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

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.