[論文レビュー] Study of radiation damage induced by 12 keV X-rays in MOS structures built on high resistivity n-type silicon

Jiaguo Zhang, Ioana Pintilie+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2011

Semiconductor materials and devices参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ヨーロッパXFELの条件を模擬する高線量12 keV X線下における高抵抗率n型シリコン上に形成されたMOS構造の放射線損傷を調査している。C/G-VおよびTDRC測定を用いて、放射線誘発酸化膜電荷および3つのガウス分布を示す界面状態を特定し、約10 MGyを超えると飽和または減少することが判明した。モデルにより周波数依存の挙動および1 GGyに達するまでの放射線応答が定量的に記述された。

ABSTRACT

Imaging experiments at the European X-ray Free Electron Laser (XFEL) require silicon pixel sensors with extraordinary performance specifications: Doses of up to 1 GGy of 12 keV photons, up to 10^5 12 keV photons per pixel of 200 \mum imes 200 \mum arriving within less than 100 fs, and a time interval between XFEL pulses of 220 ns. To address these challenges, in particular the question of radiation damage, the properties of the SiO_2 layer and of the Si-SiO_2 interface using MOS capacitors manufactured on high resistivity n-type silicon irradiated to X-ray doses between 10 kGy and 1 GGy, have been studied. Measurements of Capacitance/Conductance-Voltage (C/G-V) at different frequencies, as well as Thermal Dielectric Relaxation Current (TDRC) have been performed. The data can be described by a radiation dependent oxide charge density and three dominant radiation-induced interface states with Gaussian-like energy distributions in the silicon band gap. It is found that the densities of the fixed oxide charges and of the three interface states increase up to dose values of approximately 10 MGy and then saturate or even decrease. The shapes and the frequency dependences of the C/G-V measurements can be quantitatively described by a simple model using the parameters extracted from the TDRC measurements.

研究の動機と目的

• XFELイメージングに関連する極めて高い12 keV X線線量下における高抵抗率n型シリコン上に形成されたMOSコンデンサの放射線損傷を評価すること。
• 1 GGyまでの線量にさらされたSiO2/Si構造における放射線誘発酸化膜電荷および界面状態を特徴付けること。
• 高線量X線放射線照射下におけるMOS構造の静電容量／コンダクタンスの周波数および線量依存性を理解すること。
• TDRCおよびC/G-Vデータを用いて、センサ性能予測のための放射線効果の定量的モデルを構築すること。

提案手法

• 放射線試験用に高抵抗率n型シリコン基板上にMOSコンデンサを形成した。
• XFEL条件を模擬するため、10 kGyから1 GGyまでの線量範囲で12 keV X線で試料を照射した。
• 界面状態および酸化膜電荷密度を抽出するために、多周波数静電容量／コンダクタンス-電圧（C/G-V）測定を実施した。
• 放射線誘発電荷パラメータを抽出するために、熱的誘起誘電体緩和電流（TDRC）測定を実施した。
• 放射線線量依存の酸化膜電荷および3つのガウス分布を示す界面状態を含むモデルを用いて、実験的C/G-VおよびTDRCデータをフィッティングした。
• 抽出したパラメータを用いて、周波数依存のC/G-V挙動および放射線応答を定量的に記述した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高抵抗率n型シリコン上に形成されたMOS構造における、12 keV X線線量の増加に伴う放射線誘発酸化膜電荷および界面状態の変化はいかなるものか？
• RQ2 高線量X線照射下における放射線被照射MOSコンデンサのC/G-V特性の周波数依存性は何か？
• RQ3 単純な物理モデルが、全線量範囲にわたって測定されたC/G-VおよびTDRC応答を定量的に記述できるか？
• RQ4 放射線誘発酸化膜電荷および界面状態が飽和または減少し始める線量はどの程度か？
• RQ5 界面状態のエネルギー分布が、極めて高い放射線条件下におけるMOS構造の電気的応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 放射線誘発固定酸化膜電荷密度は線量に応じて増加し、約10 MGyを超えると飽和またはわずかに減少する。
• シリコンバンドギャップ内にガウス的エネルギー分布を示す3つの主要な界面状態が特定され、その密度は線量に応じて増加し、約10 MGyで飽和する。
• C/G-V曲線の形状および周波数依存性は、TDRC測定から抽出したパラメータを用いたモデルにより定量的に記述できる。
• モデルは、1 GGyに達するまでの全線量範囲で静電容量およびコンダクタンスの放射線誘発変化を的確に捉えている。
• 高線量における酸化膜電荷および界面状態密度の飽和は、放射線損傷蓄積の制限機構を示唆している。
• データから、MOS構造の放射線効果は純粋に累積的ではなく、極めて高い線量で欠陥の再結合またはパassingが起こり得ることが示唆されている。