Soft Errors in Memory Devices : Novel Methods and Practices for Dynamic and Static Testing

par Georgios Tsiligiannis

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Serge Pravossoudovitch et de Patrick Girard.

  • Titre traduit

    Soft Erreur dans les Mémoires : Nouvelles Méthodes et Pratiques pour les Tests Dynamiques et Statiques


  • Résumé

    La plupart des environnements naturels et artificiels présentent du rayonnement ionisant (RI) interagissant avec l'électronique. Les effets du RI sont étudies depuis longtemps surtout pour des applications de critiques et de sécurité dans le domaine de l'espace, nucléaire, militaire et médical. L'étude des effets de rayonnement sur les appareils électroniques est complexe et demande la combinaison d'une connaissance pluridisciplinaire allant de la physique nucléaire à l'architecture à haut niveau, l'électronique et la science de matériaux. La réduction de la taille des transistors et l'augmentation simultanée de la complexité des systèmes contribuent à rendre plus critiques les problématiques. En occupant la plus grande surface de systèmes sur puce, les mémoires électroniques représentent la source principale des fautes induits par la radiation. Par conséquent, la compréhension des effets du rayonnement ionisant sur les mémoires et leur atténuation sont essentielles. Ces travaux de thèse introduisent des nouvelles méthodes de test à niveau de simulation et expérimental. En particulier, à niveau de simulation, est proposée une méthodologie pour l'estimation du taux de soft erreurs (SER) des circuits électroniques. Cette méthode prend en compte les variations environnementales et paramétriques des circuits pendant leur exposition au rayonnement ionisant. La méthode est évaluée à travers le cas d'étude représentée par une cellule SRAM de technologie 40nm interagissant avec des neutrons atmosphériques. Au niveau expérimental, des nouvelles méthodes pour le test sous accélérateur de SRAMs sont présentées, tout en mettant l'accent sur les défaillances que le test dynamique peut révéler. Les méthodes proposées s'appuient sur les algorithmes de type March et des séquences d'adressage spécifique des mémoires. Le choix des méthodes des tests dynamiques plutôt que des tests statiques est justifié par leur capacité de sensibiliser les effets électriques et du fait qu'ils sont très représentatifs du comportement réel des mémoires de vrais systèmes électroniques. Dans ces études, sont analyses en détail des évènements de large échelle qui apparaissent pendant les tests en accélérateurs et qui menaient à des MCUs (Multiple Cell Upsets), des effets singuliers permanent SEL (Single Event Latchups) et des effets singuliers de type SEFI (Single Event Functional Interrupt). Les protons à basses menaçant les technologies le plus récentes, donc, ici, leur contribution aux effets singuliers est aussi étudiée toujours en appliquant les nouvelles méthodes des tests proposés. Avec l'expérience acquise pendant les tests accélérés, un capteur des Hadrons à Haute Energie a été proposé et par la suite testé sur le faisceau de la structure H4IRRAD du CERN. La fonction principale de ce moniteur est basée sur l'extraction de la fluence des hadrons en tant qu'une fonction des effets singuliers SEU enregistrés. En outre, sont également présentés les résultats d'un test en temps réel fait à la station Concordia en Antarctique. Dans ce cas, l'instrument de détection était une version modifié du précédent capteur. Les résultats récoltés ont démontré que cet instrument de détection peut être utilisé dans des environnements et des conditions de rayonnement diverses. Enfin, des technologies de mémoire émergeantes ont été évaluées par rapport à leur réponse au rayonnement ionisant.


  • Résumé

    Most of the known natural and artificial environments present ionizing radiation interacting with electronics. The effects of ionizing radiation have been a concern for many years especially for safety and critical applications such as space, nuclear, avionics, military and medical. The study of radiation effects on electronic devices is complex and requires the combination of multidisciplinary knowledge from nuclear physics to high-level system design, electronics and science of materials. The downscaling of the transistor size and the concurrent increase of systems' complexity contributes to worsen this problematic.By occupying the largest area of Systems on Chip, electronic memories represent the biggest source of radiation induced failures. Consequently, the understanding of ionizing radiation effects on memory devices and their mitigation is crucial. This thesis introduces novel test methods for both the simulation and the experimental level. More specifically, at the simulation level a framework is proposed for the estimation of the Soft Error Rate of electronic devices. This framework considers environmental and parametric variations of the device, while subjected to ionizing radiation. The framework is evaluated by considering the case study of a 40nm SRAM cell interacting with atmospheric neutrons. At the experimental level, novel methods for the accelerated testing of SRAM devices are presented, emphasizing to the failures that dynamic mode testing is able to reveal. These proposed methods are based on March algorithms in combination with specific addressing schemes for the memories.The choice to focus on dynamic testing methods is justified by their capability to sensitize electric effects that static mode testing is not able to do, and because they are highly representative of the realistic behavior of memories in actual electronic systems. Large scale events occurring during accelerated testing as a result of Multiple Cell Upsets, Single Event Latchups and Single Event Functional Interrupts are thoroughly analyzed. With low energy protons posing a threat for latest technologies, their contribution to Soft Errors is also studied by applying the proposed testing methods. Using the experience acquired from accelerated testing, a monitor for the sensing of the High Energy Hadrons was proposed and next tested at H4IRRAD beam line (CERN). The main functionality of this monitor is based on the extraction of the hadrons fluence as a function of the recorded Single Event Upsets. Furthermore, the results from a real-time test at the Concordia station in Antarctica are also presented. This time the sensing instrument was a customized version of the previous monitor and the retrieved results proved the usability of the instrument under different radiation environments and conditions. Finally emerging memory technologies are assessed for their response under ionizing radiation.


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