radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-1-30-40radioelectronics-400Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКАMICRO- AND NANOELECTRONICSСравнение отклика МОП-транзистора на воздействие рентгеновского и гамма-облученияComparison of the MOSFET Response at Exposed of the X-Ray and Gamma Radiationhttps://orcid.org/0000-0003-1155-2911МокрушинаС. А.MokrushinaS. A.

Мокрушина Светлана Андреевна – инженер по специальности "Электронное приборостроение" (2006)

старший преподаватель кафедры электронного приборостроения указанного университета, ведущий инженер физико-химической лаборатории

Выпускница аспирантуры СПбГЭТУ "ЛЭТИ" по специальности "Твердотельная электроника" (2018). Автор 10 научных публикаций. Сфера научных интересов – твердотельная электроника. 

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Svetlana A. Mokrushina, Engineer specializing in electronic instrumentation (2006, Saint Petersburg Electrotechnical University), Senior Lecturer of the Department 

Lead Engineer of the Physical and Chemical Laboratory 

The author of 10 scientific publications. Area of expertise: solid state electronics. 

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

svetilnik_84@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7814-7569РомановН. М.RomanovN. M.

Романов Николай Михайлович – кандидат физизико-математических наук (2019), начальник физикохимической лаборатории 

Инженер кафедры физики полупроводников и наноэлектроники 

Автор 25 научных работ. Сфера научных интересов – материаловедение, а частности тонкие органические и диэлектрические пленки.

пр. Энгельса, д. 27, Санкт-Петербург, 194156

Nikolay M. Romanov, Cand. Sci. (Rhys.-Math.) (2019), Head of the Physical and Chemical Laboratory 

Engineer of the Department of Physics of Semiconductors and Nanoelectronics 

The author of 25 scientific publications. Area of expertise: materials science, in particular thin organic and dielectric films. 

27 Engels Ave., St Petersburg 194156

nikromanov.90@gmail.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина); АО "Светлана–Полупроводники"РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University; JSC Svetlana–SemiconductorsRussian FederationАО "Светлана–Полупроводники"; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияJSC Svetlana–Semiconductors; Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation2020280220202313040Copyright © Мокрушина С.А., Романов Н.М., 20202020Мокрушина С.А., Романов Н.М.Mokrushina S.A., Romanov N.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/400Введение

Введение. Ионизирующие излучения (ИИ) обладают большой проникающей способностью. В настоящее время в литературе нет однозначного представления о полном радиационном отклике МОПтранзисторов на различные виды ИИ (гамма- и рентгеновское). Поэтому наибольший интерес представляет радиационная стойкость МОП интегральных микросхем к воздействию этих излучений.

Цель работы

Цель работы. Изучение отклика МОП-транзисторов на воздействие гамма- и рентгеновского облучения, а также изучение влияния на этот отклик приложенного во время рентгеновского облучения внешнего потенциала затвор‒подложка.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследуемыми структурами являлись МОП-транзисторы с поликремниевым затвором при толщине оксида (диоксида кремния) 120 нм. Источником гамма-излучения выступали радионуклиды цезий-137, рентгеновского излучения – рентгеновская трубка с вольфрам-рениевым катодом. Анализировалось изменение порогового напряжения n- и p-канальных транзисторов методом транзисторной пары.

Результаты

Результаты. Гамма- и рентгеновское излучения приводят к одинаковым эффектам в исследуемых структурах. Приложение напряжения к МОП-структуре в процессе рентгеновского облучения оказывает сильное влияние на ее радиационный отклик. Максимальный радиационный отклик МОП-транзисторов наблюдался при больших положительных потенциалах затвор‒подложка. Были введены коэффициенты пропорциональности, обеспечивающие совпадение начальных участков дозовых зависимостей для различных приложенных потенциалов затвор‒подложка.

Заключение

Заключение. Определены значения коэффициентов пропорциональности зависимостей изменения порогового напряжения МОП-транзистора от дозы ИИ. Установлено численное соответствие между влиянием гамма- и рентгеновского изучений при дозах до 1.9 ·104 рад (коэффициент пропорциональности составил 38.5). Определены коэффициенты пропорциональности, позволяющие сопоставлять пассивный (без приложения потенциала) режим облучения гамма-квантами и активный (с приложением потенциала затвор‒подложка) режим облучения рентгеновскими квантами. Полученные поправочные коэффициенты зависят от полярности приложенного потенциала затвор‒подложка. Для отрицательного потенциала коэффициент пропорциональности составил 38.5. При приложении положительной полярности коэффициент не зависит от приложенного потенциала и составляет 120.

Introduction

Introduction. Electromagnetic or ionizing radiation (IO) has great influence for radiation resistance of MOSFETs (metal–oxide–semiconductor field-effect transistors) and integrated circuits. Oxide, for the studied samples, is silicon dioxide, which acts as a dielectric in MOS structure. Currently, in literature there is no unambiguous idea of complete radiation response of MOSFETs to various types of ionizing radiation.

Aim

Aim. To study radiation response of MOSFETs under influence of gamma and X-ray irradiation; to study effect of applied external potential of a gate substrate.

Materials and methods

Materials and methods. A total dose effect of gamma and X-ray radiation on the threshold voltage of MOSFET with a polysilicon gate and a gate oxide thickness of 120 nm with an applied external potential (-3, -2, 0, 3, 5, 10) V was studied. For gamma irradiation radionuclides cesium-137 with an energy of gamma quanta of 662 keV were used. X-ray tube with tungsten-rhenium cathode operated in modes 40 keV and 90 mkA was used as a source of X-ray radiation. Dose and time dependences of the change in the threshold voltage of n- and pchannel MOSFET were analyzed. It was performed that the influence of gamma and X-ray radiation led to the same effects in the studied structures. The maximum radiation response of MOSFETs was observed at high positive gate-substrate potentials. The approximation parameters associated with the concentration and capture cross sections of traps responsible for the formation of charges in the dielectric gate through irradiation were determined.

Results

Results. Strong influence of gamma and X-ray radiation led to the same effects in the studied structures. The applied voltage to the MOS structure during X-ray irradiation had a strong effect on their radiation response. The maximum radiation response of MOSFET at high positive gate-substrate potentials was observed. Proportionality coefficients to ensure the coincidence of the initial sections of the dose dependences for various applied gate-substrate potentials during irradiation were introduced. The coefficients allowed one to compare active and passive modes of operation of the X-ray emitter. Correction factors depended on the polarity of the applied gate-substrate potential. For negative potential, the proportionality coefficient value was 38.5. For the case of positive polarity the coefficient did not depend on the applied potential and the value was 120.

Conclusion

Conclusion. The study allows one to determine the coefficients for dose dependences of threshold voltage changes. For the first time, to establish a numerical relations between the effects of various types of radiation sources at irradiation doses up to 1.9 · 104 Rad and proportionality coefficients becomes possible. It allows one to take into account the influence of applied potentials during irradiation on the radiation response of MOS structures.

МОП-транзисторподзатворный диэлектрикгамма- и рентгеновское облучениеобъемный и поверхностный зарядыактивный и пассивный режимы облученияMOSFET gate insulatorgamma and X-ray irradiationspace and surface chargeactive and passive irradiationReferencesТаперо К. И., Улимов В. Н., Членов А. М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 305 с.Tapero K. I., Ulimov V. N., Chlenov A. M. Radiatsionnyye effekty v kremniyevykh integral'nykh skhemakh kosmicheskogo primeneniya [Radiation Effects in Silicon Integrated Circuits for Space Applications]. Moscow, BINOM. Laboratoriya znaniy, 2012, 305 p. (In Russ.)Першенков В. С. Попов В. Д., Шальнов А. В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах электронных микросхем. М.: Энергоатомиздат, 1988. 256 с.Pershenkov V. S., Popov V. D., Shal'nov A. V. Poverkhnostnyye radiatsionnyye effekty v elementakh elektronnykh mikroskhem [Surface Radiation Effects in Elements of Electronic Microcircuits]. Moscow, Energoatomizdat, 1988, 256 p. (In Russ.)Гуртов В. А. Влияние ионизирующего излучения на свойства МДП-приборов // Обзоры по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. ЦНИИ Электроника. М., 1978. Вып.14. № 505. С. 3–31.Gurtov V. A. Vliyaniye ioniziruyushchego izlucheniya na svoystva MDP-priborov [The Effect of Ionizing Radiation on the Properties of MIS Devices]. Reviews on Electronic Technology. Moscow, TSNII Elektronika, 1978, iss. 14, no. 595, pp. 3–31. (In Russ.)Чумаков А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М.: Радио и связь, 2004, 320 с.Chumakov A. I. Deystviye kosmicheskoy radiatsii na IS [The Effect of Cosmic Radiation on Integrated Circuits]. Moscow, Radio i svyaz', 2004, 320 p. (In Russ.)Александров О. В., Мокрушина С. А. Модель накопления зарядов в n- и p-МОП-транзисторах при туннельной инжекции электронов из затвора // Физика и техника полупроводников. 2018. Вып. 6. С. 637–642. doi: 10.21883/FTP.2018.06.45929.8717Aleksandrov O. V., Mokrushina S. A. Model for Charge Accumulation in n- and p-MOS Transistors during Tunneling Electron Injection from a Gate. Semiconductors. 2018, no. 52 (6), pp. 783–788. doi: 10.1134/S1063782618060027Александров О. В. Влияние смещения на поведение МОП-структур при ионизирующем облучении // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49, вып. 6. С. 793–798.Aleksandrov O. V. On the Effect of Bias on the Behavior of MOS Structures Subjected to Ionizing Radiation. Semiconductors. 2015, no. 49 (6), pp. 774–779. doi: 10.1134/S1063782615060020Benedetto J. M., Boesch H. E. The relationship between 60Co and 10 keV X-ray damage in MOS devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1986. Vol. NS-33, № 6. P. 1318–1923.Benedetto J. M., Boesch H. E. The Relationship Between 60Co and 10 keV X-Ray Damage in MOS Devices. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1986, no. 6, pp. 1318–1923.Поверхностные радиационные эффекты в интегральных схемах / А. В. Согоян, Г. И. Зебрев, А. Ю. Никифоров, B. C. Першенков, А. И. Чумаков // Модель космоса: в 2 т. Т. 1: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. Л. И. Панасюка и Л. С. Новикова. Гл. 1.18. М.: КДУ, 2007. С. 466–493.Sogoyan A. V., Zebrev G. I., Nikiforov A. Yu., Pershenkov B. S., Chumakov A. I. Poverkhnostnyye radiatsionnyye effekty v integral'nykh skhemakh [Surface Radiation Effects in Integrated Circuits]. Space model. Vol. 1. Ed. by L. I. Panasyuk, L. S. Novikov. Moscow, KDU, 2007, pp. 466-493. (In Russ.)Sensitivity of P-Channel MOSFET to X- and GammaRay Irradiation / M. Pejovic, O. Ciraj-Bjelac, M. Kovacevic, Z. Rajovic, G. Ilic // Intern. J. of Photoenergy. 2013. Art. 158403. 7 p. doi: 10.1155/2013/158403Pejovic M., Ciraj-Bjelac O., Kovacevic M., Rajovic Z., Ilic G. Sensitivity of P-Channel MOSFET to X- and GammaRay Irradiation. International Journal of Photoenergy. 2013, № 158403, pp. 1–7. doi: 10.1155/2013/158403Чжо Ко Вин. Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний МОП интегральных схем // Электронная техника. Сер. Полупроводниковые приборы. 2012. № 1 (228). С. 54–56.Chzho Ko Vin. The Use of Ionizing Radiation for Accelerated Testing of MOS Integrated Circuits. Electronic Engineering. Series 2. Semiconductor Devices. 2012, no. 1 (228), pp. 54–56. (In Russ.)Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии факторов космического пространства / А. И. Чумаков, А. Л. Васильев, А. А. Козлов, Д. О. Кольцов, А. В. Криницкий, А. А. Печен кин, А. С. Тарараксин, А. В. Яненко // Микроэлектроника. 2010. Т. 39, № 2. С. 85–90.Chumakov A. I., Vasil'yev A. L., Kozlov A. A., Kol'tsov D. O., Krinitskiy A. V., Pechenkin A. A., Tararaksin A. S., Yanenko A. V. Prediction of Local Radiation Effects in Integrated Circuits under the Influence of Outer Space Factors. Microelectronics. 2010, vol. 39, no. 2, pp. 85–90. (In Russ.)Барабан А. П., Булавинов В. В., Коноров П. П. Электроника слоев SiO2 на кремнии. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1988. 304 с.Baraban A. P., Bulavinov V. V., Konorov P. P. Elektronika sloyev SiO2 na kremnii [Electronics of SiO2 Layers on Silicon]. Leningrad, Izd. Leningradskogo universiteta, 1988, 304 pp. (In Russ.)Романов Н. М., Мокрушина С. А. Влияние гамма-облучения на МДП-структуры с тонким оксидом Al2O3 // Перспективные материалы. 2018. № 2. C. 17– 24. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2018-2-17-22Romanov N. M., Mokrushina S. A. Gamma Irradiation Effect to MOS Structures with Thin Al2O3 Oxide. Prospective materials. 2018, no. 2, pp. 17–24. (In Russ.) doi: 10.30791/1028-978X-2018-2-17-22Коршунов Ф. П., Богатырев Ю. В., Вавилов В. А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. Минск: Наука и техника, 1986. 254 с.Korshunov F. P., Bogatyrev Yu. V., Vavilov V. A. The Effect of Radiation on Integrated Circuits. Minsk, Science and technology, 1986, 254 p. (In Russ.)Fleetwood D. M. Dual-transistor method to determine threshold-voltage shifts due to oxide-trapped charge and interface-traps in metal-oxide semiconductor devices // Appl. Phys. Lett. 1989. Vol. 55, iss. 5. P. 466–468. doi: 10.1063 /1.101854Fleetwood D. M. Dual-Transistor Method to Determine Threshold-Voltage Shifts Due to Oxide-Trapped Charge and Interface-Traps in MOS Devices. Appl. Phys. Lett. 1989, no. 55, pp. 466–468. doi:10.1063/1.101854Oldham T. R., McLean F. B. Total ionizing dose effects in MOS oxides and devices // IEEE Trans. Nuclear Science. 2003. Vol. 50, № 3. P. 483–499. doi: 10.1109/TNS.2003.812927Oldham T. R. Total Ionizing Dose Effects in MOS Oxides and Devices. IEEE Trans. Nuclear Physics. 2003, no. 50 (3), pp. 483–499. doi: 10.1109/TNS.2003.812927Лазарь А. П., Коршунов Ф. П. Моделирование радиационной стойкости элементов логических КМОП интегральных схем // Докл. БГУИР. 2013. № 5. С. 17–23.Lazar' A. P., Korshunov F. P. Modelirovaniye radiatsionnoy stoykosti elementov logicheskikh KMOP integral'nykh skhem [Modeling the Radiation Resistance of Elements of Logical CMOS Integrated Circuits]. Doklady BGUIR, 2013, no. 5, pp. 17–23. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.