De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

FOM netwerkdag elektronica 10-05-20051 van Elektronica en Straling Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide.

Verwante presentaties


Presentatie over: "FOM netwerkdag elektronica 10-05-20051 van Elektronica en Straling Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide."— Transcript van de presentatie:

1 FOM netwerkdag elektronica van Elektronica en Straling Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

2 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

3 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingsschade Cumulatieve schade –Total Ionising Dose (CMOS, bipolair) –Displacement Damage (bipolair, opto) “single event” effecten (t.g.v. ionisatie ) –Single Event Upsets (transients / bit flips) –Single Event Latch up –Single Event Gate Rupture / Burn-Out (power)

4 FOM netwerkdag elektronica van Mechanismen Ionisatie (total dose en single event) –Directe ionisatie (e -, proton, , ion, photon ….) ”Los stoten” van atomaire electronen –Indirecte ionisatie: (neutron, proton, ion…) Botsing van een “zwaar” deeltje met de kern Ionisatie door secundaire geladen deeltjes Displacement Damage (neutron, proton, ion…) –Gevolg van Non Ionising Energy Loss (NIEL) –Beschadiging van het silicium kristalrooster “dislocaties”, “vacancies”, doteren

5 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

6 FOM netwerkdag elektronica van Total Ionising Dose Ionisatie t.g.v. energie verlies door alle geladen deeltjes en fotonen. Geeft schade in gate oxide van MOSFETs Eenheid TID: Gray (Gy) –1 Gy = 100 Rad = 1 J/Kg –1 J = 6.3*10 18 eV ( 1 LHC proton: eV)

7 FOM netwerkdag elektronica van Energie verlies van geladen deeltjes Energie verlies is afhankelijk van –energie van deeltje (“snelheid”) en van materiaal –lading in kwadraat (Si – ion, lading 14!) Energie verlies = dE/dx = Linear Energy Transfer (LET) Minimum Ionizing Particle (MIP) ~3 MeV/cm in Si (~ MeV cm 2 /mg) Si

8 FOM netwerkdag elektronica van Rekenvoorbeeld Hoeveel “MIP” deeltjes zijn er nodig voor 1 Gy (100 rad) in Silicium 1 Gy = 1 J/ Kg = 6.3*10 18 eV / kg energie verlies van MIP: 3 MeV / cm energie-verlies per cm * dikte lengte*breedte*dikte * soortelijk gewicht Si eV kg = 3 MeV / cm 1 cm * 1 cm * kg / cm 3 6.3*10 18 =# deeltjes 1 Gy (Si) = 4.9 Miljard (MIP) deeltjes / cm 2 eV kg

9 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

10 FOM netwerkdag elektronica van Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 NMOS p-type bulk Vrije ladingsdragers: gaten

11 FOM netwerkdag elektronica van Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 Drain/source junction: geen vrije ladingsdragers

12 FOM netwerkdag elektronica van Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 Positieve spaning op gate => gaten weg van oxide (“depletion”)

13 FOM netwerkdag elektronica van Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 Vgs = Vt: electronen uit drain en source verzamelen zich in het kanaal (“inversie”)

14 FOM netwerkdag elektronica van Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 Vgs > Vt : geleiding Stroom evenredig met Vds (voor kleine Vds)

15 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

16 FOM netwerkdag elektronica van MOSFET detail: gate oxide Ionisatie door geladen deeltje Lading drift weg onder invloed van electrisch veld Een deel van de gaten wordt “ge- trapped” in het Si0 2 -Si interface “Onderkant” van Oxide wordt positief Gevolg: Verandering van drempel spanning (Vt) van de FET –Verloop van Vt hangt van spanning af => bestralen onder spanning gate oxide gate bulk E Geladen deeltje SiO 2 Si SiO 2 Si +++++

17 FOM netwerkdag elektronica van Verschuiving van Vt versus oxide dikte Bij oxide dikte < 10 nm wordt tunneling merkbaar Electronen uit bulk tunnelen door oxide en “recombineren” met gaten Dunne gate oxide in 0.25  m proces geeft weinig drempel verschuiving  m proces geschikt voor maken van stralingsharde IC’s, maar…. Oxide dikte Drempel verschuiving 0.25  m process

18 FOM netwerkdag elektronica van Parasitaire transistoren Parasitaire transistoren => lekstroom in nMOS –Lekstroom is grootste probleem van commerciele chips –Oplossing: enclosed layout Lekstroom tussen circuits: gebruik guard rings Enclosed layout vaak overbodig in 0.13  m tech. Bird’s beak Field oxide Parasitic MOS Trapped positive charge Parasitic channel SD G Normal layout Enclosed layout SD G

19 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

20 FOM netwerkdag elektronica van Single Event Upsets Logische toestand van bijv. Flip-flop verandert door lading injectie in gevoelige node (ionisatie) Veel lading (energie) in klein volume –Zwaar ioniserende straling nodig Ion (direct) of via nucleaire interactie (indirect) –Hoge Linear Energy Transfer (E crit : tientallen MeV cm 2 /mg) Kleinere technologie -> gevoeligheid voor bit-flips neemt toe t.g.v. kleinere dimensies / capaciteit –Geldt niet meer voor << 0.25  m –Aantal bit-flips per chip neemt wel toe door toename van aantal bits per chip

21 FOM netwerkdag elektronica van SEU cross section Kans op SEU wordt uitgedrukt in “cross-section” (cm 2 ) Xilinx virtex II # SEU-rate / bit = # deeltjes / cm2. sec * cross-section Hoge LET = Langzaam deeltje met veel lading

22 FOM netwerkdag elektronica van SEU oplosingen Memory: –Extra capaciteit toevoegen –Speciale memory cell (groter oppervlakte) Logica: Error Detection And Correction –Triple redundant + majority voting Configuratie SRAM van FPGA blijft een probleem –Gebruik waar mogelijk Anti-Fuse FPGA FF =? mux

23 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

24 FOM netwerkdag elektronica van Single Event Latch-up (SEL) in uit Vdd Vss n-well p-bulk np ion inverter Vdd nmos pmos uitin Vss p p n n Vdd Vss Guard rings verminderen SEL Silicon On Insulator : geen SEL nmos pmos

25 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

26 FOM netwerkdag elektronica van Displacement Damage(bulk damage) Wordt veroorzaakt door Non Ionising Energy Loss –Neutronen, protonen, ionen –Electronen en fotonen geven weinig NIEL schade Introduceert defecten in het kristal rooster –Geleiding neemt af –Lekstroom neemt toe –Dotering verandert: groot probleem voor Si detectoren Geen invloed op CMOS Versterking (  van bipolare transistoren neemt af –Transistoren met hoge Ft (dunne basis) zijn stralings harder Lekstroom van diodes neemt toe Lichtopbrengst van LEDs en Opto-couplers neemt af

27 FOM netwerkdag elektronica van Annealing Herstel van defecten in kristal rooster Mobiliteit van defecten is sterk temperatuur afhankelijk –Sommige defecten verdwijnen bij kamer temperatuur –Ander defecten vereisen hogere temperatuur Annealing kan ook nieuwe (complexe) defecten introduceren –Silicium detector na bestraling: T < 0  C Temperatuur en tijd log is belangrijk

28 FOM netwerkdag elektronica van Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide Single Event Effecten –Upsets –Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s

29 FOM netwerkdag elektronica van Gebruik van commerciele componenten Gekwalificeerde stralingsharde IC’s –Zeer duur –Beperkt aanbod Commercial Off The Shelf (COTS) Testen, testen en testen –TID test met 60 Co bron of X-rays –NIEL testen met neutronen –Single Event effecten testen met zware ionen Veiligheidsmarges voor: –proces variaties (verschillende batches / aankopen!) –Wisseling van productielijn Houdt log van tijd/temperatuur i.v.m. annealing Moderne chip betekent niet altijd kleine technologie ! Database van componenten: CERN / NASA

30 FOM netwerkdag elektronica van Stralingharde CMOS chips ontwikkeld door NIKHEF 0.25  m process –Alabuf: analoge buffer / line driver getest tot 300 kRad (3 kGy) –AlCapone: control chip inclusief power regulator getest tot 300 kRad (3 kGy) –Beetle: 128 kanaal preamp/shaper + analoge pipeline Ontwikkeld door Univ. Heidelberg + NIKHEF getest tot 30 MRad (300 kGy) 0.13 um process –Bandgap referentie getest tot 130 MRad (1.3MGy)

31 FOM netwerkdag elektronica van Einde

32 FOM netwerkdag elektronica van Verschuiving van drempelspanning Werkelijkheid complexer: oxide en interface effecten Technology >> 0.5  m heeft grote drempel verschuiving Hoeveel de drempel verschuift is sterk afhankelijk van oxide dikte en van gate-spanning –Dus bij testen: Circuit altijd onder spanning bestralen. Moderne chip betekent niet altijd kleine technologie ! Oude technology

33 FOM netwerkdag elektronica van Experiment voorbeeld

34 FOM netwerkdag elektronica van Stralings belasting LHCb neutrons Charged hadrons

35 FOM netwerkdag elektronica van Afscherming Veel material nodig –Geen optie voor “inner detector” –Kans op showers => productie van Neutronen Neutronen laten zich slecht afremmen –Waferstof rijke materialen nodig Onstaan van “Neutronen wolk”

36 FOM netwerkdag elektronica van MOSFET detail : gate oxide interface Dangling bonds Threshold shift NMOS/ PMOS


Download ppt "FOM netwerkdag elektronica 10-05-20051 van Elektronica en Straling Indeling stralingschade Total Ionising Dose –Op herhaling: MOSFET –Schade in gate oxide."

Verwante presentaties


Ads door Google