Ion(이온)
이온은 전자를 잃어 양전하를 띠고 있는 원자핵을 말합니다. 일반적으로 물질에 입사된 이온은 전자를 이온화(전기적인 힘에 의한 전자의 이탈)시키며
이로 인해 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 이온은 다른 입자들에 비해 더 높은 에너지를 물질에 전달하고, 많은 전하를 생성합니다.
실리콘의 아주 작은 영역이라도 중이온이 통과하면 많은 양의 전하가 짧은 시간 안에 갑자기 주입될 수 있습니다. 이온은 실리콘 안의 민감한 부위를 수십 펨토초 동안 통과하고, 1피코초 이내에 멈춥니다. 이는 일반적인 소자의 반응 속도보다 훨씬 빠른 현상입니다.
중이온이 지나가면서 만들어내는 전하들은 실린더 모양처럼 길게 분포되며, 길이는 수십에서 수백 마이크론 정도이고, 반지름은 나노미터 수준으로 매우 작습니다. 이 이온이 기판 깊은 곳이나 회로가 없는 금속층 등에 영향을 준다면 별다른 문제는 생기지 않습니다. 그러나 민감한 회로가 있는 층에서 발생하면, 전하가 회로를 교란시켜 고장을 일으킬 수 있습니다.
중이온이 반도체에 전자-전공 쌍을 생성하는 과정
저전압 회로에서는 이렇게 생긴 전자-정공 쌍으로 인해 불필요한 전압이나 전류가 발생하고, 디지털 회로의 데이터가 오류를 일으키거나 아날로그 회로에서 이상한 신호가 출력될 수 있습니다. CMOS 회로에서는 두 Well이 서로 가까운 영역에 전하가 주입되면, 원하지 않는 전류 경로가 만들어져 과도한 전류가 흐르게 되는 ‘래치업(latchup)’이라는 고장이 생기기도 합니다.
고전압을 사용하는 회로나 전력 소자에서는 중이온이 반도체 접합부(Junction)나 게이트 절연층(Gate-Oxide)을 손상시켜 영구적인 고장을 일으킬 수 있습니다.
중이온은 우주에서 주로 발생하는데, 태양계 바깥에서 오는 우주선(cosmic rays)이 대표적입니다. 이 이온들은 에너지가 매우 높아 쉽게 반도체 패키지를 뚫고 들어와 많은 전하를 생성합니다. 이런 이유로 우주에서는 중이온이 단일 이벤트 효과(SEE)를 일으키는 주요 원인이며 우주 등급 부품의 평가 중 SEE 평가는 중이온으로 진행합니다.
다만 중이온은 우주에서도 흔하지 않으며, 총 이온화 선량(TID)이나 변위 손상(Displacement Damage)을 일으킬 만큼의 양은 되지 않는 경우가 많습니다. 또한, 이온은 지구 대기에서 쉽게 흡수되기 때문에 지상에서는 거의 영향을 주지 않습니다.
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