MOS} º ; c 6 X ¢ 1 MeV ¹ Å Ñ ÷ 1 MeV W ë sV R Ë 8 ý Total Ionizing Dose ÇÊ Ý

(1)

MOS} º ; c 6 X ¢ 1 MeV ¹ Å Ñ ÷ 1 MeV W ë sV R Ë 8 ý Total Ionizing Dose ÇÊ Ý

»r )¬ £ · T ) o M Î 3 · { ¡ û B+ ä ^∗

é ß

² D G @ / < Æ § 6 £ x6 xÓ ü t o < Æõ , " fÖ ¦ 140-714 (2003¸ 10 Z 4 8{ 9 ~ Ã Î6 £ §)

¸ | ¾ Ó` ¦ or & " f MOS è \ @ /ô Ç total ionizing dose ´ òõ \ ¦ ½ ¨ % i . í ß o} _ ¿ º a

85 ˚ A s ¦ > s à Ô_ ; ¤ õ U ´s y y 10 µmü < 5 µm NMOS, PMOS è \ \ -t 1 MeV

ü < ª $ í \ ¦ ¸ % i Ü ¼ 9, ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó É r y y 1, 5, 10, 50, 100, 500 kGys .

ü < ª $ í ¸ \ É r l & h : £ ¤$ í (ë H) 3 · ú , on-current, off-current 1 p x) o_ â ¾ Ó É r Ä » % i Ü

¼ , c ¸ Ê ê_ o| ¾ Ó_ ° ú כs © @ /& h Ü ¼ Ð ß ¼> z ¤ . s \ ¦ ü < ª $ í Ó ü t| 9 \ @ / K

° ú H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 (stopping power)õ ' a # Ð_ % i .

PACS numbers: 61.80; 61.82.Fk, 13.85.Tp

Keywords: Ä ºÅ Ò , , ª $ í , " 3 » ¡ §0 p x§ 4 , Total ionizing dose ´ òõ , MOSFET

I. " e Â ] Ø

Ä

ºÅ Ò ¨ 8 â \ " f 0 A$ í ^ H ¦\ -t { 9 , F g x 9

×

æ$ í { 9 1 p x_ ~ ½ Ó \ ¸Ø ¦ ÷ &# Q î r6 x ) a [1]. " f

~

½ Ó c _ 7 á x À Ó, c _ \ -t x 9 ì ø Í6 £ x Ó ü t| 9 \ " f Ð

É r ì ø Í6 £ x s { 9 # Q > ÷ & 9, \ V\ ¦ [ þ t { 9 H elec- tronic stopping, radiative stopping x 9 nuclear stopping 1

p

x` ¦ : x # Ó ü t| 9 õ ì ø Í6 £ xô Ç [2-5]. ~ ½ Ó s z ´o B H í ß

o} ` ¦ : x õ " f C & h ` ¦ \ -t \ ¦ { 9 # Q -& ñ /

B

N © ` ¦ + þ A$ í Ù ¼ Ð, ì ø Í ¸^ è Ä ºÅ Ò ¨ 8 â \ © l & h Ü ¼

Ð ¸Ø ¦ ÷ & ì ø Í ¸^ _ í ß o} õ > \ à Ôê Á + þ A

$ í

÷ &# Q ë H) 3 · ú , on-current, off-current 1 p x_ l & h : £ ¤

$ í

s H è0 A TID(total ionizing dose) ´ òõ Ð

#

r Û ¼% 7 _ ¸1 l x 1 p x` ¦ Ä »µ 1 Ï½ + É Ã º e . s Qô Ç -

&

ñ / B N © _ Ò q t$ í x 9 ¸ H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 (stopping power)\ _ > r ô

Ç ¦ · ú 94 R e [3,4]. \ V\ ¦ [ þ t # Q, SiO

2

\ " f 1 MeV_

ª $ í H 1 MeV_ Ð 100C s © H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 ° ú כ

`

¦ ° ú H ì ø Í \ 1 MeV_ ü < 1.25 MeV_ Co-60 y

É r " f Ð q 5 p wô Ç " 3 » ¡ §0 p x§ 4 ° ú כ` ¦ ° ú H [4,5]. Ä ºÅ Ò ¨ 8

â

\ " f ~ ½ Ó _ 7 á x À Óü < [ jl H 0 A$ í ^ _ q ' ¦ ¸, 0 A u

x 9 r y \ { 9 & ñ u · ú § [6-8]. t ½ ¨ l © É r s

: r8 £ x õ I ª Û æ e ¦ Ý ¼ ÐÂ Ò' { 9 \ ¦ ~ Ã Î [ þ t # 5

Å q, $ © x 9 s 1 l x r v Ù ¼ Ð, ¦\ -t \ ¦ ° ú H ª $ í ü <

t ½ ¨\ ¦ × æd Ü ¼ Ð # î r6 x ÷ & H 0 A$ í ^ \ × æ כ ¹ô Ç

% ò

¾ Ó` ¦ p u > ) a . t F K t ì ø Í ¸^ è \ @ /ô Ç TID

∗

E-mail: [email protected]

´

òõ H Å Ò Ð Co-60\ ¦ s 6 x # y _ ¸ | ¾ Ó` ¦ o r

& " f ½ ¨ # M ® o Ü ¼ , s â Ä º y _ ¨ î ç H \

-t 1.25 MeV Ð ¦& ñ ÷ &# Q " 3 » ¡ §0 p x§ 4 _ o\ ¦ Ä » ¸½ + É Ã

º \ O H é ß & h s e . : £ ¤ y t ½ ¨\ ¦ × æd Ü ¼ Ð î r6 x ÷ & H 0

A$ í ^ _ ì ø Í ¸^ è H Å Ò Ð ¦\ -t _ ª $ í ü <

\

¸Ø ¦ ÷ &# Q e Ü ¼Ù ¼ Ð, þ j H \ H 5 Å q l \ ¦ s 6 x # ª

$ í

ü < 1 p x_ { 9 \ -t x 9 ¸ | ¾ Ó` ¦ 9 כ ¹\

or v H ½ ¨ p ² D G, Ä »X O x 9 { 9 : r` ¦ × æd Ü ¼ Ð

' ÷ & ¦ e .

: r $ H 1 MeV ª $ í c _ ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó

`

¦ or & " f NMOSü < PMOS_ l & h : £ ¤$ í o

\

@ / # s p Ð ¦ô Ç e [9]. : r ½ ¨\ " f H 1 MeV_ \ -t \ ¦ ° ú H c _ ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó

`

¦ or & " f NMOSü < PMOS_ l & h : £ ¤$ í o

\

¦ 8 £ ¤& ñ ¦, s \ ¦ " 3 » ¡ §0 p x§ 4 8 £ ¤ \ " f 100C s © H ° ú כ

`

¦ ° ú H 1 MeV ª $ í c _ ¸ õ ü < q § # 7 H_ ô

Ç .

II. ÷ m Ç ] M ö

1 MeV_ \ -t \ ¦ ° ú H c ` ¦ NMOS ü < PMOS

\

¸ # l & h : £ ¤$ í o\ ¦ ½ ¨ % i . NMOSü <

PMOS_ 1 l x · ú É r 3.3 V s 9, 85 ˚ A_ > s à Ô í ß o}

¿

ºa , 5 µm_ > s à Ô U ´s x 9 10 µm_ > s à Ô ; ¤` ¦ t

9 J v t / B N s ÷ &t · ú § É r J ?s ( © I Ð z ´+ « >\ 6

x % i . 1 MeV_ \ -t \ ¦ ° ú H c ` ¦ s 6 x #

-430-

(2)

Õ

ªa Ë > 1. (a) 1 MeV c ¸ \ É r NMOS_ I

ds

-V

gs

:

£

¤$ í / B G (V

ds

= 3.3 V). (b) 1 MeV c ¸ \ É r PMOS_ I

ds

-V

gs

: £ ¤$ í / B G (V

ds

= -3.3 V).

© : r \ " f è \ s # QÛ ¼\ ¦ t · ú § É r © I Ð ¸

% i Ü ¼ 9, ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó É r 1, 5, 10, 50, 100, 500 kGy(Si) s . : r z ´+ « >\ " f 6 x ) a 1 MeV c É r EB-tech _ & ñ + þ A c 5 Å q l EVL series\ ¦ s 6 x

% i ¦, è _ l & h : £ ¤$ í É r HP4155A semiconductor parameter analyzer\ ¦ s 6 x # ¸ ¢ - a « Ñ Ê ê © : r \ " f 8 £ ¤

&

ñ % i . Õ ªo ¦ ü @Â Ò ÐÂ Ò' _ F g < Æ& h , l & h % ò ¾ Ó` ¦ þ

j è o l 0 A # · ú À Òp ³ o u Ü ¼ Ð ` ) a © ? /\ " f 8 £ ¤

&

ñ ` ¦ ' % i . 1 MeV ª $ í c ¸ \ É r NMOS x 9

PMOS_ l & h : £ ¤$ í É r Ã Ð ¦ë H ³[9]_ õ \ ¦ s 6 x

% i . Ã Ð ¦ë H ³[9]_ z ´+ « >\ æ ¼ 1 MeV ª $ í c É r ô

Ç² D G t | 9 " é ¶ ½ ¨" é ¶_ & ñ + þ A ò ø Í r ì ø ÍX <Õ ª á Ô 5 Å q l

NEC 5SDH-2 © q \ ¦ s 6 x % i .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í w ² o

Õ

ªa Ë > 1 É r 1 MeV c ¸ \ É r I

ds

-V

gs

: £ ¤$ í / B G

s . Õ ªa Ë > 1(a)ü < (b) H y y NMOSü < PMOS\ K {

© 9 ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó É r 1, 5, 10, 50, 100, 500 Õ

ªa Ë > 2. (a) 1 MeV c õ ª $ í c ¸ \ É r NMOS_ ë H) 3 · ú o. (b) 1 MeV c õ ª $ í c

¸ \ É r PMOS_ ë H) 3 · ú o.

kGy(Si) s . NMOS_ â Ä º V

ds

= 3.3 V s ¦ V

gs

H 0 V \ " f 3.3 V t or ( . PMOS_ â Ä º V

^ds

= - 3.3 V s 9 V

gs

H 0 V \ " f -3.3 V t o r ( . Õ ªa Ë >

1(a) ü < (b)\ " f Ð1 p w s NMOS, PMOS ¸¿ º 1 MeV c

¸ \ _ ô Ç f ¨ Ã º | ¾ Ó\ I

^ds

-V

gs

: £ ¤$ í / B G s

> ) a . NMOS_ â Ä º\ H : £ ¤ y off-current_ o(10 kGy â Ä º ∼10

⁵

C s © ) ¿ º× ¼ Q . PMOS_ â Ä º

\

H f ¨ Ã º | ¾ Ó\ É r off-current_ o ß ¼t · ú §Ü ¼ 9, I

ds

-V

gs

: £ ¤$ í / B G s negative shift\ ¦ ¦ e . s p Ð

¦ô Ç 1 MeV ª $ í c ¸ \ É r I

ds

-V

_gs

: £ ¤$ í / B G [9] É r NMOS, PMOS ¸¿ º 1 MeV c ¸ _ â Ä ºü < Ä » ô

Ç â ¾ Ó` ¦ Ðs ¦ e Ü ¼ o_ ß ¼l © @ /& h Ü ¼ Ð

¤ . s \ @ /ô Ç [ jô Ç ì r$ 3 É r Õ ªa Ë > 2 ∼ 4\ " f ¦¹ 1 Ï

% i .

Õ

ªa Ë > 2 H 1 MeV c õ 1 MeV ª $ í c ¸ \

É r (a)NMOS ü < (b)PMOS_ ë H) 3 · ú o ∆V

_T

\ ¦ y y

· p . ∆V

^T

H c ¸ \ _ K µ 1 ÏÒ q t ) a ∆Q

ot

( > s à

Ôí ß o} à Ôê Á , gate oxide trap charge)ü < ∆Q

it

( >

à Ôê Á , interface trap charge)_ l # \ _ K A ü

< ° ú s ³ ð & ³ ) a [10-12].

(3)

∆V

_T

= − ∆Q

_ot

C

ox

− ∆Q

_it

C

ox

. (1)

#

l " f C

^ox

H é ß 0 A & h { © í ß o} _ & ñ 6 x| ¾ Ó` ¦

· p . > s à Ôí ß o} à Ôê Á H ª _ ° ú כ` ¦ t 9, > à

Ôê Á H NMOS_ â Ä º\ H 6 £ §_ ° ú כ` ¦, PMOS_ â Ä

º\ H ª _ ° ú כ` ¦ . c ¸ íl \ H í ß o} à Ô ê

Á

_ µ 1 ÏÒ q ts Ä º[ j ¦ c ¸ Ê êl \ " f H > à Ô ê

Á

_ µ 1 ÏÒ q ts Ä º[ j ¦ · ú 94 R e [13,14]. Õ ªa Ë >2 (a) \ " f% ! 3 NMOS_ ë H) 3 · ú s c õ ª $ í c _

â

Ä º\ ¸¿ º ¸ | ¾ Ó\ y è r 7 £ x H

è0 A rebound & ³ © s 9, : £ ¤ y c _ â Ä º 5 ∼ 50 kGy \ " f H ¾ º[ O À Ó / å L y 7 £ x # ë H) 3 · ú s 8

£

¤& ñ ½ + É Ã º \ O ` ¦ & ñ ¸ Ð y è # Õ ªa Ë >\ ³ ðr t · ú § ¤

. s Qô Ç rebound & ³ © É r, c ¸ íl (∼10 kGy s

)\ H ª _ ° ú כ` ¦ ° ú H > s à Ô í ß o} à Ôê Á Ä º [

j # ë H) 3 · ú s y è > ÷ & ¦, Õ ª s © _ ¸ | ¾ Ó \

"

f H 6 £ §_ ° ú כ` ¦ ° ú H > à Ôê Á _ µ 1 ÏÒ q ts Ä º[ j # ë

H) 3 · ú s 7 £ x H & ³ © Ü ¼ Ð ó ø Íé ß ) a [13,14]. Õ ªa Ë >2 (b)_ PMOS_ â Ä º\ H > s à Ôí ß o} x 9 > à Ôê Á

¸¿ º ª _ ° ú כ` ¦ t Ù ¼ Ð f ¨ Ã º | ¾ Ós 7 £ x < Ê\

ë H) 3 · ú s 6 £ §_ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð > 5 Å q # 7 £ x 9[15,16], c

¸ Ê êl (∼ 10 kGy s © )\ H Õ ª o; ¤ s NMOS

\

q # ß ¼> Z O # Qt > ÷ & H X <, Õ ª o ; ¤ É r c

¸ _ â Ä º 8 ( .

Õ

ªa Ë > 3 É r 1 MeV c õ 1 MeV ª $ í c ¸ \

É r (a) NMOS_ I

_{OF F}

q , (b) PMOS_ I

_{OF F}

q \ ¦

· p . Õ ªa Ë > 3(a)ü < (b)\ " f NMOS I

^{OF F}

H V

gs

= 0 V, V

ds

= 3.3 V \ " f_ À Ó° ú כs 9, PMOS I

OF F

H V

gs

= 0 V, V

ds

= -3.3 V \ " f_ À Ó° ú כs . I

^{OF F}

(before) ü <

I

OF F

(after) H y y c ¸ õ Ê ê_ I

_{OF F}

\ ¦ · p

. Õ ªa Ë > 3(a)ü < (b)\ " f Ð1 p w s NMOS_ â Ä º ¸ | ¾ Ó s

7 £ x < Ê\ & ³$ ô Ç I

_{OF F}

_ o Ðs H ì ø Í

\

, PMOS_ â Ä º\ H ¸ | ¾ Ó\ É r I

OF F

_ o ß ¼

>

t · ú § H . s ü < ° ú s I

^{OF F}

o H s Ä » H

è ç ß ] X ` ¦ 0 AK + þ A$ í ) a 9 × ¼í ß o} % ò % i \ ª _ à Ô ê

Á

» ¡ ¤& h ÷ &l M :ë H s . NMOS_ â Ä º\ H 9 × ¼ í

ß o} % ò % i \ » ¡ ¤& h ÷ & H ª _ à Ôê Á H o # Q

_ ¾ º[ O À Ó_ â Ð ÷ &# Q I

^{OF F}

/ å L y 7 £ x >

÷

& 9, PMOS_ â Ä º\ H 9 × ¼í ß o} % ò % i \ ª _ à Ôê Á

» ¡ ¤& h ÷ & 8 ¸ ¾ º[ O À Ó_ â Ð + þ A$ í ÷ &t · ú §Ü ¼ Ù

¼ Ð ¸ | ¾ Ós 7 £ x 8 ¸ I

OF F

_ o ß ¼>

t · ú §> ) a [17]. ¢ ¸ô Ç ë H) 3 · ú _ o ¸ I

^{OF F}

\ % ò

¾ Ó` ¦ p 2 ; . NMOS H ∼10 kGy_ ¸ | ¾ Ó\ " f ë H) 3 · ú Õ

ªa Ë > 3. (a) 1 MeV c õ ª $ í c ¸ \ É r NMOS_ I

_{OF F}

_ q . (b) 1 MeV c õ ª $ í c

¸ \ É r PMOS_ I

_{OF F}

_ q .

s

© ± ú 4 R e Ü ¼Ù ¼ Ð I

^{OF F}

þ j@ /u \ ¦ Ðs ¦ e .

∼10 kGy s Ê ê_ ¸ | ¾ Ó\ " f H > à Ôê Á _ µ 1 ÏÒ q ts

8 Ä º[ j Ù ¼ Ð ë H) 3 · ú s r 7 £ x > ÷ & ¦ ¢ ¸ s Q ô

Ç > à Ôê Á 9 × ¼í ß o} % ò % i \ + þ A$ í ÷ &% 3 ~ ª _ à

Ôê Á \ ¦ % 3 ] j H % i ½ + É` ¦ > ÷ &Ù ¼ Ð r I

^{OF F}

y

è > ) a [18]. ì ø Í \ PMOS_ â Ä º I

^{OF F}

_ o

;

¤ s NMOS\ q # Á ºr ½ + É & ñ ¸ Ð > H X <, PMOS_ ë H) 3 · ú s NMOS\ q K q §& h Z }` ¦ ÷ rë ß

m ¸ | ¾ Ó_ 7 £ x \ É r ë H) 3 · ú _ t 5 Å q& h 7 £ x

\ _ K I

^{OF F}

_ o p p ô Ç כ Ü ¼ Ð Ð . s ü @\

¸ Pompl[19] 1 p x s ½ ¨ô Ç > s à Ôü < × ¼Y U × æ^ o ?Â Òì r \ + þ

A$ í ÷ & H SBD(soft breakdown): x Ð\ _ ô Ç GIDL(gate induced drain leakage)_ l # ü <, Scarpa[20] 1 p x s ½ ¨ ô

Ç & ñ / B N à ÔA i ç \ _ K Ä » ¸÷ & H à Ôê Á µ 1 ÏÒ q t\ _ ô Ç

# Q} Û ¼w × ¼ ' V , a A 1 p x s { 9 Â Ò l # ô Ç ¦ · ú 94 R e

.

Õ

ªa Ë > 1, Õ ªa Ë > 2 Õ ªo ¦ Õ ªa Ë > 3` ¦ : x # c ¸ ü <

ª $ í c ¸ MOS è _ ë H) 3 · ú õ ¾ º[ O À Ó 1 p x

(4)

Õ

ªa Ë > 4. z ´o B Hí ß o} \ @ /ô Ç c õ ª $ í c _

"

3 » ¡ §0 p x§ 4 .

_

l & h : £ ¤$ í \ p u H % ò ¾ Ó\ @ / # ¶ ú ( R Ð ¦, Õ ª â

¾ Ós B Ä º Ä » H כ ` ¦ S X % i . s ] jÂ Ò' H 1 l x { 9

ô Ç f ¨ Ã º | ¾ Ó_ â Ä º\ c s ª $ í c Ð 8 H

l & h o\ ¦ { 9 Ü ¼v H כ \ í& h ` ¦ ´ ú Æ Ò# Q" f, s \ ¦

ü < ª $ í Ó ü t| 9 \ @ /K ° ú H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 _ s \ ¦ × æ d

Ü ¼ Ð 7 H_ ¦ ô Ç .

Õ

ªa Ë > 4 H z ´o B H í ß o} \ " f_ ü < ª $ í _ \ - t

\ É r " 3 » ¡ §0 p x§ 4 ` ¦ · p [4]. ª $ í _ " 3 » ¡ §0 p x§ 4

É

r \ -t \ 7 £ x 0.1 MeV\ ¦ t " f r

y è 9, _ " 3 » ¡ §0 p x§ 4 É r \ -t \ y è

1 MeV\ ¦ t " f ¢ - aë ß y 7 £ x ô Ç . \ V\ ¦ [ þ t # Q

: r z ´+ « >\ " f 6 xô Ç 1 MeV_ â Ä º, ª $ í H Ð 100 C s © H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 ° ú כ` ¦ ° ú H . Õ ª QÙ ¼ Ð 1 l x{ 9 ô Ç fluence (protons/cm

²

¢ ¸ H electrons/cm

²

)_ â Ä º ª $ í

c _ \ -t ² ú Ò ¦ s c Ð Z } Ü ¼Ù ¼ Ð ª $ í c s

\

¦ ? /Ù ¼ Ð, 1 l x{ 9 ô Ç f ¨ Ã º | ¾ Ó_ â Ä º\ H c _ 7 á x À Ó

\

כ ¹½ ¨÷ & H fluence \ " f H s \ ¦ Ðs t ë ß f ¨ Ã º

÷

& H 8 ú x \ -t H c _ 7 á x À Óü < ' a > \ O . " f ¸

|

s \ ¦ ¦ 9 t · ú § H c _ 7 á x À Ó\ » ¡ ¤& h ÷ & H

| ¾ Ó_ s \ O > ) a . F ½ + Ë É r r

t

o )ü < λ(mean separation between electron-hole pairs, Ò q

<, λ r

^t

Ð É r â Ä º\ H F ½ + Ës Ö ¸µ 1 Ï > '

)

a . z ´o B H í ß o} \ " f r

t

H 5 ∼ 10 nm _ ° ú כ` ¦ t

9[3,21] λ H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 \ ì ø Íq Y V > ) a . 1 MeV _

λ H 50 nmÜ ¼ Ð r

t

\ q # B Ä º H ° ú כ` ¦ ° ú H ì ø Í

, 1 MeV ª $ í _ λ H 0.4 nm Ð r

^t

\ q # B Ä º

É r ° ú כ` ¦ ° ú H [3]. r

^t

ü < λ s _ ' a > \ " f, ª $ í \ ¦

¸ > ÷ & Ö ¸µ 1 Ïô Ç F ½ + Ës s À Ò# Q4 R initial charge yield ü < à Ôê Á ÷ & H | ¾ Ós c _ â Ä º\ q #

t > ) a [21]. " f ¸ | ¾ Ós ° ú É r â Ä º, 1 MeV

c \ _ ô Ç l & h : £ ¤$ í o ° ú É r \ -t \ ¦ ° ú H

º e .

IV. + s Ç Â ] Ø

1 MeV c õ ° ú É r \ -t \ ¦ ° ú H ª $ í c ` ¦ NMOS ü < PMOS è \ ¸ # total ionizing dose ´ ò õ

\ ¦ q § # ½ ¨ % i . c õ ª $ í c ¸ \

H MOS è _ ë H) 3 · ú , ¾ º[ O À Ó 1 p x_ l

& h : £ ¤$ í o_ ì ø Í& h â ¾ Ós Ä » % i . NMOS _

â Ä º\ H ∼ 10 kGy Â Ò H t H ë H) 3 · ú s y è

&

~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð > 5 Å q # 7 £ x % i . s H c ¸ íl

\

H ª _ ° ú כ` ¦ ° ú H í ß o} à Ôê Á Ä º[ j ¦ Õ ª s

°

ú כ, PMOS\ " f H 6 £ §_ ° ú כ)_ µ 1 ÏÒ q ts Ä º[ j l M :ë H s .

NMOS \ " f H ¾ º[ O À Ó / å L y 7 £ x % i Ü ¼ , PMOS

\

" f_ o H Á ºr ½ + É & ñ ¸ Ð ¤ . s _ Å Ò ) a s Ä » H

è ç ß ] X ` ¦ 0 AK + þ A$ í ô Ç 9 × ¼í ß o} % ò % i \ » ¡ ¤& h ) a à

Ôê Á ª _ ° ú כ` ¦ ° ú > ÷ &# Q NMOS\ l Ò q t& h ¾ º[ O

À Ó â Ð\ ¦ + þ A$ í l M :ë H s .

z

´o B Hí ß o} \ " f thermalization distance r

t

H 5

"

3 » ¡ §0 p x§ 4 \ ì ø Íq Y V > ) a . 1 MeV _ λ H 50 nm Ð r

t

\ q # B Ä º H ° ú כ` ¦ ° ú H ì ø Í , 1 MeV ª $ í

_ » H 0.4 nm Ð r

t

\ q # B Ä º É r ° ú כ` ¦ ° ú H

. r

t

ü < λ s _ ' a > \ " f, ª $ í \ ¦ ¸ ô Ç â Ä º\ H

Ö

¸µ 1 Ïô Ç F ½ + Ës s À Ò# Q4 R initial charge yieldü < à Ôê Á ÷ &

H | ¾ Ós c _ â Ä º\ q # t > ) a . Õ ª

õ ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ós ° ú É r â Ä º, 1 MeV c s

@

/& h Ü ¼ Ð H % ò ¾ Ó` ¦ p u > ÷ & 9, s H z ´+ « > õ ü < ¸ ú { 9 u

% i .

P c

p 8 ý ò k >

s

½ ¨ H 2003¸ ¸ é ß ² D G @ / < Æ § @ / < Æ ½ ¨q \ _ K t

"

é

¶ ÷ &% 3 6 £ §.

(5)

Y c

p w Ã U Ø ô

[1] E. G. Stassinopoulos and James P. Raymond, Pro- ceedings of IEEE, 76, 11 (1988).

[2] Harald A. Enge, Introduction to Nuclear Physics (Addison- Wesley Publishing Company, 1972).

[3] T. P. Ma and P. V. Dressendorfer, Ionizing Radia- tion Effects in MOS Device and Circuits (J. Wiley

& Sons, New York, 1989), Ch. 3.

[4] P. Paillet, J. R. Schwank, M. R. Shaneyfelt, V.

Ferlet-Cavrois, R. L. Jones, O. Flament and E. W.

Blackmore, IEEE Trans. Nucl. Sci. 49, 2656 (2002).

[5] J. R. Schwank, M. R. Shaneyfelt, P. Paillet, D.

E. Beutler, V. Ferlet-Cavrois, B. L. Draper, R. A.

Loemker, P. E. Dodd and F. W. Sexton, IEEE Trans. Nucl. Sci., 48, 2152 (2002).

[6] B. Klecker, Adv. Space Res., 17, 2 (1996).

[7] J. R. Heirtzler, Journal of Atmospheric and Solar- Terrestrial Physics, 64, 1701 (2002).

[8] Joseph F. Fennell, Harry C. Koon, Magaret W.

Chen and J. Bernard Blake, IEEE Transcations on Plasma Science, 28, 6 (2000).

[9] ^ BÃ º, ^ É r ñ, ô Ç p , ¸5 p x& ñ ,D hÓ ü t o , 47, 157 (2003).

[10] DeWITT G. Ong, Modern MOS Technology (McGraw-Hill Company, 1987).

[11] Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee, Solid State

Electronic Devices, 5th ed.,(Prentice-Hall, Inc., 2000).

[12] M. Pejovic, G. Ristic and A. Jaksic, Applied Surface Science, 108, 141 (1997).

[13] T. P. Ma and P. V. Dressendorfer, Ionizing Radia- tion Effects in MOS Device and Circuits (J. Wiley

& Sons, New York, 1989), Ch. 5.

[14] Ashok K. Sharma, Semiconductor Memories (IEEE PRESS, New York, 1997), Ch. 7.

[15] Kuei-Shu Chang-Liao and Huang-Ming Chang, Jounal of Nuclear Science and Technology, 36, 630 (1999).

[16] Goran Ristic, Snezana Golubovic and Momcilo Pe- jovic, Sensors and Actuators, A 51, 153 (1996).

[17] Martin Denton, Radiation Effects on Electronics Components and Circuits, European Organization for Nuclear Research CERN Training (2000).

[18] M. R. Shaneyfelt, D. M. Fleetwood, J. R. Schwank, T. L. Meisenheimer and P. S. Winokur, IEEE Trans.

Nucl. Sci., 41, 2550 (1994).

[19] T. Pompl, H. Wurzer, M. Kerber and I. Eisele, Mi- croelectronics Reliability, 40, 37 (2000).

[20] A. Scarpa, P. Riess, G. Ghibaudo, A. Paccagnella, G. Pananakakis, M. Ceschia and G. Ghidini, Micro- electronics Reliability, 40, 57 (2000).

[21] T. R. Oldham and F. B. McLean, IEEE Trans. Nucl.

Sci., 50, 483 (2003).

(6)

Total Ionizing Dose Effects of 1-MeV Electrons and 1-MeV Protons on MOS Devices

H. S. Kim, S. K. Lee and S. J. Noh

^∗

Department of Applied Physics, Dankook University, Seoul 140-714 (Received 8 October 2003)

Total ionizing dose effects on MOS devices have been studied as a function of the irradiation dose. NMOS and PMOS devices with an 85-˚ A gate oxide thickness, a 10 µm gate width, and a 5 µm gate length were irradiated using 1-MeV electrons and 1-MeV protons with total irradiation doses of 1, 5, 10, 50, 100, and 500 kGy. The changes in the electrical characteristics, such as the threshold voltage, the on-current, and the off-current, were shown to have a similar behaviors for both electron and proton irradiation. However, the changes after electron irradiation were larger than those after proton irradiation. The difference between the two magnitudes is disscussed using the stopping powers of the two particles.

PACS numbers: 61.80; 61.82.Fk, 13.85.Tp

Keywords: Cosmic ray, Electron, Proton, Stopping power, Total ionizing dose effect, MOSFET

∗

E-mail: [email protected]

MOS} º ; c 6  X ¢ 1 MeV  ¹ Å Ñ ÷ 1 MeV W ë sV R Ë 8 ý Total Ionizing Dose  ÇÊ Ý

MOS} º ; c 6  X ¢ 1 MeV  ¹ Å Ñ ÷ 1 MeV W ë sV R Ë 8 ý Total Ionizing Dose  ÇÊ Ý



»r )¬ £ · T ) o  M Î 3 · { ¡ û B+ ä  ∗

é ß

² D G @ / < Æ § 6 £ x6 xÓ ü t o  < Æõ , " fÖ  ¦ 140-714 (2003¸  10 Z 4 8{ 9  ~ Ã Î6 £ §)



¸ | ¾ Ó`  ¦   or &    " f MOS è \  @ /ô  Ç total ionizing dose ´ òõ \  ¦   ½ ¨ % i  . í ß  o}  _  ¿ º a

 85 ˚ A s  ¦ > s à Ô_  ;  ¤ õ  U ´s  y  y   10 µmü < 5 µm   NMOS, PMOS  è \  \  -t  1 MeV



    ü <  ª $ í  \  ¦  ¸  % i Ü ¼ 9,  ¸ \    É r f  ¨ Ã º  | ¾ Ó É r y  y   1, 5, 10, 50, 100, 500 kGys  .  



ü <  ª $ í    ¸ \    É r   l & h : £ ¤$ í (ë  H) 3   · ú , on-current, off-current 1 p x)  o_   â  ¾ Ó É r Ä »  % i  Ü

¼ ,    c    ¸  Ê ê_    o| ¾ Ó_  ° ú כs   © @ /& h Ü ¼ Ð ß ¼>   z  ¤ . s \  ¦    ü <  ª $ í   Ó ü t| 9 \  @ / K

 ° ú   H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 (stopping power)õ     ' a #   Ð_  % i  .

PACS numbers: 61.80; 61.82.Fk, 13.85.Tp

Keywords: Ä ºÅ Ò  ,    ,  ª $ í  , " 3 » ¡ §0 p x§ 4 , Total ionizing dose ´ òõ , MOSFET

I. " e Â ] Ø

Ä

ºÅ Ò ¨ 8  â \ " f 0 A$ í ^   H  ¦\  -t    { 9  , F g   x 9

×

 æ$ í { 9   1 p x_  ~ ½ Ó   \   ¸Ø  ¦ ÷ &# Q î  r6 x ) a [1].   " f

~

½ Ó   c  _  7 á x À Ó, c  _  \  -t  x 9 ì ø Í6 £ x Ó ü t| 9 \     " f Ð

 É r ì ø Í6 £ x s  { 9 # Q >  ÷ & 9, \ V\  ¦ [ þ t    { 9    H elec- tronic stopping, radiative stopping x 9 nuclear stopping 1

p

x`  ¦ :  x #  Ó ü t| 9 õ  ì ø Í6 £ xô  Ç [2-5]. ~ ½ Ó   s  z ´o  B H í ß 

o}  `  ¦ :  x õ    " f C & h `  ¦    \  -t \  ¦ { 9 # Q    -& ñ /

B

N © `  ¦ + þ A$ í Ù ¼ Ð, ì ø Í ¸^  è  Ä ºÅ Ò ¨ 8  â \   © l & h Ü ¼



Ð  ¸Ø  ¦ ÷ &  ì ø Í ¸^ _  í ß  o}  õ  >   \  à Ôê Á    + þ A

$ í

÷ &# Q ë  H) 3   · ú , on-current, off-current 1 p x_    l & h : £ ¤

$ í

s      H  è0 A TID(total ionizing dose) ´ òõ  Ð   

#

 r Û ¼% 7 _   ¸1 l x   1 p x`  ¦ Ä »µ 1 Ï½ + É Ã º e   . s  Qô  Ç    -

&

ñ / B N © _  Ò q t$ í x 9  ¸  H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 (stopping power)\  _  > r ô 

Ç  ¦ · ú  94 R e   [3,4]. \ V\  ¦ [ þ t # Q, SiO

\ " f 1 MeV_ 



ª $ í    H 1 MeV_      Ð  100C  s  ©   H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 ° ú כ

`

 ¦ ° ú   H ì ø Í  \  1 MeV_     ü < 1.25 MeV_  Co-60 y  

   É r " f Ð q 5 p wô  Ç " 3 » ¡ §0 p x§ 4 ° ú כ`  ¦ ° ú   H [4,5]. Ä ºÅ Ò ¨ 8 

 â

\ " f ~ ½ Ó   _  7 á x À Óü < [ jl   H 0 A$ í ^ _  q '   ¦ ¸, 0 A u

 x 9 r y  \     { 9 & ñ u  · ú § [6-8]. t ½ ¨  l  ©  É r s 



: r8 £ x õ  I  ª Û  æ e  ¦ Ý ¼  ÐÂ Ò'    { 9  \  ¦ ~ Ã Î [ þ t #   5

Å q, $  ©  x 9 s 1 l x r v Ù ¼ Ð,  ¦\  -t \  ¦ ° ú   H  ª $ í  ü <  



 t ½ ¨\  ¦ ×  æd  Ü ¼ Ð #  î  r6 x ÷ &  H 0 A$ í ^ \  ×  æ כ ¹ô  Ç

% ò

 ¾ Ó`  ¦ p u >   ) a . t F K  t  ì ø Í ¸^  è \  @ /ô  Ç TID

E-mail: [email protected]

´

òõ   H Å Ò Ð Co-60\  ¦ s 6 x #  y     _   ¸ | ¾ Ó`  ¦   o r

&   " f   ½ ¨ #  M ® o Ü ¼ , s   â Ä º y     _  ¨ î ç  H \ 



-t  1.25 MeV Ð  ¦& ñ ÷ &# Q " 3 » ¡ §0 p x§ 4 _    o\  ¦ Ä » ¸½ + É Ã

º \ O   H é ß & h s  e   . : £ ¤ y  t ½ ¨\  ¦ ×  æd  Ü ¼ Ð î  r6 x ÷ &  H 0

A$ í ^ _  ì ø Í ¸^  è   H Å Ò Ð  ¦\  -t _   ª $ í  ü <    

\

  ¸Ø  ¦ ÷ &# Q e  Ü ¼Ù ¼ Ð, þ j  H \   H 5 Å q l \  ¦ s 6 x #   ª 

$ í

 ü <     1 p x_    { 9   \  -t  x 9  ¸ | ¾ Ó`  ¦  9 כ ¹\ 



    or v   H   ½ ¨ p ² D G, Ä »X O  x 9 { 9  : r`  ¦ ×  æd  Ü ¼ Ð



 '  ÷ & ¦ e   .



: r $    H 1 MeV  ª $ í  c  _   ¸ \    É r f  ¨ Ã º  | ¾ Ó

`

 ¦   or &   " f NMOSü < PMOS_    l & h : £ ¤$ í   o

\

 @ / #  s p   Ð ¦ô  Ç   e   [9].  : r   ½ ¨\ " f  H 1 MeV_  \  -t \  ¦ ° ú   H    c  _   ¸ \    É r f  ¨ Ã º  | ¾ Ó

`

MOS} º ; c 6 X ¢ 1 MeV ¹ Å Ñ ÷ 1 MeV W ë sV R Ë 8 ý Total Ionizing Dose ÇÊ Ý

MOS} º ; c 6 X ¢ 1 MeV ¹ Å Ñ ÷ 1 MeV W ë sV R Ë 8 ý Total Ionizing Dose ÇÊ Ý

»r )¬ £ · T ) o M Î 3 · { ¡ û B+ ä ^∗

² D G @ / < Æ § 6 £ x6 xÓ ü t o < Æõ , " fÖ ¦ 140-714 (2003¸ 10 Z 4 8{ 9 ~ Ã Î6 £ §)

¸ | ¾ Ó` ¦ or & " f MOS è \ @ /ô Ç total ionizing dose ´ òõ \ ¦ ½ ¨ % i . í ß o} _ ¿ º a

85 ˚ A s ¦ > s à Ô_ ; ¤ õ U ´s y y 10 µmü < 5 µm NMOS, PMOS è \ \ -t 1 MeV

ü < ª $ í \ ¦ ¸ % i Ü ¼ 9, ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó É r y y 1, 5, 10, 50, 100, 500 kGys .

ü < ª $ í ¸ \ É r l & h : £ ¤$ í (ë H) 3 · ú , on-current, off-current 1 p x) o_ â ¾ Ó É r Ä » % i Ü

¼ , c ¸ Ê ê_ o| ¾ Ó_ ° ú כs © @ /& h Ü ¼ Ð ß ¼> z ¤ . s \ ¦ ü < ª $ í Ó ü t| 9 \ @ / K

° ú H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 (stopping power)õ ' a # Ð_ % i .

Keywords: Ä ºÅ Ò , , ª $ í , " 3 » ¡ §0 p x§ 4 , Total ionizing dose ´ òõ , MOSFET

ºÅ Ò ¨ 8 â \ " f 0 A$ í ^ H ¦\ -t { 9 , F g x 9

æ$ í { 9 1 p x_ ~ ½ Ó \ ¸Ø ¦ ÷ &# Q î r6 x ) a [1]. " f

½ Ó c _ 7 á x À Ó, c _ \ -t x 9 ì ø Í6 £ x Ó ü t| 9 \ " f Ð

É r ì ø Í6 £ x s { 9 # Q > ÷ & 9, \ V\ ¦ [ þ t { 9 H elec- tronic stopping, radiative stopping x 9 nuclear stopping 1

x` ¦ : x # Ó ü t| 9 õ ì ø Í6 £ xô Ç [2-5]. ~ ½ Ó s z ´o B H í ß

o} ` ¦ : x õ " f C & h ` ¦ \ -t \ ¦ { 9 # Q -& ñ /

N © ` ¦ + þ A$ í Ù ¼ Ð, ì ø Í ¸^ è Ä ºÅ Ò ¨ 8 â \ © l & h Ü ¼

Ð ¸Ø ¦ ÷ & ì ø Í ¸^ _ í ß o} õ > \ à Ôê Á + þ A

÷ &# Q ë H) 3 · ú , on-current, off-current 1 p x_ l & h : £ ¤

s H è0 A TID(total ionizing dose) ´ òõ Ð

r Û ¼% 7 _ ¸1 l x 1 p x` ¦ Ä »µ 1 Ï½ + É Ã º e . s Qô Ç -

ñ / B N © _ Ò q t$ í x 9 ¸ H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 (stopping power)\ _ > r ô

Ç ¦ · ú 94 R e [3,4]. \ V\ ¦ [ þ t # Q, SiO

\ " f 1 MeV_

ª $ í H 1 MeV_ Ð 100C s © H " 3 » ¡ §0 p x§ 4 ° ú כ

¦ ° ú H ì ø Í \ 1 MeV_ ü < 1.25 MeV_ Co-60 y

É r " f Ð q 5 p wô Ç " 3 » ¡ §0 p x§ 4 ° ú כ` ¦ ° ú H [4,5]. Ä ºÅ Ò ¨ 8

â

\ " f ~ ½ Ó _ 7 á x À Óü < [ jl H 0 A$ í ^ _ q ' ¦ ¸, 0 A u

x 9 r y \ { 9 & ñ u · ú § [6-8]. t ½ ¨ l © É r s

: r8 £ x õ I ª Û æ e ¦ Ý ¼ ÐÂ Ò' { 9 \ ¦ ~ Ã Î [ þ t # 5

Å q, $ © x 9 s 1 l x r v Ù ¼ Ð, ¦\ -t \ ¦ ° ú H ª $ í ü <

t ½ ¨\ ¦ × æd Ü ¼ Ð # î r6 x ÷ & H 0 A$ í ^ \ × æ כ ¹ô Ç

¾ Ó` ¦ p u > ) a . t F K t ì ø Í ¸^ è \ @ /ô Ç TID

òõ H Å Ò Ð Co-60\ ¦ s 6 x # y _ ¸ | ¾ Ó` ¦ o r

& " f ½ ¨ # M ® o Ü ¼ , s â Ä º y _ ¨ î ç H \

-t 1.25 MeV Ð ¦& ñ ÷ &# Q " 3 » ¡ §0 p x§ 4 _ o\ ¦ Ä » ¸½ + É Ã

º \ O H é ß & h s e . : £ ¤ y t ½ ¨\ ¦ × æd Ü ¼ Ð î r6 x ÷ & H 0

A$ í ^ _ ì ø Í ¸^ è H Å Ò Ð ¦\ -t _ ª $ í ü <

¸Ø ¦ ÷ &# Q e Ü ¼Ù ¼ Ð, þ j H \ H 5 Å q l \ ¦ s 6 x # ª

ü < 1 p x_ { 9 \ -t x 9 ¸ | ¾ Ó` ¦ 9 כ ¹\

or v H ½ ¨ p ² D G, Ä »X O x 9 { 9 : r` ¦ × æd Ü ¼ Ð

' ÷ & ¦ e .

: r $ H 1 MeV ª $ í c _ ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó

¦ or & " f NMOSü < PMOS_ l & h : £ ¤$ í o

@ / # s p Ð ¦ô Ç e [9]. : r ½ ¨\ " f H 1 MeV_ \ -t \ ¦ ° ú H c _ ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó

¦ or & " f NMOSü < PMOS_ l & h : £ ¤$ í o

¦ 8 £ ¤& ñ ¦, s \ ¦ " 3 » ¡ §0 p x§ 4 8 £ ¤ \ " f 100C s © H ° ú כ

¦ ° ú H 1 MeV ª $ í c _ ¸ õ ü < q § # 7 H_ ô

Ç .

1 MeV_ \ -t \ ¦ ° ú H c ` ¦ NMOS ü < PMOS

¸ # l & h : £ ¤$ í o\ ¦ ½ ¨ % i . NMOSü <

PMOS_ 1 l x · ú É r 3.3 V s 9, 85 ˚ A_ > s à Ô í ß o}

ºa , 5 µm_ > s à Ô U ´s x 9 10 µm_ > s à Ô ; ¤` ¦ t

9 J v t / B N s ÷ &t · ú § É r J ?s ( © I Ð z ´+ « >\ 6

x % i . 1 MeV_ \ -t \ ¦ ° ú H c ` ¦ s 6 x #

ªa Ë > 1. (a) 1 MeV c ¸ \ É r NMOS_ I

¤$ í / B G (V

= 3.3 V). (b) 1 MeV c ¸ \ É r PMOS_ I

: £ ¤$ í / B G (V

© : r \ " f è \ s # QÛ ¼\ ¦ t · ú § É r © I Ð ¸

% i Ü ¼ 9, ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó É r 1, 5, 10, 50, 100, 500 kGy(Si) s . : r z ´+ « >\ " f 6 x ) a 1 MeV c É r EB-tech _ & ñ + þ A c 5 Å q l EVL series\ ¦ s 6 x

% i ¦, è _ l & h : £ ¤$ í É r HP4155A semiconductor parameter analyzer\ ¦ s 6 x # ¸ ¢ - a « Ñ Ê ê © : r \ " f 8 £ ¤

ñ % i . Õ ªo ¦ ü @Â Ò ÐÂ Ò' _ F g < Æ& h , l & h % ò ¾ Ó` ¦ þ

j è o l 0 A # · ú À Òp ³ o u Ü ¼ Ð ` ) a © ? /\ " f 8 £ ¤

ñ ` ¦ ' % i . 1 MeV ª $ í c ¸ \ É r NMOS x 9

PMOS_ l & h : £ ¤$ í É r Ã Ð ¦ë H ³[9]_ õ \ ¦ s 6 x

% i . Ã Ð ¦ë H ³[9]_ z ´+ « >\ æ ¼ 1 MeV ª $ í c É r ô

Ç² D G t | 9 " é ¶ ½ ¨" é ¶_ & ñ + þ A ò ø Í r ì ø ÍX <Õ ª á Ô 5 Å q l

NEC 5SDH-2 © q \ ¦ s 6 x % i .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í w ² o

ªa Ë > 1 É r 1 MeV c ¸ \ É r I

s . Õ ªa Ë > 1(a)ü < (b) H y y NMOSü < PMOS\ K {

© 9 ¸ \ É r f ¨ Ã º | ¾ Ó É r 1, 5, 10, 50, 100, 500 Õ

ªa Ë > 2. (a) 1 MeV c õ ª $ í c ¸ \ É r NMOS_ ë H) 3 · ú o. (b) 1 MeV c õ ª $ í c

¸ \ É r PMOS_ ë H) 3 · ú o.

kGy(Si) s . NMOS_ â Ä º V

= 3.3 V s ¦ V

H 0 V \ " f 3.3 V t or ( . PMOS_ â Ä º V