Etude expérimentale et modélisation des phénomènes de cellules fragilisées dans les DRAM en environnement radiative.

Experimental study and modeling of weakened cell phenomenon in DRAM under radiation environment.

• Auteur / Autrice : Tran Hoang Nguyen
• Direction : Frédéric Wrobel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/06/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Saigné
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Wrobel, Alain Michez, Vincent Goiffon, Franck Mady, Karine Coulié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Goiffon, Franck Mady

Mots clés

Mots clés libres

Bits collés

Modélisation

Simulation

Tcad

Stuck bits

Modeling

Simulation

Tcad

Résumé

En environnement spatial, des particules à haute énergie provoquent de nombreux effets sur les composants électroniques des satellites. Ce rayonnement dégrade le fonctionnement des composants et peut provoquer la défaillance du satellite. À la suite des observations en vol de l'expérience CARNMEN et de la mémoire du suiveur d'étoiles des satellites PICARD, un nouveau type d'erreur aux caractéristiques uniques, appelé cellules fragilisées (ou Intermittent Stuck Bit - ISB), a été observé. Sur la mémoire de la DRAM, cette erreur s’est produite de manière répétée aux mêmes adresses, et reste persistante lors des cycles de mise sous tension/arrêt de l'appareil et se bloque/débloque aléatoirement dans le temps. Cette thèse, soutenue par le CNES et la société TRAD, a été réalisée pour étudier le phénomène sur des dispositifs DRAM par l'expérimentation et la simulation. La mémoire DRAM utilisée par les satellites ainsi que plusieurs autres circuits ont été testés au sol sous irradiation de protons et d'ions lourds. Les résultats expérimentaux ont montré que l'effet couplé d'une cellule endommagée avec un fonctionnement de rafraîchissement de la DRAM défectueuse peut entraîner des erreurs inattendues. Parallèlement, les simulations TCAD avec le logiciel ECORCE ont fourni plus de détails sur les mécanismes physiques sous-jacents au niveau d'une cellule de la mémoire DRAM. Les modélisations TCAD du transistor ont montrés que l'effet combiné de plusieurs mécanismes générés par le rayonnement provoque une augmentation significative du courant de fuite du transistor. Ce courant est la principale cause de la diminution du temps de rétention. Enfin, la cohérence entre l'expérimentation et la simulation a été jointe pour donner une projection des tendances futures.

In the harsh environment of space, high energetic particles are the source of many radiation effects which can not only degrade but also alter electrical components onboard spacecraft. As a result of inflight observations of the CARMEN experiment and the PICARD satellites star tracker’s memory, a new type of error with unique characteristics, called weakened cells (or Intermittent Stuck Bit - ISB), has been observed. On the DRAM memory, this error occurred repeatedly at the same addresses, being persistent during power cycles of the device and randomly stuck/unstuck over time. While many studies suggest that displacement damages is the root cause, the main mechanisms in place are still under debate. This thesis, supported by CNES and TRAD company, has been carried out to study the phenomenon on DRAM devices, through both experiment and simulation. The inflight reference as well as new ones from different manufacturers were tested on the ground level under proton and heavy ions irradiation. Experimental results at the component level showed that the coupled effect of a damaged cell with a faulty DRAM refresh operation can lead to unexpected error behaviors. Meanwhile, TCAD simulations with ECORCE software provided more details on the underlying physical mechanisms at the single DRAM’s cell level. The 2D model of the transistor accessed under single and combined radiation effects showed a dramatic increase in leakage current in the damaged cell, which is the main cause of the retention time degradation. Finally, the coherence between the two was joined to give a projection of future trends.