The probability of proton-induced multiple-bit upset (MBU) has increased in highly-scaled technologies because device dimensions are small relative to particle event track size. Both proton-induced single event upset (SEU) and MBU responses have been shown to vary with angle and energy for certain technologies. This work analyzes SEU and MBU in a 130 nm CMOS SRAM in which the single-event response shows a strong dependence on the angle of proton incidence. Current proton testing methods do not account for device orientation relative to the proton beam and, subsequently, error rate prediction assumes no angular dependencies. Proton-induced MBU is expected to increase as integrated circuits continue to scale into the deep sub-micron regime. Consequently, the application of current testing methods will lead to an incorrect prediction of error rates

We investigate transistor-level layout-based techniques for SEE mitigation in advanced SiGe HBTs. The approach is based on the inclusion of an alternate reverse-biased pn junction (n-ring) designed to shunt electron charge away from the sub-collector to substrate junction. The inclusion of the n-ring affects neither the DC nor AC performance of the SiGe HBT and does not compromise its inherent multi-Mrad TID tolerance. The effects of ion strike location and angle of incidence, as well as n-ring placement, area, and bias on charge collection are investigated experimentally using a 36 MeV O 2 microbeam. The results indicate that charge shunting through the n-ring can result in up to a 90% reduction in collector collected charge for strikes outside the DT and a 18% reduction for strikes to the emitter center. 3-D transient strike simulations using NanoTCAD are used to verify the experimental observations, as well as shed insight into the underlying physical mechanisms. Circuit implications for this RHBD technique are discussed and recommendations made.

Delayed charge collection from ionizing events outside the deep trench can increase the SEU cross section in deep trench isolation technologies. Microbeam test data and device simulations demonstrate how this adverse effect can be mitigated through substrate engineering techniques. The addition of a heavily doped p-type charge-blocking buried layer in the substrate can reduce the delayed charge collection from events that occur outside the deep trench isolation by almost an order of magnitude, implying an approximately comparable reduction in the SEU cross section

Device-level current transients are induced by injecting carriers using two-photon absorption from a subbandgap pulsed laser and recorded using wideband transmission and measurement equipment. These transients exhibit three distinct temporal trends that depend on laser pulse energy as well as the transverse and vertical charge generation location. The nature of the current transient is controlled by both the behavior of the subcollector-substrate junction and isolation biasing. However, substrate potential modulation, due to deformation of the subcollector-substrate depletion region, is the dominant mechanism affecting transient characteristics.

Silicon-germanium heterojunction bipolar transistor (SiGe HBT) heavy ion-induced current transients are measured using Sandia National Laboratories' microbeam and high- and low-energy broadbeam sources at the Grand Acce¿le¿rateur National d'Ions Lourds, Caen, France, and the University of Jyva¿skyla¿, Finland. The data were captured using a custom broadband IC package and real-time digital phosphor oscilloscopes with at least 16 GHz of analog bandwidth. These data provide detailed insight into the effects of ion strike location, range, and LET.

Microbeam measurements and TCAD simulations are used to examine the effects of ion angle of incidence on the charge collected from events occurring in a Silicon Germanium (SiGe) Heterojunction Bipolar Transistor (HBT). The results identify the geometrically driven charge-collection mechanisms that dominate the low LET broad beam SEU response. The deep trench isolation that surrounds the transistor significantly modulates the charge transport and, therefore, the charge collected by the collector. A new way of estimating critical charge, , for upset in SiGe HBT circuits is proposed based on TCAD simulation results and measured broadbeam data.

Heavy ion-induced single event latchup (SEL) is characterized in a commercially available CMOS readout integrated circuit operating at cryogenic temperatures. SEL observed at 24 K and below is believed to be possible when free carriers produced by an ion strike initiate an exponential increase in the free carrier density via shallow-level impact ionization (SLII). This results in a large current increase that proceeds to a sustained latched state, even though the classic condition for parasitic bipolar gain product is not met since it is much less than unity. The LET threshold for SEL is significantly lower at 20 K as compared to 300 K although the saturated cross section is 2-3 times higher at 300 K. The temperature dependence of the SEL cross section is characterized from 16-300 K. SEL behavior attributed to the classical cross-coupled parasitic bipolar model is observed from ~135-300 K, and the reduction in the SEL cross section is remarkably modest as the temperature is lowered from room temperature to ~200 K. Temperature dependent electrical latchup characterization of a 130 nm pnpn test structure also indicates a change in the latchup behavior at ~50 K consistent with the SLII mechanism.

Comprehensive 3-D mixed-mode simulations, including accurate modeling of parasitic elements present in the experimental setup, resulted in close agreement between simulated and experimentally-measured heavy-ion-induced transients in first-generation SiGe HBTs. We have identified the key factors affecting previous simulations and observed experimental differences. The approach employed is also applicable to other submicron, high-speed technologies. Furthermore, we present a plausible answer to the previously unexplained issue of higher collector currents in single-transistor SiGe HBT single-event transients under positive collector bias. The new observations and conclusions facilitate improved understanding and potential mitigation options.