Applicazioni Industriali delle
sorgenti di Radiazioni Ionizzanti (AIRI)
Introduzione al corso (x48)
Andrea Candelori
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Dipartimento di Fisica, Padova
Partiamo dagli "Effetti da Evento Singolo“
distruttivi e non distruttivi. . .
Introduzione agli Effetti da Evento Singolo
-La possibilità di SEU indotti da raggi cosmici viene predetta da
J. T. Wallkmark and S.M. Marcus nel 1962.
4 SEU in J-K Flip-Flop bipolari
in 17 anni di operatività di un
satellite
per
comunicazioni
dovuta ai raggi cosmici nel
gruppo del Ferro.
Spettro dei raggi cosmici
rispetto al LET
SEU in DRAM (Intel) indotta da
particelle alfa, dovuta alla
contaminazione di Uranio e Torio
del package ceramico a causa
dell’acqua
utilizzata
nella
lavorazione dalla fabbrica posta a
valle di una miniera di Uranio.
Cambio del package ceramico.
-1990s: smaller IC, higher speeds, complex circuitry and increasing
sensitivity to SEE.
-Late 1990s: memory soft error "controllable" (SOI, B-free materials error
detection and correction techniques), moving to combinational (or core)
logic.
SEU in DRAM dovuti a protoni
per spallazione nucleare: fascie di
Van Allen e SAA, eventi solari.
Nello stesso anno:
-C. S. Guenzer et al. evidenziano
SEU in DRAM dovuti a neutroni
per
spallazione
nucleare:
ambiente atmosferico;
-A. Kolasinski individua il3 SEL
in DRAM.
Single Event Effects (SEE)
Definition:
“Single event effects (SEE) are individual events which occur when a single incident
ionising particle deposits in a sensitive volume of the device enough energy in form
of ionization to cause an effect in a device”.
Single event effects (SEE) can be
-destructive events:
Single Event Snapback (SES) in MOSFET
Single Event Latch-up (SEL) in CMOS technologies
Single Event Burnout (SEB) in power DMOS transistor
Single Event Gate Rupture (SEGR) in DMOS transistor
-non destructive events:
Single Event Upset (SEU)
Single Event Drain Current Collapse (SEDC2)
Single Event Disturb (SED)
Single Event Transient (SET)
Single Event Functional Interrupt (SEFI)
Power MOSFET: Single Event Burnout (SEB)
Photograph of a power MOSFET after SEB.
5
Protoni, ioni ed interazione con la materia: SRIM
Soluzione dell’esercizio 2
D-E) La soluzione del quesito (grafico)
Dal grafico si osserva, qualitativamente, che nei primi 10 m di Silicio il valore del LET dello ione è crescente.
Il picco di Bragg di trova a circa 50 m dalla superficie del campione, ovvero a 40 m di profondità nel silicio e
vale circa 403 eV/A ovvero (1 eV/A=0.043083 MeV·cm2/mg in Si) 17.4 MeV·cm2/mg.
6
Power MOSFET
Power MOSFETs: large current capabilities are achieved by the parallel connection
of thousands of smaller units cells.
Cross section of a n-channel
power MOSFET
Cross-section for parallel connections
of n-channel power MOSFETs. 7
CMOS inverter
The inverter is the simplest CMOS logic gate.
-When a low voltage (0 V) is applied at the input, the top p-type MOSFET is conducting (switch
closed) while the bottom n-type MOSFET behaves like an open circuit: the supply voltage (5 V)
appears at the output.
-When a high voltage (5 V) is applied at the input, the bottom n-type MOSFET is conducting
(switch closed) while the top p-type MOSFET behaves like an open circuit: the output voltage is
low (0 V).
-The function of this gate can be summarized by the following table:
VIN
VOUT
VDD
S
High
Low
Low
High
p-channel
B MOSFET
VIN
D
D
VIN
VOUT
n-channel
B MOSFET
VOUT
S
VSS
CMOS inverter schematic (left) and standard symbol (right).
8
CMOS inverter: the inherent p-n-p-n structure
P-MOSFET
N-MOSFET
NPN type
B
S
D
D
S
B
C
N
E
N+
IE= IB+ IC
PMOS
B n+ D
S p+
NMOS
D
S n+ B p+
C
PNP
P
PNP type
B
E
NPN
p
B
P+
E
N
P
C
n
CMOS inverter: physical cross section view showing the inherent p-n-p-n structure
triggering the Single Event Latch-up (up) and equivalent circuits of the p-n-p-n
9
structure (down) implementing two parasitic BJT transistors.
CMOS inverter: the inherent p-n-p-n structure
VDD
VSS
P-MOSFET
N-MOSFET
S p+
S n+
B n+
N+
P+
VDD
B p+
N+
RS
P+
B
RW
RS
C
N
E
P
P
N-Substrate
P
C
B
P
E
B
N
C
P
NPN
C
P
N
B
P-Well
N
PNP
E
N
N
E
P
VSS
Physical cross section (left) and equivalent circuits (right) of the p-n-p-n structure
with the two parasitic BJT transistors..
10
RW
SOI Technology
CMOS Standard bulk technology
-SOI transistor are built on
top of an oxide instead of
a silicon substrate.
-SOI process technology
is similar to standard bulk
technology.
CMOS Silicon on Insulator Technology (SOI)
20-250 nm
350-400 nm
11
Ion-triggered channeling (ITC) in MOSFET
Confronto della simulazioni tra MOSFET e giunzione p-n (bulk-drain)
Layout del dispositivo
(MOSFET a canale n in condizione OFF:
VG<VT=0.9V)
per le simulazioni 3D
Layout del dispositivo
(singola giunzione p-n)
per le simulazioni 3D
Carica generata dalo ione incidente Q= 55 fC
Carica raccolta all’impianto n+ (drain)
del MOSFET: Q= 59 fC
Carica raccolta all’impiato n+:
della giunzione p-n: Q= 49 fC
Memoria SRAM: dal Layout alla simulazione 3D
Layout
NMOS access transistor
Simulazione 3D
NMOS access transistor
IEEE TNS, vol. 48, n. 6, December 2001, pp.1893-1903, "SEU-Sensitive Volumes in Bulk and SOI SRAMs From FirstPrinciples Calculations and Experiments", P. E. Dodd, M. R. Shaneyfelt, K. M. Horn, D. S. Walsh, G. L. Hash, T. A.
Hill, B. L. Draper, J. R. Schwank, F. W. Sexton, and P. S. Winokur.
Memoria SRAM: area del dispositivo sensibile (sezione d’urto)
PMOS-ON
PMOS-OFF
S D
D S
S D
D S
NMOS-OFF
NMOS-ON
NMOS access transistor
Quali sono le parti sensibili al SEU
della cella di memoria SRAM,
all’aumentare del valore di LET dello
ione incidente?
SEU and SEL charge collection regions in CMOS technologies
Charge collection regions for Single Event Upset (SEU) and Single Event Latchup.
15
Introduzione ai SEE: la curva -E (protoni)
Necessità di studiare non solo la reazione nucleare p+Si, ma anche le reazioni nucleari indotte
dai protoni sugli altri elementi presenti nei componenti microelettronici, in particolare per
quanto riguarda gli elementi ad alto Z, ad esempio Cu (Rame), Ti (Titanio) e W (Tungsteno),
che vengono utilizzati nei "moderni" (2005) componenti microelettronici, ed in particolare nelle
SRAM (J. R. Schwank et al., IEEE TNS vol.52, n.6, December 2005, pp.2622-2629).
16
. . . Dobbiamo conoscere l’ambiente di radiazione in cui operano
i dispositivi nello spazio, nell’atmosfera e al suolo. . .
Le fasce di Van Allen
Immagine delle regioni toroidali attorno alla terra
delle fasce di Van Allen interne ed esterne e della regione “vuota”
18
Le particelle intrappolate nella magnetosfera dei pianeti
19
Le particelle intrappolate nella magnetosfera terrestre
L=2-3
La seconda fascia di protoni prodotta dalla tempesta magnetica solare del
marzo 1991 misurata da CRRES per protoni di energia superiore a 47 MeV
20
Le particelle incidenti
Le principali caratteristiche delle emissioni di massa dalla corona sono
sintetizzate nella seguente tabella.
Le principali caratteristiche dei raggi cosmici galattici sono sintetizzate, per
confronto, nella seguente tabella.
21
I raggi cosmici galattici e solari
La linea spessa è la
curva che descrive
l’attività solare
Linea sottile: flusso complessivo di ioni Carbonio, Ossigeno e Azoto, espresso in
ioni/(cm2stersMeVnucleone), misurate con la strumentazione a bordo del
satellite IMP-8 nel periodo 1974-1997.
Il fondo dei raggi cosmici galattici è modulato in anticorrelazione all’attività solare.
I picchi sono dovuti a eventi di emissione di particelle da parte del sole (Solar
Particle Event=SPE): brillamenti solari (solar flares) ed emissione di materia dalla
22
corana solare (corona mass ejections).
Satelliti
Satellite Chandra (X-ray Observatory) con orbita ellittica
http://chandra.harvard.edu/
23
L’ambiente atmosferico: gli sciami
24
Il danno da spostamento e gli esperimenti al CERN
M. Hutinen: "Radiation issues for Super-LHC", Super-LHC Electronics Workshop, 26/2/04, CERN
O. Bruning: "Accelerator upgrades for Super-LHC", Super-LHC Electronics Workshop, 26/2/04, CERN
LHC (2007)
Proton Energy:
7 TeV
Collision rate:
40 MHz
Peak luminosity:
1034 cm-2s-1
Integrated luminosity: 500 fb-1
=1.61016
=>
=>
=>
=>
Super-LHC (2015)
15 TeV
80 MHz
1035 cm-2s-1
2500 fb-1
25
cm-2
at r=4 cm
Il danno da spostamento . . .
Protons, ions and electrons: bulk damage (qualitative)
If the energy of the impinging particle is high and if the impact parameter on the
nucleous is low, the particle – nucleus interaction can cause the atom to be
displaced by its position in the crystal lattice, causing the so called displacement
damage. We analyze such effect by considering the classical mechanics approach.
We analyze the elastic knock between two particles of mass m1 and m2 in two
dimensions. We suppose that the total kinetic energy and momentum are conserved
(elastic knock).

V2
Before knock

v1

v2  0
2
1
After knock

V1
27
Il danno da spostamento: i difetti di punto
-Nel silicio quando un atomo viene spostato dalla sua posizione reticolare viene
creato un difetto di punto detto anche difetto di Frenkel costituito da una coppia
vacanza-interstiziale.
28
Effetti microscopici del danno da spostamento
Ricapitolazione
29
Il danno da spostamento: quali sono i dispositivi sensibili?
-Diodi
-Rivelatori a semiconduttore
-BJT
-JFET
-LED
-Laser
-Fotodiodi
-Celle solari
-CCD
Il danno da spostamento: l’ipotesi di riscalamento con il NIEL
Sezione d’urto per il danno da spostamento (per atomo) per elettroni, neutroni, protoni
31
e pioni, normalizzata al valore dei neutroni da 1 MeV (95 MeV· mb)
Il danno da dose totale . . .
Photon (X-rays and -rays) interactions with matter: ok
Schematic drawing of three processes through which photons interact with matter:
a) photoelectric effect; b) Compton scattering; c) pair production.
Perdita di energia per ionizzazione del mezzo: isolante
Il fenomeno della ionizzazione di un isolante indotto da una particella incidente provoca:
intrappolamento di carica positiva nel SiO2 (la cui densità di difetti su cm2 si indica con Nox) e
creazione di stati interfacciali all’interfaccia SiO2/Si (la cui densità di stati interfacciali su cm2 si
indica con Nit). Gli effetti dovuti alla carica positiva intrappolata nell’ossido e agli stati
interfacciali indotti dalla radiazione ionizzante nel sistema MOS vengono chiamati danni da "Total
Ionizing Dose" (TID).
I dispositivi sensibili ai danni da Total Ionizing Dose (TID) sono i dispositivi in cui è presente un
34
sistema MOS, quindi in particolare le tecnologie CMOS bulk, CMOS SOI, BJT.
The MOSFET sensitive parts to radiation
SiO2/Si interface
to ionizing radiation
G
S
SiO2 to
ionizing radiation
D
p+
p+
The substrate can be sensitive to bulk damage,
but this effect is less relevant because the
conduction is close to the SiO2/Si surface
n
B
35
The MOSFET sensitive parts to radiation
SiO2/Si interface
to ionizing radiation
G
S
SiO2 to
ionizing radiation
D
n+
n+
The substrate can be sensitive to bulk damage,
but this effect is less relevant because the
conduction is close to the SiO2/Si surface
p
B
36
Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS)
-La carica positiva intrappolata nell’ossido tra base ed emettitore causa un aumento
dell’ampiezza della regione di svuotamento nelle zone p/p- della base all’interfaccia SiO2/Si.
-Gli stati interfacciali all’interfaccia SiO2/Si dell’ossido tra base ed emettitore provocano un
aumento nella generazione di portatori della regione di svuotamento nelle zone p/p- della base
all’interfaccia SiO2/Si.
-La conseguenza è un aumento della corrente di base IB e quindi una diminuzione del parametro
=IC/IB del transistor.
-Tale effetto, che si manifesta a bassi ratei di dose (rad(SiO2)/s), viene chiamato "Enhanced Low
Dose Rate Sensitivity " (ELDRS) ed è particolarmente rilevante per i BJT in applicazioni spaziali.
Sezione di un BJT p-n-p
37
Radiation induced field oxide leakage current in n-MOSFET
1) In n-MOSFETs with LOCOS isolation, the positive charge build-up in the birds’ beak
regions can invert the underlying p-type surface forming an n-type region underneath
the filed oxide, i.e. a conductive path can be generated from source to drain, which will
greatly increase the leakage current even at VGS=0V.
-Similar conductive path are generated for n-MOSFETs with STI isolation:
a) a leakage path occurs at the edge of the gate oxide transistor between the source
and the drain;
b) a leakage path occurs between the n-type source and drain regions of a n-MOSFET
and the n-well of adjacent p-MOSFET.
1)
b)
a)
1998
38
SOI Technology
CMOS Standard bulk technology
-SOI transistor are built on
top of an oxide instead of
a silicon substrate.
-SOI process technology
is similar to standard bulk
technology.
CMOS Silicon on Insulator Technology (SOI)
20-250 nm
350-400 nm
39
. . . altri effetti . . .
Radiation effects: gate oxides in deep submicron CMOS technologies
-The scaling down of contemporary CMOS technologies decreases the gate oxide thickness
and the threshold voltage variation after irradiation ....
.... but also new reliability issues for radiation hardness appears due to defect generation
in the SiO2 layer:
Radiation Induced Leakage Current (RILC);
Radiation Soft Breakdown (RSB);
Radiation Hard Breakdown (RHB).
2004
Gate current versus voltage (Ig-Vg) measured before and after irradiation of 3 nm oxide.
The curves referring to RILC have been measured after 51010 Si ions/cm2 (E=158 MeV,
LET=8.5 MeVcm2/mg). The curve referring to RSB has been measured after 10417 I
ions/cm2 (E=277 MeV, LET=61.8 MeVcm2/mg).
Single Event Drain Current Collapse (SEDC2)
Small Aspect Ratio: W/L=0.3µm/10µm
1.0
2.5
Vds=100mV
fresh
2.0
fresh
0.6
Ids [µA]
gm [x10-6 -1]
0.8
0.4
0.2
0
0.5
1
Vgs [V]
1.0
0.5
Irradiated
0
Irradiated
1.5
1.5
0
Vgs=1.2V
0
0.5
1
Vds [V]
1.5
L
W
Transconductance: 50% decrease
Saturation Current: 70% decrease
42 2
Single Event Drain Current Collapse (SEDC
)
Single Event Transient (SET) in digital electronics
When the transient on a data line occurs during the setup ad hold times for a latch,
it can produce a SET errors (TNS vol.55, n.4, pp.1903-1925)
43
Positive charge Assisted Leakage Current (PALC) in E2PROM
-Failure mechanism in Flash memories irradiated by heavy ions:
charge loss from the floating gate by Positive charge Assisted Leakage Current (PALC)
Threshold voltage distribution of the
E2PROM cells before and after irradiation.
Positive charge assisted
leakage current mechanism.
Le norme dell’Agenzia Spaziale Europea . . .
ESA ESCC Basic Specification 22900
Disponibili sul sito WEB: https://escies.org/ReadArticle?docId=229
ESA ESCC Basic Specification 25100
Risorse su WEB: https://escies.org/
47
L’acceleratore TANDEM
Il “Contenitore" dell’acceleratore Tandem
The SIRAD irradiation facility
Dedicated beam line for bulk damage and Single Event Effects studies in semiconductor
devices and electronic systems for high energy physics and space applications.
The facility is upgraded with an Ion Electron Emission Microscope (IEEM) for mapping the
sensitivity of electronic devices and systems to single ion impacts.
SIRAD beamline
49
The SIRAD Irradiation Facility Upgrade
Introduzione agli Effetti da Evento Singolo: la curva -LET (ioni)
Sezione d’urto al SEU per la SRAM "MSM8512"
al variare del valore del LET degli ioni incidenti:
-LETth=1.32 MeV·cm/mg,
-sat=0.31 cm2;
-W=11.4 MeV·cm/mg;
-s=0.65.
Sezione d’urto al SEU per la SRAM "TDSRAM05"
al variare del valore del LET degli ioni incidenti:
-LETth=1.2 MeV·cm/mg;
-sat=0.06 cm2;
-W=3.5 MeV·cm/mg;
-s=3.5.
J. Barak et al., Use of Light-ion-Induced SEU in Devices Under Reduced Bias to Evaluate their Cross-Section,
51
IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.51, n.6, December 2004, pp. 3486-3493.
SPENVIS
Sito WEB: http://www.spenvis.oma.be/
SPENVIS: i menù
SPENVIS: single event upset rates (2)
Ions Z>1 with the Weibul curve
Protons Z=1 with the Bendel curve
/365
1 anno = 365 giorni =31536000 sec
/3153600
La Scuola Nazionale di Legnaro
http://sirad.pd.infn.it/scuola_legnaro/