DD (Displacement Damage) - 변위 손상

Displacement Damage(DD)는 반도체 벌크 내에서 발생하며, 표면 또는 계면에 국한된 Total Ionizing Dose(TID)와는 달리 소자 전체에 미치는 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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