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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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 3Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 4Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 5Experiment-Elektronik
Strahlungseffekte - TIDStrahlungseffekte - TID
Leckstrom (parasitic channel):• Pfad zwischen Source
und Drain verhindert z.B. das Schließen eines Transistors
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 6Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 7Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 8Experiment-Elektronik
•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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 9Experiment-Elektronik
LET MessbereichsübersichtLET Messbereichsübersicht
Übersicht der LET Bereiche der unter-schiedlichen Bestrahlungs-
tests
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 10Experiment-Elektronik
WirkungsquerschnittWirkungsquerschnitt
C-12 Ar-40 Ni-58 Ru-96 Xe-132
LETcrit = 1.93 MeV cm²/mg
σsat = 1.48·10-8 cm²/bit
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 11Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 12Experiment-Elektronik
Microprobe Bestrahlplatz X0Microprobe Bestrahlplatz X0
Inverter-
Bestrahlung
Abtast-
bereich:
100x100µm²
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 13Experiment-Elektronik
Microprobe Bestrahlplatz X0Microprobe Bestrahlplatz X0
Inverter-
Bestrahlung
Abtast-
bereich:
100x100µm²
getriggert
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 14Experiment-Elektronik
Microprobe Bestrahlplatz X0Microprobe Bestrahlplatz X0
Inverter-
Bestrahlung
Abtast-
bereich:
100x100µm²
getriggert
inkl. Layout
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 15Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 16Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 17Experiment-Elektronik
TID-Test – TeststrukturenTID-Test – Teststrukturen
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 18Experiment-Elektronik
TID-Test – TeststrukturenTID-Test – Teststrukturen
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 19Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 20Experiment-Elektronik
Danke
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 21Experiment-Elektronik
Additional TransparenciesAdditional Transparencies
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 22Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 23Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 24Experiment-Elektronik
Testmöglichkeiten GRISUTestmöglichkeiten GRISU
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 25Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 26Experiment-Elektronik
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
18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 27Experiment-Elektronik
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