AGEING AND IONIZING RADIATION SYNERGETIC EFFECTS IN DEEP-SUBMICRON CMOS TECHNOLOGIES

Sun’s radiation, coronal mass ejections, electromagnetic storms, galactic cosmic rays, the Van Allen radiation belts, or artificial radiation environments expose microelectronics circuits to serious conditions in space as well as on Earth. Nowadays, a lot of human activities rely on satellites orbiting around the Earth such as the GPS system, video and audio communications, surveillance systems, meteorological forecasts, military applications, etc., and they must operate reliably. Civil air traffic is extremely intense around the world and of course everybody wants to land safely each time they fly. Moreover, nuclear power plants that furnish energy to most of the advanced countries on the planet must operate securely in order not to contaminate the environment around, provoking natural and social disasters. Each of these aspects is strongly dependent on electronics that manage and control every activity, permitting us to live our life peacefully. The main challenge for engineers and scientists that work in this sometimes unknown field is to manufacture and design safe electronics able to operate in those environments even for very long times. The scaling of CMOS technology toward deep-submicron feature sizes plays a fundamental role, regardless of ionizing radiation effects. In fact, as the CMOS devices shrink, featuring ultra-thin gate oxides, the reliability of MOSFETs is affected due to the increase of the operating fields that enhance the natural aging mechanisms. Hot carriers injection from the channel is one of the most important effects, especially in advanced devices because the carrier energy is directly correlated with the electric fields. This thesis in part covers this reliability aspect, both in standard open layout transistors and enclosed layout ones designed to be total-dose hard. A vast literature is available concerning hot carrier mechanisms but this work is one of the only to show the synergies with X-ray induced defects (Total Ionizing Dose, or TID). Indeed, CMOS transistors with feature size equal or below the 130-nm technological node exhibit these kinds of effects, introducing new and interesting aspects. As a result, a different approach must be followed when evaluating the suitability of devices intended for rad-applications since hot-carrier degradation for example can decrease or increase due to previous irradiation. Furthermore, the prediction of oxide lifetime is one of the main types of analysis in the field of CMOS reliability, extremely important to evaluate the quality of the dielectrics. This thesis proves that exposure to TID may affect reliability predictions due to interplay between defects, traps, and trapped charge generated by both accelerated tests. Without these aspects in mind the results can be conservative (when lucky), or can even underestimate the phenomena leading to misleading and dangerous conclusions. Total dose enhancement effects due to interconnects is also a new source of uncertainty in scaled technologies subjected to X-ray irradiation. In fact, the need to have high device density leads to an increase in the number of metal layers as well as a decrease in the inter-metal dielectric thickness, permitting secondary electrons generated by the interaction of X rays with metal tracks to reach the transistors’ active area. This aspect is studied in this thesis through the use of dedicated test structures with different metal layer layouts. The experimental results, coupled with device simulations, give radiation-IC designers some guidelines to avoid systematic criticality and better total dose results. Combined total dose and ageing related effects is not the only focus of this thesis since single events produced by charged particles have become the main source of errors in scaled technologies. Electronics mounted on spacecraft, satellites, aircraft and even at ground level are affected by single event effects, sometimes destructive, sometimes not. In particular, this thesis covers the single event gate rupture (SEGR) phenomenon induced by heavy ions, which is the most risky event during long-term missions. Various aspects have been analyzed in order to fill some gaps present in the literature, starting from the impact of device layout, the influence of the bias applied during accelerated tests and the effects of previous X-ray irradiation. The results presented here demonstrate that different sources of interplay may exist during SEGR tests. Moreover, the provided data strongly indicate use of test structures as close as possible to real scaled transistors instead of large area capacitors to have a straightforward assessment of gate rupture in modern CMOS technologies. In conclusion, this thesis wants to be the first strong contribution for combined radiation and long-term reliability studies in advanced CMOS technologies implemented in harsh radiation environments.

I processi termonucleari che si verificano all’interno del sole danno origine a radiazioni ionizzanti, tempeste elettromagnetiche ed emissioni di masse di plasma coronarico ionizzato che possono raggiungere l’atmosfera terrestre. Inoltre gli effetti indotti dai raggi cosmici, la presenza delle fasce di Van Allen, nonché gli ambienti radioattivi artificiali costruiti dall’uomo, espongono i circuiti microelettronici a condizioni di funzionamento estremo nello spazio e sulla terra. Al giorno d’oggi molte attività umane si basano su satelliti geostazionari che devono rimanere funzionanti ed affidabili per lungo tempo: sistemi GPS, comunicazioni audio e video, sistemi di sorveglianza, satelliti meteorologici, applicazioni per la difesa, etc. Inoltre il traffico aereo civile ad alta quota, anch’esso esposto a radiazioni, è sempre in maggiore espansione e naturalmente ogni passeggero si augura di atterrare sano e salvo ogni volta che necessiti di volare. Non da meno le centrali nucleari che forniscono il fabbisogno energetico alle nazioni più avanzate devono assolutamente operare in sicurezza evitando tremendi disastri naturali e sociali. Ognuna di queste applicazioni è tuttavia fortemente dipendente dall’elettronica che gestisce e controlla ogni attività in modo trasparente rispetto all’utente. La sfida principale per ingegneri e scienziati che lavorano in questo ambito, è quella di studiare e progettare microelettronica in grado di operare in ambienti ostili per lungo tempo e in modo affidabile. Il progresso tecnologico dei dispositivi CMOS verso dimensioni sub-micrometriche gioca un ruolo fondamentale in termini di affidabilità. Infatti, a prescindere dagli effetti delle radiazioni, la riduzione delle dimensioni dei dispositivi e l’implementazione di ossidi ultra sottili influiscono sull’affidabilità dei transistor MOS a causa dell’aumento intrinseco dei campi elettrici che accelerano i naturali processi di degradazione. Per esempio, l’iniezione di portatori caldi è una delle cause più importanti di degradazione in quanto l’energia che gli elettroni possono acquisire è correlata al campo elettrico accelerante. Questa tesi sviluppa questa problematica sia su transistor standard (Open Layout Transistor, OLT) che su transistor ad anello (Enclosed layout Transistor, ELT), questi ultimi progettati per essere immuni dagli effetti di dose totale (Total Ionizing Dose, TID). Sebbene i meccanismi e gli effetti legati ai portatori caldi siano ben documentati nella letteratura di settore, questa tesi è uno dei pochi lavori che si propone di investigare le sinergie con gli effetti indotti dai raggi X, introducendo nuovi e interessanti aspetti legati all’affidabilità. Inoltre la previsione del tempo di vita dell’ossido di gate è una delle informazioni più importanti da tenere in considerazione quando si intende pianificare una missione a lungo termine. Questa tesi dimostra che l’esposizione ai raggi X può alterare i successivi test di affidabilità a causa dell’interazione tra i difetti generati dalle radiazioni e dagli stress elettrici. Di conseguenza, un approccio nuovo va seguito quando si intende valutare l’adeguatezza dei dispositivi da implementare in applicazioni ove siano presenti radiazioni ionizzanti. Senza considerare questi aspetti le previsioni che emergono dai test sperimentali possono in alcuni casi fortunati essere conservative, in altri meno fortunati sottostimare i fenomeni portando a conclusioni fuorvianti e addirittura pericolose per il buon esito di una missione. Una nuova fonte di incertezza e di sinergia per le tecnologie CMOS avanzate esposte a raggi X riguarda il diverso assorbimento di dose totale indotto dalle interconnessioni metalliche. Infatti la necessità di integrazione sempre più spinta obbliga i progettisti ad incrementare il numero di strati di interconnessione nel back-end del dispositivo nonché la riduzione dello spessore dei dielettrici isolanti. Di conseguenza, a fronte di una esposizione ai raggi X, gli elettroni secondari generati dall’interazione con gli strati metallici possono raggiungere più facilmente l’area attiva del transistor degradandolo in modo non uniforme. In questa tesi questo effetto viene studiato grazie all’uso di strutture appositamente progettate, contribuendo cosi allo sviluppo di dispositivi il più possibile immuni da tale fenomeno. D’altro canto gli effetti indotti da particelle cariche (Single Event Effect, SEE) nelle moderne tecnologie stanno diventando la principale fonte di errore. L’elettronica implementata a bordo di navicelle spaziali, satelliti, aerei civili e militari, e perfino al livello del suolo terrestre è affetta da SEEs, a volte distruttivi, a volte no. In particolare questa tesi si focalizza sulla rottura istantanea e permanente dell’ossido di gate causata dal passaggio di uno ione pesante in presenza di alti campi elettrici (Single Event Gate Rupture, SEGR) che, a causa delle sue caratteristiche, lo pone tra gli eventi più rischiosi. In questa tesi vengono studiati diversi fattori: l’influenza del tipo di struttura di test, della polarizzazione mantenuta durante gli esperimenti e l’influenza dei raggi X. Anche in questo caso si dimostra l’esistenza di diverse forme di sinergia tra radiazioni e stress elettrico, fornendo indicazioni circa le metodologie di test e l’uso di strutture che possano fornire risultati realistici riguardo l’incidenza di questo fenomeno nei moderni transistor utilizzati per l’elettronica spaziale. In conclusione questa tesi vuole essere il primo forte contributo scientifico per lo studio degli effetti sinergici tra radiazione ionizzante e test di vita accelerati su dispositivi CMOS avanzati, da implementare in ambienti radioattivi quali lo spazio o gli esperimenti di fisica delle alte energie.