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陽子線照射によるPDD構造SOIピクセルセンサの暗電流増加
Increased dark current of PDD structure SOI pixel sensor
by proton beam irradiation

鈴木尚紀，倉知郁夫A，原和彦
筑波大学，高エ研A

2021/3/30

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Hisanori Suzuki

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背景放射線の照射によるセンサへのダメージ→CMOS Image Sensor(CIS)では暗電流の増加が課題！
暗電流の原因として…
 界面準位の増加
 酸化膜中に発生した電荷による空乏層拡大
 バルク損傷（NIEL）

酸化膜中にトラップされた電荷(BOXチャージ)+

表面準位++++
Si

Si
Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si
Si+

SiO2+

バルク欠陥

Si

Si

対策のためにそれぞれの成分の定量的評価したい

PDDTEG2チップを使えば，ピクセル部の暗電流とMOSFETの特性評価による表面準位および酸化膜内にトラップされた電荷（BOXチャージ）の測定ができる！
2021/3/30

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3SOIピクセル検出器
SOI（Silicon On Insulator）技術によりSiO2酸化膜上にトランジスタを形成
読み出し回路一体型の次世代半導体検出器
特徴 SOI-CMOS
酸化膜で各トランジスタを電気的に分離

140nm/200nm

 モノリシック型
回路・センサー部が一体構造→バンプボンディング不要で微細化・薄型化が可能
高比抵抗ウェハ
→空乏層が広がりやすくセンサー部に適する・ピクセルの細密化
・低物質量化→多重散乱の低減
・低寄生容量→高S/N ，高速動作
2021/3/30

・低消費電力・高い放射線耐性・広い動作温度領域（0.3K~570K)
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PDD構造 / PDDTEG2 とは？
ピクセル境界の高濃度P型ドープ（BPW）を形成し、この層の電位(VBPW)を固定して用いる ※P型バルクの場合

VsenseVBPW
n+BNW

BPW1
BPW2n+BNW

SiO2 BOX層

BPW1
BPW2→BOX回路層とセンサー層の干渉を抑えられる
ピクセル

ピクセル

n+BNW

BNW2ピクセル

PsubP+

Pixel ArrayMOSFET
2021/3/30

TEGはPDD構造のPixel Array(センサ部)と、周辺のMOSFETから構成される
Pixel Arrayでセンサ部のリーク電流、MOSFETのIV特性を測定する

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Pixel ArrayとSubMOSFET

Vbackbias=0 ~ -200V (1V step)

5

0.8V
OPEN
-2.0V
0V

Pixel Arrayはピクセルサイズ38.4umのピクセルが48*48個
内側46*46をセンスノード、外側１列をダミーとして区別センスノード（S1,S2），ダミー，BPW，Psub(裏面)に電圧をかけてIV測定

BOX

BOX層をゲート酸化膜としてSubMOSFETを使用
Vds = 0.8V
Vgs = -10 ~ 10V (0.05V step)
Vbackbias = -30V
@Room Temperature(27℃)
2021/3/30

ソース，ドレイン，ゲート，Psub(裏面)のIVを測定
W=20um /L=11um(一部L=9or7um)
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6

陽子線照射
東北大のCYRIC(cyclotron radio isotope center)にて70MeVの陽子を照射
照射条件は9.63×1013 n/cm2 ,5.14×1014 n/cm2の２条件(1MeV equivalent neutrons/cm2 : n/cm2)

各条件２チップずつ照射後、冷凍保存

測定前60℃80分のアニールを実施

2021/3/30

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7PDD構造における暗電流増加
1.E-04→この暗電流増加を 界面準位 BOXチャージ
 バルク損傷（NIEL）の原因に分けて考えたとき，それぞれの寄与の大きさを評
価したい

Reacage Current [A]

照射量に依存して暗電流量も大きくなる

1.E-05
1.E-06
1.E-07
1.E-08
1.E-09non radiation

1.E-109.63e13 n/cm^2

1.E-11
1.E-125.14e14 n/cm^2050

100

150200Vbackbias [V]2021/3/30

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MOSFET 評価パラメータ(1)8（１）S : サブスレショールドスイング(slope)

ケート電圧がしきい値電圧より低く半導体表面がわずかしか反転していない場合のドレイン電流はサプスレッショールド電流と呼ばれる

Log10(Isource)-5.00E+00-5.20E+00

ln(Id) – Vgについて、線形領域の傾きをSとして定義する

Ditは界面準位濃度1 + 𝐶𝐶𝐷𝐷 + 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑖𝑖 /𝐶𝐶𝑖𝑖, 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑖𝑖 = 𝑞𝑞𝐷𝐷𝑖𝑖𝑖𝑖
1 + 𝐶𝐶𝐷𝐷 /𝐶𝐶𝑖𝑖Ln(Id) [mV/de]𝑘𝑘𝑘𝑘
𝐶𝐶𝐷𝐷𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 1 +𝑆𝑆 =𝑞𝑞
𝐶𝐶𝑖𝑖-5.40E+00-5.60E+00-5.80E+00-6.00E+00-6.20E+00-6.40E+00-6.60E+00-6.80E+00-7.00E+00-5-3-113579軸ラベル→Sによって界面準位をモニタ

2021/3/30

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MOSFET 評価パラメータ(2)9酸化膜EC（2）Vmid : ミッドギャップ電圧

𝜓𝜓𝑆𝑆 = 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 の時は界面準位がイオン化せずに電荷をも𝑞𝑞Ψ𝑆𝑆 (Ψ𝑆𝑆 > 0)
たない→ミッドギャップ電圧Vmidを求めることで界面準位は引いた純粋な酸化膜に発生した電荷を見ることができる

𝑞𝑞Ψ𝐵𝐵

半導体

EFEi
EV𝑞𝑞Ψ𝑆𝑆 が𝑞𝑞Ψ𝐵𝐵 に一致=表面ポテンシャルが真性フェルミレベルに一致𝐼𝐼𝑑𝑑 @𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 5.07 × 10−12 𝐴𝐴

Sを求めた線形近似の外挿からId@midgapのときのゲート電圧をミッドギャップ電圧として定義
2021/3/30

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アニーリング
80℃~300℃まで20℃ステップで30分間アニーリング→放射線ダメージの回復を見ながら暗電流の原因となる成分をモニタ
9.63×1013 n/cm2 についてはW=20um,L=11umのsubMOSFETを測定
5.14×1014 n/cm2のサンプルについては@120℃でL=11um,@160℃でL=9umのSubMOSFETが測定途中で故障したため160℃～L=7umのSubMOSFETで測定※比較実験として未照射サンプルについてもアニーリン
グを実施 → MOSFET特性に変動なし
2021/3/30

5.14×1014 n/cm2
L=11umTCHoU-Work Shop

5.14×1014 n/cm2
L=9um

5.14×1014 n/cm2
L=7um
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PDDTEG

測定結果

11ピクセルIVNon-radiationサンプルはアニールによる暗電流変動ほとんどなし
リーク電流はドーズ量に依存
260℃で回復がほぼ飽和
2021/3/30

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PDDTEG

測定結果

12SubMOSFET

S(界面準位)Vmid（BOXチャージ）

 5.14×1014 n/cm2の一部データをを除くとBOXチャージと界面準位に相関がありそう※Vmidについては移動度μ固定でId@midgapを計算しているが、実際は照射によって移動度が低下しているため適当なμを推定して解析する必要がある

2021/3/30

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PDDTEGリーク電流とBOX・基板間界面準位の関係

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S（界面準位）とリーク電流の関係を両対数スケー
ルでプロット
照射済サンプルについてはSが回復してもリーク電流は回復せず飽和→回復が飽和した固定リーク電流は放射量に依存

Sとリーク電流は固定電流はを除きlog-logの関係→界面準位・BOXチャージがほとんど回復したと考えれば，固定リークはバルク損傷が原因と考えられる
量的にリーク電流の原因のほとんどは界面準位に起因するが、アニールによってバルク損傷によるリーク電流の影響も無視できない影響として区別して確認することができた
2021/3/30

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まとめ・今後の展望

PDDTEG2を用いてPDD構造のSOIピクセルセンサーに陽子線を照射し，リーク電流・SubMOSFET特性を測定した→サブスレショールドスイングSによって界面準位を，ミッドギャップ電圧VmidによってBOXチャージをモニタしたアニール測定によって界面準位とバルク損傷による成分を切り分け，定量的に評価することができた
BOXチャージの評価には移動度μの適切な推定が必要になるため今後解析を続ける
放射線の種類の違いによるリーク電流への影響を評価するために高崎でガンマ線照射を行う予定

2021/3/30

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