Single event transients in 90 nm CMOS

Abstract

In den letzten Jahrzehnten wurden Strahlungseffekte auf die Elektronik immer wichtiger. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung von integrierten Schaltungen nach dem Moore-schen Gesetz, wird die Ladungsmenge, die ausreicht um strahlungsspezifische Fehler auszulösen, immer geringer. Fehler, verursacht durch Strahlung, sind für integrierte Schaltungen in Nanometer CMOS mittlerweile auch in Bodennähe zu einem bedeutenden Problem geworden. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden und um strahlungsinduzierte Fehler zu reduzieren, ist es notwendig, die grundlegenden Effekte gut zu verstehen. Während der letzten Jahre wurden daher enorme Anstrengungen unternommen, um bei Experimenten Daten von Single Event Transients (SETs) zu sammeln. SETs sind Spannungs- und Strompulse, die in der Schaltung entstehen, wenn diese Schaltung von einem ionisierenden Teilchen getroffen wird. Diese Experimente lassen sich in voll digitale Verfahren und analoge Verfahren unterteilen. Digitale Verfahren erlauben typischerweise nur das Zählen der auftretenden Pulse oder das Messen der Pulsweiten. Derzeit verfügbare analoge Methoden beschränken sich entweder auf Experimente mit einzelnen Transistoren, auf das Messen von Pulsen, die bereits durch viele Gatter gewandert sind, oder auf indirekte Messmethoden, bei denen die Daten noch aufwändig ausgewertet werden müssen. Um bestehende Modelle, welche Single Event Effekte berücksichtigen, zu verfeinern, war ein neuer experimenteller Ansatz für die Untersuchung von Strahlungseffekten notwendig. In dieser Dissertation stelle ich ein Verfahren vor, bei dem spezielle Testchips mit integrierten Messverstärkern in Kombination mit einer Mikrostrahlanlage verwendet werden. Diese Anlage erlaubt es einzelne Ionen mit hoher kinetischer Energie mit sehr hoher Positioniergenauigkeit auf den Testchip zu schießen. Diese Kombination von Testchip und Mikrostrahlanlage ermöglicht es, die Pulsform der SET, welche innerhalb einer digitalen Schaltung entstehen, aufzuzeichnen und zusätzlich genaue Informationen über den Einschlagsort der Ionen zu erlangen. In dieser Dissertation stelle ich einen flexiblen und schnellen Messaufbau vor, der es ermöglicht, die verfügbare Strahlzeit an einer Mikrostrahlanlage so effizient wie möglich zu nutzen. Weniger als 60 -s werden zwischen zwei Ionentreffern benötigt. Während dieser Zeit kann die Testschaltung sogar wieder initialisiert wird. Darüber hinaus werden 3D Halbleitersimulationsdaten für einen einzelnen Inverter, sowie eine große Menge an Daten von Experimenten mit einer Inverterkette in UMC 90nm CMOS vorgestellt und behandelt. Diese experimentellen Daten beinhalten die Ergebnisse der Untersuchung der Abhängigkeit der SET von der Position des Ionentreffers, von der Versorgungsspannung, von der Eingangsspannung und vom Einschlagswinkel der Ionen. Darüber hinaus wird die Ausbreitung von SETs untersucht. Obwohl die Simulationen mit der Mehrzahl der Ergebnisse der Experimente gut übereinstimmen, gibt es doch auch einzelne Unterschiede. Das unterstreicht die Notwendigkeit, über zuverlässige experimentelle Daten zu verfügen. Drei unterschiedliche Typen von SET Pulsformen konnten während den Experimenten beobachtet werden. SETs mit einem Spannungsplateau, doppelt exponentielle Pulse und SETs deren hintere Flanke durch zwei deutlich unterschiedliche Zeitkonstanten definiert wird. Es wurden sogar SETs beobachtet, die über den digitalen Versorgungsspannungsbereich hinaus reichten. Diese hohen Pulse könnten die Lebensdauer der Gates der Transistoren reduzieren. Die Experimente zeigen starke Indizien für parasitäre bipolare Verstärkung beim NMOS und beim PMOS Transistor. Der Schwellenwert des linearen Energietransfers, ab welchem dieser Effekt wirksam wird, ist allerdings sehr unterschiedlich für die beiden Transistoren. In den von mir durchgeführten Experimenten wurde erstmalig die Pulsform von SETs, direkt am Knoten der Schaltung, der vom Ion getroffen wurde, abhängig von der Ionenposition, untersucht. Mit dem vorgestellten Verfahren wird es möglich sein, einen tieferen Einblick in die Vorgänge direkt nach dem Ionentreffer zu erhalten.

Radiation effects in electronics have become more and more important during the last decades. Due to continuing technology shrinking on Moore-s path, the critical amount of charge sufficient to induce radiation specific failures is shrinking as well. Radiation induced errors have evolved to a major source of error in nanometer CMOS integrated circuits even at ground level. To cope with this challenge and to reduce radiation induced failures, a deep understanding of the underlying effects is necessary. During the last years huge efforts have been undertaken to gather experimental data about single event transients (SETs), the voltage and current pulses that arise in the circuit when an ionizing particle hits it. These experiments can be divided into fully digital and analog methods. Fully digital methods only show SETs large enough to be visible in the digital world and are typically able only to count the occurrences of SETs or to measure their pulse widths. Available analog methods so far were limited to investigate only single transistors, pulses that propagated through many gates before they were recorded, or indirect methods that required major post processing. To be able to refine the available models that consider single event effects, a new method for investigating these radiation effects was necessary. Within this thesis I am presenting an approach that utilizes special test chips with integrated sense amplifiers in combination with a microprobe that is capable of targeting single ions with a high kinetic energy to an accurate position. This combination allows recording of the actual pulse shape of the arising SETs within a digital circuit and provides additional accurate information about the ion hit position. Within this thesis a flexible and fast measurement setup is presented that allows to use the available beam time at the microbeam facility as efficiently as possible. Less than 60 -s are necessary between two ion hits. During this time period the circuit under test can even be reinitialized. Furthermore, 3D semiconductor simulation data for a single inverter as well as extensive experimental data for an inverter chain in UMC-s 90nm CMOS technology are presented and discussed. These experimental data include ion hit position dependence, supply voltage dependence, input voltage dependence, and ion incident angle dependence of the arising SET. Additionally, the propagation of SETs is investigated. Although the simulation results correspond quite well with some of the experimental data, there are still some differences, which show the importance of reliable experimental data. Three different types of pulse shapes were observed during the measurements. SETs showing a voltage plateau, double exponential pulses, and SETs with two considerably different time constants defining the latter edge of the pulse. Even SETs reaching voltage levels beyond the digital supply voltage range were observed. These large pulses might reduce the lifetime of the gates of the transistors. The experiments strongly indicate parasitic bipolar amplification for both, the NMOS and the PMOS transistor. However, the linear energy transfer thresholds for these effects seem to be quite different for the two transistors. My experiments are the first to investigate the ion hit position dependent pulse shape of the SETs directly at the struck circuit node. The presented approach allows to get a deeper insight into the processes directly following the particle hit.