Effects of Ionizing Radiation in Flash Memories

Le memorie a semiconduttore che operano al livello del mare sono costantemente bombardate dalla radiazione ionizzante. Particelle alfa, emesse dai contaminanti radioattivi che sono inevitabilmente presenti nei materiali dei componenti e delle saldature, possono raggiungere le aree sensibili dei chip e generare cambiamenti indesiderati dello stato logico dei bit di memoria. Inoltre, una continua pioggia di neutroni causata dalle interazioni dei raggi cosmici con gli strati esterni dell’atmosfera costituisce una seria minaccia per il corretto funzionamento dell’elettronica in ambiente terrestre. L'elettronica che opera nello spazio deve funzionare in un ambiente ancora più critico dal punto di vista delle radiazioni ionizzanti, data la presenza massiccia di protoni, elettroni e ioni pesanti. Le memorie Flash sono sensibili agli effetti di radiazione. Essendo componenti sfaccettati, con blocchi funzionali eterogenei, la loro risposta alle radiazioni ionizzanti è variegata e talvolta la sua interpretazione può risultare complessa. Le SRAM, dal canto loro, sono il benchmark più comune per valutare la sensibilità al soft error di una data generazione tecnologica CMOS, nonchè dispositivi presenti virtualmente in tutti i circuiti integrati, non da ultimo nel page buffer delle memorie Flash. Questo lavoro di tesi contiene dei contributi originali nel campo degli effetti delle radiazioni sulle memorie Flash e SRAM. E’ stato effettuato uno studio completo, sperimentale e teorico, di memorie Flash commerciali, usando raggi x, ioni pesanti e neutroni, per simulare sia l’ambiente spaziale che quello terrestre. Per quanto riguarda gli effetti di dose totale, si studiano le diverse dosi di fallimento della matrice di celle Floating Gate, delle pompe di carica e del decoder di riga, irraggiando selettivamente i vari blocchi funzionali del dispositivo, in contrasto con la metodologia più comune di esporre alla radiazione l’intero chip. Nel Capitolo 3, dedicato agli effetti da evento singolo, si chiarisce il ruolo del page buffer nel determinare la sensibilità a ioni pesanti di una memoria NAND, studiando anche la dipendenza dei diversi tipi di errori (page buffer vs celle Floating Gate) dalle condizioni operative del dispositivo. Si propone quindi una ‘sezione d’urto efficace’ allo scopo di tenere conto di questi parametri. Negli ultimi anni sono stati discussi gli effetti di annealing post-irraggiamento degli errori osservati nelle celle Floating Gate, ma, apparentemente, le spiegazioni fornite collidevano con le teorie di perdita di carica dal Floating Gate. In questo lavoro di tesi si presentano risultati nuovi su questo fronte (Capitolo 4), che dimostrano come le teorie di perdita e intrappolamento di carica nel Floating Gate possano in realtà coesistere e spiegare in modo efficace i dati sperimentali. Il Capitolo 5 mostra, per la prima volta, che i neutroni atmosferici sono in grado di indurre errori in memorie Flash avanzate, cosa che fino a poco fa si riteneva possibile solo per memorie SRAM e DRAM. Questi risultati rivelano l’importanza di una nuova tematica connessa all’uso questi dispositivi in ambito terrestre. Infine, il Capitolo 6 illustra i fattori principali che determinano la dipendenza dalla temperatura del tasso di soft error in una memoria SRAM. Si presentano i risultati sperimentali, di simulazioni SPICE e modellizzazione analitica, per evidenziare la complessa miscela di parametri in gioco, molti dei quali fortemente dipendenti dalle caratteristiche tecnologiche del dispositivo.