Strahlungseffekte in Nanometer CMOS Technologien

Es gibt spezielle Fälle, in denen elektronische Geräte und Instrumente in einer schweren Umgebung mit ionisierender Strahlung, wie Röntgen-, Alpha- oder Betastrahlung, arbeiten müssen. Dies ist der Fall bei Weltrauminstrumenten, einigen medizinischen Anwendungen sowie bei Hochenergiephysik- Experimenten wie den CERN-Collidern mit extremer Strahlungsintensität. Die ionisierende Strahlung verursacht Schäden an Transistoren und verändert deren Eigenschaften. Integrierte Schaltkreise, die für verschiedene Detektions-, Rechen-, Kommunikations- und Energieverwaltungsfunktionen ausgelegt sind und aus Millionen von Transistoren bestehen, werden unzuverlässig. Die Schädigungsmechanismen von integrierten Schaltungen zusammen mit Schadensminderungstechniken wurden in den letzten vier Jahrzehnten untersucht, und ihr Verständnis hat große Fortschritte gemacht. In der Zwischenzeit werden jedoch auch technologische Fortschritte erzielt, die Größe der Transistoren wird verkleinert, und mit jedem neuen Prozessknoten ändern sich die technologischen Prozesse und es müssen neue Materialien eingesetzt werden. All dies, um noch schnellere elektronische Systeme zu erreichen, die hoch integriert, energiesparend, erschwinglich und zuverlässig sind. Mit diesen Veränderungen in Struktur und Materialzusammensetzung sind auch die Strahlungseffekte anders. Die kritische Barriere aufgrund neuer Materialverbindungen findet zwischen 40 und 65 Nanometer Prozessknoten statt, was die kleinste Kanallänge des Transistors in einem gegebenen Prozessknoten definiert. Dies entspricht etwa der Größe des Durchmessers des Grippevirus. In diesem Projekt wird sich eine Gruppe von Forschern auf die Technologien an dieser Grenze und darunter konzentrieren. Die einzelnen Transistoren werden vor und nach der Belastung durch Röntgenstrahlen gemessen. Diese Messungen werden verschiedene Techniken der elektrischen Charakterisierung umfassen und sollen die Entwicklung der elektrischen Eigenschaften unter Röntgenstrahleneinwirkung auch in Kombination mit anderen Umweltbedingungen, wie elektrisches Feld und Temperatur, identifizieren. Das Verhalten der Transistoren muss modelliert werden, um zu verstehen, wie die Strahlungsschädigung einzelner Transistoren den Betrieb der gesamten integrierten Schaltung, die aus Millionen von Transistoren besteht, beeinflusst. Dieser funktionelle Einfluss auf das Verhalten der integrierten Schaltung kann dann mit Hilfe von Computersimulationen verifiziert werden. Besonders wertvoll ist die Möglichkeit der Früherkennung potenzieller Probleme, da Minderungsstrategien auf der Schaltungsebene angewendet werden können. Das heißt, selbst wenn einzelne Transistoren durch ionisierende Strahlung beschädigt werden, kann die Schaltungsarchitektur möglicherweise so gestaltet werden, dass die Verschiebung der Kennlinien kompensiert wird. Schließlich ist die Bewertung der Strahlenschäden auch wichtig für die Vorhersage der Lebensdauer von integrierten Schaltungen.

Die extremen Werte ionisierender Strahlung in Hochenergiephysik-Experimenten, wie etwa am LHC bei CERN, können zu schweren Schäden an elektronischen Bauteilen führen und Funktionsstörungen in Schaltkreisen verursachen. Das Projekt untersuchte, wie sich die Einwirkung von Röntgenstrahlen auf die Eigenschaften von Transistoren im Nanobereich auswirkt. Transistoren sind die grundlegenden Bausteine integrierter Schaltungen (ICs), während Detektoren, die Teilchenwechselwirkungen in Beschleunigern überwachen, mit speziellen integrierten Schaltungen ausgestattet sind. Die Relevanz reicht noch weiter, da weitere Familien kundenspezifischer integrierter Schaltungen für Datenverarbeitung, Datenübertragung und Energieversorgung eingesetzt werden. Für jede dieser ICs beginnt die Vorhersage eines Schaltungsausfalls durch ionisierende Strahlung mit einem tiefgehenden Verständnis davon, wie einzelne Transistoren unter bestimmten Belastungsbedingungen degradieren. Dies ist der erste Schritt zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer einer integrierten Schaltung. Dieser Zuverlässigkeitsaspekt ist in einer rauen Umgebung wie einem Hochenergiephysik-Experiment entscheidend, wo der Austausch eines beschädigten elektronischen Bauteils kompliziert oder mitunter unmöglich ist. Das SIRENS-Projekt konzentrierte sich auf CMOS-Technologien mit 28 nm und 40 nm Strukturgrößen, die kleiner sind als der 65-nm-CMOS-Prozessknoten, der für die elektronische Auslese vieler Detektoren beim bis 2030 geplanten LHC-Upgrade verwendet wird. Daher geht die Relevanz über den Stand der Technik bei Detektoren hinaus: Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sind wertvoll für integrierte Schaltungen in zukünftigen Hochenergiephysik-Instrumentierungen wie dem Future Circular Collider (FCC). Mit der Verkleinerung der Strukturgrößen von ICs werden Transistoren robuster gegenüber ionisierender Strahlung und können wesentlich höheren Belastungen standhalten. Kritisch werden hingegen mikroskopische Unterschiede, die sich beispielsweise als elektronisches Rauschen zeigen. Das bedeutet, dass die Anzahl der Ladungsträger (in Halbleitern Elektronen oder Löcher) in einem Transistor nicht konstant ist, sondern aufgrund sogenannter "Ladungsfallen" schwankt. Wenn beispielsweise ein Elektron eingefangen wird, hat dies bei einem Transistor mit kleiner Fläche einen stärkeren Einfluss. Wichtig ist, dass ionisierende Strahlung zur Bildung neuer oder zur Veränderung bestehender Ladungsfallen führt. In diesem Projekt wurde neben experimentellen Beobachtungen ein multiphysikalisches Modell entwickelt, um zu simulieren, wie sich der Strom durch einen Transistor in Abhängigkeit vom Ort einer Ladungsfalle verändert. Warum sind diese Ergebnisse bedeutend? Sie helfen dabei, die Stabilität von Schaltungsparametern zu bewerten, beispielsweise von Schaltungen, die Informationen aus Teilchendetektoren auslesen. Da Ladungsfalleffekte auch unter normalen Bedingungen häufig auftreten, sind die statistisch signifikanten Projektergebnisse ebenfalls für skalierte integrierte Schaltungen in anderen Anwendungen wertvoll, bei denen Strahlungsbelastung keine Rolle spielt.