[논문]CMOS 0.18um 공정 단위소자의 방사선 영향 분석

정상훈; 이남호; 이민웅; 조성익

doi:10.5370/kiee.2017.66.3.540

CMOS 0.18um 공정 단위소자의 방사선 영향 분석
Analysis of Radiation Effects in CMOS 0.18um Process Unit Devices 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.3, 2017년, pp.540 - 544

정상훈 (Dept. of Nuclear Convergence Technology Development Korea Atomic Energy Research Institute) , 이남호 (Dept. of Nuclear Convergence Technology Development Korea Atomic Energy Research Institute) , 이민웅 (Dept. of Electronic Engineering Chonbuk National University) , 조성익 (Dept. of Electronic Engineering Chonbuk National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we analyzed the effects of TID(Total Ionizing Dese) and TREE(Transient Radiation Effects on Electronics) on nMOSFET and pMOSFET fabricated by 0.18um CMOS process. The size of nMOSFET and pMOSFET is 100um/1um(W/L). The TID test was conducted up to 1 Mrad(Si) with a gamma-ray(Co-60). During the TID test, the nMOSFET generated leakage current proportional to the applied dose, but that of the pMOSFET was remained in a steady state. The TREE test was conducted at TEST LINAC in Pohang Accelerator Laboratory with a maximum dose-rate of $3.16{\times}10^8rad(si)/s$. In that test nMOESFET generated a large amount of photocurrent at a maximum of $3.16{\times}10^8rad(si)/s$. Whereas, pMOSFETs showed high TREE immunity with a little amount of photocurrent at the same dose rate. Based on the results of this experiment, we will progress the research of the radiation hardening for CMOS unit devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

위와 같은 현상들을 분석하기 위해서 해외에서는 1960년대부터 활발히 연구가 진행 중이다[6-7]. 국내에서는 아직 관련된 연구가 기초단계에 있어 연구가 필요한 상황으로 CMOS 공정으로 제작된 MOSFET에 대해서 방사선영향을 분석하고 이를 기반으로 내방사선 반도체를 개발하는 것이 목표이다.
본 논문에서는 내방사선 반도체 개발에 앞서 비교적 미세공정인 CMOS 0.18um 공정으로 제작된 nMOSFET, pMOSFET에 대해서 TID 및 TREE 시험을 수행하고 방사선 영향을 분석하여 내방사선 반도체 연구를 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

CMOS 0.18um 공정으로 제작한 nMOSFET, pMOSFET에 대해서 TID 시험을 진행하였다. TID 시험에 사용된 방사선원은 Co-60으로 시간당 250 krad의 선율로 조사시험을 진행하였다.
18um 공정으로 제작한 nMOSFET, pMOSFET에 대해서 TID 시험을 진행하였다. TID 시험에 사용된 방사선원은 Co-60으로 시간당 250 krad의 선율로 조사시험을 진행하였다. 그림 5는 단위소자의 TID 시험사진을 보여준다.
TID 시험은 Co-60 선원으로 시간당 250 krad의 선율로 1 Mrad까지 조사하였다. 시험결과 방사선이 누적됨에 따라 nMOSFET에서 누설전류가 46.
TREE 시험은 포항가속기연구소의 TEST LINAC에서 수행하였으며 전자빔가속기에서 발생된 전자빔을 텅스텐 변환기를 이용하여 감마선으로 변환하여 단위소자에 조사하였다. 시험결과 nMOSFET의 경우 3.
그림 8 에 펄스방사선 시험 사진을 보여준다. 그림에서 보는 바와 같이 전자빔가속기에서 발생된 전자빔을 텅스텐 변환기를 이용하여 감마선으로 변환하여 단위소자에 조사하였다. 펄스방사선에 의해 광전류 생성을 알아보기 위해 nMOSFET의 경우 Gate에 0V를 인가하였고 pMOSFET의 경우 Gage에 3.
그림 5는 단위소자의 TID 시험사진을 보여준다. 단위소자는 Common Source로 구성되어있으며 전원은 1.8V를 인가하였고 MOSFET의 게이트 입력에 삼각파를 인가하여 출력전압을 관측하였다.
본 논문에서는 우주 및 방사선 환경에서 사용되는 전자소자의 방사선 영향 분석을 위해 CMOS 0.18um 공정을 이용하여 nMOSFET, pMOSFET 단위소자를 제작하고 TID 및 TREE 시험을 수행하였다.
앞서 CMOS 0.18um 공정으로 제작한 nMOSFET, pMOSFET 의 TREE에 대한 방사선 영향을 분석하기 위해 포항가속기연구소의 TEST LINAC에서 펄스방사선 조사시험을 수행하였다. 그림 8 에 펄스방사선 시험 사진을 보여준다.

대상 데이터

CMOS 0.18um 공정으로 제작된 nMOSFET, pMOSFET의 방사선 영향 분석시험을 위해 nMOSFET, pMOSFET을 W/L 100um/1um의 크기로 제작하였다.

성능/효과

TID, TREE 시험결과 nMOSFET에서 방사선 영향을 확인하였다. 따라서 상용 CMOS 공정기반으로 제작된 전자소자는 우주 및 방사선 환경에서 특성 저하가 발생할 수 있으므로 내방사선 기능을 갖는 소자를 사용하거나 Enclosed Layout Transistor (ELT)[11], Dummy Assited Gate(DGA)[12] 등의 기술을 이용하여 내방사선 기능을 갖도록 제작하여야 한다.
pMOSFET는 선율 3.16×10 8 rad(si)/s까지 광전류가 거의 발생하지 않아 nMOSFET에 비해 TREE에 내성이 있는 것을 확인하였다.
pMOSFET은 선율 3.16× 10 8 rad(si)/s까지 광전류가 거의 발생하지 않아 nMOSFET에 비해 TREE에 내성이 있는 것을 확인하였다.
그림 6은 nMOSFET의 TID 시험결과를 보여준다. 방사선 인가 전에는 Gate 전압 0V에서 누설전류가 없지만 1Mrad(Si) 인가 후에는 Gate 전압 0V에서 46.5uA의 누설전류 발생을 확인하여 방사선이 누적됨에 따라 특성이 저하되는 것을 확인하였다. 누설전류 발생 원인으로 MOSFET의 드레인과 소스 옆에 위치한 산화 막에 붙잡힌 정공들로 인해 전자들이 모여서 형성된 채널이 원인이다[8].
방사선율은 반도체형 실시간 Dosimetry를 사용하여 측정하였으며 측정결과 nMOSFET의 경우 3.16 × 10 8 rad (si)/s(Secondary Dosimetry 47.8V)e과 선율에서 광전류 발생량이 증가하는 것을 확인하였다[10].
시험결과 nMOSFET의 경우 3.16×10 8 rad(si)/s e과 선율에서 광전류 발생량이 증가하는 것을 확인하였다.
TID 시험은 Co-60 선원으로 시간당 250 krad의 선율로 1 Mrad까지 조사하였다. 시험결과 방사선이 누적됨에 따라 nMOSFET에서 누설전류가 46.5uA까지 증가되어 특성이 저하되는 것을 확인하였다. pMOSFET는 TID 시험 후에도 정상적인 특성을 확인하였다.
위의 시험결과를 기반으로 pMOSFET의 경우 1Mrad까지 내성을 갖는 것을 확인하였다. nMOSFET의 경우 100krad부터 TID 영향이 발생하기 시작하며 방사선 환경에서 사용하기 위해서는 최소 1Mrad까지는 내성을 갖아야 전자회로의 정상적인 동작을 기대할 수 있다[9].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TREE가 발생하는 주요 원인은?	TREE는 고선율의 펄스방사선으로 인해 반도체 소자의 pn 접합에서 생성된 EHP에 의한 순간 광전류가 주요 원인으로 알려져 있다. 펄스방사선에 의해 대량으로 발생된 순간 광전류는 인가된 바이어스에 따라 이동하며 논리 상태를 변화시키는 Upset 현상, 반도체 내부의 기생 사이리스터를 트리거 시켜 Latch-up을 유발할 수 있고 이로 인한 Burnout이 발생할 수 있어 전자소자의 동작에 치명적이다[4-5].
	높은 선율이 발생할 수 있는 환경에 취약한 단위소자는?	따라서 높은 선율이 발생할 수 있는 환경에서는 nMOSFET에 의해 문제가 발생할 수 있다. pMOSFET는 선율 3.16×10 8 rad(si)/s까지 광전류가 거의 발생하지 않아 nMOSFET에 비해 TREE에 내성이 있는 것을 확인하였다.
	전자소자가 방사선에 노출 됐을 때 무엇이 발생되는가?	우주 및 방사선 환경에서 사용되는 전자소자는 방사선에 노출 된다. 전자소자가 방사선에 노출될 경우 Total Ionizing Dose (TID) 또는 Transient Radiation Effects on Electronics(TREE) 가 발생할 수 있다[1].

참고문헌 (12)

George C. Messenger, Milton S. Ash, The effects of radiation on electronic systems, 2nd Edition, New York : Van Nostrand Reinhold, cop., 1992.
T. H. Kim, H. C. Lee, "The Analysis of Total Ionizing Dose Effects on Analog-to-Digital Converter for Space Application," Journal of the Institute of Electronics Engineers, Vol. 50, no. 6, pp. 85-90, Jun. 2013.
P. C. Adell, R. D. Schrimpf, W. T. Holman J. Boch, J. Stacey, P. Ribero, A. Sternberg, K. F. Galloway, "Total- Dose and Single-Event Effects in DC/DC Converter Control Circuitry," IEEE Trans. on Nuclear Science, Vol. 50, No. 6 pp. 1867-1872, December. 2003.

상세보기
A. M. Chugg, "Ionizing radiation effects:a vital issue for semiconductor electronics," Engineering Science and Education Journal, Vol. 3, No. 3, June. 1994.
N. H. Lee, Y. G. Hwang, J. R. Kim, S. H. Jeong, S. C. Oh, "A Study on Implementation of Transient Radiation Effects on Electronics(TREE) Assessment System," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 16, No. 10, pp. 2329-2334, October. 2012.

원문보기 상세보기
L. D. Philipp, P. O. Lauritzen, "Irradiation Damage of MOS-FETS Operating in the Common Source Mode", IEEE Trans. on Nuclear Science, Vol. 14, No. 6, December. 1967.
H. Degenhart, W. Schlosser, "Transient Effects of Pulsed Nuclear Radiation on Electronic Parts and Materials," IRE Transactions on Component Parts, Vol. 8, No. 3, pp. 123-128, September. 1961.

상세보기
L. Cohn, M. Espig, A. Wolicki, M. Simons, C. Rogers, "Transient Radiation Effects on Electronics (TREE) Handbook," Defence Nuclear Agency, December. 1995.
M. W. Lee, S. M. Kim, S. H. Jeong, N. H. Lee, S. I. Cho, "0.18um CMOS의 z이온화방사선 효과 영향분석", The 23th Korean Conference on Semiconductors, February. 2016.
S. H. Jeong, N. H. Lee, S. C. Oh, Y. G. Hwang, "Calibration of Pulse Radiation dose using a PIN diode", The 28th International Technical Conference on Circuits/System, Computers and Communications, pp. 1119-1121, 2013.
G. Anelli, M. Campbell, M Delmastro, "Radiation tolerant VLSI circuits in standard deep submicron CMOS technologies for the LHC experiments: practical design aspects", IEEE Trans. on Nuclear Science, Vol. 46, No. 6, December. 1999.
M. S. Lee, H. C. Lee, "Dummy Gate-Assisted n-MOSFET Layout for a Radiation-Tolerant Integrated Circuit", IEEE Trans. on Nuclear Science, Vol. 60, No. 4, August. 2013.

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