Interaction of ionizing radiation fields with integrated electronic components

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Modellierung von Strahlungseffekten in Halbleiterbauelementen. Der Strahlungstransport wird hierbei mit Hilfe von Monte Carlo Methoden im Sub-Mikrometerbereich untersucht. Diese Ergebnisse werden zur Berechnung des Ladungstransportes im Halbleiterbauelement verwendet. Werden Halbleiterbauelemente ionisierender Strahlung ausgesetzt, so kann eine Vielzahl an Schädigungsmechanismen auftreten, welche die Funktionsfähigkeit der Bauelemente beeinflusst. Die Modellierung von Strahleneffekten in definierten Strahlungsumgebungen ist von großem Interesse für die Halbleiterindustrie. Modelle, die bereits während der Designphase Strahleneffekte voraussagen oder zumindest abschätzen können haben einen großen Wert für den Hersteller, da eine Überarbeitung eines fertigen Bauteildesigns sehr zeitintensiv und mit großen Kosten verbunden ist. In dieser Doktorarbeit wird ein zwei-stufiger Modellierungsansatz untersucht. Dieser verwendet Monte Carlo Simulationstechniken die in einem zweiten Schritt mit Bauteilsimulation verknüpft werden. Hierbei werden ausgewählte Teststrukturen in Standardfeldern bestrahlt und die Veränderung elektrischer Eigenschaften dieser Bauelemente vermessen. Die Ergebnisse der Bestrahlungsexperimente dienen als Referenz für den Simulationsansatz. Mit Monte Carlo Methoden ist es möglich, die Wechselwirkung der einfallenden Strahlung mit der Teststruktur selbst zu untersuchen. Die verwendeten Monte Carlo Codes (z.B. FLUKA, Geant4) sind in der Lage den Strahlungstransport durch Materie zu berechnen. Dabei wird eine Vielzahl an Wechselwirkungsprozessen berücksichtigt sowie die Erzeugung von Sekundärteilchen beschrieben. Weiters ist es möglich, die auf den Halbleiter übertragene Energie zu berechnen, welche in sensitiven Bereichen des Bauteils deponiert wird. In dem zweiten Schritt wird eine Bauteilsimulation durchgeführt, welche die Ergebnisse der Monte Carlo Simulation in geeigneter Form als Startpunkt verwendet. Somit ist es möglich die Veränderung elektrischer Parameter der Teststrukturen direkt zu untersuchen und mit den Messergebnissen zu vergleichen. Die Arbeit wird in enger Zusammenarbeit mit der Halbleiterindustrie durchgeführt. Diese liefert die notwendigen Teststrukturen sowie die notwendigen Informationen über Geometrie und Dotierverteilungen. Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch die Austrian Research Centers und die Austrian Nano Initiative.

The aim of this work is to investigate and model radiation effects on semiconductor devices. Radiation transport is done by means of Monte Carlo methods in order to investigate energy deposition patterns in the sub micrometer range. The results of this step are used to calculate the charge transport within the device. When exposed to ionizing radiation semiconductor devices are vulnerable to a variety of damaging mechanisms. Modelling of damaging effects in specific radiation environments is of great interest to the semiconductor industry. Models being capable to predict or at least estimate radiation effects have big benefit since redesign of electronic components is time and cost consuming. Within the scope of this thesis a two-fold simulation approach is investigated using a combined approach of Monte Carlo methods and device simulation technique. Selected test structures are exposed to standard radiation fields and their response due to the incident irradiation is measured. This data serve as a reference for the modelling approach. Within the Monte Carlo simulation the interaction of the incident radiation with the semiconductor device is modelled. The used Monte Carlo Codes (e.g. FLUKA, Geant4) are capable of describing the radiation transport through matter including a comprehensive set of interaction mechanisms, production of secondary particles, and thus can calculate the deposited energy into the sensitive regions of the device in arbitrary radiation fields. In a second step the results of the Monte Carlo calculations are used as a starting point for the device simulation. With this tool the change of the electrical parameters of the device can be calculated and directly compared to the measurements. The work is done in close cooperation with the semiconductor industry that supplies the needed semiconductor test structures and also crucial information on the device geometry and doping concentration. This work has been financially supported by the Austrian Research Centers and the Austrian Nano Initiative.