Messung der Auswirkungen von ionisierender Strahlung auf CMOS Schaltungen

Transkript

1 Messung der Auswirkungen von ionisierender Strahlung auf CMOS Schaltungen Michael Hofbauer, Projekt Assistent, TU Wien Kurt Schweiger, Projekt Assistent, TU Wien Prof. Horst Dietrich, TU Wien Prof. Horst Zimmermann, TU Wien

2 Überblick Projektbeschreibung FATAL Single Event Effekte Asynchrone Logik Messung von Single Event Effekten Mikrobeam Anlage Testchips Messsetup Ergebnisse & Ausblick

3 Projektbeschreibung FATAL Fehler-Modelle für durch Strahlung verursachte transiente Fehler in asynchroner Logik in einem 90nm CMOS Prozess Einfach zu verwenden Einfach zu parametrisieren Ausreichend genau

4 Single Event Effekte Definition: Effekte verursacht durch ionisierende Strahlung in Halbleiter-Bauelementen Hard errors Single Event Gate Rupture (SEGR) Single Event Burnout (SEB) Single Event Latchup (SEL) Soft errors Single Event Transient (SET) Single Event Upset (SEU)

5 Single Event Effekte Soft Errors Single Event Transiente (SET) Strom und Spannungspulse verursacht durch Strahlung Kann, muss aber nicht zu einer Fehlfunktion führen Single Event Upset (SEU) Wenn die SET einen Zustandswechsel verursacht so wird sie SEU genannt Auch kippen von Bits im Speicher

6 U(Q) in V Single Event Effekte Simulationen Asynchrones Speicherelement, 3D Simulation Kalibrierung des 3D Modells (der Dotierprofile) mit Hilfe von Messungen Zeit in ns

7 Asynchrone Logik Synchrone Logik Störungsempfindlich durch SETs nur zur Taktflanke Kenntnis der Pulsweite für Modellierung ausreichend Simulations- und Designwerkzeuge bereits verfügbar Asynchrone Logik Per Definition kein Takt Immer anfällig auf SETs Handshaking mit Hilfe von Logikübergängen notwendig SETs können als Handshaking Signale missinterpretiert werden Kenntnis der Pulsform notwendig Keine Simulations- und Designwerkzeuge verfügbar

8 Messungen Anforderungen Starke Abhängigkeit der SETs von der Einschlagsposition der Ionen Genaue Positionierung der Ionen notwendig Einzelne SETs sollen nicht überlappen Einzelne Ionen Die Messung selbst darf die Pulsform nicht beeinflussen On-chip Sense-Verstärker

9 Mikrobeam Anlage [Diplomarbeit; Bruno Merk.; Integrierung eines LED-Belichtungssystems und weitere Verbesserungen der Lebendzellbeobachtung am Fluoreszenzmikroskop der Schwerionen-Mikrosonde der GSI, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, 2009]

10 Testchips Testschaltungen A C Z B input output A B V DD Z V DD B A Z V DD Z output1 Probe 1 C-Gate Probe 2 C Probe 3 output2 B A GND Z A B GND GND input1 C Probe 1 Probe 2 C Probe 3 input2

11 Testchip Layoutbeispiel Testschaltung (20x30µm²) Sense Verstärker (100x100µm²) Gesamte Chipfläche (660x560µm²)

12 Testchip Mounting & Chip Foto HF PCB Test-chip (660x560µm²) direkt gebonded auf das PCB Kupfer Block zur Kühlung Aluminium Mounting für Vakuumkammer CUT Circuit under Test

13 Messsetup Prinzip Strahl-Shutter Steuerungs System Trigger Channeltron CUT Sense- Verstärker Realtime Oszilloskop Initialisierung Test Chip

14 Messsetup Anforderungen Technisch Steuerung des Strahl-Shutters Steuerung des Oszilloskops Steuerung der Netzteile Protokollierung der Versorgungsspannungen & -ströme Protokollierung der x/y-positionen Protokollierung der Temperatur Initialisierung der Chips Logistisch Transportierbarkeit schneller Auf- und Abbau räumliche Trennung hohe Flexibilität

15 Messsetup Die Lösung 2 PXI Systeme von National Instruments Leistungsfähige Einschübe verfügbar Hohe Flexibilität Leicht transportierbar Ein PXI-System bei der Vakuumkammer, eines im Kontrollraum

16 Messsetup Überblick Realtime Oszilloskop Vakuumkammer (Testchip) Messkammer Ausgänge der Sense- Verstärker GPIB Versorgung Versorgungsmonitoring Temperaturmonitoring Labornetzgeräte Eingangssignale PXI-1 GPIB PXI Controller NI PXI-8196 DMM 4x NI PXI-4072 Multi-IO NI PXI-6251 Trigger TCP/IP Kontrollraum PXI-2 PXI Controller NI PXI-8196 Multi-IO NI PXI-6251 Digital-IO 2x NI PXI-6552 TCP/IP Trigger CAMAC Strahl-Shutter Trigger Strahl Pos. Strahl Position analog/digital Strahl-Shutter Steuer PC

17 Ergebnisse Eingang = 0 Eingang = 1 [K. Schweiger, M. Hofbauer, H. Dietrich, H. Zimmermann, K.O. Voss and B. Merk. Position dependent measurement of single event transient voltage pulse shapes under heavy ion irradiation. In Electronics Letters, Vol. 48, No. 3, pages , 2012.]

18 Zusammenfassung & Ausblick Messergebnisse in großer Zahl und hoher Qualität Erstmalig direkte Messung von Spannungs-SETs und SEUs direkt am Chip Erfolgreicher Einsatz des Setups in einer 2. Anlage (PTB) Weitere Messungen im April Optimierung des Aufbaus durch den Einsatz von FlexRIO-Einschüben Ersatz der Labornetzgeräte durch PXI Einschübe (NI-PXI 4110)