoque un "courant photogénéré" ou photocourant qui est dû à la séparation des charges e+ et e-. Cet effet a des conséquences importantes au niveau du fonctionnement du composant. Lorsqu'on considère un composant complexe tel qu'une mémoire, I'irradiation uniforme par un flash photonique induit un photocourant dans toutes les jonctions np. Ces jonctions sont les structures sensibles minimales. C'est la somme des contributions de l'ensemble des structures minimales qui vont être le siège des perturbations sur le composant. Si l'on considère une cellule mémoire classique composée de six transistors, en 1984, L. W. Massengill et S. E. Diehl Nagle (MAS.84) ont démontré que le phénomène de changement d'état de points mémoire lors d'une irradiation ionisante transitoire n'était pas dû aux seuls effets de l'irradiation sur les six transistors constitutifs de la cellule mais surtout à leur assemblage en réseau résistif éledrique qui entraîne des effets collectifs dans l'ensemble du circuit. Ces effets de couplage électrique des cellules exposées à une impulsion de débit de dose ont été mis en évidence et simulés sur des mémoires. Chaque cellule i est alimentée par des pistes reliées d'une part au plot VDD et d'autre part au plot Vss . La différence de potentiel aux bomes de la cellule: vi = vDDi -VSSi (1) dépend de la chute de tension depuis les plots d'entrée du composant, produit de la résistance des pistes métalliques par le courant d'alimentation des cellules. En fonctionnement statique, la très faible consommation des cellules, pour une technologie CMOS par exemple, assure une même différence de potentiel dans toutes les cellules.Sous rayonnement les photocourants iph de chaque cellule entraînent une chute de potentiel importante qui peut amener la différence de potentiel locale AVi sous le seuil de rétention d'information VR , soit en simplifiant: où Rj représente la résistance des pistes d'alimentation. Le résultat de cet écroulement de la tension d'alimentation est l'apparition de changement d'état de cellules de la mémoire dans les régions dont la tension locale passe sous le seuil de rétention. D'après la formule (2), les régions qui sont les premières à être perturbées sont celles qui voient le chemin résistif jusqu'aux plots d'entrée des alimentations le plus important. D'autre part, cette même formule montre que si on augmente le débit de dose, la chute de tension locale aux bomes des cellules est plus importante du fait de l'accroissement de la valeur du photocourant iph. Cependant, en 1986, L. W. Massengill, S.E. Diehl-Nagle et J. S. Browning ont observé expérimentalement que certaines cellules dans des régions de la mémoire qui auraient dû normalement être perturbées restaient insensibles au flash photonique. Ce phénomène fut alors attribué à un état préférentiel des cellules mémoire. Lorsqu'on initie avant le tir les cellules dans cet état la perturbation induite par le tir a tendance à faire revenir ces cellules dans ce même étaL La norme "MIL-STD-883D méthode 1021.2" portant sur le test de circuits digitaux pour déterminer leur seuil de perturbation aux basculements préconise explicitement que pour rechercher le seuil de perturbation minimum il faille prendre en compte tous les facteurs permettant de mesurer le seuil minimum. Pour des mémoires vives statiques (SRAM), en mode non sélectionné, les facteurs étant connus comme pouvant agir sur le seuil de perturbation sont: - la température - la tension d'alimentation - le contenu inscrit dans la mémoire pendant le tir. L'évaluation d'une mémoire SRAM sous flash photonique consiste à rechercher le seuil de perturbation de la mémoire; c'est-à-dire trouver le débit de dose minimum qui lors de l'expérience induira un changement d'état d'au moins une cellule mémoire. Cette invention se propose de tester la mémoire dans un contexte qui lui soit le plus défavorable possible afin de trouver réellement son seuil de perturbation minimum. Jusqu'à présent, lorsqu'on recherchait le seuil de perturbation d'une mémoire SRAM, on était obligé de le faire pour plusieurs contenus tels que les contenu tout à zéro, contenu tout à un, contenu diagonale, contenu échiquier... La principale conséquence induite par l'utilisation de ces multiples contenus est d'ordre économique puisqu'on multipliait d'autant le nombre de tirs pour rechercher le seuil de perturbation. D'un point de vue technique, I'utilisation de ces contenus ne permettait pas d'être sûr que l'un d'entre eux était bien le contenu qui permettait d'avoir le seuil de perturbation minimum. Le but d'un procédé selon l'invention est de réduire le nombre de tirs en recherchant les contenus à inscrire durant le tir pour obtenir le maximum de changement d'état de points mémoire lors d'une irradiation par flash photonique, les autres facteurs, en l'occurrence la température et la tension d'alimentation, restant constants. La solution apportée est un procédé de détermination du débit de dose seuil d'une irradiation ionisante transitoire capable de perturber une mémoire comportant des cellules dont l'état peut prendre deux valeurs complémentaires, par exemple 0 et 1, caractérisé en ce qu'il consiste: - à déterminer un contenu défavorable de la mémoire pour lequel ledit seuil est minimum, - à déterminer, avec ce contenu, le débit de dose seuil au dessus duquel au moins une cellule change d'état. Selon une caractéristique particulière, la détermination dudit contenu défavorable consiste à: - déterminer, pour chaque cellule son état préférentiel, - faire prendre à chacune des cellules l'état complémentaire à son état préférentiel, Selon un mode opératoire très simple à mettre en oeuvre, I'état préférentiel est déterminé par mise sous tension de la mémoire, après, éventuellement, avoir disposé la mémoire sur un plan de masse pour décharger toutes ses capacités intemes. Une alternative à ce mode opératoire consiste à déterminer l'état préférentiel en initialisant les cellules de la mémoire avec un contenu "tout à zéro" puis en effectuant une irradiation à fort débit de dose, la tension d'alimentation de la mémoire correspondant à la limite basse de sa plage de bon fonctionnement. II est bien évident que les deux modes opératoires peuvent être utilisés successivement, les résultats de l'un pouvant servir à confirmer ceux de l'autre. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description de variantes de réalisation de l'invention pour l'évaluation de la tenue des mémoires vives statiques (SRAM) en mode non sélectionné face à une agression nucléaire correspondant à une irradiation par un flash photonique, description réalisée, en regard des figures annexées parmi lesquelles:: - la figure 1 présente un schéma d'un contenu d'une mémoire obtenu après mise sous tension1 - la figure 2 montre un schéma du contenu complémentaire de celui de la figure 1, - sur la figure 3, est représenté un contenu d'une mémoire sous alimentée et après un tir à fort débit de dose, - la figure 4 montre un schéma du contenu complémentaire de celui de la figure 3, - la figure 5 montre un graphique représentant le nombre de basculement en fonction du débit de dose d'un tir, - les figures 6a et 6b montrent le contenu d'une mémoire obtenu dans des conditions identiques de tir mais avec des contenus initiaux complémentaires. - les figures 7a et 7b montrent le contenu d'une mémoire obtenu dans dautres conditions identiques de tir mais et toujours avec des contenus initiaux complémentaires. Pour qu'une cellule mémoire change d'état, il faut que la chute de tension à ses bornes soit suffisante pour ne plus assurer l'intégrité de l'information. Toutefois, la demanderesse a constaté que si la cellule présente un état préférentiel et si elle se trouve dans cet état préférentiel avant irradiation alors même si la chute de tension est suffisante pour ne plus assurer l'intégrité de l'information la cellule mémoire revient dans son état préférentiel après l'irradiation et, pour l'expérimentateur, aucune perturbation n'a pu être constatée. Ceci montre que la connaissance de l'état préférentiel de chacune des cellules mémoire est un élément indispensable pour tester une mémoire SRAM sous flash photonique. Et par conséquent pour tester la mémoire dans la situation la plus défavorable pour elle, il faut initialiser chaque cellule avec l'état complémentaire de son état préférentiel. Pour évaluer la tenue au débit de dose d'une mémoire de type SRAM, il faut donc dans un premier temps rechercher les contenus qu'il faudra écrire dans la mémoire pour que lors d'une irradiation sous flash photonique le nombre de cellules mémoire qui basculeront soit maximum. Deux modes opératoires de détermination de l'état préférentiel des cellules d'une memoire sont décrits dans la suite. Le premier consiste à considérer rétat préférentiel d'une cellule d'une mémoire comme celui dans lequel elle se trouve lorsqu'une tension est appliquée à la mémoire. Ainsi, après avoir disposé la mémoire sur un plan de masse pour décharger toutes ses capacités internes, on réalise une mise sous tension à l'aide d'un générateur d'impulsion avec différents fronts de montée afin de vérifier qu'il n'y a pas d'influence de la durée du front de montée et on lit ensuite le contenu présenté à chaque adresse, On peut ensuite définir un contenu A de la mémoire appelé "favorable A" et pour lequel toutes les cellules de ladite mémoire sont dans leur état préférentiel. D'une manière analogue, on définit un contenu Ad appelé 'défavorable Ad' pour lequel toutes les cellules de ladite mémoire sont dans l'état complémentaire à rétat préférentiel. A titre d'exemple si l'état préférentiel d'une cellule est la valeur 0, rétat complémentaire est la valeur 1. Pour inscrire le contenu Ad dans la mémoire, on écrit, dans chacune des adresses de la mémoire, le contenu complémentaire de celui trouvé lors de la mise sous tension. Le second mode opératoire consiste à considérer l'état préférentiel dune cellule comme celui dans lequel se trouve la cellule après avoir irradié la mémoire avec un fort débit de dose. Pour cela, on initialise la mémoire avec un contenu "tout à zéro" ce qui correspond à inscrire, à chaque adresse, un état bas, puis on effectue une irradiation à fort débit de dose et à la tension d'alimentation correspondant à la limite basse de la plage de bon fonctionnement de la mémoire. A titre d'exemple, ce fort débit de dose peut être égal à 3 ou 4 fois la valeur estimée du seuil de -perturbation. Lorsque le tir a été réalisé, on lit alors le contenu de chacune des adresses de la mémoire. On définit alors le contenu B appelé "favorable B" pour lequel toutes les cellules de ladite mémoire sont dans leur état préférentiel, ainsi qu'un contenu Bd appelé 'défavorable B" pour lequel toutes les cellules de ladite mémoire sont dans l'état complémentaire à l'état préférentiel. De même que précédemment, pour inscrire le contenu Bd dans la mémoire, on écrit, dans chacune des adresses de la mémoire, le contenu complémentaire de celui trouvé lors du second mode opératoire. Afin de vérifier que les deux contenus Ad et Bd sont bien "défavorables", lors d'une irradiation transitoire on peut effectuer deux tirs (un seul tir si le contenu A est identique au contenu B) en initialisant la mémoire dans un premier cas avec le contenu défavorable Ad puis en initialisant dans un deuxième cas avec le contenu défavorable Bd. Ces tirs doivent être réalisés dans les mêmes conditions que pour la recherche du contenu favorable B , c'est-à-dire avec un fort débit de dose et une tension d'alimentation correspondant à la limite basse de bon fonctionnement de la mémoire. Après le tir, on lit le contenu de chaque cellule mémoire afin de le comparer au contenu initial chargé avant le tir.Si pour une adresse, le contenu après tir est différent du contenu avant tir, c'est qu'il y a eu basculement d'une ou plusieurs cellules mémoire, une cellule mémoire correspondant à un bit d'information. On n'utilisera pour la recherche du seuil de perturbation de la mémoire que les contenus, qui lors du demier test, ont fait basculer la quasi-totalité des cellules mémoire. La demière étape de cette procédure consiste à rechercher le seuil de perturbation de la mémoire en évaluant le seuil de perturbation minimum qui induit au moins le basculement d'une cellule mémoire. Cette recherche du seuil devra être réalisée en initialisant la mémoire avec le ou les contenus "défavorables" pour chaque tir. Des essais sur des mémoires SRAMs nous ont permis d'évaluer le seuil de perturbation et le bien fondé de ce procédé. Les mémoires testées sont les mémoires SRAMs CMOS TS 4T1601 qui ont été développées en technologie SOI par THOMSON TCS (avec le procédé THOMSON HSOI 3RP).Les phases d'écriture et de lecture des états logiques de l'ensemble des cellules mémoire ont été effectuées à partir d'un PC 386 TOSHIBA à l'aide d'une carte entrée-sortie PC DlO-96 de NATIONAL INSTRUMENT. Un code de calcul spécifique a été développé pour permettre la réalisation de l'évaluation de cette mémoire et permettre l'application pratique de ce procédé. La correspondance entre l'emplacement géographique réel de la cellule sélectionnée et l'adresse présentée sur les plots d'entrée avait été foumie par THOMSON TCS. Les différents tirs ont été réalisés sur un générateur photonique permettant de délivrer une impulsion triangulaire de durée 30 ns à mi-hauteur. Les mémoires sont testées en mode non sélectionné. Pour réaliser l'étude expérimentale, la procédure d'essais décrite précédemment a été utilisée: Les deux modes opératoires ont été utilisés pour déterminer les états préférentiels des cellules et en déduire les contenus favorables puis défavorables: Pour ce qui est du premier mode opératoire, on a donc réalisé une lecture de I'état de chacune des cellules lorsque la mémoire est mise sous tension et les résultats sont présentés à la figure 1 sur laquelle un point représente une cellule à l'état logique haut, les états logiques bas n'étant pas représentés. En prenant ensuite les états logiques complémentaires de chacune des cellules et en lissant par colonne les résultats obtenus afin d'enlever les points particuliers qui peuvent être obtenus sur différentes mémoires et qui proviennent de la non reproductibilité de l'expérimentation, on a défini le contenu "défavorable" A, présenté sur la figure 2 sur laquelle un point représente toujours une cellule à rétat logique haut. Pour ce qui est du deuxième mode opératoire, en effectuant une irradiation à de très forts débits de dose tout en "sous-alimentant" la mémoire, en l'occurrence en alimentant la mémoire avec une tension de 3,5 Volts alors que la tension nominale est spécifiée pour 5 Volts, d'une part on augmente les photooourants produits par chaque cellule mémoire et d'autre part on diminue la tension locale aux bomes de chaque cellule. Ceci a donc pour effet d'accroître encore plus le phénomène de chute de tension dans les rails d'alimentation et va donc diminuer la tension locale aux bornes d'un plus grand nombre de cellules. Cette manipulation permet de connaître la répartition géographique des cellules ayant changé d'état lors du flash en fonction de leur contenu initial. Aussi, un premier tir à été réalisé avec un contenu avant irradiation où toutes les cellules sont à l'état logique bas. Le contenu de la mémoire après irradiation est présenté sur la figure 3 sur laquelle un point représente une cellule ayant changé d'état sous l'effet de l'irradiation. On déduit de ce test, après avoir lissé par colonnes les résultats obtenus, I'état logique que l'on doit imposer à chacune des cellules mémoire pour que sa probabilité de basculer lors du flash soit la plus élevée possible. Ce contenu Bd appelé "défavorable" B est présenté sur la figure 4, un point représentant une cellule à l'état logique haut. On peut remarquer, d'après les figures 2 et 4, que les contenus "défavorables" Ad et Bd sont identiques. On peut donc définir un contenu défavorable unique, ou contenu pire-cas, Ad étant égal à Bd. Des essais ont été réalisé, pour déterminer l'influence du contenu initial sur la détermination du seuil à partir duquel apparaissent des basculements de cellules de la mémoire. Les contenus initiaux, objets de ces essais sont - contenu favorable - contenu défavorable - contenu "tout à zéro", toutes les cellules étant à l'état bas, - contenu "tout à un", dans lequel toutes les cellules sont à l'état haut Les résultats de ces essais sont représentés sur la figure 5 Le débit de dose est présenté en abscisse, et le nombre de changement d'état des cellules d'une mémoire en ordonnée. II faut remarquer que le débit de dose est exprimé par rapport au seuil de perturbation minimum. En outre, on a représenté le nombre de changement d'état de cellules en fonction du débit de dose suivant le contenu utilisé. On peut voir que le seuil de perturbation minimum a bien été obtenu avec le contenu défavorable Puis, on a réalisé des tirs à des débits de dose supérieurs aux seuils de perturbation afin de visualiser la façon dont les cellules changent d'état. Les résultats obtenus lorsque le contenu initial utilisé est le contenu défavorable, respectivement favorable, sont représentés sur la figure 6a, respectivement 6b, pour un débit de dose correspondant à 3 fois le seuil de perturbation minimum et sur la figure 7a, respectivement 7b, pour un débit de dose correspondant à 1,5 fois le seuil de perturbation minimum. Un point sur ces figures représente une cellule ayant changé d'état sous l'effet de l'irradiation. Si on analyse les résultats présentés sur les figures 6 et 7, on constate qu'avec le contenu défavorable on arrive à un changement d'état de la quasi-totalité des cellules d'une zone perturbée. On considère comme zone perturbée, les parties de la mémoire où le flash photonique a induit une chute d'alimentation locale suffisante aux bomes de chaque cellule pour ne plus assurer l'intégrité de l'information stockée. Le contenu défavorable est donc le contenu avant irradiation qui va favoriser le changement d'état des points mémoire lors d'un flash photonique. Le principal intérêt de cette invention réside dans le fait qu'on puisse évaluer la tenue des mémoires en mode non sélectionné face à une agression photonique impulsionnelle dans les conditions les plus défavorables pour le composant et donc, par conséquent, le seuil de perturbation trouvé sera réellement le seuil de perturbation minimum. Cette procédure présente aussi un autre avantage non négligeable qui est l'économie du cout en nombre de tirs lors de l'évaluation d'une mémoire SRAM. En effet, en appliquant cette méthode lors de l'évaluation, seuls un ou deux contenus (contenus "défavorables" A et /ou B) doivent être testés sur les mémoires1 alors que dans le passé, il fallait effectuer ces même tests avec une panoplie plus ou moins grande de contenus plus classiques (échiquier, diagonale, tout à un, tout à zéro...). Pour une évaluation "classique" du seuil de perturbation réalisée sur cinq composants avec le procédé décrit, il faut réaliser un tir pour déterminer le contenu "défavorable" B puis environ dix tirs (cinq pour chaque contenu ) pour déterminer par dichotomie le seuil de perturbation sur une première mémoire pour une tension d'alimentation donnée avec les contenus "défavorables" A et B. Pour le seuil sur les quatre autres mémoires, il suffira de six tirs par mémoire (trois pour chacun des contenus A ou B) pour déterminer précisément le seuil, soit au total 34 tirs pour chaque tension d'alimentation étudiée, plus 1 tir pour rechercher le contenu "défavorable" B. II faut remarquer que normalement les contenus "défavorables" A et B doivent être quasiment identiques et dans ce cas là il suffit de réaliser 17 tirs pour chaque tension d'alimentation étudiée + 1 tir pour rechercher le contenu "défavorable" B. Si l'on utilise des contenus classiques (échiquier, diagonale, tout à un, tout à zéro...), il faudra réaliser cinq tirs sur une première mémoire pour déterminer par dichotomie le seuil de perturbation pour une tension d'alimentation donnée et trois tirs sur chacune des quatre autres mémoires, soit 17 tirs par contenu testé pour une tension d'alimentation donnée. En général, il faut tester au moins trois contenus pour avoir une idée précise du seuil soit au total 51 tirs pour une tension d'alimentation donnée. Sachant qu'un tir, sur le générateur photonique utilisé, coûte environ 2 KF, on peut estimer le gain financier apporté par ce procédé lors de l'évaluation au débit de dose d'une mémoire SRAM. Cette procédure permet par la recherche des contenus défavorables de faire une analyse complète du mode de défaillance conduisant une cellule mémoire à changer d'état. En effet, si lors de la recherche des contenus "défavorables" A et B, on aboutit à des agencements particuliers, on pourra à l'aide d'informations foumies par le "layout" du composant conclure sur l'influence du "design" sur le mode de défaillance sous flash. On pourra ainsi voir l'influence de l'architecture de la cellule et de l'électronique périphérique telle que les décodeurs colonne, les décodeurs ligne, les lignes d'entrée et sortie, etc... Cette procédure permet enfin, par la connaissance de l'état préférentiel de chacune des cellules mémoire, une meilleure analyse des résultats expérimentaux obtenus lors des différentes évaluations de mémoire SRAMs sous irradiation (ions lourds, neutrons, protons), en fait toutes les irradiation pouvant induire un changement d'état de cellules mémoire. REVENDICATIONS 1 Procédé de détermination du débit de dose seuil d'une irradiation ionisante transitoire capable de perturber une mémoire comportant des cellules dont rétat peut prendre deux valeurs complémentaires, par exemple O et 1, caractérisé en ce qu'il consiste: - à déterminer un contenu défavorable de la mémoire pour lequel ledit seuil est minimum, - à déterminer, avec ce contenu, le débit de dose seuil au dessus duquel au moins une cellule change d'état. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination dudit contenu défavorable consiste à: - déterminer, pour chaque cellule son état préférentiel, - faire prendre à chacune des cellules l'état complémentaire à son état préférentiel, 3 Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'état préférentiel est déterminé par mise sous tension de la mémoire. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste au préalable à disposer la mémoire sur un plan de masse pour décharger toutes ses capacités intemes. 5 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'état préférentiel est déterminé en initialisant les cellules de la mémoire avec un contenu "tout à zéro" puis en effectuant une irradiation à fort débit de dose, la tension d'alimentation de la mémoire correspondant à la limite basse de sa plage de bon fonctionnement. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en en ce que l'état préférentiel est déterminé, en outre, en initialisant les cellules de la mémoire avec un contenu "tout à zéro" puis en effectuant une irradiation à fort débit de dose, la tension d'alimentation de la mémoire correspondant à la limite basse de sa plage de bon fonctionnement. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisé en ce qu'il consiste en outre, après avoir fait prendre à chacune des cellules rétat complémentaire à son état préférentiel, à effectuer une irradiation à fort débit de dose, la tension d'alimentation de la mémoire correspondant à la limite basse de sa plage de bon fonctionnement.