TID (Total Ionizing Dose) effect - 총 이온화 선량 효과
방사선에 의해서 생성된 전하는 반도체 내부에 누적되어 점진적으로 반도체의 특성에 변화를 가져올 수 있습니다. 이를 표현하는 방법이 TID(총 이온화 선량)입니다. CMOS 소자의 경우는 절연층에 이온화 선량에 의해 생성된 전하가 트래핑(Charge Trapping)되거나 결정 구조에 결함을 만들 수 있습니다.
게이트 산화물의 두께가 얇아짐에 따라 게이트 스택의 방사선 효과가 훨씬 더 낮아지지만 (전하가 축적되는 산화물의 두께가 얇아져서) 그럼에도 불구하고 전도성 채널을 둘러싸고 있는 두꺼운 절연 산화물에서 여전히 손상과 이온 트래핑이 발생할 수 있습니다.
SOI(Silicon-On-Insulator) 구조의 디바이스에서는 특히 코너 영역의 전하 트래핑이 민감하게 작용합니다.
TID는 전자, 양성자, 감마선, 중이온 등 이온화 방사선에 의해 주로 유발되며, 각각의 입자는 에너지, 침투 깊이, LET 특성이 다릅니다.
일반적으로 중성자 가속기 기반의 평가나 해면 고도에서 중성자에 의한 총 이온화 선량 효과는 무시할 수준이나, 극저온 중성자(Ultrea-cold neutron)와 열 중성자(thermal neutron)는 이런 TID에 의한 현상을 통해 점진적으로 반도체 특성 변화를 유발하는 것으로 잘 알려져 있습니다.
TID는 CMOS 소자의 문턱 전압(Vₜ), 누설 전류, SubThreshold Slope 등의 변화를 유발합니다.
문턱 전압은 수십~수백 mV까지 이동할 수 있으며, 누설 전류는 수십 배 증가할 수 있습니다.
이러한 변화는 회로의 스위칭 특성 저하, 전력 소비 증가, 동작 불능 등으로 이어질 수 있습니다.
방사선 입자의 경우는 입자의 LET에 단일 에너지 빔의 입자 선량을 곱하면 이온화를 통해 질량 단위당 증착된 총 에너지 양을 얻을 수 있는데 이를 통해 TID를 구합니다. (자세한 공식은 아래에 설명)
TID는 일반적으로 rad(Si) 또는 krad(Si) 단위로 표현합니다.
1 krad(Si)는 10 Gy에 해당하며, 우주용 반도체 소자는 100~300 krad(Si) 이상 견디도록 설계됩니다.
일반 상용 CMOS의 경우 수십 Gy 수준에서도 성능 열화가 나타날 수 있습니다.
TID 손상 메커니즘 개요도
그림출처 : F. B. McLean and T. R. Oldham, HDL-TR-2129, via Sandia National Laboratories SAND2013-4379C
TID의 단위: Rad
rad는 radiation absorbed dose의 약자로 물질의 단위 질량당 흡수한 에너지의 크기를 나타내는 흡수선량 단위입니다. D = dε/dm으로 정의되며 여기서 dε는 물질이 흡수한 에너지, dm은 그 질량입니다. 1 rad는 1그램이 100erg (1×10⁻⁵ J)의 에너지를 흡수한 경우에 해당하고 SI 단위로 환산하면 0.01 J/kg 이고 같은 방식으로 정의 되는 Gy(그레이)가 있고, 100 rad는 1 Gy 입니다. 현재 국제 표준은 Gy이지만 반도체 및 우주 환경 등 전자부품 내성 평가에서는 일반적으로 rad단위를 많이 사용합니다. 이때는 어떤 물질 기준으로 계산했는지를 명확히 하기 위해 rad(Si)나 rad(SiO₂)처럼 괄호 안에 기준 물질을 붙여 표기하기도 합니다. 입자에 의한 TID를 rad로 계산하려면 Fluence와 LET(MeV·cm²/mg 기준)이 필요합니다. Fluence에 LET을 곱하면 단위 면적을 통과한 입자가 물질 1 mg에 전달한 총 에너지(MeV/mg)가 되며, 여기에 1 MeV = 1.602×10⁻¹³ J와 1 mg = 10⁻⁶ kg 변환을 합친 상수 1.602×10⁻⁷을 곱해 Gy(그레이)로 변환합니다. 마지막으로 1 Gy = 100 rad이므로 100을 추가로 곱하면 rad 단위의 TID가 됩니다.