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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 9Experiment-Elektronik
LET MessbereichsübersichtLET Messbereichsübersicht
Übersicht der LET Bereiche der unter-schiedlichen Bestrahlungs-
tests
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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
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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
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18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 12Experiment-Elektronik
Microprobe Bestrahlplatz X0Microprobe Bestrahlplatz X0
Inverter-
Bestrahlung
Abtast-
bereich:
100x100µm²
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18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 13Experiment-Elektronik
Microprobe Bestrahlplatz X0Microprobe Bestrahlplatz X0
Inverter-
Bestrahlung
Abtast-
bereich:
100x100µm²
getriggert
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 20Experiment-Elektronik
Danke
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18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 21Experiment-Elektronik
Additional TransparenciesAdditional Transparencies
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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
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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
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18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 24Experiment-Elektronik
Testmöglichkeiten GRISUTestmöglichkeiten GRISU
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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
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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
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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