Radiation Studies on the UMC 180nm CMOS Process at GSI 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

Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses Agenda 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

Single Event Effect (SEE) Querschnitt durch den ASIC Ladungssammlung unter dem Gate 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 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

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

Strahlungseffekte - 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

Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses GRISU Testchip GRISU Testchip UMC 180nm Prozess 1,5 x 1,5 mm² 64 Pads 28 für TID 36 für SEE Fertigstellung: 02/2008 Teststrukturen für SEU Messungen Teststrukturen für TID Messungen Ringoszillator für TID / SEU Messungen Teststrukturen für SET Messungen, Qcrit 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

SEE 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) sehr große Eindringtiefe 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

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 X6 Bestrahlplatz an der GSI 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

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

Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses Wirkungsquerschnitt 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

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 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

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

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

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

Total Ionising Dose (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

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 Vth ~ 20% nach 1Mrd stabil nach 1Mrad 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

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. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

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 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 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 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses Danke 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

Additional Transparencies 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

Linearer Energie Transfer (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) 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

Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses GRISU 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

Testmöglichkeiten GRISU 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses 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 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

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 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses

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 18. März 2010 Untersuchung von Strahlungseffekten des UMC CMOS Prozesses