CC BY
5ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
УДК 621.38.049.77:001.891.573 DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-581-588
Локальный нагрев интегрального МОП-дозиметра для отжига накопленного заряда
Д.В. Рязанцев, Е.В. Кузнецов
НПК «Технологический центр», г. Москва, Россия d. ryazancev@tcen. т
МОП-дозиметры используются для отслеживания дозы облучения в различных приложениях, таких как космическая, ядерная и медицинская промышленность, также применяются в исследовательских лабораториях и портативной электронике. МОП-дозиметры имеют ряд преимуществ: постоянно накапливают заряд под воздействием ионизирующего излучения; выполняют прямое неразрушающее считывание информации о дозе; имеют сверхмалые размеры и маленькую потребляемую мощность; работают в широком диапазоне доз ионизирующего излучения; могут быть интегрированы с другими сенсорами и электроникой. Однако такие дозиметры невозможно повторно использовать из-за насыщения подзатворно-го диэлектрика накопленным зарядом. Для повторного использования МОП-дозиметров необходимо отжечь накопленный заряд. В работе показаны результаты исследования структуры интегрального элемента, встроенного в МОП-дозиметр, для локального нагрева подзатворного диэлектрика с целью отжига накопленного заряда, созданного под воздействием ионизирующего излучения. Структура такого нагревательного элемента разработана с учетом расчетов в среде численного моделирования COMSOL Multiphysics. Нагревательным элементом и одновременно затвором МОП-транзистора, через который пропускается электрический ток, является ^-поликремний. Изготовлены тестовые структуры по 1,2-мкм КМОП аналого-цифровому технологическому маршруту. Измерен коэффициент температурного сопротивления образцов интегральных резисторов. Установлено, что при пропускании электрического тока через интегральный элемент происходят разогрев и изменение его сопротивления в соответствии с температурным коэффициентом сопротивления. По измеренным зависимостям изменения сопротивления вычислена средняя температура интегрального резистора для каждого значения пропускаемого электрического тока. Проведено сравнение результатов моделирования зависимости температуры от толщины подзатворного окисла и пропускаемого через нагревательный элемент тока с экспериментально полученными данными. Предложенный способ локального разогрева подза-творного диэлектрика позволяет достичь температур порядка 700 °С без разрушающих последствий для структур и, таким образом, эффективно отжигать накопленный заряд в МОП-дозиметрах.
© Д.В. Рязанцев, Е.В. Кузнецов, 2019
Ключевые слова: дозовые эффекты; датчик радиации; дозовый датчик; ионизирующее излучение; отжиг заряда; математическое моделирование
Для цитирования: Рязанцев Д.В., Кузнецов Е.В. Локальный нагрев интегрального МОП-дозиметра для отжига накопленного заряда // Изв. вузов. Электроника. -2019. - Т. 24. - № 6. - С. 581-588. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-581-588
Local Heating of Integrated MOSFET Dosimeter for Annealing Charge
D. V. Ryazantsev, E. V. Kuznetsov
SMC «Technological Center», Moscow, Russia d. ryazancev@tcen. ru
Abstract: The MOS dosimeters are used to keep track of the radiation dose for space, nuclear and medical industries, research laboratories and various applications like portable electronics and etc. MOSFET dosimeters constantly accumulate charge under the ionizing radiation effect, execute direct non-destructive readability of the dose information, have super-small sizes and low power consumption, can operate in a large range of ionizing radiation doses and can be integrated with other sensors and electronics. However, it is impossible to re-use the MOSFET dosimeters for their original purpose. In order to return the threshold voltage to its pre-irradiation value for dosimeter re-use, it is necessary to perform the accumulated charge annealing process. In the work the results of studying the structure of the integral elements, built-in into MOSFET dosimeter for local heating of the gate dielectric for the purpose of annealing the accumulated charge, created under the ionizing radiation, have been shown. The structure of such heating element has been using COMSOL Multiphysics. The heating element is the n+-polysilicon gate of the MOSFET, through which electric current is passing. The test structures have been manufactured for 1.2um mixed analog-digital BICMOS technology. The temperature coefficient of resistance for the fabricated samples of the integrated resistors has been measured. It has been determined, that while the electric current passing through the integral element its heating and its resistance change in accordance with temperature coefficient of resistance. A comparison of the simulation results of the temperature dependence on the gate oxide thickness and the current runs through the heating element with the experimentally obtained data has been performed. The proposed method of local heating of the gate dielectric permits to achieve the temperatures of 700 °C order without destructive consequences for the structures and thus, to effectively anneal the accumulated charge in MOSFET dosimeter.
Keywords: dosimetry; numerical simulation; current annealing
For citation: Ryazantsev D.V., Kuznetsov E.V. Local heating of integrated MOSFET dosimeter for annealing charge. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 6, pp. 581588. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-581-588
Введение. Дозовые датчики на основе МОП-структур чувствительны ко всем видам ионизирующего излучения (ИИ), кроме нейтронного. В микросхемах под воздействием ИИ накапливается электрический заряд в диэлектриках, увеличиваются токи утечки р-п-переходов, изменяются электрические характеристики транзисторных структур. Необходимо отслеживать поглощенную дозу ИИ, для расчета которой в дозиметрах на основе МОП-структур измеряется сдвиг порогового напряжения, вызванный изменением заряда в подзатворном оксиде и его границы с кремнием [1]. Максимальная измеренная относительная доза зависит от насыщения зарядом подзатворного диэлектрика, при котором перестает меняться пороговое напряжение, и определяется параметрами подзатворного оксида. Существующие коммерческие активные и пассивные детекторы построены на зарубежной компонентной базе и могут измерять накопленную дозу до 20 крад [2-7], что ограничивает их возможное применение.
Основным недостатком дозиметров на основе МОП-структур является необходимость их калибровки для разных радиационных полей, относительно низкая разрешающая способность (примерно от 1 рад) и невозможность их повторного использования. Многократное применение МОП-дозиметров и воспроизводимость их характеристик исследованы в работах [8-13].
Накопленный заряд МОП-дозиметров может отжигаться уже при комнатной температуре. Максимальное изменение порогового напряжения при отжиге при комнатной температуре за 1 000 ч составляет около 12 % у р-МОП-дозиметра [9]. В процессе отжига при температуре 150 °С пороговое напряжение в среднем приближается к начальному значению за ~100 ч [9,11], при температуре 250 °С за ~10 ч. Таким образом, чем выше температура отжига, тем быстрее происходит возвращение порогового напряжения к начальному значению [8, 9, 12]. Чувствительность МОП-дозиметра (изменение порогового напряжения от дозы облучения) зависит от толщины подзатворного диэлектрика [14], и чем больше толщина подзатворного диэлектрика, тем сильнее изменяется пороговое напряжение под воздействием ИИ. Температурный отжиг одинаково эффективен как для толстых (более 0,1-1 мкм), так и для тонких (менее 0,1 мкм) диэлектриков [9]. Для р-МОП-дозиметра показано, что положительное смещение на затворе повышает эффективность температурного отжига из-за нейтрализации положительных ловушек в подзатворном окисле электронами из подложки [9].
Актуальной задачей является создание микросистемы, работающей в диапазоне 10 рад - 1 Мрад с возможностью непрерывно отслеживать поток ИИ даже в выключенном состоянии со встроенной функцией отжига накопленного заряда для многоразового использования. Цель настоящей работы - исследование структуры интегрального элемента, встроенного в МОП-дозиметр, для локального разогрева подзатворного диэлектрика от 150 °С для отжига накопленного под воздействием ИИ заряда.
Моделирование структуры. Структура нагревательного элемента разработана с
учетом расчетов в среде численного моделирования COMSOL Multiphysics. В качестве
+
нагревательного элемента используется п -поликремний, одновременно являющийся затвором МОП-транзистора, через который пропускается электрический ток. В COMSOL Multiphysics создана модель с целью исследования локального нагрева подза-творного диэлектрика при нагревании затвора электрическим током для выбора оптимальных параметров структуры.
В основе модели нагревательного элемента заложено совместное решение двух систем уравнений электростатики и уравнений теплопередачи:
Нагревательный "элемент
Контакт 4 '
\
Контакт2
__
gradJ = Qj, J = о(Т) E, E = -gradF,
JpC^wgradT + gradg = Q, [q = -kgradT,
где J - плотность тока; Qj - внешний источник тока; о - удельная электропроводность; E - электрическое поле; V - электрический потенциал; p - плотность материала; Cp - удельная теплоемкость; u - поле скоростей; q - тепловой поток; Q - дополнительный источник тепла; k - коэффициент теплопроводности.
Общий вид моделируемой структуры в среде COMSOL Multiphysics представлен на рис. 1. Нагревательный элемент имеет четыре контакта для измерения сопротивления четырехзондовым методом. Габариты моделируемой структуры выбраны таким образом, чтобы при нагревании интегрального резистора на границах структуры всегда была температура окружающей среды.
Проведено исследование параметров структуры, при которых интегральный резистор в виде поликремния способен нагревать подзатворный окисел от 150 °С и выше. Максимальная температура ограничена необходимой потребляемой мощностью и надежностью структуры. Коэффициент теплопроводности окисла зависит от его толщины и механизма создания [15], что учтено при моделировании. Размер поликремния в полученной структуре над подзатворным диэлектриком составляет 8*16 мкм.
Результаты и их обсуждение. Структуры нагревательного элемента совместно с p-канальным МОП-транзистором изготовлены по 1,2-мкм КМОП аналого-цифровому технологическому маршруту. Подзатворные диэлектрики сформированы стандартными процессами термического окисления, совмещенными между собой. Для уменьшения контактного сопротивления поликремний выполнен в форме гантели.
Изготовленные образцы измерялись на ручной зондовой станции Cascade Microtech MPS 150 с системой нагрева ERS AC3 и с использованием полупроводникового измерителя Agilent B1500A при вариации температуры от 25 до 175 °C. Для расчета сопротивления поликремния применялся четырехзондовый метод измерения. На рис.2 представлена зависимость изменения сопротивления поликремния от температуры его нагрева. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) поликремния составляет -785 ppm/°C. Для значений выше 175 °С ТКС экстраполировался линейно. Среднее сопротивление структуры при комнатной температуре 52 Ом, поверхностное сопротивление поликремния ~ 17,5 Ом/а
Si
Рис.1. Общий вид моделируемой структуры в среде COMSOL Multiphysics: 1, 2 - контакты для задания электрического тока через структуру; 3, 4 - контакты для считывания изменения напряжения
Fig.1. General view of the simulated structure in the COMSOL Multiphysics: 1, 2 - contacts for setting the electric current through the structure; 3, 4 - contacts for reading the voltage change
Получены зависимости изменения сопротивления поликремния от пропускаемого через него электрического тока. С использованием известного ТКС рассчитано изменение температуры по изменению сопротивления при нагреве электрическим током по формуле
62
s 61
0
а 60
1 59
I 58 а.57
и
T =■
R2 ~ R1 TKCSi* R
• +T
56 55
У — 5' ■29 ?(0,C 007 5lx + D
R г = ( ,99i )6 x"
i'
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Температура, "С
Рис.2. Зависимость изменения сопротивления поликремния от температуры его нагрева Fig.2. Plot of the change in the resistance of polysilicon on its heating temperature
где ^ - искомая температура; R2 - сопротивление при искомой температуре; Rl -сопротивление при начальной температуре; R0 - сопротивление при комнатной температуре; ^ - начальная температура.
На рис.3 представлено изменение температуры от протекаемого тока изготовленных образцов и рассчитанных структур в COMSOL Multiphysics для двух толщин под-затворного диэлектрика (50 и 80 нм). Толщины подзатворных диэлектриков в изготовленных структурах получены из измеренных вольт-фарадных характеристик.
600 500 u 400
о
сС О.
£ 300
с.
<и
с
S
£ 200 100
80 н a \ /
A \
80 IM \ //
/ \ 50 HM
50 н M
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Ток, А
Рис.3. Зависимость температуры нагрева поликремния от пропускаемого тока через него для двух толщин подзатворного окисла:-теория;
▲ ▲▲ эксперимент Fig.3. Plot of the dependence of the polysilicon heating temperature on the magnitude of the current passed through it for two thickness of the gate oxide 50 nm and 80 nm:-theory; ▲▲▲ experiment
Вычисленные значения температур отличаются от измеренных значений в канале, так как при нагревании током поликремний нагревается с большим градиентом, а при измерении изменения сопротивления поликремния температура усредняется. В канале возникает максимальное значение температуры, и по мере приближения к контактным окнам металлической разводки оно быстро спадает практически до комнатной температуры. Это происходит потому, что металл имеет большую теплопроводность и является
элементом пассивного охлаждения. На рис.4 показано изменение температуры в структуре нагревательного элемента, рассчитанного в среде Comsol Multiphysics, при токе через поликремний 76 мА и толщине подзатворного окисла 50 нм. Температура в под-затворном окисле в центре достигает 350 °С, а средняя температура, вычисленная по изменению сопротивления при его нагреве, составляет около 270 °С.
Рис. 4. Изменение температуры в моделируемой структуре нагревательного элемента дозового датчика при токе через поликремний 76 мА и толщине подзатворного окисла 50 нм Fig.4. Temperature change in the simulated structure of the heating element of the dose sensor at a current through the polysilicon 76 mA and the thickness of the gate oxide 50 nm
Измеренные значения температуры изготовленных образцов нагревательного элемента при пропускании через него электрического тока подтверждают работоспособность локального нагрева подзатворного диэлектрика МОП-дозиметра. Выполнять калибровку теоретической модели для совпадения результатов моделирования и измеренных данных нет необходимости.
Заключение. Исследована разработанная структура нагревательного элемента из и-поликремния, который является затвором р-МОП-транзистора, для локального нагрева подзатворного диэлектрика с целью отжига накопленного под воздействием ИИ заряда. Результаты измерений подтвердили возможность локального разогрева подзатворного диэлектрика до температур, близких к 700 °C без разрушающих последствий для МОП-дозиметра. Предложенный метод локального нагрева позволяет повысить эффективность отжига накопленного заряда и воспроизводимость параметров МОП-дозиметра. Получить такую высокую температуру при нагревании кристалла целиком невозможно без разрушения элементов кристалла. Отсутствие разрушающих последствий определено путем нескольких последовательных длительных измерений.
Все исследования нагревательных элементов как при моделировании, так и при измерении изготовленных образцов проводились при постоянном токе. Предполагается, что для достижения оптимальных значений времени отжига и потребляемой мощности приоритетно использование механизма разогрева подзатворного окисла импульсным током [12, 13].
Литература
1. Gladstone D.J., Chin L.M. Automated data collection and analysis system for MOSFET radiation detectors // Medical physics. - 1991. - Vol. 18. - No. 3. - P. 542-548.
2. Pejovic M.M. P-channel MOSFET as a sensor and dosimeter of ionizing radiation // Facta Universitatis, Series: Electronics and Energetics. - 2016. - Vol. 29. - No. 4. - P. 509-541.
3. Pejovic S.M., Pejovic M.M., Stojanov D., Ciraj-Bjelac O. Sensitivity and fading of pMOS dosemeters irradiated with X-ray radiation doses from 1 to 100 cGy // Radiation protection dosimetry.- 2015.- Vol. 168.-No.1.- C. 33-39.
4. Caffrey J.A., Hamby D.M. A review of instruments and methods for dosimetry in space // Advances in Space Research. - 2011. - Vol. 47. - No. 4. - P. 563-574.
5. MOSFET dosimetry mission inside the ISS as part of the Matroshka-R experiment / A. Hallil, M. Brown, Yu. Akatov et al. // Radiation protection dosimetry. - 2009. - Vol.138. - No. 4. - P. 295-309.
6. Pejovic M.M., Pejovic S.M. VDMOSFET as a prospective dosimeter for radiotherapy // Applied Radiation and Isotopes. - 2018. - Vol. 132. - P. 1-5.
7. Experimental evaluation of a MOSFET dosimeter for proton dose measurements / Ryosuke Kohno, Teiji Nishio, Tomoko Miyagishi et al. // Physics in medicine and biology. - 2006. - Vol.51. - No. 23. -P. 6077-6086.
8. Investigation into the re-use of PMOS dosimeters / A. Kelleher, N. McDonnell, B. O'Neill et al. // IEEE transactions on nuclear science. - 1994. - Vol. 41. - No. 3. - P. 445-451.
9. Ristic G.S. Thermal and UV annealing of irradiated pMOS dosimetric transistors // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2009. - Vol. 42. - No. 13. - P. 135101-1-135101-12.
10. Pejovic M.M. Processes in radiation sensitive MOSFETs during irradiation and post irradiation annealing responsible for threshold voltage shift // Radiation Physics and Chemistry. - 2017. - Vol. 130. - P. 221-228.
11. Kelleher A., Lane W., Adams L. Investigation of on-chip high temperature annealing of PMOS dosimeters // Proc. of the Third European Conference on Radiation and its Effects on Components and Systems. IEEE.-1995. - P. 465-469.
12. Luo G. W., Qi Z. Y., Deng X. W., Rosenfeld A. Investigation of a pulsed current annealing method in reusing MOSFET dosimeters for in vivo IMRT dosimetry // Medical physics. - 2014. - Vol. 41. - No. 5. -P. 051710-1-051710-6.
13. Direct and pulsed current annealing of p-MOSFET based dosimeter: the «MOSkin» / S. Alshaikh, M. Carolan, M. Petasecca et al. // Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine. - 2014. -Vol.37. - No. 2. - P. 311-319.
14. Radiation effects in MOS oxides / J.R. Schwank, M.R. Shaneyfelt, D.M. Fleetwood et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. - 2008. - Vol. 55. - No. 4. - P. 1833-1853.
15. Yamane T., Nagai N., Katayama S.I., TodokiM. Measurement of thermal conductivity of silicon dioxide thin films using a 3ю method // J. of Appl. Phys. - 2002. - Vol. 91. - No. 12. - P. 9772-9776.
Поступила в редакцию 09.04.2019 г.; после доработки 30.05.2019 г.; принята к публикации 24.09.2019 г.
Рязанцев Дмитрий Владимирович - младший научный сотрудник лаборатории перспективной элементной базы и технологических маршрутов микроэлектроники НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шо-кина, 1), [email protected]
Кузнецов Евгений Васильевич - начальник лаборатории перспективной элементной базы и технологических маршрутов микроэлектроники НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Gladstone D.J., Chin L.M. Automated data collection and analysis system for MOSFET radiation detectors. Medical physics. 1991, vol. 18, no. 3, pp. 542-548.
2. Pejovic M.M. P-channel MOSFET as a sensor and dosimeter of ionizing radiation. Facta Universitatis, Series: Electronics and Energetics, 2016, vol. 29, no. 4, pp. 509-541.
3. Pejovic S.M., Pejovic M.M., Stojanov D., Ciraj-Bjelac O. Sensitivity and fading of pMOS dosemeters irradiated with X-ray radiation doses from 1 to 100 cGy. Radiation protection dosimetry, 2015, vol. 168, no.1, pp. 33-39.
4. Caffrey J.A., Hamby D.M. A review of instruments and methods for dosimetry in space. Advances in Space Research, 2011, vol. 47, no. 4, pp. 563-574.
5. Hallil A., Brown M., Akatov Yu., Arkhangelsky V., Chernykh I., Mitrikas V., Petrov V., Shurshakov V., Tomi L., Kartsev I., Lyagushin V. MOSFET dosimetry mission inside the ISS as part of the Matroshka-R experiment. Radiation protection dosimetry, 2009, vol.138, no. 4, pp. 295-309.
6. Pejovic M.M., Pejovic S.M. VDMOSFET as a prospective dosimeter for radiotherapy. Applied Radiation and Isotopes, 2018, vol. 132, pp. 1-5.
7. Ryosuke Kohno, Teiji Nishio, Tomoko Miyagishi, Eriko Hirano, Kenji Hotta, Mitsuhiko Kawashima, Takashi Ogino. Experimental evaluation of a MOSFET dosimeter for proton dose measurements. Physics in medicine and biology, 2006, vol.51, no. 23, pp. 6077-6086.
8. Kelleher A., McDonnell N., O'Neill B., Lane W., Adams L. Investigation into the re-use of PMOS dosimeters. IEEE transactions on nuclear science, 1994, vol. 41, no. 3, pp. 445-451.
9. Ristic G.S. Thermal and UV annealing of irradiated pMOS dosimetric transistors. Journal of Physics D: Applied Physics, 2009, vol. 42, no. 13, pp. 135101-1-135101-12.
10. Pejovic M.M. Processes in radiation sensitive MOSFETs during irradiation and post irradiation annealing responsible for threshold voltage shift. Radiation Physics and Chemistry, 2017, vol. 130, pp. 221-228.
11. Kelleher A., Lane W., Adams L. Investigation of on-chip high temperature annealing of PMOS dosimeters. Proceedings of the Third European Conference on Radiation and its Effects on Components and Systems. IEEE, 1995,pp. 465-469
12. Luo G.W., Qi Z.Y., Deng, X.W., Rosenfeld A. Investigation of a pulsed current annealing method in reusing MOSFET dosimeters for in vivo IMRT dosimetry. Medical physics, 2014, vol. 41, no. 5, pp. 051710-1-051710-6.
13. Alshaikh S., Carolan M., Petasecca M., Lerch M., Metcalfe P., Rosenfeld A. Direct and pulsed current annealing of p-MOSFET based dosimeter: the «MOSkin». Australasian physical & engineering sciences in medicine, 2014, vol.37, no. 2, pp. 311-319.
14. Schwank J.R., Shaneyfelt M.R., Fleetwood D.M., Felix J.A., Dodd P.E., Paillet P., Ferlet-Cavrois V. Radiation effects in MOS oxides. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2008, vol. 55, no. 4, pp. 1833-1853.
15. Yamane T., Nagai N., Katayama S.I., Todoki M. Measurement of thermal conductivity of silicon dioxide thin films using a 3œ method. Journal of applied physics, 2002, vol. 91, no. 12, pp. 9772-9776.
Received 09.04.2019; Revised 30.05.2019; Accepted 24.09.2019. Information about the authors:
Dmitry V. Ryazantsev - Junior Researcher of the Advanced IC's Laboratory, SMC «Technological Centre» (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Evgeniy V. Kuznetsov - Head of the Advanced IC's Laboratory, SMC «Technological Centre» (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
