14-2

1 m

ars

20

04

N. S

egu

in-M

ore

au

E

ffet

s d

es r

adia

tio

ns

sur

les

com

po

san

ts

Car

gès

e

1

EFFETS D

ES R

ADIA

TIO

NS

SUR LES COMPO

SANTS

ELE

CTRONIQ

UES

Eco

le d

’éle

ctro

niq

ue

anal

og

ique

–C

AR

GE

SE

–14

au

19

mar

s 2

00

4

N. S

EG

UIN

-MO

RE

AU

LA

L O

RS

AY

(seg

uin

@la

l.in

2p3

.fr)

NA

SA

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

2

Introd

uction

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

3

Introd

uction

�Environne

men

t:

�Spa

tial: P

rotons, é

lectrons, ion

s lourds

, ne

utrons

�Nucléaire: X

, Gam

mas, β

, neu

tron

s …

Très

fortes doses

�Ex

périen

cesde

Phy

siqu

e Hautes

Energies: H

adrons cha

rgés (p

ions ,

kaon

s, protons), Neu

tron

s. Doses

mod

érée

s

�Le

s radiations pe

uven

t provoque

r des

dom

mag

es importan

ts à

un circuit

élec

tronique

utilisédan

s un

environnem

ent irradiant:

�Dég

rada

tion

des pe

rformance

s�

Pann

es

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

4

PLAN

�1-Méc

anismes d’intéraction des particules avec

la matière

�2-Effets des T

ID (Total IonisingDose) sur les M

OS et bipolaires

�3-Effets des N

IELs (Non Ionising Ene

rgy Lo

ss)

�4-Effets des S

EEs (Single Event Effec

ts)

�5-Conséquen

ces sur la fonctionnalité d’un circuit

�6-Solutions pour durcir l’électronique

�7-Exem

ple de tests de circuits aux

irrad

iations

�8-Effets des rad

iations sur l’h

omme

�9-Conclusions

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

5

1-IntéractionRad

iation-Matière : Proce

ssus (1)

�Qua

nd une

particule entre en collision avec la m

atière, elle perd tout ou

partie de son én

ergie. Plusieu

rs m

écan

ismes s’enchaîne

nt, mais souven

t un seu

l dom

ine lors des éch

ange

s d’éne

rgie.

�Il existe différents processus qui dép

enden

t:

�Ty

pe, é

nergie cinétique

, masse et ch

arge

de la particule in

cide

nte

�Masse, Z

atom

ique

et de

la den

sité de la cible

Par

ticu

le α

Par

ticu

le β

Ray

. γ

ou X

Ion

Ato

me

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

6

1-IntéractionRad

iation-Matière : Proce

ssus les

plus fréquen

ts

�IO

NIS

ATIO

N�

La particule in

cide

nte transfert son én

ergie au m

atériau en

produ

isant un

e pa

ire

e-trou

�= > c

réation de

paires e-

trou

s sur le trajet de

la particule cha

rgée

�DEPL

ACEMENT A

TOMIQ

UE

�Dép

lace

men

t d’atom

es de leur position no

rmale

•Le

s pa

rticules in

cide

ntes perde

nt le

ur éne

rgie lo

rs de co

llision

s élastiques ou

inélastiques, c

e qui e

ntraîne de

s dé

fauts structurels da

ns le

matériau cible

•Création de déf

auts cristallin

Par

ticu

le i

nci

den

teA

tom

e in

ters

tici

el

Par

ticu

le a

prè

s in

téra

ctio

n

Vac

ancy

ato

me

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

7

1-TID

, NIE

L, S

EE

�EFFETS CUMULA

TIF

S(effets accumulés pen

dan

t toute la période

d’exposition aux

rad

iations)

�IO

NIS

ATIO

N [TID

: Total IonisingDose]

: créa

tion paires e-

trous

�MECANIS

ME N

ON-IO

NIS

ANT [NIE

L: N

on IonisingEne

rgyLo

ss]:

Dép

lace

men

t atom

ique

�Le

s ne

utrons provoqu

ent essentielle

men

t du

dép

lace

men

t atom

ique

�Le

s ph

oton

s: io

nisation

�Le

s ha

dron

s ch

argé

es et les ions lo

urds

: ionisation

et dé

placem

ent

�EFFETS N

ON CUMULA

TIF

S�

SEE

(Single Ev

entEf

fect):Tr

ès lo

calisé et in

duit par une

seu

le particule

fortem

ent ionisante : p

rotons, n

eutron

s, io

ns lo

urds

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

8

1-UNIT

ES:

�IO

NIS

ATIO

N

�TID

(Total Ionisation Dose):

•-> D

ose en

Gray

: Gy

•1Gy= 100 rad

= 1 J

/kg

•-> D

ose rate

: Gy/s

�RADIA

TIO

N N

ON IONIS

ANTE

�NIE

L (N

on Ionising Ene

rgy Lo

ss)

•φ φφφ: Mesuré en

particules/cm

2ou

flue

nce

•φ φφφ

équivalentàne

utrons de 1 M

ev

�SEE

�On mesure le nom

bre de SEEs en

préc

isan

t le flux de pa

rticules inciden

tes

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

9

1-RESUME D

ES M

ECANIS

MES et UNIT

ES

ION

ISA

TIO

N

TID

Gy, ra

d

=>

Pai

res

e-tr

ous

Photo

ns,

Ele

ctro

ns,

Ions

lourd

s

NO

N I

ON

ISA

NT

NIE

L

Flu

ence

ou p

arti

cule

s/cm

2

=>

Dép

lace

men

t

atom

iqu

e

Neu

trons,

Ions

lourd

s

SE

E

Tau

x d

’occ

ure

nce

Pro

tons,

Neu

trons,

Ions

lourd

s

=>

Déf

aill

ance

tem

pora

ire

ou d

éfin

itiv

e

C U M U L A T I F S

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

10

1-Ex de niveau

x de radiations dan

s ATLA

S (LH

C):

�Chassis élec

tronique

s situés sur le

cryo

stat:

•TID

= 50 Gy

/10y

r

•NIE

L= 1.6 10

12N/cm

2 /10

yr

•SEE = 7.7 101

1h/

cm2 /10

yr (>20

MeV

)

AT

LA

S L

Ar

calo

rim

eter

FE

CF

EC

Z (

m)

R (

m)

Car

te d

e T

ID d

’AT

LA

S

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

11

�Le

s composants COTs(Com

mercial O

ff T

he

Shelf compone

nts = com

posants

commerciau

x) mais au

ssi les ASIC

s réalisés

en tec

hno durcie doivent être testés à des

doses biensupé

rieu

resau

x doses prévues

(Safety Fac

tor: S

F)

�ASIC

sDMIL

L (avec SF)

�TI

D = 50 * 3.5 (sim

ul) *

1.5 (ldr

) * 2 (lot)

= 52

5 Gy

/10y

r(3.5 kGy for COTS)

�NIE

L = 1.6 10

12 *

5 (sim

ul) *

1 (ldr

) * 2 (lot)

= 1.6 10

13 N/cm

2/1

0yr

(3.2 1013for COTS)

�SEE

= 7.7 101

1 *5 (sim

ul) *

1 (ldr

) * 2 (lot)

= 7.7 10

12 had

rons/cm

2/1

0yr

1-Exem

ple: D

oses req

uises pour tests de

composants élec

tronique

s d’ATLA

S

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

12

1-Ten

ue aux

rad

iations : spatial vs LHC

Spa

ce m

issions

LHC exp

erimen

ts�

Mission T

ime

10-15 yea

rs10 yea

rs�

Service

Not Possible

Imprac

tica

l�

Electronics R

eliability

High

High

�Total D

ose Req

uiremen

ts10 -100 krad

1 krad-10 M

rad

�Non Ionizing Ene

rgy Lo

ss (N)

~0

1013-1015N/cm2

�Single Event U

psets

IC’s S

EU cha

racterised

No Critica

l SEU A

ccep

ted

�=> D

es contraintes assez

simila

ires

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

13

1-Effets des rad

iations sur les détec

teurs Si

�Très sensibles au

x

irradiations NIE

L (neu

trons)

�Détec

teur irrad

ié

aux neu

trons =>

défau

ts cristallin

s

�Détec

teur de type

n pe

ut deven

ir de

type

p suite à irrad

Par

ticu

le t

raver

sant

le d

étec

teur

Avan

t ir

rad

Aprè

s ir

rad a

ux n

eutr

on

str

ace

d’u

n

ϕev

ent

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

14

2-Transistors M

OS: principe

physique

�Forte inversion :

�Co

nduction

: porteurs majoritaires sous

l’interface

Si-SiO

2�

approx

imation quad

ratique

�I D

= ½µ nC o

xW

/L (V

GS-V

T)²

•V T

: thr

esho

ld voltage

: ten

sion

de seuil q

ui

dépe

nd de la tec

hno

•µ n

mob

ilité

des po

rteu

rs, C

oxép

aisseu

r de

grille

•W

and

L : dimen

sion

s = “au ch

oixdu

design

er”

�Sou

rce de

I con

trolléeen

ten

sion

�Pas de

cou

rant de grille : I

G=0

Su

bst

rat

PDra

in

Source

Ga

te

Si-

po

ly

Ga

teO

xyd

e

SiO

2

N+

N+

W

L

P

N+

N+

VG

S

VD

S

VS

B

Dep

leti

on

reg

ion

Ch

an

nel

Dra

in

Sourc

e

Gri

lle

Subst

rat

Ex:

NM

OS

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

15

ox

ox

QE

ε/∆+=

∆o

xo

xC

QV

t/

∆−=∆

da

van

t ir

rair

rad

ap

rès

Vt

Vt

Vt

-

=

∆

1-

Ch

arg

es >

0

pié

gée

s d

ans

ox

yd

e

2-

E ↑

dan

s

ox

yd

e

3-

Den

sité

de

port

eurs

↑d

ans

le c

anal

4-

Id ↑

NM

OS

2-Effetsdes particules ionisantes (TID

) surles

tran

sistors MOS

�Pa

rtie la plus sen

sible aux

rad

iations:

�Co

uche

d’oxy

de de Silicium

a-Piég

eage

des trous dan

s l’oxyd

e (SiO

2)

�∆Vt

prop

à la

den

sité

de trous

et à le

urpo

sition

pa

r rapp

ort à Si-SiO

2�

Charge

piégé

e tjrs

>0�

=> ∆Vo

x tjrs

<0�

=> VthNMOS ↓ ↓↓↓

et V

thPM

OS ↑ ↑↑↑

en valeu

r ab

solue

b-Pièg

esà l’interface

Si-SiO

2 (états

d’interfac

e):

�=>

piég

eage

set dép

iége

ages

des ch

arge

s qu

i son

t da

nsle canal con

ducteu

r�

=> ∆Vit. P

iège

s ch

argé

s<0 pou

r NMOS, >0

pou

r PM

OS

•=> VthNMOS

et V

thPM

OS ↑ ↑↑↑

en valeu

r ab

solue

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

16

2-TID

: Vth

des N

MOS et PM

OS

�NMOS:

�Tr

ous piég

és ont ten

danc

e à

↑Vt

h alors que les états d’interface on

t tend

ance

à↓Vt

h.�

Trou

s (+ grd

e dy

namique

) dom

inen

t en

déb

ut d’irrad

�Accum

ulation de

s états d’interface

�PM

OS:

Arr

êt d

e l’

irra

dia

tion

AN

NE

AL

ING

: Q

uan

d o

n s

toppe

l’ir

radia

tion,

phén

om

ène

de

récu

pér

atio

n

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

17

2-TID

: influe

nce de la polarisationpe

ndan

t irradiation sur

la variation de Vth

des M

OS

�Le

s circuits D

OIV

ENT être alimen

tés pe

ndan

t les tests au

x T

ID

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

18

2-TID

: influe

nce dudéb

it de dose (dose rate) et

de la tem

pérature sur

la variation de Vth

des M

OS

�∆ ∆∆∆Vth dép

end du déb

itde dose.

�∆ ∆∆∆Vth dép

end de la tem

pérature: les trouspe

uven

têtre

dép

iégé

s(A

NNEALI

NG).

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

19

2-Résum

é: variation de Vth

des M

OS avec TID

�Le

s cond

itions d’irradiation (polarisation, tempé

rature, déb

it

de dose) ont une

grand

e influe

nce sur la variation de Vt

�Annea

ling

�∆ ∆∆∆Vth dép

endde l’épa

isseur

de l’oxyd

ede grille

�Le

s trou

s piég

és peu

vent

quitter l’oxy

depa

r ef

fettunn

el.

�Te

chno

CMOS sub micronique(rad

hard

AVE

C de

s de

sign

s spéc

ifique

s)

Vth

NM

OS

Char

ge

Oxyde

Eta

tsin

terf

ace

Tota

l

ou

Vth

PM

OS

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

20

�La

mob

ilité

diminue

car la conduction dan

sun M

OS est

direc

temen

t corrélée

avec

la mob

ilité

des porteurs près

de

l’interface

SiO

2

avec

∆Nit= augm

entation

du nb

red’états d’interfaces

et α

dépe

ndantde

la tec

hno

�La

transcond

uctance, qui est proportionnelle à

µ µµµ, diminue

ég

alem

ent

itN

.

µ

∆+

=α

µ1

0

2-TID

: mob

ilité et tran

sconductance des M

OS

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

21

2-TID

: I fuitedes N

MOS

�Le

akag

e I = Id qd V

gs=0

�Augmen

tation des

couran

tsde fuitedes

NMOS

�Oxy

des latéraux

bcp

plus

épais qu

e ox

ydes

de grille

, et don

c pe

uven

t piég

er bcp

de trous

�Activation d’un

e structure

latérale parasite da

ns la

zo

ne de transition

entre

l’oxy

de m

ince

de grille et

l’oxy

de de ch

amp ép

ais

(bird’s be

ak)

10

-14

10

-5

Id

Vgs

14

-21 m

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2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

22

2-TID

: I fuiteen

treNMOS

�Gén

ération de couran

tspa

rasites en

treNMOS

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

23

2-RECAPI

TULA

TIF

: TID

sur M

OS

�Chan

gemen

t de Vth:

�Dép

enda

ntde

la tem

pérature, d

u dé

bit de

dose, épa

isseur oxy

de�

Néc

essité de faire les tests avec

le circuit polarisé

�Ann

ealin

g

�Dég

radationde la transcond

uctance (et donc du bruit)

�Courant de fuite (lea

kage

) en

tre le drain et la source

�Courant de fuite en

tre MOS situé

s dan

s un m

êmeca

isson

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

24

n+

n+

n+

p Ep

itax

ie n

p+

p+

Sub

stra

t p

Coll

ecte

ur

Em

ette

ur

Base

Tra

nsi

stor

NP

N

Oxyd

e

2-Transistors Bipolaires:

�Principe

:�

Le cou

rant de bias de la jun

ction ba

se

emetteur in

jecte de

s po

rteu

rs qui son

t capturés par le

collecteu

r compte tenu

du

grand

cha

mp élec

trique

collecteu

r ba

se.

�Le

cou

rant de colle

cteu

r Ic

est

controllé

par la

ten

sion

VBE

�On dé

finit la transcond

uctance

•g m

= ∂I C

/∂V B

E

Coll

ecte

ur

Em

ette

ur

Bas

eS

ubst

rat

NP

N

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

25

2-TID

: Ex du NPN

�Avant irrad

: �

Ib1 = trou

s injectés de la base vers l’ém

etteur et

β0=I

c/Ib

1�

Après irrad

.:�

Ib1: Trous in

jectés de la base vers l’ém

etteur

�Cr

éation

d’états d’interface => cou

rant de reco

mbinaison

Ib2

ven

ant d’un

e fraction

d’électrons

injectés de l’émetteur vers la base

�=> β=I

c/(Ib1 + Ib2

) < β0

SiO

2

Bas

eE

met

teu

r

Co

llec

teu

r

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

26

2-TID

: β βββ

(Ic) N

PN

�Avant irrad

: �

β(Ic

) est à

peu près plat

�Après irrad

.:�

Grands

Ic: saturation de

s états d’interface et du co

urant de

reco

mbinaison

•=> β

diminue

lentem

ent qd

Ic augm

nente

�Pe

tits Ic: Pas de saturation

des états d’interface ni du co

urantde

reco

mbinaison

•=> β

diminue

rap

idem

ent qd

Ic dimminue

14

-21 m

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N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

27

2-TID

sur bipolaires: Param

ètres ag

gravan

ts

�Ép

aisseu

r d’ox

ydesous la

rég

ion Ba

se Emetteur (e

ffetsTI

D ↑

avec

ép

aisseu

r)

�Qualitéde

l’ox

yde(piége

ages)

�Dop

age Ba

se et Em

etteur

(effets TI

D ↓

qd B et E fortem

ent do

pés)

�Co

urant Ic

: dég

rada

tion

plus im

portante à petit Ic

�Déb

it de do

se: e

ffets très variables selon

les proc

ess

�LE

S N

PNs à gran

d ft sont peu

sen

sibles au

x T

IDs

14

-21 m

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eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

28

2-TID

sur bipolaires: Conditions de tests

d’irradiation

�Po

larisation

: dép

end bc

p du

proce

ss, d

onc il vaut m

ieux

polariser

�Te

mpé

rature: d

ommag

es agg

ravés avec

la tem

pérature

�Ann

ealin

g: dép

end du

proce

ss et de

la polarité NPN

/PNP:

•NPN

: récupè

rent plutôt à hau

te T

•PN

P: se dég

raden

tà la fois à hau

te et basse T

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au E

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les c

om

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C

arg

èse

29

�NIE

L (N

on Ion

isingEn

ergy

Loss) :

�dép

lace

men

t atom

ique

provoqué pa

r ion lourd ou ne

utron

�Le

s NIE

Ls red

uisent le

tem

ps de vie de

s po

rteu

rs m

inoritaires

�Le

s MOS ne sont pas sen

sibles aux

NIE

L:�

Les ce

ntres de recombinaison induits par un dép

lace

men

t atom

ique

ne ch

ange

pas la

concen

tration des porteurs (m

ajoritaires) dan

sle can

al

3-Effetsdes N

IEL:

Par

ticu

le i

nci

den

teA

tom

e in

ters

tici

el

Par

ticu

le a

prè

s in

téra

ctio

n

Vac

ancy

ato

me

Dét

ecte

ur

Si

Av

ant

NIE

LA

prè

s N

IEL

14

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-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

30

3-COMPO

SANTS S

ENSIB

LES aux

NIE

L

�Le

s Bipo

laires son

tsensiblesaux NIE

L:�

Dég

radationde

β βββ•

Les ce

ntres de recombinaison induits par un dép

lace

men

t atom

ique

chan

gent

la

concen

tration de porteu

rs dan

s la base (dopag

e)

�Ph

oto élec

tron

ique

sen

sible aux NIE

L

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-More

au E

ffets

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iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

31

4-SEE sur les com

posants

�Co

ntrairem

ent aux TI

D et NIE

L qu

i son

t de

s ef

fets cum

ulatifs, les S

EE sont

induits

par 1 seu

lepa

rticule

�Io

ns lourd

s: E

space , g

rand

dE/

dx

�Pa

rticules hau

tes én

ergies (protons, neu

trons):LH

C, faible dE

/dx mais intéraction

nucléa

ire

�SEE = > D

éfailla

nces fonctionnelles temporaires ou définitives

�= > P

héno

mèn

esno

n récurren

ts qui dép

ende

nt de la fluen

ce des io

ns et du

LET (Line

ar

Ene

rgy Transfe

r)du

com

posant

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au E

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les c

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C

arg

èse

32

4-Line

ar Ene

rgy Transfer (LET):

�Courb

eσ σσσvs

LET: donne

la sen

sibilité d’un composant aux

SEEs:

�LE

T: Ene

rgie m

oyen

ne ∆Et

par unité

de lo

ngue

urde

trace

∆x no

rmalisée

àla

densité

ρdu

matériel: L

ET=

∆ ∆∆∆Et/(ρ ρρρ.

∆ ∆∆∆x )

�Irradiation du

com

posant avec un

faiscea

u de

protons ou ions lo

urds

�Sec

tion

efficace: σ σσσ=NbreSEEs/unités de flue

nce

σ σσσ

Seu

les

les

par

ticu

les

avec

un L

ET

> L

ET

seu

il

peu

ven

t pro

voquer

des

SE

Es

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les c

om

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C

arg

èse

33

4-PR

INCIP

AUX S

EEs

�Po

ur le

s circuits CMOS, les 3 SEE

s les plus im

portants son

t:

�SEU: Single Event U

pset = aléa logique

�SEL: S

ingle Event Latch

Up = verrouilla

ge m

ainten

u

�SEGR: Single Event G

ate Rupture = claquqge de grille

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C

arg

èse

34

4-SEU:

�SEU= S

ingle Event U

pset

�ef

fet réversible

qui c

onsisteen

la m

odification soud

aine

de l’état lo

giqued’un point m

émoire:

charge

s gé

nérées

le lo

ng de la trace

d’un ion lourd, son

t co

llectée

s surun

des noe

uds sensibles

de la

cellule m

émoire

et provoquen

tle bascculem

entde

l’état lo

gique

σ σσσ

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au E

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C

arg

èse

35

4-SEL

�SEL (Single Event Latch

up): activation pa

r le

passag

e d’un ion lourd d’un

thyristor pa

rasite. Le

dom

mag

e pe

ut être

perm

anen

t ou tem

poraire

(élim

iné avec

ON/O

FF

alim)

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les c

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C

arg

èse

36

4-SEGR et SEB sur

les MOS

�SEGR: Destruction de l’oxyd

e de grille duMOS. Possible dan

s les

cas où il y a un cham

p élec

trique

suffisant, comme lors des

opérations d’écriture des m

émoires EEPR

OM ou dan

s les MOS de

puissance.

�SEB: Single Event Burnout. Destruction d’un tran

sistor de puissance

du à un état cond

ucteur à fort couran

t induit pa

r une pa

ticule

fortem

ent ionisante.

14

-21 m

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N. S

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au E

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ur

les c

om

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C

arg

èse

37

RESUME D

ES EFFETS S

UR COMPO

SANTS

ION

ISA

TIO

N

TID

Gy, ra

d

NM

OS

: V

t ↑ ↑↑↑

ou

↓ ↓↓↓P

MO

S:

Vt

↑ ↑↑↑g

m↓ ↓↓↓

I fu

ite

↑ ↑↑↑

Bip

ola

ires

: β↓

NO

N I

ON

ISA

NT

NIE

L

Flu

ence

ou p

arti

cule

s/cm

2

Dép

lace

men

t

atom

iqu

e

SE

E

Tau

x d

’occ

ure

nce

SE

E p

erm

anen

t

SE

L, S

EG

R, S

EB

SE

U (

tran

sist

oir

e)

C U M U L A T I F S

Cré

atio

n p

aire

s

e-tr

ous

Bip

ola

ires

: β↓

Opto

élec

t.

MO

S

14

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C

arg

èse

38

5-CONSEQUENCES D

ES IRRADIA

TIO

NS S

UR

LES FONCTIO

NALI

TES D

ES CIR

CUIT

S (1)

�CIR

CUIT

S N

UMERIQ

UES

EN CMOS:

�Dég

rada

tion

de la rap

idité

(dérive du

Vth

, dég

rada

tion

de

la m

obilité)

�Ro

n augm

ente

�Co

nsom

mation avantet après

irrad pe

ut cha

nger de faço

n pe

u prévisible

�Le

s SEE

s sont problém

atique

s

[ M

art

in D

enta

n:

Eco

le d

’éle

ctro

niq

ue

analo

giq

ue]

Oct

obre

1999

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

39

5-CONSEQUENCES D

ES IRRADIA

TIO

NS S

UR

LES FONCTIO

NALI

TES D

ES CIR

CUIT

S (2)

�Amplificateu

rs bipolaires

�Rem

èdes:

�Utilis

erun darlin

gton

en en

trée

pou

r ↑

βet ainsi Rin

�Stabilis

er la

cha

rge:

Dar

lingto

n

[ M

art

in D

enta

n:

Eco

le d

’éle

ctro

niq

ue

analo

giq

ue]

Oct

obre

1999

14

-21 m

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N. S

eguin

-More

au E

ffets

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ur

les c

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C

arg

èse

40

6-SOLU

TIO

NS A

UX S

EEs

�CIR

CUIT

S N

UMERIQ

UES EN CMOS:

�SEU

essen

tiellemen

t�

Aug

men

ter Vd

d�

Préf

érer la

logiqu

e statique

à la

logiqu

e dy

namique

�Préc

aution

de de

sign

�Re

dond

ance

�Te

chno

logie du

rcie

�CIR

CUIT

S A

NALO

GIQ

UES

�SEL

essen

tiellemen

t�

Compe

nser le

s ef

fets par le

design

�Te

chno

durcie

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N. S

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ur

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om

posants

C

arg

èse

41

6-Ex de tech

nologie durcie: D

MIL

L

�Tec

hnologie durcie BiCMOS 0.8 µm S

OI

�Oxy

de de grille du

rci

�Tr

anch

ées d’isolation

�Anti-latchu

p�

SEU

limité

�Ga

rantie 10 Mrad et 101

4 N�

Developpé

e au

LETI

�Vé

hicules tests conjoints avec

l’in2p

3, le

DAPN

IA et la DAM

�Transférée à l’ind

ustrie 1998

�Matra M

HS pu

is Atm

el�

Choisie pa

r plusieurs ex

périen

ces LH

C

�ATL

AS pixels, SCT

, LArG

�CM

S�

Des problèmes de yield réc

urrents…

�Fermeture de la ligne

en 2003

PM

OS

N+

P+

P+

LOC

OS N+

N+

N-

SIM

OX

BU

RIE

D O

XID

E

SU

BST

RA

TE (

BA

CK

SIL

ICO

N)

P -

P+

N+

N+

LO

CO

S

P-

NM

OS

N+

N+

LO

CO

S

NM

OS

PM

OS

P-

P-

TRE

NC

H T

RE

NC

H

BA

TC

H

DA

TE

Y

IEL

D

V 1

.1

6 /

98

90 %

V 1

.2

8 /

98

80 %

V 2

w12

8 /

99

50 %

V2 w

4

8 /

99

84 %

V 3

.1

10 /

99

10 %

V 3

.2

V 4

.1

7 /

00

3 /

01

65 %

60 %

C

oupe

du B

iCM

OS

DM

ILL

Yie

ld d

u S

CA

AT

LA

S D

MIL

L

14

-21 m

ars

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N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

42

6-CMOS scalin

g et tec

hno sub

micronique

Gra

nd

eur

Eff

et

Ep

aiss

eur

d’o

xyd

e

Lon

gueu

r d

e ca

nal

Au

gmen

tati

on d

e la

vit

esse

Au

gmen

tati

on d

e C

OX

Au

gmen

tati

on d

e la

tra

nsc

ond

uct

ance

Pro

fon

deu

r d

e jo

nct

ion

Ext

ensi

on s

ourc

e/d

rain

Réd

uct

ion

des

élé

men

ts p

aras

ites

La

réd

uct

ion

de

tou

tes

les

dim

ensi

ons

entr

aîn

e u

ne

augm

enta

tion

de

la d

ensi

té d

’in

tégr

atio

n

Su

bst

rat

PDra

in

Source

Gri

lle

Si-

po

ly

Oxyd

e d

e g

rill

e

SiO

2

N+

N+

W

L

�Lo

i de Moore :

�Den

sité dou

blée

tou

s les 2 ans

�Ré

duction de

s long

ueurs de

grille

�Aug

men

tation

de la vitesse

�Ré

duction de

s tensions

d’alim

entation

�Réd

uction des longueu

rs de grille

�Dép

lace

men

t de

la ten

sion

de seuil

sous TID

dim

inue

très rapide

men

t avec

lescaling

�Te

chno

0.25

µm, é

paisseur d’oxy

de

5 nm

: 30Mraden

traîne

chgt

deVt

hde

qqsdiza

ines demV.

�Dim

inution du

SEL

�Scalin

g: TB po

ur le

num

érique

, design +

difficile

pou

r analog

ique

(Vdd

petit)

14

-21 m

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eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

43

7-Procéd

ures de tests

�HEP: Politique

de radiation qui impose de tester aux

rad

iations

l’ensem

ble des com

posants utilisés sur les ca

rtes d’électronique, que

ce

soit des COTs ou des com

posants en

tec

hno durcie.

�Le

s do

ses de

test sont bien supé

rieu

res à ce

lles attend

ues car on

app

lique

de

s facteu

rs de sécurité (S

afety Fa

ctors: SF)

•Ex

emple:

•TI

D = 50 * 3.5 (sim

ul) *

1.5 (ldr

) * 2 (lot) = 52

5 Gy

/10y

r•

(3.5 kGyfor COTS)

•NIE

L = 1.6 10

12 *

5 (sim

ul) *

1 (ldr

) * 2 (lot)

= 1.6 10

13 N/cm

2/1

0yr

•(3.2 1013for COTS)

•SEE

= 7.7 101

1 *5 (sim

ul) *

1 (ldr

) * 2 (lot)

= 7.7 10

12 had

ron/cm

2/1

0yr

�Nbre de composantsà irradier: 10 (D

MIL

L ou

COTS)

�Sites d’irradiations:

�Neu

trons (N

IEL): CERI à Orléa

ns

�Gam

mas (TID

): S

ource Co6

0à Sac

lay (gam

mas 1 M

eV)

�SEE: Lo

uvain La

Neu

ve

14

-21 m

ars

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N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

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ur

les c

om

posants

C

arg

èse

44

7-Ban

c de test : Procé

dures de tests

�Ca

rtes

de test spéc

ifique

spo

ur ir

radier

les compo

sants

�TI

D: I

l est in

dispen

sable d’alim

enter les circuits. M

esurer

avantet en cours d’irrad

car anne

aling po

ssible

�NIE

L: pas obligatoire d’alim

enter, m

ais il est pratique

de suivre l’évolutiond’un

circuit au cou

rs d’irrad.

�SEE

: 4 circuits, faiscea

u ha

dron

(60 MeV

, avec un

eflue

ncesuffisante

pour avoir

de

la statistique

). Circuits doivent être alim

entéset le

mon

itoring estob

ligatoire

pend

ant l’irrad

iation

Tes

ts a

ux n

eutr

ons

au C

ER

I à

Orl

éans

14

-21 m

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N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

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ur

les c

om

posants

C

arg

èse

45

�Shap

er: Filtre avec 3 gains de mise en

forme des

signau

x issus du calorimètre A

rgon Liquide

d’ATLA

S. ASIC

contien

t 4 shap

ers trigainen

tech

nologie BiCMOS

1.2 µ µµµm de AMS. Design pour

diminue

r sensibiltéau

x rad

iations

�Ban

c de test irrad

iations [10 shap

ers irradiés].

�Neu

trons [CERI Orléa

ns] :

� ���14 heu

res[0.1C/h

-6MeV

]

� ���de 1.8 1014 N

/cm

2 to 4.5 1013 N

/cm

2.

�Gam

mas [Cob

alt 60 / PAGURE -

CEA S

aclay] :

� ���20 heu

res[10 Krad/h

].

7-Ex. de tests au

x irrad

iations du SHAPE

R A

TLA

S

Pea

kin

g t

ime:

tp

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

46

7-BANC de TEST pour irradiation de 10 shap

ers

[J.P

. R

ICH

ER

, C

ER

N –

La

rg M

eet

ing

25

/04

/01

]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

47

7-BANC de TEST IRRADIA

TIO

NS S

HAPE

RS

[J.P

. R

ICH

ER

, C

ER

N –

La

rg M

eet

ing

25

/04

/01

]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

48

7-SCHEMA CARTE D

E T

EST

Pré

ampli

«0T

»SH

AP

ER

TR

I G

AIN

[J.P

. R

ICH

ER

, C

ER

N –

La

rg M

eet

ing

25

/04

/01

]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

49

5.1

013

N/c

m2

5.1

013

N/c

m2

High

HighGain

Gain

5%

[J.P

. R

ICH

ER

, C

ER

N –

La

rg M

eet

ing

25

/04

/01

]7-IR

RADIA

TIO

NS N

EUTRONS: GAIN

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

50

5.1

013

N/c

m2

5.1

013

N/c

m2

High

HighGain

Gain

1ns

7-IR

RADIA

TIO

NS N

EUTRONS: Pe

aking time

[J.P

. R

ICH

ER

, C

ER

N –

La

rg M

eet

ing

25

/04

/01

]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

51

�Shap

er1

[1.8 1014N/cm

2] :

� ���High G

ain dec

reased

by 15

%on the four chan

nels.

� ���With new

0T (non-

irradiated) the High G

ain increa

sed

by 10

%.

�Shap

er8

[5.5 1013N/cm

2] :

� ���High G

ain dec

reased

by 5%

on the four chan

nels.

� ���With new

0T (non-

irradiated) the High G

ain increa

sed

by 3%

.

�Ga

ins: max

imum

dec

rease< 3%

limited

tothe sh

aper

contribu

tion

[Fluen

ce< 5.1013N/cm

2].

�Pe

akingtime: stab

lewithin ±

0.5ns [Fluen

ce< 5.1013N/cm

2].

�In

ternal reg

ister(m

ixer inputsselections)fully

working

onthe10shap

ers.

7-IR

RADIA

TIO

NS N

EUTRONS: Conclusions

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

52

60 K

rad

60 K

rad

60 K

rad

5%

7-IR

RADIA

TIO

NS G

AMMAS: GAIN

S

[J.P

. R

ICH

ER

, C

ER

N –

La

rg M

eet

ing

25

/04

/01

]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

53

60 K

rad

60 K

rad

60 K

rad

1ns

7-IR

RADIA

TIO

NS G

AMMAS: Pe

aking Time

[J.P

. R

ICH

ER

, C

ER

N –

La

rg M

eet

ing

25

/04

/01

]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

54

�Dose > 60 Krad � ���

all thega

ins dec

rease lin

early.

�Power consumption of the an

cilla

ry logic [Fast-

TTL] increases strongly[x2 for 200

Krad] � ���

power supply overload

ed � ���

non-

linea

rity on the test boa

rds [dyn

amic

range of the an

alog m

ux. reduced

].

�After chan

ging logic circuits all the shap

ers pa

rameters [Gains and

tp] are w

ithin

the requ

ired

limits.

7-IR

RADIA

TIO

NS G

AMMAS: Conclusions

[J.P

. R

ICH

ER

, C

ER

N –

La

rg M

eet

ing

25

/04

/01

]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

55

8-Effets des rad

iations sur l’h

omme (1)

[ww

w.c

ea.f

r]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

56

8-Effets des rad

iations sur l’h

omme (2)

Act

ivit

é d

e la

so

urc

e: N

bre

de

dés

inté

gra

tio

n/s

en

B

ecq

uer

el

En

erg

ied

u r

ayon

nem

ent

reçu

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ose

ab

sorb

ée e

n G

ray

Eff

et d

e l’

irra

dia

tio

n r

eçu

e: E

qu

ival

ent

de

do

se a

bso

rbée

en S

iev

ert

[ww

w.c

ea.f

r]

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

57

Conclusion

�SOLU

TIO

NS:

�Te

chno

logie rad ha

rd, m

ais très chè

re (e

t rend

emen

t méd

iocre) car volum

e de

produ

ction trop

faible

�Es

saye

r d’am

éliorer la toléran

ce par design et par l’arch

itec

ture

�Te

chno

logie sub microniqu

e, très bien

ada

ptée

au nu

mérique

.

ION

ISA

TIO

N

TID

Gy

, ra

d

NM

OS

: V

t ↑ ↑↑↑

ou

↓ ↓↓↓P

MO

S:

Vt

↑ ↑↑↑g

m↓ ↓↓↓

I fu

ite

↑ ↑↑↑

Bip

ola

ires

: β↓

NO

N I

ON

ISA

NT

NIE

L

Flu

ence

ou

par

ticu

les/

cm2

Dép

lace

men

t

nu

cléa

ire

SE

E

Tau

x d

’occ

ure

nce

SE

E p

erm

anen

t

SE

L, S

EG

R, S

EB

SE

U (

tran

sist

oir

e)

C U M U L A T I F S

Cré

atio

n p

aire

s

e-tr

ou

s

Bip

ola

ires

: β↓

Op

toél

ect.

MO

S

14

-21 m

ars

2004

N. S

eguin

-More

au E

ffets

des r

ad

iations s

ur

les c

om

posants

C

arg

èse

58

Référen

ces

�Digest of the

Rad

iation

effec

ts on Elec

tron

ics (CER

N 8 juin 19

99) p

ar

Martin DEN

TAN

�Ra

diation ef

fects in the

electronics for CMS par Frédé

rico FACC

IO

�ht

tp://rd4

9.we

b.ce

rn.ch/

RD49

/RD49

Docs/anelli/

these.ht

ml p

ar Giovann

i ANEL

LI (C

ERN)

�ht

tp://rad

home.gsfc.nasa.go

v