Characterization and sensitivity enhancement of a floating gate dosimeter for radiation monitoring to electronics

Radiation monitoring to electronics is necessary at CERN under a wide range of circum- stances, as the radiation environment is quite harsh on the electronics deployed in the complex. Moreover, the sheer scale of the machines (the particle accelerators) makes it necessary to use COTS, (Commercial Off The Shelf), components for most of the systems. COTS components are not radiation hardened and need characterization and radiation monitoring, in order to guarantee the correct and full functioning of the Laboratory. To this aim, different distributed systems have been put in place, namely the BatMon and RadMon systems, to provide both pre-deployment assessments and live measurements of radiation levels to electronics. The technology currently available for TID (Total Ionizing Dose) monitoring, is used in both of the aforementioned systems. In particular, the two most used dosimeters for radiation monitoring to electronics are the RadFet and the FGDOS (Floating Gate DOSimeter), produced by Sealicon Microsystems. Both of them, however, suffer from some shortcomings, especially when short-lived measurements are needed in low dose rate environments. In fact, their sensitivities are sometimes not high enough to provide good measurements in the short technical stops of the accelerators. The aim of this work has been to enhance the sensitivity of the FGDOS, in order to widen its scope of application, and to allow more reliable radiation characterizations. The FGDOS is based on a floating gate structure made of two layers of SiO2, with a layer of polysilicon in between. The polysilicon layer acts as a floating gate for the readout MOSFET, as it is pre-charged before irradiation and collects the electron-hole pairs (ehp) produced in the oxide by ionizing radiation. A sensitivity enhancement has been achieved by biasing the gate stack from its top, so to increase the electric field inside the oxide, and consequently the fractional yield of ephs collection, directly linked to the device sensitivity.

Il monitoraggio di radiazione ionizzante è necessario al CERN in una varietà di circostanze, dato che la radiazione degrada l’elettronica installata nel complesso. L’estensione degli acceleratori di particelle inoltre (o "macchine" nel gergo locale), implica la necessità di usare componenti COTS ( Commercial Off The Shelf ) per la maggior parte dei sistemi distribuiti. Questo genere di componenti non è protetto dalla radiazione, e necessita di caratterizzazione e monitoraggio di radiazione, al fine di garantire il pieno e corretto funzionamento del Laboratorio. A questo scopo, diversi sistemi distribuiti di monitor- aggio sono stati messi in essere, ad esempio il RadMon e il Batmon, che consentono di avere sia misure in tempo reale, che di eseguire verifiche dei livelli di radiazione, prima dell’installazione di nuovi dispositivi. La tecnologia allo stato dell’arte per il monitoraggio di TID (Total Ionizing Dose) è al momento integrata in entrambi i sistemi sopracitati. In particolare, i due dosimetri più usati per il monitoraggio di radiazione all’elettronica sono il RadFet e l’FGDOS (Floating Gate DOSimeter), prodotto da Sealicon Microsystems. Entrambi, tuttavia, soffrono di alcune mancanze, specialmente in necessità di misure brevi in ambienti con un basso dose rate. Difatti, le sensitività di entrambi non sono talvolta abbastanza elevate da garantire misure affidabili nei brevi arresti tecnici degli acceleratori. Lo scopo di questo lavoro è stato dunque di aumentare la sensitività dell’FGDOS, in modo da consentire caratterizzazioni di radiazione più affidabili, e al contempo di ampliare la gamma di applicazioni del sensore. L’FGDOS si basa su una struttura a floating gate composta da due strati di SiO2 con uno strato di polisilicio nel mezzo. Il polisilicio agisce da floating gate per il MOSFET di read-out, è pre-caricato prima dell’irraggiamento, e rac- coglie le coppie elettrone-lacuna genrate nell’ossido dalla radiazione ionizzante. L’incremento di sensitività è stato ottenuto polarizzando il gate stack dalla sua sommità, in modo da aumentare il campo elettrico nell’ossido, e di conseguenza il fractional yield di raccolta delle coppie elettrone-lacuna, direttamente legato alla sensitività.