Les DRAMs sont des mémoires fréquemment utilisées dans les systèmes aéronautiques et spatiaux. Leur tenue aux radiations doit être connue pour satisfaire les exigences de fiabilité des applications critiques. Ces évaluations sont traditionnellement faites en accélérateur de particules. Cependant, les composants se complexifient avec l'intégration technologique. De nouveaux effets apparaissent, impliquant l'augmentation des temps et des coûts de test. Il existe une solution complémentaire, le laser impulsionnel, qui déclenche des effets similaires aux particules. Grâce à ces deux moyens de test, il s'est agi d'étudier les principaux modes de défaillance des DRAMs liés aux radiations : les SEUs (Single Event Upset) dans les plans mémoire, et les SEFIs (Single Event Functional Interrupt) dans les circuits périphériques. L'influence des motifs de test sur les sensibilités SEUs et SEFIs selon la technologie utilisée a ainsi été démontrée. L'étude a de plus identifié l'origine des SEFIs les plus fréquents. En outre, des techniques de test laser ont été développées pour quantifier les surfaces sensibles des différents effets. De ces travaux a pu être dégagée une nouvelle méthodologie de test destinée à l'industrie. Son objectif est d'optimiser l'efficacité et le coût des caractérisations, grâce à l'utilisation de l'outil laser de façon complémentaire aux accélérateurs de particules. Enfin, une nouvelle solution de tolérance aux fautes est proposée : basée sur la propriété des cellules DRAMs d'être immune aux radiations lorsqu'elles sont déchargées, cette technique permet la correction de tous les bits d'un mot logique.

Nous avons développé un détecteur intégré à base d'une diode pour être embarqué dans un ballon stratosphérique afin de caractériser l'environnement radiatif atmosphérique. Le détecteur a été calibré avec une source Californium, et il a été pleinement caractérisé lors de tests sous faisceaux de neutrons qui produisent diverses particules ionisantes secondaires. Les sections efficaces différentielles de détection pour différentes énergies de faisceaux de neutrons sont avérées être en bon accord avec les simulations effectuées avec le code MC-Oracle. Nous avons effectué un certain nombre de vols en ballon stratosphériques (avec l'ESA et le CNES) et confirmé la corrélation entre le taux de comptage et de l'altitude. En outre, nous avons observé que l'environnement radiatif n'est pas isotrope et démontré le potentiel de notre outil pour étudier l'environnement radiatif atmosphérique. Ces résultats sont utiles pour estimer le flux de particules qui affecte appareils et systèmes électroniques à bord des appareils. / We developed an integrated silicon detector to be embedded in a stratospheric balloon in order to investigate the radiative atmospheric environment. The detector was calibrated with a Californium source, and it was fully characterized under neutron beams which produced various secondary ionizing particles. Differential detection cross sections for different neutron beam energies were shown to be in good agreement with simulations performed with the MC-Oracle code. We performed four stratospheric balloon flights (with ESA and CNES) and confirmed the correlation between the count rate and the altitude. Moreover, we observed that the radiative environment is not isotropic and demonstrated the potential of our tool for investigating the radiative atmospheric environment. These results are useful for estimating the particle flux that affects electronic devices and onboard aircraft systems.

Les champs radiatifs dans le complexe d’accélérateurs du CERN sont caractérisés par des particules mixtes avec un large spectre d’énergie. Le système de surveillance des radiations, le RadMon, a été développé pour la mesure distribuée, et en temps réel, des radiations et ses effets sur l’électronique installée dans les tunnels et les zones expérimentales. Pendant la première phase d’opération du RADMON, un problème critique a été identifié sur les mémoires SRAM utilisées comme capteurs de fluence des hadrons de hautes énergies. Un large nombre de MCU (Multiple Cell Upsets), générés par des microlatchups, ont commencé à apparaître sur les RADMONs, affectant ainsi la précision de mesure de la fluence. Une étude de la cause de cet effet a été réalisée et une solution utilisant un algorithme de détection et de correction en ligne, embarqué sur un FPGA, a été évaluée et mise en place sur les RADMONs installés dans les zones du SPS, PSB, NA62, HiRadMat, ALICE et CHARM.Par ailleurs, dans le cadre du projet CELESTA, une étude de faisabilité a été réalisée pour valider l’adaptation du RadMon à une charge utile pour des applications CubeSat de dimension 1U. Le travail de recherche a été soutenu par le service de transfert de connaissance du CERN en collaboration avec l’Université de Montpellier, le Centre Spatial Universitaire.Les tests expérimentaux ont été effectués dans le nouveau moyen de test CHARM. CHARM offre la possibilité de reproduire les champs radiatifs mixtes présents dans les installations du CERN ainsi que les basses orbites terrestres (LEO).Un module autonome de charge utile pour Cubesat a été développé et équipé avec des capteurs permettant de mesurer dose ionisante ainsi que la fluence des hadrons de haute énergie. Par ailleurs une expérience permettant de détecter des latchups a été ajoutée au module. Les résultats des tests ont permis la définition d’une nouvelle procédure pour la qualification des nano satellites au niveau des radiations sur le système. Ce travail de thèse détaille l’approche suivie pour le choix et la caractérisation des composants utilisés sur la charge utile.La charge utile de CELESTA est le premier projet du CERN sur le sujet de la science des "small satellites". Il représente la première étape d’un intérêt croissant de l’utilisation du moyen de test CHARM pour des missions en environnement spatial. / Radiation fields in the CERN accelerator complex are characterized by mixed particles with broad energy ranges. A Radiation Monitoring System, called "RadMon", was developed for the distributed, on-line measurement of the complex radiation fields and their effect on the electronics installed in areas with a harsh radiation environment. The most recent version of the RadMon revealed a critical issue soon after deployment in the tunnel and the experimental areas. Multiple Cell Upsets (MCUs) arising from microlatchup events started showing up on the SRAM-based particle flux sensors equipped by the system, ultimately affecting the measurement and resulting in corrupted data and accuracy losses. A study of the generation of this effect was performed, and a solution using an on-line detection and correction algorithm embedded on an FPGA, was evaluated and implemented on the RadMon device.Furthermore, in the framework of the project CELESTA, a feasibility study was carried out to validate the adaptation of the RadMon to a 1U CubeSat payload. The research was supported by the CERN Knowledge Transfer as a collaboration between the University of Montpellier, the Centre Spatial Universitaire and CERN. Experimental tests were performed at the new CHARM facility, which allows the characterization of small components, as well as large systems, in a mixed-field representative of the Low Earth Orbit.A stand-alone payload module for 1U CubeSats was developed and equipped withsensors of ionizing dose and high energy hadron fluence. In addition a Latchup Experiment was added on the module as part of the scientific goals of the mission. Results of experimental tests led to the definition of a new procedure for the radiation qualification of small satellites at system level. Details of the characterization and the choice of components are presented together with the approach followed.The payload is the first small satellite module ever designed at CERN. It representsthe first step of an increasing interest towards radiation qualification at CHARM of electronics for low orbit space missions.

Les DRAMs sont des mémoires fréquemment utilisées dans les systèmes aéronautiques et spatiaux. Leur tenue aux radiations doit être connue pour satisfaire les exigences de fiabilité des applications critiques. Ces évaluations sont traditionnellement faites en accélérateur de particules. Cependant, les composants se complexifient avec l'intégration technologique. De nouveaux effets apparaissent, impliquant l'augmentation des temps et des coûts de test. Il existe une solution complémentaire, le laser impulsionnel, qui déclenche des effets similaires aux particules. Grâce à ces deux moyens de test, il s'est agi d'étudier les principaux modes de défaillance des DRAMs liés aux radiations : les SEUs (Single Event Upset) dans les plans mémoire, et les SEFIs (Single Event Functional Interrupt) dans les circuits périphériques. L'influence des motifs de test sur les sensibilités SEUs et SEFIs selon la technologie utilisée a ainsi été démontrée. L'étude a de plus identifié l'origine des SEFIs les plus fréquents. En outre, des techniques de test laser ont été développées pour quantifier les surfaces sensibles des différents effets. De ces travaux a pu être dégagée une nouvelle méthodologie de test destinée à l'industrie. Son objectif est d'optimiser l'efficacité et le coût des caractérisations, grâce à l'utilisation de l'outil laser de façon complémentaire aux accélérateurs de particules. Enfin, une nouvelle solution de tolérance aux fautes est proposée : basée sur la propriété des cellules DRAMs d'être immune aux radiations lorsqu'elles sont déchargées, cette technique permet la correction de tous les bits d'un mot logique. / DRAMs are frequently used in space and aeronautic systems. Their sensitivity to cosmic radiations have to be known in order to satisfy reliability requirements for critical applications. These evaluations are traditionally done with particle accelerators. However, devices become more complex with technology integration. Therefore new effects appear, inducing longer and more expensive tests. There is a complementary solution: the pulsed laser, which trigger similar effects as particles. Thanks to these two test tools, main DRAM radiation failure modes were studied: SEUs (Single Event Upset) in memory blocks, and SEFIs (Single Event Functional Interrupt) in peripheral circuits. This work demonstrates the influence of test patterns on SEU and SEFI sensitivities depending on technology used. In addition, this study identifies the origin of the most frequent type of SEFIs. Moreover, laser techniques were developed to quantify sensitive surfaces of the different effects. This work led to a new test methodology for industry, in order to optimize test cost and efficiency using both pulsed laser beams and particle accelerators. Finally, a new fault tolerant technique is proposed: based on DRAM cell radiation immunity when discharged, this technique allows to correct all bits of a logic word.

L'augmentation des performances requises pour les systèmes aéronautiques et spatiaux nécessite l'utilisation de composants électroniques de complexité croissante, dont la fiabilité, incluant la tenue aux radiations cosmiques, doit être évaluée au sol. Les mémoires DRAMs sont largement utilisées, mais leurs modes de défaillance sont de plus en plus variés, aussi les essais traditionnels en accélérateur de particules ne sont plus suffisants pour les caractériser parfaitement. Le laser impulsionnel peut déclencher des effets similaires aux particules ionisantes, aussi cet outil a été utilisé en complément d'accélérateurs de particules pour étudier, d'une part, les événements parasites SEUs (Single Event Upset) dans les plans mémoire et, d'autre part, les SEFIs (Single Event Functional Interrupt) dans les circuits périphériques. Ces études ont notamment permis d'expliquer l'influence des motifs de test sur les sensibilités mesurées, de découvrir l'origine des SEFIs les plus importants ainsi que de valider des techniques pour quantifier leurs surfaces sensibles. Une méthodologie de test destinée aux industriels a été établie, basée sur l'utilisation du moyen laser en complément des essais en accélérateur de particules dans le but d'optimiser les coûts et l'efficacité des caractérisations. En outre, une nouvelle solution de tolérance aux fautes est proposée, utilisant la propriété des cellules DRAMs d'être immune aux radiations pour un de leurs états de charge.

Les systèmes électroniques, évoluant dans les environnements spatial et terrestre, sont soumis à un flux de particules d'origine naturelle pouvant induire des dysfonctionnements. Ces particules ont la faculté de provoquer des aléas logiques (SEU) dans les mémoires SRAM. Bien que non destructifs, les SEU peuvent avoir des conséquences sur la sûreté de fonctionnement des équipements dans les applications nécessitant une grande fiabilité (avion, satellite, lanceur, médical, etc.). L'évaluation de la sensibilité de la technologie d'un composant est donc nécessaire afin de prédire la fiabilité d'un système. En environnement atmosphérique, cette sensibilité aux SEU est principalement causée par les ions secondaires issus des réactions nucléaires entre les neutrons et les atomes du composant. En environnement spatial, les protons de forte énergie induisent les mêmes effets que les neutrons de l'environnement atmosphérique.<br />Dans ce travail de recherche, un nouveau code de prédiction du taux de SEU a été développé (MC-DASIE) afin de pouvoir quantifier la sensibilité pour un environnement donné et explorer les mécanismes de défaillances en fonction de la technologie. Ce code permet d'étudier différentes technologies de mémoires SRAM (Bulk et SOI) en environnement neutronique et protonique entre 1 MeV et 1 GeV. Ainsi, MC-DASIE a été utilisé avec l'aide d'expérimentations pour étudier l'effet de l'intégration sur la sensibilité des mémoires en environnement terrestre, une comparaison entre les irradiations neutroniques et protoniques et l'influence de la modélisation du composant cible sur le calcul du taux de SEU.

Les particules de l'environnement radiatif naturel sont responsables de dysfonctionnements dans les systèmes électroniques. Dans le cas d'applications critiques nécessitant une très haute fiabilité, il est primordial de répondre aux impératifs de sûreté de fonctionnement. Pour s'en assurer et, le cas échéant, dimensionner les protections de manière adéquate, il est nécessaire de disposer d'outils permettant d'évaluer la sensibilité de l'électronique vis-à-vis de ces perturbations.L'objectif de ce travail est le développement d'outils à destination des ingénieurs pour la prédiction des aléas logiques induits par les radiations dans les mémoires SRAM. Dans un premier temps, des bases de données de réactions nucléaires sont construites à l'aide du code de simulation Geant4. Ces bases de données sont ensuite utilisées par un outil Monte-Carlo dont les prédictions sont comparées avec des résultats d'irradiations que nous avons effectuées sur des mémoires SRAM en technologie 90 et 65 nm. Enfin, des critères simplifiés reposant sur une amélioration de la méthode SIMPA nous permettent de proposer un outil d'ingénieur pour la prédiction de la sensibilité aux protons ou aux neutrons à partir des données expérimentales ions lourds. Cette méthode est validée sur des technologies de SRAM très largement submicroniques et permet l'estimation des évènements multiples, une problématique croissante pour les applications spatiales, avioniques et terrestres. / Particles from natural radiation environment can cause malfunctions in electronic systems. In the case of critical applications involving a very high reliability, it is crucial to fulfill the requirements of dependability. To ensure this and, if necessary, to adequately design mitigations, it is important to get tools for the sensitivity assessment of electronics towards radiations.The purpose of this work is the development of prediction tools for radiation-induced soft errors, which are primarily intended for end users. In a first step, the nuclear reaction databases were built using the Geant4 toolkit. These databases were then used by a pre-existing Monte-Carlo tool which predictions were compared with experimental results performed on 90 and 65 nm SRAM devices. Finally, simplified criteria enabled us to propose an engineering tool for the prediction of the proton or neutron sensitivity from heavy ion data. This method was validated on deep submicron devices and allows the user to estimate multiple events, which are a crucial issue in space, avionic and ground applications.

La caractérisation par mesure spectrale de l'environnement neutronique atmosphérique ambiant s'avère être spécifiquement primordiale dans le contexte de la problématique actuelle liée à l'évaluation des effets de radiations naturelles dans les matériaux semi-conducteurs. Ces " effets singuliers " identifiés sont susceptibles d'altérer le bon fonctionnement des technologies sur silicium fortement intégrées jusqu'au niveau du sol terrestre. Les travaux menés au cours de cette thèse de doctorat ont ainsi porté sur le développement d'un spectromètre de neutron, basé sur le principe du système généralisé des sphères de Bonner, de sensibilité adaptée à la mesure en environnement radiatif atmosphérique naturel et d'efficacité étendue de surcroît jusqu'au domaine des hautes énergies. Le développement du spectromètre s'est alors grandement appuyé sur la simulation numérique de type Monte Carlo au moyen du code de transport MCNPX. Une fois le système multi-détecteurs défini sur le support d'une modélisation détaillée, la matrice de réponse en fluence a été déterminée sur un large spectre en énergie, depuis les énergies thermiques jusqu'à plusieurs GeV. Une phase d'extension puis d'optimisation de la réponse aux neutrons d'énergies supérieures à la dizaine de MeV ont été menées pour aboutir à la configuration et au dimensionnement finals du système de spectrométrie, jusqu'à sa propre réalisation. Une phase de caractérisation, par simulations Monte Carlo, du spectromètre s'est ensuite consacrée à l'évaluation des possibles déviations et incertitudes associées aux réponses en fluence calculées. Une analyse de la sensibilité du spectromètre aux composantes radiatives atmosphériques chargées complète et finalise cette étude exhaustive de caractérisation. Des tests de mesures réalisés au moyen du spectromètre auprès d'une source 241Am-Be de référence ont apporté des éléments de validation expérimentale préliminaire de la matrice de réponse calculée.