Estudio de la degradación de dispositivos nano-micro electrónicos y desarrollo de técnicas de diagnóstico empleando un micro haz de iones pesados de alta energía

Abstract

El siguiente trabajo se trata sobre el daño por radiación transitorio y permanente inducido por iones pesados en dispositivos microelectrónicos modernos empleando el Microhaz del acelerador TANDAR. Se discute la importancia y la predicción de éstos efectos en el ambiente satelital. Se describen los distintos tipos de radiación (electrones, iones livianos y pesados, neutrones, rayos x y gamma) que se encuentran en los distintos estratos de la alta atmósfera y el espacio, su abundancia y energía. Se analiza una de las mas utilizadas herramientas de predicción de daño acumulado y transitorio disponibles llamada SPENVIS que puede calcular las dosis recibidas por los satélites considerando su altura, trayectoria y sus distintas capas de blindaje. Se discuten los mecanismos de interacción de los iones con la materia y sus efectos en base a simulaciones con el software SRIM/TRIM. Por ejemplo, la ionización que genera efectos de evento simple usualmente transitorios en los circuitos irradiados hasta los defectos de vacancias generadas en la red de átomos que forman el dispositivo y causan daño permanente. En la sección Microhaz de iones pesados se describe la línea del microhaz del acelerador TANDAR y las modificaciones realizadas para llevar a cabo éstos experimentos como los cambios en el sistema de microscopía en la cámara de irradiación y el microposicionador junto con sus adaptadores de vacío. Para simular las condiciones espaciales de irradiación, fue necesario reducir los flujos de iones varios órdenes de magnitud respecto a los experimentos que se realizaban previamente en la linea como MicroPIXE o micromecanizado. Para medir bajos flujos de iones (100 por segundo o menores) se diseñó un sistema con un detector tipo diodo PIN montado sobre un brazo motorizado que interpone el detector en el camino del haz en intervalos regulares durante los cuales mide el número de iones por segundo y luego se aparta para dejar que el haz alcance la muestra. Para conseguir bajos flujos a partir de los flujos de trabajo usuales de la línea del microhaz se implementó un deflector electroestático como atenuador. El deflector aplica un campo eléctrico en una sección del camino del haz, logrando desviar ligeramente la dirección de este de modo que no llegue a la cámara de irradiación y cortando asi la corriente. Aplicando una señal cuadrada en la entrada del deflector, modulada por ancho de pulso, se logró controlar la corriente de iones de modo quasi-contínuo. Además, este mecanismo se utilizó en simultáneo con el sistema de barrido XY del microhaz para generar patrones de irradiación de gradiente constante en Niobato de Litio, si bien no tiene una aplicación directa a los temas de ésta tesis, su desarrollo fue consecuencia del estudio del deflector como atenuador. Se discutieron las características distintivas de un semiconductor que está reemplazando al silicio en algunas aplicaciones de alta frecuencia y/o alta potencia en la sección Nitruro de Galio (GaN). En particular, se explican las características de los transistores de heteroestructura HFET. Se estudió el daño por radiación de iones pesados de transistores HFET formados por la heterojuntura AlInN/GaN crecidos sobre silicio. Se analizó la evolución de las características tensión corriente (IV) en función de la fluencia y la degradación en el espectro de fotoluminiscencia. Se modelaron los resultados empleando un modelo TCAD e introduciendo defectos tipo aceptores, como en la bibliografía consultada referida a irradiaciones con protones. Si bien el modelo simuló correctamente el comportamiento de las curvas IV en función de la fluencia, algunos autores correlacionan el número de aceptores introducidos en la estructura con el número de vacancias en la red de GaN predichas por el software TRIM. Esta correlación no se sostiene para las irradiaciones con iones pesados presentadas en este trabajo. Las razones son un tema de discusión actual en el campo del daño por radiación en dispositivos de tecnología GaN pero algunas hipótesis se discuten aquí. Se realizaron experimentos de Ion Beam Induced Current (IBIC) en diodos. Este tipo de experimentos se basa en estudiar los pulsos de corriente generados en los diodos debido a la interacción de un solo ion en función de: el tiempo, la posición en la que impacta el ion en el dispositivo, la tensión de polarización etc. Para todos los experimentos de medición de pulsos tanto en diodos como en circuitos se emplearon osciloscopios rápidos ( ̴ 1GHz) registrando en un canal la salida del dispositivo y en otros dos canales una señal proporcional a la posición de barrido del microhaz. Utilizando la señal de disparo en el canal conectado al dispositivo, se adquirieron los pulsos en función de la posición. Estudiando los procesos de colección de carga se pueden inferir características del dispositivo como la distribución de su campo eléctrico interno. En esta sección se analizaron los efectos de borde de un fotodiodo Hamamatsu S1223 observando la evolución temporal de los pulsos inducidos por iones. También se estudiaron los efectos de borde en un diodo PN de tecnología GaN de alta tensión de ruptura. Se estudiaron los pulsos generados por iones en un buffer de salida CMOS digital con distintas polarizaciones (entrada en High y en Low). La resolución espacial del microhaz permitió distinguir los pulsos generados por impactos en los transistores en corte y en saturación. Solo cuando los iones impactaron sobre transistores en corte se detectaron pulsos a la salida. Éstos resultados fueron coherentes con las simulaciones realizadas en SPICE empleando un modelo analítico de colección de carga llamado “doble exponencial” que asume la colección de carga en una profundidad de ̴2μm en el dispositivo, similar a lo reportado en la bibliografía para este tipo de tecnología. Se irradió un Amplificador Operacional de tecnología de fabricación CMOS de 180nm. Se adquirieron los pulsos de salida en función de la posición y se correlacionaron las posiciones del haz donde los pulsos fueron generados con el layout de diseño del circuito. Se compararon los resultados obtenidos con simulaciones de SPICE de forma similar a la irradiación del buffer de salida digital. En este caso, debido a que el circuito presentaba pares de transistores interdigitados entre sí, se utilizó un modelo de “charge sharing” o carga compartida. Así, puede considerarse que la carga depositada por cada ion es colectada por dos transistores cercanos al mismo tiempo. Se obtuvieron de este modo pulsos en las simulaciones de SPICE mas similares a los registrados experimentalmente respecto a los obtenidos sin considerar efectos de “charge sharing”.