netwerk_straling

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
1 van
• 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
2 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)
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
3 van
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
4 van
• 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
5 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*1018 eV
( 1 LHC proton: 8.1012 eV)
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
6 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)
Si
Minimum Ionizing
Particle (MIP)
~3 MeV/cm in Si
(~0.0013 MeV cm2/mg)
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
7 van
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
6.3*1018
energie-verlies per cm
=
*
dikte
lengte*breedte*dikte * soortelijk gewicht Si
eV
kg
3 MeV / cm
=
# deeltjes
1 cm * 1 cm
* 0.00233 kg / cm3
1 Gy (Si) = 4.9 Miljard (MIP) deeltjes / cm2
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
8 van
• 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
9 van
Terug naar school: MOSFET
© IMEC 2004
• p-type bulk
• Vrije ladingsdragers:
gaten
NMOS
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
10 van
Terug naar school: MOSFET
© IMEC 2004
• Drain/source junction:
geen vrije
ladingsdragers
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
11 van
Terug naar school: MOSFET
© IMEC 2004
• Positieve spaning op gate
=> gaten weg van oxide
(“depletion”)
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
12 van
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
13 van
Terug naar school: MOSFET
© IMEC 2004
• Vgs > Vt : geleiding
• Stroom evenredig met
Vds (voor kleine Vds)
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
14 van
• 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
15 van
MOSFET detail: gate oxide
Geladen deeltje
gate
E
+
- +
- +
- +
- +
- +
- +
+ ++
SiO2 gate oxide
SiO2
+
+
Si
bulk
• Ionisatie door geladen deeltje
• Lading drift weg onder invloed van
electrisch veld
• Een deel van de gaten wordt “getrapped” 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
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
16 van
Verschuiving van Vt versus oxide dikte
Drempel verschuiving
• 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….
Oxide dikte
0.25 mm process
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
17 van
Parasitaire transistoren
Parasitic
MOS
Parasitic
channel
Trapped
positive
charge
Field
oxide
Bird’s
beak
G
G
S
D
Normal
layout
S
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
D
18 van
• 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
19 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 (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
20 van
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
21 van
SEU oplosingen
• Memory:
– Extra capaciteit toevoegen
– Speciale memory cell (groter oppervlakte)
• Logica: Error Detection And Correction
– Triple redundant + majority voting
FF
FF
=?
mux
FF
• Configuratie SRAM van FPGA blijft een probleem
FOM netwerkdag
elektronica 10-05-2005
– Gebruik waar mogelijk
Anti-Fuse
FPGA
22 van
• 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
23 van
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
nmos
n
Vdd
p
pmos
n-well
p-bulk
p
n
p
n
Vss
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
24 van
• 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
25 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 (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
26 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
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
27 van
• 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
28 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 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
29 van
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
• 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)
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
30 van
Einde
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
31 van
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
32 van
Experiment voorbeeld
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
33 van
Stralings belasting LHCb
Charged hadrons
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
neutrons
34 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”
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
35 van
MOSFET detail : gate oxide interface
Dangling bonds
Threshold shift NMOS/ PMOS
FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005
36 van