Development of a measurement system for research on radiation effects on electronic devices: metodologies and case studies

Efeitos causados pela interação da radiação ionizante em dispositivos eletrônicos consis- tem numa preocupação crescente em diversos segmentos, como as aplicações aeroespaci- ais e em física de altas energias. Entre os efeitos de radiação induzidos por íons pesados estão os chamados de Efeitos de Eventos Isolados (Single Event Effects - SEE), em que o impacto de um único íon pode ser capaz de gerar um efeito observável, através da elevada deposição de energia e consequente geração de pares elétron-lacuna. O estudo destes efeitos requer um acelerador de partículas capaz de prover feixes uniformes de íons pesados com baixo fluxo. Neste trabalho, desenvolvemos um sistema para produ- ção de feixes de íons pesados para estudar SEE no Acelerador Pelletron 8UD, utilizando as técnicas de desfocalização e espalhamento múltiplo em folhas de ouro. O sistema foi projetado para prover feixes com intensidades entre 10 2 e 10 5 partículas/s/cm 2 com uniformidade maior que 90% numa área circular de diâmetro de 1,5 cm, operando em regime de alto-vácuo. Um manipulador de amostras permite a movimentação do dispo- sitivo sob teste com precisão de 2,5 m e um sistema de aquisição de dados dedicado foi desenvolvido, permitindo a automação de medidas. O sistema foi caracterizado com feixes de 1 H, 12 C, 16 O, 19 F, 28 Si, 35 Cl e 63 Cu a várias energias, apresentando fluxo e uni- formidade adequados aos experimentos em diversas configurações de focalização e folhas espalhadoras, e tem sido utilizado por diversos grupos de pesquisa. O novo sistema foi utilizado para estudar o efeito das camadas de isolamento e metalização na coleta de carga e geração de eventos observáveis em um dispositivo analógico e em um disposi- tivo digital, de modo a estabelecer metodologias de trabalho adequadas para estudos precisos de mecanismos de ocorrência de efeitos de radiação. O dispositivo analógico estudado foi um transistor p-MOS, onde o sinal de corrente induzido pelo impacto de íons diversos foi analisado de modo a obter a seção de choque de eventos e a cargaix gerada, permitindo determinar a espessura da camada de metalização em 1,28(2) m, e a camada de coleta de carga dependente do LET e alcance da partícula incidente, variando entre 6,0 e 11,0 m. O dispositivo digital estudado foi uma memória SRAM 28nm, onde foi observada uma forte dependência da seção de choque de eventos com a penetração do feixe no dispositivo. Associando as camadas de metalização e isolamento a um meio efetivo de interação, obteve-se que toda a área sensível do dispositivo só pode ser excitada, isto é, nela ocorrerem eventos observáveis, para partículas com alcance, no meio efetivo, entre 14 e 20 m, embora partículas com alcance de até 10 m sejam capazes de sensibilizar até 50% da área ativa do dispositivo.Effects on electronic devices caused by interactions of ionizing radiation are a main concern in several fields, such as aerospace applications and high-energy physics. Among the heavy-ion induced radiation effects are the Single Event Effects, in which a strike of a single ion can be enough to generate an observable effect, as a result of the high energy deposition and thus electron-hole pairs generation. The study of these effects requires the use of uniform, low-flux particle beams. In this work, we developed a system for production of heavy ion beams for SEE studies at Pelletron 8UD accelerator, through the defocusing and multiple scattering in gold foil techniques. The setup can provide ion beams with intensities ranging from 10 2 e 10 5 particles/s/cm 2 with uniformity better than 90% in an circular area of 1.5 cm diameter, operating under high-vacuum. A sample manipulador allows device under test positioning with a precision of 2.5 m, and a dedicated data acquisition system was developed, allowing measurement automation. The system was characterized with 1 H, 12 C, 16 O, 19 F, 28 Si, 35 Cl and 63 Cu ion beams at several energies, presenting flux and uniformity adequate for SEE studies in many different configurations, and it is being used by several research groups. The new facility was used to study the effect of isolation and metalization layers in charge collection and observable events generation in an analog and in a digital device, in order to establish proper metodologies for precise studies of radiation effects mecanisms. The analog device studied was a p-MOS transitor, from which the heavy-ion impact induced current signal was analised to obtain cross-section and colected charge, allowing to determine metalization layer thickness to be 1.28(2) m, and charge collection dependency on particle LET and range, varying from 6.0 to 11.0 m. The digital device studied was a 28nm SRAM memory, where a strong dependency of cross-section with particle range in the device was observed. Associating to the metal and insulating layers an effectivexi medium, it was observed that the complete sensitive area can be excited only by particle with ranges in effective medium between 14 and 20 m, although particles with ranges up to 10 m are capable of sensibilizing up to 50% of devices active area