A Contribution to the Characterization of Radiation-induced Soft Errors in Sigma-Delta Modulators and SRAM Memories

Abstract

[cat] Aquesta tesi es centra en els anomenats Single-Event Effects (SEE) causats per la recol·lecció de càrrega degut a l'impacte d'una partícula energètica en un node d’un circuit microelectrònic. En les últimes dècades la tecnologia microelectrónica ha experimentat un escalat constant permetent el disseny i implementació de sistemes més ràpids, més complexos i compactes. Aquest escalat ve acompanyat per la disminució de la tensió d'alimentació i la reducció de les mides dels transistors, fenòmens que tenen per efecte col·lateral un augment en la probabilitat de que una partícula ionitzant que interactua amb el substrat semiconductor puga generar la càrrega suficient per induir efectes transitoris que afectin el correcte funcionament del circuit electrònic i causar aquests SEEs. D'aquesta forma, els efectes de la radiació ionitzant ja no són un problema específic exclusivament relacionat amb aplicacions espacials o aviònica, convertint-se en una preocupació important per a la fiabilitat dels dispositius electrònics emergents. Aquests SEEs es poden dividir en els anomenats Single-Event Upsets (SEU) si produeixen un canvi en l'estat lògic d'un element de memòria i els anomenats Signle-Event Transients (SET) si es genera una variació transitòria en el voltatge d’un o més nusos en un circuit combinacional. Ambdós SEEs es produeixen degut a la generació de parells electró-forat com a conseqüència de les interaccions de partícules amb la xarxa cristal·lina de silici que forma el susbstrat dels dispositius d’estat sòlid en els circuits integrats. Les partícules alfa, neutrons, protons, ions pesats i altres partícules ionitzants poden interactuar amb dispositius d'estat sòlid i afectar així el seu comportament. Aquest efecte sols es produeix quan la càrrega recol·lectada sobrepassa un determinat valor llindar (càrrega crítica), la qual depèn de la tecnologia de fabricació, del disseny a nivell de circuit, disposició dels components i de les característiques transitòries de la corrent induïda. Aquesta tesi s'ha centrat en l'estudi dels SEUs en dos dissenys diferents de cel·les SRAM, ressaltant un estudi comparatiu entre les cel·les de mida mínima de sis transistors (6T) i de vuit transistors (8T). D'aquesta manera, el treball aquí presentat mostra els resultats de l'exposició de les SRAMs a diferents entorns operatius tals com una font alfa, una font de protons, una font de neutrons i un camp mixt d'alta energia, caracteritzat aquest últim per contindre espectres de partícules més energètiques, (fins als GeV) i un conjunt més ampli d'espècies de partícules (incloent pions carregats). També s'estudia l'estabilitat dels convertidors analògic-digitals (A/D) per SET, utilitzant un disseny de modulador ΣΔ per a calcular si per a nivells raonables de càrrega induïda, la inestabilitat pot ser activada per SET.

[spa] Esta tesis se centra en los llamados Single-Event Effects (SEE) causados por la generación de carga eléctrica debido al impacto de una partícula energética en un nodo de un circuito fabricado con tecnología microelectrónica. En las últimas décadas la tecnología ha experimentado una evolución constante permitiendo el diseño e implementación de sistemas más rápidos, más complejos y compactos mediante el desarrollo de tecnologías microelectrónicas nanométricas. Este escalado viene acompañado con la reducción de la tensión de alimentación y de las medidas de los dispositivos, aspectos que tienen como efecto colateral un aumento en la probabilidad de que una partícula ionizante pueda generar la carga eléctrica suficiente para inducir efectos transitorios que afecten el correcto funcionamiento de circuitos electrónicos y causar estos SEEs. De esta manera, los efectos de la radiación ionizante ya no son un problema específico exclusivamente relacionado con aplicaciones espaciales o aviónica, convirtiéndose en una preocupación importante para la fiabilidad de los dispositivos electrónicos emergentes. Estos SEEs se pueden dividir en los llamados Single-Event Upsets (SEU) si producen un cambio en el estado lógico de un elemento de memoria y los llamados Single-Event Transients (SET) si se genera un cambio transitorio en el voltaje en uno o más nudos de un circuito combinacional. Ambos SEEs se producen debido a la generación de pares electrón-hueco como consecuencia de las interacciones de partículas ionizantes con la red cristalina del silicio que forma el substrato de los dispositivos de estado sólido de los circuitos integrados. Las partículas alfa, neutrones, protones, iones pesados y otras partículas ionizantes pueden interactuar con dispositivos de estado sólido y afectar así su comportamiento. Este efecto sólo se produce cuando la carga recolectada en un nudo sobrepasa un determinado valor umbral (carga crítica), la cual depende de la tecnología de fabricación, del diseño a nivel de circuito, emplazamientto de sus dispositivos y de las características transitorias de la corriente inducida. Esta tesis se ha centrado en el estudio de SEUs en dos diseños diferentes de celdas SRAM, resaltando un estudio comparativo entre las celdas de tamaño mínimo con seis transistores (6T) y con ocho transistores (8T). De esta manera, el trabajo aquí presentado muestra los resultados de la exposición de las SRAMs a diferentes entornos operativos tales como una fuente alfa, una fuente de protones, una fuente de neutrones y un campo mixto de alta energía, caracterizado este último por contener espectros de partículas más energéticas, (hasta los GeV) y un conjunto más amplio de especies de partículas (incluyendo piones cargados) También se estudia los problemas de estabilidad de los convertidores analógicos a digitales (A / D) causados por eventos transitorios, usando un diseño de modulador ΣΔ para calcular si, para niveles razonables de carga inducida, la inestabilidad puede ser activada por un SET.

[eng] This thesis focuses in the so-called Single-Event Effects (SEE) caused by the charge collection due to the impact of an energetic particle in a sensitive circuit node in microelectronic circuits. In the last decades, electronic technology has experienced a constant evolution allowing the design and implementation of faster, more complex and more compact systems by the development of modern microelectronic nanometer technologies. This scaling entails the decrease of the supply voltage and transistor sizes, which has as a collateral effect: the increase of the probability of a particle to generate enough charge to induce transient effects in one or more circuit nodes affecting the proper operation of electronic circuits. In this way, ionizing radiation effects are not a specific problem exclusively related to the space or avionic applications anymore. In fact, they have become a major concern for reliability and dependability of emerging electronic devices. These SEEs can be divided into: i) the so-called Single-Event Upsets (SEU), if there is a change in the logic state of a memory element, and ii) the so-called Single-Event Transients (SET), if a voltage transient in a combinational circuit is generated. Both SEEs are produced because the collection effects related to electron-hole pairs generated by particle interactions with silicon lattice that forms the substrate of the solid-state devices in integrated circuits. Alpha particles, neutrons, protons, heavy ions and other ionizing particles may interact with solid-state devices impacting their behavior. This effect only occurs when the collected charge surpasses a given threshold value (critical charge) that depends on the specific fabrication technology, circuit level design, layout, and induced current transient characteristics. This thesis has focused on the study of SEUs on two differently-designed SRAM cells, proposing a comparative study between minimum-sized six transistors (6T) bit-cells, and eight transistors (8T) minimum-sized bit-cells. In this way, the work presented here shows results of SRAMs exposure to different operational environments such as an alpha source, a proton source, a neutron source, and a high-energy accelerator mixed-field. The latter is characterized by more energetic particle spectra (extending beyond the GeV range) and a broader set of particle species (including charged pions). In addition, the instability effects in analog-to-digital (A/D) converters due to single effects has also been studied. The study has been performed using a design of a ΣΔ modulator to calculate if, for reasonable levels of induced charge, instability can be triggered by SET.