Characterization of Electronic Circuits with the SIRAD IEEM: Developments and First Results

When an energetic ion strikes a microelectronic device it induces current transients that may lead to a variety of undesirable Single Event Effects (SEE). An important part of the activity of the SIRAD heavy ion facility at the 15 MV Tandem accelerator of the INFN Laboratories of Legnaro (Italy) concerns SEE studies of microelectronic devices destined for radiation hostile environments. An axial Ion Electron Emission Microscope (IEEM) is working at the SIRAD irradiation facility. It is devised to provide a micrometric sensitivity map of Single Event Effects of an electronic device. The IEEM system reconstructs the positions of individual random ion impacts over a circular area of 180 µm diameter by imaging the ion-induced secondary electrons emitted from the target surface. A fast Data Acquisition system (DAQ) is used to reconstruct the X and Y coordinates and the temporal information of every ion impact. Any signal induced by the SEE in a generic DUT can be used to tag the IEEM reconstructed event. This information is then used to display a map of the regions of the DUT surface which are sensitive to the impinging ions. In this thesis we introduce the subject of the effects of ionizing radiation on microelectronics circuits and systems. We then describe in detail the IEEM system, especially how it was modified and improved during the period of our work. We present the results of an extensive study of the IEEM resolution and image distortions, performed using high statistics acquisitions obtained with a 241 MeV 79Br ion beam by means of a fast SDRAM-based ion induced single event detection system, specifically designed for this purpose. We also describe a new feature implemented in the DAQ system which enables the IEEM to perform Time Resolved Ion Beam Induced Charge Collection (TRIBICC) studies, and show preliminary results obtained studying a MOSFET power transistor. We also studied a digital microelectronic circuit (SOI-Imager Shift Register) in two steps: we measured the SEU cross-section with our broad-beam facility at SIRAD, and then used the IEEM to acquire a SEU sensitivity map. At present the resolution of the IEEM at SIRAD is not close to the theoretical one. In this thesis we also describe an extensive set of studies we performed to investigate the origin of the resolution degradation. The conclusions follow and close this work.

Quando uno ione energetico colpisce un dispositivo microelettronico, induce impulsi di corrente che possono generare diversi Single Event Effect (SEE) indesiderati. Una parte importante dell'attività della facility di irraggiamento a ioni pesanti SIRAD, presso il tandem da 15 MV dei Laboratori Nazionali di Legnaro (Italia) dell'INFN, riguarda studi di SEE su dispositivi microelettronici destinati ad ambienti ostili per il livello delle radiazioni. Presso la facility di irraggiamento SIRAD, e' in funzione un Ion Electron Emission Microscope (IEEM). Esso e' concepito per generare mappe di sensibilità a Single Event Effect di un dispositivo elettronico, con risoluzione micrometrica: il sistema IEEM ricostruisce le posizioni degli impatti di singoli ioni distribuiti casualmente entro un'area di 180 µm di diametro, acquisendo gli elettroni secondari emessi dalla superficie del bersaglio colpita dallo ione. Un sistema di acquisizione veloce (DAQ) è utilizzato per ricostruire le coordinate X ed Y e l'informazione temporale di ogni impatto. Ogni segnale indotto da un SEE in un generico dispositivo sotto test può essere utilizzato per marcare gli eventi ricostruiti dal sistema. Queste informazioni sono in seguito utilizzate per generare una mappa delle aree della superficie del dispositivo che sono sensibili all'impatto ionico. In questa tesi introduciamo l'argomento degli effetti della radiazione ionizzante sui sistemi e i dispositivi microelettronici e in seguito descriviamo in dettaglio il sistema IEEM, soffermandoci in particolare sulle modifiche e le migliorie introdotte durante questo periodo di lavoro. Descriviamo un detector di singoli impatti ionici, basato su una SDRAM, con il quale abbiamo ottenuto acquisizioni ad alta statistica usando un un fascio di ioni 79Br da 241 MeV. Questi dati ci hanno consentito uno studio approfondito della risoluzione dell'IEEM e della distorsione dell'immagine generata. Descriviamo inoltre una nuova caratteristica implementata nel nostro sistema di acquisizione, che consente all'IEEM di effettuare analisi di Time Resolved Ion Beam Induced Charge Collection (TRIBICC), e illustriamo i risultati preliminari ottenuti studiando un transistor MOSFET di potenza. Abbiamo infine studiato un circuito microelettronico digitale (SOI-Imager Shift Register) in due fasi: dapprima e' stata misurata la sezione d'urto a SEU con la nostra facility di irraggiamento a fascio non focalizzato, e in seguito l'IEEM e' stato utilizzato per acquisire una mappa di sensibilità a SEU. Infine, verificato che allo stato attuale la risoluzione dell'IEEM presso SIRAD non e' vicina al valore teorico, in questo lavoro di tesi descriviamo la serie di studi approfonditi condotti al fine di indagare l'origine della degradazione della risoluzione.