IEEMIEEM IIon on EElectron lectron EEmission mission MMicroscopeicroscope

Lecce 24/09/2003Draft 11/09

responsabile nazionale: Jeff Wyss INFN/Pisa

e

e e

Secondary electrons

bulk active volumes

ion

electrostatic lenses microscope

Live chip 2D electronsensor

Gruppo V

“1 picture = 1k words”

e

IEEMIEEM Microscopio ASSIALE ad emissione di elettroni per impatto ionico

• Sezioni INFN: Pisa, Padova, Roma2• Linea di ricerca: Single Event Effects (SEE) indotti da ioni

energetici in dispositivi e sistemi microelettronici per applicazioni spaziali, di fisica delle alte energie, ed industriali.

• Laboratorio e facility: Legnaro, Tandem XTU da 15MV, linea di irraggiamento con ioni SIRAD (Li-Au).

• Processo fisico: correlazione su scala micrometrica tra i punti di impatto ionico e SEE indotti in vari dispositivi (ASIC, commerciali, strutture di test) mediante l’uso di un microscopio assiale ad emissione di elettroni secondari da impatto ionico normale.

• Durata e preventivo globale: due anni, 130 kEuro• 2004: costruzione, installazione IEEM con sistema di test SDRAM

sulla linea SIRAD, risultati preliminari; • Preventivo 2004 (kEuro): 25 (PI) + 48 (PD) + 20 (RM2) = 93• 2005: messa a punto e presa dati.

SIRAD is the acronym for SIlicon and RADiation.

The purpose of the SIRAD facility is:"investigate radiation effects on silicon detectors, micro-electronic

devices and systems in radiation hostile environments".

What is What is SIRADSIRAD

- Total Dose Effects: cumulative effects due to ionization (dose). - Bulk Effects: cumulative effects due to displacement damage (fluence). - Single Event Effects: instantaneous effects resulting from the strike of a single energetic particle (probability, cross-section).

- High Energy Physics experiments (CDF, CMS,...).- Space missions of scientific satellites (GLAST, AGILE, PAMELA,...)

• silicon detectors (CDF, CMS, SMART)• ASIC microelectronics (CMS, GLAST, AGILE)• commercial off the shelf microelectronics (FPGA, FLASH, SDRAM, power devices)• test structures (physics of ultra-thin oxide rupture)

NOTE: The AXIAL IEEM will be installed downstream of SIRAD chamber to COEXIST with the intense and successful SIRAD program.

Accelerator:- Tandem Van de Graaff;- 15 MV maximum voltage;- two strippers.

The SIRAD beam line (protons and ions)The SIRAD beam line (protons and ions)

ions from H (30 MeV) to Au (300 MeV)

• Ion species from 1H (23-30 MeV) up to 197Au (1.4 MeV/a.m.u.)

• LET from 0.02 MeVcm2/mg (1H) up to 81.7 MeVcm2/mg (197Au)

Table I Characteristics of the typical ion beams available at the SIRAD irradiation facility

for bulk damage and single event effects studies with the TANDEM operating at 14 MV with two strippers.

Ion

Species Energy (MeV)

q1 q2 Range in Si (m)

Surface LET in Si (MeVcm2/mg)

Surface NIEL in Si (MeVcm2/mg)

1H 28.18 1 1 4390 0.02 0.0710-4

7Li 56.18 3 3 378 0.37 2.0710-4 11B 80.68 4 5 195 1.01 6.0710-4 12C 94.68 5 6 171 1.49 8.0610-4 16O 108.68 6 7 109 2.85 16.110-4 19F 122.68 7 8 99.3 3.67 21.310-4 28Si 157.68 8 11 61.5 8.59 56.210-4 32S 171.68 9 12 54.4 10.1 75.810-4

35Cl 171.68 9 12 49.1 12.5 92.210-4 48Ti 196. 18 10 14 39.3 19.8 17710-4 51V 196.18 10 14 37.1 21.4 20310-4 58Ni 220.68 11 16 33.7 28.4 28410-4 63Cu 220.68 11 16 33.0 30.5 34210-4 74Ge 231.18 11 17 31.8 35.1 45510-4 79Br 241.68 11 18 31.3 38.6 54810-4

107Ag 266.18 12 20 27.6 54.7 113210-4 127I 276.68 12 21 27.9 61.8 158410-4

197Au 275.68 13 26 23.4 81.7 474810-4

Ion beams available at SIRADIon beams available at SIRAD

A SIRAD 5 anni di attivita` piu` di 30 pubblicazioni nel 2002-2003

(IEEE, NIM A ann B, Microelectronics Reliability,conferenze NREC, RADCES, ICNMTA IBA,...).

Circa 15 articoli sottomessi nel 2003.

The experiments are performed in collaborationwith more than 80 scientists and researchers

from 26 Italian and foreign institutions and industrial partners

[1] INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro[2] INFN, Sezione di Padova[3] INFN, Sezione di Perugia [4] INFN, Sezione di Pisa[5] INFN, Sezione di Trieste[6] Dipartimento di Fisica, Università di Padova[7] Dipartimento di Fisica, Università di Perugia[8] Dipartimento di Fisica, Università di Trieste[9] Dipartimento di Automatica e Informatica, Politecnico di Torino[10] Dipartimento di Elettronica ed Informatica, Università di Padova[11] Dipartimento di Ingegneria, Università di Ferrara[12] Dipartimento di Meccanica, Struttura, Ambiente e Territorio, Università di Cassino[13] Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (IASF), Sezione di Roma.[14] Istituto di Astrofisicia Spaziale e Fisica Cosmica (IASF), Sezione di Bologna[15] Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Università Autonoma di Barcellona, Spagna[16] ENSERG-INPG, Grenoble (France)[17] GSI, Darmstadt (Germany)[18] Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB), CNM-CSIC, Barcelona, Spain[19] Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL), Berkeley, USA[20] LETI-CEA, Grenoble (France)[21] Institute of Physics, Academia Sinica, Taiwan[22] SCIPP-University of California at Santa Cruz (UCSC), Santa Cruz, USA[23] Aurelia Microelettronica, Navacchio Cascina (PI)[24] Center for Advanced Research in Space Optics (CARSO), Area Science Park, Trieste[25] Istituto di Ricerca Trentino (IRST), Trento[26] ST Microelectronics, Agrate Brianza (MI)

Institutions and industrial partners participating to SIRADInstitutions and industrial partners participating to SIRAD

INFN

3) Secondary electron emission

12%

2) Bulk damagein silicon detectors

7%

5c) SEE in floating gate memories

6%

5b) SEEin FPGA

19%

5d) SEB and SEGRin power MOSFETs

26%

5a) SEEin read-out electronics

20%

1) Radiation effects in CMOS technologies

8%

Others2%

January 2002- December 2002 (624 hours)

Beam time allocation at SIRAD in 2002Beam time allocation at SIRAD in 2002

Single Event Effects: 71%

An IEEM wouldbe COOL!

(26 days)

A single incident particle may produce directly or indirectly enough energy in the form of ionization to cause a single macroscopic (anomalous) effect in a polarized device.

Single Event EffectsSingle Event Effects (SEE) (SEE)

SEE effects are induced in a live electronic device if the ionization induced in the

sensitive volume of the device by a primary ionizing particle or by secondary particles or by a recoiling nucleus is higher than some

characteristic SEE threshold value.

SEE effects are induced in a live electronic device if the ionization induced in the

sensitive volume of the device by a primary ionizing particle or by secondary particles or by a recoiling nucleus is higher than some

characteristic SEE threshold value.

A nuclear spallation reaction induced by protons and neutrons.Top: cascade stage in which fast secondaries emerge in the forward direction.Middle: evaporation stage in which secondary protons, neutrons, deuterons and alphas particles emerge isotropically.Bottom: recoil stage in which the residual fragment of the target nucleus emerges with the momentum gained in the earlier stage.

or NEUTRONe.g.

For a given radiation environment (HEP experimental hall, orbit in outer space mission, solar activity) the mechanisms of an SEE and the PROBABILITY of it occurring are device and technology dependent.

-destructive events:

Single Event Burnout (SEB) in power DMOS transistor

Single Event Snapback (SES) in MOSFET

Single Event Gate Rupture (SEGR) in DMOS transistor

Single Event Latch-up (SEL) in CMOS technologies

-non destructive events:

Single Event Drain Current Collapse (SEDC2)

Single Event Upset (SEU)

Single Event Disturb (SED)

Single Event Transient (SET)

Single Event Functional Interrupt (SEFI)

SEE-OLOGYSEE-OLOGY

GLAST Collaboration Meeting - Rome 15-18 September, 2003

• Expected rates are low

Importance of SEE:• SEU: data corruption

• data stored in register cells

are altered by induced charge

• SEU hardened registers

• SEL: potentially destructive

• inherent p-n-p-n parasitic structures in CMOS

• can be activated by injected charge: short-circuit

• polyswitches in LAT, but…

P+N+

N-Substrate

P-Well

RS

VDD

P

PN

N

VSS

N+

RW

P+

P P

N

CE

B

C

E

B

P+N+

N-Substrate

P-Well

RS

VDD

P

PN

N

VSS

N+

RW

P+

P P

N

P+N+

N-Substrate

P-Well

RSRS

VDDVDD

P

PN

N

PN

N

VSS

N+

RWRW

P+

P P

N

P P

N

CE

B

C

E

B

SEL sensitive parasitestructure

(SIRAD)

Radiation Effects: SEE (SEU+SEL)

The cross section () for Single Event Effects is = RSEE / RSEE: Rate (counts/s) of SEE observed

: uniform flux 102105 ions cm-2s-1 (fiducial area 2cm-by-2cm)

typical measured and ideal SEU cross section curves per bit, device, etc.

typical measured and ideal SEU cross section curves per bit, device, etc.

WEIBULL FIT

= sat{1-exp[-(L-Lth)/W]S}

sat: saturation valueLth: threshold LET value

W and s are fitting parameters

() In silicon a LET of 97 MeV-cm2/mg corresponds to charge

deposition per unit path length of 1pC/m. NOTE factor ~100: it is

handy for conversion.

()

SEE cross-sections SIRAD SEE cross-sections SIRAD broad beam experimentsbroad beam experiments

SAT

Lthreshold

Single Event Upset (SEU) cross section for the pipeline of the APV25 chip for CMS.

Solid line is a multiple Weibull prediction based on simulations, but direct microscopic evidence would be more compelling.

SIRAD data: SEE effects in Application Specific-ICsSIRAD data: SEE effects in Application Specific-ICs

broad beam on chip

unit cell SEU simulation Davinci 3D-simulation, P.E.Dodd et al.,

IEEE Trans.Nucl.Sci. Vol 48 pp1893-1903, Dec. 2001

Evolution of the SEU sensitive area as a function of the ion LET, including initially only the reverse biased NMOS drain and then also the reverse biased PMOS drain.

Simulations were performed for ion strikesincident every 0.5 m throughout the unit cell.

sensitivity micro-map sensitivity micro-map CMOS 256K SRAM

New sensitive areafor LET > 30 MeV-cm2/mg

simulazionisimulazioni VSVS microscopiamicroscopia

Le simulazioni dei dispositivi sono cruciali per: • la comprensione dei meccanismi alla base di SEE;• individuazione di tecniche di sopravvivenza.

La microscopia serve a: • generare dati utili per validare modelli dei

dispositivi;• diagnosticare problemi residui difficilmente

simulabili (e.g. a livello di sistema);• certificare le prestazioni di un dispositivo in un

ambiente radioattivo.

Traditionally micro-maps are performed at micro-beam facilities. In the nuclear microprobe technique a micro-beam spot is systematically moved

with micro-precision across a device to build up a sensitivity map. Lateral resolution: 0.31m.

In the IEEM technique (B.L.Doyle, SANDIA, 1999), instead of micro-focusing the beam, one reconstructs the impact point of the ion! Lateral resolution: 0.61m.

With an IEEM the SIRAD beam-line would acquire SEE micro-mapping capabilities with a non-invasive upgrade that would

not interfere with the normal successful SIRAD activity. NOTE: The AXIAL IEEM will be installed downstream of the SIRAD

chamber.

allows for upgrades of the sensors; operational flexibility.

microbeamsmicrobeams and and IEEMsIEEMs

The IEEM of SIRAD would be the first of its type with its opto-electronic approach

(Xbeam,Ybeam)

targetanalysis ofsignal

Ion beam

Nuclear Microprobe Analysis

2D electron detector atfocal plane ofelectron optics

target

(Xhit,Yhit)

secondary electrons

electronoptics

Ion beam

coating

Ion Electron Emission Microscopy

analysis ofsignal

nuclear microprobe nuclear microprobe VSVS IEEMIEEM

analysis: SEE mapping, Ion Beam Induced Charge Collection, Time Resolved IBICC,...

Resolution on target: lateral size of field of view divided by linear line pair resolution of sensor.

rastering pattern

object slit

Resolution on target determined by beam optics: spot size and positioning. Difficult to micro-focus all SIRAD ions; e.g.

rigidity of a 300 MeV Au+25 ion is 1.40 T-m, 1.7 times more than 95 MeV C+6 ion. Would require disruptive and expensive

upgrade of SIRAD and of controls of Tandem Optics!

channeltronhit confirmation by

secondary electrons

Nuclear Microprobe: focusing (e.g. triplet)and scanning system

Schematic of the axial Schematic of the axial (( = 0 = 0oo)) IEEM of SIRAD IEEM of SIRAD

SIRAD

II

contrast diaphragm

photon

lens

UV lamp (PEEM)

The ion impact position on the target is determined by “imaging” the position from which secondary electrons are emitted. A contrast diaphragm with a 300m diameter aperture controls the aberrations: the intrinsic resolution of the IEEM on the target is of the order of 0.6m over a 250m field of view. This startup resolution must be degraded as little as possible by the sensors.

sensor

Nella configurazione assiale il fascio di ioni incide normalmente sul bersaglio e gli elettroni secondari emessi dagli impatti ionici sono trasportati dal microscopio verso un Micro Channel Plate anulare posto nel piano focale. Il segnale elettronico viene quindi convertito in uno

luminoso da un fosforo veloce. Il segnale luminoso viene quindi messo a fuoco su di un intensificatore di immagine accoppiato ad un PSD che ricostruisce il punto d’impatto degli ioni con risoluzioni laterali efficaci di

almeno 400 punti lineari e sostiene un massino ion impact rate di 104 Hz. Gli impatti vanno quindi correlati con gli SEE nel dispositivo sotto test per costruire mappe di sensibilita`.

progettoprogetto: : IEEM assiale IEEM assiale Opto-elettronicoOpto-elettronico per SIRAD per SIRAD

and phosphor

Based on commercial electrostatic lenses for photon electron emission microscopy (PEEM).

lavoro svolavoro svollto,to, situazione attuale,situazione attuale, richieste al GrpV richieste al GrpV

• Photon-EEM con fondi UNIVERSITA`;• sviluppo e realizzazione di sensori opto-elettronici per

applicazioni IEEM (conferenze ICNMTA 2002, IBA 2003);• studio di emissione di elettroni secondari da metalli e

diamante CVD drogato con B (ICNMTA 2002).

Finanziamento INFN richiesto per montare lo IEEM assialmente. Si richiede:• (1) una nuova camera, (2) un supporto anti-vibrante con adeguata rigidita` tra microscopio, portacampioni, e (3) un sistema di accoppiamento meccanico specchio-lenti-sensore ottico;• (4) un portacampioni e (5) della movimentazione micrometrica da vuoto commerciale con 5 gradi di liberta`: X,Y,Z e due di tilt per assicurare coplanarita` del campione con la lente di immersione dello IEEM;• (6) un MCP anulare ad alta risoluzione con fosforo;• per l’allineamento del fascio lungo l’asse dello IEEM: (7) due alimentatori +/- 10 kV DC per alimentare sistema di deflessione di SIRAD; (8) un sistema di sensori di fascio (faraday cup segmentate; diodi PIN).

In programma autunno-inverno 2003:• Installazione del microscopio su SIRAD in modo NON-assiale;

• misure di risoluzione superficiale con griglie TEM;• misure di efficienza usando diodi PIN con sottili strati di

metallizzazione (oro, aluminio,...) e materiali speciali.

Photon-EEM Photon-EEM CHAMBER CHAMBER at Univ. Padovaat Univ. Padova

commercial PEEM to be recycled as an IEEM

UV lamp

shockabsorbers

This PEEM chamber does NOT satisfy experimental and mechanical requirements for SEE studies at SIRAD. Will be recycled only for startup tests.

A new optimized chamber will be needed for axial installation!

slow CCD camera

fast PSD

Image intensifier is needed by PSD to

ensure large signal and hence good

lateral resolution.

Photon-EEM IMAGES with SIRAD PSD sensorPhoton-EEM IMAGES with SIRAD PSD sensor

The first SIRAD IEEM opto-electronic sensor is a PSD (Position Sensitive Device): the charge

produced by impacting photons is split by a thin resistive layer into four charges. Measuring the

four charges allows the determination of the photon impact position. In ideal conditions the resolution is better than 400 linear points; i.e. better than 1 m on the target. The rise time of 1.5 s puts the maximum ion handling rate at

~3×104 Hz (Poisson).

annular MCP and phosphor

two optical paths

250 m field of view

40 m TEM gridAXIAL IEEM Project

Un beam splitter sdoppia il segnale luminoso su due percorsi ottici ortogonali. Due lenti cilindriche, una per percorso ottico ed ortogonali tra loro, trasformano gli spot luminosi circolari in spot di forma

laminare. Le lamine luminose incidono quindi ortogonalmente su due CCD lineari che restituiscono le coordinate trasverse del segnale primario. Un prototipo di questo sensore e` stato sviluppato

recentemente dal gruppo SIRAD. Si ottengono risoluzioni di 1000 punti lineari e massimi ion impact rates di 104 Hz. Questo sensore digitale presenta importanti vantaggi rispetto al sensore PSD analogico: easy

multiple hit rejection, hot channel masking, l’intensificatore di immagine non e` necessario.

linear CCD array (1024 pixels)

linear CCD array (1024 pixels)

beam splitter

cylindrical lens

Note: no image intensifier!

AXIAL IEEM Project

NOVELNOVEL fast 2D opto-electronic sensor for the SIRAD IEEM fast 2D opto-electronic sensor for the SIRAD IEEM

phosphor

MCP

Sample

UV LampIonbeam

preliminare IEEM non-assiale (preliminare IEEM non-assiale (00oo))

mechanical constraintsof immersion lens of IEEM >65o

SEE active volumein depth (1 micron)

SIRAD chamber

recycled PEEM chamber

ion

Installazione temporanea camera PEEM su SIRAD

nell’autunno 2003 perprime prove con IONI.

eee

+++++++-------

Errore di parallasse d’ordine della risoluzione

del microscopio. BAD!

IEEM assialeIEEM assiale GOALS 2004GOALS 2004Inverno:• progetto e costruzione della nuova camera di irraggiamento; • costruzione del sistema antivibrante e del sistema di misurazione delle vibrazioni;• progetto e costruzione della meccanica dello specchio anulare;• acquisto MCP anulare; • acquisto alimentatori DC per l’allineamento del fascio con lo IEEM;• disegno del sistema dei sensori di fascio; • acquisto movimentazione del porta-campioni.

Primavera/Estate:• test ed installazione della camera su SIRAD;• test di inserimento del fascio lungo lo IEEM;• misure di efficienza e risoluzione dello IEEM assiale;

Autunno/Inverno:• installazione di un sistema di test basato su SDRAM;• risultati preliminari.

104 Bits in field of view

IEEM DAQ

(X1,Y1)

(X2,Y2)

SDRAM DAQ

Post Processing

IEEM Map300 µm

DataBase

1 X1,Y1 R1,C1

2 X1,Y1 R1,C1

.. .. ..

.. .. ..

.. .. ..

N XN,YN RN,CN

effective SEE resolution(in depth)

IEEM test: SDRAM SEU mappingIEEM test: SDRAM SEU mapping

StrutturaStruttura, FTE, tasks, …, FTE, tasks, …INFN PISA/Univ. Cassino

Ricercatori:•Wyss J. R.U. 50%, Res. Nazionale

Tecnologi:•Di Stefano R., R.U. 50%

INFN PADOVA

Ricercatori:•Nigro M., P.O. 50%, Res. Locale•Giubilato P., Dott. 50%•Khomenkov V., Borsista 40%•Rando R., Dott. 20%

Tecnologi:•Cester A., R.U. 40%

Tecnici:•Pantano D., Univ. 20%

INFN ROMA2

Tecnologi:•Bertazzoni S., R.U. 70%, Res. Locale•DiGiovenale D., Dott. 70%•Salmeri M., R.U. 70%

Tasks 2004:

Progetto e realizzazione:• nuova camera di scattering per IEEM per la configurazione assiale (vedi figura);• supporto anti-vibrante della camera di scattering;• sistema per misurare vibrazioni;• accoppiamento dello specchio anulare ad inclinazione variabile (vedi figura).• Acquisto finestra di quarzo.

Tasks 2004:• Costruzione sistema di allineamento e diagnostica per l’allineamento del fascio con lo IEEM;• acquisto e messa in opera del porta-campioni di precisione (5 gradi di liberta`);• acquisto di un rivelatore di elettroni secondari: un MCP di 4 cm anulare (vedi figura); • messa in opera dello IEEM assiale sulla linea SIRAD.

Tasks 2004:

Realizzazione di uno speciale sistema di test dello IEEM basato su SDRAM curando:• compatibilita` con operazione dello IEEM e la camera di scattering;• controllo, sincronizzazione e gestione dello IEEM e del front-end dello SDRAM (rivelazione di single event upsets nello SDRAM, di impatti ionici con lo IEEM e loro correlazione).

Pisa Padova Roma2Preventivi 2004 (kEuro)Preventivi 2004 (kEuro)

Viaggi Nazionali:

Cassino-LNL

2 Nazionali:

PD-LNL

2 Nazionali:

RM-LNL

3

Esteri: congressi 2 Esteri: congressi 2 Esteri: congressi 2

Cons. Meccanica specchio, specchio, finestra di quarzo

2 Sistema e diagnostica per centatura del fascio nello IEEM

4 Materiale elettronico 3

Meccanica varia 5 Produzione PCB 3

Metabolismo 4 Software progettazione elettronica (FPGA)

2

Metabolismo 2

totale consumo 4 totale consumo 13 Metabolismo 3

totale consumo 11Invent. Camera scattering 15 Portacampioni (5 assi) 18 PC dedicato ai test 2

Sistemi di sviluppo (TCP-IP)

1

2 alimentatori centratura fascio (+/- 10kV)

8

supporto antivibraz. 2 Stazione saldatura SMD

1

totale invent. 17 MCP forato 5

totale invent. 31 totale invent. 4TOT 25 48 20