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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.

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Präsentation zum Thema: "Experiment-Elektronik Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC 180nm CMOS Prozesses an der GSI Radiation Studies on the UMC 180nm CMOS Process at GSI."—  Präsentation transkript:

1 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 2010 Bonn 18. März 2010

2 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 2 Agenda Strahlungseffekte –Single Event Effect (SEE) –Total Ionising Dose (TID) GRISU Testchip Bestrahlungstests –mit Schwerionen großflächige Bestrahlung Einzel-Ionen Bestrahlung –mit Röntgenstrahlung Zusammenfassung

3 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 3 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

4 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 4 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 SiO 2 und Si) –Die Schaffung von SiO 2 -Si Schnittstellenfallen Verschiebung der Schwellenspannung von Transistoren Ansteigen des Leckstromverhaltens von Transistoren

5 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 5 Strahlungseffekte - TID Leckstrom (parasitic channel): Pfad zwischen Source und Drain verhindert z.B. das Schließen eines Transistors

6 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 6 GRISU Testchip Teststrukturen für TID Messungen Teststrukturen für SEU Messungen Teststrukturen für SET Messungen, Q crit 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

7 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 7 SEE Testmöglichkeiten an der GSI SEE Tests mit Schwerionen zwei Möglichkeiten: Niederenergie am UNILAC –11,4 MeV / AMU – p/(cm 2 ·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 – MeV / AMU – p/(cm 2 ) –verschiedene Ionen (C, Ni, Xe, U,...) –sehr große Eindringtiefe

8 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 8 X6 Bestrahlplatz an der GSI Niederenergie Bestrahlplatz X6 Messplatzes für die ASIC-Bestrahlung mit Schwerionen am GSI Bestrahlplatz X6 Strahlüberwachung mittels Ionisationskammer genau Dosimetrie möglich Bestrahlung der Chips in Luft Einfacher Zugang Nachteil: Nur eine Ionensorte während einer Strahlzeit festgelegter Linearer Energie Transfer (LET) Bereich

9 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 9 LET Messbereichsübersicht Übersicht der LET Bereiche der unter- schiedlichen Bestrahlungs- tests

10 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 10 Wirkungsquerschnitt C-12 Ar-40Ni-58Ru-96Xe-132 LET crit = 1.93 MeV cm²/mg σ sat = 1.48·10 -8 cm²/bit

11 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 11 Microprobe Bestrahlplatz X0 Microprobe Bestrahlungsplatz: Bestrahlung von diskreten Digitalzellen mit Schwerionen X0 Bestrahlplatz –~ 1 Ion pro ms –Ortsauflösung ca. 500nm –Abtastbereich von ca. 10x10µm² bis 200x200µm² ca. 5 MeV/AMU Bestrahlung im Vakuum Microprobe Bestrahlplatz X0

12 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 12 Microprobe Bestrahlplatz X0 Inverter- Bestrahlung Abtast- bereich: 100x100µm²

13 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 13 Microprobe Bestrahlplatz X0 Inverter- Bestrahlung Abtast- bereich: 100x100µm² getriggert

14 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 14 Microprobe Bestrahlplatz X0 Inverter- Bestrahlung Abtast- bereich: 100x100µm² getriggert inkl. Layout

15 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 15 Total Ionising Dose (TID) Test TID-Test mit Röntgenstrahlen Bestrahlungsplatz beim Institut für Experimentale Kernphysik der Universität Karlsruhe, Forschungszentrum KA 60keV Röntgenstrahlen krad/h Dauerbetrieb möglich einfacher Zugang

16 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 16 TID-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 V th –~ 20% nach 1Mrd –stabil nach 1Mrad

17 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 17 TID-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 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 18 TID-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

19 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 19 Zusammenfassung 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

20 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 20 Danke

21 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 21 Additional Transparencies

22 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 22 Linearer Energie Transfer (LET) Die an das Halbleitermaterial abzugebende Teilchenenergie, ab der ein SEE in einem Bauteil auftreten kann, wird als LET crit bezeichnet. LET steht für Linearer Energie Transfer –als Maßeinheit: MeV·cm²/mg (bezogen auf Si für MOS) d-sensitive Eindringtiefe -Materialdichte (Si: 2,33g/cm 3 ) Typische Werte für den aktuell benutzten CMOS Prozess: d = 0, µm Q crit = fC LET crit zwischen 1,5 und 12 MeV·cm²/mg

23 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 23 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

24 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 24 Testmöglichkeiten GRISU

25 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 25 Radiation 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

26 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 26 TID 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

27 Experiment-Elektronik 18. März 2010Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 27 TID 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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