Developments for an embedded and reliable floating gate dosimeter

Abstract

[eng] Electronic devices are constantly affected by radiation in natural environment at ground level and more severely in harsh radioactive environments like high altitude, space and particle accelerators. The study of radiation effects on electronic devices is complex and requires the combination of multidisciplinary knowledge from nuclear physics to high-level system design, electronics and material science. Radiation measurements in a mixed radiation field, as the one present at CERN, is a complex task. A reliable and accurate total ionizing dose (TID) sensor is necessary to evaluate the dose deposited on the electronic equipment installed in the Large Hadron Collider (LHC). The floating gate sensor (FGDOS®), developed and manufactured by iC-Malaga, has been proven to be a good candidate for the use in the LHC radiation monitor system (RadMON). Its high sensitivity and ease of use make it a good sensor for low dose measurements. This work describes the process followed to improve the floating gate based dosimeter, so called FGDOS®, developed by iC-Malaga. Starting from the already existing version (named TC919), and from this, trying to find out which aspects can be improved for future versions (resulting of this work, TC974). Features as the controlled discharge of the floating gate, or increasing the sensitivity or the lifetime when it is exposed to the radiation or lower the signal-to-noise (SNR) ratio at the output given by the sensor in order to improve its minimum detectable dose will be described and discussed. Other important parameters as the radiation hardness of the different structures embedded on-chip and processes as the charge injection into the floating gate or the sensitivity degradation will be also presented and discussed. In order to investigate and to better understand all those parameters a defined methodology was followed. The study of the radiation effects in electronic components and at device level first, and second the analysis of the most sensitive zones in the FGDOS® were the starting point to design and develop simpler structures in different Test Chips (TC). The measurement and analysis of the radiation effects in those TC are the starting point of this work to finally make possible the design of a new complete FGDOS® on-chip, adding all the upgrades previously studied. From the results of those tests, the limits of our technology could be foreseen in terms of radiation hardness and reliability. Moreover, the radiation effects described in the literature, and detected in the radiation campaings will be mitigated by using radhard by design (RHBD) techniques at layout level in order to improve the robustness of the entire new FGDOS® in the technology which is fabricated and produced. Radiation campaigns were necessary to investigate the radiation response against different radiation environments. To do so, different radiation facilities were used. In this work the different facilities will be described. As well the aim of each test will be presented and why the use of different kind of radiation sources, e.g. 60-Co source or Mixed-Field environment will be discussed. At system level the configuration modes chosen to configure the FGDOS® and the data post processing will be also presented and explained to better understand the working principle of the sensor when it is embedded in a real application. After this, the final version of the FGDOS® will be described and analyzed. It will consider all the discussion on the improvements included from the tests previously carried out. In addition, some experimental results under different radiation environments will be presented. Finally, to conclude this work a new topology of a floating gate based sensor will be described and presented. This topology permits to overcome some of the limitations of the FGDOS®, resulting from this thesis.

[spa] Los equipos electrónicos se ven constantemente afectados por la radiación del ambiente, a nivel del mar y más severamente en entornos radiactivos a gran altitud, en el espacio o en aceleradores de partículas. El estudio de los efectos de la radiación en dispositivos electrónicos es compleja y requiere la combinación de conocimientos multidisciplinares desde física nuclear a diseño de sistemas a alto nivel, electrónica y ciencia de materiales. Las medidas de radiación en un campo de radiación mixto, como el presente en el CERN, son una tarea compleja. Es necesario un sensor de dosis total ionizante (TID) fiable y preciso para evaluar la dosis depositada en los equipos electrónicos instalados en el Large Hadron Collider (LHC). El sensor de puerta flotante (FGDOS®), desarrollado y fabricado por iC-Málaga, ha demostrado ser un buen candidato para ser usado en el sistema de monitorización de radiación (RadMON) del LHC. Su alta sensibilidad y facilidad de uso lo convierten en un buen sensor para dosis bajas. Este trabajo describe el proceso para mejorar el dosímetro basado en puerta flotante, llamado FGDOS®, desarrollado por iC-Málaga. Partiendo de la versión ya existente (llamada TC919), y a partir de aquí, tratando de averiguar qué aspectos se pueden mejorar para la futura versión (como resultado de este trabajo, TC974). Funciones como la descarga controlada de la puerta flotante, o aumentar la sensibilidad, o el tiempo de vida cuando se expone a la radiación, o disminuir la relación señal / ruido (SNR) a la salida que el sensor da para mejorar la mínima dosis detectable se describirán y discutirán. Otros parámetros importantes como la resistencia a la radiación de las diferentes estructuras integradas en el chip y procesos como la inyección de carga en la puerta flotante o la degradación de la sensibilidad también serán presentados y discutidos. Con el fin de investigar y comprender mejor todos estos parámetros, se siguió una metodología definida. El estudio de los efectos de la radiación en los componentes electrónicos a nivel de dispositivo primero, y segundo el análisis de los puntos más sensibles del FGDOS® fueron el punto de partida para diseñar y desarrollar estructuras más sencillas en diferentes chips de pruebas (TC). La medida y análisis de los efectos de la radiación en estos TC son el punto de partida de éste trabajo para finalmente hace posible el diseño de un nuevo FGDOS® completo, añadiendo todas las mejoras previamente estudiadas. A partir de los resultados de estas pruebas, se han podido fijar los límites de la tecnología usada en términos de resistencia a la radiación y fiabilidad. Además, los efectos de la radiación descritos en la literatura y apreciados durante las campañas de radiación se mitigan mediante técnicas de diseño (RHBD) para mejorar la robustez a la radiación del nuevo FGDOS®. Las campañas de radiación fueron necesarias para investigar la respuesta a diferentes entornos de radiación. Para ello, se utilizaron diferentes instalaciones de radiación. En este trabajo se describirán las diferentes instalaciones. Asimismo, se presentará el objetivo de cada prueba y se explicará el porqué fue necesario el uso de diferentes tipos de fuentes de radiación, como por ejemplo la fuente de Co-60 o entorno mixto the radiación. A nivel de sistema, los modos de configuración elegidos para configurar FGDOS® y el procesamiento de los datos del sensor también se presentarán y explicarán para comprender mejor el principio de funcionamiento del sensor cuando se incluye en una aplicación real. Después de esto, se describirá y comentará la versión final del FGDOS® donde se incluirá toda la discusión sobre las mejoras incluidas en las pruebas realizadas anteriormente. Además, se presentarán algunos resultados experimentales en diferentes entornos de radiación. Finalmente, para concluir este trabajo, se describirá y presentará una nueva topología de sensor basado en puerta flotante. Esta topología permite mejorar algunas de las limitaciones del FGDOS®, resultando de esta tesis.

[cat] Els equips electrònics es veuen constantment afectats per la radiació de l’ambient, a nivell del mar i més severament en entorns radioactius a gran altitud, a l’espai o dins acceleradors de partícules. L’estudi dels efectes de la radiació a dispositius electrònics és complexa i requereix la combinació de coneixements multidisciplinars desde física nuclear a disseny de sistemes a alt nivel, electrònica i ciència de materials. Les mesures de radiació en un camp de radiació mixt, com el present al CERN, són una tasca complexa. És necessari un sensor de dosis total ionitzant (TID) fiable i precís per avaluar la dosi dipositada en els equips electrònics instal·lats al Large Hadron Collider (LHC). El sensor de porta flotant (FGDOS®), desenvolupat i fabricat per iC-Malaga, ha demostrat ser un bon candidat per a ser usat en el sistema de monitorització de radiació (RadMON) del LHC. La seva alta sensibilitat i facilitat d'ús el converteixen en un bon sensor per a dosis baixes. Aquest treball descriu el procés per millorar el dosímetre basat en porta flotant, anomenat FGDOS®, desenvolupat per iC-Malaga. Partint de la versió ja existent (anomenada TC919), i a partir d’aqui, tractant d'esbrinar quins aspectes es poden millorar per a la futura versió (com a resultat d’aquesta feina, TC974). Funcions com la descàrrega controlada de la porta flotant, o augmentar la sensibilitat, o el temps de vida quan s'exposa a la radiació, o disminuir la relació senyal / soroll (SNR) a la sortida que el sensor dóna per millorar la mínima dosis detectable es descriurán i discutirán. Altres paràmetres importants com la resistència a la radiació de les diferents estructures integrades en el xip i processos com la injecció de càrrega a la porta flotant o la degradació de la sensibilitat també seran presentats i discutits. Per tal d'investigar i comprendre millor tots aquests paràmetres, es va seguir una metodologia definida. L'estudi dels efectes de la radiació en els components electrònics a nivell de dispositiu primer, i segon l'anàlisi dels punts més sensibles al FGDOS® van ser el punt de partida per dissenyar i desenvolupar estructures més senzilles en diferents xips de proves (TC). La mesura i anàlisi dels efectes de la radiació en aquests TC són el punt de partida d'aquest treball per finalment fer posible el disseny d'un nou FGDOS® complet, afegint totes les millores prèviament estudiades. A partir dels resultats d'aquestes proves, s’han pogut fixar els límits de la tecnología usada en termes de resistència a la radiació i fiabilitat. A més, els efectes de la radiació descrits a la literatura i apreciats durant les campanyes de radiació es mitigarán mitjançant tècniques de disseny (RHBD) per tal de millorar la robustesa a la radiació del nou FGDOS®. Les campanyes de radiació van ser necessàries per investigar la resposta a diferents entorns de radiació. Per fer-ho, es van utilitzar diferents instal·lacions de radiació. En aquest treball es descriuran les diferents instal·lacions. Així mateix, es presentarà l'objectiu de cada prova i s’explicarà el perquè va ser necessari l'ús de diferents tipus de fonts de radiació, com per exemple la font de Co-60 o entorn mixt the radiació. A nivell de sistema, els modes de configuració escollits per configurar el FGDOS® i el processament de les dades del sensor també es presentaran i explicaran per comprendre millor el principi de funcionament del sensor quan s'inclou en una aplicació real. Després d'això, es descriurà i comentarà la versió final del FGDOS® on s’inclourà tota la discussió sobre les millores incloses en les proves realitzades anteriorment. A més, es presentaran alguns resultats experimentals en diferents entorns de radiació. Finalment, per concloure aquest treball, es descriurà i presentarà una nova topologia de sensor basat en porta flotant. Aquesta topologia permet millorar algunes de les limitacions del FGDOS®, resultant d'aquesta tesi.