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 FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Indeling stralingschade Total Ionising Dose Op herhaling: MOSFET Schade in gate oxide Single Event Effecten Upsets Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

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) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Mechanismen Ionisatie (total dose en single event) Directe ionisatie (e-, proton, m, 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 FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Indeling stralingschade Total Ionising Dose Op herhaling: MOSFET Schade in gate oxide Single Event Effecten Upsets Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 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*1018 eV ( 1 LHC proton: 8.1012 eV) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

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) Si Hoge energie -> andere processen (brems, hadronisch) Minimum Ionizing Particle (MIP) ~3 MeV/cm in Si (~0.0013 MeV cm2/mg) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Rekenvoorbeeld Hoeveel “MIP” deeltjes zijn er nodig voor 1 Gy (100 rad) in Silicium 1 Gy = 1 J/ Kg = 6.3*1018 eV / kg energie verlies van MIP: 3 MeV / cm eV kg energie-verlies per cm * dikte = lengte*breedte*dikte * soortelijk gewicht Si Inner detectoren voor LHC experimenten Tientallen tot honderen kGy! eV kg 3 MeV / cm 6.3*1018 = # deeltjes 1 cm * 1 cm * 0.00233 kg / cm3 1 Gy (Si) = 4.9 Miljard (MIP) deeltjes / cm2 FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Indeling stralingschade Total Ionising Dose Op herhaling: MOSFET Schade in gate oxide Single Event Effecten Upsets Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 p-type bulk Vrije ladingsdragers: gaten NMOS FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 Drain/source junction: geen vrije ladingsdragers FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 Positieve spaning op gate => gaten weg van oxide (“depletion”) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 Vgs = Vt: electronen uit drain en source verzamelen zich in het kanaal (“inversie”) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Terug naar school: MOSFET © IMEC 2004 Vgs > Vt : geleiding Stroom evenredig met Vds (voor kleine Vds) Belangrijk: Vt is begin van geleiding Inzoomen op gate oxide FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Indeling stralingschade Total Ionising Dose Op herhaling: MOSFET Schade in gate oxide Single Event Effecten Upsets Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

MOSFET detail: gate oxide - + Geladen deeltje SiO2 Si Ionisatie door geladen deeltje Lading drift weg onder invloed van electrisch veld Een deel van de gaten wordt “ge-trapped” in het Si02-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 SiO2 Si + gate E gate oxide bulk FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

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 mm proces geeft weinig drempel verschuiving. 0.25 mm proces geschikt voor maken van stralingsharde IC’s, maar…. Drempel verschuiving Oxide dikte 0.25 mm process FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Parasitaire transistoren Parasitic MOS S D G S D G Parasitic channel Field oxide Trapped positive charge Bird’s beak Normal layout Enclosed layout 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 mm tech. FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Indeling stralingschade Total Ionising Dose Op herhaling: MOSFET Schade in gate oxide Single Event Effecten Upsets Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 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 (Ecrit: tientallen MeV cm2/mg) Kleinere technologie -> gevoeligheid voor bit-flips neemt toe t.g.v. kleinere dimensies / capaciteit Geldt niet meer voor << 0.25 mm Aantal bit-flips per chip neemt wel toe door toename van aantal bits per chip FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 SEU cross section Kans op SEU wordt uitgedrukt in “cross-section” (cm2) Xilinx virtex II Hoge LET = Langzaam deeltje met veel lading # SEU-rate / bit = # deeltjes / cm2. sec * cross-section FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 SEU oplosingen Memory: Extra capaciteit toevoegen Speciale memory cell (groter oppervlakte) Logica: Error Detection And Correction Triple redundant + majority voting FF =? mux Configuratie SRAM van FPGA blijft een probleem Gebruik waar mogelijk Anti-Fuse FPGA FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Indeling stralingschade Total Ionising Dose Op herhaling: MOSFET Schade in gate oxide Single Event Effecten Upsets Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Single Event Latch-up (SEL) Vdd inverter Guard rings verminderen SEL Silicon On Insulator : geen SEL pmos in uit nmos Vss ion Vss Vdd in uit p n Vdd Vss n p Thyristor nmos pmos n-well p-bulk FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Indeling stralingschade Total Ionising Dose Op herhaling: MOSFET Schade in gate oxide Single Event Effecten Upsets Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

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 (b) 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 Wordt veroorzaakt door Non Ionising Energy Loss Neutronen, protonen, ionen Schade hangt af van energy en type van deeltje voor E <100 keV Electronen en fotonen geven weinig NIEL schade Introduceert defecten in het kristal rooster Dislocaties, vacancies Extra energie niveaus in the bandgap Er onstaan recombinatie/trapping centra => geleiding neemt af Er ontstaan generatie centra: Lekstroom neemt toe Dotering verandert (Si->Al etc.): groot probleem voor Si detectoren Geen invloed op CMOS Versterking (b) 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 FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 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 FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Indeling stralingschade Total Ionising Dose Op herhaling: MOSFET Schade in gate oxide Single Event Effecten Upsets Latch-up Displacement damage Commerciële IC’s FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Gebruik van commerciele componenten Gekwalificeerde stralingsharde IC’s Zeer duur Beperkt aanbod Commercial Off The Shelf (COTS) Testen, testen en testen TID test met 60Co 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 FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Stralingharde CMOS chips ontwikkeld door NIKHEF 0.25 mm process Alabuf: analoge buffer / line driver getest tot 300 kRad (3 kGy) AlCapone: control chip inclusief power regulator 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) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Einde FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Verschuiving van drempelspanning Oude technology Werkelijkheid complexer: oxide en interface effecten Technology >> 0.5 mm 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 ! FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Experiment voorbeeld FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Stralings belasting LHCb Charged hadrons neutrons FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 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” FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

MOSFET detail : gate oxide interface Dangling bonds Threshold shift NMOS/ PMOS FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005