[논문 리뷰] Study of radiation damage induced by 12 keV X-rays in MOS structures built on high resistivity n-type silicon

Jiaguo Zhang, Ioana Pintilie외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 29.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 유럽 XFEL 조건을 시뮬레이션하기 위해 고저항율 n형 실리콘 기반 MOS 구조에 고제원 12 keV X선을 조사한 결과, 방사선 손상에 대한 분석을 수행한다. C/G-V 및 TDRC 측정을 통해 방사선 유도 산화막 전하와 세 개의 가우시안 분포를 가진 인터페이스 상태를 규명하였으며, 이는 약 10 MGy 이상에서 포화되거나 약간 감소함을 확인하였다. 모델은 주파수 의존적 거동과 1 GGy까지의 방사선 반응을 정량적으로 기술한다.

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.

연구 동기 및 목표

• XFEL 영상에 관련된 극한의 12 keV X선 조사 조건에서 고저항율 n형 실리콘 기반 MOS 커패시터의 방사선 손상 평가.
• 1 GGy까지의 조사량에 노출된 SiO2/Si 구조에서 방사선 유도 산화막 전하 및 인터페이스 상태 특성 규명.
• 고제원 X선 조사 조건에서 MOS 구조의 커패시턴스/코너덕턴스의 주파수 및 조사량 의존성 이해.
• TDRC 및 C/G-V 데이터를 활용한 방사선 영향에 대한 정량적 모델 개발 및 센서 성능 예측.

제안 방법

• 방사선 시험을 위한 고저항율 n형 실리콘 기반 MOS 커패시터 제작.
• XFEL 조건을 시뮬레이션하기 위해 10 kGy에서 1 GGy까지의 12 keV X선 조사.
• 다중 주파수 커패시턴스/코너덕턴스-전압(C/G-V) 측정을 통해 인터페이스 상태 밀도 및 산화막 전하 밀도 추출.
• 열적 유전율 리아케이션 전류(TDRC) 측정을 통해 방사선 유도 전하 매개변수 추출.
• 방사선 의존성 산화막 전하 및 세 개의 가우시안 분포 인터페이스 상태를 포함한 모델을 사용해 실험적 C/G-V 및 TDRC 데이터 피팅.
• 추출된 매개변수를 활용해 주파수 의존적 C/G-V 거동 및 방사선 반응을 정량적으로 기술.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고저항율 n형 실리콘 기반 MOS 구조에서 12 keV X선 조사량이 증가함에 따라 방사선 유도 산화막 전하 및 인터페이스 상태는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 고제원 X선 조사 조건에서 방사선 조사된 MOS 커패시터의 C/G-V 특성은 주파수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 단순한 물리 모델이 전체 조사 범위에서 측정된 C/G-V 및 TDRC 반응을 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ4 방사선 유도 산화막 전하 및 인터페이스 상태가 포화되거나 감소하기 시작하는 조사량은 어느 수준인가?
• RQ5 인터페이스 상태의 에너지 분포는 극한 방사선 조건에서 MOS 구조의 전기적 거동에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 방사선 유도 고정 산화막 전하 밀도는 조사량 증가에 따라 증가하며, 약 10 MGy 이상에서 포화되거나 약간 감소함.
• 실리콘 금속간 밴드 갭 내에서 가우시안 유사 에너지 분포를 가지는 세 개의 주요 인터페이스 상태를 규명하였으며, 이들의 밀도는 조사량 증가에 따라 증가하고 약 10 MGy 근처에서 포화됨.
• TDRC 측정에서 추출한 매개변수를 사용한 모델이 C/G-V 곡선의 형태 및 주파수 의존성을 정량적으로 기술함.
• 모델은 1 GGy까지의 전체 조사 범위에서 커패시턴스 및 코너덕턴스의 방사선 유도 변화를 성공적으로 기술함.
• 고제원에서 산화막 전하 및 인터페이스 상태 밀도의 포화는 방사선 손상 축적의 제한 메커니즘을 시사함.
• 데이터는 MOS 구조의 방사선 영향이 순수하게 누적되지 않으며, 극한 조사 조건에서 결함 재결합 또는 패assing이 발생할 수 있음을 시사함.