DD (Displacement Damage) - 변위 손상

Displacement Damage(DD)는 반도체 벌크 내에서 발생하며, 표면 또는 계면에 국한된 Total Ionizing Dose(TID)와는 달리 소자 전체 부피에 영향을 미치는 체적 손상입니다. 이로 인해 반도체의 전기적·광학적·열적 특성이 변화하여 소자의 성능 저하나 기능 상실을 유발할 수 있습니다.
예로 MOSFET 채널 영역이나 BJT 베이스 영역 등 소자의 Active Layer에 형성될 경우, 재결합 속도 증가, 캐리어 이동도 저하, 스위칭 속도 감소 등 심각한 소자 열화가 발생할 수 있습니다. DD를 유발하는 주요 방사선은 고에너지 전자, 양성자, 중성자, 그리고 2차 전자를 생성하는 감마선이나 고에너지 X선 등의 고에너지 광자입니다.
DD는 다음과 같은 네 가지 주요 메커니즘을 통해 발생합니다.

  1. 쿨롱 산란 (Coulomb Scattering): 전하를 띤 입자(예: 양성자)가 실리콘 원자와 전기적인 힘으로 상호작용하면서, 자신의 운동 에너지를 실리콘 원자에 전달하고 경로가 휘는 현상입니다. 양성자의 경우, 이 현상은 전하를 띤 입자의 에너지가 10 MeV 이하일 때 잘 발생합니다.

  2. 핵 탄성 산란 (Nuclear Elastic Scattering): 입사 입자(양성자, 중성자 등)가 실리콘 원자핵과 탄성 충돌(운동에너지 보존)을 하여 반동(Recoil) 실리콘을 생성하며, 이는 결손 결함(vacancy)과 침입형 결함(interstitial defect)을 유발합니다.

  3. 핵 비탄성 산란 (Nuclear Inelastic Scattering): 입사 입자의 에너지가 실리콘 핵에 전달되어(운동에너지가 보존되지 않음) 핵이 여기 상태가 되며, 이후 붕괴되어 핵 반동 또는 2차 입자를 방출합니다.

  4. 고에너지 2차 입자의 정지 및 포논 상호작용(Energetic secondary particles stop): 에너지를 잃고 정지한 고에너지 2차 입자가 포논과 상호작용하며 인접 원자들의 진동을 증폭시켜 국지적 온도 상승 효과를 일으킵니다.

Displacement Damage(변위손상)

Displacement Damage - 핵 탄성 반응

전자 산란

전자 산란

이미지 출처: Electron-beam interaction and transmission with sample - Wikimedia Commons
저작자: Zephyris / CC BY-SA 3.0


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