Applicazioni Industriali delle sorgenti di Radiazioni Ionizzanti (AIRI) Introduzione al corso (x48) Andrea Candelori Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

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1 Applicazioni Industriali delle sorgenti di Radiazioni Ionizzanti (AIRI) Introduzione al corso (x48) Andrea Candelori Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Dipartimento di Fisica, Padova

2 Partiamo dagli "Effetti da Evento Singolo “ distruttivi e non distruttivi...

3 3 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. 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. 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 il SEL in DRAM. Spettro dei raggi cosmici rispetto al LET -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.

4 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 (SEDC 2 ) Single Event Disturb (SED) Single Event Transient (SET) Single Event Functional Interrupt (SEFI)

5 5 Photograph of a power MOSFET after SEB. Power MOSFET: Single Event Burnout (SEB)

6 6 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·cm 2 /mg in Si) 17.4 MeV·cm 2 /mg.

7 7 Cross-section for parallel connections of n-channel power MOSFETs. Cross section of a n-channel power MOSFET Power MOSFET Power MOSFETs: large current capabilities are achieved by the parallel connection of thousands of smaller units cells.

8 8 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: V IN V OUT HighLow High CMOS inverter V SS D S n-channel MOSFET S D p-channel MOSFET B B V DD V IN V OUT V IN V OUT CMOS inverter schematic (left) and standard symbol (right).

9 9 CMOS inverter: the inherent p-n-p-n structure 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 structure (down) implementing two parasitic BJT transistors. PMOS NMOS B n + DS p + DS n + B p + NPNNPN PNPPNP P-MOSFETN-MOSFET BS D B D S P N+N+ N C E B P+P+ P N C E B PNP type NPN type I E = I B + I C p n C E

10 10 CMOS inverter: the inherent p-n-p-n structure Physical cross section (left) and equivalent circuits (right) of the p-n-p-n structure with the two parasitic BJT transistors.. P N N P P N V DD RSRS RWRW V SS C E B C E B P+P+ N+N+ N-Substrate P-Well RSRS V DD P P N N V SS N+N+ RWRW P+P+ P P N C E B C E B B n + S p + S n + B p + NPNNPNPNPPNP P-MOSFETN-MOSFET

11 11 SOI Technology CMOS Silicon on Insulator Technology (SOI) 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. 20-250 nm 350-400 nm

12 Ion-triggered channeling (ITC) in MOSFET Layout del dispositivo (MOSFET a canale n in condizione OFF: V G <V T =0.9V) per le simulazioni 3D Layout del dispositivo (singola giunzione p-n) per le simulazioni 3D Confronto della simulazioni tra MOSFET e giunzione p-n (bulk-drain) 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

13 Memoria SRAM: dal Layout alla simulazione 3D Layout Simulazione 3D IEEE TNS, vol. 48, n. 6, December 2001, pp.1893-1903, "SEU-Sensitive Volumes in Bulk and SOI SRAMs From First- Principles 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. NMOS access transistor

14 Memoria SRAM: area del dispositivo sensibile (sezione d’urto) PMOS-ON PMOS-OFF NMOS-OFFNMOS-ON NMOS access transistor D D S S S S D D Quali sono le parti sensibili al SEU della cella di memoria SRAM, all’aumentare del valore di LET dello ione incidente?

15 15 SEU and SEL charge collection regions in CMOS technologies Charge collection regions for Single Event Upset (SEU) and Single Event Latchup.

16 16 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).

17 ... Dobbiamo conoscere l’ambiente di radiazione in cui operano i dispositivi nello spazio, nell’atmosfera e al suolo...

18 18 Immagine delle regioni toroidali attorno alla terra delle fasce di Van Allen interne ed esterne e della regione “vuota” Le fasce di Van Allen

19 19 Le particelle intrappolate nella magnetosfera dei pianeti

20 20 Le particelle intrappolate nella magnetosfera terrestre La seconda fascia di protoni prodotta dalla tempesta magnetica solare del marzo 1991 misurata da CRRES per protoni di energia superiore a 47 MeV L=2-3

21 21 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.

22 22 Linea sottile: flusso complessivo di ioni Carbonio, Ossigeno e Azoto, espresso in ioni/(cm 2  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 corana solare (corona mass ejections). La linea spessa è la curva che descrive l’attività solare I raggi cosmici galattici e solari

23 23 Satelliti Satellite Chandra (X-ray Observatory) con orbita ellittica http://chandra.harvard.edu/

24 24 L’ambiente atmosferico: gli sciami

25 25 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: 10 34 cm -2  s -1 Integrated luminosity: 500 fb -1 Super-LHC (2015) => 15 TeV => 80 MHz => 10 35 cm -2  s -1 => 2500 fb -1  =1.6  10 16 cm -2 at r=4 cm

26 Il danno da spostamento...

27 27 Before knock After knock 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 m 1 and m 2 in two dimensions. We suppose that the total kinetic energy and momentum are conserved (elastic knock).

28 28 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.

29 29 Effetti microscopici del danno da spostamento Ricapitolazione

30 Il danno da spostamento: quali sono i dispositivi sensibili? -Diodi -Rivelatori a semiconduttore -BJT -JFET -LED -Laser -Fotodiodi -Celle solari -CCD

31 31 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 e pioni, normalizzata al valore dei neutroni da 1 MeV (95 MeV· mb)

32 Il danno da dose totale...

33 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.

34 34 Il fenomeno della ionizzazione di un isolante indotto da una particella incidente provoca: intrappolamento di carica positiva nel SiO 2 (la cui densità di difetti su cm 2 si indica con N ox ) e creazione di stati interfacciali all’interfaccia SiO 2 /Si (la cui densità di stati interfacciali su cm 2 si indica con N it ). 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 sistema MOS, quindi in particolare le tecnologie CMOS bulk, CMOS SOI, BJT. Perdita di energia per ionizzazione del mezzo: isolante

35 35 The MOSFET sensitive parts to radiation G SD B n p+p+ p+p+ SiO 2 to ionizing radiation SiO 2 /Si interface to ionizing radiation The substrate can be sensitive to bulk damage, but this effect is less relevant because the conduction is close to the SiO 2 /Si surface

36 36 The MOSFET sensitive parts to radiation G SD B p n+n+ n+n+ SiO 2 to ionizing radiation SiO 2 /Si interface to ionizing radiation The substrate can be sensitive to bulk damage, but this effect is less relevant because the conduction is close to the SiO 2 /Si surface

37 37 -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 SiO 2 /Si. -Gli stati interfacciali all’interfaccia SiO 2/ 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 SiO 2 /Si. -La conseguenza è un aumento della corrente di base I B e quindi una diminuzione del parametro  =I C /I B del transistor. -Tale effetto, che si manifesta a bassi ratei di dose (rad(SiO 2 )/s), viene chiamato "Enhanced Low Dose Rate Sensitivity " (ELDRS) ed è particolarmente rilevante per i BJT in applicazioni spaziali. Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS) Sezione di un BJT p-n-p

38 38 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 V GS =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) a) b) 1998

39 39 SOI Technology CMOS Silicon on Insulator Technology (SOI) 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. 20-250 nm 350-400 nm

40 ... altri effetti...

41 41 Radiation effects: gate oxides in deep submicron CMOS technologies 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  10 10 Si ions/cm 2 (E=158 MeV, LET=8.5 MeV  cm 2 /mg). The curve referring to RSB has been measured after 10 7 I ions/cm 2 (E=277 MeV, LET=61.8 MeV  cm 2 /mg). -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 SiO 2 layer: Radiation Induced Leakage Current (RILC); Radiation Soft Breakdown (RSB); Radiation Hard Breakdown (RHB). 2004

42 42 Single Event Drain Current Collapse (SEDC 2 ) W L

43 43 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)

44 -Failure mechanism in Flash memories irradiated by heavy ions: charge loss from the floating gate by Positive charge Assisted Leakage Current (PALC) Positive charge Assisted Leakage Current (PALC) in E 2 PROM Threshold voltage distribution of the E 2 PROM cells before and after irradiation. Positive charge assisted leakage current mechanism.

45 Le norme dell’Agenzia Spaziale Europea...

46 ESA ESCC Basic Specification 22900 Disponibili sul sito WEB: https://escies.org/ReadArticle?docId=229

47 47 ESA ESCC Basic Specification 25100 Risorse su WEB: https://escies.org/

48 L’acceleratore TANDEM Il “Contenitore" dell’acceleratore Tandem

49 The SIRAD irradiation facility 49 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

50 The SIRAD Irradiation Facility Upgrade

51 51 Introduzione agli Effetti da Evento Singolo: la curva  -LET (ioni) J. Barak et al., Use of Light-ion-Induced SEU in Devices Under Reduced Bias to Evaluate their Cross-Section, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.51, n.6, December 2004, pp. 3486-3493. Sezione d’urto al SEU per la SRAM "MSM8512" al variare del valore del LET degli ioni incidenti: -LET th =1.32 MeV·cm/mg, -  sat =0.31 cm 2 ; -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: -LET th =1.2 MeV·cm/mg; -  sat =0.06 cm 2 ; -W=3.5 MeV·cm/mg; -s=3.5.

52 SPENVIS Sito WEB: http://www.spenvis.oma.be/

53 SPENVIS: i menù

54 SPENVIS: single event upset rates (2) Ions Z>1 with the Weibul curve Protons Z=1 with the Bendel curve 1 anno = 365 giorni =31536000 sec /365 /3153600

55 http://sirad.pd.infn.it/scuola_legnaro/ La Scuola Nazionale di Legnaro