Experiment-Elektronik Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC 180nm CMOS Prozesses an der GSI Radiation Studies on the UMC 180nm CMOS Process at GSI

Experiment-Elektronik

Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC 180nm CMOS Prozesses an der GSI

Radiation Studies on the UMC 180nm CMOS Process at GSI

Sven Löchner

DPG Frühjahrstagung 2010Bonn

18. März 2010

18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 2Experiment-Elektronik

AgendaAgenda

• Strahlungseffekte– Single Event Effect (SEE)– Total Ionising Dose (TID)

• GRISU Testchip

• Bestrahlungstests– mit Schwerionen

• großflächige Bestrahlung

• Einzel-Ionen Bestrahlung

– mit Röntgenstrahlung

• Zusammenfassung


Single Event Effect (SEE)Single Event Effect (SEE)

Elektron-Loch-Paare werden im elektrischen Feld getrennt Strompuls• Single Event Transient (SET)

– kurzzeitigen Änderung des Signalpegels – glitches (~100…200ps)

• Single Event Upset (SEU)– Änderung des Zustands einer Speicherzelle

Querschnitt durch den ASIC Ladungssammlung unter dem Gate


Total Ionising Dose (TID)Total Ionising Dose (TID)

Allmählich zunehmende Effekte:

Total Ionising Dose (TID) Effekte

• Langfristige Auswirkungen auf CMOS Chips durch Strahlung

• Zu Grunde liegende Ursachen:– Einfangen von Löcher im Silizium Dioxid (in der Nähe der

Grenzschicht zwischen SiO2 und Si)

– Die Schaffung von SiO2-Si „Schnittstellenfallen“

Verschiebung der Schwellenspannung von Transistoren Ansteigen des Leckstromverhaltens von Transistoren


Strahlungseffekte - TIDStrahlungseffekte - TID

Leckstrom (parasitic channel):• Pfad zwischen Source

und Drain verhindert z.B. das Schließen eines Transistors


GRISU TestchipGRISU Testchip

Teststrukturen für TID

Messungen

Teststrukturen für SEU Messungen

Teststrukturen für SET Messungen, Qcrit

Ringoszillator für TID / SEU Messungen

GRISU Testchip

• UMC 180nm Prozess

• 1,5 x 1,5 mm²

• 64 Pads– 28 für TID– 36 für SEE

• Fertigstellung: 02/2008


SEE Testmöglichkeiten an der GSISEE Testmöglichkeiten an der GSI

SEE Tests mit Schwerionen zwei Möglichkeiten:

• Niederenergie am UNILAC– 11,4 MeV / AMU– 103 ... 1010 p/(cm2·s)– Pulse bis zu einer Dauer von 5ms, Wiederholfrequenz bis zu 50Hz– verschiedene Ionen (C, Ni, Xe, U, ...)– geringe Eindringtiefe (~100…300µm)

nur geeignet für Chips ohne Gehäuse

• Hochenergie am SIS– 50 ... 2000 MeV / AMU– 100 ... 1012 p/(cm2)– verschiedene Ionen (C, Ni, Xe, U, ...)– sehr große Eindringtiefe


•X6 Bestrahlplatz an der GSI

Niederenergie Bestrahlplatz X6Niederenergie Bestrahlplatz X6

• Messplatzes für die ASIC-Bestrahlung mit Schwerionen am GSI Bestrahlplatz X6

• Strahlüberwachung mittelsIonisationskammer

• genau Dosimetrie möglich

• Bestrahlung der Chips inLuft

• Einfacher Zugang

Nachteil:

• Nur eine Ionensorte während einer Strahlzeit festgelegter „Linearer Energie Transfer“ (LET) Bereich


LET MessbereichsübersichtLET Messbereichsübersicht

Übersicht der LET Bereiche der unter-schiedlichen Bestrahlungs-

tests


WirkungsquerschnittWirkungsquerschnitt

C-12 Ar-40 Ni-58 Ru-96 Xe-132

LETcrit = 1.93 MeV cm²/mg

σsat = 1.48·10-8 cm²/bit


Microprobe Bestrahlplatz X0Microprobe Bestrahlplatz X0

Microprobe Bestrahlungsplatz:• Bestrahlung von diskreten Digitalzellen mit Schwerionen• X0 Bestrahlplatz

– ~ 1 Ion pro ms

– Ortsauflösung ca. 500nm

– Abtastbereich von ca. 10x10µm²bis 200x200µm²

• ca. 5 MeV/AMU• Bestrahlung im Vakuum

Microprobe Bestrahlplatz X0



Inverter-

Bestrahlung

Abtast-

bereich:

100x100µm²



Inverter-

Bestrahlung

Abtast-

bereich:

100x100µm²

getriggert



Inverter-

Bestrahlung

Abtast-

bereich:

100x100µm²

getriggert

inkl. Layout


Total Ionising Dose Total Ionising Dose (TID) Test(TID) Test

• TID-Test mit Röntgenstrahlen

• Bestrahlungsplatz beim Institut für Experimentale Kernphysik der Universität Karlsruhe,Forschungszentrum KA

• 60keV Röntgenstrahlen

• 100 ... 600krad/h

• Dauerbetrieb möglich

• einfacher Zugang


TID-Test – TeststrukturenTID-Test – Teststrukturen

Messung der Transistor Kennlinien und Berechnung der Schwellenspannungen für verschiedene Dosispegel (am Beispiel des NMOS 0.24/1.80)

• Gesamtdosis bis zu 2.5Mrad

• Reduzierung der Schwellen-spannung Vth

– ~ 20% nach 1Mrd– stabil nach 1Mrad



Messung der Leckströme für verschiedene Dosispegel (am Beispiel des NMOS 0.24/1.80)

• Gesamtdosis bis zu 2.5Mrad

• Leckstrom– keine Veränderung bis

~ 200krad– 3 Größenordnungen nach

2.5Mrad



Messung der „Selbstheilung“(am Beispiel des NMOS 0.24/1.80)

• Gesamtdosis zu Beginn:2.5Mrad

• Ausheilen bei Raumtemperatur

• Verringerung des Leckstromes nach 6 Wochen– fast wieder den Ursprungswert erreicht


ZusammenfassungZusammenfassung

• Voll funktionierender GRISU Testchip– sehr flexibel Messungen möglich (SEE, TID, Einzel-Ionen)

• Aufbau von verschiedenen ASIC-Messplätzen für Schwerionen-Bestrahlungen– Nieder-Energie– Hoch-Energie– Einzel-Ionen

Speziell für den UMC 180nm CMOS Prozess:

• Gutes TID Bestrahlungsverhalten– sehr gute „Selbstausheilung“ von Strahlungsdefekten


Danke


Additional TransparenciesAdditional Transparencies


LLinearer inearer EEnergie nergie TTransfer (LET)ransfer (LET)

• Die an das Halbleitermaterial abzugebende Teilchenenergie, ab der ein SEE in einem Bauteil auftreten kann, wird als LETcrit bezeichnet.

• LET steht für Linearer Energie Transfer– als Maßeinheit: MeV·cm²/mg (bezogen auf Si für MOS)

de

QLET

Si

critcrit

eV6.3 d - sensitive Eindringtiefe

- Materialdichte (Si: 2,33g/cm3)

Typische Werte für den aktuell benutzten CMOS Prozess:

• d = 0,5 ... 2 µm

• Qcrit = 30 ... 60 fC

LETcrit zwischen 1,5 und 12 MeV·cm²/mg


GRISU TestchipGRISU Testchip

GRISU Testchip

• UMC 180nm CMOS Prozess

• 1,5 x 1,5 mm²

• 64 Pads– 28 Pads für TID Messungen– 36 Pads für SEE Messungen

• Fertigstellungen:– GRISU 2: 02/2008


Testmöglichkeiten GRISUTestmöglichkeiten GRISU


Radiation hardnessRadiation hardness

Steps towards a radiation hard layout in CMOS:

Prevent of nMOS leakage currents due to chip irradiation:

Using enclosed transistors (right)instead of linear transistors (left)

Disadvantage:Complex model of transistor

behavior

Larger area consumption

Bigger parasitic capacitances

Small W/L ratios not possible


TID tests – complete chipTID tests – complete chip

Measurement of power consumption on GRISU 2 test chip (core)

• Total dose: 1.5Mrad– at 490krad/h

• Increase of the core power consumption– from 10mA (pre-rad) to

22mA (1.5Mrad)

• Annealing at room temp.– power consumption back to

pre-radiated value after 6 weeks


TID tests – complete chipTID tests – complete chip

Measurement of power consumption on GRISU 2 test chip (pad)

• Total dose: 1.5Mrad– at 490krad/h

• Increase of the pad power consumption– from 1mA (pre-rad) to

105mA (1.5Mrad)

• Annealing at room temp.– power consumption also

back to pre-radiated value after 6 weeks

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