137 research outputs found
Monitoring of the formation of a photosensitive device by electric breakdown of an impurity containing oxide in a MOS capacitor
No full textThe formation of an photosensitive device due to the local breakdown in an MOS structure with an impurity containing oxide layer has been monitored. A stepwise breakdown of the oxide layer resulted in the formation of a diode like characteristics with further on stable current-voltage characteristics. Under illumination with white and blue light we found a high photosensitivity of the resulting structure, probably due to the formation of a local p-n junction due to out-diffusion from the oxide of n-type dopants into the underlying silicon substrate. Using a blue light LED illumination during the monitoring of the device formation enables the identification of the moment, when a high ratio between photo- and dark current is obtained
The BOIT training: An overview of a burnout intervention and initial survey results
No full textAbstractIn contrast to common burnout interventions, BOIT is a combination of a person- as well as an organization-directed intervention. It aims at sensitizing supervisors towards burnout. Moreover, it also exceeds the conception of persondirected training by identifying possibilities to intervene as a supervisor. The present paper discusses the training outline as well as its advantages over other interventions. In addition, it reports burnout prevalence rates among samples from three different countries and initial (i.e., wave 1) survey findings
Studie an bestrahlten Pixeldetektoren für das ATLAS IBL und HL-LHC upgrade
No full textDer steigende Bedarf der Hochenergiephysik nach höherer Luminosität ist die Ursache für die ständigen Bemühungen die eingesetzten Beschleuniger sowie die Experimente an die damit zunehmenden Anforderungen anzupassen. Das Upgrade-Programm der Experimente und der Beschleuniger am CERN umfasst bereits mehrere Ausbaustufen des Large Hadron Colliders (LHCs), die die Luminosität sowie den Energiebereich des Beschleunigers erhöhen werden. Die Experimente am LHC arbeiten gleichzeitig daran, die einzelnen Sub-Detektoren auf die steigenden Anforderungen in den kommenden Jahren vorzubereiten. Speziell Tracking Detektoren müssen in Zukunft für in Hochenergie Physik Experimenten bislang ungesehenen Fluenzen zurechtkommen. Mit dem Anstieg der Fluenz nehmen ebenfalls Strahlenschäden zu, die die Lebensdauer der Detektoren durch abnehmende Leistungsfähigkeit begrenzt. Um diesen Effekt zu kompensieren, werden für die kommenden Upgrade-Schritte neue und strahlenhärtere Detektorkonzepte mit längeren Lebensdauern notwendig.
Diese Arbeit konzentriert sich darauf, die Einflüsse von Strahlenschäden auf verschiedene Pixel Sensor Technologien zu untersuchen. Die untersuchten Technologien sind mögliche Kandidaten für den Einsatz im kommenden Updgrade des ATLAS Pixel Detektors sowie für Anwendungen im ATLAS Experiment unter HL-LHC Bedingungen. Die betrachteten Sensoren umfassen verschiedene Designs basierend auf Silizium und Diamant als Sensormaterial. Die untersuchten Silizium Designs beinhalten ein planar Pixel Design, das breits im ATLAS Experiment eingesetzt wird sowie ein 3D Pixel Design, bei dem der Sensor über die gesamte Dicke von Elektroden durchzogen ist. Das Diamant Design nutzt auf dem Sensor angebrachte Elektroden ähnlich den planar Designs, wobei Diamant Sensoren aus single- und polykristallinem Material zur Verfügung stehen.
Um die Eigenschaften der Sensoren zu untersuchen, werden diese vor und nach Bestrahlung durch Protonen oder Neutronen getestet und charakterisiert. Ein Teil dieser Messungen untersucht das Zusammenspiel der Ausleseelektronik und der Sensoren, um sicherzustellen, dass die Signale auch nach Bestrahlung zuverlässig ausgelesen werden können. Weitere Tests konzentrieren sich auf die Eigenschaften der Sensoren selbst, was zum einen das Strom-Spannungs-Verhalten sowie die Eigenschaften bezüglich der Ladungssammlung umfasst. Hierzu stehen Messungen mit radioaktiven Quellen sowie Teilchenstrahlen aus Pionen und Elektronen zur Verfügung.
Abschließend werden die durchgeführten Entwicklungsschritte des für 2013/2014 geplante IBL Upgrades des ATLAS Pixel Detektors zusammengefasst. Dies beinhaltet unter anderem den Ablauf des Qualitätssicherungsverfahrens sowie die Herstellung eines Prototypen der Strukturelemente für die neue Pixeldetektorlage. Mit diesem Prototypen eines sogenanten Staves wurde daraufhin der komplette Stave Produktionsablauf getestet.The constant demand for higher luminosity in high energy physics is the reason for the continuous effort to adapt the accelerators and the experiments. The upgrade program for the experiments and the accelerators at CERN already includes several expansion stages of the Large Hadron Collider (LHC) which will increase the luminosity and the energy of the accelerator. Simultaneously the LHC experiments prepare the individual sub-detectors for the increasing demands in the coming years. Especially the tracking detectors have to cope with fluence levels unprecedented for high energy physics experiments. Correspondingly to the fluence increases the impact of the radiation damage which reduces the life time of the detectors by decreasing the detector performance and efficiency. To cope with this effect new and more radiation hard detector concepts become necessary to extend the life time.
This work concentrates on the impact of radiation damage on the pixel sensor technologies to be used in the next upgrade of the ATLAS Pixel Detector as well as for applications in the ATLAS Experiment at HL-LHC conditions. The sensors considered in this work include various designs based on silicon and diamond as sensor material. The investigated designs include a planar silicon pixel design currently used in the ATLAS Experiment as well as a 3D pixel design which uses electrodes penetrating the entire sensor material. The diamond designs implement electrodes similar to the design used by the planar technology with diamond sensors made out of single- and poly-crystalline material.
To investigate the sensor properties characterization tests are performed before and after irradiation with protons or neutrons. The measurements are used to determine the interaction between the read-out electronics and the sensors to ensure the signal transfer after irradiation. Further tests focus on the sensor performance itself which includes the analysis of the leakage current behavior and the charge collection properties. The sensor responds to the passing of a charged particle are measured with radioactive sources and particle beams of electrons and pions.
To conclude the sensor research the accomplished development stages of the IBL upgrade of the ATLAS pixel detector foreseen for 2013/2014 are summarized. This includes among other things, the progress of the quality assurance process as well as the production of a first stave prototype used to test the stave production process
Nukleation und Wachstum bei der Bildung von dünnen, polykristallinen Siliziumschichten
No full textDünne Schichten polykristallines Silizium (poly-Si) auf Fremdsubstraten sind für großflächige, elektronische Bauelemente wie Displays, Sensoren und Solarzellen von Interesse. Solche Schichten können mit dem Aluminium-induzierten Schichtaustausch (ALILE) Prozess hergestellt werden. Im ALILE Prozess tauschen eine Aluminium und eine amorphe Silizium (a-Si) Schicht ihre Position durch einen einfachen Temperschritt unterhalb der eutektischen Temperatur (Teu = 577 °C) des Al-Si Systems. Dabei wird das Silizium kristallisiert. Die resultierende poly-Si Schicht is großkörnig, was eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit verspricht, und weist eine kristallographische (100) Vorzugsorientierung auf, was eine Verdickung mittels Niedertemperaturepitaxie erleichtert. In dieser Dissertation werden Glas/Al/a-Si Schichtstapel mittels optischer Mikroskopie in-situ während des ALILE Prozesses untersucht. Die Rolle einer dünnen Zwischenschicht wird beleuchtet. Während die Nukleation in einem isothermen Temperexperiment durch Übersättigung von Silizium in der Aluminiumschicht hervorgerufen wird, kann diese zusätzlich durch Unterkühlung während der Temperung verstärkt werden. Durch den Einsatz von Temperaturprofilen wird der Mechanismus hinter dem ALILE Prozess aufgeklärt. Der Prozess wird auf der Basis von thermodynamischen Überlegungen im Al/Si Phasendiagramm diskutiert. Die Definition von Siliziumkonzentrationsgrenzen im Al demonstriert, dass die groen Körner in der resultierenden poly-Si Schicht durch eine charakteristische selbstlimitierte Unterdrückung der Nukleation im Schichtaustauschprozess hervorgerufen wird. Ist die Siliziumkonzentration größer als die Sättigungskonzentration aber kleiner als die kritischen Konzentration so wachsen bestehende Körner weiter während weiter Nukleation unterdrückt wird. Mit thermodynamischen Überlegungen über Nukleation und Wachstum wird ein Modell entwickelt, das den Ursprung der Vorzugsorientierung in den Schichten erklärt. Sowohl die experimentellen als auch theoretischen Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen es Rezepte zur Optimierung der polykristallinen Siliziumschichten zu entwickeln. Solarzellen aus dünnen polykristallinen Siliziumschichten haben das Potential hohe Wirkunsgrade bei sehr niedrigen Kosten zu erreichen. Damit sind Sie geeignete Kandidaten für die Solartechnologie der mittelfristigen Zukunft.Polycrystalline Silicon (poly-Si) thin films on foreign substrates are interesting for large area electronic devices like displays, sensors and solar cells. Such films can be formed by the aluminum-induced layer exchange (ALILE) process. In the ALILE process aluminum, amorphous silicon (a-Si) bi-layers exchange their positions with a concurrent crystallization of the silicon during a simple annealing step below the eutectic temperature of the Al/Si system (Teu = 577 °C). The resulting poly-Si layer is large grained which promises high carrier mobilities and exhibits a preferential, crystallographic (100) orientation which facilitates low-temperature, epitaxial thickening. Within this thesis glass/Al/a-Si layer stacks are investigated in-situ during the ALILE process with an optical microscope. The role of a thin interlayer between the Al and a-Si is studied. While nucleation in isothermal annealing experiments is caused by supersaturation of silicon in the aluminum layer additional nucleation can be enforced by supercooling the sample during annealing. The use of temperature profiles during annealing reveals the mechanism of the ALILE process. The process is discussed on the basis of thermodynamic consideration and elucidated within the Al/Si phase diagram. The definition of Si concentration limits in the Al demonstrates that the large grains in the resulting poly-Si film are caused by a characteristic self-limiting suppression of nucleation during the layer exchange process. When the Si concentration is above the saturation concentration but below a critical concentration existing grains grow but additional nucleation is suppressed. From the thermodynamic considerations on nucleation and growth a model is derived explaining the origin of the preferential orientation. Both experimental and theoretical results obtained in this thesis allow to develop recipes for an optimized polycrystalline silicon layer formation. Poly-crystalline silicon thin-film solar cells based on the seed layer concept have the potential to achieve high efficiencies at very low costs which make them suitable candidates for the medium-term future solar cell technology
Solid state reactions and diffusion processes during rapid thermal processing of Cu-In-S based semiconductors
No full textGegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von CuInS2-Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen. Im Mittelpunkt steht dabei der Einfluss geringer Konzentrationen von Zink und in einigen Fällen von Magnesium und Cadmium (<1at.%) auf die strukturellen und elektro-optischen Eigenschaften von CuInS2. Die Dünnschichten wurden sequentiell durch Umsetzung von CuIn-Vorläuferschichten (standardmäßig [Cu]=[In] < 1) in einem schnellen thermischen Prozess präpariert. Der Einbau von Zn (Mg, Cd) erfolgte entweder während der sequentiellen Herstellung oder nachträglich durch Diffusion in den Absorber. Die Modifikation von CuInS2-Solarzellen mit Fremdelementen ist motiviert durch die geringe Leerlaufspannung von etwa 700 mV bei einer Bandlückenenergie von 1.5 eV. Die Zugabe von Zn und/oder Mg führte zu einer Leerlaufspannung von über 800 mV. Damit ging allerdings eine Reduktion der Kurzschlussstromdichte einher. Unter Berücksichtigung der Analyse der elektrischen Eigenschaften und der Untersuchung des Absorbers mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie werden die Solarzellenparameter und die Ergebnisse der spektralen Ladungsträgersammlung von modifizierten Solarzellen und Referenzsolarzellen diskutiert. Vor diesem Hintergrund lässt sich die erhöhte Leerlaufspannung sowie die reduzierte Stromdichte durch Änderungen der Volumen- und Oberflächeneigenschaften erklären. Mittels Ramanspektroskopie sind die phononischen Eigenschaften von modifizierten und Referenzschichten ermittelt worden. Während der Einbau von Zn/Mg keinen Einfluss auf die Lage und die Halbwertsbreite der dominierenden A1-Mode (reine Anionenschwingungsmode) der Chalkopyritstruktur hat, nimmt die Intensität einiger E- und B-Moden (Anionen-Kationen Schwingungen) im Ramanspektrum stark zu. Der Einfluss von Zink auf das Kristallgitter offenbart sich in Cu-arm präparierten Proben noch deutlicher. CuInS2-Dünnschichten mit [Cu]=[In] < 1 weisen neben den Moden des Chalkopyrit-Gitters zusätzlich einen großen Anteil der so genannten Kupfer-Gold-Ordnung im Ramanspektrum auf. Durch die Zugabe von Zink beobachtet man eine starke Reduktion dieser Überstruktur und ebenfalls eine Zunahme der Leerlaufspannung. Transmissions- und Reflexionsmessungen zeigen, dass sich das Absorptionsverhalten bei modifizierten Schichten im Vergleich zum Referenzsystem verändert. Diese Unterschiede spiegelten sich auch bei der Untersuchung der Dünnschichten mit Photolumineszenzspektroskopie wieder. Das Photolumineszenzspektrum der mit Zn (Mg, Cd) modifizierten Proben wird durch eine breite, strukturlose Emissionsbande mit einem energetische Maximum bei etwa E=1.35 eV dominiert. Bei den mit Fremdelementen behandelten Proben, beobachtet man eine um über eine Größenordnung höhere Photolumineszenzintensität im Vergleich zu den Referenzproben. Die untersuchten strahlenden Übergänge können bei den Referenzen überwiegend störstellenkorrelierten Rekombinationen zugeordnet werden, während die Photolumineszenz von Zn (Mg, Cd) modifizierten Schichten durch Potentialfluktuationen bestimmt ist. Die Photolumineszenzeigenschaften werden in einem Modell auf der Basis von elektrostatischen Fluktuationen und von Bandlückenfluktuationen erklärt. Demnach induziert der Einbau von Zn, Mg oder Cd eine Variation der chemischen Zusammensetzung, welche eine fluktuierende Bandlückenenergie verursacht. In dieser Arbeit wird somit gezeigt, dass schon geringe Konzentrationen von Zn (Mg, Cd) die strukturellen Eigenschaften stark beeinflussen. Unter der Berücksichtigung dieses Resultats lassen sich die Ergebnisse der Solarzellencharakterisierung und der elektrischen und optischen Messungen in einem konsistenten Bild darstellen.The subject of this work is CuInS2 absorber layers for thin film solar cells focussing on the influence of the incorporation of small amounts of zinc (<1at.%) on the structural and the electro-optical properties of the absorber layer. To a lesser extend the incorporation of magnesium and cadmium is also investigated. The thin films are prepared in a sequential process. Metallic precursor layers (standard [Cu]=[In] < 1) are sulfurised in a rapid thermal processor and converted to the CuInS2 semiconductor. The incorporation of Zn (Mg, Cd) took place either during the sequential process or afterwards by diffusion in the absorber layer. The motivation to introduce foreign elements into CuInS2 absorbers is driven by the fact that the achieved open circuit voltage of about 700 mV is well below the theoretical threshold for a material with a band gap energy of 1.5 eV. In this work an increase of the open circuit voltage of over 800 mV was obtained by the addition of Zn and/or Mg. However, this was accompanied by a reduced short circuit current. The solar cell properties (current-voltage characteristics, quantum efficiency) of the Zn (Mg, Cd) modififed and the reference CuInS2 samples are discussed by analysing the electrical properties of the absorbers and by the investigation of the absorbers by means of X-ray photoelectron spectroscopy.Within this framework the increased open circuit voltage and the decreased short circuit current is interpreted in terms of changes of the bulk and the surface properties. The phonon properties of the modified and reference layers are compared by means of Raman spectroscopy. While the incorporation of zinc has an effect on neither the position nor the full width at half maximum of the dominant A1-mode (pure anion vibration) of the chalcopyrite structure, a strong increase in the Raman intensity of the E-, B-modes (anion-cation vibrations) is observed. This is interpreted as an influence on the lattice substructure due to zinc incorporation. In Cu-poor prepared samples the structural change becomes even more apparent. In CuInS2 thin films with [Cu]=[In] < 1 a so-called copper-gold (CA) phase is visible in the Raman spectrum. The incorporation of zinc leads to a strong reduction of the CA phase in the samples and like the modified Cu-rich solar cells, an increased open circuit voltage is observed. Transmission and reflection measurements reveal significant variations in the absorption behaviour of the modified samples. A strong change of the optical properties is also confirmed by the investigation by means of photoluminescence spectroscopy. The incorporation of Zn (Mg, Cd) in CuInS2 results in clear changes of the radiative transitions. The spectra of the modified layers are dominated by a broad emission with an energetic maximum at E=1.35 eV. Moreover, the photoluminescence intensity increases by more than one order of magnitude in comparison to that of the reference samples. Whereas the analysis of temperature and intensity dependent photoluminescence measurements in reference CuInS2 layers reveal defect correlated recombinations, for Zn (Mg, Cd) modified CuInS2 thin films the photoluminescence is affected by potential fluctuations. Taking into account the results from the structural and electro-optical investigations, a model is established where the photoluminescence properties of modified layers are explained in terms of electrostatic and band gap fluctuations. Within this model Zn (Mg, Cd) induces variations of the chemical composition which result in fluctuations of the band gap energy. This work shows, that even with small amounts of Zn (Mg, Cd) the structural properties of CuInS2 change drastically. The solar cell properties and the results from the electrical and optical analysis of the absorber can be explained by a consistent model
Refraktive und diffraktive Festkörperimmersionslinsen für die Verbesserung der optischen Abbildung durch Silizium hergestellt mittels einer fokussierten Ionenstrahlanlage
No full textIn ihrem Kern befasst sich diese Arbeit mit der Erzeugung refraktiver und diffraktiver Festkörperimmersionslinsen (SILs) aus Silizium (Si) mit einer fokussierten Ionenstrahlanlage (FIB). SILs werden zur optischen Auflösungsoptimierung benötigt, wenn aktive Gebiete nur durch die Rückseite des Chips untersucht werden können. Kommerzielle SIL-Objektive lassen sich, z.B. bei engen Gehäuseöffnungen, nur eingeschränkt nutzen. FIB-erzeugte SILs können an beliebiger Stelle geformt werden. Zwei Konzepte werden präsentiert: kugelförmige refraktive SILs (rSILs) für spektral breitbandige Analysen, jedoch nicht leicht in großen Dimensionen herzustellen, und binäre diffraktive SILs (dSILs), nur für monochromatisches Licht aber aus flachen Strukturen auf großen Flächen realisierbar. Drei konkrete Modelle FIB-erzeugter SILs wurden entwickelt: eine dSIL und zwei rSILs, wobei rSIL (1) durch reines FIB-Fräsen erzeugt wird und rSIL (2) durch gasunterstütztes FIB-Ätzen. Die rSIL-Kugelstruktur wird auf Segmente begrenzt, um einen effizienten und machbaren FIB-Prozess zu erreichen. rSIL (1) benötigt weniger als 20 Min. Prozesszeit und verbessert die mikroskopische Auflösung um den Faktor 1,8. rSIL (1) wurde auch mit einer Antireflexionsschicht verwendet, was die Anzahl erkennbarer Details sowie den Bildkontrast erheblich erhöhte. Die in weniger als 60 Min. geätzte rSIL (2) bietet einen größeren Öffnungswinkel. Eine noch größere SIL ließ sich mit der dSIL in 15 Min. Prozesszeit, ebenfalls durch FIB-Ätzen, erreichen. Wie rSIL (1) zeigten auch rSIL (2) und dSIL eine sichtbare Verbesserung in Auflösung und Kontrast. Das Potential der vorgestellten Technik ist eine numerische Apertur (NA) von 1,5 (rSIL) bzw. 2,5 (dSIL). Diese Perspektive sowie die präsentierten Versuchsergebnisse bilden die wissenschaftliche Grundlage, auf der sich FIB-erzeugte SILs zu wertvollen optischen Komponenten in der Funktionsanalytik von integrierten Schaltkreisen entwickeln lassen.The research core of this work is the creation of refractive and diffractive Solid Immersion Lenses (SILs), carved into silicon (Si) by a focused ion beam (FIB) machine. SILs are needed to optimize optical resolution, if active parts can only be analysed through the backside of an integrated circuit (IC). Commercial SIL objectives have limited application, e.g. close to edges of IC package openings. FIB created SILs can be formed at any requested location. Two concepts are presented: spherical refractive SILs (rSILs) for broad spectral application, but challenging to shape in large dimensions, and binary diffractive SILs (dSILs), requiring monochromatic light, made of shallow structures, possibly being created over large areas. Three specific models of FIB created SILs are developed: one dSIL and two rSILs, rSIL (1) shaped by unassisted FIB milling and rSIL (2) FIB-etched with gas assistance. The rSILs are spherical caps of a hemisphere to achieve an efficient and feasible FIB process. rSIL (1) needs less than 20 min processing time and improves the microscopic resolution by a factor of 1.8. rSIL (1) was also used with an anti-reflective coating, significantly improving visible details and image contrast. rSIL (2), FIB-etched in less than 60 min, offers a larger opening angle. An even larger lens shape was achieved by the dSIL created in 15 min also by FIB etching. Like rSIL (1), rSIL (2) and dSIL also demonstrate a visible improvement in resolution and contrast. The potential of this technique is a numerical aperture (NA) of at least 1.5 (rSIL) or 2.5 (dSIL). This perspective, along with the presented results and detailed process information, make this work the scientific basis upon which FIB-created SILs can be developed into valuable optical components for the functional analysis of integrated circuits
Charakterisierung von parasitären Effekten in integrierten Halbleiterbauelementen mit Hilfe kontaktloser Fehlerdetektionsverfahren
No full textThis work investigates several different characterization procedures for parasitic effects in integrated semiconductor devices. It specifically focuses on back-bias induced parasitic effects, such as the forward biased parasitic diode and the parasitic bipolar junction transistor as well as drain-induced barrier lowering and parasitic sub-threshold currents.
The fault isolation methods chosen for this investigation are photon emission measurements and electro-optical frequency mapping. These measurement methods are both contactless and non-destructive but are based on very different physical effects: whilst PEM is relies on the emission of photons that accompany the device operation, EOFM makes use of the changing optical properties of the device under test.
A new photon emission-based technique to characterize engineered energy band-gaps of fully functional transistor devices was developed. This technique uses the parasitic diode and its spectral distribution of emission intensity to determine the band-gap energy of the materials used in a given transistor. The applicability of this characterization technique has been demonstrated on different transistor types. Spectral photon emission was furthermore also proven to be an excellent, non-invasive characterization tool for parasitic bipolar transistors in operating bulk FinFETs. The experimental results gained with this method demonstrated the very good suppression of parasitic bipolar effects by the investigated bulk FinFETs.
The research on electro-optical frequency mapping as a characterization tool for back-bias induced parasitic effects yielded further results: The sensitivity to charge carrier concentration changes of this measurement method was used here to successfully characterize strong inversion and accumulation mode in metal-insulator-semiconductor (MIS)structures in FETs and thus providing deeper insight into the device’s behavior. EOFM measurements were also proven to be a suitable characterization tool for the different operation modes in lateral bipolar transistors and vertically build bipolar transistors, allowing furthermore for the detection of faulty device operation in modern HBT devices. In addition, this thesis includes the first comprehensive parametric investigations of EOFM measurements on single FinFET transistors published thus far, laying the groundwork for future EOFM investigations on modern FinFET devices.Diese Doktorarbeit befasst sich mit verschiedenen Charakterisierungsverfahren von parasitären Effekten in integrierten Halbleiterbauelementen. Spezieller Fokus wurde hierbei auf die mit Hilfe einer Substrat-Vorspannung (Back-Bias) erzeugten parasitären Effekte gelegt. Dazu gehören die parasitäre, in Durchlass geschaltete Diode, der parasitäre Bipolartransistor sowie parasitäre Ströme im Unterschwellbereich. Für diese Untersuchung wurden zwei Fehleranalysemethoden ausgewählt: Spektrale Photon-Emissions-Mikroskopie (SPEM) und elektro-optischen Frequenzkartografie (EOFM). Beide Messverfahren sind kontaktlos und zerstörungsfrei, beruhen aber auf verschiedenen physikalischen Effekten.
So wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neue Methode zur Bestimmung von Energie-Bandlücken an modernen Transistoren entwickelt, die auf der spektralen Photon-Emissions-Mikroskopie basiert. Diese Methode nutzt die parasitäre Diode eines gegebenen Transistors und deren spezifische Photonen-Emissionsverteilung, um die jeweilige Materialzusammensetzung des Transistors zu bestimmen. Die Gültigkeit dieser Methode wurde an drei verschiedenen Transistortypen demonstriert. Es wurde außerdem gezeigt, dass sich SPEM hervorragend eignet, um den parasitären Bipolartransistor in modernen Fin-Feldeffekttransistoren (FinFET) zu charakterisieren. Im Zuge dieser Charakterisierung wurde auch gezeigt, dass der FinFET die parasitären bipolaren Effekte weitaus besser unterdrückt als planare Feldeffekttransistoren (FET).
Auch die Untersuchung von parasitären Effekten in integrierten Halbleiterbauelementen mit Hilfe von elektro-optischen Frequenzkartografie lieferte neue Erkenntnisse. Die Sensitivität gegenüber der Änderung von Ladungsträgerkonzentrationen dieser Messmethode konnte eingesetzt werden, um verschiedene Betriebsmodi in Metall-Isolator/Halbleiter (MIS) Strukturen zu bestimmen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass EOFM ein geeignetes Werkzeug ist, um die verschiedenen Betriebszustände lateraler und vertikaler Bipolartransistoren zu charakterisieren und dabei fehlerhafte Bauelemente zu erkennen. Die Doktorarbeit beinhaltet außerdem die erstmalige parametrische Untersuchung von einfachen FinFETs anhand von EOFM und schafft somit die Grundlage für weiterführende Untersuchungen mit diesem Messverfahren an modernen Fin-Feldeffekttransistoren
Dynamische Analysen von testerbetriebenen Integrierten Schaltkreisen stimuliert durch Infrarot Laser
No full textLaser Stimulationstechniken benutzen Laserstrahlung, um die elektrischen Eigenschaften von integrierten Schaltungen zu verändern. Die Bauelemente werden von der Rückseite oder Vorderseite Pixel für Pixel bestrahlt. Die Defekte können großere elektrische Veränderungen auslösen. Zur Lokalisierung werden die elektrischen Veränderungen pro Pixel gespeichert. Das stetige Erhöhen der Taktfrequenz von integrierten Schaltkreisen kann Geschwindigkeitsfehler auslösen. Deswegen sind zeitliche Analysen von Integrierten Schaltkreisen äußerst wichtig. Die meisten Defekte können durch statische Laser-Stimulationsmethoden gefunden werden. Soft Defekt Lokalisierung und Performanz Charakterisierung jedoch können lediglich durch Dynamische Laser Stimulations- (DLS-) Methoden durchgeführt werden. DLS-Techniken ermöglichen eine zeitliche Charakterisierung von Bauelementen nach Signallaufzeit, Frequenz, Jitter und weiteren Eigenschaften. DLS benötigt eine volle Inbetriebnahme der Bauelemente. Zudem kann die Auswertung von Laser-induzierten Ausgangsignalen sehr kompliziert sein. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit ist auf die Untersuchungen durch DLS von CMOS Bauelementen, sowie Verzögerungsketten und Rasterketten gerichtet. In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Laser Dioden, mit 1300 nm und 1064 nm Wellenlänge, in Dauerstich- und Pulsbetrieb verwendet. Je nach Wellenlänge ist die dominierende Auswirkung entweder thermisch oder photoelektrisch. Die verwendeten Bauelemente sind Teststrukturen von Infineon Technologies AG in 90nm Prozesstechnologie. Um die sehr schwachen Laufzeitänderungen von Verzögerungsketten mit hoher Auflösung zu detektieren, werden verschiedene Messaufbauten vorbereitet und verglichen bezüglich Erfassungszeit und Signalqualität. Außerdem wird demonstriert, dass beim Laser-Pulsbetrieb die im Dauerstrich-Betrieb unerwünschten Nebenwirkungen vermieden werden können. Für die zeitliche Analyse von integrierten Schaltkreisen wurde eine neue systematische Methode entwickelt. Diese benutzt das “soft fault injection” Phänomen in Scan Chain Strukturen. Der Signalzustand kann mit Laser Stimulation durch Anwendung von gepulstem Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm auf das Empfindlichste identifiziert werden. Der photoelektrischer Effekt ist auf Schaltkreiselevel simuliert und die Einwirkungen auf Signallaufzeit sind analysiert worden. Zudem wird der “soft fault injection“ Mechanismus in die Software- Ebene reproduziert und die zeitliche Empfindlichkeit von Signalen bei Laser Stimulation geprüft.Laser stimulation techniques use laser beam to change the electrical characteristics of active devices. The devices are irradiated from the backside or the frontside pixel by pixel. The defects present in the device might cause larger electrical changes. For the defect localization, the electrical changes are correlated to the laser beam position and saved for image acquisition. High clock rates may result in speed faults in Integrated Circuits (ICs). Due to the continually increasing clock rates, timing analysis of ICs is crucial. Most of the defects can be found by static laser stimulation techniques. On the other hand, soft defect localization and performance characterizations can only be obtained by dynamic laser stimulation (DLS) methods. DLS techniques allow timing analysis of devices, such as propagation delay, frequency, jitter etc. DLS requires full activation of the device under test (DUT). Moreover, the evaluation of the laser-induced output signals can be very hard. The scope of this work is to investigate the CMOS devices, like delay chains and scan chains by DLS techniques. In this work, two different laser diodes, with 1064 nm and 1300 nm laser wavelength, are utilized in continuous wave (CW) and pulsed mode. Depending on the wavelength, the dominant effect is either thermal or photoelectric. The investigated devices are produced in 90 nm process technology and provided by Infineon AG. In order to detect very small laser-induced propagation delay variations with high resolution on the delay chains, different experimental setups are built and they are compared considering the acquisition time and signal quality. Moreover, it is demonstrated that the pulsed laser can suppress the laser induced secondary effects in opposition to the CW laser. For the timing analysis of ICs, a new and systematic method is developed, which uses “soft fault injection” phenomenon on the scan chains. It can identify the most sensitive signal condition to the laser stimulation by using 1064 nm pulsed laser beam. The photoelectric effect is simulated in circuit level and the effects on the propagation delay of a delay chain are analyzed. In addition to that, soft fault injection mechanism in software level reproduced and the timing sensitivity of the signals on the laser stimulation is proved
Erweiterung des Einsatzbereiches von Laserstimulationstechniken für die Funktionsanalyse und Zuverlässigkeitsprüfung von Halbleiterbauelementen durch eingehende Untersuchung optischer Wechselwirkungen
No full textDie kontinuierliche Steigerung der Komplexität und Integrationsdichte von integrierten Schaltungen (integrated circuit – IC) in der Mikroelektronik stellt hohe Ansprüche an die Techniken und Methoden der Fehleranalyse (FA). Um mit den Entwicklungen der Technologie Schritt halten zu können, müssen die Techniken der FA ständig weiterentwickelt und neuen Bedingungen und Standards angepasst werden. Die Laserstimulation (LS) ist eine der meist genutzten Techniken in der heutigen Fehleranalyse. Sie dient in erster Linie der Defektlokalisierung in ICs. Dabei gibt es verschiedene Arten der LS. Abhängig von der genutzten Wellenlänge des Lasers, kann photoelektrische (PLS) oder thermische Laserstimulation (TLS) durchgeführt werden. Mit dem technologischen Fortschritt ergeben sich verschiedene Probleme, die gelöst werden müssen, um die Anwendung von LS auch für moderne Produkte gewährleisten zu können. Die größte Sorge ist dabei die nötige Auflösung. Heutzutage sind die Dimensionen der Transistoren bereits weit unter dem Auflösungsvermögen der LS Systeme. Obwohl es mit raffinierten Methoden verbessert werden kann, wie z.B. durch den Einsatz von Festkörperimmersionslinsen (solid immersion lens - SIL), wird das auf Dauer vermutlich nicht für die kontinuierlich schrumpfenden Dimensionen der Bauelemente, sowie die wachsende Integrationsdichte und Komplexität ausreichen. Somit ist es notwendig, neben den Bemühungen der Auflösungsverbesserung, die LS auch auf die einzelnen Komponenten eines ICs anzuwenden, um auf diese Weise umfassende Erkenntnisse über die Effekte der LS auf die Bauelemente zu gewinnen, in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lasers, dem Betriebszustand des Bauelementes, der stimulierten Fläche und den verwendeten Materialien. Das Ziel dieser Arbeit ist die ausführliche Untersuchung verschiedener Komponenten eines ICs mit statischer LS, angefangen mit der Analyse einfacher Leiterbahnen, über Widerstände aus Polysilizium, thermoelektrische Materialübergänge, pn-Übergänge bis hin zu Feldeffekttransistoren. Die Kombination verschiedener Laserwellenlängen, vorder- und rückseitiger Analyse und unterschiedlicher elektrischer Betriebszustände der Bauteile wurde ausführlich untersucht und diskutiert. In einigen Fällen wurde ein theoretisches Modell für das Bauteil bei Laserbestrahlung entwickelt, um damit Simulationsergebnisse zu erzeugen und diese den Daten der Experimente gegenüberzustellen. Mit statischer LS können Informationen über die Empfindlichkeit einzelner Bereiche eines Bauteils bei lokaler LS gesammelt werden. Diese Methode eignet sich für einfache Defektlokalisierung, liefert aber keine Daten zu der Dynamik des LS Prozesses. Das dynamische Verhalten des Bauteils bei LS ist abhängig von Parametern des LS Systems und Eigenschaften der untersuchten Probe, wie z.B. Geometrie, Materialien und elektrischer Betriebszustand. Die Untersuchung der Veränderung des LS Signals liefert wertvolle Erkenntnisse über das Bauteilverhalten und mögliche Defekte. Auch für die Defektlokalisierung kann es nützlich sein, falls die genaue Lage eines Fehlers nicht bekannt ist und er sich beispielsweise auf einer mittleren Metallebene befindet, unerreichbar für eine direkte Stimulation, weder von der Vorder- noch von der Rückseite des Chips. Das dynamische Verhalten des LS Systems wurde zuerst analysiert, um später einschätzen zu können, wie groß der Einfluss des zu testenden Bauteils auf die Dynamik des gesamten LS Prozesses ist. Nächster Schritt war die Untersuchung der Veränderung des LS Signals verschiedener Bauteiltypen. Für diese Charakterisierung wurde die Signalverzögerung mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommen und mit Hilfe eines Lock-In-Verstärkers die Phasenverschiebung des LS Signals gemessen. Nach der Analyse der gesammelten Messergebnisse, wurden abschließend Erklärungen für das dynamische Verhalten der LS formuliert und ausführlich diskutiert.The continuous increase of the complexity and integration density of microelectronic integrated circuits (IC) sets high requirements for failure analysis (FA) techniques and methods. In order to keep pace with the technology advancements, these techniques must be under constant development and have to be adjusted to the rapidly changing conditions and standards. Laser stimulation (LS) represents one of the most commonly used group of techniques in today’s FA. It is mostly used for the purpose of localization of defects and anomalies in ICs. There are many flavours of LS. Choosing a proper laser light wavelength one can perform photoelectric (PLS) or thermal laser stimulation (TLS). Depending on whether the laser beam has constant power or is modulated, LS can be static (SLS) or dynamic (DLS). As a result of the technological progress, there are many problems that need to be solved in order to still be able to apply the LS to state-of-the-art products. The greatest concern is the resolution. Nowadays, the dimensions of transistors are already much smaller than the resolving power of the LS systems. Although it can be improved by using sophisticated approaches like, for instance, solid immersion lenses (SIL), it will probably not keep pace with the ever decreasing device dimensions, increasing integration density and overall complexity. Therefore, in parallel to struggling to improve the resolution, it is mandatory to apply the LS to all basic IC components, to perform thorough study aiming at understanding the interaction of laser beams with the devices, depending on the laser wavelength, device operating conditions, stimulation area and materials. The scope of this work was to study in detail the static LS of various IC components, beginning from the analysis of the simplest metallic interconnect, through polysilicon resistor, thermoelectric junction of two materials, p-n junction to field effect transistor. The combination of laser wavelength, front- and backside approach, and device electrical condition was analyzed and discussed in detail. In some cases an approach was undertaken to create a device-under-illumination model, simulate the results and confront with the experimental data. Static LS delivers information about the sensitivity of device areas to local LS. It is good enough for general localization purposes, but it does not deliver any information about the dynamics of the LS process. The transient behaviour of the device response during LS depends on the parameters of the LS system and on the DUT properties like: geometry, applied materials and electrical conditions. Studying the evolution of the LS signals delivers valuable information about the device performance and possible defects or anomalies. It can also help in device or defect localization, in cases when the exact location is not known, for instance when the device or defect is located in the middle of the metallization stack and is not accessible for the stimulation, neither from frontside nor backside of the chip. The dynamic behaviour of the LS system was evaluated at first, in order to be able to later estimate the device contribution to the LS dynamics. Then, various device types were studied in terms of LS signal evolution. The characterization was performed by direct delay measurements using digital oscilloscope and by lock-in amplifier-assisted phase-sensitive detection of LS signals. The measurement results were analyzed, explanation of LS dynamic behaviour proposed and discussed in detail
Extraktion und Schutz sensibler Informationen
No full textTo defend against attackers, knowledge about their approach is helpful. This work evaluates attacks on integrated circuits (ICs) using laser scanning microscopes (LSMs) in combination with semiconductor failure analysis (FA) techniques. It identifies likely attack paths, develops suitable setups, and tests attack feasibility. All attacks are performed through the silicon backside. Three main attack approaches are evaluated: automated laser fault injection location profiling, memory readout by laser stimulation, and reverse engineering as well as data extraction using optical contactless probing. Using these approaches, commercial application-specific integrated circuits (ASICs) down to 20 nm technology size are successfully attacked using an optical resolution of about 1 µm. Additionally, the use of visible light (VIS) and solid immersion lenses (SILs) for resolution improvement as well as low-cost approaches to VIS LSMs are assessed. Furthermore, concrete countermeasures are implemented and evaluated. Further mitigation approaches are also presented and discussed. The lack of backside protection is identified as a key factor in all attacks. Flip-chip devices are found to worsen this situation by removing the need for any preparation and giving direct backside access. More specifically, the findings are as follows.
Automated laser fault injection profiling is shown to determine suitable attack locations in a time span in the order of minutes. This is demonstrated by analyzing the configuration memory on 180 nm technology size Altera MAX V complex programmable logic devices (CPLDs). Using the profiling information, laser reconfiguration attacks are performed on proof-of-concept (POC) implementations of physically unclonable functions (PUFs). Additionally, an analysis of the underlying fault mechanism is carried out.
For laser stimulation, data extraction from static random access memory (SRAM) and battery-backed SRAM (BBRAM) key memory is demonstrated. Readout of the 1 KB SRAM of a 180 nm technology Texas Instruments MSP430 microcontroller is presented with error rates between 0.4% and 5.5%. BBRAM key recovery from the ASIC decryption core of a 20 nm technology Xilinx Kintex UltraScale field-programmable gate array (FPGA) is developed in 7 hours of lab work, with a single 256-bit key ultimately being extracted in 15 minutes.
For optical contactless probing, two attacks are presented. The first performs key extraction on a POC implementation of a PUF key storage concept by Xilinx implemented on a 60 nm Altera Cyclone IV FPGA. A contactless characterization of the employed ring oscillator PUF is also performed. The second attack enables reverse-engineering and plaintext extraction on the decryption ASIC of a 28 nm technology Xilinx Kintex 7 FPGA. The plaintext gates are found in less than 10 working days and extraction of decrypted data is demonstrated.
For evaluation of resolution improvements, a suitable setup for comparison of visible light (VIS) and infrared (IR) illumination is developed. Additionally, a gallium phosphide solid immersion lens (GaP SIL) is designed, fabricated, incorporated into the setup, and experimentally verified. Application of the SIL improves resolution by 190% and 170% in IR and VIS respectively. Switching the illumination of the SIL from IR to VIS yields an improvement of 60%. Optical contactless probing techniques in VIS are performed by using the setup on 16/14 nm FinFET test devices. Additionally, a low-cost setup for VIS LSMs built from optical drive components is presented. The setup is capable of acquiring reflected light images with sub-micron resolution with a hardware cost of less than $100.
In connection with implemented countermeasures, two circuits are presented. The first one is shown to successfully prevent laser stimulation data extraction by injection of a noisy current. The second circuit combines a PUF with an attack detection circuit to prevent optical probing. Sensitivity to both 1.1 µm and 1.3 µm laser radiation is demonstrated while also providing PUF functionality. Further potential attack-specific and general countermeasures are discussed.
In conclusion, this work shows that employing LSM-based failure analysis techniques for attack development is a promising approach for attackers and a serious threat to defenders. Especially in the absence of backside protection, a multitude of attacks can be successfully launched. To properly secure integrated circuits in the future, the development of reliable, thorough, and cost-effective backside protection structures is indicated.Zur Abwehr von Angreifern ist Wissen über ihre Vorgehensweise hilfreich. Diese Arbeit untersucht Angriffe auf integrierte Schaltkreise (ICs) unter Verwendung von Laserscanmikroskopen (LSMs) in Kombination mit Halbleiterfehleranalysetechniken. Sie identifiziert wahrscheinliche Angriffswege, entwickelt geeignete Aufbauten und testet mit diesen die Durchführbarkeit der Angriffe. Alle Angriffe in dieser Arbeit werden über die Siliziumrückseite ausgeführt. Drei Hauptansätze werden evaluiert: automatisiertes Auffinden von geeigneten Positionen zur Laserfehlerinjektion, Speicherauslesen durch Laserstimulation sowie Reverse Engineering und Datenextraktion mittels optischem kontaktlosem Probing. Mit diesen Ansätzen werden kommerzielle anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) bis zu einer Technologiegröße von 20 nm mit einer optischen Auflösung von etwa 1 µm erfolgreich angegriffen. Darüber hinaus werden die Verwendung von sichtbarem Licht (VIS) und Festkörperimmersionslinsen (SILs) zur Verbesserung der Auflösung sowie kostengünstige Ansätze für VIS LSMs erforscht. Weiterhin werden konkrete Gegenmaßnahmen implementiert und evaluiert. Weitere Möglichkeiten zum Schutz vor Angriffen werden ebenfalls vorgestellt und diskutiert. Der fehlende Rückseitenschutz wird als Schlüsselfaktor für alle Angriffe identifiziert. Flip-Chip-Gehäuse verschlechtern diese Situation, da keine Gehäusebearbeitung mehr erforderlich ist und ein direkter Zugriff auf die Rückseite erfolgen kann. Im Detail werden die folgenden Ergebnisse erzielt.
Es wird gezeigt, dass das automatisierte Auffinden von Laserfehlerinjektionspositionen es erlaubt geeignete Angriffsorte innerhalb von Minuten zu bestimmen. Dies wird durch die Analyse des Konfigurationsspeichers von komplexen programmierbaren Logikbausteinen (CPLDs) vom Typ Altera MAX V mit 180 nm Technologie demonstriert. Unter Verwendung der erhaltenen Informationen werden Laserrekonfigurationsangriffe auf proof-of-concept (POC) Implementierungen von physically unclonable functions (PUFs) durchgeführt. Zusätzlich erfolgt eine Analyse des zugrunde liegenden Fehlermechanismus.
Bei den Laserstimulationsangriffen wird die Datenextraktion aus static random access memory (SRAM) und sowie aus batteriegepuffertem SRAM Schlüsselspeicher (BBRAM) demonstriert. Das Auslesen von 1 KB SRAM eines 180 nm Technologie Texas Instruments MSP430-Mikrocontrollers mit Fehlerraten zwischen 0,4% und 5,5% wird gezeigt. Die Extraktion des geheimen Schlüssels aus dem BBRAM eines ASIC-Entschlüsselungskerns, der Teil eines 20 nm Technologie FPGAs (Xilinx Kintex UltraScale) ist, wird demonstriert. Der Angriff wird in 7 Stunden Laborarbeit entwickelt, wobei ein einzelner 256-Bit-Schlüssel innerhalb von 15 Minuten extrahiert werden kann.
Für das optische kontaktlose Proben werden zwei Angriffe vorgestellt. Der Erste führt eine Schlüsselextraktion an einer POC-Implementierung eines PUF-Schlüsselspeicherkonzepts der Firma Xilinx durch, welches auf einem 60 nm Altera Cyclone IV FPGA realisiert wurde. Eine kontaktlose Charakterisierung der verwendeten Ringoszillator-PUF wird ebenfalls durchgeführt. Der zweite Angriff ermöglicht Reverse Engineering und Klartextextraktion auf dem Entschlüsselungs-ASIC eines 28 nm Technologie Xilinx Kintex 7 FPGA. Die Klartextgatter werden in weniger als 10 Arbeitstagen gefunden und die Extraktion von entschlüsselten Daten wird demonstriert.
Im Rahmen der Versuche zu Auflösungsverbesserungen wird ein geeigneter Aufbau zum Vergleich von sichtbarer (VIS) und infraroter (IR) Beleuchtung entwickelt. Zusätzlich wird eine Galliumphosphidfestkörperimmersionslinse (GaP SIL) entworfen, hergestellt, in den Aufbau integriert und experimentell verifiziert. Die Anwendung der SIL verbessert die Auflösung um 190% bzw. 170% im IR und VIS. Das Umschalten der Beleuchtung der SIL von IR auf VIS zeigt eine Verbesserung von 60%. Unter Verwendung des Aufbaus werden optische kontaktlose Probingverfahren im VIS auf 16/14 nm FinFET Testtransistoren durchgeführt. Darüber hinaus wird ein kostengünstiges Setup für VIS LSMs vorgestellt, welches aus den Komponenten optischer Laufwerke aufgebaut wird. Dieses System ist in der Lage optische Bilder mit einer Auflösung von weniger als einem Mikrometer zu erfassen, wobei die Hardwarekosten unter 100 US-Dollar liegen.
Im Rahmen der implementierten Gegenmaßnahmen werden zwei Schaltkreise vorgestellt. Der Erste zeigt, dass die Extraktion von Daten durch thermische Laserstimulation mittels Injektion eines Rauschstroms erfolgreich verhindert werden kann. Die zweite Schaltung kombiniert eine PUF mit einer Angriffsdetektionsschaltung, um kontaktlose optische Probingangriffe zu verhindern. Die Empfindlichkeit gegenüber sowohl 1,1 µm als auch 1,3 µm Laserstrahlung wird demonstriert, während gleichzeitig PUF-Funktionalität bereitgestellt wird. Darüber hinaus werden weitere mögliche angriffsspezifische und allgemeine Gegenmaßnahmen diskutiert.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die Anwendung von LSM-basierten Fehleranalysetechniken für die Angriffsentwicklung ein vielversprechender Ansatz für Angreifer und eine ernsthafte Bedrohung für Verteidiger darstellt. Insbesondere wenn kein Rückseitenschutz vorhanden ist, kann eine Vielzahl von Angriffen erfolgreich durchgeführt werden. Um integrierte Schaltungen in Zukunft schützen zu können, ist die Entwicklung von zuverlässigen, umfassenden und kostengünstigen Rückseitenschutzstrukturen angezeigt
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