"Study of the Radiation Damage in Analog CMOS Pipelines, MOS Transistors, and MOS Capacitors"

Kurzfassung

Um die Strahlenhärte der Schaltung zu gewährleisten, wurde ein strahlenfestes n-Kanal Transistorlayout verwendet, mit Dünnoxid-Erweiterung und guardband-Implantation.

Die Funktionsparameter der Analog-Pipeline, sowie Kennlinien diskreter Transistoren und Kondensatoren, wurden vor und nach Bestrahlung mit ionisierende Strahlung einer Cs¹³⁷-Quelle gemessen. Alle Bauteile wurden mit demselben Prozess hergestellt.

Es wurden Strahlendosen bis 212 krad für die diskreten Bauelemente und bis 500 krad für die integrierte Schaltung erreicht.

Die Analog-Pipeline zeigt geringfügige Veränderungen der Funktionsparameter nach Bestrahlung mit 500 krad. Die dominanten Effekte sind: Zellenleckströme in der Grössenordnung 1 pA, pedestal-Verschiebung um 25 mV und eine Abnahme der Geschwindigkeit der Ausleseverstärker, was zu einer effektiven Verminderung der Pipeline-Verstärkung um 1.5 % führt.

Der Zellenleckstrom entsteht gleichförmig in allen Zellen. In diesem Fall sind Ströme der genannten Grössenordnung tolerierbar.

Die Verschiebung des pedestals kann durch Änderung des Schaltverhaltens eines transmission gates im Signal-Pfad durch Schwellenspannungsverschiebung erklärt werden. Die Abnahme der Ausleseverstärker-Geschwindigkeit kann auf eine Abnahme des Bias-Stromes in der ersten Vertärkerstufe zurückgeführt werden, wiederum durch Schwellenspannungsverschiebung eines kritischen Transistors in der Stromquelle. Beide Effekte sind unkritisch für die Anwendung im ZEUS-Kalorimeter.

Verschiedene Techniken zur Messung von Grenzflächenzustandsdichten wurden angewendet, unter Verwendung von Transistorkennlinien und Kleinsignal-Admittanz Kennlinen von MOS-Kondensatoren. Eine neue Methode zur Bestimmung von Eigenschaften der Grenzflächenzutände unter Verwendung von Kapazitäts-Frequenz-Kurven wurde entwickelt. Die beobachteten Grenzflächenzustandsdichten sind gering: D_it < 10¹¹ cm^-2eV^-1.

Der wesentliche Strahleneffekt ist die Erzeugung von fixierten Oxidladungen, was zu Transistor-Schwellenspannungsverschiebungen um -6 mV/krad führt, bei Bestrahlung mit einem gate-Bias +5 V. Der Beitrag der Grenzflächenzustände zur Schwellenspannungsverschiebung liegt unter 10 %.

Titel

Kurzfassung

Summary

The ZEUS experiment at HERA employs custom made analog pipeline memories, manufactured with a 2µm CMOS process. These memories are used to store the signals from the high resolution uranium scintillator calorimeter during the latency of the first level trigger, and are mounted inside of the detector where they are exposed to background radiation.

To improve the radiation hardness, thin oxide extension and guard bands were added to the layout of the NMOS transistors.

Performance parameters of the pipeline and characteristics of discrete transistors and MOS capacitors were studied before and after irradiation with ionizing radiation from a Cs¹³⁷ source with doses up to 212 krad for the discrete components and 500 krad for the integrated circuit. The discrete devices were made with the same process as the integrated pipeline memory.

The pipeline memories showed minor performance degradation after exposure of up to 500 krad. The dominant effects were the development of storage cell leakage current of the order of 1 pA, pedestal shifts of the output voltage of 25 mV, and a decrease of the speed of the readout amplifier, leading to an effective gain reduction by 1.5 %.

The cell leakage appears uniformly in all cells of the device. In this case, currents of the observed magnitude are tolerable.

The pedestal shift could be due to a changing switching characteristic of a transmission gate in the signal path caused by threshold voltage shifts. The speed degradation of the readout amplifier can be explained by the reduction of the bias current in the input stage of the amplifier, again due to a threshold voltage shift of a critical transistor in the current source. Both effects are uncritical for the application in the ZEUS calorimeter.

Several techniques were used to measure interface trap densities, using transistor characteristics as well as small signal admittance data from MOS capacitors. A new method to extract interface trap properties from capacitance-frequency curves of a MOS capacitor biased in depletion was developed. The observed interface trap densities were small, D_it < 10¹¹ cm^-2eV^-1.

The main radiation effect was the accumulation of fixed oxide charge, resulting in transistor threshold voltage shift of -6 mV/krad when irradiated with a gate bias of +5 V. Interface traps contribute less than 10 % to the shift.