Sviluppo e realizzazione di un sistema di test e calibrazione per un apparato IEEM basato su dispositivi SDRAM COTS

This thesis is proposed to document the activities carried out from the work group formed by the group of Microelectronics of the Department of Electronic Engineering of the University of Rome "Tor Vergata", by the Physics Department of the University of Studies of Padova (SIRAD group), by the National Institute of Nuclear Physics (INFN) with its sections of Roma2 and Padova and by the Legnaro National Laboratories, concerning the realization and the characterization of an original version of the technology called Ion Electron Emission Microscopy (IEEM). The main objective of this job is the description of the system designed and realized for the test and the calibration of an apparatus IEEM based on SDRAM COTS (Commercial Off The Shelf) devices. A big part of the research program carried out at SIRAD is about the SEE (Single Event Effect) study in various Application Specific Integrated Circuits (ASIC). Broadly speaking it concerns device characterization as SDRAM, FPGA, FLASH and power devices. In order to extend this area of studies and to allow micrometric characterization of devices concerning radiation hardness, the group has implemented his own original version of the IEEM. In the IEEM technique, a broad ion beam irradiates a device under test (DUT) and the secondary electrons emitted by the target surface by each ion impact are collected and focused by a commercial electron emission microscope onto a fast electron detector. The spatial (x and y coordinates) and the temporal information of the ion impacts are then correlated to the SEE induced in the device under test and a SEE sensitivity map is obtained. An IEEM can achieve resolutions better than1μm, comparable to the ones obtained by nuclear microprobes techniques where the DUT is systematically scanned with micrometric precision with a microfocused beam. For a heavy ion microbeam to work, one must meet severe requirements in terms of beam monochromaticity and stability.

Questa tesi si propone di documentare le attività svolte dal gruppo di lavoro formato dal gruppo di Microelettronica del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma “Tor Vergata”, dal Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Padova (gruppo SIRAD), dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) con le sue sezioni di Roma2 e Padova e dei Laboratori Nazionali di Legnaro, riguardo l’implementazione e la caratterizzazione di una versione originale della tecnologia chiamata Ion Electron Emission Microscopy (IEEM). L’obiettivo principale del presente lavoro è la descrizione del sistema progettato e realizzato per il test e la calibrazione di un apparato IEEM basato su dispositivi SDRAM COTS (Commercial Off The Shelf). Una porzione significativa del programma di ricerca svolto a SIRAD riguarda lo studio di SEE (Single Event Effect) in diversi Application Specific Integrated Circuits (ASIC) e, più in generale, la caratterizzazione di apparati quali SDRAM, FPGA, FLASH e dispositivi di potenza. Per estendere questo programma di studi e permettere la caratterizzazione micrometrica della risposta di un dispositivo alla radiazione incidente, il gruppo ha implementato una propria versione originale dello IEEM. In questa tecnica sperimentale, il dispositivo sotto esame è irraggiato con un fascio ampio di ioni, e la posizione di ogni ione incidente sul bersaglio viene registrata con precisione micrometrica grazie alla raccolta e alla successiva focalizzazione degli elettroni secondari emessi dalla superficie del bersaglio al momento dell’impatto dello ione. La raccolta e focalizzazione degli elettroni viene effettuata tramite un microscopio elettronico, il quale permette di raggiungere risoluzioni superiori al micron nella ricostruzione del punto d’impatto. La sensibilità dei dispositivi sotto esame alla radiazione incidente viene rilevata con un sistema d’acquisizione dedicato che ne monitorizza continuamente il funzionamento. Mettendo in relazione le coordinate d’impatto del singolo ione (nonostante l’irraggiamento sia a broad beam) con eventuali funzionamenti anomali, funzionamenti fuori standard o malfunzionamenti del dispositivo, si crea la mappa di sensibilità. Questa tecnica può validamente riprodurre, o addirittura migliorare sotto alcuni aspetti, i risultati usualmente ottenuti attraverso l’uso di microbeams, dove il fascio ionico viene micro-focalizzato e poi indirizzato con precisione micrometrica sulla superficie del bersaglio al fine di ottenere una mappa di sensibilità.